DE19907564B4

DE19907564B4 - Method and device for size-dependent sorting of microscopic particles on the basis of noise-induced transport

Info

Publication number: DE19907564B4
Application number: DE19907564A
Authority: DE
Inventors: Christiane Dr. Kettner; Peter Prof. Dr. Hänggi; Frank Dr. Müller
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: DE19907564A1; WO2000050884A3; WO2000050884A2

Abstract

Verfahren zur Trennung mikroskopisch kleiner Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Größe, mit den Schritten:
– Suspendieren einer Vielzahl von Teilchen in einem Trägermedium, und
– mehrfach wiederholtes Durchströmen von Teilen des Trägermediums mit suspendierten Teilchen durch eine Barriereeinrichtung (130, 230, 330, 430, 530) zwischen mindestens zwei Kammern einer Trennvorrichtung (100, 200, 300, 400, 500) mit jeweils abwechselnder Strömungsrichtungsumkehr,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Barriereeinrichtung (130, 230, 330, 430, 530) makroporöses Material umfasst, das Poren mit einer axialen Profilierung aufweist, die durch einen in axialer Porenrichtung variierenden Porendurchmesser gebildet wird, wobei in den Poren sich beim Durchströmen durch die Überlagerung der Strömungsbewegung mit der thermischen Diffusion der suspendierten Teilchen eine Nettotransportgeschwindigkeit derselben einstellt, welche in Stärke und Richtung teilchengrößenabhängig ist, so dass sich die Teilchen größenabhängig in den Kammern auf gegenüberliegenden Seiten der Barriereeinrichtung sammeln.Method for separating microscopic particles depending on their size, with the steps:
Suspending a plurality of particles in a carrier medium, and
Repeated flow of parts of the carrier medium with suspended particles through a barrier device (130, 230, 330, 430, 530) between at least two chambers of a separating device (100, 200, 300, 400, 500) with alternating reversal of the flow direction,
characterized in that
the barrier device (130, 230, 330, 430, 530) comprises macroporous material which has pores with an axial profile which is formed by a pore diameter which varies in the axial pore direction, the pores flowing through the superposition of the flow movement with the thermal diffusion of the suspended particles sets a net transport speed thereof, which is dependent on particle size in strength and direction, so that the particles collect in the chambers on opposite sides of the barrier device depending on the size.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum rauschinduzierten Transport mikroskopisch kleiner Teilchen in makroporösem Material, insbesondere ein Verfahren zur Teilchentrennung, bei dem mikroskopisch kleine Teilchen, die in einer Trägerflüssigkeit suspendiert sind, in Abhängigkeit von ihrer Größe getrennt werden, das ein teilchengrößenselektives Pumpverfahfen darstellt, und Vorrichtungen zur Implementierung und Verwendungen eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method and a device for noise-induced transport microscopic small particles in macroporous Material, in particular a method for particle separation, in the microscopic small particles in a carrier liquid are suspended, depending separated by their size become a particle size selective Pumping represents, and devices for implementation and Uses of such a method.

Mikroskopisch kleine Teilchen, die in einem Trägermedium suspendiert sind, erfahren nicht nur die Wirkung äußerer, determiministischer Kräfte (z.B. Gravitation, ggf. mechanische Strömungskräfte), sondern auch die Wirkungen statistisch fluktuierender Zufallskräfte. Die Zufallskräfte werden durch die thermisch bewegten Moleküle des Trägermediums ausgeübt, die gegen die Teilchen stoßen und damit selbst Teilchenbewegungen verursachen. Mikroskopisch kleine, suspendierte Teilchen bilden mit dem Trägermedium ein hochdimensionales, gekoppeltes System mit hochgradig nichtlinearen physikalischen Effekten. Zu diesen Effekten zählt beispielsweise die Bewegung von Teilchen in einem periodischen, asymmetrischen elektrischen oder chemischen Potentialen (sogenannte Ratschen-Potentiale) entgegen der Richtung einer äußeren Kraft (siehe R. Bartussek et al. in "Phys. Blätter" Band 51, 1995, Seite 506 ff). Ferner sind auch Hysterese-Effekte im Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm mikroskopisch kleiner Teilchen bekannt (siehe F. Jülicher et al. in "Rev. Mod. Phys.", Band 69, 1997, Seite 1269 ff).Microscopic particles that in a carrier medium are not only experiencing the effects of external, more deterministic personnel (e.g. gravitation, possibly mechanical flow forces), but also the effects statistically fluctuating random forces. The random forces are exercised by the thermally agitated molecules of the carrier medium bump against the particles and thus cause particle movements themselves. Microscopic, suspended particles form a high-dimensional, coupled system with highly nonlinear physical effects. These effects count for example the movement of particles in a periodic, asymmetrical electrical or chemical potentials (so-called Ratchet potentials) against the direction of an external force (see R. Bartussek et al. in "Phys. Blätter" Volume 51, 1995, page 506 ff). There are also hysteresis effects in the force-velocity diagram microscopic particles known (see F. Jülicher et al. in "Rev. Mod. Phys.", volume 69, 1997, page 1269 ff).

Die Erscheinungen bei der Bewegung mikroskopisch kleiner Teilchen in Trägermedien sind bislang von theoretischem Interesse.The phenomena when moving microscopic particles in carrier media are so far from theoretical interest.

Beispielsweise ist die Erzeugung eines elektrischen Ratschen-Potentials in für die Manipulierung mikroskopisch kleiner Teilchen interessierenden Raumbereichen problematisch. Ferner ist die Anwendung eines elektrischen Ratschen-Potentials auf elektrisch geladene Teilchen beschränkt.For example, the generation an electrical ratchet potential in for the manipulation of microscopic particles Problematic areas. Furthermore, the application of an electrical Ratchet potential limited to electrically charged particles.

Aus US-A-4 844 814 ist ein Verfahren zur Teilchentrennung auf der Grundlage einer Teilchendiffusion in oszillierenden Flüssigkeiten bekannt. Aus einem Gemisch von zu trennenden Teilchen in einem ersten Behälter wandern die Teilchen unter Wirkung einer oszillierenden Flüssigkeitsbewegung mit einer größenabhängigen Diffusionsgeschwindigkeit über eine Verbindungsleitung in einen zweiten Behälter. Im zweiten Behälter liegen zeitabhängig Fraktionen mit verschiedenen mittleren Teilchengröße vor, die getrennt abgeführt werden.Out US-A-4 844 814 a method for particle separation based on a particle diffusion in oscillating liquids is known. The particles migrate from a mixture of particles to be separated in a first container under the effect of an oscillating liquid movement with a size-dependent diffusion rate via a connecting line into a second container. Depending on the time, there are fractions with different average particle sizes in the second container, which are discharged separately.

Es ist ferner bekannt, beim elektrochemischen Ätzen von n-leitendem Silizium unter Rückseitenbeleuchtung mikroskopisch kleine Poren zu erzeugen, die sich durch ein Siliziumsubstrat senkrecht zur Substratebene erstrecken. Durch die lithographische Definition von Porenkeimen lassen sich regelmäßige Porenanordnungen erzeugen (siehe V. Lehmann et al. in "J. Electrochem. Soc.", Band 137, 1990, Seite 653 ff, und in Band 140, 1993, Seite 2836 ff). Die Erzeugung der Porenanordnungen im Silizium ist auf die Herstellung von zweidimensionalen photonischen Kristallen gerichtet. Es ist zwar bekannt, mit einer sinusförmigen Strommodulation beim elektrochemischen Ätzen eine periodische Durchmesservariation in den Poren zu erzielen (siehe V. Lehmann et al. in "Thin Solid Films", Band 297, 1997, Seite 13 ff), für die photonischen Kristalle sollen Durchmesseränderungen mit Abhängigkeit von der Porentiefe jedoch gerade unterdrückt werden (siehe A. Birner et al. in "Phys. Stat. Sol. (a)", Band 165, 1998, Seite 111 ff). Die Ausbildung vorbestimmter Profilformen entlang der Porenlängsrichtung ist bisher weder bekannt noch von technischem Interesse.It is also known in the electrochemical etching of n-type silicon under back lighting to create microscopic pores that pass through a silicon substrate extend perpendicular to the substrate plane. By the lithographic Definition of pore germs, regular pore arrangements can be created (See V. Lehmann et al. in "J. Electrochem. Soc.", volume 137, 1990, Page 653 ff, and in volume 140, 1993, page 2836 ff). The production The pore arrangement in silicon is based on the manufacture of two-dimensional directed towards photonic crystals. While it is known with a sinusoidal Current modulation during electrochemical etching is a periodic diameter variation in the pores (see V. Lehmann et al. in "Thin Solid Films ", volume 297, 1997, page 13 ff), for the photonic crystals are supposed to change the diameter with dependency are just suppressed by the pore depth (see A. Birner et al. in "Phys. Stat. Sol. (a)", volume 165, 1998, page 111 ff). The formation of predetermined profile shapes along the longitudinal direction of the pores is so far neither known nor of technical interest.

In der chemischen Technologie, Medizin und Biologie besteht ein Interesse an der Handhabung von Teilchengemischen, die Teilchen verschiedener Größe umfassen und in der Regel in suspendierter Form in bestimmten Trägermedien vorliegen. Hierzu ist insbesondere allgemein die Chromatographie, das Prinzip des Durchsickerns durch enge Röhrchen und die sog. "field flow fractionation"-Methode bekannt. Es ist ferner bekannt, mikroskopisch kleine Teilchen mit Filtern größenabhängig zu trennen. Ein Filter wirkt wie ein Sieb mit einer bestimmten Ma schenbreite, das von genügend kleinen Teilchen passiert werden kann, während große Teilchen im Filter zurückbleiben. Dieses Filterprinzip ist nachteilig, da sich die Filter schnell mit den großen Teilchen, die nicht passieren können, zusetzen. Dies gilt insbesondere bei biologischen Anwendungen, bei denen die Zellen am Filtermaterial adsorbieren, wodurch die Filter verstopft werden.In chemical technology, medicine and biology there is an interest in handling particle mixtures, which comprise particles of different sizes and usually in suspended form in certain carrier media available. Chromatography is particularly important for this, the principle of leakage through narrow tubes and the so-called "field flow fractionation "method. It is also known microscopic small particles with filters depending on size separate. A filter acts like a sieve with a certain mesh width, that of enough small particles can pass while large particles remain in the filter. This filter principle is disadvantageous because the filters change quickly with the big ones Particles that can't happen enforce. This applies in particular to biological applications which the cells adsorb to the filter material, causing the filters get clogged.

