DE102004039404B4

DE102004039404B4 - Verfahren zum regelbaren Pumpen einer Flüssigkeit und Mikropumpe für die Mikrofluidik

Info

Publication number: DE102004039404B4
Application number: DE200410039404
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof. Dr. Ehwald
Original assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin
Current assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2024-08-14
Also published as: DE102004039404A1

Abstract

Verfahren zum regelbaren Pumpen einer Flüssigkeit durch eine miniaturisierte Fließstrecke, bei dem ein Volumenfluß der Flüssigkeit erzeugt wird, wobei bei dem Verfahren:
– der Volumenfluß der Flüssigkeit durch einen in die Fließstrecke integrierten feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) hindurch geführt wird,
– der Volumenfluß der Flüssigkeit durch den feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5) in Form von Dampf der Flüssigkeit geführt wird, indem die Flüssigkeit beim Eintritt in den feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) in Dampf und der Dampf beim Verlassen des feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnittes (5; 13) in die Flüssigkeit umgewandelt werden,
– ein Wärmefluß durch den feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) hindurch geführt wird, indem an dem feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) mindestens ein regelbares, wärmerzeugendes oder wärmeverbrauchendes Heiz- oder Kühlelement (1; 3; 9) wirkt, und
– der Volumenfluß der Flüssigkeit mittels des durch den feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) hindurch geführten Wärmefluß angetrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum regelbaren Pumpen einer Flüssigkeit und eine Mikropumpe für die Mikrofluidik.

Gegenwärtig besteht ein Bedarf an miniaturisierten und gleichzeitig regelbaren Antrieben für die konvektive Flüssigkeitsbewegung, die in Mikrostrukturen integriert werden können und im folgenden als Mikropumpe bezeichnet werden.

Elektro-osmotisch getriebenenen Pumpen sowie verdunstungsgetriebenen und osmotisch getriebenen Pumpen ist gemeinsam, daß der Volumenfluß einer Flüssigkeit in bzw. an einer fesstehenden für die Flüssigkeit permeablen Schicht erzeugt wird. Diese Pumpen werden für bestimmte Zwecke in der Mikrofluidik eingesetzt [Bernhard H. Weigl et al., Lab-on-a-chip for druck development, in: Advanced Drug Delivery Reviews 55, 349–377]. Ein Vorteil elektro-osmotischer Pumpen besteht in der guten Regelbarkeit. Sie besitzen jedoch den Nachteil eines geringen Wirkungsgrades und einer starken Abhängigkeit von der Elektrolytkonzentration der geförderten Flüssigkeit. Der Vorteil osmotischer Pumpen besteht in der Unabhängigkeit von einer Stromquelle und einem sehr hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung eines chemischen Potenzialgefälles in Volumenarbeit. Ein Nachteil dieser Pumpen für bestimmte Anwendungen besteht darin, daß die Flüssigkeit auf der Überdruckseite der Pumpe mit einem Osmotikum beladen ist. In verdunstungsgetriebenen Pumpen verdunstet die angesaugte Flüssigkeit in den Poren einer Membran [ EP 1 167 757 B1 ]. Der hierbei auftretende Unterdruck wird auf eine Fließstrecke übertragen. Mit diesen Pumpen kann kein Überdruck erzeugt werden.

Aus dem Dokument EP 0 568 024 A2 ist ein Verfahren zum Fördern einer Flüssigkeit bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird ein Wärmefluß an den Volumenfluß der Flüssigkeit gekoppelt, um den Volumenfluß anzutreiben. Die Membran ist in einer Ausgestaltung durch ein Array von Kapillarkanälen gebildet, wobei sich die Kapillarkanäle in einem Körper befinden, in dem auch ein die Transportflüssigkeit führender Kanal angeordnet ist. Das Array umfaßt 3 bis 100 Kapillarkanäle, vorzugsweise 5 bis 25. Bei der bekannten Pumpe ist auf einer der Transportflüssigkeit gegenüberliegenden Seite der Membran ein Raum mit im wesentlichen konstantem Dampfdruck der Transportflüssigkeit gebildet, so daß eine Verdampfung der Transportflüssigkeit durch die Membran erfolgt. Die Wärmezuführung führt zum Verdampfen einer bestimmten Menge der Flüssigkeit. Auf diese Weise wird ein Volumenfluß der Flüssigkeit erzeugt.

