EP1944080A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bewegen einer Flüssigkeit in einer Kavität - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Bewegen einer Flüssigkeit in einer Kavität Download PDF

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EP1944080A1
EP1944080A1 EP07000479A EP07000479A EP1944080A1 EP 1944080 A1 EP1944080 A1 EP 1944080A1 EP 07000479 A EP07000479 A EP 07000479A EP 07000479 A EP07000479 A EP 07000479A EP 1944080 A1 EP1944080 A1 EP 1944080A1
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EP
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container
cavity
movement
flow guide
liquid
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Ceased
Application number
EP07000479A
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English (en)
French (fr)
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Stephan Korner
Emad Sarofim
Vuk Siljegovic
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F Hoffmann La Roche AG
Roche Diagnostics GmbH
Original Assignee
F Hoffmann La Roche AG
Roche Diagnostics GmbH
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Publication date
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    • B01L2400/086—Passive control of flow resistance using baffles or other fixed flow obstructions

Definitions

  • the invention relates to a device for moving a liquid in a cavity, in particular for mixing, dissolving, dispersing, emulsifying, suspending or homogenizing a substance, with a cavity optionally confining the opening under the provision of an opening, which at least one projecting from a container wall and in having the cavity projecting static deflecting body, and a container on a trajectory cyclically forward and backward moving actuator.
  • the invention further relates to a corresponding method for moving a liquid.
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages of the prior art and to optimize a device or a method of the type specified in the sense of improved mixing efficiency and reduced contamination, with an aim of the invention also being to provide a suitable device Mixing container consists.
  • a manufacturing technology advantageous embodiment provides that the deflecting body is integrally formed on the container wall.
  • the flow guide surfaces are at mutually different angles of attack on the adjacent container wall. It is advantageous if the angles of attack in the range between 0 ° and 85 ° with respect to the solder in the base of the flow on the container wall, and if the difference in the angle of attack of the associated flow control between 5 ° and 85 °.
  • the flow control surfaces are curved or arched.
  • the desired effect is achieved if the mutually associated flow control surfaces with respect to the movement path have a different average curvature or slope.
  • the flow guide surfaces then do not run with respect to a center plane perpendicular to the movement path mirror-symmetrical to each other.
  • a further increase in efficiency can be achieved in that a plurality of deflecting bodies are arranged in the shape of a sawtooth or matrix on the container wall.
  • the volume of the cavity is preferably between 5 ⁇ l and 50 ml.
  • the movement path is at least partially linear or circular.
  • complex container movements can be performed, such as two mutually perpendicular linear movements that are performed simultaneously or sequentially or temporally nested.
  • the amplitude of the linear movement of the container is in a range of 20 microns to 20 mm, or the amplitude of the circular movement of the container in a range of 0.5 ° to nx 360 °, where n is a natural number is.
  • the frequency of the movement can also be in a wide range of 0.1 to 10,000 Hz.
  • the container is designed as a disposable article preferably for receiving body fluids to be examined.
  • the container For parallel processing, it is also possible for the container to have a multiplicity of cavities, in particular in the form of a microtiter plate.
  • the container In order to carry out analytical investigations, it is possible for the container to have a test surface which is designed in particular as a sensor and can be acted upon by the moving liquid.
  • the opening may form an inlet or outlet.
  • the actuator comprises a holder for the container and a coupled thereto, oscillating drive unit.
  • a further improvement can be achieved in that the actuator is formed by a laboratory device comprising a control device.
  • the invention also relates to a container having at least one deflecting body projecting on the inside for use in a device according to the invention.
  • the deflecting body does not have mirror-symmetrical flow guidance surfaces.
  • the object mentioned in the introduction is achieved by introducing the liquid into the cavity defined by a container is, and the container is moved cyclically back and forth on a trajectory, wherein at least one deflecting protrudes into the cavity, and wherein the liquid is deflected during the container movement by at least two relative to the trajectory differently oriented flow control surfaces of the deflecting and / or the container is moved in a forward and backward phase of the cyclic container movement with phase-wise different course.
  • the apparatus shown in the drawing enables an effective flow movement of a liquid, in particular for mixing, dissolving, dispersing, emulsifying, suspending or homogenizing a further substance in the liquid.
  • the device 10 comprises a container 12 with at least one cavity 14 for receiving the liquid 16 and an actuator 18 for a cyclic forward and backward running Mixed movement of the container 12 on an at least partially linear or curved trajectory.
  • the container 12 in the respective cavity 14 projecting deflecting body 20.
  • These are integrally formed on a container wall 22 and have at least two relative to the movement path or movement axis (double arrow 24) differently oriented inclined flow guide 26, 28. It is also conceivable that the flow guide are arranged mirror-symmetrically with respect to a plane of symmetry perpendicular to the movement path, and the mixing movement is different in the forward and reverse phases, as explained below.
