DE602005004002T2

DE602005004002T2 - Verfahren zur Mischung von Fluiden und Mischvorrichtung

Info

Publication number: DE602005004002T2
Application number: DE602005004002T
Authority: DE
Inventors: Yoon-kyoung Yeongtong-gu Suwon-si Cho; Sang-min Songpa-gu Shin; In-seok Pohang Univ.o.Science+Techn Pohang-si Kang; Jae-wan Jungrang-gu Park
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: US20060092757A1; DE602005004002D1; EP1652575A2; US7927552B2; KR100571845B1; EP1652575B1; EP1652575A3; JP4342500B2; JP2006122903A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Mischen von Flüssigkeiten und eine Mischapparatur zur Anwendung des Verfahrens, insbesondere auf ein Verfahren zum Mischen von Flüssigkeiten durch Herbelführen elektrokinetischer Instabilität in einem Kanal und eine Mischapparatur zur Anwendung des Verfahrens.
2. Stand der Technik
Mikrofluidische Vorrichtungen, die chemische oder biologische Analysen unter zu Hilfenahme eines Chips durchführen können, haben innerhalb der letzten Dekade zunehmend Aufmerksamkeit erhalten. Mit der Entwicklung der entsprechenden Technologien haben die Abmessungen dieser Vorrichtungen auf weniger als 1 mm abgenommen, und verschiedene Analysengeräte, die in der Vergangenheit Laboratorien ausgefüllt haben, können nun auf einem Chip der Größe einer Kreditkarte integriert werden, einem sogenannten "Lab-on-a-Chip". Solch technischer Fortschritt hat zu einer Reduzierung der Produktionskosten geführt und hat es ermöglicht, dass verschiedene analytische Experimente gleichzeitig durchgeführt werden können, wodurch die Analysenzeit und die Anzahl der benötigten Proben reduziert und in-situ-Betrieb möglich wurde. Somit wird erwartet, dass die Lab-on-a-Chip-Technologie in einem großen Maße zur Entwicklung der biomolekularen Forschung beiträgt, wie zum Beispiel der Genomforschung, der Proteinforschung, usw.
Bei der Miniaturisierung und Integration mikrofluidischer Vorrichtungen sollte eine Vielzahl von Konstruktionsparametern sorgfältig berücksichtigt werden. Ein wichtiger Konstruktionsparameter ist, dass biologische oder biochemische Reagenzien oder Lösungen homogen innerhalb einer begrenzten Zeit zu mischen sind.
Wenn die Mischzeit ähnlich der oder größer als die chemische Reaktionszeit ist, wird schnelles Mischen wichtiger. In einer mikrofluidischen Vorrichtung wird oftmals eine Kapillare mit einem sehr kleinen inneren Durchmesser benutzt, und ein Mikrofluid, das die Kapillare passiert, weist eine sehr kleine Reynoldsche Zahl auf. Bei sehr kleiner Reynoldscher Zahl tritt laminare Strömung auf. Daher kann Turbulenz, die als Hilfsmittel zum Verrühren sehr nützlich ist, nicht eingesetzt werden, wodurch schnelles Mischen erschwert wird.
Eine homogene Mischung ist erzielt, wenn es keinen Konzentrationsgradienten gibt. Die Reduzierung eines Konzentrationsgradienten in laminarer Strömung ist in großem Maße von molekularer Diffusion abhängig. Die Diffusionszeit t_D ist proportional zum Quadrat der Diffusionsstrecke L_D, wie folgt
wobei D der Diffusionskoeffizient ist.
Um die Diffusionszeit für einen konstanten Diffusionskoeffizienten zu reduzieren, wird ein Verfahren zur Erhöhung der Kontaktgrenzfläche zweier gemischter Flüssigkeiten und zur Reduzierung der Diffusionsstrecke entwickelt. Mischverfahren, wie zum Beispiel Schichtmischen, Mikro-Plume-lnjektion, chaotisches Mischen, paralleles/serielles Mischen, und ähnliche sind bekannt.
Das Schichtmischen ist ein effektives Mischverfahren, benötigt jedoch eine feine, dreidimensionale (3D) Struktur, die hohe Produktionskosten verursacht und einen Kanal mit einer großen Querschnittsfläche benötigt. Lehren über das Schichtmischen sind zu finden in "Microfluidic Devices for Electrokinetically Parallel and Serial Mixing", Anal. Chem., 1999, 71, 4455-4459, von Jacobson et al., "A Modular Microfluid System with an integrated Micromixer", J. Micromech. Microeng. 1996, 6, 99-102, von Schwessinger, et al., US Patent 6,213,151 und US Patent 6,241,379 . Das parallele/serielle Mischen bereitet ähnliche Probleme wie das Schichtmischen und erfordert einen langen Kanal für ausreichendes Mischen. Das parallele/serielle Verfahren ist beschrieben von Jacobson, at al.
