微流控芯片中的兩種重要功能器件：微混合器和微反應(yīng)器，快速均一混合對于化學(xué)合成、化學(xué)分析、藥物輸送、核酸測序等領(lǐng)域的微流控芯片具有重要意義。 微混合器是指在微通道或微腔室內(nèi)實現(xiàn)樣品快速均一混合的一種微流控器件。依據(jù)混合是否需要借助外界力源來完成,微混合器分為主動式微混合器和被動式微混合器。主動式微混合器需要借助于外界力源實現(xiàn)樣品的混合。被動式微混合器實現(xiàn)樣品的混合不需要借助外界力源。

微反應(yīng)技術(shù)是一種將微結(jié)構(gòu)內(nèi)在的優(yōu)勢應(yīng)用到化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)的技術(shù),體現(xiàn)這種技術(shù)的微流控芯片的功能器件稱為微反應(yīng)器。微反應(yīng)器具有線性尺寸小、試劑消耗量少、反應(yīng)時間短、操作靈活、廢液排放量小、物理量梯度高和易于與其它功能部件集成等特點。

一.主動式微混合器

主動式微混合器的機理是通過外場的作用產(chǎn)生液體間的相對運動來達到混合的效果。根據(jù)混合方式的不同，主動式微混合器主要分為：微流體超聲波混合器、磁力攪拌微混合器、動電式混合器、壓力擾動式混合器等類型。

1.微流體超聲波混合器

微流體超聲波混合器是一種典型的主動式微混合器?；旌现苯佑沙曊駝右?，使層流混合液在混合腔內(nèi)連續(xù)而有效地混合。超聲振動混合具有較高的混合效率，但超聲會引起局部溫度升高，因此不適合于生物樣品。

2.磁力攪拌微混合器

利用MEMS技術(shù)將宏觀攪拌原理應(yīng)用到微流體混合器中，開發(fā)了磁力驅(qū)動微攪拌器陣列。混合通道中的微磁力攪拌棒在磁場的作用下高速旋轉(zhuǎn)，對流體起到攪拌作用，產(chǎn)生類似宏觀條件下的“湍流效應(yīng)”，混合效果顯著。其突出特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作困難。Ryu等將含有磁力攪拌棒的混合器集成在聚對二甲苯芯片通道中，以外部的旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動微磁力攪拌棒進行液體混合，并對攪拌棒在原設(shè)計的基礎(chǔ)上對攪拌棒的尺寸進行改進，提高了混合效率。

3.動電式混合器

在微通道中，動電作用可以代替壓力驅(qū)動來傳送流體介質(zhì)，例如各種結(jié)構(gòu)形式的電滲泵，因此利用動電作用來構(gòu)造動態(tài)微混合器是一種很好的選擇。Glasgow等設(shè)計了一種簡單的T字型的微混合器，在兩端入口和出口插入鉑電極。施加不同位相的方波電場，誘導(dǎo)出不均一的速度場，從而達到混合的目的。這種驅(qū)動的優(yōu)點是在驅(qū)動微通道中液體的同時又進行混合，在一定程度上可增強雷諾數(shù)非常低(Re<1)的流體的混合。

4.壓力擾動式混合器

主混合管道內(nèi)的流體受到三對支流道內(nèi)的射流擾動，并由泵來控制支流道內(nèi)的擾動。這是一種壓力式混合器。它由一個主管道、兩個支管道以及與之相連的壓力擾動源、兩個注射泵(入口)及水箱(出口)組成。支管道產(chǎn)生不穩(wěn)定的壓力降，因而對主干流施加了橫向的非定常壓力的擾動。在小的擾動幅度時，流線在經(jīng)過交叉區(qū)域時差生微弱的振動，隨著擾動幅度的增加，振動幅度隨之增大；類混沌區(qū)域出現(xiàn)大擾動幅度時，流線會產(chǎn)生一個或數(shù)個折疊，并且會在下游產(chǎn)生一個周期性變化、極端復(fù)雜的流線形狀，這對混合而言非常有利。