Die Nachteile herkömmlicher Trennverfahren bestehen allgemein darin, daß diese entweder zu langsam oder in der Genauigkeit der Trennung nicht genug verfeinerbar sind.The disadvantages of conventional Separation processes generally consist of either being too slow or cannot be refined enough in the accuracy of the separation.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neuartiges Verfahren zur Trennung mikroskopisch kleiner Teilchen unter Ausnutzung nichtlinearer Kraftwirkungen im Trägermedium anzugeben, das einen breiten Anwendungsbereich in bezug auf die Teilchenarten und -größen und eine hohe Geschwindigkeit und Effektivität besitzt. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Vorrichtungen zur Implementierung eines derartigen Verfahrens und Verwendungen des Verfahrens anzugeben.The object of the invention is to provide a novel method for separating microscopic particles using non-linear force effects in the carrier medium, which has a wide range of applications with regard to particle types and sizes and a high speed and effectiveness. The object of the invention is also devices for implementing such a method and uses of the method.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These tasks are accomplished through a process and a device with the features according to patent claims 1 and 9 solved. Advantageous embodiments and uses of the inventions result from the dependent claims.

Die Erfindung basiert auf der Idee, mikroskopisch kleine Teilchen, die in einem Trägermedium suspendiert sind, in Abhängigkeit von der Größe pumpen, insbesondere zu separieren oder zu trennen. Dazu wird das Trägermedium mit den Teilchen in periodisch variierender Richtung zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Kanälen oder Poren gepumpt, die in axialer Richtung eine unregelmäßige Profilierung aufweisen (asymmetrisch modulierter Porendurchmesser). Durch den variierenden Porendurchmesser und die periodisch sich umkehrende Strömungsrich tung kommt es zu einer zeitlich und örtlich variierenden Geschwindigkeit der suspendierten Teilchen in den Poren. Die Überlagerung dieser deterministischen Bewegung (die meist so eingestellt wird, daß sie im zeitlichen Mittel verschwindet) mit der thermischen Diffusion führt zu einer nichtverschwindenden Nettobewegung der Teilchen. Da sowohl Richtung als auch Stärke dieser Nettobewegung stark von der Teilchengröße abhängen, kann sie zur Trennung der suspendierten Teilchen nach ihrer Größe verwendet werden.The invention is based on the idea microscopic particles suspended in a carrier medium dependent on pump by size, in particular to separate or separate. This is the carrier medium with the particles at least partially in a periodically varying direction through a variety of channels or pumped pores that have an irregular profile in the axial direction have (asymmetrically modulated pore diameter). By the varying pore diameter and the periodically reversing Flow direction there is a temporal and local varying speed of the suspended particles in the pores. The overlay this deterministic movement (which is usually set so that she disappears on average) with thermal diffusion leads to a non-vanishing net movement of the particles. Because both Direction as well as strength This net movement strongly depends on the particle size, it can be used for separation of the suspended particles can be used according to their size.

Es ist insbesondere vorgesehen, daß Trägermedium mit den Teilchen mehrfach eine Barriereeinrichtung (auch Pumpmembran, Porenmembran, Übertragungswand genannt) durchströmt, die die Vielzahl von Kanälen oder Poren mit dem asymmetrisch modulierten Porendurchmesser umfaßt. Das wiederholte Durchströmen der Barriereeinrichtung erfolgt unter jeweils wechselnder Strömungsrichtung.In particular, it is provided that the carrier medium with the particles several times a barrier device (also pump membrane, Pore membrane, transfer wall called) flows through, the the multitude of channels or comprises pores with the asymmetrically modulated pore diameter. The repeated flows the barrier device takes place under changing flow directions.

Unter mikroskopisch kleinen Teilchen werden im Rahmen der Erfindung synthetische oder natürliche Teilchen mit charakteristischen Dimensionen unterhalb von 10 μm, vorzugsweise im Bereich von 0.05 μm bis 2 μm, verstanden. Synthetische Teilchen sind z. B. Kunststoffkügelchen oder Makromoleküle. Natürliche Teilchen sind z. B. biologische Zellen oder Zellbestandteile oder Makromoleküle oder andere mikroskopisch kleine biologische Objekte. Das Trägermedium ist eine anwendungsabhängig gewählte Suspensionsflüssigkeit (z.B. Wasser, eine wäßrige Lösung, ein Öl oder dgl.).Under microscopic particles are synthetic or natural particles in the context of the invention with characteristic dimensions below 10 μm, preferably in the range of 0.05 μm up to 2 μm, Roger that. Synthetic particles are e.g. B. plastic beads or macromolecules. natural Particles are e.g. B. biological cells or cell components or macromolecules or other microscopic biological objects. The carrier medium is an application dependent elected suspension liquid (e.g. water, an aqueous solution, an oil or the like).

Unter Durchströmen wird hier nicht notwendig ein vollständiges Durchsetzen des Trägermediums durch die Barriereeinrichtung bei einer Pumpperiode verstanden. Das Durchströmen bedeutet, daß das Trägermedium zumindest teilweise unter einem äußeren periodischen Antrieb zwischen den Kammern auf den Seiten einer Barriereeinrichtung hin- und herschwingt. Dabei ist nicht zwingend erforderlich, daß das Trägermedium im Lauf des Trennvorgangs ganz von einer Kammer zur anderen Kammer strömt. Im Trägermedium wird also eine mechanische Schwingung (wie eine Schallschwingung) auslöst, die zum Durchtritt durch die Barriereeinrichtung führt. Als Trägermedium ist jede inkompressible Flüssigkeit verwendbar, die als Suspensionsmedium oder Lösung für die Teilchen geeignet ist.Underflow is not necessary here a complete Enforcing the carrier medium understood the barrier device in a pumping period. The flow means that this transfer medium at least partially under an external periodic Drive between the chambers on the sides of a barrier device swings back and forth. It is not absolutely necessary that the carrier medium in the course of the separation process from one chamber to another flows. In the carrier medium thus triggers a mechanical vibration (like a sound vibration) that leads to the passage through the barrier device. Each is incompressible as a carrier medium liquid usable, which is suitable as a suspension medium or solution for the particles.

Alternativ zur o.a. Ausführungsform können auch in den Poren der Barriereeinrichtung symmetrische Profilierungen (d.h. gleichförmige Durchmesserschwankungen) ausgebildet sein. In diesem Fall wird das periodisch wiederholte Durchströmen mit einem asymmetrischen Zeitprofil durchgeführt. Asymmetrisch bedeutet hier, daß zwar der Mittelwert des Pumpendrucks 0 ist, aber nicht unbedingt die höheren Momente. So kann z.B. kurze Zeit sehr stark in positive z-Richtung gepumpt werden und anschließend eine längere Zeit mit schwächerem Druck in negative Richtung.As an alternative to the above embodiment can symmetrical profiles also in the pores of the barrier device (i.e. uniform Fluctuations in diameter). In this case it will periodically repeated flows performed with an asymmetrical time profile. Asymmetric here means that though the mean value of the pump pressure is 0, but not necessarily that higher Moments. For example, for a short time very strongly in the positive z direction be pumped and then a longer one Time with weaker Negative pressure.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Teilchentrennung umfaßt ein Flüssigkeitsbad mit mindestens zwei Teilbereichen, die jeweils durch eine Barriereeinrichtung mit einer Vielzahl axial profilierter Kanäle oder Poren getrennt sind, und eine Strömungsantriebseinrichtung. Je nach Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Strömungsantriebseinrichtung durch eine Pumpeneinrichtung für das Trägermedium, eine Transporteinrichtung für die Barriereeinrichtung oder eine Schwenkeinrichtung für die gesamte Trennvorrichtung gebildet.A device according to the invention for particle separation a liquid bath with at least two sections, each through a barrier are separated with a large number of axially profiled channels or pores, and a flow drive device. Depending on the embodiment the device according to the invention becomes the flow drive device by a pump device for the carrier medium, a Transport device for the barrier device or a swivel device for the whole Separation device formed.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Barriereeinrichtung aus makroporösem Material, die bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß die Barriereeinrichtung einen über die Strömungsgeschwindigkeit durchstimmbaren Größen-Filter bildet. Die Trennvorrichtung kann in Bezug auf die Pump amplitude und -frequenz so justiert werden, daß jeweils die zu trennenden Teilchen in verschiedenen Richtungen bewegt werden.The invention also relates to a method for producing a barrier device from macroporous material, that in a device according to the invention is used. A major advantage of the invention is that the barrier device one over the flow rate tunable size filter forms. The Separator can be used in terms of pump amplitude and frequency be adjusted so that each the particles to be separated are moved in different directions.