  • the actuator 18 comprises a holder 30 for the container 12 and a coupled to the holder, oscillating drive unit 32.
  • this arrangement is formed by a laboratory device, which also has a control device 34 for an automatic process sequence.
  • Fig. 2 shows a section in the movement axis of the linear forward or backward movement (arrows 24 ', 24'') in the region of the deflecting body 20.
  • Their flow guide surfaces 26, 28 run towards the interior of the cavity 14 asymmetrically toward each other in a wedge shape. Accordingly own the angle of attack ⁇ 1,2 can be determined, for example, with respect to the solder 29 at the base of the respective flow guide 26, 28 on the container wall 22.
  • the flow guide surface 28 has an angle of incidence ⁇ 2 of approximately 57 °, while the angle of incidence ⁇ 1 of the steeper flow guide surface 26 is approximately 10 ° with respect to the vertical 29 on the container wall 22.
  • the transmission of kinetic energy to the liquid 16 is primarily in the immediate vicinity of the oscillating flow guide 26, 28. Due to the inertia of the liquid, a shock wave is generated, which propagates in the cavity. As illustrated by arrows 36, 38, the generated pulse has a different direction in the forward phase 24 'and the back phase 24 ". Since in this case the pulse from the forward phase 24 'is not completely compensated by an opposite pulse from the back phase 24 ", the liquid undergoes a net movement In this way, an effective swirling of the liquid can be achieved with static deflection bodies 20, ie fixed on the container wall ,
  • the amplitude of the linear movement phases 24 'and 24''of the container 12 is in a range of 20 microns to 20 mm. Accordingly, the frequency the movement can be selected in a wider range from 0.1 to 10,000 Hz.
  • FIG. 3 to 12 and 14 Further embodiments of containers 12 with asymmetric deflecting bodies 20 are shown by way of example. Identical parts are provided with the same reference numerals, as described above.
  • Fig. 3 shows a cuvette-like configuration of a container 12, in which the deflecting body 20 is formed asymmetrically with respect to the axis of a (horizontal) linear movement.
  • the volume of the cavity 14 bounded by the container can be in a wide range between 5 ⁇ l and 50 ml.
  • Such a container may be formed as a disposable for receiving body fluids to be examined.
  • Fig. 4 shows a cylindrical container 12 for a circular oscillating movement (double arrow 24) about the container axis 40.
  • the movement amplitude can be in a wide range of 0.5 ° to nx 360 °, where n is a natural number.
  • the flow guide 26, 28 in their transverse orientation with respect to the circular path of movement 24 are different steep.
  • Fig. 5a and b show container 12 similar to Fig. 3 but with a plurality of on a container wall 22nd Sawtooth-shaped deflecting bodies 20.
  • the path of movement 24 extends horizontally, wherein the deflection body 20 are arranged on the bottom side
  • Fig. 5b illustrates a vertical trajectory 24 in the gravity axis, wherein the deflecting body 20 protrude from a side wall 22.
  • deflectors 20 may be arranged side by side to provide with counter-oriented flow control surfaces for additional mixing flows in the cavity 14.
  • a plurality of deflecting bodies 20 are arranged like a matrix on the container bottom.
  • the mixing movement of the container 12 takes place in two mutually perpendicular trajectories 24 1, 2 in such a way that the irregularly tetrahedral deflecting bodies 20 each have at least two flow guide surfaces oriented differently relative to the respective trajectory.
  • Fig. 8 shows a similar embodiment with prismatic deflecting bodies 20.
  • the flow guide 26,28 perpendicular to the container bottom, but at different angles with respect to the trajectory 24th
  • mixing vessels 12 are shown, which are provided for a circular mixing movement.
  • the deflection body 20 are here on the bottom side or coat side into the container inside, with different steep flow guide surfaces 26, 28 provide in the circular motion for a resulting liquid flow.
  • the cylindrical container 12 are provided with an upper end opening 42 to fill the mix. In principle, it is also conceivable that the containers 12 have an inlet and outlet for the continuous loading of the cavity.
  • the container 12 has a test area 44, for example in the form of an electrode or reagent layer, which responds to an analyte in the liquid within the cavity 14.
  • the mixing bodies 20 ensure an effective flow over the test surface 24.
  • Fig. 12 shows a further embodiment of a container 12, wherein the cavity 14 annularly rotates about an inner structure 46.
  • Fig. 13 shows a container 12, in which a deflecting body 20 is configured symmetrically with respect to the axis of rotation 48 of the circular trajectory 24.
  • the Flow guide surfaces 26, 28 provide here, due to a phase-wise different course of motion for a resulting fluid flow.
