PDF《微尺度电动混合混沌反控制方法》

2013 年4月第58 卷第11 期1058 法, 即通过在微通道内设置障碍物或者改变微通道 的几何形状使流体被拉伸和折叠从而产生混沌效果 的混合方法. 但在实际使用过程中这些方法往往具 有以下缺点: 第

一、混沌混合过程不可控, 影响了微 流控芯片分析处理生化样品的自动化程度. 第

二、无 论是在微通道设置障碍物还是改变通道的整体结构 都具有较大的加工难度. 第

三、由于微流控芯片需要 反复使用甚至在线使用, 长期使用过程中复杂的通道 结构容易使芯片结垢和污染, 影响实验和检测精度. 通过其他物理场进行流体混合控制的主动混合 器已经成为国内外学者关注的焦点之一, 如美国伊 利诺香宾大学的磁场控制法[11] 、美国摩托罗拉实验 室声场控制法[12] 、中国中南大学的超声波控制法[13] 、 以及中国科学院的微气泡控制法[14] . 这些方法往往 伴随有体积较大的物理场作用装置, 不适用于微型 化、 集成化程度高的微流控芯片系统. Erickson 等人[15] 通过在微通道壁面安置电极, 利用电渗效应通过电 极诱发电场来控制流体混合. 电极体积小且电路板 容易和微流控芯片耦合桥接. 因此基于电场控制的 电动混合方法成为研究热点. Lin 等人[16] 研究了电极 排列形式对混合效果的影响, 发现斜向排列电极混 合效果最好. 赵亮等人[17] 研究了电场强度与微电极 布置情况对混合过程的影响. 唐桂华等人[18] 研究了 混合室壁面粗糙元以及非均匀对称电势分布的对混 合效果的影响. 但上述研究仅仅采用正余弦控制算 法进行电场控制, 对于电场控制算法对混沌混合效 果的影响, 尚未有相关的研究报道. 在分析国内外微流控芯片混合技术基础上, 从 混沌动力学广义同步控制角度出发, 研究了一种在 微尺度条件下运用混沌电场对有序层流流体进行有 效混合的混沌反控制方法, 以提高主动式电动微混 合器的混沌混合性能.

1 研究模型 1.1 物理模型 为了直观体现电动混合的性能, 设计 Y 型通道 的微流控芯片作为物理仿真模型, 如图 1所示. A, B为 两个入口通道, 分别用于注入不同浓度的流体. 通道 中间设计有混合室. 混合室的长度是

330 μm、宽度是

200 μm、 高度是

100 μm. 混合室两侧并排安置有电极, 电极为宽度是

50 μm 的扁平铂丝. 同一边的电极 图1Y型通道微流控芯片结构图 排列于同一直线. 同一排电极间的间隙为

70 μm. 两 端的电极距离混合室端点的距离为

20 μm. 1.2 电动混合控制的数学模型 为了简化混合过程的运算复杂度, 不妨假设: (1) 通过微通道流动的溶液为不可压缩的牛顿流体. (2) 忽略流体流动的重力和浮力的影响. (3) 两个混合物 种具有相同的恒定的扩散系数. (4) 在混合过程没有 发生化学反应. 壁面双电层(EDL)是产生电动扰动效应的基础, 根据静电学理论, 论文采用 Poisson-Boltzmann 方程[19] 来描述 EDL 的电位分布: , (1) 其中 ψ 是EDL 的电势, n0 是离子浓度, z 为离子价态, e 是电子电荷, ε 是电解质溶液的介电常数, ε0 是真空介 电常数, kb 为玻尔兹曼常数, T 为绝对温度, h 为微通 道的半高. 根据流体动量守恒方程式(2), 结合Navier- Stokes 方程, 可得电动驱动力方程式(3): , (2) 其中 ρ 为流体密度, V 为速度矢量, P 为压力, μ 是流体 黏度. 而电渗驱动力 FEOF 为,(3) 式中φ为外加电场的电势. 混合室内的样品受到电动扰动下的对流以及自 身扩散的双重作用, 则其基本方程可描述为式(4): . (4) 为了便于分析、计算, 采用下列的无量纲参数可 对式(1)~(4)进行无量纲化.