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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Dominik Dr. Barz
Konrad Boettcher
Peter Dr. Ehrhard
Peter Lakshmanan
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30Micromixers
    • B01F33/301Micromixers using specific means for arranging the streams to be mixed, e.g. channel geometries or dispositions
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    • B01F33/3031Micromixers using electro-hydrodynamic [EHD] or electro-kinetic [EKI] phenomena to mix or move the fluids

Abstract

The mixer for two or more liquids comprises at least three T-mixer units. The two outer units (11, 12) each have two inlets (1, 2; 5, 6). They connect with the central unit (13) which is at right angles to them and has an outlet (10) for the mixed liquids. Periodic pressure-driven or electroosmotic flow is imposed on the basic flow of the liquids through the mixer. An independent claim is included for use of the mixers as components of chemical or biochemical reaction systems in microfluid processing apparatus.

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.
The mixing of liquids or of species dissolved in liquids generally takes place in two steps:
  • - 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.
Microfluidics knows two basic types of mixers:
  • 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 DE 10 2004 062 074 A1 und die DE 199 61 257 C2 beschreiben das passive Mischen von Flüssigkeiten mittels Multilamination. Dazu werden Flüssigkeitsströme in dünne Lamellen aufgespalten und alternierend wieder zusammengeführt, wodurch sich die Austauschfläche der zu mischenden Flüssigkeiten vergrößert. Multilamination ist bereits bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten mit guten Ergebnissen anwendbar. Um jedoch eine hohe Mischgüte bei kurzen Verweilzeiten zu erzielen, muss eine Vielzahl von Lamellen erzeugt und alternierend wieder zusammengeführt werden, wozu komplexe dreidimensionale Strukturen, die einen hohen Fertigungsaufwand bedingen, erforderlich sind.The DE 10 2004 062 074 A1 and the DE 199 61 257 C2 describe the passive mixing of liquids by means of multilamination. For this purpose, liquid streams are split into thin lamellae and brought together again alternately, which increases the exchange surface of the liquids to be mixed. Multilamination is already applicable at very low flow rates with good results. However, in order to achieve high mixing quality with short residence times, a multiplicity of lamellae have to be produced and brought together again alternately, which requires complex three-dimensional structures which require a high production outlay.

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 WO 2005/113102 A2 nutzt hierfür eine einfache T-förmige Kreuzungsgeometrie. An den beiden Seitenarmen der Kreuzung werden unterschiedliche Flüssigkeiten zugeführt, die sich in der Mitte der Kreuzung treffen und das Kreuzungselement gemeinsam durch einen geraden Ausgangskanal verlassen. Da die Flüssigkeiten in der Kreuzungsmitte eine Umlenkung erfahren, werden Zentrifugalkräfte und Sekundärströmungen induziert, so dass sich die Vermischung beider Flüssigkeiten verbessert.The WO 2005/113102 A2 uses a simple T-shaped crossing geometry for this. At the two side arms of the intersection different liquids are supplied, which meet in the middle of the intersection and leave the intersection element together through a straight exit channel. Centrifugal forces and secondary flows are induced as liquids at the center of the intersection are deflected, thus improving the mixing of the two liquids.

Die WO 2004/101124 A1 nutzt dasselbe Prinzip, allerdings in einer komplizierten Kanalstruktur. Die Flüssigkeiten werden auch hier in einer T-förmigen Kreuzungsstruktur zusammengeführt, der gemeinsame Ausgangskanal besteht jedoch aus aneinander gereihten Elementen, die die Strömung abwechselnd in jede Raumrichtung um jeweils 90° umlenken.The WO 2004/101124 A1 uses the same principle, but in a complicated channel structure. The liquids are also merged here in a T-shaped crossing structure, the common output channel consists of juxtaposed elements that deflect the flow alternately in each spatial direction by 90 °.

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.

