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基于非接触式点胶系统的无污染且有效的微混合器的研制
Sung Jea Park, Moonwoo La, Kyoung Je Cha, Dong Sung Kim
浦项工科大学(POSTECH) 机械工程学院77 cheongam RO、Nam gu、浦项790-784，韩国
摘要：本文介绍了两种不同类型的有效的微混合方法与小体积的液体的发展和表征，这两者都是基于简单的非接触式点胶系统，以避免混合目标液体之间的污染，从而防止不良生化分析中的串扰。微混合法的原理是控制弹道点胶液滴体积。第一种引起混合的微混合法是通过同时点胶并在空气中同时融汇两种不同的液滴（称为同时微混合法，SMM）。另一种方法是将两个不同的液滴到一个容器以受控制的交替方式（即称交流微混合法，AMM）。在这项微混合点胶系统开发中，通过高速电磁阀加压空气将液体从储液器输送到喷嘴，从而，根据液体的粘度注入从几十纳升到几微升的液滴体积。从点胶系统中分配的混合液的液滴体积的测定，这种测定是在各种分配条件下，由改变高速电磁阀的工作压力和开启时间进行的。在氢氧化钠（NaOH）乙醇溶液和酚酞乙醇溶液中添加甘油,将其作为目标混合液体定量的表征混合性能。根据不同体积的分配液滴和微混合方法来评价混合性能。SMM相比于AMM具有较高的混合性能。然而，这两种微混合方法与传统的混合方法相比，混合性能上得到了提升，如微搅拌和微振动。本方法将会是自动微混合系统有效的临床应用。
1.介绍
微混合法处理小体积液体已广泛应用于生命科学、分析化学以及食品工程。[1-3]生物样品的混合通常是手工完成的，其过程繁琐和耗时。在考虑生化分析中串扰的临床应用时，污染的风险也有所上升。在这方面，它引起了人们去关注在生物领域开发无污染并且有效的微混合方法。为了满足这些要求，已经提出了基于各种混合方法的自动化微混合系统[4-6]。
在自动化系统中使用的代表性的微混合方法可以是微搅拌器（搅拌机），微孔摇动，并使用微通道的微流体混合器。使用微型搅拌器的混合方法是昂贵的并且不适用于高通量工作。因为搅拌器要浸入样品中以混合，所以污染也经常发生[7,8]。虽然微孔振荡法可以通过去除物理接触来防止生物样品的污染发生，但通常控制和混合小样品体积的液体是无效的[9,10]。微流体混合方法能够精确的控制和混合非常小的样品量，但由于处理量的限制和连续的工艺特性，需要使用各种生物样品，因而不适用于生物区域[11,12]。微流体装置的放大和适用于生物化学测定的表面处理仍然是开放的问题。
本研究的目的是开发适用于使用少量可混溶生物样品的自动混合系统的新混合方法。为了实现这一目标，我们开发了一种基于高速电磁阀和气动系统的非接触式点胶系统，可以产生几十纳升至几微升的受控体积的样品液滴。通过改变高速电磁阀的操作压力和打开时间的处理参数，在不同的分配条件下测量特定混合目标液体的分配液滴体积。借助于开发的分配系统，根据不同的分配量对两种不同类型的微混合方法的混合性能进行定量评估。
2.材料和方法
2.1 采用高速电磁阀的非接触式点胶系统
图1表明，在此开发的非接触式点胶系统研究，由喷嘴，高速电磁阀，油箱，自动压力调节器和操作电路组成。加压空气使我们能够通过高速电磁阀将样品液体从储存器转移到喷嘴从储存器输送液体并分配一系列液滴。分配的液滴的体积取决于喷嘴的孔直径，空气压力，更重要的是高速电磁阀的打开时间。喷嘴具有254mu;m孔口直径和高速电磁阀（INKX054300A，常闭型）均购自The Lee公司（美国）。高速电磁阀具有0.83 ms（1200 Hz）的快速响应时间，工作压力高达827kPa，工作电压24V。储存器（3408，Omnifit，USA）加压包含样品液体。自动压力调节器（AP-200 / ACE，韩国）以1kPa的分辨率提供规定的恒定气压。可以通过RS-232串口来操作电路连接从0.1到1000 ms进而控制高速电磁阀的打开时间。
图1 用于微混合的非接触式分配系统示意图
2.2 微混合方法
