DE19728520A1 - Switchable dynamic micro-mixer with minimal dead volume - Google Patents

Switchable dynamic micro-mixer with minimal dead volume

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DE19728520A1
DE19728520A1 DE1997128520 DE19728520A DE19728520A1 DE 19728520 A1 DE19728520 A1 DE 19728520A1 DE 1997128520 DE1997128520 DE 1997128520 DE 19728520 A DE19728520 A DE 19728520A DE 19728520 A1 DE19728520 A1 DE 19728520A1
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Geb Schmidt Schmidt
John S Prof Dr Rer N Mccaskill
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Imb Institut fur Molekulare Biotechnologie Ev 07745 Jena De
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Imb Institut fur Molekulare Biotechnologie Ev 07745 Jena De
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    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING, DISPERSING
    • B01F13/00Other mixers; Mixing plant, including combinations of mixers, e.g. of dissimilar mixers
    • B01F13/08Magnetic mixers ; Mixers having magnetically driven stirrers
    • B01F13/0818Magnetic mixers ; Mixers having magnetically driven stirrers using independent floating stirring elements
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    • B01F13/0059Micromixers

Abstract

The invention relates to a switchable dynamic micromixer with minimum dead volume used for cyclic or continuous mixing of small fluids ranging from 1 nl to 10 mu l. The invention provides for a micromixer which is brought into contact on one side with at least two feed ducts (21, 22) and which has at least one discharge duct (26) opposite the feed ducts (21, 22). The micromixer also has a mixing chamber (23) with several magnetizable pearls (4) which are covered on one side by a lid (30) and which can move freely. The entire length of the pearls arranged in an adjacent line is slightly lower than the smallest lateral dimension of the mixing chamber. A magnetic system (5) can be set into rotation and assigned and switched in such a way that it enables an adjacent linear arrangement of the magnetizable pearls (4) in addition to joint rotation of the linear pearl structure.

Description

Die Erfindung betrifft einen schaltbaren dynamischen Mikromischer mit minimalem Totvolumen, der dem zyklischen oder kontinuierlichen Mischen kleinster Flüssigkeitsmengen in der Größenordnung von 1 nl bis 10 µl dient. The invention relates to a switchable dynamic micro-mixer with minimal dead volume, of the cyclic or continuous mixing small volumes of liquid in the order of 1 nl to 10 .mu.l is used. Bevorzugte Verwendung findet der Mikromischer, insbesondere in Verbindung mehrerer Mikromischer untereinander, in der Biotechnologie, der medizinischen Diagnostik, für pharmazeutisches Screening oder DNA-Computing. Preferred is the use of the micro-mixer, in particular in connection with each other a plurality of micro-mixer, in biotechnology, medical diagnostics, for pharmaceutical screening or DNA computing.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Homogenisieren von Flüssigkeiten in Form von dynamischen und statischen Mikromischern bekannt. The prior art devices for homogenizing liquids in the form of dynamic and static micromixers are known.

Statische Mikromischer nutzen, wie z. use static micro-mixer such. B. in MST-news 19/97 S. 30-31 (ISSN 09483128) beschrieben, die Diffusion zum Homogenisieren von Lösungen bei Verwendung von langen Kontaktwegen und kleinen Kanaldurchmessern. As described in MST news 19/97 pp 30-31 (ISSN 09483128), the diffusion for the homogenization of solutions with the use of long contact paths and small channel diameters. Die Nachteile dieser Mischvariante bestehen, bedingt durch die notwendigerweise langen Strömungskanäle, in den resultierenden Druckverlusten im Flußsystem, dem geringen Wirkungsgrad des Mischvorgangs, dem verhältnismäßig großen Totvolumen und den relativ langen Mischzeiten. The disadvantages of this mixing variant exist, due to the necessarily long flow channels, in the resulting pressure losses in the flow system, the low efficiency of the mixing process, the relatively large dead volume and the relatively long mixing times.

In DE 195 11 603 A1 wird eine Anordnung zum statischen Mischen beschrieben, die eine Verkürzung der Diffusionswege dadurch erreicht, daß zwei oder mehrere Flüssigkeiten mehrmals aufgeteilt und schichtweise übereinander geführt werden. In DE 195 11 603 A1 an arrangement for static mixing is described, which achieves a reduction of the diffusion paths in that two or more fluids are divided several times and conducted in layers one above the other. Damit gelingt auch ein Vermischen von nicht löslichen Fluiden. Thus mixing of insoluble fluids succeed. Auch hier ist das Totvolumen der Mischvorrichtung, bedingt durch mehrmaliges Umleiten und Übereinanderschichten der Flüssigkeiten, sehr groß und die Mischzeiten ebenfalls sehr lang. Again, the dead volume of the mixing device, caused by repeatedly diverting and stacking of liquids, very large and the mixing times are also very long.

Ein weiterer statischer Mikro-Vermischer wird in DE 44 16 343 C2 beschrieben. Another static micromixer is described in DE 44 16 343 C2. Nach diesem Vorschlag erfolgt das Mischen mehrerer Lösungen ebenfalls diffusiv, wobei die zu mischenden Fluide vor der Mischkammer aus plattenartigen, übereinandergeschichteten Elementen zusammengesetzt sind, die von schräg zur Mikro-Vermischer-Längsachse verlaufenden Kanälen durchzogen sind, und wobei die Kanäle benachbarter Elemente sich berührungslos kreuzen und in die Mischkammer münden. According to this proposal, the mixing of several solutions are also diffusive, wherein the fluids to be mixed plate-like before the mixing chamber, the stacked elements are assembled, which are traversed by extending obliquely to the micromixer longitudinal axis of channels, and wherein the channels of adjacent elements intersect contactlessly and open into the mixing chamber. Da auch hier die Mischwirkung durch Diffusion herbeigeführt wird, ist ein Nachteil dieser Anordnung die lange Mischzeit zum vollständigen Homogenisieren. also because the mixing effect is caused by diffusion, a disadvantage of this arrangement is the long mixing time to complete homogenization.

