DE112006000642T5

DE112006000642T5 - Mikrofluidischer Sensor zur Messung der Grenzflächenspannung und Verfahren zum Messen der Grenzflächenspannung

Info

Publication number: DE112006000642T5
Application number: DE112006000642T
Authority: DE
Inventors: Nam Trung Nguyen; Sumantri Lassemono; Franck Alexis Chollet; Chun Yang
Original assignee: Nanyang Technological University
Current assignee: Nanyang Technological University
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: DE112006000642B4; WO2006098700A1; US7975531B2; US20090019924A1

Abstract

Ein mikrofluidischer Sensor, umfassend:
(a) einen ersten Zugangskanal für ein erstes Fluid;
(b) einen zweiten Zugangskanal für ein zweites Fluid;
(c) einen Messkanal der sowohl den ersten Zugangskanal als auch den zweiten Zugangskanal kreuzt,
(d) ein Signalquellsystem zum Empfangen eines Signals von einem Signalgeber;
(e) ein Signaldetektionssystem zum Empfangen des Signals vom Signalquellsystem;
(f) das Signalquellsystem und das Signaldetektionssystem dienen der Aufnahme physikalischer Eigenschaften von mindestens einem der Tropfen im Messkanal.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen Mikrofluidischen Sensor zur Messung der Grenzflächenspannung und ein Verfahren zum Messen der Grenzflächenspannung und betrifft besonders, jedoch nicht nur, eine mikrofluidische Vorrichtung und Verfahren für schnelle Messungen der Oberflächenspannung mit einer geringen Menge einer Probenflüssigkeit.
Hintergrund der Erfindung
Wie in 1 gezeigt, können Messverfahren zur Grenzflächenspannung in fünf Gruppen angeordnet werden:

– direkte Messung unter Verwendung der Mikroanalysenwaage;
– Messung des Kapillardrucks;
– Analyse der Kapillarkräfte;
– gravitationsverzerrter Tropfen;
– verstärkte Verzerrung des Tropfens.

Im ersten Verfahren wird die Oberflächenspannung direkt durch einen Kraftsensor gemessen. Solche Systeme verwenden eine Platte oder einen Ring aus einer Platin-Iridium-Legierung oder Platin. Die Platten und Ringe besitzen Standardabmessungen, so dass keine Kalibrierung erforderliche ist. Im zweiten Verfahren ist die Oberflächenspannung proportional zum Kapillardruck, der mit einem Drucksensor direkt gemessen werden kann. Das dritte Verfahren misst die Zunahme der Schwerkraft oder die Größe eines Tropfens nach der Abtrennung. Im vierten Verfahren wird die Form des Tropfens durch die Oberflächenspannung und die Schwerkraft verzerrt. Das Vermessen der Abmessungen eines hängenden Tropfens ermöglicht die Bestimmung der Oberflächenspannung. Für dieses Messverfahren ist eine CCD-Kamera und eine Computerauswertung erforderlich. Die Tropfenschleudertechnik wertet die Verzerrung eines Tropfens aus und erfordert eine CCD-Kamera.
Neben diesen Techniken besteht ein Interesse zur Messung der Grenzflächenspannung bei kleinen Proben. Das Studium von Grenzflächen bei sehr kleiner Partikeln und in fein dispergierten Systemen ist die Mikrotensiometrie. Die Hauptanwendungsgebiete der Mikrotensiometrie sind die Kriminologie, Biologie und pharmazeutische Mikroreaktoren. Die zwei derzeit bekannten Verfahren zur Mikrotensiometrie sind:

(a) Mikropipettentechnik; und
(b) Rasterkraftmikroskopie.

Diese werden in 2 dargestellt.
Bei der Mikropipettentechnik der 2(a) wird als erstes ein Tropfen an der Spitze einer Mikropipette eingefangen. Unter Berücksichtigung des Krümmungsradius auf beiden Seiten des Tropfens, wie in 2(a)A dargestellt, kann die Oberflächenspannung berechnet werden. Diese Technik erfordert ein Mikroskop und ein Bildaufnahmesystem. Der zweite Ansatz zur direkten Kraftmessung wie in 2(a)B dargestellt erfordert wiederrum einen Kraftsensor.
Eine miniaturisierte Version des direkten Messverfahrens, wie es in 1 gezeigt wird, ist die Verwendung der Rasterkraftmikroskopie zum Bestimmen extrem kleiner Kräfte ((2b)). Die Ablenkung des Mikroträgers wird mit einem Laserstrahl gemessen. Kräfte in der Größenordnung von 1 pN können gemessen werden. Es ist vorgeschlagen worden die Blasenerzeugung und Auswertung der Oberflächenspannung zu verwenden. Die Blase wird durch Elektrolyse erzeugt und elektronisch detektiert. Die Frequenz der Blasenbildung ist ein Maß für die Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes. Ein Mehrfachplattenlesegerät kann modifiziert werden, um die Oberflächenspannung auszuwerten. Diese Technik berücksichtigt den Krümmungsradius der Flüssigkeitsoberfläche, der wie eine flüssige Linse wirkt, und erfordert ein Kamerasystem und ein teures kommerzielles Plattenlesegerätsystem.
Alle oben aufgeführten mikrotensiometrischen Techniken erfordern die individuelle Handhabung eines einzelnen Tropfens. Daher ist die Verdunstung ein Problem. Darüber hinaus ist das Vermessen teuer und erfordert eine geeignete Ausrüstung. Das System zum Erzeugen der Blasen wird durch das Gas/Flüssigkeitssystem einer wässrigen Probe begrenzt.
Es wäre von Vorteil, wenn man die Grenzflächenspannung von Mikrotropfen und Blasen in einer einfachen Konfiguration unter Verwendung mikrofluidischer Technologie messen könnte. Dies sollte ermöglichen:

– eine kleine Probengröße, höhere Genauigkeit und schnellere Ergebnisse;
– Grenzflächenspannungen aller nicht mischbaren Systeme (sowohl Flüssigkeit/Flüssigkeit als auch Gas/Flüssigkeit);
– niedrigere Kosten und einfachere Handhabung;
– Eignung für handhabbare Systeme und tragbare Feldmessungen; und
– eine integrierte "Labor-auf-dem-Chip"-Vorrichtung mit einem Mikrokanal und optischem Wellenleiter ist möglich.

Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein mikrofluidischer Sensor bereitgestellt, der umfasst:

(a) einen ersten Zugangskanal für ein ersts Fluid;
(b) einen zweiten Zugangskanal für ein zweites Fluid;
(c) einen Messkanal der sowohl den ersten Zugangskanal als auch den zweiten Zugangskanal kreuzt;
(d) ein Signalquellsystem zum Empfangen eines Signals von einem Signalgeber;
(e) ein Signaldetektionssystem zum Empfangen des Signals vom Signalquellsystem;
(f) das Signalquellsystem und das Signaldetektionssystem dienen der Aufnahme physikalischer Eigenschaften von mindestens einem der Tropfen im Messkanal.

Gemäß einem zweiten bevorzugten Aspekt wird ein Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften von mindestens einem Tropfen eines ersten Fluids in einem Messkanal eines mikrofluidischen Sensors bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:

(a) Einbringen eines ersten Fluids entlang eines ersten Zuganges und in den Messkanal hinein;
(b) Einbringen eines zweiten Fluids entlang eines zweiten Zuganges und in den Messkanal zum Ausbilden des mindestens einen Tropfens hinein;
(c) Verwenden eines Signalquellsystems zum Bereitstellen eines Quellsignals und eines Signaldetektionssystems zum Detektieren des Quellsignals;
(d) Aufnehmen der physikalischen Eigenschaften von mindestens einem Tropfen im Messkanal durch Verwenden des Signalquellsystems und des Signaldetektionssystems.

Der erste Zugangskanal, der zweite Zugangskanal und der Messkanal können in einem Substrat vorliegen. Das erste Fluid kann Luft sein und die Tropfen können Luftblasen sein.
Das Signalquellsystem kann ein Quellwellenleiter bzw. Source-Wellenleiter sein, das Signal kann Licht sein und das Signaldetektionssystem kann ein Detektionswellenleiter sein. Der Quellwellenleiter bzw. Source-Wellenleiter kann eine optische Quellfaser bzw. optische Source-Faser sein und der Detektionswellenleiter kann eine optische Faser zur Detektion sein. Die Quellwellenleiter bzw. Source-Wellenleiter und die Detektionswellenleiter können sich im Substrat befinden.
Das Signalquellsystem und das Signaldetektionssystem können axial auf gegenüberliegenden Seiten am Messkanal ausgerichtet sein und sich mit dem Messkanal überschneiden. Das Signalquellsystem und das Signaldetektionssystem können im Wesentlichen identisch sein.
Das Substrat kann transparent sein. Das Signalquellsystem kann ein Lichtemitter sein und das Signaldetektionssystem kann ein optischer Sensor sein; einer der Lichtemitter und der optische Sensor können über dem Messkanal angeordnet sein und der andere Lichtemitter und der optische Sensor können unterhalb des Messkanals angeordnet sein.
Die physikalischen Eingenschaften können mindestens eine der folgenden sein: Tropfenlänge, Tropfengröße, voranschreitende Flankenform, sich zurückziehende Flankenform, Kontaktwinkel des mindestens einen Tropfens mit dem Messkanal, Vektorgeschwindigkeit der Bewegung von mindestens einem Tropfen im Messkanal, Geschwindigkeit der Bewegung von mindestens einem Tropfen im Messkanal und die Frequenz der Tropfenbildung.
Der Signalemitter kann ein Laseremitter sein und der Signaldetektor kann ein optischer Sensor sein. Der mikrofluidische Sensor kann des Weiteren einen ersten Fluidvorratsbehälter umfassen, der operativ mit dem ersten Zugangskanal verbunden ist, einen zweiten Fluidvorratsbehälter, der mit dem zweiten Zugangskanal operativ verbunden ist, und einen Abfallvorratsbehälter, der mit einem Auslassende des Messkanals verbunden ist.
Der mikrofluidische Sensor kann des Weiteren eine erste Pumpe umfassen, die mit dem ersten Fluidvorratsbehälter zum Einbringen des ersten Fluids über den ersten Zugangskanal und den Messkanal operativ verbunden ist; und eine zweite Pumpe, die mit dem zweiten Fluidvorratsbehälter zum Einbringen des zweiten Fluids über den zweiten Fluidauslass und den Messkanal operativ verbunden ist.
Gemäß einem dritten bevorzugten Aspekt wird ein Tensiometriemodul bereitgestellt, das einen Rezeptor für einen mikrofluidischen Sensor, wie weiter oben beschrieben, umfasst, wobei der Rezeptor elektrische und optische Verbindungen für den mikrofluidischen Sensor und einen von:
ein Mikrocontroller und ein digitaler Signalprozessor; umfasst.
Gemäß einem vierten bevorzugten Aspekt wird eine Computervorrichtung bereitgestellt, die ein Tensiometriemodul, wie weiter oben beschrieben, und einen Bildschirm umfasst. Das Tensiometriemodul kann entfernbar sein.
Kurze Beschreibung der Figuren
Damit die vorliegende Erfindung im Ganzen verstanden und einfach in die Praxis umgesetzt werden kann, sollen nun mit Hilfe von nicht zur Begrenzung dienenden Beispielen nur bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wobei die Beschreibung mit Bezugnahme auf die beigefügten der Veranschaulichung dienenden Figuren erfolgt.
In den Figuren:
1 ist eine Darstellung von fünf Verfahren aus dem Stand der Technik zum Messen der Grenzflächenspannung;
2 ist eine Darstellung von zwei Verfahren aus dem Stand der Technik zur Mikrotensiometrie;
3 ist eine Darstellung von drei Fließsystemen zur Tropfenbildung in einem Mikrokanal;
4 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer mikrofluidischen Vorrichtung;
5 ist eine Darstellung von vier Komponenten der 4;
6 ist die Auswertung des optisch detektierten Signals für (a) reines Wasser und (b) 1 Teil oberflächenaktives Mittel zu 80 Teilen Wasser;
7 ist ein Graph der Frequenz der Tropfenbildung als Funktion der Flussrate;
8 ist eine Darstellung des Zählens der Frequenz der Tropfenbildung;
9 ist ein Graph der Frequenz der Tropfenbildung als Funktion der Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes;
10 ist ein normalisierter Graph der dem in 9 entspricht;
11 stellt die Veränderung in der Tropfenform bei gleicher Flussrate aufgrund der Veränderungen in der Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes dar;
12 stellt die Signale vom optischen Detektionssystem entsprechend den Tropfenformen der 11 dar;
13 stellt das Verfahren zum Zählen der Periode der Tropfen/Blasenbildung dar;
14 zeigt Graphen von aufgenommenen Signalen vom optischen Sensor, (a) die das ursprüngliche Zeitsignal zeigen und (b) die das gleiche Differential-Signal zeigen;
15 zeigt einen Graphen mit Maximalwerten von Zeitdifferential-Signalen auf beiden Seiten des Tropfens als eine Funktion der Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes;
16 ist eine Darstellung der Bildung von Luftblasen innerhalb des Messkanals;
17 zeigt die detektierten Signale von Luftblasen bei einer konstanten Flussrate mit verschiedenen Konzentrationen des oberflächenaktiven Stoffes;
18 stellt die Messung der Tropfen/Blasengröße dar;
19 zeigt zwei Graphen der Frequenz der Blasenerzeugung als eine Funktion von (a) der Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes und (b) der Oberflächenspannung;
20 stellt zwei Formen des Handendgerät (a) mit einer Computer-Plattform (Tischcomputer, PDA, Smartphone) und (a) allein stehend, dar;
21 stellt vier verschiedene Ausführungsformen als Varianten der Vorrichtung der 4 dar;
22 stellt eine Ausführungsform eines Tensiometriemoduls für 21 dar; und
23 illustriert eine Ausführungsform für die Verwendung in einem Detergensdispenser.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Bildung von Tropfen und Blasen in Mikrokanälen kann in der Mikroreaktionstechnologie verwendet werden, die sowohl in der chemischen Industrie als auch in der biochemischen Analyse verwendet werden kann. Mikrotropfen sind für die DNA-Analyse, Proteinkristallisation, Analyse von humanen physiologischen Fluiden und Zelleinkapselungen verwendet worden. Die Tropfen werden unter Verwendung nicht mischbarer Flüsse erzeugt und manipuliert. Die Basiskonfiguration wird in 3 dargestellt. Ein Trägerfluid, wie zum Beispiel Öl, dispergiert ein Probenfluid und teilt es in einzelne Tropfen auf, wobei die Größe und Frequenz der Tropfen von der Flussrate (dargestellt durch die Reynold's Zahl Re) und der Grenzflächenspannung (dargestellt durch die Kapillarzahl Ca) abhängen.
Unter Bezugnahme auf 3, die Bildung des Tropfens erfolgt durch scherungsinduzierte Ablösung. Die Kräftegleichgewichte bestimmen die entgültige Tropfengröße am Ende des Tropfenwachstums, das im Moment des Ablösens eintritt. Die Tropfengröße V_Tropfen und die volumetrische Flussrate der Probe Q ._Probe bestimmen die Bildungsfrequenz: f =Q .Probe/VTropfen (1)
Die folgenden Kräfte können zum Gleichgewicht der Ablösung beitragen:
Zugkraft auf Tropfen:
Grenzflächenspannungskraft: FGrenzfläche = CSσπDInjektion (3)Trägheitskraft des Tropfens:
Impulskraft:
Auftriebskraft: FAuftrieb = VTropfen(ρTräger – ρ)g (6)
Nomenklatur:

C_D:

Tropfenkoeffizient

u:

Trägerflussgeschwindigkeit und Tropfengeschwindigkeit

A_Tropfen:

dargestellte Fläche des Tropfens

V_Tropfen:

Volumen des Tropfens

C_S:

Korrekturfaktor der Oberflächenspannungskraft abhängig vom Injektionswinkel (1 für unseren Fall von 90°)

D_Injektion:

hydraulischer Durchmesser des Injektionskanals

Q ._Probe:

volumetrische Flussrate der Probe

Q ._Träger:

volumetrische Flussrate des Trägers

α = Q ._Probe/Q ._Träger:

Flussratenverhältnis

ρ:

Dichte der Probenflüssigkeit

ρ_Träger:

Dichte der Trägerflüssigkeit

g:

Gravitationsbeschleunigung

σ:

Grenzflächenspannung zwischen Probenflüssigkeit und Trägerflüssigkeit

In Mikromaßstab überwiegen Oberflächeneffekte gegenüber den Volumeneffekten. Daher sind alle Kräfte, die das Tropfenvolumen und die -Masse, wie zum Beispiel die Trägheitskraft (4), die Impulskraft (5) und Auftriebskraft (6) betreffen, vernachlässigbar. Das Kräftegleichgewicht wird auf die zwei Komponenten der Zugkraft und der Grenzflächenkraft verringert, die beide Oberflächenkräfte sind: FZug = FGrenzfläche 12 CDρ2u2ATropfen 2/CSσπDInjektion (7)
Unter der Voraussetzung, dass der Tropfen eine Sphäre mit einem Durchmesser des Trägerkanals D_Träger der dargestellten Fläche und des Volumens des Tropfens ist, sind: ATropfen = πDTräger 2/2 (8) VTropfen = πDTräger 3/6oder VTropfen = ATropfen DTräger/3 (9)
Ersetzen von (9) durch (7) ergibt:
Ersetzen von (10) durch (1) ergibt das Verhältnis zwischen der Tropfenbildungsfrequenz und der Grenzflächenspannung:
Die Ergebnisse zeigen die allgemeinen Verhältnisse zwischen der Frequenz und der Probenflussrate (f ~ Q ._Probe ⁴) und zwischen der Frequenz und der Grenzflächenspannung (f ~ σ^-3/2).
4 zeigt die Schemata einer bevorzugten Ausführungsform einer mikrofluidischen Vorrichtung 40. Die Vorrichtung 40 besteht aus zwei Mikrokanälen 42, die an einer T-Kreuzung 43 miteinander verbunden sind. Die Kanäle 41, 42 sind ein Probenzugang 41 und ein Trägerfluidzugang 42. Nach der Kreuzung 43 gibt es einen Messkanal 44. Der Messkanal 44 kann jede geeignete Länge, Größe und Form aufweisen. Er kann gerade sein (wie gezeigt), gekrümmt sein, gewunden oder ähnliches. Das Trägerfluid wird direkt in den Messkanal 44 vom Zugang 42 aus zugeführt, während die Probe durch den schmaleren Zugangskanal 41 dazustößt. Stromabwärts des Messkanals 44 werden mindestens ein, bevorzugt jedoch zwei optische Wellenleiter 411, 412 über dem Mikrokanal 44 zum Detektieren der gebildeten Tropfen positioniert. Die optischen Wellenleiter 411, 412 sind bevorzugt optische Fasern und werden axial entlang des Mikrokanals 44 ausgerichtet. Die Wellenleiter 411, 412 können integrierte optische Leiter im Chip oder verschiedentlich aufgebaute optische Fasern sein. Eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser von 105 μm kann verwendet werden. Die optischen Wellensignale 411, 412 sind bevorzugt wenigstens im Wesentlichen identisch.
Die mikrofluidische Vorrichtung 40 kann aus jedem Material hergestellt werden: Silikon, SU-8, PDMS oder PMMA. Die Mikrokanäle 41, 42, 44 können im Substrat 45 unter Verwendung eines CO₂-Lasers maschinell hergestellt werden.
Der Mikrokanal 44 kann eine typische Gaussian-Form (5(a)) aufweisen. Die Abmessungen des Kanalquerschnitts, wie zum Beispiel die Breite und Tiefe, hängen von der Kraft des Lasers ab und der Laserstrahlgeschwindigkeit. Verschiedene Laserparameter wurden für die verschiedenen Kanalgrößen, die in 5 dargestellt werden, verwendet, wobei:

(a) ist der Messkanal 44,
(b) ist der Probenzugangskanal 41,
(c) ist die Verbindungsstelle 43, und
(d) ist die Verbindungsstelle 47 der optischen Faser 411, 412 und des Messkanals 44.

Die zwei optischen Wellenleiter 411, 412 sind bevorzugt nahe dem Auslass 48 des Kanals 44 angeordnet. Wenn die optischen Wellenleiter 411, 412 optische Fasern sind, können die Wellenleiter 411, 412 in Leitern zum akkuraten Positionieren der zwei optischen Fasern 411 und 412 zur optischen Detektion angeordnet sein. Nach dem Positionieren der Fasern 411 und 412 wird die Vorrichtung 40 thermisch bei einer Temperatur geringfügig über der Glastemperatur von PMMA gebunden. Die Kanalleiter 46 für die optischen Fasern 411 und 412 sind mit einem Adhäsiv versiegelt, um ein Leckage zu vermeiden.
Zum Detektieren der Tropfen wird eine optische Faser 411 an einer Laserquelle 49, wie zum Beispiel einer Laserdiode mit einer Wellenlänge zum Beispiel von 635 nm positioniert und ausgerichtet. Die andere optische Faser 412 ist mit einem Detektor 410, wie zum Beispiel einem Lawinenphotodiode (Beispiel APD, C5460-01, Hamatsu, Japan) verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, die physikalischen Eigenschaften eines Tropfens aufzunehmen, während er sich immer noch im Messkanal 44 befindet und sich zwischen den Wellenleitern 411, 412 hindurchbewegt. Die Eigenschaften schließen die Länge und die voranschreitende und die sich zurückziehende Flankenform, den Kontaktwinkel, die Geschwindigkeit oder die Vektorgeschwindigkeit der Bewegung im Messkanal 44 und die Frequenz der Tropfenbildung ein.
Das optische Detektionssystem basiert auf der Messung der Übertragung eines Laserstrahls über den Messkanal 44. Das System umfasst ein ausstrahlendes Untersystem zum Ausstrahlen eines Strahls, der den Kanal 44 illuminiert und ein Lichtdetektionsuntersystem, das das Licht auf einer begrenzten Oberfläche misst. Eine Laserdiode 49 und die optische Faser 411 können als das ausstrahlendes Untersystem verwendet werden und die optische Faser 412, die mit einem Photodetektor 410 gekoppelt ist, kann als Detektionssystem verwendet werden.
Eine alternative Anordnung könnte Wellenleiter verwenden, die in der fluidischen Vorrichtung integriert sind, anstelle von optischen Fasern, um das Licht in oder aus den Kanal 44 zu lenken, was die Verteilung des Lichts über verschiedene Messstellen ermöglicht.
In einer anderen Version können die Laserdiode und der Photodetektor direkt auf der mikrofluidischen Vorrichtung 40 nahe dem Messkanal 44 integriert sein. Das System kann auch andere optische Elemente einschließen, wie zum Beispiel eine Linse, zum Verbessern der Empfindlichkeit der Detektion durch Bereitstellen eines umgeformten Strahls zum Illuminieren des Messkanals 44. Ein anderer Parameter des Lichtstrahls kann gemessen werden, um den Tropfen zu überwachen, zum Beispiel würde das Hinzufügen eines Lichtpolarisators die Messung von Polarisationsveränderungen ermöglichen.
Eine Alternative ist ein kapazitives Detektionssystem basierend auf der Kapazitätsänderung entlang des Kanals, wenn sich eine Blase/Tropfen zwischen den Elektroden befindet. Das Detektionssystem besteht aus zwei Elektroden, die über dem Kanal 44 angeordnet sind. Ein elektronischer Kreislauf, wie zum Beispiel eine kapazitive Brücke, wandelt die Kapazitätsänderung in eine Spannung um. Die Frequenz, der Zeitraum und die Blasen/Tropfenformen folgen dem gleichen Verfahren.
Beispiel 1
Ein Trägeröl mit einer Viskosität von zum Beispiel 6,52 × 10^-2 Pa·s kann zum Kanal 44 durch den Trägerfluidzugang 42 eingeführt werden. Das Probenfluid für den Zugang 41 kann reines destilliertes Wasser sein (Viskosität von etwa 10^-3 Pa·s) oder ein wässrige Lösung von verdünnten oberflächenaktiven Stoffen. Die oberflächenaktiven Stoffe können in verschiedenen Volumenverhältnissen mit Wasser (0,25:80, 0,5:80, 0,75:80, 1:80, 1,25:80, 1,5:80, 1,75:80 und 2:80) gemischt werden. Jeder Zugang 41, 42, wird durch eine Spritzenpumpe (nicht dargestellt) betrieben. Die Durchmesser der Spritzen haben ein Verhältnis von 1 bis 3. Daher ist die Gesamtflussrate des Öls drei Mal die des Wassers.
Wenn Tropfen sich im Mikrokanal 44 bilden, haben die voranschreitende und die sich zurückziehende Flanke der Tropfen unterschiedliche Kontaktwinkel und daher verschiedene Krümmungsradien. Unter Verwendung des optischen Detektionskonzeptes, wie weiter oben in Verbindung mit 4 und 5 beschrieben, ist es möglich ein geschlossenes Schleifenkontrollsystem mit integrierten Mikropumpen zum genauen Erzeugen von flüssigen Tropfen oder flüssigen Stopfen zu realisieren. Dies eröffnet die Möglichkeit zum Herstellen von kompakten auf Tropfen basierenden "Laborenauf-einem-Chip".
Die Frequenz der Tropfenbildung und die Form der Tropfen hängen von der Flussrate der Probe ab und der Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes. 6 zeigt die typischen Signale der optischen Detektion mit einer Probenflussrate von 50 μl/Stunde, wobei die Detektion unter Verwendung des optischen Faserdetektionssystems 49, 411, 412, 410 erfolgt. Das Verringern der Oberflächenspannung erhöht die Bildungsfrequenz. Jedoch wird das Signal bei hohen Flussraten aufgrund der geringen Satellitentropfen gestört.
