DE102020214957A1

DE102020214957A1 - Anordnung und System zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen

Info

Publication number: DE102020214957A1
Application number: DE102020214957.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Class; Philipp Marthaler
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2022-06-02
Also published as: WO2022112474A1; DE112021006175A5

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen (118), die sich in einer Flüssigkeit (120) befinden, umfassend ein Substrat (122) mit steuerbaren Mitteln (124) zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen für eine Vielzahl von sich auf einer Oberfläche (126) des Substrats (122) befindlichen Elektrodentripeln (128), wobei die Vielzahl der Elektrodentripel (128) derart angeordnet ist, dass die Elektrodentripel (128) bei Anlegen einer elektrischen Spannung zumindest zwei voneinander unabhängige bewegliche elektrische Feldkomponenten (142) erzeugen, die jeweils eine Kraft (144) auf die elektrisch geladenen Teilchen (118) bewirken, wodurch die Flüssigkeit (120) in zumindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen (146) auf dem Substrat (122) bewegbar ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein System (110) umfassend mindestens eine Anordnung (112), ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung (112), ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung (112) oder des Systems (110), und ein Computerprogram.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen, ein System umfassend mindestens eine Anordnung, sowie Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb der Anordnung oder des Systems. Die Vorrichtungen und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können insbesondere auf dem Gebiet der Mikrofluidik eingesetzt werden. So können die Vorrichtungen und Verfahren zur Miniaturisierung eines Analyselabors, beispielsweise für die Analyse von Flüssigkeiten oder darin enthaltenen Komponenten, eingesetzt werden. Andere Anwendungen sind denkbar.
Stand der Technik
Für die Bereitstellung eines Labors im Mikromaßstab, das insbesondere ohne bewegte Teile, beispielweise rein elektrisch funktioniert, stehen im Allgemeinen verschiedene Technologien zur Verfügung. So können zum Transport von Flüssigkeiten einerseits elektrische Volumeneffekte und/oder Oberflächeneffekte ausgenutzt werden. Beispielsweise kann hierfür eine so genannte „Elektrobenetzung“ eingesetzt werden, welche insbesondere im Rahmen der digitalen Mikrofluidik Anwendung findet. Weiterhin bieten Antriebe, welche auf den Phänomenen von Elektroosmose und Elektrophorese, die zur Klasse der elektrokinetischen Effekte gehören, beruhen, eine weitere Möglichkeit zur Bereitstellung eines Labors im Mikromaßstab.
Als „Elektroosmose“ wird die Bewegung einer Flüssigkeit unter dem Einfluss eines extern induzierten elektrischen Feldes bezeichnet. An der Oberfläche (Wand) eines Substrats sind in der Regel elektrische Ladungen vorhanden. Kommt die Oberfläche in Kontakt mit einer Flüssigkeit, die frei bewegliche elektrische Ladungen beinhaltet, bildet sich eine so genannte „elektrische Doppelschicht“ aus. Die Ladung an der Oberfläche des Substrats zieht Ladungsträger der Flüssigkeit, die entgegensetzt zur Ladung der Oberfläche geladen sind, an. Die Elektroneutralität der Flüssigkeit ist in der elektrischen Doppelschicht durch den Ladungsüberschuss dann nicht mehr gegeben. Durch das extern induzierte elektrische Feld wandern die überschüssigen Ladungsträger in der elektrischen Doppelschicht in eine Vorzugsrichtung. Aufgrund von viskosen Wechselwirkungen wird dadurch eine Bewegung der umgebenden Flüssigkeit verursacht. Die Geschwindigkeit der Bewegung ist proportional zum Betrag des induzierten elektrischen Felds. Der Proportionalitätsfaktor wird elektroosmotische Mobilität genannt.
Unter „Elektrophorese“ wird eine gerichtete Bewegung von zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen in einer Flüssigkeit oder eines Gels unter Einwirkung eines angelegten elektrischen Feldes verstanden. Die Geschwindigkeit der Teilchen ist proportional zum Betrag des angelegten elektrischen Felds. Der Proportionalitätsfaktor wird „elektrophoretische Mobilität“ genannt. Die Mobilitäten sind in der Regel spezifisch und von der umgebenden Flüssigkeit abhängig.
Im Allgemeinen weisen Anwendungen, die auf bekannten Antrieben mittels Elektroosmose oder Elektrophorese beruhen, üblicherweise festverdrahtete Kanäle auf, an denen im Vergleich zur Zersetzungsspannung der Flüssigkeit hohe Spannungen anliegen, um eine Bewegung der Flüssigkeit zu induzieren.
In WO 2007/090531 A1 wird eine spezielle Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmungen bzw. Teilchenströmen aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen in einer Flüssigkeit beschrieben, welche ohne festverdrahtete Kanäle Strömungen erzeugt. Die Anordnung umfasst ein Substrat und steuerbare Mittel zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen für eine Vielzahl von Elektrodenpaaren auf der Oberfläche des Substrats, die ein elektrisches Feld erzeugen, das innerhalb der elektrischen Doppelschicht eine Kraft auf den an die Oberfläche des Substrats angrenzenden Teil der Flüssigkeit ausübt und sowohl innerhalb als auch außerhalb der elektrischen Doppelschicht eine Kraft auf die Teilchen ausübt, wobei die Oberfläche des Substrats in Form einer Matrix in Bereiche untergliedert ist, die sich in Betrag oder Vorzeichen ihrer Oberflächenladung oder in ihrer Höhe über dem Substrat unterscheiden. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb einer derartigen Anordnung sowie ihre Verwendung als programmierbare mikrofluidische Analyse- oder Syntheseeinheit oder zur lokalen Kühlung eines angrenzenden mikroelektronischen Bauteils oder Prozessors beschrieben.
Eine solche Anordnung ist im Allgemeinen zwar frei programmierbar und kann somit ein komplettes Labor im Mikromaßstab darstellen, findet aber noch keine Umsetzung, da die elektrische Doppelschicht eine Abschirmwirkung aufweisen kann, wodurch sich der elektrokinetische Effekt auf die Flüssigkeit stark reduziert. Daher sind solche Antriebe im Allgemeinen ineffektiv, da üblicherweise nur geringe Strömungsgeschwindigkeiten erzielt werden können. Weiterhin benötigt eine Aufprägung von elektrischen Oberflächenladungen in einer solchen Anordnung elektrische Steuermittel, welche zusätzlichen Platz in Anspruch nehmen und daher die Miniaturisierung eines Labors im Mikromaßstab begrenzen.
Eine weitere Möglichkeit zur Bereitstellung eines Labors im Mikromaßstab kann die AC-Elektroosmose darstellen, mittels welcher Strömungen von Flüssigkeiten erzeugt werden können. Im Allgemeinen wird die AC-Elektroosmose mit Paaren von Elektroden und speziellen Geometrien realisiert. Häufig treten dabei jedoch Wirbel und weitere 2- oder 3-dimensionale Strukturen in der Strömung auf, die grundsätzlich nicht erwünscht sind. In einer Variante kann in einer symmetrischen Geometrie mit vier Elektroden eine sogenannte „Wanderwellen-Elektroosmose“ umgesetzt werden.
A. Ramos, H. Morgan, N.G. Green und A. Castellanos beschreiben in „AC Electric-Field-Induced Fluid Flow in Microelectrodes“, J. Colloid and Surface Sciences 1999, Band 217, S. 420-422, die Anregung von Partikeln in einer Suspension mittels Wechselstrom-Elektrokinetik auf einer Mikroelektrodenstruktur, wobei eine starke Frequenzabhängigkeit beobachtet wurde.
A. Ramos, H. Morgan, N.G. Green, A. Gonzales und A. Castellanos beschreiben in „Pumping of liquids with travelling-wave electroosmosis“, Journal of Applied Physics 2005, Band 97, S. 084906-1 bis 084906-8, eine Anordnung von Mikroelektroden, die durch Anlegen eines wandernden elektrischen Potentials einen Nettofluss eines Elektrolyten induzieren.
In „Microfluidic mixing on application of traveling wave electroosmosis“, European Journal of Mechanics B/Fluids 2014, Band 48, S. 153 bis 164 beschreiben K. Huang, Z. Hong und J. Changa eine Mischtechnik unter Verwendung einer Vier-Phasen-Wanderwellen-Elektrodenanordnung. Wanderwellen-Elektrodenanordnungen, die Wechselstromsignalen ausgesetzt sind, sind auf beiden Seiten von Mikrokanalwänden angeordnet, wodurch ein chaotischer Mischmechanismus für einen kurzen Mikrokanal und eine angelegte Wechselspannung mit niedriger Amplitude geschaffen wird.
A. Shamloo, M. Mirzakhanloo und M. R. Dabirzadeh beschreiben in „Numerical Simulation for efficient mixing of Newtonian and non-Newtonian fluids in an electro-osmotic micro-mixer“, Chemical Engineering and Processing 2016, Band 107, S. 11 bis 20, eine zweiphasige Elektrodenanordnung, an welche Wechselstromsignale angelegt werden und die sich in bestimmten Teilen der Geometrie befindet. Dies trägt wesentlich zu einem chaotischen Mischmechanismus bei, der auf einer Wechselspannung mit niedriger Amplitude innerhalb eines Mikrokanals beruht.
US 7,708,873 B2 offenbart Vorrichtungen und Geräte zum effizienten Pumpen und/oder Mischen von relativ kleinen Mengen an Flüssigkeit. Die beschriebenen Vorrichtungen nutzen die nichtlineare Elektrokinetik als primären Mechanismus für den Antrieb des Flüssigkeitsstroms. Weiterhin werden Verfahren der Zellanalyse und des Hochdurchsatzes, sowie Verfahren für multiple Produktbildung unter Verwendung von entsprechenden Vorrichtungen beschrieben.
In J.H. Noh, J. Noh, E. Kreit, J. Heikenfeld und P.D. Rack, „Toward active-matrix lab-ona-chip: programmable electrofluidic control enabled by arrayed oxide thin transistors“, Lab Chip, 2012, 12, 353, wird eine elektrofluidische Vorrichtung vorgestellt, die aus einer Aktiv-Matrixanordnung von Dünnfilm-Transistoren (Thin-Film-Transistors, TFT) besteht. Darauf werden in Öl eingebettete wässrige Proben durch Elektrobenetzung bewegt. Die vorgestellte Aktiv-Matrix-Bauweise ermöglichte die Reduktion der Leitungen von m x n auf m + n, wobei m und n die jeweilige Anzahl der TFT-Elemente in eine Richtung bezeichnen, da so einzelnen Reihen nacheinander mit einem Anregungssignal beaufschlagt werden können.
In US 2013/0146459 A1 werden Vorrichtungen, Geräte und Verfahren zum effizienten Pumpen und/oder Mischen relativ kleiner Fluidmengen beschrieben. Das Fluid enthält eine Probe innerhalb einer inneren Fluidphase, die in einer äußeren Phase dispergiert ist. Die Vorrichtungen nutzt nichtlineare Elektrokinetik als primären Mechanismus zum Antreiben des Fluidstroms und/oder zum Mischen des Fluids. Hierin werden unter anderem Verfahren der Zellanalyse und der Arzneimittelabgabe beschrieben.
Ungeachtet der Vorteile durch die im Stand der Technik bekannten Anordnungen und Verfahren, verbleiben weiterhin noch zahlreiche technische Herausforderungen. Insbesondere mangelt es vielen System an ausreichender Leistung für eine anwendungsbezogene Umsetzung. Im Allgemeinen ist der Wirkungsgrad bei bekannten Strömungsantrieben zu gering für eine realitätsnahe Umsetzung. Außerdem treten häufig unerwünschte Nebenwirkungen, wie beispielsweise eine erhöhte Wärmeentwicklung, beim Betrieb der Antriebe auf. Weiterhin bereiten die oben erwähnten Abschirmeffekte der elektrischen Doppelschicht technische Probleme bei der Umsetzung bekannter Lösungen. Insbesondere weisen einige der bekannten Anordnungen strukturierte, beispielsweise stufenförmige, Strömungskanäle auf. Eine derartige Strukturierung ist im Allgemeinen ungeeignet, freie Strömungen auf freien Oberflächen zu erzeugen. Andere bekannte Anordnungen verwenden verschiedene Oberflächenmaterialien, um eine Strömung zu erzeugen. Dabei können jedoch technische Probleme, z.B. Rückströmungen, Wirbelbildung oder Schwierigkeiten bei Umsetzung einer scharfen Trennung von Oberflächenspannungen durch Isolation, auftreten.
Aufgabe der Erfindung
Es wäre daher wünschenswert, eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen, ein System sowie Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb der Anordnung bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen mit verbesserter Antriebsleistung und erhöhter Strömungsgeschwindigkeit bereitgestellt werden, die Anwendungen für ein Labor im Mikromaßstab ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen, ein System sowie Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb der Anordnung oder des Systems mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargestellt.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen, die sich in einer Flüssigkeit befinden, umfassend ein Substrat mit steuerbaren Mitteln zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen für eine Vielzahl von sich auf einer Oberfläche des Substrats befindlichen Elektrodentripeln. Die Vielzahl der Elektrodentripel ist derart angeordnet, dass die Elektrodentripel bei Anlegen einer elektrischen Spannung zumindest zwei voneinander unabhängige bewegliche elektrische Feldkomponenten erzeugen, die jeweils eine Kraft auf die elektrisch geladenen Teilchen bewirken, wodurch die Flüssigkeit in zumindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen auf dem Substrat bewegbar ist.
