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Die
Erfindung betrifft eine Misch- und/oder Fördervorrichtung für eine fließfähige Substanz
oder Flüssigkeit
mit einer Probenkammer, einer mit der Probenkammer kommunizierenden
Kavität,
die zur Aufnahme eines kompressiblen Mediums bestimmten Volumens
eingerichtet ist, und einer an das kompressible Medium ankoppelnden
Schallquelle zur Erzeugung einer Druckschwingung in dem kompressiblen
Medium. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Probenaufbereitungschip
(„lab
an a chip") mit
einer solchen Misch- und/oder Fördervorrichtung.
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Während zum
Mischen makroskopischer Flüssigkeitsmengen
unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen, wie beispielsweise
Magnetrührer, Vortex-Mischer
und dergleichen zum Einsatz kommen, sind diese meist für mikroskopische
Flüssigkeitsmengen
ungeeignet. Insbesondere lassen sich solche Mischprinzipien nicht
in bestehende Probenaufbereitungssysteme integrieren.
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In
der Mikrofluidik kommen daher meist passive Mischverfahren und Vorrichtungen
zum Einsatz. Solche zudem meist kontinuierlich betriebenen Mischverfahren
und Mischer, wie sie in der chemischen Prozess- oder Verfahrenstechnik eingesetzt werden,
sind beispielsweise aus der
EP
1311341 B1 oder der
EP 1390131 B1 bekannt. Diese Verfahren und
Mischer sind meistens ungeeignet für die Vermischung kleiner Flüssigkeitsmengen.
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Ein
neues Verfahren wird in der
US 2003/0175947 A1 sowie in dem Aufsatz „Bubble-induced
acoustic micromixing" von
Robin H. Liu et al., LAB Chip, 2002, 2, 151–157, beschrieben. Darin ist eine
Vorrichtung zum Mischen kleinster Flüssigkeitsmengen (22 μl) vorgestellt,
welche eine Kammer, befüllt
mit den zu mischenden Flüssigkeiten,
und peripher angeordnete und mit der Kammer verbundene Kavitäten aufweist.
Im Bereich der Kavitäten
sind Luftblasen gefangen, welche durch akustische Erregung in resonante
Schwingung versetzt werden und dabei die umgebende Flüssigkeit
ebenfalls in Bewegung versetzen, was zu einer schnelleren Durchmischung
im Vergleich mit der Diffusionsmischung führt. Bei dem entsprechenden
Modell wird von den Autoren angenommen, dass der so erzeugten Mikroströmung die
Reibungskräfte
an der Grenzfläche
zwischen der Flüssigkeit
und der Gasblase zugrunde liegen.
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Die
WO 2006/105616 A1 legt
das gleiche Mischprinzip zu Grunde, wobei eine Luftblase bekannter
Größe hier
nicht in einer Kavität,
sondern an einer ebenen Wand einer flüssigkeitsgefüllten Kammer
gefangen ist. In der
WO
2004/030800 A2 ist ein Mischer beschrieben, in dem zwei
Fluidkanäle, über die
verschiedene Flüssigkeiten
zugeführt
werden, in eine gemeinsame Leitung übergehen. Im Bereich der Kontaktstelle
ist ein elektromagnetischer Schallerreger an das Gehäuse des
Mischers angekoppelt, der eine Ultraschallschwingung in die strömende Flüssigkeit
zu Zweck des Mischens der beiden Flüssigkeiten induziert.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Misch- und
Pumpwirkung zu erzielen.
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Die
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Misch- und/oder Fördervorrichtung
dadurch gelöst,
dass die Oberfläche
der Kavität
eingerichtet ist zumindest teilweise nicht zu benetzen und die Oberfläche der
Kavität
im Mündungsbereich
eingerichtet ist zu benetzen, so dass bei Volumenausdehnung des
kompressiblen Mediums in der Kavität ein gerich teter Fluidstrom
der fließfähigen Substanz
durch die Mündung
aus der Kavität
austritt.
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Mit
Probenkammer oder Kammer ist im Sinne der Erfindung ganz allgemein
ein beliebig geformtes Volumen mit einer oder mehreren Öffnungen,
in dem die fließfähigen Substanz
eingeschlossen ist oder das von der fließfähigen Substanz – auch während des
Mischens – durchströmt wird,
gemeint.
