基于单孔光纤的光热微流混合器
(一)技术领域
本发明涉及一种基于单孔光纤的光热微流混合器，便于配合微流控芯片使用，同样在微米尺度操作微量液体中可以代替芯片内混合功能的微流通道结构单元，属于光流控技术领域。
(二)背景技术
微流控技术(Microfluidics或Lab-on-a-chip)指的是使用几十微米或数百微米的微通道处理或操纵微小流体的系统。微流控技术经过几十年的发展，已经成为一门涉及化学、流体物理、光学、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。由于微流控芯片中的样品体积小，检测光程短，灵敏度高、响应时间快、功耗低的光学检测器和新型检测方法对于微流控技术向实用化发展至关重要，并且无论是生物检测、药物测试，还是化学分析、环境监测，需要微升级液体的系统越来越多。
微流控制系统通常包括微通道、微流混合器、微阀、微反应器、微传感器、微检测器等各种功能单元，并将其集成在一块微小的芯片上，通过控制微量液体在其中的流动，来完成生物和化学领域所涉及的样品制备、混合、反应、分离、检测、生化分析等功能的微分析系统。微流控系统具有极快的分析速度，极少的试剂消耗，体积集成化，功能集成化，操作简单，价格便宜等众多的独特性能。
微流控制系统在化学生物等领域的应用主要是基于不同微量液体物质的混合反应，因此混合搅拌是微流体控制系统重要的环节之一。混合搅拌的目的是让参与反应的不同物质在反应腔中实现均匀分布。一般而言，溶液中的溶质的混合基于两种原理：对流混合和扩散混合。在对流的作用下，溶质团会被分成细小的碎块，使溶液间的接触面积增大，扩散间距变小，从而增加微流间混合效率。而溶质在溶液中的扩散系数与温度相关，因此温度也会影响微流的混合搅拌效率。
根据混合方式的不同，可以将微搅拌器分为主动式混合和被动式混合。主动式混合是指通过外界的能量的输入来实现溶液的混合，例如压力、磁力、电场力、声场力和热动力等均可以用于作为主动式混合的能量来源；被动式混合主要依靠通道的几何结构，通过扩散的方式来实现混合。通常可以通过设计微流通道的结构来实现较为均匀的快速混合，例如Brody等人首次提出一种“十”字形的微流通道，通过侧路溶液对中路溶液的挤压形成一条窄带，侧路溶液通过扩散作用与中路溶液混合【Brody,James P.,et al.“Biotechnology at low Reynolds numbers.”Biophysicaljournal,1996:71(6),3430-3441.】。还有的人采用在通道内增加修饰物的方法来增加混合效率，例如2002年Strook等人首先提出一种微流通道内部设置有交错排布的“人”字结构，有效地提高了混合效果【Stroock,A.D.,et al.“Chaotic mixer for microchannels.”Science,2002:295(5555),647-651.】。专利CN106582903提出了一种光热波导的微流控芯片，该光热波导浸没在长方体的微流室底部，并且要求微流室的长宽高和注入液体体积一定，在光波导表面涂有导热性能的纳米材料，波导附近的液体成旋涡形状进而被混合。
上述的微流混合器无论基于主动式的还是被动式或是光热效应，大多需要复杂的技术和尺寸要求，制备方法繁琐，成本较高。基于此，本发明提出了一种结构简单的基于带孔光纤的光热微流混合器。从制作材料和成本来说，由于光纤自身结构包含空气孔，尺寸与微流控芯片的微升量级相匹配，并且相对来说光纤生产量较大，微混合器制备的过程中所使用的微加工技术也较为简单，易于实现。这样制得微混合器平均造价低廉，适合批量生产，也有助于优化微流系统的集成度和小型化。从混合效果来说，本发明采用光热效应，形成温度梯度，当液体吸收光能后，可以增加溶液中分子的扩散速度。
