EP1140343A1 - Verfahren und vorrichtung zur konvektiven bewegung von flüssigkeiten in mikrosystemen - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur konvektiven Bewegung von Flüssigkeiten in ikrosystemen

Die Erfindung betrifft Verfahren zur konvektiven Bewegung von ruhenden oder stromenden Flüssigkeiten in Mikrosystemen, insbesondere zum elektro- oder thermokonvektiven Vermischen der Flüssigkeiten, und Vorrichtungen zur Implementierung der Verfahren, wie insbesondere Elektrodenanordnungen in Mikrosystemen zur Auslosung konvektiver Flussigkeitsbewegungen .

In zahlreichen technischen Gebieten, insbesondere in der chemischen Technologie, besteht häufig die Aufgabe, eine Flüssigkeit umzuwälzen oder umzurühren oder mehrere Flüssigkeiten zu vermengen oder zu vermischen. Hierzu werden Flussigkeitsstrome erzeugt, die z.B. mittels mechanischer Barrieren und/oder ak^¬ tiv beweglicher Elemente mechanisch umgewalzt 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 Behalterstruktur ist deren Reynoldszahl von Bedeutung. Für die mechanische Vermischung von Flüssigkeiten in der Behalterstruktur 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 laßt sich gemäß R_e = (p ^• U ^• L) /η abschätzen, wobei p die Dichte der Flüssigkeit, η die Viskosi^¬ t_ät der Flüssigkeit, U die Stromungsgeschwindigkeit und L eine charakteristische Kanalgroße (z.B. Radius des Kanalquer^¬ schnitts) sind. Eine wassrige Losung mit η = 1,6 ^• cm²/s, die durch einen Kanal mit einem Radius r = 25 μm mit einer Geschwindigkeit ü = 500 μm/s strömt, wurde sich beispielsweise eine Reynoldszahl R_e = 0.025 ergeben, was weit unterhalb des obengenannten Richtwertes 1000 liegt. Die stromungsmechamsche Vermengung von Flüssigkeiten durch Hindernisse m der Strömung ist daher auf makroskopische Systeme beschrankt. Auch beim Einsatz aktiv beweglicher Elemente zur Flussigkeitsumwalzung besteht eine Beschrankung auf makroskopische Systeme, da in miniaturisierten Systemen bewegliche Elemente störanfällig sind und leicht Verstopfungen oder Stromungsbehinderungen verursachen können.

Für viele biologische, medizinische und chemisch-technologische Anwendungen wurden die Meß- und/oder Analysensysteme im letzten Jahrzehnt aus Kosten- und Ressourcengrunden und zur Erzielung hochspezifischer Analysen miniaturisiert. Das Problem der Flussigkeitsumwalzung m Mikrosystemen ist edoch bisher nicht gelost. Wegen der geringen Reynoldszahl kann es selbst bei Umstromung von z.B. sich maanderformig kreuzenden Barrieren oder scharfkantigen Stromungshindernissen keine turbulente Strömung ergeben. Werden zwei Flüssigkeiten m einen miniaturisierten Kanal (typischer Querschnitt: 1 mm²) eingeleitet, so wird sich selbst bei Durchstromung einer Kanallange von mehreren Millimetern keine Vermischung der Flüssigkeit außer durch Diffusion ergeben.