Z. Yang, S. Matsumoto, H. Goto, M. Matsumoto und R. Maeda beschreiben in Ultrasonic Micromixer for microfluidic Systems, Sensors and Actuators A, Band 93, Seite 266–272 , ein aktives Mischkonzept, worin die Energie in Form von Ultraschallwellen eingebracht wird. Hierzu besitzt das mikrofluidische Bauteil eine Mischkammer, die mit einer Membran versehen ist, die von einem piezoelektrischen Element zur Oszillation angeregt wird. Diese Oszillation sorgt für die Vermischung zweier Flüssigkeiten, die die Mischkammer kontinuierlich durchströmen. Auch das auf Ultraschall basierende Mischen bedingt einen erheblichen Fertigungsaufwand. Zusätzlich zur planaren Struktur aus Kanälen und der Mischkammer müssen ein Piezoelement und eine Membran in die Mischkammer integriert werden. Z. Yang, S. Matsumoto, H. Goto, M. Matsumoto, and R. Maeda describe in Ultrasonic Micromixer for Microfluidic Systems, Sensors and Actuators A, Vol. 93, pages 266-272 , an active mixing concept in which the energy is introduced in the form of ultrasonic waves. For this purpose, the microfluidic component has a mixing chamber, which is provided with a membrane, which is excited by a piezoelectric element for oscillation. This oscillation ensures the mixing of two liquids, which flow through the mixing chamber continuously. The ultrasound-based mixing requires a considerable manufacturing effort. In addition to the planar structure of channels and the mixing chamber, a piezoelectric element and a membrane must be integrated into the mixing chamber.

Die DE 102 13 003 B4 beschreibt einen Mikromischer, der das Prinzip der Elektroosmose zum Mischen von Flüssigkeiten nutzt. In einer Y-Kreuzung werden zwei Flüssigkeitsströme zusammengeführt und fließen dann durch einen mäanderförmigen Ausgangskanal. Der druckgetriebenen Hauptströmung werden ein alternie rendes elektrisches Feld und damit auch eine alternierende elektroosmotische Strömung überlagert. Aufgrund der mäanderförmigen Geometrie gibt es Bereiche, worin die elektroosmotische Strömung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung verläuft und so die Vermischung der Flüssigkeiten verbessert.The DE 102 13 003 B4 describes a micromixer that uses the principle of electroosmosis to mix liquids. In a Y-junction, two liquid streams are brought together and then flow through a meandering exit channel. The pressure-driven main flow is superimposed on an alternating electric field and thus also an alternating electro-osmotic flow. Due to the meandering geometry, there are areas where the electroosmotic flow is perpendicular to the main flow direction and thus improves the mixing of the liquids.

In der US 2002/0125134 A1 wird ebenfalls ein elektrokinetischer Effekt, jedoch in Form einer Instabilität, zur Realisierung eines Mikromischers eingesetzt. Hierzu wird innerhalb einer Mikrokanalstruktur ein elektrisches Feld senkrecht zur Strömung zweier Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit angelegt. An der Kontaktfläche der Flüssigkeiten bilden sich durch Diffusionsprozesse Bereiche mit überschüssigen elektrischen Ladungen aus, worin das angelegte elektrische Feld Coulomb-Kräfte induziert, die die Kontaktfläche verzerren und so die Bereiche mit überschüssiger elektrischer Ladung vergrößern. Bei Überschreiten einer bestimmten Feldstärke wird das System instabil, so dass sich die Flüssigkeiten homogen vermischen und damit elektrisch neutralisieren.In the US 2002/0125134 A1 Also, an electrokinetic effect, but in the form of instability, is used to realize a micromixer. For this purpose, an electric field is applied perpendicular to the flow of two liquids with different conductivity within a microchannel structure. At the contact surface of the liquids, diffusion processes produce regions with excess electrical charges, in which the applied electric field induces Coulomb forces which distort the contact surface and thus increase the areas of excess electrical charge. When a certain field strength is exceeded, the system becomes unstable, so that the liquids mix homogeneously and thus neutralize electrically.