In dem Dokument WO 01/26813 A2 ist eine mikrofluidische Vorrichtung offenbart, bei der mittels Verdampfung einer Flüssigkeit eine Antriebskraft zum Bewegen der Flüssigkeit erzeugt werden kann.

In dem Dokument US 6,422,826 B1 ist eine Pumpe zum Pumpen unterschiedlicher Flüssigkeiten offenbart. Hierbei wird ein Fluid mit einem trocknen Fluid in Kontakt gebracht, so daß sich eine Grenzschicht bildet. In dem Bereich der Grenzschicht wird Energie zugeführt, so daß sich ein Temperaturgradient entlang der Fluidgrenzschicht bildet. Der Temperaturgradient führt zu einer Oberflächenspannung entlang der Grenzschicht. Hierdurch verursacht erfolgt eine Bewegung des Fluids, um den Oberflächenspannungsgradienten auszugleichen.

Die Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum regelbaren Pumpen einer Flüssigkeit und eine Mikropumpe für die Mikrofluidik zu schaffen, insbesondere einen miniaturisierbaren regelbaren Antrieb für kleine Volumenflüsse.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum regelbaren Pumpen einer Flüssigkeit und eine Mikropumpe nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Kopplung eines Wärmeflusses mit einem Flüssigkeitsfluß durch ein feststehendes Medium für die Bereitstellung regelbarer Mikropumpen zu nutzen. Die physikalische Möglichkeit, mit Hilfe eines Wärmeflusses einen Volumenfluß zu erzeugen, ist seit langem in Form der Destillation und in neuerer Zeit in Form der Spaltverdampfung [vgl. US 3,129,145 ] und Membrandestillation [L. Martinez et al., Estimation of vapour transfer coefficient of hydrophobic porous membranes for applications in membrane distillation, in: Separation and Purification Technology 33, 45–55, 2003] bekannt. Sie wurde jedoch bislang für die Stofftrennung und nicht zum Pumpen von Flüssigkeiten in der Mikrofluidik eingesetzt.

Die wesentliche Voraussetzung für die Nutzung eines Wärmeflusses zum Antrieb eines Volumenflusses besteht in der Integration eines feststehenden Fließstreckenabschnittes mit ausreichender Kopplung zwischen dem Wärmefluß und dem Volumenfluß in die Fließstrecke. Der Grad der Kopplung zwischen zwei unterschiedlichen Flüssen wird in der Terminologie der irreversiblen Thermodynamik in allgemeiner Form durch einen sogenannten Kreuzkoeffizienten ausgedrückt. Ein Kreuzkoeffizient beschreibt die Abhängigkeit eines bestimmten Flusses von der Triebkraft des mit ihm gekoppelten Flusses. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist der Kreuzkoeffizient L_WV, der die Kopplung zwischen einem Wärmefluß mit einem Volumenfluß ausdrückt, bedeutsam. Er gibt an, wie groß ein Volumenfluß ist, der durch eine Temperaturdifferenz (die eigentliche Triebkraft des Wärmeflusses) erzeugt wird.

Eine besonders starke Kopplung zwischen dem Volumenfluß einer flüssigen Substanz und dem Wärmefluß ist z. B. von Medien bekannt, welche die Substanz ausschließlich in Form ihres Dampfes aufnehmen können. So nehmen feinporige hochporöse Membranen aus Polypropylen oder Teflon Wasser nur in Form seines Dampfes auf. Hydrophobe poröse und gashaltige Schichten werden u. a. technisch zur Gewinnung von reinem Wasser aus Salzlösungen durch Membrandestillaton genutzt [L. Martinez et al., Estimation of vapour transfer coefficient of hydrophobic porous membranes for applications in membrane distillation, in: Separation and Purification Technology 33, 45–55, 2003]. Hierbei wird mit Hilfe einer Temperaturdifferenz ein gegen das osmotische Gefälle gerichteter Wasserdampf-Fluß durch eine an hydrophoben Oberflächen fixierte Gasphase erzeugt.