  • the loci (rotation angle plotted against time) of the movement phases in the clockwise and counterclockwise direction are not mirror images or congruent.
  • the movement in one direction of rotation can be faster than in the other direction of rotation.
  • Such an asymmetrical course of motion can also be realized for a linear forward and backward movement.
  • FIGS. 14 and 15 show a disc-shaped container assembly which is rotatable about the central axis 48 back and forth and laterally closed cavities 14, in which deflecting body 20 provide for a mixing movement of the liquid via an inlet channel 50 einleitbaren. The displaced upon introduction of the liquid air can escape via an outlet channel 52.
  • dry chemicals can react with an analyte, so that the arrangement operates as it were a mini-laboratory.
  • the cavities 14 are bounded on all sides in the disk-shaped container 12, keeping the mouths of the channels 50, 52 free.
  • the container 12 is composed of a base part 54 and a lid 56.
  • the base member 54 includes the cavities 14 including the baffles 20 and the channels 50, 52 as laterally applied (punched-in) recesses, while the lid 56 provides a laterally sealed termination in the joint plane.
  • the base member 54 and the lid 56 are connected to each other by suitable bonding methods such as gluing, laser welding, thermal sealing, ultrasonic welding together. Such an arrangement can be provided as a disposable part or disposable.
  • the base part 54 may suitably consist of an injection-molded part made of a thermoplastic material, preferably polystyrene (PS), polycarbonate (PC), polymethymethacrylate (PMMA), polypropylene (PP), polyethylene (PE) or cyclo-olefin copolymer (COC).
  • a thermoplastic material preferably polystyrene (PS), polycarbonate (PC), polymethymethacrylate (PMMA), polypropylene (PP), polyethylene (PE) or cyclo-olefin copolymer (COC).
  • PS polystyrene
  • PC polycarbonate
  • PMMA polymethymethacrylate
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • COC cyclo-olefin copolymer

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen einer Flüssigkeit (16) in einer Kavität (14) mit einem die Kavität (14) begrenzenden Behälter (12), welcher mindestens einen von einer Behälterwand (22) abstehenden und in die Kavität (14) hineinragenden statischen Umlenkkörper (20) aufweist, und einem den Behälter (12) auf einer Bewegungsbahn (24) zyklisch vorwärts und zurück bewegenden Aktuator (18). Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Umlenkkörper (20) mindestens zwei relativ zu der Bewegungsbahn (24) unterschiedlich orientierte Strömungsleitflächen (26,28) aufweist oder/und der Aktuator (18) dazu ausgebildet ist, den Behälter (12) in einer Vorwärts- und Rückphase der Bewegung mit phasenweise unterschiedlichem Verlauf zu bewegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen einer Flüssigkeit in einer Kavität, insbesondere zum Mischen, Lösen, Dispergieren, Emulgieren, Suspendieren oder Homogenisieren eines Stoffes, mit einem die Kavität gegebenenfalls unter Freihaltung einer Öffnung begrenzenden Behälter, welcher mindestens einen von einer Behälterwand abstehenden und in die Kavität hineinragenden statischen Umlenkkörper aufweist, und einem den Behälter auf einer Bewegungsbahn zyklisch vorwärts und zurück bewegenden Aktuator. Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes Verfahren zum Bewegen einer Flüssigkeit.
  • Zum Mischen von Flüssigkeiten oder Lösen bzw. Verteilen von Stoffen in Flüssigkeiten sind verschiedene verfahrenstechnische Operationen bekannt. Hierzu gehören das chargenweise Mischen durch Rühren und das im Durchlauf arbeitende Strömungsmischen. In beiden Fällen wird aufgrund der erforderlichen externen Mittel (eingreifende Rührer bzw. anzuschließende Pumpen) ein Einsatz in kleineren Behältern insbesondere für diagnostische Einmaluntersuchungen erschwert. In Zusammenhang mit Mikrotiterplatten wurden daher bereits Vorrichtungen der vorstehend angegebenen Art vorgeschlagen, die durch eine gleichförmige oszillierende Bewegung gegebenenfalls mit Unterstützung von Strömungsblenden in Verbindung mit offenen Oberflächen ein Wirbelmischen bewirken sollen. Problematisch hierbei ist die Wellenbildung auf der Oberfläche, die zu einem Überschwappen der Flüssigkeit führen kann. Hinzu kommen weitere Nachteile wie Bodenbereiche mit schlechter Durchmischung und lange Mischzeiten.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik aufgetretenen Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs angegebenen Art im Sinne einer verbesserten Mischeffizienz und einer verringerten Kontamination zu optimieren, wobei ein Erfindungsziel auch in der Bereitstellung eines geeigneten Mischbehälters besteht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, durch einfache Behältereinbauten in Verbindung mit einer Behälterbewegung eine effiziente Mischung zu ermöglichen. Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass
    • der Umlenkkörper mindestens zwei relativ zu der Bewegungsbahn unterschiedlich orientierte Strömungsleitflächen aufweist oder/und
    • der Aktuator dazu ausgebildet ist, den Behälter in einer Vorwärts- und Rückphase der Bewegung mit phasenweise unterschiedlichem Verlauf zu bewegen.
