NL1026321C2

NL1026321C2 - Microfluid apparatus for e.g. MEMS applications, comprises gas bubble holder, ultrasound transducer and passive flow element inside liquid vessel

Info

Publication number: NL1026321C2
Application number: NL1026321A
Authority: NL
Inventors: Sascha Hilgenfeldt; Philippe Marmottant; Johannes Gerardus E Gardeniers
Original assignee: Univ Twente
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-12-06

Abstract

The apparatus comprises a gas bubble holder, an ultrasound transducer for generating periodic oscillations in the liquid a passive flow element (2-2'') located inside the liquid vessel. An apparatus for generating a streaming flow of liquid inside a vessel comprises a vessel for the liquid, a gas bubble holder located in a gas bubble region of the vessel, an ultrasound transducer for generating periodic oscillations in the liquid in order to make the gas bubble (1, 1') shape oscillate and one or more passive flow elements next to the gas bubble region for generating a flow of liquid from the gas bubble in the direction of and past the flow element. Independent claims are also included for the following: (A) Second apparatus for generating a streaming flow of liquid, comprising a vessel for the liquid, a gas bubble holder located in a slanting gas bubble region of the vessel so that the bubble is held in a slanting position and an ultrasound transducer for generating periodic oscillations in the liquid in order to make the gas bubble shape oscillate, in which the slanting region slopes downwards in the downstream direction; (B) First method for generating a streaming flow of liquid using the first apparatus; and (C) Second method for generating a streaming flow of liquid using the second apparatus, in which the liquid flows from the upper part to the lower part of the gas bubble region.

Description

INRICHTING EN WERKWIJZE VOOR HET TEWEEGBRENGEN VAN DIRECTIONEEL TRANSPORTDEVICE AND METHOD FOR ESTABLISHING DIRECT TRANSPORT

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting en werkwijze voor het teweegbrengen van directioneel transport van vloeistof in een houder. De onderhavige uitvinding heeft tevens betrekking op een 5 werkwijze en inrichting voor het transporteren van deeltjes in de vloeistof.The present invention relates to a device and method for effecting directional transport of liquid in a container. The present invention also relates to a method and device for transporting particles in the liquid.

De excitatie van gelijkblijvende (steady) secundaire stroomvelden (stroming) van oscillerende primaire stromingen is beschreven in de literatuur, bijvoorbeeld in de artikelen 10 "Vortices and Streams Caused by Sound Waves" door C. Eckart, Phys, Rev. 73, 68 (1948), "Acoustic streaming near a boundary" door W.L. Nyborg, J. Acoust. Soc. Am. 30, 329 (1958), "Acoustic Streaming" door J. Lighthill, J. Sound Vib. 61, 391 (1978) en "Steady Streaming" door N. Riley, Annu.The excitation of constant (steady) secondary current fields (flow) of oscillating primary flows has been described in the literature, for example in the articles 10 "Vortices and Streams Caused by Sound Waves" by C. Eckart, Phys, Rev. 73, 68 (1948), "Acoustic streaming near a boundary" by W. L. Nyborg, J. Acoust. Soc. Am. 30, 329 (1958), "Acoustic Streaming" by J. Lighthill, J. Sound Vib. 61, 391 (1978) and "Steady Streaming" by N. Riley, Annu.

15 Rev. Fluid Mech. 33, 43 (2001). De oscillerende stroom heeft gewoonlijk een zeer kleine amplitude en een hoge frequentie, hetgeen de stroom ongeschikt maakt voor willekeurig transport van vloeistof of deeltjes over substantiële afstanden.15 Rev. Fluid Mech. 33, 43 (2001). The oscillating current usually has a very small amplitude and a high frequency, making the current unsuitable for random transport of liquid or particles over substantial distances.

Een door ultrasoongolven (akoestische stroming) 20 teweeggebrachte stroming (streaming flow) is in het verleden beschreven, waarin de stroming teweeg wordt gebracht door de werveligheid, gegenereerd in het inwendige (bulk) van de vloeistof via welke het een ultrageluid zich voortplant. Deze aandrijftechniek maakt echter gebruik van dissipatie van 25 ultrageluid in de bulkvloeistof, hetgeen een grote hoeveelheid warmte achterlaat. Tevens is gefocusseerd ultrageluid van grote amplitude gewoonlijk noodzakelijk om substantiële stroomsnelheden te bereiken.A flow (streaming flow) induced by ultrasonic waves (acoustic flow) has been described in the past, wherein the flow is induced by the turbulence generated in the interior (bulk) of the fluid through which an ultrasound propagates. This drive technique, however, uses dissipation of ultrasound in the bulk liquid, which leaves a large amount of heat behind. Also, high amplitude focused ultrasound is usually necessary to achieve substantial flow rates.

In een artikel "Micofluidics without micro 30 fabrication" door B.R. Lutz, J. Chen en D.T. Schwarz, PNASIn an article "Micofluidics without micro 30 fabrication" by B.R. Lutz, J. Chen and D.T. Schwarz, PNAS

102 6321 - 2 100, 4395 (2003) wordt een inrichting beschreven waarin de oscillatie van een vaste cilinder gebruik wordt om de werveligheid op het grensvlak van de cilinder te genereren, / ' , , teneinde de stroming aan te drijven. De oscillatie wordt ; !5 bereikt door gebruik te maken van geluid van lage frequentie ' > i (frequentie ongeveer 500 HZ en lager), en de cilinder heeft een constante, vaste vorm. Deze inrichting heeft relatief grote lengteafmetingen (cilinderdiameter 0,8 mm) alsmede grote oscillatieamplitudes nodig om een significante stroming 10 aan te drijven.102 6321-200, 4395 (2003), a device is described in which the oscillation of a fixed cylinder is used to generate the turbulence at the interface of the cylinder, to drive the flow. The oscillation becomes; 5 achieved by using low-frequency sound (frequency approximately 500 Hz and lower), and the cylinder has a constant, fixed shape. This device requires relatively large length dimensions (cylinder diameter 0.8 mm) as well as large oscillation amplitudes to drive a significant flow.

Verder zijn inrichtingen bekend waarin bellen (bubbles) gebruikt worden als zuigers teneinde een schakelaar te verplaatsen (A.P. Papavasiliou, D. Liepmann, en A.P. Pisano, "Fabrication of a Free Floating Silicon Gate Valve", 15 Tennesse, p.435 (1999)), om vloeistoffen te pompen (H. Yuan en A. Prosperetti, "The pumping effect of growing and collapsing bubbles in a tube", J. Micromech. Microeng. 9, 402 (1999)) of vloeistof te verplaatsen in een microkanaal om deze te mengen (A.A. Deshmukh, D. Liepmann en A.P. Pisano, 20 "Characterization of a Micro-Mixing, Pumping, and Valving System", Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, USA, June 2000, p.73 (2000)). In deze gevallen verandert het volume van de bel kenmerkend op a-periodieke wijze met tenminste een factor tien teneinde een 25 significant volume van vloeistof te verplaatsen en een kracht via die verplaatsing aan te drijven. Een stroming vanaf deze inrichtingen is nooit continu en gelijkmatig (steady) en is beperkt tot een lengte die groter is dan de breedte van de micro-gefabriceerde kanalen.Furthermore, devices are known in which bubbles (bubbles) are used as pistons to move a switch (AP Papavasiliou, D. Liepmann, and AP Pisano, "Fabrication of a Free Floating Silicon Gate Valve", Tennesse, p.435 (1999) ), to pump liquids (H. Yuan and A. Prosperetti, "The pumping effect of growing and collapsing bubbles in a tube", J. Micromech. Microeng. 9, 402 (1999)) or to move liquid in a micro channel to to mix these (AA Deshmukh, D. Liepmann and AP Pisano, "Characterization of a Micro-Mixing, Pumping, and Valving System", Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, USA, June 2000, p. 73 (2000)). In these cases, the bubble volume typically changes at least ten times in a non-periodic manner to displace a significant volume of fluid and drive a force through that displacement. A flow from these devices is never continuous and steady and is limited to a length that is greater than the width of the micro-fabricated channels.

30 Een werkwijze en inrichting voor een stroming (streaming flow) vanaf een zittende bel (sessile bubble) op een oppervlak van een glassubstraat wordt beschreven in het artikel "Controlled vesicle deformation and lysis by single 1 07 6,321 - 3 oscillating bubbles", door P. Marmottant en S. Hilgenfeldt, Nature 423, 153 (2003). Ontdekt werd dat de schuifkrachten { die door de stroming teweeggebracht werden, op significante 1 'I wijze lipide blaasjes (lipid vesicles) kunnen deformeren. De · 5 teweeggebrachte stroming volgt echter lus-achtige banen en er kon geen transport in een gewenste richting, dat wil zeggen geen directioneel transport, tot stand worden gebracht.A method and apparatus for a flow (streaming flow) from a sitting bubble (sessile bubble) on a surface of a glass substrate is described in the article "Controlled vesicle deformation and lysis by single 1 07 6,321 - 3 oscillating bubbles", by P Marmottant and S. Hilgenfeldt, Nature 423, 153 (2003). It was discovered that the shear forces {induced by the flow could significantly deform lipid vesicles. The induced flow, however, follows loop-like paths and no transport in a desired direction, i.e. no directional transport, could be accomplished.

De huidige bestaande werkwijze voor microfluïdum transport waarin gebruik wordt gemaakt van aandrijfkrachten 10 die zijn gegenereerd door elektro- of thermocapillariteit, diêlektrophorese of elektro-osmose hebben eveneens verscheidene bezwaren. Allereerst zijn de stroomsnelheden van microfluïdum-stromen die zijn aangedreven door krachten zoals elektro- of thermocapillariteit, dieelektrophorese of 15 elektroosmose, vaak zeer laag (onder de 100 μτη/s) en variëren deze snelheden met de diëlektrisch eigenschappen of de thermodynamische eigenschappen van het vloeistof of de daarin gesuspendeerde deeltjes, terwijl de keuze van vloeistof beperkt is. Elektro-osmose vereist bijvoorbeeld een 20 elektrolytoplossing.The current existing method for microfluid transport which uses driving forces 10 generated by electro- or thermocapillarity, dielectrophoresis or electro-osmosis also have several drawbacks. First of all, the flow rates of microfluid flows driven by forces such as electro or thermocapillarity, die electrophoresis or electroosmosis are often very low (below 100 μτη / s) and these rates vary with the dielectric or thermodynamic properties of the fluid or the particles suspended therein, while the choice of liquid is limited. Electro-osmosis requires, for example, an electrolyte solution.

Een verder bezwaar is dat grotere stroomsnelheden slechts tot stand kunnen worden gebracht door gebruik te maken van een door hoge drukken aangedreven stroming, hetgeen de stabiliteit van de microkanalen of de microcapillairen 25 waarin het drukverschil aangebracht wordt, in gevaar kan brengen, of door gebruik te maken van hoge spanningen met het risico van elektrolyse of elektrische doorslag van de vloeistof, of door gebruik te maken van hoge vermogens in het geval van thermisch aangedreven stromingen, met het risico 30 van excessieve opwarming.A further drawback is that higher flow rates can only be achieved by using a high-pressure flow, which can jeopardize the stability of the microchannels or the micro-capillaries in which the pressure difference is applied, or by using making high voltages with the risk of electrolysis or electrical breakdown of the liquid, or by using high powers in the case of thermally driven currents, with the risk of excessive heating.

Een nog verder bezwaar is dat de bestaande werkwijzen bijna onveranderlijk de stroming in microkanalen, microcapillairen of dergelijke moeten opsluiten, hetgeen 7 0263? j „ 4 uitgebreide microvervaardiging en ingewikkelde chipontwerpen noodzakelijk maakt.A still further drawback is that the existing methods must almost invariably confine the flow in microchannels, microcapillaries or the like, which is 7 0263. j "4 requires extensive micro fabrication and complex chip designs.

Een nog verder bezwaar is dat wanneer deeltjes getransporteerd moeten worden, zij de neiging hebben de 5 microkanalen te verstoppen, hetgeen verder transport onmogelijk maakt. Verder zijn de elektrokinetische stromingswerkwijzen in kanalen gevoelig voor gasbelbreuk, hetgeen de elektrische schakelingen die noodzakelijk zijn om de stroming te behouden, uitschakelen.A still further drawback is that when particles have to be transported, they tend to clog the microchannels, which makes further transport impossible. Furthermore, the electrocinetic flow methods in channels are susceptible to gas bubble rupture, which disables the electrical circuits necessary to maintain the flow.

10 Een nog verder bezwaar is dat er geen enkele werkwijze voor microfluïdum-transport op dit moment tegelijkertijd een hoge snelheidsstraming kan aandrijven en gelokaliseerde krachten op de getransporteerde deeltjes op gespecificeerde locaties kan uitoefenen. Een dergelijke 15 combinatie is zeer wenselijk in bio-engineeringstoepassingen, zoals het transport, verwerking en een sortering van zoogdiercellen. Gelokaliseerde krachten zouden in situ onderzoek (probing) van de cellen mogelijk maken tijdens hun transport. Bestaande werkwijzen kunnen slechts gematigde 20 krachten uitoefenen op een schaal van lengte die vergelijkbaar is met die van de opsluitende stroomelementen.A still further drawback is that no method for microfluid transport can at the same time simultaneously drive a high velocity flow and exert localized forces on the transported particles at specified locations. Such a combination is highly desirable in bio-engineering applications, such as the transport, processing and sorting of mammalian cells. Localized forces would enable in situ investigation (probing) of the cells during their transport. Existing methods can only exert moderate forces on a scale of length comparable to that of the trapping flow elements.

Het is daarom een doel van de onderhavige uitvinding een werkwijze en inrichting te verschaffen voor het directionele transport van vloeistof en/of deeltjes waarin 25 tenminste enige van de bovengenoemde bezwaren van de stand van de techniek zijn ondervangen.It is therefore an object of the present invention to provide a method and device for the directional transport of liquid and / or particles in which at least some of the aforementioned drawbacks of the prior art have been overcome.

Volgens een eerste aspect van de uitvinding wordt dit doel tot stand gebracht in een inrichting voor het teweegbrengen van directioneel transport van vloeistof in een 3 0 houder, omvat t ende: - een houder voor het houden van vloeistof; 1 026321 - 5 - een gasbelvasthouder (retainer) voor het vasthouden van een gasbel in de vloeistof op een gasbelgebied van de houder; - een ultrageluid-transducent voor het teweegbrengen 5 van periodieke ultrageluidoscillaties in de vloeistof teneinde periodieke vormoscillaties van de gasbel te veroorzaken; - een of meer passieve stroomelementen in de nabijheid van het gasbelgebied, waarbij het stroomelement, in 10 gebruik, een directionele vloeistofstroming vanaf de gasbel in de richting van en tot voorbij het passieve stroomelement teweegbrengt.According to a first aspect of the invention, this object is achieved in a device for effecting directional transport of liquid in a container, comprising: - a container for holding fluid; A gas bubble retainer (retainer) for retaining a gas bubble in the liquid on a gas bubble area of the container; - an ultrasound transducer for triggering periodic ultrasound oscillations in the liquid to cause periodic shape oscillations of the gas bubble; - one or more passive flow elements in the vicinity of the gas bubble area, wherein the flow element, in use, causes a directional liquid flow from the gas bubble in the direction of and beyond the passive flow element.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm omvat het stroomelement een uitsteeksel vanaf het houderoppervlak. De 15 combinatie van de gasbel en de naburige vaste grens (boundary) die wordt gevormd door het uitsteeksel zal een directionele stroming van het vloeistof verschaffen, dat wil zeggen in ongeveer de richting van de lijn die het midden van de bel en het uitsteeksel verbindt.According to a preferred embodiment, the flow element comprises a protrusion from the holder surface. The combination of the gas bubble and the adjacent fixed boundary (boundary) formed by the protrusion will provide a directional flow of the liquid, that is, approximately in the direction of the line connecting the center of the bubble and the protrusion.

