DE19859461A1 - Verfahren und Vorrichtung zur konvektiven Bewegung von Flüssigkeiten in Mikrosystemen - Google Patents

Abstract

Zur konvektiven Bewegung mindestens einer Flüssigkeit in einem Kanal eines Mikrosystems, der dazu eingerichtet ist, von der Flüssigkeit in einer Strömungsrichtung durchströmt zu werden, wird die Flüssigkeit in einem Teilabschnitt des Kanals elektrischen Feldern und/oder einem thermischen Gradienten ausgesetzt, die in dem Teilabschnitt entsprechend einer vorbestimmten Feldrichtung erzeugt werden, wobei die Feldrichtung von der Strömnungsrichtung abweicht.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur konvektiven Bewegung von ruhenden oder strömenden Flüssigkeiten in Mikrosystemen, ins­ besondere zum elektro- oder thermokonvektiven Vermischen der Flüssigkeiten, und Vorrichtungen zur Implementierung der Ver­ fahren, wie insbesondere Elektrodenanordnungen in Mikrosyste­ men zur Auslösung konvektiver Flüssigkeitsbewegungen.

In zahlreichen technischen Gebieten, insbesondere in der che­ mischen Technologie, besteht häufig die Aufgabe, eine Flüssig­ keit umzuwälzen oder umzurühren oder mehrere Flüssigkeiten zu vermengen oder zu vermischen. Hierzu werden Flüssigkeitsströme erzeugt, die z. B. mittels mechanischer Barrieren und/oder ak­ tiv beweglicher Elemente mechanisch umgewälzt werden. Bei tur­ bulenter Verwirbelung der Flüssigkeit(en) wird deren gegensei­ tige Durchsetzung erzielt. Für die Wirksamkeit der Umwälzung einer Flüssigkeit in einer Kanal- oder Behälterstruktur ist deren Reynoldszahl von Bedeutung. Für die mechanische Vermi­ schung von Flüssigkeiten in der Behälterstruktur müssen in dieser Reynoldszahlen oberhalb des Wertes 1000 gegeben sein. Derartige Werte sind nur in makroskopischen Systeme erzielbar, wie die folgende Abschätzung zeigt.

Die Reynoldszahl eines Kanals läßt sich gemäß R_e = (ρ.U.L)/η abschätzen, wobei p die Dichte der Flüssigkeit, η die Viskosi­ tät der Flüssigkeit, U die Strömungsgeschwindigkeit und L eine charakteristische Kanalgröße (z. B. Radius des Kanalquer­ schnitts) sind. Eine wässrige Lösung mit η = 1,6.cm²/s, die durch einen Kanal mit einem Radius r = 25 µm mit einer Ge­ schwindigkeit U = 500 µm/s strömt, würde sich beispielsweise eine Reynoldszahl R_e = 0.025 ergeben, was weit unterhalb des obengenannten Richtwertes 1000 liegt. Die strömungsmechanische Vermengung von Flüssigkeiten durch Hindernisse in der Strömung ist daher auf makroskopische Systeme beschränkt. Auch beim Einsatz aktiv beweglicher Elemente zur Flüssigkeitsumwälzung besteht eine Beschränkung auf makroskopische Systeme, da in miniaturisierten Systemen bewegliche Elemente störanfällig sind und leicht Verstopfungen oder Strömungsbehinderungen ver­ ursachen können.

Für viele biologische, medizinische und chemisch-techno­ logische Anwendungen wurden die Meß- und/oder Analysensysteme im letzten Jahrzehnt aus Kosten- und Ressourcengründen und zur Erzielung hochspezifischer Analysen miniaturisiert. Das Pro­ blem der Flüssigkeitsumwälzung in Mikrosystemen ist jedoch bisher nicht gelöst. Wegen der geringen Reynoldszahl kann es selbst bei Umströmung von z. B. sich mäanderförmig kreuzenden Barrieren oder scharfkantigen Strömungshindernissen keine tur­ bulente Strömung ergeben. Werden zwei Flüssigkeiten in einen miniaturisierten Kanal (typischer Querschnitt: 1 mm²) eingelei­ tet, so wird sich selbst bei Durchströmung einer Kanallänge von mehreren Millimetern keine Vermischung der Flüssigkeit außer durch Diffusion ergeben.

Ein allgemein bekannter Ansatz zur Umwälzung strömender Flüs­ sigkeiten in Mikrosystemen besteht in der Aufspaltung eines Kanals in eine Vielzahl engerer Kanäle und deren anschließende Wiedervereinigung in veränderter Relativanordnung. Dabei wer­ den zwar keine beweglichen Teile verwendet. Allerdings be­ sitzen die verengten Kanäle einen charakteristischen Durchmes­ ser, der um einen Faktor 10 bis 40 kleiner als der Ausgangska­ nal ist. Dadurch steigt der Strömungswiderstand und entsteht eine akute Verstopfungsgefahr. Eine Anwendung für Suspen­ sionen, die Teilchen wie z. B. biologische Zellen oder Mikro­ beads enthalten, ist ausgeschlossen. Außerdem erfolgt nur eine quasi-Durchmischung entsprechend der Zahl und Umordnung der verengten Kanäle.

