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TW200946217A - Microfluidic self-sustaining oscillating mixers and devices and methods utilizing same - Google Patents

Microfluidic self-sustaining oscillating mixers and devices and methods utilizing same Download PDF

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Publication number
TW200946217A
TW200946217A TW097117772A TW97117772A TW200946217A TW 200946217 A TW200946217 A TW 200946217A TW 097117772 A TW097117772 A TW 097117772A TW 97117772 A TW97117772 A TW 97117772A TW 200946217 A TW200946217 A TW 200946217A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
chamber
channels
width
channel
mixing
Prior art date
Application number
TW097117772A
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre Woehl
Original Assignee
Corning Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Corning Inc filed Critical Corning Inc
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Description

200946217 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明侧於微流體自形持續振盈流束之混合器及裝 置以及使用該裝置之方法。 【先前技#f】 如人們所知，微流裴置包含尺寸範圍從微米到幾公餐 的流體裝置，也就是說這些裝置之流體通道的最小尺寸在 〇 微米職公釐的細，最好是從大約10微_大約遣5 公釐的細。部分由於它們特有的低總處理流體體積，和 特有之高表面對體積之比值，耻微流裝置制是微反應 器月b夠以女全，有效，和環境-友善的方式以實施困難危險 ，或甚至用別種方式不可能達成的化學反應。 在包含微流混合器的微反應器中，幾個反應物應該以 反應動力料w度來看非倾的速度齡在—起，理想 的流速範圍從每分鐘幾毫升到每分鐘幾百毫升，其決定於 〇 應用的不同-實驗槽室，先工廠試藏或生產。在這類混合 ϋ的生物應财，流速可以只在每分鐘微升的細。最好 有平-類獅混合H或混合賴何可闕在橫越這麼寬的 流速範圍。同時，在特定混合器中所達到的混合品質，最好 盡可能跟流速無關，並且此混合器最好可以讓熱從混合流 體有效刺ί除去。同時也希望能夠以健降達到良好的混 合品質。 【發明内容】 實施化學或生物反應的微流裝置包含槽室作為自行持 200946217 . 續振盡流束混合槽室，和由一個或多個内通道壁板分隔的 兩個或多個分離供料通道。這兩個或多個通道終止在槽室 的同一側，這兩個或多個通道的總通道寬度包含兩個或多 個通道，和所有内通道壁板合在一起的寬度，槽室在垂直於 通道的方向具有寬度，而在平行於通道的方向具有長度，此 寬度至少是總通道寬度的兩倍。槽室有兩個相對的主要表 面界定出它的高度，槽室的主要表面積對體積之比值至少 ▲ 為 10cm2/cm3。 〇 使用自行持續振盪流束來混合微流流體的方法包括提 供一個或多個分離供料通道和一個槽室，此一個或多個通 道蚱每一個都在槽室的同一側壁板進入此槽室，此一個或 夕個分離通道的總渠道寬度包—個或多個分離通道，和 所有内通道壁板-如果有的話-合在一起的寬度，此槽室 至夕有個出口通道，此槽室在垂直於一個或多個通道之 方向的寬度至少是總通道寬度的兩倍。