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Der
Begriff Kavität
wird hierin, soweit nicht näher
spezifiziert, allgemein als Hohlraum beliebiger Gestalt verstanden.
Die nachfolgend verwendete Bezeichnung Öffnung beschreibt den Austrittsquerschnitt
der Kavität
in Projektion auf die Körperoberfläche an der
Austrittsstelle.
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Als
Mündung
wird der öffnungsnahe
Endabschnitt oder Austrittskanal der Kavität bezeichnet.
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Wie
zuvor beschrieben werden die in den Kavitäten gefangenen „Blasen" des kompressiblen Mediums
durch akustische Erregung Druckschwankungen ausgesetzt. Die aus
dem Druckabfall resultierende Volumenausdehnung des kompressiblen Mediums
wird erfindungsgemäß aber dazu
genutzt einen gerichteten Fluidstrom der fließfähigen Substanz durch die Mündung aus
der Kavität
zu bilden. Die Kavität
muss daher im Mündungsbereich
so ausgebildet sein, dass ein gerichteter Strahl (oder Jet) aus
dieser austritt, der einen Impulsübertrag auf die in der Kammer
befindliche fließfähige Substanz
sicherstellt. Die Strömungsrichtung
des austretenden Fluidjets kann einerseits durch die Ausrichtung
der Kavität
bzw. deren Mündung,
andererseits durch die Anordnung oder Form der Öffnung oder durch eine Kombination
beider Merkmale eingestellt werden.
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Durch
den nicht benetzbaren Oberflächenteil der
Kavität
ist sichergestellt, dass eine in der Kavität eingeschlossene Luftblase
aufgrund der Oberflächenspannung
der fließfähigen Substanz
dort gefangen bleibt. Durch den benetzbaren Mündungsbereich der Kavität ist sichergestellt,
dass ein Teil der fließfähigen Substanz
oder Flüssigkeit
aufgrund des Kapillareffektes zumindest in den Mündungsbereich eintritt und
dort als Flüssigkeitssäule zur
Bildung des Fluidstroms bereitsteht.
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Vorzugsweise
weist die Kavität
wenigstens eine kanalförmige
Mündung
in die Probenkammer auf.
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In
einer einfachen Gestalt weist die Kavität zumindest im Mündungsbereich
einen beispielsweise rohrförmigen
Abschnitt mit konstantem Querschnitt auf, in komplizierter Ausgestaltung
eine besondere Düsengeometrie,
um beispielsweise die Effizienz des Antriebs zu steigern.
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Die
Erfindung macht sich somit ein anderes Prinzip zu nutze, nämlich jenes,
dass bei hinreichend großer
Reynoldszahl, Re ≥ etwa
50, ein Fluid, welches aus einem Kanal austritt, dies in Form eines
gerichteten Jets verlässt,
während
ein in den Kanal eingesaugtes Fluid aus dem gesamten zur Verfügung stehenden
Raumwinkelbereich gleichermaßen
in den Kanal eintritt. Das Prinzip ist in dem Aufsatz „The ,acoustic
scallop': a bubble-powered
actuator" von Dijkink
et al., Journal of Micromechanics and Microengineering, 16, 2006,
1653–1659,
beschrieben. Dort wird vorgeschlagen, das Prinzip als Antrieb für eine "akustische Windmühle" einzusetzen. Ein
einseitig verschlossenes Teflonröhrchen
wird demnach in einen mit Wasser gefüllten Behälter eingetaucht, wonach in
dessen Kapillare eine Luftblase eingeschlossen wird. Schall wird
mittels eines Piezzoaktors durch das Wasser in die Luftblase eingekoppelt, welche
dadurch zu einer Schwingung angeregt wird. Die alternierende Volumenausdehnung
und Kontraktion saugt abwechselnd Flüssigkeit in das Röhrchen ein
und stößt sie wieder
aus. Durch die geschilderte Asymmetrie zwischen dem gerichteten
Ausstoß und dem
ungerichteten Einsaugen resultiert über eine volle Schwingung ein
Gesamtimpulsübertrag
auf das Röhrchen,
der zu dessen Antrieb in Richtung seiner Längsachse genutzt wird.
