DE10318864B3 - Micro-fluidic valve, for controlled introduction of fluid into channel during capillary electrophoresis, combines electrical potential gradient with curvature inducing Coanda effect - Google Patents

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Abstract

A first fluid from a first channel is introduced into a second channel containing a second fluid, at a junction. Electrokinetic transfer is promoted. The first fluid is transferred under pressure by a pumping unit to the junction. Here, the flow rests against the wall of the first channel opposite the junction under the influence of the Coanda effect, at a flowrate exceeding a minimal value. A first fluid (6) from a first channel (1) is introduced into a second channel (2) containing a second fluid (7), at a junction (3). Electrokinetic transfer is promoted. The first fluid is transferred under pressure by a pumping unit (5) to the junction. The first channel has an internal convex curvature (4) opposite the junction. Here, the flow rests against the wall under the influence of the Coanda effect, at a flowrate exceeding a minimal value. In the second channel (2), relative to the flow direction (8) of the second fluid between a location (9) ahead of the junction and a downstream location (10) after it, an electrical potential is applied. Relative to the flow direction (14) of the first fluid between a location (15) ahead of the junction in the first channel (1) and the location (10) (or a further location) behind the junction of the second channel (2) the same (or a further) electrical potential is applied to introduce the first fluid (6) into the second channel (2). The first channel (1) narrows before the junction. It remains constricted from the start of curvature and throughout its extent. The pumping device (5) controls transfer of the first fluid under pressure.

Description

Zur Behandlung von Fluiden, insbesondere für deren Analyse, beispielsweise durch Kapillarelektrophorese, kann es notwendig sein, zwei Fluidströme derart miteinander zu koppeln, dass für eine bestimmte Zeit oder in einer vorgegebenen Menge eine Probe des einen Fluidstroms an einer Kreuzungs- oder Kontaktstelle in den anderen Fluidstrom eingefügt wird.For the treatment of fluids, in particular for their Analysis, for example by capillary electrophoresis, may be necessary be two fluid flows to couple in such a way that for a certain time or a sample of the one fluid stream in a predetermined amount a crossing or contact point is inserted into the other fluid stream.

So ist aus der EP 0 775 306 B1 eine mikrofluidische Einrichtung zur Injektion eines ersten Fluids aus einem ersten Kanal in einen ein zweites Fluid enthaltenden zweiten Kanal und zur elektrokinetischen Förderung beider Fluide durch den zweiten Kanal bekannt, wobei die beiden Kanäle an einer für die Einleitung des ersten Fluids in den zweiten Kanal vorgesehenen Verbindungsstelle miteinander fluidisch verbunden sind. In einem ersten Betriebszustand der bekannten Einrichtung fließen das erste Fluid in dem ersten Kanal und das zweite Fluid in dem zweiten Kanal, wobei ein Teil des zweiten Fluids in den ersten Kanal geleitet wird um das erste Fluid am Eindringen in den zweiten Kanal zu hindern. Dazu werden in Bezug auf die Strömungsrichtungen der Fluide an vor und hinter der Verbindungsstelle liegenden Stellen der Kanäle unterschiedliche elektrische Potenziale angelegt, die die gewünschten Fluidströmungen elektrokinetisch erzeugen. Zum Einleiten des ersten Fluids in den zweiten Kanal werden in einem zweiten Betriebszustand die Potenzialverhältnisse derart geändert, dass das zweite Fluid nicht mehr in den ersten Kanal gefördert wird, so dass das erste Fluid aus dem ersten Kanal zusammen mit dem zweiten Fluid in den zweiten Kanal gelangt.So is from the EP 0 775 306 B1 a microfluidic device for injecting a first fluid from a first channel into a second channel containing a second fluid and for the electrokinetic delivery of both fluids through the second channel is known, the two channels at a connection point provided for the introduction of the first fluid into the second channel are fluidly connected to each other. In a first operating state of the known device, the first fluid flows in the first channel and the second fluid in the second channel, a part of the second fluid being directed into the first channel in order to prevent the first fluid from penetrating into the second channel. For this purpose, with respect to the flow directions of the fluids, different electrical potentials are created at locations in front of and behind the connection point, which generate the desired fluid flows electrokinetically. To introduce the first fluid into the second channel, the potential conditions are changed in a second operating state such that the second fluid is no longer conveyed into the first channel, so that the first fluid from the first channel together with the second fluid into the second channel arrives.

