EP2148738B1 - Method for mixing and/or conveying, mixing and/or conveyance device, and sample processing chip comprising such a device - Google Patents

Method for mixing and/or conveying, mixing and/or conveyance device, and sample processing chip comprising such a device Download PDF

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EP2148738B1 EP08736425A EP08736425A EP2148738B1 EP 2148738 B1 EP2148738 B1 EP 2148738B1 EP 08736425 A EP08736425 A EP 08736425A EP 08736425 A EP08736425 A EP 08736425A EP 2148738 B1 EP2148738 B1 EP 2148738B1
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EP
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compressible medium
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Abstract

A mixing and/or conveyance method and a mixing and/or conveyance device for a fluid substance, comprising a sample chamber, a cavity communicating with the sample chamber, said cavity being configured for accommodating a compressible medium, and a sound source that may be coupled to the compressible medium for the production of a fluctuation in pressure in the compressible medium. In the region of its mouth, the cavity is designed such that, in the case of an expansion in the volume of the compressible medium in the cavity, a directed fluid stream of the fluid substance escapes from the cavity through its mouth. A sample processing chip (‘lab on a chip’) comprising such a mixing and/or conveyance device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Misch- und/oder Förderverfahren und eine Misch- und/oder Fördervorrichtung für eine fließfähige Substanz oder Flüssigkeit mit einer Probenkammer, einer mit der Probenkammer kommunizierenden Kavität, die zur Aufnahme eines kompressiblen Mediums bestimmten Volumens eingerichtet ist, und einer an das kompressible Medium ankoppelnden Schallquelle zur Erzeugung einer Druckschwingung in dem kompressiblen Medium. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Probenaufbereitungschip ("lab on a chip") mit einer solchen Misch- und/oder Fördervorrichtung.The invention relates to a mixing and / or conveying method and a mixing and / or conveying device for a flowable substance or liquid having a sample chamber, a communicating with the sample chamber cavity, which is adapted to receive a compressible medium volume, and one to the compressible medium coupling sound source for generating a pressure oscillation in the compressible medium. The invention further relates to a sample preparation chip ("lab on a chip") with such a mixing and / or conveying device.

Während zum Mischen makroskopischer Flüssigkeitsmengen unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen, wie beispielsweise Magnetrührer, Vortex-Mischer und dergleichen zum Einsatz kommen, sind diese meist für mikroskopische Flüssigkeitsmengen ungeeignet. Insbesondere lassen sich solche Mischprinzipien nicht in bestehende Probenaufbereitungssysteme integrieren.While different methods and devices, such as magnetic stirrers, vortex mixers and the like are used for mixing macroscopic amounts of liquid, these are usually unsuitable for microscopic amounts of liquid. In particular, such mixing principles can not be integrated into existing sample conditioning systems.

In der Mikrofluidik kommen daher meist passive Mischverfahren und Vorrichtungen zum Einsatz. Solche zudem meist kontinuierlich betriebenen Mischverfahren und Mischer, wie sie in der chemischen Prozess- oder Verfahrenstechnik eingesetzt werden, sind beispielsweise aus der EP 1311341 B1 oder der EP 1390131 B1 bekannt. Diese Verfahren und Mischer sind meistens ungeeignet für die Vermischung kleiner Flüssigkeitsmengen.In microfluidics, therefore, mostly passive mixing methods and devices are used. Such also mostly continuously operated mixing method and mixers, such as those used in chemical process or process technology are, for example, from EP 1311341 B1 or the EP 1390131 B1 known. These methods and mixers are usually unsuitable for mixing small amounts of liquid.

Ein neues Verfahren wird in der US 2003/0175947 A1 sowie in dem Aufsatz " Bubble-induced acoustic micromixing" von Robin H. Liu et al., LAB Chip, 2002, 2, 151-157 , beschrieben. Darin ist eine Vorrichtung zum Mischen kleinster Flüssigkeitsmengen (22 µl) vorgestellt, welche eine Kammer, befüllt mit den zu mischenden Flüssigkeiten, und peripher angeordnete und mit der Kammer verbundene Kavitäten aufweist. Im Bereich der Kavitäten sind Luftblasen gefangen, welche durch akustische Erregung in resonante Schwingung versetzt werden und dabei die umgebende Flüssigkeit ebenfalls in Bewegung versetzen, was zu einer schnelleren Durchmischung im Vergleich mit der Diffusionsmischung führt. Bei dem entsprechenden Modell wird von den Autoren angenommen, dass der so erzeugten Mikroströmung die Reibungskräfte an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der Gasblase zugrunde liegen.A new procedure will be in the US 2003/0175947 A1 and in the article " Bubble-induced acoustic micromixing "by Robin H. Liu et al., LAB Chip, 2002, 2, 151-157 , described. In it a device for mixing smallest amounts of liquid (22 ul) is presented, which has a chamber filled with the liquids to be mixed, and peripherally disposed and connected to the chamber cavities. In the area of the cavities, air bubbles are trapped, which are put into resonant oscillation by acoustic excitation, thereby also causing the surrounding liquid to move, which leads to a faster mixing in comparison with the diffusion mixture. In the corresponding model, it is assumed by the authors that the microflow produced in this way is based on the frictional forces at the interface between the liquid and the gas bubble.

Von dem gleichen Mischprinzip gehen auch die Druckschriften WO 2006/105616 A1 und WO 2004/030800 A2 aus.From the same mixing principle go the pamphlets WO 2006/105616 A1 and WO 2004/030800 A2 out.

Der Aufsatz " The 'acoustic scallep' : a bubble-powered actuator" von Dijkink, R. et al., Journal of Micromechanics and Microengineering, Institute of Physics Publishing, Bristol, GB; Bd. 16, Nr. 8 , offenbart eine Misch- und/oder Fördervorrichtung gemäß dem oberbegriff des Anspruchs 1.The essay "The 'acoustic scallep': a bubble-powered actuator" by Dijkink, R. et al., Journal of Micromechanics and Microengineering, Institute of Physics Publishing, Bristol, UK; Vol. 16, No. 8 discloses a mixing and / or conveying device according to the preamble of claim 1.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Misch- und Pumpwirkung zu erzielen.In contrast, the invention has the object to achieve an improved mixing and pumping action.

Die Aufgabe wird durch eine Misch- und/oder Fördervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.The object is achieved by a mixing and / or conveying device according to claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Mischen und/oder Fördern einer fließfähigen Substanz in einer Probenkammer, insbesondere zum mikrofluidischen Mischen und/oder Fördern, sieht dem entsprechend vor, dass ein kompressibles Medium in einer in die Probenkammer mündenden Kavität mittels Schalleinkopplung zu einer Druckschwingung angeregt wird, wobei ein Teil der fließfähigen Substanz in den Mündungsbereich der Kavität eindringt und in Folge einer Volumenausdehnung des kompressiblen Mediums in einem gerichteten Fluidstrom durch die Mündung aus der Kavität austritt.The inventive method for mixing and / or conveying a flowable substance in a sample chamber, in particular for microfluidic mixing and / or conveying, accordingly provides that a compressible medium in a cavity opening into the sample chamber by means of sound coupling to a pressure oscillation is excited, wherein a portion of the flowable substance penetrates into the mouth region of the cavity and emerges as a result of a volume expansion of the compressible medium in a directed fluid flow through the mouth of the cavity.

