WO2002038262A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von mikrokonvektionen - Google Patents

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WO2002038262A1
WO2002038262A1 PCT/EP2001/012995 EP0112995W WO0238262A1 WO 2002038262 A1 WO2002038262 A1 WO 2002038262A1 EP 0112995 W EP0112995 W EP 0112995W WO 0238262 A1 WO0238262 A1 WO 0238262A1
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compartment
microsystem
liquid
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Thomas Schnelle
Torsten Müller
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Definitions

  • the invention relates to a method for generating a convective fluid movement in a fluidic microsystem, in particular a method for mixing or swirling solutions or particle suspensions in a fluidic microsystem with simultaneous formation of electrical and thermal field gradients, and a fluidic microsystem for implementing the method is set up.
  • Fluidic microsystems have numerous applications in biochemistry, medicine and biology, in particular for the analysis and manipulation of dissolved substances or suspended particles.
  • the miniaturization and massive parallelization of the processes taking place in microsystems (or: microchips) result in particular advantages for the analysis and synthesis of biological macromolecules present in a high combinatorial variety (see GHW Sanders et al. In Trends in Analytical Chemistry ", volume 19/6, 2000, page 364 ff; W. Ehrfeld in "Topics in Current Chemistry", publisher A. Manz et al., Volume 194, Springer-Verlag, 1998, page 233 ff.
  • Applications of fluidic microsystems arise in particular in basic research, eg for DNA or protein analysis, or also in active substance research (combinatorial chemistry).
  • a general problem of fluidic microsystems is that due to the small dimensions of the compartments formed in the microchips (e.g. channels, reservoirs, etc.) in the submilli- hydrodynamic liquid flows have small Reynolds numbers. Liquids pass through fluidic microsystems as laminar flows. If liquids were to be mixed in the microsystem, this would only be based on diffusion in the case of adjacent laminar flows. Despite the small dimensions of the microsystem, the diffusion of biological macromolecules, for example, would take place relatively slowly and the throughput of the microsystem would be severely limited.
  • FIG. 4 schematically illustrates a conventional system for convective liquid movement, as is known for example from WO 00/37165.
  • a compartment 10 'of a fluidic microsystem 100 "is flowed through, for example, by a particle suspension (arrow direction A).
  • the fluid is to be swirled.
  • an electrode arrangement 20 ' is provided on the bottom 11' which is used to generate an electrical field gradient to the direction of flow A.
  • the liquid in the compartment 10 ' is heated.
  • a thermal gradient is formed by the heating.
  • WO 00/37165 proposes that: h a transparent cover surface 13 'to focus a laser beam (arrow direction B) into the liquid.
  • the liquid heats up locally, so that the desired thermal gradient is formed.
  • the focus 40 ' is generated in the liquid at a distance from the bottom and the side surfaces (see double arrows).
  • the generation of convective fluid movement illustrated in FIG. 4 has several disadvantages.
  • the generation of the local len heating of the liquid requires a suitable radiation absorption in the liquid.
  • Another disadvantage is that suspended particles may need to be manipulated or optically detected in the microsystem using lasers (optical traps). The different irradiations can interfere with each other.
  • the reproducibility of the field and radiation-induced convection is restricted, since the focus for generating the local heating in the liquid can only be positioned with limited reproducibility.
  • the object of the invention is to provide an improved method for generating a convective liquid movement in a fluidic microsystem, with which the disadvantages of conventional techniques for mixing or swirling liquids are overcome.
  • the method should have an expanded usability such that the convective liquid movement takes place independently of the absorption behavior or other properties of the liquid in the microsystem and can be adjusted with high reproducibility.
  • the object of the invention is also to provide an improved microsystem for implementing this method.
  • the basic idea of the invention is to further develop the conventional technique for convective liquid movement by simultaneously applying electrical and thermal gradients.
  • time-varying electric fields and at least one thermal gradient are generated by irradiation of fixed radiation absorbers, which are arranged in the compartment.
  • the provision of the radiation absorbers in the microsystem has the advantage that with external radiation local heating takes place and a defined thermal gradient is generated with reproducible geometric properties and without disturbing other optical measurements or manipulations in the microsystem, regardless of the properties of the liquid.
  • local heating in the microsystem is carried out by irradiation of radiation absorbers.
  • the heating is generated with an irradiation source, from which energy is directed (focused) and transmitted to the radiation absorber without contact. There is no direct mechanical contact between the radiation absorbers and the source of the radiation field.
  • the radiation source and radiation absorber are rather spaced apart.
  • the radiation absorbers are heated, for example, by focusing at least one laser beam on radiation absorbers or by targeted heating using high-frequency radiation (microwave radiation).
  • the method for convective liquid movement is designed for the use of radiation absorbers which absorb infrared rays.
  • the radiation absorbers are preferably provided on wall surfaces of the compartment or on electrodes in the compartment. It is particularly advantageous to design the at least one electrode or electrode parts (e.g. partial layers, surface structures) as radiation absorbers. This enables direct heating of the electrodes.
  • the thermal gradient is automatically generated in the same fluid range as the electrical gradient.
  • the frequency of the time-varying electrical fields is selected depending on the application. It preferably corresponds to the mean inverse dielectric relaxation time of the liquid and is, for example, at least 1 kHz for aqueous solutions or 1 Hz or less for oily liquids.
  • the invention also relates to a microsystem with at least one compartment, which is set up to implement the convective liquid movement according to the invention and, in particular, has at least one fixed radiation absorber for this purpose.
  • a microsystem with at least one external radiation source is preferably provided, with which the at least one fixed radiation absorber is locally heated. This combination has the particular advantage of a compact and versatile structure.
  • the microsystem according to the invention has the advantage of a simplified structure. At any location in the fluidic microsystem, compartments with radiation absorbers for convective liquid movement can be provided by correspondingly positioning the electrodes to generate the electrical fields and the radiation absorbers.
  • 1 a schematic perspective view of a compartment of a fluidic microsystem, which is set up to implement the method according to the invention
  • 2 a schematic top view of an embodiment of a microsystem according to the invention
  • Fig. 3 a schematic plan view of another
  • FIG. 4 shows a schematic perspective view of a conventional microsystem which is set up for convective liquid movement (prior art).
  • FIG. 1 The basic idea of the invention is first explained with reference to FIG. 1, in which various implementations of radiation absorbers are illustrated. However, the implementation of the invention is not limited to the simultaneous implementation of the different variants. Rather, in practice, depending on the application, one or more of the radiation absorbers shown in FIG. 1 can be provided in a microsystem.
