WO2022112474A1 - Anordnung, system und verfahren zur erzeugung von flüssigkeitsströmen - Google Patents

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WO2022112474A1
WO2022112474A1 PCT/EP2021/083107 EP2021083107W WO2022112474A1 WO 2022112474 A1 WO2022112474 A1 WO 2022112474A1 EP 2021083107 W EP2021083107 W EP 2021083107W WO 2022112474 A1 WO2022112474 A1 WO 2022112474A1
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electrode
liquid
triples
electrodes
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Philipp Marthaler
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Karlsruher Institut für Technologie
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B19/006—Micropumps

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for generating liquid flows, a system comprising at least one arrangement, and methods for producing and operating the arrangement or the system.
  • the devices and methods according to the present invention can be used in particular in the field of microfluidics.
  • the devices and methods can thus be used to miniaturize an analysis laboratory, for example for the analysis of liquids or components contained therein. Other applications are conceivable.
  • Electroosmosis is the movement of a liquid under the influence of an externally induced electric field. Electrical charges are usually present on the surface (wall) of a substrate. If the surface comes into contact with a liquid that contains freely moving electrical charges, a so-called “electrical double layer” is formed. The charge on the surface of the substrate attracts charge carriers in the liquid that are oppositely charged to the charge on the surface. The electroneutrality of the liquid is due to the electric double layer There is then no longer any excess charge. Due to the externally induced electric field, the excess charge carriers in the electric double layer migrate in a preferred direction. Due to viscous interactions, this causes a movement of the surrounding liquid. The speed of movement is proportional to the magnitude of the induced electric field. The proportionality factor is called electro-osmotic mobility.
  • Electrodes is a directed movement of at least partially electrically charged particles in a liquid or a gel under the influence of an applied electric field.
  • the speed of the particles is proportional to the magnitude of the applied electric field.
  • the proportionality factor is called “electrophoretic mobility”.
  • the mobilities are usually specific and dependent on the surrounding liquid.
  • WO 2007/090531 A1 and DE 10 2006 004 887 A1 each describe a special arrangement for generating liquid flows or particle flows from at least partially electrically charged particles in a liquid, which generates flows without hard-wired channels.
  • the arrangement comprises a substrate and controllable means for providing electrical voltages for a plurality of pairs of electrodes on the surface of the substrate, which generate an electric field which exerts a force within the electric double layer on the part of the part adjacent to the surface of the substrate liquid exerts and exerts a force on the particles both inside and outside the electric double layer, the surface of the substrate being subdivided in the form of a matrix into areas which differ in the amount or sign of their surface charge or in their height above the substrate.
  • Wei terhin a method for the production and operation of such an arrangement and its use as a programmable microfluidic analysis or synthesis unit or processor for local cooling of an adjacent microelectronic component or processor is described.
  • AC electroosmosis Another possibility for providing a laboratory on a micro scale can be AC electroosmosis, by means of which flows of liquids can be generated.
  • AC electroosmosis is implemented with pairs of electrodes and special geometries.
  • vortices and other 2- or 3-dimensional structures often occur in the flow, which are fundamentally undesirable.
  • a so-called "travelling wave electroosmosis" can be implemented in a symmetrical geometry with four electrodes.
  • A. Shamloo, M. Mirzakhanloo and MR Dabirzadeh describe in "Numerical simulation for efficient mixing of Newtonian and non-Newtonian fluids in an electro-osmotic micro-mixer”, Chemical Engineering and Processing 2016, Vol. 107, pp. 11 to 20, a two-phase electrode arrangement to which AC signals are applied and which is located in certain parts of the geometry. This contributes significantly to a chaotic mixing mechanism that relies on a low amplitude AC voltage within a microchannel.
  • US 7,708,873 B2 discloses devices and devices for efficiently pumping and/or mixing relatively small amounts of liquid.
  • the devices described use nonlinear electrokinetics as the primary mechanism for driving the fluid flow. Furthermore, methods of cell analysis and high throughput, as well as methods for multiple product formation using appropriate devices are described.
  • an electrofluidic device which consists of an active matrix arrangement of thin film -Transistors (thin film transistors, TFT). Aqueous samples embedded in oil are then moved by electrowetting.
  • TFT thin film transistors
  • the fluid contains a sample within an inner fluid phase dispersed in an outer phase.
  • the devices utilize non-linear electrokinetics as the primary mechanism for driving fluid flow and/or fluid mixing. Methods of cell analysis and drug delivery, among other things, are described herein.
  • N. Loucaides, A. Ramos and GE Georghiou describe in "Novel Systems for configurable AC electroosmotic pumping", Microfluid Nanofluid, 2007, 3, 709-714 a method for generating and using geometric asymmetries for AC electroosmotic pumps.
  • the method includes grouping electrodes of equal voltage such that variable asymmetries can be created in periodic electrode arrays that produce a net velocity of AC electroosmotic flow.
  • Taheri describe in "Optimization and parametric study of AC electroosmotic micropumping by response surface method", SN Applied Sciences, 2019, 1:1556 a simulation of an ACEO micropump in which periodic electrode arrays are grouped according to their applied voltage to create asymmetries in the electrode configuration.
  • EIS 2009/0314062 A1 discloses a fluid actuator comprising a piezoelectric body, a fluid channel which has the piezoelectric body on part of its inner wall and allows a fluid to move therein, and a section for generating surface acoustic waves in order to propelling fluid in the fluid passage by surface acoustic waves generated by an interdigital electrode disposed on the surface of the piezoelectric body facing the fluid passage.
  • the surface acoustic wave generating section is arranged at a position offset from the center of the fluid passage.
  • US 2005/0161327 A1 describes a microfluidic device comprising an inlet reservoir for receiving electrically charged substances dispersed in a fluid medium, a microfluidic circuit which is in fluid communication with the inlet reservoir, and an electrical transport device for moving the electrically charged substances Substances along the microfluidic circuit.
  • the electrical transport device comprises a number of conductive areas arranged along the microfluidic circuit and separated by areas of opposite type, wherein the conductive areas are electrically connected to a voltage source to provide a pulsed voltage that the charged substances along the micro transported fluidic circuit.
  • DE 10 2018 210 693 A1 discloses a device with at least one flow cell for the dielectric separation of particles according to traveling wave dielectrophoresis.
  • a multi-layer electrode arrangement is assigned to the flow cell, the electrode arrangement being set up to generate at least two electrical, moving fields which are at an angle to one another in the flow cell.
  • the present invention relates to an arrangement for generating liquid flows from at least partially electrically charged particles located in a liquid, comprising a substrate with controllable means for providing electrical voltages for a large number of particles located on a surface of the substrate located electrode triples.
  • the plurality of electrode triples is arranged in such a way that when an electrical voltage is applied, the electrode triples generate at least two independent mobile electrical field components, each of which causes a force on the electrically charged particles, causing the liquid to flow in at least two different directions on the substrate is movable.
  • the term “assembly” refers to a combination of multiple elements, where the elements alone or together perform a function directed toward liquid handling.
  • the arrangement can be used in particular in the field of microfluidics, for example in order to move, separate, mix, analyze and/or characterize liquids.
  • the arrangement can in particular be set up to move liquids in a quick-reacting manner with a short response time.
  • response time refers here to a period of time between the application of at least one electric field component and the onset of movement of the liquid.
  • the present arrangement can be used to generate a plurality of liquid streams, it being possible for the liquid streams to differ from one another in direction and/or in speed.
  • the present arrangement can be regarded as an electrokinetic drive, in particular as an electroosmotic drive.
  • the arrangement can be used, for example, as an electrokinetic drive for a microscale laboratory.
  • the arrangement can also be combined with other elements and/or devices that are commonly used in the field of microfluidics, for example with other microdrives, micropumps, microvalves and/or micromixers.
  • the arrangement can also be combined with other, similar arrangements, for example in a system, as will be explained in detail further below.
  • the term "creation" refers to an event capable of initiating, inducing and/or sustaining at least one fluid flow in the assembly.
  • the generation of liquid flows can thus include triggering, causing and/or maintaining at least one liquid flow of at least part of the liquid.
  • the generation of liquid flows can also include the initiation, induction and/or maintenance of a plurality of liquid flows, in which case the initiation, induction and/or maintenance of a plurality of liquid flows in a plane spanned by the surface of the substrate of the arrangement, can in particular take place independently of one another.
  • a plurality of liquid streams in particular at least two, three, four, five, six or more liquid streams, can be generated independently of one another in the arrangement.
  • liquid flow refers to a directional movement of a liquid.
  • liquid refers to at least one substance that is in a liquid state of aggregation.
  • the liquid can comprise an essentially incompressible substance.
  • the liquid can be present as a pure substance or, alternatively, as a mixture of at least two substances, for example as an emulsion on, solution or suspension of at least two substances.
  • the liquid can in particular also include a carrier liquid and samples to be handled therein, in particular particles, preferably inorganic particles or cells, and/or diffuse samples.
  • a spatially delimited area within the carrier liquid is referred to as a diffuse sample, which differs from the carrier liquid in terms of composition and/or ionic composition.
  • the diffuse sample can be separated from the surrounding carrier liquid by a diffusion boundary layer.
  • the directed movement of the liquid is therefore referred to as “liquid flow” in the following.
  • a quantifiable quantity of the liquid can experience a change in location.
  • the liquid flow can be a mass flow and/or a volume flow.
  • a quantifiable amount of mass or volume of the liquid can thus experience a change in location.
  • the change in location can be quantified by a flow rate.