Ein allgemein bekannter Ansatz zur Umwälzung strömender Flüssigkeiten in Mikrosystemen besteht m der Aufspaltung eines Kanals m eine Vielzahl engerer Kanäle und deren anschließende Wiedervereinigung in veränderter Relativanordnung. Dabei werden zwar keine beweglichen Teile verwendet. Allerdings besitzen die verengten Kanäle einen charakteristischen Durchmesser, der um einen Faktor 10 bis 40 kleiner als der Ausgangskanal ist. Dadurch steigt der Stromungswiderstand 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 Flüssigkeitskanalen werden mit Elektrodensystemen, die an gegenüberliegenden Kanalwänden über die gesamte Kanallange angebracht sind, wandernde elektische 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 werden beispielsweise als Wanderwellenpumpen oder elektro- hydrodynamische Pumpen von J. R. Melcher et al . in "The Physics of Fluids", Band 10, 1967, Seite 1178 ff., beschrieben. Der mechanische Flussigkeitsvortrieb wird so bewirkt, daß durch den Temperaturgradienten in der Flüssigkeit Leitfahig- keits- und/oder Dielektrizitatskonstantengradienten 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 Kanallange von rd . 1 m und einem typischen Kanalquerschnitt von rd. 3 cm. Es dient ausschließlich der Untersuchung der Elektrokonvektion und erlaubt aufgrund der aufwendigen Maßnahmen zur Herstellung des Temperaturgradienten und zur Ansteuerung der Elektroden über die gesamte Kanallange 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 Flussigkeitstransports m Mikrokanalen gibt und auch ein Beitrag zum oben erläuterten Problem der Flussigkeitsumwalzung in Mikrosystemen nicht geliefert wurde. Eine Flussigkeitsumwalzung wurde nämlich bedeuten, daß die Summe der in einem Bereich des Mikrosystems umgewalzten Flüssigkeiten Null betragt. Die herkömmlichen Wanderwellenpumpen liefern jedoch immer einen Netto-Losungsfluß . Es erfolgt ein gerichtetes Pumpen entlang der Kanalrichtung im Mikrosystem. Ein Mischen von Flüssigkeiten ist mit den herkömmlichen Wanderwellenpumpen nicht möglich.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, verbesserte Verfahren zur konvektiven Bewegung von Flüssigkeiten in Mikrosystemen anzugeben, mit denen eine Umwälzung oder Durchmischung von Flüssigkeiten in Mikrokanalen ohne sich bewegende Teile und ohne Kanalverengungen bei beliebigen Kanalquerschnitten ermöglicht wird. Die Aufgabe besteht insbesondere darin, ein Verfahren zur effektiven Flussigkeitsmischung in Mikrosystemen anzugeben, das auch mit Suspensionen anwendbar ist, die Mikroparti- kel enthalten. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Vorrichtungen zur Implementierung der genannten Verfahren, insbesondere miniaturisierte Flussigkeitsmischer , anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüche 1 bzw. 11 gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird insbesondere eine neues Verfahren zur konvektiven Flussigkeitsbewegung in Mikrosystemen geschaffen, bei dem eine oder mehrere Flüssigkeiten im Mikrosystem wandernden elektrischen Feldern, Wechselfeldern oder elektrischen Feldgradienten mit einer Ausrichtung ausgesetzt werden, die von einer Stromungsrichtung der Flüssigkeit im Mikrosystem und/oder einer Vorzugslangsausrichtung eines Teilabschnitts des Mikrosystems (z.B. Kanalabschnitt) abweicht. Die Ausrichtung der Wechselfelder (Vorzugsrichtung der felderzeugenden Elektroden) , der wandernden elektrischen Felder (Laufrichtung) oder Feldgradienten wird im folgenden allgemein als Feldrichtung bezeichnet. Erfmdungsge- maß verlauft die Feldrichtung z.B. senkrecht zur Stromungsrichtung der Flüssigkeit bzw. senkrecht zur Kanalausrichtung.

Die konvektive Flussigkeitsbewegung kann sowohl in stromenden Flüssigkeiten (quer zur Stromungsrichtung) als auch in ruhenden Flussigkeitsvolumma (z.B. in einem abgeschlossenen Teil eines Mikrosystems) erzeugt werden. Die konvektive Flussigkeitsbewegung ist durch einen geschlossenen Flussigkeitsumlauf gekennzeichnet. Die Summe der im Bereich der erfmdungsgemaß ausgebildeten Feldgradienten verursachten Strome ist Null. Es werden beispielsweise quer zur Kanalrichtung Stromungskreis- laufe erzeugt, die eine Verwirbelung und ein Vermischen der beteiligten Flüssigkeiten verurachen. Dies ist ein überraschendes Ergebnis, nachdem ein freies Vermischen von Flüssigkeiten in Mikrosystemen wegen der oben erläuterten stromungs- mechanischen Grunde für unmöglich gehalten wurde.