Bevorzugte Verwendungen der Erfindung liegen im Bereich der Chemie, Medizin oder Biologie, insbesondere beim Trennen und gegebenenfalls nachfolgenden Analysieren von Gemischen aus Teilchen, insbesondere von Gemischen aus Makromolekülen. Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Die erfindungsgemäße Teilchentrennung ist berührungsfrei und basiert auf nichtelektrischen Kräften. Dadurch ergibt sich ein breiter Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Teilchentrennung. Es wird ein hoher Durchsatz, eine hohe Parallelität bei großer Transportgeschwindigkeit und eine Unabhängigkeit von sterischen Effekten, die die Trennung bestimmter Teilchengrößen verhindern würden, erzielt. Die Verwendung einer gegebenen Barriereeinrichtung mit einer vorbestimmten Porengröße und Porenprofilierung ist für eine große Bandbreite von Teilchengrössen moeglich, d.h. etwa für Durchmesser von 5 % – 90 % des minimalen Porendurchmessers. Die Trenneigenschaften werden nämlich zusätzlich auch durch die Geschwindigkeit der Durchströmung der Barriereeinrichtung mit dem Trägermedium bestimmt, so daß eine Barriereeinrichtung für verschiedene Trennaufgaben verwendet werden kann.Preferred uses of the invention are in the field of chemistry, medicine or biology, in particular when separating and, if appropriate, subsequently analyzing mixtures of particles, in particular mixtures of macromolecules. The invention has the following advantages. The particle separation according to the invention is contactless and based on non-electrical forces. This results in a wide range of uses for the particle separation according to the invention. High throughput, high parallelism at high transport speeds and independence from steric effects which would prevent the separation of certain particle sizes are achieved. The use of a given barrier device with a predetermined pore size and pore profiling is possible for a wide range of particle sizes, ie for diameters of 5% to 90% of the minimum pore diameter. The separation properties are also determined by the speed of the flow through the barrier device determined with the carrier medium so that a barrier device can be used for various separation tasks.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:More details and advantages the invention will be apparent from the accompanying drawings. It demonstrate:

1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung; 1 a schematic plan view of a first embodiment of a separation device according to the invention;

2 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung; 2 a schematic plan view of a further embodiment of a separating device according to the invention;

3 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung mit kompakter Bauweise; 3 a schematic plan view of a further embodiment of a separating device according to the invention with a compact design;

4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung; 4 a schematic side view of a further embodiment of a separating device according to the invention;

5 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung; 5 a schematic sectional view of a further embodiment of the separating device according to the invention;

6 eine Kurvendarstellung zur Illustration einer Porenprofilierung; 6 a graph to illustrate a pore profile;

7 Kurvendarstellungen der Bewegungsbahnen verschieden großer Teilchen; 7 Curve representations of the trajectories of different sized particles;

8 Kurvendarstellungen der Bewegungsbahnen von Teilchen bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten; 8th Curve representations of the trajectories of particles at different flow velocities;

9 eine Kurvendarstellung zur Illustration des erfindungsgemäßen elektrochemischen Ätzens von Porenprofilierungen; 9 a graph to illustrate the electrochemical etching of pore profiles according to the invention;

10 eine schematische rasterelektronenmikroskopische Schnittansicht einer Barriereeinrichtung mit einer Mehrzahl von Porenprofilierungen; und 10 a schematic scanning electron microscopic sectional view of a barrier device with a plurality of pore profiles; and

11 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Porenprofilierung. 11 an enlarged view of a section of a further pore profiling.

Das Kernstück der Erfindung besteht in der Gestaltung und der Verwendung der Barriereeinrichtung mit einer Vielzahl profilierter Poren. Vor der Erläuterung von Einzelheiten der gesamten Trennvorrichtung und der Barriereeinrichtung werden im folgenden zunächst die grundsätzlichen Überlegungen beschrieben, auf denen die Erfindung basiert.The essence of the invention is in the design and use of the barrier device with a Large number of profiled pores. Before explaining details of the entire separation device and the barrier device are in following first the basic considerations on which the invention is based.

Transport von Teilchen durch profilierte PorenTransport of Particles through profiled pores

Erfindungsgemäß wird die Barriereeinrichtung mit der Vielzahl periodisch profilierter Poren von dem Trägermedium mit den suspendierten Teilchen durchströmt, und zwar mit zeitlich oszillierender Richtungsumkehr bei kleiner Amplitude. Die Gesamtströmung des Trägermediums verschwindet im allgemeinen im zeitlichen Mittel, kann aber bei einer Bauartvariante auch auf eine Nettodurchströmung hin angelegt sein. Jedenfalls bildet sich auch bei verschwindender mittlerer Strömung des Mediums durch die erfindungsgemäß profilierten Poren eine größenabhängige Nettobewegung der Teilchen in eines der Reservoirs aus. Diese Nettobewegung ergibt sich aus den folgenden Überlegungen, deren Erläuterung sich auf die 6 bis 8 bezieht.According to the invention, the carrier medium with the suspended particles flows through the barrier device with the large number of periodically profiled pores, with a time-oscillating reversal of direction with a small amplitude. The total flow of the carrier medium generally disappears over time, but in a design variant it can also be designed for a net flow. In any case, even with a vanishing mean flow of the medium through the pores profiled according to the invention, a size-dependent net movement of the particles into one of the reservoirs is formed. This net movement results from the following considerations, the explanation of which relates to the 6 to 8th refers.

Es wird die Durchströmung einer profilierten Pore gemäß 6 betrachtet. 6 zeigt den Porendurchmesser in x-Richtung in Abhängigkeit von der Längsausdehnung der Pore in z-Richtung am Beispiel einer sägezahnförmigen Porenform. Als Porenorientierung wird hier die Richtung definiert, in der sich die Porendurchmesser in den längeren Porenabschnitten verringern (positive z-Richtung). Als Porengegenorientierung wird entsprechend die entgegengesetzte Richtung (hier: negative z-Richtung) bezeichnet, in der sich die Porendurchmesser in kürzeren Porenabschnitten verringern. Bei der sägezahnförmigen Porenform wechseln sich also in Richtung der Porenorientierung kurze Abschnitte (z.B. 2 μm), in denen sich der Porendurchmesser vergrößert, mit längeren Abschnitten (z.B. 4 μm) ab, in denen sich der Porendurchmesser verringert. Das Verhältnis der längeren zu den kürzeren Abschnitten kann auch extremer gewählt werden als beim genannten Beispiel (z. B. 2:1 bis 3:1). Allgemein gilt, daß für genügend asymmetrisch profilierte Poren das zeitlich periodische Pumpen mit symmetrischer Form (z.B. sinusförmig) gewählt werden kann. Bei ungenügend asymmetrischer Profilierung bis hin zur völlig symmetrischen ist ein erfindungsgemäßer Transporteffekt durch die Wahl eines zeitlich asymmetrischen periodischen Antriebs erzielbar, wie die bisherigen theoretischen Erkenntnisse über diffusionsinduzierten Transport zeigen. Es können auch Abschnitte konstanten Durchmesser vorgesehen sein. Die Orte geringster Porendurchmesser werden als Engstellen bezeichnet.It is the flow through a profiled pore 6 considered. 6 shows the pore diameter in the x direction depending on the longitudinal extent of the pore in the z direction using the example of a sawtooth-shaped pore shape. The direction in which the pore diameter decreases in the longer pore sections is defined as the pore orientation (positive z direction). The opposite direction (here: negative z-direction) in which the pore diameters decrease in shorter pore sections is referred to as the pore counter-orientation. In the case of the sawtooth-shaped pore shape, short sections (for example 2 μm) in which the pore diameter increases are alternated with longer sections (for example 4 μm) in which the pore diameter decreases in the direction of the pore orientation. The ratio of the longer to the shorter sections can also be chosen to be more extreme than in the example mentioned (e.g. 2: 1 to 3: 1). The general rule is that periodically periodic pumping with a symmetrical shape (for example sinusoidal) can be selected for sufficiently asymmetrically profiled pores. In the case of insufficiently asymmetrical profiling up to a completely symmetrical one, a transport effect according to the invention can be achieved by the choice of a periodically asymmetrical periodic drive, as the previous theoretical knowledge of diffusion-induced transport shows. Sections of constant diameter can also be provided. The locations with the smallest pore diameters are called narrow points.

Der Porendurchmesser variiert periodisch im μm-Bereich, z.B. von 1.4 μm bis 4 μm. Für die Modellierung wird diese asymmetrische Porenform, bei der sich kurze Bereiche in z-Richtung, in denen sich der Porendurchmesser vergrößert, mit längeren Bereichen in z-Richtung abwechseln, in denen sich der Porendurchmesser verkleinert, durch zwei Sinusmoden modelliert.The pore diameter varies periodically in the μm range, e.g. of 1.4 μm up to 4 μm. For the This asymmetrical pore shape, in which there is a short Areas in the z direction in which the pore diameter increases with longer Alternate areas in the z direction where the pore diameter is scaled down, modeled by two sine modes.

Die numerische Modellierung der Strömung des Trägermediums durch die Pore ergibt unter Berücksichtigung der relevanten Parameter wie Viskosität der Trägerflüssigkeit, Porendurchmesser, Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsdauer eine laminare und quasi-stationäre Strömung. Dies bedeutet, daß Trägheitseffekte vernachlässigt werden können und daß sich die Navier-Stokes-Gleichung des Systems in ausreichender Näherung durch die zeitunabhängige Gleichung (1) angeben läßt:

The numerical modeling of the flow of the carrier medium through the pore results in a laminar and quasi-stationary flow, taking into account the relevant parameters such as viscosity of the carrier liquid, pore diameter, flow velocity and flow duration. This means that inertial effects can be neglected and that the Navier-Stokes equation of the system is sufficient approximation by the time-independent equation (1):

Dabei stellt ν die dynamische Viskosität der als inkompressibel angenommenen Flüssigkeit dar. Sind aus Gleichung (1) das Geschwindigkeitsfeld v→( x→) und das Druckfeld p( x→) zu einem vorgegebenen Druckunterschied δp₀ zwischen Porenein- und -ausgang bestimmt, dann ist wegen der Linearität dieser Gleichung auch das Geschwindigkeitsfeld für jeden anderen Druckunterschied δp(t) = δp₀⋅sin(ωt) bekannt. Dies führt auf die komplette (parametrisch) zeitabhängige Lösung

in quasi-stationärer Näherung.Here ν represents the dynamic viscosity of the liquid assumed to be incompressible. If the velocity field v → (x →) and the pressure field p (x →) are determined from equation (1) at a predetermined pressure difference δp ₀ between the pore inlet and outlet, then because of the linearity of this equation is also the velocity field for any other pressure difference .DELTA.p (t) = δp ₀ ⋅sin (ωt) known. This leads to the complete (parametric) time-dependent solution

in a quasi-stationary approximation.

Die Bewegungsgleichung eines Teilchens im μm-Bereich ist reibungsdominiert. Dies bedeutet, daß Bewegungen des Teilchens relativ zum Trägermedium so stark gedämpft werden, daß Trägheitseffekte vernachlässigbar sind.The equation of motion of a particle in the μm range is dominated by friction. This means that movements of the particle relative to the carrier medium so damped that inertia effects negligible are.