Der Begriff „Anordnung“ bezieht sich auf eine Kombination mehrerer Elemente, wobei die Elemente alleine oder gemeinsam eine Funktion erfüllen, die auf eine Handhabung einer Flüssigkeit gerichtet ist. Die Anordnung kann insbesondere im Bereich der Mikrofluidik verwendet werden, beispielsweise um Flüssigkeiten zu bewegen, zu separieren, zu vermischen, zu analysieren und/oder zu charakterisieren. Dabei kann die Anordnung insbesondere dazu eingerichtet sein, um Flüssigkeiten reaktionsschnell mit geringer Ansprechzeit zu bewegen. Der Begriff der „Ansprechzeit“ bezeichnet hierbei eine Zeitspanne zwischen einem Anlegen mindestens einer elektrischen Feldkomponente und dem Einsetzen einer Bewegung der Flüssigkeit. Insbesondere kann die vorliegende Anordnung dazu verwendet werden, mehrere Flüssigkeitsströme zu erzeugen, wobei sich die Flüssigkeitsströme in Richtung und/oder in Geschwindigkeit voneinander unterschieden können. Die vorliegende Anordnung kann dabei als elektrokinetischer Antrieb, insbesondere als elektroosmotischer Antrieb, betrachtet werden. Die Anordnung kann beispielsweise als elektrokinetischer Antrieb für ein Labor im Mikromaßstab verwendet werden. Die Anordnung kann weiterhin auch kombinierbar mit anderen Elementen und/oder Vorrichtungen sein, die üblicherweise im Bereich der Mikrofluidik verwendet werden, beispielsweise mit anderen Mikroantrieben, Mikropumpen, Mikroventilen und/oder Mikromischern. Insbesondere kann die Anordnung auch mit anderen, gleichartigen Anordnungen kombiniert werden, beispielsweise in einem System, wie weiter unter noch ausführlich erläutert wird.
Der Begriff „Erzeugung“ bezieht sich auf einen Vorgang, der mindestens einen Flüssigkeitsstrom in der Anordnung auslösen, hervorrufen und/oder aufrechterhalten kann. Die Erzeugung von Flüssigkeitsströmen kann somit ein Auslösen, Hervorrufen und/oder Aufrechterhalten mindestens eines Flüssigkeitsstroms zumindest eines Teils der Flüssigkeit umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Erzeugung von Flüssigkeitsströmen ebenfalls das Auslösen, Hervorrufen und/oder Aufrechterhalten von mehreren Flüssigkeitsströmen umfassen, wobei das Auslösen, Hervorrufen und/oder Aufrechterhalten mehrerer Flüssigkeitsströme in einer Ebene, die von der Oberfläche des Substrats der Anordnung aufgespannt wird, insbesondere unabhängig voneinander erfolgen kann. So können in der Anordnung mehrere Flüssigkeitsströme, insbesondere mindestens zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Flüssigkeitsströme, unabhängig voneinander erzeugt werden.
Der Begriff „Flüssigkeitsstrom“ bezieht sich auf eine gerichtete Bewegung einer Flüssigkeit. Dabei bezeichnet der Begriff „Flüssigkeit“ mindestens eine Substanz, die einen flüssigen Aggregatzustand aufweist. Insbesondere kann die Flüssigkeit eine im Wesentlichen inkompressible Substanz umfassen. Die Flüssigkeit kann als reine Substanz vorliegen oder, alternativ, auch als Gemisch von mindestens zwei Substanzen, beispielsweise als Emulsion, Lösung oder Suspension mindestens zweier Substanzen. Die Flüssigkeit kann insbesondere auch eine Trägerflüssigkeit und darin zu handhabende Proben, insbesondere Partikeln, vorzugsweise anorganische Partikeln oder Zellen, und/oder diffuse Proben, umfassen.
Als diffuse Probe wird ein räumlich abgegrenzter Bereich innerhalb der Trägerflüssigkeit bezeichnet, welcher sich bezüglich der Zusammensetzung und/oder bezüglich der Ionenzusammensetzung von der Trägerflüssigkeit unterscheidet. Die diffuse Probe kann hierbei von der umgebenden Trägerflüssigkeit durch eine Diffusionsgrenzschicht getrennt sein.
Die gerichtete Bewegung der Flüssigkeit wird im Folgenden somit als „Flüssigkeitsstrom“ bezeichnet. Dabei kann eine quantifizierbare Menge der Flüssigkeit eine Ortsänderung erfahren. Insbesondere kann es sich bei dem Flüssigkeitsstrom um einen Massenstrom und/oder um einen Volumenstrom handeln. Hierbei kann also eine quantifizierbare Menge an Masse oder an Volumen der Flüssigkeit eine Ortsänderung erfahren. Die Ortsänderung kann dabei durch eine Strömungsgeschwindigkeit quantifiziert werden. Der Flüssigkeitsstrom kann in der Ebene der Oberfläche des Substrats der Anordnung bevorzugt ein homogenes Geschwindigkeitsprofil aufweisen, wobei das Geschwindigkeitsprofil insbesondere eine ortsabhängige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über einen Querschnitt des Flüssigkeitsstroms bezeichnet. Somit kann das homogene Geschwindigkeitsprofil im Wesentlichen eine konstante Geschwindigkeit über den Querschnitt des Flüssigkeitsstroms aufweisen. Insbesondere kann keine Geschwindigkeitskomponente normal zur Oberfläche auftreten. Entlang der Oberfläche kann sich bevorzugt ein Blockprofil ausbilden, das mindestens einem vorgegebenen Strömungspfad folgt und das quer zur Richtung des mindestens einen Strömungspfads keine oder nur geringe Variationen aufweist. Außerhalb des mindestens einen Strömungspfads soll hierbei möglichst keine oder höchstens eine geringe Strömung erfolgen. Der mindestens eine Strömungspfad transportiert Flüssigkeit hierbei in gerichteter Form, vergleichbar mit einer Rohrleitung, und kann daher auch als „Strömungsröhre“ oder „Stromröhre“ bezeichnet werden. Jedoch sind auch andere Geschwindigkeitsprofile denkbar, beispielsweise inhomogene Geschwindigkeitsprofile mit über den Querschnitt des Flüssigkeitsstroms veränderlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Die ortsabhängige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über den Querschnitt des Flüssigkeitsstroms des inhomogenen Geschwindigkeitsprofils kann dabei einstellbar sein. Weiterhin kann der Flüssigkeitsstrom entlang von Strömungslinien verlaufen, welche wahlweise offen oder geschlossen sein können. Die Strömungslinien können bevorzugt parallel zu der Oberfläche des Substrats verlaufen. Hierbei können Proben, insbesondere diffuse Proben, bevorzugt in geschlossenen Stromröhren einer Trägerflüssigkeit transportiert und/oder gehandhabt werden. Dabei können Stromröhren mit einem geringen Durchmesser, insbesondere von höchstens 500 µm, bevorzugt von höchstens 100 µm, insbesondere von höchstens 5 µm, besonders vorteilhaft im Hinblick auf einen geringen Energieaufwand, geringe Verluste, geringe Wärmeentwicklung und/oder geringe Wirbelbildung sein.
In der Flüssigkeit befinden sich zumindest teilweise elektrisch geladene Teilchen. Der Begriff „elektrisch geladenes Teilchen“ bezieht sich auf einzelne Atome, Moleküle oder Komplexe, welche mindestens eine elektrische Elementarladung tragen. Insbesondere können die elektrisch geladenen Teilchen auch mehrere, beispielsweise mindestens zwei verschiedene Atome, Moleküle oder Komplexe umfassen. Alternativ oder zusätzlich können die elektrisch geladenen Teilchen auch höherwertige Gebilde umfassen, beispielsweise Nanoteilchen, welche aus bis zu 1000 Atomen oder Molekülen bestehen können. Die elektrisch geladenen Teilchen können mindestens eine negative Elementarladung oder mindestens eine positive Elementarladung tragen. In der Flüssigkeit können sich sowohl elektrisch geladenen Teilchen mit negativer elektrischer Ladung, elektrisch geladene Teilchen mit positiver elektrischer Ladung als auch elektrisch ungeladene, neutrale Teilchen befinden. Bevorzugt kann jedoch in einem Teilgebiet der Flüssigkeit eine Konzentration an elektrisch geladenen Teilchen mit einer Ladungsart eine andere Konzentration an elektrisch geladenen Teilchen der entgegengesetzt geladenen Ladungsart übertreffen, insbesondere in der elektrischen Doppelschicht. In einem anderen Teilgebiet kann ein Gleichgewicht der Konzentrationen von elektrisch geladenen Teilchen beider Ladungsarten vorhanden sein. Die elektrisch geladenen Teilchen können der Flüssigkeit hinzugefügt sein. Beispielsweise können die elektrisch geladenen Teilchen in der Flüssigkeit gelöst oder suspendiert sein. Alternativ oder zusätzlich können die elektrisch geladenen Teilchen auch durch Reaktion in der Flüssigkeit erzeugt werden, beispielsweise durch Autoprotolyse. In der Flüssigkeit können neben den elektrisch geladenen Teilchen auch noch andere, insbesondere elektrisch neutrale Teilchen vorhanden sein. In einer solchen Situation befinden sich folglich teilweise elektrisch geladene Teilchen und teilweise elektrisch neutrale Teilchen in der Flüssigkeit. Alternativ kann die Flüssigkeit auch ausschließlich aus elektrisch geladenen Teilchen bestehen, wie dies beispielsweise bei ionischen Flüssigkeiten der Fall ist.
Die Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfasst ein Substrat mit steuerbaren Mitteln. Der Begriff „Substrat“ bezieht sich auf eine Unterlage, umfassend einen Körper, der ein Volumen aufweist, das über eine Oberfläche verfügt, die vorzugsweise in Form einer planaren Fläche vorliegt. Der Begriff „Oberfläche des Substrats“ bezieht sich dabei auf eine Fläche des Substrats, welche einem Strömungsbereich der Flüssigkeit zugewandt ist, während eine „Rückseite des Substrats“ eine weitere Fläche des Substrats bezeichnet, welche dem Strömungsbereich der Flüssigkeit abgewandt ist. In einer besonderen Ausgestaltung ist nur ein Teilbereich der Oberfläche des Substrats für die Bereitstellung der Flüssigkeit vorgesehen sein; ein weiterer Teilbereich der Oberfläche kann Strukturen, die für weitere Zwecke eingerichtet sein können, aufweisen, insbesondere Messeinrichtungen oder Strukturen zur Strömungsführung, beispielsweise Versperrungen oder Hindernisse.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Oberfläche des Substrats direkt in Kontakt mit der Flüssigkeit stehen. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Oberfläche des Substrats durch eine weitere aufgebrachte Schicht, beispielsweise durch eine isolierende Schicht, von dem Strömungsbereich der Flüssigkeit getrennt sein. Insbesondere kann die auf der Oberfläche des Substrats angebrachte Vielzahl der Elektrodentripel durch eine isolierende Schicht von dem Strömungsbereich der Flüssigkeit getrennt sein. Die isolierende Schicht kann eine ebene Oberfläche für die Flüssigkeitsströme bilden. Hierbei ist die ebene Oberfläche durch das Fehlen makroskopisch erfassbarer Höhenunterschiede gekennzeichnet. Weiterhin kann die isolierende Schicht eine glatte Oberfläche für die Flüssigkeitsströme bilden. Hierbei bezeichnet die „glatte Oberfläche“ eine Fläche mit einer Rauheit von höchstens 0,1 µm, bevorzugt von höchstens 0,05 µm, besonders bevorzugt von höchstens 0,01 µm.
Das Substrat kann aus einem nichtleitenden Material und/oder aus einem halbleitenden Material bestehen, bevorzugt aus Glas, Kunststoff und/oder Silizium. Die Oberfläche des Substrats kann insbesondere flach ausgestaltet sein. So können die steuerbaren Mittel beispielsweise auf der Oberfläche des Substrats angebracht werden. In einer alternativen Ausführungsform können die steuerbaren Mittel jedoch auch zumindest teilweise von dem Substrat aufgenommen werden.
Der Begriff „steuerbare Mittel“ bezieht sich allgemein auf elektrisch leitfähige Elemente, welche von dem Substrat umfasst sind. Die steuerbaren Mittel können dabei elektrische Leiterbahnen umfassen, insbesondere eine Vielzahl von elektrischen Leiterbahnen. Beispielsweise können die steuerbaren Mittel ein metallisches Material, Graphit und/oder ein halbleitendes Material, insbesondere ein dotiertes halbleitendes Material, umfassen. Die steuerbaren Mittel können besonders bevorzugt auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können die steuerbaren Mittel jedoch auch zumindest teilweise in dem Volumen des Substrats angeordnet sein. Die steuerbaren Mittel können in einer oder in mehreren Schichten auf dem Substrat oder in dem Volumen des Substrats angeordnet sein.
