DE102007013932A1 - Mixer for two or more liquids, for use in microfluid apparatus for chemical and biochemical analysis, comprises at least three linked T-mixer units, periodic pressure-driven or electroosmotic flow being imposed on basic flow through mixer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten und die Verwendung der Vorrichtung.The The invention relates to an apparatus and a method for mixing of at least two liquids and the use of the Contraption.
Seit einigen Jahren besteht ein Trend zur Miniaturisierung von Strukturen auf (bio-)chemischen Analysesystemen (Micro Total Analysis Systems, μTAS) und auf allgemeinen (bio-)chemischen Reaktionssystemen (Lab-on-a-Chips). Die Miniaturisierung verkürzt Prozesszeiten, verringert den Verbrauch an Reagenzien und nutzt physikalische Effekte, die auf einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen beruhen.since some years there is a trend towards miniaturization of structures on (bio) chemical analysis systems (Micro Total Analysis Systems, μTAS) and on general (bio) chemical reaction systems (lab-on-a-chips). The miniaturization shortens process times, reduces the consumption of reagents and uses physical effects that based on a high surface area to volume ratio.
Bauteile mit miniaturisierten Strukturen finden Einsatz in der Medizintechnik, Biotechnologie, Verfahrenstechnik, Prozess- und Lebensmittelanalytik usw. Die mikrofluidischen Bauteile sind hierbei so ausgestaltet, dass sie Verfahrensschritte wie das Fördern, Mischen und Trennen von Flüssigkeiten bzw. von verschiedenen, in Flüssigkeiten gelösten Spezies ermöglichen. Dabei gestaltet sich insbesondere das Mischen in Bauteilen mit Kanalstrukturen im μm-Bereich äußerst schwierig.components with miniaturized structures find use in medical technology, Biotechnology, process engineering, process and food analysis etc. The microfluidic components are designed in this case, that they process steps like conveying, mixing and Separation of liquids or of different, in liquids enable dissolved species. Designed here In particular, the mixing in components with channel structures in the micron range extremely difficult.
Die Vermischung von Flüssigkeiten bzw. von in Flüssigkeiten gelösten Spezies vollzieht sich allgemein in zwei Schritten:
- – Zuerst wird die für den Stofftransport notwendige Austauschfläche zwischen den Flüssigkeiten vergrößert.
- – Danach findet der eigentliche Stofftransport durch Diffusion auf molekularer Ebene statt, bis Mischvorgang vollendet ist.
- - First, the exchange surface between the liquids required for mass transfer is increased.
- - Thereafter, the actual mass transport by diffusion takes place at the molecular level until mixing is completed.
Der Mischvorgang wird umso schneller abgeschlossen, je größer die durch die Strömung erzeugten Austauschflächen sind. In makroskopischen Mischern erfolgt die Vergrößerung der Austauschflächen durch Turbulenz in Strömungen hoher Geschwindigkeit oder durch mechanisches Rühren. In mikrofluidischen Bauteilen besitzen die Strömungen jedoch eine derart geringe Geschwindigkeit, dass keine Turbulenz auftritt. Mechanische Rühranlagen mit beweglichen Teilen sind im Mikromaßstab aufgrund der hohen Ansprüche an die Fertigung kaum realisierbar.Of the Mixing is completed the faster, the larger the exchange surfaces created by the flow are. In macroscopic mixers enlargement takes place the exchange surfaces by turbulence in flows high speed or by mechanical stirring. In microfluidic However, components have such a low flow Speed that no turbulence occurs. Mechanical stirring systems with moving parts are microscale due to the high Claims to the production hardly feasible.
Die Mikrofluidik kennt zwei grundlegende Arten von Mischern:
- – passive Mischer, in denen der Mischvorgang aufgrund der gegebenen Geometrie der Mischvorrichtung erfolgt;
- – aktive Mischer, denen von außen Energie zugeführt wird, um eine Mischung zu ermöglichen.
- Passive mixers, in which the mixing process takes place on the basis of the given geometry of the mixing device;
- - Active mixers, which are supplied with energy from the outside to allow a mixture.