此方法進一步包括 ❹ 將一個或多個液體流以足夠的速率流過供料通道到槽室中 以誘發槽至内的自行持續振盪流束。此槽室的主要表面積 對體積之比值最好至少為lOcmVcm3。 本發明的其他特色和優點將會在底下的詳細描述中加 以說明，而熟悉此技術的人可以從描述中得到部分的瞭解, 或者透過操作這裡所描述的本發明，包括底下的詳細描述， 申請專利範圍，以及附圖而認知。 要瞭解的是，前般描述和底下嚼細描述代表 本發明的實施例峨供概念或架構以瞭解本發明申請專利 第6 頁 200946217 •範圍的本質和特性。附圖是用來對本發供進一步的暸 解，被合併到此說明書中而構成此說明書的一部分。附圖 顯示本發明的各實施例，跟文字描述一起用來解釋本發明 的辱理和運作。 【實施方式】 現在參考本發明優先實施例作詳細說明，該實施例顯 示於附圖中。儘可能地整個附圖中相同的數目表示相同 0 的或類似的元件。 本發明之微流混合器10的一個實施例顯示在圖1和2中 。昆合器10大體而言是平的，由圖i平面的壁板12，和圖2的 底板14和頂板16界定出。（雖然為了方便起見本發明的混 合器10以該指向來描述，但是熟悉此技術的人瞭解本發明 可以以任何想要的指向實施，因此底板，頂板，高度，長度， 見度和類似名列為相對名詞，並非表明或要求特定的指向。 混合器10很適合作為實施化學或生物反應(微反應器） 〇 時需要混合之微流裝置的一部分。混合器10的壁板12和底 • 板14和頂板π界定出自行持續振盪流束混合槽室2〇。兩個 或多個分離供料通道22和24終止在槽室20的同一側μ。通 道22和24是分開的直到它們到達槽室2〇，並由一個或多個 内通道壁板隔開。 槽室20垂直於供料通道22和24的寬度26,最好至少是 總通道寬度28(定義成兩個或多個供料通道和一個或多個 内遠道壁板25合在一起的寬度)的兩倍，更好的是至少三倍 ，甚至更好的是至少四倍。槽室20的底板14和頂板16形成 200946217 •槽室20的兩個相對主要表面％並且界定出槽室20的高度 30。槽室20之高度3〇對寬度26的縱橫比最好是1/1〇或更少 。槽室20之長度32和寬度26的選擇要足以讓預定的作用流 體經由兩個或多個通道22和24流入槽室20中以形成自行持 續振盪流束，在槽室2〇寬度26的方向從-端振盪到一端。 .槽至2〇的主要表面積對體積之比值最好至少5cm2/cm3,需 要至少為l〇cm2/cm3,以及最需要至少為15cffl2/cm3。 對於化學生產的應用，槽室的高度3〇最好在〇.丨到2公 着(含)的範圍内，較需要為〇· 5_至1. 7腿，及最需要為〇. 8 咖至1· 5ram。跟長度和寬度比較起來相對小的高度或者高 的主要表面積對體積之比值可以有效的將熱量從槽室20除 去(或是容易將熱加到槽室20中）。 一圖3是本發明另一個實施例的截面設計圖，根據圖中所 不’多個槽室20沿著微流通道34連續放置。只有在第一槽 室20在圖中最左邊的位置，放置了兩個或多個供料通道22 〇 和24。接下來的槽室20只有一個供料通道34,但是接下來 的槽室20每-個也都可以形成自行持、續振盪流束。藉由額 外的振盈流束，多個連續放置的振盪流束混合槽室2〇可以 增加或促進混合，或者如果需要的話，可以有效維護不互溶 液體的懸浮，或兩者。如圖4所示，連續的混合槽室2〇不需 要沿著通道34緊密放置在一起，可以間隔通道36的長度，通 道36可以用來提供一些熱量交換，並且在下一個混合發生 之前提供一些滯留時間。 圖5是本發明又另一個實施例的截面設計圖，其中的多 200946217 個通道34由圖中虛線所示之單一底板14或較低級上的壁 板12界定出。在圖5的實施例中，流體進入槽室2〇的侧邊18 包含二個終止在槽室2〇的通道，但是從圖中可以看出，外面 兩個通道在它們的頭部相連接對應於通道22，同時内部渠 道對應於通道24。或者，如同圖5裝置的槽室2〇d可以包含 二個或更多個完全獨立的通道22, 24和40。圖中左上方的 渠道22和24可以透過穿越裝置頂板的端埠來供料，如圖所 〇 示。流體可以穿過底板12離開通道34A，並且穿過底板14的 /同孔38重新進入通道34B。所有顯示的通道可以隨意地連 接，使待作用流體通過五個自行振盈流束槽室2〇_2〇d，或者 顯示的一些通道可以獨立從裝置外部進出它們的入口和出 口例如圖中底部所示的平行通道。