为什么我们需要混合微流体？

微流控装置的积极发展和改进使得在生物医学诊断学研究，小型化微流控和纳流控生物传感器的开发，DNA分析，化学合成 和基因组学研究等方面取得重大进展。微流体系统中的通道尺寸以微米和纳米流体他们下降到纳米。这可以明显降低表面体积比，从而减少样品/试剂消耗并获得紧凑型器件。

然而，在这种小型化通道中的样品流动是层状的而不是湍流的，这对应于小的雷诺数值。因此，在这种层流中，两种液体之间不会发生传统的湍流混合。而且可控且快速的混合对于通常用于涉及许多试剂和样品的分析的微流体和芯片实验室装置的后续实际开发至关重要。这就是为什么不同的混合技术被各个研究小组开发和研究的原因。

微流体装置中的无源微混合器

在层流中，混合只能通过分子扩散进行。自然地，增加液体之间混合的一种方法是增强样品之间的扩散效应。为此，样品可以流过微流控芯片中包含的各种孔，或者样品可以在多个较小的通道之间分离。

另一种方法是增加混合试剂之间的接触面积以及接触时间。这两个概念属于所谓的“被动”微流体混合，因为在混合过程中不涉及活性元素。在这种情况下，通道几何形状的设计方式能够增加混合过程中涉及的试剂之间的接触面积和/或接触时间。根据被动微混合器的类型，混合时间可能会从几十毫秒到几百毫秒不等（见表1）。

表I：不同无源微混合器性能对比表

T和Y型微混合器

使用T形或Y形微通道实现了被动混合的*简单方法。它们由两个入口和一个出口组成。在T形微混合器的情况下，两个带有两个混合样品的进口微通道彼此垂直流动（图2.a），而在T形微混合器的情况下，它们以特定角度放置。传统上，混合出现在两种流体之间的接触面上，并且强烈依赖于在界面处发生的扩散过程。这就是为什么这种类型的混合器，混合时间相当长。但是，它可以通过改变流体的流量值来控制（减慢流速会降低混合速度，相反，在高流速下，混合时间会减少）。通过在混合通道中添加一些障碍和障碍物可以增加混合效率，这会产生额外的扰动（图2.b）。

图2：（a）T形微流体无源混合器的示例。流体1和流体2从两个分开的入口进入。在公共通道（3）中流动时发生混合。（b）在混合通道中引入凹槽可提高混合效率并减少混合时间（4）。

使用层压的微流体混合

被动混合的另一种方法是层压法。它需要在微流体芯片内创建多个细平行通道。两个（或更多）流体流被分流，然后再次聚集成多个小流（图3）。这可以增加流量之间的接触面积。涉及的渠道越多，混合越快。对于每个补充的n分流毛细管，混合速度比n ^ 2快。

图3：棋盘微混合器的示意图：两种流动（蓝色和红色）被分成较小的流动，然后再分成更细的流动。通过微通道之间的多个小瓶发生扩散。（3,5）

流动聚焦微流体混合

混合效率的重要参数是混合路径。它越短，混合器器就越紧凑。因此，将更容易整合到微流控芯片的总体方案中。能够减少混合通道的一种方法是通过流动聚焦进行混合。流动聚焦微流体混合器的基本方案由三个微通道和一个中心出口通道组成（图4a）。来自三个入口的样品在中央通道中平行流动。因此，来自中间入口（聚焦流）的流体被来自侧通道（鞘流）的流体包围。然后，通过调节流量来控制中心流的宽度的鞘流。因此，中心流参数取决于内部和外部流量之间的流量比（图4b）。流量差异越显着，聚焦流越薄，混合时间越短。为了控制这样的系统，需要对每个流程进行独立控制。为此，可以使用具有多个压力出口的流量控制系统。

图4：（a）流体动力聚焦混合器示意图。（b）实例ab显示侧流流量对中心流（3,6）宽度的影响。

主动微流控微混合器

另一个重要的混合类被称为“主动”混合。在这种情况下，混合效率通过施加到样品上的外力而增加。为了获得有效的混合方案，应该将一些特定的机械传感器结合到微流体芯片中。为了实现“主动”流体混合并影响混合过程，可能涉及不同的物理现象：声波，压力扰动，磁场，热法。例如，混合区域中声波的产生增加了样品之间的混合。然而，涉及的外力可能会影响研究样本。例如，超声波的使用会引起不可忽略的样品加热，这会导致混合样品之间不希望的或沉淀的反应。在空间上，使用对外部扰动和温度变化敏感的生物样品是非常准确的。至于“被动”混合，混合时间和有效混合区长度取决于活性微混合器的类型（见表II）。然而，混合效率可以通过将主动方法与被动方法相结合来创建复杂的通道几何形状。

表II：不同有源微混合器性能对比表

混合使用压力场干扰

一种在层流中产生局部不规则性的方法是操纵通道内的压力场分布。例如，它可以通过在微芯片内部集成微型泵来完成，该微型泵可以交替地推动和停止流动。同样，混合流体流速的突然变化可用于有效的混合。格拉斯哥的一个小组注意到的重要一点是，如果两个流量都随着180°相移而变化并且彼此垂直（2,3），则混合效率会提高。

电动有源微混合器

在电动主动混合的情况下，流体混合由电场波动激活。由电场值波动引起的电动不稳定性引起混合样品在其界面处的局部挤压和拉伸。尽管如此，这种方法需要具有不同电导率的流体。

图5：电动有源微混合器的示意模型

超声主动微流体混合

超声波的传播引起样品流体的搅动。为此，压电陶瓷换能器被集成到微流体芯片中。产生的声波在垂直于流动方向的方向上引起流体混合。为了提高混合效率，可以增加暴露于声波的表面，例如通过在混合区（3）中引入小气泡。

图6：基于声驱动侧壁捕获微泡的微流体混合器的示意图