  • the compartment 10 represents any section of the microsystem 100 and is formed, for example, by a channel, a reservoir, a confluence, a branch or another structure in the microsystem.
  • the compartment 10 is flowed through, for example, by a particle suspension in the direction of the arrow A and comprises at least one bottom 11 and side surfaces 12.
  • the compartment 10 can be open or closed by a cover surface 13.
  • the cross-sectional dimensions of the compartment 10 are typically in the submillimeter range. Further details of the fluidic microsystem 100, in particular its function, its manufacture and its construction, are known per se and are therefore not explained in detail here.
  • an electrode arrangement 20 is provided in the compartment 10 for forming an electric field that changes over time.
  • the electrode arrangement 20 comprises at least one free, but preferably at least two electrodes 21, 22 which are arranged on one or more walls of the compartment 10.
  • two strip-shaped electrodes 21, 22 on the base 11 are illustrated by way of example.
  • Connection lines for connection to a voltage source are provided in a manner known per se.
  • Radiation absorbers 30 are also arranged in the compartment 10.
  • a radiation absorber is a radiation-absorbing area which is formed in the compartment with a defined spatial limitation. This can be done by introducing and structuring radiation-absorbing materials in the compartment 10 and / or focusing an external radiation field (arrow direction B) onto solid components of the compartment 10 (e.g. electrodes, walls). This means that radiation absorbers can optionally be formed by wall areas or non-conductive extensions of the electrodes.
  • absorber surfaces 31 on the various walls of the compartment 10 bottom 11, side surfaces 12, top surface 13 are provided as radiation absorbers.
  • the absorber surfaces 31 consist of a suitably selected material which has the highest possible absorption for the external radiation field.
  • the size of the radiation absorbers is adapted to the dimension of the compartment 10 and, if appropriate, the shape of the outer radiation field (in particular focusability) and is preferably chosen to be at least half the wavelength of the radiation used.
  • the size is, for example, in the range from 0.5 to 25 ⁇ m.
  • radiation absorbers are formed by at least one electrode as a whole (reference numeral 32) or a radiation-absorbing surface structure 33 on at least one electrode (see electrode 21). If infrared light is used as the external radiation field, the electrodes 21, 22 are preferably made of a "black" material in the infrared spectral range, such as, for. As titanium, tantalum or platinum.
  • Multi-layer electrodes can also be used, e.g. B. consist of titanium / platinum or chrome / gold.
  • electrodes made of a conductive, transparent material eg ITO, conductive polymers
  • absorbent areas are applied in a completely covering or structured manner (as illustrated for electrode 21).
  • Whirling or mixing takes place in the compartment 10 according to mechanisms such as. T. are known from the conventional convective fluid movement.
  • the formation of electrical fields in inhomogeneous media induces voltages, under the effect of which liquid movements occur.
  • field strength gradients in the kV to MV range are realized, under whose effect micro vortices are generated.
  • the local thermal gradient is formed. Local heating of the radiation absorbers increases their temperature.
  • a temperature field with a gradient forms in the liquid.
  • the electrodes 21, 22 are directly heated with infrared radiation, e.g. B. with an infrared laser.
  • the particular advantage of this embodiment is that the areas of the highest field strength are defined and thus become dielectric inhomogeneous, which leads to a particularly effective swirling.
  • the radiation absorbers arranged according to the invention further enable the vertebrae to be restricted locally and the inertia of the system is particularly low ( ⁇ 0.1 s) due to the small volumes to be heated.
  • Another advantage results in fluidic microsystems that are set up for the electrophoretic manipulation of suspended particles.
  • the electrode arrangement 20 can be used at the same time for the formation of the time-varying electric field and for the dielectrophoretic manipulation of the particles (for example of biological cells) (see FIG. 3).
  • the radiation field is coupled in from the outside through at least one transparent wall of the compartment 10 or through an optical fiber.
  • the radiation field is preferably coupled in in a direction (B) which deviates from the direction of flow (A) in the compartment.
  • the top surface 13 or the base 11 is made of a transparent material (e.g. plastic, glass or the like).
  • the compartment 10 can be irradiated with an expanded or a focused beam.
  • Single-focus or multi-focus lasers can be used.
  • several radiation absorbers can be heated at the same time.
  • a certain vortex pattern results in the compartment 10.
  • at least one focus see, for example, reference numeral 40
  • the irradiation is preferably carried out perpendicular to the bottom, top or side surfaces of the compartment.
  • the wall on which one or more radiation absorbers, such as. B. the electrodes are made of a transparent material.
  • the electrodes are made of an infrared-absorbing material or multilayer electrodes with infrared-absorbing material arranged on the bottom are arranged on a transparent base 11.
  • the method according to the invention is implemented in that the outer radiation field is focused on the wall of the compartment.
  • the focus is preferably directly adjacent to the electrodes, e.g. B. on the floor 11 or the top surface 13.
  • the external radiation field can also be formed by high-frequency electromagnetic radiation, which brings about inductive heating of the electrode arrangement 20.
  • Heating (thermal radiation) of the electrode arrangement can also be provided by heating elements sunk in the wall (for example the floor 11) of the compartment 10.
  • the electrode arrangement 20 comprises two electrodes 21, 22, shown in dashed lines, which are attached to the bottom 12 of the compartment 10. are arranged, and two solid electrodes 23, 24, which are arranged opposite the bottom electrodes on the (not shown) top surface of the compartment 10.
  • the irradiation of the compartment 10 takes place perpendicular to the plane of the drawing from the viewing direction of the viewer.
  • the bottom 11 forms the side facing away from the radiation.
  • the top surface is the side of the compartment 10 facing the radiation.
  • the electrodes 21-24 are connected to an external AC voltage source. An alternating electric field is generated between the electrodes.
  • the external radiation heats up individual or all electrodes. For example, it can be provided that only the upper electrodes facing the radiation are heated.
  • the electrodes provided on the bottom and top surfaces are designed differently, so that they are not congruent when projected from the direction of irradiation. This enables either only the lower or only the upper electrodes on the bottom or the top surface of the compartment to be irradiated.
  • the asymmetry of the electrodes is illustrated in Fig. 2.
  • the lower electrodes 21, 22 have a greater length, so that they protrude beyond the projection of the upper electrodes 23, 24. When the external radiation is focused on the ends of the lower electrodes 21, 22 (reference numeral 40), only the lower electrodes are heated.