二、被動式混合器

被動式微混合器的機理主要靠改變管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形狀，盡可能增大混合面積，達到增強混合的效果。被動式位混合器主要分為：F型微混合器、分流微混合器、注射式微混合器、混沌微混合器等類型。

1.T型微混合器

T型微混合器是發(fā)展較早的一種微混合器。它結(jié)構(gòu)簡單，兩股流體成T型或Y型進入微通道混合。由于微通道特征尺度可達微米級，即使沒有對流作用，僅通過分子擴散，也可在較短長度內(nèi)實現(xiàn)良好的混合效果。丹麥哥本哈根的研究者們對通道結(jié)構(gòu)如何影響雙層流體的混合行為進行了基礎(chǔ)研究。研究者采用了多種形狀的通道結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明無論是結(jié)構(gòu)變化還是水力直徑的變化都直接影響到流體的雷諾數(shù)，從而影響流體的流動區(qū)域，在分子擴散的基礎(chǔ)上輔以流體區(qū)間的誘導(dǎo)運動及分割，因此對混合行為有非常直接的影響。

美國加州理工微型機械加工實驗室及哈佛休斯醫(yī)學(xué)院的研究者們發(fā)展了一種微混合設(shè)備，將其用作快速串聯(lián)反應(yīng)的一種測量工具，這項研究在“淬滅”流動及截止流動方面有重要的意義。所謂的“淬滅”流動是指在流動過程中突然停止反應(yīng)，如監(jiān)控蛋白質(zhì)折疊時，時間分辨率必須在1μs以下，所以必須觀察混合實現(xiàn)過程及反應(yīng)的突然開始及停止。雙T型結(jié)構(gòu)混合器的尤其適合于進行高速操作過程。而在低流速條件下該設(shè)備的性能會大大的降低，這在一定程度下限制了這種混合器的應(yīng)用。

2.分流合并式微混合器

分流合并式微混合器通過將流體分流再合并的方式來實現(xiàn)混合。Branebjerg等設(shè)計了一種基于分流合并原理的被動式微混合器,該混合器以耐熱玻璃和娃為材料,利用濕法腐蝕加工而成。Munson等設(shè)計了一種微流控分層流動微混合器。該混合器在上下兩層的微通道內(nèi)同時注入兩種流體,經(jīng)過一段路徑的輸運,使兩層流體混合,然后再分兩層流動,再混合,如此反復(fù),直至混合充分。

一種新型的“圣誕樹”型微混合器，通道為多層次網(wǎng)絡(luò)通道，每一層包含多個并行的分支蜿蜒通道，通道數(shù)逐級增加，最后再匯于寬通道，系統(tǒng)的基本混合方式是相鄰液流的擴散混合，而能夠產(chǎn)生濃度梯度是利用了多層次的分流、漩渦混合，即將初始濃度不同的液流分流后再與相鄰的初始液流的分流匯合，此匯合液流再進行下一步的分流及與相鄰的液流匯合，如此循環(huán)往復(fù)，最后眾多濃度不同的分支液流匯合，形成一個橫向的濃度梯度。其形成的濃度梯度具有多種復(fù)雜形式，包括線形、拋物線和周期曲線等。

以上這些平行或分流微混合器具有體積小，混合效率高且速度快的優(yōu)點：但是也存在局限性，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大并且不易系統(tǒng)集成化。

3.注射式微混合器

類似于分流合并式微混合器,注射式微混合器也是通過分流再合并的方式來實現(xiàn)樣品的混合,但是注射式微混合器只分裂一股流體,然后將分流后的流體注入另一股流體,實現(xiàn)混合。Miyake等設(shè)計了一種帶有微型陣列噴嘴的,能產(chǎn)生許多射流的被動式微混合器,如圖10所示,在微混合器的入口處有212 mmx2 mmx330 μm的混合區(qū)域,底部還有400個間隔為15μm的微型噴嘴。通過這些噴嘴,上面的樣品被注入到下面的樣品中,形成了多個微小的噴流,即噴流陣列。噴流會大大增加兩種被混合流體的接觸面積,從而加速樣品擴散的速度。在樣品量為0.5μ L、流體注入速度為0.75μL/S時,兩種待混合的樣品在1.2s內(nèi)就實現(xiàn)了充分混合。