Die steuerbaren Mittel können insbesondere eine einer Vielzahl an Elektroden entsprechenden Anzahl an elektrischen Leiterbahnen und an elektrischen Anschlüssen für die Elektroden aufweisen. Dabei können die elektrischen Anschlüsse die elektrischen Leiterbahnen der steuerbaren Mittel mit den Elektroden der Elektrodentripel verbinden. Die steuerbaren Mittel können weiterhin eine der Vielzahl an Elektroden entsprechenden Anzahl an elektrischen Anschlüssen für ein Antriebselement aufweisen. Dabei können die elektrischen Anschlüsse für Antriebselemente auf der Rückseite des Substrats oder außerhalb der Anordnung zugänglich sein.
Alternativ können die steuerbaren Mittel eine Anzahl an elektrischen Leiterbahnen umfassen, die mindestens der Vielzahl an Elektrodentripel entspricht, höchstens jedoch der Anzahl an Elektroden in den Elektrodentripeln. In einer bevorzugten Ausführungsform können die steuerbaren Mittel eine Anzahl an elektrischen Leitbahnen umfassen, die mindestens der Vielzahl an Elektrodentripel entspricht, jedoch geringer ist als die Anzahl der Elektroden in den Elektrodentripeln. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die steuerbaren Mittel genau eine der Vielzahl an Elektrodentripel entsprechenden Anzahl an elektrischen Leiterbahnen umfassen. Zusätzlich können die steuerbaren Mittel zumindest eine der Vielzahl an Elektrodentripel entsprechenden Anzahl an elektrischen Anschlüsse für die Elektroden umfassen. Weiterhin können die steuerbaren Mittel zusätzliche elektrische Anschlüsse für die Elektroden umfassen, wobei die zusätzlichen Anschlüsse ausgewählte Elektroden untereinander verbinden. Insbesondere können solche Elektroden verbunden werden, die entsprechend der noch näher zu erläuternden Steuerung der Anordnung auf ein gleiches elektrisches Potential gehoben werden.
Die steuerbaren Mittel sind dazu eingerichtet, elektrische Spannungen für eine Vielzahl von sich auf der Oberfläche des Substrats befindlichen Elektrodentripeln bereitzustellen. Der Begriff „elektrische Spannung“ bezieht sich auf jede Art einer elektrischen Potentialdifferenz, die zwischen mindestens zwei elektrisch kontaktierbaren Orten besteht. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Wechselspannung handeln. Die elektrische Spannung kann mindestens eine Wechselspannung umfassen. In einer besonders bevorzugten Ausführung kann die elektrische Spannung drei Wechselspannungen umfassen, die jeweils um eine Phasendifferenz zueinander verschoben sind. Die Kombination von drei Wechselspannungen wird im Folgenden auch als „Drehstrom“ bezeichnet. Dabei kann je eine Wechselspannung auf eine von dem Elektrodentripel umfasste Elektrode anlegbar sein. Bevorzugt kann die Phasenverschiebung 120° betragen. Jedoch sind auch andere Phasenverschiebungen denkbar. Die Wechselspannung kann dabei eine Amplitude im Bereich von 0,005 V bis 10 V, bevorzugt von 0,01 V bis 0,1 V, und eine Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 1000 kHz, bevorzugt von 5 kHz bis 100 kHz, aufweisen. Eine optimale Kombination kann insbesondere von einer Elektrolytkonzentration der Flüssigkeit abhängen. Besonders bevorzugt kann dabei eine Amplitude von etwa 0,025 V und eine Frequenz von 10 kHz bis 50 kHz bei einer Elektrolytkonzentration von 10^-5 mol/l bis 10^-4 mol/l sein. Andere Kombinationen sind ebenfalls möglich.
Der Begriff „Elektrodentripel“ bezieht sich auf eine Gruppierung von drei separat voneinander ausgestalteten Elektroden. Ein Elektrodentripel kann somit drei voneinander getrennt ausgestaltete Elektroden umfassen. Die Elektroden in dem Elektrodentripel können vorzugsweise eine gleichartige geometrische Form ausweisen. Die Elektroden eines Elektrodentripels können insbesondere räumlich benachbart zueinander angeordnet sein. Die Elektroden eines Elektrodentripels können insbesondere mindestens ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise ein metallisches Material, ein halbleitendes Material und/oder ein dotiertes halbleitendes Material umfassen. Die Elektroden eines Elektrodentripels können derart ausgestaltet sein, dass sie untereinander keine elektrische Verbindung aufweisen. Dies schließt jedoch insbesondere die Möglichkeit nicht aus, dass Elektroden verschiedener Elektrodentripel eine elektrische Verbindung untereinander aufweisen können. Das Elektrodentripel, insbesondere jede Elektrode eines Elektrodentripels, kann durch die steuerbaren Mittel elektrisch kontaktierbar sein. Die Elektrodentripel befinden sich auf der Oberfläche des Substrats. Die Elektrodentripel können beispielsweise auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht sein. Alternativ können die Elektrodentripel zumindest teilweise in der Oberfläche des Substrats aufgenommen sein. Die Elektrodentripel können durch eine isolierende Schicht von dem Strömungsbereich der Flüssigkeit getrennt sein. Die Elektrodentripel können insbesondere derart von dem Strömungsbereich der Flüssigkeit getrennt sein, dass keine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Elektrodentripel und der Flüssigkeit besteht.
Die steuerbaren Mittel können weiterhin dazu eingerichtet sein, die elektrische Spannung derart an der Vielzahl der Elektrodentripel bereitzustellen, dass die elektrische Spannung an den Elektroden jeweils eines Elektrodentripels um eine Phasendifferenz zueinander verschoben ist. Mit anderen Worten: Die steuerbaren Mittel können die elektrische Spannung derart an der Vielzahl der Elektrodentripel bereitstellen, dass die elektrische Spannung an jeder von dem Elektrodentripel umfassten Elektroden um eine Phasendifferenz zueinander verschoben ist. Insbesondere können die steuerbaren Mittel die elektrische Spannung derart an der Vielzahl der Elektrodentripel bereitstellen, dass die Phasendifferenz zwischen räumlich nacheinander angeordneten Elektroden in dem Elektrodentripel monoton steigend oder fallend ist.
Weiterhin können die steuerbaren Mittel dazu eingerichtet sein, die elektrische Spannung derart an die Vielzahl der Elektrodentripel bereitzustellen, dass die an jeweils einer der Elektroden jeden Elektrodentripels anliegende elektrische Spannung eine Phasendifferenz von n·360°, n= 0, ±1, ±2, ..., aufweist. Beispielsweise kann zwischen jeder ersten Elektrode der Vielzahl der Elektrodentripel eine Phasendifferenz von n·360°, n= 0, ±1, ±2, ..., anliegen, ebenso wie zwischen jeder zweiten Elektrode und zwischen jeder dritten Elektrode der Vielzahl an Elektrodentripel.
Die Phasendifferenz zwischen den Elektroden eines Elektrodentripels kann von einem räumlichen Abstand der Elektroden innerhalb des Elektrodentripels abhängig sein. Beispielsweise kann die Phasendifferenz zwischen den Elektroden innerhalb des Elektrodentripels jeweils 120° bei äquidistanter räumlicher Anordnung der Elektroden betragen. Andere Möglichkeiten sind jedoch ebenfalls denkbar.
Die Elektroden in jeweils einem Elektrodentripel können in einem räumlichen Abstand zueinander angeordnet sein, wobei der räumliche Abstand der Elektroden der Größenordnung einer Schichtdicke einer elektrischen Doppelschicht, welche sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung in der Flüssigkeit ausbildet, entsprechen kann. Insbesondere kann der räumliche Abstand der Elektroden im Bereich von mindestens einem Zehntel bis maximal einem Zehnfachen der Dicke der elektrischen Doppelschicht liegen. Beispielsweise können die Elektroden in jeweils einem Elektrodentripel in einem räumlichen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der räumliche Abstand der Elektroden bevorzugt 0,05 µm bis 10 µm, besonders bevorzugt 0,05 µm bis 5 µm, insbesondere 0,1 µm, beträgt. Wie oben beispielsweise erläutert, können die Elektroden in jeweils einem Elektrodentripel äquidistant angeordnet sind.
Die Vielzahl der Elektrodentripel ist derart angeordnet, dass die Elektrodentripel bei Anlegen der elektrischen Spannung zumindest zwei voneinander unabhängige bewegliche elektrische Feldkomponenten erzeugen. Der Begriff „elektrische Feldkomponente“ bezieht sich auf eine durch Anlegen der elektrischen Spannung induzierte Kraftfeldkomponente. Eine Gesamtheit der elektrischen Feldkomponenten kann insbesondere ein elektrisches Feld beschreiben. Das elektrische Feld kann insbesondere mit den elektrisch geladenen Teilchen in der Flüssigkeit wechselwirken, insbesondere derart, dass auf die elektrisch geladenen Teilchen eine Kraft durch das elektrische Feld ausgeübt wird. Die Kraftwirkung des elektrischen Feldes kann durch Feldlinien beschrieben werden, wobei die Feldlinien eine Richtung der Kraft angeben. Die elektrische Feldkomponente ist eine bewegliche elektrische Feldkomponente. Der Begriff „beweglich“ bezieht sich hierbei auf die Tatsache, dass die Feldlinien des elektrischen Feldes bzw. der elektrischen Feldkomponenten orts- und zeitabhängig sind. So kann beispielweise durch Anlegen der Wechselspannung mindestens zwei voneinander unabhängige bewegliche elektrische Feldkomponenten erzeugt werden, welche Feldlinien besitzen, die sich sowohl örtlich als auch zeitlich verändern. Insbesondere können durch Anlegen der elektrischen Spannung sogenannte „Wanderwellen“ erzeugt werden, insbesondere mindestens zwei Wanderwellen, wobei eine Wanderwelle die bewegliche elektrische Feldkomponente bezeichnet.
Bei Anlegen der elektrischen Spannung entstehen zumindest zwei voneinander unabhängige elektrische Feldkomponenten. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „voneinander unabhängig“ auf eine Eigenschaft der mindestens zwei elektrischen Feldkomponenten Feldlinien zu besitzen, welche in einem Winkel, bevorzugt von größer als 0° bis weniger als 180°, besonders bevorzugt von 30° bis 150°, insbesondere 45 ° bis 135°, zueinanderstehen. Die elektrischen Feldkomponenten können insbesondere derart voneinander unabhängig sein, dass die Feldlinien der zumindest zwei elektrischen Feldkomponenten senkrecht zueinander verlaufen oder einen Winkel von 60° oder 120° zueinander annehmen. Die voneinander unabhängigen elektrischen Feldkomponenten können sich also insbesondere in zwei Richtungen erstecken, wobei die Feldlinien der elektrischen Feldkomponenten entlang der zwei Richtungen senkrecht zueinanderstehen. Die elektrischen Feldkomponenten können insbesondere parallel zu der Oberfläche des Substrats verlaufen.
Die elektrischen Feldkomponenten bewirken jeweils eine Kraft auf die elektrisch geladenen Teilchen, wodurch die Flüssigkeit in zumindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen auf dem Substrat bewegbar ist. Der Begriff „Kraft“ bezieht sich auf die durch das elektrische Feld induzierte Krafteinwirkung auf die elektrisch geladenen Teilchen in der Flüssigkeit. Insbesondere kann die Kraft auf die geladenen Teilchen durch eine Coulomb-Kraft beschrieben werden. Eine weiterhin denkbare Kraft, deren Richtung senkrecht zur Oberfläche steht, ist jedoch vernachlässigbar, da sie praktisch zu keiner beobachtbaren Strömung auf der Oberfläche der Anordnung führt.
Der Begriff „Richtung“ bezieht sich auf eine Angabe eines Bewegungsziels der Flüssigkeit. Dabei kann die Angabe der Richtung sich insbesondere auf ein vorgegebenes Koordinatensystem beziehen, beispielsweise ein Koordinatensystem, das in der Ebene der Oberfläche des Substrats liegt. Die Richtung kann beispielsweise durch einen Richtungsvektor in diesem Koordinatensystem angezeigt werden. Beispielweise kann die Richtung durch eine Angabe in einem kartesischen Koordinatensystem angezeigt werden, insbesondere in einem x-y-Koordinatensystem. Alternativ kann grundsätzlich auch ein Polarkoordinatensystem verwendet werden. In dem kartesischen Koordinatensystem kann die Richtung zum Beispiel durch Vergleich mit einer Himmelsrichtung angegeben werden. So bezeichnet beispielsweise eine Nord-Süd-Richtung eine in Relation zur Oberfläche des Substrats horizontale Richtung von oben nach unten. Ebenso bezeichnet eine West-Ost-Richtung eine in Relation zur Oberfläche des Substrats horizontale Richtung von links nach rechts. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „voneinander verschieden“ auf die Tatsache, dass die Richtungsvektoren zwei voneinander verschiedener Richtungen senkrecht zueinanderstehen. Mathematisch kann dies dadurch ausgedrückt werden, dass das Skalarprodukt der Richtungsvektoren Null ergibt. Die voneinander unabhängigen beweglichen elektrischen Feldkomponenten können also insbesondere zwei Flüssigkeitsströme in zumindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen bewirken, wobei ein Flüssigkeitsstrom beispielsweise in Nord-Süd-Richtung verläuft und ein anderer Flüssigkeitsstrom in West-Ost-Richtung. Auch andere Richtungen sind möglich, beispielsweise eine Kombination dieser Richtungen. Die mindestens zwei voneinander verschiedenen Flüssigkeitsströme können insbesondere unabhängig voneinander steuerbar sein. Die erzeugten Flüssigkeitsströme können sich insbesondere zu einem resultierenden Flüssigkeitsstrom überlagern.
