DE10055921A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrokonvektionen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbewegung in einem fluidischen Mikrosystem (100) beschrieben, bei dem eine Flüssigkeit im Mikrosystem gleichzeitig einem elektrischen Feld und einem thermischen Gradienten ausgesetzt wird, wobei zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Elektrodenanordnung (20) mit einer sich zeitlich verändernden Spannung beaufschlagt wird, so dass sich im Flüssigkeitsbereich ein zeitlich veränderliches, elektrisches Feld bildet, und zur Erzeugung des thermischen Gradienten mindestens ein Strahlungsabsorber (30-32), der im Kompartiment (10) angeordnet ist, mit mindestens einem äußeren Strahlungsfeld bestrahlt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer kon­ vektiven Flüssigkeitsbewegung in einem fluidischen Mikrosys­ tem, insbesondere ein Verfahren zum Vermischen oder Verwirbeln von Lösungen oder Partikelsuspensionen in einem fluidischen Mikrosystem unter gleichzeitiger Ausbildung elektrischer und thermischer Feldgradienten, und ein fluidisches Mikrosystem, das zur Umsetzung des Verfahrens eingerichtet ist.

Fluidische Mikrosysteme besitzen zahlreiche Anwendungen in der Biochemie, Medizin und Biologie, insbesondere zur Analyse und Manipulierung von gelösten Substanzen oder suspendierten Par­ tikeln. Durch die Miniaturisierung und massive Parallelisie­ rung der in Mikrosystemen (oder: Mikrochips) ablaufenden Pro­ zesse ergeben sich besondere Vorteile für die Analyse und Syn­ these von in hoher kombinatorischer Vielfalt vorliegenden bio­ logischen Makromolekülen (siehe G. H. W. Sanders et al. in Trends in Analytical Chemistry", Band 19/6, 2000, Seite 364 ff; W. Ehrfeld in "Topics in Current Chemistry", Herausgeber A. Manz et al., Band 194, Springer-Verlag, 1998, Seite 233 ff). Anwendungen der fluidischen Mikrosysteme ergeben sich insbesondere in der Grundlagenforschung, z. B. zur DNA- oder Proteinanalyse, oder auch in der Wirkstoffforschung (kombina­ torische Chemie). Weitere Anwendungen ergeben sich bei der Analyse und Manipulierung einzelner biologischer Zellen oder Zellgruppen (siehe G. Fuhr et al. in "Topics in Current Che­ mistry", Herausgeber A. Manz et al., Band 194, Springer- Verlag, 1998, Seite 83 ff).

Ein generelles Problem fluidischer Mikrosysteme besteht darin, dass durch die geringen Dimensionen der in den Mikrochips ge­ bildeten Kompartimente (z. B. Kanäle, Reservoire usw.) im Sub­ millimeterbereich hydrodynamische Flüssigkeitsströmungen klei­ ne Reynolds-Zahlen besitzen. Flüssigkeiten durchlaufen fluidi­ sche Mikrosysteme als laminare Strömungen. Soll im Mikrosystem ein Durchmischen von Flüssigkeiten erfolgen, so würde dies bei benachbarten laminaren Strömungen lediglich auf Diffusion be­ ruhen. Trotz der geringen Dimensionen des Mikrosystems würde die Diffusion beispielsweise von biologischen Makromoleküle relativ langsam erfolgen und damit der Durchsatz des Mikrosys­ tems stark limitiert werden.

Es besteht ein Interesse an einer konvektiven Bewegung von Flüssigkeiten im Mikrosystem (Verwirbeln einer Flüssigkeit, Durchmischen mehrerer Flüssigkeiten), die mit geringer Träg­ heit und weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der Flüs­ sigkeit erfolgt und eine gute optische Beobachtbarkeit gewähr­ leistet.

