DE102021121631A1

DE102021121631A1 - Mischanordnung

Info

Publication number: DE102021121631A1
Application number: DE102021121631.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Strobl; Georg Huber
Original assignee: Dionex Softron GmbH
Current assignee: Dionex Softron GmbH
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2023-02-23
Also published as: CN115707509A; US20230076719A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischanordnung zum Mischen eines Fluids, wobei die Mischanordnung umfasst: einen Fluidaufnahmeabschnitt, der dazu konfiguriert ist, das Fluid aufzunehmen, und eine Wellenquelle, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle zu generieren. Die Mischanordnung ist dazu konfiguriert, zumindest einen Teil der Schallwelle in das in dem Fluidaufnahmeabschnitt aufgenommene Fluid zu injizieren, um dadurch ein Mischen des Fluids in dem Fluidaufnahmeabschnitt zu bewirken. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Flüssigchromatografiesystem, ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Verwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Mischen von Fluiden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung und ein Verfahren zum Mischen von Fluiden, z. B. innerhalb von Pumpen oder Probenehmern.
Die vorliegende Erfindung wird mit einem besonderen Schwerpunkt auf dem Mischen von Fluiden in der Flüssigchromatografie (LC) - und insbesondere der Hochleistungsflüssigchromatografie (HPLC) beschrieben. HPLC und allgemeiner Flüssigchromatografie ist ein Verfahren zum Auftrennen von Proben in ihre Bestandteile, die nachgewiesen und quantifiziert werden können und/oder deren Anteile zur späteren Verwendung aufbewahrt werden können. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Technologie auch im Zusammenhang mit anderen Anwendungen verwendet werden kann, bei denen das Mischen von Fluiden, insbesondere in der Mikrofluidik, durchgeführt wird. Der Begriff Mischen kann sich auf laminare oder turbulente Strömung und auf zweidimensionale und dreidimensionale Mischszenarien beziehen.
Das Prinzip der Chromatografie basiert auf dem Injizieren einer Probe (z. B. mit einer Probenahmeeinheit) in einen Fluidweg, wobei eine mobile Phase, die z. B. flüssige Lösungsmittel umfasst, die von einer Pumpe bereitgestellt werden, diese zu und durch eine Chromatografiesäule transportiert, die eine stationäre Phase, z. B. ein festes poröses Material, umfasst. Die Trennung der einzelnen Bestandteile der Probe hängt von den Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen, der stationären Phase und der mobilen Phase ab. Je stärker im Allgemeinen ein Bestandteil mit der stationären Phase interagiert, umso länger kann es dauern, bis die mobile Phase ihn aus der Säule eluiert. Diese Interaktionen sind charakteristisch für die Bestandteile und führen somit zu entsprechenden charakteristischen Verweilzeiten für die Bestandteile, die von den spezifischen Bedingungen (z. B. Zusammensetzung der mobilen und der stationären Phase) abhängig sein können.
Die Trennung von Verbindungen kann durch Einstellen der Zusammensetzung der mobilen Phase im Laufe der Zeit beeinflusst werden, was als Lösungsmittelgradienten bezeichnet werden kann, wobei die Zusammensetzung typischerweise kontinuierlich geändert werden kann. Das heißt, typischerweise können zwei (oder mehr) verschiedene Lösungsmittel kombiniert werden. Die Wirksamkeit der Kombination kann von der Mischeffizienz abhängen. Somit können fluidische Vorrichtungen wie Mischer und Proportionalventile verwendet werden, wobei das Verhältnis der beiden Lösungsmittel im Lauf der Zeit verändert werden kann.
Im Allgemeinen kann die genaue Kenntnis der Durchflüsse für ein gutes Analyseergebnis einer HPLC-Messung vorteilhaft sein, da der Durchfluss die Analysegeschwindigkeit und die Reproduzierbarkeit direkt beeinflussen kann. Insbesondere wenn zwei oder mehr Komponenten in das System eingebracht werden, können Abweichungen in der Komponentenkonzentration die Ergebnisse verändern. Das Mischen kann beispielsweise dazu verwendet werden, Konzentrationen auszugleichen und/oder ein vorgegebenes Ausmaß an Mischen auf das Fluid anzuwenden.
Folglich kann eine gegebene Verbindung eluieren, sobald die Lösungsmittelzusammensetzung einen Schwellenwert überschreitet (z. B. eine bestimmte volumetrische Konzentration des Lösungsmittels A in einer Mischung aus den Lösungsmitteln A und B). Dieser Schwellenwert kann charakteristisch für diese gegebene Verbindung sein.
Mischer können das Mischen auf verschiedenen Wegen erreichen. Die Strömung in den Mischer kann in unterschiedlich lange Wege aufgeteilt werden, so dass die Volumenelemente der Strömung unterschiedlich lange brauchen, um den Mischer zu passieren. Dadurch werden aneinander angrenzende Volumenelemente mit ähnlicher Konzentrationszusammensetzung zunächst räumlich getrennt und in die unmittelbare Nähe von Volumenelementen mit unterschiedlicher Konzentrationszusammensetzung gebracht. Dadurch werden unbeabsichtigte momentane Variationen der Konzentrationszusammensetzungen ausgemittelt.
Nach den vorherrschenden Arbeitsprinzipien von HPLC-Pumpen sind Mischer eine zusätzliche Komponente, die dem System zusätzliches Volumen verleiht. Der Mischer hat konstruktionsbedingt eine innere Struktur, die eine Hochdruckdichtung zur Außenatmosphäre umfassen kann, für den Fall, dass der Mischer im Hochdruck-Teilabschnitt des Systems verwendet wird. Darüber hinaus ist eine Mischerkomponente durch die chemische Kompatibilität eingeschränkt, um die Fluidprobe nicht zu verunreinigen und/oder aufgrund des Kontakts mit dem Fluid zu korrodieren. Durch die Drehbewegung wird die Flüssigkeit in der Mischkammer verwirbelt und somit gemischt. Durch die Bewegung eines Mischgutes, z. B. eines Rührfisches, besteht ständig die Gefahr, dass durch Abrieb Partikel entstehen, die zu Verunreinigungen führen können.
Zusätzliches Fluidvolumen kann das Vorhandensein der gemischten Zusammensetzung an einer Trennsäule und/oder einem Detektor verzögern, was zu verlängerten Analyseintervallen führt. Ein Mischer kann typischerweise große Kräfte in der inneren Struktur des Mischers verursachen, die beim Abdichten des Mischers berücksichtigt werden können. Das Material des Mischers, der inneren Struktur und der Dichtung muss mit den verwendeten Flüssigkeiten chemisch kompatibel sein.
Bekannte Anordnungen zum Mischen von Fluiden basieren im Allgemeinen auf unterschiedlichen Arbeitsprinzipien: Impellermischer, Propellermischer, Turbinenmischer oder Paddelmischer. Jeder Mischertyp kann induktiv, magnetisch und/oder durch direkte mechanische Kopplung betrieben werden. Alternativ kann die Fluidweglänge variiert werden und/oder es können durch Strukturen innerhalb der Strömung Turbulenzen eingebracht werden.
Vor diesem Hintergrund besteht ein Ziel darin, die Mängel und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder zumindest zu mildern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mischanordnung bereitzustellen, die in Pumpen integriert werden kann und Mischen mit minimalem Fluidvolumen in der Anordnung ermöglicht.
Diese Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt.
In einer ersten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Mischanordnung zum Mischen eines Fluids. Die Mischanordnung umfasst einen Fluidaufnahmeabschnitt, der dazu konfiguriert ist, das Fluid aufzunehmen, und eine Wellenquelle, die dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle zu generieren. Die Mischanordnung ist dazu konfiguriert, zumindest einen Teil der Schallwelle in das in dem Fluidaufnahmeabschnitt aufgenommene Fluid zu injizieren, um dadurch ein Mischen des Fluids in dem Fluidaufnahmeabschnitt zu bewirken.
Mit anderen Worten kann die Mischanordnung dazu konfiguriert sein, zumindest einen Teil der Schallwelle in das Fluid einzukoppeln, das in dem Fluidaufnahmeabschnitt aufgenommen ist, und der Teil der Schallwelle, der in das Fluid eingekoppelt wurde, kann zum Mischen des Fluids führen.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann insbesondere ein Volumen sein, das einem vom Mischen verschiedenen Hauptzweck dient, z. B. ein Probenbehälter, ein Kolbenraum einer Pumpe, eine Flüssigkeitstransportleitung, ein Druckbehälter, ein Ausgleichsbehälter. Das Mischen des Fluids kann erreicht werden, indem die Wellenquelle akustisch an den Fluidaufnahmeabschnitt gekoppelt wird. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass das Mischen von Fluiden ohne Zugabe zusätzlicher Komponenten in den Fluidstrom realisiert werden kann. Vorhandene Fluidvolumina können funktionell erweitert werden, um Mischen des Fluids einzuschließen.
In Bezug auf Pumpen können konventionelle mechanische Mischer eine zusätzliche Komponente sein, die dem System zusätzliches Volumen bieten könnte. Ein solcher Mischer kann eine innere Struktur umfassen, die eine Hochdruckdichtung nach außen erfordert, wodurch möglicherweise eine weitere Schwachstelle in ein Hochdruckfluidsystem eingebracht wird. Außerdem müsste ein Mischer die chemische Kompatibilität des Fluidsystems aufrecht erhalten. Dadurch, dass kein(e) separate(s) Mischkomponente oder Mischvolumen in das Fluidsystem eingebracht wird, kann das Einbringen zusätzlicher Dichtungen und/oder mechanischer Mischkomponenten vermieden werden.
Ein zusätzliches Volumen könnte das Eintreffen einer Gemischzusammensetzung an einer Trennsäule und/oder einem Detektor auf nachteilige Weise verzögern. Daher würde eine Analyse mit immer größeren Volumina in immer längerer Bearbeitungszeit durchgeführt werden. Somit kann ein Mischen basierend auf der Wellenquelle vorteilhafterweise die Analysezeit verkürzen und/oder Fluidvolumina reduzieren.
Darüber hinaus kann ein erhöhtes Mischvolumen zu erhöhten Kräften oder Belastungen in der inneren Struktur des Mischers führen, was eine geeignete Abdichtungstechnik erforderlich machen kann. Insbesondere können in einem Mischer verwendete Materialien mit den verwendeten Flüssigkeiten chemisch kompatibel sein, so dass Korrosion verhindert wird und dass aus den Materialien des Mischers gelöste Komponenten die Analyse des Chromatografiesystems nicht beeinträchtigen. Dies ist bei der vorliegenden Technologie unter Umständen nicht erforderlich, wo bereits vorhandene Fluidaufnahmevolumina zum Mischen verwendet werden können, ohne ein weiteres Verzögerungsvolumen hinzuzufügen.
Der Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt kann ein von einem Festkörper umschlossenes Volumen sein, das eine geschlossene Kammer bildet, z. B. ein Pumpenkopf in einer Pumpe, ein Mischer oder ein Probengefäß. Die Schallwelle breitet sich durch den Festkörper aus und trifft dann auf ein vom Festkörper umschlossenes Flüssigkeitsvolumen. Die Schallwelle kann sich in die Flüssigkeit ausbreiten, eine Strömung verursachen und diese Strömung kann das Fluid vermischen.
Die Wellenquelle kann die Schallwelle mit einer Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz generieren. Die Schallausbreitung in der Flüssigkeit kann unter dem Rayleigh-Winkel Θ_R erfolgen, der durch die Größen der Schallgeschwindigkeiten im Chipsubstrat v_s und der Flüssigkeit v_f: sin(Θ_R) = v_f/v_s definiert ist. Die Schallwelle kann eine turbulente Strömung und/oder Kavitation in der Flüssigkeit verursachen, die das Mischen verbessern.
Die Wellenquelle kann die Schallwelle mit einer Leistung im Bereich von 10 µW bis 10 W generieren.
Eine ausreichende Leistungsabgabe kann den Vorteil erreichen, eine Strömung innerhalb des Fluids zu generieren, um das Fluid zu mischen. Insbesondere kann die von der Wellenquelle in das Fluid übertragene Leistung mindestens eine Größenordnung höher sein als die typische Leistung, die ein Sensor, der Ultraschallwellen zum Messen einer Strömung verwendet, in das Fluid abgeben kann. Weiterhin kann ein Strömungssensor in direktem Kontakt mit dem Fluid stehen, wobei die zum Vermischen des Fluids konfigurierte Wellenquelle durch ein Festkörpersubstrat bzw. eine Wand des Fluidaufnahmeabschnitts von dem Fluid abgeschirmt sein kann. Vorzugsweise ist die Wellenquelle durch eine Metallwand eines Pumpenkopfes vom Fluid abgeschirmt.
Im Direktkontaktmodus kann die Wellenquelle so konfiguriert werden, dass sie eine Schallwelle mit einer Leistung von mindestens 10 µW (-20 dBm) generiert, wenn die Wellenquelle in direktem Kontakt mit dem Fluid steht. In einem Transmissionsmodus kann die Wellenquelle eine Schallwelle mit einer Leistung von mindestens 100 mW (+20 dBm) generieren, wenn eine Wand zwischen der Wellenquelle und dem Fluid angeordnet ist. Im Gegensatz dazu kann ein Ultraschall-Strömungssensor eine maximale Ausgangsleistung von 100 nW (-40 dBm) aufweisen.
Das Fluid kann eine Flüssigkeit sein, und die Mischanordnung kann zum Mischen der Flüssigkeit in einem Flüssigchromatografiesystem, vorzugsweise einem Hochleistungsflüssigchromatografiesystem oder einem lonenchromatografiesystem, konfiguriert sein.
Die Wellenquelle kann einen Wandler umfassen, der dazu konfiguriert ist, ein elektrisches Signal in eine Schallwelle, insbesondere eine Ultraschallwelle, umzuwandeln. Eine sich ausbreitende Schallwelle führt Schallimpuls und Schallenergie und kann akustisches Strömen verursachen. Wenn sich eine kontinuierliche sinusförmige Schallwelle in einem nichtviskosen Fluid ausbreitet, zwingt sie die Fluidelemente zum sinusförmigen Oszillieren in Wellenausbreitungsrichtung. Wenn die Amplitude der Schallwelle zunimmt, ist die Bedingung für das Überlagerungsprinzip nicht mehr gültig und es wird eine nichtlineare Schallwelle mit endlicher Amplitude generiert. Der zeitliche Mittelwert der zweiten Ordnung der Oszillationsgeschwindigkeit jedes Fluidelements weist zusätzlich zu einer sinusförmigen Oszillationsgeschwindigkeit eine zeitunabhängige (DC-) Komponentengeschwindigkeit auf. Diese DC-Geschwindigkeit wird als „akustisches Strömen“ bezeichnet, das eine Strömung in der Flüssigkeit generiert.
Die Wellenquelle kann ein piezoelektrisches Substrat umfassen. Das piezoelektrische Substrat kann aus einer piezoelektrischen Keramik gebildet sein. In piezoelektrischen Materialien werden Ladungsträger unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes verschoben, was zu einer Längenänderung führt (inverser piezoelektrischer Effekt). Vorzugsweise ist das piezoelektrische Substrat dazu konfiguriert, eine Verschiebung von bis zu 10 nm zu generieren. Amplituden einer Schallwelle, insbesondere einer akustischen Oberflächenwelle, können mittels Interferometrie gemessen werden. Wenn die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist, beginnen die Partikel in einem mit dem piezoelektrischen Substrat gekoppelten Fluid zu vibrieren und es treten Druckschwankungen auf.
Rarefizierung der Partikel führt zu einem niedrigeren Druck und Kompression zu einem erhöhten Druck. Die Wellenlänge des Schalls beschreibt den Abstand zwischen zwei Rarefizierungs- oder Kompressionsbereichen. Die resultierenden Schallwellen breiten sich durch das umgebende Medium, d. h. das Fluid oder eine Wand des Fluidaufnahmeabschnitts, aus. Die Schallgeschwindigkeit variiert je nach Dichte und elastischen Eigenschaften des Mediums. Beispiele für typische piezoelektrische Substrate sind: Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithiumthantalat (LiTaO₃), Quarz, Bleizirkoniumtitanat (PZT), Galliumarsenid (GaAs), Strontiumtitanat (SrTiO₃), Bariumtitanat (BaTiO₃) und Zinkoxid (ZnO).
Das piezoelektrische Substrat kann die Form eines Chips aufweisen. Der Chip kann eine ebene oder gewellte Oberfläche aufweisen, die für eine optimale Ausbreitung der Schallwelle ausgelegt ist. Eine Ausbreitungsfläche des Chips kann flach und/oder durchgehend sein. Der Chip kann eine rechteckige Form aufweisen und/oder die Abmessungen des Chips können auf den zu generierenden Resonanzfrequenzen basieren.
Der Wandler kann eine elektrisch leitende Struktur umfassen, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist. Die elektrisch leitende Struktur kann eine Elektrode bilden. Die Leistung des Wandlers kann durch Strukturieren der Elektroden optimiert werden. Die Elektroden und die elektrisch leitende Struktur können eine Sandwichstruktur bilden. Insbesondere kann die elektrisch leitende Struktur ein Strom- oder Spannungssignal an das piezoelektrische Material übertragen. Das elektrisch leitende Material kann ein Materialbogen sein, der durch Druck, Vakuumabscheidung oder Schmelzen mit dem piezoelektrischen Material gebondet wird. Die elektrisch leitende Struktur kann eine Metallstruktur sein, die eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit erreicht.
Die elektrisch leitende Struktur kann dazu konfiguriert sein, ein elektrisches Signal zu empfangen, das an das piezoelektrische Material weitergeleitet werden kann, um eine Schallwelle anzuregen. Der Wandler kann ein elektroakustischer Wandler sein, der dazu konfiguriert ist, elektrische Energie in akustische Energie umzuwandeln und umgekehrt.