  • FIG. 3 illustrates another exemplary embodiment of the invention in a schematic plan view, in which the microsystem 100 likewise has two channels 15, 16 converging on the compartment 10.
  • the electrode arrangement 20 is formed by an electrode octopole.
  • Four electrodes 21-24 are located on the bottom 11 of the compartment 10.
  • the remaining four electrodes 25-28 are arranged on the top surface (not shown).
  • the electrode octopus forms a field cage in which a particle (for example a biological cell) can be kept suspended in a manner known per se.
  • the task of the arrangement illustrated in FIG. 3 is to treat the particle 50 simultaneously with the liquids flowing in from the channels 15 and 16.
  • the electrode arrangement 20 is used simultaneously to form the dielectric field cage and to generate the alternating electrical fields for the convective liquid movement. Since, analogously to the illustration in FIG. 2, the lower and upper electrodes are not congruent in the irradiation direction, the lower electrodes can be irradiated in a focused manner at the points 40 and thus heated. The inflowing liquids are swirled locally in the area of the field cage.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbewegung in einem fluidischen Mikrosystem (100) beschrieben, bei dem eine Flüssigkeit im Mikrosystem gleichzeitig einem elektrischen Feld und einem thermischen Gradienten ausgesetzt wird, wobei zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Elektrodenanordnung (20) mit einer sich zeitlich verändernden Spannung beaufschlagt wird, so dass sich im Flüssigkeitsbereich ein zeitlich veränderliches, elektrisches Feld bildet, und zur Erzeugung des thermischen Gradienten mindestens ein Strahlungsabsorber (30-32), der im Kompartiment (10) angeordnet ist, mit mindestens einem äußeren Strahlungsfeld bestrahlt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrokonvektionen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer konvek- tiven Flüssigkeitsbewegung in einem fluidischen Mikrosystem, insbesondere ein Verfahren zum Vermischen oder Verwirbeln von Lösungen oder Partikelsuspensionen in einem fluidischen Mikrosystem unter gleichzeitiger Ausbildung elektrischer und thermischer Feldgradienten, und ein fluidisches Mikrosystem, das zur Umsetzung des Verfahrens eingerichtet ist.
Fluidische Mikrosysteme besitzen zahlreiche Anwendungen in der Biochemie, Medizin und Biologie, insbesondere zur Analyse und Manipulierung von gelösten Substanzen oder suspendierten Partikeln. Durch die Miniaturisierung und massive Parallelisierung der in Mikrosystemen (oder: Mikrochips) ablaufenden Prozesse ergeben sich besondere Vorteile für die Analyse und Synthese von in hoher kombinatorischer Vielfalt vorliegenden biologischen Makromolekülen (siehe G. H. W. Sanders et al. in Trends in Ana- lytical Chemistry", Band 19/6, 2000, Seite 364 ff; W. Ehrfeld in "Topics in Current Chemistry", Herausgeber A. Manz et al . , Band 194, Springer-Verlag, 1998, Seite 233 ff) . Anwendungen der fluidischen Mikrosysteme ergeben sich insbesondere in der Grundlagenforschung, z. B. zur DNA- oder Proteinanalyse, oder auch in der Wir stoffforschung (kombinatorische Chemie) . Weitere Anwendungen ergeben sich bei der Analyse und Manipulierung einzelner biologischer Zellen oder Zellgruppen (siehe G. Fuhr et al. in "Topics in Current Chemistry", Herausgeber A. Manz et al . , Band 194, Springer-Verlag, 1998, Seite 83 ff) .
Ein generelles Problem fluidischer Mikrosysteme besteht darin, dass durch die geringen Dimensionen der in den Mikrochips gebildeten Kompartimente (z. B. Kanäle, Reservoire usw.) im Submilli- meterbereich hydrodynamische Flüssigkeitsströmungen kleine Rey- nolds-Zahlen besitzen. Flüssigkeiten durchlaufen fluidische Mikrosysteme als laminare Strömungen. Soll im Mikrosystem ein Durchmischen von Flüssigkeiten erfolgen, so würde dies bei benachbarten laminaren Strömungen lediglich auf Diffusion beruhen. Trotz der geringen Dimensionen des Mikrosystems würde die Diffusion beispielsweise von biologischen Makromoleküle relativ langsam erfolgen und damit der Durchsatz des Mikrosystems stark limitiert werden.
Es besteht ein Interesse an einer konvektiven Bewegung von Flüssigkeiten im Mikrosystem (Verwirbeln einer Flüssigkeit, Durchmischen mehrerer Flüssigkeiten) , die mit geringer Trägheit und weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit erfolgt und eine gute optische Beobachtbarkeit gewährleistet.
Es sind verschiedene Ansätze zur Einführung von Flüssigkeitsver- wirbelungen oder -durchmischungen in Mikrosystemen bekannt. Die Verwendbarkeit mechanischer Mischer, wie sie in der Makrowelt üblicherweise eingesetzt werden, ist wegen des starken Verschleißes (Reibung) im Mikrosystem stark eingeschränkt. Mechanisch bewegliche Teile des Mikrosystems sind wegen der Anlagerung von Makromolekülen sehr störanfällig. Des weiteren wird von W. Ehrfeld (siehe oben) beschrieben, Flüssigkeiten durch Aufteilen von Strömungen in Teilkanäle und anschließendes Vereinigen der Teilkanäle mit einer veränderten räumlichen Anordnung zu durchmischen. Diese Technik besitzt den Nachteil, dass in den Teilkanälen wiederum laminare Strömungen fließen. Eine vollständige Durchmischung wird nicht erreicht. Von S. Shoji wird in "Topics in Current Chemistry", Herausgeber A. Manz et al., Band 194, Springer-Verlag, 1998, Seite 167 ff, ein Durchmischen von Flüssigkeiten unter Verwendung von Trägheitskräften z. B. in langen, stark verwinkelten Kanälen beschrieben. Diese Technik besitzt jedoch den Nachteil, dass die Mikrosysteme einen kompli- zierten Aufbau erhalten. Außerdem ist ein Durchmischen der Flüssigkeiten in den abgewinkelten Kanälen nur bei sehr hohen Flussgeschwindigkeiten (Reynolds-Zahl 2-100) erzielbar.