Dynamische Mischer nutzen rotierende Mischwerkzeuge, die die Mischenergie in das Mischgut zum Homogenisieren der zu mischenden Komponenten bringen. Dynamic mixers utilize rotating mixing tools, which make the mixing energy in the material being mixed to homogenize the components to be mixed. Wegen der konstruktiv bedingten, relativ großvolumigen Ausführung dieser Mischer sind diese nicht zum Mischen kleinster Flüssigkeitsmengen geeignet, die einerseits für den vorgesehenen Verwendungszweck vorliegender Erfindung nicht benötigt werden oder, z. Because of the design-related, relatively bulky design of these mixers are not appropriate for mixing small volumes of liquid, which are not required on the one hand for the intended use in the present invention, or such. B. aus Kostengrunden, nicht bereitgestellt werden können. B. For cost reasons, can not be provided. Ein der Erfindung am nächsten kommender Mikroflußprozessor ist in EP 0495 255 A1 beschrieben. A closest to the invention coming Mikroflußprozessor is described in EP 0495 255 A1. Mit diesem Mikroflußprozessor wird die Vermischung kleiner Probenmengen mit möglichst geringem Totvolumen angestrebt, wobei er mit Flußraten im Bereich von ml/min bis öl/min betreibbar ist. With this Mikroflußprozessor mixing small amounts of sample is desired with minimum dead volume, and it can be operated at flow rates in the range of ml / min to oil / min. Ein Bestandteil dieses Mikroflußprozessors ist ein Mikromixer, der minimal, bedingt durch seine nicht weiter zu steigernde Miniaturisierung, ein Volumen von 0,1 µl aufweisen kann. A part of this Mikroflußprozessors is a micro-mixer, which may have minimal, due to its not further increasing miniaturization, a volume of 0.1 ul.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikromischer zu schaffen, der zwei oder mehrere Flüssigkeiten, die in sehr kleinen Volumina, bevorzugt in einem Bereich unterhalb von 100 nl, vorliegen, in sehr kurzer Zeit, mit geringem Totvolumen und hoher Effizienz vermischt, im Bedarfsfall die Vermischung unterbrechbar gestalten läßt und der die Integration mehrerer Mikromischer innerhalb eines Grundkörpers ermöglicht. The invention has for its object to provide a micro-mixer, mixed two or more liquids which, preferably in a range of less than 100 nl, are present in very small volumes in a very short time with a low dead volume and high efficiency, in case of need can make the mixing interrupted and allows the integration of several micro-mixer within a body.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. The object is solved by the characterizing features of the first claim. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt. Advantageous embodiments are covered by the dependent claims.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs beispiele näher erläutert werden. The invention will be explained in the following examples in more detail with reference to schematic execution. Es zeigen: Show it:

Fig. 1a eine erste Ausführungsmöglichkeit eines Mikromischers im zusammengebauten Zustand ohne Befüllung der zu mischenden Medien, FIG. 1a is a first possible embodiment of a micro mixer in the assembled state without filling the media to be mixed,

Fig. 1b einen Mikromischer nach Fig. 1 mit Befüllung der zu mischenden Medien, FIG. 1b is a micro-mixer of FIG. 1 with the filling media to be mixed,

Fig. 2a eine zweite Ausführungsmöglichkeit eines Mikromischers im zusammengebauten Zustand ohne Befüllung der zu mischenden Medien, Fig. 2a shows a second possible embodiment of a micro mixer in the assembled state without filling the media to be mixed,

Fig. 2b einen Mikromischer nach Fig. 2 mit Befüllung der zu mischenden Medien, FIG. 2b shows a micro-mixer of FIG. 2 with the filling media to be mixed,

Fig. 3a eine dritte Ausführungsmöglichkeit eines Mikromischers im zusammengebauten Zustand mit Befüllung der zu mischenden Medien und aktivem Mischelement, Fig. 3a shows a third possible embodiment of a micro mixer in the assembled state with filling of the media to be mixed and active mixing element

Fig. 3b den Mikromischer nach Fig. 3a, der von zwei laminar strömenden Medien bei Ruhestellung des Mischelements durchflossen wird, FIG. 3b, the micro-mixer according to Fig. 3a, which is traversed by two laminar flowing media at rest position of the mixing element,

Fig. 4 eine Zusammenschaltung von drei Mikromischern nach Fig. 1 und Fig. 4 is an interconnection of three micro mixers of FIG. 1 and

Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsmöglichkeit eines sich an eine Mischkammer anschließenden Abführkanals. Fig. 5, a preferred embodiment is a mixing chamber which adjoins an outlet channel.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsmöglichkeit eines Mikromischers 1 nach vorliegender Erfindung. Fig. 1 shows a first possible embodiment of a micro-mixer 1 according to the present invention. Im Beispiel ist der Mikromischer 1 aus einer ersten Grundplatte 20 gebildet, in die eine Mischkammer 23 und an die Mischkammer 23 sich anschließende zwei Zufuhrkanäle 21 und 22 eingebracht sind. In the example, the micro-mixer 1 of a first base plate 20 is formed in a mixing chamber 23 and subsequent two feed channels are placed 21 and 22 to the mixing chamber 23rd An der den Zufuhrkanälen 21 , 22 gegenüberliegenden Seite schließen sich an die Mischkammer 23 kammartig ausgebildete Kapillarwege 24 an, die in einen Graben 25 münden, an den sich ein Abfuhrkanal 26 anschließt. At the supply channels 21, 22 opposite side close to the mixing chamber 23 comb-like capillary paths 24, which open into a trench 25, to which a discharge channel connects 26th In die Mischkammer 23 sind weiterhin mehrere magnetisierbare, insbesondere aus einem ferromagnetischen Material bestehende Perlen 4 eingebracht. In the mixing chamber 23 existing beads 4 are still more magnetizable, in particular of a ferromagnetic material is introduced. Der Durchmesser dieser Perlen 4 ist so bemessen, daß er etwas unterhalb der lichten und durch eine Deckplatte 30 nach oben begrenzten Kammerhöhe liegt. The diameter of the bead 4 is so dimensioned that it lies somewhat below the clear and limited by a cover plate 30 upward chamber height. Unterhalb der Grundplatte 20 ist ein in Rotation versetzbarer Magnet 5 (vgl. Fig. 1b) vorgesehen. Below the base plate 20 in a displaceable rotary magnet 5 (see. Fig. 1b) is provided. Dieser Magnet 5 bewirkt bei entsprechender Festlegung seiner magnetischen Polarisation eine lineare und benachbarte Ausrichtung der Perlen 4 , welche der Magnetrotation folgend, eine Rotation innerhalb der Mischkammer 23 erfahren. This magnet 5 causes with a corresponding specification of its magnetic polarization and a linear alignment of the adjacent beads 4, which following the magnet rotation, undergo a rotation within the mixing chamber 23rd Je nach vorgegebenen Volumen der Mischkammer 23 können die Durchmesser der Perlen zwischen 1 µm und 100 µm festgelegt sein. Depending on the predetermined volume of the mixing chamber 23, the diameter of the beads is between 1 .mu.m and 100 .mu.m can be fixed. Ihre Gesamtanzahl ist dann weiterhin so festgelegt, daß die Länge des linear ausgerichteten Perlengebildes unterhalb der kleinsten lateralen Ausdehnung der Mischkammer 23 liegt. Their total number is then further determined so that the length of linearly aligned bead formation is lower than the smallest lateral extension of the mixing chamber 23rd

Die Mischkammer 23 , die Zufuhrkanäle 21 , 22 , der Abfuhrkanal 26 , die kammartig ausgebildeten Kapillarwege 24 und der Graben 25 werden mit Hilfe von Mikrostrukturierungstechnologien in den Grundkörper 20 eingebracht. The mixing chamber 23, the supply channels 21, 22, the discharge channel 26, the capillary paths 24 formed like a comb, and the trench 25 are introduced with the aid of micro-structuring technologies in the base body 20th Dabei können sowohl naßchemische oder physikalische Ätztechniken für die Strukturierung von Silizium oder fotostrukturierbarem Glas, Laserstrukturierungsverfahren oder Abformtechniken für Polymere zur Herstellung der Strukturen eingesetzt werden. Both wet chemical or physical etching techniques for the structuring of silicon or glass photo-imagable, laser scribing method or molding techniques for polymers for the preparation of structures can be used. Der Grundkörper 20 , der die so hergestellten Strukturen trägt, ist dichtend mit einer Deckplatte 30 , bestehend aus einem Glas oder einem transparenten Polymer, verschlossen. The base body 20 carrying the structures thus prepared is sealed by a cover plate 30 consisting of a glass or a transparent polymer, sealed. Damit ist das Mischergebnis in der Mischkammer oder in den nachfolgenden Kanälen jederzeit detektierbar. So the mixing result in the mixing chamber or in the subsequent channels is always detectable. Das Einbringen der Perlen 4 kann zum einen vor dem Verschließen des Grundkörpers 20 mit der Deckplatte 30 erfolgen oder auch zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die Perlen 4 gemeinsam mit einer Flüssigkeit, bei entsprechender Auslegung der Zufuhrkanäle 21 , 22 , in die Mischkammer 23 gepumpt werden. The introduction of the beads 4 can be made 20 to the cover plate 30 on the one prior to the closure of the base body or at a later time when the beads 4 are together with a liquid, with an appropriate design of the feeding channels 21, 22, pumped into the mixing chamber 23 , Ein Rücktransport der Perlen 4 aus der Mischkammer 23 wird durch einen im Mikromischer aufrechterhaltenen Strömungsfluß verhindert. A return of the bead 4 from the mixing chamber 23 is prevented by a maintained in the micro-mixer flow stream. Werden die Perlen 4 auf letzte Art und Weise in die Mischkammer 23 verbracht, werden diese vor dem Transport in die Mischkammer 23 entmagnetisiert, um ein Verstopfen durch ein Zusammenhängen mehrerer Perlen 4 zu vermeiden. If the beads spent 4 on last way into the mixing chamber 23, these will be demagnetized before transport into the mixing chamber 23 to prevent clogging by a context of multiple beads. 4 Mit dem ersten Einschalten eines externen Magnetfeldes werden die Perlen 4 aufmagnetisiert und weisen erst dann ein ferromagnetisches Verhalten auf. With the first turn on an external magnetic field, the beads 4 are magnetized and then have a ferromagnetic behavior. Dies führt dazu, daß, bedingt durch das ferromagnetische Material der Perlen 4 , sich immer mehrere Perlen 4 zusammenfinden und sich zum dargestellten kettenförmigen Gebilde zusammenschließen, und sich dann bei Zuführung eines lageveränderlichen Magnetfeldes gemeinsam drehen. This results in that, due to then rotate together by the ferromagnetic material of the beads 4, always come together several beads 4 and up close to the shown chain-like structure, and supplying a position-varying magnetic field. Dies bedingt eine Rührwirkung mit einem hohen Durchmischungsgrad, wie in Fig. 1b angedeutet. This requires indicated a stirring effect with a high degree of mixing, as shown in Fig. 1b. Dort werden zwei fluide Medien A und B durch die Zufuhrkanäle 21 , 22 in die Mischkammer 23 geleitet, in welcher in der Darstellung durch die Rotation des linear ausgerichteten Perlengebildes bereits eine optimale Durchmischung stattgefunden hat. There are two fluid media A and B are represented by the feeding channels 21, passed into the mixing chamber 22, 23 has in which in the representation already occurred by the rotation of linearly aligned beads structure optimum mixing. Das gemischte Medium C ist dann über die kammartig ausgebildeten Kapillarwege 24 , den Graben 25 und den Abfuhrkanal 26 ableitbar. The mixed medium C is then the comb-like capillary paths 24, the trench 25 and the discharge channel 26 derived. Die Ausführung der Kapillarwege 24 , die sich an die Mischkammer 23 mit je einem Öffnungsquerschnitt anschließen, der kleiner bemessen ist als die Durchmesser der zum Einsatz gelangenden Perlen 4 , stellt dabei ein wirksames Rückhaltemittel für die Perlen 4 dar. Es liegt im Rahmen der Erfindung, weitere Abführkanäle 26 an den Graben 25 zur Ableitung des identischen Mischungsergebnisses C vorzusehen. The embodiment of the capillary paths 24, which adjoin the mixing chamber 23, each with an opening cross section which is dimensioned smaller than the diameter of the entering for use beads 4, thereby provides an effective retaining means for the beads. 4 It is within the scope of the invention, more discharge passages provided at the trench 25 for the derivation of the identical mixing result C 26th Bei der Ausführungsform des Mikromischers 1 nach den Fig. 1a, 1b werden die zu mischenden Fluide A, B permanent miteinander gemischt. In the embodiment of the micro-mixer 1 according to Fig. 1a, 1b, the fluids to be mixed A, B are continuously mixed with each other. Der Abfuhrkanal kann zusätzlich noch als Detektionskanal genutzt werden, wozu eine besonders bevorzugte Ausführungsform unter Fig. 5 beschrieben wird. The discharge channel can be used additionally as a detection channel, for which purpose a particularly preferred embodiment with reference to FIG. 5. FIG. Für übliche Verwendungen des Mikromischers 1 , wie in der Molekularbiologie, ist der Mischkammer 23 ein Volumen von 1 nl bis 10 µl gegeben. For normal uses of the micro-mixer 1, such as in molecular biology, the mixing chamber 23 is a volume of 1 nl added to 10 .mu.l.