7 gibt eine lineare Beziehung zwischen der Frequenz der Tropfenbildung und der Probenflussrate wieder. Der Fehlerbalken ist größer bei einer höheren Flussrate aufgrund des Hintergrundrauschens, dass durch die Satellitentropfen verursacht wird.
Wie in 8 gezeigt, erfolgt die Messung der Frequenz der Tropfen/Blasenbildung durch Zählen der Anzahl der Tropfen und Blasen. Wenn das aufgenommene Signal über eine Schwellenwertspannung tritt, erhöht ein inkrementeller Zähler seinen Wert. Die Anzahl von Tropfenspitzen über einem fixierten Zeitraum repräsentiert die Frequenz der Tropfenbildung.
In 9 hängt durch Beibehalten der konstanten Flussrate die Frequenz nur von der Konzentration der oberflächenaktiven Stoffe oder der Oberflächenspannung zwischen der Probenflüssigkeit und der Trägerflüssigkeit ab. Ein einfacher Evaluationskreislauf kann die Frequenz des optisch detektierten Signals oder des Zeitraums zwischen den beiden Signalspitzen zählen. Die gemessene Frequenz oder der Zeitraum können mit der Oberflächenspannung zwischen den zwei Phasen korreliert werden.
10 stellt die normalisierte Frequenzveränderung (f – f₀)/f₀ dar, wobei f₀ die Frequenz eines Tropfens, der aus reinem Wasser besteht, wiedergibt. Die Kurven zeigen, dass je langsamer die Flussrate ist, desto größer ist die Frequenzveränderung. Bei geringeren Flussraten ist das Hintergrundrauschniveau ebenfalls geringer aufgrund von fehlenden Satellitentropfen. Geringe Flussraten, wie zum Beispiel die in einer Größenordnung von 100 nl/min können einfach durch verschiedene Syteme von Mikropumpen umgesetzt werden, die im gleichen mikrofluiden System implementiert werden können.
Wie in den 11 und 12 gezeigt, repräsentiert jede Spitze im Detektionssignal die Größe und Form jedes einzelnen Tropfens. Die Größe des Tropfens kann anhand der Breite jeder Spitze ausgemessen werden. Da der Tropfen sich bewegt, wird die Form des Tropfens auch durch die Grenzflächenspannung bestimmt. Die Formveränderung kann durch das gemessene Signal einfach detektiert werden. Bei einer hohen Grenzflächenspannung ist die Differenz zwischen der voranschreitenden und der sich zurückziehenden Seite des Tropfens minimal. Die Differenz erhöht sich mit abnehmender Grenzflächenspannung. Der Tropfen transformiert sich in eine "kugelartige" Form (siehe 11). Der Unterschied zwischen den beiden Seiten kann ausgewertet werden und als Maß für die Grenzflächenspannung verwendet werden. Das Messen des Zeitraums der Tropfen/Blasenbildung erfolgt durch Bestimmen der Zeit zwischen zwei ansteigenden Eckpunkten eines Signals. Wenn das aufgenommene Signal sich über den Schwellenwert der Spannung erhebt, startet ein Zähler (allein stehend oder in einem Mikrocontroller integriert) mit dem Zählen. Der Zeitnehmer stoppt das Zählen, wenn das Signal wiederum über den gleichen Schwellenwert, wie in 13 gezeigt, steigt.
Die Zeitsignale von der optischen Detektion werden dem digitalen Signalprozessor (DSP) zugeführt. Als Nächstes berechnet der DSP das Zeitdifferenzialsignal des ursprünglichen Signals. Die positiven und negativen Spitzen des Zeitdifferenzialsignals werden detektiert, da sie die maximalen Steigungen der voranschreitenden und der sich zurückziehenden Seiten darstellen. Das Verhältnis oder der Unterschied zwischen diesen zwei Spitzen stellt ebenfalls die Grenzflächenspannungen dar. 14 zeigt die typischen Ergebnisse davon. 14(a) zeigt die aufgenommenen Zeitsignale S(t) von Tropfen mit verschiedenen Konzentrationen des oberflächenaktiven Stoffes oder verschiedenen Grenzflächenspannungen. Die Signale zeigen eindeutig, dass mit absinkender Oberflächenspannung die Tropfen kleiner werden und der Unterschied zwischen zwei Tropfen verschiedener Größe sich einfacher unterscheiden läßt. 14(b) zeigt Zeitdifferenzialsignale ds(t)/dt der Daten, die in 14(a) gezeigt werden. Die positiven Spitzen stellen die sich zurückziehende Seite dar, während die negativen Spitzen die voranschreitende Seite darstellen. Der Unterschied zwischen diesen zwei Spitzen wird in 12 und 13 dargestellt. Der Unterschied ist eine Funktion der Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes der Grenzflächenspannung.
15 zeigt die Ergebnisse der Auswertung des Zeitdifferenzialsignals. Die Kurven zeigen die Spitzenwerte des Zeitdifferenzialsignals gegen die Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes. Anders als bei den Eigenschaften der Tropfenfrequenz, die in der 9 und 10 gezeigt wird, hat die in 15 gezeigte Kurve ein Maximum. Das bedeutet, es ist möglich einen Messbereich mit hoher Empfindlichkeit zu erhalten. Im Graphen stellt ein Kreis eine sich zurückziehende Flanke dar und ein Rechteck stellt eine voranschreitende Flanke dar.
Demnach gibt es vier Wege zum Auswerten der Grenzflächenspannung:

– Zeitraum zwischen zwei Tropfen;
– Frequenz der Tropfenbildung;
– Größe des Tropfens;
– Unterschied zwischen den Kontaktwinkeln.