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Anders
als in dem Aufsatz wird vorliegend das Prinzip nicht zum Antrieb
sondern dazu genutzt, einen Nettoimpulseintrag in die stehende oder
fließende
Flüssigkeit
einzubringen und dadurch im Zusammenwirken mit der Geometrie der
Probenkammer und der Anordnung der Kavitäten eine erhöhte Verwirbelung
und damit eine verbesserte Mischung der Flüssigkeiten einerseits und/oder
einen (verbesserten) Transport der Flüssigkeiten in eine bestimmte Richtung
zu erzielen.
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Eine
lokale Benetzbarkeit bzw. Nicht-Benetzbarkeit der Oberflächen kann
durch Oberflächenmodifikation
erzielt werden.
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Beim
Einsatz für
einer wässrigen
Lösung
ist die Misch- und/oder Fördervorrichtung
demgemäß entweder
aus einem hydrophoben Material gebildet und im Bereich der Mündung und
soweit erforderlich in übrigen
Oberflächenbereichen
außerhalb
der Kavität
hydrophilisiert oder sie ist aus einem hydrophilen Material gebildet
und im Bereich der Kavität(en)
gegebenenfalls außer
der Mündung(en)
hydrophobisiert.
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Das
Hydrophilisieren bzw. Hydrophobisieren kann in bekannter Weise durch
ein Tauchverfahren, wie in der
DE 100 13 311 C2 beschrieben, oder durch eine
Beschichtung erfolgen. Polycarbonat kann beispielsweise als schwach
hydrophobes Material durch eine O2-Plasmabehandlung an der Oberfläche hydrophilisiert
werden.
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Ein
alternativer Aufbau sieht vor, dass die Kavität aus einem Rohr- oder Schlauchabschnitt oder
-einsatz gebildet wird, beispielsweise aus Po lycarbonat oder aus
Polytetrafluorethylen, der nicht benetzbar (hydrophob) ist.
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Beim
Einsatz der Misch- und/oder Fördervorrichtung
für unpolare
organische Flüssigkeiten
können
entsprechend lipophile Oberflächen
im Bereich der Mündung
und soweit erforderlich in übrigen
Oberflächenbereichen
sowie lipophobe Oberflächen
im Bereich der Kavität(en)
gegebenenfalls außer
der Mündung(en)
zum Einsatz kommen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Misch- und/oder Fördervorrichtung
ein mit der Probenkammer in Verbindung stehendes Druckerhöhungsmittel
auf, das eingerichtet ist, die fließfähige Substanz oder Flüssigkeit
mit einem Druck zu beaufschlagen, so dass unter Kompres sion des
kompressiblen Mediums ein Teil der fließfähigen Substanz in den Mündungsbereich
der Kavität
eindringt.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu dem benetzungsfähigen
Mündungsbereich
wird auch auf diese Weise sichergestellt, dass genügend fließfähige Substanz
als Flüssigkeitssäule zur
Bildung des Fluidstroms im Mündungsbereich
der Kavität
bereitsteht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Misch- und/oder Fördervorrichtung
wenigstens eine Kavität
mit jeweils einer Mündung
in der Probenkammer auf, die relativ zur Probenkammer angeordnet
und eingerichtet sind, mittels der bei Volumenausdehnung des kompressiblen
Mediums in der Kavität
durch die Mündung
aus der Kavität
austretenden gerichteten Fluidströme einen Netto-Drehimpuls in die
fließfähige Substanz
innerhalb der Probenkammer einzubringen.
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Auf
diese Weise wird die gesamte in der Probenkammer befindliche Flüssigkeit
in Bewegung gesetzt. Dies sorgt für eine insgesamt stärkere Verwirbelung
in der gesamten Probenkammer. Die Gefahr dass in „toten
Ecken" keine ausreichende
Durchmischung stattfindet wird verringert.