20 Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm wordt het stroomelement gevormd door de rand van een indentatie in het houderoppervlak. Wanneer de gasbel vastgehouden wordt in een opening of indentatie in het houderoppervlak, zou een rand van de opening of indentatie de vaste grens vormen die, in 25 combinatie met de oscillerende gasbel, de vereiste directionele vloeistofstroming veroorzaakt.According to another preferred embodiment, the flow element is formed by the edge of an indentation in the container surface. When the gas bubble is retained in an opening or indentation in the container surface, an edge of the opening or indentation would form the fixed boundary which, in combination with the oscillating gas bubble, causes the required directional fluid flow.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm heeft de indentatie geen cirkelvorm. Aangezien het contactgebied van de gasbel met het houderoppervlak over het algemeen 30 cirkelvormig zal zijn, zal een niet-circulaire vorm van de indentatie de vereiste rand die de directionele stroming teweegbrengt, verschaffen, bijvoorbeeld wanneer de indentatie een sleutelgatvorm heeft.According to a further preferred embodiment, the identification has no circular shape. Since the contact area of the gas bubble with the container surface will generally be circular, a non-circular shape of the indentation will provide the required edge that induces directional flow, for example when the indentation has a keyhole shape.

102 63 2 1 - 6102 63 2 1 - 6

Volgens een voorkeursuit'voeringsvorm is het stroomelement een stationair vast deeltje, dat gefixeerd is / op een voorafbepaalde positie in de houder dichtbij een bel.According to a preferred embodiment, the flow element is a stationary solid particle that is fixed at a predetermined position in the container close to a bubble.

' Γ 1 ‘ ; Dit deeltje verschaft opnieuw de vereiste rand die de i ' ; 5 directionele stroming teweegbrengt."Γ 1"; This particle again provides the required edge that the i '; 5 directional flow.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is het stroomelement een mobiel vast deeltje dat in de vloeistof kan drijven. Zelfs zonder een stationaire modificatie van of op het substraat, kunnen deeltjes in suspensie de vereiste rand 10 die de directionele stroming teweegbrengt, verschaffen.According to a preferred embodiment, the flow element is a mobile solid particle that can float in the liquid. Even without a stationary modification of or on the substrate, suspended particles can provide the required edge 10 that induces directional flow.

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm wordt aan een gasbelvasthouder een aantal stroomelementen toegewezen teneinde de directionele stroming van de vloeistof te versterken.According to another preferred embodiment, a gas bubble retainer is assigned a number of flow elements to enhance the directional flow of the liquid.

15 Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm is de houder een container die of een kanaal dat een eerste wand en een tweede wand tegenover de eerste wand heeft, waarbij een stroomelement gerangschikt is op de eerste wand en een belgebied gerangschikt is op de tweede wand. Deze 20 rangschikking van stroomelementen en gasbelvasthouders maakt een reductie van de grootte mogelijk en derhalve van het vloeistofvolume van de houder, zodat kleinere hoeveelheden vloeistoffen en suspensies verwerkt kunnen worden en de verwerkingssnelheid verhoogd kan worden. Een soortgelijk 25 resultaat kan tot stand worden gebracht in een andere rangschikking waarin tenminste een verzameling van een belgebied en een of meer bijbehorende stroomelementen gerangschikt is op een eerste wand en tenminste een verzameling van een belgebied en een of meer bijbehorende 30 stroomelementen gerangschikt is op de tweede wand.According to another preferred embodiment, the holder is a container or a channel that has a first wall and a second wall opposite the first wall, wherein a flow element is arranged on the first wall and a bubble area is arranged on the second wall. This arrangement of flow elements and gas bubble retainers allows a reduction in the size and therefore in the liquid volume of the container, so that smaller quantities of liquids and suspensions can be processed and the processing speed can be increased. A similar result can be achieved in another arrangement in which at least one set of a bubble area and one or more associated flow elements is arranged on a first wall and at least one set of a bubble area and one or more associated flow elements is arranged on the second wall.

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm is de afstand tussen de gasbel en het stroomelement ongeveer 20-150 pm. Kortere afstanden eisen zeer kleine bellen, die moeilijk 1 026321 - 7 zijn te produceren en te behouden. Grotere afstanden maken de stroming langzaam en inefficiënt.According to another preferred embodiment, the distance between the gas bubble and the flow element is approximately 20-150 µm. Shorter distances require very small bubbles, which are difficult to produce and maintain. Longer distances make the flow slow and inefficient.

! Volgens een ander aspect van de uitvinding wordt het 1 ‘ ! doel bereikt in een inrichting voor het teweegbrengen van ;' 5 directioneel transport van een vloeistof in een houder, omvattende: - een houder voor het houden van vloeistof; - een gasbelvasthouder (retainer) voor het vasthouden van een gasbel op een gasbelgebied van de houder; 10 - een ultrageluid-transducent voor het teweegbrengen van periodieke ultrageluidoscillaties in de vloeistof teneinde periodieke vormoscillaties van de gasbel te veroorzaken; - waarin het gasbelgebied hellend is ten opzichte van 15 de omgeving teneinde de bel in een hellende positie te rangschikken, waarbij de helling, in gebruik, een directionele vloeistofstroming hoofdzakelijk in de richting vanaf het hogere deel naar het lagere deel van het belgebied teweegbrengt.! According to another aspect of the invention, it becomes 1 "! goal achieved in a device for triggering; 5 directional transport of a liquid in a container, comprising: - a container for holding fluid; - a gas bubble holder (retainer) for holding a gas bubble in a gas bubble area of the holder; - an ultrasound transducer for triggering periodic ultrasound oscillations in the fluid to cause periodic shape oscillations of the gas bubble; - wherein the gas bubble region is inclined with respect to the environment to arrange the bubble in an inclined position, wherein the slope, in use, causes a directional fluid flow mainly in the direction from the higher part to the lower part of the bubble region.

20 Een andere voorkeursuitvoeringsvorm is uitgevoerd om een of meer deeltjes waaronder vaste deeltjes, deformeerbare deeltjes en/of vloeistofdeeltjes, zoals vloeistofdruppels, samen met de vloeistofstroming te transporteren.Another preferred embodiment is designed to transport one or more particles including solid particles, deformable particles and / or liquid particles, such as liquid droplets, together with the liquid flow.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm omvat de 25 inrichting een aantal opgelijnde belgebieden teneinde een vloeistofstroming langs een rechte baan te verschaffen. Wanneer een aantal van dergelijke lijnen van belgebieden verschaft in de houder is, kan een corresponderend aantal vloeistof en/of deeltjesstromingen tegelijkertijd gecreëerd 30 worden, waardoor de stroomcapaciteit van de inrichting in hoge mate vergroot kan worden. Op soortgelijke wijze kan een aantal enigszins niet-opgelijnde (misaligned) belgebieden 1026321- 8 gebruikt worden om een aantal vloeistofstromingen langs gekromde banen te creëren.According to a preferred embodiment, the device comprises a number of aligned bubble areas to provide a fluid flow along a straight path. When a number of such lines of bubble areas are provided in the container, a corresponding number of liquid and / or particle flows can be created simultaneously, whereby the flow capacity of the device can be greatly increased. Similarly, a number of slightly non-aligned (misaligned) bubble areas 1026321-8 can be used to create a number of fluid flows along curved paths.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm omvat de houder een gekromd oppervlakdeel teneinde een vloeistofstroming 5 langs een gekromde baan te verschaffen. Dit maakt het ontwerp van complexe microfluïdum-inrichtingen met meervoudige lagen van opgestapelde houders mogelijk.According to a preferred embodiment, the holder comprises a curved surface part in order to provide a liquid flow along a curved path. This allows the design of complex microfluidic devices with multiple layers of stacked containers.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm omvat de gasbelvasthouder een put of indentatie in het oppervlak van 10 de houder waarin een zittende gasbel vastgehouden kan worden. Dit is een eenvoudige en betrouwbare constructie voor het op hun plaats houden van de gasbellen. In plaats van de bovengenoemde put of in combinatie met de put kan de gasbelvasthouder een plek (patch) omvatten met specifieke 15 oppervlakte-energieeigenschappen zodat op de plek een zittende gasbel vastgehouden kan worden, zoals - maar niet beperkt tot - een hydrofobe plek. De bel zal vastkleven aan de plek en derhalve zal een zittende gasbel verschaft worden.According to a preferred embodiment, the gas bubble holder comprises a well or indentation in the surface of the holder in which a sitting gas bubble can be held. This is a simple and reliable construction for holding the gas bubbles in place. Instead of the above-mentioned well or in combination with the well, the gas bubble retainer can comprise a spot (patch) with specific surface energy properties so that a sitting gas bubble can be retained on the spot, such as - but not limited to - a hydrophobic spot. The bubble will stick to the site and therefore a seated gas bubble will be provided.

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm omvat de 20 gasbelvasthouder een of meer verwarmingseenheden die zijn gerangschikt op de respectievelijke gasbelgebieden voor het genereren van gasbellen door het verdampen van vloeistof in de houder.According to another preferred embodiment, the gas bubble retainer comprises one or more heating units arranged on the respective gas bubble areas for generating gas bubbles by evaporating liquid in the container.

In een andere constructie voor het genereren van de 25 gasbellen en het vasthouden van op de voorafbepaalde posities omvat de gasbelvasthouder een of meer elektrodes die zijn gerangschikt op de respectievelijke gasbelgebieden die de vloeistof in de houder elektrolyseren. Indien het vloeistof water is, bestaat de keuze tussen waterstof- en 30 zuurstofbellen. Indien de vloeistof een andere samenstelling heeft, kunnen andere gassen gegenereerd worden. In een in het bijzonder bevoorkeurde uitvoeringsvorm omvat de 1 02 6321 - 9 gasbelvasthouder een elektrolyseinrichting van het nucleatiekemtype.In another construction for generating the gas bubbles and retaining them at the predetermined positions, the gas bubble holder comprises one or more electrodes arranged on the respective gas bubble areas which electrolyze the liquid in the holder. If the liquid is water, there is a choice between hydrogen and oxygen bubbles. If the liquid has a different composition, other gases can be generated. In a particularly preferred embodiment, the gas bubble retainer comprises an electrolyzer of the nucleation core type.

! Als alternatief kan de gasbelvasthouder een of meer I i | i mondstukken omvatten die zi]n gerangschikt in de houder om 1 5 een of meer gasbellen te genereren door het introduceren van gas via de genoemde mondstukken of kan de gasbelvasthouder een poreus of geperforeerd membraan omvatten teneinde een of meer gasbellen te genereren door het introduceren van gas door het genoemde membraan. In beide gevallen komt het gas 10 voort uit een externe gasbron en kunnen voorafbepaalde hoeveelheden gas met grote nauwkeurigheid in de vloeistof geïntroduceerd worden.! Alternatively, the gas bubble retainer may be one or more include nozzles arranged in the container to generate one or more gas bubbles by introducing gas through said nozzles, or the gas bubble retainer may comprise a porous or perforated membrane to generate one or more gas bubbles by introducing gas gas through said membrane. In both cases, the gas 10 originates from an external gas source and predetermined quantities of gas can be introduced into the liquid with great accuracy.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding omvat de inrichting een 15 besturingseenheid, bijvoorbeeld een op geschikte wijze geprogrammeerde microbesturingseenheid, personal computer of andere elektronische inrichting, voor het besturen van de gasbelvasthouder om de helgrootte te variëren. Een dergelijke besturingseenheid kan onder andere piëzo-elektrische 20 actuatoren gebruiken voor zeer kleine gasstroomvolumina via mondstukken om bellen te genereren, geïntegreerde schakelingen om op selectieve wijze elektrische stroom aan te brengen door microverwarmings- en elektrolyse-elementen om bellen te genereren, en geschikte analoge/digitale interfaces 25 om de transportpatronen op het substraat aan te sturen en vooraf te programmeren. Meer in het algemeen kan de besturingseenheid elektronische schakelingen omvatten om op selectieve wijze een elektrisch signaal aan te brengen op de gasbelvasthouders teneinde bellen van geselecteerde grootte 30 te genereren. De keuze van welke gasbelvasthouder op welk moment in de tijd een gasbel van geselecteerde grootte zal genereren kan zelfs van tevoren worden gedaan wanneer de besturingseenheid voorzien wordt van een geheugen 102 6321 - 10 (bijvoorbeeld een permanent of vluchtig geheugen, een harde schijf, etc.)· Gebruikmakend van het geheugen kunnen de transportpatronen van de vloeistof en/of deeltjes aldus gepre-programeerd worden.According to a preferred embodiment of the present invention, the device comprises a control unit, for example a suitably programmed micro-control unit, personal computer or other electronic device, for controlling the gas bubble holder to vary the slope size. Such a control unit may use, inter alia, piezoelectric actuators for very small gas flow volumes through nozzles to generate bubbles, integrated circuits to selectively apply electrical current through microheating and electrolysis elements to generate bubbles, and suitable analogue / digital interfaces 25 to control and pre-program the transport patterns on the substrate. More generally, the control unit may include electronic circuitry to selectively apply an electrical signal to the gas bubble retainers to generate bubbles of selected size. The choice of which gas bubble holder will generate a gas bubble of selected size at what time in time can even be made in advance if the control unit is provided with a memory 102 6321 - 10 (for example a permanent or volatile memory, a hard disk, etc. Using the memory, the transport patterns of the liquid and / or particles can thus be preprogrammed.

5 Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de besturingseenheid werkzaam verbonden met de geluidtransducent(en) teneinde de frequentie en amplitude van het aandrijvende ultrageluid te besturen. Op deze wijze kan een gewenste deelverzameling van bellen op het substraat op 10 selectieve wijze geactiveerd worden.According to a further preferred embodiment, the control unit is operatively connected to the sound transducer (s) in order to control the frequency and amplitude of the driving ultrasound. In this way a desired subset of bubbles on the substrate can be selectively activated.

