專利名稱：微通道內(nèi)利用低頻間歇性磁場強化微混合的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是微電子技術領域的一種方法，特別是通過低頻間歇性磁場激發(fā)微流控芯片上的集成軟磁體陣列以增強微混合效果的方法。
背景技術：
隨著科學技術的飛速發(fā)展，微納技術迅速向各個學科滲透，進而由于多學科的交叉發(fā)展而催生出新興的前沿科技領域，微流控技術就是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。該技術將化學、生物及醫(yī)學等領域中所涉及的采樣、混合、反應、分離、檢測以及細胞的培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作集成到數(shù)厘米見方的芯片上，從而取代傳統(tǒng)的生化實驗室的功能，具有試劑耗量極微，檢測速度極快，獲取信息極多等優(yōu)點。因此，微流控分析系統(tǒng)在生物、醫(yī)學、節(jié)能、環(huán)境監(jiān)測與保護等眾多領域都具有十分廣闊的應用前景?；旌鲜侨魏紊磻靡赃M行的必要條件，也是微流控芯片中最基本和必需的操作。在微流控芯片內(nèi)，復雜的生化樣品中的目標物在得到分離和檢測前，須先進行混合與反應，使得功能磁珠與樣品中的目標物質(zhì)通過生化反應的方式結(jié)合在一起，混合效果的好壞決定了生化反應的程度，反應進行的程度進而又決定了后續(xù)的分離與檢測的效率。在微通道內(nèi)，流體的雷諾數(shù)通常很小(一般小于10)，因而不能發(fā)生常規(guī)尺度下的湍動混合。在沒有外在的擾動因素下，流體的混合僅僅靠擴散完成，混合效率很低，混合時間過長。混合不充分導致了生化反應進行得不完全，以至整個微系統(tǒng)分析效率低下；混合時間過長也成為了整個微分析系統(tǒng)的瓶頸，從而使微流控技術分析速度快的優(yōu)勢大為削弱。為提高混合效率，國內(nèi)外學者對微通道內(nèi)的混合進行了大量的研究?？傮w來說，可將強化混合的方式分為兩類，即被動式混合和主動式混合。被動式混合利用微通道結(jié)構的變化(凹、凸、障礙物等)強化混合，其優(yōu)點是不耗能，但強化混合的效果有限；主動式混合是利用外加熱力、壓力、電場力以及磁場力等擾動強化微混合的方式。與被動式混合相比， 主動方式強化微混合的效果更加理想。通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對于利用磁場強化微混合效率的方式還存在以下不足(I)磁場擾動的方式多采用交變磁場甚至恒定的磁場，而事實上，磁珠受到的磁場力并不隨外加磁場的方向改變而改變，而是與磁場梯度的方向相同， 因此間歇性的磁場擾動比交變磁場更有利于強化微通道內(nèi)的混合效果；(2)目前的微混合器內(nèi)的磁場由電線圈產(chǎn)生，受到焦耳熱的限制，產(chǎn)生的磁場一般較弱，在流速較大時，磁場力不足以擾動流場，從而達不到強化混合的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種利用間歇性磁場激發(fā)集成在微流控芯片上的軟磁體陣列以強化微混合效率的方法，集成軟磁體陣列在外加磁場的激發(fā)下產(chǎn)生較大的磁場梯度，使得原本軸向運動的磁珠在較強的磁場力下產(chǎn)生橫向運動(與微通道軸向垂直)，磁珠的運動擾亂了微通道內(nèi)的層流狀態(tài)，間歇性的磁場力使得流體的橫向運動和軸向運動周期性的交替發(fā)生，從而達到強化混合的目的。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，包括步驟如下步驟一，采用電鍍等微加工工藝，在微通道的一側(cè)集成軟磁體陣列，軟磁體之間等距布置。所述微通道的寬度為100-200 μ m,長度為l_3mm。所述的微通道一側(cè)加工2-10個軟磁體構成軟磁體陣列，軟磁體陣列厚度為 10-100 μ m,寬度為 50-100 μ m。所述的軟磁體材料為鎳或鎳鐵合金，軟磁體大小均為ΙΟΟΧΙΟΟμπι，間距為 50 μ m0步驟二，在微通道內(nèi)注入兩股流體，兩股流體具有相同的初速度和流量。一股為含有超順磁磁珠的懸浮液，位于集成軟磁陣列的對側(cè)，一股為生化樣品溶液，位于集成軟磁體陣列的同側(cè)。所述流體的初速度在O. 2mm/s O. 6mm/s之間變化。所述磁珠懸浮液濃度為IXlO16 I X IO17個/m3，質(zhì)擴散系數(shù)為O. 9X10_nm2/ s-1. 7X 10 nm2/s 之間。步驟三，在芯片外施加間歇性的均勻磁場(由電磁線圈產(chǎn)生)，該均勻磁場激發(fā)軟磁體陣列后，軟磁體會產(chǎn)生一個高梯度的磁場，兩磁場疊加后使得微通道內(nèi)磁珠受到的磁場力增強，并誘發(fā)兩股流體的軸向運動和橫向運動交替出現(xiàn)，從而達到強化混合的目的。所述的外加均勻磁場的大小為O. 01T,頻率在O. 5 20Hz之間變化。本發(fā)明利用磁珠受到的磁場力方向決定于磁場的梯度方向，而不隨外磁場本身的方向改變而改變的特點，同時配合集成軟磁體能夠在微通道局部范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的磁場梯度的優(yōu)勢，提出了間歇性磁場強化微混合的方式。