EP1781410A1 - Verfahren zur bewegung von kleinen flüssigkeitsmengen in mikrokanälen durch akustische wellen - Google Patents

Verfahren zur bewegung von kleinen flüssigkeitsmengen in mikrokanälen durch akustische wellen

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EP1781410A1
EP1781410A1 EP05802009A EP05802009A EP1781410A1 EP 1781410 A1 EP1781410 A1 EP 1781410A1 EP 05802009 A EP05802009 A EP 05802009A EP 05802009 A EP05802009 A EP 05802009A EP 1781410 A1 EP1781410 A1 EP 1781410A1
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EP
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liquid
channel
channel system
microchannel
interdigital transducer
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Zeno Von Guttenberg
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Beckman Coulter Inc
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Advalytix AG
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Publication date
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    • B01F31/80—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations
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    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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    • B01L3/50273—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y10T137/0391—Affecting flow by the addition of material or energy

Definitions

  • the invention relates to a method for moving small quantities of liquid in microchannels and to a microchannel system for carrying out the method.
  • Miniaturized fluidic systems often consist of closed channels which can be produced from plastics, semiconductor materials or from glass. Such closed channels are z. In M.G. Pollack and R.B. Fair, Applied Physics Letters, 2000, 77, 1725-1728.
  • Manufacturing processes are z. As wet-chemical etching or hot embossing of plastics to produce the channels in the substrates. Subsequently, the substrates structured in this way are sealed with a cover. Typical channel dimensions are diameters in the range between 50 ⁇ m and a few mm and a length of the entire system of a few cm. For lab-on-the-chip applications in these channels z. B. biochemical reactions are carried out. For this purpose, generally dosing devices, mixers, reaction chambers and branches in such a system would have to be realized. To move the liquid pump-like systems are necessary.
  • peristaltic pumps US Pat. No. 6,408,878,
  • electrokinetic pumps US Pat. No. 6,394,759
  • centrifugal force US Pat. No. 5,472,603
  • Electrokinetic pumps require z. However, for example, voltages of several 100 V, so are less suitable for portable devices. In the so-called lab-CDs, the liquids can only be moved in one direction, namely outwards. Miniaturized peristaltic pumps are very expensive and therefore expensive.
  • a hydrophilic channel can be filled with a solution, but with a filled channel, no further movement or flow is possible, which would be mediated by the capillary force.
  • the object of the present invention is to provide a method and a system with which small quantities of liquid in microchannel systems can be moved in an easily controllable and programmable manner.
  • the procedure should be easy to carry out and the necessary agile materials can be small, robust and light, so that the process can also be realized with portable chip laboratories.
  • a quantity of liquid is introduced into a channel system which comprises at least one region which corresponds topologically to a ring, so that a closed path of the liquid is possible.
  • acoustic waves are radiated into the liquid, which have at least one asymmetric component in the plane of the channel system, which defines the direction of movement of the liquid.
  • a flow is generated in the liquid (“acoustic streaming") .Swing to the movement of the liquid in a closed path, only low powers are necessary, since there is no large volume on the closed path As a result of the asymmetrical component, the liquid is imparted with a direction of movement which it can move along the closed path.
  • the channel system may have different geometries as long as a topologically annular region is included which serves for the directional movement of the liquid on a closed path.
  • a topologically annular region is included which serves for the directional movement of the liquid on a closed path.
  • Especially simple is the use of a simple ring without branches.
  • the channel system is open at the top, z. B. as a groove in a substrate.
  • a channel system Insensitive to external influences is a channel system that is enclosed on all sides. The filling of such a channel system takes place entwe ⁇ before a lid is applied to the channel-shaped channel system or through a corresponding filling opening to the z. B. an eyedropper can be set. At another point of the channel system, a vent opening is provided, so that the air displaced by the introduced liquid can escape. Since the movement in the channel system is mediated by the sound-induced flow, a tight shut-off is not necessary, as is the case with other prior art methods which use hydrostatic pressure for movement.
  • Vor ⁇ geous is the use of a material that is penetrated by acoustic waves, for example, glass, non-elastic plastic or semiconductor materials. In this way it is ensured even when externally arranged sound generator, that the movement is mediated by the generated with the sound waves "acoustic streaming" and not by a sound wave induced movement of the substrate material itself.
  • the sound waves can be generated with different devices, for. B. with piezoelectric volume oscillators, the outside of the sound waves
  • interdigital transducers as they are known from high-frequency filter technology.
  • Such interdigital transducers which are applied to piezoelectric materials, can be generated by applying a frequency of 1 to a few 100 MHz for excitation of acoustic waves, in particular surface acoustic waves, are used in the piezoelectric material.
  • the sound waves thus generated can be coupled into the system, as described in DE 103 25 313 B3 for the case of film-shaped capillary columns.