  • Durch diese alternativen oder kombinierten Maßnahmen wird eine resultierende Flüssigkeitsströmung erreicht, die es ermöglicht, in vergleichsweise kurzer Zeit die gesamte Kavität zu durchsetzen. Hierfür sind keine offenen Flüssigkeitsoberflächen erforderlich, und die Gefahr einer Verunreinigung durch externe Rührelemente oder Umwälzeinheiten wird vermieden. Durch die starr mit einer Behälterwand verbundenen (stationären) Umlenkkörper lassen sich Strömungsleitflächen realisieren, die aufgrund einer unterschiedlichen Querausrichtung bezüglich der Bahn der Behälterbewegung einen resultierenden Impuls in die Flüssigkeit eintragen. Entsprechendes lässt sich auch dadurch erreichen, dass durch einen unterschiedlichen Bewegungsverlauf, d.h. nicht deckungsgleiche Kurven im Orts-Zeit-Diagramm der Behälterbewegung in der Vorwärts- und Rückwärtsphase, im Bereich der Umlenkkörper eine Nettoströmung erzeugt wird.
  • Eine auch herstellungstechnisch vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Umlenkkörper an der Behälterwand angeformt ist.
  • Für eine effektive Flüssigkeitsbewegung ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsleitflächen zum Inneren der Kavität hin keilförmig aufeinander zulaufen.
  • Zweckmäßig stehen die Strömungsleitflächen unter voneinander unterschiedlichen Anstellwinkeln an der angrenzenden Behälterwand ab. Hierbei ist es günstig, wenn die Anstellwinkel im Bereich zwischen 0° und 85° bezüglich des Lots im Fußpunkt der Strömungsleitflächen auf der Behälterwand liegen, und wenn die Differenz der Anstellwinkel der einander zugeordneten Strömungsleitflächen zwischen 5° und 85° beträgt.
  • Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Strömungsleitflächen gekrümmt bzw. gewölbt sind. Auch hierbei wird der gewünschte Effekt erreicht, wenn die einander zugeordneten Strömungsleitflächen bezüglich der Bewegungsbahn eine voneinander unterschiedliche mittlere Krümmung bzw. Steigung aufweisen. Die Strömungsleitflächen verlaufen dann bezüglich einer senkrecht zur Bewegungsbahn stehenden Mittelebene nicht spiegelsymmetrisch zueinander.
  • Eine weitere Effizienzsteigerung lässt sich dadurch erreichen, dass eine Vielzahl von Umlenkkörpern sägezahn- oder matrixförmig an der Behälterwand angeordnet sind.
  • Bevorzugt beträgt das Volumen der Kavität zwischen 5 µl und 50 ml.
  • Vorteilhafterweise verläuft die Bewegungsbahn zumindest abschnittsweise linear oder zirkular. Hierbei können auch komplexe Behälterbewegungen vollführt werden, etwa zwei senkrecht zueinander liegende Linearbewegungen, die gleichzeitig oder nacheinander oder zeitlich ineinander verschachtelt ausgeführt werden.
  • Günstig ist es, wenn die Amplitude der linearen Bewegung des Behälters in einem Bereich von 20 µm bis 20 mm liegt, oder die Amplitude der zirkularen Bewegung des Behälters in einem Bereich von 0,5° bis n x 360° liegt, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die Frequenz der Bewegung kann ebenfalls in einem weiten Bereich von 0,1 bis 10.000 Hz liegen.
  • Besonders kurze Mischzeiten werden erreicht, wenn der Behälter mit einem sägezahnartigen Bewegungsprofil oszilliert, wobei die Vorwärts- und Rückphase unterschiedlich lange dauern.
  • Vorteilhafterweise ist der Behälter als Einwegartikel vorzugsweise zur Aufnahme von zu untersuchenden Körperflüssigkeiten ausgebildet.
  • Für eine Parallelverarbeitung ist es auch möglich, dass der Behälter insbesondere in Form einer Mikrotiterplatte eine Vielzahl von Kavitäten aufweist.
  • Zur Durchführung von analytischen Untersuchungen ist es möglich, dass der Behälter eine insbesondere als Sensor ausgebildete, mit der bewegten Flüssigkeit beaufschlagbare Testfläche aufweist.