由于常用磁珠的超順磁性，即施加磁場時，磁珠的磁性較強，撤出磁場時，磁珠的磁性消失，這使得磁珠在施加磁場的半個周期內(nèi)橫向運動從而帶動流體的橫向擾動，而在未施加磁場的半個周期內(nèi)磁珠又只沿著微通道軸向運動，如此交替往復(即間歇性的施加磁場力)，使得微通道內(nèi)的混合效率大大提高。綜合這些物理現(xiàn)象的機理和特點，設計了本發(fā)明的強化混合方法。本發(fā)明的混合方法，可以建立數(shù)學模型，通過耦合求解磁場方程，流體的連續(xù)性方程和動量方程以及濃度方程，分析間歇性磁場強化微混合的特性。本發(fā)明集成軟磁體必須在外置磁場激發(fā)下才能產(chǎn)生磁場，因此，總磁場包括兩部分，即外置磁場和軟磁體在外磁場磁化下產(chǎn)生的磁場?？偞磐芏菳為外加均勻磁場的磁通密度Btl與軟磁體產(chǎn)生的磁通密度B1的矢量疊加，即B = BcrHB1(I)考慮到軟磁體的高磁導率及施加的外磁場較強，本發(fā)明的軟磁體被飽和磁化,軟磁體產(chǎn)生的磁場B1為
μ0^+^0Mes (in Q1)(2a)B1 =
{μ0Ηλ(in q)(2b)其中μ Q為真空磁導率(μ Q = 4 X 1(Γ7Ν/Α2) 為軟磁體產(chǎn)生的磁場強度；Mes為軟磁體飽和磁化強度；Q1表示軟磁體區(qū)域；Ω2表示除軟磁體外的其它計算區(qū)域?？紤]到 H1 = - V φ1及\7 · B1 = O (高斯定律)，可得到磁標勢Φ !滿足
權利要求
1.一種利用低頻間歇性磁場強化微混合的方法，其特征在于包括如下步驟步驟一，采用電鍍等微加工工藝，在微通道的一側(cè)集成軟磁體陣列，軟磁體之間等距布置；步驟二，在微通道內(nèi)注入兩股流體，兩股流體具有相同的初速度和流量，一股為含有超順磁磁珠的懸浮液，位于集成軟磁陣列的對側(cè)，一股為生化樣品溶液，位于集成軟磁體陣列的同側(cè)；步驟三，在芯片外施加間歇性的均勻磁場，該均勻磁場激發(fā)軟磁體陣列后，軟磁體會產(chǎn)生一個高梯度的磁場，兩磁場疊加后使得微通道內(nèi)磁珠受到的磁場力增強，并誘發(fā)兩股流體的軸向運動和橫向運動交替出現(xiàn)，從而達到強化混合的目的。
2.根據(jù)權利要求I所述的微通道內(nèi)利用間歇性磁場強化微混合的方法，其特征是，所述的微通道一側(cè)加工2-10個軟磁體構成軟磁體陣列，軟磁體陣列厚度為10-100 μ m,寬度為 50-100 μ m。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的微通道內(nèi)利用間歇性磁場強化微混合的方法，其特征是， 所述微通道的寬度為100-200 μ m，長度為l-3mm。
4.根據(jù)權利要求I或2所述的微通道內(nèi)利用間歇性磁場強化微混合的方法，其特征是， 所述的軟磁體材料為鎳或鎳鐵合金，軟磁體大小均為100X 100 μ m,間距為50 μ m。
5.根據(jù)權利要求I所述的微通道內(nèi)利用間歇性磁場強化微混合的方法，其特征是，所述流體的初速度在O. 2mm/s O. 6mm/s之間變化。
6.根據(jù)權利要求I所述的微通道內(nèi)利用間歇性磁場強化微混合的方法，其特征是，所述的磁珠懸浮液濃度為I X IO16 2 X IO17個/m3。
7.根據(jù)權利要求I或6所述的微通道內(nèi)利用間歇性磁場強化微混合的方法，其特征是， 所述的磁珠懸浮液的質(zhì)擴散系數(shù)為O. 9X 10_nm2/S-l. 7X 10_nm2/s之間。
8.根據(jù)權利要求I所述的微通道內(nèi)利用間歇性磁場強化微混合的方法，其特征是，所述的間歇性的外加均勻磁場頻率在O. 5 20Hz之間變化。
9.根據(jù)權利要求I或8所述的微通道內(nèi)利用間歇性磁場強化微混合的方法，其特征是， 所述的間歇性的外加均勻磁場的大小為O. OlTo
10.根據(jù)權利要求I所述的微通道內(nèi)利用間歇性磁場強化微混合的方法，其特征是，連續(xù)流入微通道內(nèi)的兩股流體在經(jīng)過混合后又連續(xù)的從微通道出口流出。
全文摘要
本發(fā)明公開一種微通道內(nèi)利用低頻間歇性磁場強化微混合的方法，該方法在微通道的一側(cè)壁面加工微小的軟磁體陣列；在微通道內(nèi)注入具有相同的初速度和流量的兩股流體，即含有超順磁磁珠的懸浮液和生化樣品溶液；在芯片外施加間歇性的均勻磁場，使軟磁體在外加均勻磁場的激發(fā)下產(chǎn)生新的磁場。由于軟磁體陣列中各個磁體產(chǎn)生的磁場的相互疊加以及與外加磁場的疊加，使得微通道內(nèi)磁珠受到的磁場力沿著微通道軸線方向呈現(xiàn)出正負交替的空間變化，這種空間正負交替變化的磁場力隨著外加間歇性磁場而時有時無，從而誘導微通道內(nèi)的磁珠橫向運動和軸向運動的交替出現(xiàn)，磁珠的運動擾亂了微通道內(nèi)的層流流動，達到強化微混合的目的。
文檔編號B01F13/08GK102580603SQ20121005878
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月7日 優(yōu)先權日2012年3月7日
發(fā)明者吳信宇, 吳慧英, 胡定華 申請人:上海交通大學