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用于生化分析的聚二甲基硅氧烷微混合器

作者:admin来源:本网 日期:2017-10-21 10:32:12 人气: 标签:

  根据有无外加驱动器,微混合器分为静态微混合器和动态微混合器。前者优点是容易实现、不需要动力源或运动元件、制造简单;缺点是混合时间长、效率低。具体的方法有:两股支流的接触与碰撞、分流及重汇合、分流、侧向干扰等。而动态混合器主要通过微型反应器和外加力场来实现对样品的混合操作。按作用原理可分为电动力式、磁动力式、超声波式、电磁致动式等。虽然混合效率高,但存在驱动电压偏高,与微器件的功率不匹配,有些只适合于有极性或磁性的液体等等,因此应用受到了很大的限制。

  此外,生化指标通常采用光学法检测,文中的混合器在生化分析中兼有混合器与比色皿的双重作用。考虑到不同的应用场合需要考虑材料的可加工性、光学特性以及生物兼容性等,作者将PDMS确定为微混合器的材料。

  1工作原理针对现有混合器存在的问题,并鉴于电磁驱动具有能耗小、响应快、作用力较大、结构设计简单等优点。文中的混合器采用电磁驱动来实现混合。

  设计的微混合器工作原理如所示。具体工作过程为:在平面线圈中通人交变电流,使其产生交变磁场。磁场对永磁体作用,使其往复运动。

  磁体与混合器底部薄膜固连,带动薄膜运动,使与其相邻的液体晃动,当振动引起的液体流动速度很篼时,在高速液流与周围低速液流之间的界面上出现剪切作用,从而产生大量的局部性漩涡。

  这些漩涡迅速向四周扩散,又把更多的液体卷进漩涡中来,从而形成强对流实现液体的混合。

  2设计及分析2.1混合器的贯序固液耦合分析对混合器进行动力学分析时要考虑结构、流场两种物理场的相互作用。从减少混合时间、提高混合效率为出发点,利用结构动力学、计算流体动力学理论,对微混合器进行贯序耦合法数值模拟。并利用有限元软件ANSYS、ANSYSCFX进行分析。

  2.1.1振动膜的动力分析由于振动薄膜的振动引起混合器内部液体的动荡,振动薄膜是其结构场、流体场的耦合区域。为使混合更剧烈,希望电磁驱动力频率与振动体系的自然频率一致,使被混合液体发生较为剧烈的紊流。对振动膜做动力学分析来确定惯性和阻尼起重要作用时混合器的动力学特性。混合器工作时,振动薄膜与永磁体固联在一起,两者之间没有相对运动。所以振动薄膜的分析模型包括振动薄膜与永磁体,在分析中约束振动膜的周边。

  由计算结果可以看出:在低阶振动中永磁体与振动薄膜都参与振动,属于整体振动;随着阶数的提篼,永磁体的振动程度越来越轻微,就只是振动薄膜的局部振动了。对于混合器来说,整体振动有利于混合,所以实际应用中尽量采用低阶振动模式。以面内扭转振型为转折点,之前的振型为整体振动,之后的振动为局部振动。以后的计算只是考虑振动薄膜的低阶振动为了得到结构场对流体场的作用,还需要对其应用谐响应分析来确定连续的周期性电磁力在混合器中产生的持续的周期响应。永磁体在平面线圈的磁场中所受到的磁场力可归结为分子电流所受到的力。由于分子电流在宏观上表现为磁化电流,所以可从磁场对永磁体所产生磁化电流的作用,来求出其所受磁场的作用力。永磁体在Z方向上受到的电磁力为:永磁体薄片在Z方向上的磁化强度;为平面线圈在Z方向上产生的磁场强度。

  所示为不同激励下的薄膜中心的谐响应位移。可以看出:电磁激励值越大,薄膜中心的谐响应位移越大。在振动薄膜强度许可的条件下,电磁激励/N ffl2膜中心的谐响应位移(/=/;>电磁激励越大越好。