为了能进一步提高微流控芯片的集成度和小型化，克服上述在先进技术中的缺点和不足，本发明提出了一种基于单孔光纤的光热微流混合器，这种能用于微流控芯片的单孔光纤光热微流混合器制备简单，一致性好，便于配合微流控芯片使用，避免了分离情况下的光学对准与调节，适合规模化大批量生产。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供了一种在微米尺度操作微量液体的混合器，可以代替微流控芯片内通过微流通道几何形状来实现微流液体混合的集成单元，进一步提高微流控芯片的集成度和小型化。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于单孔光纤的光热微流混合器，该光热微流混合器由一段经微加工处理过的单孔光纤和光源组成。将由图1所示的单孔光纤空气孔外侧制备多个微孔，当不同种液体通过微孔进入到空气孔内后，由于光纤芯与空气孔位置相切，通入光能后对微流液体产生热能辐射，使得液体分子加速运动从而达到混合的目的。这种能用于微流控芯片的单孔光纤光热微流混合器制备简单，一致性好，便于配合微流控芯片使用，与光源连接方便快捷，适合规模化大批量生产。
进一步地，该光热微流混合器可以通过改变注入光能量的大小来调节空气孔内多种液体的混合程度。
进一步地，该微流混合器所使用的单孔光纤，该光纤具有一个中间纤芯作光通道，在纤芯旁有且只有一个与纤芯几何位置外切的空气孔。
进一步地，该光热混合器的液体进入口可近一步拓展为具有m个微孔结构，每个微孔都可以作为一种液体的一个进入口，即m个微孔可同时混合m种液体(m>1，m为整数)。
进一步地，可以根据该光热微流混合器长度和进样要求通过飞秒打孔技术制备出所需的微孔尺寸和形状，如圆形微孔、正方形微孔、椭圆形微孔、长方形微孔等。
为了实现微流控芯片中微流混合器的功能，中间纤芯和外部光源相连接，当单孔光纤被注入光能后，光沿着纤芯传播，当光纤中的空气孔充满液体时，由于纤芯与空气孔位置相切，纤芯的热量会很快地传递到空气孔中的液体中，光能转化为被液体吸收的热能进而转化为分子动能。被加热的液体扩散现象加速，从而达到多种液体充分混合的功效。
具体原理如下：
众所周知，光是电磁波的一种，该光热微流混合器所连接的光源所提供的光能量即为电磁波，并通过纤芯表面放射出来，由于纤芯与微流液体相邻，这种电磁波在纤芯中传递并再次到达微流液体转换成内能，当光源能量越强时，纤芯的温度就随之越高，放射性能量也就越大。所以该微流混合器是通过电磁波的形式从高温物体(光纤芯)向低温物体(微流液体)进行热量传递的。
那么不同种微流液体又是如何被均匀混合的呢？可以简单理解为微流混合器内同时发生了两种对流传热现象，使得微流液体内的分子内能增大，加速运动，促使了空气孔内的多种液体扩散现象加剧。第一种导致液体混合的原因是：在高温物体表面(近纤芯处)被加热后的流体向低温物体表面(远纤芯处)移动的传热方式为对流传热。第二种导致液体混合的原因是：该单孔光纤光热微流混合器的空气孔内被加热后的液体和刚进入空气孔内温度略低的液体之间的热量传递方式属于对流传热，并且这种流体升温后，液体密度发生改变，进而产生对流。
考虑到该发明所提出的光热微流混合器主要应用在微流控芯片领域内，微流混合器结构和芯片微流通道均为微米量级，所以雷诺数较低，液体流动为层流，且光纤芯与流体间的温差也较小的情况。相应地，流体粘度、导热系数及比热等物性值为定值，由粘性摩擦导致的流体内部发热和浮力的影响也可忽略。在这种情况下，我们对光热微流混合器的空气孔内的原理做简要分析。
若单孔光纤注入的光强一定，且能量稳定，假设光纤的纤芯温度为T1、表面积为A，周围有温度为T2的流体流动，因为近光纤芯处流体与远纤芯处流体之间有温差，所以出现了对流换热。在近光纤芯空气孔表面的流体因与光纤芯相邻，其具体有和光纤芯表面相同的温度，另外，离光纤芯足够远处的流体温度为T2，在光纤芯附近，存在温度、流速发生变化的边界层。假设面积为dA(m2)，其传热量为
q＝h(T1-T2) (1)
其中，h(W/(m2gK))是传热系数，传热系数不同于导热系数，导热系数是物质固有的物性，传热系数则是随着流体的流动状态变化。