Die elektrisch leitende Struktur kann zwei Elektroden umfassen. Jede Elektrode kann eine Mehrzahl von Elektrodensträngen umfassen und die Elektrodenstränge können abwechselnd parallel und voneinander beabstandet angeordnet sein, um den Wandler auf die Anregung einer einzigen Resonanzfrequenz zu beschränken. Insbesondere kann der Wandler als Interdigitalwandler (IDT) konfiguriert sein, der durch zwei ineinandergreifende kammförmige Arrays von Metallelektroden (d. h. nach Art eines Reißverschlusses) gebildet wird. Diese Metallelektroden können auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats abgeschieden werden, um die periodische Struktur zu bilden. Ein IDT kann Schallwellen (AW) generieren, indem über den piezoelektrischen Effekt periodisch verteilte mechanische Kräfte generiert werden. Jeder Elektrodenstrang kann als diskrete Quelle für die Generierung von AWs in einem piezoelektrischen Medium betrachtet werden, da die piezoelektrisch generierte Belastung abhängig von der Position in der Nähe jedes Elektrodenstrangs variiert. Die Elektrodenstränge können in einer n-Split-Struktur, vorzugsweise in einer 1-Split-Struktur und besonders bevorzugt in einer 4-Split-Struktur, konfiguriert sein. Die n-Split-Struktur kann als Gruppieren von n Elektrodensträngen von einer ersten Elektrode und Gruppieren von n Elektrodensträngen von einer zweiten Elektrode definiert werden, wobei diese Gruppen abwechselnd auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind. Allgemeiner kann eine m-n-Split-Struktur definiert werden, wobei eine Elektrode m Gruppen umfassen kann und jede Gruppe n Elektrodenstränge umfasst. Die m Gruppen können mit Gruppen einer weiteren Elektrode verschachtelt angeordnet sein, die ebenfalls eine m-n-Split-Struktur umfasst.
Der Wandler kann basierend auf dem empfangenen elektrischen Signal eine mechanische Verschiebung des piezoelektrischen Substrats induzieren.
Der Wandler kann mindestens einen resonanten Schwingungsmodus aufweisen, der durch das elektrische Signal anregbar ist, und der Wandler kann dazu konfiguriert sein, eine Schallwelle zu generieren, wenn der Wandler auf der Basis des elektrischen Signals resonant angeregt wird. Insbesondere kann der Wandler auf eine resonante Schwingung beschränkt sein, um den spektralen Ausgang zu begrenzen und die Energie auf die Generierung einer Schallwelle mit einer einzigen Frequenz zu fokussieren. Alternativ kann die Schallwelle auf eine ausgewählte Mehrzahl von Resonanzfrequenzen beschränkt werden. Die anregbaren Resonanzfrequenzen können von der Konfiguration der elektrisch leitenden Struktur abhängig sein.
Der Wandler kann dazu konfiguriert sein, eine Schallwelle (AW), insbesondere eine akustische Oberflächenwelle (SAW), die sich entlang einer Oberfläche des Chips fortbewegt, oder eine Scherwelle (SH-SAW), die sich entlang der Oberfläche des Chips und/oder durch das Volumen des Chips fortbewegt, zu generieren. Bei dem piezoelektrischen Substrat und einem auf dem piezoelektrischen Substrat angeordneten Fluid kann eine Fehlanpassung der Schallgeschwindigkeiten in Bezug auf AWs vorliegen. Dadurch kann der Vorteil erreicht werden, AWs effizient in das Fluid zu übertragen, wodurch signifikante Trägheitskräfte und Fluidgeschwindigkeiten erzeugt werden. Eine SAW kann als Rayleigh-Welle definiert werden. Eine Scherwelle kann auch im Volumen und nicht nur an der Oberfläche verlaufen.
Die Mischanordnung kann ein Festkörpersubstrat umfassen, wobei der Wandler akustisch mit dem Festkörpersubstrat gekoppelt ist, um eine SAW auf einer Oberfläche des Festkörpersubstrats zu generieren. Dadurch kann das piezoelektrische Substrat durch das Festkörpersubstrat vor dem Kontakt mit dem Fluid abgeschirmt werden. Weiterhin können physikalische Randbedingungen unverändert bleiben, d. h. beim Ankoppeln des Wandlers an das mit dem Fluid in Kontakt stehenden Festkörpersubstrat werden keine weiteren Materialien in das System eingebracht. Ein Material oder eine Substanz, das/die auf oder in Kontakt mit einer Oberfläche des Festkörpersubstrats angeordnet ist, bleibt unverändert. Das Fluid kann auf dem Festkörpersubstrat angeordnet sein, steht jedoch nicht in Kontakt mit dem Wandler. Daher kann eine chemische Wechselwirkung zwischen dem Fluid und dem Wandler vermieden werden. Vorzugsweise ist der Wandler mit einer Oberfläche des Festkörpersubstrats gekoppelt, die nicht mit dem zu mischenden Fluid in Kontakt steht. Dadurch kann ferner der Vorteil erreicht werden, dass eine akustische Kopplung zwischen dem Wandler und dem Festkörpersubstrat durch akustische Kopplungsmaterialien verbessert werden kann, ohne dass die akustischen Kopplungsmaterialien gegenüber dem Fluid inert sein müssen. Der Wandler kann beispielsweise mit dem Festkörpersubstrat gebondet sein, insbesondere mit dem Festkörpersubstrat verklebt sein.
Der Chip kann dazu konfiguriert sein, die Schallwelle von der Oberfläche zu entkoppeln und/oder zu brechen, wenn sich physikalische Randbedingungen an der Oberfläche ändern, insbesondere wenn sich das auf der Oberfläche angeordnete Medium ändert. In einem oberen Halbraum des Chips kann ein Vakuum oder Luft vorhanden sein. Die AW kann sich entlang einer Teilfläche des Chips fortbewegen, die mit Luft, Vakuum oder allgemein einem Fluid mit geringerer Dichte in Kontakt steht als in einer weiteren Teilfläche. Die weitere Teilfläche kann mit einem zu mischenden Fluid in Kontakt oder akustisch gekoppelt sein. An der weiteren Teilfläche kann dann die AW in die Flüssigkeit gebrochen werden. Die weitere Teilfläche kann durch eine Kopplungsschicht mit dem Fluid bzw. dem das Fluid umfassenden Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt akustisch gekoppelt sein. Die Kopplungsschicht kann aus einem akustischen Kopplungsfluid, einer Beschichtung, einem Klebstoff und/oder einer Titan umfassenden Schicht bestehen.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann als ein fluiddichter Behälter mit mindestens einer Öffnung konfiguriert sein. Die mindestens eine Öffnung kann als Eintrittsanschluss dienen, um den Behälter mit Flüssigkeit zu füllen oder eine Flüssigkeit innerhalb des Behälters unter Druck zu setzen.
Die Wellenquelle kann an einer Außenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts angeordnet sein. Somit kann die Schallwelle über den Fluidaufnahmeabschnitt auf die Flüssigkeit übertragen werden. Die Außenfläche kann eine Wand des Fluidaufnahmeabschnitts definieren, wobei eine Innenfläche der Wand mit dem zu mischenden Fluid in Kontakt stehen kann.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann einen festen Teilabschnitt umfassen und die Wellenquelle kann auf dem festen Teilabschnitt angeordnet sein, um zumindest einen Teil der Schallwelle über den festen Teilabschnitt in das Fluid zu injizieren. Alternativ kann sich die Schallwelle durch den festen Teilabschnitt fortbewegen und eine SAW auf einer Innenfläche des festen Teilabschnitts erzeugen. Diese innere SAW kann in die Flüssigkeit gebrochen werden, wenn die SAW einen Teilabschnitt der Innenfläche passiert, der mit einem Fluid in Kontakt steht (d. h. einen teilweise gefüllten Fluidaufnahmeabschnitt oder den Fluidaufnahmeabschnitt, während er gefüllt wird).
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann die Innenfläche umfassen und das Fluid kann in Kontakt mit der Innenfläche stehen und die Wellenquelle ist an einer Außenfläche des festen Teilabschnitts angeordnet.
Die Mischanordnung kann eine zweite Wellenquelle umfassen und der Fluidaufnahmeabschnitt kann eine erste Seitenwand und eine zweite Seitenwand umfassen, die zueinander abgewinkelt orientiert sind. Die Wellenquelle kann an der ersten Seitenwand angeordnet sein und die zweite Wellenquelle kann an der zweiten Seitenwand angeordnet sein, so dass die Wellenquellen Schallwellen generieren, die sich in einem Winkel zueinander durch das Fluid in dem Fluidaufnahmeabschnitt fortbewegen. Dadurch können Turbulenzen in dem Fluidstrom erhöht werden. Eine turbulentere Strömung führt zu einem effizienteren Mischen des Fluids. Die Mischanordnung kann eine Mehrzahl von Wellenquellen umfassen, die dazu konfiguriert sind, Schallwellen in dem Fluid zu generieren, die zueinander abgewinkelt sind. Alternativ kann eine Mehrzahl von Schallwellen, die unter verschiedenen Winkeln in das Fluid eintreten, durch eine einzige Wellenquelle erzeugt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine Mehrzahl von Wellenquellen an einer Mehrzahl von Seitenwänden des Fluidaufnahmeabschnitts angeordnet sein. Die Seitenwände können zueinander abgewinkelt sein, so dass die Schallwellen in unterschiedlichen Winkeln zueinander stehen. Mit den abgewinkelten Seitenwänden können auch die Schallwellenquellen zueinander abgewinkelt werden.
Die erste Seitenwand und die zweite Seitenwand können senkrecht zueinander orientiert sein.
Die Wellenquelle kann einen festen Teilabschnitt des Fluidaufnahmeabschnitts bilden, um zumindest einen Teil der Schallwelle in das Fluid zu injizieren.
Die Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, eine akustische Oberflächenwelle zu generieren, die sich auf der Innenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts fortbewegt. Insbesondere kann die Wellenquelle dazu konfiguriert sein, das Material, das den Fluidaufnahmeabschnitt bildet, akustisch anzuregen.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann dazu konfiguriert sein, die generierte akustische Oberflächenwelle in das Fluid zu brechen, wenn der Fluidaufnahmeabschnitt mit dem Fluid gefüllt ist. Der Fluidaufnahmeabschnitt kann aus einem akustisch anregbaren festen Material bestehen, d. h. einer Polymer-, Metall- und/oder Keramikverbindung. Vorzugsweise kann der Fluidaufnahmeabschnitt aus einem Sinter, insbesondere einem Metallsinter, bestehen. Der Fluidaufnahmeabschnitt kann unter Verwendung von 3D-Druck gebildet werden. Darüber hinaus kann der Fluidaufnahmeabschnitt eine Beschichtungsschicht umfassen. Die Beschichtungsschicht kann an einem Abschnitt des Fluidaufnahmeabschnitts angeordnet sein, wo die Wellenquelle angeordnet ist. Darüber hinaus kann die Beschichtungsschicht auf einer Oberfläche angeordnet sein, die mit dem zu mischenden Fluid in Kontakt steht.
Die Mischanordnung kann einen Kolben umfassen und der Fluidaufnahmeabschnitt kann eine Öffnung umfassen. Der Kolben kann in die Öffnung einführbar sein, um eine Kraft auf das in dem Fluidaufnahmeabschnitt vorhandene Fluid auszuüben. Der Kolben kann dadurch den Druck des Fluids erhöhen und/oder das Fluid aus dem Fluidaufnahmeabschnitt herausdrücken. Der Kolben kann gegen die Öffnung abgedichtet werden, um ein fluiddichtes Volumen zu erzeugen, das durch den Kolben und den Fluidaufnahmeabschnitt definiert wird.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann einen Kolbenraum eines Pumpenkopfes bilden. Insbesondere kann der Kolben vollständig in den Fluidaufnahmeabschnitt eingeführt werden. Ein Fluidvolumen, d. h. eine Kompressionszone zum Halten des Fluids, kann verbleiben, wenn der Kolben vollständig eingeführt ist. Der Pumpenkopf kann ein Fluid pumpen und/oder unter Druck setzen und eine Kolbenbohrung umfassen. Weiterhin kann der Pumpenkopf eine Komponente umfassen, die dazu konfiguriert ist, zu oszillieren, wenn sie durch eine Schallwelle angeregt wird. Die Komponente kann innerhalb der Kolbenbohrung in direktem Kontakt mit dem Fluid angeordnet sein, um das Fluid durch die Oszillation zu mischen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Komponente um eine vorhandene Komponente innerhalb der Pumpe, die neben der Anregbarkeit durch eine Ultraschallwelle noch einem weiteren Zweck dient. Insbesondere können innerhalb des Pumpenkopfes vorhandene Komponenten mit der Wellenquelle gekoppelt werden, um neben der primären Funktion der Komponente auch das Fluid zu mischen. Die Komponente kann eine Seitenwand des Kolbenraums, der Kolben oder jede andere feste Struktur in Kontakt mit dem Fluid und Teil des Pumpenkopfes sein.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann eine Hochdruckkammer bilden, die dazu konfiguriert ist, Drücken von mehr als 100 bar, vorzugsweise mehr als 500 bar, wie beispielsweise mehr als 100 bar, standzuhalten.
Die Wellenquelle kann von dem Fluid, das in dem Fluidaufnahmeabschnitt enthalten ist, fluidisch isoliert sein. Dadurch kann die Gefahr verringert werden, dass das Fluid mit elektrischen Signalen führenden Komponenten in Kontakt kommt. Außerdem kann Korrosion der Wellenquelle durch die Flüssigkeit verhindert werden.
Der Kolben kann so konfiguriert sein, dass er entlang einer Kompressionsachse beweglich ist, um das Volumen innerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts zu vergrößern oder zu verkleinern. Die Innenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts kann formschlüssig mit dem Kolben geformt sein. Dies kann die zwischen der Innenwand und dem Kolben vorhandene Fluidmenge verringern, wenn der Kolben in den Fluidaufnahmeabschnitt eingeführt wird, um das Fluid zu komprimieren.
Die Innenfläche kann eine zylindrische Form aufweisen und die Öffnung bildet eine kreisförmige Blende an einer Endfläche des zylindrischen Volumens, das von dem Fluidaufnahmeabschnitt umschlossen wird.
Der Kolben kann eine zylindrische Form aufweisen und eine Seitenfläche des Kolbens behält einen konstanten Abstand von der Innenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts, wenn der Kolben in die Fluidaufnahme eingeführt wird. Somit kann zwischen der Seitenfläche und der Innenfläche ein vordefiniertes Fluid vorhanden sein, wenn der Kolben in den Fluidaufnahmeabschnitt eingeführt wird.
Der Wandler kann dazu konfiguriert sein, einen Fluidstrom in einem Fluid zu generieren, das auf dem Wandler angeordnet ist oder auf dem Festkörpersubstrat angeordnet ist, indem die SAW in das Fluid gebrochen wird. Die Energie der SAW kann in das Fluid abgeleitet werden, um eine Fluidbewegung, insbesondere eine Mischströmung, zu erzeugen.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann abnehmbar auf der Oberfläche des Chips angeordnet sein. Der Fluidaufnahmeabschnitt kann ein Sondengefäß sein, das vorübergehend mit der Wellenquelle in Kontakt steht, um ein Fluid zu mischen. Die Wellenquelle kann modular sein und somit mit dem Fluidaufnahmeabschnitt verbunden sein, wenn Mischen erforderlich ist. Beim Generieren einer SAW kann sich zwischen dem Fluidaufnahmeabschnitt und der Oberfläche des Chips ein Spalt bilden.
Zwischen dem Fluidaufnahmeabschnitt und der Oberfläche des Chips kann eine Kopplungsschicht angeordnet sein. Die Kopplungsschicht kann dazu konfiguriert sein, die Anpassung einer akustischen Impedanz des Wandlers und einer weiteren akustischen Impedanz des Fluidaufnahmeabschnitts zu erhöhen, um den Wandler und den Fluidaufnahmeabschnitt akustisch zu koppeln. Die akustische Oberflächenwelle kann über die Kopplungsschicht in den Fluidaufnahmeabschnitt gebrochen werden. Ein Parameter von Interesse für die Übertragung von Schallwellen ist die charakteristische akustische Impedanz, auch als Wellenwiderstand bekannt. Sie ist abhängig von der Dichte des Mediums und der Schallgeschwindigkeit. Die Differenz der Schallimpedanzen zweier Medien bestimmt, ob und wie gut die Schallwellen von einem Medium auf ein anderes übertragen werden können. Ist diese Differenz zu groß, wird der Schall reflektiert und die Übertragung kann behindert werden. Die Kopplungsschicht zwischen dem piezoelektrischen Substrat und dem Fluid kann eine Differenz in der Schallimpedanz verringern und erhöht daher die Übertragungsqualität. Vorzugsweise ist die Dicke der Kopplungsschicht gleich einem Viertel der Wellenlänge (λ/4) der generierten Ultraschallwelle.
Die Kopplungssubstanz kann ein Fluid sein, das eine Schicht zwischen dem Fluidaufnahmeabschnitt und der Oberfläche des Chips bildet. Vorzugsweise ist die Kopplungssubstanz eine Flüssigkeit (d. h. Wasser, Öl, Lösungsmittel) mit geringer Verdampfung bzw. niedrigem Dampfdruck bei Betriebstemperatur. Alternativ kann die Kopplungssubstanz ein Elastomer, ein Epoxid, ein Harz oder ein Klebematerial, insbesondere ein Kleber oder ein Klebeband, sein.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann dazu konfiguriert sein, eine Schallwelle, die über die Kopplungssubstanz an den Fluidaufnahmeabschnitt übertragen wird, in das innerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts aufgenommene Fluid zu brechen. Somit ist der Fluidaufnahmeabschnitt mit dem Fluid effizient akustisch gekoppelt. Die Innenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts kann eine spezifische Oberflächenstruktur aufweisen, um die akustische Kopplung zu erhöhen.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann eine Wand umfassen, die durch die Innenfläche und eine Außenfläche definiert ist. Die Wand kann eine spezifische Dicke aufweisen, die dazu eingestellt ist, dem Druck standzuhalten, der innerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts generiert wird. Weiterhin kann die Wand monolithisch sein.
