施加温度偏场的交流电热微流体混合器及方法.pdf

本发明提供一种交流电热流微混合方法，具体为：在交流电热流微混合腔的外壁施加温度差，使得交流电热流微混合腔内产生温度梯度，从而促进混合腔内的溶液混合。本发明还提供一种交流电热流微混合器，包括至少两条液体入口微通道、一条液体出口微通道和电极对，液体入口微通道和液体出口微通道汇聚于同一处形成交流电热流微混合腔，电极对设置在交流电热流微混合腔内，两条液体通道或加热器设置在交流电热流微混合腔外壁。本发明通过额外施加的外部温度差使得交流电热流微混合腔内部产生温度梯度，促进混合腔内的液体混合，提高电热流对待混合液体的混合效果，放宽对溶液电导率、电压大小和频率的要求。

权利要求书
1.  一种交流电热流微混合方法，其特征在于，该方法具体为：在交流 电热流微混合腔的外壁施加温度差，使得交流电热流微混合腔内产生温度 梯度，从而促进混合腔内的溶液混合。

2.  一种交流电热流微混合器，包括至少两条液体入口微通道、一条液 体出口微通道和电极对，液体入口微通道和液体出口微通道汇聚于同一处 形成交流电热流微混合腔，电极对设置在交流电热流微混合腔内，其特征 在于，还包括两条液体通道，对称设置在交流电热流微混合腔外壁两侧， 用于通入具有温度差的液体以在混合腔的外壁两侧产生温度差，外壁温度 差驱使交流电热流微混合腔内部产生温度偏场，从而促进混合腔内的溶液 混合。

3.  一种交流电热流微混合器，包括至少两条液体入口微通道、一条液 体出口微通道和电极对，液体入口微通道和液体出口微通道汇聚于同一处 形成交流电热流微混合腔，电极对设置在交流电热流微混合腔底部，其特 征在于，还包括加热器，设置在交流电热流微混合腔外壁的底部或者侧面， 通过加热器产热使得交流电热流微混合腔内部产生温度偏场，从而促进混 合腔内的液体混合。

4.  根据权利要求3所述的交流电热流微混合器，其特征在于，还包括 设置在所述电极对与加热器之间的电场隔离层，用于防止电阻加热器产生 的电场干扰电极对产生的电场。