Die Fig. 2a und 2b beschreiben grundsätzlich eine zu den Fig. 1a und 1b identische Bauform; Figs. 2a and 2b describe a generally to the Figures 1a and 1b identical design. gleiche Funktionselemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. same functional elements are denoted by the same reference numerals. Der einzige Unterschied besteht darin, daß hier das Rückhaltemittel für die Perlen 4 durch einen Überlaufkanal 24 ' gebildet ist. The only difference is that here the retaining means for the beads 4 is formed by an overflow channel 24 '. In seiner Breitenausdehnung b erstreckt sich dieser Überlaufkanal 24 ' im wesentlichen über die Breite der Mischkammer 23 , an die er sich anschließt. In its width dimension b of this overflow channel 24 'extends substantially over the width of the mixing chamber 23, to which it joins. Die spaltförmig ausgebildete vertikale Ausdehnung des Überlaufkanals 24 ', die nach oben durch die sich anschließende Deckplatte 30 begrenzt ist, ist dabei im Vergleich zu den zum Einsatz gelangenden Perlendurchmessern so bemessen, daß die Perlen 4 nicht in den Überlaufkanal 24 ' gelangen können. The gap-shaped vertical extension of the overflow channel 24 ', which is limited upwards by the subsequent cover plate 30 thereby is such that the beads 4 are not in the overflow channel 24, in comparison with the entering used bead diameters' can pass.

Die nach den Fig. 1a, 1b, 2a, 2b ausgebildeten Mikromischer 1 sind für einen rein dynamischen Betrieb, also zum ständigen Vermischen von Fluiden ausgelegt. The micro-mixer 1 formed according to Fig. 1a, 1b, 2a, 2b are designed for a purely dynamic operation, ie for continuously mixing of fluids. Diese Ausbildungen der Mikromischer 1 besitzen mehrere, mindestens jedoch zwei, Eingänge 21 und 22 , die bei dieser Betriebsweise nicht notwendig in einer Ebene mit den übrigen Komponenten, wie 23 und den nachfolgenden, zu liegen brauchen, über die die Lösungen A und B der Mischkammer 23 zuführbar sind, vermittels der Perlen 4 dort in der beschriebenen Weise vermischt werden, so daß am Abführkanal 26 eine Mischung C entnehmbar ist. These embodiments of the micro-mixer 1 have a plurality of, but at least two inputs 21 and 22, which in this mode is not necessary in a plane with the other components, such as 23, and to lie below, need, through which the solutions A and B of the mixing chamber 23 are fed to be mixed by means of the bead 4 there in the described manner, so that a mixture of C is removed at the discharge channel 26th

Eine gewisse Abwandlung für weitere Verwendungszwecke erfährt der Mikromischer 1 , wie es in den Fig. 3a und 3b angedeutet ist. A certain modification for other uses experienced by the micro-mixer 1, as is indicated in Figs. 3a and 3b. Diese Ausführungen stellen einen schaltbaren Mikromischer dar. Enthielt der Mikromischer 1 nach den Fig. 1a, 1b, 2a, 2b jeweils nur einen Abfuhrkanal 26 , sind in einer Ausführung nach Fig. 3a drei Abfuhrkanäle 26 , 27 , 28 vorgesehen, die in ihrer Höhenbemessung der Höhenbemessung des Überlaufkanals 24 ' nach Fig. 2a analog ausgeführt sind, wodurch die Kanalkantenausbildungen 261 , 271 , 281 zugleich die Funktion des Überlaufkanals 24 ' übernehmen. These embodiments provide a switchable micromixer is. Contained of the micro-mixer 1 according to Fig. 1a, 1b, 2a, 2b, respectively, only a discharge channel 26, in an embodiment according to Fig. 3a three discharge channels 26, 27, 28, which in its height measurement the height dimensioning of the overflow channel 24 'of FIG. 2a are carried out similarly, so that the channel edge formations 261, 271, 281 at the same time the function of the overflow channel 24' take over.