Die Außenfläche kann einen Quader oder einen Zylinder bilden. Somit kann die Geometrie der Innenfläche unabhängig von der Geometrie der Außenfläche sein.
Beispielsweise kann die Außenfläche rechteckig sein und die Innenfläche kann ein Zylinder sein. Abgerundete Formen sind zu bevorzugen, um einen Kolben aufzunehmen und/oder den Druck des Fluids gleichmäßig zu verteilen.
Die Schallwelle kann eine Energie umfassen und die Wand kann so konfiguriert sein, dass sie 1 % bis 60 %, vorzugsweise 5 % bis 20 %, wie etwa 10 % bis 20 % der Energie der Schallwelle in das Fluid zwischen der Innenfläche und dem Kolben einkoppelt.
Das piezoelektrische Substrat kann auf eine Weise an der Kopplungsschicht angebracht werden, dass der IDT eine exponierte SAW generieren kann. Eine exponierte SAW kann eine SAW sein, die sich entlang einer Oberfläche fortbewegt, die in Kontakt mit Luft ist. Die SAW kann sich zu einer Kontaktgrenze zwischen der Luft und einer Kopplungsschicht fortbewegen. Wenn die SAW diese Grenze passiert, kann die Schallwelle in die Kopplungsschicht und anschließend in das Pumpenkopfmaterial gebrochen werden, um sich in Richtung der Kolbenbohrung weiter zu bewegen, wo das Fluid gemischt werden kann. Übertragungsverluste können verringert werden, indem die Weglänge der Schallwelle zum Fluid verringert wird. Daher kann der Fluidaufnahmeabschnitt, d. h. der Pumpenkopf, am Eintrittspunkt oder der Eintrittsfläche der Schallwelle eine verringerte Dicke aufweisen. Die Energiedissipation von der Innenfläche kann exponentiell sein. Darüber hinaus kann eine an der Innenfläche des Flüssigkeitsaufnahmeabschnitts generierte SAW den Großteil der Energie in einer Fluidschicht nahe der Innenfläche ableiten.
Die Mischanordnung kann ein Transmissionsmaterial umfassen, das zwischen der Wellenquelle und der Wand angeordnet ist, wobei das Transmissionsmaterial dazu konfiguriert ist, zumindest einen Teil der Welle an die Wand zu übertragen. Das Transmissionsmaterial kann ein Polymer, Silikon, Polyurethan, Klebstoffkomponenten, ökologische Klebstoffe, Honigzusätze, Naturharz und/oder Kunstharz umfassen. Das Transmissionsmaterial kann eine Schicht zum Koppeln, Abdichten und/oder Optimieren der Energieübertragung bereitstellen. Im Allgemeinen kann ein geeignetes Material für die Kopplungsschicht basierend auf seinen Reflexions- und Transmissionseigenschaften bezüglich Schallwellen ausgewählt werden.
Ähnlich wie bei optischen Antireflexbeschichtungen kann die Kopplungsschicht dazu konfiguriert sein, Reflexionen der Schallwelle, die sich vom piezoelektrischen Substrat zum Fluid fortbewegt, zu minimieren. Die Kopplungsschicht kann die Reflexion einer oder mehrerer Wellenlängen und/oder an einer Grenzfläche zwischen zwei Materialien minimieren, indem sie ein zusätzliches Material bereitstellt, mit dem die Schallwelle interagieren kann. Dies kann den Gesamtreflexionskoeffizienten des Systems verringern, indem die Schallwelle von zwei Grenzflächen reflektiert wird, wobei jede Grenzfläche eine kleinere Differenz in den Brechungsindizes als die ursprüngliche Grenzfläche aufweist. Diese Art der Kopplungsschicht kann eine Antireflexbeschichtung sein. Der optimale Brechungsindex der Kopplungsschicht n_c zur Minimierung des Gesamtreflexionskoeffizienten ergibt sich aus dem geometrischen Mittel der Brechungsindizes der beiden Materialien, des piezoelektrischen Substrats n₁ und des Fluidaufnahmeteils n₂, die die ursprüngliche Grenzfläche bilden: $n_{c} = \sqrt{n_{1} \times n_{2}}$
Die Kopplungsschicht kann Titan und/oder Lithiumniobat umfassen, um eine Kopplungsschicht mit einer geeigneten akustischen Impedanz zu generieren. Im Vergleich zu einer festen Kopplungsschicht kann eine flüssige Kopplungsschicht eine bessere akustische Impedanzanpassung erreichen.
Das Transmissionsmaterial kann eine Transmissionsflüssigkeit sein. Eine Flüssigkeit kann eine effizientere Kopplung erreichen, wenn die Oberfläche der Wellenquelle und die angrenzende Oberfläche der Wand des Fluidaufnahmeabschnitts in ihrer Form nicht aneinander angepasst bzw. flach sind.
Das Transmissionsmaterial kann einen 2-Komponenten-Klebstoff umfassen, insbesondere ein Harz auf Epoxidbasis. Als Kopplungsschicht kann auch ein 2-Komponenten-Klebstoff verwendet werden. Der Klebstoff kann so konfiguriert sein, dass er gleichzeitig am Chip und am Pumpenkopf angebracht wird. Weiterhin kann das Transmissionsmaterial Polydimethylsiloxan (PDMS) umfassen. Ein PDMS umfassendes Transmissionsmaterial kann an der Wellenquelle und/oder dem Fluidaufnahmeabschnitt befestigt werden. Das Transmissionsmaterial kann durch Bonden oder Löten angebracht werden. Eine dünne Metallfolie kann erhitzt werden, um zwei Bonding-Flächen zu einem Stück zu verbinden.
Die Mischanordnung kann eine Dichtung umfassen, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt einen Kolbenraum bildet und die Dichtung umlaufend an der Öffnung angeordnet ist, um den Kolben gegen den Fluidaufnahmeabschnitt abzudichten. Dadurch sind der Kolbenraum und der Kolben abgedichtet und beweglich miteinander verbunden, so dass der Kolben in den Kolbenraum eingesetzt werden und Fluid komprimieren kann, ohne dass Fluid durch einen Spalt zwischen Kolben und Kolbenraum austritt.
Das Transmissionsmaterial kann eine Dicke im Bereich von 1 µm bis 200 µm aufweisen.
Das Transmissionsmaterial kann mit der Außenfläche der Wand in Kontakt stehen. Dadurch kann eine effektive akustische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Substrat bzw. dem Wandler und dem Fluidaufnahmeabschnitt erreicht werden.
Das Flüssigchromatografiesystem kann eine Pumpe umfassen und die Pumpe kann den Fluidaufnahmeabschnitt umfassen.
Die Pumpe kann einen Pumpenkopf umfassen, der den Fluidaufnahmeabschnitt umfasst. Insbesondere kann der Fluidaufnahmeabschnitt einen Kolbenraum eines Pumpenkopfes bilden, der dazu konfiguriert ist, Fluid durch die Wirkung eines sich in dem Kolbenraum bewegenden Kolbens zu komprimieren und/oder zu pumpen.
Das Flüssigchromatografiesystem kann einen Fluidbehälter zum Halten eines Lösungsmittels oder einer Probe umfassen, und der Fluidbehälter umfasst den Fluidaufnahmeabschnitt.
Die Wellenquelle kann sich außerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts befinden. Insbesondere kann die Wellenquelle an einer Außenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts angeordnet sein, die unter Atmosphärendruck steht und nicht mit dem Fluid in Kontakt steht. Das piezoelektrische Substrat kann Teil einer Wand sein, ein Einsatz in die Wand sein oder oben auf der Wand des Fluidaufnahmeabschnitts montiert sein. Die Wand kann ein integraler Bestandteil des Fluidaufnahmeabschnitts sein, der mit einem Volumen akustisch gekoppelt ist, das dazu konfiguriert ist, das Fluid zu halten.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann sich in einem Hochdruckbereich des Flüssigchromatografiesystems befinden.
Die Wellenquelle kann einen Volumenoszillator umfassen. Beim Eintauchen eines Volumenoszillators in ein viskoses Fluid können sich seine Resonanzfrequenz und seine Dämpfung in Abhängigkeit von der Viskosität und Dichte des Fluids ändern. Ein Volumenoszillator kann einen piezoelektrischen Quarzkristall umfassen und kann teilweise oder vollständig in das Fluid eingetaucht sein.
Die Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, Schallwellenimpulse zu generieren. Das Pulsen der Schallwelle kann die Menge an überschüssiger Wärme reduzieren, die von der Wellenquelle generiert wird, insbesondere von dem oszillierenden piezoelektrischen Substrat generiert wird. Somit kann die von der Wellenquelle in das Fluid abgegebene Wärmemenge reduziert werden. Der Kolben kann ein topografisches Hindernis bilden, das einen „Schallschatten“ generiert. Ein Schallschatten kann ein Bereich sein, durch den sich die Schallwellen nicht ausbreiten können. Insbesondere bei Bewegung des Kolbens kann dieser intermittierend einen Schallschatten generieren. Im Bereich des Schallschattens kann das Mischen des Fluids vermindert sein.
Somit kann die Bewegung des Kolbens an das Pulsen der Schallwelle gekoppelt werden. Insbesondere können die Kolbenbewegung und die Schallwellenimpulse so synchronisiert werden, dass sich kein Impuls durch die Flüssigkeit ausbreitet, wenn der Kolben einen Schallschatten in der Flüssigkeit erzeugt. Daher kann, wenn das Mischen verhindert wird, die Wärmeübertragung in das Fluid minimiert werden. Das Fluid darf somit über den Pumpvorgang hinaus keine weitere Temperaturänderung erfahren.
Die Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, eine frequenz-, amplituden- und/oder phasenmodulierte Schallwelle zu generieren. Somit kann die Schallwelle dazu angepasst werden, die Energieübertragung in das Fluid basierend auf den Eigenschaften des Fluids, z. B. Dichte, Viskosität, Temperatur, Druck und/oder Zusammensetzung, zu erhöhen. Die Mehrzahl von Modulationsformen kann die Strömungsmuster beeinflussen und zusätzliche Störung einbringen. Dadurch kann das Mischen erhöht und eine höhere Gleichförmigkeit des Gemischs erreicht werden.
Die Mischanordnung kann mindestens zwei Signalquellen umfassen, und dabei ist die Wellenquelle dazu konfiguriert, ein jeweiliges Anregungssignal von jeder der mindestens zwei Signalquellen zu empfangen, und dabei weisen die Anregungssignale unterschiedliche Amplituden und/oder Frequenzen in Bezug auf einander auf. Auch kann die Phase des Anregungssignals zwischen den Wellenquellen variieren.
Die Wellenquelle kann einen Wandler mit mehr als einer Resonanzfrequenz umfassen.
Die Wellenquelle kann einen konischen Wandler umfassen, der dazu konfiguriert ist, den Ort der Schallerzeugung einzustellen. Der konische Wandler kann eine schräge Elektrodenstranggeometrie umfassen. Insbesondere können die erste Elektrode und die zweite Elektrode ein Trapez bilden, wobei die erste Elektrode einen Basiselektrodenstrang umfasst, der kürzer ist als ein weiterer Basiselektrodenstrang der zweiten Elektrode. Bei einem konischen Wandler kann die Resonanzbedingung auch räumlich definiert werden. Aufgrund der Trapezform befindet sich nur ein Teil des Wandlers in Resonanz mit dem elektrischen Signal. Somit kann eine Welle nur an bestimmten Stellen generiert werden. Durch Regulieren des Ursprungsortes kann ein verbessertes Mischen erreicht werden. Die Wellenquelle kann einen fokussierten Wandler umfassen, der dazu konfiguriert ist, eine Schallintensität an einem vorgegebenen Ort zu erhöhen. Ein Beispiel für einen fokussierten Wandler ist beispielsweise in 1 von Green, „SAW Convolvers Using Focused Interdigital Transducers“, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, 1983, 30, S. 43-50, bereitgestellt. Durch Verwendung eines fokussierten Wandlers kann die Energieübertragung in die Flüssigkeit auf einen vordefinierten Bereich, insbesondere einen vordefinierten Bereich der Innenfläche des Flüssigkeitsaufnahmeabschnitts, begrenzt werden. Dies kann in der Flüssigkeit einen Geschwindigkeitsgradienten erzeugen, der das Mischen verbessert. Der fokussierte Wandler kann dazu konfiguriert sein, eine Schallwelle zu fokussieren. Insbesondere kann der fokussierte Wandler zumindest teilweise gekrümmt sein.
Die Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, ein Anregungssignal durch kapazitive und/oder induktive Kopplung zu empfangen. Diese Art der Kopplung kann eine metallische bzw. drahtgebundene Kontaktierung der Wellenquelle ersetzen. Insbesondere kann die Wellenquelle ein Anregungssignal drahtlos empfangen.
Die Wellenquelle kann einen unidirektionalen Wandler und/oder einen bidirektionalen Wandler umfassen. Eine mit den Elektrodensträngen verbundene Spannungsquelle steuert eine Hälfte eines Satzes von Elektrodensträngen an und ihr phaseninvertiertes Komplement steuert die andere Hälfte an. Die von diesen Wandlersätzen ausgelösten Biegeplattenwellen addieren sich konstruktiv in beide Richtungen, wodurch eine bidirektionale Transduktion entsteht.
Um einen unidirektionalen Wandler zu erreichen, kann jedes Elektrodenstrangpaar eine Viertelwellenlänge voneinander beabstandet sein. Dieses Strangpaarmuster wird in Wellenlängenintervallen wiederholt, um einen unidirektionalen ineinandergreifenden Quadraturwandler zu ergeben. Ein Satz Elektrodenstränge wird durch ein Signal angesteuert, und der andere Satz Elektrodenstränge wird durch ein Signal angesteuert, das um 90 Grad phasenverschoben zum ersten ist. Nun addieren sich die generierten Biegeplattenwellen konstruktiv in eine Richtung, während sie sich in der anderen destruktiv kombinieren. Auf diese Weise wird eine unidirektionale Transduktion erreicht.
Die Wellenquelle kann einen bidirektionalen Wandler mit einem Spiegel umfassen, wobei der Spiegel dazu konfiguriert ist, zumindest einen Teil der von dem bidirektionalen Wandler generierten Schallwelle zu reflektieren, um die in Richtung des Fluids abgestrahlte Leistung zu erhöhen.
Die Wellenquelle kann einen bidirektionalen Wandler und ein Empfängermodul umfassen, wobei das Empfängermodul als Spiegel oder Reflektor dazu konfiguriert ist, die Schallintensität einer durch den bidirektionalen Wandler generierten Schallwelle zu steuern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein sendender IDT dazu konfiguriert sein, eine AW zu generieren, und mindestens ein weiterer empfangender IDT kann dazu konfiguriert sein, die AW zu empfangen. Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von empfangenden IDTs bereitgestellt. Die Empfänger-IDTs können selbst als AW-Quellen konfiguriert werden und/oder jeder Empfänger-IDT kann mit weiteren IDTs elektrisch verbunden werden, die wiederum dazu konfiguriert werden können, eine AW zu generieren, d. h. als AW-Quelle zu fungieren. Diese AWs können zum Mischen des Fluids verwendet werden. Dabei kann auch eine Frequenztransformation vorgenommen werden. Ein einzelner sendender IDT kann daher als Quelle für eine Mehrzahl von Wellenquellen wirken, wobei jede eine Schallwelle basierend auf der anfänglichen Schallwelle generiert, die von dem sendenden IDT empfangen wird. Somit können viele Quellen aus einer AW hergestellt werden.
Die Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, einen Anregungssignalimpuls zu empfangen, der die Resonanzfrequenzen der Wellenquelle umfasst.
Die Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, eine Mehrzahl von reinen Frequenzsignalen, insbesondere eine Fourier-Reihe von Signalen, zu empfangen, die ein effektives Anregungssignal in Form einer Rechteck- oder Sägezahnfunktion bilden.
Die Wellenquelle kann in dem Fluid angeordnet sein, das in direktem Kontakt mit dem in dem Fluidaufnahmeabschnitt aufgenommenen Fluid steht.
Die Wellenquelle kann eine Schutzschicht umfassen, die dazu konfiguriert ist, den Rest der Wellenquelle vor direktem Kontakt mit dem Fluid abzudichten. Die Schutzschicht kann fluiddicht sein. Vorzugsweise ist die Schutzschicht für das in dem Fluidaufnahmeabschnitt vorhandene Fluid unlöslich. Darüber hinaus kann die Schutzschicht reduzierte Partikelemissionen aufweisen, um das Fluid nicht zu verunreinigen.
Der Chip kann zumindest teilweise mit dem Fluid in Kontakt stehen.
Eine erste Oberfläche des Chips, insbesondere eine Vorderseite, kann mit dem Fluid in Kontakt stehen und der Wandler kann an einer weiteren Oberfläche des Chips, insbesondere einer Rückseite, angeordnet sein, wobei der Chip dazu konfiguriert sein kann, den Wandler vor Kontakt mit dem Fluid zu schützen. Dadurch kann der Wandler vor aggressiven Fluiden abgeschirmt werden.
Jede Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, eine Schallwelle zu generieren, und die Wellenquellen können dazu konfiguriert sein, die Schallwellen gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten in Bezug aufeinander zu generieren, um eine Strömung in dem Fluid zu generieren.
Die Mischanordnung kann zwei Wellenquellen umfassen, die auf einem einzigen piezoelektrischen Substrat in Form eines Chips angeordnet sind. Die beiden Wellenquellen können gleichzeitig, abwechselnd oder zu unterschiedlichen Zeiträumen aktiv sein, die sich überlappen können, um einen Fluidstrom zu generieren. Auf einem einzigen piezoelektrischen Substrat kann eine Mehrzahl von Wellenquellen angeordnet sein.