  • the liquid flow can preferably have a homogeneous velocity profile in the plane of the surface of the substrate of the arrangement, the velocity profile designating in particular a location-dependent distribution of the flow velocity over a cross section of the liquid flow.
  • the homogeneous velocity profile can essentially have a constant velocity over the cross-section of the liquid flow. In particular, no velocity component normal to the surface can occur.
  • a block profile can preferably form along the surface, which follows at least one predetermined flow path and which has no or only slight variations transversely to the direction of the at least one flow path. Outside of the at least one flow path, there should be as little or no flow as possible.
  • the at least one flow path transports liquid in a directed manner, comparable to a pipeline, and can therefore also be referred to as a "flow tube” or "flow tube”.
  • other speed profiles are also conceivable, for example inhomogeneous speed profiles with flow speeds that change over the cross section of the liquid flow.
  • the location-dependent distribution of the flow velocity over the cross section of the liquid flow of the inhomogeneous velocity profile can be adjustable.
  • the liquid flow can run along flow lines, which can optionally be open or closed.
  • the flow lines can preferably run parallel to the surface of the substrate.
  • Samples in particular diffuse samples, can be transported and/or handled preferably in closed flow tubes of a carrier liquid.
  • stream tubes with a small diameter in particular of at most 500 pm, preferably at most 100 pm, in particular at most 5 mih, be particularly advantageous in terms of low energy consumption, low Ver losses, low heat generation and / or low vortex formation.
  • the liquid contains at least partially electrically charged particles.
  • the term "electrically charged particle” refers to individual atoms, molecules or complexes that carry at least one elementary electrical charge.
  • the electrically charged particles can also include a plurality of, for example at least two, different atoms, molecules or complexes.
  • the electrically charged particles can also include higher-order structures, for example nanoparticles, which can consist of up to 1000 atoms or molecules.
  • the electrically charged particles can carry at least one negative elementary charge or at least one positive elementary charge.
  • the liquid can contain electrically charged particles with a negative electrical charge, electrically charged particles with a positive electrical charge and electrically uncharged, neutral particles.
  • a concentration of electrically charged particles with one type of charge can preferably exceed another concentration of electrically charged particles of the oppositely charged type of charge in a partial area of the liquid, in particular in the electric double layer. In another sub-area, the concentrations of electrically charged particles of both types of charge can be balanced.
  • the electrically charged particles can be added to the liquid.
  • the electrically charged particles can be dissolved or suspended in the liquid.
  • the electrically charged particles can also be generated by a reaction in the liquid, for example by autoprotolysis.
  • the liquid can also consist exclusively of electrically charged particles, as is the case with ionic liquids, for example.
  • the arrangement for generating liquid flows comprises a substrate with controllable means.
  • substrate refers to a support comprising a body having a volume having a surface that is preferably in the form of a planar surface.
  • surface of the substrate refers to a surface of the substrate that faces a flow area of the liquid, while a “rear side of the substrate” designates a further surface of the substrate that faces away from the flow area of the liquid.
  • a portion of the surface of the substrate is intended to provide the liquid;
  • Another partial area of the surface can have structures that can be set up for other purposes, in particular measuring devices or structures for guiding the flow, for example blockages or obstacles.
  • the surface of the substrate can be in direct contact with the liquid.
  • the surface of the substrate can be separated from the flow area of the liquid by a further applied layer, for example by an insulating layer.
  • the large number of electrode triples attached to the surface of the substrate can be separated from the flow area of the liquid by an insulating layer.
  • the insulating layer can form an even surface for the liquid flows.
  • the flat surface is characterized by the absence of macroscopically detectable differences in height.
  • the insulating layer can form a smooth surface for the liquid flows.
  • the “smooth surface” refers to a surface with a roughness of at most 0.1 ⁇ m, preferably at most 0.05 ⁇ m, particularly preferably at most 0.01 ⁇ m.
  • the substrate can consist of a non-conductive material and/or a semi-conductive material, preferably glass, plastic and/or silicon.
  • the surface of the substrate can in particular be flat.
  • the controllable means can be attached to the surface of the substrate. In an alternative embodiment, however, the controllable means can also be at least partially accommodated by the substrate.
  • controllable means generally refers to electrically conductive elements comprised by the substrate.
  • the controllable means can comprise electrical conductor tracks, in particular a large number of electrical conductor tracks.
  • the controllable means can comprise a metallic material, graphite and/or a semiconducting material, in particular a doped semiconducting material.
  • the controllable means can particularly preferably be arranged on the surface of the substrate. Alternatively or additionally, however, the controllable means can also be arranged at least partially in the volume of the substrate.
  • the controllable means can be arranged in one or more layers on the substrate or in the bulk of the substrate.
  • the controllable means can in particular have a number of electrical conductor tracks corresponding to a large number of electrodes and electrical connections for the electrodes.
  • the electrical connections can connect the electrical conductor tracks of the controllable means to the electrodes of the electrode triplet.
  • the controllable means can furthermore have a number of electrical connections for a drive element corresponding to the plurality of electrodes.
  • the electrical connections for drive elements can be accessible on the back of the substrate or outside half of the arrangement.
  • controllable means can include a number of electrical conductor tracks that corresponds at least to the number of electrode triples, but at most to the number of electrodes in the electrode triples.
  • controllable means can comprise a number of electrical conductor tracks which at least corresponds to the plurality of electrode triples, but is less than the number of electrodes in the electrode triples.
  • controllable means can include precisely one number of electrical conductor tracks that corresponds to the plurality of electrode triples.
  • controllable means can include at least a number of electrical connections for the electrodes that corresponds to the number of electrode triples.
  • the controllable means can comprise additional electrical connections for the electrodes, the additional connections connecting selected electrodes to one another. In particular, such electric can be connected to which are lifted according to the control of the arrangement to be explained in more detail to the same electrical potential.
  • the controllable means are set up to provide electrical voltages for a large number of electrode triples located on the surface of the substrate.
  • the term "electrical voltage” refers to any type of electrical potential difference that exists between at least two electrically contactable locations. In particular, this can be an alternating voltage.
  • the electrical voltage can include at least one alternating voltage.
  • the electrical voltage can comprise three alternating voltages, which are each shifted by a phase difference relative to one another.
  • the combination of three AC voltages is also referred to below as “three-phase current”.
  • an alternating voltage can be applied to an electrode comprised by the electrode triple.
  • the phase shift can preferably be 120°. However, other phase shifts are also conceivable.
  • the AC voltage can have an amplitude of 0.005 V to 10 V, preferably 0.01 V to 0.1 V, and a frequency of 1 kHz to 1000 kHz. preferably from 5 kHz to 100 kHz.
  • An optimal combination can depend in particular on an electrolyte concentration of the liquid.
  • An amplitude of about 0.025 V and a frequency of 10 kHz to 50 kHz at an electrolyte concentration of 10 5 mol/l to 10 4 mol/l can be particularly preferred. Other combinations are also possible.
  • electrode triple refers to a grouping of three separately configured electrodes.
  • An electrode triple can thus comprise three electrodes designed separately from one another.
  • the electrodes in the electrode triple can preferably have a similar geometric shape.
  • the electrodes of an electrode triple can in particular be arranged spatially adjacent to one another.
  • the electrodes of an electrode triple can in particular comprise at least one electrically conductive material, for example a metallic material, a semiconductive material and/or a doped semiconductive material.
  • the electrodes of an electrode triple can be designed in such a way that they have no electrical connection to one another. However, this in particular does not rule out the possibility that electrodes of different electrode triples can have an electrical connection with one another.
  • the electrode triple in particular each electrode of an electrode triple, can be electrically contacted by the controllable means.
  • the electrode triples are located on the surface of the substrate.
  • the electrode triples can be applied to the surface of the substrate, for example.
  • the electrode triples can be at least partially accommodated in the surface of the substrate.
  • the electrode triples can be separated from the flow area of the liquid by an insulating layer.
  • the electrode triples can in particular be separated from the flow area of the liquid in such a way that there is no electrically conductive connection between the electrode triple and the liquid.
  • the controllable means can also be set up to provide the electrical voltage at the plurality of electrode triples in such a way that the electrical voltage at the electrodes of a respective electrode triple is shifted relative to one another by a phase difference.
  • the controllable means can provide the electrical voltage at the plurality of electrode triples in such a way that the electrical voltage at each electrode comprised by the electrode triple is shifted relative to one another by a phase difference.
  • the controllable means can provide the electrical voltage at the plurality of electrode triples in such a way that the phase difference between electrodes arranged spatially one after the other in the electrode triple is monotonically increasing or decreasing.
  • a phase difference of n-360°, n 0, ⁇ 1, ⁇ 2, electrode triple.
  • the phase difference between the electrodes of an electrode triple can be dependent on a spatial distance between the electrodes within the electrode triple.
  • the phase difference between the electrodes within the electrode cluster can be 120° in each case with an equidistant spatial arrangement of the electrodes.
  • other possibilities are also conceivable.
  • the electrodes in each electrode triple can be arranged at a spatial distance from one another, with the spatial distance between the electrodes being able to correspond to the order of magnitude of a layer thickness of an electrical double layer which forms when an electrical voltage is applied in the liquid.
  • the term “order of magnitude” refers to a spatial extent of one tenth of the layer thickness of the electrical double layer up to ten times the layer thickness of the electrical double layer.
  • the spatial spacing of the electrodes can be in the range from at least one tenth to at most one tenth of the thickness of the electrical double layer.