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 D.P.J. Barz und P. Ehrhard, Model and verification of electrokinetic flow and transport in a micro electrophoresis device, Lab an a chip 2005, Band 5, S. 949–95 , sind elektrische Doppelschichten dünne Flüssigkeitsschichten, die sich unmittelbar an den Kanalwänden ausbilden, sofern diese elektrische Oberflächenladungen aufweisen, was bei Materialien wie Glas oder Kunststoff der Fall ist. Die Oberflächenladungen ziehen entgegengesetzte Ladungen (Ionen) aus der Flüssigkeit an, wodurch diese in der elektrischen Doppelschicht im Überschuss sind. Die Tangentialkomponente eines angelegten elektrischen Feldes induziert dort eine Coulomb-Kraft, wodurch die elektrische Doppelschicht elektroosmotisch bewegt wird. In Geometrien kleiner Abmessung genügt die Bewegung der Flüssigkeit in der Doppelschicht, um über viskose Wechselwirkungen die umgebende elektrisch neutrale Flüssigkeit mitzubewegen. Die Geschwindigkeit der elektroosmotischen Strömung lässt sich durch die Stärke des angelegten elektrischen Feldes steuern.Electro-osmosis is the movement of electrically charged fluid areas under the influence of an externally applied electric field. The electrically charged liquid areas may, for. B. so-called electric double layers or the interface of two liquids with different conductivity. To DPJ Barz and P. Ehrhard, Model and verification of electrokinetic flow and transport in a microelectrophoresis device, Lab an a chip 2005, volume 5, pp. 949-95 , Electrical double layers are thin layers of liquid that form directly on the channel walls, if they have electrical surface charges, which is the case with materials such as glass or plastic. The surface charges attract opposite charges (ions) from the liquid, causing them to be in excess in the electric double layer. The tangential component of an applied electric field induces a Coulomb force there, causing the electric double layer to move electroosmotically. In small-sized geometries, the movement of the liquid in the bilayer is sufficient to move along viscous interactions with the surrounding electrically neutral liquid. The speed of the electroosmotic flow can be controlled by the strength of the applied electric field.

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

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus 3 T-Mischern, 1 a device according to the invention from 3 T-mixers,

2 bis 5 Ergebnisse von numerischen Simulationen, 2 to 5 Results of numerical simulations,

6 den jeweiligen Mischungsgrad für die unterschiedlichen Betriebsweisen aus den Simulationen und 6 the respective degree of mixing for the different operating modes from the simulations and

7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus 3 T-Mischern und 1 Kreuzung. 7 a device according to the invention of 3 T-mixers and 1 intersection.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus drei einzelnen T-Mischern. T-Mischer 11 umfasst die Kanalsegmente 1, 2, 3, T-Mischer 12 die Kanalsegmente 4, 5, 6 und T-Mischer 13 die Kanalsegmente 3, 4, 10. Jeweils an den Eingängen 1, 2, 5, 6 liegt in Bezug auf den Ausgang 10 ein Überdruck an, wodurch die zu mischenden Flüssigkeiten in Richtung des Ausgangs 10 transportiert werden. T-Mischer 13, worin die Flüssigkeiten zusammengeführt werden, arbeitet passiv und führt die Lamellen über Multilamination alternierend zusammen. Im Vergleich zu einem einfachen T-Mischer wird auf diese Weise eine bis zu doppelte Lamellenanzahl bzw. eine bis zu dreifache Kontaktflächenanzahl erzeugt. Die Anzahl der Lamellen bzw. der Kontaktflächen wird durch die Anordnung der Flüssigkeiten festgelegt, die in die Eingänge einströmen. Die Verweilzeit der Flüssigkeiten in den T-Mischern 11, 12, 13 hängt von der Geschwindigkeit der druckgetriebenen Hauptströmung ab. 1 shows a device according to the invention of three individual T-mixers. T-mixer 11 includes the channel segments 1 . 2 . 3 , T-Mixer 12 the channel segments 4 . 5 . 6 and T-mixers 13 the channel segments 3 . 4 . 10 , Each at the entrances 1 . 2 . 5 . 6 lies in relation to the output 10 an overpressure, causing the liquids to be mixed in the direction of the exit 10 be transported. T-mixer 13 , wherein the liquids are merged, works passively and alternately merges the lamellae via multilamination. Compared to a simple T-mixer up to twice the number of slats or up to three times the number of contact surfaces is generated in this way. The number of fins or the contact surfaces is determined by the arrangement of the fluids that flow into the inputs. The residence time of the liquids in the T-mixers 11 . 12 . 13 depends on the speed of the pressure-driven main flow.