當使用貫通孔，像洞孔 38以連接各個通道時可以使用多層結構像圖7截面所顯示 的在包含混合益槽至20那層的任一侧，能需要包含溫度 娜Μ齡或碰通道便讓触換細可以在鄰接 〇 混合槽室20的空間流動。通道52作為延續-時間和熱交換 通道’並且可隨意地作為光觸媒反應通道，或是作為其他用 14,可以很有利地放置在裝置的底層，如圖所示。 本發明一個優點是所提供之有效微流混合槽室2〇的高 度非常小，最多在2公·等級，最好約為l 7麵或較小，= 及更好約為1. 5麵或更小。然而同時，混合槽室的主要表面 相對於槽室的高度卻是大的。因此，輻射器42例如光或雷 射光產生襄置，超音波產生器，電磁場產生器，或其他輕射 器可以緊密祕混合槽室20耦合，如圖6的截面簡圖所示 第9 頁 200946217 穿越頂板16(槽室20的兩個主要表面之一)並穿越作用流體 本身以使能夠ft用聲音磁，電磁，或箕他能量以煦射槽 室20中的任何流體。第二輻射器或感測器44也可以很有利 地結合混合槽室20來使用，可以放置在槽室2〇之底板14的 外部，如圖6所示。輻射器或感測器，例如輻射器或感測器 44不需要直接接觸裝置，如圖7所示。 . 整個裝置最好由玻璃，玻璃-陶瓷，或陶瓷材料構成。 ❹ 這些可以提供優越的熱和化學抗性以及對可見光和/或其 他部分電磁頻譜的半透明性或透明性，這對某些應用來說 可能是需要的。此裝置可以根據任何各種方法來製造，例 如由本發明者的同事所發展並且在例如美國第7〇〇77〇9號 專利中所細的綠。在其帽述了徽裝置的製造方法 ，將成形的玻璃料結構放置在兩個玻璃基板之間，然後燒結 此玻璃料來將基板和玻璃料粘附在一起形成單片裝置，其 中包含由玻璃料所界定出的流體槽室。如參考專利所提出 ❹ 的玻璃料材料層46形成壁板12也用來形成基板上的薄層（ 底部14和頂板16)，如圖6所示。如果需要的話，也可以^用 其他處理來產生沒有騎的玻璃料壁板，如圖7所^ · 產生沒有雙合成的單麟置，修2絲觸示的裴置。 這種單體裝置可以透過在多孔碳鎊模之間，熱 _&_EP_835專利申請針所提-= 者由遮敝嘴砂法或遮蔽蝕亥悚形成通道壁板，接著由炫人 或化學鍵結或其他接合方式以形成單體裝置。 ° 當混合槽室20需要特別大的主要表面積，因而可能降 第10 頁 200946217 低槽室的抗壓性，或者當需要最大的抗壓性時，可以在槽室 20内的工間使用壁板材料來形成一個或-多個柱狀物54,如 圖8和9所示。在本發明的又另一個實施例中，通道(2, 24和 40)的尺寸不需要全部都相同，如圖10的截面設計圖所示。 中央通道，通道24最好比外部通道還小，換句話說内通道壁 板25可以罪近一點，特別是如果中央通道預定比外部通道 ' 載運較少體積的話。其他内通道壁板和通道寬度的分佈也 ， 都可以使用。 ❹ _ 本發明的範圍也包含使用這裡所提出的裝置來實施混 合。此方法包括:提供一個或多個供料通道，每一個從同一 方向進入槽室。此槽室至少有一個出口通道，槽室的寬度 至少是一個或多個供料通道合在一起之寬度的兩倍;以及 讓Ή固或多個液體流從供料通道以足夠的速率流入槽室中 以誘發槽室内的自行持續振盪流束。振盪流束提供有效（ 以所使用的總能量和橫過混合器的壓降)的混合處理，而且 ❹ 高度可以顯著減小以允許非常良好的熱學控制，或容易感 測，或容易將能量耦合到作用流體中。此槽室最好包含兩 個相對的主要表面，和〇. 1或更小的高度對寬度縱橫比，（以 及主要表面積對體積之比值較好至少為5cm2/cm3,更好為 lOcmVcm3,以及最好為 15cm2/cm3)。 圖11是一個實施例的簡要設計圖，其中混合槽室2〇可 以举著一個通道配置，第一混合槽室由通道22和24來供料 。後面的混合槽室可以用來將不互溶相位保持在懸浮狀態 。在圖12的實施例中，有兩個通道進入第一混合槽室2〇,但 第11 頁 200946217 是在每個混合槽室都有一個新通道可以使用。因此，可能 需要增加下游混合槽室的大小，如圖所示。 根據本發明的混合槽室，未必要長方形。所需要的是， 混合槽室要擴寬要充份而且要足夠突然以允許自行持續振 盪在槽室内發生。另一種混合槽室的形狀顯示在圖中。 範例： 所幵>成的自行持續振盡流束混合槽室A-D的特性，列在 底下的表中。 標戒 高度（画） 主要表面積對體積之比值(cm2/cm3) 體積（ml) A 1.17 17.03 0.58 B 1.18 16.90 0.58 C 1.20 16.62 0.87 D 1.21 16.51 0.86 通道是0. 5公釐寬，而内通道壁板是〇. 6公釐寬，其中通 道的結構類似上面所討論之圖5中槽室20相關。然後，以兩 種方式來測量混合效能。第一種測試混合(·生能之方法為使 用說明於Villermaux J 等人之"Use of Parallel Competing Reactions to Characterize Micro Mixing Efficiency"