  • Zum kontinuierlichen oder intermittierenden Beladen der Kavität mit Flüssigkeit kann die Öffnung einen Ein- oder Auslass bilden.
  • Vorteilhafterweise umfasst der Aktuator einen Halter für den Behälter und eine damit gekoppelte, oszillierend arbeitende Antriebseinheit. Eine weitere Verbesserung lässt sich dadurch erreichen, dass der Aktuator durch ein eine Steuereinrichtung umfassendes Laborgerät gebildet ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Behälter mit mindestens einem innenseitig abstehenden Umlenkkörper zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bevorzugt weist der Umlenkkörper nicht spiegelsymmetrisch zueinander verlaufende Strömungsleitflächen auf.
  • In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die eingangs genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Flüssigkeit in die durch einen Behälter begrenzte Kavität eingebracht wird, und der Behälter auf einer Bewegungsbahn zyklisch vor und zurück bewegt wird, wobei mindestens ein Umlenkkörper in die Kavität hineinragt, und wobei die Flüssigkeit bei der Behälterbewegung durch mindestens zwei relativ zu der Bewegungsbahn unterschiedlich orientierte Strömungsleitflächen des Umlenkkörpers umgelenkt wird oder/und der Behälter in einer Vor- und Rückphase der zyklischen Behälterbewegung mit phasenweise unterschiedlichem Verlauf bewegt wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Blockschaltbild einer Mischvorrichtung mit einem Behälter zur Aufnahme des Mischguts und einem Aktuator für eine Mischbewegung des Behälters;
    Fig. 2a und b
    eine Ausschnittsvergrößerung des Behälters nach Fig. 1 in der Vorwärts- und Rückphase der Mischbewegung;
    Fig. 3
    einen Querschnitt eines Behälters mit einem in das Behälterinnere hineinragenden Umlenkkörper;
    Fig. 4
    eine weitere Ausführungsform in einer Fig. 3 entsprechenden Darstellung;
    Fig. 5a und b
    Behälter mit unterschiedlich angeordneten Umlenkkörpern in vereinfachter schaubildlicher Darstellung;
    Fig. 6 bis 10
    weitere Ausführungsformen von Behältern in Fig. 5 entsprechender Darstellung;
    Fig. 11
    einen mit einer Testfläche versehenen Mischbehälter;
    Fig. 12
    einen Mischbehälter mit einem ringförmigen Innenraum;
    Fig. 13
    einen Umlenkkörper mit symmetrischen Strömungsleitflächen in einem Mischbehälter; und
    Fig. 14 und 15
    eine scheibenförmige Anordnung mit einem Hohlraum und darin befindlichen Umlenkkörpern im Axial- und Radialschnitt.
  • Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ermöglicht eine effektive Strömungsbewegung einer Flüssigkeit insbesondere zum Mischen, Lösen, Dispergieren, Emulgieren, Suspensieren oder Homogenisieren eines weiteren Stoffes in der Flüssigkeit. Hierzu umfasst die Vorrichtung 10 einen Behälter 12 mit mindestens einer Kavität 14 zur Aufnahme der Flüssigkeit 16 und einen Aktuator 18 für eine zyklische vorwärts und zurück verlaufende Mischbewegung des Behälters 12 auf einer zumindest abschnittsweise linearen oder gekrümmten Bewegungsbahn.
  • Wie in Fig. 1 veranschaulicht, weist der Behälter 12 in die jeweilige Kavität 14 hineinragende Umlenkkörper 20 auf. Diese sind einstückig an einer Behälterwand 22 angeformt und besitzen mindestens zwei relativ zu der Bewegungsbahn bzw. Bewegungsachse (Doppelpfeil 24) unterschiedlich orientierte geneigte Strömungsleitflächen 26, 28. Denkbar ist es auch, dass die Strömungsleitflächen spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene senkrecht zur Bewegungsbahn angeordnet sind, und dass die Mischbewegung in der Vorwärts- und Rückwärtsphase unterschiedlich verläuft, wie es weiter unten erläutert wird.
  • Der Aktuator 18 umfasst einen Halter 30 für den Behälter 12 und eine mit dem Halter gekoppelte, oszillierend arbeitende Antriebseinheit 32. Bevorzugt ist diese Anordnung durch ein Laborgerät gebildet, welches auch eine Steuereinrichtung 34 für einen automatischen Verfahrensablauf besitzt.
