关于一种低流速、低样本消耗且易于制造的毫秒级被动微混合器的研究报告
一、 研究作者、机构与发表信息
本项研究由来自法国同步辐射光源实验室（Synchrotron SOLEIL）的 Yuanyuan Liao 和 Benedikt Lassalle-Kaiser，以及法国巴黎综合理工学院结构细胞生物学实验室（Laboratoire de Biologie Structurale de la Cellule, BIOC, Ecole Polytechnique）的 Yves Mechulam 共同完成。Yuanyuan Liao 为共同通讯作者，其现任职于荷兰 IamFluidics B.V. 公司。该研究成果以题为“A millisecond passive micromixer with low flow rate, low sample consumption and easy fabrication”的论文形式，于2021年发表在期刊 *Scientific Reports*（第11卷，文章编号20119）上。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于微流控（Microfluidics）与“芯片实验室”（Lab-on-a-chip）技术领域，具体聚焦于被动式微混合器（Passive Micromixer）的设计、优化与应用。
研究背景： 在生物与化学研究中，对微流体装置中小体积溶液进行快速、均匀的混合，对于精确控制和观测反应动力学至关重要。然而，在微观尺度下，流体通常处于层流状态（雷诺数 Re < 100），混合主要依赖缓慢的分子扩散过程，这对于扩散系数低的大分子（如蛋白质）尤为不利，限制了动力学研究只能应用于慢速过程。传统上，为了实现快速混合（毫秒级），许多微混合器需要采用极高的流速（如300-3000 µl/min），这不仅会大量消耗珍贵的生物或化学样本（通常产量仅在微升级），还需要能承受高压的芯片制造工艺和特殊设备，增加了复杂性和成本。因此，开发一种能在低流速、低样本消耗下实现毫秒级高效混合，且易于制造的微混合器，具有重要的科学和实用价值。
研究目的： 本研究旨在设计、模拟、制造并实验验证一种新型被动式微混合器。该混合器需结合“交错人字形”（Staggered Herring Bone， SHB）图案和“分裂-重组”（Split-Recombination）策略，通过优化几何结构，在极低流速（1–12 µl/min）、极低雷诺数（3.3–40）和极小工作体积（约3纳升）下，实现毫秒时间尺度（4.5–78 ms）内接近完全（~98%）的混合。同时，该器件应能使用经典的软光刻（Soft-lithography）方法制造，避免使用复杂且昂贵的增材制造技术。
三、 详细研究流程与方法
本研究遵循了从理论设计、数值模拟到实验验证的系统性工作流程。
1. 器件设计与模拟优化： * 设计概念： 研究者使用 SolidWorks 软件设计了一种新型微混合器结构。其核心创新在于将 SHB 混合单元与一个双T型接头（Double T-junction）相结合。两种待混合液体首先通过四个入口（每种液体两个）进入，在第一个T型结构中进行预混合，然后在第二个T型结构处汇合。关键之处在于，SHB沟槽被图案化在双T型接头两侧的通道壁上，通过精心设计沟槽的方向和对称性，可以控制汇合前两侧流体的旋转方向和相位。当两股流体在中心通道垂直转向时，因旋转产生的涡流和相位差会交织形成层状（Lamellar）结构，从而极大地增加了接触界面面积，强化了混合。 * 结构细节： 完整的混合区域包括三个部分：SHB预混合区、SHB中心通道和多个环形重复单元。环形单元的设计不仅进一步减小了工作体积，还引入了由离心效应产生的横向迪恩流（Dean Flow），以增强混合。