Es ist auch bekannt, durch die simultane Ausbildung von elektrischen und thermischen Feldgradienten in fluidischen Mikrosyste- men eine konvektive Flüssigkeitsbewegung zu erzeugen. In Fig. 4 ist ein herkömmliches System zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung schematisch illustriert, wie es beispielsweise aus WO 00/37165 bekannt ist. Ein Kompartiment 10' eines fluidischen Mikrosystems 100" wird beispielsweise von einer Partikelsuspension durchströmt (Pfeilrichtung A) . Im Kompartiment 10' soll eine Verwirbelung der Flüssigkeit erfolgen. Hierzu ist am Boden 11' eine Elektrodenanordnung 20' vorgesehen, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldgradienten guer zur Strömungsrichtung A eingerichtet ist. Gleichzeitig zur Erzeugung des elektrischen Feldgradienten wird die Flüssigkeit im Kompartiment 10' erwärmt. Durch die Erwärmung wird ein thermischer Gradient gebildet. Es erfolgt eine Schichtung der Flüssigkeit mit verschiedenen entsprechend dem thermischen Gradienten angeordneten Teilschichten, die jeweils verschiedene dielektrische Eigenschaften besitzen. Unter Wirkung des elektrischen Feldgradienten werden auf die verschiedenen Teilschichten Kräfte ausgeübt, die effektiv zu einer konvektiven Verwirbelung der Flüssigkeit führen. Zur Erzeugung des thermischen Gradienten wird in WO 00/37165 vorgeschlagen, durch eine transparente Deckfläche 13' einen Laserstrahl (Pfeilrichtung B) in die Flüssigkeit zu fokussieren. Die Flüssigkeit erwärmt sich lokal, so dass der gewünschte thermische Gradient ausgebildet wird. Der Fokus 40' wird mit Abstand vom Boden und den Seitenflächen (siehe Doppelpfeile) in der Flüssigkeit erzeugt.
Die in Fig. 4 illustrierte Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbewegung besitzt mehrere Nachteile. Die Erzeugung der loka- len Erwärmung der Flüssigkeit setzt eine geeignete Strahlungsabsorption in der Flüssigkeit voraus. Für zahlreiche, insbesondere bei biologischen Anwendungen interessierende Lösungen oder Suspensionsmedien ist dadurch eine starke Einschränkung der zur Bestrahlung verwendbaren Laser gegeben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass suspendierte Partikel gegebenenfalls mit Lasern (optischen Fallen) im Mikrosystem manipuliert oder optisch detektiert werden sollen. Es kann zur gegenseitigen Störung der verschiedenen Bestrahlungen kommen. Schließlich ist die Reproduzierbarkeit der feld- und strahlungsinduzierten Konvektion eingeschränkt, da der Fokus zur Erzeugung der lokalen Erwärmung in der Flüssigkeit nur mit beschränkter Reproduzierbarkeit positioniert werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbewegung in einem fluidischen Mikrosystem bereitzustellen, mit dem die Nachteile herkömmlicher Techniken zum Durchmischen oder Verwirbeln von Flüssigkeiten überwunden werden. Das Verfahren soll insbesondere eine erweiterte Brauchbarkeit dahingehend besitzen, dass die kon- vektive Flüssigkeitsbewegung unabhängig vom Absorptionsverhalten oder anderen Eigenschaften der Flüssigkeit im Mikrosystem erfolgt und mit hoher Reproduzierbarkeit einstellbar ist. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Mikrosystem zur Umsetzung dieses Verfahrens bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren und einem Mikrosystem mit den Merkmalen gemäß den Patenansprüchen 1 bzw. 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Grundidee der Erfindung ist es, die herkömmliche Technik zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung durch simultane Ausübung elektrischer und thermischer Gradienten dahingehend weiterzuentwi- ekeln, dass im jeweils interessierenden Kompartiment des Mikrosystems gleichzeitig zeitlich veränderliche elektrische Felder und durch Bestrahlung fester Strahlungsabsorber, die im Kompartiment angeordnet sind, mindestens ein thermischer Gradient erzeugt werden. Die Bereitstellung der Strahlungsabsorber im Mikrosystem besitzt den Vorteil, dass bei äußerer Bestrahlung eine lokale Erwärmung erfolgt und ein definierter thermischer Gradient unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit mit reproduzierbaren geometrischen Eigenschaften und ohne Störung anderer optischer Messungen oder Manipulationen im Mikrosystem erzeugt wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die lokale Erwärmung im Mikrosystem durch Bestrahlung von Strahlungsabsorbern. Die Erwärmung wird mit einer Bestrahlungsguelle generiert, von der Energie gerichtet (fokussiert) und berührungslos auf die Strahlungsabsorber übertragen wird. Es besteht kein direkter mechanischer Kontakt zwischen den Strahlungsabsorbern und der Quelle des Strahlungsfeldes. Die Bestrahlungsquelle und Strahlungsabsorber sind vielmehr voneinander beabstandet. Die Erwärmung der Strahlungsabsorber erfolgt beispielsweise durch Fokussierung mindestens eines Laserstrahls auf Strahlungsabsorber oder eine gezielte Erwärmung durch hochfrequente Strahlung (Mikrowellenstrahlung) .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung zur Verwendung von Infrarotstrahlen absorbierenden Strahlungsabsorbern ausgelegt. Die Strahlungsabsorber sind vorzugsweise an Wandflächen des Kompartiments oder an Elektroden im Kompartiment vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der mindestens einen Elektrode oder von Elektrodenteilen (z. B. Teilschichten, Oberflächenstrukturen) als Strahlungsabsorber. Damit wird ein direktes Erwärmen der Elektroden ermöglicht. Der thermische Gradient wird automatisch im gleichen Flüssigkeitsbereich wie der elektrische Gradient erzeugt.
Die Frequenz der zeitlich veränderliche elektrische Felder wird anwendungsabhängig gewählt. Sie entspricht vorzugsweise der mittleren inversen dielektrischen Relaxationszeit der Flüssigkeit und beträgt beispielsweise für wässrige Lösungen mindestens 1 kHz oder für ölige Flüssigkeiten 1 Hz oder weniger.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Mikrosystem mit mindestens einem Kompartiment, das zur Realisierung der erfindungsgemäßen konvektiven Flüssigkeitsbewegung eingerichtet ist und hierzu insbesondere mindestens einen festen Strahlungsabsorber aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorzugsweise ein Mikrosystem mit mindestens einer äußeren Bestrahlungsquelle bereitgestellt, mit der der mindestens eine feste Strahlungsabsorber lokal erwärmt wird. Diese Kombination besitzt den besonderen Vorteil eines kompakten und vielseitig einsetzbaren Aufbaus .