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In
einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist die Misch- und/oder Fördervorrichtung
wenigstens eine Kavität
mit einer Mündung
in die Probenkammer auf, die relativ zur Probenkammer angeordnet
und eingerichtet sind, mittels der bei Volumenausdehnung des kompressiblen
Mediums in der Kavität
durch die Mündung
aus der Kavität
austretenden, gerichteten Fluidströme einen Netto-Linearimpuls
in die fließfähige Substanz
innerhalb der Probenkammer einzubringen.
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Auf
diese Weise wird ein Pumpeffekt erzielt, der das Fluid in der Probenkammer
in einer Richtung, beispielsweise von einer Einlassöffnung in
Richtung einer Auslassöffnung,
befördert.
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Die
Kavität
ist im einfachsten und daher kostengünstigsten Fall in Form einer
Todbohrung oder eines einseitig verschlossenen Kanals in eine Wand der
Probenkammer eingebracht.
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Bevorzugt
ist die Schallquelle unmittelbar an eine Probenkammerwand angekoppelt.
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Ist
die Schallquelle in einem Bereich der Probenkammerwand mit der Misch-
und/oder Fördervorrichtung
verbunden, der bei Betrieb gegenüberliegend
in Kontakt mit der fließfähigen Substanz
steht, so wird die Druckschwingung unmittelbar über die fließfähige Substanz
ausgekoppelt und an das kompressible Medium weitergeleitet. Auf
diese Weise werden Verluste durch größere Impedanzunterschiede bei
der Schallübertragung
beispielsweise durch ein auf der Innenseite der Behälterwand
angrenzendes Luft-/Gaspolster vermieden.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kavität in Form
eines Verbindungskanals ausgebildet, der einerseits über die
Mündung
mit der Probenkammer und andererseits mit einer mit einem Koppelmedium
befüllten
Druckkammer verbunden ist, an die die Schallquelle angekoppelt ist.
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Die
Druckschwingung wird somit nicht über die zu mischende Substanz
sondern gewissermaßen von
der gegenüberliegenden
Seite über
das in der Druckkammer befindliche Koppelmedium in das kompressible
Medium einkoppelt. Über
ein entsprechendes Kanalsystem für
das Koppelmedium können
von einer zentralen Druckkammer aus mehrere/alle Kavitäten versorgt
werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass durch eine Ven tilsteuerung
die Kavitäten einzeln
oder Gruppenweise in gewünschter
Anordnung angesteuert werden können.
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Das
kompressible Medium ist bevorzugt Gas, besonders bevorzugt Luft.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen
mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch die erfindungsgemäße Mischvorrichtung in einem
Probenaufbereitungschip gemäß einer
ersten Ausführungsform von
der Seite betrachtet;
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2 die
erfindungsgemäße Mischvorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
im Schnitt von oben;
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3 einen
Querschnitt durch die erfindungsgemäße Fördervorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform;
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4 einen
Probenaufbereitungschip mit zwei hintereinander geschalteten Mischvorrichtungen
und externer Druckkammer im Schnitt von oben;
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5 einen
Querschnitt durch die erfindungsgemäße Mischvorrichtung in einem
Probenaufbereitungschip gemäß einer
weiteren Ausführungsform
von oben und.
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6 einen
Querschnitt durch den düsenförmigen Mündungsbereich
einer Kavität.
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In 1 ist
die einfachste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung gezeigt.
Eine Probenkammer 100 ist in Form eines Kanals mit konstantem
Querschnitt oder einer sich quer zur Schnittebene aufweitenden Probenkammer
in einen Probenaufbereitungschip 110 eingebracht. Ein Flüssigkeitstropfen 112 der
zu mischenden Substanz (nachfolgend auch „Flüssigkeitsplug" genannt), zu erkennen
an den Grenzflächen 113 und 114 zu
der diesen umgebenden Luft/Gas, wird beispielsweise durch eine Pumpe
(nicht dargestellt) durch die Probenkammer 100 hindurchgefördert.
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Quer
zu der Probenkammer 100 befindet sich eine in diesem Fall
von unten in die Probenkammer 100, mündende Kavität 116,
die in Form eines kleinen, nicht entlüfteten Kanals bzw. einer Todbohrung
ausgebildet ist. Erreicht der Flüssigkeitstropfen 112 den
Bereich um die Kavität 116,
wie in 1 dargestellt, wird in der Kavität 116 darin
eine Luft- oder Gasblase 118 als
kompressibles Medium eingeschlossen.