Mit Probenkammer oder Kammer ist im Sinne der Erfindung ganz allgemein ein beliebig geformtes Volumen mit einer oder mehreren Öffnungen, in dem die fließfähigen Substanz eingeschlossen ist oder das von der fließfähigen Substanz - auch während des Mischens - durchströmt wird, gemeint.With sample chamber or chamber is in the context of the invention quite generally an arbitrarily shaped volume with one or more openings in which the flowable substance is trapped or which is flowed through by the flowable substance - even during mixing - meant.

Der Begriff Kavität wird hierin, soweit nicht näher spezifiziert, allgemein als Hohlraum beliebiger Gestalt verstanden. Die nachfolgend verwendete Bezeichnung Öffnung beschreibt den Austrittsquerschnitt der Kavität in Projektion auf die Körperoberfläche an der Austrittsstelle. Als Mündung wird der öffnungsnahe Endabschnitt oder Austrittskanal der Kavität bezeichnet.The term cavity is herein, unless specified, generally understood as a cavity of any shape. The term "opening" used below describes the exit cross-section of the cavity in projection onto the body surface at the exit point. The mouth is the opening-near end section or outlet channel of the cavity.

Wie zuvor beschrieben werden die in den Kavitäten gefangenen "Blasen" des kompressiblen Mediums durch akustische Erregung Druckschwankungen ausgesetzt. Die aus dem Druckabfall resultierende Volumenausdehnung des kompressiblen Mediums wird erfindungsgemäß aber dazu genutzt einen gerichteten Fluidstrom der fließfähigen Substanz durch die Mündung aus der Kavität zu bilden. Die Kavität muss daher im Mündungsbereich so ausgebildet sein, dass ein gerichteter Strahl (oder Jet) aus dieser austritt, der einen Impulsübertrag auf die in der Kammer befindliche fließfähige Substanz sicherstellt. Die Strömungsrichtung des austretenden Fluidjets kann einerseits durch die Ausrichtung der Kavität bzw. deren Mündung, andererseits durch die Anordnung oder Form der Öffnung oder durch eine Kombination beider Merkmale eingestellt werden.As described above, the "bubbles" of the compressible medium trapped in the cavities are exposed to pressure fluctuations due to acoustic excitation. The resulting from the pressure drop volume expansion of the compressible medium according to the invention but used to form a directed fluid flow of the flowable substance through the mouth of the cavity. The cavity must therefore be formed in the mouth region so that a directed jet (or jet) emerges from this, which ensures a momentum transfer to the flowable substance located in the chamber. The direction of flow of the exiting fluid jet can be adjusted on the one hand by the orientation of the cavity or its mouth, on the other hand by the arrangement or shape of the opening or by a combination of both features.

Vorzugsweise weist die Kavität wenigstens eine kanalförmige Mündung in die Probenkammer auf.Preferably, the cavity has at least one channel-shaped mouth in the sample chamber.

In einer einfachen Gestalt weist die Kavität zumindest im Mündungsbereich einen beispielsweise rohrförmigen Abschnitt mit konstantem Querschnitt auf, in komplizierter Ausgestaltung eine besondere Düsengeometrie, um beispielsweise die Effizienz des Antriebs zu steigern.In a simple configuration, the cavity has, for example, a tubular section with a constant cross-section, at least in the area of the mouth, in a complicated configuration a special nozzle geometry in order, for example, to increase the efficiency of the drive.

Die Erfindung macht sich somit ein anderes Prinzip zu nutze, nämlich jenes, dass bei hinreichend großer Reynoldszahl, Re ≥ etwa 50, ein Fluid, welches aus einem Kanal austritt, dies in Form eines gerichteten Jets verlässt, während ein in den Kanal eingesaugtes Fluid aus dem gesamten zur Verfügung stehenden Raumwinkelbereich gleichermaßen in den Kanal eintritt. Das Prinzip ist in dem Aufsatz " The ,acoustic scallop': a bubble-powered actuator" von Dijkink et al., Journal of Micromechanics and Microengineering, 16, 2006, 1653-1659 , beschrieben. Dort wird vorgeschlagen, das Prinzip als Antrieb für eine "akustische Windmühle" einzusetzen. Ein einseitig verschlossenes Teflonröhrchen wird demnach in einen mit Wasser gefüllten Behälter eingetaucht, wonach in dessen Kapillare eine Luftblase eingeschlossen wird. Schall wird mittels eines Piezzoaktors durch das Wasser in die Luftblase eingekoppelt, welche dadurch zu einer Schwingung angeregt wird. Die alternierende Volumenausdehnung und Kontraktion saugt abwechselnd Flüssigkeit in das Röhrchen ein und stößt sie wieder aus. Durch die geschilderte Asymmetrie zwischen dem gerichteten Ausstoß und dem ungerichteten Einsaugen resultiert über eine volle Schwingung ein Gesamtimpulsübertrag auf das Röhrchen, der zu dessen Antrieb in Richtung seiner Längsachse genutzt wird.The invention thus makes use of another principle, namely that with a sufficiently large Reynolds number, Re ≥ about 50, a fluid exiting a channel leaves in the form of a directed jet while a fluid drawn into the channel exits the entire available solid angle area equally enters the channel. The principle is in the essay " The 'acoustic scallop': a bubble-powered actuator "by Dijkink et al., Journal of Micromechanics and Microengineering, 16, 2006, 1653-1659 , described. There it is proposed to use the principle as a drive for an "acoustic windmill". A teflon tube closed on one side is accordingly immersed in a container filled with water, after which an air bubble is enclosed in its capillary. Sound is coupled by means of a piezoelectric actuator through the water in the bubble, which is thereby excited to a vibration. The alternating volume expansion and contraction alternately draws fluid into the tube and expels it again. Due to the described asymmetry between the directed ejection and the undirected sucking results over a full swing, a total momentum transfer to the tube, which is used to drive it in the direction of its longitudinal axis.

Anders als in dem Aufsatz wird vorliegend das Prinzip nicht zum Antrieb sondern dazu genutzt, einen Nettoimpulseintrag in die stehende oder fließende Flüssigkeit einzubringen und dadurch im Zusammenwirken mit der Geometrie der Probenkammer und der Anordnung der Kavitäten eine erhöhte Verwirbelung und damit eine verbesserte Mischung der Flüssigkeiten einerseits und/oder einen (verbesserten) Transport der Flüssigkeiten in eine bestimmte Richtung zu erzielen.Unlike in the article in the present case, the principle is not used to drive but to bring a net impulse entry in the standing or flowing liquid and thereby in interaction with the geometry of the sample chamber and the arrangement of the cavities to achieve increased turbulence and thus improved mixing of the liquids on the one hand and / or (improved) transport of the liquids in a particular direction.

Bevorzugt ist die Oberfläche der Kavität eingerichtet, zumindest teilweise nicht zu benetzen.Preferably, the surface of the cavity is arranged to at least partially not wet.

Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine in der Kavität eingeschlossene Luftblase aufgrund der Oberflächenspannung der fließfähigen Substanz dort gefangen bleibt.In this way it is ensured that an air bubble trapped in the cavity remains trapped there due to the surface tension of the flowable substance.