Die konvektive Flussigkeitsbewegung wird entsprechend den folgenden Prinzipien ausgelost. An der Grenzflache zwischen zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten (oder Leitfähigkeiten) fuhren die Feldgradienten zu Polaπ- sationserschemungen und Kraftwirkungen, die zur Durchmischung an der und jeder neuen Grenzflache fuhren. Bei Flüssigkeiten oder Flussigkeitsgemischen mit einer genugenden Anisotropie der dielektrischen Eigenschaften oder Polaπsationseigenschaf- ten wird die Durchmischung allem durch den elektrischen Feldgradienten ausgelost. Falls die Flüssigkeit isotrop ist, muß die elektrische Anisotropie durch Ausbildung eines Thermogra- dienten künstlich ausgelost werden. Die Wirkung des Thermogra- dienten wird mit dem folgenden Bild erklart. Mit der Tempera- turanderung werden in einer zunächst isotropen Flüssigkeit entsprechend den Temperaturgradienten auch Gradienten der dielektrischen Eigenschaften oder Polaπsationseigenschaften gebildet. Die Flüssigkeit kann als Schichtung vieler dielektrisch verschiedener Flüssigkeiten betrachtet werden. An den Grenzflachen zwischen den Schichten treten die für die anisotropen Flüssigkeiten genannten Effekte auf. Elektrische Polaπsationserschemungen fuhren zur Vermengung der Flüssig¬

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung erfolgt somit simultan zur Erzeugung der elektrischen Felder die Ausbildung eines thermischen Feldgradienten parallel zur Feldrichtung. Der Thermogradient ist erforderlich, um in der Flüssigkeit die Anisotropie zu erzeugen, die in Zusammenwirkung mit den elektrischen Feldern zum Flussigkeitsvorschub fuhrt. Im Unterschied zu den herkömmlichen Wanderwellenpumpen genügt zur Erzeugung der erfmdungsgemaßen Flussigkeitsumwalzung oder -querstromung ein thermischer Gradient mit einer Temperaturdifferenz zwischen gegenüberliegenden Kanalwanden von 0,5°C bis 1°C. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine derartige Temperaturdifferenz allein durch die Beaufschlagung von Elektrodenanordnungen mit elektrischen Spannungen zur Erzeugung der elektrischen Felder erzielt werden kann, so daß die gesonderte Erzeugung eines externen Thermogradienten nicht zwingend erforderlich ist.

Wenn der Thermogradient extern erzeugt wird, so erfolgt dies vorzugsweise mit einer optischen Bestrahlung. Der interessierende Bereich des Mikrosystems, in dem die elektrischen Feldgradienten ausgebildet sind, wird mit Licht einer geeigneten Wellenlange, die gut m der jeweiligen Flüssigkeit absorbiert wird, bestrahlt. Die Bestrahlung erfolgt vorzugsweise mit einem fokussierten Laserstrahl, der anwendungsabhangig von beliebigen Seiten des Mikrosystems her durch transparente Wandbereiche oder unter Verwendung von Lichtleitern eingekoppelt wird. Durch die optisch induzierte Temperaturerhöhung werden sogenannte "Hot spots" gebildet, die besonders effektiv mit den elektrischen Feldgradienten zur Erzeugung der konvektiven Flussigkeitsbewegung zusammenwirken .

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

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein fluidisches Mikrosystem mit Strukturen angegeben, die zur Flussigkeitsleitung oder -aufnähme eingerichtet sind und in wenigstens einem vorbestimmten Teilabschnitt (Verwirbelungsab- schnitt) eine Elektrodenanordnung zur Ausbildung der wandernden 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 ausgebildet, was einer Querschnittsflache von rd . 1 mm² (oder darunter) entspricht. Die Bereitstellung von Verwirbelungsab- schnitten ist m allen Arten der an sich bekannten Mikrosyste- me möglich. Die Anbringung erfmdungsgemaßer Elektrodenanordnungen 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 Kanalausrichtung abweichenden Feldrichtung. Da simultan zur elektrischen Ansteuerung der thermische Gradient in Feldrichtung erzeugt wird, besteht die Elektrodenanordnung aus Elektrodenelementen, die m Bezug auf die Feldrichtung eine asymmetrische oder unregelmäßige Gestalt besitzen. Dies gilt zumindest für die Ausfuhrungsform, 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 erstmalig die konvektive Flussigkeitsbewegung zur Erzeugung von Flussigkeitsquerstromungen und/oder Verwirbelungen in Mikrokanalen realisiert. Die erfindungsgemaßen Elektrodenanordnungen besitzen einen einfachen und kompakten Aufbau. Daher ist es ausreichend, wenn die Verwirbelungsabschnitte im Mikrosystem m Kanallangsπchtung eine verhältnismäßig geringe Ausdehnung etwa im Bereich der Kanalquerschnittsdimension bis zu einem Fünftel von dieser besitzen. Die erfindungsgemaße Flussig- keitsverwirbelung ist sowohl in ruhenden als auch in stromenden Flüssigkeiten realisierbar. Ein wirksamer Temperaturgradient kann einfach elektrisch mit den Elektrodenanordnungen erzeugt werden. Die Aufbringung eines zusätzlichen, äußeren Temperaturgradienten ist zwar möglich, aber nicht zwingend erforderlich. Die Erfindung ist einfach mit anderen Mikrostruk- turtechmken kompatibel. So können die Elektrodenanordnungen aus Elektroden bestehen, die im wesentlichen wie Elektroden zur Erzeugung von Feldbarπeren zur dielektrophoretischen Manipulierung suspendierter Partikel aufgebaut sind. Erfmdungs- gemaß sind keine beweglichen Teile erforderlich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefugten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 bis 7: verschiedene Ausfuhrungsformen erfindungsgemaßer Elektrodenanordnungen m schematischer Perspektivansicht ausschnittsweise dargestellter Mikro- kanale, und