Aus der WO 00/70080 A1 und der WO 03/006133 A2 ist jeweils eine mikrofluidische Einrichtung bekannt, bei der mittels ei nes Fluids durch einen Kanal transportierte Zellen durch Fluoreszenz-Detektion nach unterschiedlichen Eigenschaften klassifiziert werden. In Abhängigkeit von dem Detektionsergebnis werden anschließend die Zellen druckgesteuert mit Hilfe von einer oder mehreren seitlich in den Kanal eingeleiteten Steuerströmungen entweder in den einen oder den anderen von zwei Kanalabzweigen umgeleitet.From WO 00/70080 A1 and WO 03/006133 A microfluidic device is known in each case in which cells transported through a channel by means of a fluid Fluorescence detection classified according to different properties become. Dependent on The cells are then pressure-controlled from the detection result with the help of one or more laterally introduced into the channel control flow redirected to one or the other of two channel branches.

Aus der US 2002/0112959 A1 und der DE 199 47 496 A1 ist es jeweils bekannt, Fluide unter Verwendung elektrokinetischer Kräfte zusammen mit einer Drucksteuerung durch Kanäle eines mikrofluidischen Systems zu fördern.From the US 2002/0112959 A1 and the DE 199 47 496 A1 it is known in each case to convey fluids using electrokinetic forces together with pressure control through channels of a microfluidic system.

Die WO 02/083988 A2 offenbart einen Mikroreaktor mit einer elektrochemischen Zelle, durch die hindurch zwischen zwei an einer Spannungsquelle angeschlossenen Elektroden eine oder mehrere ionisch leitende Fluide fließen, wobei es in der Zelle zu einer elektrochemischen Reaktion kommt. Zur besseren Trennung der hineinfließenden Edukte bzw. herausfließenden Reaktionsprodukte können die Edukte über zwei Kanäle in die elektrochemische Zelle eingeleitet werden, von denen der eine Kanal näher zu der einen Elektrode und der andere Kanal näher zu der anderen Elektrode in die elektrochemische Zelle einmündet; entsprechend können die Reaktionsprodukte aus dem zu der einen oder anderen Elektrode jeweils näheren Bereich über unterschiedliche Kanäle aus der Zelle herausgeführt werden.WO 02/083988 A2 discloses one Microreactor with an electrochemical cell through which between two electrodes connected to a voltage source One or more ionically conductive fluids flow in the cell there is an electrochemical reaction. For better separation the flowing one Educts or flowing out Reaction products can the educts about two channels are introduced into the electrochemical cell, of which the one channel closer to one electrode and the other channel closer to the other electrode opens into the electrochemical cell; accordingly, the Reaction products from one to the other electrode closer Area about different channels led out of the cell become.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikrofluidische Einrichtung zur gesteuerten Einleitung eines ersten Fluids aus einem ersten Kanal in einen ein zweites Fluid enthaltenden zweiten Kanal und zur elektrokinetischen Förderung beider Fluide durch den zweiten Kanal,

