微流控芯片快速混合器及其應用研究.pdf

1、快速混合技術(shù)能夠促進分子迅速接觸，從而促發(fā)生化反應的進行，被廣泛應用于生物大分子折疊動力學、酶反應動力學、聚合物合成、納米顆粒合成等研究領域內(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)設計或外部能量引入的方式，研究者們將混合死時間減少到了毫秒甚至微秒級水平。人們根據(jù)不同需求設計不同類型的微混合器，使其成為了微全分析和化學合成領域中的重要工具。
　　發(fā)展至今，微混合器在縮短混合時間和降

2、低樣品消耗上取得了重大進步。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，主動混合器加工復雜、操作復雜等諸多問題，限制了微混合器的應用。因此，微流控芯片混合器需要呈現(xiàn)多元化發(fā)展，從而滿足科學實驗的不同需求。本文針對高粘度溶液混合、非連續(xù)流混合和主動混合方式設計了三種快速微混合器。主要研究結(jié)果如下：
　　首先，針對高粘度溶液混合，我們設計了一種三維結(jié)構(gòu)的微混合器。該混合器由三個重復單元構(gòu)成，每個單元包含一個較

3、窄的“U”型通道和一個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；當流體流入寬度和高度迅速擴展的混合腔室后，由于壓強迅速變化而產(chǎn)生了三維漩渦流。計算流體力學模擬和熒光素混合實驗證明，經(jīng)過122.4μs的混合死時間，水溶液與80％PEG200溶液（粘度為35.25 mPa?s）混合均勻。最后，我們通過標記有FRET熒光探針的人類端粒 DNA序列的復性實驗，觀測到了 G四聚體在分子擁擠環(huán)境中的折疊

4、動力學過程，并發(fā)現(xiàn)了其在150-550μs內(nèi)折疊動力學新過程，證實了5’端未成鍵序列對四聚體折疊速率的抑制效應。
　　其次，針對非連續(xù)流微混合器，我們設計了穩(wěn)定的氣液兩相液栓微混合器。通過構(gòu)建氣路進樣裝置、材料表面改性和芯片通道的合理設計，我們在PDMS芯片內(nèi)設計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氣通入芯片內(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。我們通過辣根過氧化物酶催化魯米諾化學發(fā)光的反應，檢測了其化學發(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雜反應物的生化反應過程監(jiān)測和生化定量分析。
　　最后，鑒于超聲微束流被動混合器中氣泡捕獲的難題，我們進一步發(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，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，利用壓電轉(zhuǎn)換器將

6、其轉(zhuǎn)換為聲波信號，使其沿芯片基底玻璃表面?zhèn)鞑ァＮ覀冊谖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，而且液栓的擾動加速了流體混合，另外還消除了連續(xù)流彌散效應。加入一定頻率的超聲后，兩股質(zhì)量分數(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下最強，混合強度伴隨輸出信號電壓強度增強而增強。
　　綜上所述，本文設計出