Für ein Luft/Flüssigkeitssystem wird die Luft in den Probenzugangskanal 41 eingelassen während der Trägerfluidkanal 42 für die zu messende Probe gedacht ist. Sowohl die Luft als auch die Probe fließen durch eine Spritzenpumpe getrieben voran. Die Spritze für die Luft kann eine 0,25 ml Spritze sein während die für die Probe eine 1 ml Spritze sein kann. Das volumetrische Verhältnis der Flussraten zwischen Luft und Probenflüssen wird bei 1:4 gehalten. 16 zeigt die typische Blasenbildung innerhalb des Mikrokanals 44.
17 zeigt das Zeitsignal, das für die Blasen steht. Der verwendete oberflächenaktive Stoff war CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid). Proben mit verschiedenen Konzentrationen variierend von 0,0001 M/l bis 0,01 M/l wurden getestet. Die Oberflächenspannung der Proben verringerte sich mit der höheren Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes. Eine höhere Frequenz der Blasenbildung und eine kleinere Blasengröße können beobachtet werden.
18 zeigt, dass die Größe des/der Tropfen/Blase zum Messen der Tropfen/Blasengröße verwendet werden kann. Wenn das aufgenommene Signal über den Schwellenwert der Spannung tritt, startet ein Zeitnehmer (allein stehend oder in einen Mikrocontroller integriert) die Zählung. Der Zeitnehmer stoppt die Zählung, wenn das Signal unter den gleichen Schwellenwert fällt. Die gemessene Zeit repräsentiert die Größe des/der Tropfens/Blase.
19(a) gibt die eindeutige Abhängigkeit der Blasenbildungsfrequenz von der Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes an. Zur Kalibrierung wurde die Grenzflächenspannung der Proben mittels eines Tensiometers gemessen, wie zum Beispiel FTA200 (die ersten zehn Angstrom). Die gemessene Frequenz gegen die aktuelle Oberflächenspannung wird in 19(b) dargestellt. Die Flussrate lag bei 3 ml/Stunde.
Die CMC (kritische Micellen Konzentration) eines oberflächenaktiven Stoffes kann man durch Korrelation der Oberflächen/Grenzflächenspannung gegen die Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes erhalten.
20 stellt die zwei Grundkonzepte für einen Handtensiometer mit einem mikrofluidischen Sensor dar:

(a) Ein Tensiometriemodul 201 wird an einen Taschen-PC 202 angebracht. Der PC 202 wird zur Signalauswertung verwendet (Look-up-Tabelle, Polynomanpassung usw.) und auf einem Bildschirm 203 dargestellt. Das Tensiometriemodul 201 enthält alle erforderlichen Komponenten und wird weiter oben beschrieben. Die mikrofluidische Vorrichtung 40 wird in das Modul 201 eingesetzt, das fluidische, optische oder elektrische Zwischenverbindungen für die Vorrichtung 40 bereitstellt.
(b) Eine eigenständige Vorrichtung 205 mit ihrem eigenen CPU oder Mikrocontroller; die Daten werden direkt auf dem LCD-Bildschirm 206 der Vorrichtung dargestellt. Der Einsetzmechanismus für die mikrofluidische Vorrichtung 40 und die Komponenten ist der gleiche wie in 20(a).