Es ist ferner bekannt, Flüssigkeiten auf der Grundlage elek­ tro-hydrodynamischer Effekte zu pumpen. In Flüssigkeitskanälen werden mit Elektrodensystemen, die an gegenüberliegenden Ka­ nalwänden über die gesamte Kanallänge angebracht sind, wan­ dernde elektrische Felder erzeugt. In Zusammenwirkung mit einem Temperaturgradienten, der von einem der Elektrodensysteme zum gegenüberliegenden Elektrodensystem gerichtet ist, kommt es zu einer sogenannten Elektrokonvektion, die einen stationären Flüssigkeitstransport im Kanal bewirkt. Derartige Systeme wer­ den beispielsweise als Wanderwellenpumpen oder elektro­ hydrodynamische Pumpen von J. R. Melcher et al. in "The Physics of Fluids", Band 10, 1967, Seite 1178 ff., beschrie­ ben. Der mechanische Flüssigkeitsvortrieb wird so bewirkt, daß durch den Temperaturgradienten in der Flüssigkeit Leitfähig­ keits- und/oder Dielektrizitätskonstantengradienten entstehen. Dadurch werden Raumladungen erzeugt, die in Wechselwirkung mit dem wandernden elektrischen Feld eine Vortriebskraft auf die Flüssigkeit ausüben.

Das von J. R. Melcher et al. beschriebene System ist ein makroskopisches System mit einer Kanallänge von rd. 1 m und einem typischen Kanalquerschnitt von rd. 3 cm. Es dient aus­ schließlich der Untersuchung der Elektrokonvektion und erlaubt aufgrund der aufwendigen Maßnahmen zur Herstellung des Tempe­ raturgradienten und zur Ansteuerung der Elektroden über die gesamte Kanallänge keine praktische Nutzung.

Miniaturisierte Wanderwellenpumpen werden von Fuhr et al. in "MEMS 92", 1992, S. 25, beschrieben. Die Implementierung des Wanderwellenprinzips in Mikrosystemen hat jedoch bisher keine praktische Anwendung gefunden, da es wesentlich einfachere Möglichkeiten des Flüssigkeitstransports in Mikrokanälen gibt und auch ein Beitrag zum oben erläuterten Problem der Flüssig­ keitsumwälzung in Mikrosystemen nicht geliefert wurde.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, verbesserte Verfahren zur konvektiven Bewegung von Flüssigkeiten in Mikrosystemen anzu­ geben, mit denen eine Umwälzung oder Durchmischung von Flüs­ sigkeiten in Mikrokanälen ohne sich bewegende Teile und ohne Kanalverengungen bei beliebigen Kanalquerschnitten ermöglicht wird. Die Aufgabe besteht insbesondere darin, ein Verfahren zur effektiven Flüssigkeitsmischung in Mikrosystemen anzuge­ ben, das auch mit Suspensionen anwendbar ist, die Mikroparti­ kel enthalten. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Vorrich­ tungen zur Implementierung der genannten Verfahren, insbeson­ dere miniaturisierte Flüssigkeitsmischer, anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüche 1 bzw. 9 gelöst. Vor­ teilhafte Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung er­ geben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird insbeson­ dere eine neues Verfahren zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung in Mikrosystemen geschaffen, bei dem eine oder mehrere Flüs­ sigkeiten im Mikrosystem wandernden elektrischen Feldern, Wechselfeldern oder elektrischen Feldgradienten mit einer Aus­ richtung ausgesetzt werden, die von einer Strömungsrichtung der Flüssigkeit im Mikrosystem und/oder einer Vorzugslängsaus­ richtung eines Teilabschnitts des Mikrosystems (z. B. Kanalab­ schnitt) abweicht. Die Ausrichtung der Wechselfelder (Vorzugs­ richtung der felderzeugenden Elektroden), der wandernden elek­ trischen Felder (Laufrichtung) oder Feldgradienten wird im folgenden allgemein als Feldrichtung bezeichnet. Simultan zur Erzeugung der elektrischen Felder erfolgt die Ausbildung eines thermischen Feldgradienten parallel zur Feldrichtung. Der thermische Gradient ist erforderlich, um in der Flüssigkeit eine Anisotopie zu erzeugen, die in Zusammenwirkung mit den elektrischen Feldern zum Flüssigkeitsvorschub führt. Im Unter­ schied zu den herkömmlichen Wanderwellenpumpen genügt zur Er­ zeugung der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsumwälzung oder -querströmung ein thermischer Gradient mit einer Temperatur­ differenz zwischen gegenüberliegenden Kanalwänden von 1°C. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine der­ artige Temperaturdifferenz allein durch die Beaufschlagung von Elektrodenanordnungen mit elektrischen Spannungen zur Erzeu­ gung der elektrischen Felder erzielt wird, so daß die geson­ derte Erzeugung eines externen Thermogradienten nicht zwingend erforderlich ist.