Weiterhin sind in oder vor den Eingängen 1, 2, 5, 6 Elektroden in die Flüssigkeit eingebracht, an denen alternierende elektrische Potentiale angelegt sind. Dadurch bilden sich alternierende elektroosmotische Strömungen aus und die Kontaktflächen in den Ausgängen 3, 4 der T-Mischer 11, 12 und im Ausgang 10 werden aufgefaltet. Damit verkörpern die T-Mischer 11, 12 das aktive Prinzip des Mischers. Die elektroosmotische Sekundärströmung wird durch Wahl der Frequenz und Stärke der elektrischen Felder zwischen den Elektroden eingestellt.Furthermore, in or in front of the entrances 1 . 2 . 5 . 6 Electrodes introduced into the liquid, where alternating electrical potentials are applied. This forms alternating electro-osmotic flows and the contact surfaces in the outputs 3 . 4 the T-mixer 11 . 12 and in the exit 10 are unfolded. Thus embody the T-mixers 11 . 12 the active principle of the mixer. The electroosmotic secondary flow is through Choice of frequency and strength of electric fields set between the electrodes.

Die Vorrichtung aus 1 lässt verschiedene Betriebsweisen zu, die sich durch die Art der Flüssigkeiten in den Eingängen und durch die Frequenz, die elektrische Feldstärke und die Phasenverschiebung zwischen den Elektroden unterscheiden.The device off 1 allows different modes of operation, which differ by the type of liquids in the inputs and by the frequency, the electric field strength and the phase shift between the electrodes.

2 bis 5 zeigen die Ergebnisse numerischer Simulationen bei unterschiedlichen Betriebsweisen. Zur Bewertung sind die normierten Konzentrationsfelder einer Substanz aufgetragen. Eine optimale Vermischung ist bei C = 0,5 erreicht. Zusätzlich sind die Kontaktflächen entsprechend der zweidimensionalen Darstellung als Isokonzentrationslinie C = 0,5 dargestellt. Für die Simulationen wurden folgende Parameter gewählt:

  • – 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.
2 to 5 show the results of numerical simulations with different modes of operation. For evaluation, the normalized concentration fields of a substance are plotted. Optimal mixing is achieved at C = 0.5. In addition, the contact surfaces corresponding to the two-dimensional representation are shown as the isoconcentration line C = 0.5. The following parameters were chosen for the simulations:
  • - 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.

2 und 3 zeigen jeweils das Konzentrationsfeld bei einer Betriebsweise, bei der durch die Eingänge 1, 5 und 2, 6 jeweils die gleiche Flüssigkeit einströmt. Die elektrischen Felder der T-Mischer 11 und T-Mischer 12 sind in Phase (2) bzw. weisen eine Phasenverschiebung von 180° auf (3). 2 and 3 each show the concentration field in a mode in which by the inputs 1 . 5 and 2 . 6 the same liquid flows in each case. The electric fields of the T-mixers 11 and T-mixers 12 are in phase ( 2 ) or have a phase shift of 180 ° ( 3 ).

4 und 5 zeigen jeweils das Konzentrationsfeld bei einer Betriebsweise, bei der durch die Eingänge 2, 5 und 1, 6 jeweils die gleiche Flüssigkeit einströmt. Die elektrischen Felder der T-Mischer 11 und T-Mischer 12 sind in Phase (4) bzw. weisen eine Phasenverschiebung von 180° auf (5). 4 and 5 each show the concentration field in a mode in which by the inputs 2 . 5 and 1 . 6 the same liquid flows in each case. The electric fields of the T-mixers 11 and T-mixers 12 are in phase ( 4 ) or have a phase shift of 180 ° ( 5 ).

Bei allen Betriebsweisen zeigt sich im Ausgangskanal 10 schon nach kurzer Distanz eine gute Vermischung. Bei einer Betriebsweise gemäß 2 und 3 lassen sich drei Lamellen bzw. zwei Kontaktflächen erkennen. Bei einer Betriebsweise gemäß 4 und 5 ist aufgrund der Konfiguration der Flüssigkeiten in den Eingängen eine Lamellenzahl von vier bzw. eine Kontaktflächenanzahl von drei zu erwarten. Aufgrund der kurzen Diffusionswege bauen sich jedoch zwei der Kontaktflächen sehr schnell ab.In all modes of operation shows in the output channel 10 after a short distance a good mixture. In a mode of operation according to 2 and 3 can be seen three slats or two contact surfaces. In a mode of operation according to 4 and 5 Due to the configuration of the liquids in the inputs, a lamella number of four or a contact surface number of three is to be expected. Due to the short diffusion paths, however, two of the contact surfaces degrade very quickly.