Die Oberfläche der Kavität ist im Mündungsbereich eingerichtet zu benetzen.The surface of the cavity is designed to wet in the mouth area.

Dies stellt sicher, dass ein Teil der fließfähigen Substanz oder Flüssigkeit aufgrund des Kapillareffektes zumindest in den Mündungsbereich eintritt und dort als Flüssigkeitssäule zur Bildung des Fluidstroms bereitsteht.This ensures that part of the flowable substance or liquid enters at least into the mouth region due to the capillary effect and is ready there as a liquid column for forming the fluid stream.

Eine lokale Benetzbarkeit bzw. Nicht-Benetzbarkeit der Oberflächen kann durch Oberflächenmodifikation erzielt werden.A local wettability or non-wettability of the surfaces can be achieved by surface modification.

Beim Einsatz für eine wässrige Lösung ist die Misch- und/oder Fördervorrichtung beispielsweise entweder aus einem hydrophoben Material gebildet und im Bereich der Mündung und soweit erforderlich in übrigen Oberflächenbereichen außerhalb der Kavität hydrophilisiert oder sie ist aus einem hydrophilen Material gebildet und im Bereich der Kavität(en) gegebenenfalls außer der Mündung(en) hydrophobisiert.When used for an aqueous solution, the mixing and / or conveying device is formed, for example, either from a hydrophobic material and hydrophilized in the area of the mouth and, if necessary, in other surface areas outside the cavity or it is formed from a hydrophilic material and in the region of the cavity ( en) optionally hydrophobicized except the mouth (s).

Das Hydrophilisieren bzw. Hydrophobisieren kann in bekannter Weise durch ein Tauchverfahren, wie in der DE 100133111 C2 beschrieben, oder durch eine Beschichtung erfolgen. Polycarbonat kann beispielsweise als schwach hydrophobes Material durch eine 02-Plasmabehandlung an der Oberfläche hydrophilisiert werden.The hydrophilization or hydrophobing can be carried out in a known manner by a dipping method, as in DE 100133111 C2 described, or by a coating. Polycarbonate can be hydrophilized, for example, as a weakly hydrophobic material by an O 2 plasma treatment on the surface.

Beim Einsatz der Misch- und/oder Fördervorrichtung für unpolare organische Flüssigkeiten können entsprechend lipophile Oberflächen im Bereich der Mündung und soweit erforderlich in übrigen Oberflächenbereichen sowie lipophobe Oberflächen im Bereich der Kavität(en) gegebenenfalls außer der Mündung(en) zum Einsatz kommen. Dies geschieht vorzugsweise, indem die Misch- und/oder Fördervorrichtung aus einem lipophilen Material gebildet und im Bereich der Kavität gegebenenfalls außer der Mündung lipophobisiert ist oder indem sie aus einem lipophoben Material gebildet und im Bereich der Mündung und soweit erforderlich in weiteren Oberflächenbereichen außerhalb der Kavität lipophilisiert ist.When using the mixing and / or conveying device for non-polar organic liquids, correspondingly lipophilic surfaces in the region of the orifice and, as far as necessary, in other surface areas as well as lipophobic surfaces in the region of the cavity (s) may optionally be used apart from the orifice (s). This is preferably done by the mixing and / or conveying device is formed from a lipophilic material and optionally lipophobic in the region of the cavity except the mouth or by being formed from a lipophobic material and in the region of the mouth and as necessary in other surface areas outside the cavity is lipophilized.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Misch- und/oder Fördervorrichtung ein mit der Probenkammer in Verbindung stehendes Druckerhöhungsmittel auf, das eingerichtet ist, die fließfähige Substanz oder Flüssigkeit mit einem Druck zu beaufschlagen, so dass unter Kompression des kompressiblen Mediums ein Teil der fließfähigen Substanz in den Mündungsbereich der Kavität eindringt.In an advantageous development, the mixing and / or conveying device has a pressure increasing means communicating with the sample chamber, which is set up to apply a pressure to the flowable substance or liquid so that a portion of the flowable substance is compressed in compression of the compressible medium penetrates the mouth region of the cavity.

Alternativ oder zusätzlich zu dem benetzungsfähigen Mündungsbereich wird auch auf diese Weise sichergestellt, dass genügend fließfähige Substanz als Flüssigkeitssäule zur Bildung des Fluidstroms im Mündungsbereich der Kavität bereitsteht.As an alternative or in addition to the wettable mouth region, it is also ensured in this way that sufficient flowable substance is available as a liquid column for forming the fluid stream in the mouth region of the cavity.

In der Ausführungsform des Verfahrens tritt das kompressible Medium durch die Mündung oder Mündungen relativ zur Probenkammer dergestalt aus, dass ein Netto-Drehimpuls in die fließfähige Substanz in der Probenkammer eingebracht wird. Die entsprechende Misch- und/oder Fördervorrichtung weist Kavitäten mit Mündungen in die Probenkammer auf, die relativ zur Probenkammer so angeordnet und eingerichtet sind, dass mittels der bei Volumenausdehnung des kompressiblen Mediums durch die Mündungen aus den Kavitäten austretenden gerichteten Fluidströme ein Summen-Drehimpuls in die fließfähige Substanz innerhalb der Probenkammer eingebracht wird.In the embodiment of the method, the compressible medium exits through the mouth or orifices relative to the sample chamber such that a net angular momentum is introduced into the flowable substance in the sample chamber. The corresponding mixing and / or conveying device has cavities with openings in the sample chamber, which are arranged and arranged relative to the sample chamber so that by means of the volumetric expansion of the compressible medium through the orifices emerging from the cavities directed fluid flows a sum-angular momentum in the flowable substance is introduced within the sample chamber.

Auf diese Weise wird die gesamte in der Probenkammer befindliche Flüssigkeit in eine Rotationsbewegung versetzt. Dies sorgt für eine insgesamt stärkere Verwirbelung in der gesamten Probenkammer. Die Gefahr dass in "toten Ecken" keine ausreichende Durchmischung stattfindet wird verringert.In this way, the entire liquid in the sample chamber is placed in a rotational movement. This ensures an overall greater turbulence in the entire sample chamber. The danger that in "dead corners" does not take place sufficient mixing is reduced.

In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform tritt das kompressible Medium durch die Mündung oder Mündungen relativ zur Probenkammer dergestalt aus, dass ein Netto-Linearimpuls in die fließfähige Substanz in der Probenkammer eingebracht wird. Die entsprechende Misch- und/oder Fördervorrichtung weist Kavitäten mit Mündungen in die Probenkammer auf, die relativ zur Probenkammer so angeordnet und eingerichtet sind, dass mittels der bei Volumenausdehnung des kompressiblen Mediums durch die Mündungen aus den Kavitäten austretenden, gerichteten Fluidströme ein Summen-Linearimpuls in die fließfähige Substanz innerhalb der Probenkammer eingebracht wird.In an alternative preferred embodiment, the compressible medium exits through the mouth or orifices relative to the sample chamber such that a net linear momentum is introduced into the flowable substance in the sample chamber. The corresponding mixing and / or conveying device has cavities with openings in the sample chamber, which are arranged and arranged relative to the sample chamber so that by means of the volumetric expansion of the compressible medium through the orifices emerging from the cavities, directed fluid streams a sum linear pulse in the flowable substance is introduced within the sample chamber.

