微流控芯片快速混合器及其應(yīng)用研究.pdf

1、快速混合技術(shù)能夠促進(jìn)分子迅速接觸，從而促發(fā)生化反應(yīng)的進(jìn)行，被廣泛應(yīng)用于生物大分子折疊動(dòng)力學(xué)、酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、聚合物合成、納米顆粒合成等研究領(lǐng)域內(nèi)。伴隨微流控芯片技術(shù)的發(fā)展，微混合器逐漸成為實(shí)現(xiàn)溶液快速混合的主要方法之一。通過微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或外部能量引入的方式，研究者們將混合死時(shí)間減少到了毫秒甚至微秒級(jí)水平。人們根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)不同類型的微混合器，使其成為了微全分析和化學(xué)合成領(lǐng)域中的重要工具。
　　發(fā)展至今，微混合器在縮短混合時(shí)間和降

2、低樣品消耗上取得了重大進(jìn)步。然而，微混合器依然存在高粘度溶液混合難度大，非連續(xù)流混合器中溶液污染，主動(dòng)混合器加工復(fù)雜、操作復(fù)雜等諸多問題，限制了微混合器的應(yīng)用。因此，微流控芯片混合器需要呈現(xiàn)多元化發(fā)展，從而滿足科學(xué)實(shí)驗(yàn)的不同需求。本文針對(duì)高粘度溶液混合、非連續(xù)流混合和主動(dòng)混合方式設(shè)計(jì)了三種快速微混合器。主要研究結(jié)果如下：
　　首先，針對(duì)高粘度溶液混合，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種三維結(jié)構(gòu)的微混合器。該混合器由三個(gè)重復(fù)單元構(gòu)成，每個(gè)單元包含一個(gè)較

3、窄的“U”型通道和一個(gè)較寬并具備雙倍高度的混合腔室構(gòu)成。通過“U”型通道產(chǎn)生Dean流，促使溶液發(fā)生交叉流動(dòng)；當(dāng)流體流入寬度和高度迅速擴(kuò)展的混合腔室后，由于壓強(qiáng)迅速變化而產(chǎn)生了三維漩渦流。計(jì)算流體力學(xué)模擬和熒光素混合實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過122.4μs的混合死時(shí)間，水溶液與80％PEG200溶液（粘度為35.25 mPa?s）混合均勻。最后，我們通過標(biāo)記有FRET熒光探針的人類端粒 DNA序列的復(fù)性實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)到了 G四聚體在分子擁擠環(huán)境中的折疊

4、動(dòng)力學(xué)過程，并發(fā)現(xiàn)了其在150-550μs內(nèi)折疊動(dòng)力學(xué)新過程，證實(shí)了5’端未成鍵序列對(duì)四聚體折疊速率的抑制效應(yīng)。
　　其次，針對(duì)非連續(xù)流微混合器，我們?cè)O(shè)計(jì)了穩(wěn)定的氣液兩相液栓微混合器。通過構(gòu)建氣路進(jìn)樣裝置、材料表面改性和芯片通道的合理設(shè)計(jì)，我們?cè)赑DMS芯片內(nèi)設(shè)計(jì)了用于水溶液混合的液栓微混合器。注射泵將三路流體以3μL/min流速注入芯片通道內(nèi)，通過減壓閥將恒定氣壓氮?dú)馔ㄈ胄酒瑑?nèi)，在芯片內(nèi)“T”型結(jié)構(gòu)處形成穩(wěn)定液栓，其水溶液流經(jīng)蜿

5、蜒通道后，于1.71 ms內(nèi)混合均勻，不存在彌散效應(yīng)。我們通過辣根過氧化物酶催化魯米諾化學(xué)發(fā)光的反應(yīng)，檢測(cè)了其化學(xué)發(fā)光過程，證明了該氣液兩相液栓混合器能夠適用于含有復(fù)雜反應(yīng)物的生化反應(yīng)過程監(jiān)測(cè)和生化定量分析。
　　最后，鑒于超聲微束流被動(dòng)混合器中氣泡捕獲的難題，我們進(jìn)一步發(fā)展了氣液兩相液栓聲微束流混合器。通過前文構(gòu)建的氣液兩相液栓微混合器平臺(tái)，將超聲發(fā)生裝置與其整合。我們通過函數(shù)發(fā)生器輸出一定頻率與電壓的方波信號(hào)，利用壓電轉(zhuǎn)換器將

6、其轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，使其沿芯片基底玻璃表面?zhèn)鞑?。我們?cè)谖⑼ǖ纼?nèi)，發(fā)現(xiàn)了氣液通道交匯處氣液界面產(chǎn)生聲微束流這一新的方法。通過引入氣液兩相液栓流，不僅使其能夠連續(xù)存在穩(wěn)定氣液界面，而且液栓的擾動(dòng)加速了流體混合，另外還消除了連續(xù)流彌散效應(yīng)。加入一定頻率的超聲后，兩股質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的丙三醇溶液能夠在98 ms內(nèi)混合均勻。隨后，我們分析了其通道內(nèi)溶液混合在一定頻率信號(hào)下最強(qiáng)，混合強(qiáng)度伴隨輸出信號(hào)電壓強(qiáng)度增強(qiáng)而增強(qiáng)。
　　綜上所述，本文設(shè)計(jì)出