Die Mikro-Plume-Injektion ist ein Verfahren, bei dem Flüssigkeit A durch mehrere Mikro-Plumes in Flüssigkeit B injiziert wird, wobei der für das Mischen benötigte Kanal relativ kurz ist. Die in die Flüssigkeit B injizierte Flüssigkeit A diffundiert langsam, um sich homogen zu verteilen. Die Homogenität der Mischung ist proportional zur zahlenmäßigen Dichte der Mikro-Plumes, in die die Flüssigkeit A injiziert wurde, pro Querschnittsflächeneinheit. Es ist je doch schwierig, die Mikro-Plumes für die Injektion der Flüssigkeit A aufzubereiten. Mikro-Plume-Injektion ist im Detail beschrieben in "Towards Integrated Microliquid Handling Systems", J. MicroMech. Microeng. 1994, 4, 227-245, von Elwenspoek, et al.
Das chaotische Mischen wird durch chaotische Konvektion unter Zuhilfenahme eines erzwungenen Strahls erzielt. Um chaotisches Mischen jedoch in der Praxis anzuwenden, wird eine sehr komplizierte Struktur benötigt. Daher treten technische und ökonomische Schwierigkeiten auf. Dieses Verfahren ist detailliert beschrieben in "Chaotic Mixing in Electrokinetically and Pressure Driven Mirco Flow", Proc. 14th IEEE Workshop MEMS 2001, 483-486, von Lee et al., und "Passive Mixing in a Three-Dimensional Serpentine Microchannel", J. Microeletromech. Syst. 2009, 9, 190-197, von Liu et al.
Alle oben beschriebenen Mischverfahren werden als passive Mischverfahren bezeichnet, im Unterschied zu aktiven Mischverfahren. Aktive Mischverfahren beinhalten im Allgemeinen ein Betriebsmittel oder ein externes Mittel zum Mischen, wie zum Beispiel Druck oder ein elektrisches Feld. Ein aktives Mischverfahren mit einem Betriebsmittel bereitet Schwierigkeit beim Formen und Kontrollieren der Mischapparatur und wird daher nur in speziellen Fällen verwendet.
US Patent 6,086,243 erteilt an Paul et al. offenbart ein Verfahren und eine Apparatur zum schnellen und effektiven Mischen von Flüssigkeiten in einem Kriechfluss-System. Gemäß Paul et al. können Flüssigkeiten, welche nicht mechanisch oder durch Turbulenz vermischt werden können, durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die jeweiligen Flüssigkeiten in einer Kapillare homogen vermischt werden. Jedoch setzen Paul et al. separate Kammern zum Mischen voraus, wodurch mehr Platz benötigt wird und weniger Mischeffektivität erzielt wird, dadurch hervorgerufen, dass lediglich ein Umwälzfluss durch Anlegen einer Gleichspannung an die Flüssigkeit hervorgerufen wird.
US Patent 6,482,306 erteilt an Yager et al. offenbart eine effiziente Apparatur zum Mischen von Flüssigkeiten, die keine separate Kammer benötigt, da Elektroden und eine aufladbare Oberfläche an der Wandoberfläche eines Kanals gebildet werden. Die Lehre nach Yager et al. eignet sich besser für kontinuierlichen Fluss als die Lehre nach Paul et al., sie offenbart jedoch lediglich einen Umwälzfluss hervorgerufen durch Anlegen von Gleichstrom und ist daher limitiert im Bezug auf die Mischeffizienz.
Gemäß der US-Patentanmeldung mit Publikationsnummer 2002-125134 von Santiago et al. wird die Mischeffizienz durch Anlegen von Wechselstrom an Stelle von Gleichstrom erhöht. Das heißt, wenn Wechselstrom an beiden Seiten eines Kanals angelegt wird, finden in einer Flüssigkeit willkürliche dreidimensionale Bewegungen innerhalb weniger Sekunden statt, wodurch elektrokinetische Instabilität (EKI) hervorgerufen wird, welche die Flüssigkeit aktiv, schnell und effektiv vermischt. Ein Verfahren zum Mischen einer Lösung unter Zuhilfenahme von EKI, um eine homogene Lösung zu erhalten, ist auf verschiedenen Gebieten nützlich, wie zum Beispiel in der Biochemie, usw. Bei Santiago et al. wird jedoch eine separate Mischkammer zum Anlegen des Wechselstroms in einer Richtung senkrecht zur Fließrichtung der Flüssigkeit benötigt, was in einem unnötigen Totbereich resultiert. Außerdem wird lediglich das Anlegen des Wechselstroms beschrieben, jedoch wird nicht erwähnt, wie der Wechselstrom zu optimieren und wie die Mischeffizienz zu maximieren ist.