  • Fig. 2 zeigt einen Schnitt in der Bewegungsachse der linearen Vorwärts- bzw. Rückbewegung (Pfeile 24', 24'') im Bereich der Umlenkkörper 20. Deren Strömungsleitflächen 26, 28 laufen zum Inneren der Kavität 14 hin asymmetrisch keilförmig aufeinander zu. Dementsprechend besitzen die Strömungsleitflächen 26, 28 voneinander unterschiedliche Anstellwinkel bezüglich der angrenzenden Behälterwand 22. Die Anstellwinkel ϕ1,2 lassen sich beispielsweise bezüglich des Lots 29 im Fußpunkt der jeweiligen Strömungsleitfläche 26, 28 an der Behälterwand 22 bestimmen. In dem gezeigten Beispiel besitzt die Strömungsleitfläche 28 einen Anstellwinkel ϕ2 von etwa 57°, während der Anstellwinkel ϕ1 der steileren Strömungsleitfläche 26 etwa 10° bezüglich der Senkrechten 29 auf der Behälterwand 22 beträgt.
  • Die Übertragung der Bewegungsenergie an die Flüssigkeit 16 erfolgt primär in der unmittelbaren Umgebung der oszillierenden Strömungsleitflächen 26, 28. Aufgrund der Massenträgheit der Flüssigkeit wird eine Stoßwelle erzeugt, die sich in der Kavität fortpflanzt. Wie durch Pfeile 36, 38 veranschaulicht, hat der erzeugte Impuls eine unterschiedliche Richtung in der Vorwärtsphase 24' und Rückphase 24''. Da hierbei der Impuls aus der Vorwärtsphase 24' nicht durch einen entgegengesetzten Impuls aus der Rückphase 24" vollständig ausgeglichen wird, erfährt die Flüssigkeit eine Nettobewegung. Auf diese Weise lässt sich mit statischen, d. h. an der Behälterwand feststehenden Umlenkkörpern 20 eine effektive Verwirbelung der Flüssigkeit erreichen.
  • Zweckmäßig liegt die Amplitude der linearen Bewegungsphasen 24' bzw. 24'' des Behälters 12 in einem Bereich von 20 µm bis 20 mm. Entsprechend kann auch die Frequenz der Bewegung in einem weiteren Bereich von 0,1 bis 10.000 Hz gewählt werden.
  • In den folgenden Fig. 3 bis 12 und 14 werden weitere Ausführungen von Behältern 12 mit asymmetrischen Umlenkkörpern 20 beispielhaft dargestellt. Gleiche Teile sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie vorstehend beschrieben.
  • Fig. 3 zeigt eine küvettenartige Ausgestaltung eines Behälters 12, bei welchem der Umlenkkörper 20 bezüglich der Achse einer (horizontalen) linearen Bewegung asymmetrisch ausgebildet ist. Das Volumen der durch den Behälter begrenzten Kavität 14 kann in einem weiten Bereich zwischen 5 µl und 50 ml liegen. Ein solcher Behälter kann als Einwegartikel zur Aufnahme von zu untersuchenden Körperflüssigkeiten ausgebildet sein.
  • Fig. 4 zeigt einen zylindrischen Behälter 12 für eine zirkulare oszillierende Bewegung (Doppelpfeil 24) um die Behälterachse 40. Die Bewegungsamplitude kann in einem weiten Bereich von 0,5° bis n x 360° liegen, wobei n eine natürliche Zahl ist. Auch hier sind die Strömungsleitflächen 26, 28 in ihrer Querausrichtung bezüglich der kreisförmigen Bewegungsbahn 24 unterschiedlich steil.
  • Fig. 5a und b zeigen Behälter 12 ähnlich zu Fig. 3, jedoch mit einer Mehrzahl von an einer Behälterwand 22 sägezahnförmig angeformten Umlenkkörpern 20. Gemäß Fig. 5a verläuft die Bewegungsbahn 24 horizontal, wobei die Umlenkkörper 20 bodenseitig angeordnet sind, während Fig. 5b eine vertikale Bewegungsbahn 24 in der Schwerkraftachse veranschaulicht, wobei die Umlenkkörper 20 von einer Seitenwand 22 abstehen.
  • Wie in Fig. 6 dargestellt, können auch mehrere Reihen von Umlenkkörpern 20 nebeneinander angeordnet sein, um mit gegenläufig orientierten Strömungsleitflächen für zusätzliche Mischströmungen in der Kavität 14 zu sorgen.
  • Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform sind eine Vielzahl von Umlenkkörpern 20 matrixartig am Behälterboden angeordnet. Die Mischbewegung des Behälters 12 erfolgt in zwei senkrecht aufeinander stehenden Bewegungsbahnen 241,2 dergestalt, dass die irregulär tetraederförmigen Umlenkkörper 20 jeweils mindestens zwei relativ zu der jeweiligen Bewegungsbahn unterschiedlich orientierte Strömungsleitflächen besitzen.
