当前课程知识点：MEMS与微系统 > 第八章 微流体与芯片实验室 > 第5小节 试样处理 > 试样处理
下面我们来介绍一下流体的进样系统
进样系统对于流体的分析来讲是它的第一步
也就是如何从我们要分析的对象中选取
一定体积或者一定质量的溶液或者是分析物
进行分析
对于微流体来讲我们常用的进样采用
一个十字型的交叉管道
像这幅图所示的
如果被分析试样沿着一方向从上向下
流动的过程中在二方向与其垂直流入
一个缓冲液
那么二方向的缓冲液会推动一个
一方向的流体三沿着二方向向右侧运动
那么对于这样一个情况我们就获得了
一个被分析物的一个流体柱
这一个小的流体柱就是我们所需要的一个进样
对于驱动进样我们有很多种方法
比如说气动或者是电动
这幅图给大家看到的就是一个
典型的利用电泳来驱动的一个方式
被分析的试样左右的流动
缓冲液上下的流动
那么当缓冲液切割被分析试样的时候
我们就得到了一个蓝色的流体柱塞
当然对于想获取进样系统十字型是最简单的
我们还可以有非常复杂一点的形状
例如T字型
以及几个T字组合到一起的一些形状
那么每个形状有各自的特点
在应用的时候要根据自己的实际情况进行选择
下面我们来看一下一个流体仿真和荧光照片
所得到的进样系统的一个实际操作过程
这幅图我们可以看到当注入的样品
向上流动的时候
水平方向的缓冲液在流动的过程中
切割了一个柱塞向右侧运动
这两幅图是一个模拟仿真的结果
这两个是荧光照片的结果
我们能够看出来
我们通过这样的办法就能够获得
一个流体的柱塞
但是这个流体的柱塞的形状
并不是像我们前面示意图所画的那么规则
在进样体系里
我们还经常需要用到液滴的状态
也就是一个小液滴在芯片的管道里
或者表面上独立流动
为了防止液滴的挥发
我们往往需要在液滴上面包裹一层
不容易挥发的物质比如说油
所以我们把这种情况叫做乳剂
对于乳剂来讲要分析的物质是被包裹的
那一个液滴
我们来看怎么样来产生乳剂式的进样系统
一般的情况下我们需要一个特殊的结构
这个结构包括了T型的接头
以及共流通或者是流体聚焦等方式
我们来看这一个图
当垂直方向的分析试样向上流动的时候
水平方向的缓冲液
比如说油在向右侧流动的过程中
就会冲击出一个一个的小液滴
那么当流速和流量满足一定条件的时候
我们就能够得到分立的液滴
这些液滴是被油所包裹着的
像图壁所示的这个
它是一个共流动的一个系统
那么包裹的油在外侧流动
被分析的试样在管芯流动
符合一定的流速和流量的情况下
我们也能够把被分析物分成一滴一滴
被缓冲液所包裹
同样
我们使用一个可以进行流体聚焦的结构
也能得到类似的结果
右侧的这两个照片看到的就是一个T型结构
和一个流体聚焦结构所产生的
液滴式的被分析试样
对于液滴式的被分析试样我们还可以用
前面讲过的电润湿的方式
对液滴进行独立的操作
也就是我们常说的数字流体
通过电润湿我们不仅可以获得
单一一种液体的液滴
也可以获得油包水这种结构的液滴
我们来看这一幅图
这幅图给大家看到的就是把一个油包水的液滴
分割或者产生获得一个独立的油包水
这样的一个液滴的一个过程
上面是一个结构示意图
下面是实际操作时候的照片
通过这样的电润湿方式
我们能够获得连续的 独立的液滴
这些液滴可以被油包裹也可以是独立的流动
接下来我们来介绍一下微流体的混合
我们知道微流体的流动是一个层流的过程
也就是两个并行流动的流体
它们之间没有对流发生
如果想发生混合只能依靠扩散
因此在流体的混合中我们主要依靠的是扩散
对于微流体扩散有一个可以弥补
宏观流体的优点就在于
微流体的管道尺寸都比较小
通常来讲直径在几十到几百微米
那么对于扩散距离就可以大幅度的降低了
降低扩散距离以后
通过扩散所能够得到的混合也会是比较高效的
这一幅图给大家看到的是一个常用的
两向流的混合结构我们把它叫做一个T型结
它是由一个类似于英文字母T这样的一个结构
第一种溶液和第二种溶液分别从两个端口注入
在共流动的过程中
两个溶液发生通过扩散所产生的混合
那么在流体通道的出口我们就能够得到
一定的浓度梯度
利用层流的混合
我们知道它的混合时间是和扩散有关的
那么扩散时间正比于扩散距离的平方
因此扩散的距离越长所需要的扩散时间就越大
如果为了提高扩散的效率
减小混合所需要的时间
我们往往需要把流体进行分割
以减小扩散的距离
我们把扩散的距离减小到原来的二分之一
扩散时间就可以减小到原来的四分之一
同样
用这样的一个分割的方式
我们还可以获得浓度的梯度分布
比如说A和B我们可以获得
不同的A和B所组成的比例
这样
在微流体的芯片上我们通过两向流
就可以获得不同的浓度梯度
尽管在微流体的情况下扩散的速度是比较快的
但是总体来讲扩散混合所实现的效率
还是比较低的
为了提高效率我们需要采用一些不同的手段
最常用的手段就是我们把固有的层流
将其破坏掉
产生一定的湍流
由于湍流的过程中会有对流发生
就会提高二者的混合速度
我们来看这个例子
当红绿两向流并行流动的时候
在出口的时候红和绿的扩散并不明显
如果我们在流动的过程中增加一些折线
能够明显的看出在出口的位置混合
已经比较明显了
更进一步的如果把两向流的过程中
流动的折线变为三维的结构
那么在三维流动过程中湍流效应会更加显著
所以能够得到的混合效果就更好
混合的也更加均匀
我们来看右侧这个图当红蓝两向流
并行流动的时候
在出口的位置二者的扩散是很小的
如果在流动的过程中我们增加了三个板块
就制造了三个流动时候的弯道
那么这个弯道的流动处于一个湍流的状态
所以在流出口的时候
我们明显的把混合的程度提高了
如果进一步的把三个板块增加为七个板块
也就是增大更多的弯道效应
在出口我们得到的混合效果进一步增强
再进一步如果让弯道的弯折角度更加明显
那么在同样弯道的情况下
我们能够获得更好的效果
甚至于在更少的弯道的情况下
我们也能获得更好的效果
这幅图给大家看到的就是一个三维的弯道系统
从流入到流出沿着不同位置的截面浓度分布
能够看出通过三维的弯道系统
经过几次弯折以后就能够获得
很好的一个混合效果
那么除了增加弯道系统我们还可以改变
流动通道上的表面形貌
以此来获得一些混沌流
我们来看这两个例子
分别是在流动的管道下表面制造出斜线
和人字型的一些交叉线
那么这些结构在流动的过程中
对流体施加了不同的作用力
使流体在流动的过程中不再是常规的稳流
而是进入到一个可以对流的湍流状态
那么在比较短的一个管道长度之内
我们就能够获得一个很好的混合效果
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