  • the spatial spacing of the electrodes can particularly preferably be in the range from at least one third to at most three times the thickness of the electrical double layer.
  • the layer thickness of the electrical double layer can depend in particular on a concentration of the electrically charged particles in the liquid.
  • the electrodes in each electrode triple can be arranged at a spatial distance from one another, the spatial distance between the electrodes preferably being 0.05 ⁇ m to 10 ⁇ m, particularly preferably 0.05 ⁇ m to 5 ⁇ m, in particular 0.1 ⁇ m.
  • the electrodes can be arranged equidistantly in each electrode triple.
  • an extension of a wavelength of the mobile electric field component can be achieved, so that a desired order of magnitude can be provided.
  • the multiplicity of electrode triples is arranged in such a way that the electrode triples generate at least two mutually independent mobile electric field components when the electric voltage is applied.
  • the term "electric field component” refers to a force field component induced by the application of the electrical potential. A total of the electric field components can in particular describe an electric field. The electric field can in particular interact with the electrically charged particles in the liquid, in particular in such a way that a force is exerted on the electrically charged particles by the electric field. The force of the electric field can be described by field lines, with the field lines indicating the direction of the force.
  • the electric field component is a mobile electric field component.
  • the term “movable” refers to the fact that the field lines of the electric field or the electric field components are location- and time-dependent.
  • At least two mutually independent mobile electric field components can be generated, which have field lines that change both spatially and over time.
  • so-called “travelling waves” can be generated by applying the electrical voltage, in particular at least two traveling waves, with a traveling wave designating the mobile electric field component.
  • the term “independent of one another” refers to a property of the at least two electric field components having field lines which are at an angle, preferably from greater than 0° to less than 180°, particularly preferably from 30° to 150° , in particular 45° to 135°, to each other.
  • the electrical field components can in particular be independent of one another in such a way that the field lines of the at least two electrical field components run perpendicularly to one another or at an angle of 60° or 120° to one another.
  • the mutually independent electric field components can extend in particular in two directions, with the field lines of the electric field components being perpendicular to one another along the two directions.
  • the arrangement according to the present invention can have a two-dimensional by means of the at least two independent electric field components Allow transport across the surface of the substrate.
  • the electrical field components can in particular run parallel to the surface, in particular parallel to the extent of the surface of the substrate.
  • the electric field components each cause a force on the electrically charged particles, as a result of which the liquid can be moved on the substrate in at least two mutually different directions.
  • the term "force” refers to the electric field-induced force on the electrically charged particles in the liquid.
  • the force on the charged particles can be described by a Coulomb force. Another conceivable force, the direction of which is perpendicular to the surface, is negligible, however, since it leads to practically no observable flow on the surface of the arrangement.
  • direction refers to an indication of a movement target of the liquid.
  • the specification of the direction can relate in particular to a predetermined coordinate system, for example a coordinate system which lies in the plane of the surface of the substrate.
  • the direction can be indicated, for example, by a direction vector in this coordinate system.
  • the direction can be indicated by an indication in a Cartesian coordinate system, in particular in an x-y coordinate system.
  • a polar coordinate system can also be used.
  • the direction can be specified, for example, by comparing it with a cardinal direction.
  • a north-south direction denotes a top-to-bottom horizontal direction in relation to the surface of the substrate.
  • a west-east direction denotes a horizontal direction from left to right in relation to the surface of the substrate.
  • the term "different" refers to the fact that the directional vectors of two different directions are perpendicular to each other. Mathematically, this can be expressed as the scalar product of the direction vectors being zero.
  • the mutually independent mobile electric field components can thus in particular bring about two liquid flows in at least two different directions, one liquid flow running for example in a north-south direction and another liquid flow in a west-east direction. Other directions are also possible, for example a combination of these directions.
  • the at least two liquid streams that are different from one another can, in particular, be controllable independently of one another.
  • the liquid flows generated can in particular be superimposed to form a resulting liquid flow.
  • the term “plurality of electrode triples” refers to a number of electrode triples that are required to move the liquid in at least two different directions.
  • the number of electrode triples can in particular be selected in such a way that the arrangement with the electrodes applied to the substrate can be designed to cover the whole area.
  • the electrode triples can in particular be arranged in such a way that at least two electrode triples are at an angle to one another.
  • an electrode triplet of the arrangement can be rotated by 90° to another electrode triplet of the arrangement.
  • three electrode triples could be arranged in the north-south direction and three electrode triples in the west-east direction on a rectangular shaped substrate.
  • the arrangement can thus comprise at least six electrode triples.
  • the electrode triples can be rotated at an angle of 60° to one another.
  • the arrangement can also comprise at least six electrode triples, whereby each electrode triple can be arranged in a section of the hexagonal alignment.
  • the arrangement can in particular comprise at least six electrode triples in the case of a rectangular or hexagonal arrangement of the multiplicity of electrode triples.
  • other possibilities are also conceivable.
  • At least two of the electrode triples from the plurality of electrode triples can be arranged relative to one another in such a way that the mobile electric field components generated by each of the electrode triples when the electrical voltage is applied assume an angle of greater than 0° to less than 180° to one another. preferably from 30° to 150°, particularly preferably from 45° to 135°, in particular from 60° to 120°.
  • the angle designates in particular an angle in a plane described by the surface of the substrate.
  • the present invention relates to a system comprising at least one arrangement, preferably at least two arrangements, for generating liquid flows according to the present invention, for example according to one or more of the configurations described above and/or according to one or more of the following configurations described in more detail.
  • the system also includes at least one device for providing electrical voltages, in particular a three-phase source or a three-phase generator.
  • system refers in particular to a device or a group of interacting devices which are set up to fulfill at least one common purpose.
  • the common purpose of the system can be moving, mixing, separating and/or analyzing liquids.
  • the system can therefore be used in particular in the field of microfluidics. be turned.
  • the system can have at least one drive, in particular the at least one arrangement for generating liquid flows can be used as the drive of the system.
  • the system can be used, for example, as a fluid machine, with the fluid machine being able to implement arithmetic operations with the fluid, in analogy to a computer processing unit.
  • a so-called "fluid process unit" can represent a central linkage of components of the fluid machine.
  • the fluid processing unit can comprise a multiplicity of linked arrangements for generating liquid flows.
  • samples transported with the system may be of unit volume, thereby facilitating the processing of computational operations.
  • arithmetic operations can be translated into liquid transport processes, such as mixing, selection and transport commands.
  • the system comprises at least one arrangement for generating liquid flows according to the present invention, for example according to one or more of the configurations described above and/or according to one or more of the configurations described in more detail below.
  • the system can comprise a multiplicity of arrangements for generating liquid flows, the multiplicity of arrangements comprising at least two arrangements.
  • the system can also include more than two arrangements, in particular 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 30 or more than 30 arrangements. This multiplicity of arrangements for generating liquid flows can be arranged in a common network.
  • the multiplicity of arrangements for generating liquid flows can in particular form an area-wide network in such a way that a common flow area is created across the multiplicity of arrangements.
  • the system can arrange the multiplicity of arrangements for generating liquid flows in a network in columns and rows, in particular in a matrix-type network.
  • a rectangular or also hexagonal shape of the arrangements can be particularly advantageous for this purpose.
  • Other options for connecting the large number of arrangements in the system are also conceivable.
  • At least two arrangements for generating liquid flows can be connected by at least one electrical connecting element.
  • the electric Connecting element can connect the controllable means of the at least two arrangements to one another, in particular in such a way that an electrically conductive connection can be produced between the controllable means of the at least two arrangements.
  • the electrical connection element can produce an electrically conductive connection between the electrical connections for a drive element of the at least two arrangements.
  • the electrical connection element can connect at least two adjacent arrangements within a column and/or row.
  • the electrical connection element can also connect at least two adjacent connection elements at a beginning or at an end of a column and/or row.
  • the system includes at least one device for providing electrical voltages.
  • the term “device for providing electrical voltages” refers to a device that is set up to provide the electrical voltage at the at least one arrangement for generating liquid flows.
  • the device for providing electrical voltages can be a three-phase current source and/or a three-phase current generator.
  • the device for providing electrical voltages can therefore be set up in particular to provide at least one alternating voltage.
  • the device for providing electrical voltages can be set up to provide three alternating voltages that are phase-shifted with respect to one another.
  • the phase shift can particularly preferably be 120°. However, other phase shifts are also possible.
  • the system may further include at least one liquid reservoir.
  • the liquid reservoir can be set up to store the liquid, in which at least some of the electrically charged particles are located, and to supply it to the arrangement for generating liquid flows via at least one connecting channel.
  • the connection channel can be set up to fluidly connect the liquid reservoir to the arrangement.
  • the liquid reservoir can be fluidically connected to the arrangement via at least two connecting channels, with one connecting channel each for a flow direction from the liquid reservoir to the arrangement or from the arrangement to the liquid reservoir being present.
  • the connecting channel can have, for example, a large number of electrodes which can be supplied with an alternating current, as a result of which liquid can be transported between the liquid reservoir and the arrangement. The direction of liquid transport can depend on the applied alternating current.
  • At least one wall of the connecting channel can carry an applied wall charge, wherein an electrical potential difference can also be applied between the liquid reservoir and the arrangement, as a result of which liquid can be transported between the liquid reservoir and the arrangement.
  • the direction of liquid transport can depend on a polarity of the wall charge.
  • the system may further include at least one control unit.