Die Zufallskräfte durch die thermischen Fluktuationen der Moleküle des Trägermediums können im thermischen Gleichgewicht, d.h. bei konstanter Temperatur T, durch weißes Rauschen beschrieben werden. Im ortsfesten Bezugssystem besitzt dann die Bestimmungsgleichung für die Bahnkurve x→(t) eines Teilchens gemäß Gleichung (2) die Form einer stochastischen Differentialgleichung erster Ordnung (sogenannte Langevin-Gleichung):

The random forces due to the thermal fluctuations of the molecules of the carrier medium can be described in thermal equilibrium, ie at a constant temperature T, by white noise. In the stationary reference system, the determination equation for the trajectory x → (t) of a particle according to equation (2) takes the form of a stochastic differential equation of the first order (so-called Langevin equation):

Dabei bedeuten D = kT/η die thermische Diffusionskonstante, wobei k durch die Boltzmannkonstante und η durch die Stokesche Reibungskonstante gemäß 6πRν (Teilchenradius R, Viskosität des Trägermediums ν) gegeben ist. Die Vektor-Komponenten ζ_i(t) mit i = 1, 2, 3 sind Gauß'sche stochastische Prozesse, für die gilt.D = kT / η mean the thermal diffusion constant, where k is given by the Boltzmann constant and η by the Stokes friction constant according to 6πRν (particle radius R, viscosity of the carrier medium ν). The vector components ζ _i (t) with i = 1, 2, 3 are Gaussian stochastic processes for which the following applies.

Dabei steht (hier und im folgenden) die eckige Klammer (...) für eine Ensemblemittelung, d.h. eine Mittelung über verschiedene Realisierungen des Rauschens.It says (here and below) the square bracket (...) for ensemble averaging, i.e. an averaging over different realizations of noise.

Die Lösung von Gleichung (2) erfolgt durch numerische Integration in bezug auf die Zeit, wobei ζ_i(t) jeweils von einem Zufallsgenerator geliefert wird. Diese Verfahrensweise wird im folgenden als Simulation bezeichnet. Die Mittelung über die Ergebnisse mehrerer Simulationen ergeben statistische Aussagen wie die Ensemblemittelwerte < x→(t_run)> oder <x² t_run)> für eine beliebige Laufzeit t_run.Equation (2) is solved by numerical integration with respect to time, where ζ _i (t) is supplied by a random generator. This procedure is referred to below as simulation. The averaging over the results of several simulations gives statistical statements such as the ensemble mean values <x → (t _run )> or <x ² t _run )> for any runtime t _run .

Bei Umschreibung der Gleichung (2) in eine Fokker-Planck-Gleichung ergibt sich ein alternatives Lösungsverfahren zur unabhängigen Kontrolle der Modellierungsergebnisse. Die Fokker-Planck-Gleichung ist eine deterministische partielle Differentialgleichung für die Wahrscheinlichkeitsdichte P( x→,t), die die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Teilchens am Ort x→ zur Zeit t angibt. Diese Gleichung wird dann numerisch auf einem Ortsraumgitter gelöst.When describing equation (2) into a Fokker-Planck equation there is an alternative solution method for independent Checking the modeling results. The Fokker-Planck equation is a deterministic partial differential equation for the probability density P (x →, t), which is the particle's probability of staying at location x → at the time t indicates. This equation is then numerical on a spatial grid solved.

Die Modellierung hat auf einem physikalisch sinnvollen Bereich im Parameterraum geführt, in dem nennenswerte Transportgeschwindigkeiten (der Teilchen bzw. des Trägermediums) im Bereich von 0.2 bis 0.8 μm/s auftreten. Ein Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß diese Transportgeschwindigkeiten ähnlich zu den Geschwindigkeiten sind, die in biologischen Systemen mit rauschinduziertem Stofftransport auftreten. Die in den 7 und 8 dargestellten Modellierungsergebnisse beziehen sich auf die folgenden Systemparameter. Viskosität der Trägerflüssigkeit v, geteilt durch die Viskosität von Wasser: ν/ν_Wasser = 0.5. Pumpperiode t_P = 2π/ω = 0.025 s. Die Amplitude des Pumpens wurde so angepaßt, daß ein Trägermedienmolekül, das auf der Porenachse (z-Richtung) in einer Engstelle (Ort geringsten Porendurchmessers) startet, in einer halben Pumpperiode das 0.7-fache einer Porenperiode von 6 μm zurücklegt. Dieser Wert wurde unter dem Gesichtspunkt der besten Ausnützung der Porenasymmetrie gewählt.The modeling has led to a physically meaningful area in the parameter space, in which significant transport speeds (of the particles or the carrier medium) occur in the range from 0.2 to 0.8 μm / s. An advantage of the invention is in particular that these transport speeds are similar to the speeds that occur in biological systems with noise-induced mass transport. The in the 7 and 8th The modeling results shown relate to the following system parameters. Viscosity of the carrier liquid v divided by the viscosity of water: ν / ν _water = 0.5. Pump period t _P = 2π / ω = 0.025 s. The amplitude of the pumping was adjusted in such a way that a carrier medium molecule that starts on the pore axis (z direction) in a constriction (location with the smallest pore diameter) travels 0.7 times a pore period of 6 μm in half a pumping period. This value was chosen from the point of view of the best use of pore asymmetry.

7 zeigt für die genannten Standard-Parameter die Modellierungsergebnisse. Die Kurvendarstellungen illustrieren die z-Komponente der Bewegungsbahnen von Probeteilchen mit verschiedenen Größen im Verlauf einer Vielzahl von Pumpperioden. Die Probeteilchen sind kugelförmige Kunststoffteilchen (z.B. Poly sterenkügelchen). Die profilierte Pore gemäß 6 wird wiederholt gleichmäßig mit der genannten Pumpperiode durchströmt, wobei nach jeder Periode eine Richtungsumkehr der Strömung erfolgt. Für kleine Teilchen mit einem Durchmesser von 0.25 μm (linker Teil von 7) ergeben sich Bewegungsbahnen mit einer mittleren Bewegung hin zu negativen z-Werten, d.h. in 6 nach links. Für größere Teilchen mit einem Durchmesser von 0.7 μm (rechter Teil von 7) zeigt sich eine stärkere mittlere Bewegung hin zu negativen z-Werten und zusätzlich ein Lokalisierungseffekt. Der Lokalisierungseffekt bedeutet, daß die Teilchen für längere Zeit zwischen den Engstellen und den rechts davon liegenden weiten Stellen verweilen. Im rechten Teil von 7 markieren die horizontalen Linien die Positionen der weitesten Stellen der Pore bei z = (2 ± n⋅6) μm (siehe 6). 7 shows the modeling results for the named standard parameters. The graphs illustrate the z-component of the movement paths of sample particles with different sizes over the course of a large number of pumping periods. The sample particles are spherical plastic particles (eg poly stereospheres). The profiled pore according to 6 is repeatedly flowed through evenly with the pump period mentioned, with a reversal of the flow taking place after each period. For small particles with a diameter of 0.25 μm (left part of 7 ) there are trajectories with a medium movement towards negative z values, ie in 6 to the left. For larger particles with a diameter of 0.7 μm (right part of 7 ) there is a stronger mean movement towards negative z values and also a localization effect. The localization effect means that the particles stay for a long time between the narrow points and the wide points to the right of them. In the right part of 7 the horizontal lines mark the positions of the farthest points of the pore at z = (2 ± n⋅6) μm (see 6 ).

Bei weiterer Vergrößerung der Teilchen verstärkt sich der Lokalisierungseffekt noch, wie dies für den Teilchendurchmesser 1 μm in 8 (linker Teil) gezeigt ist. Außerdem verringert sich die mittlere Transportgeschwindigkeit (siehe veränderte Achsenteilung gegenüber 7). Die Ursachen für dieses Verhalten ergeben sich einerseits aus der verstärkten Stokeschen Reibung für größere Teilchen und aus ihrer Größe selbst. Kleinere Teilchen schwimmen relativ kollisionsfrei mit der Medienströmung mit, wobei der Transport hauptsächlich durch Diffusion in schnellere oder langsamere Strömungsschichten erfolgt. Größere Teilchen hingegen kollidieren mit größerer Wahrscheinlichkeit mit den Porenwänden, wobei deren asymmetrische Form vermehrt zum Transport beitragen kann.If the particles are further enlarged, the localization effect increases, as is the case for the particle diameter 1 μm in 8th (left part) is shown. In addition, the average transport speed decreases (see changed axis division compared 7 ). The reasons for this behavior arise on the one hand from the increased Stokes friction for larger particles and from their size themselves. Smaller particles swim along with the media flow relatively free of collisions, the transport mainly taking place by diffusion into faster or slower flow layers. Larger particles, on the other hand, are more likely to collide with the pore walls, whereby their asymmetrical shape can increasingly contribute to transport.

Bei weiterer Vergrößerung des Teilchendurchmessers und/oder der Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich schließlich eine Umkehr der mittleren Bewegungsrichtung (umgekehrte Transportrichtung), die die Grundlage für die erfindungsgemäße Teilchentrennung bildet. Diese Transportrichtungsumkehr ist im rechten Teil vonWhen the Particle diameter and / or the flow velocity results finally a reversal of the middle direction of movement (reverse transport direction), which is the basis for the particle separation according to the invention forms. This reversal of transport direction is in the right part of

8 illustriert. Dort sind die mittleren (negativen) Transportgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Teilchengröße (Teilchendurchmesser in μm) dargestellt. Mit den oben genannten Parametern ergibt sich die durchgezogene Linie. Wird hingegen die Pumpamplitude verdoppelt, so ergibt sich die gestrichelte Linie. Für Teilchen mit einem Durchmesser oberhalb von rund 0.6 μm ergibt sich eine positive Bewegungsrichtung, d.h. die Teilchen wandern durch die Poren von links nach rechts (siehe 6). 8th illustrated. There the average (negative) transport speeds are shown depending on the particle size (particle diameter in μm). The solid line results from the above parameters. If, on the other hand, the pump amplitude is doubled, the dashed line results. For particles with a diameter above around 0.6 μm there is a positive direction of movement, ie the particles move through the pores from left to right (see 6 ).

Die dargestellten Modellierungsergebnisse zeigen, daß bei geeigneter Wahl der Strömungsparameter die Teilchen größenabhängige mittlere Bewegungen mit entgegengesetzten Richtungen ausführen. Bei wiederholter Durchströmung der Poren (der Barriereeinrichtung) ergibt sich damit, daß sich die Teilchen größenabhängig getrennt auf den Seiten der Barriereeinrichtung sammeln.The modeling results shown show that at suitable choice of flow parameters Particle size-dependent mean Carry out movements in opposite directions. With repeated flow through the Pores (the barrier device) results from the fact that the Particles separated according to size collect on the sides of the barrier device.