Das erfindungsgemäße Mikrosystem hat den Vorteil eines vereinfachten Aufbaus. An beliebigen Orten im fluidischen Mikrosystem können Kompartimente mit Strahlungsabsorbern zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung durch entsprechende Positionierung der E- lektroden zur Erzeugung der elektrischen Felder und der Strahlungsabsorber vorgesehen sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Perspektivansicht eines Kompartiments eines fluidischen Mikrosystems, das zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Ver fahrens eingerichtet ist, Fig. 2: eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrosystems,
Fig. 3: eine schematische Draufsicht auf eine weitere
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrosystems, und
Fig. 4: eine schematische Perspektivansicht eines herkömmlichen Mikrosystems, das zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung eingerichtet ist (Stand der Technik) .
Die Grundidee der Erfindung wird zunächst unter Bezug auf Fig. 1 erläutert, in der verschiedene Realisierungen von Strahlungsabsorbern illustriert sind. Die Umsetzung der Erfindung ist jedoch nicht auf die gleichzeitige Realisierung der verschiedenen Varianten beschränkt. Vielmehr können in der Praxis anwendungsabhängig einzelne oder mehrere der in Figur 1 dargestellten Strahlungsabsorber in einem Mikrosystem vorgesehen sein.
Fig. 1 zeigt ein Kompartiment 10 eines fluidischen Mikrosystems 100. Das Kompartiment 10 stellt einen beliebigen Ausschnitt des Mikrosystems 100 dar und wird beispielsweise durch einen Kanal, ein Reservoir, einen Zusammenfluß, einen Abzweig oder eine andere Struktur im Mikrosystem gebildet. Das Kompartiment 10 wird beispielsweise von einer Partikelsuspension in Pfeilrichtung A durchströmt und umfasst mindestens einen Boden 11 und Seitenflächen 12. Auf der oberen Seite kann das Kompartiment 10 offen o- der durch eine Deckfläche 13 verschlossen sein. Die Querschnittsdimensionen des Kompartiments 10 liegen typischerweise im Submillimeterbereich. Weitere Einzelheiten des fluidischen Mikrosystems 100, insbesondere seiner Funktion, seiner Herstellung und seines Aufbaus sind an sich bekannt und werden daher hier im Einzelnen nicht erläutert. Im Kompartiment 10 soll die in Pfeilrichtung A fließende (oder auch eine ruhende) Flüssigkeit konvektiv bewegt werden. Hierzu ist im Kompartiment 10 eine Elektrodenanordnung 20 zur Ausbildung eines zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes vorgesehen. Die Elektrodenanordnung 20 umfaßt mindestens eine freie, vorzugsweise jedoch mindestens zwei Elektroden 21, 22, die an einer oder mehreren Wänden des Kompartiments 10 angeordnet sind. In Fig. 1 sind beispielhaft 2 streifenförmige Elektroden 21, 22 am Boden 11 illustriert. Anschlussleitungen zur Verbindung mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) sind in an sich bekannter Weise vorgesehen.
Im Kompartiment 10 sind des weiteren Strahlungsabsorber 30 angeordnet. Ein Strahlungsabsorber ist ein strahlungsabsorbierender Bereich, der im Kompartiment mit einer definierten räumlichen Begrenzung ausgebildet ist. Dies kann durch Einbringung und Strukturierung strahlungsabsorbierender Materialien im Kompartiment 10 und/oder Fokussierung eines äußeren Strahlungsfeldes (Pfeilrichtung B) auf feste Komponenten des Kompartiments 10 (z. B. Elektroden, Wände) erfolgen. Dies bedeutet, dass Strahlungsabsorber gegebenenfalls durch Wandbereiche oder nicht-leitende Erweiterungen der Elektroden gebildet werden können. Als Strahlungsabsorber sind insbesondere Absorberflächen 31 an den verschiedenen Wänden des Kompartiments 10 (Boden 11, Seitenflächen 12, Deckfläche 13) vorgesehen. Die Absorberflächen 31 bestehen aus einem geeignet gewählten Material, das eine möglichst hohe Absorption für das äußere Strahlungsfeld besitzt. Die Größe der Strahlungsabsorber ist anwendungsabhängig an die Dimension des Kompartiments 10 und gegebenenfalls die Form des äußeren Strahlungsfeldes (insbesondere Fokussierbarkeit) angepasst und ist vorzugsweise wenigstens gleich der halben Wellenlänge der verwendeten Strahlung gewählt. Die Größe liegt beispielsweise im Bereich 0.5 bis 25 μm. Gemäß einer bevorzugt realisierten Variante werden Strahlungsabsorber durch mindestens eine Elektrode als Ganzes (Bezugszeichen 32) oder eine strahlungsabsorbierende Oberflächenstruktur 33 auf mindestens einer Elektrode (siehe Elektrode 21) gebildet. Wenn als äußeres Strahlungsfeld Infrarotlicht verwendet wird, bestehen die Elektroden 21, 22 vorzugsweise aus einem im infraroten Spektralbereich "schwarzen" Material, wie z. B. Titan, Tantal oder Platin. Es können auch Mehrschichtelektroden verwendet werden, die z. B. aus Titan/Platin oder Chrom/Gold bestehen. Alternativ ist auch die Verwendung von Elektroden aus einem leitfähigen, transparenten Material (z. B. ITO, leitfähige Polymere) möglich, auf dem absorbierende Bereiche vollständig deckend oder strukturiert (wie bei der Elektrode 21 illustriert) aufgebracht sind.
Ein Verwirbeln oder Durchmischen erfolgt im Kompartiment 10 nach Mechanismen, wie sie z. T. von der herkömmlichen konvektiven Flüssigkeitsbewegung bekannt sind. Durch Ausbildung elektrischer Felder in inhomogenen Medien werden Spannungen induziert, unter deren Wirkung Flüssigkeitsbewegungen auftreten. Wegen der geringen geometrischen Dimensionen im Mikrosystem werden Feldstärkegradienten im kV- bis MV-Bereich realisiert, unter deren Wirkung Mikrowirbel erzeugt werden. Zur Inhomogenisierung des Mediums (der Flüssigkeit im Kompartiment 10) erfolgt die Ausbildung des lokalen thermischen Gradienten. Durch lokales Erwärmen der Strahlungsabsorber steigt deren Temperatur. In der Flüssigkeit bildet sich ein Temperaturfeld mit einem Gradienten aus. Vorzugsweise erfolgt das direkte Erwärmen der Elektroden 21, 22 mit Infrarotstrahlung, z. B. mit einem Infrarotlaser. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass definiert die Gebiete der höchsten Feldstärke erwärmt und damit dielektrisch inhomogen werden, was zu einer besonders effektiven Verwirbelung führt. Die erfindungsgemäß angeordneten Strahlungsabsorber ermöglichen ferner, dass die Wirbel lokal beschränkt werden und die Trägheit des Systems wegen der kleinen zu erwärmenden Volumina besonders gering (< 0.1 s) ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich in fluidischen Mikrosystemen, die zur die- lektrophoretischen Manipulation von suspendierten Partikeln eingerichtet sind. In diesen Fällen kann die Elektrodenanordnung 20 gleichzeitig zur Ausbildung des zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes und zur dielektrophoretischen Manipulierung der Partikel (z. B. von biologischen Zellen) verwendet werden (siehe Fig. 3).