Fig. 8: eine Illustration zur Anwendung der Erfindung bei der Flussigkeitsdurchmischung m DNA-Chips.

Die Erfindung wird im folgenden aus Ubersichtlichkeitsgrunden anhand von Ausfuhrungsbeispielen erläutert, bei denen der Winkel zwischen den Feld- und Stromungsrichtungen 90° betragt. 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 m Fig. 1 ausschnittweise dargestellt. Der Kanal 13 besitzt einen rechteckigen Querschnitt m t 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 betragt rd. 1 mm. Die Wände des Kanals 13 werden im folgenden entsprechend ihrer Lage m Betriebsposition als Boden-, Deck- und Seitenflachen 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 prozessiert .

Der Kanal 13 ist dazu eingerichtet, von einer Flüssigkeit (Losung oder Suspension) m Pfeilrichtung 14 durchströmt zu werden. Die Stromungsrichtung 14 entspricht der Langsausdehnung des Kanals 13. Emgangsseitig ist der Kanal 13 mit anderen Teilen des Mikrosystems (nicht dargestellt) verbunden. Bei der Ausbildung als Flussigkeitsmischer munden mehrere Teilka- nale in den Kanal 13 stromaufwärts m Bezug auf den Verwirbe- lungsabschnitt 10, der im folgenden beschrieben wird.

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

Die Elektrodengruppen erstrecken sich an der jeweiligen Kanalwand über die gesamte Kanalbreite und m Stromungsrichtung 14 über die Lange des Verwirbelungsabschnitts , die anwendungsabhangig gewählt wird. Die Lange kann beispielsweise der Kanal- breite entsprechen oder kurzer als diese sein (bis zu einem F nftel der Kanalbreite) . Die Elektrodengruppen besitzen in Kanallangsπchtung (entsprechend der Stromungsrichtung 14) vorzugsweise die gleiche Ausdehnung. Es können aber auch verschiedene Dimensionen vorgesehen sein, wie dies unten erlau- O Q0_Ö716S tert wird. Die Elektrodengruppen sind m Bezug auf die Stro- mungsrichtung 14 einander gegenüberliegend oder auch versetzt angeordnet .

Bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 1 besteht jede Elektrodengruppe aus einer Vielzahl von unteren Elektrodenstreifen 11 auf der Bodenflache bzw. oberen Elektrodenstreifen 12 auf der Deckflache des Kanals 13. Die Elektrodenstreifen besitzen jeweils separate Steuerleitungen . Aus Ubersichtlichkeitsgrunden sind nur die Steuerleitungen 11a der unteren Elektrodenstrei- fen 11 dargestellt. Die Elektrodenstreifen sind einzeln oder gruppenweise (z.B. gemeinsame Ansteuerung jedes dritten Elektrodenstreifens ) ansteuerbar.

Die Elektrodenstreifen besitzen eine planare Gestalt, d.h. sie sind schichtformig auf der jeweiligen Kanalwand mit einer Dik- ke aufgebracht, die wesentlich kleiner als die Kanalhohe a ist. Durch die Elektroden wird der Kanalquerschnitt somit praktisch nicht eingeengt. Die Elektrodenstreifen besitzen eine Lange entsprechend der Lange des Verwirbelungsabschnittes und eine vorbestimmte Breite bzw. vorbestimmte Streifenabstande. Die Streifenbreite und der Streifenabstand werden im Bereich von etwa 1/20 bis 1/5 der Kanalhohe a oder darunter ausgewählt. Anwendungsabhangig kann vorgesehen sein, daß die Elektrodenstreifen verschiedene Breiten und verschiedene Streifenabstande oder auch verschiedene Formen besitzen, da diese Merkmale die Effektivität der Flussigkeitsverwirbelung beeinflussen. Die Elektrodenstreifen verlaufen in Kanallangs- richtung und sind zur Erzeugung einer Feldwirkung quer zur Ka- nallangsrichtung eingerichtet (siehe unten).

