微混合器概述及应用举例

微混合器概念

微混合器是指在微通道或微腔室内实现样品快速均一混合的一种微流控器件，适用于两种或多种不同反应物在微尺度条件下充分的混合。

作为微流控技术的重要应用，微混合器已广泛应用于工程、生物技术和医学等领域。相当一段时间内，微混合器以其低制造成本、高比表面积和快速响应时间在生物和化学过程、可再生能源和制药工业等各个领域引起了广泛关注。

微混合器分类

根据工作机理，微混合器可分为主动式微混合器和被动式微混合器两种。

主动混合方式中，通常是施加一种外力促进流体之间交叉接触，提高混合质量，混合过程会涉及到不同的物理手段。

根据干扰类型，主动微混合器可分为压力驱动、温度诱导、电流体动力、介电泳、电动、磁流体动力和声学等类型。

由于外力介入的因素，主动式微混合器往往设计复杂，加工难度大且价格昂贵。

被动式微混合器是不需要任何外部能量输入的微混合器，只需要流体泵和压降来驱动流动，通过改变几何形状或在流体流动路径中设置障碍来实现，目的是在微通道局部产生二次流强化混合。

被动混合过程完全依靠扩散和混沌平流。根据混合相的排列，被动混合可进一步分为平行层叠、串联层叠、注入、混沌平流和液滴混合。

被动式微混合器的主要优点是不需要执行器。简单的无源结构坚固耐用，运行稳定，易于集成。

微混合器设计要求

在设计和评价混合器的性能时，主要关注的是雷诺数(Re)和Peclet数(Pe)。雷诺数表征流体的惯性力与黏性力之比，在宏观尺度上，通常雷诺数高于某个临界值后，流动由层流转为湍流。

然而，由于微流体设备中的雷诺数在1或更小的数量级，远远低于临界雷诺数，因此在微尺度下无法实现湍流。所有微混合器都在层流状态下工作，完全依靠扩散。

因此，微混合器的一般设计要求是：

快速混合时间；

设备面积小；

更复杂系统中的整合能力。

微混合技术原理

基于微流控技术的微混合器通道结构通常在微米量级，入口雷诺数(Re)很小，湍流混合不容易发生，流体的流动结构为层流，使得混合过程非常缓慢且混合效果差。因此，需要在混合器内改变流体的流动方式，进而实现不同流体的高效混合。

其基本混合机理如下：

层流剪切

在微混合器内引入二次流，使流动截面上不同流线之间产生相对运动，引起流体微元变形、拉伸继而折叠，增大待混合流体间的界面面积、减少流层厚度。

延伸流动

由于流动通道几何形状的改变或者由于流动被加速，产生延伸效应，使得流层厚度进一步减小，改进混合质量。

分布混合

在微混合器内集成静态混合元件，通过流体的分割重排再结合效应，减小流层厚度，并增大流体间的界面。

分子扩散

分子扩散是分子水平均匀混合的必经之路。

在常规尺度混合器中，只有当剪切、延伸和分布混合使流层厚度降至足够低的水平时，分子水平的混合才有意义。

而在微混合器中，由于微通道当量直径可低至几个微米，当待混合流体处于同一微通道内时，分子扩散路径大大缩短，因此仅依靠分子扩散就可在极短的时间内（毫秒至微秒级）实现均匀混合。

微混合器应用的相关领域及举例

早期研究的微混合器多以被动混合方式为主，通过对通道的一个或多个表面进行图形化，流体以层流扩散原理来进行混合，混合时间长并且可控性差。

随着MEMS（Micro Electromechanical System）技术的不断发展，被动混合方式混合效果的提升受到越来越多的关注，被动式微混合器的研究也越来越多。

以Y形和T形微混合器最为常见，其结构制作简单，加工工艺成熟，但其受到分子扩散系数的影响，混合强度较低。而微混合器中，流体流动以层流为主，混合主要依赖于分子扩散，因此，增大流体间的接触面积和减小扩散路径是提高微混合效率的主要方式。

人字脊形状混合结构出现后弥补了这一缺陷，脊结构的存在增强了流体界面的拉伸和折叠，以指数方式增加了流体之间的接触面积，从而使流体之间产生较为广泛地质量扩散。

基于微混合器制备脂质体已经成为一种新趋势，由于微混合器的结构特点，可以使小体积的流体试剂在微通道中以高度控制的方式快速混合，从而获得具有高精度和可重复性的脂质体。

并且可通过控制非溶剂和溶剂溶液的流速比或改变微混合器的配置来实现不同大小、形状、物理化学性质的脂质体的制备。

同时，由于它可以在微秒至毫秒内可控地混合溶剂，比通过传统方法使脂质聚集的特征时间尺度(10~100ms)更短，有助于产生具有更小均匀尺寸的脂质体。

生物医学领域：

基因测序：微混合器可以用于将DNA样品与引物和酶混合，以进行PCR（聚合酶链反应）扩增，从而实现快速、高效的基因测序。

药物传递：在药物研发过程中，微混合器可用于将药物与载体或药物与细胞共混，以提高药物的生物利用度和治疗效果。

细胞培养：微混合器可用于将培养基、营养物质和细胞混合，实现细胞培养过程中的精确控制和高效转移。

化学领域：

催化反应：微混合器可用于混合反应物和催化剂，实现高效的化学反应，如有机合成、催化剂测试等。

溶液混合：在化学合成和分析化学中，微混合器可用于混合不同溶液，以实现反应物的快速反应和产物的准确检测。

环境监测和传感领域：

水质检测：微混合器可用于混合水样和检测试剂，用于水质污染的快速检测和分析。

气体传感：微混合器可用于混合气体样品和传感元件，实现气体成分的快速检测和分析。

食品与饮料工业：

添加剂混合：微混合器可用于将食品添加剂与食品基质混合，以确保食品的均匀性和稳定性。

饮料配方：在饮料生产中，微混合器可用于将不同成分的液体混合，以实现饮料的配方和调味。