Die Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, einen reinen Modus oder einen gemischten Modus als Festkörperschallwelle zu generieren.
Die Wellenquelle kann mindestens zwei verschiedene Ultraschallerzeugungsvorrichtungen umfassen, die dazu konfiguriert sind, gemeinsam eine Schallwelle zu generieren. Dadurch kann der Energieeintrag über die Schallwellen in die Flüssigkeit erhöht werden, was zu höheren Fluidgeschwindigkeiten und einer erhöhten Mischeffizienz führt.
Die Wellenquelle kann einen Wandler und einen Volumenoszillator umfassen, um Ultraschallwellen in einem HPLC-System zu generieren. Generell kann die Wellenquelle alternative Schallgeneratoren umfassen, die auf unterschiedlichen Schallerzeugungsprinzipien basieren.
Die Mischanordnung kann an einem Teilabschnitt des HPLC-Systems angeordnet sein, der unter Atmosphärendruck steht, oder an einem weiteren Teilabschnitt des HPLC-Systems, der unter hohem Druck steht. Die Mischanordnung kann eine Dichtung umfassen, die ein Innenvolumen gegen die Außenatmosphäre abdichtet. Die Dichtung kann je nach Druck eine Hochdruckdichtung sein.
Die Mischanordnung kann eine Mehrzahl von Wellenquellen umfassen, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine Mehrzahl von umschlossenen Volumina umfasst und wobei eine dedizierte Wellenquelle verwendet wird, um in jedem umschlossenen Volumen eine Schallwelle zu generieren. Vorzugsweise werden unterschiedliche Schallquellen bei unterschiedlichen geschlossenen Volumina des HPLC-Systems verwendet. Die Wellenquelle kann in der Chromatografie-Fluidik auf der Atmosphärendruckseite angeordnet sein und mischt dort. Vorzugsweise ist die Wellenquelle innerhalb des Chromatografiesystems bei Atmosphärendruck im Autosampler oder Fraktionssammler angeordnet, wo sie Probengefäße mischt. Es werden Fluidvolumina gemischt, die in geschlossenen Volumina angeordnet sind, aber über den Flüssigkeiten kann sich eine Gasschicht befinden, so dass sich eine freie Flüssigkeitsoberfläche bildet. Diese Oberfläche ist durch Schall verformbar und die Verformung kann eine innere Strömung anregen.
In Bezug auf das Mischen im Autosampler kann ein robuster Mechanismus implementiert werden, um eine Wackelbewegung zu unterstützen. Darüber hinaus kann das Mischen aufgrund der Wackelbewegung für alle Proben auf einmal und gleichzeitig durchgeführt werden. Somit kann das Mischen unter Umständen nicht auf die Anforderungen der einzelnen Probe eingestellt werden. Die Wackelbewegung kann die Belastungen erhöhen und unerwünschte Vibrationen in andere Komponenten einbringen.
Die Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, ein Signal mit der Anregungsfrequenz weiterzuleiten, das als Transceiver wirkt, um weitere Wellenquellen anzuregen. Eine sich zwischen zwei Wellenquellen fortbewegende Schallwelle kann von einer ersten Wellenquelle der beiden Wellenquellen gesendet und von einer zweiten Wellenquelle der beiden Wellenquellen empfangen werden. Die Wellenquellen können voneinander beabstandet auf demselben piezoelektrischen Substrat angeordnet sein.
Die Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, sich direkt mit einer Flüssigkeitsschicht zu koppeln, wobei die Flüssigkeitsschicht dazu konfiguriert ist, die akustische Impedanz einzustellen. Die Wellenquelle kann sich direkt an das Fluid koppeln, um die akustische Impedanz anzupassen, anstatt eine Festkörperschallwelle zu generieren, die sich von der Wellenquelle fortbewegt und sich zur Fluidschicht ausbreitet. Die Schallwelle kann dann direkt in die Flüssigkeit gebrochen und die Schallenergie in kinetische Energie des Fluids umgewandelt werden, wodurch eine Strömung erzeugt wird.
Die Mischanordnung kann ein Steuermodul umfassen, das dazu konfiguriert ist, eine Laufzeit und/oder eine Phase einer Schallwelle zu messen und einen Druck innerhalb des Fluids, eine Viskosität des Fluids und/oder eine Dichte des Fluids basierend auf der Laufzeit und/oder der Phase der Schallwelle zu bestimmen.
Die Mischanordnung kann ein Steuermodul umfassen, das dazu konfiguriert ist, eine Laufzeit und/oder eine Phase einer Schallwelle zu messen und eine Temperatur des Fluids basierend auf der Laufzeit und/oder Phase der Schallwelle zu bestimmen.
Die Mischanordnung kann ein Steuermodul umfassen, das dazu konfiguriert ist, eine Transmissionsmessung und/oder eine Phasenmessung einer Schallwelle durchzuführen und eine Leitfähigkeit innerhalb des Fluids basierend auf der Transmissionsmessung und/oder der Phasenmessung der Schallwelle zu bestimmen.
Eine der Wellenquellen kann als Empfänger konfiguriert sein. Somit kann die Wellenquelle ankommende Schallwellen messen.
Eine der Wellenquellen kann dazu konfiguriert sein, eine Schallwelle zu empfangen und gleichzeitig eine Schallwelle zu senden. Dadurch kann eine Rückkopplung bezüglich der Schallwellen, die sich durch den Fluidaufnahmeabschnitt und/oder das Fluid fortbewegen, erfasst werden.
Die Mischanordnung kann eine Massenbeschichtungsmessvorrichtung umfassen, die dazu konfiguriert ist, eine Massenbeschichtung auf einer Oberfläche zu bestimmen. Der Chip kann in Kombination mit der Massebeschichtungsmessvorrichtung verwendet werden, insbesondere wenn eine Oberfläche des Fluidaufnahmeabschnitts und/oder der Wellenquelle hierfür chemisch funktionalisiert ist.
Eine Innenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts kann chemisch funktionalisiert sein, um eine Massenbeschichtungsmessung an der Innenfläche zu erleichtern.
Die Wellenquelle kann beweglich montiert sein, um die Schallausbreitungsrichtung und dadurch die Strömungsrichtung im Fluid zu definieren und zu steuern.
Das Transmissionsmaterial kann eine Flüssigkeit umfassen, die eine Flüssigkeitsschicht bildet, die dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle der Wellenquelle zumindest teilweise mehrfach zu reflektieren. Dadurch kann die Wellenquelle virtualisiert werden. Vorzugsweise sind die Reflexionen der Schallwelle so steuerbar, dass die Wellenquelle praktisch vervielfacht werden kann. Die Flüssigkeitsschicht kann eine ausreichend geringe Dicke aufweisen, die für die Reflexion der Schallwelle geeignet ist, um die Virtualisierung der Wellenquelle zu erleichtern. Vorzugsweise kann das Transmissionsmaterial eine Dicke im Bereich von 0,05 mm bis 1 mm aufweisen. Eine Schichtdicke in diesem Bereich kann die Absorption der Schallwelle in das Material erhöhen.
Weiterhin kann mit einer geeigneten Schichtdicke eine wiederholte Reflexion der Schallwelle an den Grenzflächen erreicht werden, sodass sich die Schallwelle innerhalb des Transmissionsmaterials fortbewegt. Das Erreichen einer wiederholten Reflexion kann von den akustischen Impedanzen an den Grenzflächen aneinander angrenzender Materialien abhängig sein. Für das Transmissionsmaterial kann eine Fehlanpassung der akustischen Impedanzen vorteilhaft sein, um die Reflexion der Schallwelle innerhalb des Transmissionsmaterials zu erhöhen.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann die Form eines Probenfläschchens aufweisen und ist abnehmbar auf der Wellenquelle platzierbar. Somit kann die Mischanordnung als Basisstation zum Mischen von Fluiden dienen, die in Probenfläschchen enthalten sind, indem die Fläschchen auf dem Wandler platziert werden. Vorzugsweise wird die akustische Kopplung erhöht, indem ein Kopplungsmaterial bzw. ein Kopplungsfluid zwischen den Kontaktflächen der Wellenquelle und des Probenfläschchens bereitgestellt wird.
Das in dem Fluidaufnahmeabschnitt angeordnete Fluid kann gemischt werden, und die Wellenquelle kann dazu konfiguriert sein, zusätzlich zum Mischen des Fluids das Fluid zu schütteln. Durch Schütteln der Flüssigkeit und Mischen durch Ultraschallanregung kann das Fluid in unterschiedlichem Ausmaß gemischt werden. Mischen durch Schütteln kann das Fluid in einem höheren Ausmaß mischen, wobei Mischen durch Ultraschallanregung das Fluid in einem geringeren Ausmaß mischen kann.
Die Wellenquelle kann einen Volumenoszillator umfassen, und der Volumenoszillator kann eine Mehrzahl von gestapelten Volumenoszillatormodulen umfassen. Ein gestapelter Volumenoszillator kann eine Mehrzahl von einzelnen piezoelektrischen Schichten umfassen, die mechanisch in Reihe und elektrisch parallel geschaltet sind, um die fundamentale Dickenmodenresonanz auf eine Frequenz entsprechend der Durchlaufzeit des vollständigen Stapels und der elektrischen Impedanz auf einen Wert zu reduzieren, der dem der Schichten des Stapels bei Parallelanordnung entspricht. Dies kann einen Resonanzbetrieb bei niedrigerer Frequenz ermöglichen, als dies mit einer einzelnen Schicht möglich wäre, und kann die Anpassung der elektrischen Impedanz an die Übertragungsschaltung erleichtern. Bei der Übertragung hat ein idealer Stapel aus gleichförmigen Schichten eine Ausgangsamplitude, die größer ist als die der äquivalenten Einzelschicht.
Das piezoelektrische Substrat kann direkt auf dem Fluidaufnahmeabschnitt verarbeitet werden. Somit kann die Bildung eines Luftspalts unterdrückt werden und die Anordnung kann auf einfache Weise gebildet werden.
Der Kolben kann dazu konfiguriert sein, durch die Schallwelle angeregt zu werden, um das Fluid innerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts zu mischen.
Eine Komponente des Pumpenkopfes kann durch die von der Wellenquelle generierte Schallwelle zum Oszillieren anregbar sein. Somit ist keine zusätzliche Komponente erforderlich, um das Ultraschallmischen innerhalb des Pumpenkopfes zu implementieren. Insbesondere kann die Wellenquelle an einen vorhandenen Pumpenkopf angekoppelt werden, so dass die fluidführenden Volumina und/oder Schläuche intakt bleiben können und/oder nicht geöffnet werden müssen.
Der Fluidaufnahmeabschnitt kann eine Innenfläche mit einer beliebigen Form umfassen, und die Innenfläche kann ein Mischvolumen definieren.
Die Innenfläche kann beim Mischen des Fluids zumindest teilweise mit dem Fluid in Kontakt stehen.
Die Mischanordnung kann definierende innere Strukturen umfassen, die ferner das Mischvolumen definieren. Diese definierenden inneren Strukturen können die Strömung führen und/oder einschränken, um die Mischeffizienz zu erhöhen. Die definierenden inneren Strukturen können so konfiguriert sein, dass sie eine turbulente Strömung oder ein laminares Mischen innerhalb des Fluids generieren.
Die definierende innere Struktur kann eine oder eine Mehrzahl der folgenden Formen umfassen: Zylinder, Quader, Pyramide, Kugel, Pore, Kegel, wobei die definierende innere Struktur dazu konfiguriert ist, die Strömung des Fluids auf verschiedene Wege umzuleiten.
Das piezoelektrische Substrat kann direkt auf dem Fluidaufnahmeabschnitt verarbeitet werden. Dadurch kann der Vorteil erreicht werden, dass die Bildung eines Spalts, insbesondere eines Luftspalts, zwischen dem piezoelektrischen Substrat und der Wand des Fluidaufnahmeabschnitts vermieden werden kann. Dies erhöht die Effizienz der Energieübertragung der Schallwelle von der Wellenquelle in das Fluid innerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts. Insbesondere wenn das piezoelektrische Substrat direkt auf dem Fluidaufnahmeabschnitt verarbeitet wird, kann eine Kopplungsschicht überflüssig sein. Das piezoelektrische Substrat kann durch Schweißen, Kleben, Pressen, Löten, Crimpen, Bonden und/oder Materialauftrag direkt auf dem Fluidaufnahmeabschnitt verarbeitet werden. Die Materialabscheidung kann eine direkte Materialabscheidung, d. h. 3D-Druck, umfassen. Eine Fehlanpassung akustischer Impedanzen zwischen dem Fluidaufnahmeabschnitt und der Wellenquelle kann reduziert oder vermieden werden, da der Fluidaufnahmeabschnitt und die Wellenquelle dann einen einheitlich anregbaren akustischen Körper bilden.
Die Generierung der Schallwelle kann mit einem Volumenwandler (z. B. PRYY+0333 von PIC255 von PI Piezo Technology) oder mit einem Wandler, der Oberflächenwellen generiert, erfolgen.
Die Schallwelle kann kontinuierlich oder gepulst generiert werden.
Die Schallwelle kann durch Frequenz- oder Amplituden- oder Phasenmodulation oder eine beliebige Kombination der 3 Modulationen generiert werden.
Der Schallwandler (Wandler oder Volumenwandler) kann ein Anregungssignal oder mehrere Anregungssignale empfangen, die unterschiedliche Amplitude und/oder Frequenz sein können.
Es kann ein Wandler oder Wandler mit mehr als einer Resonanzfrequenz verwendet werden.
Ein sogenannter konischer Wandler kann verwendet werden, um den Ort der Schallumwandlung zu ändern.
Ein Fokussierwandler oder Schallwandler kann beispielsweise dazu verwendet werden, an einem bestimmten Ort eine hohe Schallintensität zu erreichen.
Die Kontaktierung des Wandlers kann metallisch oder durch Funkübertragung, insbesondere durch kapazitive oder induktive Kopplung, erfolgen.
Ein bidirektionaler oder unidirektionaler Wandler kann verwendet werden, um den Schall zu generieren, wobei es sich versteht, dass der Begriff Schall austauschbar mit Schallwelle verwendet werden kann.
Ein bidirektionaler Wandler mit Spiegel kann verwendet werden, um mehr Leistung in Richtung der Fluidik abzustrahlen.
Ein bidirektionaler Wandler kann mit einem Empfängerelement verwendet werden, das als Spiegel oder Reflektor verwendet werden kann, um die Intensität zu steuern.
Entweder kann ein reines elektrisches Signal verwendet werden, um den Ton zu generieren, oder ein Signalimpuls, der die Resonanzfrequenzen enthält.
Die Schallquelle kann mit mehreren reinen Frequenzen gespeist werden, um nicht nur ein sinusförmiges Signal, sondern nach der bekannten Fourier-Reihe ein Signal ähnlich einer Rechteck- oder Sägezahnfunktion zu generieren.
Die Schallquelle kann sich getrennt von der Flüssigkeit, oder in der Flüssigkeit befinden, wo sie direkten Kontakt mit der Flüssigkeit hat.
Die Schallquelle kann von der Flüssigkeit getrennt sein oder sich in der Flüssigkeit befinden, wo sie direkten Kontakt mit der Flüssigkeit hat. Im letzteren Fall kann die Schallquelle eine Schutzschicht aufweisen.
Der Chip kann sich in der Flüssigkeit befinden und die Schallquelle kann sich auf der Rückseite des Chips befinden, so dass das Chipsubstrat den Wandler vor der möglicherweise aggressiven Flüssigkeit schützt.
Es kann mehr als eine Schallquelle verwendet werden, sei es gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten.
Auf einem Chip kann mehr als eine Schallquelle verwendet werden, sei es gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten.
Wenn mehr als eine Schallquelle verwendet wird, können sie gleichzeitig oder abwechselnd Schall produzieren, um eine Strömung zu generieren.
Die Schallquelle kann einen reinen Modus oder einen gemischten Modus als Festkörperschallwelle generieren.
Verschiedene Verfahren zum Generieren von Ultraschall können in Kombination verwendet werden, z. B. ein Wandler und ein Volumenwandler im HPLC-System.
Bei unterschiedlichen geschlossenen Volumina des HPLC-Systems können unterschiedliche Schallquellen verwendet werden.
Die Schallquelle kann sich in der Chromatografie-Fluidik auf der Atmosphärendruckseite befinden, wo sie mischt.
Die Schallquelle kann sich innerhalb des Chromatografiesystems bei Atmosphärendruck im Autosampler oder Fraktionssammler befinden, wo sie Probengefäße mischt.
Es können Flüssigkeitsvolumina gemischt werden, die sich in geschlossenen Volumina befinden, aber über den Flüssigkeiten befindet sich Gas, so dass eine freie Flüssigkeitsoberfläche vorhanden ist. Diese Oberfläche kann durch Schall verformt werden und die Verformung kann eine innere Strömung anregen.
Die Schallquelle kann eine Transmission der Anregungsfrequenz nach dem Sender-Empfänger-Prinzip bewirken, so dass weitere Schallquellen angeregt werden können.
Die Schallquelle kann sich auch direkt an die Fluidschicht ankoppeln, die an die akustische Impedanz angepasst werden soll, anstatt eine Festkörperschallwelle zu generieren, die sich von der Quelle fortbewegt und sich zur Fluidschicht ausbreitet.
Es kann mehr als eine Schallquelle auf dem Chip geben.
Auf einem Chip mit mindestens zwei Schallquellen kann derselbe Chip verwendet werden, um den Druck in der Fluidik durch Flugzeitmessung oder Phasenmessung zu nutzen.