Erfindungsgemäß besteht zwischen der Feldrichtung und der Richtung der aktuellen bzw. vor oder nach Realisierung des Verfahrens gegebenen Strömungsrichtung der Flüssigkeit eine vorbestimmte Winkeldifferenz. Im folgenden wird der Begriff Strömungsrichtung allgemein für die Ausrichtung der Flüssig­ keitsströmung oder für die Ausrichtung des Mikrosystembe­ reichs, in dem die Flüssigkeit strömt, verwendet. Der Winkel zwischen der Feldrichtung und der Strömungsrichtung liegt vor­ zugsweise im Bereich von 60° bis 120°. Für Werte oberhalb 90° bedeutet dies, daß die Feldrichtung eine Komponente besitzt, die der Strömungsrichtung entgegengesetzt ist.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein fluidisches Mikrosystem mit Strukturen angegeben, die zur Flüssigkeitsleitung oder -aufnahme eingerichtet sind und in wenigstens einem vorbestimmten Teilabschnitt (Verwirbelungsab­ schnitt) eine Elektrodenanordnung zur Ausbildung der wandern­ den elektrischen Felder, elektrischen Feldgradienten oder Wechselspannungen entsprechend der gewünschten Feldrichtung aufweisen. Die Strukturen im Mikrosystem besitzen vorzugsweise eine charakteristische Querschnittsdimension von weniger als 150 µm. Typischerweise ist eine Struktur als Mikrokanal mit Querschnittsdimensionen von 100 µm.100 µm oder darunter aus­ gebildet, was einer Querschnittsfläche von rd. 1 mm² (oder dar­ unter) entspricht. Die Bereitstellung von Verwirbelungsab­ schnitten ist in allen Arten der an sich bekannten Mikrosyste­ me möglich. Die Anbringung erfindungsgemäßer Elektrodenanord­ nungen wird an geraden Kanälen bevorzugt.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine auf mindestens einer Wand eines Mikrokanals angebrachte Elektrodenanordnung zur Ausbildung der genannten Feldwirkungen in einer von der Kanal­ ausrichtung abweichenden Feldrichtung. Da simultan zur elek­ trischen Ansteuerung der thermische Gradient in Feldrichtung erzeugt wird, besteht die Elektrodenanordnung aus Elektro­ denelementen, die in Bezug auf die Feldrichtung eine asymme­ trische oder unregelmäßige Gestalt besitzen. Dies gilt zumin­ dest für die Ausführungsform, bei der die elektrischen Felder elektrische Feldgradienten oder Wechselspannungen umfassen. Beim Einsatz wandernder elektrischer Felder ist die Asymmetrie der Elektrodenelemente nicht zwingend, da dann der thermische Feldgradient auch durch die zeitlich versetzte Ansteuerung der Elektrodenelemente erzeugt wird.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Es wird erstma­ lig die konvektive Flüssigkeitsbewegung zur Erzeugung von Flüssigkeitsquerströmungen und/oder Verwirbelungen in Mikroka­ nälen realisiert. Die erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen besitzen einen einfachen und kompakten Aufbau. Daher ist es ausreichend, wenn die Verwirbelungsabschnitte im Mikrosystem in Kanallängsrichtung eine verhältnismäßig geringe Ausdehnung etwa im Bereich der Kanalquerschnittsdimension bis zu einem Fünftel von dieser besitzen. Die erfindungsgemäße Flüssig­ keitsverwirbelung ist sowohl in ruhenden als auch in strömen­ den Flüssigkeiten realisierbar. Ein wirksamer Temperaturgra­ dient kann einfach elektrisch mit den Elektrodenanordnungen erzeugt werden. Die Aufbringung eines zusätzlichen, äußeren Temperaturgradienten ist zwar möglich, aber nicht zwingend er­ forderlich. Die Erfindung ist einfach mit anderen Mikrostruk­ turtechniken kompatibel. So können die Elektrodenanordnungen aus Elektroden bestehen, die im wesentlichen wie Elektroden zur Erzeugung von Feldbarrieren zur dielektrophoretischen Ma­ nipulierung suspendierter Partikel aufgebaut sind. Erfindungs­ gemäß sind keine beweglichen Teile erforderlich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersicht­ lich. Es zeigen:

Fig. 1 bis 7 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Elektrodenanordnungen in schematischer Perspek­ tivansicht ausschnittsweise dargestellter Mikro­ kanäle.

