微观尺度的流体混合

微观尺度的流体混合

什么是流体混合?

流体混合是工业过程中的一种组合操作，它涉及处理不均匀的物理(气体或液体)系统，使其更加均匀。例如，流体混合被用来增强单个系统的不同组件之间的热和/或质传递。
流体混合可以理解为将一种不相容的液体混合到另一种不相容的液体中。例如，在制造乳剂(油中的水或水中的油)时。
流体混合也可能意味着气体进入液体中。例如，当以高剪切速率将气体注入含有肥皂的溶液中而产生泡沫时。

是什么驱动流体在微尺度上混合？

流体在微观尺度上的混合行为与在宏观尺度上的表现截然不同。事实上，在这种尺度下，扩散占主导地位，除非受到水力梯度的强迫，否则不会发生正常平流。
扩散是一种缓慢的机制。因此，许多研究人员都在寻找增强流体混合的方法，并创造了微流控微混合器。
为了评估混合效率和混合过程中的主要机制，通常使用一个称为Peclet数(Pe)的无量纲数-它描述平流与扩散的比率。对于Pe>1，平流起主导作用；当Pe<1时，扩散起主导作用。

Pe =(流速×混合路径)/扩散系数

微流控器件的积极发展和改进已经在从生物医学诊断研究、微型微流控和纳米流控生物传感器的开发、DNA分析、化学合成到基因组学研究等各个工程应用领域取得了巨大进展。

实际上，微流体系统中的通道尺寸是以微米为单位测量的。这使得作业者大幅减少样品/试剂的消耗，这是许多应用领域的一个重要优势。

如何在微观尺度下实现流体混合?

微尺度下的样品流动为层流，对应的雷诺数较小。因此，在这样的层流中，两种液体之间不能发生传统的湍流混合。然而，可控和快速的混合对于许多应用领域是至关重要的，这导致了许多后续实际发展的微流控和芯片上实验室装置，通常用于涉及许多试剂和样品的分析。

研究人员发现了许多微流体技术来增强混合，从使用Y结和T结装置，三向交叉和设计，两种流体之间的界面面积增强到扭转通道(多层、环状、波状)，迫使两种流体混合。

微流体蛇形混合器在微流体装置中的实例

在过去的二十年里，各种微流体混合器得到了发展。微流体混合器分为两类:被动和主动流体混合器。

具有细长通道的微流体被动混合器允许使用所谓的“人字形”混合结构来加强扩散混合。

带有集成搅拌棒的微流体活性混合器能够产生混合比例范围更广的混合物(最高可达1:10混合比)，如蛇形混合器。

无源和有源混合器的区别是什么?

被动微流体混合器

被动微流体混合意味着混合过程中不涉及有源元素。在这种情况下，通道几何形状的设计是为了增加混合过程中涉及的流体之间的接触面积或/和接触时间。

第一种增加液体之间混合的被动方法是加强样品之间的扩散效应。为此，样品可以通过微流控芯片中包含的各种孔流动，或者样品可以被分成多个更小的通道。

第二种被动方法是增加两种流体之间的接触面积和接触时间。

根据被动微混合器的类型，混合时间可以从几十到几百毫秒不等(见表一)。

表一:不同无源微混合器性能对比表

微流体被动微混合器还包括以下内容:

T型和Y型微流体混合器

使用层压的微流体混合器

流体动力流聚焦微流体混合器

主动式微流控流体混合器

在主动混合方法中，混合效率通过施加在样品上的外力来提高。

为了实现主动微流控混合，需要在微流控芯片中加入特定的机械传感器。

为了实现“主动”流体混合，可以使用声波、压力扰动、磁场和热方法等各种技术。例如，在混合区产生的声波会增加样品之间的融合。然而，所涉及的外力会影响所研究的样品。超声波主动混合的另一个缺点是:它们会引起不可忽略的样品加热，这可能导致样品之间的不良反应，特别是在生物应用中，样品对外部扰动和温度变化非常敏感。混合时间和效果也取决于主动混合器的类型(见表二)。

 然而，混合效率可以通过主动和被动方法的组合来提高，这将导致更复杂的通道几何形状。微流体主动微混合器还包括:

压力场扰动混合器

电动活性微混合器

超声微流体混合器

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