  • the interdigital transducer is brought into direct contact with the liquid, ie it is part of the microchannel system.
  • the sound wave generated by the interdigital transducer is transmitted directly into the liquid.
  • a further advantageous embodiment provides that the channel-like channel system is covered with a film, preferably made of plastic, against which the interdigital transducer is pressed directly in order to allow direct transmission of the sound waves into the liquid.
  • the piezoelectric material usually a chip, can also be used directly as a termination of the channel system and thus represent a part of the channel system.
  • a plurality of sound wave generating devices may be provided at different locations of the channel system.
  • a microchannel system according to the invention for moving small amounts of liquid has at least one channel, which represents a closed path.
  • a sound generating device is arranged such that a sound wave can be coupled in directionally into the channel.
  • the inventive method is particularly advantageous to use when individual areas of the microchannel system are biologically, chemically, physically or otherwise functionalized.
  • the liquid can be supplied by means of the method according to the invention in a microchannel system according to the invention, so that the entire liquid is safely in contact with the functionalization.
  • the liquid can be guided past correspondingly arranged measuring points.
  • FIG. 1 a a schematic longitudinal sectional view of a system according to the invention
  • FIG. 1b is a cross-sectional view of the system of FIG.
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section of another embodiment according to the invention
  • FIG. 3 shows a cross section of a further embodiment according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic longitudinal section through a further embodiment according to the invention.
  • FIG. 1a shows a longitudinal section through a microchannel system. Visible is the microchannel 3, the z. B. has a diameter in the range of 50 microns to a few mm. He is z. B. formed by wet chemical etching in a substrate 1, the z. B. glass, semiconductor materials or ei ⁇ NEM non-elastic plastic. In the channel, the liquid moves, which is exemplified by the crosses 5. The direction of movement is designated by 19.
  • FIG. 1b shows a cross section in the direction of view A of FIG. 1a.
  • the annular channel 3 has a filling opening 7, which is visible in this cross-sectional view.
  • a piezoelectric substrate 13 is arranged in the region of a corner, on which there is an interdigital transducer 11, which can be driven in a manner known per se and thus not shown here with an alternating electric field.
  • a coupling medium for example water
  • Interdigital transducers which are known per se from surface wave filter technology, encompass comb-like metallic electrodes whose double finger spacing defines the wavelength of the surface acoustic wave and which are determined by optical photolithography processes, for example. B. can be made in the range of 10 microns finger spacing. Such interdigital transducers are provided on piezoelectric crystals in order to excite surface acoustic waves thereon in a manner known per se. Applying an alternating electrical field of a few to a few 100 MHz in a manner known per se to the interdigitated finger electrodes of the interdigital transducer 11 causes the generation of surface acoustic waves, which are similar to those described in DE 103 25 313 B3 for the formation of Sound waves 15, 17 lead. The application of the alternating field can via corresponding electrical connections or z. B. by wireless Ein ⁇ radiation.
  • the position of the interdigital transducer 11 and the emission directions of the sound waves 15, 17 are also indicated in FIG. 1a, although they would not be visible per se in the longitudinal sectional view of FIG.
  • the filling hole 7 and the vent hole 9 are indicated in Figure Ia, which should actually not be visible in the longitudinal sectional view of Figure Ia, as they are provided in the embodiment shown in the upper end 18.
  • the arrangement of the interdigital transducer 11 in one corner of the channel system 3 ensures that only one sound component 15 acts in the direction of the channel 3, while the other sound wave generated by the interdigital transducer is emitted to the outside.
  • a unidirectional transducer design can be used that radiates in one direction only. Such a unidirectional transducer can be used at any point of the channel 3.
  • geometries can be realized in which the counter-jet 17 is not emitted to the outside, but is specifically absorbed or reflected.
  • the channel system may have different geometries, as long as only one closed track is possible.
  • Another embodiment shows z. B. Figure 2 with a branch 4.
  • the interdigital transducer 11 is used as described for Figure 1 to generate a movement in the direction 19.
  • Another interdigital transducer 12 can cause a movement along the branch 4 in the direction 20.
  • the direction of movement of the liquid can be reversed so that the liquid moves in the direction 22.
  • the channel system is open at the top.
  • FIG. 3 shows another embodiment of a microchannel system according to the invention in cross-section.
  • the channel system 3 is closed by a plastic film 21, on which the piezoelectric material 13 is pressed with the interdigital transducer 11 applied thereto, so that the air gap between the transducer and the film is smaller than the sound wavelength (1 to several 100 microns) to reflections on Air gap to avoid.
  • the sound wave penetrates the plastic film and the energy transfer to the liquid occurs through acoustic streaming and not through the sound-induced movement of the film itself.
