微觀尺度的流體混合

什么是流體混合?

流體混合是工業(yè)過程中的一種組合操作，它涉及處理不均勻的物理(氣體或液體)系統(tǒng)，使其更加均勻。例如，流體混合被用來增強單個系統(tǒng)的不同組件之間的熱和/或質(zhì)傳遞。
流體混合可以理解為將一種不相容的液體混合到另一種不相容的液體中。例如，在制造乳劑(油中的水或水中的油)時。
流體混合也可能意味著氣體進入液體中。例如，當以高剪切速率將氣體注入含有肥皂的溶液中而產(chǎn)生泡沫時。

是什么驅(qū)動流體在微尺度上混合？

流體在微觀尺度上的混合行為與在宏觀尺度上的表現(xiàn)截然不同。事實上，在這種尺度下，擴散占主導(dǎo)地位，除非受到水力梯度的強迫，否則不會發(fā)生正常平流。
擴散是一種緩慢的機制。因此，許多研究人員都在尋找增強流體混合的方法，并創(chuàng)造了微流控微混合器。
為了評估混合效率和混合過程中的主要機制，通常使用一個稱為Peclet數(shù)(Pe)的無量綱數(shù)-它描述平流與擴散的比率。對于Pe>1，平流起主導(dǎo)作用；當Pe<1時，擴散起主導(dǎo)作用。

Pe =(流速×混合路徑)/擴散系數(shù)

微流控器件的積極發(fā)展和改進已經(jīng)在從生物醫(yī)學(xué)診斷研究、微型微流控和納米流控生物傳感器的開發(fā)、DNA分析、化學(xué)合成到基因組學(xué)研究等各個工程應(yīng)用領(lǐng)域取得了巨大進展。

實際上，微流體系統(tǒng)中的通道尺寸是以微米為單位測量的。這使得作業(yè)者大幅減少樣品/試劑的消耗，這是許多應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要優(yōu)勢。

如何在微觀尺度下實現(xiàn)流體混合?

微尺度下的樣品流動為層流，對應(yīng)的雷諾數(shù)較小。因此，在這樣的層流中，兩種液體之間不能發(fā)生傳統(tǒng)的湍流混合。然而，可控和快速的混合對于許多應(yīng)用領(lǐng)域是至關(guān)重要的，這導(dǎo)致了許多后續(xù)實際發(fā)展的微流控和芯片上實驗室裝置，通常用于涉及許多試劑和樣品的分析。

研究人員發(fā)現(xiàn)了許多微流體技術(shù)來增強混合，從使用Y結(jié)和T結(jié)裝置，三向交叉和設(shè)計，兩種流體之間的界面面積增強到扭轉(zhuǎn)通道(多層、環(huán)狀、波狀)，迫使兩種流體混合。

微流體蛇形混合器在微流體裝置中的實例

在過去的二十年里，各種微流體混合器得到了發(fā)展。微流體混合器分為兩類:被動和主動流體混合器。

具有細長通道的微流體被動混合器允許使用所謂的“人字形”混合結(jié)構(gòu)來加強擴散混合。

帶有集成攪拌棒的微流體活性混合器能夠產(chǎn)生混合比例范圍更廣的混合物(最高可達1:10混合比)，如蛇形混合器。

無源和有源混合器的區(qū)別是什么?

被動微流體混合器

被動微流體混合意味著混合過程中不涉及有源元素。在這種情況下，通道幾何形狀的設(shè)計是為了增加混合過程中涉及的流體之間的接觸面積或/和接觸時間。

第一種增加液體之間混合的被動方法是加強樣品之間的擴散效應(yīng)。為此，樣品可以通過微流控芯片中包含的各種孔流動，或者樣品可以被分成多個更小的通道。

第二種被動方法是增加兩種流體之間的接觸面積和接觸時間。

根據(jù)被動微混合器的類型，混合時間可以從幾十到幾百毫秒不等(見表一)。

表一:不同無源微混合器性能對比表

微流體被動微混合器還包括以下內(nèi)容:

T型和Y型微流體混合器

使用層壓的微流體混合器

流體動力流聚焦微流體混合器

主動式微流控流體混合器

在主動混合方法中，混合效率通過施加在樣品上的外力來提高。

為了實現(xiàn)主動微流控混合，需要在微流控芯片中加入特定的機械傳感器。

為了實現(xiàn)“主動”流體混合，可以使用聲波、壓力擾動、磁場和熱方法等各種技術(shù)。例如，在混合區(qū)產(chǎn)生的聲波會增加樣品之間的融合。然而，所涉及的外力會影響所研究的樣品。超聲波主動混合的另一個缺點是:它們會引起不可忽略的樣品加熱，這可能導(dǎo)致樣品之間的不良反應(yīng)，特別是在生物應(yīng)用中，樣品對外部擾動和溫度變化非常敏感?；旌蠒r間和效果也取決于主動混合器的類型(見表二)。

 然而，混合效率可以通過主動和被動方法的組合來提高，這將導(dǎo)致更復(fù)雜的通道幾何形狀。微流體主動微混合器還包括:

壓力場擾動混合器

電動活性微混合器

超聲微流體混合器

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