《PLOS One》：Design and research of a passively mixed microfluidic chip for copper ion detection
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本文推荐一种用于铜离子检测的被动式混合微流控芯片。该芯片针对低雷诺数（Re<1）下微流控平台混合效率不佳的问题，设计了非对称偏心离心弯曲与周期性变径直通道相结合的结构。仿真模拟与色对比混合实验验证了其优异的混合性能，尤其在Re=0.5时，其质量分数混合指数（M）高达0.9998，压力降（ΔP）仅为0.1502 Pa。通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）进行的铜离子检测实验，进一步从数据层面证实了该芯片能达到充分混合的效果。本研究为被动式微流控芯片在重金属检测等领域的应用提供了理论和实践支持。
引言
随着现代工业的快速发展，含重金属废水排放入海的现象日益普遍，而传统的重金属检测方法通常需要现场采样并送回实验室分析，存在检测效率低、成本高等问题。基于微流控技术的便携式现场分析技术正变得越来越重要。然而，在微尺度通道和较低的雷诺数（Re）下，流体处于层流状态，混合主要依赖分子扩散，效率低下，这成为微流控技术在重金属检测领域应用的关键瓶颈。尽管已有研究将微流控技术应用于重金属检测，并尝试改进芯片结构以提升混合效率，但二者尚未得到有效整合。当前微流控技术应用于重金属检测仍存在忽视芯片混合性能、混合性能有待提高、缺乏分析与验证整合等主要问题。
微流控芯片结构设计与仿真
为克服低雷诺数下混合效率不佳的挑战，本研究基于被动混合原理，设计了一种变截面流道的高性能微流控芯片。其核心结构为优化的连续“S”形流道，由6组偏心离心弯曲和5段周期性直径变化的直通道构成。流道截面尺寸呈周期性变化，最大直径为1.0毫米，最小为0.4毫米，并结合横向和纵向椭圆形导流柱，旨在诱发流体涡流和二次流，增强对流混合效应。这种不对称的偏心离心弯曲设计能够使流体产生横向流动和通道内的二次流，同时最大限度地减少过高压力降对流速的影响。通道最宽处设置的导流柱，与流道的周期性变化相结合，可显著增强微流控芯片内部流体的对流混合效果。
在仿真模拟中，研究选取了8组雷诺数（Re=0.5、1、5、10、20、50、100、200），利用ANSYS? Fluent软件进行层流状态下的流体模拟。通过分析混合云图和质量分数混合指数（M）发现，随着Re增加，芯片整体混合效果逐渐减弱。当Re=0.5时，微流控芯片的混合效率达到最佳状态，质量分数混合指数（M）为0.9998，而压力降（ΔP）仅为0.1502 Pa，其混合效率高于同等条件下同类芯片。当Re>10时，因流速高、混合时间短，流道结构对流体的诱导效应不足以弥补混合缺陷，混合效果不理想。进一步对Re=1条件下的流线图和局部截面云图分析表明，流体在流经不同复杂截面流道时，质量分数混合指数持续增加，在芯片末端达到0.9958，表明该芯片具有良好的混合性能，能满足海水重金属检测的实验要求。
3D打印微流控芯片与性能表征验证
为实现芯片的精密制造，研究采用基于数字光处理（DLP）的3D打印技术，使用高精度树脂材料制作微流控芯片实体。制备过程主要包括数字模型导入与预处理、三维模型切片与打印参数设置、DLP光聚合打印成型、打印后清洗去除未固化树脂以及高压气体吹净器件内部通道五个步骤。制备出的连续“S”形微流控芯片流道结构清晰可见，无气泡或芯片弯曲缺陷。通过光学显微镜对芯片截面进行表征观察，结果显示偏心离心弯曲阶段流道截面尺寸一致，直通道阶段随流道截面形状周期性变化，打印层呈现“涟漪”状扩展，芯片表面光滑无缺陷，导流柱截面打印效果良好，整体满足后续色对比混合实验的要求和标准。
色对比混合实验
为直观验证微流控芯片的实际混合效果，研究设置了色对比混合实验，使用Diff快速染色液A和B按不同比例稀释后作为两种颜色的流体进行混合。实验在Re=10条件下观察到，两种流体在连续“S”形微流控芯片内呈现“未混合-微混合-基本混合-充分混合”的整体趋势。在流道入口阶段，流体受层流效应影响呈清晰可辨状态。当流经第一个偏心离心弯曲时，由于Dean流效应，流体开始从接触面进行混合。在周期性变径直通道处，流道收缩与扩张导致流速变化，在压力梯度和导流柱的共同影响下，稳定的流场形态被破坏，诱导出混沌对流，从而提升了混合效率。当流经第四个周期性变径直通道后，流道主体呈现均匀的浅红色，表明流体在该阶段已实现基本混合。在第六个偏心离心弯曲至出口阶段，流道颜色均匀，表明流体到达出口时已实现充分混合。
进一步将Re=1和Re=100条件下的仿真云图与色对比混合实验图进行对比分析。结果显示，在两种Re条件下，连续“S”形微流控芯片的仿真模型与色对比混合实验的混合状态具有高度一致性。尤其在Re=1时，芯片展现了优异的混合性能。
铜离子检测实验
为从数据层面验证微流控芯片混合性能的可靠性，研究采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术进行了铜离子检测实验，并设置了两组对照实验。第一组对照样为静置处理的溶液，用于验证沉降分层等因素的影响；第二组对照样（参考样）为经充分磁力搅拌、默认铜离子分布均匀的溶液。目标样为经过微流控芯片混合后的溶液。
实验结果表明，目标样中铜离子的浓度与参考样的平均浓度差值仅为0.029 ppb，比值达到101.99%，差值控制在2%以内。而第一组静置对照样的浓度差值为0.224 ppb，是目标样的7.72倍，其浓度比值高出目标样13.36个百分点。这证明经微流控芯片混合的溶液，其铜离子浓度分布非常均匀，接近于经充分磁力搅拌的均匀状态，显著优于静置溶液。该数据有力地验证了微流控芯片结构设计的合理性及其卓越的微混合性能。
结论
本研究成功设计并验证了一种基于非对称变截面结构的被动式微混合芯片。通过仿真模拟、芯片制备、色对比混合实验及铜离子检测实验等一系列研究，证实了该芯片在低雷诺数条件下具有优异的混合效率。仿真结果表明，在Re=0.5时，其质量分数混合指数（M）最优，达0.9998。色对比混合实验直观展示了其稳定的混合性能，且与仿真结果高度一致。铜离子检测实验从定量数据层面证明，该芯片混合后的溶液浓度分布均匀，混合效果显著。该芯片在理论与实践上均表现出优异的混合效果，为被动式微流控芯片在海洋重金属检测等领域的实际应用提供了有价值的参考。
