阅读说明：本技术 一种基于液晶绕流空化的微混合器及其单、多级混合系统 (Micro mixer based on liquid crystal streaming cavitation and single-stage and multi-stage mixing system thereof ) 是由 于佳佳 黄利 李杭蔚 李友荣 李谷元 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于液晶绕流空化的微混合器及其单、多级混合系统,属于微流控技术领域。微型混合器包括样品试剂入口、混合主通道、钝体、基底和液晶；所述样品试剂入口、混合主通道和钝体设置于基底上方；液晶为微通道内化学反应或生物检测所需化学试剂、微生物等样品的载体,携带不同化学试剂、微生物等样品的液晶从不同样品试剂入口流入,进入并沿混合主通道方向流动,流经钝体发生绕流空化,利用空化非定常流动特性实现样品的充分混合。本发明利用液晶在Stokes流动区域发生绕流空化来增强液晶所携带样品之间的掺混,从而达到低Reynolds数下样品充分混合的效果,实现在简单的微小槽道内依靠最基本的实验设备高效地完成化学反应或生物检测。(The invention relates to a micro mixer based on liquid crystal streaming cavitation and a single-stage and multi-stage mixing system thereof, belonging to the technical field of micro flow control. The micro mixer comprises a sample reagent inlet, a mixing main channel, a blunt body, a substrate and liquid crystals; the sample reagent inlet, the mixing main channel and the blunt body are arranged above the substrate; the liquid crystal is a carrier of samples such as chemical reagents, microorganisms and the like required by chemical reaction or biological detection in the micro-channel, the liquid crystal carrying the samples such as different chemical reagents, microorganisms and the like flows in from the inlets of the different reagents and flows along the direction of the mixing main channel, flows through the blunt body to generate streaming cavitation, and the samples are fully mixed by utilizing the cavitation unsteady flow characteristic. The invention utilizes the streaming cavitation of the liquid crystal in the Stokes flow area to enhance the mixing of samples carried by the liquid crystal, thereby achieving the effect of fully mixing the samples under the low Reynolds number and realizing the high-efficiency completion of chemical reaction or biological detection in a simple micro channel by means of the most basic experimental equipment.)

一种基于液晶绕流空化的微混合器及其单、多级混合系统

技术领域

本发明属于微流控技术领域，涉及一种基于液晶绕流空化的微混合器及其单、多级混合系统。

背景技术

微流控芯片是采用微机电系统技术将传统的生物、化学等实验室集成到一块小芯片上，实现进样、稀释、混合、反应和检测等多种功能，又被称为芯片实验室。微流控芯片具有微型化、集成化和便携化等优势，近年来社会对现场即时检测微流控芯片的需求出现了井喷式增长，尤其在应对新冠肺炎疫情的关键时刻。微流控芯片领域的竞争主要体现在流体操控机理和方法上。微尺度流动典型特征是流动的Reynolds(Re)数较小，流动处于层流区，分层不掺混的流动导致微流控芯片内样品(化学试剂和微生物等)混合困难，从而影响了微流控芯片内化学或生物反应。因此，微混合是微尺度下流体操控的核心之一，是衡量微流控芯片技术的重要指标。

微通道内设钝体是一种基于混沌效应的被动混合方式，利用钝体产生绕流来改变流线形式，增强各流层间的掺混，获得较好的混合效果。与分层复合式、注入式等形式的被动混合相比，内设钝体被动混合具有结构简单、加工和集成化难度低、易于操作等优势，但其适用条件极为苛刻(要求Re＞150)。与磁力搅拌、电场促进等形式的主动混合相比，内设钝体被动混合具备所需设备简单、成本低廉以及无外场干扰等优点，但其混合效率相对较低。由此可见，内设钝体被动混合的优势明显，但其适用条件苛刻和混合效率相对较低两大问题也不容忽视。

本发明是以液晶为微通道内化学反应或生物检测所需化学试剂、微生物等样品的载体，携带不同化学试剂、微生物等样品的液晶从不同样品试剂入口流入，进入并沿混合主通道方向流动，流经钝体发生绕流空化，利用在极低Re数(Re<<1)下微小槽道内液晶绕流空化及其流动特性来实现化学试剂、微生物等样品的高效混合，从而为微尺度下流体高效混合提供一条新的途径，最终实现在简单的微小槽道内依靠最基本的实验设备高效地完成复杂的化学反应或生物检测，显著地减小分析检测的工作量及相关成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于液晶绕流空化的微混合器及其单、多级混合系统，针对现有混合技术存在的结构复杂、成本较高、层流混合效率低、操作复杂，加工和集成化难度大等问题，本发明创造性地利用液晶作为混合生物、化学试剂的载体，通过在微通道内设钝体，诱导混合试剂产生空化，混合试剂在空化域的不定常流动可以有效提升混合效率，整套装置结构简单，成本低廉。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于液晶绕流空化的微混合器，该微混合器包括样品试剂入口、混合主通道、钝体、基底和液晶；

所述样品试剂入口、混合主通道和绕流钝体设置于基底上方；

所述样品试剂入口具有2个以上并列入口，并列入口的末端均与混合主通道相连接；

所述钝体置于混合主通道内；

所述液晶为化学反应或生物检测所需化学试剂和微生物样品的载体，携带不同样品的液晶从不同样品试剂入口流入混合主通道，沿混合主通道方向流动，流经钝体发生绕流空化，实现混合后发生化学反应或生物检测。