  不同厚度的振动薄膜的谐响应位移随厚度的增加而降低;在50~250pm时,50厚的振动膜能取得最大的谐响应位移。

  2.1.2混合器的流体动力分析在流体动力学数值模拟中混合器的几何模型简化为圆柱腔体。定义混合器内部为流体域。采用水气两相流的V0F模型模拟自由液面。定义函数a胃(,r,2,t)和0!8(,7,2,分别代表计算区域内水和气占计算区域的体积率函数(体积的相对比例)。在每个单元中,水和气的体积分数之和总是为1,即:对于计箅单元而言,有3种流体的状态:①a =l表示该单元完全被水充满:②a胃=0表示该单元完全被气充满;③  移条件。底部振动薄膜定义为translatingwall.其速度为前面振动薄膜结构动力学分析的结果。

  振动薄膜的振动场主要基于以下几种:振动模式为一阶时,取振动振幅为1.58mm,频率为一阶频率;振动模式为二阶时,取振动振幅为1.21mm,频率为二阶频率;振动模式为一阶时,取振动振幅为0.25mm,频率为5倍的一阶频率。

  第三种物理边界主要针对提高振动频率能否提高混合效率。

  顶部定义对空气是opening,对液体则无质量、能量传递。由于混合器采用PDMS,这种材料具有疏水性,为使混合更充分,需要对其进行亲水处理。根据有无进行亲水处理,接触角分别设定为在动态混合中,涡流扩散起主要作用,而涡流扩散系数与心有关。在对以涡流扩散为主的混合进行数值计算时,通常将办作为混合效果评价的指标。表1所示为亲水处理前后振动薄膜三种边界条件下的最大办。从中可以看出,亲水处理过的混合器涡流程度要高。不管是否对混合器进行亲水处理,振动薄膜的物理边界为2时,最大,紊流最激烈,涡流扩散系数也最大,所以混合效果更为理想。在试验时,尽量采用振动模式2.混合效果是由驱动频率及振幅共同决定的。所示的是3种边界下亲水处理过的混合器的仿真涡流状态。

  平面线圈是微器件的驱动部件,根据其产生平面线圈的形式是多种多样的,根据不同的表1亲水处理前后三种边界条件下的最大Table1ThemaximalReinthree振动膜的疏水混合器亲水处理后物理边界的最大的最大心需求设计不同的平面线圈,可以是方形、圆形、三角形等,因为本文中的永磁体是圆薄片,可以采用的线圈有方形、圆形两种。考虑到圆形线圈的制作成本较高,本文中的线圈是方螺旋形。下面以第i匝正方形线圈为例计算平面线圈的磁感应强度。取平面线圈的中心为原点,垂直于衬底方向为Z轴,如所示。对于线圈空间的任意一点p(,y,z)的磁场强度为:在笛卡尔坐标系中:整个磁场的扎为:同理可求出其他各匝线圈所产生的磁场强度。整个平面线圈在Z方向产生的磁场强度为各匝线圈所产生磁场强度的矢量和,即由此可以求出线圈数、线宽、线间距及线圈厚度。

  3相关器件的制备3.1PDMS混合器的压工艺聚物在加工过程中除了物理变化之外,还会发生许多化学变化,并影响其流变行为和制品性能。即使只考虑在成型过程中以物理变化为主的流变行为也是很复杂的。这是因为,熔体的流变性除了要受到篼聚物本身的结构和组成的影响外,还受到外界条件如温度、压力、时间等一系列因素的影响。PDMS混合器模压工序中最重要的技术环节是压制工艺的选定和控制。压制工艺主要指压制温度、压力及时间。压制工艺与PDMS、制品的规格、结构等因素有关。