在这项研究中，提出了两种不同类型的微混合方法，称为同时微混合法（SMM）和基于组合的交替微混合方法（AMM）两个分配系统（图2（a））。 SMM将通过同时分配液滴来粉碎空气中的两个液滴两个倾斜喷嘴的延伸线的交点如图2（b）和3（a）所示。在这种情况下，两个倾斜喷嘴之间的角度被设定为45°。混合物的组成比可以通过控制不同地开口来容易地确定每个高速电磁阀在打开阀门时的时间。激活信号被应用于控制两个独立的高速电磁阀，如图3（c）所示。对于AMM，使用倾斜的喷嘴朝向孔内的某一点交替地分配两个液滴，如图3（b）所示。与SMM类似，可以通过控制阀的打开时间来调节通过AMM实现的混合物的组成比。在这种情况下，当一个高速电磁阀打开时，另一个阀关闭，反之亦然，从而导致交替分配。为AMM生成激活信号，如图3（d）所示。
2.3混合目标液体
为了有效地观察和表征混合行为，基于以pH指示剂，酚酞和氢氧化钠（NaOH）制备可混溶混合目标液体。由于液体输送本发明的分配系统由恒定的气动压力驱动，分配的液滴受液体的粘度的强烈影响。通过加入甘油实现了两种混合目标液体的相似粘度（1500mPa·s）。第一个基于NaOH的混合目标液体（NaOH-甘油溶液）通过加入250ml甘油制备250ml NaOH - 乙醇溶液（0.1M），因此其粘度测量为6.6mPa·s。基于酚酞（酚酞 - 甘油溶液）的第二液体由250ml酚酞 - 乙醇溶液（0.003M）和80ml甘油组成，粘度为6.3mPa·s。为什么我们用甘油来获得更高的粘度液体，这个问题是有价值的。我们打算在混合目标液体中通过加入甘油增加粘度有两个原因。首先是为了有意减少混合率。使用具有低粘度的水样液体来评估混合性能是不可能的，因为混合发生得太快了而不便观察。第二个原因是匹配血清粘度（ge;6mPa s）高粘滞综合征患者。这可能是临床上遇到的最大粘度应用程序。分配和微混合实验是使用这种制备的混合目标液体进行的。
2.4 液滴体积和混合性能的评估方法
混合目标液体的分配液滴体积通过测量液滴的重量的快速分配和小体积的液滴而被评估。一旦液滴分配100次，分配液体的总重量通过分辨率为0.1mg的电子天平测量。在分配过程中，实验环境的湿度保持最大，100次分配的消耗时间仅为50秒，因此液体的蒸发被认为最小化。混合性能通过定量评估测量颜色强度变化。因为强碱，NaOH - 甘油溶液会改变酚酞的颜色无色至红色，界面面积两个混合目标液体显示红色。包含120个井的侧视图混合物在分配后立即捕获用于微混合。拍摄图像中每个像素的红色强度测量和每个捕获图像的平均强度使用像素的归一化强度计算如下[13]
当,和N表示归一化平均强度，第n个像素的强度和总像素数。表示未混合的甘油溶液的红色强度，以通过环境照明和背景的一点差异来补偿噪声。是最大强度，从NaOH-甘油和酚酞 - 甘油溶液的混合物中测定。确定值取决于混合样品，我们通过手动搅拌两个混合目标液体并保持隔夜来诱导两种液体之间的充分扩散来制备混合样品。
图2（a）两种分配系统的组合用于两种不同类型的微混合方法
(b) 用于微混合的倾斜喷嘴的照片
（a）同时微混合法（SMM），（b）交替微混合法（AMM），（c）激活两个用于SMM的高速电磁阀的信号，（d）启动两个高速 用于AMM的电磁阀。
3.结果
3.1 点胶结果
我们通过高速电磁阀的各种打开时间（3,5,10,20和40 ms）和操作压力的液体（80和120kPa）测量了混合目标的分配液滴体积。分配量有所增加，开放时间和操作压力均有所提高.如图4。
图4（a）分散的液滴体积的酚酞 - 甘油溶液和（b）在高速电磁阀的不同操作压力和打开时间下分配的液滴体积的NaOH-甘油溶液。
3.2 混合结果
混合实验用基于SMM和AMM的混合目标液体进行，如图5所示。分配混合物的总体积为100mu;l。 在AMM的情况下发现混合性能（归一化平均强度）随着操作压力增加。 液滴体积，其中由高速电磁阀的开启时间决定，也影响了AMM的混合性能。 SMM的混合效果与AMM相比具有较高的混合性能。 SMM的混合性能发现不受液滴体积和操作的影响压力。 在本研究中，AMM和SMM的混合时间小于5秒。
图5 （a）在80kPa的操作压力下的混合性能和（b）根据高速电磁阀的打开时间在120kPa的操作压力下的混合性能（分配的液滴体积是指酚酞 - 甘油溶液的情况）。 / 0.05水平显着（p lt;0.05）。