Es wird die Membrandestillation des Wassers oder ein vergleichbarer Prozeß, bei dem in einem fesststehenden Fließstreckenabschnitt ein Volumen- und Massefluß mit einem Wärmefluß gekoppelt wird, zur Konstruktion einer Mikropumpe eingesetzt. Der kopplungswirksame aktive Fließstreckenabschnitt ist so zu gestalten, daß ein möglichst großer Teil des Wärmeflusses an den Masse- bzw. Volumenfluß gekoppelt wird. Dies bedeutet, Wärmeflüsse, die in dem Fließstreckenabschnitt ohne die Bewegung des Fluids erzeugt werden können, einzuschränken. Daher ist es vorteilhaft, wenn der aktive Fließstreckenabschnitt ein schlechter Leiter für sensible Wärme darstellt.

Zur Erzeugung des Temperaturgradienten können verschiedene Heiz- oder Kühlelemente für die lokale Wärmeproduktion, z. B. elektrische Widerstände in einem Stromkreis, Absorber für elektrische Felder oder Strahlung, mit einer Heizvorrichtung oder Kühlvorrichtung verbundene Wärmeleiter, Peltier-Elemente oder dergleichen so eingesetzt werden, daß dem Fließstreckenabschnitt auf einer Seite Wärme zugeführt, auf der anderen entnommen wird. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, um einen regelbaren Wärmefluß durch einen miniaturisierten aktiven Fließstreckenabschnitt aufzubauen.

Die Erfindung ist nicht auf die genannten Anordnungen beschränkt. Neben der Membrandestillation sind weitere Möglichkeiten zur Kopplung einer Flüssigkeitsbewegung an einen Wärmefluß durch einen feststehenden Fließstreckenabschnitt gegeben, beispielsweise solche, die sich aus der Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung ergeben. Daher beschränkt sich die Erfindung nicht auf den Prozeß der Membrandestillation. Bei Anwendung der Membrandestillation kann aber ein hoher Kopplungskoeffizient im aktiven Fließstreckenabschnitt erreicht werden kann. Sie kann in zahlreichen möglichen Varianten an den Verwendungszweck angepaßt werden.

Der Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, einer sehr starken Miniaturisierung, der Möglichkeit der Überwindung sehr hoher Druckunterschiede und der Möglichkeit der Steuerung und Regelung sehr kleiner pulsfreier Flüsse. Die erfindungsgemäße Mikropumpe kann, wenn sie das Prinzip der Membrandestillation nutzt, nur eine flüchtige Flüssigkeit, in erster Linie reines Wasser fördern. Mit Hilfe einer nachgeschalteten Dialysestrecke kann sie jedoch auch zur Versorgung eines analytischen Systems mit wäßrigen Lösungen definierter Zusammensetzung eingesetzt werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Mikropumpe im Querschnitt; und

2 eine schematische Darstellung einer anderen Mikropumpe im Längsschnitt.