Es sind verschiedene Ansätze zur Einführung von Flüssigkeits­ verwirbelungen oder -durchmischungen in Mikrosystemen bekannt. Die Verwendbarkeit mechanischer Mischer, wie sie in der Makro­ welt üblicherweise eingesetzt werden, ist wegen des starken Verschleißes (Reibung) im Mikrosystem stark eingeschränkt. Mechanisch bewegliche Teile des Mikrosystems sind wegen der Anlagerung von Makromolekülen sehr störanfällig. Des weiteren wird von W. Ehrfeld (siehe oben) beschrieben, Flüssigkeiten durch Aufteilen von Strömungen in Teilkanäle und anschließen­ des Vereinigen der Teilkanäle mit einer veränderten räumlichen Anordnung zu durchmischen. Diese Technik besitzt den Nachteil, dass in den Teilkanälen wiederum laminare Strömungen fließen. Eine vollständige Durchmischung wird nicht erreicht. Von S. Shoji wird in "Topics in Current Chemistry", Herausgeber A. Manz et al., Band 194, Springer-Verlag, 1998, Seite 167 ff, ein Durchmischen von Flüssigkeiten unter Verwendung von Träg­ heitskräften z. B. in langen, stark verwinkelten Kanälen be­ schrieben. Diese Technik besitzt jedoch den Nachteil, dass die Mikrosysteme einen komplizierten Aufbau erhalten. Außerdem ist ein Durchmischen der Flüssigkeiten in den abgewinkelten Kanä­ len nur bei sehr hohen Flussgeschwindigkeiten (Reynolds-Zahl 2-100) erzielbar.

Es ist auch bekannt, durch die simultane Ausbildung von elekt­ rischen und thermischen Feldgradienten in fluidischen Mikro­ systemen eine konvektive Flüssigkeitsbewegung zu erzeugen. In Fig. 4 ist ein herkömmliches System zur konvektiven Flüssig­ keitsbewegung schematisch illustriert, wie es beispielsweise aus WO 00/37165 bekannt ist. Ein Kompartiment 10' eines flui­ dischen Mikrosystems 100' wird beispielsweise von einer Parti­ kelsuspension durchströmt (Pfeilrichtung A). Im Kompartiment 10' soll eine Verwirbelung der Flüssigkeit erfolgen. Hierzu ist am Boden 11' eine Elektrodenanordnung 20' vorgesehen, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldgradienten quer zur Strö­ mungsrichtung A eingerichtet ist. Gleichzeitig zur Erzeugung des elektrischen Feldgradienten wird die Flüssigkeit im Kom­ partiment 10' erwärmt. Durch die Erwärmung wird ein thermi­ scher Gradient gebildet. Es erfolgt eine Schichtung der Flüs­ sigkeit mit verschiedenen entsprechend dem thermischen Gra­ dienten angeordneten Teilschichten, die jeweils verschiedene dielektrische Eigenschaften besitzen. Unter Wirkung des elekt­ rischen Feldgradienten werden auf die verschiedenen Teil­ schichten Kräfte ausgeübt, die effektiv zu einer konvektiven Verwirbelung der Flüssigkeit führen. Zur Erzeugung des thermi­ schen Gradienten wird in WO 00/37165 vorgeschlagen, durch eine transparente Deckfläche 13' einen Laserstrahl (Pfeilrichtung B) in die Flüssigkeit zu fokussieren. Die Flüssigkeit erwärmt sich lokal, so dass der gewünschte thermische Gradient ausge­ bildet wird. Der Fokus 40' wird mit Abstand vom Boden und den Seitenflächen (siehe Doppelpfeile) in der Flüssigkeit erzeugt.