Die Elektroden bestehen bei allen Ausfuhrungsformen der Erfindung vorzugsweise aus einem inerten Metall (z.B. Gold, Platin, Titan) . Die Elektrodenstreifen und die zugehörigen Steuerlei- tungen sind zweckmaßigerweise mit den Methoden der Halbleiter- technologie auf der jeweiligen Substratoberflache hergestellt.

Die Elektrodengruppen werden erfmdungsgemaß 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 aufeinanderfolgend so angesteuert, daß sich ein quer zur Stromungsπch- tung bewegendes Feldmaximum ergibt. Hierzu werden an die Elektrodenstreifen hochfrequente Signale mit einer bestimmten Phasenverschiebung 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 Ausfuhrungsform 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 m der Feldrichtung schräg oder quer zur Stromungsrichtung 14 elektrische Feldgradienten 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 < 20V) .

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 Flussigkeitsquerstromungen oder eine Flussigkeitsverwirbelung im Verwirbelungsabschnitt zu er- zielen. Bei dieser Ausfuhrungsform werden alle Teilelektroden der Elekrodengruppen gemeinsam angesteuert oder die Elektrodengruppen 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- gemaß eine elektrokonvektive Umwälzung der den Kanal 13 durchsetzenden Flüssigkeit. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Umwälzung der Flüssigkeit (z.B. Vermischen mehrerer Flüssigkeiten) im Stromungsbetrieb bei Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 μm/s realisiert werden kann .

Die Erzeugung der Verwirbelung oder der Quer- bzw. Ringstro- mungen quer oder schräg zur Kanalausrichtung kann durch eine zusatzliche Temperierung des Kanals beeinflußt werden. Bei Aufbringung eines Temperaturgradienten im Bereich des Verwirbelungsabschnittes quer zur Kanalausrichtung, insbesondere durch Erwärmung der Deckflache oder Kühlung der Bodenflache des Kanals 13, kann die Verwirbelung intensiviert werden. Dies ist vorteilhaft, da simultan zur Temperierung eine Verringerung der Amplitude der Steuersignale ermöglicht wird.

Obwohl Fig. 1 nur ein Paar von Elektrodengruppen zeigt, können in Kanallangsrichtung mehrere Verwirbelungsabschnitte mit entsprechend mehreren Elektrodengruppen vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt weitere Ausfuhrungsformen erfmdungsgemaßer Elektrodenanordnungen, die wiederum jeweils aus zwei, an gegenüberliegenden Kanalwanden angebrachten Elektrodengruppen bestehen. Jede Elektrodengruppe besteht aus einer geraden Aneinanderreihung von dreieckigen oder pfeilformigen Elektrodenelementen. Die Aneinanderreihung bildet einen Streifen mit einer Ausrichtung entsprechend der gewünschten Feldrichtung schräg oder quer zur Stromungsrichtung. Die Elektrodenelemente sind so aneinandergereiht, daß jeweils eine Dreiecksspitze hm 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 Bodenflache eine kleinere Anzahl von vergrößerten Elekrodenelementen verglichen mit der Elektrodengruppe 22b auf der Deckflache aufweist. Eine weitere asymmetrische Gestaltung zeigt das Paar der Elektrodengruppen 21c, 22c, die jeweils aus gleich großen, aber m Bezug auf die Dreiecksrichtung umgekehrt orientierten Elektrodenelementen besteht .

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

Weitere Ausfuhrungsformen mit unregelmäßigen Elektrodengestaltungen sind m Fig. 3 dargestellt. Wiederum besteht eine er- f dungsgemaße Elektrodenanordnung aus zwei Elektrodengruppen, die an gegenüberliegenden Kanalwanden angebracht sind. Jede Elektrodengruppen besteht aus einer Aneinanderreihung von Elektrodenelementen, die flächige, dreieckige oder rechteckige Formen verschiedener Großen besitzen. Bei den Elektrodengruppen 31a, 32a bilden die rechteckigen Elektrodenelemente jeder Elektrodengruppe jeweils einen Streifen, der in der gewünschten Feldrichtung (hier z.B. senkrecht zur Stromungsrichtung) 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 erstrek- ken sich im wesentlichen über die gesamte Kanalbreite und besitzen Kanallangsrichtung typische Dimensionen wie die m Fig. 1 gezeigten Elektrodenstreifen .

