EP1331986B1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von mikrokonvektionen - Google Patents

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EP1331986B1
EP1331986B1 EP01993505A EP01993505A EP1331986B1 EP 1331986 B1 EP1331986 B1 EP 1331986B1 EP 01993505 A EP01993505 A EP 01993505A EP 01993505 A EP01993505 A EP 01993505A EP 1331986 B1 EP1331986 B1 EP 1331986B1
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EP
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radiation
compartment
microsystem
liquid
electrode
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Thomas Schnelle
Torsten Müller
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PerkinElmer Cellular Technologies Germany GmbH
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Evotec Technologies GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for generating a convective Fluid movement in a fluidic microsystem, in particular a method for mixing or vortexing Solutions or particle suspensions in a fluidic microsystem with simultaneous training electrical and thermal Field gradients, and a fluidic microsystem used for Implementation of the procedure is set up.
  • Fluidic microsystems have numerous applications in the Biochemistry, medicine and biology, in particular for analysis and Manipulation of dissolved substances or suspended particles. Through the miniaturization and massive parallelization which result in processes occurring in microsystems (or: microchips) particular advantages for the analysis and synthesis of in high combinatorial biodiversity present Macromolecules (see G.H.W. Sanders et al., Trends in Analytical Chemistry ", Vol. 19/6, 2000, page 364 et seq., W. Ehrfeld in "Topics in Current Chemistry", Ed. A. Manz et al., Vol 194, Springer-Verlag, 1998, page 233 ff). Applications of fluidic Microsystems are particularly evident in basic research, z.
  • a general problem of fluidic microsystems is that due to the small dimensions of the microchip formed in the Compartments (eg channels, reservoirs, etc.) in the submillimeter range hydrodynamic fluid flows small Reynolds numbers have. Liquids pass through fluidic microsystems as laminar flows. Intended to be in the microsystem By mixing liquids, this would be done with adjacent ones laminar flows are based only on diffusion. Despite the small dimensions of the microsystem, the diffusion would For example, of biological macromolecules relatively slow take place and thus the throughput of the microsystem greatly limited become.
  • FIG. 4 is a conventional convective fluid movement system schematically illustrated, as for example from WO 00/37165 is known.
  • a Turbulence of the liquid done. This is on the ground 11 'an electrode assembly 20' is provided, which is for generating an electric field gradient transverse to the flow direction A. is set up.
  • the liquid is heated in the compartment 10 '. The heating creates a thermal gradient.
  • the generation of a convective fluid movement illustrated in FIG has several disadvantages.
  • the generation of the local Heating the liquid sets a suitable radiation absorption in advance in the liquid.
  • Another disadvantage is in that suspended particles optionally with lasers (optical traps) manipulated in the microsystem or optically to be detected. It can cause mutual interference different irradiations come.
  • the reproducibility limited to field- and radiation-induced convection, as the focus is on generating local warming in the liquid is positioned only with limited reproducibility can be.
  • the object of the invention is to provide an improved method for Generation of a convective fluid movement in a fluidic Microsystem provide, with the disadvantages of conventional Techniques for mixing or vortexing liquids be overcome.
  • the method is intended in particular a have extended usefulness in that the convective Fluid movement independent of the absorption behavior or other properties of the liquid in the microsystem and adjustable with high reproducibility.
  • the task It is also an object of the invention to provide an improved microsystem for To provide implementation of this method.
  • the basic idea of the invention is to use the conventional technique for convective fluid movement through simultaneous exercise of electrical and thermal gradient to evolve to that in each relevant compartment of the microsystem simultaneously time-varying electric fields and by irradiation solid radiation absorber, which in the compartment are arranged, at least one thermal gradient generated become.
  • the provision of radiation absorbers in the microsystem has the advantage that when exposed to external radiation local heating takes place and a defined thermal gradient regardless of the properties of the liquid with reproducible geometric properties and without disturbing others optical measurements or manipulations generated in the microsystem becomes.
  • the local heating takes place in the microsystem by irradiation of radiation absorbers.
  • the warming will generated with an irradiation source, directed by the energy (focused) and contactless on the radiation absorber is transmitted. There is no direct mechanical contact between the radiation absorbers and the source of the radiation field.
  • the radiation source and radiation absorber are rather spaced apart.
  • the heating of the radiation absorber For example, by focusing at least one Laser beam on radiation absorber or targeted heating by high-frequency radiation (microwave radiation).
  • the radiation absorbers are preferably on wall surfaces of the compartment or electrodes in the compartment.
  • Particularly advantageous is the training of at least one Electrode or electrode parts (eg partial layers, surface structures) as a radiation absorber. This will be a direct Heating the electrodes allows.
  • the thermal gradient is automatically in the same fluid area as the electrical Gradient generated.
  • the frequency of time-varying electric fields becomes selected depending on application. It preferably corresponds to the mean inverse dielectric relaxation time of the liquid and is at least for aqueous solutions, for example 1 kHz or for oily liquids 1 Hz or less.
  • the subject of the invention is also a microsystem with at least a compartment suitable for the realization of the invention convective fluid movement is set up and this in particular has at least one solid radiation absorber.
  • the microsystem according to the invention has the advantage of a simplified Construction. At any location in the fluidic microsystem can compartments with radiation absorbers for convective Fluid movement by appropriate positioning of the electrodes for generating the electric fields and the radiation absorber be provided.
  • Fig. 1 illustrates in the various implementations of radiation absorbers are illustrated.