Die in Fig. 4 illustrierte Erzeugung einer konvektiven Flüs­ sigkeitsbewegung besitzt mehrere Nachteile. Die Erzeugung der lokalen Erwärmung der Flüssigkeit setzt eine geeignete Strah­ lungsabsorption in der Flüssigkeit voraus. Für zahlreiche, insbesondere bei biologischen Anwendungen interessierende Lö­ sungen oder Suspensionsmedien ist dadurch eine starke Ein­ schränkung der zur Bestrahlung verwendbaren Laser gegeben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass suspendierte Partikel gegebenenfalls mit Lasern (optischen Fallen) im Mikrosystem manipuliert oder optisch detektiert werden sollen. Es kann zur gegenseitigen Störung der verschiedenen Bestrahlungen kommen. Schließlich ist die Reproduzierbarkeit der feld- und strah­ lungsinduzierten Konvektion eingeschränkt, da der Fokus zur Erzeugung der lokalen Erwärmung in der Flüssigkeit nur mit beschränkter Reproduzierbarkeit positioniert werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbewegung in einem fluidischen Mikrosystem bereitzustellen, mit dem die Nachteile herkömmlicher Techniken zum Durchmischen oder Verwirbeln von Flüssigkeiten überwunden werden. Das Verfahren soll insbeson­ dere eine erweiterte Brauchbarkeit dahingehend besitzen, dass die konvektive Flüssigkeitsbewegung unabhängig vom Absorpti­ onsverhalten oder anderen Eigenschaften der Flüssigkeit im Mikrosystem erfolgt und mit hoher Reproduzierbarkeit einstell­ bar ist. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbesser­ tes Mikrosystem zur Umsetzung dieses Verfahrens bereitzustel­ len.

Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren und einem Mikrosys­ tem mit den Merkmalen gemäß den Patenansprüchen 1 bzw. 13 ge­ löst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Grundidee der Erfindung ist es, die herkömmliche Technik zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung durch simultane Ausübung elektrischer und thermischer Gradienten dahingehend weiterzu­ entwickeln, dass im jeweils interessierenden Kompartiment des Mikrosystems gleichzeitig zeitlich veränderliche elektrische Felder und durch Bestrahlung fester Strahlungsabsorber, die im Kompartiment angeordnet sind, mindestens ein thermischer Gra­ dient erzeugt werden. Die Bereitstellung der Strahlungsabsor­ ber im Mikrosystem besitzt den Vorteil, dass bei äußerer Be­ strahlung ein definierter thermischer Gradient unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit mit reproduzierbaren geomet­ rischen Eigenschaften und ohne Störung anderer optischer Mes­ sungen oder Manipulationen im Mikrosystem erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung zur Verwendung von Infrarotstrahlen absorbierenden Strahlungsabsorbern ausge­ legt. Die Strahlungsabsorber sind vorzugsweise an Wandflächen des Kompartiments oder an Elektroden im Kompartiment vorgese­ hen. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der mindestens einen Elektrode oder von Elektrodenteilen (z. B. Teilschich­ ten, Oberflächenstrukturen) als Strahlungsabsorber. Damit wird ein direktes Erwärmen der Elektroden ermöglicht. Der thermi­ sche Gradient wird automatisch im gleichen Flüssigkeitsbereich wie der elektrische Gradient erzeugt.

Die Frequenz der zeitlich veränderliche elektrische Felder wird anwendungsabhängig gewählt. Sie entspricht vorzugsweise der mittleren inversen dielektrischen Relaxationszeit der Flüssigkeit und beträgt beispielsweise für wässrige Lösungen mindestens 1 kHz oder für ölige Flüssigkeiten 1 Hz oder weni­ ger.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Mikrosystem mit mindes­ tens einem Kompartiment, das zur Realisierung der erfindungsgemäßen konvektiven Flüssigkeitsbewegung eingerichtet ist und hierzu insbesondere mindestens einen festen Strahlungsabsorber aufweist.

Das erfindungsgemäße Mikrosystem hat den Vorteil eines verein­ fachten Aufbaus. An beliebigen Orten im fluidischen Mikrosys­ tem können Kompartimente mit Strahlungsabsorbern zur konvekti­ ven Flüssigkeitsbewegung durch entsprechende Positionierung der Elektroden zur Erzeugung der elektrischen Felder und der Strahlungsabsorber vorgesehen sein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Kom­ partiments eines fluidischen Mikrosystems, das zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Ver fahrens eingerichtet ist,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Ausfüh­ rungsform eines erfindungsgemäßen Mikrosystems,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikto­ systems, und

Fig. 4 eine schematische Perspektivansicht eines her­ kömmlichen Mikrosystems, das zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung eingerichtet ist (Stand der Technik).