  • – wobei die beiden Kanäle an einer für die Einleitung des ersten Fluids in den zweiten Kanal vorgesehenen Verbindungsstelle miteinander fluidisch verbunden sind,
  • – wobei eine das erste Fluid mittels Druck durch den ersten Kanal in Richtung auf die Verbindungsstelle fördernde Vorrichtung vorhanden ist,
  • – wobei der erste Kanal an einer der Verbindungsstelle gegenüberliegenden Innenseite eine konvexe Krümmung aufweist, an der sich das erste Fluid aufgrund des Coanda-Effekts bei einer ein Mindestmaß übersteigenden Strömung anlegt und daran entlangfließt,
  • – wobei in Bezug auf die Strömungsrichtung des zweiten Fluids zwischen einer vor der Verbindungsstelle liegenden Stelle des zweiten Kanals und einer hinter der Verbindungsstelle liegenden Stelle des zweiten Kanals eine elektrische Spannung anliegt und
  • – wobei in Bezug auf die Strömungsrichtung des ersten Fluids zwischen einer vor der Verbindungsstelle liegenden Stelle des ersten Kanals und der oder einer weiteren hinter der Verbindungsstelle liegenden Stelle des zweiten Kanals dieselbe oder eine weitere elektrische Spannung zur Einleitung des ersten Fluids in den zweiten Kanal anlegbar ist.
The present invention relates to a microfluidic device for the controlled introduction of a first fluid from a first channel into a second channel containing a second fluid and for the electrokinetic delivery of both fluids through the second channel,
  • The two channels are fluidly connected to one another at a connection point provided for introducing the first fluid into the second channel,
  • A device which conveys the first fluid by means of pressure through the first channel in the direction of the connection point,
  • The first channel has a convex curvature on an inner side opposite the connection point, on which the first fluid, due to the Coanda effect, attaches to and flows along a flow that exceeds a minimum,
  • - With respect to the direction of flow of the second fluid, an electrical voltage is present between a point of the second channel lying in front of the connection point and a point behind the connection point of the second channel and
  • - With respect to the direction of flow of the first fluid between a point in front of the connection point of the first channel and one or more points behind the point of connection of the second channel, the same or a further electrical voltage for introducing the first fluid into the second channel can be applied ,

Im Unterschied zu der bekannten Einrichtung wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung im ersten Betriebszustand das erste Fluid nicht elektrokinetisch, sondern druckgetrieben durch den ersten Kanal gefördert, wobei im Bereich der Verbindungsstelle beider Kanäle das Eindringen des ersten Fluids in den zweiten Kanal durch Ausnutzen des so genannten Coanda-Effekts verhindert wird. Der Coanda-Effekt beschreibt die Eigenschaft von Fluiden, die angenähert tangential zu einer Wand ausgeschleust werden und deren Strömung ein Mindestmaß übersteigt, sich an dieser Wand anzulegen und an ihr entlangzuströmen. Die Nutzung des Coanda-Effekts zur Steuerung von Fluiden, auch in mikrofluidischen Einrichtungen ist an sich bekannt.In contrast to the known device, in the device according to the invention in the first operating state the first fluid is conveyed through the first channel, not electrokinetically, but rather in a pressure-driven manner, the penetration of the first fluid into the second channel in the region of the connection point of the two channels by utilizing the so-called Coanda Effect is prevented. The Coanda effect describes the property of fluids, which are discharged approximately tangentially to a wall and whose flow exceeds a minimum, to contact this wall and to flow along it. The use of the Coanda effect for Control of fluids, even in microfluidic devices, is known per se.

Da der Coanda-Effekt eine Mindestströmung des Fluids voraussetzt, ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass sich der erste Kanal vor der Verbindungsstelle und mit Beginn der Krümmung verengt und im Bereich der Krümmung verengt bleibt, so dass dort die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluids erhöht wird.Since the Coanda effect is a minimum flow of the Assuming fluids, it is advantageously provided that the first channel before the junction and at the beginning of the curvature narrowed and in the area of curvature remains narrowed so that the flow velocity of the first fluid there elevated becomes.

Zum Einleiten des ersten Fluids in den zweiten Kanal wird in einem zweiten Betriebszustand die weitere Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal angelegt. Als Folge davon wird das erste Fluid elektrokinetisch in den zweiten Kanal umgelenkt, wobei der Coanda-Effekt aufgehoben wird bzw. nicht zustande kommt. Die Umleitung des ersten Fluids in den zweiten Kanal kann in Abhängigkeit von der Höhe der weiteren Spannung vollständig oder teilweise erfolgen.To introduce the first fluid into the second channel becomes the second in a second operating state Voltage applied between the first and second channels. As As a result, the first fluid becomes electrokinetic in the second Channel deflected, whereby the Coanda effect is canceled or not comes about. The diversion of the first fluid into the second channel can depend on the height of further tension completely or partially done.