5.  根据权利要求3或4所述的交流电热流微混合器，其特征在于，所 述加热器为导电器件。

说明书施加温度偏场的交流电热微流体混合器及方法
技术领域
本发明涉及微混合技术领域，具体涉及一种通过施加温度偏场提高混 合效果的交流电热微混合器及方法。
背景技术
在生物芯片系统中，微混合器已经成为微流控系芯片中的重要组成部 分之一。一些要求快速反应的生物溶液过程，如DNA杂交、细胞激活、酶 反应、蛋白质折叠等不可避免地涉及到反应物的混合。
近年来电热效应现象逐渐发展为微流控装置和生物芯片系统中常见的 主动式微混合技术。电热效应现象可以产生混沌对流效应，从而增加不同 液体的接触面，有效提高液体的混合效率。因此交流电热微混合器具有良 好的应用前景。
电热效应现象主要是由温差梯度造成的，微通道内产生纵向和径向的 温度梯度会导致流体性质的改变，如电解液的介电常数和电导率等。这些 物理性质的改变反过来会通过它们与电场的相互作用从而影响流体的运 动，进而产生电热流动。电热效应强度与溶液的电导率、电压以及其液体 内部的温度梯度相关。一般的交流电热现象的微混合器包含有一条用于混 合的通道和一对与交流电源的两极连接的底面电极，其特征在于电极的结 构可以设计成不同形状。但是目前利用交流电热现象原理的微混合器，虽 均能产生混合效果，但是对溶液的电导率、电压的要求较为苛刻。过高的 电压会使得微通道内产生气泡或者导致通道内生物流体失去活性，而过低 的电压混合效果无法达到。过高的电导率会导致微混合器内温度急剧升高 而导致通道壁面变形或者生物流体的活性降低，而过低的电导率时电热微 混合器混合效果不佳。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种交流电热微 混合器及方法，其目的在于，通过外加温度差使得电热流混合器微通道内 产生温度偏场，提高电热流对待混合液体的混合效果，从而放宽对溶液电 导率、电压大小和频率的要求，解决了在较低的电压下电热微混合器混合 效果不佳的技术问题。
本发明提供了一种交流电热流微混合方法，在交流电热流微混合腔的 外壁施加温度差，使得交流电热流微混合腔内产生温度梯度，从而促进混 合腔内的溶液混合。
本发明方法通过额外施加的外部温度差或者设置的加热器从而使得交 流电热流微混合腔内部产生温度梯度，促进混合腔内的液体混合，提高电 热流对待混合液体的混合效果，放宽对溶液电导率、电压大小和频率的要 求。
为了实现上述方法，本发明提供了一种交流电热流微混合器，包括至 少两条液体入口微通道、一条液体出口微通道和电极对，液体入口微通道 和液体出口微通道汇聚于同一处形成交流电热流微混合腔，电极对设置在 交流电热流微混合腔内，其特征在于，还包括两条液体通道，对称设置在 交流电热流微混合腔外壁两侧，用于通入具有温度差的液体以在混合腔的 外部两侧产生温度差，外部温度差驱使交流电热流微混合腔内部产生温度 梯度，从而促进混合腔内的溶液混合。
所述微通道材料采用PDMS、PMMA、硅或玻璃。所述导电材料采用金、 铂和铜等金属。所述液体采用水、油或者有机溶液。
上述交流电热流微混合器的实现方式具有加工难度低、温控简单和混 合效果明显的有益技术效果。
为了实现上述方法，本发明还提供了一种交流电热流微混合器，包括 至少两条液体入口微通道、一条液体出口微通道和电极对，液体入口微通 道和液体出口微通道汇聚于同一处形成交流电热流微混合腔，电极对设置 在交流电热流微混合腔底部，其特征在于，还包括加热器，对称设置在交 流电热流微混合腔外壁，通过加热器产热使得交流电热流微混合腔内部产 生非均匀温度场，从而促进混合腔内的液体混合。
所述加热器的位置不受限制，可以是流动腔底部或者顶部，也可以是 流动腔的侧壁。所述加热器采用氧化铟锡(ITO)等导电氧化物薄膜或其他 电阻较大的导电材料，两端外接直流电或者交流电源。
上述交流电热流微混合器的实现方式具有温控容易和和混合效果明显 的有益技术效果。
附图说明
图1是依靠两侧各设置有不同温度的液体通道的电热流微混合器的俯 视图；
图2是截面A-A结构示意图；
图3是电极形状示意图；
图4是设置有电阻加热器以提高混合效率的交流电热流微混合器的俯 视图；
图5是截面B-B结构示意图；
图6是截面C-C结构示意图；
图7为仿真实验的几何模型图；
图8为仿真实验的微混合器的各截面上浓度分布结果示意图，图8(a) 为未施加温度梯度的浓度示意图，图8(b)为施加温度梯度的浓度示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。
实施方式一：通过外部温度差提高混合效果的交流电热微混合器