Die
Alternative passive Mischerkonzepte beruhen darauf, dass die Geometrie des Mischers die Strömung umlenkt und sich aufgrund der daraus resultierenden Trägheitskräfte (Zentrifugalkräfte) eine der Hauptströmung überlagerte Sekundärströmung ausbildet.alternative Passive mixer concepts rely on the geometry of the mixer the flow diverts and due to the resulting Inertial forces (centrifugal forces) one of Mainstream superimposed secondary flow trains.
Die
Die
Mischer, die auf Inertial- bzw. Zentrifugalkräften basieren, erfordern eine gewisse Mindestströmungsgeschwindigkeit zur Erzeugung von Sekundärströmungen, um ein effizientes Mischen ermöglichen. In mikrofluidischen Bauteilen liegt jedoch oft eine sehr langsame Strömung vor, so dass eine bessere Vermischung nur aufgrund einer erhöhten Verweilzeit eintritt.Mixer, which are based on inertial or centrifugal forces require a certain minimum flow rate for generation from secondary flows to efficient mixing enable. In microfluidic components, however, lies often a very slow flow, so that a better Mixing occurs only due to an increased residence time.
Die
In
der
Elektroosmose
ist die Bewegung von elektrisch geladenen Flüssigkeitsbereichen
unter Einwirkung eines von außen angelegten elektrischen
Feldes. Die elektrisch geladenen Flüssigkeitsbereiche können
z. B. so genannte elektrische Doppelschichten oder die Grenzfläche
zweier Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit
sein. Nach
Elektroosmose eignet sich insbesondere zum Mischen von Flüssigkeiten, da sich hierfür geeignete Mischer in der Regel in planaren Geometrien durch auch im Mikromaßstab einfache Fertigungsmethoden wie Fräsen, Ätzen oder Prägen herstellen lassen. Die Nutzung der elektrokinetischen Instabilität ist zwar effizient, jedoch nur auf Flüssigkeiten mit deutlich unterschiedlichen Leitfähigkeiten anwendbar, während Elektroosmose, die auf der elektrischen Doppelschicht an den Kanalwänden beruht, sich dagegen auch für wässrige Lösungen von nicht leitfähigen Substanzen eignet.electroosmosis is particularly suitable for mixing liquids, since this suitable mixer usually in planar Geometries by also on the microscale simple manufacturing methods such as milling, etching or embossing. The use of electrokinetic instability is indeed efficient, but only on liquids with significantly different Conductivities applicable while electroosmosis, on the electric double layer on the channel walls but also for aqueous solutions of non-conductive substances.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten und die Verwendung der Vorrichtung vorzuschlagen, die die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen. Insbesondere soll eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt werden, die ein effizientes Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten in einem mikrofluidischen Bauteil ermöglichen.outgoing From this it is the object of the present invention to provide a device and a method of mixing at least two liquids and to propose the use of the device that previously Do not have mentioned disadvantages and limitations. In particular, an apparatus and a method are provided be that efficient mixing of at least two liquids in a microfluidic component.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1, im Hinblick auf das Verfahren durch die Schritte des Anspruchs 8 und im Hinblick auf die Verwendung durch den Anspruch 12 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.These Task is with regard to the device by the features of claim 1, with regard to the method by the steps of claim 8 and for use by the claim 12 solved. The dependent claims each describe advantageous embodiments of the invention.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten umfasst eine, vorzugsweise in ein planares Substrat eingebrachte Anzahl von n ≥ 3 Mischern mit jeweils mindestens zwei Eingängen, die zur Zuführung von jeweils einer der mindestens zwei Flüssigkeiten dienen. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind hierfür m ≥ 2 T-Mischer und n – m Kreuzungen, insbesondere m = n T-Mischer, vorgesehen. Die geometrischen Strukturen werden so angeordnet, dass sie die zu vermischenden Flüssigkeiten derart zusammenführen, dass mehrere nebeneinander angeordnete Kontaktflächen (Lamellen) entstehen.A Inventive device for mixing at least two liquids comprises one, preferably in a planar Substrate introduced number of n ≥ 3 mixers each with at least two inputs for the supply of each serving one of the at least two liquids. In a preferred embodiment, m ≥ 2 for this purpose T-mixers and n-m intersections, in particular m = n T-mixers, intended. The geometric structures are arranged so that they merge the liquids to be mixed in such a way that several juxtaposed contact surfaces (lamellae) arise.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner mindestens einen Ausgang, der sich zur Ableitung des Gemischtstrom aus der Vorrichtung eignet. Hierbei sind zum einen Mittel vorgesehen, die eine vorzugsweise laminare, druckgetriebene Grundströmung zwischen den genannten Eingängen und dem Ausgang hervorrufen, die dem Transport der mindestens zwei Flüssigkeiten von den Eingängen zum Ausgang dient, sowie weitere Mittel, die die Grundströmung periodisch modulieren.The device according to the invention furthermore comprises at least one outlet which is suitable for discharging the mixed stream from the device. In this case, on the one hand means are provided which cause a preferably laminar, pressure-driven basic flow between said inputs and the output, which is the transport of the at least two liquids from the inputs to the off gangway, as well as other means that periodically modulate the basic flow.