  • the piezoelectric material for generating the acoustic waves is used directly as a cover for the channel system.
  • FIG. 4 shows, in a schematic representation, a microchannel system according to the invention with a functionalized region 23.
  • B. have a physical, chemical, biological or other functionalization, which is provided for a reaction with the liquid in the channel system 3, 4.
  • a flow is generated either in the channel 3 with the help of the interdigital transducer 11 or of the interdigital transducer 14 as described.
  • Creation of a further Ren alternating electric field to the interdigital transducer 12 causes a movement in the direction 20 through the branch 4.
  • the liquid is thus guided past the functionalized region 23.
  • the z. B. can be electrical or optical. 27 also indicates only schematically the electrical connection of this measuring device. If the liquid moves in the channel 3 z. B. by exciting a flow with the Interdigi ⁇ taltransducer 11 or with the interdigital transducer 14, the liquid is guided past this measuring point 25. The continuous flow ensures that the entire liquid flows past the measuring point.
  • the generation of sound waves in the liquid by means of surface acoustic waves which are generated by an interdigital transducer on a piezoelectric material is particularly advantageous for the method according to the invention, since the sound wave thus generated already constitutes a large component in the direction of the channel Has.
  • the method according to the invention or the microchannel system according to the invention have the further advantage that they can be used not only for moving the liquid along the channel, but also for mixing the liquid.
  • the sound wave generating devices are operated with so little power that the energy does not suffice for the flow of the entire system.
  • two transducers which have an opposite direction of emission such as, for example, can be used. As the transducers 11 and 14 of Figure 2, are operated simultaneously, so that a flow of the liquid is not possible and only a natural ⁇ mixture takes place.

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Description

VERFAHREN ZUR BEWEGUNG VON KLEINEN FLUSSIGKEITSMENGEN IN MIKROKANÄLEN DURCH AKUSTISCHE WELLEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegung von kleinen Flüssig¬ keitsmengen in Mikrokanälen und ein Mikrokanalsystem zur Durchfüh¬ rung des Verfahrens.
Miniaturisierte fluidische Systeme bestehen oft aus geschlossenen Kanä¬ len, die aus Kunststoffen, Halbleitermaterialien oder aus Glas hergestellt werden können. Solche geschlossenen Kanäle sind z. B. in M. G. Pollack and R. B. Fair, Applied Physics Letters, 2000, 77, 1725 - 1728 beschrie¬ ben.
Herstellverfahren sind z. B. nasschemisches Ätzen oder auch Heißprägen von Kunststoffen zur Erzeugung der Kanäle in den Substraten. Anschlie¬ ßend werden die so strukturierten Substrate mit einem Deckel verschlos¬ sen. Typische Kanaldimensionen sind Durchmesser im Bereich zwischen 50 μm und einigen mm sowie eine Länge des Gesamtsystems von einigen cm. Für lab-on-the-chip-Anwendungen sollen in diesen Kanälen z. B. bio¬ chemische Reaktionen durchgeführt werden. Dazu müssten im allgemei¬ nen Dosierer, Mischer, Reaktionskammern und Verzweigungen in einem solchen System realisiert werden. Zur Bewegung der Flüssigkeit sind pumpenartige Systeme notwendig.
Heute stehen als Pumpen für derartige „lab chips" unterschiedliche Tech¬ nologien zur Verfügung: peristaltische Pumpen (US 6,408,878), elektroki- netische Pumpen (US 6,394,759) oder auch Pumpen unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft („lab-CD", US 5,472,603). Elektrokinetische Pumpen benötigen z. B. jedoch Spannungen von mehre¬ ren 100 Volt, sind also für portable Geräte wenig geeignet. In den soge¬ nannten lab-CDs können die Flüssigkeiten nur in eine Richtung, nämlich nach außen bewegt werden. Miniaturisierte Peristaltikpumpen sind sehr aufwendig und daher teuer.
Andere Anwendungen nutzen die Kapillarkraft aus, um Flüssigkeiten durch Kanäle zu bewegen. Ohne zusätzliche Kraft kann hier eine Bewe- gung in nur einer Richtung erfolgen. Zum Beispiel ein hydrophiler Kanal läßt sich mit einer Lösung zwar füllen, aber bei gefülltem Kanal ist keine weitere Bewegung oder Strömung mehr möglich, die durch die Kapillar¬ kraft vermittelt wäre.
Die Einkopplung von Schallwellen in dünne, lateral ausgedehnte Flüssig¬ keitsfilme ist in DE 103 25 313 B3 beschrieben. Dort werden Ultraschall¬ frequenzen eingesetzt, um in einer kleinen Flüssigkeitsmenge in einem lateral unstrukturierten Kapillarspalt eine Durchmischung zu bewirken. Die Einstrahlung in den Flüssigkeitsfilm erfolgt bei der Anordnung der DE 103 25 313 B3 symmetrisch bilateral.