  • the implementation of the invention is but not on the simultaneous realization of the different ones Variants limited. Rather, in practice, application-dependent one or more of those shown in Figure 1 Radiation absorber be provided in a microsystem.
  • Fig. 1 shows a compartment 10 of a fluidic microsystem 100.
  • the compartment 10 represents any section of the Microsystem 100, for example, through a channel, a reservoir, a confluence, a branch or another Structure formed in the microsystem.
  • the compartment 10 is for example, from a particle suspension in the direction of arrow A flows through and comprises at least one bottom 11 and side surfaces 12. On the upper side, the compartment 10 can be open or be closed by a top surface 13.
  • the cross-sectional dimensions of the compartment 10 are typically in the submillimeter range. Further details of the fluidic Microsystem 100, in particular its function, its production and its structure are known per se and therefore become not explained in detail here.
  • the flowing in the direction of arrow A (or even a dormant) liquid can be moved convectively.
  • an electrode assembly 20 for training a time-varying electric field provided.
  • the electrode assembly 20 comprises at least one free, but preferably at least two electrodes 21, 22, the at one or more walls of the compartment 10 are arranged.
  • Fig. 1 are exemplary 2 strip-shaped electrodes 21, 22nd illustrated at the bottom 11. Connecting cables for connection with a voltage source (not shown) are known per se Way provided.
  • a radiation absorber is a radiation-absorbing Area in the compartment with a defined spatial Limitation is formed. This can be done by contribution and Structuring of radiation-absorbing materials in the compartment 10 and / or focusing an external radiation field (Arrow B) on solid components of the compartment 10 (z. As electrodes, walls). This means that radiation absorber optionally by wall areas or non-conductive Extensions of the electrodes can be formed.
  • absorber surfaces 31 are at the various Walls of the compartment 10 (floor 11, side surfaces 12, top surface 13) is provided. The absorber surfaces 31 exist from a suitably chosen material, which has the highest possible Has absorption for the external radiation field.
  • the size of the Radiation absorber is application dependent to the dimension of Compartment 10 and optionally the shape of the external radiation field (in particular focusability) is adjusted and is preferably at least equal to half the wavelength of the used Radiation selected.
  • the size is for example in Range 0.5 to 25 ⁇ m.
  • radiation absorbers are used by at least one electrode as a whole (reference numeral 32) or a radiation-absorbing surface structure 33 at least one electrode (see electrode 21) is formed.
  • the electrodes 21, 22 preferably one in the infrared Spectral range "black" material, such.
  • Multilayer electrodes can also be used the z. Example of titanium / platinum or chrome / gold.
  • electrodes made of a conductive, transparent material eg ITO, conductive polymers
  • a vortexing or mixing takes place in the compartment 10
  • Mechanisms, such as T. from the conventional convective Fluid movement are known.
  • education electric fields in inhomogeneous media voltages are induced under whose effect fluid movements occur.
  • Training of the local thermal gradient By local heating
  • the radiation absorber increases its temperature. In the Liquid forms a temperature field with a gradient out.
  • the direct heating of the electrodes takes place 21, 22 with infrared radiation, z. B. with an infrared laser.
  • the radiation absorber arranged according to the invention further allow the vertebrae to be localized and the inertia of the system because of the small to be heated Volumes is particularly low ( ⁇ 0.1 s).
  • Another Advantage arises in fluidic microsystems that are used for dielectrophoretic Set up manipulation of suspended particles are.
  • the electrode assembly 20 may at the same time to the formation of the time-varying electrical Field and the dielectrophoretic manipulation of Particles (eg from biological cells) can be used (see Fig. 3).
  • the coupling of the radiation field is carried out from the outside at least one transparent wall of the compartment 10 or through an optical fiber.
  • the coupling of the radiation field is preferably in a direction (B), that of the flow direction (A) deviates in the compartment.
  • a wall for example, the top surface 13 or the Bottom 11 of a transparent material (eg plastic, Glass or the like).
  • the irradiation of the compartment 10 can, depending on the design and Absorption properties of the radiation absorber with a widened or a focused beam. There can be or multi-focus lasers are used. When irradiated with expanded beam can be several radiation absorbers simultaneously to be heated. According to the geometric arrangement the radiation absorber gives a certain vortex pattern in the compartment 10. At focused irradiation, at least a focus (see, for example, reference numeral 40) corresponding to at least directed a radiation absorber. The irradiation takes place preferably perpendicular to the bottom, top or side surfaces of the compartment.
  • the electrodes are made of a transparent material.
  • a transparent floor 11 electrodes of an infrared absorbing material or Multi-layer electrodes with bottom-side arranged infrared absorbing Material are arranged.
  • the inventive method is characterized implemented that the external radiation field on the wall of the compartment is focused.
  • the focus is preferably immediately adjacent to the electrodes z. B. on the floor 11th or the top surface 13.
  • the external radiation field can also be caused by high-frequency electromagnetic Radiation are formed, which is an inductive heating the electrode assembly 20 causes. It can also be a warming (Thermal irradiation) of the electrode assembly by in the Wall (eg the bottom 11) of the compartment 10 recessed heating elements be provided.
  • Fig. 2 shows an embodiment of an inventive Microsystem 100 in a schematic plan view.
  • Two channels 15, 16, each bounded by side surfaces 12 are, with flows through different liquids and open into one common channel 17.
  • the electrode assembly 20 includes two dashed lines Electrodes 21, 22, which are arranged at the bottom 12 of the compartment 10 are, and two solid-drawn electrodes 23, 24, opposite to the bottom electrodes at the (not shown) Top surface of the compartment 10 are arranged.