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm zijn de gasbelvasthouders uitgevoerd om bellen van een grootte van ongeveer 1-2 μτη vast te houden en is de ultrageluidtransducent uitgevoerd om de gasbellen met een 15 zodanige amplitude te oscilleren dat gerectificeerde diffusie veroorzaakt wordt. Wanneer de druk binnen de bel gedurende een oscillatieperiode verandert, wordt gas uitgestoten uit de bel gedurende contractie en weer opgenomen gedurende expansie. Bij een kleine aandrijfamplitude, is het eerste 20 effect dominant en verschrompelt de bel wegens gasverlies door normale diffusie. Bij voldoende grote aandrijfamplitude, is het laatste effect dominant en resulteert het effect in belgroei wegens gasaanwinst door gerectificeerde diffusie. Op deze wijze kan de gasinhoud van kleine bellen gestabiliseerd 25 worden.According to another preferred embodiment, the gas bubble retainers are designed to hold bubbles of a size of about 1-2 μτη and the ultrasound transducer is designed to oscillate the gas bubbles with an amplitude such that rectified diffusion is caused. When the pressure within the bubble changes during an oscillation period, gas is ejected from the bubble during contraction and taken up again during expansion. With a small drive amplitude, the first effect is dominant and the bubble shrinks due to gas loss due to normal diffusion. With a sufficiently large drive amplitude, the last effect is dominant and the effect results in bubble growth due to gas gain due to rectified diffusion. In this way the gas content of small bubbles can be stabilized.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm omvat de inrichting een of meer eerste gasbelvasthouders voor het vasthouden van gasbellen van een eerste grootte, een of meer tweede gasbelvasthouders voor het vasthouden van gasbellen 30 van een tweede grootte, verschillend van de eerste grootte, en een ultrageluidtransducent die uitgevoerd is om in staat te zijn de gasbellen van de eerste grootte met een eerste frequentie (fj aan te drijven en de gasbellen van de tweede 1 026321 - 11 grootte met een tweede frequentie (fa), verschillend van de eerste frequentie <fx) aan te drijven. In deze uitvoeringsvorm kan de besturingseenheid zoals beschreven in een eerdere uitvoeringsvorm gebruikt worden, waarbij de 5 besturingseenheid besturing verschaft van een frequentie en de amplitude van het aandrijvende ultrageluid. Wanneer bijvoorbeeld de belvasthouder gevormd wordt door een opening (put) in het houderoppervlak, zullen openingen van verschillende grootten voorzien in gasbellen van 10 verschillende grootten. Hetzelfde gaat op voor belvasthouders die zijn gevormd door hydrofobe plekken: de grootte van de respectievelijke plek zal de grootte van de gasbel bepalen.According to a further embodiment, the device comprises one or more first gas bubble retainers for holding gas bubbles of a first size, one or more second gas bubble holders for holding gas bubbles of a second size, different from the first size, and an ultrasound transducer that is designed to be able to drive the gas bubbles of the first size with a first frequency (fj and to drive the gas bubbles of the second size with a second frequency (fa), different from the first frequency <fx) . In this embodiment the control unit as described in an earlier embodiment can be used, wherein the control unit provides control of a frequency and the amplitude of the driving ultrasound. For example, if the bubble retainer is formed by an opening (well) in the container surface, openings of different sizes will provide gas bubbles of 10 different sizes. The same applies to bubble retainers formed by hydrophobic spots: the size of the respective spot will determine the size of the gas bubble.

In het geval dat de gasbelvasthouders gevormd zijn door verwarmingseenheden, kan de grootte van de bellen op actieve 15 wijze gestuurd worden door het instellen van de temperatuur. Dit verschaft de mogelijkheid om de grootte van de bellen, zelfs in gebruik, actief te variëren. Tevens in het geval waarin de belvasthouders elektrodes zijn of wanneer gas afkomstig van een externe bron direct ingebracht wordt in de 20 vloeistof, kan men op actieve wijze de grootte van de gasbellen variëren.In the case that the gas bubble retainers are formed by heating units, the size of the bubbles can be actively controlled by setting the temperature. This provides the option to actively vary the size of the bubbles, even in use. Also in the case where the bubble retainers are electrodes or when gas from an external source is directly introduced into the liquid, the size of the gas bubbles can be actively varied.

Aangezien bellen van verschillende grootte zullen reageren op verschillende ultrageluidfrequenties, kan de activatie van voorafbepaalde deelverzamelingen van 25 gasbelvasthouders en derhalve het transport van de vloeistof en/of de deeltjes in de houder direct gestuurd worden door een frequentietjirp (chirp) van het aandrijvende ultrageluid. Dit wordt uitgedrukt in een andere voorkeursuitvoeringsvorm waarin een eerste aantal eerste gasbelvasthouders zich 30 uitstrekken langs een eerste baan, een tweede aantal tweede gasbelvasthouders zich uitstrekken langs een tweede baan en ultrageluid teweeg wordt gebracht in de vloeistof met hetzij 1026321- 12 de eerste hetzij de tweede aandrijfgeluidfreguentie teneinde de vloeistof langs een geselecteerde baan te transporteren.Since bubbles of different sizes will respond to different ultrasound frequencies, the activation of predetermined subsets of gas bubble retainers and therefore the transport of the liquid and / or the particles in the container can be directly controlled by a frequency chirp (chirp) of the driving ultrasound. This is expressed in another preferred embodiment in which a first number of first gas bubble retainers extend along a first path, a second number of second gas bubble retainers extend along a second path and ultrasound is produced in the liquid with either the first or the second driving sound frequency to transport the fluid along a selected path.

In een in het bijzonder bevoorkeurde uitvoeringsvorm ! . i vallen de eerste en de tweede baan gedeeltelijk samen en : :5 divergeren zij gedeeltelijk teneinde een vloeistofvertakking 1 (junction) te verschaffen. Deze uitvoeringsvorm zal hierna toegelicht worden.In a particularly preferred embodiment! . The first and second paths partially coincide and partially diverge to provide a liquid branch 1 (junction). This embodiment will be explained below.

In een andere voorkeursuitvoeringsvorm is een aantal gasbelvasthouders gerangschikt langs een in hoofdzaak 10 lusvormige baan voor het verschaffen van een deeltjesopslag binnen de lusvormige baan. Wanneer de deeltjes eenmaal binnen het door de lusvormige baan gedefinieerde gebied zijn, zal de inrichting geactiveerd worden en zal de gecreëerde vloeistofstroming verhinderen dat de deeltjes het gebied 15 verlaten. Zo lang als de stroming teweeg wordt gebracht, zal het gebied daarom fungeren als deeltjesopslag.In another preferred embodiment, a number of gas bubble retainers are arranged along a substantially loop-shaped path for providing a particle storage within the loop-shaped path. Once the particles are within the area defined by the loop path, the device will be activated and the fluid flow created will prevent the particles from leaving the area. As long as the flow is triggered, the area will therefore act as a particle storage.

In een andere voorkeursuitvoeringsvorm omvat de inrichting een aantal eerste gasbelvasthouders die zijn gerangschikt langs een in hoofdzaak lusvormige baan en die 20 aangedreven moeten worden met de eerste voorafbepaalde geluidfrequentie (fJ voor het verschaffen van een deeltjesopslag binnen de lusvormige baan, een aantal tweede gasbelvasthouders langs een tweede in hoofdzaak lusvormige baan rondom de eerste baan; en een aantal tweede 25 gasbelvasthouders gerangschikt langs een derde baan die verbonden is met de tweede baan, waarbij de tweede gasbelvasthouders aangedreven moeten worden met de tweede i voorafbepaalde geluidfrequentie (f2) teneinde een afvoer vanaf de deeltjesopslag te verschaffen. Op analoge wijze kan 30 een opslagring "geladen" worden door een lineaire baan die daar naar toe leidt.In another preferred embodiment, the device comprises a number of first gas bubble retainers arranged along a substantially loop-shaped path and which must be driven with the first predetermined sound frequency (fJ for providing a particle storage within the loop-shaped path, a number of second gas bubble retainers along a second substantially loop-shaped path around the first path; and a plurality of second gas bubble retainers arranged along a third path connected to the second path, wherein the second gas bubble retainers must be driven at the second predetermined sound frequency (f2) in order to have a discharge from the An analogous manner, a storage ring can be "loaded" by a linear path leading to it.

In alle in de onderhavige uitvinding beschreven uitvoeringsvormen worden de gasbellen aangedreven met 1 026321 - 13 zodanige frequenties en/of amplitudes doordat de door het ultrageluid veroorzaakte oscillaties van de gasbel kleine I · veranderingen van het gasvolume met zich meebrengen, dat wil 1 ‘ zeggen niet alleen van de belvorm. Dit zal een sterkere , i i i 5 stroming van de vloeistof creëren.In all embodiments described in the present invention, the gas bubbles are driven with frequencies and / or amplitudes such that the oscillations of the gas bubble caused by the ultrasound involve small changes in the gas volume, i.e. 1 'does not mean only from the bell shape. This will create a stronger flow of the liquid.

In sommige uitvoeringsvormen heeft het uitsteeksel een cilindrische of piramidale vorm. Het variëren van de vorm van het uitsteeksel maakt de modulatie van de stromingsveldcomponent mogelijk.In some embodiments, the protrusion has a cylindrical or pyramidal shape. Varying the shape of the protrusion allows the modulation of the flow field component.

10 Uit experimenten volgt dat wanneer de afstand tussen opeenvolgende gasbelgebieden ongeveer 0,1 - 5 mm is of, met nog meer voorkeur, wanneer deze afstand ongeveer 0,5 - 1 mm is, een optimale stroming van de vloeistof en de deeltjes daarin (wanneer aanwezig) tot stand kan worden gebracht.From experiments it follows that when the distance between successive gas bubble areas is approximately 0.1 - 5 mm or, even more preferably, when this distance is approximately 0.5 - 1 mm, an optimum flow of the liquid and the particles therein (when present) can be achieved.

15 Volgens een tweede aspect van de uitvinding wordt het doel bereikt in een werkwijze voor het teweegbrengen van directioneel transport van vloeistof in een houder, omvattende: - het voorzien van een houder van vloeistof; 20 - het voorzien van een gasbel in de vloeistof op een gasbelgebied van de houder; - het teweegbrengen van periodieke ultrageluidoscillaties in de vloeistof teneinde periodieke vormoscillaties van de gasbel te veroorzaken; 25 - het voorzien van een of meer passieve stromingselementen in een nabijheid van het gasbelgebied, waarbij het passieve stromingselement in gebruik een directionele vloeistofstroming vanaf de gasbel in de richting van en tot voorbij het passieve stromingselement 30 teweegbrengt.According to a second aspect of the invention, the object is achieved in a method for effecting directional transport of fluid in a container, comprising: - providing a container with fluid; - providing a gas bubble in the liquid in a gas bubble area of the container; - triggering periodic ultrasound oscillations in the fluid to cause periodic shape oscillations of the gas bubble; - providing one or more passive flow elements in a vicinity of the gas bubble area, the passive flow element in use causing a directional fluid flow from the gas bubble in the direction of and beyond the passive flow element 30.

De uitvinding heeft tevens volgens een verder aspect betrekking op een werkwijze voor het teweegbrengen van 1026321 - 14 directioneel transport van vloeistof in een houder, omvattende: - het voorzien van een houder van vloeistof; - het voorzien van een gasbel op een gasbelgebied van 5 de houder, waarbij het gebied helt ten opzichte van de omgeving teneinde de bel in een hellende positie te rangschikken; - het inkoppelen in periodieke ultrageluidoscillaties in de vloeistof teneinde de periodieke vormoscillaties van de 10 gasbel te veroorzaken, waardoor een directionele vloeistofstroming in hoofdzaak in de richting van het hogere deel naar het lagere deel van het belgebied teweeggebracht wordt.According to a further aspect, the invention also relates to a method for effecting 1026321 - 14 directional transport of fluid in a container, comprising: - providing a container of fluid; - providing a gas bubble on a gas bubble area of the container, the area being inclined with respect to the environment in order to arrange the bubble in an inclined position; - coupling in periodic ultrasound oscillations in the liquid in order to cause the periodic shape oscillations of the gas bubble, whereby a directional liquid flow is brought about mainly in the direction from the higher part to the lower part of the bubble area.

Bij voorkeur omvat de werkwijze het rangschikken van 15 de gasbel en bijbehorende stromingselement op een voorafbepaalde locatie om een gelokaliseerde kracht op het getransporteerde deeltje aan te brengen. Indien, bijvoorbeeld, het deeltje een cel is, kan de gelokaliseerde kracht een deformatie of zelfs een breuk van het membraan van 20 de cel veroorzaken. In de praktijk kunnen krachten van 10 nN of meer tot stand worden gebracht, hetgeen voldoende blijkt te zijn om daadwerkelijk celmembranen te breken. De taak van het breken of het doorboren van het membraan kan tot stand worden gebracht door bestaande werkwijzen, bijvoorbeeld met 25 deeltjespistolen (M. Seki, Y. Komeda, A. Iida, Y. Yamada, H. Morikawa, "Transient expression of betaglucuronidase in Arabidopsis thaliana leaves and roots and Brassica napus sterns using a pneumatic partiele gun", Plant Mol. Biol. 17:259-263 (1991)), elektroporatie (D.C. Chang, B.M. Chassey, 30 J.A. Saunders, A.E. Sowers (Eds.), Guide to Electroporation and Electrofusion, Academie Press, New York, 1992), of afschuiving langs containerwanden zoals in injectiespuiten (syringes) (M.S.F. Clarke en P.L. McNeil, "Syringe loading 1026321- 15 introducés macro molecules into living mammalian cell cytosol, J. Cell Sci. 102:533-541, 1992). Geen van deze werkwijzen kan membraandoorboring en transport tegelijkertijd tot stand brengen. Tevens zijn de door deze andere werkwijzen 5 uitgeoefende krachten minder bestuurbaar, waarbij vertrouwt wordt op krachten op een schaal die veel groter is dan die van de cellen (bijvoorbeeld substraatafschurving) of moeilijk te besturen impactkrachten (bijvoorbeeld deeltjespistolen). Bestaande werkwijzen voor bestuurde krachten (bijvoorbeeld 10 optische schaar of optische uitstrekking) bereiken krachten die veel kleiner zijn dan de hier bereikbare krachten van 10 nN.Preferably, the method comprises arranging the gas bubble and associated flow element at a predetermined location to apply a localized force to the transported particle. If, for example, the particle is a cell, the localized force can cause a deformation or even a rupture of the cell's membrane. In practice, forces of 10 nN or more can be achieved, which proves to be sufficient to actually break cell membranes. The task of breaking or piercing the membrane can be accomplished by existing methods, for example with particle guns (M. Seki, Y. Komeda, A. Iida, Y. Yamada, H. Morikawa, "Transient expression or beta glucuronidase in Arabidopsis thaliana leaves and roots and Brassica napus terns using a pneumatic partial gun ", Plant Mol. Biol. 17: 259-263 (1991)), electroporation (DC Chang, BM Chassey, 30 JA Saunders, AE Sowers (Eds.) , Guide to Electroporation and Electrofusion, Academic Press, New York, 1992), or shear along container walls such as in syringes (syringes) (MSF Clarke and PL McNeil, "Syringe loading 1026321-15 Introducing macro molecules into living mammalian cell cytosol, J. Cell Sci. 102: 533-541, 1992. None of these methods can achieve membrane penetration and transport at the same time, and the forces exerted by these other methods are less controllable, relying on forces on a eels that are much larger than those of the cells (for example substrate scrap) or hard-to-control impact forces (for example particle guns). Existing methods for controlled forces (e.g., optical scissors or optical extension) achieve forces that are much smaller than the forces of 10 nN achievable here.