Analoge Ergebnisse zeigen sich beim Durchströmen von Poren mit symmetrischer Profilierung gemäß einem asymmetrischen Zeitprofil.Similar results can be seen in the Flow through of pores with symmetrical profiling according to an asymmetrical time profile.

Bauformen erfindungsgemäßer TrennvorrichtungenDesigns of separation devices according to the invention

1 zeigt nicht maßstäblich eine schematische Draufsicht auf eine Trennvorrichtung 100 mit zwei Kammern (oder Reservoiren) 110, 120, die durch eine Barriereeinrichtung in Form des im wesentlichen ebenen makroporösen Barriereelements 130 getrennt sind. Die (in der Darstellung linke) Kammer 110 wird durch das Barriereelement 130 und Seitenwände 111, 112 begrenzt. Die (rechte) Kammer 120 wird durch das Barriereelement 130, die Seitenwände 121 und eine elastisch verformbare Seitenwand 122 begrenzt. Die elastisch verformbare Seitenwand 122 ist vorzugsweise eine elastische Membran. Die geschlossenen Boden- und Deckflächen der Kammern sind in 1 nicht dargestellt. Die Seitenwände 111, 112 und 121 bestehen aus einem geeigneten starren Material, vorzugsweise Kunststoff, wie z.B. Plexiglas. 1 does not show a schematic plan view of a separating device to scale 100 with two chambers (or reservoirs) 110 . 120 by a barrier device in the form of the essentially flat macroporous barrier element 130 are separated. The chamber (on the left in the illustration) 110 is through the barrier element 130 and side walls 111 . 112 limited. The (right) chamber 120 is through the barrier element 130 , the sidewalls 121 and an elastically deformable side wall 122 limited. The elastically deformable side wall 122 is preferably an elastic membrane. The closed bottom and top surfaces of the chambers are in 1 not shown. The sidewalls 111 . 112 and 121 consist of a suitable rigid material, preferably plastic, such as plexiglass.

Es können die folgenden Kammerdimensionen vorgesehen sein. Die Seitenwände 111, 121 besitzen jeweils eine Länge von rund 0,5 mm. Die Seitenwände 112, 122 und die Kammerhöhe (senkrecht zur Bildebene) betragen jeweils rund 10 mm (Darstellung nicht maßstäblich). Das Barriereelement 130 verläuft über den gesamten Querschnitt der Trennvorrichtung 100 und besitzt entsprechend eine Fläche von rund 10⋅10 mm². Die Dicke des Barriereelements 130 beträgt beispielsweise 120 μm. Die Kammertiefe senkrecht zum Barriereelement ist vorzugsweise wesentlich kleiner (z. B. kleiner als 1/10) als die typischen Quermaße des Barriereelements, da der Teilchentransport außerhalb des Barriereelements im wesentlichen diffusionsbestimmt erfolgt. Die Kammertiefe kann aber auch größer sein. Es ist auch möglich, eine Rühreinrichtung in den Kammern zum Transport der Teilchen hin zum Barriereelement vorzusehen.The following chamber dimensions can be provided. The sidewalls 111 . 121 each have a length of around 0.5 mm. The sidewalls 112 . 122 and the chamber height (perpendicular to the image plane) is around 10 mm (not to scale). The barrier element 130 runs over the entire cross section of the separating device 100 and accordingly has an area of around 10-10 mm ² . The thickness of the barrier element 130 is, for example, 120 μm. The chamber depth perpendicular to the barrier element is preferably considerably smaller (e.g. smaller than 1/10) than the typical transverse dimensions of the barrier element, since the particle transport outside the barrier element is essentially determined by diffusion. The chamber depth can also be greater. It is also possible to provide a stirring device in the chambers for transporting the particles to the barrier element.

Die Kammer 110, die keine elastische Seitenwand besitzt, weist an der Seitenwand 112 gegenüber dem Barriereelement 130 einen Verbindungsansatz 113 zur Strömungsantriebseinrichtung 140 auf. Die Strömungsantriebseinrichtung 140 besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einer Pumpeneinrichtung 141 mit einem Kolben 142, der in den Verbindungsansatz 113 ragt und mit einem elektrischen Motor 143 betätigbar ist. Die Strömungsantriebseinrichtung 140 ist dazu ausgebildet, in der Kammer 110 periodisch abwechselnd einen Über- und Unterdruck auszubilden, unter dessen Wirkung das Trägermedium 150 entsprechend in die zweite Kammer 120 oder zurück in die erste Kammer 110 strömt. Diese periodische Pumpbewegung wird durch Vorschieben und Rückziehen des Kolbens 142 entsprechend anwendungsabhängig gewählten Strömungsparametern (siehe oben) erzielt. Eine typische Pumpfrequenz liegt beispielsweise bei rd. 40 Hz. Die Strömungsantriebseinrichtung 140 kann auch wie ein Lautsprecher, so daß die Vermittlung einer Dichteschwankung in das Trägermedium über die Lautsprechermembran erfolgt, oder mit einem Piezoantrieb aufgebaut sein.The chamber 110 , which has no elastic side wall, points to the side wall 112 opposite the barrier element 130 a connection approach 113 to the flow drive device 140 on. The flow drive device 140 consists in the illustrated embodiment of a pump device 141 with a piston 142 that in the connection approach 113 protrudes and with an electric motor 143 can be actuated. The flow drive device 140 is trained in the chamber 110 periodically alternately form an overpressure and underpressure, under the effect of which the carrier medium 150 accordingly in the second chamber 120 or back to the first chamber 110 flows. This periodic pumping movement is accomplished by advancing and retracting the piston 142 achieved according to application-specific flow parameters (see above). A typical pump frequency is approx. 40 Hz. The flow drive device 140 can also be constructed as a loudspeaker, so that the density fluctuation in the carrier medium is conveyed via the loudspeaker membrane, or with a piezo drive.

Das Barriereelement 130 besteht aus einem makroporösen Material, vorzugsweise aus makroporösem Silizium, dessen Herstellung und Eigenschaften im einzelnen unten erläutert werden. Das Barriereelement 130 wird von parallelen Poren 131 durchsetzt, die im wesentlichen senkrecht zur ebenen Ausrichtung des Barriereelements verlaufen. Die Poren besitzen charakteristische Durchmesser im Bereich von rund 500 nm bis 50 μm. Die Porenabstände liegen im Bereich von rund 500 nm bis 1.5 μm. Dementsprechend befinden sich bei der angegebenen Größe des Barriereelements 130 bis zu 1.5 Millionen Poren 131 im Barriereelement.The barrier element 130 consists of a macroporous material, preferably macroporous silicon, the manufacture and properties of which are explained in detail below. The barrier element 130 is made of parallel pores 131 interspersed, which run substantially perpendicular to the plane alignment of the barrier element. The pores have characteristic diameters in the range from around 500 nm to 50 μm. The pore distances are in the range of around 500 nm to 1.5 μm. Are accordingly at the specified size of the barrier element 130 up to 1.5 million pores 131 in the barrier element.

Zur erfindungsgemäßen Trennung eines Teilchengemisches wird die Trennvorrichtung 100 mit dem Trägermedium 150 beschickt. Anschließend wird das Teilchengemisch als Suspension dem Trägermedium zugeführt. Dies kann über (nicht dargestellte) Beschikkungselemente in beide Kammern 110, 120 oder auch nur in eine der Kammern erfolgen. Anschließend wird der periodische Pumpvorgang des Barriereelements 130 in Gang gesetzt. Beim Pumpen wird mit einer vorbestimmten Pumpamplitude und -frequenz dem Trägermedium eine Dichteschwankung aufgeprägt, die ein Durchströmen zumindest eines Teils des Trägermediums durch die Bariereeinrichtung hervorruft. Der Teilchentransport innerhalb der Kammern ist diffusionsbestimmt. Entsprechend den oben erläuterten Prinzipien steigt die Konzentration der Teilchen mit geringerem bzw. größerem Durchmesser in der einen bzw. anderen Kammer. Die Poren 131 des Barriereelements 130 besitzen eine asymmetrische Profilierung, die in sämtlichen Poren gleich ausgerichtet ist. Dadurch enthält das Barriereelement 130 eine Orientierung entsprechend der Porenorientierung (siehe oben). Nach den oben erläuterten Prinzipien wandern somit die größeren Teilchen in Richtung der Porenorientierung und die kleineren Teilchen in Richtung der Porengegenorientierung. Ist bei spielsweise bei der Bauform gemäß 1 die Porenorientierung nach rechts, d.h. hin zur Kammer 120, gerichtet, so werden sich in der Kammer 120 die größeren Teilchen und in der Kammer 110 die kleineren Teilchen sammeln.The separation device is used to separate a particle mixture according to the invention 100 with the carrier medium 150 fed. The particle mixture is then fed to the carrier medium as a suspension. This can be done via (not shown) charging elements in both chambers 110 . 120 or only in one of the chambers. Then the periodic pumping process of the barrier element 130 set in motion. During pumping, a density fluctuation is impressed on the carrier medium with a predetermined pump amplitude and frequency, which causes at least a part of the carrier medium to flow through the barrier device. The particle transport within the chambers is determined by diffusion. In accordance with the principles explained above, the concentration of particles with a smaller or larger diameter increases in one or the other chamber. The pores 131 of the barrier element 130 have an asymmetrical profile, which is aligned in the same way in all pores. This contains the barrier element 130 an orientation according to the pore orientation (see above). According to the principles explained above, the larger particles migrate in the direction of the pore orientation and the smaller particles in the direction of the pore opposite orientation. Is for example in the design according 1 the pore orientation to the right, ie towards the chamber 120 , directed, will be in the chamber 120 the larger particles and in the chamber 110 collect the smaller particles.