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Entscheidend
für das
erfindungsgemäße Wirkprinzip
ist, dass die zu mischende Flüssigkeit
dabei zumindest teilweise in den Mündungsbereich der Kavität 116 eindringt
und dort eine Flüssigkeitssäule bereitstellt,
angedeutet durch die Grenzfläche 120 zwischen
der Luftblase 118 und dem Flüssigkeitsplug 112.
Für das
Ausbilden dieser Flüssigkeitssäule können zwei
verschiedene Mechanismen wahlweise oder gleichzeitig eingesetzt
werden. Zum einen kann dafür
gesorgt werden, dass die Kavität 116 in
ihrem Mündungsbereich
benetzt. Dies kann durch eine entsprechende Wahl des Materials der
Kavität
im Mündungsbereich,
d. h. gegebenenfalls durch eine Oberflächenmodifikation erzielt werden,
wenn die Kavität beispielsweise
aus einem ansonsten nicht benetzbaren Material gebildet ist. Alternativ
oder zusätzlich kann
der Flüssigkeitsplug 112 durch
die an die Probenkammer 100 angeschlossene Pumpe mit Druck beaufschlagt
werden, wodurch die in der Kavität 116 eingeschlossene
Luftblase 118 komprimiert wird. Dabei muss durch eine geeignete
Maßnahme
dafür Sorge
getragen werden, dass der Flüssigkeitsplug 112 bei
erreichen des Solldruckes sich genau über der Kavität 116 befindet.
Dies kann dadurch geschehen, dass der Flüssigkeitsplug 112 beidseitig
mit Druck beaufschlagt wird.
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Auf
der Oberseite des Probenaufbereitungschips 110 ist eine
Schallquelle in Form eines Piezoaktors 122 montiert. Der
Piezoaktor 122 ist an eine Wechselspannungsquelle 124 angeschlossen,
die ihn zu einer Schwingung anregt. Beim Einsatz eines Piezoaktors
ist darauf zu achten, dass dieser vorgespannt ist. Bei dem Probenaufbereitungschip
gemäß 1 kann
er zu diesem Zweck auf eine geeignete Wand 111 über der
Probenkammer 100, welche in der Praxis auf der Oberseite
durch eine Deckelfolie gebildet wird, aufgedrückt werden. Die Schwingung wird über die
Wand 111 des Probenaufbereitungschips 110 gegenüber der
Kavität 116 in
den Flüssigkeitsplug 112 eingekoppelt
und von diesem weitergeleitet. Dadurch, dass die Ankopplung in einem
Bereich stattfindet, der unmittelbar mit dem Flüssigkeitplug 112 in
Berührung
steht, wird der Schall unmittelbar in die fließfähige Substanz eingekoppelt
und es treten keine größeren Verluste
durch Impedanzunterschiede, beispielsweise durch eine dazwischen
liegende Luftschicht auf. Durch Einstellung einer entsprechenden
Frequenz kann der eingekoppelte Schall auf die Resonanzfrequenz
der in der Kavität 116 eingeschlossenen
Luftblase 118 angepasst werden. Dies sorgt für eine Amplitudenerhöhung der Schwingung
in der Kavität
und somit zu einer effizienten Ausnutzung des eingekoppelten Schalls.
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Durch
Schwingung der Luftblase 118 wird die in dem Mündungsbereich
der Kavität 116 stehende Flüssigkeitssäule eingesogen
bzw. ausgestoßen. Das
Ausstoßen
der Flüssigkeitssäule erfolgt,
wie durch den Pfeil 126 gekennzeichnet, gerichtet, während das
Einsaugen der Flüssigkeit
aus der Probenkammer 100 aus sämtlichen zur Verfügung stehenden
Richtungen mit nahezu gleicher Geschwindigkeit erfolgt. Hieraus
resultiert, über
eine volle Schwingung betrachtet, ein Nettoimpulseintrag in den
Flüssigkeitsplug 112 in
Richtung des Pfeils. Die Flüssigkeit
in dem Plug 112 wird dadurch verwirbelt und die Vermischung
beschleunigt.