Volgens de onderhavige uitvinding is de oscillatieamplitude van de bellen relatief klein, dat wil 15 zeggen kleiner dan de belradius, en kan vloeistofverplaatsing niet of nauwelijks krachtactuatie voor zijn rekening nemen. Volgens de uitvinding wordt daarentegen gebruik gemaakt van de gelijkmatige stroming (streaming flow) die tot stand wordt gebracht door een periodiek oscillerende bel.According to the present invention, the oscillation amplitude of the bubbles is relatively small, that is to say, smaller than the bubble radius, and fluid displacement cannot, or hardly, account for force actuation. According to the invention, on the other hand, use is made of the uniform flow (streaming flow) which is produced by a periodically oscillating bubble.

20 De hier gepresenteerde uitvinding verbetert de bestaande werkwijzen en inrichting op verscheidene manieren. In sommige worden bestaande microfluïdum transportinrichtingen in termen van prestaties overtroffen,· in de andere worden kwalitatieve nieuwe functionaliteiten, 25 die niet aanwezig zijn in de huidige werkwijzen en inrichtingen, tot stand gebracht.The invention presented here improves the existing methods and apparatus in various ways. In some, existing microfluidic transport devices are outperformed in terms of performance, in others qualitative new functionalities that are not present in current methods and devices are established.

Zelfs met zwak oscillerende bellen als aandrijfelementen (oscillatieamplitudes van ongeveer 0,05 keer de belradius) en daarom een lage ultrasone 30 energieinvoer, kunnen stromingssnelheden in het bijzonder stromingssnelheden eenvoudigweg mm/s bereiken,· dichtbij de bellen en de vaste stofgrenzen zijn snelheden in de orde van grootte van cm/s bereikbaar. De bel-aangedreven microfluïdum 1 02 6321 - i- 16 stromingen hebben derhalve de neiging om sneller te zijn dan de met andere werkwijzen te bereiken stromingen. De transportbanen zijn in hoofdzaak ongevoelig voor die , , elektrische of thermodynamische eigenschappen van de i ; |5 vloeistof of de getransporteerde deeltjes.Even with weakly oscillating bubbles as drive elements (oscillation amplitudes of about 0.05 times the bubble radius) and therefore a low ultrasonic energy input, flow rates, in particular flow rates, can simply reach mm / s, · close to the bubbles and the solids limits are rates in the order of size of cm / s accessible. The bubble-driven microfluidic flows therefore tend to be faster than the flows achievable by other methods. The conveyor tracks are substantially insensitive to those electrical or thermodynamic properties of the i; Liquid or the transported particles.

' r i'i

De hoge transport snel heden worden bovendien tot stand gebracht zonder grote drukverschillen. Geen permanent drukverschil wordt aangebracht tussen de uiteinden van een inrichting en de oscillerende drukken die de bel aandrijven 10 (kenmerkend minder dan 0.05 bar) leveren geen gevaar op voor de structurele integriteit van de inrichting.The high transport speeds are also achieved without large pressure differences. No permanent pressure difference is applied between the ends of a device and the oscillating pressures driving the bubble (typically less than 0.05 bar) do not endanger the structural integrity of the device.

De stromingen in de hier gepresenteerde inrichtingen worden eenvoudigweg teweeggebracht en gestuurd door het positioneren van de bellen en de vaste grenzen (boundaries) 15 op het substraat. De transportrichting wordt bijvoorbeeld bepaald door de richting van de verbindingslijn tussen het belmidden en het dichtstbijzijnde vaste grenselement. Geen microkanalen of microcapillaire structuren zijn benodigd om de stroming op te sluiten en te geleiden. Veel 20 transportelementen kunnen aldus samenwerken op hetzelfde bulkvolume van de vloeistof. Het vervaardigen van de substraten is veel eenvoudiger, aangezien bijvoorbeeld slechts indentaties en/of uitsteeksels op het substraat nodig zijn in plaats van complete opsluitingsstructuren.The currents in the devices presented here are simply triggered and controlled by positioning the bubbles and the fixed boundaries on the substrate. The transport direction is, for example, determined by the direction of the connecting line between the bell center and the nearest fixed boundary element. No microchannels or microcapillary structures are needed to confine and guide the flow. Many transport elements can thus cooperate on the same bulk volume of the liquid. Manufacturing the substrates is much simpler, since, for example, only indentations and / or protrusions on the substrate are required instead of complete confinement structures.

25 Massafabricatie en parallellisatie van het proces zijn ongecompliceerd.25 Mass production and parallelization of the process are uncomplicated.

Wegens de afwezigheid van microkanalen, zullen de getransporteerde deeltjes de stroming niet blokkeren en is verstopping geen issue. Grotere verwerkingssnelheden en 30 kortere stilstandtijd (downtime) zijn directe voordelen.Due to the absence of microchannels, the transported particles will not block the flow and clogging is not an issue. Faster processing speeds and shorter downtime (downtime) are immediate benefits.

Elke keer dan een getransporteerd object dichtbij hetzij een bel hetzij een vaste grens komt, ondergaat dit een piek in de stromingsspanning die op het interface daarvan 1 026321 - 17 wordt aangebracht. Dergelijke spanningen zijn gelokaliseerd op een schaal die kleiner is dan of gelijk is aan de grote van de gemicrofabriceerde structuur en kunnen derhalve op een veel kleinere schaal werkzaam zijn dan de schaal die het 5 transport karakteriseert (namelijk de afstand tussen naburige doubletten). Indien het deeltje deformeerbaar (buigzaam) is, zoals een liposoom of een levende cel, leiden deze gelokaliseerde krachten tot deformatie en mogelijkerwijs tot breuk van het membraan. Uit de deformatie kunnen mechanische 10 buigzaamheidsgegevens worden afgeleid, mogelijkerwijs verschillende celtypes van elkaar scheidend.Each time a transported object comes close to either a bubble or a fixed boundary, it undergoes a peak in the flow voltage that is applied to its interface 1 026321-17. Such stresses are located on a scale that is smaller than or equal to the size of the microfabricated structure and can therefore operate on a much smaller scale than the scale that characterizes the transport (namely the distance between neighboring doubles). If the particle is deformable (flexible), such as a liposome or a living cell, these localized forces lead to deformation and possibly to rupture of the membrane. Mechanical flexibility data can be derived from the deformation, possibly separating different cell types.

Een bestaande inrichting, de optische uitstrekeenheid zoals beschreven in het artikel "Optical deformability of soft biological dielectrics" door J. Guck et al., Phys. Rev. 15 Lett. 84, 5451, 2000, bereikt dit doel door het uitoefenen van krachten via een gefocusseerde laser. Alhoewel deze krachten kenmerkend ongeveer 100 pN of kleiner zijn, kunnen de akoestische stromingen (streaming flows) volgens de onderhavige uitvinding eenvoudigweg verscheidene 10 nN 20 bereiken. Op unieke wijze hebben de krachten en het transport dezelfde oorsprong, terwijl in het bekende optische uitstrekeenheidsysteem, fluïdumtransport afzonderlijk teweeggebracht en gestuurd moet worden.An existing device, the optical extension unit as described in the article "Optical deformability of soft biological dielectrics" by J. Guck et al., Phys. Rev. 15 Lett. 84, 5451, 2000, achieves this goal by applying forces via a focused laser. Although these forces are typically about 100 pN or smaller, the acoustic flows according to the present invention can simply reach several 10 nN. In a unique way, the forces and the transport have the same origin, while in the known optical extension unit system, fluid transport must be triggered and controlled separately.

Verdere uitvoeringsvormen, voordelen, kenmerken en 25 details van de onderhavige uitvinding zullen worden toegelicht in de volgende beschrijving onder verwijzing naar de bijgevoegde figuren, waarin: - figuren la en lb respectievelijk een zijaanzicht en een bovenaanzicht zijn van een gesimuleerde stroming langs 30 twee gasbelvasthouder / stroomelement - doubletten volgens de uitvinding; 1 026321 - 18 - figuur 2 een foto is die een aantal experimentele streep-beelden (streak-images) van banen van volgens de ; onderhavige uitvinding getransporteerde deeltjes toont; i · i - figuur 3 een aanzicht in perspectief is van een ï 5 eerste voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding; - figuur 4 een bovenaanzicht is van een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van een gasbelvasthouder die wordt vergezeld door twee stromingselementen; 10 - figuur 5 een aanzicht is van een voorkeursrangschikking van gasbelvasthouders; - figuur 6 een aanzicht is van een verdere voorkeursuitvoeringsvorm voor het opslaan van vloeistof en/of deeltjes; 15 - figuur 7 een schematisch aanzicht toont van een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, waarin een stromingsvertakking voorzien is; - figuur 8 een schematisch aanzicht toont van een verdere uitvoeringsvorm van een vloeistof en/of j 20 deeltjeopslagring met uitleesmogelijkheid; - figuur 9 een aanzicht in perspectief toont van een verdere voorkeursuitvoeringsvorm; ! - figuur 10 een schematische dwarsdoorsnede toont van een put voor het houden van een gasbel; 25 - figuur 11 een dwarsdoorsnede toont van een uitvoeringsvorm van een elektrolyse inrichting van het nucleatiekemtype; - figuur 12 een schematische dwarsdoorsnede is van een mondstuk voor het genereren en houden van een gasbel ; 30 - figuren 13 en 14 bovenaanzichten zijn van verdere uitvoeringsvormen van gasvasthouders en stroomelementen volgens de onderhavige uitvinding; 1026321- - - i 19 - figuur 15 een perspectief toont van een verdere voorkeursuitvoeringsvorm; en j - figuur 16 een aanzicht in perspectief toont van een ' i' 1 ‘ houder waarin de celmembraan gebroken en opnieuw gesloten is.Further embodiments, advantages, features and details of the present invention will be explained in the following description with reference to the accompanying figures, in which: figures 1a and 1b are, respectively, a side view and a top view of a simulated flow along two gas bubble retainers / flow element - doubles according to the invention; FIG. 2 is a photograph showing a number of experimental streak images of tracks according to the invention; present transported particles; Figure 3 is a perspective view of a first preferred embodiment of the present invention; figure 4 is a top view of a further preferred embodiment of a gas bubble holder that is accompanied by two flow elements; Figure 5 is a view of a preferred arrangement of gas bubble retainers; figure 6 is a view of a further preferred embodiment for storing liquid and / or particles; Figure 7 shows a schematic view of a further embodiment of the present invention, in which a flow branch is provided; figure 8 shows a schematic view of a further embodiment of a liquid and / or particle storage ring with read-out possibility; figure 9 shows a perspective view of a further preferred embodiment; ! figure 10 shows a schematic cross-section of a well for holding a gas bubble; Figure 11 shows a cross-section of an embodiment of an electrolysis device of the nucleation core type; figure 12 is a schematic cross-section of a nozzle for generating and holding a gas bubble; Figures 13 and 14 are top views of further embodiments of gas retainers and flow elements according to the present invention; Figure 15 shows a perspective view of a further preferred embodiment; and Figure 16 shows a perspective view of an "i" 1 container in which the cell membrane is broken and reclosed.

I : ! ,; '5 In de onderhavige toepassingen worden werkwijzen en inrichtingen beschreven voor het gebruik van door ultrageluid teweeggebrachte belstroming (streaming flow) in transport- en MEMS (micro-elektromechanische systemen) toepassingen.I:! ,; In the present applications, methods and devices are described for the use of ultrasound-induced bubble flow (streaming flow) in transport and MEMS (micro-electromechanical systems) applications.

Volgens een aspect is de stroming (streaming flow) 10 kwalitatief veranderd door de aanwezigheid van additionele stroomelementen naast de bel. Deze stroomelementen kunnen gevormd worden door een of verscheidene stationaire of mobiele vaste deeltjes, een of verscheidene uitsteeksels op de houder (tevens substraat genoemd), of een of verscheidene 15 indentaties van een of verscheidene vormen in het substraat. Volgens een ander aspect is de stroming (streaming flow) veranderd door het hellende gebied waarop de bel vastkleeft. De stroming (streaming flow) resulterend uit de combinatie van oscillerende bellen met deze passieve stromingselementen 20 of de hellende rangschikking van de oscillerende bellen bereikt een directioneel transport van vloeistof en deeltjes. In de onderhavige aanvrage dient de term "deeltjes" geïnterpreteerd te worden als een gegeneraliseerde term voor vaste deeltjes, deformeerbare deeltjes (zoals lipide blaasjes 25 en levende cellen), en vloeistofdeeltjes (druppels). In de onderhavige aanvrage zou de combinatie van een of meer gasbelgebieden en één, twee of meer stroomelementen soms "doublet" genoemd worden en deze term dient daarom niet geïnterpreteerd te worden als zijnde beperkt tot slechts een 30 gasbelgebied en een stroomelement.In one aspect, the flow (streaming flow) has changed qualitatively due to the presence of additional flow elements in addition to the bubble. These flow elements can be formed by one or more stationary or mobile solid particles, one or more protrusions on the container (also called substrate), or one or more indentations of one or more shapes in the substrate. In another aspect, the flow (streaming flow) has been changed by the sloping area to which the bubble sticks. The flow (streaming flow) resulting from the combination of oscillating bubbles with these passive flow elements or the inclined arrangement of the oscillating bubbles achieves a directional transport of liquid and particles. In the present application, the term "particles" is to be interpreted as a generalized term for solid particles, deformable particles (such as lipid vesicles and living cells), and liquid particles (drops). In the present application, the combination of one or more gas bubble regions and one, two or more flow elements would sometimes be referred to as "doublet" and this term should therefore not be interpreted as being limited to only one gas bubble region and a flow element.

Het hoofdeffect van het introduceren van passieve stroomelementen is weergegeven in figuren la, lb en 2.The main effect of introducing passive current elements is shown in Figures 1a, 1b and 2.

Figuren la en lb tonen respectievelijk een zijaanzicht en een 1 02 6321 - 20 bovenaanzicht van een gesimuleerde stroming rond twee bel-stroomelementdoubletten, waarin de belradius a de lengte aangeeft, z de richting loodrecht op de substraatwand is, x de gemiddelde richting van de transportstroming is en y de 5 richting loodrecht op zowel x als z is. Een eerste stroomelement 2, een tweede stroomelement 2' en een derde stroomelement 2'· zijn respectievelijk naast een eerste bel 1, een tweede bel 1' en een derde bel 1'' getoond. Stroomlijnen 3 en 3' duiden respectievelijk berekende en 10 experimentele banen aan, die zijn gevolgd door deeltjes P en P' gedurende directioneel transport. Zoals kan worden afgeleid uit deze figuren zal de vloeistof van links naar rechts getransporteerd worden. Elk willekeurig andere baan is eveneens mogelijk, zoals hierna besproken zal worden.Figures 1a and 1b show a side view and a top view, respectively, of a simulated flow around two bubble flow element doubles, wherein the bubble radius a indicates the length, z is the direction perpendicular to the substrate wall, x the average direction of the transport flow and y is the 5 direction perpendicular to both x and z. A first flow element 2, a second flow element 2 'and a third flow element 2' are shown next to a first bubble 1, a second bubble 1 'and a third bubble 1' ', respectively. Streamlines 3 and 3 'indicate calculated and experimental paths, respectively, followed by particles P and P' during directional transport. As can be seen from these figures, the liquid will be transported from left to right. Any other job is also possible, as will be discussed below.

