[发明专利]基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置

说明书

本发明属于微流控芯片技术领域，提供了一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置，主要由微流控芯片(包括交变压力源、恒定流量源、收缩/扩张管)与交变磁场发生系统(包括整流模块、逆变模块和电磁铁等)组成。本发明提供的振荡流发生装置可产生定常流、单向振荡流、往复振荡流。本发明利用收缩/扩张管结构，通过压力驱动与重力驱动配合的方法，在交变压力与恒定流量的作用下产生波形可调的振荡流。本发明提供的振荡流发生装置功能全面，且集成度高、体积小，易于推广，可用于用于生物、化学、环境领域的研究。

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种利用收缩/扩张管结构的微流控装置，具体为一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置。

背景技术

微流控技术的出现开启了精确操控微流体的时代。由于体积小，精度高、反应速度快、耗量小的特点，微流控技术在生物、医疗、化工、环境等领域都取得了广泛的应用，如细胞培养、疾病检测、颗粒合成等。振荡流是指流体的流动方向单向或交替变化，流动速率周期性变化的流动形式，其在微流控领域有着广泛的应用，如微粒的分选/汇聚、微尺度的混合/传热、化学反应增强、过滤效果提升以及血流动力学体外模拟等。

目前，振荡流的产生主要通过压力或利用流体惯性驱动。压力驱动是最普遍的流体驱动方法，通过在通道内产生交变的压力差，从而驱动流体振荡。通道内交变的压力可以通过一对电磁阀的交替开断实现。在通道的两端放置一对电磁阀，注射泵驱动流体流经电磁阀进入通道，电磁阀在外围电路的控制下交替开断，进而在通道内生成振荡流，例如以下发明，一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置(专利号：2019100063624)。此外，通道内交变的压力还可以通过通道容积变化实现，例如以下发明，一种振荡流反应装置(专利号：2020212225469)，该发明通过机杆推动膜片往复运动，使通道容积周期性变化，从而在通道内产生交变的压力驱动流体。利用流体自身的惯性同样可以产生振荡流，例如以下发明，一种整体式振荡流反应器(专利号：2020108460371)，该发明通过摇床使通道运动，通道内的流体在惯性作用下振荡。然而，现有的装置普遍功能单一，结构复杂且体积大。因此，亟需提出一种功能全面、集成化、体积小的振荡流发生装置。

流体通道的收缩/扩张结构具有压力损失不同的特点。如图1所示，收缩/扩张管的宽开口处压力值为P_H,窄开口处的压力值为P_L，P_HP_L，此时通道作为收缩管，流经通道的瞬时流量值为Q₁；当通道反置，此时通道作为扩张管，流经通道的瞬时流量值为Q₂，Q₂Q₁。扩张/收缩管结构简单、便于加工，容易实现片上化，在微流控领域有重要的应用价值。目前，收缩/扩张管多应用于定常流的发生，然而，基于收缩/扩张管的定常流发生装置有着难以弥补的缺陷，即无法避免输出流体的振动。

流体的驱动方法主要包括压力驱动、重力驱动以及电驱动。除了上述的压力驱动，重力驱动也是常用的流体驱动方式，重力驱动是通过将流体的重力势能转化为动能，从而驱动流体定向流动。然而，目前的流体驱动装置大多基于单一的驱动方法，只能驱动流体产生单一的流动形式，产生多种不同的流动形式则需要复杂的外围装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种高集成、多功能的片上振荡流发生装置。本发明基于微流控芯片，将收缩/扩张结构应用于振荡流的发生，利用收缩/扩张管结构和收缩/扩张管内压差流动的特性，通过交变压力与恒定流量配合的方法，通过简单的通道结构产生波形可调的振荡流。本发明使用综合的流体驱动方式，将压力驱动与重力驱动结合，使装置在简单的外围装置驱动下就可以产生不同的波形，可发生定常流、单向振荡流与往复振荡流，装置结构简单，体积小，功能全面且调节方便，易于推广。

本发明的技术方案：