Zur Erzielung bestimmter Feldgradienten können die Formen der Elektrodenelemente anwendungsabhangig abgewandelt sein. Wiederum sind die Elektrodenelemente einzeln oder gruppenweise ansteuerbar .

Eine weitere Gestaltung einer erfmdungsgemaßen Elektrodenanordnung ist in Fig. 4 gezeigt. Im Kanal 43 ist auf der Bodenflache eine maanderformige Elektrodenanordnung 41 und auf der Deckflache eine flächige Elektrode 42 (gepunktet dargestellt) angebracht. Die maanderformige Elektrodengruppe besteht beim dargestellten Beispiel aus vier Elektroden, die voneinander getrennt, spiralförmig umeinander gelegt in der Ebene der Bodenflache angeordnet sind. Die flachige 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 bevorzugt. Die flachige Elektrode 42 kann durch eine entsprechende Maanderanordnung ersetzt werden. Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung (s. Fig. 5) ist im flussigkeitsdurchstromten Mikrokanal 53 eine Elektrodenanordnung vorgesehen, die aus zwei strukturierten E zel- elektroden 51, 52 besteht. Die Einzelelektroden 51, 52 sind analog zur Positionierung der Elektrodengruppen gemäß den oben erläuterten Ausfuhrungsformen an gegenüberliegenden Kanalwanden angebracht. Jede der Einzelelektroden besitzt eine Strukturierung z.B. in Form einer Aneinanderreihung von dreieckigen Elektrodenelementen (wie dargestellt), die hier jedoch im Unterschied zu der Gestaltung gemäß Fig. 2 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Elektrodenelemente können auch andere geometrische Gestalten besitzen.

Die Herstellung der Einzelelektroden 51, 52 erfolgt entweder durch Prozessierung der gewünschten Elektrodenflache auf der jeweiligen Boden- oder Deckflache durch Aufbringung einer Beschichtung entsprechend der gewünschten Form der Elektrodenelemente oder durch die im folgenden erläuterte Abdecktechnik. Demnach besteht jede Einzelelektrode 51, 52 aus einer flächigen, rechteckigen Elektrode, die sich über die gesamte Kanalbreite erstreckt (gestrichelt gezeichnet) . Die Elektrode tragt eine Isolationsschicht mit Ausnehmungen entsprechend den gewünschten Formen der Elektrodenelemente. Nur an diesen Ausnehmungen oder Offnungen steht die Elektrode mit der Flüssigkeit m direktem Kontakt und wird dadurch auch nur entsprechend diesen Ausnehmungsmustern wirksam. Diese Gestaltung besitzt den Vorteil, daß sich die Elektrodenelemente der Einzelelektroden 51, 52 nicht berühren müssen, da der elektrische Kontakt über die Elektrodenflache unter der Isolationsschicht gewährleistet ist.

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

Bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 6 besteht die erfmdungsge- maße Elektrodenanordnung aus zwei an gegenüberliegenden Kanalwanden angebrachten Elektrodengruppen 61a, 61b bzw. 62a, 62b, die jeweils aus zwei kammartig ineinandergreifenden Elektrodenstreifen bestehen. Der Kanal 63 wird entsprechend der Pfeilrichtung 64 (oder umgekehrt zu dieser) von der Flüssigkeit durchströmt. Wird die Flüssigkeit im Bereich der Elektrodenanordnung hochfrequenten elektrischen Feldern ausgesetzt, so ergibt sich wiederum die gewünschte elektrokonvektive Umwälzung quer zur Kanalrichtung. Die dargestellte Ausfuhrungsform umfaßt insgesamt vier Elektrodenstreifen, die vorzugsweise vierphasig mit einem hochfrequenten Wechselfeld angesteuert werden. Die Elektrodenstreifen sind asymmetrisch m Bezug auf die Streifenbreite und Streifenabstande angeordnet.

