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CN116099579A - 微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统及加工方法 - Google Patents

微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统及加工方法，通过微磁柱阵列和哈尔巴赫磁体阵列的协同作用，一方面利用具有特殊排列结构的微磁柱阵列，改变空间流场的分布，另一方面又利用微磁柱阵列产生的空间高局域磁场梯度，精准调控铁磁流体的运动，在二者的共同作用下，实现十字型微流体通道中不同溶液高通量高效率混合的精确调控，提高不同溶液间混合效率的同时，又能缩短混合时间，并且对不同溶液高效率混合进行实时灵活调控，节约了时间与经济成本，具有很强的使用价值，同时，本发明率先提出兼具被动混合和主动混合的微流控系统，也具备极强的学术意义。

Description

微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统及加工方法
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统及加工方法。
背景技术
微流控系统由于其在加速化学分析和反应、减少试剂消耗、提高传质效率以及降低成本和危害等方面具有明显的优势，因此被广泛应用于电子、生物、化工、医学以及环境等众多领域。近年来，在生物医学领域，科研工作者们常借助于微流控系统，将样品的采集、稀释、混合、反应、稀释、分选以及检测等过程集成于同一块微芯片上，在最大程度简化实验操作步骤的同时保持着较高的检测效率。其中，加强待检测样品与标记物之间的充分混合是实现样品高精度检测的重要环节，但是在传统的微流控系统中，由于微流体通道的低雷诺系数，导致样品与标记物之间的混合需要耗费很长的时间，因此，如何在提高不同溶液间混合效率的同时，又能缩短混合时间是当下的重点关注问题。
目前，常用于加强不同样品混合的方法大致可分为主动混合和被动混合两种，主动混合常借助于外部场(如电场、磁场、热场、超声场、微波场等)的作用，从而实现对不同样品混合的精准调控，但是该方法常需要借助于复杂的场发生装置，也需要消耗大量的外部能量，不利于实现便携式医疗诊断功能。被动混合是借助于微流体通道结构的设计，通过改变流体的流动方向以增加不同流体间的接触面积，从而实现样品的高效混合。但是被动混合的混合效率极大地依赖于微通道内流场的分布，当微通道结构固定后，其空间流场的分布便很难发生变化，无法实现对样品混合的实时灵活调控。因此，如何在提高不同样品间混合效率的同时，又能实现对样品混合的实时灵活调控是当下的重点关注问题。
由直径为5～15nm的超顺磁性纳米粒子借助于表面活性剂稳定地分散在载流基液中形成的稳定胶体，被称为铁磁流体。由于其兼具磁性、流体特性以及良好的生物相容性等特性，使得其在外部磁场的作用下，不仅可促进不同样品间的混合，而且在灵活调控样品混合效率方面也展现出明显的优势，此外，磁场控制的非接触性、温度和PH值的无依赖性、精准可调控性以及磁场发生装置的简易性，也为加强其在医学检测领域的应用奠定了坚实的基础。
但是，目前关于磁场控制铁磁流体运动以加强不同样品间混合的研究，多局限于低通量、低雷诺数的情况，而当提高样品的加载通量后，由于流体间的质量交换被极大的削弱，很大程度的降低了样品的混合效率。
发明内容
本发明提供了一种微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统及加工方法，以克服不同样品间混合时时间长且混合效率低的问题，本发明实现了对不同溶液高效率混合的实时调控。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，包括十字型微流体通道、微磁柱阵列、微流体通道出口和外加偏置磁场，其中，十字型微流体通道与微流体通道出口相接，微磁柱阵列设置在十字型微流体通道的内部，外加偏置磁场设置在十字型微流体通道的外部。
进一步地，所述十字型微流体通道包括铁磁流体通道、直线型待混合液通道和微流体直通道，其中直线型待混合液通道包括位于同一直线上的第一待混合液通道和第二待混合液通道，第一待混合液通道的出口端与第二待混合液通道的出口端相接，铁磁流体通道垂直于直线型待混合液通道，铁磁流体通道中铁磁流体的流速是直线型待混合液通道中待混合液流速的0.5倍，微流体通道出口设置在微流体直通道的自由端。
进一步地，所述微磁柱阵列贯穿微流体直通道设置，且微磁柱阵列的底端与微流体直通道的底侧处于同一水平面，微磁柱阵列的顶端与微流体直通道的顶侧处于同一水平面。
进一步地，所述微流体直通道的内部设置有若干个微磁柱阵列，每个微磁柱阵列由若干个微磁柱组成，所述微磁柱为圆柱形，每一个微磁柱的半径为30μm，高度为60μm。
进一步地，所述微磁柱阵列包括13个微磁柱，其中12个微磁柱按照正八边形结构排列，所述正八边形结构中相邻两个微磁柱沿x轴和y轴方向的中心间距均为90μm，所述正八边形结构的中心设置一个微磁柱。
进一步地，所述微磁柱由PDMS和NdFeB磁粉按照1:1的质量比通过混合、排泡和固化操作获得。
进一步地，所述微磁柱的磁化方向沿微磁柱的高度方向。