Zusätzlich versuchten Santiago et al. zwei Flüssigkeiten durch Anlegen von Gleichstrom in einem T-förmigen Kanal zu mischen. Jedoch wird dabei der Fluss an einem Punkt, an dem zwei Flüssigkeiten aufeinander treffen, gedrosselt, und konvektives Mischen findet aufgrund eines laminaren Flusses in einem stromabwärts gelegenen Bereich des Kanals nicht mehr statt. Wenn die Intensität des elektrischen Feldes erhöht wird, um diese Probleme zu lösen, findet Elektrolyse statt oder Blasen entstehen.
Der selbe Mikromischer ist ebenso offenbart in ODDY M ET AL. "ELECTROKINETIC IN-STABILITY MICROMIXING", ANALYTICAL CHEMISTRY, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, COLUMBUS, US, Vol. 73, Nr. 24, 15. Dezember 2001, Seiten 5822-5832, XP002986054 ISSN: 003-2700.
DE 10213003 A1 offenbart einen EKI-Mikromischer mit einer Y-förmigen Verbindung mit zwei Zufuhrkanälen, einem Auslassmischkanal und einem zusätzlichen Mischhinderniss, dass in dem Mischkanal angeordnet ist. Die Mischeffizienz ist durch Anordnung zusätzlicher Hindernisse im Mischkanal und durch abrupte Änderungen des Kanalverlaufs erhöht.
US 2004/140210 A1 offenbart ebenso einen EKI-Mikromischer mit einer T-förmigen Verbindung mit zwei Einlasskanälen und einem Auslassmischkanal.
US 2002/008028 A1 offenbart eine mikrofluidische Vorrichtung zum räumlichen Fokussieren und Verteilen eines Probenmaterialflusses, wobei die Vorrichtung einen Probenkanal, zumindest einen Fokussierkanal, einen Pufferkanal, einen Probenüberschusskanal, und einen Sammelkanal aufweist, und wobei sich alle Kanäle in der Kammer treffen, welche zumindest ein Fokussierelement und ein Ventilelement aufweist.
US 2003/031090 A1 offenbart einen chaotischen Mikromischer mit einer T-förmigen Verbindung mit zwei Einlasskanälen und verschiedenen Einbuchtungen, die in dem Mischauslasskanal geformt sind.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit zum schnellen und effektiven Mischen von Flüssigkeiten, selbst in einem laminaren Fließsystem mit sehr geringer Reynoldscher Zahl. Die vorliegende Erfindung stellt ebenso eine Vorrichtung bereit zum schnellen und effektiven Mischen von Flüssigkeiten, selbst in einem laminaren Fließsystem mit sehr geringer Reynoldscher Zahl. Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Vorrichtung zur chemischen Analyse bereit, die in der die Vorrichtung zum selbst in einem laminaren Fließsystem mit sehr geringer Reynoldscher Zahl schnellen und effektiven Mischen von Flüssigkeiten, verwendet wird.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Mischen von Flüssigkeiten gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Erfindungsgemäß wird ebenso eine Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten gemäß Anspruch 5 bereitgestellt. Erfindungsgemäß wird außerdem eine Vorrichtung zur chemischen Analyse gemäß Anspruch 7 bereitgestellt, in der die Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten verwendet wird.
Unter Verwendung des Mischverfahrens und der Mischvorrichtung wird effizientes Mischen von Flüssigkeiten erzielt, die mit den konventionellen Verfahren und Vorrichtungen nicht ausreichend gemischt werden konnten.