Fig. 3a stellt den Fall dar, daß der Mikromischer im dynamischen Betrieb, analog zu den bisherigen Figuren arbeitet und somit die über die Zufuhrkanäle 21 , 22 zugeführten liquiden Medien A und B vermischt werden. Fig. 3a shows the case that the micro mixer in dynamic operation, operates analogously to the previous figures and thus through the supply channels 21, 22 supplied liquid media A and B are mixed. Bei dieser Betriebsweise ist an allen Abführkanälen 26 , 27 , 28 ein identisches Lösungsgemisch C entnehmbar. In this mode, 28 an identical mixed solution C is at all discharge ports 26, 27 can be removed.

Unter der Voraussetzung, daß in der Mischkammer 23 laminare Strömungsverhältnisse vorliegen, was durch die Einhaltung von Reynoldzahlen < 1 realisierbar ist, erfolgt die Zuordnung der Abfuhrkanäle 26 , 27 , 28 mit Maßgabe, daß den im Beispiel vorgesehenen zwei Zufuhrkanälen 21 , 22 die drei Abfuhrkanäle 26 , 27 , 28 am anderen Mischkammerende in der Weise zugeordnet sind, daß dem erstem Zuführkanal 21 , und damit dem durch diesen zuführbaren ersten Mediums A, ein erster Abfuhrkanal 27 , dem zweiten Zuführkanal 22 , und damit dem durch diesen zuführbaren zweiten Mediums B, ein zweiter Abführkanal 28 und einer durch die Medien A und B gebildeten gemeinsamen Durchströmungszone ein dritter Abfuhrkanal 26 , dessen Inhalt im weiteren verworfen werden, zugeordnet ist. Assuming that there are 23 laminar flow conditions in the mixing chamber, which can be realized by complying with Reynolds numbers <1, the assignment of the discharge channels 26, 27, 28 with proviso that the intended in the example, two supply channels 21, 22 the three unloading channels 26, 27, 28 associated in such a manner at the other mixing chamber end that the first supply channel 21, and thus the first through this feedable medium a, a first discharge channel 27, the second supply passage 22, and thus the feedable through this second medium B, a second discharge passage 28 and a common flow zone formed by the media a and B, a third discharge channel 26, the contents of which are discarded in the broader, is assigned. Arbeitet der Mikromischer im Beispiel nach Fig. 3b im statischen Betrieb, dh die Perlen 4 werden nicht dem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt, und ist eine laminare Durchströmung der Mischkammer 23 gewährleistet, bildet sich zwischen den beiden Medienströmen A und B eine relativ scharfe Grenzfläche aus. Operates the micro mixer in the example of Fig. 3b, in static mode, that is, the beads 4 are not exposed to the rotating magnetic field, and is a laminar flow through the mixing chamber 23 ensures formed from a relatively sharp interface between the two media streams A and B. Diese Grenzflächenzone S und ihr eng benachbarte Bereiche werden vom Abfuhrkanal 26 aufgenommen, wodurch eine Kontamination der einzelnen Komponenten A und B vermieden wird, und der reine Medienstrom der Komponente A gelangt in den Abfuhrkanal 27 und der der Komponente B in den Abfuhrkanal 28 . This interface zone S and its closely adjacent areas are absorbed by the discharge channel 26, whereby a contamination of the individual components A and B is avoided, and the pure media stream of component A reaches the discharge channel 27 and the component B in the discharge channel 28th Der vermischte Medienstrom W wird idR im weiteren Prozeß verworfen. The mixed media stream W is usually discarded in the further process. Ein nach den Fig. 3a und 3b gefertigter Mikromischer ist im Rahmen der Erfindung auf mehrere Zufuhr- und Abfuhrkanäle erweiterbar, wobei jeweils obige Maßgaben einzuhalten sind und zwischen zwei jeweils reine Komponenten abführenden Kanälen ein weiterer Kanal für eine teilvermischte Komponente W des jeweiligen Grenzzonenbereiches vorzusehen ist. One is to provide an additional channel for a teilvermischte component W of the respective border zone region of FIGS. 3a and 3b manufactured micromixer is expandable in the invention on several feed and discharge channels, respectively above provisos are observed and discharge between two pure components channels , Zwischen den Betriebszuständen nach Fig. 3a und Fig. 3b kann wechselseitig geschaltet werden, was bspw. für eine kombinatorische Verarbeitung sehr vieler Komponenten von Vorteil ist und z. 3b between the operational states of FIG. 3a and FIG. Can be switched alternately that is, for example, for a combinational processing of very many components of advantage and z. B. Synthesen im Fluß ermöglicht. B. allows syntheses in the river.