Die zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal angelegte weitere Spannung kann zu der an dem ersten Kanal liegenden Spannung identisch sein. Die erfindungsgemäße mikrofluidische Einrichtung kommt dann mit nur einer einzigen Spannungsquelle aus, um das erste Fluid in den zweiten Kanal einzuleiten und im Weiteren zusammen mit dem zweiten Fluid elektrokinetisch durch den zweiten Kanal zu fördern. Da nur eine einzige Spannung an den Kanälen angelegt wird, kann die Spannung weitgehend frei gewählt und beispielsweise für eine elektrophoretische Trennung des ersten Fluids in dem zweiten Kanal optimal eingestellt werden.The one between the first and the second channel further voltage applied can be to that on the first channel Voltage be identical. The microfluidic device according to the invention then gets by with only one voltage source, the first Introduce fluid into the second channel and further together with the second fluid electrokinetically through the second channel promote. Since only a single voltage is applied to the channels, the Voltage largely chosen freely and for example for electrophoretic separation of the first fluid in the second Channel can be optimally set.

Vorzugsweise ist die druckgetriebene Förderung des ersten Fluids steuerbar, so dass sie in dem zweiten Betriebszustand zur Unterstützung der Einleitung des ersten Fluids in den zweiten Kanal reduziert oder sogar abgeschaltet werden kann, um die elektrokinetische Förderung der ersten Fluids in den zweiten Kanal aus dem ruhenden Medium heraus zu ermöglichen.Preferably the is pressure driven advancement of the first fluid controllable so that it is in the second operating state for support the introduction of the first fluid into the second channel is reduced or can even be switched off to promote the electrokinetic the first fluid into the second channel out of the quiescent medium to enable.

Als Vorrichtung zur druckgetriebenen Förderung des ersten Fluids kommt insbesondere eine Pumpe in Betracht. Alternativ kann die Vorrichtung ein an einer von der Verbindungsstelle entfernten Stelle mit dem ersten Kanal verbundenes Fluidreservoir aufweisen, das höher als die Verbindungsstelle angeordnet ist, so dass das erste Fluid durch den sich aus der Höhendifferenz ergebenden hydrostatischen Druck in Richtung auf die Verbindungsstelle gefördert wird. Darüber hinaus kann der Druck zur Förderung des ersten Fluids auch anderweitig, beispielsweise durch Zentrifugalkräfte, Kapillarkräfte oder Elektrolyse, erzeugt werden.As a device for pressure driven advancement A pump is particularly suitable for the first fluid. alternative the device can be located at a location remote from the connection point have fluid reservoir connected to the first channel which is higher than the connection point is arranged so that the first fluid passes through deriving from the height difference resulting hydrostatic pressure is promoted towards the connection point. About that In addition, the pressure to promote of the first fluid in another way, for example by centrifugal forces, capillary forces or Electrolysis.

Zur weiteren Erläuterung der mikrofluidischen Einrichtung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigenTo further explain the microfluidic In the following, the device is referred to the figures in the drawing taken; show in detail

1 ein sehr vereinfachtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung in dem ersten Betriebszustand und 1 a very simplified embodiment of the device according to the invention in the first operating state and

2 dasselbe Ausführungsbeispiel in dem zweiten Betriebszustand. 2 the same embodiment in the second operating state.

