EP2148738B1 - Method for mixing and/or conveying, mixing and/or conveyance device, and sample processing chip comprising such a device - Google Patents
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Abstract
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
Ein neues Verfahren wird in der
Von dem gleichen Mischprinzip gehen auch die Druckschriften
Der Aufsatz " The 'acoustic scallep' : a bubble-powered actuator" von
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 "
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
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.
- 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
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
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
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
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
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
In
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
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
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
In
In
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
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
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
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
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
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
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
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
- 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)
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
- 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).
- 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.
- 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.
- 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.
- Mixing and/or conveyance device according to one of the preceding claims, characterized in that the compressible medium is a gas.
- Mixing and/or conveyance device according to one of the preceding claims, characterized in that the compressible medium is air.
- Sample processing chip (110) comprising a mixing and/or conveyance device according to one of the preceding claims.
- 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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