整个混合区域体积仅约3.5纳升。 * 图案变体： 为了探究SHB沟槽方向对混合效率的影响，研究者设计了四种不同的沟槽排列图案（标记为A, B, C, D），主要区别在于沟槽相对于流动方向是“正向”还是“反向”，以及在双T型接头两侧是对称还是非对称/中心对称排列。 * 数值模拟： 使用 COMSOL Multiphysics 5.5 软件对上述设计进行流体动力学和混合效率的模拟。模拟分为几个步骤： * 速度场分析： 使用“层流”模块求解稳态的纳维-斯托克斯方程，获得不同流速（对应雷诺数 Re 0.78 至 40）下的速度和压力场。边界条件设置为入口均匀流速，壁面无滑移，出口压力为0。 * 对流-扩散分析： 利用上一步获得的速度场，通过“稀物质传递”模块求解对流-扩散方程，模拟示踪物（设定扩散系数为 2.1 × 10⁻¹¹ m²/s，模拟核糖体等大分子）的浓度分布。通过计算不同截面浓度的标准差，定义并量化混合指数，用于评估混合均匀度。 * 粒子追踪分析： 使用“流体流动粒子追踪”模块进行时间相关研究，从拉格朗日视角可视化粒子在流场中的运动轨迹，直观展示流体的拉伸、折叠和层化过程。 * 模拟目标： 通过比较不同设计（A, B, C, D）在不同操作条件下的混合指数和浓度分布，筛选出最优的几何图案，并为后续实验提供理论预测和指导。
2. 器件制造： * 制造方法： 采用经典的软光刻技术，避免了复杂的三维打印。具体步骤包括： * 使用商业负性光刻胶 SU-8 通过无掩模紫外激光光刻系统（KLOE, Dilase-250）在硅片上制作两个主模具：一个用于包含SHB沟槽的顶层，另一个用于包含主通道和环形结构的底层。 * 使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇铸这两个模具，得到对应的PDMS复制品。 * 将顶层和底层的PDMS复制品精确对准，并通过氧等离子体处理进行键合，形成完整的封闭微流控芯片。
3. 实验验证与表征： * 实验系统搭建： 将制作好的芯片安装在显微镜载物台上。使用双通道注射泵（New Era Pump Systems）和玻璃注射器以可控的流速（如每个入口6 µl/min）将液体泵入芯片。 * 混合可视化： 选择两种荧光染料溶液进行混合实验：一种是罗丹明B标记的70 kDa葡聚糖（模拟大分子扩散行为），另一种是荧光素钠水溶液。使用倒置荧光显微镜（Olympus IX83）配合FITC和TRITC滤光片组，分别激发和采集两种染料的荧光信号，从而直观观察混合过程。 * 混合效率量化： 为了更精确地量化混合效率，进行了罗丹明B-葡聚糖溶液与蒸馏水的混合实验。通过测量沿混合通道不同位置（在环形单元前后）的荧光强度分布，并与入口处的初始强度分布进行对比，计算出实际的混合程度。使用ImageJ软件进行图像处理和分析，去除背景噪声。 * 对比分析： 将实验获得的荧光图像和强度分布曲线，与COMSOL模拟得到的浓度分布和混合指数进行直接对比，验证模拟的准确性并确认最优设计的实际性能。
四、 主要研究结果
1. 模拟结果揭示最优设计及其混合机理： * 预混合区流场与浓度分布： 对简化版设计（A‘， B’， C‘， D’）的模拟显示，SHB沟槽的方向决定了流体在汇合前的旋转模式。图案A‘和C’（沟槽非对称/中心对称排列）导致两侧流体产生反向旋转的涡流，当它们在中心垂直通道汇合时，形成了四层交错层状结构。而图案B‘和D’仅形成三层或更少的界面。层状结构的数量直接决定了扩散距离，更多的层数意味着更短的扩散路径和更快的混合速度。 * 完整设计的混合性能比较： 对完整设计（A, B, C, D）的模拟和实验观察高度一致。荧光图像和模拟浓度云图均清晰显示，设计A和C在进入第一个环形单元前就产生了更精细、更均匀的流体层化。通过计算沿程混合指数发现，在设计A和C中，仅需经过2-3个环形单元（对应约2.5纳升体积，7毫秒时间）混合指数即可达到95%以上，显著优于设计B和D。 * 粒子追踪可视化： 粒子追踪模拟结果生动展示了流体从四个入口进入后，如何在SHB沟槽作用下发生旋转、分裂和重组，最终在环形单元内实现均匀混合的过程，从动力学角度证实了“旋转-层化”增强混合的机制。