Eine erfmdungsgemaße Elektrodenanordnung kann auch eine Okto- polelektrodenanordnung gemäß Fig. 7 umfassen. Es sind an gegenüberliegenden Kanalwanden zwei Elektrodengruppen vorgesehen. Die Elektrodengruppe auf der Bodenflache besteht aus vier einzeln ansteuerbaren, rechteckigen Elektrodenelementen 71a bis 71d. Dazu gegenüberliegend besteht die Elektrodengruppe auf der Deckflache aus vier einzeln ansteuerbaren, rechteckigen Elektrodenelementen 72a bis 72d. Die den Kanal 73 m Pfeilπchtung 74 durchströmende Flüssigkeit wird vorzugsweise einem rotierenden Vier-Phasen-Wechselfeld ausgesetzt. Wie dies erzeugt wird, ist beispielhaft in der folgenden Tabelle angegeben :

Die Oktopolanordnung kann dahingehend modifiziert sein, daß nur vier Elekroden 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 Stromungsrichtung ausgegangen wurde. Davon abweichende Ausrichtungen im eingangs genannten in- kelbereich sind unter entsprechender Anpassung der Elektrodenelemente 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 Kanalwanden wird bevorzugt, wobei jedoch auch abgewandelte geometrische Gestaltungen möglich sind. Anstelle der beschriebenen Ansteuerung der Elektroden mit kontinuierlichen, hochfrequenten Wechselspannungen ist auch eine pulsformige Ansteuerung möglich. Die Elektroden können auch Elektrodenelemente umfassen, die m Bezug auf die Stromungsrichtung strukturiert und separat ansteuerbar sind. Damit konnte die Feldrichtung wahrend der Flussigkeitsumwal^¬ zung geändert werden,. z.B. auf das Ergebnis der Umwälzung oder auf bestimmte Flussigkeitseigenschaften zu reagieren. Bevorzugte Anwendungen der Erfindung liegen in allen Bereichen des Einsatzes von Mikrosystemen für biotechnologische, medizinische, diagnostische, chemisch-technologische oder pharmako- logische Aufgaben. Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung in sogenannten DNA-Chips wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 8 erläutert.

Ein DNA-Chip ist allgemein eine Probenkammer mit mindestens einer modifizierten Oberflache. Die modifizierte Wandoberflache besitzt eine vorbestimmte molekulare Beschichtung zur Bildung eines Substrats für DNA-Reaktionen. Zum Aufbau von bestimmten DNA-Konfigurationen werden Nukleotide in die Probenkammer eingeführt und mit dem Substrat bzw. bereits gewachsenen DNA-Strangen zur Reaktion gebracht. Die Reaktion wird durch eine Umwälzung der Flüssigkeit beschleunigt. Andererseits muß auch vermieden werden, daß bereits gewachsene DNA- Strange von der modifizierten Wandoberflache abgetrennt werden. Hierzu kann mit Vorteil das erfindungsgemaße Verfahren zur konvektiven Flussigkeitsbewegung eingesetzt werden.

Fig. 8 zeigt in schematischer Querschnittsansicht einen DNA- Chip 80, an dessen Innenwände Elektrodenanordnungen 81 bzw. 82 vorgesehen sind. Der DNA-Chip besitzt einen Zulauf 83 und einen Ablauf 84. Die in der Darstellung untere, innere Chipwand 85 bildet das oberflachenmodifizierte Substrat für das DNA-Wachstum. Die DNA-Strange 86 (schematisch eingezeichnet) wachsen in der durch den Zulauf 83 eingef hrten Nukleotidlo- sung (Pfeilrichtung). Nach den oben erläuterten Prinzipien werden mit den Elektrodenanordnungen 81, 82 elektrische Feldgradienten mit einer von der Stromungsrichtung abweichenden Ausrichtung erzeugt. Damit ergibt sich im DNA-Chip 80 eine Durchmischung der Nukleotidlosung . Diese Durchmischung kann durch Einstellung von optisch induzierten Thermogradienten in vorbestimmte Fokuspositionen 87 der Laserbestrahlung 88 lokal begrenzt werden, so daß eine Durchmischung lediglich an den freien Enden der DNA-Strange 86 erfolgt.

Es kann aber auch eine Durchmischung im gesamten DNA-Chip 80 vorgesehen sein. In jedem Falle besitzt die Umwälzung der zu- gefuhrten Nukleotidlosung den Vorteil, daß die Geschwindigkeit der DNA-Synthese erheblich erhöht wird.