Auf einem Chip mit mindestens zwei Schallquellen kann derselbe Chip zum Messen der Temperatur im Pumpenkopf durch Flugzeitmessung oder Phasenmessung verwendet werden.
Auf einem Chip mit mindestens zwei Schallquellen kann derselbe Chip zum Messen der Leitfähigkeit in der Flüssigkeit durch Transmissionsmessung oder Phasenmessung verwendet werden.
Auf einem Chip mit mindestens zwei Schallquellen kann derselbe Chip verwendet werden, um die Dichte durch Flugzeitmessung oder Phasenmessung zu messen.
Auf einem Chip mit mindestens zwei Schallquellen kann derselbe Chip zum Messen der Viskosität durch Flugzeitmessung oder Phasenmessung verwendet werden.
Mindestens eine der Schallquellen auf dem Chip kann als Empfänger verwendet werden.
Die Schallquelle kann auch als Empfänger für den Schall verwendet werden.
Der Chip kann in Kombination mit einer Massenbeschichtungsmessung verwendet werden, insbesondere wenn die Oberfläche hierfür chemisch funktionalisiert ist.
Die Schallquelle kann beweglich montiert sein, so dass die Schallausbreitungsrichtung und somit die Strömungsrichtung definiert und gesteuert werden kann.
Die Flüssigkeitsschicht zwischen der Schallquelle und dem Festkörper kann so dünn ausgeführt werden, dass eine partielle Mehrfachreflexion der Schallquelle auftritt, so dass die Schallquelle praktisch vervielfacht wird.
Das Probengefäß kann stattdessen auf dem Wandler platziert werden, oder der Wandler kann an dem Gefäß angebracht werden.
Zusätzlich zu dem Mischen können die Probengefäße auch mit Ultraschall geschüttelt werden.
Ein oder mehrere der vermischten Volumina können ständig oder nur intermittierend fließen.
Handelt es sich bei der Schallquelle um einen Volumenwandler, kann dieser auch aus mehreren gestapelten einzelnen Volumenwandlern bestehen.
Das piezoelektrische Substrat der Schallquelle kann direkt auf dem Behälter der Flüssigkeit verarbeitet werden, so dass eine Luftspaltbildung unterdrückt wird und auf die Schicht zur Anpassung der akustischen Impedanzen verzichtet werden kann.
Die Schallwelle kann eine Komponente des Pumpenkopfes zum Schwingen anregen, wobei die Komponente innerhalb der Kolbenbohrung in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit steht und die mechanische Auslenkung dieser Komponente die Flüssigkeit durch ihre Schwingung mischen kann.
Die Komponente kann fest mit dem Kopf verbunden sein oder ist fertigungsbedingt bereits Bestandteil des Pumpenkopfes.
Die Schallwelle kann eine frei bewegliche Komponente in der Kolbenbohrung zu einer translatorischen oder periodischen Bewegung anregen, so dass diese Bewegung zum Mischen führt.
Die Schallwelle kann eine im Pumpenkopf vorhandene Komponente zum Schwingen anregen, z. B. den Kolben, der dann im Pumpenkopf mischt.
Eine Komponente mit piezoelektrischen Eigenschaften kann innerhalb der Kolbenbohrung eingebaut sein und kann durch Schwingungen eine Strömung in der Kolbenbohrung bewirken, die zum Mischen genutzt wird.
Die vorliegende Technologie kann auch in einem in der Kolbenbohrung angeordneten zusätzlichen Volumen verwendet werden, das der Hub des Kolbens nicht erreicht, oder kann sich im Pumpenkopf getrennt von der Kolbenbohrung oder außerhalb des Pumpenkopfes als eigenständige Komponente befinden.
Das Mischen kann in einem Volumen erfolgen, das keine zylindrische Geometrie, sondern eine beliebig geformte Grenze aufweist.
Das Mischen kann in einem Volumen erfolgen, das auch innere Begrenzungsstrukturen, wie einen blockierten Zylinder oder Poren aufweist, die dafür sorgen können, dass die Flüssigkeit beim Vorbei- oder Durchfließen verschiedene Wege nimmt.
Das Mischen kann auch in einem Volumen erfolgen, das von einem ungemischten Anteil des Gesamtstroms getrennt ist, und die zwei oder mehr Teilströme können wieder zu einem gleich großen Gesamtstrom zusammengeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Flüssigchromatografiesystem, das eine Mischanordnung umfasst. Das System kann ein Hochleistungsflüssigchromatografiesystem, insbesondere ein Ionenchromatografiesystem, sein.
Das System kann einen Pumpenkopf umfassen, der dazu konfiguriert ist, ein Fluid zu pumpen und/oder unter Druck zu setzen. Der Pumpenkopf kann ein fester Körper sein, vorzugsweise ein Metallkörper, in den ein(e) oder mehrere Zylinder oder Kammern gefräst oder gebohrt sind, um den/die Kolben aufzunehmen. Diese Kammern können Kolbenbohrungen bilden. Ein Kolben kann eine Stange aus inerten Materialien wie Saphir, Keramik, Stahl oder Legierung sein. Der Kolben kann sich innerhalb einer Kolbenbohrung im Pumpenkopf hin- und her bewegen. Der Pumpenkopf kann Teil einer Pumpe sein, die dazu konfiguriert ist, ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, durch das System zu pumpen. Für den Einsatz in der Chromatografie kann die Pumpe ein gleichförmiges Gemisch des Fluids realisieren. Die Funktion der Mischanordnung kann darin bestehen, zwei oder mehr Flüssigkeitsströme in ein gleichförmiges Gemisch umzuwandeln, so dass Konzentrationsschwankungen der einzelnen Komponenten die Analyse und Detektion nicht beeinträchtigen.
Das System kann eine Mehrzahl von umschlossenen Volumina umfassen, wobei an jedem umschlossenen Volumen eine Wellenquelle angeordnet ist, um eine Schallwelle in dem jeweiligen umschlossenen Volumen zu generieren. Somit kann Fluid in jedem Pumpenkopf unabhängig gemischt werden.
Das System kann einen druckbeaufschlagten Teilabschnitt und einen weiteren Teilabschnitt bei Atmosphärendruck umfassen, wobei die Wellenquelle in dem Teilabschnitt bei Atmosphärendruck angeordnet ist. Der druckbeaufschlagte Teilabschnitt kann ein Fluid mit einem höheren Druck im Vergleich zu einem umgebenden Atmosphärendruck umfassen. Vorzugsweise ist der druckbeaufschlagte Teilabschnitt gegen die umgebende Atmosphäre abgedichtet.
Das System kann einen Probenehmer umfassen und die Wellenquelle kann bei Atmosphärendruck an dem Probenehmer angeordnet sein, um eine Flüssigkeit zu mischen, die in einem in dem Probenehmer angeordneten Probenfläschchen enthalten ist.
Das System kann einen Fraktionssammler umfassen und die Wellenquelle kann an dem Fraktionssammler bei Atmosphärendruck angeordnet sein, um eine Flüssigkeit zu mischen, die in einem im Fraktionssammler angeordneten Probenfläschchen enthalten ist. Der Fraktionssammler kann so konfiguriert sein, dass er Trennungen von Gemischen durch den Fraktionierungsprozess sammelt.
Die umschlossenen Volumina können teilweise mit Flüssigkeit und teilweise mit einem Gas gefüllt sein, derart, dass sich zwischen der Flüssigkeit und dem Gas eine freie Fluidoberfläche ausbildet, wobei die freie Fluidoberfläche durch Schall verformbar ist und eine Verformung durch Schall eine innere Strömung bewirkt. Somit kann über die Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche eine AW in die Flüssigkeit eingekoppelt werden, um die Flüssigkeit zu mischen.
Die Volumina können so konfiguriert sein, dass sie jederzeit ständig Flüssigkeit enthalten oder intermittierend durchströmt werden.
Der Pumpenkopf kann eine Komponente umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie durch die von der Wellenquelle generierte Schallwelle zum Oszillieren anregbar ist. Dadurch kann die Einkopplung der AW in das Fluid verbessert werden. Die Erhöhung einer akustischen Kopplung zwischen der Wellenquelle und dem zu mischenden Fluid kann als Maximierung des Energietransfers von der Wellenquelle auf das Fluid über die AW definiert werden. Somit können Energieverluste der Schallwelle, die durch Reflexion, Beugungsdämpfung und/oder Dissipation verursacht werden, minimiert werden.
Der Pumpenkopf kann eine Kolbenbohrung umfassen und die Komponente ist innerhalb der Kolbenbohrung in direktem Kontakt mit dem Fluid angeordnet, um das Fluid durch die Oszillation zu mischen.
Die Komponente kann innerhalb der Kolbenbohrung frei beweglich angeordnet und so konfiguriert sein, dass sie sich translatorisch und/oder periodisch bewegt, wobei die Bewegung der Komponente das Fluid mischt.
Die Komponente kann eine vorhandene Komponente innerhalb des Pumpenkopfes sein, so dass kein zusätzliches Fluidvolumen in das System eingebracht wird. Die Komponente kann insbesondere ein Kolben oder ein Teil der Kolbenbohrung sein. Die Komponente kann einstückig mit dem Pumpenkopf geformt oder gebondet sein.
Die Komponente kann piezoelektrisch sein und dazu konfiguriert sein, durch Oszillieren eine Strömung innerhalb der Kolbenbohrung zu generieren, die zum Mischen verwendet wird.
Das System kann ein zusätzliches Volumen umfassen, das in der oder angrenzend an die Kolbenbohrung und mit ihr verbunden ist, wobei ein Hub eines Kolbens in die Kolbenbohrung nicht in das zusätzliche Volumen hineinreicht und wobei das Fluid innerhalb des zusätzlichen Volumens gemischt wird. Der Bewegungsbereich des Kolbens kann eingeschränkt werden, so dass das zusätzliche Volumen eine vorgegebene Größe aufweist und immer oder zumindest während des Betriebs mit Fluid gefüllt sein kann.
Im Pumpenkopf kann ein zusätzliches Volumen angeordnet sein und das zusätzliche Volumen kann von der Kolbenbohrung getrennt sein, wobei das Fluid in dem zusätzlichen Volumen gemischt wird. Das zusätzliche Volumen kann weiterhin Teil des Kolbenbodens sein oder in diesen integriert sein.
Das System kann ein Mischvolumen umfassen, das außerhalb des Pumpenkopfes angeordnet ist und/oder eine separate Komponente des Flüssigchromatografiesystems bildet.
Das System kann einen Kolben umfassen und der Fluidaufnahmeabschnitt kann eine Öffnung umfassen, wobei der Kolben in die Öffnung einführbar ist, um einen Druck auf das in dem Fluidaufnahmeabschnitt vorhandene Fluid auszuüben. Der Fluidaufnahmeabschnitt kann einen Kolbenraum, insbesondere eine Kolbenbohrung, des Pumpenkopfes bilden.
Das Flüssigchromatografiesystem kann eine Pumpe umfassen, die den Fluidaufnahmeabschnitt umfassen kann. Außerdem kann die Pumpe einen Pumpenkopf umfassen, der den Fluidaufnahmeabschnitt umfassen kann.
Das System kann zwei Wellenquellen umfassen, die auf einem piezoelektrischen Substrat, das die Form eines Chips aufweist, angeordnet sind, und kann ein Steuermodul umfassen, das dazu konfiguriert ist, eine Laufzeit und/oder eine Phase einer von mindestens einer der Wellenquellen generierten Schallwelle zu messen und eine Temperatur innerhalb des Pumpenkopfes basierend auf der Laufzeit und/oder Phase der Schallwelle zu bestimmen.
Das System kann mindestens ein zusätzliches Volumen umfassen, das zum Mischen mindestens eines Teilstroms des Fluids durch die Mischanordnung konfiguriert ist, wobei das zusätzliche Volumen getrennt von einem ungemischten Teilstrom des Gesamtstroms angeordnet ist und wobei die mindestens zwei Teilströme einen gleich großen Gesamtstrom bilden.
Das System kann einen Fluidbehälter zum Halten eines Lösungsmittels oder einer Probe umfassen, wobei der Fluidbehälter den Fluidaufnahmeabschnitt umfasst. Das System kann einen Hochdruckbereich umfassen, der den Fluidaufnahmeabschnitt bildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Mischen einer Flüssigkeit, wobei das Verfahren umfasst:

- Bereitstellen einer Mischanordnung oder eines Flüssigchromatografiesystems,
- Bereitstellen einer Flüssigkeit in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt,
- Generieren einer Schallwelle durch die Wellenquelle,
- Injizieren mindestens eines Teils der Schallwelle in die im Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt aufgenommene Flüssigkeit und dadurch Mischen der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt.

Das Generieren einer Schallwelle kann das Generieren einer Einzelmodus- und/oder Einzelfrequenz-Ultraschallwelle umfassen. Dadurch kann der Vorteil der Generierung einer stehenden Welle erreicht werden. Darüber hinaus können die Materialeigenschaften der Mischanordnung optimiert werden, um die Wellenausbreitung von der Wellenquelle zum Fluid zu maximieren. Vorzugsweise können die akustischen Impedanzen der Materialien basierend auf dem Einzelmodus und/oder der Einzelfrequenz der AW eingestellt werden.
Das Generieren einer Schallwelle kann das Generieren einer Ultraschallwelle umfassen, die aus einer Mehrzahl von Resonanzfrequenzen der Wellenquelle besteht. Insbesondere kann die AW Oberwellen einer einzelnen Grundfrequenz oder einer Mehrzahl von Grundfrequenzen umfassen. Die Mehrzahl der Grundfrequenzen kann durch die elektrisch leitende Struktur, die Geometrie des piezoelektrischen Substrats und/oder die Eigenschaften des IDT im Allgemeinen bestimmt werden.
Das Injizieren der Schallwelle in die Flüssigkeit umfasst das Brechen einer Schallwelle mindestens teilweise von der Wellenquelle in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt und das anschließende Brechen der Schallwelle mindestens teilweise vom Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt in die Flüssigkeit. Das Brechen der Schallwelle von der Wellenquelle in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt kann das Brechen der Schallwelle von der Wellenquelle in eine Kopplungsschicht und das Brechen der Schallwelle von der Kopplungsschicht in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt umfassen.
Das Verfahren kann das Komprimieren und/oder Unterdrucksetzen des in dem Fluidaufnahmeabschnitt angeordneten Fluids umfassen. Insbesondere kann das Fluid durch einen in die Kolbenbohrung einfahrenden Kolben komprimiert und/oder gepumpt werden.
Die Mischanordnung kann dazu konfiguriert sein, das Verfahren durchzuführen.
Das Flüssigchromatografiesystem kann dazu konfiguriert sein, das Verfahren durchzuführen.
Die Erfindung wird mit den folgenden nummerierten Ausführungsformen weiter beschrieben.
Nachstehend werden die Anordnungsausführungsformen behandelt. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „A“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Anordnungsausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.
A1. Mischanordnung zum Mischen eines Fluids, wobei die Mischanordnung Folgendes umfasst:

einen Fluidaufnahmeabschnitt, der dazu konfiguriert ist, das Fluid aufzunehmen,
eine Wellenquelle, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle zu generieren,
wobei die Mischanordnung dazu konfiguriert ist, zumindest einen Teil der Schallwelle in das in dem Fluidaufnahmeabschnitt aufgenommene Fluid zu injizieren, um dadurch ein Mischen des Fluids in dem Fluidaufnahmeabschnitt zu bewirken.

A2. Mischanordnung gemäß der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, die Schallwelle mit einer Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz zu generieren.
A3. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei
die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, die Schallwelle mit einer Leistung im Bereich von 10 µW bis 10 W zu generieren.
A4. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Fluid eine Flüssigkeit ist und wobei die Mischanordnung zum Mischen der Flüssigkeit in einem Flüssigchromatografiesystem, vorzugsweise einem Hochleistungsflüssigchromatografiesystem oder einem lonenchromatografiesystem, konfiguriert ist.
A5. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle einen Wandler umfasst, der dazu konfiguriert ist, ein elektrisches Signal in eine Schallwelle, insbesondere eine Ultraschallwelle, umzuwandeln.
A6. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle ein piezoelektrisches Substrat umfasst.
A7. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsformen A5, wobei das piezoelektrische Substrat die Form eines Chips aufweist.
A8. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A5, wobei der Wandler eine elektrisch leitende Struktur umfasst, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist.
A9. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A8, wobei die elektrisch leitende Struktur eine Metallstruktur ist.
A10. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A8, wobei die elektrisch leitende Struktur dazu konfiguriert ist, ein elektrisches Signal zu empfangen.
A11. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A8, wobei die elektrisch leitende Struktur zwei Elektroden umfasst, wobei jede Elektrode eine Mehrzahl von Elektrodensträngen umfasst und wobei die Elektrodenstränge abwechselnd parallel und voneinander beabstandet angeordnet sind, um den Wandler auf die Anregung einer einzigen Resonanzfrequenz zu beschränken.
A12. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A10, wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, eine mechanische Verschiebung des piezoelektrischen Substrats basierend auf dem empfangenen elektrischen Signal zu induzieren.
A13. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A12, wobei der Wandler mindestens einen durch das elektrische Signal anregbaren resonanten Schwingungsmodus aufweist und wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, bei resonanter Anregung des Wandlers auf Basis des elektrischen Signals eine Schallwelle zu generieren.
A14. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A7 und A13, wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle (AW), insbesondere eine akustische Oberflächenwelle (SAW), die sich entlang einer Oberfläche des Chips fortbewegt, oder eine Scherwelle (SH-SAW), die sich entlang der Oberfläche des Chips und/oder durch das Volumen des Chips fortbewegt, zu generieren.
A15. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A14, umfassend ein Festkörpersubstrat, wobei der Wandler akustisch mit dem Festkörpersubstrat gekoppelt ist, um eine SAW auf einer Oberfläche des Festkörpersubstrats zu generieren.