  首先将PDMS的基本组分与固化剂按质量比10:1混合,在混合前,需要各自充分搅拌。在两组分混合搅拌后,其液体混合物应有均的外观,并轻微地抖动以减少混入的空气量。

  微混合器设计成透光面为平面、底部为振动膜的杯状,工艺中要求保证透光面的透光性能与底部振动膜的厚度。根据混合器的具体要求,制定工艺流程如所示。

  PDMS混合的工艺流程预热模具后将PDMS注入凹模,放置于空气中冷却。

  预热模具能使气泡受热上升溢出表面、固化均、提高生产率等。预热温度、时间与PDMS、制品结构及生产效率等有关。

  合模约1min后加压。然后缓慢加热,升到成型温度时保温一段时间固化。

  加压可使PDMS中水分及挥发物通过模具间隙溢出,压力大小与PDMS、混合器形状及模具结构有关。升温速率与固化速率密切相关。升温过快,在制品内易造成固化不均匀而产生内部应力,易出现条纹缺陷影响制品性能。升温太慢,制品固化均,但会降低生产效率。成型温度与PDMS和混合器结构有关。适当提高成型温度可缩短生产周期,有利于稳定制品质量,温度太低,制品保温时间不足,则会出现固化不完全、条纹、变形等缺陷。

  这是最后一次消除气泡的机会。减压2min后,取出模具置于空气中自然冷却。

  铜平面线圈的工艺流程蚀,得到镶嵌线圈的深槽。

  掉非铜种子层。

  意控制电铸过程中的电流、温度及速度等条件,避免产生铜颗粒增大、镀层发暗、镀层粗植或产生针孔等缺陷。

  最终制得的平面线圈如所示。

  减压能将物料中残余的挥发物及带人物料的空气排除。采用自然冷却,可以避免因冷却不均而生成的内应力,确保制品质量。冷却不彻底会出现变形缺陷。

  由于混合器底部振动膜很薄,机械性能相对较弱,同时透光面要保证没有划痕,因此脱模一定要小心,不能损坏制品或模具。

  测试,对于无变形、无气泡、无条纹的制品,测试结果如所示,波长为300mn时的透射比为92%,此时光学性能好。

  波长/nm由于平面线圈型微驱动器的制作工艺与集成电路的平面工艺相兼容,因而它在MEMS中有很大的应用潜力。

  采用DE-LIGA的制作工艺如所示。DE-UGA工艺主要由硅深刻蚀工艺和微电铸工艺组成,利用该工艺可将平面线圈镶嵌在硅片深槽内,使平面线圈的结构更为紧凑,线圈不易脱落。具体过程为:>晶向、380im的双面抛光氧化的硅片作为基底材料,将其清洗干净。然后喷胶、光刻、开窗口。将线圈、公用电极图形转移到硅片上。

  二(a)光刻Si圈光撇Si02|通常评价微混合效果的办法有:荧光法、CDD采集及分光光度法。对于文中的混合器,作者采用数码采集及分光光度法。

  行测试,让驱动频率在1~ 5Hz变化,可得到几种稳定的涡流状态,利用数码相机对其进行了采集,如0所示。驱动频率分别在/,(一阶固有频率)/2(二阶固有频率)及5/,附近。

  从图中可以看出,试验中的涡流不如仿真结果明显,这是因为数值模拟时的物理模型、边界条件、载荷等是理想状态。数值模拟时,为简化计算,对不影响模型性能的个别细节进行了简化处4混合。通过拟合曲线可以看出,基本满足朗伯-比耳定律。

  1亚甲基兰的吸收曲线5结论整体振动有利于混合,振动膜越薄激励越大。

  振动膜的响应位移越大对混合越有利。

  亲水处理后的混合器的涡流程度越剧烈,越有利于混合。混合效果是由振动频率与振幅共同决定的。

  对混合器进行了定量检测,发现该PDMS混合器具有很好的混合功能,动态混合在较短的时间内完成。

  合器,当混合量为150tL时,动态混合能在5S内完成。

  定量检测显示,由PDMS混合器的动态混合后的溶液的浓度与吸光度的关系基本与朗伯-比耳定律一致,混合效果好。

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