Die Erzeugung von Strömung in Flüssigkeit mit Hilfe von Schallwellen ist in Wesley Le Mars Nyborg „Acoustic Streaming" in Physical Acoustics 2B; Editor W. P.Mason; Academic Press 265 (1965) beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System anzugeben, mit dem kleine Flüssigkeitsmengen in Mikrokanalsystemen auf leicht steuerbare und programmierbare Art und Weise bewegt werden können. Das Verfahren soll einfach durchführbar sein und die dazu not- wendigen Materialien klein, robust und leicht sein, so daß das Verfahren auch mit tragbaren Chiplabors realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspru- ches 1 bzw. einem Mikrokanalsystem mit den Merkmalen des Anspruches 12 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprü¬ chen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Flüssigkeitsmenge in ein Kanalsystem eingebracht, das zumindest einen Bereich umfasst, der topo- logisch einem Ring entspricht, so dass eine geschlossene Bahn der Flüs¬ sigkeit möglich ist. Zur Erzeugung der Bewegung werden akustische Wel¬ len in die Flüssigkeit eingestrahlt, die in der Ebene des Kanalsystems mindestens eine asymmetrische Komponente haben, die die Bewegungs- richtung der Flüssigkeit definiert. Durch den Impulsübertrag der Schall¬ wellen auf die Flüssigkeit wird in der Flüssigkeit eine Strömung erzeugt („acoustic Streaming"). Durch die Bewegung der Flüssigkeit in einer ge¬ schlossenen Bahn sind nur geringe Leistungen notwendig, da auf der ge¬ schlossenen Bahn kein großer hydrostatischer Druck aufgebaut werden muss, um eine Bewegung zu erzeugen. Durch die asymmetrische Kompo¬ nente wird der Flüssigkeit eine Bewegungsrichtung aufgeprägt, die sie sich entlang der geschlossenen Bahn bewegen lässt.
Das Kanalsystem kann unterschiedliche Geometrien aufweisen, solange ein topologisch ringförmiger Bereich enthalten ist, der für die gerichtete Bewegung der Flüssigkeit auf einer geschlossenen Bahn dient. Besonders einfach ist die Verwendung eines einfachen Ringes ohne Verzweigungen.
Bei einer einfachen Ausgestaltung ist das Kanalsystem nach oben offen, z. B. als Rinne in einem Substrat. Durch die Bewegungsvermittlung auf- grund des „Acoustic Streaming" ist ein Abschluss nach oben nicht not¬ wendig. Die strömungsinduzierte Bewegung kann auch in einem offenen Kanal stattfinden.
Gegen äußere Einflüsse unempfindlicher ist ein Kanalsystem, das allseitig umschlossen ist. Die Befüllung eines solchen Kanalsystems erfolgt entwe¬ der bevor ein Deckel auf das rinnenförmige Kanalsystem aufgebracht wird oder durch eine entsprechende Befüllöffnung, an die z. B. eine Pipette an¬ gesetzt werden kann. An anderer Stelle des Kanalsystems ist eine Entlüf- tungsöffnung vorgesehen, so dass die durch die eingebrachte Flüssigkeit verdrängte Luft entweichen kann. Da die Bewegung in dem Kanalsystem durch die schallinduzierte Strömung vermittelt wird, ist ein dichter Ab¬ schluss nicht nötig, wie es bei anderen Verfahren des Standes der Technik der Fall ist, die hydrostatischen Druck zur Bewegung verwenden.
Einfacherweise ist das Kanalsystem in einem Substrat vorgesehen. Vor¬ teilhaft ist die Verwendung eines Materiales, das von akustischen Wellen durchdrungen wird, zum Beispiel Glas, nicht-elastischer Kunststoff oder Halbleitermaterialien. Auf diese Weise ist auch bei außen angeordnetem Schallerzeuger sichergestellt, dass die Bewegung durch das mit den Schallwellen erzeugte „acoustic Streaming" vermittelt wird und nicht durch eine schallwelleninduzierte Bewegung des Substratmaterials selbst.
