為什么我們需要進(jìn)行微流體混合？

微流控器件的活躍發(fā)展和完善，使其在生物醫(yī)學(xué)診斷研究、微流控和納米流控生物傳感器的開發(fā)、DNA分析、化學(xué)合成和基因組研究等方面取得了重大進(jìn)展。微流控系統(tǒng)中的通道尺寸以微米為單位測(cè)量，而納米流體系統(tǒng)中的通道尺寸可以精確到納米級(jí)。這可以顯著降低表面與體積的比率，從而減少樣品/試劑的消耗，并獲得緊湊的器件。

然而，在這種小型化的通道中，樣品流動(dòng)是非常層流的，而不是湍流，這與較小的雷諾數(shù)相對(duì)應(yīng)。因此，在這種層流中，兩種液體之間不會(huì)發(fā)生傳統(tǒng)的湍流混合。然而，可控和快速的混合對(duì)于微流控和芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的后續(xù)實(shí)際開發(fā)至關(guān)重要，這些設(shè)備通常用于涉及許多試劑和樣品的分析。這就是為什么不同的研究小組開發(fā)和研究了不同的微流控混合技術(shù)。

微流控器件中的無源微混合器

在層流中，混合只能通過分子擴(kuò)散發(fā)生。當(dāng)然，增加液體之間混合的一種方法是增強(qiáng)樣品之間的擴(kuò)散效果。為此，樣品可以流經(jīng)包含在微流控芯片中的各種孔，或者樣品可以在多個(gè)較小的通道之間分離。
另一種方法是增加混合試劑之間的接觸面積，以及接觸時(shí)間。這兩個(gè)概念都屬于所謂的被動(dòng)式微流控混合，因?yàn)榛旌线^程中不涉及任何活性元素。在這種情況下，通道幾何形狀的設(shè)計(jì)能夠增加混合過程中涉及的試劑之間的接觸面積或/和接觸時(shí)間。根據(jù)被動(dòng)式微型混合器的類型，混合時(shí)間從幾十毫秒到數(shù)百毫秒不等(見表一)。

表一：不同無源微混合器性能對(duì)比表

T型和Y型微流控混合器

被動(dòng)混合最簡(jiǎn)單的方法之一是利用T型或Y型微通道來實(shí)現(xiàn)。它們由兩個(gè)入口和一個(gè)出口組成。在T型微混合器的情況下，帶有兩個(gè)混合樣品的兩個(gè)入口微通道彼此垂直流動(dòng)(圖2.a)，并且在T型微流體混合器的情況下，它們以一定的角度放置。經(jīng)典的混合發(fā)生在兩種流體之間的接觸面上，并且強(qiáng)烈地依賴于界面上發(fā)生的擴(kuò)散過程。這就是為什么對(duì)于這種類型的攪拌機(jī)，混合時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)。但是，可以通過改變流體的流量值來控制混合速度(減慢流量會(huì)降低混合速度，相反，在高流量時(shí)，混合時(shí)間會(huì)縮短)。在混合通道中增加一些障礙物和障礙物可以提高混合效率，這會(huì)產(chǎn)生額外的擾動(dòng)(圖2.b)。

（a）

（b）

圖2：(A)T型被動(dòng)式微流控混合器實(shí)例。流體1和流體2從兩個(gè)單獨(dú)的進(jìn)氣口進(jìn)入。在公共通道中流動(dòng)時(shí)發(fā)生混合。(B)在混合通道中引入溝槽提高了混合效率，縮短了混合時(shí)間。

采用分層技術(shù)的微流體混合

另一種被動(dòng)混合的方法是疊層方法。它需要在微流控芯片中創(chuàng)建大量細(xì)小的平行通道。將兩個(gè)(或更多)流體流分開，然后再次聚集為大量小流(圖3)。這允許增加流動(dòng)之間的接觸面積。涉及的通道越多，混合速度就越快。對(duì)于每一個(gè)附加的n分流毛細(xì)管，微流控混合器的混合速度要快n^2倍。

圖3：棋盤式微混合器示意圖：將兩個(gè)流動(dòng)(藍(lán)色和紅色)分成較小的流動(dòng)，然后再分成更細(xì)的流動(dòng)。擴(kuò)散通過微通道之間的多個(gè)小瓶進(jìn)行。