Das Mischverfahren und die Mischvorrichtung können verwendet werden, um ein Lösungsgemisch herzustellen, bei dem sich die Konzentration periodisch ändert, und können in verschiedenen Vorrichtungen zur chemischen Analyse eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die oben genannten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen sich deutlicher in der detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, in Bezug auf die angefügten Zeichnungen:
1A ist ein Fluoreszenzbild eines Mischungsmusters von Flüssigkeiten, wenn Gleichstrom an einen T-förmigen Kanal gemäß einer konventionellen Technologie angelegt wird;
1B ist eine Fluoreszenzbild eines Mischungsmusters von Flüssigkeiten, wenn Gleichstrom an einen T-förmigen Kanal mit Einbuchtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelegt wird;
2A bis 2C sind Fluoreszenzbilder von Mischungsmustern von Flüssigkeiten, wenn Gleichstrom an T-förmige Kanäle mit Einbuchtungen verschiedener Form angelegt wird;
3 ist ein Diagramm, das den Mischungsgrad von Flüssigkeiten in Abhängigkeit von der Position darstellt, wenn Gleichstrom an einen T-förmigen Kanal, wie in 2 abgebildet, angelegt wird;
4A ist ein Fluoreszenzbild von Flüssigkeiten, die in einem T-förmigen Kanal gemäß konventioneller Technologie gemischt wurden;
4B ist ein Fluoreszenzbild von Flüssigkeiten, die in einem kreuzförmigen Kanal gemäß der vorliegenden Erfindung gemischt wurden;
5 zeigt aufeinander folgende Fluoreszenzbilder von Flüssigkeiten mit einem mit der Frequenz eines Wechselstroms synchronisierten Mischungsmusterablauf, wenn Wechselstrom mit einer niedrigeren Frequenz als eine Resonanzfrequenz des Mischungsmusters angelegt wird;
6A ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6B ist eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Bereiche der in 6A illustrierten Vorrichtung;
7 zeigt Fluoreszenzbilder, die das Vorgehen bei der Bestimmung einer Resonanzfrequenz aus den Variationen eines Mischungsmuster unter Anlegen von Gleichstrom illustriert;
8 zeigt schematisch ein Verfahren zur Bestimmung der Resonanzfrequenz aus 7; und
9 zeigt im Diagramm einen Mischverstärkungsfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselstroms
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung genauer beschrieben.
Es ist allgemein bekannt, dass bei Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Flüssigkeit elektroosmotischer Fluss verursacht werden kann. Der elektroosmotische Fluss ergibt sich aus der Elektroosmose, die eine Wechselwirkung zwischen einem von Elektroden geformten elektrischen Feld und Ladungen auf einer Kanalwand ist. Der für die Produktion der Elektroosmose verwendete Kanal besteht hauptsächlich aus einem dielektrischen Material. Der gesamte Kanal oder Teile davon können aus dem dielektrischen Material bestehen. Das dielektrische Material sollte eine geringere elektrische Leitfähigkeit haben als die Flüssigkeiten, die in dem Kanal fließen. Quarzglas oder Glas werden üblicherweise verwendet.
1A und 1B zeigen zwei Flüssigkeiten, die in einem T-förmigen Kanal gemischt werden. Die beiden Flüssigkeiten treffen sich an der Verbindung des T-förmigen Kanals von gegenüberliegenden Seiten, ändern ihre Flussrichtung aufgrund eines Druckgradienten und werden vermischt, während sie zu einem Auslass fließen. Wenn die Reynoldsche Zahl jedoch extrem klein ist, werden die beiden Flüssigkeiten aufgrund eines laminaren Flusses kaum miteinander vermischt.
Wie in 1A und 1B gezeigt fluktuieren und vermischen sich die Flüssigkeiten miteinander, wenn Gleichstrom angelegt wird. Die dünnen durchgezogenen Linien entlang des Kanals in den 1A und 1B verkörpern elektrische Feldlinien. Das elektrische Feld ist proportional zur Dichte der elektrischen Feldlinien.
Es ist bekannt, dass die Größe einer durch Ladung verursachten Kraft gegeben ist durch ρf = εσ (–Vσ)·E (2).
Wie aus Gleichung 2 zu erkennen ist, ist die Größe der von einer Ladung verursachten Kraft proportional zu einem inneren Produkt der elektrischen Feldstärke E und des Gradienten der elektrischen Leitfähigkeit σ. Hierbei ist ε die dielektrische Konstante und ρ_f ist die Größe der durch Ladung erzeugten Kraft.
Da die Stärke des elektrischen Feldes durch das Verhältnis einer an die Elektroden angelegten Spannung zu dem Abstand zwischen den Elektroden gegeben ist, ist die Stärke des elektrischen Feldes konstant, so lange die Position der Elektroden fixiert ist und die Spannung konstant ist.
In Bezug auf 1B wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest eine Einbuchtung in einem T-förmigen Kanal gebildet. Es zeigt sich, dass die Stärke des elektrischen Feldes in der Nähe der Kanalwand zwischen den Einbuchtungen am höchsten ist.
Somit erkennt man, dass die Größe einer durch Ladung erzeugten Kraft in der Nähe der Kanalwand zwischen Einbuchtung groß ist, und dass die Ausbildung von Einbuchtungen mit regelmäßigen oder unterschiedlichen Größen in regelmäßigen oder unterschiedlichen Abständen besser für eine Mischung geeignet ist als die Abwesenheit von Einbuchtungen. Wie aus 1 zu sehen ist, haben die elektrischen Feldlinien eine regelmäßige Form, wenn Gleichstrom in Abwesenheit von Einbuchtungen angelegt wird. Somit wirkt auf die Flüssig keiten nur in einer Richtung eine Kraft, was in einer geringen Mischeffizienz resultiert. Bezug nehmend auf 1B haben die elektrischen Feldlinien eine Wellenform und sind dicht, wenn Gleichstrom bei Anwesenheit von Einbuchtungen angelegt wird, insbesondere in der Nähe der Kanalwand zwischen den Einbuchtungen. Dies weist darauf hin, dass die durch Ladung verursachte Kraft groß ist.