2. 实验验证确认高性能： * 混合效率与时间： 实验测量结果与模拟预测吻合良好。对于最优的设计A，在总流速为24 µl/min（每个入口6 µl/min）的条件下，经过4-5个环形单元后，荧光强度分布已非常均匀，表明接近完全混合。对应的混合时间在毫秒量级。 * 低流速与低样本消耗： 研究证实，该混合器在低至总流速4 µl/min（Re~3.3）的条件下仍能有效工作，混合时间约为52 ms；在总流速48 µl/min（Re~40）时，混合时间可缩短至4.5 ms。无论哪种情况，其单次混合所需的工作体积始终保持在约3纳升的极低水平。 * 制造可行性： 通过标准软光刻技术成功制造了功能完整的PDMS芯片，证明了该设计的易于制造性，无需依赖昂贵、复杂的3D打印技术。
3. 性能优势的量化与机理阐释： * 佩克莱数分析： 在本研究采用的流速下，佩克莱数（Pe）非常高（>10⁵），表明对流传输占主导。对于普通的平行层流混合，所需的混合长度将非常长（估计可达10米）。而由于SHB结构诱导的混沌对流（Chaotic Advection）和层化效应，混合距离被大幅缩短至毫米级别（约1.5毫米），效率提升了数个数量级。 * 与现有技术的对比： 本研究明确指出，现有的大部分能在毫秒级实现混合的微混合器，要么需要很高的流速（导致高样本消耗和高压），要么需要复杂的三维制造工艺。本工作首次在低流速、低雷诺数、纳升工作体积的条件下，结合简单的二维制造工艺，实现了毫秒级高效混合。
五、 研究结论与价值
本研究成功设计、模拟并实验验证了一种基于交错人字形（SHB）结构和分裂-重组策略的新型被动式微混合器。其主要结论和价值如下：
结论： 通过优化SHB沟槽在双T型接头处的几何排列（特别是非对称/中心对称设计，如图案A和C），可以主动控制流体的旋转方向，从而在流体汇合时产生多层交织的层状结构。这一“旋转-层化”机制，结合后续环形单元中的迪恩流效应，能够在极低的流速（1-12 µl/min）和极小的体积（~3 nl）下，于数毫秒内实现高度均匀（>95%）的混合。该设计完全可以通过成本低廉、工艺成熟的软光刻技术进行制造。
科学价值： 该研究深化了对被动式微混合器中混沌对流和层化增强混合机理的理解，特别是提出了通过设计沟槽对称性来主动调控界面生成的新策略，为高效微混合器的设计提供了新的理论依据和设计范式。
应用价值： 该混合器完美解决了微流控技术应用于珍贵样本（如膜蛋白、金属酶、难以表达的蛋白质等）动力学研究时的核心矛盾——即快速混合需求与低样本消耗要求之间的冲突。其低流速特性降低了对泵送系统和芯片耐压性的要求，而标准的PDMS软光刻制造工艺则大大降低了技术门槛和成本，使得这种高性能混合器易于在广泛的生物、化学实验室中推广使用。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
本研究还包含了补充信息（SI），其中探讨了使用凸起的SHB沟槽（正性结构）而非凹陷沟槽（负性结构）的设计。虽然正性结构的工作体积大约是负性结构的两倍，但其混合效率结论相似。这为根据具体应用需求（如对堵塞的敏感性、加工偏好）选择不同的沟槽形态提供了灵活性。此外，研究还将本设计与经典Y型SHB混合器在缩小尺度后的性能进行了对比，进一步凸显了本设计在混合距离和效率上的优势。这些细节丰富了研究的全面性和实用性。