15 Figuur 2 is een streep-beeld (streak image) dat de baan toont van een aantal deeltjes P^Ps in de rangschikking zoals is getoond in figuur la. Duidelijk zichtbaar zijn de gelijkmatige directionele stromingen van de deeltjes, welke stroming veroorzaakt worden door de drie doubletten in de 20 houder.Figure 2 is a streak image showing the trajectory of a number of particles P ^ Ps in the arrangement as shown in Figure 1a. The uniform directional currents of the particles are clearly visible, which is caused by the three doubles in the container.

In figuur 3 is een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding getekend. Getoond in een houder 5. De houder is een langgerekte container of cuvette, waarin vloeistof aanwezig is. In figuur 3 is de houder getoond als een 25 parallellepipedum bijvoorbeeld met een breedte van 1 cm of minder). Echter wordt opgemerkt dat een willekeurige vorm denkbaar is, bijvoorbeeld een vorm met rechthoekige, cirkelvormige, ovale of driehoekige dwarsdoorsnede, zoals duidelijk is voor de vakman in het betreffende vakgebied.Figure 3 shows a first embodiment of the invention. Shown in a holder 5. The holder is an elongated container or cuvette in which liquid is present. In figure 3 the holder is shown as a parallelepiped, for example with a width of 1 cm or less. However, it is noted that an arbitrary shape is conceivable, for example a shape with rectangular, circular, oval or triangular cross-section, as is clear to the person skilled in the art.

30 Een piëzo-elektrische transducent 6 is bevestigd aan een zijwand van de houder en brengt een ultrageluidgolfveld in de cuvette tot stand. Op de cuvètte bodemwand 7 is een aantal gas (bijvoorbeeld lucht) bellen Ι,Ι',Ι1' en vaste 1026321- 21 uitsteeksels of cilindrische bobbels (bumps) 8 bevestigd. De bobbel kan een willekeurige vorm hebben, zoals bijvoorbeeld een kubusvorm, piramidevorm, conische vorm, etc.. De bobbels zijn uit het substraat geëtst, naast de putten (niet getoond) 5 waarin de bellen gefixeerd zijn. Substraatmicropatternering kan dergelijke structuren tot stand brengen.A piezoelectric transducer 6 is attached to a side wall of the container and creates an ultrasound wave field in the cuvette. A number of gas (for example, air) bubbles Ι, Ι ', Ι1' and fixed protrusions or cylindrical bumps (bumps) 8 are attached to the cuvette bottom wall 7. The bump can have any shape, such as, for example, a cube shape, pyramid shape, conical shape, etc. The bumps are etched from the substrate, next to the pits (not shown) in which the bubbles are fixed. Substrate micropatternation can create such structures.

De bellen zitten in putten die zijn voorzien in het substraat 7 of op hydrofobe plekken. Deeltjes P in suspensie (bijvoorbeeld vaste korrels (beads), blaasjes of cellen) 10 worden getransporteerd in het stromingsveld (streaming flow field). Naast de gelijkmatige stroming (steady streaming flow) vanaf de bel, brengt de aanwezigheid van een vaste grens (in dit geval een bobbel 8) dichtbij de bel een tweede stromingscomponent (streaming flow component) teweeg. In 15 tegenstelling tot de stroming die resulteert uit de bel alleen, heeft deze stroming een directioneel karakter en de stromingseinden daarvan sturen vloeistof en gesuspendeerde deeltjes vanaf de bel in de richting van en tot voorbij de locatie van de vaste grens (solid boundary).The bubbles are in wells provided in the substrate 7 or in hydrophobic sites. Particles P in suspension (e.g., solid beads, vesicles or cells) are transported in the flow field (streaming flow field). In addition to the uniform flow (steady streaming flow) from the bubble, the presence of a fixed limit (in this case a bubble 8) close to the bubble produces a second flow component (streaming flow component). In contrast to the flow resulting from the bubble alone, this flow has a directional character, and the flow ends thereof direct liquid and suspended particles from the bubble toward and beyond the solid boundary location.

20 De grens zelf kan een uitsteeksel in het substraat zijn welk uitsteeksel gemaakt is door een van verscheidene microvervaardigingstechnieken, zoals is getoond in figuur 3, een vast deeltje in suspensie (op mogelijkerwijs vastgezet in een stagnatiepunt van de stroming), of de rand van een 25 indentatie in het substraat. In alle gevallen combineren de belstroming en de vaste grensstroming tot een stroming die directioneel transport mogelijk maakt. Elk willekeurig deeltje van een voldoende kleine grootte of een voldoende klein dichtheidsverschil ten opzichte van de vloeistof zal de 30 stroomlijnen volgen en getransporteerd worden.The boundary itself may be a protrusion in the substrate which protrusion is made by one of several micro-fabrication techniques, as shown in Figure 3, a solid particle in suspension (possibly fixed at a stagnation point of the flow), or the edge of a stream Indentation in the substrate. In all cases, the bubble flow and the fixed boundary flow combine into a flow that allows directional transport. Any random particle of a sufficiently small size or a sufficiently small density difference with respect to the liquid will follow the streamlines and be transported.

Zoals boven is genoemd wordt in andere voorkeursuitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding vloeistof- en/of deeltjestransport tot stand gebracht zonder 1 026321 - 22 hetzij bobbels op of deeltjes boven het substraat. Indien de in het substraat geëtste putten in dwarsdoorsneden niet , cirkelvormig zijn, bijvoorbeeld sleutelgatvormig zijn, zoals i i' , is getoond in figuur 13, bezet een bel (b) van voldoende i '5 grootte op natuurlijke wijze het grootste deel van hetAs mentioned above, in other preferred embodiments of the present invention, liquid and / or particle transport is accomplished without bubbles or particles above the substrate. If the wells etched into the substrate are not circular in cross-section, for example are keyhole-shaped, as shown in FIG. 13, a bubble (b) of sufficient size naturally occupies most of it.

' I I'I I

sleutelgat 33 (met de grotere kromteradius), hetgeen het andere deel 34 van het sleutelgat vrij van gas houdt. Figuur 13 toont een bovenaanzicht van een sleutelgatvormige put 33 in een hydrofoob substraat waarin een bel b (gearceerd) op 10 natuurlijke wijze gepositioneerd is in het bredere (linker) deel. Wanneer men de bel laat oscilleren, brengt de vibratie een gelijkmatige stromingstransportstroming voort omdat de verticale rand 35 aan het einde van het kleinere sleutelgatdeel 34 de vaste grens verschaft die noodzakelijk 15 is voor de stroming, zoals eerder besproken is. Dergelijke structuren zijn nog eenvoudiger te vervaardigen aangezien het twee-stapsproces voor het genereren van putten en bobbels gereduceerd is tot een enkele stap met putten van een enigszins complexere vorm.keyhole 33 (with the larger radius of curvature), which keeps the other part 34 of the keyhole free of gas. Figure 13 shows a top view of a keyhole shaped well 33 in a hydrophobic substrate in which a bubble b (shaded) is naturally positioned in the wider (left) part. When the bubble is allowed to oscillate, the vibration produces a uniform flow transport flow because the vertical edge 35 at the end of the smaller keyhole portion 34 provides the fixed boundary necessary for the flow, as previously discussed. Such structures are even easier to manufacture since the two-step process for generating pits and bumps is reduced to a single step with pits of a somewhat more complex form.

20 Als variant kan, zoals is getoond in figuur 14, de omtrek van het sleutelgat 33 verscheidene kleine uitsteeksels 36,37 omvatten teneinde het bereik van aantrekking van de stroming te veranderen. Figuur 14 toont een bovenaanzicht van een dubbele sleutelgatput 38 in een hydrofoob substraat 25 waarin een bel b (gearceerde gebied) op natuurlijke wijze gepositioneerd is in het bredere (linker) deel. Twee vaste grenzen, gevormd door tenminste de wanden 39 en 40 zijn aanwezig, waarbij de grenzen de stroming met meer kracht in de gewenste richting (aangeduid door de grote pijl) sturen 30 aangezien de teweeggebrachte stromingen vanaf de twee vaste grenzen in de transportrichting optellen, maar de twee stromingscomponenten loodrecht op de transportrichting de neiging hebben tegen elkaar weg te vallen.As a variant, as shown in Fig. 14, the circumference of the keyhole 33 may include several small protrusions 36,37 to change the range of attraction of the flow. Figure 14 shows a top view of a double keyhole well 38 in a hydrophobic substrate 25 in which a bubble b (shaded area) is naturally positioned in the wider (left) part. Two fixed boundaries formed by at least the walls 39 and 40 are present, the boundaries directing the flow with more force in the desired direction (indicated by the large arrow) since the induced flows add up from the two fixed boundaries in the transport direction, but the two flow components perpendicular to the conveying direction tend to fall against each other.

1 02632 1 - 231 02632 1 - 23

In een andere uitvoeringsvorm van de directionele belstromingstransportstroming (bubble streaming transport ' _ flow), kan het substraat 7 gepattemeerd worden met putten 1 ' ! waarvan de rand een variërende hoogte heeft, zoals is getoond ' 5 in figuur 15. Figuur 15 toont een aanzicht in perspectief van een put met een rand 41 die groter is aan een zijde (rechterzijde in de figuur) dan aan de andere zijde. De contactlijn van de bel b die gelokaliseerd is in de put, helt naar de linkerkant en de belstroming brengt een transport 10 naar links teweeg (aangeduid door de pijl in figuur 15). De in de put gevangen bellen bevinden zich effectief in een hellende positie ten opzichte van het substraatniveau. Als resultaat hiervan verkrijgt de belstroming (zonder de aanwezigheid van een andere vaste grens) een directionele 15 component in de richting van de lagere rand. Nogmaals, de behoefte voor de afzonderlijke vervaardiging van bobbels is ondervangen.In another embodiment of the directional bubble flow transport flow (bubble streaming transport flow), the substrate 7 can be patched with pits 1 '! the edge of which has a varying height, as shown in Figure 15. Figure 15 shows a perspective view of a well with an edge 41 that is larger on one side (right side in the figure) than on the other side. The contact line of the bubble b located in the well slopes to the left and the bubble flow causes a transport to the left (indicated by the arrow in Figure 15). The bubbles trapped in the well are effectively in an inclined position with respect to the substrate level. As a result, the bubble flow (without the presence of another fixed boundary) obtains a directional component toward the lower edge. Again, the need for the individual manufacture of bumps has been overcome.

In deze uitvoeringsvorm is het transport mechanisme als volgt. Een op zichzelf op het substraatoppervlak zittende 20 bel zal geen enkel horizontaal transport teweegbrengen omdat de hoofdrichting van de stroming (streaming flow) opwaarts (loodrecht op het oppervlak en loodrecht op de horizontale contactlijn van de bel op het substraat) is. Slechts wervelingslussen (vortex loops) rondom die loodrechtrichting 25 worden gecreëerd. Indien echter de bel op het substraatoppervlak zit zodat de contactlijn een variabele hoogte heeft, wordt het vlak dat de contactlijn bevat schuin gezet en is de hoofdstroomrichting (opnieuw loodrecht op dat vlak) ook schuin ten opzichte van de verticaal. De 30 hoofdstroomrichting bereikt met andere woorden een horizontale component en kan daarom zorgen voor horizontaal transport. In een extreem geval kan een bel op een verticale 1026321 - 24 wand zitten en vanaf het substraat uitsteken en zal er bijna geheel sprake zijn van horizontaal transport.In this embodiment, the transport mechanism is as follows. A bubble per se on the substrate surface will not cause any horizontal transport because the main direction of the flow (streaming flow) is upwards (perpendicular to the surface and perpendicular to the horizontal contact line of the bubble on the substrate). Only swirl loops (vortex loops) around that perpendicular direction 25 are created. However, if the bubble is on the substrate surface so that the contact line has a variable height, the plane containing the contact line is skewed and the main flow direction (again perpendicular to that plane) is also skewed with respect to the vertical. In other words, the main flow direction reaches a horizontal component and can therefore provide for horizontal transport. In an extreme case, a bubble can sit on a vertical wall 1026321 - 24 and protrude from the substrate and horizontal transport will almost entirely occur.

Aangenomen wordt dat de hoogtevariaties veel kleiner zijn dan de akoestische golflengte, zodat de veranderingen in 5 oppervlaktetopografie geen invloed heeft op het akoestisch veld zelf. Gegeven het feit dat akoestische golflengtes zich in het bereik van mm of cm bevindt, en de hier besproken structuren verscheidene 10 pm groot zijn, is de aanname gerechtvaardigd.It is assumed that the height variations are much smaller than the acoustic wavelength, so that the changes in surface topography have no influence on the acoustic field itself. Given that acoustic wavelengths are in the range of mm or cm, and the structures discussed here are several 10 µm in size, the assumption is justified.

10 In het algemeen is de besturing van het transport van deeltjes vaak meer veeleisend in de richting loodrecht op het substraatoppervlak. Indien de deeltjes te ver weg van het substraat zijn, wordt het transport via de stromende doubletten inefficiënt en langzaam. In een verdere 15 uitvoering, zoals is getoond in figuur 9, wordt een dunne container 40 gebruikt waarin de bovenwand 43 en bodemwand 42 gepatterneerd zijn, zodat bellen 45 op belgebieden 44, bijvoorbeeld gevormd door putten, op de bodemwand 42 (of, als alternatief, op de bovenwand 43) gepositioneerd zijn en 20 bobbels 46 gepositioneerd zijn op de tegenoverliggende wand, zodat een stromende transportstroming (streaming transport flow) van de vloeistof of een deeltje P in de vloeistof heen en weer geleidt zal worden tussen de boven- en onderwanden.In general, the control of the transport of particles is often more demanding in the direction perpendicular to the substrate surface. If the particles are too far away from the substrate, transport via the flowing doubles becomes inefficient and slow. In a further embodiment, as shown in figure 9, a thin container 40 is used in which the top wall 43 and bottom wall 42 are patented, so that bubbles 45 on bubble areas 44, for example formed by pits, on the bottom wall 42 (or, alternatively are positioned on the upper wall 43 and bumps 46 are positioned on the opposite wall, so that a flowing transport flow of the liquid or a particle P in the liquid will be guided back and forth between the upper and lower walls .