Die Schallwellen können mit unterschiedlichen Vorrichtungen erzeugt werden, z. B. mit piezoelektrischen Volumenschwingern, die außen am
System angebracht werden. Besonders einfach und vorteilhaft ist der Ein¬ satz von Interdigitaltransducern, wie sie aus der Hochfrequenzfiltertech¬ nologie bekannt sind. Derartige Interdigitaltransducer, die auf piezoelekt¬ rischen Materialien aufgebracht sind, können durch Anlegen einer Fre- quenz von 1 bis einigen 100 MHz zur Anregung von akustischen Wellen, insbesondere Oberflächenschallwellen, in dem piezoelektrischen Material eingesetzt werden. Die so erzeugten Schallwellen können in das System eingekoppelt werden, wie es auch in DE 103 25 313 B3 für den Fall von filmförmigen Kapillarspalten beschrieben ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Interdigi- taltransducer direkt mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht, ist also Teil des Mikrokanalsystems. So wird die Schallwelle, die mit dem Interdigi- taltransducer erzeugt wird, direkt in die Flüssigkeit übertragen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das rinnenartige Kanalsystem mit einer Folie, vorzugsweise aus Kunststoff, abgedeckt ist, gegen die der Interdigitaltransducer direkt gepresst wird, um eine direkte Übertragung der Schallwellen in die Flüssigkeit zu ermöglichen.
Das piezoelektrische Material, in der Regel ein Chip, kann auch direkt als Abschluss des Kanalsystems eingesetzt werden und insofern einen Teil des Kanalsystems darstellen.
Um in einem Kanalsystem Bewegung in den unterschiedlichen Richtungen zu ermöglichen oder um Verzweigungen mit Flüssigkeit zu durchströmen, können mehrere Schallwellenerzeugungseinrichtungen an unterschiedli¬ chen Stellen des Kanalsystems vorgesehen sein.
Ein erfindungsgemäßes Mikrokanalsystem zur Bewegung von kleinen Flüssigkeitsmengen weist zumindest einen Kanal auf, der eine geschlos¬ sene Bahn darstellt. Eine Schallerzeugungseinrichtung ist derart ange¬ ordnet, dass eine Schallwelle gerichtet in den Kanal eingekoppelt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft einzusetzen, wenn einzelne Bereiche des Mikrokanalsystems biologisch, chemisch, physikalisch oder auf andere Weise funktionalisiert sind. An einer solchen funktionalisierten Stelle kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfah- rens in einem erfindungsgemäßen Mikrokanalsystem die Flüssigkeit vor¬ beigeführt werden, so dass die gesamte Flüssigkeit sicher mit der Funkti- onalisierung in Berührung kommt ist. Bei anderen Anwendungen kann die Flüssigkeit an entsprechend angeordneten Messpunkten vorbei ge¬ führt werden. Bei entsprechender Ausgestaltung des Mikrokanalsystems mit Verzweigungen ist eine Dosierung oder Abteilung einzelner Flüssig¬ keitsmengen möglich, die unterschiedlichen Behandlungen in den einzel¬ nen Verzweigungen unterzogen werden können.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert, die schematische Ansichten des erfindungsgemäßen Systems bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen. Dabei zeigt:
Figur Ia: eine schematisierte Längsschnittansicht eines erfindungsgemä¬ ßen Systems,
Figur Ib: eine Querschnittsansicht des Systems der Figur Ia,
Figur 2: einen schematisierten Längsschnitt einer anderen erfindungs¬ gemäßen Ausführungsform,
Figur 3: einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Ausfüh¬ rungsform, und
Figur 4: einen schematischen Längsschnitt durch eine weitere erfin- dungsgemäße Ausführungsform. Figur Ia zeigt einen Längsschnitt durch ein Mikrokanalsystem. Erkennbar ist der Mikrokanal 3, der z. B. einen Durchmesser im Bereich von 50 μm bis einigen mm hat. Er ist z. B. durch nasschemisches Ätzen in einem Substrat 1 gebildet, das z. B. aus Glas, Halbleitermaterialien oder aus ei¬ nem nicht elastischen Kunststoff besteht. In dem Kanal bewegt sich die Flüssigkeit, die beispielhaft durch die Kreuze 5 angedeutet ist. Die Bewe¬ gungsrichtung ist dabei mit 19 bezeichnet.
Figur Ib zeigt einen Querschnitt in Blickrichtung A der Figur Ia. Der ring¬ förmige Kanal 3 hat eine Befüllöffnung 7, die in dieser Querschnittsan¬ sicht sichtbar ist. Unterhalb des Substrats 1 ist im Bereich einer Ecke ein piezoelektrisches Substrat 13 angeordnet, auf dem sich ein Interdigi- taltransducer 11 befindet, der in an sich bekannter und hier daher nicht dargestellter Weise mit einem elektrischen Wechselfeld angesteuert wer¬ den kann. Gegebenenfalls kann zwischen dem piezoelektrischen Material 13 und dem Substrat 1 ein Koppelmedium (z. B. Wasser) vorgesehen sein, um eine unerwünschte Reflexion der Schallwellen an einem möglicherwei¬ se vorhandenen dünnen Luftspalt zu vermeiden. Interdigitaltransducer, die an sich aus der Oberflächenwellenfiltertechnologie bekannt sind, um¬ fassen kammartig ausgebildete metallische Elektroden, deren doppelter Fingerabstand die Wellenlänge der Oberflächenschallwelle definiert und die durch optische Fotolithographieverfahren z. B. im Bereich um die 10 μm Fingerabstand hergestellt werden können. Solche Interdigitaltransdu- cer werden auf piezoelektrischen Kristallen vorgesehen, um darauf Ober¬ flächenschallwellen in an sich bekannter Weise anzuregen. Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes von einigen bis einigen 100 MHz in an sich be¬ kannter Weise an die ineinander greifenden Fingerelektroden des Interdi- gitaltransducers 11 bewirkt die Erzeugung von Oberflächenschallwellen, die ähnlich wie in DE 103 25 313 B3 beschrieben zur Ausbildung von Schallwellen 15, 17 führen. Das Anlegen des Wechselfeldes kann über entsprechende elektrische Anschlüsse oder z. B. durch drahtlose Ein¬ strahlung erfolgen.