进一步地，所述外加偏置磁场由两个同心圆环的哈尔巴赫磁体阵列产生，每一个圆环上的哈尔巴赫磁体阵列由尺寸和磁化强度相同的钕铁硼N50长方体永磁体按不同的旋转角度排列构成；所述哈尔巴赫磁体阵列两个同心圆环中的外环的外圆半径r1为142mm，外环的内圆半径r2为85mm，内环的外圆半径与外环的内圆半径相同，内环的内圆半径r3为50mm。
进一步地，所述每一个圆环上的哈尔巴赫磁体阵列能够旋转任意角度，外加偏置磁场调节范围为0～100mT。
一种微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统的加工方法，包括如下步骤：
步骤一：采用微纳光刻技术与深硅刻蚀技术，在硅衬底上制作具有十字型微流体通道和微磁柱结构的模具；
步骤二：将PDMS和NdFeB磁粉以1:1的质量比进行混合后，利用滴管将二者的混合液注入模具的微磁柱结构中，经过排泡和固化步骤后，获得十字型微流体通道和微磁柱阵列；
步骤三：采用氧等离子体键合技术将十字型微流体通道和微磁柱阵列封装在一起，即获得微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，实现了提高不同溶液间混合效率的同时，又能缩短混合时间，并且对不同溶液高效率混合进行实时灵活调控，具体优点如下：
本发明系统一方面利用具有特殊排列结构的微磁柱阵列，改变空间流场的分布，另一方面又利用微磁柱阵列产生的空间高局域磁场梯度以及由其分布引起的空间特殊流场分布可极大提高不同溶液间的质量交换，促进其发生高通量快速混合，精准调控铁磁流体的运动，在二者的共同作用下，可实现对宽雷诺数范围不同溶液高效率混合的实时调控。
进一步地，本发明提出的圆柱形微磁柱的半径为30μm，高度为60μm，可产生高局域性的磁场梯度，
进一步地，微磁柱阵列按八边形结构排列，可极大提高其对铁磁流体的作用范围，在微磁柱阵列八边形结构的中心放置的微磁柱，可用于调节空间磁场的分布，改变铁磁流体的运动轨迹，增大不同流体间的接触面积。
进一步地，本发明提出的微磁柱阵列是由PDMS和NdFeB磁粉按照1:1的质量比经混合、排泡和固化操作获得，而非传统的电镀技术，极大地节约了制作成本。
进一步地，在脉冲充磁装置的作用下，圆柱形微磁柱可被永久磁化，呈现出永磁体特性。
进一步地，哈尔巴赫磁体阵列用于产生幅值和方向都可实时调节的外加偏置磁场。
本发明加工方法提出采用微纳光刻技术与深硅刻蚀技术结合的方式加工微流体通道和微磁柱，不需要复杂的金属腐蚀过程，即可获得高度为60μm的微磁柱阵列，极大地简化了加工工艺的难度，并提高了加工结构的精度。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明中提出的微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统的结构示意图，1为第一待混合液通道，2为铁磁流体通道，3为第二待混合液通道，4为微磁柱阵列，5为微流体直通道，6为微流体通道出口，7为外加偏置磁场。
图2为本发明中提出的两个同心圆环的哈尔巴赫磁体阵列示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
本发明提供了一种微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，如图1所示，包括第一待混合液通道1，铁磁流体通道2，第二待混合液通道3，微磁柱阵列4，微流体直通道5，微流体通道出口6，外加偏置磁场7。第一待混合液通道1和第二待混合液通道3构成直线型待混合液通道，铁磁流体通道2、直线型待混合液通道和微流体直通道5构成十字型微流体通道，其中铁磁流体通道2中注入铁磁流体，直线型待混合液通道中注入待混合的溶液，在微流体通道出口6处收集混合好的样品。
外加偏置磁场7由两个同心圆环的哈尔巴赫磁体阵列产生，如图2所示，每一个圆环上的哈尔巴赫磁体阵列由尺寸和磁化强度相同的钕铁硼N50长方体永磁体按不同的旋转角度排列构成，每一个圆环上的哈尔巴赫磁体阵列可旋转任意角度，从而灵活改变空间偏置磁场的大小和方向。通过调节每个哈尔巴赫磁体阵列的旋转角度，可实现0～100mT范围内磁场的任意调节。哈尔巴赫磁体阵列两个同心圆环中的外环的外圆半径r1为142mm，外环的内圆半径r2为85mm，内环的外圆半径与外环的内圆半径相同，内环的内圆半径r3为50mm，十字型微流体通道可放置在其内部。
微磁柱阵列4由13个圆柱形微磁柱组成，圆柱形微磁柱由NdFeB磁粉和PDMS按照1:1的质量比经混合、排泡和固化操作获得，而非传统的电镀技术，极大地节约了制作成本。铁磁流体通道2流速是直线型待混合液通道流速的0.5倍。圆柱形微磁柱的半径为30μm，高度为60μm，可产生高局域性的磁场梯度。在脉冲充磁装置的作用下，圆柱形微磁柱可被永久磁化，呈现出永磁体特性，圆柱形微磁柱的磁化方向沿磁柱高度方向。微磁柱阵列4中的12个圆柱形微磁柱排列形成正八边形结构，相邻两个圆柱形微磁柱沿x轴和y轴方向的中心间距均为90μm，可极大提高其对铁磁流体的作用范围，在正八边形结构的中心放置1个微磁柱，可以调节空间磁场的分布，改变铁磁流体的运动轨迹，增大不同流体间的接触面积。