  • the control unit can be set up to control the application of the electrical voltage to the large number of electrode triples by means of the controllable means. If the system has a large number of arrangements for generating liquid flows, the control unit can be set up to control the application of the electrical voltage to the controllable means of the large number of arrangements. In particular, the control unit can control the application of the electrical voltage to the controllable means for each arrangement separately and/or independently of one another.
  • the control unit can be designed as an active control unit or as a passive control unit.
  • the “passive control unit” refers here to a control unit that includes a separate application of the electrical voltage to the arrangement comprised by the system, in particular to the plurality of arrangements comprised by the system, in order to generate liquid flows.
  • the passive control unit can thus include separate contacting of the multiplicity of arrangements for generating liquid flows.
  • a passive control unit can be provided for each arrangement included in the system.
  • the passive control unit can be arranged in a level of the system, in particular in a level below the arrangement.
  • the passive control unit can thus in particular avoid areas in the system in which the liquid cannot be controlled.
  • the functional principle of the passive control unit can correspond to the principle of driving an LCD and/or TFT display.
  • the “active control unit” refers here to a control unit that includes at least one electronic processing unit, in particular a microprocessor.
  • the microprocessor can be acted upon by at least one data bus with at least one input signal.
  • the at least one input signal can in particular comprise at least one active signal, the active signal containing information about an electrode triple to be switched on or an electrode triple to be switched off of the at least one arrangement for generating liquid flows.
  • the input signal can also include at least one piece of information about a direction of rotation of the AC voltage to be applied to the electrode triplet.
  • the functional principle of the active control unit can correspond to the principle of controlling a display using a graphics processor.
  • the microprocessor of the active control unit can also be set up to store the at least one input signal on at least one memory element.
  • the storage element can store at least the active signal as well as the information about the direction of rotation of the AC voltage.
  • the control unit can have at least one storage element per arrangement for generating liquid flows, which can be comprised by the system.
  • a large number of storage elements can preferably be designed as shift registers.
  • other configurations are also possible.
  • at least two register levels can be implemented. Thus, at least a first register level can form an active register level, while a second register level can form a buffer level. Additional register levels can also be designed as additional intermediate storage levels in a particularly advantageous manner.
  • the microprocessor can also be set up to read an input signal stored on the memory element.
  • the active control unit can further comprise at least one switch per arrangement for generating liquid flows.
  • the switch can comprise an electronic switch or an analogue switch.
  • the switch can be set up to apply the electrical voltage to the controllable means in accordance with the at least one input signal.
  • the active control unit can be supplied with electrical voltage, in particular the alternating voltage, via an electrical connection.
  • the microprocessor can be set up to forward the electrical voltage, in particular the alternating voltage, via the switch to the at least one arrangement for generating liquid flows.
  • the proposed arrangement for generating liquid flows and the proposed system have numerous advantages compared to devices known from the prior art.
  • known devices generally only provide small flow velocities since only relatively weak electric fields can be generated outside the electric double layer.
  • the dimensions of the electrodes are basically of the same order of magnitude as the leads.
  • the proposed arrangement and the proposed system can make do in particular special with uniform dimensions of the structures to be manufactured on a micro chip. In this case, only a few feed lines are required in order to control a large number of arrangements for generating liquid flows.
  • the arrangement requires less installation space than known devices with more phases.
  • the electrodes of an electrode triple can preferably be so close together that the distance between the electrodes within an electrode triple corresponds to the order of magnitude of a layer thickness of the electrical double layer in the liquid.
  • Such a distance in combination with an even and/or smooth surface of the insulating layer on the substrate, can enable the generation of homogeneous liquid flows, for example liquid flows without flow vortices.
  • uniform liquid flows can be generated by means of the proposed arrangement and/or by means of the proposed system.
  • An electrode triple included by the arrangement can preferably include three electrodes per spatial period of the three-phase current.
  • Such a three-phase construction of an arrangement for generating liquid flows can in principle enable the smallest possible construction of such a device. Technologies already used in the field of microelectronic chips can be used to manufacture a proposed arrangement and a proposed system having the dimensions described above.
  • the drive power of the arrangement proposed here can be significantly increased by the transition from two-phase AC voltage to three-phase AC voltage.
  • the use of a three-phase AC voltage in the arrangement has a higher efficiency compared to known devices.
  • the liquid can also be used as a transport fluid for the transport of diffuse samples.
  • the diffusion boundary layer mentioned above can generally increase with the passage of time. If the thickness of the diffusion boundary layer is comparable to the spatial extent of the diffuse sample, mixing with the carrier liquid can take place, in particular until the sample has completely diffused into the carrier liquid and can no longer be detected. Thus, the diffusion process can limit a length of time that the diffuse sample can be handled.
  • the The proposed arrangement and system can provide high flow rates and short response times for handling diffuse samples. In this respect, the proposed arrangement and the proposed system can be used for processing and handling diffuse samples. Therefore, with the proposed arrangement and/or with the proposed system, diffuse samples can also be transported, brought into contact with one another, mixed, or separation processes can be carried out.
  • the system can also have a freely programmable surface, so that the system can be used for a wide variety of applications in a short time.
  • the present arrangement and the present system are characterized by the use of triple electrodes. Be particularly preferred these electrode triples are acted upon by a three-phase AC voltage. In particular, this can resolve the problem of electrical shielding of the electrical field in the liquid by the electrical double layer, which occurs in the device of WO 2007/090531 A1.
  • the proposed arrangement and the proposed system fol lowing special advantages:
  • the flow rate of the liquid can be significantly increased by reducing the electrode spacing. In this case, however, the space required for the individual controllability of each individual arrangement of the system can be retained.
  • the proposed system can include a matrix-like combination of the individual arrangements for generating liquid flows.
  • WO 2007/090531 A1 proposes a chessboard-shaped arrangement of the smallest elementary units.
  • the matrix-type composite can increase the flexibility with regard to a particular design of the system, since different basic structures for the arrangement for generating liquid flows can be connected in a matrix-type composite.
  • the present arrangement and the present system are characterized by the use of triple electrodes and their preferred application of a three-phase alternating voltage. Furthermore, a stepped construction of the electrodes is proposed in US Pat. No. 7,708,873 B2. An even and/or smooth surface, such as that provided by the isolating de layer can be achieved, enables homogeneous liquid flows, in particular without flow vortices occurring in the liquid.
  • the use of cross-linked electrodes in the present arrangement first makes a design with small dimensions possible, since individual TF transi require significantly more layers. Furthermore, AC electroosmosis enables continuous and faster liquid transport.
  • the present invention is distinguished by a substantially smaller electrode spacing.
  • the electrical double layer is assumed to be comparably thin, so that the dimensions of the electrodes and the electrode spacing are significantly larger than the electrical double layer. In particular, higher speeds can be achieved by selecting the electrode spacing in the order of magnitude of the electrical double layer.
  • the publication by A. Farzanehnia and A. Taheri, supra draws attention to the complexity and cost-effectiveness of smaller pitch arrangements. Thus, with the arrangement according to the present invention, the need for the smaller geometry can be demonstrated.
  • the device described in WO 2007/090531 A1 and DE 10 2006 004 887 A1 does not have any information of this magnitude.
  • DE 10 2018 210 693 A1 shows in particular a device with a matrix arrangement, each comprising 4 electrodes with a phase shift.
  • the device can, for example, function as a switch with one input and two outputs. In contrast to the present invention, this device therefore does not make it possible to enable freely programmable flows onto a surface.
  • Arrangements according to the present invention can be interconnected in particular as a matrix module to form a complex chip structure. The arrangement can be designed in such a way that it can directly link to similar arrangements.
  • the device in DE 10 2018 210 693 A1 shows a stand-alone module to which channels are to be connected. Thus, more complex arrangements can only be made possible there by connecting many modules via channel networks.
  • the present invention relates to a method for producing an arrangement for generating liquid flows according to the present invention, for example according to one or more of the configurations described above and/or according to one or more of the configurations described in more detail below.
  • the method includes the steps described below, which can be carried out in particular in the order described. However, a different sequence is also possible, or a temporal overlap in the execution of the method steps, or an at least partially simultaneous execution of the method steps.
  • the method can include further method steps which are not mentioned.
  • the method for producing an arrangement for generating liquid flows comprises the following steps: i) providing a substrate; ii) application of controllable means for wiring the multiplicity of electrodes, which iii) are applied in electrode triples to a surface of the substrate.
  • the method for producing an arrangement for generating liquid flow can preferably include the following step, which is carried out in particular after step iii): iv) treating the surface of the substrate such that a flat surface and / or smooth surface for the flow of liquid occurs.
  • the present invention relates to a method for producing a system for generating liquid flows according to the present invention, for example according to one or more of the configurations described above and/or according to one or more of the configurations described in more detail below.
  • the method includes the steps described below, which can be carried out in particular in the order described. However, a different order is also possible, or a temporal overlapping of the implementation Process steps or an at least partially simultaneous implementation of the procedural steps.
  • the method can include further method steps which are not mentioned.
  • the method for producing a system for generating liquid flows includes the following steps:
  • the present invention relates to a method for operating an arrangement for generating liquid flows according to the present invention, for example according to one or more of the configurations described above and/or according to one or more of the configurations described in more detail below or for operation a system according to the present invention, for example according to one or more of the configurations described above and/or according to one or more of the configurations described in more detail below.
  • the method comprises applying an electrical voltage to at least one electrode triple, preferably at least two electrode triples, by the controllable means in such a way that the liquid flows.