Die Grundidee der Erfindung wird zunächst unter Bezug auf Fig. 1 erläutert, in der verschiedene Realisierungen von Strahlungsabsorbern illustriert sind. Die Umsetzung der Erfindung ist jedoch nicht auf die gleichzeitige Realisierung der verschiedenen Varianten beschränkt. Vielmehr können in der Praxis anwendungsabhängig einzelne oder mehrere der in Fig. 1 dargestellten Strahlungsabsorber in einem Mikrosystem vorgese­ hen sein.

Fig. 1 zeigt ein Kompartiment 10 eines fluidischen Mikrosys­ tems 100. Das Kompartiment 10 stellt einen beliebigen Aus­ schnitt des Mikrosystems 100 dar und wird beispielsweise durch einen Kanal, ein Reservoir, einen Zusammenfluß, einen Abzweig oder eine andere Struktur im Mikrosystem gebildet. Das Kompar­ timent 10 wird beispielsweise von einer Partikelsuspension in Pfeilrichtung A durchströmt und umfasst mindestens einen Boden 11 und Seitenflächen 12. Auf der oberen Seite kann das Kompartiment 10 offen oder durch eine Deckfläche 13 verschlossen sein. Die Querschnittsdimensionen des Kompartiments 10 liegen typischerweise im Submillimeterbereich. Weitere Einzelheiten des fluidischen Mikrosystems 100, insbesondere seiner Funktion, seiner Her­ stellung und seines Aufbaus sind an sich bekannt und werden daher hier im Einzelnen nicht erläutert.

Im Kompartiment 10 soll die in Pfeilrichtung A fließende (oder auch eine ruhende) Flüssigkeit konvektiv bewegt werden. Hierzu ist im Kompartiment 10 eine Elektrodenanordnung 20 zur Ausbil­ dung eines zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes vorge­ sehen. Die Elektrodenanordnung 20 umfaßt mindestens eine freie, vorzugsweise jedoch mindestens zwei Elektroden 21, 22, die an einer oder mehreren Wänden des Kompartiments 10 ange­ ordnet sind. In Fig. 1 sind beispielhaft 2 streifenförmige Elektroden 21, 22 am Boden 11 illustriert. Anschlussleitungen zur Verbindung mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) sind in an sich bekannter Weise vorgesehen.

Im Kompartiment 10 sind des weiteren Strahlungsabsorber 30 angeordnet. Ein Strahlungsabsorber ist ein strahlungsabsorbie­ render Bereich, der im Kompartiment mit einer definierten räumlichen Begrenzung ausgebildet ist. Dies kann durch Ein­ bringung und Strukturierung strahlungsabsorbierender Materia­ lien im Kompartiment 10 und/oder Fokussierung eines äußeren Strahlungsfeldes (Pfeilrichtung B) auf feste Komponenten des Kompartiments 10 (z. B. Elektroden, Wände) erfolgen. Dies be­ deutet, dass Strahlungsabsorber gegebenenfalls durch Wandbe­ reiche oder nicht-leitende Erweiterungen der Elektroden gebil­ det werden können. Als Strahlungsabsorber sind insbesondere Absorberflächen 31 an den verschiedenen Wänden des Komparti­ ments 10 (Boden 11, Seitenflächen 12, Deckfläche 13) vorgese­ hen. Die Absorberflächen 31 bestehen aus einem geeignet ge­ wählten Material, das eine möglichst hohe Absorption für das äußere Strahlungsfeld besitzt. Die Größe der Strahlungsabsor­ ber ist anwendungsabhängig an die Dimension des Kompartiments 10 und gegebenenfalls die Form des äußeren Strahlungsfeldes (insbesondere Fokussierbarkeit) angepasst und ist vorzugsweise wenigstens gleich der halben Wellenlänge der verwendeten Strahlung gewählt. Die Größe liegt beispielsweise im Bereich 0.5 bis 25 µm.