  • the Irradiation of the compartment 10 is perpendicular to the plane of the drawing from the perspective of the viewer.
  • the bottom 11 forms the side facing away from the irradiation.
  • the top surface is that of Irradiation facing side of the compartment 10.
  • the electrodes 21-24 are connected to an external AC source connected. Between the electrodes becomes an electrical Generated alternating field. By the external irradiation takes place Heating up individual or all electrodes. For example, can be provided that only the upper, facing the irradiation Electrodes are heated.
  • the ground and Cover surfaces provided electrodes shaped differently shaped, allowing them to project from the direction of irradiation are not congruent. This allows, optionally only the lower or only the upper electrodes on the ground or the Cover area of the compartment to be irradiated.
  • the asymmetry of Electrodes are illustrated in FIG.
  • the lower electrodes 21, 22 have a longer length, so they go beyond the projection the upper electrodes 23, 24 protrude.
  • Reference numeral 40 only the lower electrodes are heated.
  • Fig. 3 is a further embodiment of the invention in illustrated schematic plan view in which the microsystem 100 also two converging at the compartment 10 channels 15, 16.
  • the electrode assembly 20 formed by an electrode occtol.
  • Electrodes 21-24 shown with large diameters
  • the remaining four electrodes 25-28 are arranged on the (not shown) top surface.
  • the electrode occtol forms when exposed to rotating electrical voltages a field cage, in which in per se known Way, a particle (eg, a biological cell) is suspended can be held.
  • the object of the arrangement illustrated in FIG. 3 is to the particles 50 simultaneously with those from the channels 15 and 16 to treat inflowing liquids.
  • the electrode arrangement 20 becomes simultaneous to the formation of the dielectric field cage and for generating the alternating electric fields for convective Fluid movement used. Since analogous to the representation in 2 shows the lower and upper electrodes in the direction of irradiation are not congruent, the lower electrodes in the Points 40 are focused from the outside irradiated and thus heated.
  • the inflowing liquids are locally in the range of Field cage swirled.
  • Electrodes 21-24 at the bottom 11 includes while on the irradiation facing side no or free (floating) electrodes are provided. However, the mixing takes place with a lower effectiveness.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbewegung in einem fluidischen Mikrosystem, insbesondere ein Verfahren zum Vermischen oder Verwirbeln von Lösungen oder Partikelsuspensionen in einem fluidischen Mikrosystem unter gleichzeitiger Ausbildung elektrischer und thermischer Feldgradienten, und ein fluidisches Mikrosystem, das zur Umsetzung des Verfahrens eingerichtet ist.
Fluidische Mikrosysteme besitzen zahlreiche Anwendungen in der Biochemie, Medizin und Biologie, insbesondere zur Analyse und Manipulierung von gelösten Substanzen oder suspendierten Partikeln. Durch die Miniaturisierung und massive Parallelisierung der in Mikrosystemen (oder: Mikrochips) ablaufenden Prozesse ergeben sich besondere Vorteile für die Analyse und Synthese von in hoher kombinatorischer Vielfalt vorliegenden biologischen Makromolekülen (siehe G. H. W. Sanders et al. in Trends in Analytical Chemistry", Band 19/6, 2000, Seite 364 ff; W. Ehrfeld in "Topics in Current Chemistry", Herausgeber A. Manz et al., Band 194, Springer-Verlag, 1998, Seite 233 ff). Anwendungen der fluidischen Mikrosysteme ergeben sich insbesondere in der Grundlagenforschung, z. B. zur DNA- oder Proteinanalyse, oder auch in der Wirkstoffforschung (kombinatorische Chemie). Weitere Anwendungen ergeben sich bei der Analyse und Manipulierung einzelner biologischer Zellen oder Zellgruppen (siehe G. Fuhr et al. in "Topics in Current Chemistry", Herausgeber A. Manz et al., Band 194, Springer-Verlag, 1998, Seite 83 ff).
Ein generelles Problem fluidischer Mikrosysteme besteht darin, dass durch die geringen Dimensionen der in den Mikrochips gebildeten Kompartimente (z. B. Kanäle, Reservoire usw.) im Submillimeterbereich hydrodynamische Flüssigkeitsströmungen kleine Reynolds-Zahlen besitzen. Flüssigkeiten durchlaufen fluidische Mikrosysteme als laminare Strömungen. Soll im Mikrosystem ein Durchmischen von Flüssigkeiten erfolgen, so würde dies bei benachbarten laminaren Strömungen lediglich auf Diffusion beruhen. Trotz der geringen Dimensionen des Mikrosystems würde die Diffusion beispielsweise von biologischen Makromoleküle relativ langsam erfolgen und damit der Durchsatz des Mikrosystems stark limitiert werden.
Es besteht ein Interesse an einer konvektiven Bewegung von Flüssigkeiten im Mikrosystem (Verwirbeln einer Flüssigkeit, Durchmischen mehrerer Flüssigkeiten), die mit geringer Trägheit und weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit erfolgt und eine gute optische Beobachtbarkeit gewährleistet.