Die Erfindung wurde hier unter Bezug auf stromende Suspen- sionsflussigkeiten beschrieben, kann aber auch entsprechend m ruhenden Flüssigkeiten oder verwirbelten Flüssigkeiten angewendet werden. Die Erfindung wurde ferner oben unter Bezug auf Ausfuhrungsformen beschrieben, bei denen jeweils an gegenüberliegenden Kanalwanden Elektrodenanordnungen vorgesehen sind. Gemäß einer Abwandlung ist es auch möglich, nur an einer Kanalwand eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung des oder der Feldgradienten vorzusehen.

Claims

PATENTA SPRUCHE

1. Verfahren zur konvektiven Bewegung mindestens einer Flüssigkeit in einem Kanal eines Mikrosystems, der eine vorbestimmte Kanalrichtung besitzt, dadurch gekennzeichnet:, daß die Flüssigkeit in einem Teilabschnitt des Kanals einem elektrischen Feldgradienten ausgesetzt wird, der in dem Teilabschnitt entsprechend einer vorbestimmten Feldrichtung erzeugt wird, wobei die Feldrichtung von der Kanalrichtung abweicht, und die Flüssigkeit unter Wirkung des Feldgradienten in einer von der Kanalrichtung abweichenden Richtung bewegt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem simultan zur Erzeugung des elektrischen Feldgradienten ein thermischer Gradient in dem Teilabschnitt des Kanals erzeugt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der thermische Gradient mit einer Elektrodenanordnung erzeugt wird, die im Teilabschnitt auf mindestens einer Kanalwand angebracht ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der thermische Gradient durch eine fokussierte Bestrahlung des Teilabschnitts des Kanals erzeugt wird.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die elektrischen Felder wandernde elektrische Felder, deren Laufrichtung der Feldrichtung entspricht, elektrische Feldgradienten mit einer Ausrichtung entsprechend der Feldrichtung oder Wechselfelder umfassen, die mit felderzeugenden, Feldrichtung ausgerichteten Elektroden gebildet werden.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Winkeldifferenz zwischen der Stromungsrichtung und der Feldrichtung im Bereich von 60° bis 120° gewählt wird.

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

8. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem mindestens eine der Flüssigkeiten eine Suspension mit biologischen oder synthetischen Mikropartikeln ist.

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

10. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Mischen von Flüssigkeiten, zur chemischen Behandlung von Mikropartikeln m einer Suspension durch eine Behandlungslosung oder zur Umwälzung einer m einem Mikrosystem stromenden Flüssigkeit.

11. Vorrichtung zur konvektiven Bewegung einer Flüssigkeit in einem Mikrosystem, bestehend aus einer Elektrodenanordnung in einem vorbestimmten Teilabschnitt eines Kanals mit einer vorbestimmten Kanalrichtung des Mikrosystems, wobei die Elektrodenanordnung zur Ausbildung eines elektrischen Feldgradienten entlang einer vorbestimmten Feldrichtung eingerichtet ist, die von der Kanalrichtung abweicht.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Elektrodenanordnung Elektrodengruppen oder Einzelelektroden umfaßt, die jeweils an mindestens einer Wand des Kanals angebracht sind.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die Elektrodengruppen aus Elektrodenstreifen bestehen, die sich über die Lange des Teilabschnitts in Längsrichtung des Kanals erstrecken und einzeln ansteuerbar sind.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei dem die Elektrodengruppen oder Einzelelektroden aus flächigen Elektrodenelementen bestehen, die im Teilabschnitt entsprechend der Feldrichtung streifenformig angeordnet sind und die separat oder gemeinsam ansteuerbar sind.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der die Elektrodenelemente Rechteck-, Dreieck- und/oder Pfeilstrukturen bilden.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die Elektrodenanordnung maander- oder kammformige Einzelelektroden oder Okto- pol-Elektrodenanordnungen aufweist .

17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der die Lange des jeweiligen Teilabschnitts kleiner oder gleich einer charakteristischen Querschnittsdimension der Kanalstruk¬

18. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem eine Bestrahlungseinrichtung zur Erzeugung einer optischen Bestrahlung (88) mit Fokus im jeweiligen Teilabschnitt vorgese¬

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, bei der die Bestrahlungseinrichtung durch mindestens eine Laser-Lichtquelle gebildet wird.

20. Fluidisches Mikrosystem, das mindestens eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19 enthalt.

21. DNA-Chip (80), das mindestens eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19 enthalt.