A16. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A14, wobei der Chip dazu konfiguriert ist, die Schallwelle von der Oberfläche zu entkoppeln und/oder zu brechen, wenn sich physikalische Randbedingungen an der Oberfläche ändern, insbesondere wenn sich das auf der Oberfläche angeordnete Medium ändert.
A17. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt als ein fluiddichter Behälter mit mindestens einer Öffnung konfiguriert ist.
A18. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A17, wobei die Wellenquelle an einer Außenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts angeordnet ist.
A19. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A17, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt einen festen Teilabschnitt umfasst und wobei die Wellenquelle auf dem festen Teilabschnitt angeordnet ist, um mindestens einen Teil der Schallwelle über den festen Teilabschnitt in das Fluid zu injizieren.
A20. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A19, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine Innenfläche umfasst, und wobei das Fluid mit der Innenfläche in Kontakt steht und die Wellenquelle auf einer Außenfläche des festen Teilabschnitts angeordnet ist.
A21. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A17, umfassend eine zweite Wellenquelle, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine erste Seitenwand und eine zweite Seitenwand umfasst, die zueinander abgewinkelt orientiert sind, wobei die Wellenquelle an der ersten Seitenwand angeordnet ist und die zweite Wellenquelle an der zweiten Seitenwand angeordnet ist, so dass die Wellenquellen Schallwellen generieren, die sich in einem Winkel zueinander durch das Fluid in dem Fluidaufnahmeabschnitt fortbewegen.
A22. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A21, wobei die erste Seitenwand und die zweite Seitenwand senkrecht zueinander orientiert sind.
A23. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A17, wobei die Wellenquelle einen festen Teilabschnitt des Fluidaufnahmeabschnitts bildet, um zumindest einen Teil der Schallwelle in das Fluid zu injizieren.
A24. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A20, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, eine akustische Oberflächenwelle zu generieren, die sich auf der Innenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts fortbewegt.
A25. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A24, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt dazu konfiguriert ist, die generierte akustische Oberflächenwelle in das Fluid zu brechen, wenn der Fluidaufnahmeabschnitt mit dem Fluid gefüllt ist.
A26. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, umfassend einen Kolben, und wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine Öffnung umfasst und wobei der Kolben in die Öffnung einführbar ist, um eine Kraft auf das in dem Fluidaufnahmeabschnitt vorhandene Fluid auszuüben.
A27. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt einen Kolbenraum eines Pumpenkopfes bildet.
A28. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine Hochdruckkammer bildet, die dazu konfiguriert ist, Drücken von mehr als 100 bar, vorzugsweise mehr als 500 bar, wie beispielsweise mehr als 1000 bar, standzuhalten.
A29. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle von dem in dem Fluidaufnahmeabschnitt enthaltenen Fluid fluidisch isoliert ist.
A30. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A26, wobei der Kolben entlang einer Kompressionsachse beweglich dazu konfiguriert ist, das Volumen innerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts zu vergrößern oder zu verkleinern.
A31. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A20, wobei die Innenfläche eine zylindrische Form aufweist und wobei die Öffnung eine kreisförmige Blende an einer Endfläche des zylindrischen Volumens bildet, das von dem Fluidaufnahmeabschnitt umfasst ist.
A32. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A26 und A31, wobei der Kolben eine zylindrische Form aufweist und wobei eine Seitenfläche des Kolbens einen konstanten Abstand von der Innenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts beibehält, wenn der Kolben in die Fluidaufnahme eingeführt wird.
A33. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A15 oder A16, wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, einen Fluidstrom in einem auf dem Wandler oder auf dem Festkörpersubstrat angeordneten Fluid durch Brechen der SAW in das Fluid zu generieren.
A34. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A14, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt abnehmbar auf der Oberfläche des Chips angeordnet ist.
A35. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A34, wobei eine Kopplungsschicht zwischen dem Fluidaufnahmeabschnitt und der Oberfläche des Chips angeordnet ist, und wobei die Kopplungsschicht dazu konfiguriert ist, die Anpassung einer akustischen Impedanz des Wandlers und einer weiteren akustischen Impedanz des Fluidaufnahmeabschnitts zu erhöhen, um den Wandler und den Fluidaufnahmeabschnitt akustisch zu koppeln, und wobei die akustische Oberflächenwelle über die Kopplungsschicht in den Fluidaufnahmeabschnitt gebrochen wird.
A36. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A35, wobei die Kopplungssubstanz ein Fluid und/oder ein Klebstoff, insbesondere ein Elastomer, ein Epoxid, ein Harz, ein Kleber und/oder ein Klebeband ist, das/der eine Schicht zwischen dem Fluidaufnahmeabschnitt und der Oberfläche des Chips bildet.
A37. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A35, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt dazu konfiguriert ist, eine über die Kopplungssubstanz an den Fluidaufnahmeabschnitt übertragene Schallwelle in das innerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts aufgenommene Fluid zu brechen.
A38. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A20, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine Wand umfasst, die durch die Innenfläche und eine Außenfläche definiert ist.
A39. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A38, wobei die Außenfläche einen Quader oder einen Zylinder bildet.
A40. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsformen A26 und A38, wobei die Schallwelle eine Energie umfasst und wobei die Wand so konfiguriert ist, dass sie 1 % bis 60 %, vorzugsweise 5 % bis 20 %, wie beispielsweise 10 % bis 20 % der Energie der Schallwelle in das Fluid zwischen der Innenfläche und dem Kolben einkoppelt.
A41. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A38, wobei die Mischanordnung ein Transmissionsmaterial umfasst, das zwischen der Wellenquelle und der Wand angeordnet ist, wobei das Transmissionsmaterial dazu konfiguriert ist, zumindest einen Teil der Welle an die Wand zu übertragen.
A42. Mischanordnung gemäß der vorhergehenden Ausführungsform mit den Merkmalen der Ausführungsform A41, wobei das Transmissionsmaterial eine Transmissionsflüssigkeit ist.
A43. Mischanordnung gemäß der vorhergehenden Ausführungsform mit den Merkmalen der Ausführungsform A26, umfassend eine Dichtung, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt einen Kolbenraum bildet und wobei die Dichtung umlaufend an der Öffnung angeordnet ist, um den Kolben gegen den Fluidaufnahmeabschnitt abzudichten.
A44. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A41, wobei das Transmissionsmaterial eine Dicke im Bereich von 1 µm bis 200 µm aufweist.
A45. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A41, wobei das Transmissionsmaterial mit der Außenfläche der Wand in Kontakt steht.
A46. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von A4, wobei das Flüssigchromatografiesystem eine Pumpe umfasst und wobei die Pumpe den Fluidaufnahmeabschnitt umfasst.
A47. Mischanordnung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Pumpe einen Pumpenkopf umfasst und wobei der Pumpenkopf den Fluidaufnahmeabschnitt umfasst.
A48. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von A4, wobei das Flüssigchromatografiesystem einen Fluidbehälter zum Halten eines Lösungsmittels oder einer Probe umfasst, und wobei der Fluidbehälter den Fluidaufnahmeabschnitt umfasst.
A49. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei sich die Wellenquelle außerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts befindet.
A50. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von A4, wobei sich der Fluidaufnahmeabschnitt in einem Hochdruckbereich des Flüssigchromatografiesystems befindet.
A51. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle einen Volumenoszillator umfasst.
A52. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, Schallwellenimpulse zu generieren.
A53. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, eine frequenz-, amplituden- und/oder phasenmodulierte Schallwelle zu generieren.
A54. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, umfassend mindestens zwei Signalquellen, und wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, ein jeweiliges Anregungssignal von jeder der mindestens zwei Signalquellen zu empfangen, und wobei die Anregungssignale in Bezug aufeinander unterschiedliche Amplituden und/oder Frequenzen aufweisen.
A55. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle einen Wandler mit mehr als einer Resonanzfrequenz umfasst.
A56. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle einen konischen Wandler umfasst, der dazu konfiguriert ist, den Ort der Schallerzeugung einzustellen.
A57. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle einen fokussierten Wandler umfasst, der dazu konfiguriert ist, eine Schallintensität an einem vorgegebenen Ort zu erhöhen.
A58. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, ein Anregungssignal durch kapazitive und/oder induktive Kopplung zu empfangen.
A59. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle einen unidirektionalen Wandler und/oder einen bidirektionalen Wandler umfasst.
A60. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle einen bidirektionalen Wandler mit einem Spiegel umfasst, wobei der Spiegel dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil der von dem bidirektionalen Wandler generierten Schallwelle zu reflektieren, um die in die Richtung des Fluids abgestrahlte Leistung zu erhöhen.
A61. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle einen bidirektionalen Wandler und ein Empfängermodul umfasst, wobei das Empfängermodul als Spiegel oder Reflektor dazu konfiguriert ist, die Schallintensität einer durch den bidirektionalen Wandler generierten Schallwelle zu steuern.
A62. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, einen Anregungssignalimpuls zu empfangen, der die Resonanzfrequenzen der Wellenquelle umfasst.
A63. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, eine Mehrzahl von reinen Frequenzsignalen, insbesondere eine Fourier-Reihe von Signalen, zu empfangen, die ein effektives Anregungssignal in Form einer Rechteck- oder Sägezahnfunktion bilden.
A64. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle innerhalb des Fluids angeordnet ist, das mit dem in dem Fluidaufnahmeabschnitt aufgenommenen Fluid in direktem Kontakt steht.
A65. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A65, wobei die Wellenquelle eine Schutzschicht umfasst, die dazu konfiguriert ist, den Rest der Wellenquelle vor direktem Kontakt mit dem Fluid abzudichten.
A66. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A7, wobei der Chip zumindest teilweise mit dem Fluid in Kontakt steht.
A67. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A7, wobei eine erste Oberfläche des Chips, insbesondere eine Vorderseite, mit dem Fluid in Kontakt steht und der Wandler an einer weiteren Oberfläche des Chips angeordnet ist, insbesondere einer Rückseite, wobei der Chip dazu konfiguriert ist, den Wandler vor Kontakt mit dem Fluid zu schützen.
A68. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, umfassend mindestens zwei Wellenquellen, wobei jede Wellenquelle dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle zu generieren, und wobei die Wellenquellen dazu konfiguriert sind, die Schallwellen gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten in Bezug aufeinander zu generieren, um eine Strömung im Fluid zu generieren.
A69. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A68, umfassend zwei Wellenquellen, die auf einem einzigen piezoelektrischen Substrat in Form eines Chips angeordnet sind.
A70. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, einen reinen Modus oder einen gemischten Modus als Festkörperschallwelle zu generieren.
A71. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle mindestens zwei verschiedene Ultraschallerzeugungsvorrichtungen umfasst, die dazu konfiguriert sind, gemeinsam eine Schallwelle zu generieren.
A72. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A71, wobei die Wellenquelle einen Wandler und einen Volumenoszillator umfasst, um Ultraschallwellen in einem HPLC-System zu generieren.
A73. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, die eine Mehrzahl von Wellenquellen umfasst, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine Mehrzahl von umschlossenen Volumina umfasst und wobei eine dedizierte Wellenquelle verwendet wird, um in jedem umschlossenen Volumen eine Schallwelle zu generieren.
A74. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, ein Signal mit der Anregungsfrequenz weiterzuleiten, die als ein Transceiver wirkt, um weitere Wellenquellen anzuregen.
A75. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, sich direkt mit einer Flüssigkeitsschicht zu koppeln, wobei die Flüssigkeitsschicht dazu konfiguriert ist, die akustische Impedanz einzustellen.
A76. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A69, umfassend ein Steuermodul, das dazu konfiguriert ist, eine Laufzeit und/oder eine Phase einer Schallwelle zu messen und einen Druck innerhalb des Fluids, eine Viskosität des Fluids und/oder eine Dichte des Fluids basierend auf der Laufzeit und/oder der Phase der Schallwelle zu bestimmen.
A77. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A69, umfassend ein Steuermodul, das dazu konfiguriert ist, eine Laufzeit und/oder eine Phase einer Schallwelle zu messen und eine Temperatur des Fluids basierend auf der Laufzeit und/oder Phase der Schallwelle zu bestimmen.
A78. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A69, umfassend ein Steuermodul, das dazu konfiguriert ist, eine Transmissionsmessung und/oder eine Phasenmessung einer Schallwelle durchzuführen und eine Leitfähigkeit innerhalb des Fluids basierend auf der Transmissionsmessung und/oder der Phasenmessung der Schallwelle zu bestimmen.
A79. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A70, wobei eine der Wellenquellen als Empfänger konfiguriert ist.
A80. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A70, wobei eine der Wellenquellen dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle zu empfangen und gleichzeitig eine Schallwelle zu senden.
A81. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, umfassend eine Massenbeschichtungsmessvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, eine Massenbeschichtung auf einer Oberfläche zu bestimmen.
A82. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A81, wobei eine Innenfläche des Fluidaufnahmeabschnitts chemisch funktionalisiert ist, um eine Massenbeschichtungsmessung an der Innenfläche zu erleichtern.
A83. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle beweglich montiert ist, um die Schallausbreitungsrichtung und dadurch die Strömungsrichtung in dem Fluid zu definieren und zu steuern.
A84. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A41, wobei das Transmissionsmaterial eine Flüssigkeit umfasst, die eine Flüssigkeitsschicht bildet, die dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle der Wellenquelle zumindest teilweise mehrfach zu reflektieren.
A85. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt die Form eines Probenfläschchens hat und abnehmbar auf der Wellenquelle platziert werden kann.
A86. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das in dem Fluidaufnahmeabschnitt angeordnete Fluid gemischt wird und wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, zusätzlich zum Mischen des Fluids das Fluid zu schütteln.
A87. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenquelle einen Volumenoszillator umfasst und wobei der Volumenoszillator eine Mehrzahl von gestapelten Volumenoszillatormodulen umfasst.
A88. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A6, wobei das piezoelektrische Substrat direkt auf dem Fluidaufnahmeabschnitt verarbeitet wird
A89. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A26, wobei der Kolben dazu konfiguriert ist, durch die Schallwelle angeregt zu werden, um das Fluid innerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts zu mischen.
A90. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A27, wobei eine Komponente des Pumpenkopfes durch die von der Wellenquelle generierte Schallwelle zum Oszillieren anregbar ist.
A91. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine Innenfläche mit einer willkürlichen Form umfasst und wobei die Innenfläche ein Mischvolumen definiert.
A92. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A91, wobei die Innenfläche beim Mischen des Fluids zumindest teilweise mit dem Fluid in Kontakt steht.
A93. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A92, umfassend definierende innere Strukturen, die das Mischvolumen weiter definieren.
A94. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A93, wobei die definierende innere Struktur eine oder eine Mehrzahl der folgenden Formen umfasst: Zylinder, Quader, Pyramide, Kugel, Pore, Kegel, wobei die definierende innere Struktur dazu konfiguriert ist, die Strömung des Fluids auf verschiedene Wege umzuleiten.
A95. Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform A6, wobei das piezoelektrische Substrat direkt auf dem Fluidaufnahmeabschnitt verarbeitet wird.
Nachstehend werden Systemausführungsformen erörtert. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „S“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Systemausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.
S1. Flüssigchromatografiesystem, umfassend die Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Anordnungsausführungsformen.
S2. System gemäß der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das System ein Hochleistungsflüssigchromatografiesystem ist.
S3. System gemäß der vorletzten Ausführungsform, wobei das System ein Ionenchromatografiesystem ist.
S4. System gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend einen Pumpenkopf, der dazu konfiguriert ist, ein Fluid zu pumpen und/oder unter Druck zu setzen.
S5. System gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend eine Mehrzahl von umschlossenen Volumina und wobei eine Wellenquelle an jedem umschlossenen Volumen angeordnet ist, um eine Schallwelle in dem jeweiligen umschlossenen Volumen zu generieren.
S6. System gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend einen druckbeaufschlagten Teilabschnitt und einen Teilabschnitt bei Atmosphärendruck, wobei die Wellenquelle in dem Teilabschnitt bei Atmosphärendruck angeordnet ist.
S7. System gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend einen Probenehmer, wobei die Wellenquelle am Probenehmer bei Atmosphärendruck angeordnet ist, um eine Flüssigkeit zu mischen, die in einem in dem Probenehmer angeordneten Probenfläschchen enthalten ist.
S8. System gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend einen Fraktionssammler, wobei die Wellenquelle am Fraktionssammler bei Atmosphärendruck angeordnet ist, um eine Flüssigkeit zu mischen, die in einem im Fraktionssammler angeordneten Probenfläschchen enthalten ist.
S9. System gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform S5, wobei die umschlossenen Volumina teilweise mit Flüssigkeit und teilweise mit einem Gas gefüllt sind, derart, dass sich zwischen der Flüssigkeit und dem Gas eine freie Fluidoberfläche ausbildet, wobei die freie Fluidoberfläche durch Schall verformbar ist und eine Verformung durch Schall eine innere Strömung bewirkt.
S10. System gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform S5, wobei die Volumina so konfiguriert sind, dass sie jederzeit ständig Flüssigkeit enthalten oder intermittierend durchströmt werden.
S11. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform S4, wobei der Pumpenkopf eine Komponente umfasst, die dazu konfiguriert ist, durch die von der Wellenquelle generierte Schallwelle zum Oszillieren anregbar zu sein.
S12. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform S11, wobei der Pumpenkopf eine Kolbenbohrung umfasst und wobei die Komponente innerhalb der Kolbenbohrung in direktem Kontakt mit dem Fluid angeordnet ist, um das Fluid durch die Oszillation zu mischen.
S13. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform S12, wobei die Komponente frei beweglich innerhalb der Kolbenbohrung angeordnet und dazu konfiguriert ist, sich translatorisch und/oder periodisch zu bewegen, wobei die Bewegung der Komponente das Fluid mischt.
S14. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform S11, wobei die Komponente eine vorhandene Komponente innerhalb des Pumpenkopfes ist.