AlChESymp. Ser. 88 (1991) 6, p. 286 所說明方法。總 結來看，此處理在槽室溫下準備酸性氣化物溶液和乙酸斜 混合KI(碘化鉀)的溶液。然後，使用注射器或螺動泵將兩 個流體或反應物連續注入欲測試的微混合器中。所造成的 測試反應產生了兩個不同速度的競爭反應―"快速”反應，產 生吸收UV(紫外線)的最終產物，以及_，，超快速”反應，在超 快速的混合條件下主導，產生透明溶液。因此混合效能跟 透_過混合流體的紫外線相關，理論上完美或1〇〇%的快速 第12 頁 200946217 混：可以在所產生的產品中產生麵的紫外線透射。圖w 顯示以這種方法來測量三個裝置c例子，和三個裝置D的混 合效能，以在每分賴毫升之流動速率下贼射百分比來 表示。圖中也顯示比較測試以聽（「*」）來作標識，由含 有-個或多個連續混合通道的裝置來產生，雜通道都是 二維扭崎道_式，類姆彳如EPG16G側和EP1識15中 所提έΒ的混合通道形式。從比較可以看丨，本發明之 ❹ 混令器的效能在冑流動速率Τ是優越的，特別是從大約1〇〇 毫升/分鐘到220毫升/分鐘，和更高速率。 跟比較樣本比較起來’這種良好的混合在相當低的壓 降下就可以達成如® 15所示，其巾顯示喊巴為單位的壓 降’相對於以每分鐘幾毫升為單位的流動速率的關係。如 圖中可以看出的，將流動從1〇〇加倍到2〇〇毫升/分鐘所產生 的總壓降比比較裝置還少一半，但是混合性卻相同或 如圖14所示。 ’ © 為了測試不互溶液體的混合以及固態粒子的處理，我 們進行-個反應，其中兩個反應物是不互溶液體，而所形成 的產物是膠態粒子，稱為聚苯乙稀球體。 對於該反應，使用下列反應式： fif^ Ί 丫 H20/A0T Μ 一~CH-ca-l - —► τ U η THF/H2〇^/ 以THF(四虱夫味）當溶劑的聚苯乙烯，由一個供料來提 第丨3 頁 200946217 供(P.5%重量比)，而包含介面活性劑A0T(二_乙基己基破 站酸酯磺酸鈉)的水溶液由第二供料來提供(〇. 〇5%重量比） 。結果顯示在圖16中，它是以體積百分比為單位之⑽(粒 子尺寸分佈)，相對於以微米為單位之對數粒子尺寸的關係 圖形。從圖t可以看出，達到最佳混合產生大約〇. 微米 之均勻粒子尺稍臨雜，大狱1舰G=178、絲升/分鐘 . 。此分佈在這個和更高的流動速率下幾乎沒有次峰。這些 ❹ 值比得上由比較例子所獲得的結果，但是壓降較低。因此， 由本發明的裝置可以獲得相同的混合品質，但是同時卻有 較高的流動速率，以及較低的壓降。 【圖式簡單說明】 圖1為本發明一項實施例之平面斷面圖。 圖2為圖1沿著直線A-A展開之結構斷面圖。 圖3為本發明另一項實施例之平面斷面圖。 圖4為本發明另一項實施例之平面斷面圖。 ❹ 圖5為本發明另一項實施例之平面斷面圖。 圖6為圖1沿著直線A-A展開之另一結構斷面圖，相對應 於圖2之本發明另一實施例。 .圖7為圖1沿著直線A-A展開之另—結構斷面圖，相對應 於圖2及6之本發明另一實施例。 〜 圖8為本發明另一項實施例之平面斷面圖。 圖9為本發明另一項實施例之平面斷面圖。 圖10為本發明另一項實施例之平面斷面圖。 圖11為示意圖，其顯示出依據本發明—項實施例之多 第14 頁 200946217 個微流體混合物之排列。 圖12為示意圖，其顯示出依據本發明另一項實施例之 多個彳毁流體混合物之另一為卜列。 圖13為本發明另一項實施例之平面斷面圖。 圖14為本發明一些實施例以及一項比較範例之高速 混合性能曲線圖，其為流量（以毫升每分鐘單位)之函數。 圖15為本發明一些實施例以及一項比較範例以毫巴 為單位之壓力降曲線圖，其為流量(以毫升每分鐘單位)之 圖16為以總體積百分比為單位之顆粒尺寸分佈曲線 圖，其為以微米為單位顆粒尺寸之對數比例的函數，該顆 粒由本發明實施例不同流量測試反應製造出。 【主要元件符號說明】 微流裝置10;壁板12;底板14;頂板16;槽室的一侧 18;槽室20-20D;供料通道22,24,40;内通道壁板25;槽 ❿ 室寬度26;總通道寬度28;槽室高度30;長度32;通道 • 34’ 34A，34B，36;洞孔38;輻射器42;感測器44;玻璃料材 料層46;通道50,52;柱狀物54;主要表面56。 第15 頁

