基于3D打印的微混合器芯片用于研究單元連接對混合性能的影響

被動式微混合器，是一種用于樣品預處理的關鍵微流控器件。常見的兩種微混合器有兩個入口呈現180°的T型微混合器和呈現任意角度(通常小于180°)的Y型微混合器。這兩類混合器結構簡單、易于制備，但是混合時間比較長、混合效率比較低，很少單獨使用，通常同另一種微混合器一起使用。為了提高微混合器的混合效率，科研工作者嘗試進行微混合器入口、混合腔室結構的優化設計研究。在混合腔室的結構設計方面，常見的設計方案是在微通道中周期性的添加障礙物；另外，弧形微通道的引入、分流合并結構的設計以及微通道底部交錯結構的設計等方案也極大地提高了混合效率。上述混合腔室的設計方案具有一個共同特點，即采用周期性重復混合單元結構提高混合效率。其中，兩個混合單元的連接處既是前一個單元的出口，同時也是下一個單元的入口。然而，在設計過程中，關于單元連接的研究并沒有得到重視。

近日，沈陽工業大學張賀課題組基于面投影微立體光刻(PμSL) 3D打印技術制備了微混合器芯片，通過模擬結果與測試結果的對比，研究了單元連接對微混合器芯片性能的影響。該團隊基于PμSL (nanoArch P150，摩方精密) 技術打印了一種具有重復結構的微混合器。微混合器是由平面T型入口通道和混合腔室組成，其中混合腔室是由6個立方混合單元以及單元之間的連接組成。最初設計的結構是一種研究中常見的微混合器結構，連接通道位于立方混合單元的幾何中心，且微混合器的入口和出口位置同立方混合單元的連接通道位置重合。微混合器總長度為12.3mm；立方混合單元的邊長是1mm；單元連接通道的長度是500μm，截面是邊長為200μm的正方形。

圖1. 最初設計的具有重復結構的微混合器

圖2.具有不同連接位置的微混合器的混合指數

(模擬結果)

圖3.兩種不同連接位置組合的微混合器的混合指數

(模擬結果)

圖4. 可視化測試系統以及3D打印的微混合器的顯微圖像

(Location 5)

圖5. 3D打印的兩種不同連接位置組合的微混合器在不同時間的顯微圖像

根據單元連接位置的不同分為九種微混合器，分別命名為Location 1- Location 9；該九種微混合器的混合指數模擬結果表明單元連接位置對微混合器的混合性能有顯著的影響。在此基礎上，將兩種不同單元連接位置進行組合，用以提高混合器的混合效率。基于PμSL 技術制備了三種微混合器并進行了可視化測試。測試結果同模擬結果一致，表明單元連接位置對微混合器的性能確實有顯著的影響，并且僅通過改變單元連接的位置，可以極大地改善微混合器的性能。該研究成果為優化微混合器的結構設計、提高微混合器的性能提供了新思路，以“The Influence of the Unit Junction on the Performance of a Repetitive Structure Micromixer"為題發表在Micromachines上。