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Der
Querschnitt der Kavität 116 ist
typischerweise kleiner als der des Kanals bzw. der Probenkammer 100,
damit die Flüssigkeitsmenge,
welche eingesogen und ausgestoßen
wird, nicht bereits einen Großteil
der Flüssigkeitsmenge
des gesamten Plugs 112 umfasst. Während der Kanalquerschnitt oder
die Höhe
der Probenkammer 100 typischerweise mehrere Zehntel Millimeter
bis wenige Zentimeter beträgt,
ist der Durchmesser der Kavität 116 nur mehrere
Mikrometer bis wenige Millimeter, bevorzugt wenige Zehntel Millimeter
groß.
Die Länge
der Kavität 116 kann
0,5 mm bis 50 mm betragen, was sicherstellt, dass eine ausreichend
große
Luftmenge in der Kavität 116 zur
Kompression bereitsteht.
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In 2 ist
eine Probenkammer 200 in einem Probenaufbereitungschip 210 von
oben dargestellt. Die Probenkammer 200 ist in der lateralen
Erstreckungsrichtung bauchig und von etwa kreisförmigem Querschnitt. Die Kammer
kann in vertikaler Richtung senkrecht zu der Darstellungsebene eine konstante
Höhe, eine
Aufweitung oder eine Einschnürung
aufweisen.
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Die
Probenkammer 200 ist eingangsseitig mit einer Zuführung 202 für die zu
mischende fließfähige Substanz
und ausgangsseitig mit einer Abführung 204 verbunden.
In der Probenkammer 200 befindet sich ein Flüssigkeitstropfen
oder -plug 212, zu erkennen an den Grenzflächen 213, 214.
Um die Probenkammer 200 herum sind vier Kavitäten 216 angeordnet,
welche tangential in diese münden.
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Wird
mittels einer Schallquelle (nicht dargestellt) Schall in die Flüssigkeit
eingekoppelt, so werden in den Kavitäten 216 eingeschlossene
Luftblasen, wie im Zusammenhang mit dem Beispiel aus 1 be schrieben,
in Schwingung versetzt. Hierdurch resultiert aus jeder Kavität 216 ein
tangentialer Netto-Impulseintrag in die in der Kammer 200 befindliche
Flüssigkeit.
Die Impulse addieren sich aufgrund der Anordnung der vier Kavitäten 216 dergestalt, dass
die Flüssigkeit
in dem Plug 212 in Drehung versetzt wird. Diese Anordnung
ist zur Durchmischung größerer Flüssigkeitsmengen
vorteilhaft.
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Ein
gleichmäßiger Impulseintrag
aus allen vier Kavitäten 216 ist
nur dann sichergestellt, wenn die darin eingeschlossenen Luftblasen
dieselben Abmessungen aufweisen, da nur dann alle vier gleichermaßen durch
dieselbe Frequenz in resonante Schwingung versetzt werden. Man kann
sich Resonanzunterschiede aber auch bewusst zunutze machen. Beispielsweise
können
zwei der vier Kavitäten in
gegenläufig
tangentialer Richtung in die Probenkammer münden. Haben die jeweils gleichgerichteten
Kavitäten
gleiche Abmessungen aber die gegenläufigen Kavitäten unterschiedliche,
sind auch deren Resonanzfrequenz verschieden. So kann durch Abstimmung
der eingekoppelten Schallfrequenz abwechselnd eine Drehung in der
einen Richtung und danach in die andere Richtung angeregt werden.
Dieser Wechsel wird für
ein chaotisches Strömungsmuster
und damit eine noch bessere Durchmischung der Flüssigkeit sorgen.
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In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Fördervorrichtung
im Querschnitt dargestellt, welche wiederum eine Probenkammer 300 in
Form eines Kanals in einem Probenaufbereitungschip 310 umfasst.
Ferner weist die Fördervorrichtung
mehrere Kavitäten 316 auf,
welche unter spitzem Winkel zu der Längsachse der Probenkammer 300 in
selbigen münden.