Um die obige Tatsache zu bestätigen, wurden Veränderungen des Mischungsgrades für Kanäle mit verschiedenen Arten von Einbuchtungen untersucht, wie in 2A, 2B und 2C dargestellt. Um den Mischungsgrad zu quantifizieren, ist der Mischungsgrad Z in der Gleichung 3 definiert
wobei N die Anzahl der Pixel ist, I_i die Intensität des i-ten Pixels, I_i ⁰ die Intensität des i-ten Pixels, wenn die Flüssigkeiten nicht gemischt sind, und I_i* die Intensität des i-ten Pixels, wenn die Flüssigkeiten vollständig vermischt sind. 3 ist ein Diagramm, dass den Mischungsgrad in Abhängigkeit der Fließstrecke unter Verwendung der Gleichung 3 zeigt. In 3 bezeichnet d die Breite des Kanals und x die Entfernung vom Kanaleinlass. In 3 bezeichnet die horizontale Achse eine dimensionslose relative Entfernung, die man durch Division von x durch d erhält.
Wie aus 3 zu ersehen ist, weist der Kanal mit den Einbuchtungen C einen um 20% höheren Mischungsgrad auf als der Kanal ohne Einbuchtung, und seine Mischeffizienz war die größte unter den in 3 dargestellten Kanälen. Jedoch ist der Kanal mit der Einbuchtung C nicht optimal, und bessere Einbuchtungen können konstruiert werden.
Indes besitzt ein konventioneller Kanal eine T-förmige Verbindung, an der sich zwei Flüssigkeiten treffen, wie in 4A dargestellt. Wenn sich zwei Flüssigkeiten an einer T-förmigen Verbindung treffen und fließen, ist nur eine Grenzfläche zur Erzeugung der EKI verfügbar, siehe 4A.
In diesem Fall hat der konventionelle mikrofluidische Mischer eine unzureichende Mischeffizienz und, obwohl eine Mischung entlang des Kanals stattfindet, ist eine erste Flüssigkeit daher relativ reichlich in der Nähe einer Kanalwand und eine zweite Flüssigkeit relativ reichlich in der Nähe der anderen Kanalwand vorhanden, was die Nutzung des mikrofluidischen Mischers einschränkt.
Wenn sich zwei Flüssigkeiten jedoch an einer kreuzförmigen Verbindung treffen und wie in 4B dargestellt fließen, sind zwei Grenzflächen zur Erzeugung der EKI verfügbar. Somit lässt sich eine verbesserte Mischeffizienz erwarten, und die Nutzung des mikrofluidischen Mischers ist wie unten beschrieben möglich. Jedoch hat die Verbindungsstelle nicht notwendigerweise eine rechtwinklige Kreuzform, so lange die zweite Flüssigkeit von beiden Seiten der ersten Flüssigkeit eingespeist wird.
Wenn Gleichstrom zur Induktion der EKI angelegt wird, während zumindest zwei Flüssigkeiten in Kanälen fließen, wird ein regelmäßiger Mischungsmusterablauf erzeugt. Das heißt, das Mischungsmuster ändert sich in einem regelmäßigen Ablauf. Wenn Wechselstrom mit einer spezifischen Frequenz anstelle des Gleichstroms oder zusammen mit dem Gleichstrom verwendet wird, werden Anode und Katode periodisch vertauscht, was die EKI verstärkt und effektiver induziert.
Anders gesagt, zu einem Zeitpunkt entsprechend der halben Periode eines Mischungsmusterablaufs unter Anlegen von Gleichstrom hat das Mischungsmuster eine Phase entgegengesetzt derjenigen Phase, wenn Gleichstrom erstmalig angelegt wird. Wenn die Kathode und die Anode zu diesem Zeitpunkt vertauscht werden, kann der Mischungsgrad verstärkt werden. Das heißt, wenn Wechselstrom mit der gleichen Frequenz wie der Mischungsmusterablauf angelegt wird, sind die Phase des elektrischen Feldes und die Phase des Mischungsmusters identisch, und das Mischen wird so verstärkt. In diesem Fall wird die Frequenz des Wechselstroms als Resonanzfrequenz bezeichnet.