Um die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens zu quantifizieren, ist in 6 jeweils der Mischungsgrad für die Betriebsweisen gemäß 2 bis 5 über der Verweilzeit aufgetragen. Als Vergleichsbeispiel ist zusätzlich ein einfacher elektroosmotisch alternierender T-Mischer aufgeführt. Ein Mischgrad von Dm = 1 bedeutet eine perfekte Vermischung beider Flüssigkeiten. Der Vergleich zeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren in allen Betriebsweisen höhere Mischgrade als der einfache elektroosmotisch alternierende T-Mischer erzielt.In order to quantify the efficiency of the method according to the invention, is in 6 in each case the degree of mixing for the modes according to 2 to 5 applied over the residence time. As a comparative example, a simple electroosmotically alternating T-mixer is additionally listed. A degree of mixing of Dm = 1 means perfect mixing of both liquids. The comparison shows that the process according to the invention achieves higher mixing degrees than the simple electroosmotically alternating T-mixers in all modes of operation.

7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung, die aus drei einzelnen T-Mischern 11, 12, 13, verbunden mit einer Kreuzung 14 besteht. T-Mischer 11 umfasst die Kanalsegmente 1, 2, 3, T-Mischer 12 die Kanalsegmente 4, 5, 6 und T-Mischer 13 die Kanalsegmente 7, 8, 9. Die Kreuzung 14 umfasst die Kanalsegmente 3, 4, 7, 10. 7 shows a further arrangement according to the invention, consisting of three individual T-mixers 11 . 12 . 13 connected to a crossroads 14 consists. T-mixer 11 includes the channel segments 1 . 2 . 3 , T-Mixer 12 the channel segments 4 . 5 . 6 and T-mixers 13 the channel segments 7 . 8th . 9 , The crossroad 14 includes the channel segments 3 . 4 . 7 . 10 ,

An den Eingängen 1, 2, 5, 6, 8, 9 liegt gegenüber dem Ausgang 10 ein Überdruck an, wodurch die zu mischenden Flüssigkeiten in Richtung des Ausgangs 10 transportiert werden. Die Flüssigkeiten aus den T-Mischern 11, 12, 13 werden in der Kreuzung 14 zusammengeführt. Die Kreuzung 14 ist das passive Element des Mischers und ermöglicht durch Multilamination das Zusammenführen der Lamellen. Im Vergleich zu einem einfachen T-Mischer wird auf diese Weise eine bis zu dreifache Lamellenanzahl bzw. eine bis zu fünffache Kontaktflächenanzahl erzeugt.At the entrances 1 . 2 . 5 . 6 . 8th . 9 is opposite the exit 10 an overpressure, causing the liquids to be mixed in the direction of the exit 10 be transported. The liquids from the T-mixers 11 . 12 . 13 be in the intersection 14 merged. The crossroad 14 is the passive element of the mixer and allows the merging of the lamellae through multilamination. In comparison with a simple T-mixer, up to three times the number of lamellae or up to five times the number of contact surfaces is generated in this way.

In oder vor den Zuleitungen 1, 2, 5, 6, 8, 9 sind Elektroden in die Flüssigkeit eingebracht, an denen alternierend elektrische Potentiale angelegt sind. Dadurch entstehen elektroosmotische Strömungen und die Kontaktflächen in den Ausgängen 3, 4, 7 der T-Mischer 11, 12, 13 und im Ausgang 10 sind aufgefaltet. Die T-Mischer 11, 12, 13 stellen das aktive Element des Mischers dar.In or in front of the supply lines 1 . 2 . 5 . 6 . 8th . 9 are electrodes introduced into the liquid at which alternating electrical potentials are applied. This creates electroosmotic flows and the contact surfaces in the outputs 3 . 4 . 7 the T-mixer 11 . 12 . 13 and in the exit 10 are unfolded. The T-mixers 11 . 12 . 13 represent the active element of the mixer.