另外，在微流液体与纤芯接触的时候，在近光纤芯的空气孔表面会形成一个温度从光纤芯温度到液体温度急剧变化的热流体薄层，称之为温度边界层，同样，当有液体流动的时候，流体会附着于近纤芯处的空气孔上，孔表面会形成一个由零速度开始变化急剧的流动薄层，称之为速度边界层(如图2所示)。并且近纤芯的流体流动速度越快，边界层厚度就越厚。
可知，热导方程可以由傅里叶定律和能量守恒方程导出，在Δt(s)时间间隔内存在以下热平衡：
(热力学能的变化量)＝[(导入微元体的热量)-(导出微元体的热量)]+(微元体内产生的热量)×Δt(s)(2)
在该空气孔内微流液体的环境中，流体被固体壁面包围的情形，是经典的管内流动。
所以圆柱坐标系的热导方程为：
式中，热导系数k为常数，r为圆柱体半径，ρ(kg/m3)为物体的密度，c(J/(kg·K))为比热，此外，
该光纤微流混合器可进一步与传统微流控芯片相结合，混合器的体排出口可与所使用的微流控芯片连接，对还未进入芯片内的液体起到混合的功效。
在实际应用中，要根据具体的系统要求，选择合适的微流混合器。微流混合器在微型传感器、微型生物、化学分析以及各种涉及微流体运输的场合中均有广泛应用。目前混合器已经有了很大的发展，结构形式和原理丰富多样，而且稳定性也都有了很大的提高。为了能进一步提高微流控芯片的集成度和小型化，克服上述在先进技术中的缺点和不足，本发明给出了一种基于单孔光纤的光热微流混合器，这种能用于微流控芯片的单孔光纤光热微流混合器制备简单，一致性好，便于配合微流控芯片使用，避免了分离情况下的光学对准与调节，适合规模化大批量生产。同样在微米尺度操作微量液体中可以代替芯片内混合功能的微流通道结构单元，为高通量化学、生物、医药分析检测提供优异的研究和应用平台，为微流控芯片内的混合功能单元提供了一种多样的选择。
(四)附图说明
图1(a)是单孔光纤截面结构示意图；(b)是单孔光纤截面实物图，包括空气孔1-1，纤芯1-2和包层1-3。
图2对流换热情况下的边界层示意图。
图3是单孔光纤光热微流混合器示意图，包括进入口3-1，光源3-2和排出口3-3。
图4是具有多个微孔液体进入口的单孔光纤光热微流混合器示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了单孔光纤的横截面结构，该单孔光纤是由可以进入微流液体的空气孔1-1，折射率略比包层材料高的纤芯1-2和包层1-3结构组成的。
图3示出了将单孔光纤加工制备成光热微流混合器的结构，在空气孔外侧制备多个微孔，当不同种种液体通过微孔进入到空气孔内后，由于光纤芯与空气孔位置相切，通入光能后对微流液体产生热能辐射，使得液体分子加速运动从而达到混合的目的。
不失一般性，我们以图3所示的单孔光纤光热微流混合器的具体实施例来详细阐述本发明的具体实施步骤与实施方法。
(1)首先，取一段图1(b)所示的单孔光纤，去除涂覆层待用，光纤空气孔表面的微孔作为液体的进入口，分别与芯片外的待测液位置注入口4-1位置对应，待测液通过注射泵4-2被注入进光热微流混合器的空气孔内，同时通入不同种液体A和B，中间纤芯作为光波通道与单模光纤4-3焊接与光源4-4连接。
(3)然后，采用飞秒激光刻蚀技术在空气孔外表面刻蚀2个圆形微孔，作为液体的进入口。
(6)最后将混合器嵌入进芯片4-5内，液体排出口与微流控芯片内的微通道对应连接，液体AB进入空气孔内后吸收中间纤芯所辐射出的热能，发生剧烈的扩散现象，最终从光纤端面的开放式空气孔排出，将2种不同液体的混合液K排入进芯片内的微流通道内，然后进入芯片中其他的功能单元4-6中。
由于不同液体对不同波长光源吸收率不同，结合所连接的光源波长和待测液体吸收率，根据芯片的功能所需，可以调节微流液体的混合程度。
在本实施例中，该光热微流混合器所使用的单孔光纤具有微孔进入口个数m为2个，同时注入液体种类为2种，微孔形状为圆形。同样的，单孔光纤的微孔数量也可以拓展为其他个数，形状也可以拓展为正方形、腰圆形、长方形等。这些数量、形状、尺寸的改变均会影响到该微流混合器的测试指标，这需要在具体的实际应用中，根据芯片的功能需求做出具体的参数设计。