Op deze wijze kan het totale vloeistofvolurne eveneens 25 gereduceerd worden (vanwege de dunne container), zodat kleinere hoeveelheden dure vloeistoffen en suspensies in toepassingen verwerkt kunnen worden.In this way the total liquid volume can also be reduced (because of the thin container), so that smaller amounts of expensive liquids and suspensions can be processed in applications.

Een lineaire rij (array) van verscheidene bel-stroomelementcombinaties (hierin doubletten genoemd), zoals 30 bijvoorbeeld is getoond in figuur 3, kan transport over grote afstanden tot stand brengen (aangezien elke doublet gesuspendeerde deeltjes naar het naburige doublet transporteer, onder voorwaarde dat dit doublet zich in de 1026321- 25 transport richting die wordt gegeven door de doublet-as bevindt, dat wil zeggen de verbindingslijn tussen belmidden i : en vaste grenslocatie.A linear array (array) of various bubble-flow element combinations (referred to herein as doublets), as shown, for example, in Figure 3, can bring about transport over large distances (since each doublet transports suspended particles to the neighboring doublet, provided that this doublet is in the 1026321 transport direction given by the doublet axis, that is, the connecting line between bell center and fixed boundary location.

‘ Γ 1 ' ) De doublettenstructuren zijn bij voorkeur . . I ' ,; '5 geprepareerd door microfabricatie in een substraat 7."Γ 1") The double structures are preferably. . I '; Prepared by microfabrication in a substrate 7.

Teneinde micropatternering op een hydrofoob substraat uit te voeren is het voordelig om allereerst complementaire structuren in silicium te etsen, vloeistof voorlopers te gieten op PDMS (polydimethylsiloxaan) en het materiaal uit te 10 harden tussen een hydrofoob substraat met de gewenste eigenschappen te verkrijgen. Het is tevens voordelig dat PDMS transparant is; zodat de transportstroming via het substraat geobserveerd kan worden. In een hydrofoob substraat zoals PDMS worden indentaties (putten) 10, kenmerkend met een 15 straal (b) van 10-100 pm en een diepte (h) van 10-30 pm, zoals is getoond in figuur 10, vervaardigd samen met uitsteeksels (bobbels) 8 van soortgelijke straal en hoogte, waarin de putten en bobbels ongeveer 100 μτη van elkaar gescheiden zijn. Wanneer het hydrofobe substraat in contact 20 komt met water (of, equivalent, indien het substraat bevochtigt wordt door de in de houder gebruikte vloeistof) worden gaszakken (bijvoorbeeld luchtzakken) gevangen in de putten 10 en worden bellen 1 met een straal vergelijkbaar met de putradius tot stand gebracht.In order to perform micropatterning on a hydrophobic substrate, it is advantageous to first etch complementary structures in silicon, pour liquid precursors onto PDMS (polydimethylsiloxane) and cure the material between a hydrophobic substrate with the desired properties. It is also advantageous that PDMS is transparent; so that the transport flow through the substrate can be observed. In a hydrophobic substrate such as PDMS, indentations (wells) 10, typically with a radius (b) of 10-100 µm and a depth (h) of 10-30 µm, as shown in Figure 10, are made together with protrusions ( bumps) 8 of similar radius and height, in which the pits and bumps are separated by approximately 100 μτη. When the hydrophobic substrate comes into contact with water (or, equivalent, if the substrate is wetted by the liquid used in the container), gas bags (e.g. air bags) are trapped in the wells 10 and bubbles 1 with a radius similar to the well radius established.

25 De bellen worden vervolgens geëxciteerd met oscillaties door ultrageluid dat extern wordt ingekoppeld via de piëzo-elektrische transducent 6 die vastgelijmd is aan een wand van de houder 5 (niet noodzakelijkerwijs de substraatwand 7).The bubbles are then excited with ultrasound oscillations that are coupled externally via the piezoelectric transducer 6 that is glued to a wall of the holder 5 (not necessarily the substrate wall 7).

30 Het transport treedt op in de richting van de doubletas, dat wil zegen de verbindingslijn tussen bel- en bobbelcentra. Indien verscheidene doubletten ingedrukt zijn op het substraat met gealigneerde assen, vormen zij een 1 02632 1 - 26 transportrij die bruikbaar is voor transport over grotere • afstanden. Kenmerkend kunnen de afstanden tussen doubletten (van bel tot bel) ongeveer 0,5 - 1 mm zijn.The transport occurs in the direction of the doubletas, that is to say the connection line between call and bubble centers. If several doubles are depressed on the substrate with aligned axes, they form a transport row that can be used for transport over greater distances. Typically, the distances between doubles (from bubble to bubble) can be about 0.5 - 1 mm.

Hetzelfde soort transport kan tot stand worden 5 gebracht wanneer er geen bobbels op het substraat zijn, maar een vast deeltje vastgehouden wordt (bijvoorbeeld in een stagnatiepunt van de stroming (streaming flow)) dichtbij de bel. Dit deeltje verschaft dan de vaste grens die nodig is om de transportcomponent van de stroming voort te brengen.The same type of transport can be accomplished when there are no bumps on the substrate, but a solid particle is retained (for example, at a stagnation point of the flow (streaming flow)) close to the bubble. This particle then provides the fixed boundary required to generate the transport component of the flow.

* 10 Aangezien het etsen van bobbels meer sturing van de positie en de transporteigenschappen van de stroming (streaming flow) biedt, zou het bel/bobbeldoublet eenvoudiger te behandelen en in grote aantallen te vervaardigen zijn. In bepaalde toepassingen kan echter het gebruik van een deeltje als vaste 15 grens voordelig blijken te zijn, in het bijzonder indien middelen beschikbaar zijn om het deeltje te herpositioneren teneinde de richting van de stroming te sturen. In de bovengenoemde uitvoeringsvormen zijn middelen beschreven om de helgrootte te sturen, maar als alternatief of daarnaast 20 kan de positie of de vorm van het stroomelement (bobbel of vast deeltje) veranderd worden.* 10 Since the etching of bumps offers more control of the position and transport properties of the flow (streaming flow), the bubble / bobble doublet would be easier to handle and to manufacture in large numbers. In certain applications, however, the use of a particle as a fixed limit may prove to be advantageous, in particular if means are available to reposition the particle in order to control the direction of the flow. In the above embodiments, means are described for controlling the slope size, but alternatively or additionally, the position or shape of the flow element (bulge or solid particle) can be changed.

Figuur 4 toont een andere uitvoeringsvorm waarin twee vaste grenzen, bijvoorbeeld bobbels of vaste deeltjes 8 en 8', gepositioneerd zijn op een substraat naast een bel 1. Het 25 aantal en de positie van de vaste grenzen zal de stromingskarakteristieken beïnvloeden. De twee vaste grenzen poseren een stroming (korte pijlen 15 en 15'), die resulteren in een sterkere stroming in de gewenste richting 16 omdat de stroomcomponent in de transportrichting optellen. In andere 30 uitvoeringsvormen zijn zelfs meer vaste grenzen gerangschikt in de nabijheid van de bel. Het grotere vaste grensgebied dat door de meervoudige grenzen wordt gepresenteerd trekt tevens meer deeltjes aan van een groter vloeistofvolume in het 1 02632 1 - 27 gewenste stromingstransport, hetgeen het bereik van de aantrekking van de stroming vergroot.Figure 4 shows another embodiment in which two fixed limits, for example bumps or solid particles 8 and 8 ', are positioned on a substrate next to a bubble 1. The number and the position of the fixed limits will influence the flow characteristics. The two fixed boundaries pose a flow (short arrows 15 and 15 '), which result in a stronger flow in the desired direction 16 because the flow component adds up in the transport direction. In other embodiments, even more fixed limits are arranged in the vicinity of the bubble. The larger fixed boundary region presented by the multiple boundaries also attracts more particles of a larger liquid volume in the desired flow transport, which increases the range of attraction of the flow.

Figuur 5 toont een andere uitvoeringsvorm waarin een groot aantal stroomelement/gasvasthoudercombinaties 21 5 gerangschikt zijn langs verscheidene rechte lijnen (lijn 1, lijn 2, .. lijn n). In deze rangschikking kunnen n verschillende deeltjes tegelijkertijd langs n parallelle banen in een en dezelfde houder getransporteerd worden. Dit zal de verwerkingssnelheid en de capaciteit van de inrichting 10 aanzienlijk verhogen. Meer bovendien verschillen de lijnen van stroomelement/vasthoudercombinaties 21 uitgerust zijn om gasbellen van verschillende groottes te houden, kan men de specifieke baan selecteren die een deeltje P zal moeten volgen door het eenvoudigweg kiezen van de juiste frequentie 15 van het aandrijvende geluid, zoals hierna uiteengezet zal worden.Figure 5 shows another embodiment in which a large number of flow element / gas retainer combinations 21 are arranged along various straight lines (line 1, line 2, .. line n). In this arrangement, n different particles can be transported simultaneously along n parallel paths in one and the same container. This will considerably increase the processing speed and capacity of the device 10. More in addition, the lines of flow element / retainer combinations 21 are equipped to hold gas bubbles of different sizes, one can select the specific path that a particle P will have to follow by simply selecting the correct frequency of the driving sound, as set out below. will be.

Alhoewel de in figuur 4 getoonde uitvoeringsvorm transport langs een aantal rechte lijnen beschrijft, is het transport niet beperkt tot rechte lijnen. Enigszins niet -20 opgelijnde doubletten kunnen de stroming en de getransporteerde deeltjes langs gekromde banen aandrijven, zoals de omtrek van de ringstructuur 27 van een aantal (bijvoorbeeld achttien) stroomelement/gasvasthoudercombinaties of doubletten 21, 25 zoals men kan zien in figuur 6. De ringstructuur kan gebruikt worden om een opslaggebied te verschaffen voor deeltjes P die opgesloten zijn binnen de ring van doubletten 21. Wanneer de ringaandrijfgeluidfrequentie toegepast wordt, worden de getransporteerde deeltjes langs de ring gestuurd en 30 "opgeslagen" langs het gesloten cirkelvormige pad. Wanneer het aandrijfgeluid niet aanwezig of wanneer een verschillende aandrijffrequentie toegepast wordt, kunnen de deeltjes verwijderd worden van het opslaggebied. Het productieproces 1026321-Although the embodiment shown in Figure 4 describes transportation along a number of straight lines, transportation is not limited to straight lines. Slightly non-aligned doubles can drive the flow and the transported particles along curved paths, such as the circumference of the ring structure 27 of a number (e.g. eighteen) flow element / gas retainer combinations or doubles 21, 25 as can be seen in Figure 6. The ring structure can be used to provide a storage area for particles P trapped within the ring of doubles 21. When the ring drive sound frequency is applied, the transported particles are driven along the ring and "stored" along the closed circular path. If the driving sound is not present or if a different driving frequency is applied, the particles can be removed from the storage area. The production process 1026321-

' I"I

28 van deze ringvormige uitvoeringsvorm is tamelijk eenvoudig, met twee verwerkingsstappen in silicium die de gewenste indentaties (putten) en uitsteeksels (bobbels) verschaffen.28 of this annular embodiment is fairly simple, with two silicon processing steps providing the desired indentations (wells) and protrusions (bumps).

1 ‘ ; Dezelfde silicium meester kan verscheidene keren gebruikt , ; 5 worden om PDMS templates te genereren.1 "; The same silicon master can be used several times; 5 to generate PDMS templates.

Noch is het transport beperkt tot vlakke oppervlakken. Zolang als de oppervlaktekromming klein is (de kromtestraal daarvan groter is dan de afstand tussen de doubletten), zal het transport plaatsvinden zoals het geval 10 is voor globaal vlakke oppervlakken.Nor is transportation limited to flat surfaces. As long as the surface curvature is small (the radius of curvature thereof is greater than the distance between the doubles), the transport will take place as is the case for globally flat surfaces.

Bij het kiezen van de frequentie van het aandrijvende ultrageluid is het het meest efficiënt om een resonantiefrequentie voor de volumemodus van de bel-oscillatie te gebruiken. Voor bellen van de eerder genoemde 15 grootte van 10-100 pm, correspondeert dit met 20-200 kHz ultrageluid. Aangezien putten van verschillende grootte in het substraat bellen van verschillende grootte vangen, kunnen verschillende transportelementen op hetzelfde substraat geactiveerd worden door het veranderen van de 2 0 aandri j f f requent i e.When choosing the frequency of the driving ultrasound, it is most efficient to use a resonance frequency for the volume mode of the bubble oscillation. For bubbles of the aforementioned magnitude of 10-100 µm, this corresponds to 20-200 kHz ultrasound. Since wells of different sizes in the substrate capture bubbles of different sizes, different transport elements can be activated on the same substrate by changing the requisite driver.

Stromingsaftakkingen kunnen op deze wijze gerealiseerd worden. Figuur 7 geeft een overzicht van een uitvoeringsvorm van een dubbele lijn van doubletten met verschillende helgrootte. Getoond is een bovenste lijn 22 en 25 een onderste lijn 23 van doubletten. De bovenste lijn 22 strekt zich gedeeltelijk (A) parallel met de onderste lijn uit, terwijl de baan van een ander deel (B) divergeert van de baan van de lagere lijn 23. Bij een eerste aandrijfgeluidfrequentie fx transporteert de bovenste lijn 22 30 van doubletten (in de getoonde uitvoeringsvorm omvat een doublet een relatief grote bel 24 en een uitsteeksel 26; andere uitvoeringsvormen van een doublet zijn echter eveneens denkbaar) een object P geleidt dit object in een bepaalde 1026321- 29 richting. Door schakeling naar een verschillende, tweede frequentie f2, resonant met de kleinere grootte van de bellen I 25 in de lagere lijn 21 van doubletten, neemt die lagere lijn ' ‘ ! 23 het transport over en verandert de transport richting. Op • i 5 deze wijze wordt een aftakking bij het transport van het object bereikt.Flow branches can be realized in this way. Figure 7 gives an overview of an embodiment of a double line of doubles with different hell sizes. Shown is an upper line 22 and 25 a lower line 23 of doubles. The upper line 22 extends partially (A) parallel to the lower line, while the trajectory of another part (B) diverges from the trajectory of the lower line 23. At a first driving sound frequency fx, the upper line 22 transports 30 of doubles (in the embodiment shown, a doublet comprises a relatively large bubble 24 and a protrusion 26; however, other embodiments of a doublet are also conceivable) an object P guides this object in a certain direction 1026321-29. By switching to a different, second frequency f2, resonant with the smaller size of the bubbles 25 in the lower line 21 of doubles, that lower line takes ""! 23 the transport and changes the transport direction. In this way a branch is achieved during transport of the object.