Auf diese Weise wird ein Pumpeffekt erzielt, der das Fluid in der Probenkammer in einer Richtung, beispielsweise von einer Einlassöffnung in Richtung einer Auslassöffnung, befördert.In this way, a pumping effect is achieved which conveys the fluid in the sample chamber in one direction, for example from an inlet opening towards an outlet opening.

Die Kavität ist im einfachsten und daher kostengünstigsten Fall in Form einer Todbohrung oder eines einseitig verschlossenen Kanals in eine Wand der Probenkammer eingebracht.The cavity is introduced in the simplest and therefore most cost-effective case in the form of a death or a single-sided closed channel in a wall of the sample chamber.

Bevorzugt ist die Schallquelle unmittelbar an eine Probenkammerwand angekoppelt.The sound source is preferably coupled directly to a sample chamber wall.

Ist die Schallquelle in einem Bereich der Probenkammerwand mit der Misch- und/oder Fördervorrichtung verbunden, der bei Betrieb gegenüberliegend in Kontakt mit der fließfähigen Substanz steht, so wird die Druckschwingung unmittelbar über die fließfähige Substanz ausgekoppelt und an das kompressible Medium weitergeleitet. Auf diese Weise werden Verluste durch größere Impedanzunterschiede bei der Schallübertragung beispielsweise durch ein auf der Innenseite der Behälterwand angrenzendes Luft-/Gaspolster vermieden.If the sound source in a region of the sample chamber wall is connected to the mixing and / or conveying device, which is in contact with the flowable substance when operating, the pressure oscillation is coupled out directly via the flowable substance and passed on to the compressible medium. In this way, losses due to greater differences in impedance in the sound transmission, for example, avoided by an adjacent on the inside of the container wall air / gas cushion.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kavität in Form eines Verbindungskanals ausgebildet, der einerseits über die Mündung mit der Probenkammer und andererseits mit einer mit einem Koppelmedium befüllten Druckkammer verbunden ist, an die die Schallquelle angekoppelt ist.In another advantageous embodiment, the cavity is designed in the form of a connecting channel, which is connected on the one hand via the mouth to the sample chamber and on the other hand with a filled with a coupling medium pressure chamber to which the sound source is coupled.

Die Druckschwingung wird somit nicht über die zu mischende Substanz sondern gewissermaßen von der gegenüberliegenden Seite über das in der Druckkammer befindliche Koppelmedium in das kompressible Medium einkoppelt. Über ein entsprechendes Kanalsystem für das Koppelmedium können von einer zentralen Druckkammer aus mehrere/alle Kavitäten versorgt werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass durch eine Ventilsteuerung die Kavitäten einzeln oder Gruppenweise in gewünschter Anordnung angesteuert werden können.The pressure oscillation is thus not coupled via the substance to be mixed but to a certain extent from the opposite side via the coupling medium in the pressure chamber into the compressible medium. A corresponding channel system for the coupling medium can supply several / all cavities from a central pressure chamber. The advantage here is that by a valve control the cavities can be controlled individually or in groups in the desired arrangement.

Das kompressible Medium ist bevorzugt Gas, besonders bevorzugt Luft.The compressible medium is preferably gas, more preferably air.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1
einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Mischvorrichtung in einem Probenaufbereitungschip gemäß einer ersten Ausführungsform von der Seite betrachtet;
Figur 2
die erfindungsgemäße Mischvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform im Schnitt von oben;
Figur 3
einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Fördervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Figur 4
einen Probenaufbereitungschip mit zwei hintereinander geschalteten Mischvorrichtungen und externer Druckkammer im Schnitt von oben;
Figur 5
einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Mischvorrichtung in einem Probenaufbereitungschip gemäß einer weiteren Ausführungsform von oben und.
Figur 6
einen Querschnitt durch den düsenförmigen Mündungsbereich einer Kavität.
Other objects, features and advantages of the invention will be explained in more detail by means of embodiments with the aid of the drawings. Show it:
FIG. 1
a cross-section through the mixing device according to the invention in a sample processing chip according to a first embodiment viewed from the side;
FIG. 2
the mixing device according to the invention according to a second embodiment in section from above;
FIG. 3
a cross section through the conveyor device according to the invention according to a further embodiment;
FIG. 4
a sample preparation chip with two mixing devices connected in series and external pressure chamber in section from above;
FIG. 5
a cross section through the mixing device according to the invention in a sample processing chip according to another embodiment from above and.
FIG. 6
a cross section through the nozzle-shaped mouth region of a cavity.

In Figur 1 ist die einfachste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung gezeigt. Eine Probenkammer 100 ist in Form eines Kanals mit konstantem Querschnitt oder einer sich quer zur Schnittebene aufweitenden Probenkammer in einen Probenaufbereitungschip 110 eingebracht. Ein Flüssigkeitstropfen 112 der zu mischenden Substanz (nachfolgend auch "Plug" genannt), zu erkennen an den Grenzflächen 113 und 114 zu der diesen umgebenden Luft/Gas, wird beispielsweise durch eine Pumpe (nicht dargestellt) durch den Kanal 100 hindurchgefördert.In FIG. 1 the simplest embodiment of the mixing device according to the invention is shown. A sample chamber 100 is in the form of a Channels having a constant cross section or a sample chamber which widens transversely to the section plane are introduced into a sample preparation chip 110. A liquid drop 112 of the substance to be mixed (hereinafter also referred to as "plug"), to be recognized at the interfaces 113 and 114 to the surrounding air / gas, is conveyed through the channel 100, for example by a pump (not shown).

Quer zu dem Kanal 100 befindet sich eine in diesem Fall von unten in den Kanal 100 mündende Kavität 116, die in Form eines kleinen, nicht entlüfteten Kanals bzw. einer Todbohrung ausgebildet ist. Erreicht der Flüssigkeitstropfen 112 den Bereich um die Kavität 116, wie in Fig. 1 dargestellt, wird in der Kavität 116 darin eine Luft- oder Gasblase 118 als kompressibles Medium eingeschlossen.Located transversely to the channel 100 is a cavity 116 which in this case opens from below into the channel 100 and which is designed in the form of a small, non-vented channel or a dead bore. When the liquid drop 112 reaches the area around the cavity 116, as in FIG Fig. 1 1, an air or gas bubble 118 is enclosed in the cavity 116 therein as a compressible medium.