In der Probenkammer 300 befindet sich eine Flüssigkeit,
die in der zuvor beschriebenen Weise in die Mündungen der Kavitäten 316 eindringt
und darin jeweils eine Luftblase einschließt. Wird diese durch eine Schallquelle
in Druckschwingung ver setzt, dann wird in der zuvor beschriebenen
Weise die Flüssigkeitssäule aus
dem Mündungsbereich jeder
Kavität
(synchron) herausgefördert.
Die Impulseinträge
in die in dem Kanal befindliche Flüssigkeit addieren sich zu einem
Netto-Linearimpuls
in Richtung der Kanalachse, gekennzeichnet durch den Pfeil 326.
Auf diese Weise wird eine Mikro-Pumpvorrichtung geschaffen.
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In 4 ist
ein Ausschnitt eines Probenaufbereitungschips 410 mit zwei
Probenkammern 400, 401 gezeigt, in welche jeweils
zwei Zuführungen 402, 403 bzw. 404, 405 münden. Die
Probenkammern sind unmittelbar hintereinander geschaltet, so dass die
Abführung 406 der
ersten Probenkammer 400 unmittelbar in eine der Zuführungen 404 der
zweiten Probenkammer 401 mündet. Während also in der Probenkammer 400 die
durch die Zuführung 402 und 403 eingeleiteten
Substanzen A und B zu einer Mischsubstanz A + B gemischt werden,
wird in der zweiten Probenkammer 401 die Mischsubstanz
A + B mit einer weiteren Substanz C zu der Mischsubstanz A + B +
C vermischt.
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Das
Mischen erfolgt aufgrund des zuvor beschriebenen Prinzips. in beide
Probenkammern mündet
jeweils eine Kavität 416 bzw. 417.
Befindet sich der Flüssigkeitsplug
aus den beiden zunächst
unvermischten Substanzen A und B in der ersten Probenkammer 400,
so ist in der Kavität 416 eine
Luft- oder Gasblase 418 eingeschlossen. Im Gegensatz zu
den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
handelt es sich jedoch bei der Kavität 416 nicht um eine
einseitig verschlossene Todbohrung, sondern um eine Verbindungsleitung,
die rückseitig
mit einer Druckkammer 430 verbunden ist, welche mit einem
Koppelmedium befällt
ist. Die Luftblase 418 ist zwischen der zu mischenden Substanz
einerseits und dem Koppelmedium andererseits eingeschlossen. Ein Schallfeld
wird in der zuvor beschriebenen Weise bevorzugt durch Ankopplung
einer Schallquelle im Bereich der Druckkammer 430 in das
Koppelmedium eingekoppelt. Dieses gibt die Schwingung an die Luft- oder Gasblase ab,
die aufgrund Ihrer Kompressibilität pulsiert und die Strömung der
fließfähigen Substanz
in der Mündung
der Kavität
verursacht.
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Sind
die beiden Substanzen A und B ausreichend vermischt, wird der Flüssigkeitsplug
der Mischsubstanz A + B in Richtung der zweiten Probenkammer 401 transportiert,
dort mit der Substanz C zusammengeführt.
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Die
Druckkammer ist durch ein verzweigtes Leitungssystem sowohl mit
der in die erste Probenkammer 400 mündenden Kavität 416 als
auch mit der in die zweite Probenkammer 401 mündenden
Kavität 417 verbindbar.
Deshalb benötigt
man zur Mischung in beiden Probenkammern 400, 401 nur
eine Schallquelle, die mit der gemeinsamen Druckkammer 430 verbunden
ist.
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Ein
in die Leitung des Koppelmediums eingeschaltetes Ventil 432 wird
nach dem Mischvorgang in der ersten Probenkammer 400 umgeschaltet,
so dass anschließend
ausschließlich
die in die zweite Probenkammer 401 mündende Kavität 417 mit
der Druckkammer 430 verbunden ist. Nunmehr kann eine in
die Kavität 417 eingeschlossene
Luftblase (nicht dargestellt) über
das Koppelmedium in Schwingung versetzt und die Substanzen A, B
und C vermischt werden.