Der Begriff der „Vielzahl an Elektrodentripel “ bezieht sich auf eine Anzahl an Elektrodentripeln, die benötigt wird, um die Flüssigkeit in die mindestens zwei voneinander verschiedenen Richtungen zu bewegen. Die Anzahl an Elektrodentripel kann insbesondere derart gewählt sein, dass die Anordnung mit den auf dem Substrat aufgebrachten Elektrodentripel flächendeckend ausgestaltet werden kann. Die Elektrodentripel können dabei insbesondere derart angeordnet sein, dass mindestens zwei Elektrodentripel in einem Winkel zueinanderstehen. Beispielsweise kann ein Elektrodentripel der Anordnung um 90° Grad zu einem anderen Elektrodentripel der Anordnung gedreht sein. In diesem Beispiel könnten also auf einem rechteckig geformten Substrat drei Elektrodentripel in Nord-Süd-richtung sowie drei Elektrodentripel in West-Ost-Richtung angeordnet sein. So kann die Anordnung mindestens sechs Elektrodentripel umfassen. Alternativ könnte auch eine hexagonale Ausrichtung der Elektrodentripel vorteilhaft für eine flächendeckende Ausgestaltung sein. Dabei können die Elektrodentripel in einem Winkel von 60° zueinander gedreht sein. In diesem Beispiel kann die Anordnung ebenfalls mindestens sechs Elektrodentripel umfassen, wobei jeweils ein Elektrodentripel in einem Abschnitt der hexagonalen Ausrichtung angeordnet sein kann. Damit kann die Anordnung insbesondere mindestens sechs Elektrodentripel bei einer rechtwinkligen oder hexagonalen Anordnung der Vielzahl der Elektrodentripel umfassen. Andere Möglichkeiten sind jedoch ebenfalls denkbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform können mindestens zwei der Elektrodentripel aus der Vielzahl der Elektrodentripel derart zueinander angeordnet sein, dass die von jedem der Elektrodentripel bei Anlegen der elektrischen Spannung erzeugten beweglichen elektrischen Feldkomponenten einen Winkel von größer als 0° bis weniger als 180° zueinander annehmen, bevorzugt von 30° bis 150 °, besonders bevorzugt von 45° bis 135°, insbesondere von 60° bis 120°. Der Winkel bezeichnet dabei insbesondere einen Winkel in einer durch die Oberfläche des Substrats beschriebenen Ebene.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System, umfassend mindestens eine Anordnung, bevorzugt mindestens zwei Anordnungen, zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen. Weiterhin umfasst das System mindestens eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen, insbesondere eine Drehstromquelle oder einen Drehstromgenerator.
Der Begriff „System“ bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung oder eine Gruppe von miteinander wechselwirkenden Vorrichtungen, welche zur Erfüllung mindestens eines gemeinsamen Zwecks eingerichtet sind. Dabei kann der gemeinsame Zweck des Systems insbesondere das Bewegen, das Mischen, das Separieren und /oder das Analysieren von Flüssigkeiten sein. Das System kann also insbesondere im Bereich der Mikrofluidik verwendet werden. Das System kann mindestens einen Antrieb aufweisen, insbesondere kann die mindestens eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen als Antrieb des Systems verwendet werden.
Das System kann beispielsweise als Fluid-Maschine verwendet werden, wobei die Fluid-Maschine, in Analogie zu einer Computerrecheneinheit, mit der Flüssigkeit Rechenoperationen umsetzen kann. Eine sogenannte „Fluid-Prozesseinheit“ kann hierbei eine zentrale Verknüpfung von Komponenten der Fluid-Maschine darstellen. Die Fluid-Prozesseinheit kann dabei eine Vielzahl an verknüpften Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfassen. Beispielsweise können mit dem System transportierte Proben ein Einheitsvolumen aufweisen, wodurch die Verarbeitung der Rechenoperationen erleichtert wird. Weiterhin kann hierbei durch Verwendung einer Maschinensprache Rechenoperationen in Flüssigkeitstransportprozesse, wie beispielsweise Misch-, Auswahl- und Transport-Befehle, übersetzt werden.
Das System umfasst, wie bereits erläutert, mindestens eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen. Für weitere Definitionen bezüglich des Systems kann daher auf die obige Beschreibung der Anordnung verwiesen werden. Insbesondere kann das System eine Vielzahl an Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfassen, wobei die Vielzahl an Anordnungen mindestens zwei Anordnungen umfasst. Es können jedoch auch mehr als zwei Anordnungen von dem System umfasst sein, insbesondere 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 30 oder mehr als 30 Anordnungen. Diese Vielzahl an Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen kann in einem gemeinsamen Verbund angeordnet sein. Die Vielzahl an Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen kann insbesondere derart einen flächendenkenden Verbund ausbilden, dass ein gemeinsamer Strömungsbereich über die Vielzahl der Anordnungen hinweg entsteht. Beispielsweise kann das System die Vielzahl der Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen in einem Verbund in Spalten und Zeilen anordnen, insbesondere in einem matrixförmigen Verbund. Hierfür kann insbesondere eine rechtwinklige oder auch hexagonale Form der Anordnungen besonders vorteilhaft sein. Auch andere Möglichkeiten die Vielzahl der Anordnungen in dem System zu verbinden sind ebenfalls denkbar.
Weist das System eine Vielzahl von Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen auf, so können mindestens zwei Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen durch mindestens ein elektrisches Verbindungselement verbunden sein. Das elektrische Verbindungselement kann die steuerbaren Mittel der mindestens zwei Anordnung miteinander verbinden, insbesondere derart, dass eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den steuerbaren Mitteln der mindestens zwei Anordnungen herstellbar ist. Beispielsweise kann das elektrische Verbindungselement eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrischen Anschlüssen für ein Antriebselement der mindestens zwei Anordnungen herstellen. Beispielsweise kann das elektrische Verbindungselement mindestens zwei benachbarte Anordnungen innerhalb einer Spalte und/oder Zeile verbinden. Zusätzlich kann das elektrische Verbindungselement auch mindestens zwei benachbarte Verbindungselement an einem Anfang oder an einem Ende einer Spalte und/oder Zeile verbinden.
Das System umfasst mindestens eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen. Der Begriff „Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen“ bezieht sich auf eine Vorrichtung, die eingerichtet dazu eingerichtet ist, die elektrische Spannung an der mindestens einen Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen bereitzustellen. Insbesondere kann es sich bei der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen um eine Drehstromquelle und/oder um einen Drehstromgenerator handeln. Die Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen kann also insbesondere dazu eingerichtet sein, zumindest eine Wechselspannung bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen dazu eingerichtet sein, drei zueinander um eine Phasenverschiebung verschobene Wechselspannungen bereitzustellen. Besonders bevorzugt kann die Phasenverschiebung 120° betragen. Andere Phasenverschiebungen sind jedoch ebenfalls möglich.
Das System kann weiterhin mindestens ein Flüssigkeitsreservoir umfassen. Das Flüssigkeitsreservoir kann dazu eingerichtet sein, die Flüssigkeit, in welcher sich zumindest teilweise die elektrisch geladenen Teilchen befinden, zu bevorraten und über mindestens einen Verbindungskanal der Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen zuzuführen. Der Verbindungskanal kann dazu eingerichtet sein, das Flüssigkeitsreservoir mit der Anordnung fluidisch zu verbinden. Insbesondere kann das Flüssigkeitsreservoir über mindestens zwei Verbindungskanäle mit der Anordnung fluidisch verbunden sein, wobei je ein Verbindungskanal für eine Strömungsrichtung von dem Flüssigkeitsreservoir zu der Anordnung bzw. von der Anordnung zu dem Flüssigkeitsreservoir vorhanden sein kann. Der Verbindungskanal kann beispielsweise eine Vielzahl von Elektroden aufweisen, welche mit einem Wechselstrom beaufschlagbar sind, wodurch ein Flüssigkeitstransport zwischen dem Flüssigkeitsreservoir und der Anordnung stattfinden kann. Die Richtung des Flüssigkeitstransports kann hierbei von dem beaufschlagten Wechselstrom abhängen. Alternativ kann mindestens eine Wand des Verbindungskanals eine aufgebrachte Wandladung tragen, wobei weiterhin eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsreservoir und der Anordnung anlegbar ist, wodurch ein Flüssigkeitstransport zwischen dem Flüssigkeitsreservoir und der Anordnung stattfinden kann. Die Richtung des Flüssigkeitstransports kann dabei von einer Polarität der Wandladung abhängen.
Das System kann weiterhin mindestens eine Steuereinheit umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das Anlegen der elektrischen Spannung an die Vielzahl der Elektrodentripel mittels der steuerbaren Mittel zu steuern. Weist das System eine Vielzahl von Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen auf, so kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, das Anlegen der elektrischen Spannung an die steuerbaren Mittel der Vielzahl an Anordnungen zu steuern. Insbesondere kann die Steuereinheit das Anlegen der elektrischen Spannung an die steuerbaren Mittel für jede Anordnung separat und/oder unabhängig voneinander steuern. Die Steuereinheit kann dabei als aktive Steuereinheit oder als passive Steuereinheit ausgeführt sein.
Die „passive Steuereinheit“ bezeichnet hierbei eine Steuereinheit, die eine separate Beaufschlagung der von dem System umfassten Anordnung, insbesondere der von dem System umfassten Vielzahl an Anordnungen, zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen mit der elektrischen Spannung umfasst. Die passive Steuereinheit kann also eine separate Kontaktierung der Vielzahl an Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfassen. Dabei kann je eine passive Steuereinheit für jede von dem System umfasste Anordnung vorgesehen sein. Die passive Steuereinheit kann in einer Ebene des Systems, insbesondere in einer Ebene unter der Anordnung angeordnet sein. Die passive Steuereinheit kann damit insbesondere Bereiche im System vermeiden, in denen die Flüssigkeit nicht angesteuert werden kann. Das Funktionsprinzip der passiven Steuereinheit kann dabei dem Prinzip der Ansteuerung eines LCD- und/oder TFT-Displays entsprechen.
Die „aktive Steuereinheit“ bezeichnet hierbei eine Steuereinheit, die mindestens eine elektronische Recheneinheit, insbesondere einen Mikroprozessor, umfasst. Der Mikroprozessor kann durch mindestens einen Datenbus mit mindestens einem Eingangssignal beaufschlagbar sein. Das mindestens eine Eingangssignal kann insbesondere mindestens ein Aktivsignal umfassen, wobei das Aktivsignal eine Information über ein einzuschaltendes Elektrodentripel oder ein auszuschaltendes Elektrodentripel der mindestens einen Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen beinhaltet. Das Eingangssignal kann weiterhin mindestens eine Information über eine Drehrichtung der an das Elektrodentripel anzulegenden Wechselspannung umfassen. Das Funktionsprinzip der aktiven Steuereinheit kann dabei dem Prinzip der Ansteuerung eines Displays mittels eines Grafikprozessors entsprechen.
Der Mikroprozessor der aktiven Steuereinheit kann weiterhin dazu eingerichtet sein, das mindestens eine Eingangssignal auf mindestens einem Speicherelement zu speichern. Das Speicherelement kann dabei zumindest das Aktivsignal wie auch die Information über die Drehrichtung der Wechselspannung speichern. Die Steuereinheit kann insbesondere mindestens ein Speicherelement pro Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen, welche von dem System umfasst sein können, aufweisen. Eine Vielzahl an Speicherelementen kann bevorzugt als Schieberegister ausgestaltet sein. Jedoch sind auch andere Ausgestaltungen möglich. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung können mindestens zwei Registerebenen realisiert werden. So kann zumindest eine erste Registerebene eine aktive Registerebene bilden, während eine zweite Registerebene eine Zwischenspeicherebene bilden kann. Besonders vorteilhaft können auch weitere Registerebenen als weitere Zwischenspeicherebenen ausgestaltet sein. Der Mikroprozessor kann weiterhin eingerichtet sein, ein auf dem Speicherelement gespeichertes Eingangssignal zu lesen.
Die aktive Steuereinheit kann weiterhin mindestens einen Schalter pro Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfassen. Insbesondere kann der Schalter einen elektronischen Schalter oder einen Analogschalter umfassen. Der Schalter kann dazu eingerichtet sein, entsprechend dem mindestens einen Eingangssignal die steuerbaren Mittel mit der elektrischen Spannung zu beaufschlagen. Die aktive Steuereinheit kann über eine elektrische Verbindung der elektrischen Spannung, insbesondere der Wechselspannung, beaufschlagt werden. Je nach Eingangssignal, welches auf dem mindestens einen Speicherelement gespeichert ist, kann der Mikroprozessor dazu eingerichtet sein, die elektrische Spannung, insbesondere die Wechselspannung, über den Schalter an die mindestens eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen weiterzugeben.
Die vorgeschlagene Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen und das vorgeschlagene System weisen im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf.
Wie oben bereits erläutert, liefern bekannte Vorrichtungen im Allgemeinen nur kleine Strömungsgeschwindigkeiten, da nur relative schwache elektrische Felder außerhalb der elektrischen Doppelschicht erzeugt werden können. Die Abmessungen der Elektroden sind in bekannten Vorrichtungen grundsätzlich von der gleichen Größenordnung wie die Zuleitungen.