Die Wechselstromspannung ist gegeben durch V = Vmaxsin(2πft) (4), wobei f die Resonanzfrequenz des Wechselstroms ist, t die Zeit und V_max die maximale Spannung. Da die Resonanzfrequenz von System zu System variiert, ist es notwendig, die Resonanzfrequenz durch erstmaliges Anlegen von Gleichspannung zu bestimmen, um einen Mischungsmusterablauf zu untersuchen, wenn die vorliegende Erfindung zum ersten Mal angewendet wird. Zu diesem Zweck kann das sich ändernde Mischungsmuster unter hoher Geschwindigkeit fotografiert werden, und das Zeitintervall zwischen identischen Mischungsmustern kann vermessen werden, um so den Mischungsmusterablauf zu erhalten. Andere Verfahren können ebenso zur Messung der Resonanzfrequenz verwendet werden.
In dem T-förmigen Kanal entspricht der Kehrwert der Periode des Mischungsmusterablaufs, ausgedrückt in Sekunden, der Resonanzfrequenz (Hz). In dem kreuzförmigen Kanal jedoch entspricht das Doppelte des Kehrwerts der Periode des Mischungsmusterablaufs, ausgedrückt in Sekunden, der Resonanzfrequenz, da, wenn Gleichstrom in dem kreuzförmigen Kanal angelegt wird, zwei Grenzflächen mit einem wellenförmigen Muster erzeugt werden, wie in 8 dargestellt. Wenn Wechselstrom mit der Resonanzfrequenz, die doppelt so hoch ist wie die Frequenz des Mischungsmusterablaufs, angelegt wird, werden somit entsprechend zwei Grenzflächen stimuliert, so dass die Mischeffizienz erhöht wird.
Die Abhängigkeit des Mischungsmusterablaufs von dem gemischten Lösungsmittel, der Form und der Größe des Mischsystems, der Frequenz des benutzten Wechselstroms, dem Gleichstrom, der Spannung, und ähnlichem ist nicht groß. Außerdem wurde empirisch erkannt, dass die Resonanzfrequenz des Mischungsmusterablaufs im Bereich von 0,1 bis 100 Hz liegt. Weiterhin liegt die Resonanzfrequenz für die meisten mikrofluidischen Mischer für biologische Anwendung in dem Bereich von 7 bis 15 Hz, und sehr oft in dem Bereich von 9 bis 13 Hz. Somit ist es nicht notwendig, die Resonanzfrequenz jedes mal zu messen, wenn das technische Konzept der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Obwohl nur Wechselstrom alleine angelegt werden kann, wird er vorzugsweise zusammen mit Gleichstrom angelegt. In diesem Fall bewegen sich die Flüssigkeiten aufgrund einer durch den Gleichstrom hervorgerufenen elektroosmotischen Kraft. Gleichzeitig werden sie durch den Einfluss des Wechselstroms gemischt und weitergeleitet.
Die Frequenz des Wechselstroms kann niedriger sein als die Resonanzfrequenz. Wenn die Frequenz des Wechselstroms niedriger ist als die Resonanzfrequenz, synchronisiert sich der Mischungsmusterablauf mit dem Wechselstrom. Somit kann der Musterablauf durch Einstellen der Frequenz des Wechselstroms einfach kontrolliert werden. In diesem Fall ändert sich die Form des Mischungsmusters mit der Zeit wie in 5 dargestellt. Wenn die Frequenz des angelegten Wechselstroms 0,1 Hz beträgt, was in 5 der Fall ist, beträgt das Zeitintervall, bis sich das selbe Mischungsmuster wieder zeigt, etwa 10 Sekunden. Dies weißt darauf hin, dass die Frequenz des Wechselstroms mit dem Musterablauf synchronisiert ist.
Beim Betrachten des Kanalendes in 5 zeigt sich, dass der Durchmischungsgrad am Ende des Kanals mit der Zeit variiert. Der zeitabhängige Durchmischungsgrad am Ende des Kanals kann somit durch Einstellen der Frequenz des Wechselstroms kontrolliert werden.
Wenn die Flüssigkeit nur im zentralen Bereich des Kanalendes entnommen wird, kann eine Probe mit einer periodisch variierenden Konzentration erhalten werden. Die erhaltene Probe kann für die Erforschung der Kinetik in verschiedenen Konzentrationen, etc. benutzt werden. Sie kann ebenso zur Bestimmung einer Reaktionskonstante benutzt werden, während der Veränderung der Konzentration der Reagenzien in biologischen oder allgemein chemischen Reaktionen, wie zum Beispiel der DNA-Hybridisierung und der Enzymanalyse.