In einer bevorzugten Ausgestaltung dienen diese Mittel zur Erzeugung einer periodischen elektroosmotischen Strömung, die die Grundströmung überlagert. Die periodische elektroosmotische Strömung wird insbesondere durch Elektroden erzeugt, die in oder vor den Eingängen (z. B. in den Vorratsbehältern) der Mischer in die Flüssigkeit eingebracht sind. Auf diese Weise werden alternierende elektrische Felder der druckgetriebenen Hauptströmung überlagert. Die elektrischen Felder erzeugen eine alternierende elektroosmotische Strömung, um, zusätzlich zur Multilamination, die Kontaktflächen der Flüssigkeiten aufzufalten und zu vergrößern.In In a preferred embodiment, these means are used to produce a periodic electroosmotic flow that the Basic flow superimposed. The periodic electroosmotic Flow is generated in particular by electrodes which in or in front of the entrances (eg in the storage containers) the mixer are introduced into the liquid. To this Way, alternating electric fields of the pressure-driven Mainstream superimposed. The electric fields create an alternating electro-osmotic flow, around, in addition to multilamination, the contact surfaces to unfold and enlarge the fluids.
Diese Art der Ausgestaltung eignet sich für alle Flüssigkeiten, die mindestens eine geringe Anzahl an Ladungen enthalten. Hierzu gehören insbesondere wässrige Lösungen leitender und nicht leitender Substanzen. Voraussetzung hierfür ist, dass die Flüssigkeiten bei Kontakt mit den Wänden des mikrofluidischen Bauteils eine elektrische Doppelschicht ausbilden. Als Material für die Wände eignen sich in diesem Falle alle nichtleitenden Werkstoffe wie z. B. Glas und Kunststoff.These Type of configuration is suitable for all liquids, containing at least a small number of charges. For this include in particular aqueous solutions conductive and non-conductive substances. Prerequisite for this is that the liquids in contact with the walls of the microfluidic component form an electrical double layer. As material for the walls are suitable in this Trap all non-conductive materials such. As glass and plastic.
In einer alternativen Ausgestaltung werden Mittel eingesetzt, die eine periodische druckgetriebene Strömung erzeugen, die der konstanten, vorzugsweise ebenfalls druckgetriebenen Grundströmung überlagert ist.In an alternative embodiment means are used, the one generate periodic pressure-driven flow that the superimposed constant, preferably also pressure-driven flow is.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten wird über mindestens jeweils zwei Eingänge jeweils eine von mindestens zwei Flüssigkeiten in jeweils mindestens einen Mischer eingebracht. Durch eine zwischen den Eingängen und dem Ausgang vorhandene Grundströmung werden die mindestens zwei Flüssigkeiten zum Ausgang transportiert, gemischt und als Gemischtstrom abgeleitet.to Implementation of the method according to the invention for mixing at least two liquids is over at least two inputs each one of at least two liquids in each case at least one mixer brought in. By a between the inputs and the Exit existing base flow will be the least two liquids transported to the exit, mixed and derived as a mixed stream.