Die Erfindung wird im folgenden aus Übersichtlichkeitsgründen anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, bei denen der Win­ kel zwischen den Feld- und Strömungsrichtungen 90° beträgt. Eine Implementierung mit abweichenden Winkelwerten ist durch entsprechende Anpassung der Elektrodenanordnungen möglich. Hierzu werden die Elektrodenanordnungen jeweils entsprechend der gewünschten Feldwirkung ausgerichtet.

Eine vergrößerte Perspektivansicht eines Kanals 13 in einem Mikrosystem ist in Fig. 1 ausschnittweise dargestellt. Der Ka­ nal 13 besitzt einen rechteckigen Querschnitt mit Dimensionen a und b, die im Bereich von einigen bis zu einigen Hundert Mikrometern oder auch darunter liegen. Eine Obergrenze für die Dimensionen a, b beträgt rd. 1 mm. Die Wände des Kanals 13 werden im folgenden entsprechend ihrer Lage in Betriebsposi­ tion als Boden-, Deck- und Seitenflächen bezeichnet. Der Kanal 13 ist Teil eines Mikrosystems, das z. B. im wesentlichen aus Kunststoff oder einem Halbleitermaterial besteht. Das Mikro­ system wird vorzugsweise mit Methoden der Halbleitertechnolo­ gie auf einem Substrat zur Bildung eines Mikrosystemchips pro­ zessiert.

Der Kanal 13 ist dazu eingerichtet, von einer Flüssigkeit (Lösung oder Suspension) in Pfeilrichtung 14 durchströmt zu werden. Die Strömungsrichtung 14 entspricht der Längsausdeh­ nung des Kanals 13. Eingangsseitig ist der Kanal 13 mit ande­ ren Teilen des Mikrosystems (nicht dargestellt) verbunden. Bei der Ausbildung als Flüssigkeitsmischer münden mehrere Teilka­ näle in den Kanal 13 stromaufwärts in Bezug auf den Verwirbe­ lungsabschnitt 10, der im folgenden beschrieben wird.

Der Verwirbelungsabschnitt 10 wird durch eine an den Kanalwän­ den angebrachte Elektrodenanordnung 11, 12 gebildet. Die Elek­ trodenanordnung 11, 12 besteht aus zwei Elektrodengruppen, die an einander gegenüberliegenden Kanalwänden angebracht sind. Bei einem rechteckigen Kanalquerschnitt (wie dargestellt) wer­ den die Elektrodengruppen zur Erzielung einer hohen Mischungs­ effektivität vorzugsweise an den Kanalwänden mit der größeren Querbreite vorgesehen, d. h. im vorliegenden Fall an den Boden- und Deckflächen. Alternativ ist die Anbringung von einer oder mehreren Elektrodengruppe(n) auch an den Seitenflächen oder anwendungsabhängig an einer oder mehreren der Boden-, Deck- oder Seitenflächen möglich.

Die Elektrodengruppen erstrecken sich an der jeweiligen Kanal­ wand über die gesamte Kanalbreite und in Strömungsrichtung 14 über die Länge des Verwirbelungsabschnitts, die anwendungsab­ hängig gewählt wird. Die Länge kann beispielsweise der Kanal­ breite entsprechen oder kürzer als diese sein (bis zu einem Fünftel der Kanalbreite). Die Elektrodengruppen besitzen in Kanallängsrichtung (entsprechend der Strömungsrichtung 14) vorzugsweise die gleiche Ausdehnung. Es können aber auch ver­ schiedene Dimensionen vorgesehen sein, wie dies unten erläu­ tert wird. Die Elektrodengruppen sind in Bezug auf die Strö­ mungsrichtung 14 einander gegenüberliegend oder auch versetzt angeordnet.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht jede Elektroden­ gruppe aus einer Vielzahl von unteren Elektrodenstreifen 11 auf der Bodenfläche bzw. oberen Elektrodenstreifen 12 auf der Deckfläche des Kanals 13. Die Elektrodenstreifen besitzen je­ weils separate Steuerleitungen. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind nur die Steuerleitungen 11a der unteren Elektrodenstrei­ fen 11 dargestellt. Die Elektrodenstreifen sind einzeln oder gruppenweise (z. B. gemeinsame Ansteuerung jedes dritten Elek­ trodenstreifens) ansteuerbar.

