基于3D打印的微混合器芯片用于研究單元連接對混合性能的影響

被動式微混合器，是一種用于樣品預(yù)處理的關(guān)鍵微流控器件。常見的兩種微混合器有兩個入口呈現(xiàn)180°的T型微混合器和呈現(xiàn)任意角度(通常小于180°)的Y型微混合器。這兩類混合器結(jié)構(gòu)簡單、易于制備，但是混合時間比較長、混合效率比較低，很少單獨(dú)使用，通常同另一種微混合器一起使用。為了提高微混合器的混合效率，科研工作者嘗試進(jìn)行微混合器入口、混合腔室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究。在混合腔室的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，常見的設(shè)計方案是在微通道中周期性的添加障礙物；另外，弧形微通道的引入、分流合并結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及微通道底部交錯結(jié)構(gòu)的設(shè)計等方案也極大地提高了混合效率。上述混合腔室的設(shè)計方案具有一個共同特點(diǎn)，即采用周期性重復(fù)混合單元結(jié)構(gòu)提高混合效率。其中，兩個混合單元的連接處既是前一個單元的出口，同時也是下一個單元的入口。然而，在設(shè)計過程中，關(guān)于單元連接的研究并沒有得到重視。

近日，沈陽工業(yè)大學(xué)張賀課題組基于面投影微立體光刻(PμSL) 3D打印技術(shù)制備了微混合器芯片，通過模擬結(jié)果與測試結(jié)果的對比，研究了單元連接對微混合器芯片性能的影響。該團(tuán)隊基于PμSL (nanoArch P150，摩方精密) 技術(shù)打印了一種具有重復(fù)結(jié)構(gòu)的微混合器。微混合器是由平面T型入口通道和混合腔室組成，其中混合腔室是由6個立方混合單元以及單元之間的連接組成。最初設(shè)計的結(jié)構(gòu)是一種研究中常見的微混合器結(jié)構(gòu)，連接通道位于立方混合單元的幾何中心，且微混合器的入口和出口位置同立方混合單元的連接通道位置重合。微混合器總長度為12.3mm；立方混合單元的邊長是1mm；單元連接通道的長度是500μm，截面是邊長為200μm的正方形。

圖1. 最初設(shè)計的具有重復(fù)結(jié)構(gòu)的微混合器

圖2.具有不同連接位置的微混合器的混合指數(shù)

(模擬結(jié)果)

圖3.兩種不同連接位置組合的微混合器的混合指數(shù)

(模擬結(jié)果)

圖4. 可視化測試系統(tǒng)以及3D打印的微混合器的顯微圖像

(Location 5)

圖5. 3D打印的兩種不同連接位置組合的微混合器在不同時間的顯微圖像

根據(jù)單元連接位置的不同分為九種微混合器，分別命名為Location 1- Location 9；該九種微混合器的混合指數(shù)模擬結(jié)果表明單元連接位置對微混合器的混合性能有顯著的影響。在此基礎(chǔ)上，將兩種不同單元連接位置進(jìn)行組合，用以提高混合器的混合效率。基于PμSL 技術(shù)制備了三種微混合器并進(jìn)行了可視化測試。測試結(jié)果同模擬結(jié)果一致，表明單元連接位置對微混合器的性能確實有顯著的影響，并且僅通過改變單元連接的位置，可以極大地改善微混合器的性能。該研究成果為優(yōu)化微混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高微混合器的性能提供了新思路，以“The Influence of the Unit Junction on the Performance of a Repetitive Structure Micromixer"為題發(fā)表在Micromachines上。