Zusätzlich wird der Grundströmung eine periodische Modulation überlagert. Hierfür eignet sich eine periodische druckgetriebene Strömung oder eine periodische elektroosmotische Strömung. Letztere wird erzeugt, indem an Elektroden, die in oder vor den Eingängen der Mischer in die Flüssigkeit eingebracht sind, eine elektrische Spannung angelegt wird. Da so die Flüssigkeiten sowohl eine Multilamination als auch eine alternierende elektroosmotische oder druckgetriebene Kraft erfahren, erhöht sich die Effizienz der multilaminaren Vermischung.additionally the basic flow is superimposed by a periodic modulation. For this purpose, a periodic pressure-driven flow is suitable or a periodic electroosmotic flow. Latter is generated by electrodes attached to or in front of the inputs the mixer are introduced into the liquid, an electrical Voltage is applied. Because so are the fluids both a multilamination as well as an alternating electroosmotic or experience pressure-driven power, the efficiency increases of multilaminar mixing.
Das erfindungsgemäße Verfahren erhöht also die Effizienz der Mischung und verringert die Mischzeiten. Erfindungsgemäße Mischer benötigen nur eine geringe Anzahl von Lamellen und lassen sich bei geringem Fertigungsaufwand durch einfache planare Strukturen verwirklichen. Möglich ist eine Massenfertigung z. B. durch Heißprägen.The inventive method thus increases the efficiency of mixing and reduces mixing times. invention Mixers require only a small number of fins and can be easily planar with low production costs Realize structures. Possible is a mass production z. B. by hot stamping.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen lassen sich insbesondere als Komponenten von (bio-)chemischen Analysesystemen (Micro Total Analysis Systems, μTAS) oder von allgemeinen (bio-)chemischen Reaktionssystemen (Lab-on-a-Chips) verwenden, wie sie z. B. in Medizintechnik, Biotechnologie, Verfahrenstechnik, Prozess- oder Lebensmittelanalytik eingesetzt werden.invention Devices can be used in particular as components of (bio-) chemical Analysis systems (Micro Total Analysis Systems, μTAS) or of general (bio) chemical reaction systems (lab-on-a-chips) use, as z. B. in medical technology, biotechnology, process engineering, Process or food analysis can be used.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigenThe Invention will be described below with reference to exemplary embodiments and explained in more detail in the figures. Show here
Weiterhin
sind in oder vor den Eingängen
Die
Vorrichtung aus
- – Zwei verschiedene, nicht elektrisch leitende Substanzen, in Wasser gelöst, mit Diffusionskoeffizient D = 10–9 m2/s,
- – Kanalweite d0 = 100 μm
- – Mittlere Geschwindigkeit u0 =
0,5 mm/s in den Kanälen der T-Mischer
11 ,12 , - – Volumenstrom dV/dt = 0,01 nl/s im Ausgang
10 , - – Mittlere Elektrische Feldstärke E = 4 kV/m
innerhalb der T-Mischer
11 ,12 , Frequenz des Wechselfeldes: f = 6 Hz.
- - two different non-electrically conductive substances, dissolved in water, with a diffusion coefficient D = 10 -9 m 2 / s,
- - Channel width d 0 = 100 μm
- - Average speed u 0 = 0.5 mm / s in the channels of the T-mixers
11 .12 . - - Volume flow dV / dt = 0.01 nl / s in the outlet
10 . - - Average electric field strength E = 4 kV / m within the T-mixers
11 .12 , Frequency of the alternating field: f = 6 Hz.
Bei
allen Betriebsweisen zeigt sich im Ausgangskanal
Um
die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu quantifizieren, ist in
An
den Eingängen
In
oder vor den Zuleitungen
In einem weiteren, nicht als Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine alternierende druckgetriebene Strömung eingesetzt. Die alternierende druckgetriebene Strömung faltet hierbei die Kontaktflächen in den aktiven T-Mischern auf. Die Flüssigkeitslamellen werden anschließend in einem passiven Element, wofür ein weiterer T-Mischer oder eine Kreuzung dient, zusammengeführt.In another, not shown as a drawing embodiment an alternating pressure-driven flow is used. The alternating pressure-driven flow folds here the contact surfaces in the active T-mixers on. The liquid fins are then in a passive element, for what another T-mixer or an intersection serves, merged.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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