Entscheidend für das erfindungsgemäße Wirkprinzip ist, dass die zu mischende Flüssigkeit dabei zumindest teilweise in den Mündungsbereich der Kavität 116 eindringt und dort eine Flüssigkeitssäule bereitstellt, angedeutet durch die Grenzfläche 120 zwischen der Luftblase 118 und dem Flüssigkeitsplug 112. Für das Ausbilden dieser Flüssigkeitssäule können zwei verschiedene Mechanismen wahlweise oder gleichzeitig eingesetzt werden. Zum einen wird dafür gesorgt werden, dass die Kavität 116 in ihrem Mündungsbereich benetzt. Dies kann durch eine entsprechende Wahl des Materials der Kavität im Mündungsbereich, d.h. gegebenenfalls durch eine Oberflächenmodifikation erzielt werden, wenn die Kavität beispielsweise aus einem ansonsten nicht benetzbaren Material gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Flüssigkeitsplug 112 durch die an den Kanal 100 angeschlossene Pumpe mit Druck beaufschlagt werden, wodurch die in der Kavität 116 eingeschlossene Luftblase 118 komprimiert wird. Dabei muss durch eine geeignete Maßnahme dafür Sorge getragen werden, dass der Flüssigkeitsplug 112 bei erreichen des Solldruckes sich genau über der Kavität 116 befindet. Dies kann dadurch geschehen, dass der Flüssigkeitsplug 112 beidseitig mit Druck beaufschlagt wird.Decisive for the active principle according to the invention is that the liquid to be mixed at least partially penetrates into the mouth region of the cavity 116 and there provides a liquid column, indicated by the interface 120 between the air bubble 118 and the liquid plug 112. For forming this liquid column can two different Mechanisms are used selectively or simultaneously. On the one hand, it will be ensured that the cavity 116 wets in its mouth region. This can be achieved by a suitable choice of the material of the cavity in the mouth region, ie, if appropriate, by a surface modification, if the cavity is formed, for example, from an otherwise non-wettable material. Alternatively or additionally, the liquid plug 112 can be pressurized by the pump connected to the channel 100, whereby the air bubble 118 trapped in the cavity 116 is compressed. In this case, care must be taken by a suitable measure that the liquid plug 112 when reaching the target pressure is exactly above the Cavity 116 is located. This can be done by pressurizing the liquid plug 112 on both sides.

Auf der Oberseite des Probenaufbereitungschips 110 ist eine Schallquelle in Form eines Piezoaktors 122 montiert. Der Piezoaktor 122 ist an eine Wechselspannungsquelle 124 angeschlossen, die ihn zu einer Schwingung anregt. Beim Einsatz eines Piezoaktors ist darauf zu achten, dass dieser vorgespannt ist. Bei dem Probenaufbereitungschip gemäß Figur 1 kann er zu diesem Zweck auf eine geeignete Wand 111 über Probenkammer 100, welche in der Praxis auf der Oberseite durch eine Deckelfolie gebildet wird, aufgedrückt werden. Die Schwingung wird über die Wand 111 des Probenaufbereitungschips 110 gegenüber der Kavität 116 in den Flüssigkeitsplug 112 eingekoppelt und von diesem weitergeleitet. Dadurch, dass die Ankopplung in einem Bereich stattfindet, der unmittelbar mit dem Flüssigkeitplug 112 in Berührung steht, wird der Schall unmittelbar in die fließfähige Substanz eingekoppelt und es treten keine größeren Verluste durch Impedanzunterschiede, beispielsweise durch eine dazwischen liegende Luftschicht auf. Durch Einstellung einer entsprechenden Frequenz kann der eingekoppelte Schall auf die Resonanzfrequenz der in der Kavität 116 eingeschlossenen Luftblase 118 angepasst werden. Dies sorgt für eine Amplitudenerhöhung der Schwingung in der Kavität und somit zu einer effizienten Ausnutzung des eingekoppelten Schalls.On top of the sample processing chip 110, a sound source in the form of a piezoactuator 122 is mounted. The piezoelectric actuator 122 is connected to an AC voltage source 124, which excites him to a vibration. When using a piezoelectric actuator, make sure that it is preloaded. In the sample preparation chip according to FIG. 1 For this purpose, it can be pressed onto a suitable wall 111 via sample chamber 100, which in practice is formed on top by a cover foil. The vibration is coupled via the wall 111 of the sample processing chip 110 with respect to the cavity 116 in the liquid plug 112 and forwarded by this. The fact that the coupling takes place in an area which is in direct contact with the liquid plug 112, the sound is coupled directly into the flowable substance and there are no major losses due to impedance differences, for example, by an intermediate layer of air. By setting a corresponding frequency, the coupled-in sound can be adapted to the resonance frequency of the air bubble 118 enclosed in the cavity 116. This ensures an increase in the amplitude of the oscillation in the cavity and thus an efficient utilization of the coupled-in sound.

Durch Schwingung der Luftblase 118 wird die in dem Mündungsbereich der Kavität 116 stehende Flüssigkeitssäule eingesogen bzw. ausgestoßen. Das Ausstoßen der Flüssigkeitssäule erfolgt, wie durch den Pfeil 126 gekennzeichnet, gerichtet, während das Einsaugen der Flüssigkeit aus der Probenkammer 100 aus sämtlichen zur Verfügung stehenden Richtungen mit nahezu gleicher Geschwindigkeit erfolgt. Hieraus resultiert, über eine volle Schwingung betrachtet, ein Nettoimpulseintrag in den Flüssigkeitsplug 112 in Richtung des Pfeils. Die Flüssigkeit in dem Plug 112 wird dadurch verwirbelt und die Vermischung beschleunigt.By oscillation of the air bubble 118, the liquid column standing in the mouth region of the cavity 116 is sucked or expelled. The ejection of the liquid column takes place, as indicated by the arrow 126, directed, while the suction of the liquid from the sample chamber 100 from all available directions takes place at almost the same speed. This results in a net impulse entry in, considering a full oscillation the liquid plug 112 in the direction of the arrow. The liquid in the plug 112 is thereby swirled and the mixing accelerated.

Der Querschnitt der Kavität 116 ist typischerweise kleiner als der des Kanals bzw. der Probenaufbereitungskammer 100, damit die Flüssigkeitsmenge, welche eingesogen und ausgestoßen wird, nicht bereits einen Großteil der Flüssigkeitsmenge des gesamten Plugs 112 umfasst. Während der Kanalquerschnitt oder die Höhe der Probenkammer 100 typischerweise mehrere Zehntel Millimeter bis wenige Zentimeter beträgt, ist der Durchmesser der Kavität 116 nur mehrere Mikrometer bis wenige Millimeter, bevorzugt wenige Zehntel Millimeter groß. Die Länge der Kavltät 116 kann 0,5 mm bis 50 mm betragen, was sicherstellt, dass eine ausreichend große Luftmenge in der Kavität 116 zur Kompression bereitsteht.The cross-section of the cavity 116 is typically smaller than that of the channel or sample processing chamber 100, so that the amount of liquid that is drawn in and expelled does not already comprise a majority of the liquid amount of the entire plug 112. While the channel cross-section or the height of the sample chamber 100 is typically several tenths of a millimeter to a few centimeters, the diameter of the cavity 116 is only several microns to a few millimeters, preferably a few tenths of a millimeter in size. The length of the Kavltät 116 may be 0.5 mm to 50 mm, which ensures that a sufficiently large amount of air in the cavity 116 is ready for compression.

In Figur 2 ist eine Probenkammer 200 in einem Probenaufbereitungschip 210 von oben dargestellt. Die Probenkammer 200 ist in der lateralen Erstreckungsrichtung bauchig und von etwa kreisförmigem Querschnitt. Die Kammer kann in vertikaler Richtung senkrecht zu der Darstellungsebene eine konstante Höhe, eine Aufweitung oder eine Einschnürung aufweisen.In FIG. 2 For example, a sample chamber 200 in a sample conditioning chip 210 is shown from above. The sample chamber 200 is bulged in the lateral extension direction and of approximately circular cross-section. The chamber may have a constant height, an expansion or a constriction in the vertical direction perpendicular to the plane of the illustration.