Gemäß einer bevorzugt realisierten Variante werden Strahlungs­ absorber durch mindestens eine Elektrode als Ganzes (Bezugs­ zeichen 32) oder eine strahlungsabsorbierende Oberflächen­ struktur 33 auf mindestens einer Elektrode (siehe Elektrode 21) gebildet. Wenn als äußeres Strahlungsfeld Infrarotlicht verwendet wird, bestehen die Elektroden 21, 22 vorzugsweise aus einem im infraroten Spektralbereich "schwarzen" Material, wie z. B. Titan, Tantal oder Platin. Es können auch Mehr­ schichtelektroden verwendet werden, die z. B. aus Titan/Platin oder Chrom/Gold bestehen. Alternativ ist auch die Verwendung von Elektroden aus einem leitfähigen, transparenten Material (z. B. ITO, leitfähige Polymere) möglich, auf dem absorbierende Bereiche vollständig deckend oder strukturiert (wie bei der Elektrode 21 illustriert) aufgebracht sind.

Ein Verwirbeln oder Durchmischen erfolgt im Kompartiment 10 nach Mechanismen, wie sie z. T. von der herkömmlichen konvek­ tiven Flüssigkeitsbewegung bekannt sind. Durch Ausbildung elektrischer Felder in inhomogenen Medien werden Spannungen induziert, unter deren Wirkung Flüssigkeitsbewegungen auftre­ ten. Wegen der geringen geometrischen Dimensionen im Mikrosys­ tem werden Feldstärkegradienten im kV- bis MV-Bereich reali­ siert, unter deren Wirkung Mikrowirbel erzeugt werden. Zur Inhomogenisierung des Mediums (der Flüssigkeit im Kompartiment 10) erfolgt die Ausbildung des lokalen thermischen Gradienten. Durch lokales Erwärmen der Strahlungsabsorber steigt deren Temperatur. In der Flüssigkeit bildet sich ein Temperaturfeld mit einem Gradienten aus. Vorzugsweise erfolgt das direkte Erwärmen der Elektroden 21, 22 mit Infrarotstrahlung, z. B. mit einem Infrarotlaser. Der besondere Vorteil dieser Ausfüh­ rungsform liegt darin, dass definiert die Gebiete der höchsten Feldstärke erwärmt und damit dielektrisch inhomogen werden, was zu einer besonders effektiven Verwirbelung führt. Die er­ findungsgemäß angeordneten Strahlungsabsorber ermöglichen fer­ ner, dass die Wirbel lokal beschränkt werden und die Trägheit des Systems wegen der kleinen zu erwärmenden Volumina beson­ ders gering (< 0.1 s) ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich in fluidischen Mikrosystemen, die zur dielektrophoretischen Mani­ pulation von suspendierten Partikeln eingerichtet sind. In diesen Fällen kann die Elektrodenanordnung 20 gleichzeitig zur Ausbildung des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes und zur dielektrophoretischen Manipulierung der Partikel (z. B. von biologischen Zellen) verwendet werden (siehe Fig. 3).

Die Einkopplung des Strahlungsfeldes erfolgt von außen durch mindestens eine transparente Wand des Kompartiments 10 oder durch eine optische Faser. Die Einkopplung des Strahlungsfeldes erfolgt vorzugsweise in einer Richtung (B), die von der Strömungsrichtung (A) im Kompartiment abweicht. Zur Einkopp­ lung durch eine Wand ist beispielsweise die Deckfläche 13 oder der Boden 11 aus einem transparenten Material (z. B. Kunst­ stoff, Glas oder dgl.) hergestellt.