可选的，所述样品试剂入口、混合主通道和钝体均采用聚二甲硅氧烷PDMS材料制成。

可选的，所述基底由玻璃材料制成。

可选的，所述钝体为置于主通道内的柱体。

可选的，所述钝体为同一几何柱体的阵列。

可选的，所述钝体为不同几何柱体的阵列。

可选的，所述液晶对于疏水性的化学试剂或微生物的样品，采用有机小分子液晶作为其载体；所述液晶对于亲水性的化学试剂或微生物的样品，采用水溶性液晶作为其载体。

可选的，所述微通道内包含若干上下并列叠加或左右并列叠加的子通道，形成多通道微混合器。

基于所述微混合器的单级混合系统，所述单级混合系统还包括单级微混合器。

基于所述微混合器的多级混合系统，所述多级混合系统还包括若干串联、并联或串并联混合的微混合器。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所述微混合器及其单、多级混合系统的结构简单，加工难度低，仅需要液晶材料、钝体和微通道即可实现高效混合。

2、本发明所述微混合器及其单、多级混合系统制造成本较低，成本主要集中在液晶材料上，在市场上容易购买到多种液晶且价格较低。

3、本发明所述微混合器及其单、多级混合系统混合效果好，在极低Re数下混合效果远胜于现有分层复合式、注入式等内设钝体被动混合器，符合微尺度流体流动Re数小的典型特征。

4、本发明所述微混合器及其单、多级混合系统使用条件简单，能实现极低Re数下高效混合，无需主动式混合中的磁场、电场发生器，无需满足被动式混合中苛刻的Re数要求(Re＞150)，适合微流控芯片。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为实施例一基于液晶绕流空化的微混合器结构示意图；

图2为微小槽道内向列相5CB液晶Stokes绕流空化随时间演变图；

图3为微小槽道内向列向5CB液晶Stokes绕流空化涡胞扰动图；

图4为不同几何结构钝体的单级混合器示意图；

图5为相同几何结构钝体阵列单级混合器示意图；

图6为不同几何结构钝体阵列单级混合器示意图；

图7为单级多通道微混合器并联截面示意图；

图8为多级多通道串联微混合器截面示意图。

附图标记：1-绕流钝体，2-基底，3-混合主通道，A-样品试剂入口一、B-样品试剂入口二，C-样品试剂出口三。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

如图1所示的一种基于液晶绕流空化实现的微流体单级高效混合器，包括样品试剂入口一A和样品试剂入口二B、混合主通道3、设置在混合主通道3下方的基底2、设置于混合主通道3内并可沿通道方向流动的液晶载体、设置于混合主通道3中的绕流钝体1以及样品试剂出口三C。

使用时，携带化学试剂、微生物等样品的液晶载体在微泵的驱动下，样品一和样品二分别于样品试剂入口一A和样品试剂入口二B进入混合主通道3。微泵可以调节混合过程流体的速度，速度的大小会直接影响空化效果。当液晶载体为向列相5CB时，微小槽道内向列相5CB液晶发生绕流空化的临界Re数为(2.6±0.3)×10^-3，远远小于传统被动式混合时Re数需求，即Re>150，如图2所示。当微小槽道内向列相5CB液晶发生绕流空化时，其钝体后方将会产生无规则的涡胞扰动，强化混合效果，如图3所示。微通道内化学反应或生物检测所需化学试剂、微生物等样品在向列相液晶绕流空化强化扰动作用下，加强流体混合，使化学试剂、微生物等样品的掺混更充分。

实施案例二

不同成分、含量的化学试剂、微生物等样品检测须要的掺混效果要求不同。为此，本发明可以根据改变钝体来达到更快速，更准确的检测要求。一般情况下，检测难度低，受检化学试剂、微生物等样品量足够，单一柱体的掺混效果就可以实现准确检测。如图4所示，随着检测难度增大，精度要求提高，可以改变柱体的形状以及尺寸增强掺混效果，达到检测目的。在实际检测中，当圆柱的掺混效果不足以满足检测需要，可以用三棱柱钝体来提升掺混效果。但是三棱柱钝体混合微通道的加工难度与成本会更高。当单柱钝体掺混效果无法满足更高精度化学试剂、微生物等样品检测要求时，本发明的钝体可以设置为多个相同几何结构钝体阵列，如图5所示。为进一步提高掺混效果，还可以将相同几何结构钝体阵列设置为不同几何结构钝体阵列，如图6所示。

实施例三

对于本发明所述微混合器，由于不需要外加电场、磁场，具有结构简单小巧，易于集成，便于携带等优点，运用场景很广。在新冠疫情中核酸检测中，受检人多，检测量大，需要进行多次、量大的一级混合，相同情况也会出现在食品安全的检测中。对于重复、量大的混合需求，可以对单一级混合器进行并联集成，多线进行掺混检测，可以极大提高检测效率，节约检测的成本和时间，如图7所示。在一些化学试剂、微生物等样品的检测中，有时候要对混合后的二级产物进行检测，则需要对多种化学试剂、微生物等样品进行多级混合，如图8所示，一般情况下，二级产物检测难度相对于一级产物更高，所以需要更好的掺混效果，所以需要掺混效果逐级增强。基于实施例三，可以实现逐级提升掺混效果。

实施例四

在化学试剂、微生物等样品的检测中，疏水的受检样品，例如脂质，应采用5CB、MBBA等有机小分子液晶作为载体；亲水的受检样品，如尿液，应采用SSY、DSCG等水溶性液晶作为载体，如表1所示。

表1常见载体液晶

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。