Es sind verschiedene Ansätze zur Einführung von Flüssigkeitsverwirbelungen oder -durchmischungen in Mikrosystemen bekannt. Die Verwendbarkeit mechanischer Mischer, wie sie in der Makrowelt üblicherweise eingesetzt werden, ist wegen des starken Verschleißes (Reibung) im Mikrosystem stark eingeschränkt. Mechanisch bewegliche Teile des Mikrosystems sind wegen der Anlagerung von Makromolekülen sehr störanfällig. Des weiteren wird von W. Ehrfeld (siehe oben) beschrieben, Flüssigkeiten durch Aufteilen von Strömungen in Teilkanäle und anschließendes Vereinigen der Teilkanäle mit einer veränderten räumlichen Anordnung zu durchmischen. Diese Technik besitzt den Nachteil, dass in den Teilkanälen wiederum laminare Strömungen fließen. Eine vollständige Durchmischung wird nicht erreicht. Von S. Shoji wird in "Topics in Current Chemistry", Herausgeber A. Manz et al., Band 194, Springer-Verlag, 1998, Seite 167 ff, ein Durchmischen von Flüssigkeiten unter Verwendung von Trägheitskräften z. B. in langen, stark verwinkelten Kanälen beschrieben. Diese Technik besitzt jedoch den Nachteil, dass die Mikrosysteme einen komplizierten Aufbau erhalten. Außerdem ist ein Durchmischen der Flüssigkeiten in den abgewinkelten Kanälen nur bei sehr hohen Flussgeschwindigkeiten (Reynolds-Zahl 2-100) erzielbar.
Es ist auch bekannt, durch die simultane Ausbildung von elektrischen und thermischen Feldgradienten in fluidischen Mikrosystemen eine konvektive Flüssigkeitsbewegung zu erzeugen. In Fig. 4 ist ein herkömmliches System zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung schematisch illustriert, wie es beispielsweise aus WO 00/37165 bekannt ist. Ein Kompartiment 10' eines fluidischen Mikrosystems 100' wird beispielsweise von einer Partikelsuspension durchströmt (Pfeilrichtung A). Im Kompartiment 10' soll eine Verwirbelung der Flüssigkeit erfolgen. Hierzu ist am Boden 11' eine Elektrodenanordnung 20' vorgesehen, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldgradienten quer zur Strömungsrichtung A eingerichtet ist. Gleichzeitig zur Erzeugung des elektrischen Feldgradienten wird die Flüssigkeit im Kompartiment 10' erwärmt. Durch die Erwärmung wird ein thermischer Gradient gebildet. Es erfolgt eine Schichtung der Flüssigkeit mit verschiedenen entsprechend dem thermischen Gradienten angeordneten Teilschichten, die jeweils verschiedene dielektrische Eigenschaften besitzen. Unter Wirkung des elektrischen Feldgradienten werden auf die verschiedenen Teilschichten Kräfte ausgeübt, die effektiv zu einer konvektiven Verwirbelung der Flüssigkeit führen. Zur Erzeugung des thermischen Gradienten wird in WO 00/37165 vorgeschlagen, durch eine transparente Deckfläche 13' einen Laserstrahl (Pfeilrichtung B) in die Flüssigkeit zu fokussieren. Die Flüssigkeit erwärmt sich lokal, so dass der gewünschte thermische Gradient ausgebildet wird. Der Fokus 40' wird mit Abstand vom Boden und den Seitenflächen (siehe Doppelpfeile) in der Flüssigkeit erzeugt.
Die in Fig. 4 illustrierte Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbewegung besitzt mehrere Nachteile. Die Erzeugung der lokalen Erwärmung der Flüssigkeit setzt eine geeignete Strahlungsabsorption in der Flüssigkeit voraus. Für zahlreiche, insbesondere bei biologischen Anwendungen interessierende Lösungen oder Suspensionsmedien ist dadurch eine starke Einschränkung der zur Bestrahlung verwendbaren Laser gegeben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass suspendierte Partikel gegebenenfalls mit Lasern (optischen Fallen) im Mikrosystem manipuliert oder optisch detektiert werden sollen. Es kann zur gegenseitigen Störung der verschiedenen Bestrahlungen kommen. Schließlich ist die Reproduzierbarkeit der feld- und strahlungsinduzierten Konvektion eingeschränkt, da der Fokus zur Erzeugung der lokalen Erwärmung in der Flüssigkeit nur mit beschränkter Reproduzierbarkeit positioniert werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbewegung in einem fluidischen Mikrosystem bereitzustellen, mit dem die Nachteile herkömmlicher Techniken zum Durchmischen oder Verwirbeln von Flüssigkeiten überwunden werden. Das Verfahren soll insbesondere eine erweiterte Brauchbarkeit dahingehend besitzen, dass die konvektive Flüssigkeitsbewegung unabhängig vom Absorptionsverhalten oder anderen Eigenschaften der Flüssigkeit im Mikrosystem erfolgt und mit hoher Reproduzierbarkeit einstellbar ist. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Mikrosystem zur Umsetzung dieses Verfahrens bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren und einem Mikrosystem mit den Merkmalen gemäß den Patenansprüchen 1 bzw. 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Grundidee der Erfindung ist es, die herkömmliche Technik zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung durch simultane Ausübung elektrischer und thermischer Gradienten dahingehend weiterzuentwickeln, dass im jeweils interessierenden Kompartiment des Mikrosystems gleichzeitig zeitlich veränderliche elektrische Felder und durch Bestrahlung fester Strahlungsabsorber, die im Kompartiment angeordnet sind, mindestens ein thermischer Gradient erzeugt werden. Die Bereitstellung der Strahlungsabsorber im Mikrosystem besitzt den Vorteil, dass bei äußerer Bestrahlung eine lokale Erwärmung erfolgt und ein definierter thermischer Gradient unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit mit reproduzierbaren geometrischen Eigenschaften und ohne Störung anderer optischer Messungen oder Manipulationen im Mikrosystem erzeugt wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die lokale Erwärmung im Mikrosystem durch Bestrahlung von Strahlungsabsorbern. Die Erwärmung wird mit einer Bestrahlungsquelle generiert, von der Energie gerichtet (fokussiert) und berührungslos auf die Strahlungsabsorber übertragen wird. Es besteht kein direkter mechanischer Kontakt zwischen den Strahlungsabsorbern und der Quelle des Strahlungsfeldes. Die Bestrahlungsquelle und Strahlungsabsorber sind vielmehr voneinander beabstandet. Die Erwärmung der Strahlungsabsorber erfolgt beispielsweise durch Fokussierung mindestens eines Laserstrahls auf Strahlungsabsorber oder eine gezielte Erwärmung durch hochfrequente Strahlung (Mikrowellenstrahlung).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung zur Verwendung von Infrarotstrahlen absorbierenden Strahlungsabsorbern ausgelegt. Die Strahlungsabsorber sind vorzugsweise an Wandflächen des Kompartiments oder an Elektroden im Kompartiment vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der mindestens einen Elektrode oder von Elektrodenteilen (z. B. Teilschichten, Oberflächenstrukturen) als Strahlungsabsorber. Damit wird ein direktes Erwärmen der Elektroden ermöglicht. Der thermische Gradient wird automatisch im gleichen Flüssigkeitsbereich wie der elektrische Gradient erzeugt.