Bei einer Modifizierung der Trennvorrichtung gemäß 1 ist vorgesehen, daß eine oder beide Kammern selbst mit mindestens einer undurchlässigen Trennwand senkrecht zum Barriereelement in parallele Teilkammern unterteilt sind und das Barriereelement aus mindestens zwei Teilelementen besteht, die jeweils eine Kammer und eine Teilkammer oder zwei Teilkammern voneinander trennen. Jedes Teilelement des Barriereelements ist für eine andere Trenngröße ausgelegt, so daß in mindestens 3 Größengruppen getrennt werden kann.When the separation device is modified according to 1 It is provided that one or both chambers are divided into parallel subchambers with at least one impermeable partition perpendicular to the barrier element and the barrier element consists of at least two sub-elements, each of which separates one chamber and one subchamber or two subchambers. Each sub-element of the barrier element is designed for a different separation size so that it can be separated into at least 3 size groups.

Eine weitere Modifizierung der Trennvorrichtung gemäß 1 ist mit der Trennvorrichtung 200 gemäß 2 illustriert. Der Aufbau, die Dimensionierung und die Materialien der Trennvorrichtung 200 entsprechen im wesentlichen denen der Trennvorrichtung 100. Es sind jedoch drei Kammern 210, 220 und 250 gezeigt, die jeweils durch die Barriereelemente 230 bzw. 240 voneinander getrennt sind. Die von der Strömungsantriebseinrichtung 240 am weitesten entfernte Kammer 250 ist wiederum mit einer elastischen Seitenwand 232 ausgestattet. Die übrigen Seitenwände 211, 212, 221, 231 sind wiederum aus starrem Material (z.B. Kunststoff) gebildet. Die Trennvorrichtung 200 stellt eine Serienschaltung mehrerer Trennkammern dar, wobei sich die Barriereelemente 130, 140 durch ihre Trenneigenschaften (Porenprofilierung, Porendurchmesser) unterscheiden, so daß ein Teilchengemisch mit einer Größenverteilung in drei Teilchengruppen mit drei Größenklassen getrennt werden kann. Das in 2 dargestellte Prinzip der Serienschaltung mehrerer Trennkammern kann entsprechend mit weiteren Trennkammern erweitert werden.Another modification of the separation device according to 1 is with the separator 200 according to 2 illustrated. The structure, dimensions and materials of the separator 200 correspond essentially to those of the separating device 100 , However, there are three chambers 210 . 220 and 250 shown, each through the barrier elements 230 or 240 are separated from each other. The flow drive device 240 most distant chamber 250 is again with an elastic side wall 232 fitted. The remaining side walls 211 . 212 . 221 . 231 are in turn made of rigid material (e.g. plastic). The separator 200 represents a series connection of several separation chambers, with the barrier elements 130 . 140 distinguish by their separation properties (pore profiling, pore diameter) so that a particle mixture with a size distribution can be separated into three particle groups with three size classes. This in 2 The principle of series connection of several separation chambers shown can be expanded accordingly with further separation chambers.

Eine Einspeisung der zu trennenden Teilchen kann in die Mitte oder in eine der seitlichen Kammern erfolgen.An infeed of the to be separated Particles can be in the middle or in one of the side chambers.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung 300, die in kompakter Chipform ausgebildet ist. Die Trennvorrichtung 300 weist wiederum zwei Kammern 310, 320 auf, die durch das Barriereelement 330 mit erfindungsgemäß profilierten Poren getrennt sind. Die erste Kammer 130 ist über einen Beschickungskanal 314 mit einer Teilchensuspension beschickbar. Es ist ferner ein Druckmeßkanal 315 vorgesehen, über den die Kammer 310 mit einem Drucksensor 316 verbunden ist. Die zweite Kammer 320 ist über den Verbindungsansatz 323 mit der Strömungsantriebseinrichtung 340 verbunden, die wiederum entsprechend eine elektrisch betriebene Kolbenpumpe 341 enthält. Die zweite Kammer 320 ist ebenfalls über einen Druckmeßkanal 325 mit einem Drucksensor 326 verbunden. Das Bezugszeichen 370 bezeichnet den Strahlenverlauf von Anregungslicht (z.B. Laserlicht) zur Anregung der Photolumineszenz, die mit der Spektrometereinrichtung 371 zur Überwachung der Teilchentrennung vorgesehen ist. 3 shows a further embodiment of a separation device according to the invention 300 , which is formed in a compact chip form. The separator 300 again has two chambers 310 . 320 on that through the barrier element 330 are separated with pores profiled according to the invention. The first chamber 130 is via a feed channel 314 can be loaded with a particle suspension. It is also a pressure measurement channel 315 provided over which the chamber 310 with a pressure sensor 316 connected is. The second chamber 320 is about the connection approach 323 with the flow drive device 340 connected, which in turn corresponds to an electrically operated piston pump 341 contains. The second chamber 320 is also via a pressure measuring channel 325 with a pressure sensor 326 connected. The reference number 370 denotes the beam path of excitation light (eg laser light) for excitation of the photoluminescence, that with the spectrometer device 371 is provided for monitoring the particle separation.

Über die Drucksensoren kann der Kammerdruck mit der durch die theoretische Modellierung ermittelten erforderliche Pumpamplitude verglichen und so der Trennvorgang genau geregelt werden.about The pressure sensors can measure the chamber pressure using the theoretical Modeling determined the required pump amplitude compared and so the separation process can be precisely regulated.

Die Kammern 310, 320, der Beschickungskanal 314, die Druckmeßkanäle 315, 325 und der Verbindungsansatz 323 sind in einem Trägermaterial (z.B. aus Kunststoff) eingelassen, so daß die gesamte Trennvorrichtung 300 eine kompakte Bauform besitzt, die mit Vorteil als Komponente in einer Anlage zur Manipulierung mikroskopisch kleiner Teilchen verwendet werden kann. Es können auch zwei Trägermaterial-Hälften vorgesehen sein, die bei den Kammern offen sind und zwischen denen das Barriereelement als ebene Scheibe eingeklemmt ist.The chambers 310 . 320 , the feed channel 314 , the pressure measurement channels 315 . 325 and the connection approach 323 are embedded in a carrier material (eg made of plastic) so that the entire separating device 300 has a compact design which can advantageously be used as a component in a system for manipulating microscopic particles. Two halves of carrier material can also be provided, which are open in the chambers and between which the barrier element is clamped as a flat disk.

Eine alternative Gestaltung der Strömungsantriebseinrichtung einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist in 4 schematisch illustriert. Die Trennvorrichtung 400 ist in schematischer Schnittansicht von der Seite dargestellt. Die Kammern 410 und 420 sind wiederum durch das Barriereelement 430 getrennt. Das Barriereelement 430 ist jedoch beweglich angebracht und mit der Strömungsantriebseinrichtung 440 nach links oder rechts verschiebbar. Bei periodischer Verschiebung des Barriereelement 430 (im μm-Bereich) ergibt sich entsprechend eine Verkleinerung oder Vergrößerung der angrenzenden Kammern 410, 420, so daß das Trägermedium zum Druckausgleich das Barriereelement 430 durchströmt. Der Trennvorgang mit dem bewegten Barriereelement 430 erfolgt nach den oben erwähnten Prinzipien, d.h. die größeren Teilchen werden in Richtung der Porenorientierung und die kleineren Teilchen in Richtung der Porengegenorientierung bewegt.An alternative design of the flow drive device of a separating device according to the invention is shown in 4 schematically illustrated. The separator 400 is shown in a schematic sectional view from the side. The chambers 410 and 420 are again through the barrier element 430 Cut. The barrier element 430 is, however, movably attached and with the flow drive device 440 can be moved left or right. With periodic displacement of the barrier element 430 (in the μm range) there is a corresponding reduction or enlargement of the adjacent chambers 410 . 420 , so that the carrier medium for pressure compensation the barrier element 430 flows through. The separation process with the moving th barrier element 430 takes place according to the principles mentioned above, ie the larger particles are moved in the direction of the pore orientation and the smaller particles in the direction of the pore opposite orientation.

Eine weitere Alternative einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung 500 ist in 5 illustriert. Bei dieser besteht die Strömungsantriebseinrichtung 540 zur Erzeugung einer Trägermedienströmung zwischen den Kammern 510, 520, die wiederum durch das Barriereelement 530 getrennt sind, aus einem Schwenkmechanismus 541, der dazu ausgebildet ist, die Trennvorrichtung 500 von einer vertikalen Orientierung in die entgegengesetzte vertikale Orientierung zu verschwenken. Unter der Wirkung der Gravitationskraft durchströmt das Trägermedium das Barriereelement 530. Dieses Durchströmen wird wiederum periodisch wiederholt, bis die größenabhängige Trennung der Teilchen im Trägermedium abgeschlossen ist. Um auch bei dieser Bauform die Strömungsgeschwindigkeit (Pumpenamplitude) aktiv einzustellen, kann als zusätzliche äußere Kraftkomponente die Einstellung einer Zentrifugalkraft oder die Verwendung von Trägheitskräften im Trägermedium vorgesehen sein. Hierzu könnte die Strömungsantriebseinrichtung 540 zusätzlich eine (nicht dargestellte) Zentrifugiereinrichtung besitzen, mit der die Träger medienströmung zwischen den Kammern zusätzlich eingestellt wird.Another alternative of a separation device according to the invention 500 is in 5 illustrated. In this there is the flow drive device 540 to generate a flow of carrier media between the chambers 510 . 520 which in turn passes through the barrier element 530 are separated from a swivel mechanism 541 , which is designed to the separating device 500 to pivot from a vertical orientation to the opposite vertical orientation. Under the effect of the gravitational force, the carrier medium flows through the barrier element 530 , This flow is repeated periodically until the size-dependent separation of the particles in the carrier medium is complete. In order to actively set the flow velocity (pump amplitude) in this design too, the setting of a centrifugal force or the use of inertial forces in the carrier medium can be provided as an additional external force component. The flow drive device could do this 540 additionally have a centrifugation device (not shown) with which the carrier media flow between the chambers is additionally set.

Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Teilchentrennung (ohne ein Zusetzen des als "Filter" wirkenden Barriereelements 130) schnell erfolgt. Ferner ist die Trennwirkung von der Gesamtgröße der Teilchen abhängig. Stäbchenförmige Teilchen, die bei einem Siebfilter bei geeigneter Ausrichtung ggf. fälschlich durch den Filter durchtreten, können die erfindungsgemäße Barriereeinrichtung nicht passieren. Für einen Einsatz für z.B. medizinische Anwendungen können beliebige Materialien eingesetzt werden. Vor allem ist auch eine weitergehende Integration mit mikromechanischen Bauelementen auf Siliziumbasis denkbar. Da das Si mit eine SiO₂-Schicht bedeckt ist, hat man ein sehr inertes Material. Die Oberfläche hat dieselben chemischen Eigenschaften wie die üblichen Glasgefäße.Advantages of the invention are that the particle separation (without clogging of the barrier element acting as a "filter" 130 ) is done quickly. Furthermore, the separation effect depends on the total size of the particles. Rod-shaped particles, which may pass through the filter incorrectly in a sieve filter with a suitable alignment, cannot pass through the barrier device according to the invention. Any materials can be used for use in medical applications, for example. Above all, further integration with micromechanical components based on silicon is also conceivable. Since the Si is covered with an SiO ₂ layer, one has a very inert material. The surface has the same chemical properties as the usual glass jars.

Herstellung und Gestaltung der profilierten Porenmanufacturing and design of the profiled pores

Die Herstellung von herkömmlichem makroporösem Silizium wird ausführlich in den oben genannten Publikationen von V. Lehmann et al. beschrieben. In Bezug auf die im folgenden zusammengefaßten Prozeßschritte beim elektrochemischen Ätzen werden diese Publikationen von V. Lehmann et al. vollständig in die vorliegende Beschreibung einbezogen. Zunächst wird eine n-dotierte Siliziumscheibe (d < 500 μm) mit [100]-orientierter Oberfläche mittels Photolithographie vorstrukturiert. Mit einem alkalischen Ätzmittel werden in die Oberfläche Einsenkungen in Form invertierter Pyramiden geätzt. Die so vorbehandelte Siliziumscheibe wird anschließend in einer elektrochemischen Zelle mit wäßriger Flußsäure (HF) bei anodischer Polarisierung und Rückseitenbeleuchtung geätzt. Durch die Beleuchtung werden Löcher (fehlende Elektronen) im Valenzband erzeugt, die für die Reaktion des Siliziums mit der Flußsäure benötigt werden. Da die Beleuchtung von der Rückseite erfolgt und die Eindringtiefe des Lichtes nur wenige μm beträgt, müssen die Löcher als Minoritätsträger durch die gesamte Siliziumscheibe diffundieren, um an deren Vorderseite mit der Strukturierung den Ätzvorgang auszulösen. Die diffundierenden Löcher kommen aus geometrischen Gründen zunächst an den vorher lithographisch definierten Vertiefungen an. Diese wirken als Keime für die Porenbildung, da an den Vertiefungen zuerst geätzt wird. Diese Erscheinung wird noch durch die fokussierende Wirkung der elektrischen Felder in der Raumladungszone um die Vertiefungen bzw. Poren verstärkt. Durch die regelmäßige Anordnung und Größe der Ätzkeime bei der photo-lithographischen Vorbehandlung kann auf diese Weise erreicht werden, daß für alle Poren dieselben Ätzbedingungen herrschen und die Poren in Abhängigkeit von der z-Richtung (quer zur Scheibenebene) jeweils dieselben Durchmesser aufweisen. Für die erfindungsgemäß verwendeten Barriereelemente werden beispielsweise Silizium-Wafer (5 Ωcm, n-Typ, FZ) mit einem quadratischen Raster aus Porenkeimen verwendet. Der Abstand der Keime und damit der geätzten Poren beträgt rund 3.5 μm, die HF-Konzentration beträgt 5%. Der Ätzvorgang erfolgt mit einer Ätzspannung von 2.7 V. Der charakteristische Porendurchmesser einer Referenzprobe ohne Porenprofilierung beträgt 1.7 μm.The production of conventional macroporous Silicon becomes detailed in the above-mentioned publications by V. Lehmann et al. described. With regard to the process steps summarized below in electrochemical etching these publications by V. Lehmann et al. completely in the present description included. First is an n-doped silicon wafer (d <500 μm) with a [100] -oriented surface Pre-structured photolithography. With an alkaline etchant are in the surface Sinks etched in the form of inverted pyramids. The silicon wafer pretreated in this way will then in an electrochemical cell with aqueous hydrofluoric acid (HF) with anodic polarization and back lighting etched. The lighting creates holes (missing electrons) are generated in the valence band, which is necessary for the reaction of silicon with hydrofluoric acid. Because the lighting from the back and the depth of penetration of the light is only a few μm, the holes as a minority carrier the entire silicon wafer diffuse to the front of it with the structuring the etching process trigger. The diffusing holes come for geometric reasons first at the wells previously defined by lithography. This act as germs for the pore formation, since the recesses are etched first. This phenomenon is further exacerbated by the focusing effect of the electric fields in the space charge zone around the depressions or Pores reinforced. Due to the regular arrangement and size of the etching seeds in photo-lithographic pretreatment this way be achieved for all pores the same etching conditions prevail and the pores are dependent the same diameter from the z-direction (across the disc plane) exhibit. For those used according to the invention Barrier elements are, for example, silicon wafers (5 Ωcm, n-type, FZ) used with a square grid of pore germs. The The distance between the germs and thus the etched pores is around 3.5 μm, the HF concentration is 5%. The etching process takes place with an etching voltage of 2.7 V. The characteristic pore diameter of a reference sample without pore profiling 1.7 μm.

Von der Herstellung herkömmlichen makroporösen Siliziums mit unprofilierten Poren ist bekannt, daß mit zunehmender Porentiefe die HF-Konzentration an den Porenspitzen abnimmt und sich dadurch die Ätzgeschwindigkeit der Poren verringert. Zur Kompensation dieser Erscheinung wird mit zunehmender Porentiefe die Beleuchtungsstärke reduziert, um (herkömmliche) Poren mit konstantem Durchmesser zu erhalten. Allerdings ist der Einfluß dieser Kompensation bei den herkömmlichen Poren, die nur Tiefen von einigen 10 μm besitzen, gering. In der Praxis wird ein gewünschter Ätzstrom vorgegeben und über einen PID-Regler die Beleuchtungsstärke reguliert. Zur erfindungsgemäßen Profilierung der Poren werden typische Stromwerte bei der Herstellung unprofilierter Poren mit einer sägezahnförmigen Funktion multipliziert, wie dies unten erläutert wird.From making conventional macroporous Silicon with non-profiled pores is known to increase in size The RF concentration at the pore tips decreases and the etching speed the pores are reduced. To compensate for this phenomenon, use increasing pore depth reduces the illuminance in order to (conventional) To obtain pores of constant diameter. However, the Influence this Compensation in the conventional Pores that only have depths of a few 10 μm are small. In practice becomes a desired etching current predetermined and about a PID controller regulates the illuminance. For profiling according to the invention of the pores are typical current values in the production of unprofiled Pores with a sawtooth shape multiplied as explained below.

Am elektrochemischen Auflösungsprozeß des Siliziums sind sowohl die durch Licht erzeugten Minoritätsträger als auch die stets vorhandenen Majoritätsträger beteiligt. Der Ätzprozeß wird daher durch das Verhältnis des Gesamtstroms zum Anteil des zugeführten Löcherstroms beschrieben. Zur Messung des Löcherstroms wird mit einem photoempfindlichen Element ein Maß für die Beleuchtungsintensität definiert und daraus dann als Verhältnis aus gemessenem Ätzstrom Iätz und Photostrom Iphoto des photoempfindlichen Elements gemäß Gleichung (3) eine Effizienz n berechnet. η = Iätz/Iphoto (3)Both the minority carriers generated by light and the majority carriers always present are involved in the electrochemical dissolution process of the silicon. The etching process is therefore described by the ratio of the total current to the proportion of the hole current supplied. To measure the hole current, a photosensitive element is used to define a measure of the illumination intensity and from this then an efficiency n is calculated as the ratio of the measured etching current Iätz and photocurrent Iphoto of the photosensitive element according to equation (3). η = I etching / I photo ( 3 )

Da ein Teil der durch Licht im Silizium erzeugten Minoritätsträger rekombinieren, bevor sie die Oberfläche erreichen, unterscheidet sich dieser Wert η gemäß Gleichung (3) vom realen Wert durch einen konstanten Faktor.Because part of the light in silicon recombine generated minority carriers, before they surface reach, this value η differs from the real one according to equation (3) Value by a constant factor.

Im folgenden werden die Einzelheiten der erfindungsgemäßen Profilierung der Poren beschrieben. Dies erfolgt am Beispiel einer sägezahnförmigen Porenform (siehe oben).The following are the details the profiling according to the invention the pores described. This is done using the example of a sawtooth-shaped pore shape (see above).

Um die sägezahnförmige Porenform zu erzielen wird, zunächst zum Ätzstrom für unprofilierte gerade Poren der Strom sägezahnförmig maximal um den Faktor 3 erhöht. Zur Realisierung der Profilierung bestehen zwei Möglichkeiten. Zunächst ist es möglich, die Stromstärke sehr schnell auf den 3-fachen Wert zu erhöhen (z.B. innerhalb 1 s) und anschließend langsam innerhalb von Minuten wieder auf den Ausgangswert zurückzufahren. Zweitens ist es möglich, den Strom langsam zu erhöhen und anschließend die Stromstärke schnell abfallen zu lassen. Die erste Variante besitzt den Nachteil, daß der elektrochemische Prozeß der schnellen Anfangsänderung nicht folgen kann. Es können nicht mehr alle angebotenen Löcher im Ätzprozeß verbraucht werden. Die Effizienz η gemäß Gleichung (3) beschreibt den Vorgang nicht mehr real, und die Beleuchtungsstärke müßte um mehr als den Faktor 3 geändert werden. Daher wird die zweite Möglichkeit bevorzugt, da der Photostrom der Beleuchtungsstärke bei langsamer Erhöhung und schnellem Abfall der Stromstärke gut folgen kann und die Effizienz ausreichend konstant bleibt.To achieve the sawtooth-shaped pore shape will, initially to the etching current for unprofiled straight pores the current sawtooth-shaped maximum increased by a factor of 3. There are two ways to implement profiling. First Is it possible, the current very quickly increase to 3 times the value (e.g. within 1 s) and subsequently slowly return to the starting value within minutes. Second, it is possible slowly increasing the current and subsequently the current to drop quickly. The first variant has the disadvantage that the electrochemical process of quick start change cannot follow. It can not all holes offered anymore be consumed in the etching process. The efficiency η according to the equation (3) no longer describes the process in real terms, and the illuminance would have to be more changed as a factor of 3 become. Hence the second option preferred because the photocurrent of the illuminance at slow increase and rapid drop in current can follow well and the efficiency remains sufficiently constant.