  • the electrical voltage can be applied in particular in the form of a three-phase current, the three-phase current having a frequency of 1 kHz to 1000 kHz, preferably 5 kHz to 100 kHz, particularly preferably 10 kHz, and an amplitude of 0.005 V to 10 V , preferably from 0.01 V to 0.1 V, particularly preferably from 0.025 V.
  • the present invention relates to a computer program comprising instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause this to flow the method for operating an arrangement for generating liquid or a system according to the present invention, for example according to one or more of the configurations described above and/or according to one or more of the configurations described in more detail below.
  • the computer program can in particular include at least one compiler, the at least one compiler being set up to execute commands of the computer program to translate the program into machine language to control at least one component of the system.
  • the present arrangement and system are particularly suited to the application and provision of a micro-scale laboratory.
  • the present arrangement and the present system can be used as platform technology for manipulating and characterizing samples to be examined, for example proteins and/or drugs. All samples and/or substances that are usually handled in chemistry and/or in biochemistry and which can be transported and handled in and/or with transport liquids are particularly suitable here.
  • the present arrangement and the present system can be used to implement chromatographic methods for characterizing proteins, in particular active ingredients in medicines.
  • biological samples, such as cells can also be transported, in particular without damage, since the present arrangement and the present system have no edges or the like that can usually damage such samples.
  • synthetic methods can also be implemented.
  • synthesis reactions can be implemented in which reactants A and B react via intermediates to form C and further to D. If a reactant E is added, the reaction after D can optionally be interrupted so that the intermediate product C can be obtained. If the intermediate product C has only a short lifespan, the present arrangement and the present system is particularly suitable, since a laboratory with the small dimensions and short response times can be implemented in which the substance C without the undesirable product D or only with low formation of the undesired product D can be synthesized. In this way, reactions with competing flow paths in particular can be carried out economically, since the time scales of reactions, transport and mixing can be coordinated with one another.
  • the present invention relates to a computer program which, when run on a computer or computer network, executes the method for operating the arrangement or the system in one of its configurations.
  • the present invention relates to a computer program with program code means in order to carry out the method for operating the arrangement or the system in one of its configurations when the program is run on a computer or computer network.
  • the program code means can be stored on a computer-readable data carrier and/or a computer-readable storage medium.
  • computer-readable data carrier and “computer-readable storage medium” may refer specifically to non-transitory data storage, such as a hardware data storage medium, on which computer-executable instructions are stored.
  • the computer-readable data carrier or the computer-readable storage medium can in particular be or include a storage medium such as a random access memory (RAM) and/or a read-only memory (ROM).
  • RAM random access memory
  • ROM read-only memory
  • the present invention relates to a data carrier on which a data structure is stored, which after loading into a working and/or main memory of a computer or computer network, the method for operating the system or the system in one of its configurations can execute.
  • the present invention relates to a computer program product with program code means stored on a machine-readable carrier in order to carry out the method for operating the arrangement or the system in one of its configurations when the program is run on a computer or computer network becomes.
  • a computer program product is understood as the program as a tradable product. In principle, it can be in any form, for example on paper or on a computer-readable data medium, and can be distributed in particular via a data transmission network.
  • the present invention relates to a modulated data signal which contains instructions which can be executed by a computer system or computer network for carrying out a method for operating the arrangement or the system according to one of the described embodiments.
  • a computer system or computer network for carrying out a method for operating the arrangement or the system according to one of the described embodiments.
  • one, several or even all method steps of the method for operating the arrangement or the system according to one or more of the configurations proposed here can be carried out by means of a computer or computer network.
  • any of the method steps of the method for operating the arrangement or the system, including the provision and/or manipulation of data can be carried out by means of a computer or computer network.
  • these steps can include any of these method steps, excluding steps that require manual labor, such as providing samples and/or certain aspects of performing actual measurements and/or synthesis.
  • the terms “have”, “have”, “comprise” or “include” or any grammatical variations thereof are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms can refer both to situations in which, apart from the features introduced by these terms, no further features are present, or to situations in which one or more further features are present.
  • the expression 'A has B', 'A has B', 'A comprises B' or 'A includes B' can both refer to the situation in which, apart from B, no other element in A is present (i.e. to a situation in which A consists exclusively of B), as well as to the situation in which, in addition to B, there are one or more other elements in A, e.g. element C, elements C and D or even more items.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a system according to the invention in a schematic side view
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an electrode triple in plan view
  • FIGS. 3A and 3B show a first exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for generating liquid flows, in plan view
  • FIGS. 4A to 4C show a second exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for generating liquid flows, in a plan view
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for generating liquid flows, in a plan view
  • FIGS. 6A to 6D show exemplary embodiments of an electrical connection element for use in a system according to the invention
  • FIGS. 7A to 7C show exemplary embodiments of a system according to the invention in plan view
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a control unit for use in a system according to the invention
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a coupled activation of the control unit in the system according to the invention.
  • Figure 10 shows an exemplary embodiment of a system according to the invention
  • FIGS. 11A and 11B show exemplary uses of a system according to the invention for transporting diffuse samples.
  • Figure 12 is a flow chart of an exemplary embodiment of a method for
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a system 110 according to the invention in a schematic side view.
  • the system comprises at least one arrangement 112 for generating liquid flows 114 according to the present invention, for example according to one or more of the configurations described above and/or according to one or more of the configurations described in more detail in the following figures.
  • the system 110 comprises at least one device for providing electrical voltages 116.
  • the arrangement 112 for generating liquid streams 114 from at least partially electrically charged particles 118, which are located in a liquid 120, comprises a substrate 122 with controllable means 124 for providing electrical voltages for a large number of particles located on a surface 126 of the substrate 122 Electrode triples 128.
  • FIG. In the following FIGS. 3 to 5 in particular, the multiplicity of electrode triples 128 comprised by the arrangement 112 is shown.
  • An electrode triple 128 can, in particular, comprise three electrodes 130 configured separately from one another.
  • the electrodes 130 of an electrode triple 128 can be arranged at a spatial distance 132 from one another in such a way that the spatial distance 132 of the electrodes 130 preferably assumes a value of 0.05 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the electrodes 130 are equidistant within an electrode triplet 128 arranged distantly.
  • varying spatial distances 132 between the electrodes 130 of an electrode triple 128 are also possible.
  • controllable means 124 can be set up to provide the electrical voltage to the plurality of electrode triples 128 in such a way that the electrical voltage at each electrode 130 comprised by the electrode triple 128 is shifted relative to one another by a phase difference.
  • the phase shift between the electrodes 130 comprised by the electrode triplet 128 can depend in particular on the spatial distance 132 .
  • the phase shift between the electrodes 130 is explained in more detail in the following description, particularly in FIGS.
  • the electrode triples 128 can be located not only on the surface 126 of the substrate 122, but also at least partially on the surface 126 of the substrate 122.
  • the multiplicity of electrode triples 128 attached to the surface 126 of the substrate 122 can be separated from a flow region 136 of the liquid 120 in particular by an insulating layer 134 .
  • the insulating layer 134 can particularly preferably form a planar surface 138 and/or a smooth surface 140 for the liquid flows 114 .
  • the plurality of electrode triples 128 is arranged in such a way that when an electrical voltage is applied, the electrode triples 128 generate at least two movable electrical field components 142 that are independent of one another, each of which causes a force 144 on the electrically charged particles 118, causing the liquid 120 to separate into at least two separate different directions 146 on the substrate 122 is movable. Only one electric field component 142 and one direction 146 is visible in FIG. 1 due to the side view of the system 110 and the arrangement 112 . The at least one further electric field component 142 and the at least one further direction 146 would point into or out of the image plane, for example.
  • the electrical voltage at the electrodes 130 of an electrode triple 128 can be provided in particular by the device for providing electrical voltages 116 .
  • the device for providing electrical voltages 116 can comprise a three-phase current source 148 and/or a three-phase current generator 150 .
  • the large number of electrode triples 128 can in particular be charged with an alternating voltage, particularly preferably with a three-phase current.
  • a region 152 can form on the planar surface 138 and/or on the smooth surface 140 of the insulating layer 134, in which there is a charge imbalance between positively electrically charged particles 118 and negatively electrically charged particles 118.
  • an electrical double layer can be formed in the liquid 120 in this region 152, in particular since surface charges (not shown) are usually present on the planar surface 138 and/or on the smooth surface 140.
  • a volume force can be transferred to the liquid 120 by the force 144 acting on the electrically charged particles 118, as a result of which the liquid 120 can be moved.
  • a further region 154 at a sufficient distance from the planar surface 138 and/or at the smooth surface 140 of the insulating layer 134 there can be an equilibrium between the electrically charged particles 118 .
  • liquid flows 114 can be induced by viscous interaction between the liquid 120 in area 152 and the liquid 120 in the neutral area 154 .
  • a method for operating arrangement 112 for generating liquid flows 114 or for operating system 110 thus comprises applying an electrical voltage to the at least one electrode triplet 128, preferably at least two electrode triplet 128, by controllable means 124 in such a way that liquid 120 flows .
  • the electrical voltage can particularly preferably be applied in the form of a three-phase current, the three-phase current having a frequency of 1 kHz to 1000 kHz, particularly preferably 10 kHz, and an amplitude of 0.01 V to 10 V, particularly preferably 0.025 V, has.
  • system 110 can include further, optional components. Further exemplary embodiments of the system 110 can be found in the following figures, in particular in Figures 7A to 7C and in Figure 10.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the electrode triplet 128 in a plan view.
  • the electrodes 130 of the electrode triplet 128 have a similar geometric shape.
  • the electrodes 130 have an elongated, rectangular shape.