Die Längsschnittansicht der Figur Ia entspricht etwa der Blickrichtung B, die in Figur Ib angegeben ist.
Die Lage des Interdigitaltransducers 11 und die Abstrahlrichtungen der Schallwellen 15, 17 sind auch in Figur Ia angedeutet, obwohl sie in der Längsschnittansicht der Figur Ia an sich nicht sichtbar wären. Zudem sind in Figur Ia das Befüllloch 7 und das Entlüftungsloch 9 angedeutet, die in der Längsschnittansicht der Figur Ia eigentlich ebenfalls nicht sichtbar sein sollten, da sie bei der gezeigten Ausführungsform im oberen Abschluss 18 vorgesehen sind.
Die in Figuren Ia und Ib dargestellte Anordnung kann wie folgt eingesetzt werden. Durch die Befüllöffnung 7 wird Flüssigkeit in das System einge¬ bracht. Dabei kann die Kapillarkraft ausgenutzt werden, die die Flüssig¬ keit durch den Kanal 3 hindurch saugt. Alternativ kann die Flüssigkeit durch die Befüllöffnung 7 z. B. mit einer Spritze oder Pipette eingebracht werden. Die von der Flüssigkeit aus dem Kanal 3 verdrängte Luft tritt durch die Entlüftungsöffnung 9 aus. Der Kanal ist schließlich vollständig mit Flüssigkeit gefüllt. Nach der Befüllung können die Befüllöffnung 7 und die Entlüftungsöffnung 9 verschlossen werden, was jedoch nicht not- wendig ist. Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes in der Größenord¬ nung von 1 MHz bis einigen 100 MHz an den nur schematisch dargestell¬ ten Interdigitaltransducer 11 bewirkt die Erzeugung einer Oberflächen¬ schallwelle auf dem piezoelektrischen Substrat 13, das die Abstrahlung von Schallwellen 15, 17 senkrecht zu der Fingerausrichtung des Interdigi- taltransducers 11 bewirkt. Während die Schallwelle 17 nach außen ab- strahlt und somit ohne wesentliche Wirkung auf die Flüssigkeit bleibt, strahlt die Schallwelle 15 direkt in den Kanal 3 ein. Die Schallwellen durchdringen das Substratmaterial aus Glas, Kunststoff oder Halbleiter¬ material und erzeugen in der Flüssigkeit eine Strömung „acoustic strea- ming". Flüssigkeitsteilchen 5 werden durch den Schallimpulsübertrag in Richtung 19 beschleunigt und bewirken eine Bewegung entlang des Ka¬ nals 3.
Da das Kanalsystem vor Einstrahlen der Schallwelle bereits gefüllt ist, ist nur ein sehr geringer Druck notwendig. Insofern sind die von dem Interdi- gitaltransducer 11 elektrischen Leistungen von kleiner als 1 Watt ausrei¬ chend, um eine Bewegung der Flüssigkeit zu bewirken.
Durch die Anordnung des Interdigitaltransducers 11 in einer Ecke des Kanalsystems 3 ist sichergestellt, dass nur eine Schallkomponente 15 in Richtung des Kanals 3 wirkt, während die andere vom Interdigitaltrans- ducer erzeugte Schallwelle nach außen abgestrahlt wird. Alternativ kann ein unidirektionales Transducerdesign eingesetzt werden, das nur in eine Richtung abstrahlt. Ein solcher unidirektionaler Transducer kann an be- liebiger Stelle des Kanals 3 eingesetzt werden. Schließlich können Geo¬ metrien realisiert werden, bei denen der Gegenstrahl 17 nicht nach außen abgestrahlt ist, sondern gezielt absorbiert oder reflektiert wird.