Die in den Fig. 1a bis 3b beschriebenen Mikromischer können in beliebiger Anzahl hintereinander geschaltet sein, wodurch ganze Netzwerke von Vermischungsbildnern möglich sind. The micromixer described in FIGS. 1a-3b may be connected in any number in series, whereby all the networks of mixing agents are possible. In Fig. 4 ist eine solche Ausbildung anhand von drei nach Fig. 1 ausgebildeten Mikromischern 1 a, 1 b, 1 c dargestellt. In FIG. 4, such a configuration is based on three trained according to FIG. 1 micromixers 1 a, 1 b, 1 c shown. Jeder dieser Mikromischer enthält eine Mischkammer 23 a, 23 b, 23 c. Each of these micro-mixer includes a mixing chamber 23 a, 23 b, 23 c. Auch ist es in diesem Beispiel möglich, je nach gewünschten Prozeßablauf, einzelne oder mehrere Zufuhrkanäle im Bedarfsfall zu sperren, so daß von einem Mikromischer nur eine oder gar keine Komponenten in die weiteren Mikromischer gelangt. It is also possible in this example, depending on the desired process flow to terminate a plurality of feed channels, if necessary, single or so of a micromixer only one or even no components enters the another micro mixer. Bei Einsatz og Strukturierungsverfahren für die Herstellung der Mikromischer lassen sich so mehrere Mikromischer in einstückigen einem Grundkörper 20 unterbringen und von einer gemeinsamen Deckplatte 30 abdecken. In use of the abovementioned patterning method for the preparation of the micromixer more micro mixer can thus be in one piece to accommodate a base body 20 and cover by a common cover plate thirtieth In einer praktischen Realisierungsvariante sind bspw. in ein 4''-Siliziumwafer im Bedarfsfall bis zu 90 000 einzelne Mischkammern 23 und die zugehörigen Zufuhr- und Abfuhrkanäle einbringbar, wenn die Mischkammern 23 dabei einen Hohlraum von 100.100.50 µm 3 umfassen. Silicon wafer in case of need up to 90,000 individual mixing chambers 23 and the associated feed and discharge channels can be introduced, when the mixing chambers 23 comprise here a cavity of 100.100.50 microns 3 - In a practical implementation variant, for example, in a 4 ''..

In Fig. 5 ist schließlich, insbesondere für die letzt genannte, jedoch nicht darauf beschränkte integrierte Ausführungsvariante eine besondere Ausbildung eines Abfuhrkanals 26 dargestellt. In Fig. 5 special training of a discharge channel 26 is eventually, especially for the latter, but not limited to integrated design variant shown. Dieser Abfuhrkanal schließt sich, analog wie zu den Fig. 1a bis 3b angegeben, einerseits an die Mischkammer oder dieser nachgeordneten Baugruppen an und ist über eine dem Mischkammervolumen angepaßte Länge mehrfach mäandriert ausgeführt. This discharge channel closes analog 1a to 3b shown as the Fig., On the one hand to the mixing chamber or arranged downstream modules and is meanders several times a matched the mixing chamber volume length executed. Das Volumen des Kanals 26 sollte in diesem Fall so dimensioniert sein, daß er mindestens das dreifache Volumen des Mischkammervolumens aufnimmt. The volume of the channel 26 should be dimensioned in this case so that it receives at least three times the volume of the mixing chamber volume. Diese mäandrierte Ausbildung des Abfuhrkanals begünstigt die Verwendung handelsüblicher Detektionseinheiten, bspw. von optischen Spektroskopen, mit deren Hilfe bei Abbildung durch eine durchsichtige Deckplatte 30 zugleich ein relativ großes Probenvolumen und damit erhöhte Signale zur Verfügung stehen, da gleichzeitig mehrere Mäanderkanalabschnitte erfaßt werden können. This meandering configuration of the discharge channel favors the use of commercially available detection units, for example. Optical spectroscopes, with the aid in imaging through a transparent cover plate 30 at the same time are a relatively large sample volume and thus enhanced signals, since the same time several Mäanderkanalabschnitte can be detected.

Alle beschriebenen Ausführungsformen weisen ein außerordentlich geringes Totvolumen auf, da praktisch das gesamte Mischkammervolumen weiteren Verwendungen zuführbar ist. All described embodiments have a very low dead volume, since virtually the entire mixing chamber volume further uses can be supplied.

Für alle beschriebenen Ausführungsbeispiele liegt es ausdrücklich im Rahmen der Erfindung, daß die in den Grundkörper 20 eingebrachten Strukturen spiegelbildlich identisch auch in die Deckplatte 30 eingebracht sind. For all embodiments described, it is expressly within the scope of the invention that the introduced into the main body 20 structures are mirror images introduced identical also in the cover plate thirtieth Eine solche Ausbildung eröffnet z. Such training opened for. B. anhand der Fig. 1a und 1b bei entsprechender Materialauswahl für den Grundkörper und die Deckplatte, bspw. Pyrexglas, eine kreisrunde Querschnittsgestaltung der Kapillaren 24 , welche dann symmetrisch zur Mischkammer 23 liegend, bei Vorsehung weiterer, nicht dargestellter Magnetsysteme die Positionierung einzelner Perlen 4 in einzelnen oder allen Kapillarenmündungsbereichen einen schaltbaren Verschluß des Abflußweges ermöglichen. B. reference to Figs. 1a and 1b, with appropriate choice of materials for the base body and the cover plate, for example. Pyrex glass, a circular cross-sectional configuration of the capillaries 24 which then symmetrically lying to the mixing chamber 23, with the provision of additional, non-illustrated magnet systems the positioning of individual beads 4 enabling a switchable shutter of the drain path in individual or all Kapillarenmündungsbereichen.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. All in the description, the following claims and the drawings can, both separately and in any combination be essential to the invention.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1

, .

1 1

a, a,

1 1

b, b

1 1

cMikromischer cMikromischer

20 20

Grundkörper body

21 21

, .

22 22

Zufuhrkanäle supply channels

23 23

Mischkammer mixing chamber

24 24

kammartige Kapillarenwege comb-like Kapillarenwege

24 24

' Überlaufkanal 'Overflow channel

25 25

Aufnahmegraben receiving trench

26 26

, .