  • the electrodes 130 can be oriented in the north-south direction with their elongated shape. If the electric voltage is applied to these electrodes 130, the electrode triple 128 can generate a liquid flow 114 in the west-east direction or in the east-west direction, depending on the direction of rotation of the electric voltage.
  • Electrodes 130 of the electrode triplet 128, as already mentioned above, are subjected to the electrical voltage by the controllable means 124 in such a way that the electrodes 130 of the electrode triplet 128 have a phase difference from one another.
  • the electronic voltage at the electrodes 130 of the electrode triplet 128 has a phase difference of 120° from one another.
  • a first electrode 156 has a phase cp
  • a second electrode 158 has a phase cp+120°
  • phase differences between the electrodes 130 of the electrode triplet 128 are also possible.
  • FIGS. 3A to 5 show various exemplary embodiments of the arrangement 112 according to the invention for generating liquid flows 114 in a plan view.
  • a square shape of the arrangement 112 is initially selected as an example in FIGS. 3A and 3B.
  • the arrangement 112 comprises the plurality of electrode triplets 128 which are arranged on the surface 126 of the substrate 122.
  • the electrode triples 128 comprised by the arrangement 112 can be designed in particular as shown in FIG.
  • the arrangement 112 comprises six electrode triples 128, each with three electrodes 130, i.e. a total of 18 electrodes.
  • Some of the electrode triples 128 comprised by the arrangement 112 can be oriented in the north-south direction, with these electrode triples 128 being able to generate liquid flows 114 in the west-east direction or in the east-west direction.
  • Another part of the electrode triples 128 comprised by the arrangement 112 can be rotated by an angle in comparison to the former electrode triples 128 .
  • the other part of the electrode triplet 128 comprised by the arrangement 112 is rotated by 90°.
  • other angles and geometries in the arrangement are also possible, as shown in particular in FIG.
  • the other part of the electrode triples 128 included in the arrangement can therefore be aligned in the west-east direction, with these electrode triples 128 being able to generate liquid flows 114 in the north-south direction or in the south-north direction.
  • FIG. 3B A possible wiring of the arrangement 112 shown in FIG. 3A is shown in FIG. 3B.
  • the controllable means 124 comprised by the arrangement 112 are shown in a plan view.
  • the controllable means 124 can be applied to the surface 126 of the substrate 122 and/or accommodated by a volume of the substrate 122 .
  • the controllable means 124 can be in one level below the plurality be arranged on electrode triples 128 in the substrate 122 or below the substrate 122.
  • the controllable means 124 can have a multiplicity of conductor tracks 162 and a multiplicity of electrical connections for the electrodes 164 .
  • the electrical conductor tracks 162 can produce an electrically conductive connection to the electrodes 128 comprised by the plurality of electrode tricycles 128 via the electrical connections for the electrodes 164 .
  • the controllable means 124 can in particular include a number of electrical conductor tracks 162 corresponding to the plurality of electrodes 130 and electrical connections for the electrodes 164 .
  • the controllable means 124 consequently each comprise 18 conductor tracks 162 and electrical connections for the 18 electrodes 130.
  • the controllable means can also have electrical connections for drive elements 166.
  • the electrical connections for drive elements 166 can be arranged in particular on a border 168 of the controllable means 124 .
  • the dimensions of the controllable means 124 and of the electrodes 130 can in particular correspond to one another. In particular, this can favor the production of the arrangement 112 with the same production technology both at the level of the controllable means 124 and at the level of the electrodes 130.
  • FIGS. 4A to 4C An alternative wiring of the arrangement 112 shown in FIG. 3A is shown in FIGS. 4A to 4C.
  • a first level of the arrangement 112 is shown in FIG. 4A, a second level of the arrangement 112 in FIG. 4B and a third level of the arrangement 112 in FIG. 4C, each in a plan view.
  • FIG. 4A shows the first level of the arrangement 112 with the plurality of electrode triples 128 arranged therein.
  • Figure 4B shows a second, middle level of the arrangement 112 with the electrical connections arranged therein for the electrodes 164 of the controllable means 124.
  • Figure 4C there is a third, lowest level of the arrangement 112 with the conductor tracks 162 of the controllable means 124 arranged therein shown. As shown in FIG.
  • the controllable means 124 can also only include a number of conductor tracks 162 corresponding to the plurality of electrode triples 128 .
  • the controllable means therefore comprise only six conductor tracks 162, in contrast to the 18 conductor tracks 162 in FIG. 3B.
  • the multiplicity of electrode triples 128 can be electrically contacted with the electrical connections 164 .
  • the controllable means 124 can have additional electrical connections 170, the additional electrical connections 170 connecting selected electrodes 130 to one another. The electrodes 130 connected in this way can, in particular, be selected from different, adjacent electrode triples 128 be.
  • a first electrode 156 of an electrode triple 128 can be connected to a first electrode 156 of another, adjacent electrode triple 128 via the additional electrical connections.
  • the second electrodes 158 and third electrodes 160 of adjacent electrode triples 128 can be connected.
  • Figure 5 shows an alternative geometry of the array 112.
  • the plurality of electrode triples 128 are arranged in a hexagonal configuration.
  • the electric triples 128 can each be rotated at an angle of 60° to one another.
  • the arrangement 112 also includes six electrode triples 128.
  • at least three independent electrical field components can be generated here: With this exemplary embodiment, one electrical field component each can be generated in the west-east direction , an electric field component in the southwest-northeast direction and an electric field component in the southeast-northwest direction are generated.
  • FIGS. 6A to 6D Various exemplary embodiments of an electrical connection element 172 for use in a system 110 according to the invention are shown in FIGS. 6A to 6D.
  • the system 110 is shown at its conductor level in FIGS. 6A to 6D.
  • the embodiment of the system 110 shown in Figures 6A to 6D has twelve Anord voltages 112 for generating liquid flows 114, which are arranged in a matrix-shaped network 174 in rows 176 and columns 178 such that a common flow area 136 of the liquid 120 over the Arrangements 112 across arises.
  • Arrangements 112 can be used particularly preferably in one of the embodiments shown in FIGS. 3A to 4C.
  • the electrical connection element 172 can be set up to electrically connect at least two arrangements 112 for generating liquid flows 114 in the system 110 to one another.
  • the electrical connector may be located at one end of a column 178 to connect at least two assemblies 112 across two adjacent columns 178.
  • the electrical connection element 172 can also be arranged at the end of a row.
  • FIG. 6B shows a schematic exemplary embodiment of the electrical connection element 172, the electrical connection element 172 being implemented in layers below the arrangements 112 here.
  • the electrical connection element 172 can also be arranged in the middle of a row 176 and/or a column 178 .
  • Figure 6C Such an example is shown in Figure 6C.
  • a further electrical conductor path 180 is provided.
  • Figure 6D is finally, a simplified representation of the arrangement 112 with an underlying electrical connection element 172 is shown. This is illustrated by hatching on array 112 in FIG. 6D.
  • FIGS. 7A to 7C Further exemplary embodiments of the system 110 according to the invention are shown in a plan view in FIGS. 7A to 7C.
  • the plurality of arrangements 112 comprised by the system 110 are also arranged in the matrix-shaped interconnection 174 in these exemplary embodiments.
  • the system 110 shown in Figure 7A includes 32 assemblies 112 for generating liquid streams 114.
  • the arrangements 112 can generate liquid streams 114 that are identical or different in direction and speed.
  • FIG. 6D the arrangements 112 connected by the electrical connecting element 172 in FIGS. 7A to 7C are shown hatched.
  • the system 110 can have at least one control unit 182 .
  • the control unit 182 can be set up to control the application of the electrical voltage to the plurality of electrode triples 128 by means of the controllable means 124.
  • the control unit 182 can be set up to control the direction and speed of the liquid flows 114 on the individual arrangements 112.
  • the control unit 182 can be supplied with an input signal via a data bus 184 .
  • An exemplary embodiment of the control unit 182 is described in detail in FIG. For the description of the control unit 182, reference is made to the description of FIG.
  • the arrangements 112 can be connected to the control unit 182 via the electrical connections for drive elements 166 .
  • the control unit 182 can have at least one connection point 186, particularly preferably a large number of connection points 186, at which the control unit 182 can be connected to the electrical connections for drive elements 166 of the arrangements 112.
  • the control unit 182 can have at least one further connection point 188 to the data bus 184 .
  • the system 110 can also comprise two control elements 182, corresponding to the embodiment shown in FIG. 7B.
  • the control elements 182 can be arranged separately from one another in the system 110 . In particular, this can facilitate contacting the multitude of arrangements 112 comprised by the system 110 .
  • the system 110 can include at least one liquid reservoir 190, as shown in FIG. 7C.
  • the liquid reservoir 190 can be set up to store the liquid 120 in which at least some of the electrically charged particles 118 are located.
  • the liquid reservoir 190 can be connected to the arrangement 112, preferably to the plurality of arrangements 112 comprised by the system 110, via at least one connection channel 192.
  • the liquid reservoir 190 can therefore be set up to supply the liquid 120 to the arrangement 112, preferably to the plurality of arrangements 112, via the at least one connection channel 192.
  • the liquid reservoir 190 comprises two connecting channels 192, one connecting channel 192 each being provided for a flow direction 194 of the liquid 120 toward the arrangement 112 and away from the arrangement 112.
  • the connecting channel 192 can comprise a multiplicity of electrodes 196 to which alternating current can be applied, as a result of which the liquid 120 can be transported by means of electroosmosis.
  • a voltage source 198 can be connected via a contact 200 to the liquid reservoir 190 .
