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(duì)于化學(xué)合成、化學(xué)分析、藥物輸送、核酸測(cè)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(shí)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(lái)完成,微混合器分為主動(dòng)式微混合器和被動(dòng)式微混合器。主動(dòng)式微混合器需要借助于外界力源實(shí)現(xiàn)樣品的混合。被動(dòng)式微混合器實(shí)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(shì)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(shí)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(diǎn)。

一.主動(dòng)式微混合器

主動(dòng)式微混合器的機(jī)理是通過(guò)外場(chǎng)的作用產(chǎn)生液體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到混合的效果。根據(jù)混合方式的不同，主動(dòng)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(dòng)電式混合器、壓力擾動(dòng)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(dòng)式微混合器。混合直接由超聲振動(dòng)引起，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(dòng)混合具有較高的混合效率，但超聲會(huì)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(kāi)發(fā)了磁力驅(qū)動(dòng)微攪拌器陣列。混合通道中的微磁力攪拌棒在磁場(chǎng)的作用下高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)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(diǎn)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(duì)二甲苯芯片通道中，以外部的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微磁力攪拌棒進(jìn)行液體混合，并對(duì)攪拌棒在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)攪拌棒的尺寸進(jìn)行改進(jìn)，提高了混合效率。

3.動(dòng)電式混合器

在微通道中，動(dòng)電作用可以代替壓力驅(qū)動(dòng)來(lái)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(dòng)電作用來(lái)構(gòu)造動(dòng)態(tài)微混合器是一種很好的選擇。Glasgow等設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)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(chǎng)，誘導(dǎo)出不均一的速度場(chǎng)，從而達(dá)到混合的目的。這種驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是在驅(qū)動(dòng)微通道中液體的同時(shí)又進(jìn)行混合，在一定程度上可增強(qiáng)雷諾數(shù)非常低(Re<1)的流體的混合。

4.壓力擾動(dòng)式混合器

主混合管道內(nèi)的流體受到三對(duì)支流道內(nèi)的射流擾動(dòng)，并由泵來(lái)控制支流道內(nèi)的擾動(dòng)。這是一種壓力式混合器。它由一個(gè)主管道、兩個(gè)支管道以及與之相連的壓力擾動(dòng)源、兩個(gè)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(duì)主干流施加了橫向的非定常壓力的擾動(dòng)。在小的擾動(dòng)幅度時(shí)，流線在經(jīng)過(guò)交叉區(qū)域時(shí)差生微弱的振動(dòng)，隨著擾動(dòng)幅度的增加，振動(dòng)幅度隨之增大；類混沌區(qū)域出現(xiàn)大擾動(dòng)幅度時(shí)，流線會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)折疊，并且會(huì)在下游產(chǎn)生一個(gè)周期性變化、極端復(fù)雜的流線形狀，這對(duì)混合而言非常有利。

二、被動(dòng)式混合器

被動(dòng)式微混合器的機(jī)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(dá)到增強(qiáng)混合的效果。被動(dòng)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(jiǎn)單，兩股流體成T型或Y型進(jìn)入微通道混合。由于微通道特征尺度可達(dá)微米級(jí)，即使沒(méi)有對(duì)流作用，僅通過(guò)分子擴(kuò)散，也可在較短長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的混合效果。丹麥哥本哈根的研究者們對(duì)通道結(jié)構(gòu)如何影響雙層流體的混合行為進(jìn)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(wú)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(dòng)區(qū)域，在分子擴(kuò)散的基礎(chǔ)上輔以流體區(qū)間的誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)及分割，因此對(duì)混合行為有非常直接的影響。