Obwohl die Probe mit einer periodisch schwankenden Konzentration auch in einem T-förmigen Kanal erhalten werden kann, kann sie effektiver erhalten werden, wenn der Kanal verwendet wird, der so ausgelegt ist, dass die zweite Flüssigkeit von beiden Seiten einer ersten Flüssigkeit eingespeist wird, wie in der vorliegenden Ausführungsform. Der Grund dafür ist, dass die Konzentration einer Probe in einem T-förmigen Kanal weniger stark fluktuiert als in dem Kanal der vorliegenden Ausführungsform. Somit ist der Kanal, in dem eine zweite Flüssigkeit von beiden Seiten einer ersten Flüssigkeit eingespeist wird, vorteilhaft gegenüber dem T-förmigen Kanal, da er effektiver für die oben beschriebenen Zwecke verwendet werden kann und Vermischung an zwei Grenzflächen stattfindet.
Die vorliegende Erfindung wird nun genauer in Bezug auf die nachfolgenden Beispiele beschrieben. Die nachfolgenden Bespiele dienen erklärenden Zwecken und sind nicht so zu verstehen, dass sie den Schutzbereich der Erfindung einschränken.
Beispiel
6A und 6B sind schematische Darstellungen einer Vorrichtung wie im vorliegenden Beispiel verwendet.
Flüssigkeiten für das Mischen und Materialien für die Visualisierung
1 mM und 10 mM NaCl-Lösungen wurden als Flüssigkeiten zum Mischen verwendet. Fluorescein F7505 (Sigma) wurde als Fluoreszenzfarbstoff zur Visualisierung der Mischung verwendet. Der Fluoreszenzfarbstoff wurde mit der 10 mM NaCl-Lösung vermischt, um so eine Konzentration von 5 μM zu erhalten.
Herstellung eines Chips einschließlich eines Kanals
Ein kreuzförmiger Kanal mit einem Injektionskanal von 1 cm Länge und einem Auslasskanal von 2 cm Länge wurde auf einem Glas-Chip hergestellt. Die Kanäle hatten rechteckige Querschnitte mit einer Breite von 60 μm und einer Tiefe von 50 μm.
Aufbau einer experimentellen Vorrichtung
Wie aus 6B ersichtlich, wurden die Kanäle 11, 12 und 13 jeweils mit den Behältern 30a, 30b und 30c zum Speichern von Flüssigkeiten versehen, und ein Auslasskanal 15 wurde mit einem Behälter 30d zum Speichern gemischter Flüssigkeiten versehen. Der Behälter 30b wurde mit der Mischung aus 10 mM NaCl-Lösung und dem Fluoreszenzfarbstoff gefüllt, und die Behälter 30a und 30c wurden mit der 1 mM NaCl-Lösung gefüllt.
Zwischen den Elektroden 40a und 40d und zwischen den Elektroden 40c und 40d wurde nur Gleichstrom angelegt. Gleichstrom und Wechselstrom wurde zwischen den Elektroden 40b und 40d angelegt. Zur Stromerzeugung wurden ein Hochspannungsverstärker (Bertan ARB-30), ein Gleichstrom-Netzgerät (Hewlett-Packard 3630A) und ein Funktionsgenerator (Hewlett-Packard 33120A) benutzt. Diese erzeugten ein elektrisches Feld mit einer spezifischen Frequenz und einem 650-V-Gleichstrom. Weiterhin wurde im vorliegenden Beispiel ein 50-V-Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 0,1 und 50 Hz benutzt.
Visualisierung der Vermischung der Flüssigkeiten
Fluoreszenzbilder der Flüssigkeiten wurden mit einem inversen Epifluoreszenzmikroskop (Nikon TE 300) und einer 100-W-Quecksilberlampe beobachtet. Das Bild wurde mit einer 12-Bit-CCD Kamera (Quantix 57, Photometrics) mit 13 μm großen, quadratischen Pixeln aufgezeichnet. Das aufgezeichnete Bild wurde mit einer Bildanalyse-Software (MetaMorph 6.1, Universal Image) analysiert. Um die Frame-Rate zu erhöhen, wurden jeweils 2×2 Pixel gebündelt. Die experimentelle Vorrichtung ist schematisch in 6A dargestellt.
Um den Mischungsmusterablauf zu messen, wurden Bilder eines Mischungsmusters unter Verwendung von Gleichstrom (650 V) zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen, wie in 7 gezeigt, und mit dem in 8 dargestellten Verfahren analysiert. Wie aus 8 zu ersehen ist, wird eine Grenzfläche an einem bestimmten Punkt im Kanal periodisch konvex oder konkav. Die Zeit, die für zwei konvexe Abschnitte (oder konkave Abschnitte) der Grenzfläche benötigt wird, um einen Punkt zu passieren, ist die Periode des Mischungsmusterablaufs. Wie in 8 zu sehen, ist die Periode des Musterablaufs das Zeitintervall bis ein Grenzflächenabschnitt mit der selben Form wie der Abschnitt A wieder an der gleichen Position erscheint. Eine derartige Analyse des Bildes aus 7 ergab eine Periode des Musterablaufs von ungefähr 0,151 bis 0,147 Sekunden. Eine aus der Periode des Musterablaufs berechnete Resonanzfrequenz betrug ungefähr 12 Hz.