利用流動(dòng)聚焦技術(shù)的微流控混合

混合路徑是影響混合效率的重要參數(shù)之一。它越短，微流控混合器就越緊湊。因此，將更容易集成到微流控芯片的總體方案中。減少混合道次的方法之一是通過流動(dòng)聚焦進(jìn)行混合。流動(dòng)聚焦微流控混合器的基本方案由三個(gè)入口微通道和一個(gè)中心出口通道組成(圖4a)。來自三個(gè)進(jìn)水口的樣品在中央通道中平行流動(dòng)。因此，來自中間入口(聚焦流)的流體被來自側(cè)通道(鞘流)的流體所包圍。然后，通過調(diào)節(jié)鞘流流量來控制中心流的寬度。因此，中心流參數(shù)取決于內(nèi)部和外部流之間的流量比(圖4b)。流量差越大，聚焦流越稀薄，混合時(shí)間越短。要控制這樣的系統(tǒng)，需要對(duì)每個(gè)流進(jìn)行獨(dú)立控制。為此，可以使用帶有多個(gè)壓力出口的流量控制系統(tǒng)。

圖4：(A)流體動(dòng)力聚焦微流混合器示意圖。(B)實(shí)例a-b顯示側(cè)流流量對(duì)中心流寬度的影響

有源微流控微混合器

另一個(gè)重要的混合類被稱為“主動(dòng)”混合。在這種情況下，通過施加到樣品的外力來提高混合效率。為了獲得主動(dòng)混合方案，需要在微流控芯片中集成一些特定的機(jī)械換能器。為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的流體混合并影響混合過程，可以涉及不同的物理現(xiàn)象：聲波、壓力擾動(dòng)、磁場(chǎng)、熱方法。例如，混合區(qū)中聲波的產(chǎn)生增加了樣品之間的相互融合。然而，所涉及的外力會(huì)對(duì)所研究的樣品產(chǎn)生影響。例如，使用超聲波可能會(huì)引起不可忽視的樣品加熱，然后可能導(dǎo)致混合樣品之間發(fā)生不希望看到的或沉淀的反應(yīng)。在空間上，必須非常準(zhǔn)確地使用對(duì)外部擾動(dòng)和溫度變化敏感的生物樣本。至于“被動(dòng)”混合，混合時(shí)間和有效混合區(qū)長(zhǎng)度因主動(dòng)式微流控混合器類型而異(見表二)。然而，混合效率可以通過主動(dòng)方法和被動(dòng)方法的結(jié)合來提高，從而產(chǎn)生復(fù)雜的通道幾何形狀。

表二：不同活性微混合器性能對(duì)比表

利用壓力場(chǎng)擾動(dòng)進(jìn)行混合。
在層流流動(dòng)中產(chǎn)生局部不規(guī)則性的一種方法是操縱通道內(nèi)的壓力場(chǎng)分布。例如，它可以通過在微芯片內(nèi)集成微泵來實(shí)現(xiàn)，這些微泵可以交替地推動(dòng)和停止流動(dòng)。此外，混合流體流量的突然變化也可用于有效混合。格拉斯哥的一個(gè)研究小組注意到的重要一點(diǎn)是，如果兩個(gè)流量以180°相移的方式變化，并且彼此垂直，混合效率就會(huì)增加。

電動(dòng)有源微型混合器。
在電動(dòng)主動(dòng)混合的情況下，流體混合是通過電場(chǎng)的漲落來激活的。電場(chǎng)起伏引起的動(dòng)電不穩(wěn)定性導(dǎo)致了混合樣品在界面處的局部壓縮和拉伸。然而，這種方法需要具有不同導(dǎo)電率的流體。

圖5：電動(dòng)有源微型混合器的示意圖模型

超聲主動(dòng)微流控混合

超聲波的傳播引起了樣品液體的攪拌。為此，將壓電陶瓷換能器集成到微流控芯片中。產(chǎn)生的聲波導(dǎo)致流體在垂直于流動(dòng)方向的方向上混合。為了提高混合效率，可以增加暴露在聲波中的表面，例如通過在混合區(qū)中引入小氣泡

圖6：基于聲驅(qū)動(dòng)側(cè)壁捕獲微氣泡的微流控混合器示意圖