Die Probenkammer 200 ist eingangsseitig mit einer Zuführung 202 für die zu mischende fließfähige Substanz und ausgangsseitig mit einer Abführung 204 verbunden. In der Probenkammer 200 befindet sich ein Flüssigkeitstropfen oder -plug 212, zu erkennen an den Grenzflächen 213, 214. Um die Probenkammer 200 herum sind vier Kavitäten 216 angeordnet, welche tangential in diese münden.The sample chamber 200 is connected on the input side to a feed 202 for the flowable substance to be mixed and on the output side to a discharge 204. In the sample chamber 200 there is a liquid drop or plug 212, which can be recognized at the interfaces 213, 214. Around the sample chamber 200 are arranged four cavities 216, which open tangentially into them.

Wird mittels einer Schallquelle (nicht dargestellt) Schall in die Flüssigkeit eingekoppelt, so werden in den Kavitäten 216 eingeschlossene Luftblasen, wie im Zusammenhang mit dem Beispiel aus Figur 1 beschrieben, in Schwingung versetzt. Hierdurch resultiert aus jeder Kavität 216 ein tangentialer Netto-Impulseintrag in die in der Kammer 200 befindliche Flüssigkeit. Die Impulse addieren sich aufgrund der Anordnung der vier Kavitäten 216 dergestalt, dass die Flüssigkeit in dem Plug 212 in Drehung versetzt wird. Diese Anordnung ist zur Durchmischung größerer Flüssigkeitsmengen vorteilhaft.If sound is coupled into the liquid by means of a sound source (not shown), air bubbles trapped in the cavities 216 are blown out, as in connection with the example FIG. 1 described, vibrated. As a result, a tangential net pulse entry into the liquid in the chamber 200 results from each cavity 216. The pulses add up due to the arrangement of the four cavities 216 such that the liquid in the plug 212 is rotated. This arrangement is advantageous for mixing larger amounts of liquid.

Ein gleichmäßiger Impulseintrag aus allen vier Kavitäten 216 ist nur dann sichergestellt, wenn die darin eingeschlossenen Luftblasen dieselben Abmessungen aufweisen, da nur dann alle vier gleichermaßen durch dieselbe Frequenz in resonante Schwingung versetzt werden. Man kann sich Resonanzunterschiede aber auch bewusst zunutze machen. Beispielsweise können zwei der vier Kavitäten in gegenläufig tangentialer Richtung in die Probenkammer münden. Haben die jeweils gleichgerichteten Kavitäten gleiche Abmessungen aber die gegenläufigen Kavitäten unterschiedliche, sind auch deren Resonanzfrequenz verschieden. So kann durch Abstimmung der eingekoppelten Schallfrequenz abwechselnd eine Drehung in der einen Richtung und danach in die andere Richtung angeregt werden. Dieser Wechsel wird für ein chaotisches Strömungsmuster und damit eine noch bessere Durchmischung der Flüssigkeit sorgen.A uniform pulse input from all four cavities 216 is only ensured if the air bubbles trapped therein have the same dimensions, since only then all four are equally resonated by the same frequency. But you can also consciously take advantage of resonance differences. For example, two of the four cavities may open into the sample chamber in the opposite tangential direction. If the respectively rectified cavities have the same dimensions but the opposing cavities have different, their resonant frequency is also different. Thus, by tuning the coupled sound frequency alternately a rotation in one direction and then in the other direction can be excited. This change will create a chaotic flow pattern and thus an even better mixing of the liquid.

In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Fördervorrichtung im Querschnitt dargestellt, welche wiederum eine Probenkammer 300 in Form eines Kanals in einem Probenaufbereitungschip 310 umfasst. Ferner weist die Fördervorrichtung mehrere Kavitäten 316 auf, welche unter spitzem Winkel zu der Längsachse des Kanals 300 in selbigen münden. In dem Kanal 300 befindet sich eine Flüssigkeit, die in der zuvor beschriebenen Weise in die Mündungen der Kavitäten 316 eindringt und darin jeweils eine Luftblase einschließt. Wird diese durch eine Schallquelle in Druckschwingung versetzt, dann wird in der zuvor beschriebenen Weise die Flüssigkeitssäule aus dem Mündungsbereich jeder Kavität (synchron) herausgefördert. Die Impulseinträge in die in dem Kanal befindliche Flüssigkeit addieren sich zu einem Netto-Linearimpuls in Richtung der Kanalachse, gekennzeichnet durch den Pfeil 326. Auf diese Weise wird eine Mikro-Pumpvorrichtung geschaffen.In FIG. 3 an embodiment of the conveyor device according to the invention is shown in cross section, which in turn comprises a sample chamber 300 in the form of a channel in a sample processing chip 310. Furthermore, the conveying device has a plurality of cavities 316 which open at an acute angle to the longitudinal axis of the channel 300 in the same. In the channel 300 is a liquid which penetrates in the manner described above in the mouths of the cavities 316 and therein includes an air bubble. If this is set in pressure oscillation by a sound source, then in the manner described above, the liquid column from the mouth region each cavity (synchronously) conveyed out. The pulse inputs into the liquid in the channel add up to a net linear pulse in the direction of the channel axis, indicated by arrow 326. In this way, a micro-pumping device is provided.

In Figur 4 ist ein Ausschnitt eines Probenaufbereitungschips 410 mit zwei Probenkammern 400, 401 gezeigt, in welche jeweils zwei Zuführungen 402, 403 bzw. 404, 405 münden. Die Probenkammern sind unmittelbar hintereinander geschaltet, so dass die Abführung 406 der ersten Probenkammer 400 unmittelbar in eine der Zuführungen 404 der zweiten Probenkammer 401 mündet. Während also in der Probenkammer 400 die durch die Zuführung 402 und 403 eingeleiteten Substanzen A und B zu einer Mischsubstanz A+B gemischt werden, wird in der zweiten Probenkammer 401 die Mischsubstanz A+B mit einer weiteren Substanz C zu der Mischsubstanz A+B+C vermischt.In FIG. 4 2 shows a section of a sample preparation chip 410 with two sample chambers 400, 401, into each of which two feeds 402, 403 or 404, 405 open. The sample chambers are connected directly one behind the other, so that the discharge 406 of the first sample chamber 400 opens directly into one of the feeders 404 of the second sample chamber 401. Thus, while in the sample chamber 400, the substances A and B introduced through the feeders 402 and 403 are mixed into a mixed substance A + B, in the second sample chamber 401, the mixed substance A + B with another substance C becomes the mixed substance A + B + C mixed.