4.混沌微混合器

如果改變微通道中流動的層流形態(tài)，使其處于一種雜亂無章的狀態(tài)，則可使對流傳質(zhì)在各個方向上進行。它是基于對宏觀混合器的研究上發(fā)展起來的，其機理是通過改變管道的形狀和構(gòu)造(或者外場的作用)，來分離、拉伸、折疊液體或產(chǎn)生橫向流動，從而達到增加液流間的接觸面積，降低混合長度的目的。

Johnson等人提出了一種主體結(jié)構(gòu)是T型管道的微混合器，在其底部的微通道交匯處利用激光加工出一組傾斜的凹槽，借以增強橫向運送?；旌瞎艿罊M截面近似梯形，混合器采用電滲流驅(qū)動，在低的雷諾數(shù)條件下就可以得到與主流方向垂直的二次流，誘發(fā)混沌對流，并取得很好的混合效果。這種改變混合器底部結(jié)構(gòu)的還有以下幾種結(jié)構(gòu)；互相交聯(lián)型結(jié)構(gòu)、螺旋形結(jié)構(gòu)、蛇形結(jié)構(gòu)、交叉網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)。Kim等在微通道底部蝕刻出斜形槽道，使流體產(chǎn)生三維螺旋流動，同時于頂部周期性設(shè)置長方形塊狀物，使流場沿軸向發(fā)生周期性擾動，從而引發(fā)流體間的混沌混合。

Stroock等在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上加工出底部置有魚骨形肋片或斜形肋片的微通道，如圖12所示。這樣可以在微管道的橫截面上產(chǎn)生與主流方向垂直的二次流，同時該二次流沿軸向流動方向呈周期性變化。高Peclet數(shù)時，T型微混合器在3cm內(nèi)幾乎無混合；斜形肋片微混合器中僅發(fā)生部分混合；而魚骨形肋片微混合器中，熒光攝影發(fā)現(xiàn)通道底部修飾的特殊結(jié)構(gòu)使流體在通道中心處發(fā)生拉伸和折疊，引起了流體的混沌對流，從而當Peclet數(shù)高達9e-5時，仍能保證完全混合。

被動式微混合器具有不需要外場的激勵，結(jié)構(gòu)比較簡單，不需要復(fù)雜的工藝且易于集成為一個復(fù)雜的微流控系統(tǒng)的優(yōu)點。

對于一個反應(yīng)速率較慢的化學(xué)反應(yīng)來說，其反應(yīng)完成的時間要遠遠大于反應(yīng)物的混合時間，這種情況下的微觀混合過程對反應(yīng)過程的影響非常小，只需要適當?shù)幕旌蟻泶龠M質(zhì)量和熱量的傳遞，這時候是反應(yīng)的動力學(xué)對反應(yīng)起主導(dǎo)作用，并影響該反應(yīng)的產(chǎn)率和選擇性；對于一個快速結(jié)晶反應(yīng)來說，其反應(yīng)速率很快，如果在反應(yīng)完成之前物料還沒有充分的混合，則會大大的影響該反應(yīng)的產(chǎn)率和選擇性，這時反應(yīng)器的混合性能起著至關(guān)重要的作用，微觀混合效率的高低直接影響產(chǎn)物的品質(zhì)。因此，研究化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)部均相與非均相混合過程及混合與反應(yīng)鍋合的過程對提升反應(yīng)過程的效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量有很大幫助口，對反應(yīng)器設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有重要意義，對于降低工業(yè)能耗，提高經(jīng)濟效益大有好處。