4.讨论
在分配系统中，应考虑分配液体的粘度，因为它对分配液滴的体积有很大的影响。如图4所示，由于其较低的粘度，酚酞 - 甘油溶液的分配液滴体积略大于NaOH-甘油溶液的液滴体积。 然而，相同打开时间的分配体积差异仅低于plusmn;0.2微升。 当考虑总混合物体积为100微升时，差异仅为0.02％。
在微混合实验中，加入甘油以增加混合目标液体的粘度。 众所周知混合性能可以降低为Re（雷诺数）由于惯性效应降低，液体粘度增加而降低。 对于低粘度液体，混合太快，无法区分SMM和AMM。在这方面，我们用甘油以获得相对较高的粘性液体用于延迟反应混合物中的酚酞。而且，传统的生物样本例如患病血清（2.5-6.5mPa·s）在本研究中具有相似的混合目标液体的粘度。 但是，那分配的液滴体积也随着响应而改变改变液体粘度，从而影响所提出的微混合方法的混合性能。有必要校准分配体积并评估混合在未来研究中，根据混合目标液体的不同粘度的性能。
目前的微混合方法的基本原理是产生小体积的液滴，从而增加扩散表面积混合。 一个混合目标的液滴应该是分配到液滴或其他分配的层中混合目标液体。 不会发生有效的混合如果液滴被分配到分配的相同液体中。液滴轨迹的变化和两次分配的时间目标液体对于有效的微混合（如SMM和AMM）应该是重要的。 在我们的实验中，也是这样确定了所提出的SMM和AMM的改进混合性能与微型搅拌器（-0.6）相比，微孔振荡（-0.7）和常规移液（-0.4）方法如图6所示。在10秒钟的两个混合目标液体中，在微搅拌，微孔振荡和移液之后评估竞争方法的混合性能值，每个50微升倒入120微升-孔。尽管更短混合时间，AMM和SMM产生较高的混合水平表演相比竞争的方法。在AMM中，随着液滴体积的减小（图5（a）中的3和5ms的打开时间），混合性能得到改善目前微混合方法的基本原理。然而，有趣的是，发现混合性能有所提高由于由后分配液滴的动能引起的分配液体的搅拌。搅拌效果得到提高因为液滴的动能由于体积的增加而增加。有趣的是，在大液滴范围（打开时间为20）和40 ms。图5（a）），发现混合性能AMM也增加了。这可以通过在井中的分配液体的增强的搅拌来解释，其由具有高动能的稍后分配的液滴产生。在里面SMM，混合性能通过两个行进液滴在空气中的碰撞而显着提高，结果增加扩散区域。标准化平均强度，间接意味着混合性能，在SMM中大多高于0.83。 SMM展示了最高的混合性能液滴体积的全部范围，因为碰撞能量足以增加扩散面积，而与液滴体积无关。图5表明SMM显示出较高的混合性能与AMM在80kPa的操作压力下相比，而在120 kPa的压力下无显着差异。它被推测为增强的混合性能通过增加的搅拌效果诱导在120kPa下的AMM上面讨论过尽管此处未显示AMM和SMM在液体的不同组成比下，与1:1混合情况显示出类似的高水平混合性能通过控制每个高速电磁阀的打开时间来分配。由于分配系统的单独控制和快速响应，我们可以防止生物样品的污染发生并获得混合相当短的时间。
图6 移液，微型搅拌器，微孔振荡法和本方法（ASMM和AMM）的混合性能，以及混合实施例
5.结论
在这项研究中，我们提出了新的微混合方法SMM和AMM，使我们能够实现无污染并有效混合样品液体。为了实现两种微混合方法，我们开发了一种在高速电磁阀上基于非接触式点胶系统。点胶系统是通过评估分配的液滴体积来表征的混合目标液体在不同的打开时间条件下和操作压力。基于两者的混合实验SMM和AMM在帮助下成功实施开发的分配系统 混合实验结果表明，本发明的微混合方法可以与其他相比显着提高了混合性能常规混合方法。预计SMM和本研究中提出的AMM可以提高性能用于生命科学的自动化微混合系统，同时防止污染并节省混合时间。
致谢
这项工作得到了中期职业研究人员计划的支持（2011-0029454）和工程研究中心支持（2012-0009249）通过韩国国家研究基金会（NRF）拨款由韩国政府（MEST）出资。
参考文献
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