9 zeigt den Ätzstrom und die Effizienz η bei Herstellung profilierter Poren an einem Beispiel. Der Stromverlauf zeigt den relativ langsamen Anstieg des Ätzstromes gefolgt von einem schnellen Abfall. Bei dem Beispiel ist jeweils ein Zeitbereich konstanten Stroms vor dem erneuten Anstieg vorgesehen. Die Periodendauer von 825 s setzt sich wie folgt zusammen. Der lineare Anstieg dauert 220 s und entspricht einer Porentiefe von 3.2 μm. Es folgen für 55 s der Stromabfall entsprechend einer Porentiefe von 0.8 μm. Der Abschnitt konstanten Stroms dauert 550 s entsprechend einer Porentiefe von 8 μm. Die rasterelektronenmikroskopische Querschnittsansicht der Poren in 10 illustriert die mit einer derartigen Strommodulation erzielte Profilierung der Poren. Bei diesem Beispiel beträgt die Periodenlänge rund 10.8 μm, innerhalb derer der Abschnitt konstanten Durchmessers eine Länge von rund 4.8 μm besitzt. 9 shows the etching current and the efficiency η in the production of profiled pores using an example. The current curve shows the relatively slow increase in the etching current followed by a rapid decrease. In the example, a time range of constant current is provided before the rise again. The period of 825 s is made up as follows. The linear increase lasts 220 s and corresponds to a pore depth of 3.2 μm. This is followed by the current drop corresponding to a pore depth of 0.8 μm for 55 s. The section of constant current lasts 550 s corresponding to a pore depth of 8 μm. The cross-sectional view of the pores in scanning electron microscopy in 10 illustrates the profiling of the pores achieved with such a current modulation. In this example, the period length is around 10.8 μm, within which the section of constant diameter has a length of around 4.8 μm.

Obwohl die Effizienzkurve gemäß 9 keine großen Schwankungen zeigt, besitzt sie eine deutliche Feinstruktur. Schon innerhalb der ersten Sekunden nach dem Beginn des linearen Anstiegs sieht man eine charakteristische Struktur mit zunächst einem kleinen Peak nach unten und anschließend einem scharfen Peak nach oben. Diese Struktur wiederholt sich in allen fünf Perioden. Danach bleibt die Effizienz im wesentlichen konstant auf dem ursprünglichen Wert, bis etwa die doppelte Stromstärke erreicht ist. Nach einem Abfall der Effizienz folgt, nachdem das Maximum des Ätzstroms überschritten ist, ein erneuter Anstieg. Nach dem Ende der Rampe ergibt sich wieder eine sprung hafte Reduzierung der Effizienz auf einen Wert, der allerdings über dem ursprünglichen Gleichgewichtswert liegt. Während der im folgenden gleichbleibenden Stromstärke fällt die Effizienz wieder auf den Gleichgewichtswert zurück. Die Länge des Porenstücks mit konstantem Durchmesser entspricht im wesentlichen dem Bereich der konstanten Effizienz.Although the efficiency curve according to 9 shows no large fluctuations, it has a clear fine structure. Already within the first seconds after the beginning of the linear increase you can see a characteristic structure with a small peak downwards and then a sharp peak upwards. This structure is repeated in all five periods. Thereafter, the efficiency remains essentially constant at the original value until approximately twice the current is reached. After a drop in efficiency, after the maximum of the etching current has been exceeded, there is a further increase. After the end of the ramp there is a sudden reduction in efficiency to a value that is above the original equilibrium value. During the following constant current intensity, the efficiency falls back to the equilibrium value. The length of the pore piece with constant diameter corresponds essentially to the range of constant efficiency.

Eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Porenprofilierung ist in 11 gezeigt. Bei dieser Probe ist der Bereich der konstanten Stromstärke verkürzt (Halbierung im Vergleich zu den Bedingungen bei 10). Dadurch fällt der Bereich konstanten Porendurchmessers weg und die asymmetrische Rampenform wird deutlich erkennbar. Der Abfall des Porendurchmessers erfolgt beim Ätzen innerhalb einer etwa um den Faktor 2 kürzeren Ätzzeit als der Anstieg.An enlarged representation of a further pore profiling is shown in 11 shown. In this sample, the range of constant current is shortened (halving compared to the conditions at 10 ). This eliminates the area of constant pore diameter and the asymmetrical ramp shape is clearly recognizable. The decrease in the pore diameter takes place during the etching within an etching time which is approximately two times shorter than the increase.

Die Herstellung des Barriereelements einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist nicht auf die Verwendung makroporösen Siliziums beschränkt. Vielmehr sind auch alle anderen, in geeigneter Weise strukturierbaren Halbleiter- oder Kunststoffmaterialien verwendbar. Die Parameter der Porenprofilierung (Asymmetrieverhältnisse, Durchmesser, Zahl der Perioden, Porendurchmesser) können anwendungsabhängig gewählt werden. Die Herstellung des Barriereelements einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist auch nicht auf die angegebene Größe der Siliziumscheibe beschränkt. Siliziumwafer sind wesentlich größer herstellbar, so daß auch die Trennvorrichtung entsprechend größer dimensioniert werden kann. Die Trennvorrichtung kann als Durchflußsystem aufgebaut sein.The manufacture of the barrier element a separation device according to the invention is not limited to the use of macroporous silicon. Much more are all other semiconductors that can be structured in a suitable manner or plastic materials can be used. The parameters of pore profiling (Asymmetry ratios, Diameter, number of periods, pore diameter) can be selected depending on the application. The production of the barrier element of a separation device according to the invention is also not limited to the specified size of the silicon wafer. silicon wafer can be manufactured much larger, so that too the separating device can be dimensioned correspondingly larger. The separator can be constructed as a flow system.

Claims

Method for separating microscopic particles depending on their size, comprising the steps of: - suspending a large number of particles in a carrier medium, and - repeatedly flowing parts of the carrier medium with suspended particles through a barrier device ( 130 . 230 . 330 . 430 . 530 ) between at least two chambers of a separating device ( 100 . 200 . 300 . 400 . 500 ) with alternating reversal of flow direction, characterized in that the barrier device ( 130 . 230 . 330 . 430 . 530 ) comprises macroporous material which has pores with an axial profile which is formed by a pore diameter which varies in the axial pore direction, the net transport speed of the suspended particles being established in the pores when flowing through the superimposition of the flow movement with the thermal diffusion of the suspended particles, which in The strength and direction is dependent on the particle size, so that the particles collect in the chambers on opposite sides of the barrier device, depending on the size.

Method according to Claim 1, in which the flow of the carrier medium through the barrier device involves periodic at least partial pumping back and forth of the carrier medium between at least two chambers of a separating device ( 100 . 200 . 300 . 400 . 500 ) which are separated by the barrier device.

A method according to claim 1, wherein the flow through a periodic at least partial back and forth movement of the barrier device between two chambers of a separation device ( 400 ) covered by the barrier device ( 430 ) are separated.

Method according to claim 1, where the flow through of the carrier medium under the action of gravitational, inertial and / or centrifugal forces.

Procedure according to a of the preceding claims, in which the separation process with spectroscopic or microscopic Funds monitored becomes.

Procedure according to a of the preceding claims, where the particles are synthetic or natural particles with characteristic Dimensions below 10 μm include.

Method according to one of the preceding claims, wherein the periodic flow of the suspended particles through the barrier device through the barrier device ( 130 . 230 . 330 . 430 . 530 ) takes place in such a way that a uniform flow is formed in the case of pores with axially asymmetrical profiling and a temporally asymmetrical flow is formed in the case of pores with axially symmetrical profiling.

Separator ( 100 . 200 . 300 . 400 . 500 ) for the separation of particles depending on their size, which comprises: - at least two chambers ( 110 . 120 . 210 . 220 . 250 . 310 . 320 . 410 . 420 . 510 . 520 ) through a barrier device ( 130 . 230 . 330 . 430 . 530 ), which has a multiplicity of pores, and - a flow drive device ( 140 . 240 . 340 . 440 . 540 ), which is designed to at least partially pump the carrier medium in which the particles are suspended with a periodically reversing flow direction through the barrier device, characterized in that the pores have a profile in which sections widen in the axial pore direction Alternate diameters and sections with decreasing diameters. ^`

Separating device according to claim 8, in which the pores have an asymmetrical profile and the flow drive device ( 140 . 240 . 340 . 440 . 540 ) is designed for periodic pumping back and forth of the carrier medium with a temporally symmetrical shape.

Separating device according to claim 8, wherein the pores have a symmetrical profile, and the flow drive device ( 140 . 240 . 340 . 440 . 540 ) is designed for periodic pumping back and forth of the carrier medium with a temporally asymmetrical shape.

Separating device according to Claim 8, in which the flow drive device ( 140 . 240 . 340 ) a pump device ( 140 . 142 . 143 . 241 . 242 . 243 . 341 ) includes.

Separating device according to Claim 8, in which the flow drive device ( 440 ) a motion drive for the barrier element ( 430 ) includes.

Separating device according to Claim 8, in which the flow drive device ( 540 ) comprises a pivoting or centrifuging drive for the entire separating device.

Separating device according to one of Claims 8 to 13, in which the barrier device ( 130 . 230 . 240 . 330 . 430 . 530 ) is formed by a macroporous disc-shaped material, which is penetrated by the pores in the axial direction perpendicular to the disc plane.

Separating device according to one of Claims 8 to 13, in which the barrier device ( 130 . 230 . 240 . 330 . 430 . 530 ) is formed by macroporous silicon.

Separating device according to claim 15, in which the pores are profiled with characteristic diameters in the range from 1 to 20 μm exhibit.

Use of a method according to one of claims 1 to 7 and a device according to one of claims 8 to 16 for separating microscopic particles depending of their size.