21 zeigt vier verschiedene Konfigurationen des Sensorchips;
21(a): Der Chip 2100 weist zwei Vorratsbehälter 2101 auf – einen für die Probe und einen für den Träger. Im Falle eines Flüssigkeits/Flüssigskeitssystems werden die Vorratsbehälter 2101 mit den entsprechenden Flüssigkeiten befüllt. Die Flüssigkeitsproben werden aufgrund der Kapillarkraft als erstes in einen großen Abschnitt des Mikrokanals 2102 eingezogen. Die Proben werden an einem kapillaren Absperrventil 2103 gestoppt, das sich dort befindet, wo der Mikrokanal kleiner wird. Der Chip 2100 ist nun für das Einsetzen in das Tensiometriemodul 201 oder 205 bereit. Das Modul 201, 205 stellt den Druck oder das Vakuum für die Vorratsbehälter 2101 mittels einer externen Pumpe bereit und bringt beide Flüssigkeiten mit einer konstanten Flussrate in den Messkanal 2104 ein. Ein optischer Wellenleiter 2105 führt Licht von der Quelle 49 zum Messkanal 2104. Der andere optische Wellen- 2106 Leiter leitet das Licht zu einem optischen Sensor 410 in das Modul 201, 205. Im Falle der Impedanzdetektion werden die optischen Leiter durch Elektroden ersetzt. Im Falle eines Luft/Flüssigkeitssystems wird ein Vorratsbehälter 2101 leer gelassen und die externe Pumpe fördert Luft in den Injektionskanal. Die Flüssigkeiten werden in einem Abwasservorratsbehälter 2107 gesammelt. Der Chip 2100 kann nach der Messung entsorgt werden.
21(b): Vergleichbar zur Konfiguration in 18(a); jedoch gibt es keinen Bedarf für die optischen Wellenleiter 2105 und 2106. Wenn der Chip 2100 aus einem transparenten Material, wie zum Beispiel einem Polymer oder Glas, hergestellt wurde, können eine Lichtquelle und ein optischer Sensor 2108 direkt auf dem Chip auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals 2104 angeordnet werden.
21(c): Vergleichbar zur Konfiguration in 21(a), jedoch werden zwei integrierte Mikropumpen 2109 für jede Probenzufuhr gesammelt. Die Mikropumpen 2109 können Klappenventilpumpen sein, peristaltische Pumpen, ventillose Pumpen, Zentrifugalpumpen, elektroosmotische Pumpen, elektrohydrodynamische Pumpen usw. Die Pumpen 2109 können mit Flusssensoren zum Beibehalten der konstanten Flussrate ausgerüstet sein. Die Kontrollsignale für die Pumpen 2109 kommen vom Tensiometriemodul 201, 205.
21(d): Vergleichbar zur Konfiguration in 21(b), jedoch weist der Chip 2100 zwei integrierte Mikropumpen 2109 in der gleichen Weise wie in 21(c) auf.
22 zeigt ein Tensiometriemodul 201, 205. Die zentrale Komponente dieses Moduls 201, 205 ist ein Mikrocontroller oder ein digitaler Signalprozessor.
Im Falle der optischen Detektion stellt das Modul eine Lichtquelle 2202 und einen optischen Sensor 2203 bereit.
Die Kontrollsignale 2205 für die Pumpe 2204 stammen vom Mikrocontroller 2201. Die Signale 2207 vom optischen Sensor 2203 (oder die Signale 2208 vom kapazitiven Sensor) werden im Mikrocontroller 2201 ausgewertet. Wenn dies integrierte Mikropumpen 2109 sind, dann stammen die Signale 2209 für die Mikropumpe 2109 vom Mikroprozessor.
Im Falle des externen Pumpens stellen die Module eine Minipumpe 2204 zur Druck/Vakuumförderung zum Sensorchip bereit. Die Minipumpe 2204 kann in Form einer herkömmlichen Klappenventilpumpe oder einer schmalen Spritzenpumpe, die durch einen Schrittmotor angetrieben wird, vorliegen. Vor der Messung würden die Spritzen in eine Ladeposition zurückgezogen.
Eine Einsetzaussparung 2210 wird auf dem Chip 2100 bereitgestellt. Die Aussparung 2100 weist fluidische, optische und/oder elektrische Schaltverbindungen auf. Messergebnisse 2211 werden vom Mikrocontroller 2201 zu den Bildschirmen 203, 206 gesandt.
23 zeigt das Konzept eines durch einen geschlossenen Kreislauf kontrollierten Detergensdispensers 2300 mit einem Sensor 2100 und zwei Pumpen 2204, eine für Luft und die andere zum Waschen von Flüssigkeiten. Der Sensor 2100 stellt Informationen zur Oberflächenspannung oder CMC (kritische Micellen Konzentration) der Waschflüssigkeit bereit. Der Mikrocontroller 2201 verwendet diese Informationen zum Kontrollieren des Detergensdispensers 2201. Dieses Konzept kann in eine herkömmliche Waschmaschine integriert werden, um Detergensien 2302 zu sparen und die Umwelt zu schützen.
Die bevorzugten Ausführungsformen ermöglichen die schnelle Bestimmung der dynamischen Grenzflächenspannung eines Flüssigkeit/Flüssigkeitsystems oder eines Gas/Flüssigkeitsystems. Der Chip. 40 kann als Einwegchip entworfen werden und einfach in ein komplexeres mikrofluidisches System integriert werden. Neben dem Vorteil einer schnellen Analyse hat eine handgehaltene Messvorrichtung mit diesem Sensor das Potential alle bisherigen Desktopsysteme zur Bestimmung der Oberflächenspannung in, zum Beispiel, der Mineralölindustrie zu ersetzen. Die Oberflächenspannung, der Kontaktwinkel und die CMC (kritische Micellen Konzentration) eines oberflächenaktiven Stoffes spielen eine wichtige Rolle beim Verdrängen von Öl aus den Poren von Sedimentgestein, beim Befeuchten und Entfeuchten von Öl aus Sandkörnern, beim Entwässern von Raffineriebetrieben und beim Abtrennen und Flotieren bei der Ölgewinnung. Die durch Rückmeldung bzw. Feedback kontrollierte Detergensdosierung für Waschmaschinen ist eine andere Verwendung.
Während in der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, sollte dem Fachmann auf dem Gebiet deutlich sein, dass Abwandlungen und Modifikationen im Detail oder Design oder der Konstruktionen durchgeführt werden können ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein mikrofluidischer Sensor wird offenbart, der einen ersten Zugangskanal für ein erstes Fluid, einen zweiten Zugangskanal für ein zweites Fluid und einen Messkanal, der sowohl den ersten Zugangskanal als auch den zweiten Zugangskanal kreuzt. Ein Signalquellsystem wird zum Empfangen eines Signals von einem Signalemitter bereitgestellt, sowie ein Signaldetektionssystem zum Empfangen des Signals von dem Signalquellsystem. Das Signalquellsystem und das Signaldetektionssystem dienen dem Aufnehmen physikalischer Eigenschaften von mindestens einem der Tropfen im Messkanal. Ein entsprechendes Verfahren wird ebenfalls offenbart.