本发明提出的微流控系统，兼具被动混合和主动混合，利用特殊排列的微磁柱阵列4，在空间产生高局域的磁场梯度和特殊分布结构的空间特殊流场，当将铁磁流体和待混合的溶液分别注入通道后，铁磁流体的磁性以及空间特殊流场的流动特性，极大提高不同溶液间的质量交换，进而促进其发生高通量快速混合，微磁体阵列4和哈尔巴赫磁体阵列的协同作用，实现了十字型微流体通道中宽雷诺数范围内不同溶液高通量高效率混合的精确调控。
实施例二
本发明提供了一种微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统的加工方法。利用微纳光刻技术实现混合器的加工，包括微流体通道单元和微磁柱的加工及二者的封装。基于微纳光刻技术和深硅刻蚀技术在硅衬底上制作具有十字型微流体通道和微磁柱结构的模具，然后利用滴管将质量比为1:1的PDMS和NdFeB磁粉的混合液注入模具的微磁柱结构中，经过排泡和固化步骤后，获得十字型微流体通道和微磁柱阵列4，最后借助于氧等离子体键合技术将十字型微流体通道和微磁柱阵列4封装在一起，获得微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流体系统。在通道入口溶液的通量由几μL/h变化至百mL/h时，其可保持较高的磁混合效率。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，其特征在于，包括十字型微流体通道、微磁柱阵列(4)、微流体通道出口(6)和外加偏置磁场(7)，其中，十字型微流体通道与微流体通道出口(6)相接，微磁柱阵列(4)设置在十字型微流体通道的内部，外加偏置磁场(7)设置在十字型微流体通道的外部。
2.根据权利要求1所述的微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，其特征在于，所述十字型微流体通道包括铁磁流体通道(2)、直线型待混合液通道和微流体直通道(5)，其中直线型待混合液通道包括位于同一直线上的第一待混合液通道(1)和第二待混合液通道(3)，第一待混合液通道(1)的出口端与第二待混合液通道(3)的出口端相接，铁磁流体通道(2)垂直于直线型待混合液通道，铁磁流体通道(2)中铁磁流体的流速是直线型待混合液通道中待混合液流速的0.5倍，微流体通道出口(6)设置在微流体直通道(5)的自由端。
3.根据权利要求2所述的微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，其特征在于，所述微磁柱阵列(4)贯穿微流体直通道(5)设置，且微磁柱阵列(4)的底端与微流体直通道(5)的底侧处于同一水平面，微磁柱阵列(4)的顶端与微流体直通道(5)的顶侧处于同一水平面。
4.根据权利要求3所述的微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，其特征在于，所述微流体直通道(5)的内部设置有若干个微磁柱阵列(4)，每个微磁柱阵列(4)由若干个微磁柱组成，所述微磁柱为圆柱形，每一个微磁柱的半径为30μm，高度为60μm。
5.根据权利要求4所述的微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，其特征在于，所述微磁柱阵列(4)包括13个微磁柱，其中12个微磁柱按照正八边形结构排列，所述正八边形结构中相邻两个微磁柱沿x轴和y轴方向的中心间距均为90μm，所述正八边形结构的中心设置一个微磁柱。
6.根据权利要求4所述的微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，其特征在于，所述微磁柱由PDMS和NdFeB磁粉按照1:1的质量比通过混合、排泡和固化操作获得。
7.根据权利要求4所述的微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，其特征在于，所述微磁柱的磁化方向沿微磁柱的高度方向。
8.根据权利要求1所述的微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，其特征在于，所述外加偏置磁场(7)由两个同心圆环的哈尔巴赫磁体阵列产生，每一个圆环上的哈尔巴赫磁体阵列由尺寸和磁化强度相同的钕铁硼N50长方体永磁体按不同的旋转角度排列构成；所述哈尔巴赫磁体阵列两个同心圆环中的外环的外圆半径r1为142mm，外环的内圆半径r2为85mm，内环的外圆半径与外环的内圆半径相同，内环的内圆半径r3为50mm。
9.根据权利要求8所述的微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统，其特征在于，所述每一个圆环上的哈尔巴赫磁体阵列能够旋转任意角度，外加偏置磁场(7)调节范围为0～100mT。
10.一种微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：采用微纳光刻技术与深硅刻蚀技术，在硅衬底上制作具有十字型微流体通道和微磁柱结构的模具；
步骤二：将PDMS和NdFeB磁粉以1:1的质量比进行混合后，利用滴管将二者的混合液注入模具的微磁柱结构中，经过排泡和固化步骤后，获得十字型微流体通道和微磁柱阵列(4)；
步骤三：采用氧等离子体键合技术将十字型微流体通道和微磁柱阵列(4)封装在一起，即获得微磁柱阵列调控铁磁流体运动的微流控系统。
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