Die Frequenz der zeitlich veränderliche elektrische Felder wird anwendungsabhängig gewählt. Sie entspricht vorzugsweise der mittleren inversen dielektrischen Relaxationszeit der Flüssigkeit und beträgt beispielsweise für wässrige Lösungen mindestens 1 kHz oder für ölige Flüssigkeiten 1 Hz oder weniger.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Mikrosystem mit mindestens einem Kompartiment, das zur Realisierung der erfindungsgemäßen konvektiven Flüssigkeitsbewegung eingerichtet ist und hierzu insbesondere mindestens einen festen Strahlungsabsorber aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorzugsweise ein Mikrosystem mit mindestens einer äußeren Bestrahlungsquelle bereitgestellt, mit der der mindestens eine feste Strahlungsabsorber lokal erwärmt wird. Diese Kombination besitzt den besonderen Vorteil eines kompakten und vielseitig einsetzbaren Aufbaus.
Das erfindungsgemäße Mikrosystem hat den Vorteil eines vereinfachten Aufbaus. An beliebigen Orten im fluidischen Mikrosystem können Kompartimente mit Strahlungsabsorbern zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung durch entsprechende Positionierung der Elektroden zur Erzeugung der elektrischen Felder und der Strahlungsabsorber vorgesehen sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1:
eine schematische Perspektivansicht eines Kompartiments eines fluidischen Mikrosystems,
das zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Ver fahrens eingerichtet ist,
Fig. 2:
eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrosystems,
Fig. 3:
eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrosystems, und
Fig. 4:
eine schematische Perspektivansicht eines herkömmlichen Mikrosystems, das zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung eingerichtet ist (Stand der Technik).
Die Grundidee der Erfindung wird zunächst unter Bezug auf Fig. 1 erläutert, in der verschiedene Realisierungen von Strahlungsabsorbern illustriert sind. Die Umsetzung der Erfindung ist jedoch nicht auf die gleichzeitige Realisierung der verschiedenen Varianten beschränkt. Vielmehr können in der Praxis anwendungsabhängig einzelne oder mehrere der in Figur 1 dargestellten Strahlungsabsorber in einem Mikrosystem vorgesehen sein.
Fig. 1 zeigt ein Kompartiment 10 eines fluidischen Mikrosystems 100. Das Kompartiment 10 stellt einen beliebigen Ausschnitt des Mikrosystems 100 dar und wird beispielsweise durch einen Kanal, ein Reservoir, einen Zusammenfluß, einen Abzweig oder eine andere Struktur im Mikrosystem gebildet. Das Kompartiment 10 wird beispielsweise von einer Partikelsuspension in Pfeilrichtung A durchströmt und umfasst mindestens einen Boden 11 und Seitenflächen 12. Auf der oberen Seite kann das Kompartiment 10 offen oder durch eine Deckfläche 13 verschlossen sein. Die Querschnittsdimensionen des Kompartiments 10 liegen typischerweise im Submillimeterbereich. Weitere Einzelheiten des fluidischen Mikrosystems 100, insbesondere seiner Funktion, seiner Herstellung und seines Aufbaus sind an sich bekannt und werden daher hier im Einzelnen nicht erläutert.
Im Kompartiment 10 soll die in Pfeilrichtung A fließende (oder auch eine ruhende) Flüssigkeit konvektiv bewegt werden. Hierzu ist im Kompartiment 10 eine Elektrodenanordnung 20 zur Ausbildung eines zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes vorgesehen. Die Elektrodenanordnung 20 umfaßt mindestens eine freie, vorzugsweise jedoch mindestens zwei Elektroden 21, 22, die an einer oder mehreren Wänden des Kompartiments 10 angeordnet sind. In Fig. 1 sind beispielhaft 2 streifenförmige Elektroden 21, 22 am Boden 11 illustriert. Anschlussleitungen zur Verbindung mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) sind in an sich bekannter Weise vorgesehen.