In een andere voorkeursuitvoeringsvorm, zoals is getoond in figuur 8, wordt de ringvormige structuur van figuur 7, die gasbelgebieden 32 van relatief kleine grootte 10 heeft (en derhalve luchtbellen van kleine grootte), gecombineerd met een andere ringvormige structuur die gasbelgebieden 30 van relatief grote afmetingen heeft (en derhalve gasbellen van relatief grote afmetingen) teneinde een dubbelringstructuur (R) te verschaffen. Tevens wordt een 15 lineair structuur (L) verschaft, waarbij de lineair structuur bij voorkeur gasbelgebieden 30 van gelijke afmetingen heeft. Wanneer een eerste specifieke geluidfrequentie toegepast wordt, worden getransporteerde deeltjes P langs de binnenring gestuurd en "opgeslagen" langs het gesloten cirkelvormige 20 pad, zoals besproken is in verband met figuur 6. Wanneer de frequentie veranderd wordt tot op de relevante aandrijffrequentie van de buitenste en lineaire structuur, neemt de buitenste ring het transport over en stuurt de deeltjes in de richting van de lineaire rij aan de rechter 25 zijde. Wegens de relatief grote afstand tussen opeenvolgende doubletten 30, 31 in vergelijking tot de afstand tussen buitenste ring doubletten 30', 31' en 301 ' en 31" boven en onder de lineaire structuur, zullen de deeltjes P afgeleid worden naar de lineaire structuur (L) en vervolgens door de 30 lineaire structuur (L) verder getransporteerd worden. De uitvoeringsvorm verschaft daarom een opslagring met uitleescapaciteit of, als equivalent, een invoermogelijkheid 1026321- 30 met een lineaire rij van doubletten die gericht zijn op en verbonden zijn met de buitenring.In another preferred embodiment, as shown in Figure 8, the annular structure of Figure 7, which has relatively small size gas bubble regions 32 (and therefore small sized air bubbles), is combined with another annular structure that has relatively large gas bubble areas 30 has dimensions (and therefore gas bubbles of relatively large dimensions) to provide a double ring structure (R). A linear structure (L) is also provided, wherein the linear structure preferably has gas bubble regions 30 of equal dimensions. When a first specific sound frequency is applied, transported particles P are sent along the inner ring and "stored" along the closed circular path, as discussed in connection with Fig. 6. When the frequency is changed to the relevant driving frequency of the outer and linear structure, the outer ring takes over the transport and directs the particles in the direction of the linear row on the right. Because of the relatively large distance between successive doubles 30, 31 as compared to the distance between outer ring doubles 30 ', 31' and 301 'and 31 "above and below the linear structure, the particles P will be derived to the linear structure (L ) and then be further transported through the linear structure (L). The embodiment therefore provides a reading ring with reading capacity or, as an equivalent, an input capability 1026321-30 with a linear row of doubles directed to and connected to the outer ring.

De afmetingen van de bellen kunnen gestuurd worden door andere middelen dan alleen de grootte van het belgebied, 5 bijvoorbeeld de grootte van de putten in het substraat. Temperatuurveranderingen leiden bijvoorbeeld tot veranderingen in de oplosbaarheid van gas in de vloeistof, hetgeen leidt tot diffusieve belgroei bij hogere temperaturen en verschrompeling bij lagere temperaturen. Door het 10 veranderen van de amplitude van het aandrijvende ultrageluid, kan dit diffusieve proces bovendien gemodificeerd worden door een proces dat bekend staat als gerectificeerde diffusie, zoals boven beschreven is. Bij een voldoende grote amplitude kan zelfs een diffusief verschrompelende bel gestabiliseerd 15 worden door de gasinflux die teweeg gebracht wordt door de bel-oscillaties. Op deze wijze wordt geverifieerd dat bellen van een veel kleinere grootte (1-2 μτη) gestabiliseerd kunnen worden en tevens voor stromingen (streaming flows) gebruikt kunnen worden, waardoor verkleining van de inrichtingen tot 20 een veel kleinere grootte mogelijk wordt gemaakt.The dimensions of the bubbles can be controlled by means other than just the size of the bubble area, for example the size of the wells in the substrate. For example, temperature changes lead to changes in the solubility of gas in the liquid, leading to diffusive bubble growth at higher temperatures and shrinking at lower temperatures. Moreover, by changing the amplitude of the driving ultrasound, this diffusive process can be modified by a process known as rectified diffusion, as described above. With a sufficiently large amplitude, even a diffusively shrinking bubble can be stabilized by the gas influx caused by the bubble oscillations. In this way it is verified that bubbles of a much smaller size (1-2 μτη) can be stabilized and can also be used for flows (streaming flows), whereby reduction of the devices to a much smaller size is made possible.

Teneinde de helgrootte en de tijden waarop de bellen actief zijn op nauwkeurige wijze te besturen worden verdere voorkeursuitvoeringsvormen beschreven. In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm kunnen gasbellen op verzoek op het 25 substraat geproduceerd worden door verdamping van de vloeistof, welke verdamping wordt teweeggebracht door microverwarmingseenheden die in het substraat zijn opgenomen. De dampbellen zijn transiënt van nature, hetgeen in bepaalde toepassingen voordelig kunnen zijn waarin transport en 30 actuatie slechts voor een korte tijdsperiode nodig is.In order to accurately control the slope size and the times at which the bubbles are active, further preferred embodiments are described. In a further preferred embodiment, gas bubbles can be produced on request on the substrate by evaporation of the liquid, which evaporation is triggered by micro-heating units included in the substrate. The vapor bubbles are transient in nature, which can be advantageous in certain applications where transport and actuation are only needed for a short period of time.

In een andere voorkeursuitvoeringsvorm kunnen de bellen tevens geproduceerd worden door elektrolyse van de vloeistof. Indien de vloeistof water is, bestaat de keuze \ 0 2 6 3 213 31 tussen waterstof- en zuurstofbellen, hetgeen hoofdzakelijk gemotiveerd zal worden door de lange levensduur van de gewenste bellen (zuurstofbellen zijn veel stabieler voor diffusie). Elektrolyse kan teweeggebracht worden door micro-5 elektrodes die ingebed zijn in het substraat zoals bijvoorbeeld is getoond in figuur 10. Figuur 10 is een dwarsdoorsnede van een elektrolyse-inrichting 50 van het nucleatiekemtype voor elektrolytisch gegenereerd gas. Figuur 10 toont een houdersubstraat 51, bijvoorbeeld vervaardigd van 10 silicium, waarop een isolerende laag 53 en een elektrode 54 (bij voorkeur vervaardigd van goud) neergeslagen zijn. In het substraat 51 is een holte 52 geëtst, waarbij de holte verbonden is met het binnenste van de houder via een opening die gemaakt is in de elektrode 54 en isolerende laag 53.In another preferred embodiment, the bubbles can also be produced by electrolysis of the liquid. If the liquid is water, there is a choice between hydrogen and oxygen bubbles, which will be mainly motivated by the long life of the desired bubbles (oxygen bubbles are much more stable for diffusion). Electrolysis can be triggered by micro-electrodes embedded in the substrate as shown, for example, in Figure 10. Figure 10 is a cross-sectional view of an electrolytic device 50 of the nucleation core type for electrolytically generated gas. Figure 10 shows a holder substrate 51, for example made of silicon, on which an insulating layer 53 and an electrode 54 (preferably made of gold) are deposited. A cavity 52 is etched into the substrate 51, the cavity being connected to the interior of the container through an opening made in the electrode 54 and insulating layer 53.

15 Stroombron 57 zal een elektrolysestroom verschaffen teneinde bellen op de werkelektrode 54 te genereren, terwijl een stroombron 56 gebruikt zal worden voor de generatie van een gasfasenucleatiekern op de bulkelektrode die gevormd wordt door het substraat 51. Referentienummer 58 verwijst naar een 20 tellerelektrode die vereist is om een gesloten elektrische schakeling te vormen, hetzij met stroombron 56 of met stroombron 57. Een verdere beschrijving van deze rangschikking is gegeven op pagina's 126-127 van het artikel "Dynamic surface tension measured with an integrated sensor-25 actuator using electrolytically generated gas bubbles" door W. Olthuis, A. Volanschi en P. Bergveld, Sens. ACt. B 49, 126 (1998), zoals hierin door verwijzing is opgenomen.Current source 57 will provide an electrolysis current to generate bubbles on the working electrode 54, while a current source 56 will be used to generate a gas phase nucleation core on the bulk electrode formed by the substrate 51. Reference number 58 refers to a counter electrode that is required to form a closed electrical circuit, either with power source 56 or with power source 57. A further description of this arrangement is given on pages 126-127 of the article "Dynamic surface tension measured with an integrated sensor-actuator using electrolytically generated gas bubbles "by W. Olthuis, A. Volanschi and P. Bergveld, Sens. ACt. B 49, 126 (1998), as incorporated herein by reference.

Kenmerkende afmetingen van de opening 45 zijn 2-10 pm. Soortgelijke structuren kunnen vervaardigd worden in glas of 30 in kunststoffen. Aangetoond is dat dergelijke elektrodes op betrouwbare wijze geschikte bellen op substraten produceren.Typical dimensions of the aperture 45 are 2-10 µm. Similar structures can be made in glass or in plastics. Such electrodes have been shown to reliably produce suitable bubbles on substrates.

Door het inbedden van de elektrodes in het substraat wordt de opwekking mogelijk gemaakt van elektrochemisch 1026321- 32 gegenereerde gasbellen van vooraf bepaalde grootte en op exact de juiste vooraf bepaalde posities. Door een geschikte ,, keuze van de posities van de elektrodes en door besturing van ‘ Γ i · i de activatie van de elektrodes, bijvoorbeeld door gebruik te .r ; 5 maken van een centrale besturingseenheid (niet getoond), en door activatie van de geselecteerde bellen door gebruik te maken van de juiste geluidfrequenties, kan elk gewenst stromingspatroon variërend in tijd in de inrichting teweeggebracht worden.By embedding the electrodes in the substrate, generation of electrochemically generated gas bubbles of predetermined size and at exactly the correct predetermined positions is made possible. By a suitable choice of the positions of the electrodes and by controlling the activation of the electrodes, for example by using .r; 5 making a central control unit (not shown), and by activating the selected bubbles using the appropriate sound frequencies, any desired flow pattern varying in time can be triggered in the device.

10 Ten slotte kunnen in een nog verdere uitvoeringsvorm de gasbellen eenvoudigweg voortgebracht worden door inbrengen van een gas via een mondstuk, een mondstukrij, of een poreus of geperforeerd membraan. Figuur 12 is een schematische dwarsdoorsnede van een houdersubstraat 7 waarin een mondstuk 15 62 is gerangschikt. Het mondstuk wordt gevoed met gas via een leiding 60 en een gasleveringsbron 61. Ook in dit geval kunnen de mondstukken bestuurd worden door een besturingseenheid (niet getoond) voor het creëren van een willekeurig stromingspatroon in de houder. In geval van 20 elektrolytische of thermische belopwekking zou een enkele spanningslevering met een door een computer gestuurde uitvoer voldoende zijn, zou het mondstuksysteem een pneumatisch verdeelstuk zoals vaak gebruikt wordt in gassystemen voor chemische reactoren etc. vereisen. Geschikte 25 besturingssystemen zijn eenvoudig beschikbaar, zoals duidelijk zal zijn aan de vakman in het betreffende vakgebied. Daarom wordt hier een verdere beschrijving van besturingssystemen weggelaten.Finally, in a still further embodiment, the gas bubbles can simply be generated by introducing a gas through a nozzle, a nozzle row, or a porous or perforated membrane. Fig. 12 is a schematic cross-sectional view of a container substrate 7 in which a nozzle 62 is arranged. The nozzle is fed with gas via a conduit 60 and a gas supply source 61. Also in this case, the nozzles can be controlled by a control unit (not shown) for creating a random flow pattern in the container. In the case of electrolytic or thermal bubble generation, a single voltage supply with a computer-controlled output would suffice, the nozzle system would require a pneumatic manifold such as is often used in gas systems for chemical reactors, etc. Suitable control systems are readily available, as will be apparent to those skilled in the art. Therefore, a further description of operating systems is omitted here.

Opgemerkt wordt dat een container zoals hierin 30 genoemd is tevens rangschikkingen (kanalen) omvat zonder een bovenwand. In plaats van stromingselementen, zoals de bobbels en belvasthouders die gerangschikt zijn op de boven en 1026321- 33 onderwand van een container, kunnen zij tevens gerangschikt zijn aan beide zijwanden van de container.It is noted that a container as mentioned herein is also comprised of arrangements (channels) without an upper wall. Instead of flow elements, such as the bumps and bubble retainers arranged on the top and bottom walls of a container, they can also be arranged on both side walls of the container.

De meest ongecompliceerde toepassing van de werkwijze en de inrichting volgens de uitvinding is transport van 5 vloeistof. In een lab-on-a-chip of reactieve chemie MEMS toepassingen, microkoeling, dosering, e.d. kunnen relatief grote hoeveelheden vloeistof snel en efficiënter door gebruik te maken van belstroming getransporteerd worden.The most uncomplicated application of the method and the device according to the invention is transport of liquid. In a lab-on-a-chip or reactive chemistry MEMS applications, micro-cooling, dosing, and the like, relatively large quantities of liquid can be transported quickly and efficiently by using bubble flow.

In andere toepassingen van de werkwijze en inrichting 10 volgens de uitvinding wordt de vloeistof gebruikt voor deeltjestransport. Vele MEMS toepassingen vereisen het transport van gesuspendeerde deeltjes teneinde deze te leveren op specifieke posities op een substraat. Deze deeltjes kunnen vaste katalysatordeeltjes, proteïnen, 15 proteïne kristallieten, "quantum dots" in "lab-in-a-chip" toepassingen, "tracer" korrels (tracer beads) in microstromingstudies, biologische cellen in cytometrietoepassingen of vectoren voor medicijnlevering zoals liposomen, andere suspensies zoals verven, 20 bodemmonsters, etc. zijn die getransporteerd en gesorteerd moeten worden voor identificatie. Zo lang als opwaartse krachten (buoyancy forces) op de deeltjes kleiner zijn vergeleken met de hydrodynamische krachten, zijn de stroomlijnen van de stroming (streaming flow) goede 25 benaderingen van de deelt j es transportbanen.In other applications of the method and device 10 according to the invention, the liquid is used for particle transport. Many MEMS applications require the transport of suspended particles in order to deliver them at specific positions on a substrate. These particles can be solid catalyst particles, proteins, protein crystallites, "quantum dots" in "lab-in-a-chip" applications, "tracer" beads in micro-flow studies, biological cells in cytometry applications or vectors for drug delivery such as liposomes, other suspensions such as paints, soil samples, etc. are to be transported and sorted for identification. As long as buoyancy forces on the particles are smaller compared to the hydrodynamic forces, the streamlines of the flow (streaming flow) are good approximations of the partial transport paths.

