基于微流控理論的微混合器傳輸過(guò)程的數(shù)值研究.pdf

1、微混合器是指結(jié)構(gòu)尺寸在10-300微米范圍內(nèi)的微器件，一般用來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)混合、進(jìn)樣、處理等微過(guò)程，其混合能力決定整個(gè)微芯片性能的優(yōu)劣。冷凍電子顯微鏡的一個(gè)典型應(yīng)用是微混合進(jìn)樣。為了觀察更小、更完整的分子級(jí)結(jié)構(gòu)，需要在毫秒級(jí)甚至是微秒級(jí)的時(shí)間維度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)分子級(jí)的均勻無(wú)序冰態(tài)分布。因此，如何在微混合器內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速、高效、穩(wěn)定的混合是混合微芯片未來(lái)的研究方向之一。
　　本文對(duì)微混合器的當(dāng)前發(fā)展進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，研究了微尺度下流體流動(dòng)

2、與混合的相關(guān)機(jī)理，基于連續(xù)性理論、對(duì)流擴(kuò)散和動(dòng)電效應(yīng)等傳輸理論，分別建立了壓力驅(qū)動(dòng)與電滲驅(qū)動(dòng)的微混合過(guò)程數(shù)學(xué)模型。
　　建立了蝴蝶型分合式微混合器的物理模型，并通過(guò)流場(chǎng)分析軟件對(duì)其傳輸過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的分析，通過(guò)對(duì)比得出40μm為該混合器的最佳深度。通過(guò)分析不同Re數(shù)下微混合器的混合度可以得出，蝴蝶型微混合器的主要混合手段是對(duì)流而非擴(kuò)散。隨著流量的增大，微混合器的混合度不斷提高，混合時(shí)間逐漸減少，并且混合時(shí)間在1μL/s時(shí)是6μL/s

3、的4倍左右，但混合時(shí)間減少的速度要低于流量增加的速度。
　　建立了魚(yú)骨型微混合器的物理模型，對(duì)不同驅(qū)動(dòng)方式、不同流量、不同Re、不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)和不同混合部位的流場(chǎng)分布、濃度變化和混合度進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析，最后通過(guò)玻璃微混合芯片的熒光觀測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)比對(duì)。結(jié)果表明，在壓力驅(qū)動(dòng)和電滲驅(qū)動(dòng)的條件下，魚(yú)骨結(jié)構(gòu)使得混合效率出現(xiàn)較大提升，通過(guò)計(jì)算得到了不同流量、不同混合單元的混沌增強(qiáng)效果圖，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符;同時(shí)，在相同流量的條件下，電滲驅(qū)