Das Mischen erfolgt aufgrund des zuvor beschriebenen Prinzips. In beide Probenkammern mündet jeweils eine Kavität 416 bzw. 417. Befindet sich der Flüssigkeitsplug aus den beiden zunächst unvermischten Substanzen A und B in der ersten Probenkammer 400, so ist in der Kavität 416 eine Luft- oder Gasblase 418 eingeschlossen. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen handelt es sich jedoch bei der Kavität 416 nicht um eine einseitig verschlossene Todbohrung, sondern um eine Verbindungsleitung, die rückseitig mit einer Druckkammer 430 verbunden ist, welche mit einem Koppelmedium befüllt ist. Die Luftblase 418 ist zwischen der zu mischenden Substanz einerseits und dem Koppelmedium andererseits eingeschlossen. Ein Schallfeld wird in der zuvor beschriebenen Weise bevorzugt durch Ankopplung einer Schallquelle im Bereich der Druckkammer 430 in das Koppelmedium eingekoppelt. Dieses gibt die Schwingung an die Luft- oder Gasblase ab, die aufgrund Ihrer Kompressibilität pulsiert und die Strömung der fließfähigen Substanz in der Mündung der Kavität verursacht.The mixing takes place on the basis of the previously described principle. A cavity 416 or 417 respectively opens into both sample chambers. If the liquid plug consists of the two initially unmixed substances A and B in the first sample chamber 400, an air or gas bubble 418 is enclosed in the cavity 416. In contrast to the exemplary embodiments described above, however, the cavity 416 is not a dead bore closed on one side, but rather a connecting line, which is connected at the rear to a pressure chamber 430 which is filled with a coupling medium. The air bubble 418 is enclosed between the substance to be mixed on the one hand and the coupling medium on the other. A sound field is preferably coupled in the manner described above by coupling a sound source in the region of the pressure chamber 430 in the coupling medium. This emits the vibration to the air or gas bubble, which pulsates due to its compressibility and the Flow of the flowable substance caused in the mouth of the cavity.

Sind die beiden Substanzen A und B ausreichend vermischt, wird der Flüssigkeitsplug der Mischsubstanz A+B in Richtung der zweiten Probenkammer 401 transportiert, dort mit der Substanz C zusammengeführt.If the two substances A and B are sufficiently mixed, the liquid plug of the mixed substance A + B is transported in the direction of the second sample chamber 401, where it is combined with the substance C.

Die Druckkammer ist durch ein verzweigtes Leitungssystem sowohl mit der in die erste Probenkammer 400 mündenden Kavität 416 als auch mit der in die zweite Probenkammer 401 mündenden Kavität 417 verbindbar. Deshalb benötigt man zur Mischung in beiden Probenkammern 400, 401 nur eine Schallquelle, die mit der gemeinsamen Druckkammer 430 verbunden ist.The pressure chamber can be connected by a branched line system both with the cavity 416 opening into the first sample chamber 400 and with the cavity 417 opening into the second sample chamber 401. Therefore, only one sound source, which is connected to the common pressure chamber 430, is required for mixing in both sample chambers 400, 401.

Ein in die Leitung des Koppelmediums eingeschaltetes Ventil 432 wird nach dem Mischvorgang in der ersten Probenkammer 400 umgeschaltet, so dass anschließend ausschließlich die in die zweite Probenkammer 401 mündende Kavität 417 mit der Druckkammer 430 verbunden ist. Nunmehr kann eine in die Kavität 417 eingeschlossene Luftblase (nicht dargestellt) über das Koppelmedium in Schwingung versetzt und die Substanzen A, B und C vermischt werden.A switched into the line of the coupling medium valve 432 is switched after the mixing process in the first sample chamber 400, so that subsequently only the opening into the second sample chamber 401 cavity 417 is connected to the pressure chamber 430. Now, an air bubble (not shown) enclosed in the cavity 417 can be vibrated via the coupling medium and the substances A, B and C are mixed.

Die Zu- und Abführung der Substanzen A, B und C erfolgt durch ein geeignetes, hier nicht näher dargestelltes Ventilsystem, damit sichergestellt ist, dass die Substanzen den richtigen Weg nehmen und während des Mischens in den jeweiligen Mischkammern verbleiben.The supply and removal of the substances A, B and C is carried out by a suitable, not shown here in detail valve system, so as to ensure that the substances take the right path and remain during mixing in the respective mixing chambers.

In Figur 5 ist noch mal eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung in einem Probenaufbereitungschip 510 gezeigt. Eine Probenkammer 500 ist in Form eines in der lateralen Erstreckungsrichtung bauchigen Volumens gebildet. Die Kammer 500 kann in vertikaler Richtung senkrecht zu der Darstellungsebene eine konstante Höhe, eine Aufweitung oder eine Einschnürung aufweisen.In FIG. 5 Again, a simple embodiment of the mixing device according to the invention in a sample processing chip 510 is shown. A sample chamber 500 is formed in the form of a bulbous volume in the lateral extension direction. The chamber 500 may be in vertical direction perpendicular to the plane of representation have a constant height, an expansion or a constriction.

Die Probenkammer 500 ist eingangsseitig mit einer Zuführung 502 für die zu mischende fließfähige Substanz und ausgangsseitig mit einer Abführung 504 verbunden. Im Unterschied zu der Probenkammer gemäß Figur 2 weisen die Zuführung und die Abführung jeweils Engstellen oder Einschnürungen 506 bzw. 508 auf. In der Probenkammer 500 befindet sich ein Flüssigkeitstropfen oder -plug 512, zu erkennen an den Grenzflächen 513, 514. Das Volumen des Flüssigkeitstropfens 512 ist so auf das Volumen der Kammer abgestimmt, dass die Grenzflächen 513, 514 im Bereich der Engstellen 506, 508 zu liegen kommen. Dies hat zwei Vorteile: Der Flüssigkeitstropfen 512 kann leichter in der Probenkammer gehalten werden und der eingekoppelte Schall kann aufgrund der kleinen an die Umgebung angrenzenden Flächen 513, 514 effizienter genutzt werden - es wird weniger Schallenergie ausgekoppelt. Leichter gehalten bzw. positioniert wird der Flüssigkeitstropfens 512 dadurch, dass die Oberfläche der Kammer 500 und der Zu- und Abführung 502, 504 vorzugsweise benetzbar ausgestaltet sind. Die fließfähige Substanz dringt dadurch in die Engstellen ein und stoppt an deren Übergang zu dem in Strömungsrichtung anschließenden weiteren Abschnitt der Abführung 504. Um die Flüssigkeit aus der Kammer 500 weiterzubewegen, muss Energie aufgewendet werden, da eine Oberflächenvergrößerung erfolgt. Die Flüssigkeit wird daher sicher in der Kammer gehalten, solange keine ausreichende Energie zum Weitertransport aufgebracht wird.The sample chamber 500 is connected on the input side to a feed 502 for the flowable substance to be mixed and on the output side to a discharge 504. In contrast to the sample chamber according to FIG. 2 For example, the supply and discharge each have bottlenecks or constrictions 506 and 508, respectively. In the sample chamber 500 is a liquid drop or plug 512, visible at the interfaces 513, 514. The volume of the liquid drop 512 is tuned to the volume of the chamber that the interfaces 513, 514 in the region of the bottlenecks 506, 508 to come lie. This has two advantages: the liquid drop 512 can be more easily held in the sample chamber and the injected sound can be used more efficiently due to the small adjoining areas 513, 514 - less noise energy is extracted. The liquid drop 512 is held or positioned more easily by virtue of the fact that the surface of the chamber 500 and the feed and discharge 502, 504 are preferably designed to be wettable. As a result, the flowable substance penetrates into the bottlenecks and stops at its transition to the further downstream section of the discharge 504. In order to move the liquid further out of the chamber 500, energy must be expended, since an increase in surface area takes place. The liquid is therefore kept safely in the chamber, as long as no sufficient energy is applied for further transport.