  • the system 110 can have a ground 202 so that there is a potential difference between the liquid reservoir 190 and the system 110 . Electrical wall charges can be applied to the walls of the connecting channel 192 so that the liquid 120 can be transported in both directions due to the potential difference between the liquid reservoir 190 and the system 110 depending on the polarity of the wall charge and/or the polarity of the potential difference.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of the control unit 182 for use in a system 110 according to the invention.
  • the control unit 182 can be designed as a passive control unit or as an active control unit 204 .
  • An exemplary embodiment of an active control unit 204 is shown in FIG.
  • the active control unit 204 may include at least one microprocessor 206 .
  • the microprocessor 206 can receive at least one input signal from the data bus 184 via a connection point 208 .
  • the active control unit 204 can store the at least one input signal in at least one memory element 208, preferably on a digital memory.
  • the input signal can, in particular, contain information about which of the electrode tricycles 128 are to be supplied with electrical voltage.
  • the active control unit 204 can also be supplied with the necessary power from the outside with at least three conductors.
  • a forwarding of the applied electrical voltage to the electrical conductor tracks 162, which lead to the electrode triples 128 can only be successful if the corresponding storage element 208 in the active control unit 204 has the appropriate state.
  • a direction of rotation of the alternating voltage at the electrode triples 128 can be defined via stored information about the direction of rotation of the alternating voltage.
  • the active signal and the information about the direction of rotation of the AC voltage, which is stored in the storage element 208, and the analog signal of the electrical voltage can be linked by means of an analog switch 210 in such a way that only the desired electrode triples 128 are charged with electrical voltage.
  • the at least one memory element 208 in the active control unit 204 can advantageously be acted upon as a shift register 212 .
  • the input signal to be stored can be transmitted to the active control unit 204 via the data bus 184 .
  • a clock signal can be supplied from the outside.
  • the data bus, the power supply and the clock signal can also function via a bus comprising at least two conductors. As a result, leads to the active control unit 204 can be saved.
  • each register level 212 can include at least one memory for the active state and the information about the direction of rotation of the alternating voltage of the electrode triplet 128 . Intermediate memory levels can thus be filled serially with information via the data bus 184 without the state of an active register level 212 and thus the electrode triples 128 changing.
  • the content of the buffer level can be copied in parallel to the active register level 212 by a single copy operation, for example a write command. All of the electrode triples 128 of the system 110 can thus be reset at the same time.
  • control unit 182 can also be designed as a passive control unit.
  • the passive control unit can include the bonding of row and column traces at an edge of the system 110 .
  • the electrode triples 128 can be controlled at crossing points of the row and column conductor tracks. Can be particularly preferred 3 rows and 3 rows of conductors can be charged with the electrical voltage at the same time.
  • the system 110 shown as an example in FIG. 7A comprises 32 arrangements 112 and must therefore be supplied with up to 64 three-phase current signals.
  • the supply can be made by multiplexing with a high switching frequency and subsequent smoothing with capacitors.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a coupled activation of the control unit 182 in the system 110 according to the invention.
  • the input signal 214 can include the at least one active signal and the at least one piece of information about the direction of rotation of the alternating voltage at the electrode triples 128 for each row, here numbered consecutively from A to H, and for each column, here numbered consecutively from I to VIII.
  • the at least one active signal and the information about the direction of rotation of the AC voltage can for each electrode triple 130 of an arrangement 112, the liquid currents 114 generate in a direction 146, assume different states.
  • the active signal for electrode triples 130 in the west-east direction can assume the states on (1) or off (0).
  • the information about the direction of rotation of the AC voltage can contain information about the direction 146, for example a state (+) for liquid flows 114 in a west-east direction or a state (-) for liquid flows 114 in an east-west direction.
  • the active signal and the information about the direction of rotation of the AC voltage can also assume corresponding states for electrode triples 130 in the north-south direction.
  • FIG. 10 shows a further exemplary embodiment of the system 110 according to the invention in a plan view.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 10 can be used in particular as a fluid machine 216.
  • the fluid machine 216 can have an inlet 218 into which the liquid 120 can be fed through pipetting openings 220 .
  • the liquid 120 can be supplied to the arrangements 112 comprised by the system 110 via a connection element 222 .
  • the connection element 222 can in particular include at least one liquid channel 224 .
  • the system 110 may include a variety of arrangements 112 that perform the computational operations to be performed of the fluid machine 216 in mixing, selection and/or transport processes of the liquid 120.
  • the multiplicity of arrangements 112 can also be referred to as a fluid process unit 226 .
  • the fluid machine 216 can also have an outlet 228 which, in particular, can be configured analogously to the inlet 218 . Furthermore, the fluid machine 216 can have a multiplicity of storage elements 230 which can be set up for the intermediate storage of the liquid 120 .
  • the memory elements 230 can be used in particular as RAM memory and can be connected to the fluid process unit 226 via connection elements 222 .
  • the fluid machine 216 can have an internal fluid reservoir 232 which is connected to the fluid processing unit 226 via fluid channels 234 .
  • the fluid passages 224 of the tethers 222 may be connected via a Y-junction to the fluid passages 234 of the internal fluid reservoir 232 on the fluid processing unit 226 to maintain continuity of the fluid flows 114 .
  • the fluid machine can have an outer liquid reservoir 236 which is set up to flush the inner liquid reservoir 232 .
  • the fluid machine 216 can have further add-on elements 238, for example additional mixing devices and/or measuring devices.
  • FIGS. 11A and 11B Examples of uses of the system 110 according to the invention for transporting diffuse samples 240 are shown in FIGS. 11A and 11B. Sections of the system 110 are shown in a chronological sequence.
  • a diffuse sample may be transported in a closed flow tube 242 in the system 110 as shown in FIG. 11A.
  • the diffuse sample is transported in the west-east direction 244 in the system.
  • Figure 11B the transport of the diffuse sample to an exit 246 is shown.
  • the closed stream tube 242 can be expanded via the outlet 246 in such a way that the diffuse sample 240 can be transported into the outlet 246 .
  • FIG. 12 shows a flow chart of an exemplary embodiment of a method 248 for producing the system 110 for generating liquid streams 114.
  • the method 248 comprises the steps specified in more detail below. These steps can be performed in the order listed. However, a different sequence is also possible in principle. Furthermore, two or more of the method steps mentioned can be carried out with a time overlap or at the same time. Furthermore, one or several of the above process steps are carried out simply or repeatedly. In addition to the steps mentioned, the method 248 can include further method steps which are not mentioned.
  • the method 248 for manufacturing the system 110 includes:

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen (118), die sich in einer Flüssigkeit (120) befinden, umfassend ein Substrat (122) mit steuerbaren Mitteln (124) zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen für eine Vielzahl von sich auf einer Oberfläche (126) des Substrats (122) befindlichen Elektrodentripeln (128), wobei die Vielzahl der Elektrodentripel (128) derart angeordnet ist, dass die Elektrodentripel (128) bei Anlegen einer elektrischen Spannung zumindest zwei voneinander unabhängige bewegliche elektrische Feldkomponenten (142) erzeugen, die jeweils eine Kraft (144) auf die elektrisch geladenen Teilchen (118) bewirken, wodurch die Flüssigkeit (120) in zumindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen (146) auf dem Substrat (122) bewegbar ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein System (110) umfassend mindestens eine Anordnung (112), ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung (112), ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung (112) oder des Systems (110), und ein Computerprogramm.

Description

ANORDNUNG, SYSTEM UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG VON FLÜSSIGKEITSSTRÖMEN
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströ men, ein System umfassend mindestens eine Anordnung, sowie Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb der Anordnung oder des Systems. Die Vorrichtungen und Verfahren ge mäß der vorliegenden Erfindung können insbesondere auf dem Gebiet der Mikrofluidik eingesetzt werden. So können die Vorrichtungen und Verfahren zur Miniaturisierung eines Analyselabors, beispielsweise für die Analyse von Flüssigkeiten oder darin enthaltenen Komponenten, eingesetzt werden. Andere Anwendungen sind denkbar.
Stand der Technik
Für die Bereitstellung eines Labors im Mikromaßstab, das insbesondere ohne bewegte Tei le, beispielweise rein elektrisch funktioniert, stehen im Allgemeinen verschiedene Techno logien zur Verfügung. So können zum Transport von Flüssigkeiten einerseits elektrische Volumeneffekte und/oder Oberflächeneffekte ausgenutzt werden. Beispielsweise kann hierfür eine so genannte „Elektrobenetzung“ eingesetzt werden, welche insbesondere im Rahmen der digitalen Mikrofluidik Anwendung findet. Weiterhin bieten Antriebe, welche auf den Phänomenen von Elektroosmose und Elektrophorese, die zur Klasse der elektroki netischen Effekte gehören, beruhen, eine weitere Möglichkeit zur Bereitstellung eines La bors im Mikromaßstab.