27 27

, .

28 28

Abführkanäle discharge channels

261 261

a, a,

261 261

b, b

261 261

c Abfuhr-/Zufuhrkanäle c discharge / feed channels

30 30

Deckplatte cover plate

4 4

magnetisierbare Perlen magnetizable beads

5 5

zuschaltbares, rotierbares Magnetsystem Switchable, rotatable magnet system
A, B, C, W fluide Medien A, B, C, W fluid media

Claims (16)

  1. 1. Schaltbarer dynamischer Mikromischer mit minimalem Totvolumen, beinhaltend eine Mischkammer ( 23 ), die einseitig mit mindestens zwei Zufuhrkanälen ( 21 , 22 ) in Verbindung gebracht ist und andererseits, den Zufuhrkanälen ( 21 , 22 ) gegenüberliegend, wenigstens einen Abfuhrkanal ( 26 ) aufweist, innerhalb der Mischkammer ( 23 ) mehrere magnetisierbare Perlen ( 4 ) vorgesehen sind, deren Durchmesser etwas kleiner als die lichte Kammerhöhe der Mischkammer ( 23 ) so bemessen ist, daß sich diese innerhalb der Mischkammerwandungen, die einseitig von einer Abdeckung ( 30 ) überdeckt sind, frei bewegen können, und deren Gesamtlänge in linearer, einander benachbarter Aufreihung etwas unterhalb der kleinsten lateralen Mischkammerausdehnung festgelegt ist, zwischen dem Mischkammerausgang und dem Eingang des wenigstens einen Abfuhrkanals ( 26 ) Rückhaltemittel ( 24 ; 24 '; 251-271 ) vorgesehen sind, die ein Vordringen der Perlen ( 4 ) in den Abführkanal ( 26 )) respektive die Abfuh Comprising 1. Switchable dynamic micro-mixer with minimal dead volume, comprising a mixing chamber (23) on one side with at least two supply channels (21, 22) is associated, and on the other hand, the supply channels (21, 22) opposite each other, at least one discharge channel (26) , within the mixing chamber (23) a plurality of magnetizable beads (4) are provided whose diameter is slightly smaller than the internal chamber height of the mixing chamber (23) such that these are covered within the Mischkammerwandungen, the one side by a cover (30) , can move freely and whose total length is set in a linear, mutually adjacent array just below the smallest lateral mixing chamber extension between the mixing chamber outlet and the inlet of the at least one discharge channel (26) retaining means (24; 24 '; 251-271) are provided, the encroachment of the beads (4) in the discharge channel (26)), respectively, the Abfuh rkanäle ( 251-271 ) verhindern und der Mischkammer ( 23 ) ein in Rotation versetzbares Magnetsystem ( 5 ) zuschaltbar zugeordnet ist, das so ausgebildet ist, daß es eine lineare benachbarte Aufreihung der magnetisierbaren Perlen ( 4 ) und eine gemeinsame Rotation des linearen Perlengebildes ermöglicht. prevent rkanäle (251-271) and the mixing chamber (23) displaceable in rotation magnet system (5) is assigned to be activated, which is designed such that it allows a linear adjacent array of the magnetizable beads (4) and a common rotation of the linear beads structure ,
  2. 2. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem ersten Grundkörper ( 20 ) besteht, in den die Strukturen für die Mischkammer ( 23 ), die mindestens zwei Zufuhrkanäle ( 21 , 22 ), den mindestens einen Abfuhrkanal ( 26 ) und die Rückhaltemittel ( 24 ; 24 '; 251-271 ) eingebracht sind, welche von einer zweiten Deckplatte ( 30 ) einseitig dichtend abgedeckt ist. 2. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 1, characterized in that it consists of a first base body (20), in which the structures for the mixing chamber (23), the at least two feed channels (21, 22), the (at least one discharge channel 26 ) and the retaining means (24; 24 '; 251-271) are placed, which is covered on one side (of a second cover plate 30) sealingly.
  3. 3. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Deckplatte ( 30 ) spiegelbildlich identisch die gleichen Strukturen ( 23 ; 21 , 22 ; 23 ; 24 ; 24 '; 251-271 ; 26 ) des Grundkörpers ( 20 ) eingebracht sind. 3. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 2, characterized in that in the cover plate (30) mirror-inverted identical to the same structures (23; 21, 22; 23; 24; 24 '; 251-271; 26) of the base body (20) is introduced are.
  4. 4. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückhaltemittel durch eine Vielzahl kammartig ausgebildeter Kapillarwege ( 24 ) gebildet sind, die sich einerseits an die Mischkammer ( 23 ) mit je einem Öffnungsquerschnitt anschließen, der kleiner als der Durchmesser einer Perle ( 4 ) ist und andererseits in einen Aufnahmegraben ( 25 ) münden, an den sich der wenigstens eine Abfuhrkanal ( 26 ) anschließt. 4. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 1 or 2, characterized in that the retaining means are formed by a plurality of comb-like design capillary paths (24), on the one hand, to the mixing chamber connecting (23) each having an opening cross section which is smaller than the diameter of a bead (4) and on the other hand, in a receiving trench (25) open, to which the at least one discharge channel (26) connects.
  5. 5. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückhaltemittel durch einen sich stufenartig an die Mischkammer ( 23 ) anschließenden Überlaufkanal ( 24 ') gebildet sind, der andererseits in einen Aufnahmegraben ( 25 ) mündet, an den sich der wenigstens eine Abfuhrkanal ( 26 ) anschließt. 5. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 1 or 2, characterized in that the retaining means subsequent by an up step-like manner to the mixing chamber (23) overflow passage (24 ') are formed, on the other hand in a receiving trench (25) opens, to which the connecting at least one discharge channel (26).
  6. 6. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) des Überlaufkanals ( 24 ') im wesentlichen der sich angrenzenden Mischkammerausdehnung entspricht. 6. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 5, characterized in that the width (b) of the overflow channel (24 ') substantially corresponding to adjacent mixing chamber extension.