Die Kavität 516 befindet sich in diesem Fall zentral und quer zur durch die Zuführung und die Abführung gebildeten Achse. Sie ist, wie im Beispiel der Figur 1 in Form eines kleinen, nicht entlüfteten Kanals bzw. einer Todbohrung ausgebildet. Das Funktionsprinzip ist dasselbe.The cavity 516 is in this case central and transverse to the axis formed by the supply and the discharge. It is, as in the example of FIG. 1 formed in the form of a small, non-vented channel or a dead bore. The operating principle is the same.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung sind insbesondere für den kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Betrieb geeignet. Unter quasi-kontinuierlich ist in diesem Zusammenhang eine sequentiell arbeitende Mischvorrichtung zu verstehen, in der einzelne Volumina der Flüssigkeit nacheinander durch die Probenkammer geführt und gemischt werden.The illustrated embodiments of the mixing device according to the invention are particularly suitable for continuous or quasi-continuous operation. By quasi-continuous in this context is meant a sequentially operating mixing device, in which individual volumes of the liquid are successively passed through the sample chamber and mixed.

Die Probenkammer ist - unabhängig von der sonstigen Gestalt - bevorzugt ohne scharfe Ecken oder Kanten und mit einer möglichst strömungsgünstigen Form ausgebildet, damit an Stellen geringer Strömung bzw. in den Ecken und Kanten keine Flüssigkeitsreste zurückbleiben und die Kammer möglichst vollständig befüllt und entleert werden kann.The sample chamber is - regardless of the other shape - preferably formed without sharp corners or edges and with a streamlined shape so that at low flow locations or in the corners and edges remain no liquid residues and the chamber can be filled as completely as possible and emptied.

Dies betrifft vorzugsweise auch die Kavität 616 der erfindungsgemäßen Misch- und/oder Fördervorrichtung, welche eine Mündung 634 in Form einer Düse mit einem sich in Richtung der Öffnung 636 strömungsgünstig verjüngenden Mündungsquerschnitt und einer scharfen Abrisskante in der Öffnungsebene aufweist, wie in Figur 6 schematisch dargestellt ist.This preferably also relates to the cavity 616 of the mixing and / or conveying device according to the invention, which has an orifice 634 in the form of a nozzle with a flow-wise tapered mouth opening in the direction of the opening 636 and a sharp tear-off edge in the opening plane, as in FIG FIG. 6 is shown schematically.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Probenkammer / KanalSample chamber / channel
110110
ProbenaufbereitungschipSample processing chip
111111
Wandwall
112112
Flüssigkeitstropfen / -plugLiquid drop / plug
113113
Grenzflächeinterface
114114
Grenzflächeinterface
116116
Kavitätcavity
118118
Luftblasebubble
120120
Grenzflächeinterface
122122
PiezzoaktorPiezzoaktor
124124
WechselspannungsquelleAC voltage source
126126
Impulspulse
200200
Probenkammersample chamber
202202
Zuführungfeed
204204
Abführungremoval
210210
ProbenaufbereitungschipSample processing chip
212212
Flüssigkeitstropfen / -plugLiquid drop / plug
213213
Grenzflächeinterface
214214
Grenzflächeinterface
216216
Kavitätcavity
226226
Drehimpulsangular momentum
300300
Probenkammersample chamber
310310
ProbenaufbereitungschipSample processing chip
316316
Kavitätcavity
326326
Netto-ImpulsNet Pulse
400400
Probenkammersample chamber
401401
Probenkammersample chamber
402402
Zuführungfeed
403403
Zuführungfeed
404404
Zuführungfeed
405405
Zuführungfeed
406406
Abführungremoval
407407
Abführungremoval
410410
ProbenaufbereitungschipSample processing chip
416416
Kavitätcavity
417417
Kavitätcavity
418418
Luftblasebubble
430430
Druckkammerpressure chamber
432432
VentilValve
500500
Probenkammersample chamber
502502
Zuführungfeed
504504
Abführungremoval
506506
Engstellebottleneck
508508
Engstellebottleneck
510510
ProbenaufbereitungschipSample processing chip
512512
Flüssigkeitstropfen / -plugLiquid drop / plug
513513
Grenzflächeinterface
514514
Grenzflächeinterface
516516
Kavitätcavity
616616
Kavitätcavity
634634
Mündungsbereichmouth area
636636
Öffnungopening

Claims (12)

  1. Mixing and/or conveyance device for a flowable substance, comprising a sample chamber (100), a cavity (116), which opens out into the sample chamber (100), is designed to receive a compressible medium of a specific volume and is formed in the orifice region in such a way that, if the volume of the compressible medium in the cavity expands, a directed fluid stream of the flowable substance escapes from the cavity (116) through the orifice, and a sound source, which couples to the compressible medium, for generating a pressure oscillation in the compressible medium, characterized in that the surface of the cavity (116) is designed to be wetted in the orifice region.
  2. Mixing and/or conveyance device according to Claim 1, characterized in that the surface of the cavity (116) is designed at least partially not to be wetted.
  3. Mixing and/or conveyance device according to either of the preceding claims, characterized by a pressure-increasing means, which is connected to the sample chamber (100) and is designed to pressurize the flowable substance, such that some of the flowable substance passes into the orifice region of the cavity (116) under compression of the compressible medium.
  4. Mixing and/or conveyance device according to one of the preceding claims, characterized in that cavities (116) have orifices into the sample chamber (100) which are arranged and designed in relation to the sample chamber (100) in such a way that the directed fluid streams escaping from the cavities (116) through the orifices introduce a sum angular momentum into the flowable substance within the sample chamber (100).
  5. Mixing and/or conveyance device according to one of the preceding claims, characterized in that cavities (116) have orifices into the sample chamber (100) which are arranged and designed in relation to the sample chamber (100) in such a way that the directed fluid streams escaping from the cavities (116) through the orifices introduce a sum linear momentum into the flowable substance within the sample chamber (100).
  6. Mixing and/or conveyance device according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity (116) is introduced into a wall of the sample chamber (100) in the form of a dead hole.
  7. Mixing and/or conveyance device according to one of the preceding claims, characterized in that the sound source is coupled directly to the sample chamber wall.
  8. Mixing and/or conveyance device according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the cavity (116) is in the form of a connection channel, which is connected on the one hand to the sample chamber (100) via the orifice and on the other hand to a pressure chamber, which is filled with a coupling medium and to which the sound source is coupled.
  9. Mixing and/or conveyance device according to one of the preceding claims, characterized in that the compressible medium is a gas.
  10. Mixing and/or conveyance device according to one of the preceding claims, characterized in that the compressible medium is air.
  11. Sample processing chip (110) comprising a mixing and/or conveyance device according to one of the preceding claims.
  12. Method for mixing and/or conveying a flowable substance in a sample chamber (100) in a mixing and/or conveyance device according to one of Claims 1 to 10, in which method a compressible medium is made to perform a pressure oscillation by means of the injection of sound in a cavity (116) which opens out into the sample chamber (100), wherein some of the flowable substance passes into the orifice region of the cavity (116) and, as a result of an expansion in the volume of the compressible medium, escapes from the cavity (116) through the orifice in a directed fluid stream in such a manner that a net angular momentum is introduced into the flowable substance in the sample chamber (100).
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