Die vorgeschlagene Anordnung und das vorgeschlagene System hingegen können insbesondere mit gleichförmigen Abmessungen der zu fertigenden Strukturen auf einem Mikrochip auskommen. Hierbei werden nur wenige Zuleitungen benötigt, um eine Vielzahl von Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen zu steuern.
Durch einen bevorzugten Betrieb der Anordnung mit dreiphasiger Wechselspannung benötigt die Anordnung im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen mit mehr Phasen einen geringeren Bauraum. Die Elektroden jeweils eines Elektrodentripels können dabei bevorzugt derart eng zusammenliegen, dass der Abstand der Elektroden innerhalb eines Elektrodentripels im Bereich einer Größenordnung einer Schichtdicke der elektrischen Doppelschicht in der Flüssigkeit entspricht. Ein solcher Abstand in Kombination mit einer ebenen und/oder glatten Oberfläche der isolierenden Schicht auf dem Substrat, kann die Erzeugung von homogenen Flüssigkeitsströmen, beispielsweise von Flüssigkeitsströmen ohne Strömungswirbel, ermöglichen. So können also mittels der vorgeschlagenen Anordnung und/oder mittels des vorgeschlagenen Systems gleichförmige Flüssigkeitsströme erzeugt werden.
Ein von der Anordnung umfasstes Elektrodentripel kann bevorzugt drei Elektroden pro räumlicher Periode des Drehstroms umfassen. Ein solch dreiphasiger Aufbau einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen kann grundsätzlich die kleinstmögliche Bauweise einer solchen Vorrichtung ermöglichen. Zur Fertigung einer vorgeschlagenen Anordnung und eines vorgeschlagenen Systems, die oben beschriebene Abmessungen aufweisen, kann auf Technologien zurückgegriffen werden, die bereits im Bereich der Mikroelektronik-Chips verwendet werden.
Weiterhin kann durch den Übergang von zweiphasiger Wechselspannung auf dreiphasige Wechselspannung die Antriebsleistung der hier vorgeschlagenen Anordnung wesentlich erhöht werden. Die Verwendung einer dreiphasigen Wechselspannung in der Anordnung weist einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen auf.
Außerdem kann die Flüssigkeit auch als Transportfluid für den Transport diffuser Proben verwendet werden. Die oben erwähnte Diffusionsgrenzschicht kann sich im Allgemeinen im Zeitverlauf vergrößern. Wird die Diffusionsgrenzschicht in ihrer Dicke vergleichbar mit der räumlichen Ausdehnung der diffusen Probe, so kann eine Vermischung mit der Trägerflüssigkeit stattfinden, insbesondere solange bis die Probe komplett in die Trägerflüssigkeit hineindiffundiert ist und sich nicht mehr nachweisen lässt. Der Diffusionsvorgang kann also eine Zeitdauer begrenzen, in welcher die diffuse Probe gehandhabt werden kann. Die vorgeschlagene Anordnung und das vorgeschlagene System können hohe Strömungsgeschwindigkeiten und kurze Ansprechzeiten für die Handhabung diffuser Proben bereitstellen. Insofern können die vorgeschlagene Anordnung und das vorgeschlagene System sich zur Verarbeitung und Handhabung diffuser Proben eigenen. Daher können mit der vorgeschlagenen Anordnung und/oder mit dem vorgeschlagenen System auch diffuse Proben transportiert, miteinander in Verbindung gebracht, vermischt oder Trennungsvorgänge durchgeführt werden. Das System kann weiterhin eine frei programmierbare Oberfläche aufweisen, so dass das System in kurzer Zeit für verschiedenste Anwendungen benutzt werden kann.
Insbesondere im Unterschied zur WO 2007/090531 A1 zeichnet sich die vorliegende Anordnung und das vorliegende System durch die Verwendung von Elektrodentripel aus. Besonders bevorzugt werden diese Elektrodentripel mit einer dreiphasigen Wechselspannung beaufschlagt. Dies kann insbesondere die in der Vorrichtung der WO 2007/090531 A1 auftretende Problematik der elektrischen Abschirmung des elektrischen Felds in der Flüssigkeit durch die elektrische Doppelschicht beheben.
Insbesondere weist die vorgeschlagene Anordnung und das vorgeschlagene System folgende besondere Vorteile auf: Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit kann durch eine Verkleinerung des Elektrodenabstands wesentlich erhöht werden. Dabei kann jedoch der im Hinblick auf den für die individuelle Ansteuerbarkeit jeder einzelnen Anordnung des Systems notwendigen Platz erhalten werden.
Weiterhin kann das vorgeschlagene System einen matrixförmigen Verbund der einzelnen Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfassen. Im Unterschied dazu wird in der WO 2007/090531 A1 eine Schachbrett-förmige Anordnung der kleinsten Elementareinheiten vorgeschlagen. Der matrixförmige Verbund kann jedoch die Flexibilität bezüglich einer besonderen Ausgestaltung des Systems erhöhen, da in einem matrixförmigen Verbund verschiedene Grundstrukturen für die Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen verbindbar sind.
Auch im Unterschied zur US 7,708,873 B2 zeichnet sich die vorliegende Anordnung und das vorliegende System durch die Verwendung von Elektrodentripel und deren bevorzugte Beaufschlagung mit einer dreiphasigen Wechselspannung aus. Weiterhin wird in der US 7,708,873 B2 eine stufenförmige Bauweise der Elektroden vorgeschlagen. Eine ebene und/oder glatte Oberfläche, wie sie in der vorgeschlagenen Anordnung durch die isolierende Schicht erreicht werden kann, ermöglicht homogene Flüssigkeitsströme, insbesondere ohne in der Flüssigkeit auftretende Strömungswirbel.
Die in J.H. Noh et al., s.o., vorgestellte Vorrichtung unterscheidet sich insbesondere durch die Verwendung eines Verfahrens zur Elektrobenetzung im Gegensatz zur hierin verwendeten Wechselstrom-Elektroosmose. Durch die Verwendung von vernetzten Elektroden in der vorliegenden Anordnung wird erst eine Bauweise mit geringen Abmessungen möglich, da einzelne TF-Transistoren deutlich mehr Schichten benötigen. Weiterhin ermöglicht Wechselstrom-Elektroosmose einen kontinuierlichen und schnelleren Flüssigkeitstransport.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen. Das Verfahren umfasst die nachfolgend beschriebenen Schritte, welche insbesondere in der beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden können. Jedoch ist auch eine andere Reihenfolge möglich, oder eine zeitliche Überlappung der Durchführung der Verfahrensschritte oder eine zumindest teilweise gleichzeitige Durchführung der Verfahrensschritte. Das Verfahren kann weitere Verfahrensschritte umfassen, welche nicht genannt sind.
Das Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfasst hierbei die folgenden Schritte:

i) Bereitstellen eines Substrats;
ii) Aufbringen von steuerbaren Mitteln zur Beschaltung der Vielzahl der Elektroden, die
iii) in Elektrodentripeln auf eine Oberfläche des Substrats angebracht werden.

Weiterhin kann das Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen vorzugsweise den folgenden Schritt umfassen, der insbesondere nach Schritt iii) ausgeführt wird:

iv) Behandeln der Oberfläche des Substrats derart, dass eine ebene Oberfläche und/oder glatte Oberfläche für die Flüssigkeitsströme entsteht.

Für mögliche Methoden zur Herstellung der Anordnung, insbesondere für die Durchführung einer oder mehrerer der Schritte ii) bis iv), können auf bekannte Fertigungsprozesse aus der Halbleiterindustrie zurückgegriffen werden. Vorzugsweise kann hierfür mindestens ein Fertigungsprozess, ausgewählt aus Fotolithografie, Trockenätzen, Nassätzen, Plasmaätzen, chemische Gasphasenabscheidung, Waferbonden, Stacking und IC Packaging, verwendet werden. Für weitere Einzelheiten zur Herstellung kann bevorzugt auf die Darstellung in US 7,708,873 B2 zurückgegriffen werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Systems zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen. Das Verfahren umfasst die nachfolgend beschriebenen Schritte, welche insbesondere in der beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden können. Jedoch ist auch eine andere Reihenfolge möglich, oder eine zeitliche Überlappung der Durchführung der Verfahrensschritte oder eine zumindest teilweise gleichzeitige Durchführung der Verfahrensschritte. Das Verfahren kann weitere Verfahrensschritte umfassen, welche nicht genannt sind.
Das Verfahren zur Herstellung eines Systems zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfasst hierbei die folgenden Schritte:

(I) Herstellen einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß dem Verfahren zu Herstellung der Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen; und
(II) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen oder zum Betrieb eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen.
Das Verfahren umfasst es, mindestens ein Elektrodentripel, bevorzugt mindestens zwei Elektrodentripel, durch die steuerbaren Mittel derart mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen, dass die Flüssigkeit strömt. Dabei kann die elektrische Spannung insbesondere in Form eines Drehstroms aufgebracht werden, wobei der Drehstrom eine Frequenz von 1 kHz bis 1000 kHz, bevorzugt von 5 kHz bis 100 kHz, besonders bevorzugt von 10 kHz, und eine Amplitude von 0,005 V bis 10 V beträgt, bevorzugt von 0,01 V bis 0,1 V, besonders bevorzugt von 0,025 V, aufweist.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorliegenden Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung und des Systems verwiesen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogram, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen oder eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen auszuführen. Das Computerprogramm kann hierbei insbesondere mindestens einen Compiler umfassen, wobei der mindestens eine Compiler dazu eingerichtet ist, Befehle des Computerprogramms in die Maschinensprache zur Ansteuerung mindestens einer Komponente des Systems zu übersetzen.
Die vorliegende Anordnung und das vorliegende System eignen sich insbesondere zur Anwendung und zur Bereitstellung eines Labors im Mikromaßstab. Insbesondere können die vorliegende Anordnung und das vorliegende System als Plattformtechnologie zur Manipulation und Charakterisierung von zu untersuchenden Proben, beispielsweise von Proteinen und/oder Medikamenten, genutzt werden. Hierbei kommen insbesondere sämtliche Proben und/oder Substanzen infrage, die üblicherweise in der Chemie und/oder in der Biochemie gehandhabt werden, und welche in und/oder mit Transportflüssigkeiten transportiert und gehandhabt werden können. Beispielsweise können mit der vorliegenden Anordnung und mit dem vorliegenden System chromatografische Verfahren zur Charakterisierung von Proteinen, insbesondere von Wirkstoffen von Medikamenten, umgesetzt werden. Weiterhin können aber auch biologische Proben, wie beispielsweise Zellen, transportiert werden, insbesondere ohne Beschädigung, da die vorliegende Anordnung und das vorliegende System keine Kanten oder Ähnliches aufweist, die solche Proben üblicherweise beschädigen können.
Neben der Analyse können aber auch synthetische Verfahren umgesetzt werden. Beispielsweise können in einer weiteren Anwendung der vorliegenden Anordnung und des vorliegenden Systems Synthesereaktionen umgesetzt werden, bei denen Edukte A und B über Zwischenprodukte zu C und weiter nach D reagieren. Wird ein Reaktant E hinzugegeben kann gegebenenfalls die Reaktion nach D unterbrochen werden, sodass das Zwischenprodukt C gewonnen werden kann. Wenn das Zwischenprodukt C nur eine kurze Lebensdauer hat, eignet sich die vorliegende Anordnung und das vorliegende System besonders, da ein Labor mit den geringen Abmessungen und kurzen Ansprechzeiten umgesetzt werden kann, in dem der Stoff C ohne das unerwünschte Produkt D oder nur mit geringer Bildung des unerwünschten Produkts D synthetisiert werden kann. Somit können insbesondere Reaktionen mit konkurrierenden Strömungspfaden wirtschaftlich durchgeführt werden, da hier die Zeitskalen von Reaktionen, Transport und Mischung aufeinander abgestimmt werden können.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das Verfahren zum Betrieb der Anordnung oder des Systems in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um das Verfahren zum Betrieb der Anordnung oder des Systems in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger und/oder einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Der Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“, wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Datenspeicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem computer-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random-Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder umfassen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Datenträger, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das Verfahren zum Betrieb der Anordnung oder des Systems in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um das Verfahren zum Betrieb der Anordnung oder des Systems in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein moduliertes Datensignal, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens zum Betrieb der Anordnung oder des Systems nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
Im Hinblick auf die computer-implementierten Aspekte der vorliegenden Erfindung können einer, mehrere oder sogar alle Verfahrensschritte des Verfahrens zum Betrieb der Anordnung oder des Systems gemäß einer oder mehreren der hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Somit können, allgemein, jegliche der Verfahrensschritte des Verfahrens zum Betrieb der Anordnung oder des Systems, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Allgemein können diese Schritte jegliche dieser Verfahrensschritte umfassen, ausgenommen der Schritte, welche manuelle Arbeit erfordern, beispielsweise das Bereitstellen von Proben und/oder bestimmte Aspekte der Durchführung tatsächlicher Messungen und/oder Synthesen.