Die Elektrodenstreifen besitzen eine planare Gestalt, d. h. sie sind schichtförmig auf der jeweiligen Kanalwand mit einer Dic­ ke aufgebracht, die wesentlich kleiner als die Kanalhöhe a ist. Durch die Elektroden wird der Kanalquerschnitt somit praktisch nicht eingeengt. Die Elektrodenstreifen besitzen eine Länge entsprechend der Länge des Verwirbelungsabschnittes und eine vorbestimmte Breite bzw. vorbestimmte Streifenabstän­ de. Die Streifenbreite und der Streifenabstand werden im Be­ reich von etwa 1/20 bis 1/5 der Kanalhöhe a oder darunter aus­ gewählt. Anwendungsabhängig kann vorgesehen sein, daß die Elektrodenstreifen verschiedene Breiten und verschiedene Streifenabstände oder auch verschiedene Formen besitzen, da diese Merkmale die Effektivität der Flüssigkeitsverwirbelung beeinflussen. Die Elektrodenstreifen verlaufen in Kanallängs­ richtung und sind zur Erzeugung einer Feldwirkung quer zur Ka­ nallängsrichtung eingerichtet (siehe unten).

Die Elektroden bestehen bei allen Ausführungsformen der Erfin­ dung vorzugsweise aus einem inerten Metall (z. B. Gold, Platin, Titan). Die Elektrodenstreifen und die zugehörigen Steuerlei­ tungen sind zweckmäßigerweise mit den Methoden der Halbleiter­ technologie auf der jeweiligen Substratoberfläche hergestellt.

Die Elektrodengruppen werden erfindungsgemäß mit einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung gemäß einer oder mehreren der folgenden Alternativen angesteuert.

Gemäß einer ersten Gestaltung werden an den Elektrodenstreifen elektrische Wanderwellen ausgebildet, wie sie an sich von den obengenannten Wanderwellenpumpen bekannt sind. Zur Erzeugung einer Wanderwelle werden die Elektrodenstreifen aufeinander­ folgend so angesteuert, daß sich ein quer zur Strömungsrich­ tung bewegendes Feldmaximum ergibt. Hierzu werden an die Elek­ trodenstreifen hochfrequente Signale mit einer bestimmten Pha­ senverschiebung angelegt. Die Frequenz der hochfrequenten Signale entspricht etwa dem Kehrwert der Relaxationszeit der Ladungsträger in der Flüssigkeit und liegt im kHz- bis MHz- Bereich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Wanderwelle mit mindestens drei zueinander phasenverschobenen Signalen erzeugt. Es sind beispielsweise vier Signale mit einer Amplitude im Voltbereich vorgesehen, die jeweils um 90° phasenverschoben sind.

Gemäß einer zweiten Gestaltung werden in der Feldrichtung schräg oder quer zur Strömungsrichtung 14 elektrische Feldgra­ dienten aufgebaut. Die Elektrodenstreifen werden phasengleich mit hochfrequenten Signalen beaufschlagt, die jedoch eine von Streifen zu Streifen veränderliche Amplitude (z. B. im Bereich von 0,1 V bis 100 V) besitzen (typischerweise < 20 V).

Schließlich ist gemäß einer weiteren Gestaltung vorgesehen, daß an eine oder beide der Elektrodengruppen teilweise oder einheitlich eine hochfrequente Wechselspannung (Amplitude im Voltbereich) angelegt wird, um Flüssigkeitsquerströmungen oder eine Flüssigkeitsverwirbelung im Verwirbelungsabschnitt zu er­ zielen. Bei dieser Ausführungsform werden alle Teilelektroden der Elektrodengruppen gemeinsam angesteuert oder die Elektro­ dengruppen bestehen jeweils lediglich aus einer gemeinsamen Elektrode, die jedoch zur Erzeugung des thermischen Gradienten strukturiert ist (s. Fig. 5).

Unter der Wirkung der elektrischen Felder erfolgt erfindungs­ gemäß eine elektrokonvektive Umwälzung der den Kanal 13 durch­ setzenden Flüssigkeit. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Umwälzung der Flüssigkeit (z. B. Vermi­ schen mehrerer Flüssigkeiten) im Strömungsbetrieb bei Strö­ mungsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 µm/s realisiert werden kann.

Die Erzeugung der Verwirbelung oder der Quer- bzw. Ringströ­ mungen quer oder schräg zur Kanalausrichtung kann durch eine zusätzliche Temperierung des Kanals beeinflußt werden. Bei Aufbringung eines Temperaturgradienten im Bereich des Verwir­ belungsabschnittes quer zur Kanalausrichtung, insbesondere durch Erwärmung der Deckfläche oder Kühlung der Bodenfläche des Kanals 13, kann die Verwirbelung intensiviert werden. Dies ist vorteilhaft, da simultan zur Temperierung eine Verringe­ rung der Amplitude der Steuersignale ermöglicht wird.

