微流控芯片中的兩種重要功能器件：微混合器和微反應器，快速均一混合對于化學合成、化學分析、藥物輸送、核酸測序等領域的微流控芯片具有重要意義。 微混合器是指在微通道或微腔室內(nèi)實現(xiàn)樣品快速均一混合的一種微流控器件。依據(jù)混合是否需要借助外界力源來完成,微混合器分為主動式微混合器和被動式微混合器。主動式微混合器需要借助于外界力源實現(xiàn)樣品的混合。被動式微混合器實現(xiàn)樣品的混合不需要借助外界力源。

微反應技術是一種將微結(jié)構(gòu)內(nèi)在的優(yōu)勢應用到化學反應或生化反應的技術,體現(xiàn)這種技術的微流控芯片的功能器件稱為微反應器。微反應器具有線性尺寸小、試劑消耗量少、反應時間短、操作靈活、廢液排放量小、物理量梯度高和易于與其它功能部件集成等特點。

一.主動式微混合器

主動式微混合器的機理是通過外場的作用產(chǎn)生液體間的相對運動來達到混合的效果。根據(jù)混合方式的不同，主動式微混合器主要分為：微流體超聲波混合器、磁力攪拌微混合器、動電式混合器、壓力擾動式混合器等類型。

1.微流體超聲波混合器

微流體超聲波混合器是一種典型的主動式微混合器。混合直接由超聲振動引起，使層流混合液在混合腔內(nèi)連續(xù)而有效地混合。超聲振動混合具有較高的混合效率，但超聲會引起局部溫度升高，因此不適合于生物樣品。

2.磁力攪拌微混合器

利用MEMS技術將宏觀攪拌原理應用到微流體混合器中，開發(fā)了磁力驅(qū)動微攪拌器陣列?；旌贤ǖ乐械奈⒋帕嚢璋粼诖艌龅淖饔孟赂咚傩D(zhuǎn)，對流體起到攪拌作用，產(chǎn)生類似宏觀條件下的“湍流效應”，混合效果顯著。其突出特點是結(jié)構(gòu)復雜，制作困難。Ryu等將含有磁力攪拌棒的混合器集成在聚對二甲苯芯片通道中，以外部的旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動微磁力攪拌棒進行液體混合，并對攪拌棒在原設計的基礎上對攪拌棒的尺寸進行改進，提高了混合效率。

3.動電式混合器

在微通道中，動電作用可以代替壓力驅(qū)動來傳送流體介質(zhì)，例如各種結(jié)構(gòu)形式的電滲泵，因此利用動電作用來構(gòu)造動態(tài)微混合器是一種很好的選擇。Glasgow等設計了一種簡單的T字型的微混合器，在兩端入口和出口插入鉑電極。施加不同位相的方波電場，誘導出不均一的速度場，從而達到混合的目的。這種驅(qū)動的優(yōu)點是在驅(qū)動微通道中液體的同時又進行混合，在一定程度上可增強雷諾數(shù)非常低(Re<1)的流體的混合。

4.壓力擾動式混合器

主混合管道內(nèi)的流體受到三對支流道內(nèi)的射流擾動，并由泵來控制支流道內(nèi)的擾動。這是一種壓力式混合器。它由一個主管道、兩個支管道以及與之相連的壓力擾動源、兩個注射泵(入口)及水箱(出口)組成。支管道產(chǎn)生不穩(wěn)定的壓力降，因而對主干流施加了橫向的非定常壓力的擾動。在小的擾動幅度時，流線在經(jīng)過交叉區(qū)域時差生微弱的振動，隨著擾動幅度的增加，振動幅度隨之增大；類混沌區(qū)域出現(xiàn)大擾動幅度時，流線會產(chǎn)生一個或數(shù)個折疊，并且會在下游產(chǎn)生一個周期性變化、極端復雜的流線形狀，這對混合而言非常有利。

二、被動式混合器

被動式微混合器的機理主要靠改變管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形狀，盡可能增大混合面積，達到增強混合的效果。被動式位混合器主要分為：F型微混合器、分流微混合器、注射式微混合器、混沌微混合器等類型。

1.T型微混合器

T型微混合器是發(fā)展較早的一種微混合器。它結(jié)構(gòu)簡單，兩股流體成T型或Y型進入微通道混合。由于微通道特征尺度可達微米級，即使沒有對流作用，僅通過分子擴散，也可在較短長度內(nèi)實現(xiàn)良好的混合效果。丹麥哥本哈根的研究者們對通道結(jié)構(gòu)如何影響雙層流體的混合行為進行了基礎研究。研究者采用了多種形狀的通道結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明無論是結(jié)構(gòu)變化還是水力直徑的變化都直接影響到流體的雷諾數(shù)，從而影響流體的流動區(qū)域，在分子擴散的基礎上輔以流體區(qū)間的誘導運動及分割，因此對混合行為有非常直接的影響。

美國加州理工微型機械加工實驗室及哈佛休斯醫(yī)學院的研究者們發(fā)展了一種微混合設備，將其用作快速串聯(lián)反應的一種測量工具，這項研究在“淬滅”流動及截止流動方面有重要的意義。所謂的“淬滅”流動是指在流動過程中突然停止反應，如監(jiān)控蛋白質(zhì)折疊時，時間分辨率必須在1μs以下，所以必須觀察混合實現(xiàn)過程及反應的突然開始及停止。雙T型結(jié)構(gòu)混合器的尤其適合于進行高速操作過程。而在低流速條件下該設備的性能會大大的降低，這在一定程度下限制了這種混合器的應用。