Die 1 und 2 zeigen eine beispielsweise auf einem Chip realisierte mikrofluidische Einrichtung mit einem ersten Kanal 1 und einem zweiten Kanal 2, die an einer Verbindungsstelle 3 miteinander verbunden sind. An seiner der Verbindungsstelle 3 gegenüberliegenden Innenseite weist der erste Kanal 1 eine konvexe Krümmung 4 auf. Mittels einer Vorrichtung 5, hier einer Pumpe, wird ein erstes Fluid 6 druckgetrieben durch den ersten Kanal 1 gefördert. Ein zweites Fluid 7 wird elektrokinetisch durch den zweiten Kanal 2 gefördert, wozu in Bezug auf die Strömungsrichtung 8 des zweiten Fluids 7 zwischen einer vor der Verbindungsstelle 3 liegenden Stelle 9 und einer hinter der Verbindungsstelle 3 liegenden Stelle 10 des zweiten Kanals 2 eine elektrische Spannung liegt, die von einer Spannungsquelle 11 erzeugt wird. Das an der Stelle 9 anliegende Spannungspotenzial ist ferner über einen steuer baren Schalter 12 und ein Potentiometer 13 an eine in Bezug auf die Strömungsrichtung 14 des ersten Fluids 6 vor der Verbindungsstelle 3 liegende Stelle 15 des ersten Kanals 1 schaltbar. Die Steuerung des Schalters 12 sowie der Pumpe 5 erfolgt durch eine Steuereinrichtung 16.The 1 and 2 show a microfluidic device with a first channel, for example implemented on a chip 1 and a second channel 2 that at a junction 3 are interconnected. At its junction 3 The first channel faces opposite inside 1 a convex curvature 4 on. Using a device 5 , here a pump, becomes a first fluid 6 pressure driven through the first channel 1 promoted. A second fluid 7 becomes electrokinetic through the second channel 2 promoted, with regard to the direction of flow 8th of the second fluid 7 between one in front of the junction 3 lying place 9 and one behind the junction 3 lying place 10 of the second channel 2 an electrical voltage is from a voltage source 11 is produced. That at the point 9 applied voltage potential is also via a controllable switch 12 and a potentiometer 13 to one in terms of flow direction 14 of the first fluid 6 in front of the junction 3 lying position 15 of the first channel 1 switchable. The control of the switch 12 as well as the pump 5 done by a control device 16 ,

In dem in 1 gezeigten ersten Betriebszustand ist der Schalter 12 geöffnet und die Pumpe 5 eingeschaltet. Das erste Fluid 6 wird von der Pumpe 5 durch den Kanal 1 gefördert. Durch eine Verengung 17 an der Stelle, an der die Krümmung 4 ansetzt, wird bei einem vorgegebenen Förderdruck die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluids 6 so erhöht, dass es im Bereich der Krümmung 4 zu dem sogenannten Coanda-Effekt kommt. Dabei legt sich das erste Fluid 6 an der der Verbindungsstelle 3 gegenüberliegenden Innenseite des ersten Kanals 1 an und wird so von der Verbindungsstelle 3 ferngehalten und am Eindringen in den zweiten Kanal 2 gehindert. Das zweite Fluid 7 wird durch die zwischen den Stellen 9 und 10 anliegende Spannung elektrokinetisch durch den zweiten Kanal 2 gefördert.In the in 1 The first operating state shown is the switch 12 opened and the pump 5 switched on. The first fluid 6 is from the pump 5 through the channel 1 promoted. Through a narrowing 17 at the point where the curvature 4 starts, the flow rate of the first fluid at a given delivery pressure 6 so increased that it's in the area of curvature 4 comes to the so-called Coanda effect. The first fluid settles 6 at the junction 3 opposite inside of the first channel 1 and is thus from the connection point 3 kept away and penetrating the second channel 2 prevented. The second fluid 7 is through between the positions 9 and 10 applied voltage electrokinetically through the second channel 2 promoted.

In dem in 2 gezeigten zweiten Betriebszustand ist der Schalter 12 geschlossen, so dass der druckgetriebenen Förderung des ersten Fluids 6 eine elektrokinetische Förderung überlagert wird und das erste Fluid an der Verbindungsstelle 3 vollständig oder teilweise aus dem ersten Kanal 1 in den zweiten Kanal 2 umgeleitet und in diesem zusammen mit dem zweiten Fluid 7 weiter gefördert wird. Um die Einleitung es ersten Fluids 6 in den zweiten Kanal 2 zu unterstützen, kann die Förderleistung der Pumpe 5 durch Ansteuerung reduziert werden. Mittels des Potentiometers 13 ist das an der Stelle 15 des ersten Kanals 1 angelegte Potenzial in Bezug auf das Potenzial an der Stelle 9 in dem zweiten Kanal 2 frei wählbar und für die Fluidumschaltung optimal einstellbar.In the in 2 The second operating state shown is the switch 12 closed, so that the pressure-driven delivery of the first fluid 6 an electrokinetic delivery is superimposed and the first fluid at the junction 3 completely or partially from the first channel 1 in the second channel 2 redirected and in this together with the second fluid 7 is further promoted. To initiate it first fluid 6 in the second channel 2 can support the delivery capacity of the pump 5 can be reduced by control. Using the potentiometer 13 that's where 15 of the first channel 1 applied potential in relation to the potential at the point 9 in the second channel 2 freely selectable and optimally adjustable for fluid switching.