Obwohl Fig. 1 nur ein Paar von Elektrodengruppen zeigt, können in Kanallängsrichtung mehrere Verwirbelungsabschnitte mit ent­ sprechend mehreren Elektrodengruppen vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Elek­ trodenanordnungen, die wiederum jeweils aus zwei, an gegen­ überliegenden Kanalwänden angebrachten Elektrodengruppen be­ stehen. Jede Elektrodengruppe besteht aus einer geraden Anein­ anderreihung von dreieckigen oder pfeilförmigen Elektrodenele­ menten. Die Aneinanderreihung bildet einen Streifen mit einer Ausrichtung entsprechend der gewünschten Feldrichtung schräg oder quer zur Strömungsrichtung. Die Elektrodenelemente sind so aneinandergereiht, daß jeweils eine Dreiecksspitze hin zu einer Dreiecksseite des benachbarten Elektrodenelements weist. Im Kanal 23 sind drei Paare von Elektrodengruppen gezeichnet. Die Elektrodengruppen 21a, 22a sind symmetrisch gestaltet, d. h. beide Elektrodengruppen bestehen aus gleich großen und gleich orientierten Elektrodenelementen. Die Elektrodengruppen 21b, 22b bilden eine asymmetrische Gestaltung, bei der die Elektrodengruppe 21b auf der Bodenfläche eine kleinere Anzahl von vergrößerten Elektrodenelementen verglichen mit der Elek­ trodengruppe 22b auf der Deckfläche aufweist. Eine weitere asymmetrische Gestaltung zeigt das Paar der Elektrodengruppen 21c, 22c, die jeweils aus gleich großen, aber in Bezug auf die Dreiecksrichtung umgekehrt orientierten Elektrodenelementen besteht.

In Fig. 2 sind die Steuerleitungen der einzelnen Elektro­ denelemente nicht gezeigt. Die Elektrodenelemente sind elek­ trisch voneinander isoliert angeordnet und somit separat oder gruppenweise ansteuerbar. Die Ansteuerung der Elektrodenele­ mente kann analog zur Ansteuerung der Streifenelektroden gemäß Fig. 1 erfolgen.

Weitere Ausführungsformen mit unregelmäßigen Elektrodengestal­ tungen sind in Fig. 3 dargestellt. Wiederum besteht eine er­ findungsgemäße Elektrodenanordnung aus zwei Elektrodengruppen, die an gegenüberliegenden Kanalwänden angebracht sind. Jede Elektrodengruppen besteht aus einer Aneinanderreihung von Elektrodenelementen, die flächige, dreieckige oder rechteckige Formen verschiedener Größen besitzen. Bei den Elektrodengrup­ pen 31a, 32a bilden die rechteckigen Elektrodenelemente jeder Elektrodengruppe jeweils einen Streifen, der in der gewünsch­ ten Feldrichtung (hier z. B. senkrecht zur Strömungsrichtung) ausgerichtet ist. Bei den Elektrodengruppen 31b, 32b sind als Elektrodenelemente abwechselnd Reckecke und Dreiecke vorgese­ hen, die als Aneinanderreihung wiederum jeweils einen Streifen bilden.

Beide Elektrodenanordnungen gemäß Fig. 3 stellen wiederum asymmetrische Anordnungen dar. Die Anordnung größerer oder kleinerer rechteckiger Elektrodenelemente bzw. rechteckiger oder dreieckiger Elektrodenelemente liefert eine Orientierung der jeweiligen Streifen. Die Orientierungen der einander gegenüberliegenden Elektrodengruppen 31a, 32a bzw. 31b, 32b sind jeweils umgekehrt zueinander.

Die durch die Elektrodenelemente gebildeten Streifen erstrec­ ken sich im wesentlichen über die gesamte Kanalbreite und be­ sitzen in Kanallängsrichtung typische Dimensionen wie die in Fig. 1 gezeigten Elektrodenstreifen.

Zur Erzielung bestimmter Feldgradienten können die Formen der Elektrodenelemente anwendungsabhängig abgewandelt sein.

Wiederum sind die Elektrodenelemente einzeln oder gruppenweise ansteuerbar.

Eine weitere Gestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrodenan­ ordnung ist in Fig. 4 gezeigt. Im Kanal 43 ist auf der Boden­ fläche eine mäanderförmige Elektrodenanordnung 41 und auf der Deckfläche eine flächige Elektrode 42 (gepunktet dargestellt) angebracht. Die mäanderförmige Elektrodengruppe besteht beim dargestellten Beispiel aus vier Elektroden, die voneinander getrennt, spiralförmig umeinander gelegt in der Ebene der Bo­ denfläche angeordnet sind. Die flächige Elektrode 42 bildet eine Gegenelektrode. Wiederum erfolgt die Ansteuerung der Elektrodengruppe 41 entsprechend den oben unter Bezug auf Fig. 1 erläuterten Prinzipien. Eine Beaufschlagung der vier Elektroden mit vier phasenverschobenen Signalen wird bevor­ zugt. Die flächige Elektrode 42 kann durch eine entsprechende Mäanderanordnung ersetzt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (s. Fig. 5) ist im flüssigkeitsdurchströmten Mikrokanal 53 eine Elektro­ denanordnung vorgesehen, die aus zwei strukturierten Einzel­ elektroden 51, 52 besteht. Die Einzelelektroden 51, 52 sind analog zur Positionierung der Elektrodengruppen gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen an gegenüberliegenden Kanalwän­ den angebracht. Jede der Einzelelektroden besitzt eine Struk­ turierung z. B. in Form einer Aneinanderreihung von dreieckigen Elektrodenelementen (wie dargestellt), die hier jedoch im Un­ terschied zu der Gestaltung gemäß Fig. 2 elektrisch miteinan­ der verbunden sind. Die Elektrodenelemente können auch andere geometrische Gestalten besitzen.