Hierin werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems in einer schematischen Seitenansicht;
2 ein Ausführungsbeispiel eines Elektrodentripels in Draufsicht;
3A und 3B ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen in Draufsicht;
4A bis 4C ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen in Draufsicht;
5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen in Draufsicht;
6A bis 6D Ausführungsbeispiele eines elektrischen Verbindungselements zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System;
7A bis 7C Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Systems in Draufsicht;
8 ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinheit zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System;
9 ein Ausführungsbeispiel einer gekoppelten Ansteuerung der Steuereinheit in dem erfindungsgemäßen System;
10 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems in Draufsicht;
11A und 11B beispielhafte Verwendungen eines erfindungsgemäßen Systems zum Transport diffuser Proben; und
12 ein Flussdiagram eines Ausführungsbeispiels eines Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 110 in einer schematischen Seitenansicht. Das System umfasst mindestens eine Anordnung 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der in den folgenden Figuren näher beschriebenen Ausgestaltungen. Weiterhin umfasst das System 110 mindestens eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen 116.
Die Anordnung 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen 118, die sich in einer Flüssigkeit 120 befinden, umfasst ein Substrat 122 mit steuerbaren Mitteln 124 zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen für eine Vielzahl von sich auf einer Oberfläche 126 des Substrats 122 befindlichen Elektrodentripeln 128. In 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein Ausschnitt des Systems 110 und der Anordnung 112 gezeigt, wobei der Ausschnitt ein einzelnes Elektrodentripel 128 umfasst. Insbesondere in den folgenden 3 bis 5 ist die von der Anordnung 112 umfasste Vielzahl der Elektrodentripel 128 dargestellt.
Ein Elektrodentripel 128 kann insbesondere drei voneinander getrennt ausgestaltete Elektroden 130 umfassen. Dabei können die Elektroden 130 eines Elektrodentripels 128 derart in einem räumlichen Abstand 132 zueinander angeordnet sein, dass der räumliche Abstand 132 der Elektroden 130 bevorzugt einen Wert von 0,05 µm bis 10 µm annimmt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 130 innerhalb eines Elektrodentripels 128 äquidistant angeordnet. Jedoch sind auch variierende räumliche Abstände 132 zwischen den Elektroden 130 eines Elektrodentripels 128 möglich.
Weiterhin können die steuerbaren Mittel 124 dazu eingerichtet sein, die elektrische Spannung derart an die Vielzahl der Elektrodentripel 128 bereitzustellen, dass die elektrische Spannung an jeder von dem Elektrodentripel 128 umfassten Elektroden 130 um eine Phasendifferenz zueinander verschoben ist. Die Phasenverschiebung zwischen den von dem Elektrodentripel 128 umfassten Elektroden 130 kann insbesondere von dem räumlichen Abstand 132 abhängen. Die Phasenverschiebung zwischen den Elektroden 130 wird in der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere in den 2 bis 5, näher erläutert.
Wie in 1 dargestellt, können die Elektrodentripel 128 sich nicht nur auf der Oberfläche 126 des Substrats 122 befinden, sondern zusätzlich auch zumindest teilweise von der Oberfläche 126 des Substrats 122 aufgenommen sein. Die auf der Oberfläche 126 des Substrats 122 angebrachte Vielzahl an Elektrodentripel 128 kann insbesondere durch eine isolierende Schicht 134 von einem Strömungsbereich 136 der Flüssigkeit 120 getrennt sein. Die isolierende Schicht 134 kann dabei besonders bevorzugt eine ebene Oberfläche 138 und/oder eine glatte Oberfläche 140 für die Flüssigkeitsströme 114 bilden.
Die Vielzahl der Elektrodentripel 128 ist derart angeordnet, dass die Elektrodentripel 128 bei Anlegen einer elektrischen Spannung zumindest zwei voneinander unabhängige bewegliche elektrische Feldkomponenten 142 erzeugen, die jeweils eine Kraft 144 auf die elektrisch geladenen Teilchen 118 bewirken, wodurch die Flüssigkeit 120 in zumindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen 146 auf dem Substrat 122 bewegbar ist. In 1 ist aufgrund der seitlichen Ansicht des Systems 110 und der Anordnung 112 lediglich eine elektrische Feldkomponente 142 und eine Richtung 146 sichtbar. Die mindestens eine weitere elektrische Feldkomponente 142 und die mindestens eine weitere Richtung 146 würde beispielsweise in die Bildebene hinein oder aus der Bildebene heraus zeigen.
Die elektrische Spannung an den Elektroden 130 eines Elektrodentripels 128 kann insbesondere durch die Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen 116 bereitgestellt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen 116 eine Drehstromquelle 148 und/oder einen Drehstromgenerator 150 umfassen. Die Vielzahl der Elektrodentripel 128 kann insbesondere mit einer Wechselspannung, besonders bevorzugt mit einem Drehstrom, beaufschlagt werden.
An der ebenen Oberfläche 138 und/oder an der glatten Oberfläche 140 der isolierenden Schicht 134 kann sich durch Kontakt mit der Flüssigkeit 120 ein Gebiet 152 ausbilden, in dem ein Ladungsungleichgewicht zwischen positiv elektrisch geladenen Teilchen 118 und negativ elektrisch geladenen Teilchen 118 herrscht. In diesem Gebiet 152 kann insbesondere eine elektrische Doppelschicht in der Flüssigkeit 120 ausgebildet sein, insbesondere da auf der ebenen Oberfläche 138 und/oder auf der glatten Oberfläche 140 üblicherweise Oberflächenladungen (nicht dargestellt) vorhanden sind. In diesem Gebiet 152 kann durch die auf die elektrisch geladenen Teilchen 118 wirkende Kraft 144 eine Volumenkraft auf die Flüssigkeit 120 übertragen werden, wodurch die Flüssigkeit 120 bewegbar ist. In einem weiteren Gebiet 154 kann in ausreichender Entfernung zu der ebenen Oberfläche 138 und/oder an der glatten Oberfläche 140 der isolierenden Schicht 134 ein Gleichgewicht zwischen den elektrisch geladenen Teilchen 118 vorliegen. Auch in diesem Gebiet 154 können Flüssigkeitsströme 114 durch viskose Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit 120 im Gebiet 152 und der Flüssigkeit 120 im neutralen Gebiet 154 induziert werden.
Ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 oder zum Betrieb des Systems 110 umfasst also das Beaufschlagen des mindestens einen Elektrodentripels 128, bevorzugt mindestens zweier Elektrodentripel 128, durch die steuerbaren Mittel 124 mit einer elektrischen Spannung derart, dass die Flüssigkeit 120 strömt. Die elektrische Spannung kann dabei besonders bevorzugt in Form eines Drehstroms aufgebracht werden, wobei der Drehstrom eine Frequenz von 1 kHz bis 1000 kHz, besonders bevorzugt von 10 kHz, und eine Amplitude von 0,01 V bis 10 V, besonders bevorzugt von 0,025 V, aufweist.
Das System 110 kann insbesondere weitere, optionale Komponenten umfassen. Weitere Ausführungsbeispiele des Systems 110 finden sich in den folgenden Figuren, insbesondere in den 7A bis 7C und in 10.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Elektrodentripels 128 in einer Draufsicht gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Elektroden 130 des Elektrodentripels 128 eine gleichartige geometrische Form auf. Wie in 1 zu sehen, weisen die Elektroden 130 eine längliche, rechteckige Form auf. Es ist jedoch auch möglich, dass die Elektroden 130 andere Formen und/oder ungleichartige Formen aufweisen. Die Elektroden 130 können insbesondere mit ihrer länglichen Form in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sein. Werden diese Elektroden 130 mit der elektrischen Spannung beaufschlagt, so kann das Elektrodentripel 128 einen Flüssigkeitsstrom 114 in West-Ost-Richtung bzw. in Ost-West-richtung je nach Drehrichtung der elektrischen Spannung erzeugen. Dabei werden die Elektroden 130 des Elektrodentripels 128, wie oben bereits erwähnt, derart von den steuerbaren Mitteln 124 mit der elektrischen Spannung beaufschlagt, dass die Elektroden 130 des Elektrodentripels 128 eine Phasendifferenz zueinander aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel weist die elektronische Spannung an den Elektroden 130 des Elektrodentripels 128 eine Phasendifferenz von 120° zueinander auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist also eine erste Elektrode 156 eine Phase φ, eine zweite Elektrode 158 eine Phase φ+120° und eine dritte Elektrode 160 eine Phase φ+240° auf, wobei die Phase φ jeden beiliegen Wert von 0° bis 360°n, wobei n = 0, ±1, ±2, ..., annehmen kann. Andere Phasendifferenzen zwischen den Elektroden 130 des Elektrodentripels 128 sind jedoch ebenfalls möglich.
Die 3A bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 in einer Draufsicht. Dabei ist zunächst in den 3A und 3B beispielhaft eine quadratische Form der Anordnung 112 gewählt. Wie in 3A dargestellt, umfasst die Anordnung 112 die Vielzahl der Elektrodentripeln 128, welche auf der Oberfläche 126 des Substrats 122 angeordnet sind. Die von der Anordnung 112 umfassten Elektrodentripeln 128 können dabei insbesondere wie in 2 dargestellt ausgestaltet sein. In diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Anordnung 112 sechs Elektrodentripel 128 mit jeweils drei Elektroden 130, d.h. insgesamt 18 Elektroden.
Ein Teil der von der Anordnung 112 umfassten Elektrodentripel 128 kann dabei unverändert in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sein, wobei diese Elektrodentripel 128 Flüssigkeitsströme 114 in West-Ost-Richtung bzw. in Ost-West-Richtung erzeugen können. Ein anderer Teil der von der Anordnung 112 umfassten Elektrodentripel 128 kann im Vergleich zu ersteren Elektrodentripeln 128 um einen Winkel gedreht sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist der andere Teil der von der Anordnung 112 umfassten Elektrodentripel 128 um 90° gedreht. Andere Winkel und Geometrien in der Anordnung sind jedoch ebenfalls möglich, wie insbesondere in 5 dargestellt. Der andere Teil der von der Anordnung umfassten Elektrodentripel 128 kann also in West-Ost-Richtung ausgerichtet sein, wobei diese Elektrodentripel 128 Flüssigkeitsströme 114 in Nord-Süd-Richtung bzw. in Süd-Nord-Richtung erzeugen können.
Eine mögliche Beschaltung der in 3A gezeigten Anordnung 112 ist in 3B gezeigt. Hier sind die von der Anordnung 112 umfassten steuerbaren Mittel 124 in einer Draufsicht gezeigt. Die steuerbaren Mittel 124 können auf der Oberfläche 126 des Substrats 122 aufgebracht und/oder von einem Volumen des Substrats 122 aufgenommen sein. Insbesondere können die steuerbaren Mittel 124 jedoch in einer Ebene unter der Vielzahl an Elektrodentripeln 128 in dem Substrat 122 oder unterhalb des Substrats 122 angeordnet sein.
Wie in 3B dargestellt, können die steuerbaren Mittel 124 eine Vielzahl an Leiterbahnen 162 und eine Vielzahl an elektrischen Anschlüssen für die Elektroden 164 aufweisen. Die elektrischen Leiterbahnen 162 können über die elektrischen Anschlüsse für die Elektroden 164 eine elektrisch leitende Verbindung zu den von der Vielzahl an Elektrodentripeln 128 umfassten Elektroden 128 herstellen. Die steuerbaren Mittel 124 können insbesondere eine der Vielzahl an Elektroden 130 entsprechenden Anzahl an elektrischen Leiterbahnen 162 und an elektrischen Anschlüssen für die Elektroden 164 umfassen. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen die steuerbaren Mittel 124 folglich je 18 Leiterbahnen 162 und elektrische Anschlüsse für die 18 Elektroden 130. Die steuerbaren Mittel können weiterhin elektrische Anschlüsse für Antriebselemente 166 aufweisen. Die elektrischen Anschlüsse für Antriebselemente 166 können insbesondere auf einer Berandung 168 der steuerbaren Mittel 124 angeordnet sein. Die Abmessungen der steuerbaren Mittel 124 und der Elektroden 130 können insbesondere miteinander übereinstimmen. Dies kann insbesondere eine Fertigung der Anordnung 112 mit gleicher Fertigungstechnologie sowohl auf der Ebene der steuerbaren Mittel 124 wie auch auf der Ebene der Elektroden 130 begünstigen.
Eine alternative Beschaltung der in 3A gezeigten Anordnung 112 ist in den 4A bis 4C gezeigt. Dabei ist in 4A eine erste Ebene der Anordnung 112, in 4B eine zweite Ebene der Anordnung 112 und in 4C eine dritte Ebene der Anordnung 112 in jeweils einer Draufsicht gezeigt. In 4A ist die erste Ebene der Anordnung 112 mit der darin angeordneten Vielzahl an Elektrodentripeln 128 gezeigt. 4B zeigt eine zweite, mittlere Ebene der Anordnung 112 mit den darin angeordneten elektrischen Anschlüssen für die Elektroden 164 der steuerbaren Mittel 124. In 4C ist eine dritte, unterste Ebene der Anordnung 112 mit den darin angeordneten Leiterbahnen 162 der steuerbaren Mittel 124 dargestellt. Wie in 4C dargestellt, können die steuerbaren Mittel 124 auch lediglich eine der Vielzahl an Elektrodentripel 128 entsprechenden Anzahl an Leiterbahnen 162 umfassen. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen die steuerbaren Mittel also nur sechs Leiterbahnen 162 im Unterscheid zu den 18 Leiterbahnen 162 in 3B. Mit den elektrischen Anschlüssen 164 kann die Vielzahl der Elektrodentripel 128 elektrisch kontaktiert werden. Weiterhin können die steuerbaren Mittel 124 zusätzliche elektrische Anschlüsse 170 aufweisen, wobei die zusätzlichen elektrischen Anschlüsse 170 ausgewählte Elektroden 130 untereinander verbinden. Die so verbundenen Elektroden 130 können insbesondere aus verschiedenen, benachbarten Elektrodentripeln 128 ausgewählt sein. Beispielsweise kann eine erste Elektrode 156 eines Elektrodentripels 128 mit einer ersten Elektrode 156 eines anderen, benachbarten Elektrodentripels 128 über die zusätzlichen elektrischen Anschlüsse verbunden sein. Ebenso können die zweiten Elektroden 158 und dritten Elektroden 160 benachbarter Elektrodentripel 128 verbunden sein.