Um zu verifizieren, ob ein maximaler Durchmischungsgrad bei der Resonanzfrequenz erzielt wurde, wurde der Durchmischungsgrad quantitativ untersucht, während die Frequenz des Wechselstroms geändert wurde. Um den Durchmischungsgrad zu quantifizieren, wurde ein Dispersionskoeffizient CV definiert
wobei n die Anzahl der Pixel ist, I_i die Intensität des i-ten Pixels, und I_avg ein Durchschnitt der Intensitäten aller Pixel. In Gleichung 5 bedeutet ein niedrigerer CV-Wert einen höheren Durchmischungsgrad. Zusätzlich wurde ein Mischverstärkungsfaktor E definiert unter Anwendung des CV-Wertes, wie folgt
wobei CV_TP der zeitliche Durchschnitt der CV-Werte bei einer vorbestimmten Frequenz des Wechselstroms ist, und CV_Static der Durchschnitt der CV-Werte, wenn Gleichstrom angelegt wird. Da CV_Static konstant ist, bedeutet ein niedriger Wert für E, dass gute Durchmischung stattfindet. 9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen E und der Frequenz des Wechselstroms darstellt. Aus 9 ist zu ersehen, dass der Mischverstärkungsfaktor E einen minimalen Wert hat, wenn die Frequenz des Wechselstroms 12 Hz beträgt. Dieses Ergebnis ist identisch mit den aus der zuvor durchgeführten Musteranalyse des Gleichstroms erhaltenen Ergebnissen.
Somit sieht man, dass ein maximaler Durchmischungsgrad erzielt wird, wenn der Gleichstrom mit der Resonanzfrequenz angelegt wird.
Wie oben beschrieben, kann ein Verfahren zum Mischen von Flüssigkeiten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Flüssigkeiten selbst in einem laminaren Fließsystem mit sehr geringer Reynoldscher Zahl schnell und effektiv mischen, und zwar durch Anlegen von Wechselstrom mit einer Resonanzfrequenz, um EKI effektiver zu induzieren. Außerdem kann der Grad der Durchmischung von Flüssigkeiten durch Anlegen von Wechselstrom mit einer niedrigeren Frequenz als der Resonanzfrequenz zeitabhängig variiert werden.

Claims

Ein Verfahren zum Mischen von Flüssigkeiten, das umfasst: das Zuführen von mindestens zwei zu mischenden Flüssigkeiten durch mindestens zwei Kanäle (11, 12, 13, 15), die miteinander an mindestens einer Verbindungsstelle verbunden sind; und das Anlegen von Wechselstrom an die Kanäle, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Flüssigkeit von beiden Seiten des Kanals, durch den die erste Flüssigkeit fließt, eingespeist wird; und der Wechselstrom entweder eine Resonanzfrequenz aufweist entsprechend der doppelten Periode des durch Gleichstrom induzierten Mischungsmusterablaufs, oder eine niedrigere Frequenz als eine Resonanzfrequenz entsprechend der doppelten Periode eines durch Gleichstrom induzierten Mischungsmusterablaufs, so dass elektrokinetische Instabilität (EKI) in den zugeführten Flüssigkeiten erzeugt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz im Bereich zwischen 0,1 und 100 Hz liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Gleichstrom an die Kanäle angelegt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einbuchtung in den Kanälen gebildet wird.
Eine Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten, die umfasst: mehrere Kanäle (11, 12, 13, 15), durch die Flüssigkeit strömt; mindestens eine Verbindung (20) der Kanäle; mindestens zwei Elektroden (40a, 40b, 40c, 40d), die an gegenüberliegenden Seiten der Kanäle angeordnet sind; und eine Stromversorgung, die Wechselstrom zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal, durch den eine zweite Flüssigkeit fließt, mit beiden Seiten eines Kanals, durch den eine erste Flüssigkeit fließt, verbunden ist; und die Stromversorgung Wechselstrom zuführt, der eine Resonanzfrequenz aufweist entsprechend der doppelten Periode des durch Gleichstrom induzierten Mischungsmusterablaufs, oder eine niedrigere Frequenz als eine Resonanzfrequenz entsprechend der doppelten Periode eines durch Gleichstrom induzierten Mischungsmusterablaufs.
Die Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle mindestens eine Einbuchtung aufweisen.
Eine Vorrichtung zur chemischen Analyse, in der die Vorrichtung zum Mischen nach Anspruch 5 verwendet wird.