Die Herstellung der Einzelelektroden 51, 52 erfolgt entweder durch Prozessierung der gewünschten Elektrodenfläche auf der jeweiligen Boden- oder Deckfläche durch Aufbringung einer Be­ schichtung entsprechend der gewünschten Form der Elektro­ denelemente oder durch die im folgenden erläuterte Abdecktech­ nik. Demnach besteht jede Einzelelektrode 51, 52 aus einer flächigen, rechteckigen Elektrode, die sich über die gesamte Kanalbreite erstreckt (gestrichelt gezeichnet). Die Elektrode trägt eine Isolationsschicht mit Ausnehmungen entsprechend den gewünschten Formen der Elektrodenelemente. Nur an diesen Aus­ nehmungen oder Öffnungen steht die Elektrode mit der Flüssig­ keit in direktem Kontakt und wird dadurch auch nur entspre­ chend diesen Ausnehmungsmustern wirksam. Diese Gestaltung be­ sitzt den Vorteil, daß sich die Elektrodenelemente der Einzelelektroden 51, 52 nicht berühren müssen, da der elektri­ sche Kontakt über die Elektrodenfläche unter der Isolations­ schicht gewährleistet ist.

Fig. 5 zeigt wiederum eine asymmetrische Gestaltung, bei der die Elektrodenelemente der unteren Einzelelektrode 51 eine An­ einanderreihung mit weniger, dafür jedoch größeren Dreiecken bildet als die Elektrodenelemente der oberen Einzelelektrode 52.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 besteht die erfindungsge­ mäße Elektrodenanordnung aus zwei an gegenüberliegenden Kanal­ wänden angebrachten Elektrodengruppen 61a, 61b bzw. 62a, 62b, die jeweils aus zwei kammartig ineinandergreifenden Elektro­ denstreifen bestehen. Der Kanal 63 wird entsprechend der Pfeilrichtung 64 (oder umgekehrt zu dieser) von der Flüssig­ keit durchströmt. Wird die Flüssigkeit im Bereich der Elektro­ denanordnung hochfrequenten elektrischen Feldern ausgesetzt, so ergibt sich wiederum die gewünschte elektrokonvektive Um­ wälzung quer zur Kanalrichtung. Die dargestellte Ausführungs­ form umfaßt insgesamt vier Elektrodenstreifen, die vorzugswei­ se vierphasig mit einem hochfrequenten Wechselfeld angesteuert werden. Die Elektrodenstreifen sind asymmetrisch in Bezug auf die Streifenbreite und Streifenabstände angeordnet.

Eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung kann auch eine Okto­ polelektrodenanordnung gemäß Fig. 7 umfassen. Es sind an ge­ genüberliegenden Kanalwänden zwei Elektrodengruppen vorgese­ hen. Die Elektrodengruppe auf der Bodenfläche besteht aus vier einzeln ansteuerbaren, rechteckigen Elektrodenelementen 71a bis 71d. Dazu gegenüberliegend besteht die Elektrodengruppe auf der Deckfläche aus vier einzeln ansteuerbaren, rechtecki­ gen Elektrodenelementen 72a bis 72d. Die den Kanal 73 in Pfeilrichtung 74 durchströmende Flüssigkeit wird vorzugsweise einem rotierenden Vier-Phasen-Wechselfeld ausgesetzt. Wie dies erzeugt wird, ist beispielhaft in der folgenden Tabelle ange­ geben:

Die Oktopolanordnung kann dahingehend modifiziert sein, daß nur vier Elektroden vorgesehen sind, wobei dann die erdfreien Ansteuerungen fortgelassen werden.