如图1所示,两侧各设置有恒温液体通道的微混合器包括1条用于混 合溶液的Y型流动腔和2条通有恒温流体的U型液体通道,流动腔的四壁采 用常见的微通道材料，材料的选择不受限制。Y型流动腔的三微通道连通处 形成交流电热流微混合腔，混合腔室底部安放有一电极,电极位置为图1所 示,位于两溶液交汇后之后的位置，电极材料为导电材料，电极的形状不受 限制，该两电极间接有第一交流电压。Y型流动腔两侧分别设置一个通有连 续流动的恒温液体的U型通道A和通道B。
溶液A通过注射泵从入口1进入通道4，溶液B从入口2进入流动腔5， 流动腔4和流动腔5交汇合并成流动腔6，溶液A和溶液B在流动腔6中进 行混合并从出口3流出。液体C通过蠕动泵从入口7进入流动腔9，并从出 口8流出。液体D通过蠕动泵从入口10进入流动腔12，并从出口11流出。 液体C和液体D两者温度不相同。电极13和14提供电热效应所需的交流 电压。
图2为通道的图1中A-A横截面的示意图。盖板15的材料为PDMS，基 底16的材料为玻璃。通道横截面6内充满待混合溶液的微通道，9与12分 别内通有连续流动的恒温流体A(20℃)和恒温流体B(30℃)，两者温度 可以分别控制并且两者内的温度不相等。图3为通道底面加工有微电极图。
通过改变通道横截面9与12之间的温度差，使得横截面6内在宽度方 向产生加温度梯度，从而增强电热流动，达到增强微通道中溶液混合效果 的目的。
实施方式二：设有电阻加热器以提高混合效率的交流电热流微混合器
如图4所示,溶液A通过注射泵从入口1进入通道4，溶液B从入口2 进入流动腔5，流动腔4和流动腔5交汇合并成流动腔6，溶液A和溶液B 在流动腔6中进行混合并从出口3流出。图5为图4中B-B横截面图，电 极13和14提供电热效应所需的交流电压。图5为图4中C-C纵截面图， 电阻加热器17提供额外的温度梯度，电极13和电极14与电阻加热器17 之间有一层1微米厚的二氧化硅绝缘层作为电场隔离层，防止电阻加热器 产生的电场干扰电极13和和电极14产生的电场。电阻加热器17两端加载 有直流电压，通过控制电阻加热器17两端的电压，使得电阻加热器进行发 热，使得通道内产生额外的温度梯度，以达到提高电热效应的目的，提高 混合效果。
热源不局限于上述方式，通过在混合腔外部施加各种形式的热源，使 其混合腔内部产生非均匀温度梯度和温度场即可。
实例：
使用COMSOL Multiphysics 4.3a对通过外部温度差提高混合效果的交 流电热微混合器进行数值模拟，将流场、电场和温度梯度的控制方程和其 边界条件编码到软件中进行计算，建立使用带有拉格朗日二次型函数的三 角单元离散3D模型，计算域内的通道长600μm，高50μm，宽100μm，如 图7所示。图4为底面交流电极的设计图。如图5，总共在3D模型上产生 了355460个四面体非结构网格，用有限元方法将其耦合并数值求解。收敛 性研究表明此时解不随网格加密变化。使用软件求解代数方程组并重复迭 代过程直到两个连续的迭代步骤之间的绝对容差小于规定数值(在本仿真 中取0.001)为止。交流电压采用频率为107Hz，均方根电压为7V，电导率 为0.1S/m的条件。讨论微通道内通道宽度方向上有温差的情况，在通道侧 壁上分别设置固定温度为293K和303K。由于交流电极本身通电后能产生少 量的焦耳热，假设底部交流电极表面边界为固定温度298K。在通道入口设 置浓度边界条件，入口边界左半部分局域设置浓度C1in＝1，入口边界右半部 分局域设置浓度边界条件C2in＝0。通道入口为速度边界条件，入口速度为 200μm/s。
图8为微混合器的各截面上浓度分布，a是考虑电热作用，无外部温度 梯度；b是考虑电热效应，有外部温度梯度。由浓度分布结果可以看出，浓 度的分布与对应流线的形态紧密相关。外加温度梯度之后，两种溶液的接 触面增大，溶液混合的效果提高。外置温度梯度之后，在通道横截面上的 两液体由于流动的不对称性而产生不对称混合，接触面积增大，在图中可 以看出施加外置温度梯度之后混合更充分。
评估通道出口处截面上的混合效率的计算公式为：
η = [ 1 - ∫ ∫ S | C - C ∞ | dydz ∫ ∫ S | C 0 - C ∞ | dydz ] × 100 % ]]>
其中C为出口截面上的浓度分布，C∞为完全混合均匀时的浓度，取值为 0.5，C0为未混合的浓度取值为0。无外加温度梯度情况下混合效率为 61.0％，两侧有外加温度梯度条件下混合效率为99.4％，结果表明在温度差 有利于混合效率的提高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，例如本发明实例选用的Y型微混合器，不局限于此， 含有多个入口通道的混合器皆适用本发明。凡在本发明的精神和原则之内 所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。