  • Fig. 8 zeigt eine ähnliche Ausführungsform mit prismatischen Umlenkkörpern 20. Hier stehen die Strömungsleitflächen 26,28 senkrecht auf dem Behälterboden, jedoch unter unterschiedlichem Winkel bezüglich der Bewegungsbahn 24.
  • In den Ausführungen nach Fig. 9 und 10 sind weitere Beispiele für Mischbehälter 12 gezeigt, die für eine zirkulare Mischbewegung vorgesehen sind. Die Umlenkkörper 20 stehen hier bodenseitig bzw. mantelseitig in das Behälterinnere ab, wobei unterschiedlich steile Strömungsleitflächen 26, 28 bei der Kreisbewegung für eine resultierende Flüssigkeitsströmung sorgen. Die zylindrischen Behälter 12 sind mit einer oberen Stirnöffnung 42 versehen, um das Mischgut einzufüllen. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Behälter 12 einen Ein- und Auslass zum kontinuierlichen Beladen der Kavität aufweisen.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 besitzt der Behälter 12 eine Testfläche 44, beispielsweise in Form einer Elektrode oder Reagenzschicht, die auf einen Analyten in der Flüssigkeit innerhalb der Kavität 14 anspricht. Die Mischkörper 20 sorgen hierbei für eine effektive Strömung über die Testfläche 24.
  • Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Behälters 12, bei dem die Kavität 14 ringförmig um eine Innenstruktur 46 umläuft. Durch solche komplexe Hohlraumstrukturen kann eine resultierende makroskopische Strömung beispielsweise als Ringströmung erreicht werden.
  • Fig. 13 zeigt einen Behälter 12, bei welchem ein Umlenkkörper 20 bezüglich der Drehachse 48 der zirkularen Bewegungsbahn 24 symmetrisch ausgestaltet ist. Die Strömungsleitflächen 26, 28 sorgen hier aufgrund eines phasenweise unterschiedlichen Bewegungsverlaufs für eine resultierende Flüssigkeitsströmung. Dies bedeutet, dass die Ortskurven (Drehwinkel aufgetragen über der Zeit) der Bewegungsphasen im Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigersinn nicht spiegelbildlich bzw. deckungsgleich sind. Beispielsweise kann die Bewegung in der einen Drehrichtung schneller als in der anderen Drehrichtung erfolgen. Ein solcher asymmetrischer Bewegungsverlauf lässt sich auch für eine lineare Vorwärts- und Rückbewegung realisieren. Grundsätzlich ist es auch denkbar, einen asymmetrischen Bewegungsverlauf mit bezüglich der Bewegungsbahn asymmetrisch angestellten Strömungsleitflächen zu kombinieren.
  • Fig. 14 und 15 zeigen eine scheibenförmige Behälteranordnung, die um die Zentralachse 48 hin und her drehbar ist und seitlich geschlossene Kavitäten 14 aufweist, in denen Umlenkkörper 20 für eine Mischbewegung der über einen Einlasskanal 50 einleitbaren Flüssigkeit sorgen. Die beim Einleiten der Flüssigkeit verdrängte Luft kann über einen Auslasskanal 52 entweichen. In den Kavitäten 14 ggf. vorgelegte Trockenchemikalien können mit einem Analyten reagieren, so dass die Anordnung gleichsam als Minilabor arbeitet.
  • Die Kavitäten 14 sind in dem scheibenförmigen Behälter 12 allseitig begrenzt, unter Freihaltung der Mündungen der Kanäle 50, 52. Wie am besten aus Fig. 15 ersichtlich, ist der Behälter 12 aus einem Basisteil 54 und einem Deckel 56 zusammengesetzt. Das Basisteil 54 enthält die Kavitäten 14 einschließlich der Umlenkkörper 20 und die Kanäle 50, 52 als seitlich applizierte (eingestanzte) Vertiefungen, während der Deckel 56 für einen seitlich dichten Abschluss in der Verbindungsebene sorgt. Hierfür werden das Basisteil 54 und der Deckel 56 durch geeignete Verbindungsmethoden wie Kleben, Laserschweißen, thermisches Aufsiegeln, Ultraschallschweißen stoffdicht miteinander verbunden. Eine solche Anordnung kann als Einwegteil bzw. Disposable vorgesehen sein. Das Basisteil 54 kann zweckmäßig als Spritzgussteil aus einem thermoplastischen Material, bevorzugt Polystyrol(PS), Polycarbonat(PC), Polymethymethacrylat (PMMA), Polypropylene (PP), Polyethylen (PE) oder Cyclo-Olefin-Copolymer (COC) bestehen. Als Deckel-Material können thermoplastische Folien, Verbundfolien (Laminate mit mindestens einer Kunststoff und einer Aluminiumschicht) und Folien mit einer Kleberschicht zum Einsatz kommen, mit einer typischen Dicke von 40 bis 300µm.