Claims

Ein mikrofluidischer Sensor, umfassend: (a) einen ersten Zugangskanal für ein erstes Fluid; (b) einen zweiten Zugangskanal für ein zweites Fluid; (c) einen Messkanal der sowohl den ersten Zugangskanal als auch den zweiten Zugangskanal kreuzt, (d) ein Signalquellsystem zum Empfangen eines Signals von einem Signalgeber; (e) ein Signaldetektionssystem zum Empfangen des Signals vom Signalquellsystem; (f) das Signalquellsystem und das Signaldetektionssystem dienen der Aufnahme physikalischer Eigenschaften von mindestens einem der Tropfen im Messkanal.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der erste Zugangskanal, der zweite Zugangskanal und der Messkanal in einem Substrat vorliegen.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, wobei das erste Fluid Luft ist und die Tropfen Luftblasen sind.
Ein mikrofluidischer Kanal wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, wobei das Signalquellsystem ein Quellwellenleiter ist, das Signal Licht ist und das Signaldetektionssystem ein Detektionswellenleiter ist.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in Anspruch 4 beansprucht, wobei der Quellwellenleiter eine optische Quell-Faser ist und der Detektionswellenleiter eine optische Faser zur Detektion ist.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in Anspruch 4 oder Anspruch 5 beansprucht, wobei der Quellwellenleiter und der Detektionswellenleiter im gleichen Substrat vorliegen.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, wobei das Signalquellsystem und das Signaldetektionssystem axial auf gegenüberliegenden Seiten am Messkanal ausgerichtet sind und sich mit dem Messkanal kreuzen.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht, wobei das Signalquellsystem und das Signaldetektionssystem im Wesentlichen identisch sind.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in einem der Ansprüche 2 bis 8 beansprucht, wobei das Substrat transparent ist.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in Anspruch 9 beansprucht, wobei das Signalquellsystem ein Lichtemitter ist und das Signaldetektionssystem ein optischer Sensor ist; wobei einer der Lichtemitter und der optische Sensor über dem Messkanal angeordnet sind und der andere Lichtemitter und der optische Sensor unterhalb des Messkanals angeordnet sind.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in einem der Ansprüche 1 bis 10 beansprucht, wobei die physikalischen Eigenschaften wenigstens eine ist, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Tropfenlänge, Tropfengröße, voranschreitende Flankenform, sich zurückziehende Flankenform, Kontaktwinkel von mindestens einem Tropfen mit dem Messkanal, Vektorgeschwindigkeit der Bewegung von mindestens einem Tropfen im Messkanal, Geschwindigkeit der Bewegung von mindestens einem Tropfen im Messkanal und die Frequenz der Tropfenbildung.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in einem der Ansprüche 1 bis 11 beansprucht, wobei der Signalemitter ein Laseremitter ist und der Signaldetektor ein optischer Sensor ist.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in einem der Ansprüche 1 bis 12 beansprucht, des Weiteren umfassend einen ersten Fluidvorratsbehälter, der mit dem ersten Zugangskanal operativ verknüpft ist, einen zweiten Fluidvorratsbehälter, der mit dem zweiten Zugangskanal operativ verknüpft ist und ein Abfallvorratsbehälter, der mit einem Auslassende des Messkanals operativ verknüpft ist.
Ein mikrofluidischer Sensor wie in Anspruch 13 beansprucht, des Weiteren umfassend eine erste Pumpe, die mit dem ersten Fluidvorratsbehälter operativ verknüpft ist zum Einbringen des ersten Fluids in den ersten Zugangskanal und den Messkanal; und eine zweite Pumpe, die mit dem zweiten Fluidvorratsbehälter zum Einbringen des zweiten Fluids in den zweiten Fluidauslass und den Messkanal operativ verknüpft ist.
Ein Tensiometriemodul, das einen Rezeptor für einen mikrofluidischen Sensor wie beansprucht in einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst, wobei der Rezeptor elektrische und optische Verbindungen für den mikrofluidischen Sensor und einen von: ein Mikrocontroller und ein digitaler Signalprozessor umfasst.
Computervorrichtung, die ein Tensiometriemodul, wie in Ansprüche 15 beansprucht, und einen Bildschirm umfasst.
Computervorrichtung wie in Anspruch 16 beansprucht, wobei das Tensiometriemodul entfernbar ist.
Ein Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften von mindestens einem Tropfen eines ersten Fluids in einem Messkanal eines mikrofluidischen Sensors, wobei das Verfahren umfasst: (a) Einbringen eines ersten Fluids entlang eines ersten Zuganges und in den Messkanal hinein; (b) Einbringen eines zweiten Fluids entlang eines zweiten Zuganges und in den Messkanal zum Ausbilden des mindestens einen Tropfens hinein; (c) Verwenden eines Signalquellsystem zum Bereitstellen eines Quellsignals und eines Signaldetektionssystems zum Detektieren des Quellsignals; (d) Aufnehmen der physikalischen Eigenschaften von mindestens einem Tropfen im Messkanal durch Verwenden des Signalquellsystems und des Signaldetektionssystems.
Ein Verfahren wie in Anspruch 18 beansprucht, wobei der erste Zugangskanal, der zweite Zugangskanal und der Messkanal in einem Substrat vorliegen.
Ein Verfahrenssensor wie in Anspruch 18 oder Anspruch 19 beansprucht, wobei das erste Fluid Luft ist und die Tropfen Luftblasen sind.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei das Signalquellsystem ein Quellwellenleiter ist, das Signal Licht ist und das Signaldetektionssystem ein Detektionswellenleiter ist.
Ein Verfahren wie in Anspruch 21 beansprucht, wobei der Quellwellenleiter eine optische Quell-Faser ist und der Detektionswellenleiter eine optische Faser zur Detektion ist.
Ein Verfahren wie in Anspruch 21 oder Anspruch 22 beansprucht, wobei der Quellwellenleiter und der Detektionswellenleiter im gleichen Substrat vorliegen.
Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 18 bis 23 beansprucht, wobei das Signalquellsystem und das Signaldetektionssystem axial auf gegenüberliegenden Seiten am Messkanal ausgerichtet sind und sich mit dem Messkanal kreuzen.
Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 18 bis 24 beansprucht, wobei das Signalquellsystem und das Signaldetektionssystem im Wesentlichen identisch sind.
Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 19 bis 25 beansprucht, wobei das Substrat transparent ist.
Ein Verfahren wie in Anspruch 26 beansprucht, wobei das Signalquellsystem ein Lichtemitter ist und das Signaldetektionssystem ein optischer Sensor ist; wobei einer der Lichtemitter und der optische Sensor über dem Messkanal angeordnet sind und der andere Lichtemitter und der optische Sensor unterhalb des Messkanals angeordnet sind.
Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 18 bis 27 beansprucht, wobei die physikalischen Eigenschaften mindestens eine ist, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Tropfenlänge, Tropfengröße, voranschreitende Flankenform, sich zurückziehende Flankenform, Kontaktwinkel des mindestens einen Tropfen mit dem Messkanal, Vektorgeschwindigkeit der Bewegung des mindestens einen Tropfen im Messkanal, Geschwindigkeit der Bewegung des mindestens einen Tropfen im Messkanal und Frequenz der Tropfenbildung.
Ein Verfahrenssensor wie in einem der Ansprüche 18 bis 28 beansprucht, wobei der Signalemitter ein Laseremitter ist und der Signaldetektor ein optischer Sensor ist.
Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 18 bis 29 beansprucht, des Weiteren umfassend einen ersten Fluidvorratsbehälter, der mit dem ersten Zugangskanal operativ verknüpft ist, einen zweiten Fluidvorratsbehälter, der mit dem zweiten Zugangskanal operativ verknüpft ist und ein Abfallvorratsbehälter, der mit einem Auslassende des Messkanals operativ verknüpft ist.
Ein Verfahrenssensor wie in Anspruch 30 beansprucht, des Weiteren umfassend das Verwenden einer erste Pumpe, die mit dem ersten Fluidvorratsbehälter operativ verknüpft ist, zum Einbringen des ersten Fluids in den ersten Zugangskanal und den Messkanal; und das Verwenden einer zweiten Pumpe, die mit dem zweiten Fluidvorratsbehälter zum Einbringen des zweiten Fluids in den zweiten Fluidauslass und den Messkanal operativ verknüpft ist.