Die Einkopplung des Strahlungsfeldes erfolgt von außen durch mindestens eine transparente Wand des Kompartiments 10 oder durch eine optische Faser. Die Einkopplung des Strahlungsfeldes erfolgt vorzugsweise in einer Richtung (B) , die von der Strömungsrichtung (A) im Kompartiment abweicht. Zur Einkopplung durch eine Wand ist beispielsweise die Deckfläche 13 oder der Boden 11 aus einem transparenten Material (z. B. Kunststoff, Glas oder dgl.) hergestellt.
Die Bestrahlung des Kompartiments 10 kann je nach Bauform und Absorptionseigenschaften der Strahlungsabsorber mit einem aufgeweiteten oder einem fokussiertem Strahl erfolgen. Es können Ein- fokus- oder Mehrfokuslaser verwendet werden. Bei Bestrahlung mit aufgeweitetem Strahl können mehrere Strahlungsabsorber gleichzeitig erwärmt werden. Entsprechend der geometrischen Anordnung der Strahlungsabsorber ergibt sich ein bestimmtes Wirbelmuster im Kompartiment 10. Bei fokussierter Bestrahlung wird mindestens ein Fokus (siehe z. B. Bezugszeichen 40) entsprechend auf mindestens einen Strahlungsabsorber gerichtet. Die Bestrahlung erfolgt vorzugsweise senkrecht zu den Boden-, Deck- oder Seitenflächen des Kompartiments.
Um die Bestrahlung der Strahlungsabsorber unabhängig vom Zustand des Mikrosystems und den Eigenschaften der Flüssigkeit im Korn- partiment 10 sicherzustellen, ist vorzugsweise die Wand, auf der sich ein oder mehrere Strahlungsabsorber, wie z. B. die Elektroden, befinden, aus einem transparenten Material hergestellt. Beispielsweise ist vorgesehen, dass auf einem transparenten Boden 11 Elektroden aus einem infrarotabsorbierenden Material oder Mehrschichtelektroden mit bodenseitig angeordnetem infrarot absorbierenden Material angeordnet sind.
Wenn ganze Teilbereiche der Kompartimentwände herstellungsbedingt aus infrarotabsorbierendem Material bestehen, kann auf die Anbringung gesonderter Strahlungsabsorber auch verzichtet werden. In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren dadurch umgesetzt, dass das äußere Strahlungsfeld auf die Wand des Kompartiments fokussiert wird. Der Fokus befindet sich vorzugsweise unmittelbar an die Elektroden angrenzend z. B. auf dem Boden 11 oder der Deckfläche 13.
Das äußere Strahlungsfeld kann auch durch hochfrequente elektromagnetische Strahlung gebildet werden, die ein induktives Heizen der Elektrodenanordnung 20 bewirkt. Es kann auch eine Erwärmung (thermische Bestrahlung) der Elektrodenanordnung durch in der Wand (z. B. den Boden 11) des Kompartiments 10 versenkte Heizelemente vorgesehen sein.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrosystems 100 in schematischer Draufsicht. Zwei Kanäle 15, 16, die jeweils durch Seitenflächen 12 begrenzt sind, werden mit unterschiedlichen Flüssigkeiten durchströmt und münden in einen gemeinsamen Kanal 17. Das Kompartiment 10, in dem eine Durchmischung der Flüssigkeiten erfolgen soll, ist an der gemeinsamen Mündung der Kanäle 15, 16 vorgesehen, könnte aber auch stromabwärts mit Abstand von der Mündung im Kanal 17 angeordnet sein. Die Elektrodenanordnung 20 umfasst zwei gestrichelt eingezeichnete Elektroden 21, 22, die am Boden 12 des Kompartiments 10 an- geordnet sind, und zwei durchgezogen gezeichnete Elektroden 23, 24, die den Bodenelektroden entgegengesetzt an der (nicht eingezeichneten) Deckfläche des Kompartiments 10 angeordnet sind. Die Bestrahlung des Kompartiments 10 erfolgt senkrecht zur Zeichenebene aus Blickrichtung des Betrachters. Der Boden 11 bildet die von der Bestrahlung abgewandte Seite. Die Deckfläche ist die der Bestrahlung zugewandte Seite des Kompartiments 10.
Die Elektroden 21-24 sind mit einer externen Wechselspannungsquelle verbunden. Zwischen den Elektroden wird ein elektrisches Wechselfeld erzeugt. Durch die äußere Bestrahlung erfolgt ein Aufheizen einzelner oder aller Elektroden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nur die oberen, der Bestrahlung zugewandten Elektroden erwärmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die an den Boden- und Deckflächen vorgesehenen Elektroden verschieden geformt ausgebildet, so dass sie bei Projektion aus der Bestrahlungsrichtung nicht deckungsgleich sind. Dies ermöglicht, wahlweise nur die unteren oder nur die oberen Elektroden am Boden bzw. der Deckfläche des Kompartiments zu bestrahlen. Die Asymmetrie der Elektroden ist in Fig. 2 illustriert. Die unteren Elektroden 21, 22 besitzen eine größere Länge, so dass sie über die Projektion der oberen Elektroden 23, 24 hinausragen. Bei Fokussierung der äußeren Bestrahlung auf die Enden der unteren Elektroden 21, 22 (Bezugszeichen 40) werden nur die unteren Elektroden erwärmt.