2.分流合并式微混合器

分流合并式微混合器通過將流體分流再合并的方式來實現(xiàn)混合。Branebjerg等設計了一種基于分流合并原理的被動式微混合器,該混合器以耐熱玻璃和娃為材料,利用濕法腐蝕加工而成。Munson等設計了一種微流控分層流動微混合器。該混合器在上下兩層的微通道內(nèi)同時注入兩種流體,經(jīng)過一段路徑的輸運,使兩層流體混合,然后再分兩層流動,再混合,如此反復,直至混合充分。

一種新型的“圣誕樹”型微混合器，通道為多層次網(wǎng)絡通道，每一層包含多個并行的分支蜿蜒通道，通道數(shù)逐級增加，最后再匯于寬通道，系統(tǒng)的基本混合方式是相鄰液流的擴散混合，而能夠產(chǎn)生濃度梯度是利用了多層次的分流、漩渦混合，即將初始濃度不同的液流分流后再與相鄰的初始液流的分流匯合，此匯合液流再進行下一步的分流及與相鄰的液流匯合，如此循環(huán)往復，最后眾多濃度不同的分支液流匯合，形成一個橫向的濃度梯度。其形成的濃度梯度具有多種復雜形式，包括線形、拋物線和周期曲線等。

以上這些平行或分流微混合器具有體積小，混合效率高且速度快的優(yōu)點：但是也存在局限性，由于其結(jié)構(gòu)復雜，加工難度大并且不易系統(tǒng)集成化。

3.注射式微混合器

類似于分流合并式微混合器,注射式微混合器也是通過分流再合并的方式來實現(xiàn)樣品的混合,但是注射式微混合器只分裂一股流體,然后將分流后的流體注入另一股流體,實現(xiàn)混合。Miyake等設計了一種帶有微型陣列噴嘴的,能產(chǎn)生許多射流的被動式微混合器,如圖10所示,在微混合器的入口處有212 mmx2 mmx330 μm的混合區(qū)域,底部還有400個間隔為15μm的微型噴嘴。通過這些噴嘴,上面的樣品被注入到下面的樣品中,形成了多個微小的噴流,即噴流陣列。噴流會大大增加兩種被混合流體的接觸面積,從而加速樣品擴散的速度。在樣品量為0.5μ L、流體注入速度為0.75μL/S時,兩種待混合的樣品在1.2s內(nèi)就實現(xiàn)了充分混合。

4.混沌微混合器

如果改變微通道中流動的層流形態(tài)，使其處于一種雜亂無章的狀態(tài)，則可使對流傳質(zhì)在各個方向上進行。它是基于對宏觀混合器的研究上發(fā)展起來的，其機理是通過改變管道的形狀和構(gòu)造(或者外場的作用)，來分離、拉伸、折疊液體或產(chǎn)生橫向流動，從而達到增加液流間的接觸面積，降低混合長度的目的。

Johnson等人提出了一種主體結(jié)構(gòu)是T型管道的微混合器，在其底部的微通道交匯處利用激光加工出一組傾斜的凹槽，借以增強橫向運送?；旌瞎艿罊M截面近似梯形，混合器采用電滲流驅(qū)動，在低的雷諾數(shù)條件下就可以得到與主流方向垂直的二次流，誘發(fā)混沌對流，并取得很好的混合效果。這種改變混合器底部結(jié)構(gòu)的還有以下幾種結(jié)構(gòu)；互相交聯(lián)型結(jié)構(gòu)、螺旋形結(jié)構(gòu)、蛇形結(jié)構(gòu)、交叉網(wǎng)絡型結(jié)構(gòu)。Kim等在微通道底部蝕刻出斜形槽道，使流體產(chǎn)生三維螺旋流動，同時于頂部周期性設置長方形塊狀物，使流場沿軸向發(fā)生周期性擾動，從而引發(fā)流體間的混沌混合。

Stroock等在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上加工出底部置有魚骨形肋片或斜形肋片的微通道，如圖12所示。這樣可以在微管道的橫截面上產(chǎn)生與主流方向垂直的二次流，同時該二次流沿軸向流動方向呈周期性變化。高Peclet數(shù)時，T型微混合器在3cm內(nèi)幾乎無混合；斜形肋片微混合器中僅發(fā)生部分混合；而魚骨形肋片微混合器中，熒光攝影發(fā)現(xiàn)通道底部修飾的特殊結(jié)構(gòu)使流體在通道中心處發(fā)生拉伸和折疊，引起了流體的混沌對流，從而當Peclet數(shù)高達9e-5時，仍能保證完全混合。

被動式微混合器具有不需要外場的激勵，結(jié)構(gòu)比較簡單，不需要復雜的工藝且易于集成為一個復雜的微流控系統(tǒng)的優(yōu)點。

對于一個反應速率較慢的化學反應來說，其反應完成的時間要遠遠大于反應物的混合時間，這種情況下的微觀混合過程對反應過程的影響非常小，只需要適當?shù)幕旌蟻泶龠M質(zhì)量和熱量的傳遞，這時候是反應的動力學對反應起主導作用，并影響該反應的產(chǎn)率和選擇性；對于一個快速結(jié)晶反應來說，其反應速率很快，如果在反應完成之前物料還沒有充分的混合，則會大大的影響該反應的產(chǎn)率和選擇性，這時反應器的混合性能起著至關重要的作用，微觀混合效率的高低直接影響產(chǎn)物的品質(zhì)。因此，研究化學反應器內(nèi)部均相與非均相混合過程及混合與反應鍋合的過程對提升反應過程的效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量有很大幫助口，對反應器設備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有重要意義，對于降低工業(yè)能耗，提高經(jīng)濟效益大有好處。