S15. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform S12, wobei die Komponente piezoelektrisch ist und dazu konfiguriert ist, durch Oszillieren eine Strömung innerhalb der Kolbenbohrung zu generieren, die zum Mischen verwendet wird.
S16. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform S12, umfassend ein zusätzliches Volumen, das in oder neben der Kolbenbohrung angeordnet und mit dieser verbunden ist, wobei ein Hub eines Kolbens in die Kolbenbohrung nicht in das zusätzliche Volumen hineinreicht und wobei das Fluid innerhalb des zusätzlichen Volumens gemischt wird.
S17. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform S12, wobei ein zusätzliches Volumen im Pumpenkopf angeordnet ist und wobei das zusätzliche Volumen von der Kolbenbohrung getrennt ist, und wobei das Fluid in dem zusätzlichen Volumen gemischt wird.
S18. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend ein Mischvolumen, das außerhalb des Pumpenkopfes angeordnet ist und/oder eine separate Komponente des Flüssigchromatografiesystems bildet.
S19. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend einen Kolben, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine Öffnung umfasst und wobei der Kolben in die Öffnung einführbar ist, um einen Druck auf das in dem Fluidaufnahmeabschnitt vorhandene Fluid auszuüben.
S20. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen der Ausführungsform S4, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt einen Kolbenraum, insbesondere eine Kolbenbohrung, des Pumpenkopfes bildet.
S21. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen von S4, wobei das Flüssigchromatografiesystem eine Pumpe umfasst und wobei die Pumpe den Fluidaufnahmeabschnitt umfasst.
S22. Flüssigchromatografiesystem gemäß der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Pumpe einen Pumpenkopf umfasst und wobei der Pumpenkopf den Fluidaufnahmeabschnitt umfasst.
S23. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend zwei Wellenquellen, die auf einem einzelnen piezoelektrischen Substrat in Form eines Chips angeordnet sind, und umfassend ein Steuermodul, das dazu konfiguriert ist, eine Laufzeit und/oder eine Phase einer von mindestens einer der Wellenquellen generierten Schallwelle zu messen und eine Temperatur innerhalb des Pumpenkopfes basierend auf der Laufzeit und/oder Phase der Schallwelle zu bestimmen.
S24. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend mindestens ein zusätzliches Volumen, das zum Mischen mindestens eines Teilstroms des Fluids durch die Mischanordnung konfiguriert ist, wobei das zusätzliche Volumen getrennt von einem ungemischten Teilstrom des Gesamtstroms angeordnet ist und wobei die mindestens zwei Teilströme einen gleich großen Gesamtstrom bilden.
S25. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend einen Fluidbehälter zum Halten eines Lösungsmittels oder einer Probe, und wobei der Fluidbehälter den Fluidaufnahmeabschnitt umfasst.
S26. Flüssigchromatografiesystem gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, umfassend einen Hochdruckbereich, der den Fluidaufnahmeabschnitt bildet.
Nachstehend werden Verfahrensausführungsformen erörtert. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „M“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Verfahrensausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.
M1. Verfahren zum Mischen einer Flüssigkeit, wobei das Verfahren umfasst:

Bereitstellen einer Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Anordnungsausführungsformen oder eines Flüssigchromatografiesystems gemäß einer der vorherigen Systemausführungsformen,
Bereitstellen einer Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt, Generieren einer Schallwelle durch die Wellenquelle,
Injizieren mindestens eines Teils der Schallwelle in die im Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt aufgenommene Flüssigkeit und dadurch Mischen der Flüssigkeit im Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt.

M2. Verfahren zum Mischen einer Flüssigkeit gemäß der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Generieren einer Schallwelle das Generieren einer Einzelmodus- und/oder Einzelfrequenz-Ultraschallwelle umfasst.
M3. Verfahren zum Mischen einer Flüssigkeit gemäß der vorletzten Ausführungsform, wobei das Generieren einer Schallwelle das Generieren einer Ultraschallwelle umfasst, die aus einer Mehrzahl von Resonanzfrequenzen der Wellenquelle besteht.
M4. Verfahren zum Mischen einer Flüssigkeit gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Injizieren der Schallwelle in die Flüssigkeit das Brechen einer Schallwelle mindestens teilweise von der Wellenquelle in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt und das anschließende Brechen der Schallwelle mindestens teilweise vom Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt in die Flüssigkeit umfasst.
M5. Verfahren zum Mischen einer Flüssigkeit gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen mit den Merkmalen von M4, wobei das Brechen der Schallwelle von der Wellenquelle in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt das Brechen der Schallwelle von der Wellenquelle in eine Kopplungsschicht und das Brechen der Schallwelle von der Kopplungsschicht in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt umfasst.
M6. Verfahren zum Mischen einer Flüssigkeit gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, umfassend das Komprimieren und/oder Unterdrucksetzen des in dem Fluidaufnahmeabschnitt angeordneten Fluids.
A96. System gemäß einer der vorhergehenden Anordnungsausführungsformen, wobei die Mischanordnung dazu konfiguriert ist, das Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen auszuführen.
S27. System gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen, wobei das Flüssigchromatografiesystem dazu konfiguriert ist, das Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen auszuführen.
Nachstehend werden Verwendungsausführungsformen erörtert. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „U“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Verwendungsausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.
U1. Verwendung einer Mischanordnung gemäß einer der vorhergehenden Anordnungsausführungsformen oder des Flüssigchromatografiesystems gemäß einer der vorhergehenden Systemausführungsformen in einem Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben, die die Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen. Diese Ausführungsformen sollten nur Beispiele für die vorliegende Erfindung geben, sie aber nicht einschränken.

1 stellt schematisch eine Querschnittszeichnung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischanordnung dar.
2 stellt schematisch eine Ausführungsform einer elektrisch leitenden Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
3 stellt schematisch eine Ausführungsform einer elektrisch leitenden Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
4 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
5 stellt schematisch eine Ausführungsform einer Mischanordnung gemäß der Erfindung dar;
6 stellt schematisch eine Ausführungsform einer Mischanordnung gemäß der Erfindung dar;
7 stellt schematisch eine Querschnittszeichnung einer Ausführungsform einer Mischanordnung gemäß der Erfindung dar;
8 stellt schematisch ein Flüssigchromatografiesystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar;
9 stellt schematisch eine Zeichnung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe dar; und
10 stellt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischanordnung dar.

Es wird angemerkt, dass nicht alle Zeichnungen alle Bezugszeichen tragen. In einigen Zeichnungen sind stattdessen einige Bezugszeichen der Kürze und Einfachheit der Veranschaulichung halber weggelassen worden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
Die Hochleistungsflüssigchromatografie (HPLC) ist von der klassischen Säulenchromatografie abgeleitet. Das Prinzip besteht darin, dass eine Lösung der Probe in eine Säule aus einem porösen Material (stationäre Phase) injiziert und eine Flüssigkeit (mobile Phase) durch die Säule gepumpt wird. Die Flüssigkeit kann bei hohen Drücken durch die Säule gepumpt werden, z. B. bei Drücken von mehr als 100 bar, vorzugsweise von mehr als 500 bar, wie beispielsweise von mehr als 1000 bar. Die Trennung der Probe basiert auf den Differenzen der Migrationsgeschwindigkeiten durch die Säule, die sich aus unterschiedlichen Wechselwirkungen der Probe mit der stationären Phase ergeben. Je nach Verteilungsverhalten verschiedener Komponenten findet die Elution zu unterschiedlichen Zeiten statt.
1 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Kolbenraums 101 eines Pumpenkopfes 100. Der Kolbenraum 101 kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einen Fluidaufnahmeabschnitt bilden. Ein Kolben 103 ist teilweise in dem Kolbenraum 101 angeordnet, um ein in dem Kolbenraum 101 angeordnetes Fluid zu komprimieren und/oder das Fluid aus der Kolbenraum 101 heraus zu bewegen. Der Kolbenraum 101 und der Kolben 103 können durch eine Dichtung 106 abgedichtet werden, die sich an einer oberen Endöffnung des Kolbenraums 101 befindet. An Außenflächen 105-1, 105-2 des Kolbenraums 101 sind zwei Wellenquellen 102-1, 102-2 angeordnet, wobei die Wellenquellen 102-1, 102-2 senkrecht zueinander orientiert sind, um die Transmission von Ultraschallwellen in die Flüssigkeit entsprechend zu variieren. Die Orientierung der Wellenquelle 102-1, 102-2 kann teilweise die Ausbreitungsrichtung einer generierten Schallwelle in die Flüssigkeit angeben. Die tatsächliche Ausbreitungsrichtung kann jedoch in Abhängigkeit von der Konfiguration der Wellenquelle 102-1, 102-2 variieren. Beispielhafte Ausbreitungsrichtungen der Schallwellen sind mit Pfeilen angegeben.
Die Erfindung ermöglicht ein berührungsloses Mischen von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten. Die Wellenquelle 102-1, 102-2 kann sich außerhalb des Fluidaufnahmeabschnitts befinden und steht dadurch unter Umständen nicht mit dem Fluid in Kontakt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass kein Dichtsystem für einen Mischer benötigt wird. Da das Mischen des Fluids berührungslos erreicht werden kann, ist keine Mischstruktur in einem Fluidvolumen erforderlich. Ein Mischen durch Ultraschallanregung kann in einem bisher hierfür nicht verwendeten Volumen, z. B. dem Pumpenkopf 100 mit seinem Kolbenraum 101, erfolgen. Der Pumpenkopf 100 kann eine Mehrzahl von Kolbenräumen, vorzugsweise zwei Kolbenräume, umfassen. Dadurch werden kein zusätzliches Mischvolumen und/oder Komponenten benötigt. Dies kann das Erreichen chemischer Kompatibilität vereinfachen, da die Anzahl der mit dem Fluid in Kontakt stehenden Teile reduziert werden kann. Außerdem muss für den Mischer kein zusätzliches Volumen hinzugefügt werden.
In der Ausführungsform, die das Mischen in der Pumpe umfasst, kann die Wellenquelle 102-1 außerhalb des zu mischenden Fluids platziert werden und ist somit unter Umständen keinem Hochdruckbereich ausgesetzt. Insbesondere kann die Flüssigkeit innerhalb des Kolbenraums 101 komprimiert werden und daher unter einem Druck stehen, der um Größenordnungen höher ist als der Atmosphärendruck. Daher kann die Wellenquelle 102-1 basierend auf Anforderungen konzipiert werden, die keine Hochdruckfähigkeiten umfassen, die typischerweise in HPLC-Anwendungen erforderlich sind. Außerdem kann für die elektrischen Leitungen 202-1, 202-2 (siehe 2), die die Wellenquelle 102-1 mit einer Signalquelle 203 verbinden, ein niedrigerer Isolationsstandard verwendet werden, da die elektrischen Leitungen 202-1, 202-2 nicht vor dem Kontakt mit einem Fluid bzw. einer Flüssigkeit abgeschirmt werden müssen. Dies kann die Menge der zu den elektrischen Leitungen 202-1, 202-2 gehörenden, implementierten Dichtungen reduzieren. Eine schematische Zeichnung der elektrischen Leitungen 202-1, 202-2 und der Signalquelle 203 ist in 2 dargestellt. 2 stellt einen Wandler dar, der mit einem hochfrequenten Wechselstromsignal versorgt wird, das eine Welle generiert, wobei der Wandler in einer 1-Split-Struktur realisiert ist, wodurch eine Resonanzfrequenz bereitgestellt wird.
2 zeigt ferner eine Ausführungsform einer elektrisch leitenden Struktur 200, die ein Elektrodenstrangmuster umfasst. Dabei kann der Wandler, der die elektrisch leitende Struktur 201 umfasst, als Interdigitalwandler (IDT), der zwei ineinandergreifende kammförmige Arrays von Metallelektroden (d. h. nach Art eines Reißverschlusses) umfasst, konfiguriert sein. Ein IDT kann akustische Oberflächenwellen (SAW) generieren, indem er über den piezoelektrischen Effekt periodisch verteilte mechanische Kräfte generiert. Jeder Elektrodenstrang kann als diskrete Quelle für die Generierung von SAWs in dem piezoelektrischen Substrat betrachtet werden, da die piezoelektrisch generierte Belastung abhängig von der Position in der Nähe jedes Elektrodenstrangs variiert. Die Elektrodenstränge können in einer n-Split-Struktur konfiguriert sein. In 2 ist eine 1-Split-Struktur gezeigt. Diese Struktur kann eine bidirektionale Transmission einer Schallwelle erreichen. Während diese Struktur eine bidirektionale Welle überträgt, wird zur Vereinfachung der Darstellung normalerweise nur die in eine Richtung emittierte Welle dargestellt. 3 stellt eine 4-Split-Struktur dar. Um mehrere Frequenzen mit der gleichen Komponente zu generieren, können die Elektrodenstränge geteilt werden. Somit kann eine 1-Split-Struktur in eine 4-Split-Struktur umgewandelt werden, um mehrere Resonanzfrequenzen zu erreichen. Ein 4-Split-Wandler kann 4 verschiedene Frequenzen generieren, insbesondere eine Grundfrequenz und zusätzlich die dritte, fünfte und siebte harmonische Frequenz. Die elektrisch leitende Struktur 201 kann das piezoelektrische Substrat teilweise bedecken.
Durch das Integrieren von Ultraschallmischen kann der Vorteil erreicht werden, dass ein in der Chromatografiepumpe vorhandenes reduziertes Fluidvolumen erreicht wird, da Mischen und Pumpen im gleichen Volumen und ohne zusätzlichen Platz für herkömmliche Mischgeräte erreicht werden können. Unter Verwendung eines kleineren Fluidvolumens in der Pumpe kann die Geschwindigkeit der Probenanalyse erhöht werden. Da kein separater Mischer erforderlich ist, wird die Handhabung der Fluidsonde vereinfacht und die Handhabungsgeschwindigkeit erhöht. Vorhandene Volumina können verwendet werden, ohne dass die Gefahr von Kollisionen von beweglichen Komponenten besteht, da keine zusätzlichen Komponenten in das Fluidvolumen eingebracht werden.
Eine Wellenquelle 101-1, 101-2, die ein piezoelektrisches Substrat 104 umfasst, wird verwendet, um eine Ultraschallwelle 302 zu generieren. Ein Querschnitt einer Ausführungsform eines piezoelektrischen Substrats 104 ist in 4 gezeigt. Das piezoelektrische Substrat 104 bildet einen Chip und ein Wandler 306, insbesondere ein IDT, der eine elektrisch leitende Struktur 201 (siehe z. B. 2 oder 3) umfasst, ist auf einer Oberfläche 301 des Chips angeordnet, an die ein hochfrequentes elektrisches Signal angelegt wird. Somit bilden das piezoelektrische Substrat 104 und der Wandler 306 eine Ultraschallwellenquelle.
Das elektrische Signal verursacht eine mechanische Störung des piezoelektrischen Substrats 104, und wenn der Wandler 306 resonant angeregt wird, erzeugt dies eine Schallwelle, die von dem Wandler 306 ausgeht.
Eine Schallwelle kann sich als akustische Oberflächenwelle (SAW) 302 entlang der Oberfläche 301 des Chips fortbewegen. Diese SAW 302 kann sich entlang der Oberfläche 301 fortbewegen, solange die physikalischen Randbedingungen unverändert bleiben, d. h. im oberen Halbraum 303 über dem Chip Luft oder Vakuum vorliegt. Wenn eine Flüssigkeit 304 auf dem Chip platziert wird, entkoppelt sich die Schallwelle von der Oberfläche 301 und wird in die Flüssigkeit 304 gebrochen, wie durch die Wellenausbreitungsvektoren 305 angegeben. Die sich durch die Flüssigkeit 304 fortbewegende Schallwelle verursacht eine Strömung.
Diese Strömung kann zum Mischen verwendet werden. Die Schallausbreitung in der Flüssigkeit 304 erfolgt unter dem Rayleigh-Winkel Θ_R. Der Rayleigh-Winkel Θ_R ist durch die Größen der Schallgeschwindigkeiten im Chipsubstrat v_s und Flüssigkeit v_f: sin Θ_R = v_f/v_s definiert.
Die Schallwelle verwendet typische Frequenzen von 1 MHz bis 1 GHz. Die SAW kann sich entlang der X-Achse von links nach rechts ausbreiten. Bei x = 0 erreicht sie die Grenze der Flüssigkeit 304, die auf der Oberfläche 301 des piezoelektrischen Substrats 104 angeordnet ist. Die SAW 302 mit einer Amplitude kann dann von dem Fluid 304 absorbiert werden, wie durch die abklingende Amplitude für positive x-Werte angegeben. Es wird eine endliche Druckdifferenz 2Δp im Fluid 304 zwischen den Höhen und den Vertiefungen der Schallwelle 302 gebildet, die sich in eine Fluiddichtedifferenz 2Δρ umwandelt. Beide Größen oszillieren räumlich und zeitlich um ihren jeweiligen Gleichgewichtswert p₀ bzw. ρ₀. Die Druckdifferenz über der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 104 führt zur Anregung einer longitudinalen Schallwelle in das Fluid 304. Da die Schallgeschwindigkeiten für die Flüssigkeit und die Festkörpersubstrate im Allgemeinen nicht gleich sind, breitet sich diese Welle unter dem Rayleigh-Winkel Θ_R aus.
Eine Querschnittsansicht eines Probengefäßes 401, das auf dem Chip 104 angeordnet ist, ist in 5 dargestellt. Darüber hinaus ist die in 5 gezeigte Ansicht ein schematisch verkleinerter Ausschnitt, wie in 6 mit B gekennzeichnet. Wenn ein Festkörper 401, d. h. ein Probengefäß, auf der Chipoberfläche 301 angeordnet ist, kann die Ausbreitung einer Schallwelle 302 von der Oberfläche 301 in den Festkörper 401 behindert werden. Insbesondere kann sich zwischen den angrenzenden Kontaktflächen ein Spalt bilden und somit kann sich die Schallwelle 302 aufgrund einer schlechten Anpassung der akustischen Impedanzen nicht in Richtung des Festkörpers 401 brechen und verbleibt im Chip 104. Das Hinzufügen eines Kopplungsmediums 402, insbesondere einer Flüssigkeit, zwischen den angrenzenden Kontaktflächen kann die Anpassung der akustischen Impedanzen verbessern und die Schallwelle 302 kann sich somit besser durch den Flüssigkeitsfilm 402 in den Festkörper 401 brechen.