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.

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Claims (12)

Vorrichtung zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten, bestehend aus – mindestens drei Mischern (11, 12, 13), die mindestens jeweils zwei Eingänge (1, 2, 5, 6) zur Zuführung von jeweils einer der mindestens zwei Flüssigkeiten und mindestens einen Ausgang (10) zur Ableitung des Gemischtstroms umfassen, – Mitteln zur Erzeugung einer Grundströmung zwischen den Eingängen (1, 2, 5, 6) und dem Ausgang (10) und – Mitteln zur periodischen Modulation der Grundströmung.Device for mixing at least two liquids, consisting of - at least three mixers ( 11 . 12 . 13 ), each having at least two inputs ( 1 . 2 . 5 . 6 ) for supplying in each case one of the at least two liquids and at least one outlet ( 10 ) for the discharge of the mixed stream, - means for generating a basic flow between the inputs ( 1 . 2 . 5 . 6 ) and the output ( 10 ) and means for periodically modulating the basic flow. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit T-Mischern als Mischer (11, 12, 13).Apparatus according to claim 1 with T-mixers as mixer ( 11 . 12 . 13 ). Vorrichtung nach Anspruch 1 mit mindestens einer Kreuzung (14) als Mischer.Device according to claim 1, having at least one intersection ( 14 ) as a mixer. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mittel zur periodischen Modulation der Grundströmung Mittel zur Erzeugung einer periodischen druckgetriebenen Strömung umfassen.Device according to one of claims 1 to 3, wherein the means for periodic modulation of the basic flow Means for generating a periodic pressure-driven flow include. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mittel zur periodischen Modulation der Grundströmung Mittel zur Erzeugung einer periodischen elektroosmotischen Strömung umfassen.Device according to one of claims 1 to 4, wherein the means for periodic modulation of the basic flow Means for generating a periodic electroosmotic flow include. Vorrichtung nach Anspruch 5, die Elektroden, die in oder vor den Eingängen (1, 2, 5, 6) in die jeweilige Flüssigkeit eingebracht sind, umfasst.Device according to claim 5, the electrodes located in or in front of the inputs ( 1 . 2 . 5 . 6 ) are introduced into the respective liquid comprises. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die in ein planares Substrat eingebracht ist.Device according to one of claims 1 to 6, which is incorporated in a planar substrate. Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten, worin über mindestens jeweils zwei Eingänge (1, 2, 5, 6) jeweils eine von mindestens zwei Flüssigkeiten in jeweils mindestens einen Mischer (11, 12) eingebracht wird, die mittels einer Grundströmung, der eine periodische Modulation überlagert wird, zwischen den Eingängen (1, 2, 5, 6) und dem Ausgang (10) transportiert, gemischt und vom Ausgang (10) als Gemischtstrom abgeleitet wird.Method for mixing at least two liquids, wherein at least two inputs each ( 1 . 2 . 5 . 6 ) each one of at least two liquids in each case at least one mixer ( 11 . 12 ) introduced by means of a basic flow, which is superimposed on a periodic modulation, between the inputs ( 1 . 2 . 5 . 6 ) and the output ( 10 ), mixed and discharged from the exit ( 10 ) is derived as a mixed stream. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Grundströmung eine periodische druckgetriebene Strömung überlagert wird.The method of claim 8, wherein the basic flow a periodic pressure-driven flow superimposed becomes. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Grundströmung eine periodische elektroosmotische Strömung überlagert wird.The method of claim 8, wherein the basic flow a periodic electroosmotic flow superimposed becomes. Verfahren nach Anspruch 10, wobei an Elektroden, die in oder vor den Eingängen (1, 2, 5, 6) in die jeweilige Flüssigkeit eingebracht sind, eine elektrische Spannung angelegt wird.Method according to claim 10, wherein electrodes located in or in front of the inputs ( 1 . 2 . 5 . 6 ) are introduced into the respective liquid, an electrical voltage is applied. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Komponente eines chemischen oder biochemischen Reaktionssystems in einem mikrofluiden Bauteil.Use of a device according to one of the claims 1 to 8 as a component of a chemical or biochemical reaction system in a microfluidic component.
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