Das Kanalsystem kann unterschiedliche Geometrien aufweisen, solange nur eine geschlossene Bahn möglich ist. Eine andere Ausgestaltung zeigt z. B. Figur 2 mit einer Verzweigung 4. Der Interdigitaltransducer 11 wird wie für Figur 1 beschrieben zur Erzeugung einer Bewegung in Richtung 19 eingesetzt. Ein weiterer Interdigitaltransducer 12 kann eine Bewegung entlang der Abzweigung 4 in Richtung 20 bewirken. Mit Hilfe eines Interdigitaltransducers 14 kann die Bewegungsrichtung der Flüssigkeit umgedreht werden, so dass sich die Flüssigkeit in Rich¬ tung 22 bewegt.
Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform ist das Kanalsystem nach oben hin offen.
Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mik- rokanalsystems im Querschnitt. Hier wird das Kanalsystem 3 durch eine Kunststofffolie 21 abgeschlossen, auf die das piezoelektrische Material 13 mit dem darauf aufgebrachten Interdigitaltransducer 11 aufgepresst wird, so dass der Luftspalt zwischen Transducer und Folie kleiner als die Schallwellenlänge (1 bis einige 100 μm) ist, um Reflexionen am Luftspalt zu vermeiden. Die Schallwelle durchdringt die Kunststofffolie und die E- nergieübertragung auf die Flüssigkeit erfolgt durch acoustic Streaming und nicht durch die schallinduzierte Bewegung der Folie selbst.
Bei einer weiteren Ausführungsform, die nicht in den Figuren dargestellt ist, wird das piezoelektrische Material zur Erzeugung der akustischen Wellen direkt als Deckel für das Kanalsystem eingesetzt.
Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Mikro- kanalsystem mit einem funktionalisierten Bereich 23. Dieser funktionali- sierte Bereich kann z. B. eine physikalische, chemische, biologische oder eine andere Funktionalisierung aufweisen, die zu einer Reaktion mit der Flüssigkeit in dem Kanalsystem 3, 4 vorgesehen ist. Nachdem die Flüssig¬ keit z. B. durch eine Einfüllöffnung entsprechend der Einfüllöffnung 7 der Figur 1 in das Kanalsystem eingebracht worden ist wird entweder mit Hil¬ fe des Interdigitaltransducers 11 oder des Interdigitaltransducers 14 wie beschrieben in dem Kanal 3 eine Strömung erzeugt. Anlegen eines weite- ren elektrischen Wechselfeldes an den Interdigitaltransducer 12 bewirkt eine Bewegung in Richtung 20 durch die Verzweigung 4. Die Flüssigkeit wird so an dem funktionalisierten Bereich 23 vorbeigeführt. Durch die Strömung in dem Kanalsystem 3, 4 kann sichergestellt werden, dass die gesamte Flüssigkeit mit diesem funktionalisierten Bereich in Kontakt kommen kann und z. B. eine Reaktion eingehen kann.
25 bezeichnet nur schematisch eine Messanordnung, die z. B. elektrisch oder optisch sein kann. 27 bezeichnet ebenfalls nur schematisch den e- lektrischen Anschluss dieser Messeinrichtung. Bewegt sich die Flüssigkeit in dem Kanal 3 z. B. durch Anregung einer Strömung mit dem Interdigi¬ taltransducer 11 oder mit dem Interdigitaltransducer 14, so wird die Flüs¬ sigkeit an diesem Messpunkt 25 vorbeigeführt. Die kontinuierliche Strö¬ mung gewährleistet, dass die gesamte Flüssigkeit an dem Messpunkt vor- beifließt.
Die Erzeugung von Schallwellen in der Flüssigkeit mit Hilfe von Oberflä¬ chenschallwellen, die durch einen Interdigitaltransducer auf einem piezo¬ elektrischen Material generiert werden, ist für das erfindungsgemäße Ver- fahren besonders vorteilhaft, da die so erzeugte Schallwelle bereits eine große Komponente in Richtung des Kanals hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Mikroka- nalsystem haben den weiteren Vorteil, dass sie nicht nur zur Bewegung der Flüssigkeit entlang des Kanals verwendet werden können, sondern auch zur Durchmischung der Flüssigkeit. Dazu werden die Schallwellen¬ erzeugungseinrichtungen mit so geringer Leistung betrieben, dass die E- nergie nicht zur Strömung des Gesamtsystems ausreicht. Alternativ kön¬ nen zwei Transducer, die eine gegenläufige Abstrahlrichtung haben, wie z. B. die Transducer 11 und 14 der Figur 2, gleichzeitig betrieben werden, so dass eine Strömung der Flüssigkeit nicht möglich ist und nur eine Durch¬ mischung erfolgt.