Im Kompartiment 10 sind des weiteren Strahlungsabsorber 30 angeordnet. Ein Strahlungsabsorber ist ein strahlungsabsorbierender Bereich, der im Kompartiment mit einer definierten räumlichen Begrenzung ausgebildet ist. Dies kann durch Einbringung und Strukturierung strahlungsabsorbierender Materialien im Kompartiment 10 und/oder Fokussierung eines äußeren Strahlungsfeldes (Pfeilrichtung B) auf feste Komponenten des Kompartiments 10 (z. B. Elektroden, Wände) erfolgen. Dies bedeutet, dass Strahlungsabsorber gegebenenfalls durch Wandbereiche oder nicht-leitende Erweiterungen der Elektroden gebildet werden können. Als Strahlungsabsorber sind insbesondere Absorberflächen 31 an den verschiedenen Wänden des Kompartiments 10 (Boden 11, Seitenflächen 12, Deckfläche 13) vorgesehen. Die Absorberflächen 31 bestehen aus einem geeignet gewählten Material, das eine möglichst hohe Absorption für das äußere Strahlungsfeld besitzt. Die Größe der Strahlungsabsorber ist anwendungsabhängig an die Dimension des Kompartiments 10 und gegebenenfalls die Form des äußeren Strahlungsfeldes (insbesondere Fokussierbarkeit) angepasst und ist vorzugsweise wenigstens gleich der halben Wellenlänge der verwendeten Strahlung gewählt. Die Größe liegt beispielsweise im Bereich 0.5 bis 25 µm.
Gemäß einer bevorzugt realisierten Variante werden Strahlungsabsorber durch mindestens eine Elektrode als Ganzes (Bezugszeichen 32) oder eine strahlungsabsorbierende Oberflächenstruktur 33 auf mindestens einer Elektrode (siehe Elektrode 21) gebildet. Wenn als äußeres Strahlungsfeld Infrarotlicht verwendet wird, bestehen die Elektroden 21, 22 vorzugsweise aus einem im infraroten Spektralbereich "schwarzen" Material, wie z. B. Titan, Tantal oder Platin. Es können auch Mehrschichtelektroden verwendet werden, die z. B. aus Titan/Platin oder Chrom/Gold bestehen. Alternativ ist auch die Verwendung von Elektroden aus einem leitfähigen, transparenten Material (z. B. ITO, leitfähige Polymere) möglich, auf dem absorbierende Bereiche vollständig deckend oder strukturiert (wie bei der Elektrode 21 illustriert) aufgebracht sind.
Ein Verwirbeln oder Durchmischen erfolgt im Kompartiment 10 nach Mechanismen, wie sie z. T. von der herkömmlichen konvektiven Flüssigkeitsbewegung bekannt sind. Durch Ausbildung elektrischer Felder in inhomogenen Medien werden Spannungen induziert, unter deren Wirkung Flüssigkeitsbewegungen auftreten. Wegen der geringen geometrischen Dimensionen im Mikrosystem werden Feldstärkegradienten im kV- bis MV-Bereich realisiert, unter deren Wirkung Mikrowirbel erzeugt werden. Zur Inhomogenisierung des Mediums (der Flüssigkeit im Kompartiment 10) erfolgt die Ausbildung des lokalen thermischen Gradienten. Durch lokales Erwärmen der Strahlungsabsorber steigt deren Temperatur. In der Flüssigkeit bildet sich ein Temperaturfeld mit einem Gradienten aus. Vorzugsweise erfolgt das direkte Erwärmen der Elektroden 21, 22 mit Infrarotstrahlung, z. B. mit einem Infrarotlaser. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass definiert die Gebiete der höchsten Feldstärke erwärmt und damit dielektrisch inhomogen werden, was zu einer besonders effektiven Verwirbelung führt. Die erfindungsgemäß angeordneten Strahlungsabsorber ermöglichen ferner, dass die Wirbel lokal beschränkt werden und die Trägheit des Systems wegen der kleinen zu erwärmenden Volumina besonders gering (< 0.1 s) ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich in fluidischen Mikrosystemen, die zur dielektrophoretischen Manipulation von suspendierten Partikeln eingerichtet sind. In diesen Fällen kann die Elektrodenanordnung 20 gleichzeitig zur Ausbildung des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes und zur dielektrophoretischen Manipulierung der Partikel (z. B. von biologischen Zellen) verwendet werden (siehe Fig. 3).
Die Einkopplung des Strahlungsfeldes erfolgt von außen durch mindestens eine transparente Wand des Kompartiments 10 oder durch eine optische Faser. Die Einkopplung des Strahlungsfeldes erfolgt vorzugsweise in einer Richtung (B), die von der Strömungsrichtung (A) im Kompartiment abweicht. Zur Einkopplung durch eine Wand ist beispielsweise die Deckfläche 13 oder der Boden 11 aus einem transparenten Material (z. B. Kunststoff, Glas oder dgl.) hergestellt.
Die Bestrahlung des Kompartiments 10 kann je nach Bauform und Absorptionseigenschaften der Strahlungsabsorber mit einem aufgeweiteten oder einem fokussiertem Strahl erfolgen. Es können Einfokus- oder Mehrfokuslaser verwendet werden. Bei Bestrahlung mit aufgeweitetem Strahl können mehrere Strahlungsabsorber gleichzeitig erwärmt werden. Entsprechend der geometrischen Anordnung der Strahlungsabsorber ergibt sich ein bestimmtes Wirbelmuster im Kompartiment 10. Bei fokussierter Bestrahlung wird mindestens ein Fokus (siehe z. B. Bezugszeichen 40) entsprechend auf mindestens einen Strahlungsabsorber gerichtet. Die Bestrahlung erfolgt vorzugsweise senkrecht zu den Boden-, Deck- oder Seitenflächen des Kompartiments.