  7. 7. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Zufuhrkanälen ( 21 , 22 ) drei zugehörige Abführkanäle ( 26 , 27 , 28 ) in der Weise zugeordnet sind, daß, bei im wesentlichen laminarer Durchströmung der Mischkammer ( 23 ), dem erstem Zuführkanal ( 21 ), und damit dem durch diesen zuführbaren ersten Mediums (A), ein erster Abfuhrkanal ( 27 ), dem zweiten Zuführkanal ( 22 ), und damit dem durch diesen zuführbaren zweiten Mediums (B), ein zweiter Abfuhrkanal ( 28 ) und einer durch die Medien (A, B) bildbaren gemeinsamen Durchströmungszone (S) ein dritter Abfuhrkanal ( 26 ) zugeordnet ist. 7. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 1 or 2, characterized in that two feed channels (21, 22) has three corresponding discharge passages (26, 27, 28) are assigned in such a way that, (with substantially laminar flow through the mixing chamber 23 ), the first feed channel (21), and thus the through this feedable first medium (a), a first discharge channel (27) (the second supply passage 22), and thus the (by this can be fed second medium B), a second discharge channel (28) and through the media (a, B) formable common flow zone (S), a third discharge channel (26) is associated.
  8. 8. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abführkanäle ( 26 , 27 , 28 ) stufenartig ausgebildet an die Mischkammer ( 23 ) derart anschließen, daß ihre kleinsten lateralen Ausdehnungen unterhalb des Durchmessers der Perlen ( 4 ) festgelegt sind. 8. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 7, characterized in that the discharge channels (26, 27, 28) stepwise formed at the mixing chamber (23) to join such that their smallest lateral dimensions less than the diameter of the beads (4) are fixed.
  9. 9. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Mikromischer ( 1 a, 1 b, 1 c) in der Weise einander zugeordnet sind, daß jeweils wenigstens zwei Abfuhrkanäle ( 261 a, 261 b), von denen jeder Abfuhrkanal ( 261 a, 261 b) einer gesonderten Mischkammer ( 1 a, 1 b) zugehört, die Zufuhrkanäle einer weiteren Mischkammer ( 1 c) bilden. 9. Switchable dynamic micro-mixer according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of micro-mixer (1 a, 1 b, 1 c) are assigned in such a way to each other that at least two discharge channels (261 a, 261 b), each of which discharge channel (261 a, 261 b) a separate mixing chamber (1 a, 1 b) belongs, the feed channels of a further mixing chamber (1 c) form.
  10. 10. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz mehrerer miteinander verschalteter Mikromischer ein oder mehrere Zufuhr- oder Abfuhrkanäle wahlweise sperrbar sind. 10. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 9, characterized in that when using a plurality of interconnected micro-mixers, one or more supply or discharge channels can be blocked.
  11. 11. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest in den Grundkörper ( 20 ) eingebrachten Ausnehmungen für die einzelnen Funktionsbaugruppen ( 21 , 22 ; 23 ; 24 ; 24 ', 26-27 ) durch naßchemische Ätztechniken oder physikalische Abtragverfahren oder durch Abformtechniken eingebracht sind. 11. Switchable dynamic micro-mixer according to one of the preceding claims, characterized in that at least in the base body (20) introduced recesses for the individual function modules (21, 22; 23; 24; 24 ', 26-27) by wet chemical etching techniques or physical are introduced removal method or by molding techniques.
  12. 12. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper ( 20 ) mit den in ihn eingebrachten Strukturen für die einzelnen Funktionsbaugruppen ( 21 , 22 ; 23 ; 24 ; 24 ', 26-27 ) einstückig ausgebildet ist. 12. Switchable dynamic micro-mixer according to one of the preceding claims, characterized in that the basic body (20) with the inserted into it structures for the individual function modules (21, 22; 23; 24; 24 ', 26-27) is integrally formed.
  13. 13. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den einstückig ausgebildeten Grundkörper ( 20 ) mehrere Mikromischer ( 1 a, 1 b, 1 c) eingebracht sind. 13. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 12, characterized in that in the integrally formed base body (20) a plurality of micro-mixer (1 a, 1 b, 1 c) are introduced.
  14. 14. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einem Abfuhrkanal ( 26 , 27 , 28 , 261 a, 261 b) über einen Bereich seiner lateralen Ausdehnung mehrfach mäandriert ausgebildet ist. 14. Switchable dynamic micro-mixer according to one of the preceding claims, characterized in that at least one discharge channel (26, 27, 28, 261 a, 261 b) is formed meandering several times over a portion of its lateral extent.
  15. 15. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen parallel verlaufenden Mäanderabschnitte möglichst dicht zueinander in den Grundkörper ( 20 ) und/oder die Deckplatte ( 30 ) eingebracht sind. 15. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 14, characterized in that the individual meander sections running parallel to each other as closely as possible in the basic body (20) and / or the cover plate (30) are introduced.
  16. 16. Schaltbarer dynamischer Mikromischer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfach mäandrierten Abführkanalabschnitte ein Volumen aufzunehmen vermögen, das mindestens dem dreifachen Volumen des von der Mischkammer ( 23 ) umfaßten Volumens entspricht. 16. Switchable dynamic micro-mixer according to claim 14, characterized in that the multiple meandered Abführkanalabschnitte capable of accommodating a volume that is comprised of at least three times the volume of the mixing chamber (23) corresponds to the volume.
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