為什么我們需要進行微流體混合？

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展。微流控系統(tǒng)中的通道尺寸以微米為單位測量，而納米流體系統(tǒng)中的通道尺寸可以精確到納米級。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，樣品流動是非常層流的，而不是湍流，這與較小的雷諾數(shù)相對應(yīng)。因此，在這種層流中，兩種液體之間不會發(fā)生傳統(tǒng)的湍流混合。然而，可控和快速的混合對于微流控和芯片實驗室設(shè)備的后續(xù)實際開發(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散發(fā)生。當(dāng)然，增加液體之間混合的一種方法是增強樣品之間的擴散效果。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，以及接觸時間。這兩個概念都屬于所謂的被動式微流控混合，因為混合過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/和接觸時間。根據(jù)被動式微型混合器的類型，混合時間從幾十毫秒到數(shù)百毫秒不等(見表一)。

表一：不同無源微混合器性能對比表

T型和Y型微流控混合器

被動混合最簡單的方法之一是利用T型或Y型微通道來實現(xiàn)。它們由兩個入口和一個出口組成。在T型微混合器的情況下，帶有兩個混合樣品的兩個入口微通道彼此垂直流動(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，并且強烈地依賴于界面上發(fā)生的擴散過程。這就是為什么對于這種類型的攪拌機，混合時間相當(dāng)長。但是，可以通過改變流體的流量值來控制混合速度(減慢流量會降低混合速度，相反，在高流量時，混合時間會縮短)。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，這會產(chǎn)生額外的擾動(圖2.b)。

（a）

（b）

圖2：(A)T型被動式微流控混合器實例。流體1和流體2從兩個單獨的進氣口進入。在公共通道中流動時發(fā)生混合。(B)在混合通道中引入溝槽提高了混合效率，縮短了混合時間。

采用分層技術(shù)的微流體混合

另一種被動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(或更多)流體流分開，然后再次聚集為大量小流(圖3)。這允許增加流動之間的接觸面積。涉及的通道越多，混合速度就越快。對于每一個附加的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：將兩個流動(藍(lán)色和紅色)分成較小的流動，然后再分成更細(xì)的流動。擴散通過微通道之間的多個小瓶進行。

利用流動聚焦技術(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聚焦進行混合。流動聚焦微流控混合器的基本方案由三個入口微通道和一個中心出口通道組成(圖4a)。來自三個進水口的樣品在中央通道中平行流動。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，混合時間越短。要控制這樣的系統(tǒng)，需要對每個流進行獨立控制。為此，可以使用帶有多個壓力出口的流量控制系統(tǒng)。

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

有源微流控微混合器

另一個重要的混合類被稱為“主動”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。為了獲得主動混合方案，需要在微流控芯片中集成一些特定的機械換能器。為了實現(xiàn)主動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、磁場、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，所涉及的外力會對所研究的樣品產(chǎn)生影響。例如，使用超聲波可能會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)確地使用對外部擾動和溫度變化敏感的生物樣本。至于“被動”混合，混合時間和有效混合區(qū)長度因主動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方法和被動方法的結(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比表

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

電動有源微型混合器。
在電動主動混合的情況下，流體混合是通過電場的漲落來激活的。電場起伏引起的動電不穩(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：電動有源微型混合器的示意圖模型

超聲主動微流控混合

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)動側(cè)壁捕獲微氣泡的微流控混合器示意圖