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Die
Zu- und Abführung
der Substanzen A, B und C erfolgt durch ein geeignetes, hier nicht
näher dargestelltes
Ventilsystem, damit sichergestellt ist, dass die Substanzen den
richtigen Weg nehmen und während
des Mischens in den jeweiligen Mischkammern verbleiben.
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In 5 ist
noch mal eine einfache Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung in
einem Probenaufbereitungschip 510 gezeigt. Eine Probenkammer 500 ist
in Form eines in der lateralen Erstreckungsrichtung bauchigen Volumens
gebildet. Die Kammer 500 kann in vertikaler Richtung senkrecht
zu der Darstellungsebene eine konstante Höhe, eine Aufweitung oder eine
Einschnürung
aufweisen.
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Die
Probenkammer 500 ist eingangsseitig mit einer Zuführung 502 für die zu
mischende fließfähige Substanz
und ausgangsseitig mit einer Abführung 504 verbunden.
Im Unterschied zu der Probenkammer gemäß 2 weisen
die Zuführung
und die Abführung
jeweils Engstellen oder Einschnürungen 506 bzw. 508 auf.
In der Probenkammer 500 befindet sich ein Flüssigkeitstropfen
oder -plug 512, zu erkennen an den Grenzflächen 513, 514.
Das Volumen des Flüssigkeitstropfens 512 ist
so auf das Volumen der Kammer abgestimmt, dass die Grenzflächen 513, 514 im
Bereich der Engstellen 506, 508 zu liegen kommen.
Dies hat zwei Vorteile: Der Flüssigkeitstropfen 512 kann
leichter in der Probenkammer gehalten werden und der eingekoppelte
Schall kann aufgrund der kleinen an die Umgebung angrenzenden Flächen 513, 514 effizienter
genutzt werden – es
wird weniger Schallenergie ausgekoppelt. Leichter gehalten bzw. positioniert
wird der Flüssigkeitstropfens 512 dadurch,
dass die Oberfläche
der Kammer 500 und der Zu- und Abführung 502, 504 vorzugsweise
benetzbar ausgestaltet sind. Die fließfähige Substanz dringt dadurch
in die Engstellen ein und stoppt an deren Übergang zu dem in Strömungsrichtung
anschließenden weiteren
Abschnitt der Abführung 504.
Um die Flüssigkeit
aus der Kammer 500 weiterzubewegen, muss Energie aufgewendet
werden, da eine Oberflächenvergrößerung erfolgt.
Die Flüssigkeit
wird daher sicher in der Kammer gehalten, solange keine ausreichende
Energie zum Weitertransport aufgebracht wird.
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Die
Kavität 516 befindet
sich in diesem Fall zentral und quer zur durch die Zuführung und
die Abführung
gebildeten Achse. Sie ist, wie im Beispiel der 1 in
Form eines kleinen, nicht entlüfteten
Kanals bzw. einer Todbohrung ausgebildet. Das Funktionsprinzip ist
dasselbe.
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Die
gezeigten Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung
sind insbesondere für
den kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen
Betrieb geeignet. Unter quasi-kontinuierlich ist in diesem Zusammenhang
eine sequentiell arbeitende Mischvorrichtung zu verstehen, in der
einzelne Volumina der Flüssigkeit
nacheinander durch die Probenkammer geführt und gemischt werden.
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Die
Probenkammer ist – unabhängig von
der sonstigen Gestalt – bevorzugt
ohne scharfe Ecken oder Kanten und mit einer möglichst strömungsgünstigen Form ausgebildet, damit
an Stellen geringer Strömung
bzw. in den Ecken und Kanten keine Flüssigkeitsreste zurückbleiben
und die Kammer möglichst
vollständig
befüllt
und entleert werden kann.
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Dies
betrifft vorzugsweise auch die Kavität 616 der erfindungsgemäßen Misch-
und/oder Fördervorrichtung,
welche eine Mündung 634 in
Form einer Düse
mit einem sich in Richtung der Öffnung 636 strömungsgünstig verjüngenden
Mündungsquerschnitt
und einer scharfen Abrisskante in der Öffnungsebene aufweist, wie
in 6 schematisch dargestellt ist.