Claims (23)

  1. Vorrichtung zum Bewegen einer Flüssigkeit (16) in einer Kavität (14), insbesondere zum Mischen, Lösen, Dispergieren, Emulgieren, Suspendieren oder Homogenisieren eines Stoffes, mit
    a) einem die Kavität (14) gegebenenfalls unter Freihaltung einer Öffnung (42) begrenzenden Behälter (12),
    b) welcher mindestens einen von einer Behälterwand (22) abstehenden und in die Kavität (14) hineinragenden statischen Umlenkkörper (20) aufweist,
    c) und einem den Behälter (12) auf einer Bewegungsbahn (24) zyklisch vorwärts und zurück bewegenden Aktuator (18),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    d) der Umlenkkörper (20) mindestens zwei relativ zu der Bewegungsbahn (24) unterschiedlich orientierte Strömungsleitflächen (26,28) aufweist oder/und
    e) der Aktuator (18) dazu ausgebildet ist, den Behälter (12) in einer Vorwärts- und Rückphase der Bewegung mit phasenweise unterschiedlichem Verlauf zu bewegen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (20) an der Behälterwand (22) angeformt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitflächen (26,28) zum Inneren der Kavität (14) hin keilförmig aufeinander zulaufen.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitflächen (26,28) unter voneinander unterschiedlichen Anstellwinkeln an der angrenzenden Behälterwand (22) abstehen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstellwinkel im Bereich zwischen 0° und 85° bezüglich des Lots im Fußpunkt der Strömungsleitflächen (26,28) auf der Behälterwand (22) liegen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Anstellwinkel der einander zugeordneten Strömungsleitflächen (26,28) zwischen 5° und 85° beträgt.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugeordneten Strömungsleitflächen (26,28) bezüglich der Bewegungsbahn (24) eine voneinander unterschiedliche mittlere Steigung aufweisen.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Umlenkkörpern (20) sägezahn- oder matrixförmig an der Behälterwand (22) angeordnet sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Kavität (14) zwischen 5 µl und 50 ml beträgt.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsbahn (24) zumindest abschnittsweise linear oder zirkular verläuft.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der linearen Bewegung des Behälters (12) in einem Bereich von 20 µm bis 20 mm liegt.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der zirkularen Bewegung des Behälters (12) in einem Bereich von 0,5° bis n x 360° liegt, wobei n eine natürliche Zahl ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Bewegung in einem Bereich von 0,1 bis 10.000 Hz liegt.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (12) mit einem sägezahnartigen Bewegungsprofil oszilliert, wobei die Vorwärts- und Rückphase unterschiedlich lange dauern.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (12) als Einwegartikel vorzugsweise zur Aufnahme von zu untersuchenden Körperflüssigkeiten (16) ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (12) insbesondere in Form einer Mikrotiterplatte eine Vielzahl von Kavitäten (14) aufweist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (12) eine insbesondere als Sensor ausgebildete, mit der bewegten Flüssigkeit (16) beaufschlagbare Testfläche (44) aufweist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (42) einen Ein- oder Auslass zum kontinuierlichen oder intermittierenden Beladen der Kavität (14) mit Flüssigkeit (16) bildet.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (18) einen Halter (30) für den Behälter (12) und eine damit gekoppelte, oszillierend arbeitende Antriebseinheit (32) aufweist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (18) durch eine Steuereinrichtung (34) umfassendes Laborgerät (10) gebildet ist.
  21. Behälter (12) mit mindestens einem innenseitig abstehenden Umlenkkörper (20) zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  22. Behälter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkörper (20) mindestens zwei relativ zu der Bewegungsbahn (24) unterschiedlich orientierte Strömungsleitflächen (26,28) aufweist.
  23. Verfahren zum Bewegen einer Flüssigkeit (16) in einer Kavität (14), insbesondere zum Mischen, Lösen, Dispergieren, Emulgieren, Suspendieren oder Homogenisieren, bei dem die Flüssigkeit (16) in die durch einen Behälter (12) begrenzte Kavität (14) eingebracht wird, und der Behälter (12) auf einer Bewegungsbahn (24) zyklisch vor und zurück bewegt wird, wobei mindestens ein Umlenkkörper (20) in die Kavität (14) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (16) bei der Behälterbewegung durch mindestens zwei relativ zu der Bewegungsbahn (24) unterschiedlich orientierte Strömungsleitflächen (26,28) des Umlenkkörpers (20) umgelenkt wird oder/und der Behälter (12) in einer Vor- und Rückphase mit phasenweise unterschiedlichem Verlauf bewegt wird.
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