Die Bestrahlung des Kompartiments 10 kann je nach Bauform und Absorptionseigenschaften der Strahlungsabsorber mit einem auf­ geweiteten oder einem fokussiertem Strahl erfolgen. Es können Einfokus- oder Mehrfokuslaser verwendet werden. Bei Bestrah­ lung mit aufgeweitetem Strahl können mehrere Strahlungsabsor­ ber gleichzeitig erwärmt werden. Entsprechend der geometri­ schen Anordnung der Strahlungsabsorber ergibt sich ein be­ stimmtes Wirbelmuster im Kompartiment 10. Bei fokussierter Bestrahlung wird mindestens ein Fokus (siehe z. B. Bezugszei­ chen 40) entsprechend auf mindestens einen Strahlungsabsorber gerichtet. Die Bestrahlung erfolgt vorzugsweise senkrecht zu den Boden-, Deck- oder Seitenflächen des Kompartiments.

Um die Bestrahlung der Strahlungsabsorber unabhängig vom Zu­ stand des Mikrosystems und den Eigenschaften der Flüssigkeit im Kompartiment 10 sicherzustellen, ist vorzugsweise die Wand, auf der sich ein oder mehrere Strahlungsabsorber, wie z. B. die Elektroden, befinden, aus einem transparenten Material hergestellt. Beispielsweise ist vorgesehen, dass auf einem transparenten Boden 11 Elektroden aus einem infrarotabsorbie­ renden Material oder Mehrschichtelektroden mit bodenseitig angeordnetem infrarot absorbierenden Material angeordnet sind.

Wenn ganze Teilbereiche der Kompartimentwände herstellungsbe­ dingt aus infrarotabsorbierendem Material bestehen, kann auf die Anbringung gesonderter Strahlungsabsorber auch verzichtet werden. In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren dadurch umgesetzt, dass das äußere Strahlungsfeld auf die Wand des Kompartiments fokussiert wird. Der Fokus befindet sich vorzugsweise unmittelbar an die Elektroden angrenzend z. B. auf dem Boden 11 oder der Deckfläche 13.

Das äußere Strahlungsfeld kann auch durch hochfrequente elekt­ romagnetische Strahlung gebildet werden, die ein induktives Heizen der Elektrodenanordnung 20 bewirkt. Es kann auch eine Erwärmung (thermische Bestrahlung) der Elektrodenanordnung durch in der Wand (z. B. den Boden 11) des Kompartiments 10 versenkte Heizelemente vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrosystems 100 in schematischer Draufsicht. Zwei Kanäle 15, 16, die jeweils durch Seitenflächen 12 begrenzt sind, werden mit unterschiedlichen Flüssigkeiten durchströmt und münden in einen gemeinsamen Kanal 17. Das Kompartiment 10, in dem eine Durchmischung der Flüssigkeiten erfolgen soll, ist an der ge­ meinsamen Mündung der Kanäle 15, 16 vorgesehen, könnte aber auch stromabwärts mit Abstand von der Mündung im Kanal 17 an­ geordnet sein. Die Elektrodenanordnung 20 umfasst zwei gestri­ chelt eingezeichnete Elektroden 21, 22, die am Boden 12 des Kompartiments 10 angeordnet sind, und zwei durchgezogen ge­ zeichnete Elektroden 23, 24, die den Bodenelektroden entgegen­ gesetzt an der (nicht eingezeichneten) Deckfläche des Kompar­ timents 10 angeordnet sind. Die Bestrahlung des Kompartiments 10 erfolgt senkrecht zur Zeichenebene aus Blickrichtung des Betrachters. Der Boden 11 bildet die von der Bestrahlung abge­ wandte Seite. Die Deckfläche ist die der Bestrahlung zugewand­ te Seite des Kompartiments 10.