In andere toepassingen voorziet de uitvinding in gecombineerd deeltjestransport en sortering. Met dubbele lijnen van doubletten, bijvoorbeeld zoals afgebeeld is in figuren 7 en 8, kunnen getransporteerde deeltjes gesorteerd 30 worden indien een onafhankelijk criterium (zoals fluorescentie markering (tagging)) gebruikt wordt om de schakelaar tussen twee ultrageluidfrequenties om te schakelen, waardoor verschillende objecten langs 1026321 - 34 verschillende paden getransporteerd worden. Deze toepassing is in het bijzonder bruikbaar in cytometrie en celsortering, waarin grote aantallen cellen gesorteerd worden in een zo ti, kort mogelijke periode. De grote transportsnelheid van i ' 5 belmicrostreaming en de mogelijkheid om grote vloeistofvolumina aan te drijven zorgen er in combinatie voor dat zeer grote celverwerkingssnelheden mogelijk zijn.In other applications, the invention provides for combined particle transport and sorting. With double lines of doubles, for example as shown in figures 7 and 8, transported particles can be sorted if an independent criterion (such as fluorescence marking (tagging)) is used to switch the switch between two ultrasound frequencies, whereby different objects pass by 1026321 - 34 different paths can be transported. This application is particularly useful in cytometry and cell sorting, in which large numbers of cells are sorted in as short a time as possible. The high transport rate of bubble microstreaming and the ability to drive large volumes of liquid in combination ensure that very high cell processing speeds are possible.

In andere toepassingen worden de werkwijze en inrichting gebruikt voor deeltjesqpslag. De in figuren 6 10 en/of 8 getoonde structuren zijn ontworpen om deeltjes in een gewenst gebied op het substraat vast te houden door deze langs de omtrek van· een ring van doubletten te transporteren. Wanneer sprake is van dubbele lijnen, kunnen de 'Opgeslagen" deeltjes "uitgelezen" worden door een verandering in de 15 frequentie, zoals eerder besproken is.In other applications, the method and device are used for particle storage. The structures shown in Figs. 6 and / or 8 are designed to retain particles in a desired area on the substrate by transporting them along the circumference of a ring of doubles. When there are double lines, the "Stored" particles can be "read out" by a change in the frequency, as previously discussed.

In een andere voorkeursuitvoeringsvorm van dit aspect van de onderhavige uitvinding worden gigantische unilamellaire lipide blaasjes (GUV's) van 10-100pm diameter, gemaakt van fosfolipiden, getransporteerd in een richting 20 zoals bijvoorbeeld is getoond in figuur 16. De op het blaasje of de cel uitgeoefende krachten variëren langs de baan, en worden maximaal wanneer het getransporteerde object hetzij de bel of de Vaste grens van een doublet dicht nadert. Op deze posities wordt het lipidemembraan voldoende uitgestrekt om te 25 breken en wordt het blaasje of de cel geopend. Het geopende object wordt vervolgens verder getransporteerd naar het gebied tussen doubletten, waarin de schuifkrachten veel kleiner zijn. Het object wordt daarom opnieuw verzegeld aangezien lipidemembranen zelf sluiten wanneer de spanning 30 afneemt. In de tussenliggende tijd kan uitwisseling tussen het binnenste en het buitenste plaatsvinden. De werkwijze zou het beste werken voor cellen of blaasjes van een grootte die vergelijkbaar is met die van de bel. Wanneer kenmerkende 1 02 63 21 - 35 celgroottes tussen enige micrometers en ongeveer honderd micrometers is, zijn de hierin beschreven inrichtingen zeer i geschikt voor deze taak. Figuur 16 licht het bovengenoemde 1 ' ! mechanisme toe. De figuur toont de eerder in verband met , i . i 5 figuur 2 beschreven houder (zij het dat de onderhavige houder voorzien is van bestuurbare belvasthouders, bijvoorbeeld mondstukken voor gasinjectie of elektrodes voor elektrolyse, en met een besturingseenheid 12), waarin een intacte blaas V een doublet benadert, hier getoond als een bel en een 10 uitsteeksel op het substraat (andere uitvoeringsvormen zijn eveneens mogelijk) . De krachten bij benadering van de bel en het uitsteeksel zijn groot genoeg om de opening te maken in het lipidemembraan 61 teneinde een blaasje Vgescheurd met een verscheurd membraan 61 te verschaffen. Tussen dit doublet en 15 het volgende doublet zijn de krachten klein en sluit het membraan opnieuw teneinde een opnieuw gesloten blaasje te verschaffen. Simultaan transport en membraandoorboring worden aldus tot stand gebracht.In another preferred embodiment of this aspect of the present invention, giant unilamellar lipid vesicles (GUVs) of 10-100 µm diameter made of phospholipids are transported in a direction as shown, for example, in Figure 16. The exerted on the vesicle or cell forces vary along the trajectory, and become maximal when the transported object is close to either the bubble or the fixed boundary of a doublet. At these positions, the lipid membrane is sufficiently extended to break and the vesicle or cell is opened. The opened object is then further transported to the area between doubles, in which the shear forces are much smaller. The object is therefore re-sealed since lipid membranes themselves close when the voltage 30 decreases. In the meantime, exchange between the inner and the outer can take place. The method would work best for cells or vesicles of a size comparable to that of the bubble. When typical cell sizes are between a few micrometers and about a hundred micrometers, the devices described herein are very suitable for this task. Figure 16 illustrates the above 1 '! mechanism. The figure shows the previously associated with, i. The holder described in Figure 2 (although the present holder is provided with controllable bubble retainers, for example nozzles for gas injection or electrodes for electrolysis, and with a control unit 12), in which an intact bladder V approaches a doublet, shown here as a bubble and a protrusion on the substrate (other embodiments are also possible). The approximate forces of the bubble and the protrusion are large enough to make the opening in the lipid membrane 61 to provide a vesicle V-ruptured with a ruptured membrane 61. Between this doublet and the next doublet, the forces are small and the membrane closes again to provide a re-closed vesicle. Simultaneous transport and membrane penetration are thus achieved.

Zoals eerder genoemd is omvat de in figuur 16 20 getoonde uitvoeringsvorm bestuurbare belvasthouders 1-1'' en een besturingseenheid 12 die verbonden is met de individuele belvasthouders 1-1'1 en met de akoestische transducent 6. De besturingseenheid kan willekeurige elektronische componenten zoals een geheugen 62, een verwerkingseenheid 63, etc.As previously mentioned, the embodiment shown in Fig. 16 comprises controllable bell retainers 1-1 '' and a control unit 12 connected to the individual bell retainers 1-1'1 and to the acoustic transducer 6. The control unit can be any electronic components such as a memory 62, a processing unit 63, etc.

25 omvatten die nodig zijn voor besturing van de amplitude en/of frequentie van de transducent 6 en de grootte en/of positie van de stroomelementen 8, zoals duidelijk zal zijn voor de vakman in het betreffende vakgebied.25 which are necessary for controlling the amplitude and / or frequency of the transducer 6 and the size and / or position of the current elements 8, as will be clear to the person skilled in the art.

De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot de 30 hierboven beschreven voorkeursuitvoeringsvormen daarvan; de gevraagde rechten worden gedefinieerd door de volgende conclusies, binnen de strekking waarvan velerlei modificaties denkbaar zijn.The present invention is not limited to the preferred embodiments thereof described above; the requested rights are defined by the following claims, within the scope of which many modifications can be envisaged.

1026321-1026321-

Claims

Device for causing directional transport of a fluid in a container, comprising: - a container for holding a fluid; - maintaining a gas bubble retainer for holding a gas bubble in the liquid in a gas bubble area; an ultrasound transducer for triggering periodic ultrasound oscillations in the fluid to cause periodic shape oscillations of the gas bubble; - one or more passive flow elements in the vicinity of the gas bubble area, the flow element in use producing directional fluid flow from the gas bubble in the direction of and beyond the passive flow element.

Device as claimed in claim 1, wherein a flow element comprises a protrusion from the holder surface.

3. Device as claimed in claim 1 or 2, wherein the flow element comprises an edge of an indentation in the holder surface.

The device of claim 3, wherein the indentation has a non-circular shape.

5. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the flow element is a stationary solid particle, which is fixed at a predetermined position in the holder.

Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the flow element is a mobile solid particle that can float in the liquid.

7. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein a number of flow elements are assigned to the one gas bubble retainer in order to enhance the directional flow of the liquid.

8. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the holder is a container or a channel with a first wall and a second wall opposite the first wall, in which a flow element is arranged on the first wall and a bubble area is arranged on the second wall.

9. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the holder is a container or channel with a first wall and a second wall opposite the first wall, in which at least one set of a bubble area and one or more associated flow elements is arranged on the first wall and at least one set of a bubble area and one or more associated flow elements is arranged on the second wall.

Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the distance between the gas bubble and the flow element is approximately 50-150 µm.

11. Device for causing directional transport of liquid in a holder, comprising: - a holder for holding a liquid; - a gas bubble holder for holding a gas bubble in a gas bubble area of the holder; 25. an ultrasound transducer for triggering periodic ultrasound oscillations in the fluid to cause periodic shape oscillations of the gas bubble; - wherein the gas bubble region is inclined with respect to the environment to arrange the bubble in an inclined position, the slope in use in directional fluid flows essentially in the direction away from the gas stream? 1 - higher part to the lower part of the calling area.

12. Device according to one of the preceding • r 1 1! claims, which is designed to transport one or more particles including solid particles, deformable particles and / or liquid particles, such as liquid drops, together with the liquid flow.

Device as claimed in any of the foregoing claims, comprising a number of aligned bubble areas 10 to provide a fluid flow along a straight path.

14. Device as claimed in any of the claims 1-13, comprising a number of slightly non-aligned bubble areas in order to provide a fluid flow along a curved path.

The device of any preceding claim, wherein the container has a curved surface portion to provide a fluid flow along a curved path.

Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the gas bubble holder comprises a well in the surface of the holder, in which a sitting gas bubble could be held.

17. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the gas bubble retainer comprises a spot (patch) with specific surface energy properties so that a sitting gas bubble can be held on the spot.

18. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the gas bubble retainer comprises one or more heating elements arranged on the respective gas bubble areas for generating gas bubbles by evaporating the liquid in the container. 1 02 63 2 1 · -

Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the gas bubble retainer has one or more electrodes! comprises those arranged in the respective gas bubble regions whereby the liquid in the container is electrolyzed.

The device of claim 19, wherein the gas bubble retainer comprises a nucleation core type electrolysis device.

21. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the gas bubble retainer comprises one or more nozzles arranged in the holder to generate one or more gas bubbles by introducing gas via said nozzles.

22. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the gas bubble retainer comprises a porous or perforated membrane in order to generate one or more gas bubbles by introducing gas via said membrane.

23. Device as claimed in any of the foregoing claims 18-22, comprising a control unit for controlling the gas bubble holder in order to vary the bubble size.

24. Device as claimed in claim 23, wherein the control unit comprises electronic circuits for selectively applying an electrical signal to the gas bubble holders in order to generate bubbles of selected size.

25. Device as claimed in claim 23 or 24, wherein the control unit is operatively connected to the sound transducer (s) in order to control the frequency and amplitude of the driving ultrasound.

Device as claimed in any of the claims 23-25, wherein the control unit comprises a memory for pre-programming the transport patterns of the liquid and / or particles.

Device as claimed in any of the foregoing claims, comprising a flow element whose shape and / or the position can be adjusted in order to modify the strength and / or the direction of the flow.

Device as claimed in any of the foregoing claims, comprising an indication whose size and / or position can be changed in order to change the hell size and position.

Device according to any of the preceding claims, wherein the ultrasound transducer generates sound waves in the fluid with a driving sound frequency between 20 kHz and 200 kHz.

30. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the gas bubble retainers are designed to hold bubbles of the size of approximately 1-2 µm and the ultrasound transducer is designed to oscillate the gas bubbles with such an amplitude that rectified diffusion is caused, thereby stabilizing the gas content of the bubbles at 1-2 µm and resulting in reduction of the device of the preceding claims.

31. Device as claimed in any of the foregoing claims, comprising one or more first gas bubble retainers for holding gas bubbles of the first size, one or more second gas bubble holders for holding gas bubbles of the second size, different from the first size, and a ultrasound transducer designed to drive the first-size gas bubbles with a first frequency (fx) and the second-size gas bubbles with the second frequency (f2) different from the first frequency (fj). 63? 1 -

Device as claimed in claim 31, comprising: - a first number of first gas bubble retainers which extend along a first path; - a second number of second gas bubble retainers which 1. extend along a second path; - a transducer for generating ultrasound in the fluid of either the first or the second driving sound frequency to transport the fluid along a selected path.

The device of claim 32, wherein the first and second webs partially coincide and partially diverge to provide a liquid junction.

Device as claimed in any of the foregoing claims, comprising a number of gas bubble retainers that are arranged along a substantially loop-shaped path, preferably a substantially circular path, for providing a particle storage within the loop-shaped path.

Device as claimed in any of the foregoing claims, comprising: - a number of first gas bubble holders arranged along a substantially loop-shaped path and which can be driven with a first predetermined sound frequency (fx) for providing a particle storage within the looped web; - a number of second gas bubble retainers arranged along a second substantially loop-shaped path around the first path; and - a number of second gas bubble holders arranged along a third track connected to the second track, the second gas bubble holders being designed to be driven with the second predetermined sound frequency (f2) for discharging the particles from the particle storage point.

An apparatus according to any one of the preceding claims, comprising: 5. a number of first gas bubble retainers arranged along a substantially loop-shaped track and which can be driven with the first predetermined sound frequency (fj) for providing particle storage within the loop-shaped track ; 10. a plurality of second gas bubble retainers arranged along a second substantially looped web around the first web; and - a number of second gas bubble holders arranged along a third track connected to the second track, the second gas bubble holders being designed to be driven with the second predetermined sound frequency (f2) for loading particles into the particle storage.

37. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the shape oscillations of the gas bubble entail changes in the volume of the gas bubble.

The device of claim 2, wherein a protrusion has a cylindrical or pyramid shape.

An apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the distance between successive gas bubble regions is approximately 0.1-5 mm, preferably approximately 0.5-1 mm.

40. Method for effecting directional transport of fluid in a container, comprising: - providing a container with fluid; - providing a gas bubble in the liquid in a gas bubble area of the container; - triggering periodic ultrasound oscillations in fluid to cause periodic shape oscillations of the gas bubble; - providing one or more passive flow elements in the vicinity of the gas bubble region, the passive flow element in use causing a directional liquid flow from the gas bubble in the direction of and beyond the passive flow element.

The method of claim 40, wherein the step of providing one or more flow elements comprises providing one or more protrusions from the container surface.

A method according to claim 40 or 41, wherein the step of providing one or more flow elements comprises providing the edge of an indentation in the container surface.

43. Method for effecting directional transport of fluid in a container, comprising: - providing a container with fluid; 20. providing a gas bubble on a gas bubble area of the container, the area being inclined with respect to the environment to arrange the bubble in an inclined position; - coupling periodic ultrasound oscillations into the liquid, in order to cause periodic shape oscillations of the gas bubble, whereby a directional liquid flow is triggered substantially in the direction from the higher part to the lower part of the bubble region.

A method according to any of claims 40-43, wherein a device according to any of claims 1-35 is used. 1026321-

The method of any one of claims 40 to 44, wherein the oscillation amplitude is less than the bubble radius, preferably, less than 0.1 times the bubble radius, or, more preferably, 1 1 ', less than 0.05 times the bubble radius. i; 5

The method of any one of claims 40 to 45, wherein the gas bubble drive oscillating fluid pressure is less than 0.05 bar. v 1 02632 1 -