美國(guó)加州理工微型機(jī)械加工實(shí)驗(yàn)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(cè)量工具，這項(xiàng)研究在“淬滅”流動(dòng)及截止流動(dòng)方面有重要的意義。所謂的“淬滅”流動(dòng)是指在流動(dòng)過(guò)程中突然停止反應(yīng)，如監(jiān)控蛋白質(zhì)折疊時(shí)，時(shí)間分辨率必須在1μs以下，所以必須觀察混合實(shí)現(xiàn)過(guò)程及反應(yīng)的突然開(kāi)始及停止。雙T型結(jié)構(gòu)混合器的尤其適合于進(jìn)行高速操作過(guò)程。而在低流速條件下該設(shè)備的性能會(huì)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(guò)將流體分流再合并的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)混合。Branebjerg等設(shè)計(jì)了一種基于分流合并原理的被動(dòng)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(jì)了一種微流控分層流動(dòng)微混合器。該混合器在上下兩層的微通道內(nèi)同時(shí)注入兩種流體,經(jīng)過(guò)一段路徑的輸運(yùn),使兩層流體混合,然后再分兩層流動(dòng),再混合,如此反復(fù),直至混合充分。

一種新型的“圣誕樹(shù)”型微混合器，通道為多層次網(wǎng)絡(luò)通道，每一層包含多個(gè)并行的分支蜿蜒通道，通道數(shù)逐級(jí)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(kuò)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(jìn)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(gè)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(diǎn)：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(guò)分流再合并的方式來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)混合。Miyake等設(shè)計(jì)了一種帶有微型陣列噴嘴的,能產(chǎn)生許多射流的被動(dòng)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(gè)間隔為15μm的微型噴嘴。通過(guò)這些噴嘴,上面的樣品被注入到下面的樣品中,形成了多個(gè)微小的噴流,即噴流陣列。噴流會(huì)大大增加兩種被混合流體的接觸面積,從而加速樣品擴(kuò)散的速度。在樣品量為0.5μ L、流體注入速度為0.75μL/S時(shí),兩種待混合的樣品在1.2s內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了充分混合。

4.混沌微混合器

如果改變微通道中流動(dòng)的層流形態(tài)，使其處于一種雜亂無(wú)章的狀態(tài)，則可使對(duì)流傳質(zhì)在各個(gè)方向上進(jìn)行。它是基于對(duì)宏觀混合器的研究上發(fā)展起來(lái)的，其機(jī)理是通過(guò)改變管道的形狀和構(gòu)造(或者外場(chǎng)的作用)，來(lái)分離、拉伸、折疊液體或產(chǎn)生橫向流動(dòng)，從而達(dá)到增加液流間的接觸面積，降低混合長(zhǎng)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(qiáng)橫向運(yùn)送。混合管道橫截面近似梯形，混合器采用電滲流驅(qū)動(dòng)，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(duì)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(dòng)，同時(shí)于頂部周期性設(shè)置長(zhǎng)方形塊狀物，使流場(chǎng)沿軸向發(fā)生周期性擾動(dòng)，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(yú)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(shí)該二次流沿軸向流動(dòng)方向呈周期性變化。高Peclet數(shù)時(shí)，T型微混合器在3cm內(nèi)幾乎無(wú)混合；斜形肋片微混合器中僅發(fā)生部分混合；而魚(yú)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(duì)流，從而當(dāng)Peclet數(shù)高達(dá)9e-5時(shí)，仍能保證完全混合。

被動(dòng)式微混合器具有不需要外場(chǎng)的激勵(lì)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的工藝且易于集成為一個(gè)復(fù)雜的微流控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于一個(gè)反應(yīng)速率較慢的化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，其反應(yīng)完成的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反應(yīng)物的混合時(shí)間，這種情況下的微觀混合過(guò)程對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響非常小，只需要適當(dāng)?shù)幕旌蟻?lái)促進(jìn)質(zhì)量和熱量的傳遞，這時(shí)候是反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)對(duì)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(duì)于一個(gè)快速結(jié)晶反應(yīng)來(lái)說(shuō)，其反應(yīng)速率很快，如果在反應(yīng)完成之前物料還沒(méi)有充分的混合，則會(huì)大大的影響該反應(yīng)的產(chǎn)率和選擇性，這時(shí)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(guò)程及混合與反應(yīng)鍋合的過(guò)程對(duì)提升反應(yīng)過(guò)程的效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量有很大幫助口，對(duì)反應(yīng)器設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有重要意義，對(duì)于降低工業(yè)能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益大有好處。