Claims (1)

  1. 200946217 十、申請專利範圍： 1. 一種進行化學或生物反應之微流裝置(10)，該裝置包含： 槽室(20)作為自形持續振盪流束之混合槽室；以及 由一個或多個内通道壁板(25)分隔的兩個或多個分離進 料通道(22, 24,40)，該兩個或多個通道(22, 24,40)終止在 槽室(20)的同一側(18)，兩個或多個通道(22, 24,40)的總 通道寬度(28)包含兩個或多個通道(22, 24,40)以及所有内 通道壁板(25)合在一起的寬度，槽室(20)在垂直於通道(22 ，24, 40)的方向具有寬度(26)以及在平行於通道的方向具 有長度(32)，寬度(26)至少是總通道寬度(28)的兩倍，槽室 (20)有兩個相對的主要表面(56)界定出它的高度，槽室(20) 的主要表面積對體積之比值至少為10cm2/cm3。 2. 依據申請專利範圍第1項之裝置，其中槽室(20)之主要表 面積對體積之比值至少為15cm2/cm3。 3. &據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中槽室(2〇)高度 與長度與寬度較大值之比值為1/10或更小。 4. 依據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中更進一步包含 利用聲音，電，磁，電磁，或其他能量之輻射器(42)，其結構 以及排列成經由槽室兩個主要表面之一照射槽室（2〇)。 5. 依據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中更進一步包含 感測裝置(44)，其結構以及排列成感測槽室(2〇)内材料之 一種或多種特性。 6. 依據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中槽室(2〇)兩個 主要表面之一個或兩個為透明的。 第16 頁 200946217 7.依據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中裝置⑽由玻 璃，玻璃陶瓷或陶瓷形成。 8·依據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中槽室(2〇)更進 一步包含至少一個柱狀物(54)延伸於兩個相對主要表面之 間。 9·依據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中槽室(2〇)更進 步包含單一柱狀物(54)延伸於兩個相對主要表面之間。 ❹ 10. 一種在化學或生物用途微流裝置(10)中進行混合或攪 掉之方法，該方法包含下列步驟： 提供一個或多個供料通道(22, ％ 40)以及槽室(2〇),每 一通道(22,24,40)進入槽室(20)於槽室(20)共同壁板(18) 一個或多個通道(22, 24,40)的總通道寬度⑽）包含一 個或多個通道(22,24,40)以及所有内通道壁板(25)合在一 起的寬度，槽室(20)具有至少一個出口通道，槽室(2〇)在垂 直於通道(22,24,40)的方向具有寬度(26)以及在平行於通 〇 道的方向具有長度(32)至少是總通道寬度(28)的兩倍； 以充份流量流動一個或多個流體經由供料通道(22,24， 40)進入槽室以在槽室(20)内引起自形持續振盪流束。 11.依據申請專利紅圍第1項之方法，其中提供一個或多個 供料通道(22,24,40)以及槽室(20)更進一步包含槽室(20) 在平行於通道(22,24, 40)的方向具有長度(32)以及具有兩 個相對的主要表面(56)，其在垂直於長度及寬度方向界定 出槽室(20)的高度(30)，槽室(20)的主要表面積對體積之 比值至少為10cm2/cm3。 第17 頁 200946217 12. k據申請專利範圍第11項之方法,其中提供一個或多個 供料通道(22, 24, 40)以及槽室(20)更進一歩包含槽室(20) 的高度與長度與寬度較大值之比值為1/10或更小。
    第18 頁
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