Die Elektroden 21-24 sind mit einer externen Wechselspannungs­ quelle verbunden. Zwischen den Elektroden wird ein elektri­ sches Wechselfeld erzeugt. Durch die äußere Bestrahlung er­ folgt ein Aufheizen einzelner oder aller Elektroden. Bei­ spielsweise kann vorgesehen sein, dass nur die oberen, der Bestrahlung zugewandten Elektroden erwärmt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die an den Boden- und Deckflächen vorgesehenen Elektroden verschieden geformt ausgebildet, so dass sie bei Projektion aus der Bestrahlungs­ richtung nicht deckungsgleich sind. Dies ermöglicht, wahlweise nur die unteren oder nur die oberen Elektroden am Boden bzw. der Deckfläche des Kompartiments zu bestrahlen. Die Asymmetrie der Elektroden ist in Fig. 2 illustriert. Die unteren Elektro­ den 21, 22 besitzen eine größere Länge, so dass sie über die Projektion der oberen Elektroden 23, 24 hinausragen. Bei Fo­ kussierung der äußeren Bestrahlung auf die Enden der unteren Elektroden 21, 22 (Bezugszeichen 40) werden nur die unteren Elektroden erwärmt.

Durch die Erwärmung entsteht eine Inhomogenität der durch das Kompartiment 10 fließenden Flüssigkeiten. Unter Wirkung des elektrischen Wechselfeldes entsteht in dem durch die Elektro­ den und die Strahlungsabsorber aufgespannten Flüssigkeitsbe­ reich eine konvektive Umwälzung der Flüssigkeiten, so dass diese vermischt werden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Draufsicht illustriert, bei dem das Mikrosys­ tem 100 ebenfalls zwei am Kompartiment 10 zusammenlaufende Kanäle 15, 16 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Elektrodenanordnung 20 durch einen Elektrodenoktopol ge­ bildet. Vier Elektroden 21-24 (mit großen Durchmessern ge­ zeigt) befinden sich am Boden 11 des Kompartiments 10. Die übrigen vier Elektroden 25-28 sind an der (nicht eingezeichne­ ten) Deckfläche angeordnet. Der Elektrodenoktopol bildet bei Beaufschlagung mit rotierenden elektrischen Spannungen einen Feldkäfig, in dem in an sich bekannter Weise ein Partikel (z. B. eine biologische Zelle) suspendiert gehalten werden kann.

Die Aufgabe der in Fig. 3 illustrierten Anordnung besteht dar­ in, den Partikel 50 gleichzeitig mit den aus den Kanälen 15 und 16 anströmenden Flüssigkeiten zu behandeln. Die Elektro­ denanordnung 20 wird simultan zur Ausbildung des dielektri­ schen Feldkäfigs und zur Erzeugung der elektrischen Wechsel­ felder zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung verwendet. Da ana­ log zu der Darstellung in Fig. 2 die unteren und oberen Elekt­ roden in Bestrahlungsrichtung nicht deckungsgleich sind, kön­ nen die unteren Elektroden bei den Punkten 40 von außen fokus­ siert bestrahlt und damit erwärmt werden. Die einströmenden Flüssigkeiten werden lokal im Bereich des Feldkäfigs verwir­ belt.

Abweichend von der dargestellten Ausführungsform könnte ein Durchmischen der Flüssigkeit auch mit einer planaren Elektro­ denanordnung erzielt werden, die nur mit Spannungen beauf­ schlagte Elektroden 21-24 am Boden 11 umfasst, während auf der der Bestrahlung zugewandten Seite keine oder freie (floatend) Elektroden vorgesehen sind. Dabei erfolgt die Durchmischung jedoch mit einer geringeren Effektivität.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmalen der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirkli­ chung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (19)