Beispiel 1
1 zeigt schematisch die Mikropumpe im Querschnitt. Der aktive Fließssteckenabschnitt ist eine Schicht 5 aus porösem Teflon mit einem Gasgehalt von mehr als 60% und einer Porenweite von 0.2 m. Sie besitzt eine Stärke von 0.5 mm. An die Teflonschicht 5 sind zwei metallische Platten 1 und 3 angepreßt oder angeklebt. In der oberen Metallplatte 3, die durch zwei Peltierelemente gekühlt wird, ist die kanalförmige 10 mm lange Ausströmkammer 4 eingearbeitet. In der unteren Metallplatte 1, die durch eines der Peltierelemente, das erste Peltierelement, geheizt wird, ist die kanalförmige Einströmkammer 6 eingearbeitet.
Die Mikropumpe ist von einem gut wärmeisolierenden festen Material 2 umgeben, das sich auch zwischen den Metallplatten 1, 3 befindet. Die Temperatur der Metallplatte 3 wird durch die Kühlverbindung eines zweiten Peltierelementes und einen Thermistor auf einen konstanten Wert geregelt. Der Strom des ersten Peltier-Elementes wird genutzt, um eine Temperaturdifferenz zu erzeugen. Der Strom des zweiten Peltier-Elementes regelt die Temperaturabsolutwerte. Die Temperaturdifferenz erzeugt Wärmeleitung zwischen den Metallplatten 1, 3 und einen mit der Membrandestillation des Wassers verbundenen Wärmefluß durch die Teflonschicht 5. Mit einer Temperaturdifferenz von einem Grad Celsius können ausreichende Druckdifferenzen für nahezu alle mikrofluidischen Anwendungszwecke erzeugt werden.
Wird in die ausströmseitige Fließstrecke ein Strömungskanal und vor diesem ein Drucksensor eingebracht, kann die Fließgeschwindigkeit mit Hilfe einer Regelvorrichtung konstant gehalten oder in anderer Weise geregelt werden. Die Pumpe wird mit reinem Wasser betrieben.
Wenn eine Lösung gepumpt werden soll, kann die ausströmseitige Fließstrecke eine Mikrodialysefaser enthalten, die durch ein Reservoir mit der gewünschten Lösung geführt wird.
Beispiel 2
2 zeigt schematisch die Mikropumpe im Längsschnitt. Der Zufluß des Wassers 7 führt in ein 1 mm starkes 12 mm langes Glasrohr 8, das aus einer kleinen Kühlkammer 9 mit wärmeisolierender Wand herausragt. Das Glasrohr führt über einen Adapter 10 in ein Metallrohr 11, das mit der Abflußkapillare 12 verbunden ist. Durch den Adapter führt ein beidseitig verschlossenes luftgefülltes Hohlfasersegment 13 aus feinporigem, geschwärztem Polypropylen mit einem Innendurchmesser von 300 μm.
Die Temperatur im Inneren der Kühlkammer wird mit Hilfe eines Peltierelementes und eines Thermistors oder durch einen gut wärmeleitenden Metallkontakt auf einen konstanten Wert gehalten und das schwarz gefärbte Hohlfasersegment wird mit Hilfe einer regelbaren Lichtquelle über einen Lichtleiter bestrahlt.
Da der Raum zwischen der gefärbten Hohlfaser und der Glaswand mit Wasser gefüllt ist, wird ein beträchtlicher Teil der zugeführten Energie als Verdampfungsenthalpie mit dem in das gasgefüllte Hohlfasersegment eindringenden Wasserdampf in die Kühlkammer geleitet und in der Metallkapillare als Kondensationswärme wieder freigesetzt.
Der mit dieser Pumpe erreichbare Druck ist durch den Wasserdurchbruchsdruck der hydrophoben Hohlfasermembran begrenzt. Letzterer liegt bei kommerziellen Hohlfasermembranen mit Porenweiten um 0.1 μm im Bereich von 2 bis 3 bar.
Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Verfahren zum regelbaren Pumpen einer Flüssigkeit durch eine miniaturisierte Fließstrecke, bei dem ein Volumenfluß der Flüssigkeit erzeugt wird, wobei bei dem Verfahren: – der Volumenfluß der Flüssigkeit durch einen in die Fließstrecke integrierten feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) hindurch geführt wird, – der Volumenfluß der Flüssigkeit durch den feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5) in Form von Dampf der Flüssigkeit geführt wird, indem die Flüssigkeit beim Eintritt in den feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) in Dampf und der Dampf beim Verlassen des feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnittes (5; 13) in die Flüssigkeit umgewandelt werden, – ein Wärmefluß durch den feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) hindurch geführt wird, indem an dem feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) mindestens ein regelbares, wärmerzeugendes oder wärmeverbrauchendes Heiz- oder Kühlelement (1; 3; 9) wirkt, und – der Volumenfluß der Flüssigkeit mittels des durch den feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) hindurch geführten Wärmefluß angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmefluß mit Hilfe eines elektrischen Kühl- und/oder Heizelementes erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit an einer Seite des feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnittes (5; 13) mit Hilfe eines durch die Flüssigkeit geführten Wechselstromes erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit auf einer Seite des feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnittes (5; 13) mit Hilfe eines stromdurchflossenen Leiters erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mit Hilfe eines Peltierelementes auf einer Seite des feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnittes (5; 13) erwärmt und auf der anderen Seite gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmefluß mittels asymmetrischer konvektiver oder diffusiver Zuführung oder Ableitung von Wärme erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmefluß mittels einseitiger Absorption oder Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen an dem feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmefluß mittels Lichtabsorption hervorgerufen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit nach dem feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) eine Mikrodialysestrecke durchströmt und in der Mikrodialysestrecke in definierter Weise mit gelösten Substanzen beladen wird.
Mikropumpe zum regelbaren Pumpen einer Flüssigkeit, mit: – einer miniaturisierten Fließstrecke, entlang welcher einen Volumenfluß der Flüssigkeit ausbildbar ist, – einem in die Fließstrecke integrierten und auf beiden Seiten an die Flüssigkeit grenzenden, feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13), und – einem die Temperatur des feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnittes (5; 13) asymmetrisch beeinflussenden, wärmeliefernden oder wärmeabsorbierenden Energiewandler (1; 3; 9), mit dem ein Wärmefluß durch den feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) erzeugt werden kann, wobei der feststehende, aktive Fließstreckenabschnitt als eine Destillationseinrichtung gebildet ist, welche die Flüssigkeit in Form von Dampf der Flüssigkeit aufnimmt und durch Kondensation des Dampfes abgibt.
Mikropumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß den feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) umgebende feste Stoffe (2) wärmeisolierend sind.
Mikropumpe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß für Wasser der feststehende, aktive Fließstreckenabschnitt (5; 13) eine in einem Kapillarsystem an hydrophoben Oberflächen fixierte Gasphase aufweist.
Mikropumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende, aktive Fließstreckenabschnitt (5; 13) mindestens eine poröse zusammenhängende Feststoffschicht aus einem hydrophoben Material aufweist und die größten Poren in der porösen zusammenhängenden Feststoffschicht weniger als 5 μm weit sind.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende, aktive Fließstreckenabschnitt (5; 13) ein Hohlfasersegment aufweist.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende, aktive Fließstreckenabschnitt (5; 13) eine dichte Packung oder Pressung kleiner Partikel mit hydrophober Oberfläche und mit einer Partikelgröße von weniger als 10 μm aufweist.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler einen elektrisch leitenden Widerstand aufweist.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler ein Peltierelement aufweist.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler einen Absorber, der die Energie elektromagnetischer Wellen oder elektromagnetischer Wechselfelder in Wärme umwandelt, aufweis.
Mikropumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber einen Stromkreis aufweist.
Mikropumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler eine lichtabsorbierende Schicht aufweist.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die miniaturisierte Fließstrecke eine dem feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) nachgeschaltete Mikrodialysestrecke umfaßt.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die miniaturisierte Fließstrecke nach dem feststehenden, aktiven Fließstreckenabschnitt (5; 13) einen Drucksensor und einen definierten Strömungswiderstand umfaßt.
Verwendungen einer Mikropumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 21 zur Aufrechterhaltung eines regelbaren oder konstanten Volumenflusses in einem analytischen Mikrofluidiksystem oder zum Injizieren oder Dosieren kleiner Mengen einer Flüssigkeit.