Selbstverständlich verwirklichen die hier beschriebenen Ausführungsfor- men nur Beispiele möglicher Geometrien, ohne dass die Erfindung auf die dargestellten speziellen Formen des Kanalsystems eingeschränkt sein soll. Außerdem können am Kanal beliebig viele Interdigitaltransducer mit un¬ terschiedlichen Abstrahlrichtungen vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bewegung von kleinen Flüssigkeitsmengen in Mikro- kanälen, bei dem
- eine Flüssigkeitsmenge in ein Kanalsystem (3, 4) eingebracht wird, das zumindest einen Bereich umfasst, der topologisch einem Ring entspricht, so dass eine geschlossene Bahn der Flüssigkeit möglich ist, und
- akustische Wellen (15) in die Flüssigkeit eingestrahlt werden, die in der Ebene des Kanalsystems (3, 4) mindestens eine asymmetrische Komponente haben, die die Bewegungsrichtung der Flüssigkeit de¬ finiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kanalsystem einen Ring (3) umfasst.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem ein Kanalsys- tem eingesetzt wird, das nach oben offen ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem ein Kanalsys¬ tem (3, 4) eingesetzt wird, das allseitig mit Ausnahme einer Befüllöff- nung (7) und einer Entlüftungsöffnung (9) geschlossen ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das verwende¬ te Kanalsystem (3, 4) in einem Substrat (1) aus Glas, nicht¬ elastischem Kunststoff oder Halbleitermaterial gebildet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zur Erzeugung der akustischen Wellen zumindest ein Interdigital transducer (11) auf einem piezoelektrischen Material (13) eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Interdigitaltransducer mit der Flüssigkeit direkt in Kontakt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Kanalsystem (3, 4) mit einer Folie, vorzugsweise einer Kunststofffolie abgedeckt ist, gegen die der Interdigitaltransducer (11) gepresst wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Kanalsystem an einer Stelle durch das piezoelektrische Material, auf dem der Interdigitaltransdu¬ cer aufgebracht wird, abgeschlossen ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Frequenz der Schallwellen im Bereich zwischen einem MHz bis einigen 100 MHz gewählt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem mehrere
Schallerzeugungseinrichtungen (11, 12, 14) eingesetzt werden, um unterschiedliche Bewegungen zu bewirken.
12. Mikrokanalsystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Bewegung von kleinen Flüssigkeitsmen¬ gen, mit
- zumindest einem Kanal (3), der eine geschlossene Bahn darstellt, und - einer Schallerzeugungseinrichtung (11, 14), die derart angeordnet ist, dass eine Schallwelle (15) gerichtet in den Kanal (3) einge¬ strahlt werden kann.
13. Mikrokanalsystem nach Anspruch 12, bei dem das Kanalsystem (3, 4) allseitig mit Ausnahme einer Befüllöffnung (7) und einer Entlüf¬ tungsöffnung (9) geschlossen ist.
14. Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem das Kanalsystem als Rinne in einem Substrat (1) ausgebildet ist, das mit einem Deckel (21) abgeschlossen ist.
15. Mikrokanalsystem nach Anspruch 14, bei dem der Deckel (21) aus Folie, vorzugsweise Kunststofffolie besteht und die Schallerzeugungs- einrichtung (11) direkt am Deckel (21) anliegt.
16. Mikrokanalsystem nach Anspruch 12, bei dem das Kanalsystem nach oben offen ist.
17. Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die zumindest eine Schallerzeugungseinrichtung außerhalb des Kanal¬ systems (3, 4) angeordnet ist.
18. Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem die zumindest eine Schallerzeugungseinrichtung einen Interdigital trans- ducer (11, 14) umfasst.
19. Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 18, mit mehre¬ ren Schallerzeugungseinrichtungen (11, 12, 14), die derart angeord- net sind, dass sie Schallwellen in unterschiedlichen Richtungen in das Kanalsystem (3, 4) einstrahlen können.
20. Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem das Kanalsystem (3, 4) in einem Substrat (1) aus Glas, nicht-elastischem
Kunststoff oder Halbleitermaterial gebildet ist.
21. Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem in¬ nerhalb des Kanalsystems (3, 4) zumindest ein biologisch, chemisch oder physikalisch funktionalisierter Bereich (23) vorgesehen ist.
22. Mikrokanalsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 21, bei dem an zumindest einem Bereich des Kanalsystem (3, 4) eine Messanord¬ nung (25) zum Messen eines physikalischen, biologischen oder che- mischen Parameters vorgesehen ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Flüssig¬ keit (5) an zumindest einem biologisch, chemisch oder physikalisch funktionalisierten Bereich (23) innerhalb des Kanalsystems (3, 4) vorbeibewegt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder 23, bei dem die Flüssigkeit (5) an zumindest einen Messpunkt (25) zur Messung eines physikalischen, biologischen oder chemischen Parameters vorbeibe- wegt wird.
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