Claims (3)

Mikrofluidische Einrichtung zur gesteuerten Einleitung eines ersten Fluids (6) aus einem ersten Kanal (1) in einen ein zweites Fluid (7) enthaltenden zweiten Kanal (2) und zur elektrokinetischen Förderung beider Fluide (6, 7) durch den zweiten Kanal (2), – wobei die beiden Kanäle (1, 2) an einer für die Einleitung des ersten Fluids (6) in den zweiten Kanal (2) vorgesehenen Verbindungsstelle (3) miteinander fluidisch verbunden sind, – wobei eine das erste Fluid (6) mittels Druck durch den ersten Kanal (1) in Richtung auf die Verbindungsstelle (3) fördernde Vorrichtung (5) vorhanden ist, – wobei der erste Kanal (1) an einer der Verbindungsstelle (3) gegenüberliegenden Innenseite eine konvexe Krümmung (4) aufweist, an der sich das erste Fluid (6) aufgrund des Coanda-Effekts bei einer ein Mindestmaß übersteigenden Strömung anlegt und daran entlang fließt, – wobei in Bezug auf die Strömungsrichtung (8) des zweiten Fluids (7) zwischen einer vor der Verbindungsstelle (3) liegenden Stelle (9) des zweiten Kanals (2) und einer hinter der Verbindungsstelle (3) liegenden Stelle (10) des zweiten Kanals (2) eine elektrische Spannung anliegt und – wobei in Bezug auf die Strömungsrichtung (14) des ersten Fluids (6) zwischen einer vor der Verbindungsstelle (3) liegenden Stelle (15) des ersten Kanals (1) und der oder einer weiteren hinter der Verbindungsstelle (3) liegenden Stelle (10) des zweiten Kanals (2) dieselbe oder eine weitere elektrische Spannung zur Einleitung des ersten Fluids (6) in den zweiten Kanal (2) anlegbar ist.Microfluidic device for the controlled introduction of a first fluid ( 6 ) from a first channel ( 1 ) into a second fluid ( 7 ) containing second channel ( 2 ) and for the electrokinetic delivery of both fluids ( 6 . 7 ) through the second channel ( 2 ), - where the two channels ( 1 . 2 ) on one for the introduction of the first fluid ( 6 ) in the second channel ( 2 ) provided connection point ( 3 ) are fluidly connected to one another, - one being the first fluid ( 6 ) by pressure through the first channel ( 1 ) towards the junction ( 3 ) promoting device ( 5 ) is available, - whereby the first channel ( 1 ) at one of the connection points ( 3 ) opposite convex curvature ( 4 ) on which the first fluid ( 6 ) due to the Coanda effect, creates a flow exceeding a minimum and flows along it, - with respect to the direction of flow ( 8th ) of the second fluid ( 7 ) between one in front of the connection point ( 3 ) lying position ( 9 ) of the second channel ( 2 ) and one behind the connection point ( 3 ) lying position ( 10 ) of the second channel ( 2 ) there is an electrical voltage and - with respect to the direction of flow ( 14 ) of the first fluid ( 6 ) between one in front of the connection point ( 3 ) lying position ( 15 ) of the first channel ( 1 ) and the one or more behind the connection point ( 3 ) lying position ( 10 ) of the second channel ( 2 ) the same or a further electrical voltage for introducing the first fluid ( 6 ) in the second channel ( 2 ) can be created. Mikrofluidische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Kanal (1) vor der Verbindungsstelle (3) und mit Beginn der Krümmung (4) verengt und im Bereich der Krümmung (4) verengt bleibt.Microfluidic device according to claim 1, characterized in that the first channel ( 1 ) in front of the connection point ( 3 ) and at the beginning of the curvature ( 4 ) narrowed and in the area of the curvature ( 4 ) remains narrowed. Mikrofluidische Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die druckgetriebene Förderung des ersten Fluids (1) durch die Vorrichtung (5) steuerbar ist.Microfluidic device according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure-driven delivery of the first fluid ( 1 ) through the device ( 5 ) is controllable.
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