Durch die Erwärmung entsteht eine Inhomogenität der durch das Kompartiment 10 fließenden Flüssigkeiten. Unter Wirkung des e- lektrischen Wechselfeldes entsteht in dem durch die Elektroden und die Strahlungsabsorber aufgespannten Flüssigkeitsbereich eine konvektive Umwälzung der Flüssigkeiten, so dass diese vermischt werden. In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Draufsicht illustriert, bei dem das Mikrosystem 100 ebenfalls zwei am Kompartiment 10 zusammenlaufende Kanäle 15, 16 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Elektrodenanordnung 20 durch einen Elektrodenoktopol gebildet. Vier Elektroden 21-24 (mit großen Durchmessern gezeigt) befinden sich am Boden 11 des Kompartiments 10. Die übrigen vier Elektroden 25-28 sind an der (nicht eingezeichneten) Deckfläche angeordnet. Der Elektrodenoktopol bildet bei Beaufschlagung mit rotierenden elektrischen Spannungen einen Feldkäfig, in dem in an sich bekannter Weise ein Partikel (z. B. eine biologische Zelle) suspendiert gehalten werden kann.
Die Aufgabe der in Fig. 3 illustrierten Anordnung besteht darin, den Partikel 50 gleichzeitig mit den aus den Kanälen 15 und 16 anströmenden Flüssigkeiten zu behandeln. Die Elektrodenanordnung 20 wird simultan zur Ausbildung des dielektrischen Feldkäfigs und zur Erzeugung der elektrischen Wechselfelder zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung verwendet. Da analog zu der Darstellung in Fig. 2 die unteren und oberen Elektroden in Bestrahlungsrichtung nicht deckungsgleich sind, können die unteren Elektroden bei den Punkten 40 von außen fokussiert bestrahlt und damit erwärmt werden. Die einströmenden Flüssigkeiten werden lokal im Bereich des Feldkäfigs verwirbelt.
Abweichend von der dargestellten Ausführungsform könnte ein Durchmischen der Flüssigkeit auch mit einer planaren Elektrodenanordnung erzielt werden, die nur mit Spannungen beaufschlagte Elektroden 21-24 am Boden 11 umfasst, während auf der der Bestrahlung zugewandten Seite keine oder freie (floatende) Elektroden vorgesehen sind. Dabei erfolgt die Durchmischung jedoch mit einer geringeren Effektivität. Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmalen der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Erzeugung einer konvektiven Flüssigkeitsbewegung in einem fluidischen Mikrosystem (100) , bei dem eine Flüssigkeit in mindestens einem Kompartiment des Mikrosystems gleichzeitig einem elektrischen Feld und einem thermischen Gradienten ausgesetzt wird, wobei zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Elektrodenanordnung (20) mit einer sich zeitlich verändernden Spannung beaufschlagt wird, so dass sich im Flüssigkeitsbereich ein zeitlich veränderliches, elektrisches Feld bildet, dadurch gekennzeichnet:, dass zur Erzeugung des thermischen Gradienten mindestens ein Strahlungsabsorber (30-32), der im Kompartiment (10) angeordnet ist, mit mindestens einem äußeren Strahlungsfeld lokal bestrahlt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das mindestens eine äußere Strahlungsfeld auf den mindestens einen Strahlungsabsorber (30) gerichtet wird, der durch eine Absorberfläche (31) an einer
Wand des Kompartiments, eine Elektrode (32) der Elektrodenanordnung (20) oder eine Strahlungsabsorbierende Oberflächenstruktur (33) auf einer Elektrode der Elektrodenanordnung (20) gebildet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem es sich bei dem äußeren Strahlungsfeld um elektromagnetische Strahlung handelt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem als elektromagnetische Strahlung (i) Infrarotstrahlung oder (ii) hochfrequente Strahlung, mit der der mindestens eine Strahlungsabsorber induktiv geheizt wird, verwendet wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das mindestens eine äußere Strahlungsfeld durch einen Einzelfokus- oder Multi- fokus-Laser gebildet wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Wellenlänge des Lasers in einem Wellenlängenbereich ausgewählt wird, in dem die Flüssigkeit und in der Flüssigkeit suspendierte Partikel keine oder eine im Vergleich zur Absorption des mindestens einen Strahlungsabsorbers vernachlässigbare Absorption aufweisen.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Strahlungsfeld durch eine transparente Wand des Kompartiments oder mit einer Lichtleiterfaser in das Kompartiment eingekoppelt wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Ausbildung des thermischen Gradienten mehrere Strahlungsabsorber im Kompartiment gleichzeitig oder alternierend bestrahlt werden.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zeitliche Änderung der elektrischen Felder durch Beaufschlagung der Elektrodenanordnung mit einer Wechselspannung erzeugt wird, deren Frequenz mindestens 1 kHz beträgt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die Elektrodenanordnung mit Wechselspannungen beaufschlagt wird, deren Frequenz der mittleren inversen dielektrischen Relaxationszeit der Flüssigkeit entspricht.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Vielzahl von Strahlungsabsorbern kaskadenförmig in einem Kanal des Mikrosystems (100) bestrahlt wird.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden der Elektrodenanordnung mit Spannungen beaufschlagt werden, die gleichzeitig zur Erzeugung der elektrischen zeitlich veränderlichen Felder und von Wechselfeldern zur dielektrischen Manipulation von Partikeln eingerichtet sind, die in der Flüssigkeit suspendiert sind.
13. Fluidisches Mikrosystem (100) mit mindestens einem Kompartiment (10) zur Aufnahme und/oder Durchströmung einer Flüssigkeit und einer Elektrodenanordnung (20) , die zur Erzeugung zeitlich veränderlicher elektrischer Felder im Kompartiment (10) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet:, dass im Kompartiment mindestens ein fester Strahlungsabsorber (30-33) angeordnet ist, der mindestens einen strahlungsabsorbierenden Bereich mit einer definierten räumlichen Begrenzung bildet.
14. Mikrosystem gemäß Anspruch 13, bei dem das Mikrosystem zusätzlich eine Bestrahlungsquelle umfasst.
15. Mikrosystem gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem der mindestens eine Strahlungsabsorber (30) durch mindestens eine Absorberfläche (31) auf einer Wand des Kompartiments, eine Elektrode
(32) der Elektrodenanordnung (20) oder eine strahlungsabsorbie- rende Oberflächenstruktur (33) auf mindestens einer Elektrode (22) gebildet wird.
16. Mikrosystem gemäß Anspruch 13, 14 oder 15, bei der der strahlungsabsorbierende Bereich jeweils durch ein Infrarotstrahlung absorbierendes Material gebildet wird.
17. Mikrosystem gemäß Anspruch 16, bei der der strahlungsabsorbierende Bereich jeweils durch Titan, Platin, Tantal und/oder Silizium gebildet wird.
18. Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem mindestens eine Wand des Kompartiments (10) aus einem transparenten Material besteht.
19. Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem mindestens eine Elektrode aus transparentem, elektrisch leitfähigem Material besteht.
20. Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem die Elektroden der Elektrodenanordnung (20) im Kompartiment (10) räumlich versetzt angeordnet sind, so dass eine direkte Bestrahlung von Elektroden mit einer äußeren Bestrahlungsquelle ermöglicht wird.
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AU2002217016A AU2002217016A1 (en) 2000-11-10 2001-11-09 Method and device for generating microconvections
JP2002540836A JP2004512944A (ja) 2000-11-10 2001-11-09 ミクロの対流を発生させる方法及び装置
DE50106135T DE50106135D1 (de) 2000-11-10 2001-11-09 Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von mikrokonvektionen
AT01993505T ATE294635T1 (de) 2000-11-10 2001-11-09 Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von mikrokonvektionen
US10/416,054 US7399395B2 (en) 2000-11-10 2001-11-09 Method and device for generating microconvections

Applications Claiming Priority (2)

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WO (1) WO2002038262A1 (de)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004098777A2 (de) * 2003-05-09 2004-11-18 Evotec Technologies Gmbh Verfahren und vorrichtungen zur flüssigkeitsbehandlung suspendierter partikel
JP2005024544A (ja) * 2003-06-13 2005-01-27 Canon Inc 流体制御機構
WO2007017230A2 (de) 2005-08-08 2007-02-15 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Bildung einer emulsion in einem fluidischen mikrosystem
US7444817B2 (en) 2003-06-13 2008-11-04 Canon Kabushiki Kaisha Optical micromotor, micropump using same and microvalve using same
US7530795B2 (en) 2003-06-13 2009-05-12 Canon Kabushiki Kaisha Fluid control mechanism

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2266687A3 (de) 2003-04-10 2011-06-29 The President and Fellows of Harvard College Erzeugung und Kontrolle von Fluiden
EP2662135A3 (de) 2003-08-27 2013-12-25 President and Fellows of Harvard College Verfahren zur Mischung von Tröpfchen in einem Mikrokanal
DE102004023466B4 (de) * 2004-05-12 2008-11-13 Evotec Technologies Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Sammlung von suspendierten Partikeln
DE102005051637A1 (de) * 2005-10-26 2007-05-03 Atotech Deutschland Gmbh Reaktorsystem mit einem mikrostrukturierten Reaktor sowie Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion in einem solchen Reaktor
CA2696372C (en) * 2007-08-14 2016-09-13 Arcxis Biotechnologies, Inc. Polymer microfluidic biochip fabrication
USD666305S1 (en) * 2011-08-19 2012-08-28 Life Technologies Corporation Apparatus for docking and charging electrophoresis devices and portable electrophoresis system
CN104511258B (zh) * 2014-12-22 2017-02-22 华中科技大学 施加温度偏场的交流电热微流体混合器及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3907521A (en) * 1973-11-30 1975-09-23 Denis B Mcconnell Dielectrophoretic separation of gaseous isotopes
DD128371A1 (de) * 1976-10-19 1977-11-16 Herbert Haensgen Pumpe ohne bewegte teile
US5788819A (en) * 1992-10-27 1998-08-04 Canon Kabushiki Kaisha Method for driving liquid, and method and apparatus for mixing and agitation employing the method
DE19859461A1 (de) * 1998-12-22 2000-06-29 Evotec Biosystems Ag Verfahren und Vorrichtung zur konvektiven Bewegung von Flüssigkeiten in Mikrosystemen
US6086243A (en) * 1998-10-01 2000-07-11 Sandia Corporation Electrokinetic micro-fluid mixer

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE128371C (de)
US6375899B1 (en) * 1993-11-01 2002-04-23 Nanogen, Inc. Electrophoretic buss for transport of charged materials in a multi-chamber system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3907521A (en) * 1973-11-30 1975-09-23 Denis B Mcconnell Dielectrophoretic separation of gaseous isotopes
DD128371A1 (de) * 1976-10-19 1977-11-16 Herbert Haensgen Pumpe ohne bewegte teile
US5788819A (en) * 1992-10-27 1998-08-04 Canon Kabushiki Kaisha Method for driving liquid, and method and apparatus for mixing and agitation employing the method
US6086243A (en) * 1998-10-01 2000-07-11 Sandia Corporation Electrokinetic micro-fluid mixer
DE19859461A1 (de) * 1998-12-22 2000-06-29 Evotec Biosystems Ag Verfahren und Vorrichtung zur konvektiven Bewegung von Flüssigkeiten in Mikrosystemen
WO2000037165A1 (de) * 1998-12-22 2000-06-29 Evotec Biosystems Ag Verfahren und vorrichtung zur konvektiven bewegung von flüssigkeiten in mikrosystemen

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FUHR G. ET AL: "pumping of water solutions in microfabricated electrohydrodynamic systems", PROCEEDINGS OF THE WORKSHOP ON MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS, vol. workshop 5, 1992, New York,USA, pages 25-30, XP010057233 *
MELCHER,J.R. ET AL: "Traveling-wave bulk electroconvection induced across a temperature gradient", PHYSICS OF FLUIDS, vol. 10, no. 6, 6 June 1967 (1967-06-06), New York,USA, pages 1178-1185, XP000910309 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004098777A2 (de) * 2003-05-09 2004-11-18 Evotec Technologies Gmbh Verfahren und vorrichtungen zur flüssigkeitsbehandlung suspendierter partikel
WO2004098777A3 (de) * 2003-05-09 2005-01-06 Evotec Technologies Gmbh Verfahren und vorrichtungen zur flüssigkeitsbehandlung suspendierter partikel
JP2005024544A (ja) * 2003-06-13 2005-01-27 Canon Inc 流体制御機構
US7444817B2 (en) 2003-06-13 2008-11-04 Canon Kabushiki Kaisha Optical micromotor, micropump using same and microvalve using same
US7530795B2 (en) 2003-06-13 2009-05-12 Canon Kabushiki Kaisha Fluid control mechanism
WO2007017230A2 (de) 2005-08-08 2007-02-15 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Bildung einer emulsion in einem fluidischen mikrosystem
WO2007017230A3 (de) * 2005-08-08 2007-04-12 Max Planck Gesellschaft Bildung einer emulsion in einem fluidischen mikrosystem
US7943671B2 (en) 2005-08-08 2011-05-17 Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. Formation of an emulsion in a fluid microsystem

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