5 zeigt eine alternative Geometrie der Anordnung 112. Hier ist die Vielzahl der Elektrodentripel 128 in einer hexagonalen Form angeordnet. Dabei können die Elektrodentripel 128 jeweils in einem Winkel von 60° zueinander gedreht sein. Auch in diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Anordnung 112 sechs Elektrodentripel 128. Bei Anlegen der elektrischen Spannung an die Vielzahl der Elektrodentripel 128 können hier jedoch mindestens drei voneinander unabhängige elektrische Feldkomponenten erzeugt werden: So kann mit diesem Ausführungsbeispiel je eine elektrische Feldkomponente in West-Ost-Richtung, eine elektrische Feldkomponente in Südwest-Nordost-Richtung und eine elektrische Feldkomponente in Südost-Nordwest-Richtung erzeugt werden.
In den 6A bis 6D sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines elektrischen Verbindungselements 172 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System 110 gezeigt. Dazu ist in den 6A bis 6D das System 110 auf seiner Leiterebene gezeigt. Das in den 6A bis 6D gezeigte Ausführungsbeispiel des Systems 110 weist zwölf Anordnungen 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 auf, die in einem matrixförmigen Verbund 174 in Zeilen 176 und Spalten 178 derart angeordnet sind, dass ein gemeinsamer Strömungsbereich 136 der Flüssigkeit 120 über die Anordnungen 112 hinweg entsteht. Dabei können besonders bevorzugt Anordnungen 112 in einer aus den in 3A bis 4C gezeigten Ausführungsformen verwendet werden.
Das elektrische Verbindungselement 172 kann dazu eingerichtet sein, mindestens zwei Anordnungen 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 in dem System 110 elektrische miteinander zu verbinden. In dem Ausführungsbeispiel aus 6A kann das elektrische Verbindungselement an einem Ende einer Spalte 178 angeordnet sein, um mindestens zwei Anordnungen 112 über zwei benachbarte Spalten 178 hinweg verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann das elektrische Verbindungselement 172 auch am Ende einer Zeile angeordnet sein. In 6B ist ein schematisches Ausführungsbeispiel des elektrischen Verbindungselements 172 gezeigt, wobei hier das elektrische Verbindungselement 172 in Schichten unterhalb der Anordnungen 112 ausgeführt ist. In dieser Ausführungsform kann das elektrische Verbindungselement 172 auch inmitten einer Zeile 176 und/oder einer Spalte 178 angeordnet sein. Ein solches Beispiel ist in 6C gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine weitere elektrische Leitungsbahn 180 vorgesehen. In 6D ist schließlich eine vereinfachte Darstellung der Anordnung 112 mit einem darunterliegenden elektrischem Verbindungselement 172 gezeigt. In 6D ist dies durch die Schraffur auf der Anordnung 112 dargestellt.
In den 7A bis 7C sind weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Systems 110 in einer Draufsicht gezeigt. Dabei sind auch in diesen Ausführungsbeispielen die von dem System 110 umfasste Vielzahl an Anordnungen 112 in dem matrixförmigen Verbund 174 angeordnet. Beispielsweise umfasst das in 7A gezeigte System 110 32 Anordnungen 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114. Eine andere Anzahl von Anordnungen 112 ist jedoch möglich. Die Anordnungen 112 können hierbei in Richtung und Geschwindigkeit identische oder verschiedene Flüssigkeitsströme 114 erzeugen. Analog zu 6D sind die in den 7A bis 7C durch das elektrische Verbindungselement 172 verbundenen Anordnungen 112 schraffiert dargestellt.
Das System 110 kann, wie in 7A dargestellt, mindestens eine Steuereinheit 182 aufweisen. Die Steuereinheit 182 kann eingerichtet sein, das Anlegen der elektrischen Spannung an die Vielzahl der Elektrodentripel 128 mittels der steuerbaren Mittel 124 zu steuern. So kann die Steuereinheit 182 zur Steuerung der Richtung und Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströme 114 auf den einzelnen Anordnungen 112 eingerichtet sein. Die Steuereinheit 182 kann über einen Datenbus 184 mit einem Eingangssignal beaufschlagt werden. Ein Ausführungsbeispiel der Steuereinheit 182 ist in 8 detailliert beschrieben. Für die Beschreibung der Steuereinheit 182 wird auf die Beschreibung von 8 verwiesen.
Über die elektrischen Anschlüsse für Antriebselemente 166 können die Anordnungen 112 mit der Steuereinheit 182 verbunden sein. Dafür kann die Steuereinheit 182 mindestens eine Verbindungsstelle 186 aufweisen, besonders bevorzugt eine Vielzahl an Verbindungsstellen 186, an denen die Steuereinheit 182 mit den elektrischen Anschlüssen für Antriebselemente 166 der Anordnungen 112 verbunden sein kann. Ebenso kann die Steuereinheit 182 mindestens eine weitere Verbindungstelle 188 zu dem Datenbus 184 aufweisen.
Alternativ kann das System 110 auch, entsprechend der in 7B gezeigten Ausführungsform, zwei Steuerelemente 182 umfassen. In diesem Ausführungsbeispiel können die Steuerelemente 182 getrennt voneinander in dem System 110 angeordnet sein. Dies kann insbesondere die Kontaktierung mit der von dem System 110 umfassten Vielzahl an Anordnungen 112 erleichtern.
Zusätzlich kann das System 110, wie in 7C dargestellt, mindestens ein Flüssigkeitsreservoir 190 umfassen. Das Flüssigkeitsreservoir 190 kann eingerichtet sein, die Flüssigkeit 120, in welcher sich zumindest teilweise die elektrisch geladenen Teilchen 118 befinden, zu bevorraten. Das Flüssigkeitsreservoir 190 kann über mindestens einen Verbindungskanal 192 mit der Anordnung 112, bevorzugt mit der von dem System 110 umfassten Vielzahl an Anordnungen 112 verbunden sein. Das Flüssigkeitsreservoir 190 kann also dazu eingerichtet sein, der Anordnung 112, bevorzugt der Vielzahl an Anordnungen 112, die Flüssigkeit 120 über den mindestens einen Verbindungskanal 192 zuzuführen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Flüssigkeitsreservoir 190 zwei Verbindungskanäle 192, wobei je ein Verbindungskanal 192 für eine Flussrichtung 194 der Flüssigkeit 120 zu der Anordnung 112 hin bzw. von der Anordnung 112 weg vorgesehen ist.
In einer möglichen Ausführungsform kann der Verbindungskanal 192 eine Vielzahl an Elektroden 196 umfassen, die mit Wechselstrom beaufschlagt werden können, wodurch mittels Elektroosmose ein Transport der Flüssigkeit 120 ermöglicht wird. In einer alternativen Ausführungsform kann an dem Flüssigkeitsreservoir 190 eine Spannungsquelle 198 über einen Kontakt 200 angeschlossen werden. Das System 110 kann dagegen über eine Erdung 202 verfügen, sodass eine Potentialdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsreservoir 190 und dem System 110 anliegt. Auf den Wänden des Verbindungskanals 192 können elektrische Wandladungen aufgebracht sein, sodass ein Transport der Flüssigkeit 120 aufgrund der Potentialdifferenz zwischen Flüssigkeitsreservoir 190 und System 110 je nach Polarität der Wandladung und/oder Polarität der Potentialdifferenz in beiden Richtungen möglich ist.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Steuereinheit 182 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System 110. Die Steuereinheit 182 kann als passive Steuereinheit oder als aktive Steuereinheit 204 ausgeführt sein. In 8 ist ein Ausführungsbeispiel einer aktiven Steuereinheit 204 gezeigt. Die aktive Steuereinheit 204 kann mindestens einen Mikroprozessor 206 umfassen. Der Mikroprozessor 206 kann über einen Anschlusspunkt 208 mindestens ein Eingangssignal von dem Datenbus 184 empfangen.
Die aktive Steuereinheit 204 kann das mindestens eine Eingangssignal in mindestens einem Speicherelement 208, bevorzugt auf einem digitalen Speicher, ablegen. Das Eingangssignal kann insbesondere Informationen darüber enthalten, welche der Elektrodentripeln 128 mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden sollen. Die aktive Steuereinheit 204 kann weiterhin mit mindestens drei Stromleitern von außen mit der notwendigen Leistung versorgt werden. Eine Weiterleitung der angelegten elektrischen Spannung zu den elektrischen Leiterbahnen 162, welche zu den Elektrodentripeln 128 führen kann nur erfolgen, wenn das entsprechende Speicherelement 208 in der aktiven Steuereinheit 204 den entsprechenden Zustand aufweist. Eine Drehrichtung der Wechselspannung an den Elektrodentripeln 128 kann über eine gespeicherte Information über die Drehrichtung der Wechselspannung festgelegt sein. Das Aktivsignal und die Information über die Drehrichtung der Wechselspannung, welches in dem Speicherelement 208 abgelegt ist und das Analogsignal der elektrischen Spannung können mittels einem Analogschaltern 210 derart verknüpft werden, dass nur die gewünschten Elektrodentripel 128 mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden.
Die Beaufschlagung des mindestens einen Speicherelements 208 in der aktiven Steuereinheit 204 kann, in vorteilhafter Weise, als Schieberegister 212 erfolgen. Das zu speichernde Eingangssignal kann über den Datenbus 184 auf die aktive Steuereinheit 204 übertragen werden. Neben dem Datenbus kann ein Taktsignal von außen zugeführt werden. Zur Minimierung der notwendigen Busarchitektur, kann auch die Funktion des Datenbusses, der Spannungsversorgung und des Taktsignals über einen Bus umfassend mindestens zwei Leiter erfolgen. Hierdurch können Zuleitungen zu der aktiven Steuereinheit 204 gespart werden.
Während das Schieberegister 212 die Informationen an die richtige Position verschiebt, kann eine Weitergabe von unerwünschten Zwischenzuständen an die Elektrodentripeln 128 durch Unterbrechung der Analogschalter 210 in der aktiven Steuereinheit 204 unterdrückt werden. Wie in 8 dargestellt, können mehrere Registerebenen 212 bereitgestellt werden. Jede Registerebene 212 kann mindestens einen Speicher für den Aktivzustand und die Information über die Drehrichtung der Wechselspannung der Elektrodentripel 128 umfassen. Somit können Zwischenspeicherebenen seriell mit Informationen über den Datenbus 184 befüllt werden, ohne dass sich der Zustand einer aktiven Registerebene 212 und damit der Elektrodentripeln 128 ändert. Wenn ein Speicherzustand einer Zwischenspeicherebene den gewünschten Zustand erreicht hat, kann durch einen einzigen Kopiervorgang, beispielsweise einem Write-Befehl, der Inhalt der Zwischenspeicherebene auf die aktive Registerebene 212 parallel kopiert werden. Alle Elektrodentripel 128 des Systems 110 können so gleichzeitig neu gesetzt werden.
Alternativ kann die Steuereinheit 182 auch als passive Steuereinheit ausgeführt sein. Die passive Steuereinheit kann die Kontaktierung von Zeilen- und Spaltenleiterbahnen an einem Rand des System 110 umfassen. Angesteuert werden können die Elektrodentripel 128 an Kreuzungspunkten der Zeilen- und Spaltenleiterbahnen. Besonders bevorzugt können jeweils 3 Zeilen- und 3 Reihenleiterbahnen gleichzeitig mit der elektrischen Spannung beaufschlagt werden. Das in 7A beispielhaft dargestellte System 110 umfasst 32 Anordnungen 112 und muss somit mit bis zu 64 Drehstromsignalen versorgt werden. In der passiven Steuereinheit kann die Versorgung durch Multiplexen mit einer hohen Schaltfrequenz und anschließender Glättung mit Kondensatoren erfolgen.
In 9 ist ein Ausführungsbeispiel einer gekoppelten Ansteuerung der Steuereinheit 182 in dem erfindungsgemäßen System 110 dargestellt. Das Eingangssignal 214 kann für jede Zeile, hier durchnummeriert von A bis H, und für jede Spalte, hier durchnummeriert von I bis VIII, jeweils das mindestens eine Aktivsignal und die mindestens eine Information über die Drehrichtung der Wechselspannung an den Elektrodentripeln 128 umfassen.