Um die Bestrahlung der Strahlungsabsorber unabhängig vom Zustand des Mikrosystems und den Eigenschaften der Flüssigkeit im Kompartiment 10 sicherzustellen, ist vorzugsweise die Wand, auf der sich ein oder mehrere Strahlungsabsorber, wie z. B. die Elektroden, befinden, aus einem transparenten Material hergestellt. Beispielsweise ist vorgesehen, dass auf einem transparenten Boden 11 Elektroden aus einem infrarotabsorbierenden Material oder Mehrschichtelektroden mit bodenseitig angeordnetem infrarot absorbierenden Material angeordnet sind.
Wenn ganze Teilbereiche der Kompartimentwände herstellungsbedingt aus infrarotabsorbierendem Material bestehen, kann auf die Anbringung gesonderter Strahlungsabsorber auch verzichtet werden. In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren dadurch umgesetzt, dass das äußere Strahlungsfeld auf die Wand des Kompartiments fokussiert wird. Der Fokus befindet sich vorzugsweise unmittelbar an die Elektroden angrenzend z. B. auf dem Boden 11 oder der Deckfläche 13.
Das äußere Strahlungsfeld kann auch durch hochfrequente elektromagnetische Strahlung gebildet werden, die ein induktives Heizen der Elektrodenanordnung 20 bewirkt. Es kann auch eine Erwärmung (thermische Bestrahlung) der Elektrodenanordnung durch in der Wand (z. B. den Boden 11) des Kompartiments 10 versenkte Heizelemente vorgesehen sein.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrosystems 100 in schematischer Draufsicht. Zwei Kanäle 15, 16, die jeweils durch Seitenflächen 12 begrenzt sind, werden mit unterschiedlichen Flüssigkeiten durchströmt und münden in einen gemeinsamen Kanal 17. Das Kompartiment 10, in dem eine Durchmischung der Flüssigkeiten erfolgen soll, ist an der gemeinsamen Mündung der Kanäle 15, 16 vorgesehen, könnte aber auch stromabwärts mit Abstand von der Mündung im Kanal 17 angeordnet sein. Die Elektrodenanordnung 20 umfasst zwei gestrichelt eingezeichnete Elektroden 21, 22, die am Boden 12 des Kompartiments 10 angeordnet sind, und zwei durchgezogen gezeichnete Elektroden 23, 24, die den Bodenelektroden entgegengesetzt an der (nicht eingezeichneten) Deckfläche des Kompartiments 10 angeordnet sind. Die Bestrahlung des Kompartiments 10 erfolgt senkrecht zur Zeichenebene aus Blickrichtung des Betrachters. Der Boden 11 bildet die von der Bestrahlung abgewandte Seite. Die Deckfläche ist die der Bestrahlung zugewandte Seite des Kompartiments 10.
Die Elektroden 21-24 sind mit einer externen Wechselspannungsquelle verbunden. Zwischen den Elektroden wird ein elektrisches Wechselfeld erzeugt. Durch die äußere Bestrahlung erfolgt ein Aufheizen einzelner oder aller Elektroden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nur die oberen, der Bestrahlung zugewandten Elektroden erwärmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die an den Bodenund Deckflächen vorgesehenen Elektroden verschieden geformt ausgebildet, so dass sie bei Projektion aus der Bestrahlungsrichtung nicht deckungsgleich sind. Dies ermöglicht, wahlweise nur die unteren oder nur die oberen Elektroden am Boden bzw. der Deckfläche des Kompartiments zu bestrahlen. Die Asymmetrie der Elektroden ist in Fig. 2 illustriert. Die unteren Elektroden 21, 22 besitzen eine größere Länge, so dass sie über die Projektion der oberen Elektroden 23, 24 hinausragen. Bei Fokussierung der äußeren Bestrahlung auf die Enden der unteren Elektroden 21, 22 (Bezugszeichen 40) werden nur die unteren Elektroden erwärmt.
Durch die Erwärmung entsteht eine Inhomogenität der durch das Kompartiment 10 fließenden Flüssigkeiten. Unter Wirkung des elektrischen Wechselfeldes entsteht in dem durch die Elektroden und die Strahlungsabsorber aufgespannten Flüssigkeitsbereich eine konvektive Umwälzung der Flüssigkeiten, so dass diese vermischt werden.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Draufsicht illustriert, bei dem das Mikrosystem 100 ebenfalls zwei am Kompartiment 10 zusammenlaufende Kanäle 15, 16 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Elektrodenanordnung 20 durch einen Elektrodenoktopol gebildet. Vier Elektroden 21-24 (mit großen Durchmessern gezeigt) befinden sich am Boden 11 des Kompartiments 10. Die übrigen vier Elektroden 25-28 sind an der (nicht eingezeichneten) Deckfläche angeordnet. Der Elektrodenoktopol bildet bei Beaufschlagung mit rotierenden elektrischen Spannungen einen Feldkäfig, in dem in an sich bekannter Weise ein Partikel (z. B. eine biologische Zelle) suspendiert gehalten werden kann.
Die Aufgabe der in Fig. 3 illustrierten Anordnung besteht darin, den Partikel 50 gleichzeitig mit den aus den Kanälen 15 und 16 anströmenden Flüssigkeiten zu behandeln. Die Elektrodenanordnung 20 wird simultan zur Ausbildung des dielektrischen Feldkäfigs und zur Erzeugung der elektrischen Wechselfelder zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung verwendet. Da analog zu der Darstellung in Fig. 2 die unteren und oberen Elektroden in Bestrahlungsrichtung nicht deckungsgleich sind, können die unteren Elektroden bei den Punkten 40 von außen fokussiert bestrahlt und damit erwärmt werden. Die einströmenden Flüssigkeiten werden lokal im Bereich des Feldkäfigs verwirbelt.