Das Kopplungsmedium 402 kann ein Klebstoff sein, der dazu konfiguriert ist, das Probengefäß 401 an der Chipoberfläche 301 zu fixieren. Alternativ kann der Festkörper 401 Teil eines Pumpenkopfes sein. Somit zeigt 5 auch den Schallweg im Pumpenkopf, wo sich die Schallwelle nach dem Weg 305 in die Flüssigkeit 304 einkoppelt. Das Kopplungsmedium 402 kann den Vorteil erreichen, Oberflächenunebenheiten des Festkörpers 401 und/oder des Chips 104 bzw. der Chipoberfläche 301 auszugleichen. Insbesondere können Luftspalte verhindert werden, durch die die Schallwelle nicht übertragen kann. Darüber hinaus kann der Chip 104 durch Verwendung eines Klebstoffs als Kopplungsmedium fest am Festkörper 401 angebracht werden.
Der Festkörper 401 kann ein Fluidaufnahmeabschnitt mit der Funktion einer geschlossenen Kammer sein, z. B. ein Pumpenkopf in einer Pumpe, ein Mischer oder ein Probengefäß. Die Schallwelle 302 breitet sich durch den Fluidaufnahmeabschnitt 401 aus und trifft dann auf ein Flüssigkeitsvolumen 304, das von dem Festkörper bzw. Fluidaufnahmeabschnitt 401 umschlossen ist. Probengefäße, wie in 6 dargestellt, können in einem einzigen Autosampler gemischt werden, aber eine individuelle Gefäßantwort kann implementiert werden, da ein einzelnes Gefäß mit seinem zugehörigen Wandler gekoppelt werden kann, bzw. an den Wandler, mit dem es akustisch gekoppelt ist. Als Alternative zu einer Kopplungsflüssigkeit 402 kann jede Art von akustisch koppelndem Material zwischen dem Festkörper 401 und dem piezoelektrischen Substrat 104 angeordnet sein. Die Brechung der Schallwelle durch die Kopplungsflüssigkeit 402, den Festkörper 401 und das Fluid 304 wird durch die Wellenausbreitungsvektoren 305 angegeben.
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kolbenraums 101 entlang A-A', wie in 1 gezeigt. Der Kolbenraum 101 kann mit Flüssigkeit 304 gefüllt werden. Die Flüssigkeit 304 kann insbesondere zwischen einer Innenfläche 701 des Kolbenraums 101 und einer Mantelfläche 702 des Kolbens 103 angeordnet sein. Es ist vorteilhaft, den Hauptteil der Energie der Schallwelle mit dem Wellenausbreitungsvektor 305 in das Fluid 304 zwischen dem Kolben 103 und der Kolbenraumwand 401 bzw. zwischen der Innenfläche 701 und der Mantelfläche 702 einzukoppeln. Die Schallwelle kann durch die Wellenquelle in das Wandmaterial des Kolbens 103 eingekoppelt werden.
Die erfindungsgemäße Mischanordnung kann zum Mischen von Fluiden in der HPLC in geschlossenen Volumina, die unter hohem Druck stehen können, verwendet werden. Der Kolbenraum 101 kann ein solches geschlossenes Volumen darstellen. Bei der Ultraschallmischung, die möglicherweise keine zusätzlichen Hardwareelemente in Kontakt mit der Flüssigkeit erfordert, sind keine zusätzlichen Komponenten vorhanden, die beispielsweise mit dem Kolben 103 kollidieren könnten. Der Kolben 103 kann eine bewegliche Komponente sein, die die Größe des zu mischenden Volumens ständig ändert. Damit kann der Vorteil erreicht werden, dass im Lauf der Zeit räumlich veränderliche Volumina über Ultraschallwellen gemischt werden können. Es kann vorteilhaft sein, einen Großteil der Energie der Schallwelle zwischen dem Kolben 103 und der Wand 701 in die Flüssigkeit 304 einzukoppeln.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen können sich auf ein Flüssigchromatografiesystem 800 beziehen, wie es schematisch in 8 dargestellt ist. Insbesondere zeigt 8 einen beispielhaften Probenehmer 820 (der im Flüssigchromografiesystem 800 enthalten ist), wobei der Probenehmer 820 ein Ventil 801 umfasst, das 5 Anschlüsse und 3 Verbindungselemente umfasst (wenn auch die genaue Anzahl von Anschlüssen und Verbindungselementen davon verschieden sein kann). Das Ventil 801 kann dazu konfiguriert sein, eine Mehrzahl von Konfigurationen anzunehmen. Weiterhin kann der Probenehmer 820 eine Dosiervorrichtung 802 und eine Probenschleife 803 umfassen, wobei die Dosiervorrichtung 802 dazu konfiguriert sein kann, Fluid bzw. die Probe in die Probenschleife 803 zu ziehen, wo sie vor der Injektion aufbewahrt werden kann. Die Probe kann beispielsweise aus einem Probengefäß 804 mittels einer beweglichen Nadel 805 gezogen werden, die in einem Nadelsitz 806 platziert sein kann, nachdem sich die Probe in der Probenschleife 803 befindet, um die Probe nachgelagerten Komponenten zuzuführen. Die Nadel 805 und der Nadelsitz 806 können eine leckagefreie Verbindung herstellen. Das bedeutet, dass der Probenehmer 820 für den Split-Loop-Betrieb konfiguriert sein kann. Ferner kann der Probenehmer auch einen Abfallbehälter 807 sowie eine Fluidverbindung zur zweiten Pumpe 808 und zur ersten Trennsäule 809 umfassen, die Bestandteil des Flüssigchromatografiesystems 800 sind.
Stromabwärts der ersten Trennsäule 809 kann das Chromatografiesystem auch einen Detektor 814 umfassen.
Der Probenehmer 820 kann dazu konfiguriert sein, eine Vorverdichtung der Probe in der Probenschleife 803 vom Injizieren von dieser in den Eluentenstrom zu ermöglichen, um große Druckunterschiede beim Injizieren der Probe in die Trennsäule 809 zu vermeiden. Dies kann vorteilhaft sein, um eine Dispersion der Probe zu vermeiden und somit eine höhere Reproduzierbarkeit zu ermöglichen. Je nach der Stellung des Ventils 801 kann der von der ersten Pumpe 808 bereitgestellte Eluentenstrom direkt zur ersten Trennsäule 809 fließen, oder er kann alternativ durch die Probenschleife 803 geleitet werden, bevor er zur ersten Trennsäule 809 geleitet wird, wodurch der gelagerte Probepfropfen aufgenommen wird.
Die Pumpe 808 kann zwei separate Pumpenmodule 810-1, 810-2 umfassen, die mit einem jeweiligen Lösungsmittelbehälter 811-1, 811-2 fluidisch verbunden sind. Beispielhaft kann die erfindungsgemäße Mischanordnung innerhalb des HPLC-Systems an den folgenden Komponenten eingesetzt werden: Pumpenmodule 810-1, 810-2, Lösungsmittelbehälter 811-1, 811-2, Probengefäße 804 und/oder Dosiervorrichtung 802. Alternativ kann die Dosiervorrichtung einen Pumpenkopf umfassen, auf dem eine Wellenquelle angeordnet werden kann, um das Fluid zu mischen.
Der Fachmann versteht, dass der abgebildete und beschriebene Probenehmer 820 nur ein Beispiel ist und dass andere Ausführungsformen eines Probenehmers 820 im Chromatografiesystem verwendet werden können.
Darüber hinaus kann bei der Erörterung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch auf die in 9 dargestellte Parallelpumpe Bezug genommen werden. Die in dieser Figur dargestellte Pumpe 900 umfasst einen ersten Verdrängungsmechanismus 901-1 und einen zweiten Verdrängungsmechanismus 901-2. Jeder Verdrängungsmechanismus 901-1, 901-2 umfasst einen Pumpenkopf 100-1, 100-2 und einen Kolben 103-1, 103-2, der beweglich in dem jeweiligen Pumpenkopf 100-1, 100-2 montiert ist. Somit liegt in jedem der Pumpenköpfe 901-1, 901-2 ein freies Volumen 902-1, 902-2 vor. Jeder Kolben 103-1, 103-2 ist gegen seinen jeweiligen Kolbenraum 101-1, 101 -2 mittels einer Dichtung 106-1, 106-2 abgedichtet. Darüber hinaus kann jeder oder mindestens ein Verdrängungsmechanismus 901-1, 901-2 einen Einlass 903-2 und eine Einlassventilanordnung 904 sowie einen Auslass 907 und eine Auslassventilanordnung 905 umfassen. Weiterhin kann in der dargestellten Ausführungsform jeder Verdrängungsmechanismus 901-1, 901-2 einen Drucksensor 906-1, 906-2 umfassen.
Insbesondere versteht es sich, dass eine wie in 9 dargestellte Pumpe 900 für jedes der in 8 dargestellten Pumpenmodule 810-1, 810-2 verwendet werden kann. Auch mit Bezug auf 9 ist anzumerken, dass die beschriebenen Mischanordnungen im ersten und/oder im zweiten Verdrängungsmechanismus 901-1, 901-2 angeordnet sein können.
Wie in 10 gezeigt, kann der IDT 306, der eine fingerartige elektrisch leitende Struktur umfasst, eine Schallwelle (AW) generieren, die sich zu einem Kopplungsbereich fortbewegt, wo der Pumpenkopf 401 durch das Kopplungsmedium 402 akustisch an den piezoelektrischen Chip 104 gekoppelt ist. Anfangs kann die AW eine SAW sein.
Die AW bewegt sich entlang der Chipoberfläche 301, durch das Kopplungsmedium 402, durch das Material des Pumpenkopfes 401 in die Kolbenbohrung 101 fort, und dort in ein in der Kolbenbohrung 101 enthaltenes Fluid. Die Ausbreitungsrichtung der AW ist mit Pfeilen angegeben. Übertragungsverluste können verringert werden, indem die Weglänge der Schallwelle zum Fluid verringert wird. Daher kann der Fluidaufnahmeabschnitt bzw. der Pumpenkopf 401 am Eintrittspunkt oder der Eintrittsfläche der Schallwelle eine verringerte Dicke aufweisen. Die Energiedissipation von der Innenfläche der Kolbenbohrung 101 kann exponentiell sein. Darüber hinaus kann eine an der Innenfläche der Kolbenbohrung 101 generierte SAW den Großteil ihrer Energie in einer Fluidschicht nahe der Innenfläche ableiten.
Während im Vorstehenden bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurden, wird der Fachmann verstehen, dass diese Ausführungsformen nur zu Zwecken der Veranschaulichung dargestellt wurden und keineswegs als Einschränkung des Umfangs dieser Erfindung, die durch die Ansprüche definiert ist, ausgelegt werden sollten.
Wann immer in dieser Spezifikation ein relativer Begriff wie „ungefähr“, „im Wesentlichen“ oder „ca.“ verwendet wird, sollte dieser Begriff auch so ausgelegt werden, dass er den genauen Begriff mit einschließt. Das heißt, z. B. „im Wesentlichen gerade“ sollte ebenfalls dahingehend ausgelegt werden, dass auch „(genau) gerade“ eingeschlossen ist.
Wenn Schritte im Vorstehenden oder auch in den angehängten Ansprüchen angeführt wurden, ist anzumerken, dass die Reihenfolge, in der die Schritte im Text angeführt werden, zufällig sein mag. Das heißt, wenn nicht anders spezifiziert oder wenn es für den Fachmann nicht klar ist, kann die Reihenfolge, in der die Schritte angeführt werden, beliebig sein. Das heißt, wenn das vorliegende Dokument angibt, dass z. B. ein Verfahren Schritte (A) und (B) umfasst, bedeutet dies nicht unbedingt, dass Schritt (A) Schritt (B) vorausgeht, sondern es ist ebenfalls möglich, dass Schritt (A) (zumindest teilweise) gleichzeitig mit Schritt (B) ausgeführt wird, oder dass Schritt (B) Schritt (A) vorausgeht. Wenn überdies ein Schritt (X) einem anderen Schritt (Z) vorausgehen soll, bedeutet dies nicht, dass zwischen Schritt (X) und (Z) kein Schritt ist. Das heißt, Schritt (X), der Schritt (Z) vorausgeht, schließt die Situation ein, dass Schritt (X) direkt vor Schritt (Z) ausgeführt wird, doch auch die Situation, dass (X) vor einem oder mehreren Schritten (Y1), ..., gefolgt von Schritt (Z), ausgeführt wird. Entsprechende Überlegungen gelten, wenn Ausdrücke wie „nach“ oder „vor“ angewandt werden.

Claims

Mischanordnung zum Mischen eines Fluids, wobei die Mischanordnung Folgendes umfasst: einen Fluidaufnahmeabschnitt, der dazu konfiguriert ist, das Fluid aufzunehmen, eine Wellenquelle, wobei die Wellenquelle dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle zu generieren, wobei die Mischanordnung dazu konfiguriert ist, zumindest einen Teil der Schallwelle in das in dem Fluidaufnahmeabschnitt aufgenommene Fluid zu injizieren, um dadurch ein Mischen des Fluids in dem Fluidaufnahmeabschnitt zu bewirken.
Mischanordnung nach Anspruch 1, wobei die Wellenquelle so konfiguriert ist, dass sie die Schallwelle mit einer Leistung im Bereich von 10 µW bis 10 W generiert.
Mischanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine Hochdruckkammer bildet, die dazu konfiguriert ist, Drücken von mehr als 100 bar, vorzugsweise mehr als 500 bar, wie beispielsweise mehr als 1000 bar, standzuhalten.
Mischanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenquelle einen Wandler umfasst, der dazu konfiguriert ist, ein elektrisches Signal in eine Schallwelle, insbesondere eine Ultraschallwelle, umzuwandeln, wobei das piezoelektrische Substrat die Form eines Chips aufweist, wobei der Wandler eine elektrisch leitende Struktur umfasst, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist, wobei die elektrisch leitende Struktur dazu konfiguriert ist, ein elektrisches Signal zu empfangen, wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, eine mechanische Verschiebung des piezoelektrischen Substrats basierend auf dem empfangenen elektrischen Signal zu induzieren, wobei der Wandler mindestens einen resonanten Schwingungsmodus aufweist, der durch das elektrische Signal anregbar ist, und wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle zu generieren, wenn der Wandler auf Grundlage des elektrischen Signals resonant angeregt wird, wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, eine Schallwelle (AW) zu generieren, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt abnehmbar auf der Oberfläche des Chips angeordnet ist, wobei eine Kopplungsschicht zwischen dem Fluidaufnahmeabschnitt und der Oberfläche des Chips angeordnet ist, und wobei die Kopplungsschicht dazu konfiguriert ist, die Anpassung einer akustischen Impedanz des Wandlers und einer weiteren akustischen Impedanz des Fluidaufnahmeabschnitts zu erhöhen, um den Wandler und den Fluidaufnahmeabschnitt akustisch zu koppeln, und wobei die akustische Oberflächenwelle über die Kopplungsschicht in den Fluidaufnahmeabschnitt gebrochen wird.
Mischanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt als fluiddichter Behälter mit mindestens einer Öffnung konfiguriert ist, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt einen festen Teilabschnitt umfasst und wobei die Wellenquelle auf dem festen Teilabschnitt angeordnet ist, um mindestens einen Teil der Schallwelle über den festen Teilabschnitt in das Fluid zu injizieren, wobei das Fluid mit der Innenfläche in Kontakt steht und die Wellenquelle an einer Außenfläche des festen Teilabschnitts angeordnet ist, wobei der Fluidaufnahmeabschnitt eine Wand umfasst, die durch die Innenfläche und eine Außenfläche definiert ist, wobei die Mischanordnung ein Transmissionsmaterial umfasst, das zwischen der Wellenquelle und der Wand angeordnet ist, wobei das Transmissionsmaterial dazu konfiguriert ist, zumindest einen Teil der Welle an die Wand zu übertragen.
Mischanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid eine Flüssigkeit ist und wobei die Mischanordnung zum Mischen der Flüssigkeit in einem Flüssigchromatografiesystem, vorzugsweise einem Hochleistungsflüssigchromatografiesystem oder einem lonenchromatografiesystem, konfiguriert ist, und wobei das Flüssigchromatografiesystem eine Pumpe umfasst und wobei die Pumpe den Fluidaufnahmeabschnitt umfasst.
Mischanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Fluid eine Flüssigkeit ist und wobei die Mischanordnung zum Mischen der Flüssigkeit in einem Flüssigchromatografiesystem, vorzugsweise einem Hochleistungsflüssigchromatografiesystem oder einem lonenchromatografiesystem, konfiguriert ist, wobei das Flüssigchromatografiesystem einen Fluidbehälter zum Halten eines Lösungsmittels oder einer Probe umfasst, und wobei der Fluidbehälter den Fluidaufnahmeabschnitt umfasst.
Flüssigchromatografiesystem, umfassend die Mischanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Mischen einer Flüssigkeit, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Mischanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines Flüssigchromatografiesystems nach Anspruch 8, Bereitstellen einer Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt, Generieren einer Schallwelle durch die Wellenquelle, Injizieren mindestens eines Teils der Schallwelle in die im Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt aufgenommene Flüssigkeit und dadurch Mischen der Flüssigkeit im Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt.
Verwendung der Mischanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder des Flüssigchromatografiesystems nach Anspruch 8 in einem Verfahren nach Anspruch 9.