Das mindestens eine Aktivsignal und die Information über die Drehrichtung der Wechselspannung können für jedes Elektrodentripel 130 einer Anordnung 112, die Flüssigkeitsströme 114 in eine Richtung 146 erzeugen, verschiedene Zustände annehmen. Beispielweise kann das Aktivsignal für Elektrodentripel 130 in West-Ost-Richtung die Zustände An (1) bzw. Aus (0) annehmen. Die Information über die Drehrichtung der Wechselspannung kann eine Information über die Richtung 146 enthalten, beispielsweise einen Zustand (+) für Flüssigkeitsströme 114 in West-Ost-Richtung oder einen Zustand (-) für Flüssigkeitsströme 114 in Ost-West-Richtung. Ebenso können für Elektrodentripel 130 in Nord-Süd-Richtung das Aktivsignal und die Information über die Drehrichtung der Wechselspannung entsprechende Zustände annehmen. So können an der einen Anordnung 112 neun verschiedene Strömungszustände umgesetzt werden, wobei die Strömungszustände jede mögliche Himmelsrichtung und auch den Zustand „keine Strömung“ annehmen können. In diesem Beispiel, können zur Speicherung der Strömungszustände mindestens sechs Speicherelemente 208 vorgesehen sein. Allgemein kann die Anzahl N der Speicherelemente 208 pro Anordnung 112 N = 2 * (2 * n + 1) betragen, wobei n eine Amplitude des Aktivsignals bezeichnet.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 110 in einer Draufsicht. Das in 10 dargestellte Ausführungsbeispiel kann insbesondere als Fluid-Maschine 216 verwendet werden. Die Fluid-Maschine 216 kann einen Einlass 218 aufweisen, in welchen die Flüssigkeit 120 durch Pipettieröffnungen 220 zugeführt werden kann. Über ein Anbindungselement 222 kann die Flüssigkeit 120 den von dem System 110 umfassten Anordnungen 112 zugeführt werden. Das Anbindungselement 222 kann dabei insbesondere mindestens einen Flüssigkeitskanal 224 umfassen. Das System 110 kann eine Vielzahl von Anordnungen 112 umfassen, welche die auszuführenden Rechenoperationen der Fluid-Maschine 216 in Misch-, Auswahl- und/oder Transportprozesse der Flüssigkeit 120 umsetzen können. Die Vielzahl der Anordnungen 112 kann dabei auch als Fluid-Prozesseinheit 226 bezeichnet werden.
Die Fluid-Maschine 216 kann weiterhin über einen Auslass 228 verfügen, der insbesondere analog zu dem Einlass 218 ausgestaltet sein kann. Weiterhin kann die Fluid-Maschine 216 eine Vielzahl an Speicherelementen 230 aufweisen, welche zur Zwischenlagerung der Flüssigkeit 120 eingerichtet sein können. Die Speicherelemente 230 können insbesondere als RAM-Speicher verwendet werden und über Anbindungselemente 222 mit der Fluid-Prozesseinheit 226 verbunden sein.
Wie in 10 dargestellt, kann die Fluid-Maschine 216 über ein inneres Flüssigkeitsreservoir 232 verfügen, welches über Flüssigkeitskanäle 234 mit der Fluid-Prozesseinheit 226 verbunden ist. Die Flüssigkeitskanäle 224 der Anbindungselemente 222 können über eine Y-Gabelung mit den Flüssigkeitskanälen 234 des inneren Flüssigkeitsreservoirs 232 auf der Fluid-Prozesseinheit 226 zur Erhaltung der Kontinuität der Flüssigkeitsströme 114 verbunden sein. Zusätzlich kann die Fluid-Maschine ein äußeres Flüssigkeitsreservoir 236 aufweisen, welches dazu eingerichtet ist, das innere Flüssigkeitsreservoir 232 zu spülen. Weiterhin kann die Fluid-Maschine 216 weitere Anbauelemente 238, beispielweise zusätzliche Mischeinrichtungen und/oder Messeinrichtungen, aufweisen.
In den 11A und 11B sind beispielhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Systems 110 zum Transport diffuser Proben 240 gezeigt. Dabei sind Ausschnitte des Systems 110 in einem zeitlichen Ablauf dargestellt. Eine diffuse Probe kann dabei, wie in 11A gezeigt, in einer geschlossenen Stromröhre 242 in dem System 110 transportiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die diffuse Probe in West-Ost-Richtung 244 in dem System transportiert. In 11B ist der Transport der diffusen Probe zu einem Ausgang 246 gezeigt. Dabei kann die geschlossene Stromröhre 242 derart über den Ausgang 246 erweitert werden, dass die diffuse Probe 240 in den Ausgang 246 hinein transportiert werden kann.
12 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahren 248 zur Herstellung des Systems 110 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114. Das Verfahren 248 umfasst die nachfolgend näher genannten Schritte. Diese Schritte können in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden. Auch eine andere Reihenfolge ist jedoch grundsätzlich möglich. Weiterhin können zwei oder mehr der genannten Verfahrensschritte zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Weiterhin können einer oder mehrere der genannten Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren 248 kann über die genannten Schritte hinaus weitere Verfahrensschritte umfassen, welche nicht genannt sind.
Das Verfahren 248 zur Herstellung des Systems 110 umfasst:

(I) Herstellen 250 der Anordnung 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 mit den Schritten:
1. i) Bereitstellen 252 des Substrats 122;
2. ii) Aufbringen 254 von steuerbaren Mitteln 124 zur Beschaltung der Vielzahl an Elektroden 130, die,
3. iii) gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 256 in Elektrodentripeln 128 auf die Oberfläche 126 des Substrats 122 angebracht werden. und optional:
4. iv) Behandeln 258 der Oberfläche 126 des Substrats 122 derart, dass eine ebene Oberfläche 138 und/oder glatte Oberfläche 140 für die Flüssigkeitsströme 114 entsteht;
und
(II) Bereitstellen 260 der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen 116.

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorliegenden Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung 112 und des Systems 110 verwiesen.
Bezugszeichenliste

110: System
112: Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen
114: Flüssigkeitsstrom
116: Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen
118: elektrisch geladene Teilchen
120: Flüssigkeit
122: Substrat
124: steuerbare Mittel
126: Oberfläche des Substrats
128: Elektrodentripel
130: Elektrode
132: räumlicher Abstand der Elektroden
134: isolierende Schicht
136: Strömungsbereich
138: ebene Oberfläche
140: glatte Oberfläche
142: elektrische Feldkomponente
144: Kraft
146: Richtung
148: Drehstromquelle
150: Drehstromgenerator
152: Gebiet mit Ladungsungleichgewicht
154: neutrales Gebiet
156: erste Elektrode
158: zweite Elektrode
160: dritte Elektrode
162: Leiterbahn
164: elektrischer Anschluss für Elektrode
166: elektrischer Anschluss für Antriebselemente
168: Berandung
170: zusätzlicher elektrischer Anschluss
172: elektrisches Verbindungselement
174: matrixförmiger Verbund
176: Zeile
178: Spalte
180: elektrische Leitungsbahn
182: Steuereinheit
184: Datenbus
186: Verbindungsstelle zu Anordnung
188: Verbindungsstelle zu Datenbus
190: Flüssigkeitsreservoir
192: Verbindungskanal
194: Flussrichtung
196: Vielzahl an Elektroden
198: Spannungsquelle
200: Kontakt
202: Erdung
204: aktive Steuereinheit
206: Mikroprozessor
208: Speicherelement
210: Analogschalter
212: Registerebene
214: Eingangssignal
216: Fluid-Maschine
218: Einlass
220: Pipettieröffnungen
220: Anbindungselement
224: Flüssigkeitskanal
226: Fluid-Prozesseinheit
228: Auslass
230: Speicherelement
232: inneres Flüssigkeitsreservoir
234: Flüssigkeitskanal
236: äußeres Flüssigkeitsreservoir
238: Anbauelement
240: diffuse Probe
242: Stromröhre
244: West-Ost-Richtung
246: Ausgang
248: Verfahren zur Herstellung eines Systems
250: Herstellung einer Anordnung
252: Bereitstellen des Substrats
254: Aufbringen von steuerbaren Mitteln
256: Aufbringen von Elektroden in Elektrodentripeln
258: Behandeln der Oberfläche des Substrats
260: Bereitstellen der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2007/090531 A1 [0006, 0063, 0065]
US 7708873 B2 [0013, 0066, 0071]
US 2013/0146459 A1 [0015]

Claims

Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen (118), die sich in einer Flüssigkeit (120) befinden, umfassend ein Substrat (122) mit steuerbaren Mitteln (124) zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen für eine Vielzahl von sich auf einer Oberfläche (126) des Substrats (122) befindlichen Elektrodentripeln (128), wobei die Vielzahl der Elektrodentripel (128) derart angeordnet ist, dass die Elektrodentripel (128) bei Anlegen einer elektrischen Spannung zumindest zwei voneinander unabhängige bewegliche elektrische Feldkomponenten (142) erzeugen, die jeweils eine Kraft (144) auf die elektrisch geladenen Teilchen (118) bewirken, wodurch die Flüssigkeit (120) in zumindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen (146) auf dem Substrat (122) bewegbar ist.
Anordnung (112) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die steuerbaren Mittel (124) eingerichtet sind, die elektrische Spannung derart an die Vielzahl der Elektrodentripel (124) bereitzustellen, dass die elektrische Spannung an Elektroden (130) jeweils eines Elektrodentripels (128) um eine Phasendifferenz zueinander verschoben ist.
Anordnung (112) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die steuerbaren Mittel (124) weiterhin eingerichtet sind, die elektrische Spannung derart an die Vielzahl der Elektrodentripel (128) bereitzustellen, dass die an jeweils einer der Elektroden (130) jeden Elektrodentripels (128) anliegende elektrische Spannung eine Phasendifferenz von n·360°, n= 0, ±1, ±2, ..., aufweist.
Anordnung (110) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei die Phasendifferenz zwischen den Elektroden (130) innerhalb des Elektrodentripels (128) jeweils 120° bei äquidistanter räumlicher Anordnung der Elektroden (130) beträgt.
Anordnung (110) nach einem der drei vorangehenden Ansprüche, wobei die steuerbaren Mittel (124) eine Anzahl an elektrischen Leiterbahnen (162) umfassen, die mindestens der Vielzahl an Elektrodentripel (128) entspricht, höchstens jedoch der Anzahl der Elektroden (130) in den Elektrodentripeln (128).
Anordnung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei der Elektrodentripel (128) aus der Vielzahl der Elektrodentripel (128) derart zueinander angeordnet sind, dass die von jedem der Elektrodentripel (128) bei Anlegen der elektrischen Spannung erzeugten beweglichen elektrischen Feldkomponenten (142) einen Winkel von 30° bis 150° in einer durch die Oberfläche (126) des Substrats (122) ausgespannten Ebene zueinander annehmen.
Anordnung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend mindestens sechs Elektrodentripel (128) bei einer rechtwinkligen oder hexagonalen Anordnung der Vielzahl der Elektrodentripel (128).
Anordnung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der Elektrodentripel (128) durch eine isolierende Schicht (134) von einem Strömungsbereich (136) der Flüssigkeit (120) getrennt ist, wobei die isolierende Schicht (134) eine ebene Oberfläche (138) für die Flüssigkeitsströme (114) bildet.
System (110) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen (118), die sich in einer Flüssigkeit (120) befinden, umfassend mindestens eine Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen (116).
System (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die mindestens eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen (116) eine Drehstromquelle (148) oder einen Drehstromgenerator (150) umfasst.
System (110) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens ein Flüssigkeitsreservoir (190), wobei das Flüssigkeitsreservoir (190) eingerichtet ist, eine Flüssigkeit (120), in welcher sich zumindest teilweise elektrisch geladene Teilchen (118) befinden, zu bevorraten und über mindestens einen Verbindungskanal (192) der Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) zuzuführen.
System (110) nach einem der drei vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine Steuereinheit (182), wobei die Steuereinheit (182) eingerichtet ist, das Anlegen der elektrischen Spannung an die Vielzahl der Elektrodentripel (128) mittels der steuerbaren Mittel (124) zu steuern.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) nach einem der vorangehenden, eine Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) betreffenden Ansprüche, umfassend: i) Bereitstellen eines Substrats (122); ii) Aufbringen von steuerbaren Mitteln (124) zur Beschaltung einer Vielzahl an Elektroden (130), die iii) in Elektrodentripeln (128) auf eine Oberfläche (126) des Substrats (122) angebracht werden.
Verfahren zum Betrieb einer Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) nach einem der vorangehenden, eine Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) betreffenden Ansprüche oder eines Systems (110) nach einem der vorangehenden, ein System (110) betreffenden Ansprüche, wobei mindestens ein Elektrodentripel (128), bevorzugt mindestens zwei Elektrodentripel (128), durch die steuerbaren Mittel (124) derart mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, dass die Flüssigkeit (120) strömt.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die elektrische Spannung in Form eines Drehstroms aufgebracht wird, wobei der Drehstrom eine Frequenz von 1 kHz bis 1000 kHz und eine Amplitude von 0,01 V bis 10 V aufweist.
Computerprogram, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren zum Betrieb einer Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) oder eines Systems (110) nach einem der vorangehenden, ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung (112) oder eines Systems (110) betreffenden Ansprüche auszuführen.