Die Erfindung wurde oben zur Illustration verschiedener Formen der Elektrodenanordnungen beschrieben, wobei jeweils von einer Feldrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung ausgegangen wur­ de. Davon abweichende Ausrichtungen im eingangs genannten Win­ kelbereich sind unter entsprechender Anpassung der Elektro­ denelemente und ihrer Anordnung realisierbar. In jedem Falle können die einzelnen Elektrodengruppen in Kanalrichtung zuein­ ander versetzt angeordnet sein. Die Realisierung der Erfindung in Kanälen mit rechteckigem Querschnitt bei Anbringung der Elektrodenanordnungen an den breiteren Kanalwänden wird bevor­ zugt, wobei jedoch auch abgewandelte geometrische Gestaltungen möglich sind. Anstelle der beschriebenen Ansteuerung der Elek­ troden mit kontinuierlichen, hochfrequenten Wechselspannungen ist auch eine pulsförmige Ansteuerung möglich. Die Elektroden können auch Elektrodenelemente umfassen, die in Bezug auf die Strömungsrichtung strukturiert und separat ansteuerbar sind. Damit könnte die Feldrichtung während der Flüssigkeitsumwäl­ zung geändert werden, z. B. auf das Ergebnis der Umwälzung oder auf bestimmte Flüssigkeitseigenschaften zu reagieren.

Bevorzugte Anwendungen der Erfindung liegen in allen Bereichen des Einsatzes von Mikrosystemen für biotechnologische, medizi­ nische, diagnostische, chemisch-technologische oder pharmako­ logische Aufgaben.

Die Erfindung wurde hier unter Bezug auf strömende Suspen­ sionsflüssigkeiten beschrieben, kann aber auch entsprechend in ruhenden Flüssigkeiten oder verwirbelten Flüssigkeiten ange­ wendet werden.

Claims (16)

1. Verfahren zur konvektiven Bewegung mindestens einer Flüs­ sigkeit in einem Kanal eines Mikrosystems, der dazu eingerich­ tet ist, von der Flüssigkeit in einer Strömungsrichtung durch­ strömt zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in einem Teilabschnitt des Kanals elektrischen Feldern und/oder einem thermischen Gradienten ausgesetzt wird, die in dem Teilabschnitt entsprechend einer vorbestimmten Feldrichtung erzeugt werden, wobei die Feldrichtung von der Strömungsrichtung abweicht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die elektrischen Felder und der thermische Gradient simultan mit einer Elektrodenan­ ordnung erzeugt werden, die im jeweiligen Teilabschnitt auf mindestens einer Kanalwand angebracht ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die elektrischen Felder wandernde elektrische Felder, deren Laufrichtung der Feldrich­ tung entspricht, elektrische Feldgradienten mit einer Ausrich­ tung entsprechend der Feldrichtung oder Wechselfelder umfas­ sen, die mit felderzeugenden, in Feldrichtung ausgerichteten Elektroden gebildet werden.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Winkeldifferenz zwischen der Strömungsrichtung und der Feldrichtung im Bereich von 60° bis 120° gewählt wird.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Flüssigkeiten simultan den Kanal durchströmen und im jeweiligen Teilabschnitt quer oder schräg zur Strömungsrich­ tung umgewälzt und miteinander vermischt werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem mindestens eine der Flüssigkeiten eine Suspension mit biologischen oder syntheti­ schen Mikropartikeln ist.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Feldrichtung im Teilabschnitt des Kanals in Abhängigkeit von strömungsmechanischen oder stofflichen Eigenschaften der Flüssigkeit variiert wird.

8. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Mischen von Flüssigkeiten, zur chemischen Behandlung von Mikropartikeln in einer Suspension durch eine Behandlungslö­ sung oder zur Umwälzung einer in einem Mikrosystem strömenden Flüssigkeit.

9. Vorrichtung zur konvektiven Bewegung einer Flüssigkeit in einem Mikrosystem, bestehend aus einer Elektrodenanordnung in einem vorbestimmten Teilabschnitt eines Kanals des Mikro­ systems, wobei die Elektrodenanordnung zur Ausbildung elektri­ scher Felder entlang einer vorbestimmten Feldrichtung einge­ richtet ist, die von der Strömungsrichtung der Flüssigkeit im Kanal abweicht.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Elektrodenanord­ nung Elektrodengruppen oder Einzelelektroden umfaßt, die je­ weils an mindestens einer Wand des Kanals angebracht sind.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Elektrodengrup­ pen aus Elektrodenstreifen bestehen, die sich über die Länge des Teilabschnitts in Längsrichtung des Kanals erstrecken und einzeln ansteuerbar sind.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei dem die Elektrodengrup­ pen oder Einzelelektroden aus flächigen Elektrodenelementen bestehen, die im Teilabschnitt entsprechend der Feldrichtung streifenförmig angeordnet sind und die separat oder gemeinsam ansteuerbar sind.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die Elektrodenele­ mente Rechteck-, Dreieck- und/oder Pfeilstrukturen bilden.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Elektrodenan­ ordnung mäander- oder kammförmige Einzelelektroden oder Okto­ pol-Elektrodenanordnungen aufweist.

15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der die Länge des jeweiligen Teilabschnitts kleiner oder gleich einer charakteristischen Querschnittsdimension der Kanalstruk­ tur ist.

16. Fluidisches Mikrosystem, das mindestens eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15 enthält.