[发明专利]微通道内利用低频间歇性磁场强化微混合的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是微电子技术领域的一种方法，特别是通过低频间歇性磁场激发微流控芯片上的集成软磁体阵列以增强微混合效果的方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，微纳技术迅速向各个学科渗透，进而由于多学科的交叉发展而催生出新兴的前沿科技领域，微流控技术就是在这样的背景下产生和发展起来的。该技术将化学、生物及医学等领域中所涉及的采样、混合、反应、分离、检测以及细胞的培养、分选、裂解等基本操作集成到数厘米见方的芯片上，从而取代传统的生化实验室的功能，具有试剂耗量极微，检测速度极快，获取信息极多等优点。因此，微流控分析系统在生物、医学、节能、环境监测与保护等众多领域都具有十分广阔的应用前景。

混合是任何生化反应得以进行的必要条件，也是微流控芯片中最基本和必需的操作。在微流控芯片内，复杂的生化样品中的目标物在得到分离和检测前，须先进行混合与反应，使得功能磁珠与样品中的目标物质通过生化反应的方式结合在一起，混合效果的好坏决定了生化反应的程度，反应进行的程度进而又决定了后续的分离与检测的效率。在微通道内，流体的雷诺数通常很小(一般小于10)，因而不能发生常规尺度下的湍动混合。在没有外在的扰动因素下，流体的混合仅仅靠扩散完成，混合效率很低，混合时间过长。混合不充分导致了生化反应进行得不完全，以至整个微系统分析效率低下；混合时间过长也成为了整个微分析系统的瓶颈，从而使微流控技术分析速度快的优势大为削弱。

为提高混合效率，国内外学者对微通道内的混合进行了大量的研究。总体来说，可将强化混合的方式分为两类，即被动式混合和主动式混合。被动式混合利用微通道结构的变化(凹、凸、障碍物等)强化混合，其优点是不耗能，但强化混合的效果有限；主动式混合是利用外加热力、压力、电场力以及磁场力等扰动强化微混合的方式。与被动式混合相比，主动方式强化微混合的效果更加理想。通过文献调研发现，目前对于利用磁场强化微混合效率的方式还存在以下不足：(1)磁场扰动的方式多采用交变磁场甚至恒定的磁场，而事实上，磁珠受到的磁场力并不随外加磁场的方向改变而改变，而是与磁场梯度的方向相同，因此间歇性的磁场扰动比交变磁场更有利于强化微通道内的混合效果；(2)目前的微混合器内的磁场由电线圈产生，受到焦耳热的限制，产生的磁场一般较弱，在流速较大时，磁场力不足以扰动流场，从而达不到强化混合的目的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种利用间歇性磁场激发集成在微流控芯片上的软磁体阵列以强化微混合效率的方法，集成软磁体阵列在外加磁场的激发下产生较大的磁场梯度，使得原本轴向运动的磁珠在较强的磁场力下产生横向运动(与微通道轴向垂直)，磁珠的运动扰乱了微通道内的层流状态，间歇性的磁场力使得流体的横向运动和轴向运动周期性的交替发生，从而达到强化混合的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括步骤如下：

步骤一，采用电镀等微加工工艺，在微通道的一侧集成软磁体阵列，软磁体之间等距布置。

所述微通道的宽度为100-200μm，长度为1-3mm。

所述的微通道一侧加工2-10个软磁体构成软磁体阵列，软磁体阵列厚度为10-100μm，宽度为50-100μm。

所述的软磁体材料为镍或镍铁合金，软磁体大小均为100×100μm，间距为50μm。

步骤二，在微通道内注入两股流体，两股流体具有相同的初速度和流量。一股为含有超顺磁磁珠的悬浮液，位于集成软磁阵列的对侧，一股为生化样品溶液，位于集成软磁体阵列的同侧。

所述流体的初速度在0.2mm/s～0.6mm/s之间变化。

所述磁珠悬浮液浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁷个/m³，质扩散系数为0.9×10^-11m²/s-1.7×10^-11m²/s之间。

步骤三，在芯片外施加间歇性的均匀磁场(由电磁线圈产生)，该均匀磁场激发软磁体阵列后，软磁体会产生一个高梯度的磁场，两磁场叠加后使得微通道内磁珠受到的磁场力增强，并诱发两股流体的轴向运动和横向运动交替出现，从而达到强化混合的目的。

所述的外加均匀磁场的大小为0.01T，频率在0.5～20Hz之间变化。