1. Verfahren zur Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbe­ wegung in einem fluidischen Mikrosystem (100), bei dem eine Flüssigkeit im Mikrosystem gleichzeitig einem elektrischen Feld und einem thermischen Gradienten ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Elektrodenanordnung (20) mit einer sich zeitlich verändernden Spannung beauf­ schlagt wird, so dass sich im Flüssigkeitsbereich ein zeitlich veränderliches, elektrisches Feld bildet, und
zur Erzeugung des thermischen Gradienten mindestens ein Strah­ lungsabsorber (30-32), der im Kompartiment (10) angeordnet ist, mit mindestens einem äußeren Strahlungsfeld bestrahlt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das mindestens eine äußere Strahlungsfeld auf den mindestens einen Strahlungsab­ sorber (30) gerichtet wird, der durch eine Absorberfläche (31) an einer Wand des Kompartiments, eine Elektrode (32) der Elektrodenanordnung (20) oder eine strahlungsabsorbierende Oberflächenstruktur (33) auf einer Elektrode der Elektrodenan­ ordnung (20) gebildet wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das mindestens eine äußere Strahlungsfeld durch einen Einzelfokus- oder Mul­ tifokus-Laser gebildet wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Wellenlänge des Lasers in einem Wellenlängenbereich ausgewählt wird, in dem die Flüssigkeit und in der Flüssigkeit suspendierte Partikel keine oder eine im Vergleich zur Absorption des mindestens ei­ nen Strahlungsabsorbers vernachlässigbare Absorption aufwei­ sen.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Strahlungsfeld durch eine transparente Wand des Kom­ partiments oder mit einer Lichtleiterfaser in das Kompartiment eingekoppelt wird.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Ausbildung des thermischen Gradienten mehrere Strah­ lungsabsorber im Kompartiment gleichzeitig oder alternierend bestrahlt werden.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zeitliche Änderung der elektrischen Felder durch Be­ aufschlagung der Elektroden mit einer Wechselspannung erzeugt wird, deren Frequenz mindestens 1 kHz beträgt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Elektroden mit Wechselspannungen beaufschlagt werden, deren Frequenz der mittleren inversen dielektrischen Relaxationszeit der Flüssig­ keit entspricht.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Strahlungsfeld durch elektromagnetische Strahlung gebildet wird, mit der der mindestens eine Strahlungsabsorber induktiv geheizt wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Strahlungs­ feld durch Wärmestrahlung gebildet wird, die durch im Mikro­ system angeordnete Heizelemente erzeugt wird.

11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Vielzahl von Strahlungsabsorbern kaskadenförmig in einem Kanal des Mikrosystems (100) bestrahlt werden.

12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden der Elektrodenanordnung mit Spannungen be­ aufschlagt werden, die gleichzeitig zur Erzeugung der elektri­ schen zeitlich veränderlichen Felder und von Wechselfeldern zur dielektrischen Manipulation von Partikeln eingerichtet sind, die in der Flüssigkeit suspendiert sind.

13. Fluidisches Mikrosystem (100) mit mindestens einem Kompar­ timent (10) zur Aufnahme und/oder Durchströmung einer Flüssig­ keit und einer Elektrodenanordnung (20), die zur Erzeugung zeitlich veränderlicher elektrischer Felder im Kompartiment (10) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Kompartiment mindestens ein fester Strahlungsabsorber (30- 33) angeordnet ist, der mindestens einen strahlungsabsorbie­ renden Bereich mit einer räumlich begrenzten Form bildet.

14. Mikrosystem gemäß Anspruch 13, bei dem der mindestens eine Strahlungsabsorber (30) durch mindestens eine Absorberfläche (31) auf einer Wand des Kompartiments, eine Elektrode (32) der Elektrodenanordnung (20) oder eine strahlungsabsorbierende Oberflächenstruktur (33) auf mindestens einer Elektrode (22) gebildet wird.

15. Mikrosystem gemäß Anspruch 13 oder 14, bei der der strah­ lungsabsorbierende Bereich jeweils durch ein Infrarotstrahlung absorbierendes Material gebildet wird.

16. Mikrosystem gemäß Anspruch 15, bei der der strahlungsab­ sorbierende Bereich jeweils durch Titan, Platin, Tantal und/oder Silizium gebildet wird.

17. Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem mindestens eine Wand des Kompartiments (10) aus einem transpa­ renten Material besteht.

18. Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem mindestens eine Elektrode aus transparentem, elektrisch leit­ fähigem Material besteht.

19. Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem die Elektroden der Elektrodenanordnung (20) im Kompartiment (10) räumlich versetzt angeordnet sind, so dass eine direkte Bestrahlung von Elektroden mit einer äußeren Bestrahlungsquel­ le ermöglicht wird.