Abweichend von der dargestellten Ausführungsform könnte ein Durchmischen der Flüssigkeit auch mit einer planaren Elektrodenanordnung erzielt werden, die nur mit Spannungen beaufschlagte Elektroden 21-24 am Boden 11 umfasst, während auf der der Bestrahlung zugewandten Seite keine oder freie (floatende) Elektroden vorgesehen sind. Dabei erfolgt die Durchmischung jedoch mit einer geringeren Effektivität.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbewegung in einem fluidischen Mikrosystem (100), bei dem eine Flüssigkeit in mindestens einem Kompartiment des Mikrosystems gleichzeitig einem elektrischen Feld und einem thermischen Gradienten ausgesetzt wird, wobei zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Elektrodenanordnung (20) mit einer sich zeitlich verändernden Spannung beaufschlagt wird, so dass sich im Flüssigkeitsbereich ein zeitlich veränderliches, elektrisches Feld bildet,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Erzeugung des thermischen Gradienten mindestens ein Strahlungsabsorber (30-32), der im Kompartiment (10) angeordnet ist, mit mindestens einem äußeren Strahlungsfeld lokal bestrahlt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das mindestens eine äußere Strahlungsfeld auf den mindestens einen Strahlungsabsorber (30) gerichtet wird, der durch eine Absorberfläche (31) an einer Wand des Kompartiments, eine Elektrode (32) der Elektrodenanordnung (20) oder eine strahlungsabsorbierende Oberflächenstruktur (33) auf einer Elektrode der Elektrodenanordnung (20) gebildet wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem es sich bei dem äußeren Strahlungsfeld um elektromagnetische Strahlung handelt.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem als elektromagnetische Strahlung (i) Infrarotstrahlung oder (ii) hochfrequente Strahlung, mit der der mindestens eine Strahlungsabsorber induktiv geheizt wird, verwendet wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das mindestens eine äußere Strahlungsfeld durch einen Einzelfokus- oder Multifokus-Laser gebildet wird.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Wellenlänge des Lasers in einem Wellenlängenbereich ausgewählt wird, in dem die Flüssigkeit und in der Flüssigkeit suspendierte Partikel keine oder eine im Vergleich zur Absorption des mindestens einen Strahlungsabsorbers vernachlässigbare Absorption aufweisen.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Strahlungsfeld durch eine transparente Wand des Kompartiments oder mit einer Lichtleiterfaser in das Kompartiment eingekoppelt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Ausbildung des thermischen Gradienten mehrere Strahlungsabsorber im Kompartiment gleichzeitig oder alternierend bestrahlt werden.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zeitliche Änderung der elektrischen Felder durch Beaufschlagung der Elektrodenanordnung mit einer Wechselspannung erzeugt wird, deren Frequenz mindestens 1 kHz beträgt.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die Elektrodenanordnung mit Wechselspannungen beaufschlagt wird, deren Frequenz der mittleren inversen dielektrischen Relaxationszeit der Flüssigkeit entspricht.
  11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Vielzahl von Strahlungsabsorbern kaskadenförmig in einem Kanal des Mikrosystems (100) bestrahlt wird.
  12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden der Elektrodenanordnung mit Spannungen beaufschlagt werden, die gleichzeitig zur Erzeugung der elektrischen zeitlich veränderlichen Felder und von Wechselfeldern zur dielektrischen Manipulation von Partikeln eingerichtet sind, die in der Flüssigkeit suspendiert sind.
  13. Fluidisches Mikrosystem (100) mit mindestens einem Kompartiment (10) zur Aufnahme und/oder Durchströmung einer Flüssigkeit und einer Elektrodenanordnung (20), die zur Erzeugung zeitlich veränderlicher elektrischer Felder im Kompartiment (10) eingerichtet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Kompartiment mindestens ein fester Strahlungsabsorber (30-33) angeordnet ist, der mindestens einen strahlungsabsorbierenden Bereich mit einer definierten räumlichen Begrenzung bildet.
  14. Mikrosystem gemäß Anspruch 13, bei dem das Mikrosystem zusätzlich eine Bestrahlungsquelle umfasst.
  15. Mikrosystem gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem der mindestens eine Strahlungsabsorber (30) durch mindestens eine Absorberfläche (31) auf einer Wand des Kompartiments, eine Elektrode (32) der Elektrodenanordnung (20) oder eine strahlungsabsorbierende Oberflächenstruktur (33) auf mindestens einer Elektrode (22) gebildet wird.
  16. Mikrosystem gemäß Anspruch 13, 14 oder 15, bei der der strahlungsabsorbierende Bereich jeweils durch ein Infrarotstrahlung absorbierendes Material gebildet wird.
  17. Mikrosystem gemäß Anspruch 16, bei der der strahlungsabsorbierende Bereich jeweils durch Titan, Platin, Tantal und/oder Silizium gebildet wird.
  18. Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem mindestens eine Wand des Kompartiments (10) aus einem transparenten Material besteht.
  19. Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem mindestens eine Elektrode aus transparentem, elektrisch leitfähigem Material besteht.
  20. Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem die Elektroden der Elektrodenanordnung (20) im Kompartiment (10) räumlich versetzt angeordnet sind, so dass eine direkte Bestrahlung von Elektroden mit einer äußeren Bestrahlungsquelle ermöglicht wird.
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