Als „Elektroosmose“ wird die Bewegung einer Flüssigkeit unter dem Einfluss eines extern induzierten elektrischen Feldes bezeichnet. An der Oberfläche (Wand) eines Substrats sind in der Regel elektrische Ladungen vorhanden. Kommt die Oberfläche in Kontakt mit einer Flüssigkeit, die frei bewegliche elektrische Ladungen beinhaltet, bildet sich eine so ge nannte „elektrische Doppelschicht“ aus. Die Ladung an der Oberfläche des Substrats zieht Ladungsträger der Flüssigkeit, die entgegensetzt zur Ladung der Oberfläche geladen sind, an. Die Elektroneutralität der Flüssigkeit ist in der elektrischen Doppelschicht durch den Ladungsüberschuss dann nicht mehr gegeben. Durch das extern induzierte elektrische Feld wandern die überschüssigen Ladungsträger in der elektrischen Doppelschicht in eine Vor zugsrichtung. Aufgrund von viskosen Wechselwirkungen wird dadurch eine Bewegung der umgebenden Flüssigkeit verursacht. Die Geschwindigkeit der Bewegung ist proportional zum Betrag des induzierten elektrischen Felds. Der Proportionalitätsfaktor wird elektro osmotische Mobilität genannt.
Unter „Elektrophorese“ wird eine gerichtete Bewegung von zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen in einer Flüssigkeit oder eines Gels unter Einwirkung eines angelegten elektrischen Feldes verstanden. Die Geschwindigkeit der Teilchen ist proportional zum Betrag des angelegten elektrischen Felds. Der Proportionalitätsfaktor wird „elektrophoreti sche Mobilität“ genannt. Die Mobilitäten sind in der Regel spezifisch und von der umge benden Flüssigkeit abhängig.
Im Allgemeinen weisen Anwendungen, die auf bekannten Antrieben mittels Elektroosmo- se oder Elektrophorese beruhen, üblicherweise festverdrahtete Kanäle auf, an denen im Vergleich zur Zersetzungsspannung der Flüssigkeit hohe Spannungen anliegen, um eine Bewegung der Flüssigkeit zu induzieren.
In WO 2007/090531 Al und DE 10 2006 004 887 Al wird jeweils eine spezielle Anord nung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmungen bzw. Teilchenströmen aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen in einer Flüssigkeit beschrieben, welche ohne fest verdrahtete Kanäle Strömungen erzeugt. Die Anordnung umfasst ein Substrat und steuer bare Mittel zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen für eine Vielzahl von Elektro denpaaren auf der Oberfläche des Substrats, die ein elektrisches Feld erzeugen, das inner halb der elektrischen Doppelschicht eine Kraft auf den an die Oberfläche des Substrats angrenzenden Teil der Flüssigkeit ausübt und sowohl innerhalb als auch außerhalb der elektrischen Doppelschicht eine Kraft auf die Teilchen ausübt, wobei die Oberfläche des Substrats in Form einer Matrix in Bereiche untergliedert ist, die sich in Betrag oder Vor zeichen ihrer Oberflächenladung oder in ihrer Höhe über dem Substrat unterscheiden. Wei terhin wird ein Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb einer derartigen Anordnung sowie ihre Verwendung als programmierbare mikrofluidische Analyse- oder Syntheseein heit oder zur lokalen Kühlung eines angrenzenden mikroelektronischen Bauteils oder Pro zessors beschrieben.
Eine solche Anordnung ist im Allgemeinen zwar frei programmierbar und kann somit ein komplettes Labor im Mikromaßstab darstellen, findet aber noch keine Umsetzung, da die elektrische Doppelschicht eine Ab Schirmwirkung aufweisen kann, wodurch sich der elekt rokinetische Effekt auf die Flüssigkeit stark reduziert. Daher sind solche Antriebe im All gemeinen ineffektiv, da üblicherweise nur geringe Strömungsgeschwindigkeiten erzielt werden können. Weiterhin benötigt eine Aufprägung von elektrischen Oberflächenladun gen in einer solchen Anordnung elektrische Steuermittel, welche zusätzlichen Platz in An spruch nehmen und daher die Miniaturisierung eines Labors im Mikromaßstab begrenzen.
Eine weitere Möglichkeit zur Bereitstellung eines Labors im Mikromaßstab kann die AC- Elektroosmose darstellen, mittels welcher Strömungen von Flüssigkeiten erzeugt werden können. Im Allgemeinen wird die AC-Elektroosmose mit Paaren von Elektroden und spe ziellen Geometrien realisiert. Häufig treten dabei jedoch Wirbel und weitere 2- oder 3- dimensionale Strukturen in der Strömung auf, die grundsätzlich nicht erwünscht sind. In einer Variante kann in einer symmetrischen Geometrie mit vier Elektroden eine sogenann te „Wanderwellen-Elektroosmose“ umgesetzt werden.
A. Ramos, H. Morgan, N.G. Green und A. Castellanos beschreiben in „AC Electric-Field- Induced Fluid Flow in Microelectrodes”, J. Colloid and Surface Sciences 1999, Band 217, S. 420-422, die Anregung von Partikeln in einer Suspension mittels Wechselstrom- Elektrokinetik auf einer Mikroelektrodenstruktur, wobei eine starke Frequenzabhängigkeit beobachtet wurde.
A. Ramos, H. Morgan, N.G. Green, A. Gonzales und A. Castellanos beschreiben in „Pum- ping of liquids with travelling-wave electroosmosis”, Journal of Applied Physics 2005, Band 97, S. 084906-1 bis 084906-8, eine Anordnung von Mikroelektroden, die durch An legen eines wandernden elektrischen Potentials einen Nettofluss eines Elektrolyten indu zieren.
In „Microfluidic mixing on application of traveling wave electroosmosis”, European Jour nal of Mechanics B/Fluids 2014, Band 48, S. 153 bis 164 beschreiben K. Huang, Z. Hong und J. Changa eine Mischtechnik unter Verwendung einer Vier-Phasen-Wanderwellen- Elektrodenanordnung. Wanderwellen-Elektrodenanordnungen, die Wechselstromsignalen ausgesetzt sind, sind auf beiden Seiten von Mikrokanalwänden angeordnet, wodurch ein chaotischer Mischmechanismus für einen kurzen Mikrokanal und eine angelegte Wechsel spannung mit niedriger Amplitude geschaffen wird.
A. Shamloo, M. Mirzakhanloo und M. R. Dabirzadeh beschreiben in „Numerical Simulati on for efficient mixing of Newtonian and non-Newtonian fluids in an electro-osmotic micro-mixer”, Chemical Engineering and Processing 2016, Band 107, S. 11 bis 20, eine zweiphasige Elektrodenanordnung, an welche Wechselstromsignale angelegt werden und die sich in bestimmten Teilen der Geometrie befindet. Dies trägt wesentlich zu einem chaotischen Mischmechanismus bei, der auf einer Wechselspannung mit niedriger Amplitude innerhalb eines Mikrokanals beruht.
US 7,708,873 B2 offenbart Vorrichtungen und Geräte zum effizienten Pumpen und/oder Mischen von relativ kleinen Mengen an Flüssigkeit. Die beschriebenen Vorrichtungen nut zen die nichtlineare Elektrokinetik als primären Mechanismus für den Antrieb des Flüssig keitsstroms. Weiterhin werden Verfahren der Zellanalyse und des Hochdurchsatzes, sowie Verfahren für multiple Produktbildung unter Verwendung von entsprechenden Vorrichtun gen beschrieben.
In J.H. Noh, J. Noh, E. Kreit, J. Heikenfeld und P.D. Rack, “Toward active-matrix lab-on- a-chip: programmable electrofluidic control enabled by arrayed oxide thin transistors”, Lab Chip, 2012, 12, 353, wird eine elektrofluidische Vorrichtung vorgestellt, die aus einer Ak tiv-Matrixanordnung von Dünnfilm-Transistoren (Thin-Film-Transistors, TFT) besteht. Darauf werden in Öl eingebettete wässrige Proben durch Elektrobenetzung bewegt. Die vorgestellte Aktiv-Matrix-Bauweise ermöglichte die Reduktion der Leitungen von m x n auf m + n, wobei m und n die jeweilige Anzahl der TFT-Elemente in eine Richtung be zeichnen, da so einzelnen Reihen nacheinander mit einem Anregungssignal beaufschlagt werden können.
In US 2013/0146459 Al werden Vorrichtungen, Geräte und Verfahren zum effizienten Pumpen und/oder Mischen relativ kleiner Fluidmengen beschrieben. Das Fluid enthält eine Probe innerhalb einer inneren Fluidphase, die in einer äußeren Phase dispergiert ist. Die Vorrichtungen nutzt nichtlineare Elektrokinetik als primären Mechanismus zum Antreiben des Fluidstroms und/oder zum Mischen des Fluids. Hierin werden unter anderem Verfah ren der Zellanalyse und der Arzneimittelabgabe beschrieben.
N. Loucaides, A. Ramos und G. E. Georghiou beschreiben in „Novel Systems for configu- rable AC electroosmotic pumping“, Microfluid Nanofluid, 2007, 3, 709-714 ein Verfahren zur Erzeugung und Verwendung geometrischer Asymmetrien für AC elektroosmotische Pumpen. Das Verfahren umfasst ein Gruppieren von Elektroden gleicher Spannung derart, dass veränderliche Asymmetrien in periodischen Elektrodenanordnungen erzeugt werden können, die eine Nettogeschwindigkeit des AC elektroosmotischen Flusses hervorrufen. A. Farzanehnia und A. Taheri beschreiben in „Optimization and parametric study of AC electroosmotic micropumping by response surface method“, SN Applied Sciences, 2019, 1:1556, eine Simulation einer ACEO Mikropumpe, in welcher periodische Elektrodenano rdnungen nach ihrer angelegten Spannung gruppiert werden, um Asymmetrien in der Elektrodenkonfiguration zu erzeugen.
EIS 2009/0314062 Al offenbart einen Fluidaktuator, umfassend einen piezoelektrischen Körper, einen Fluidkanal, der den piezoelektrischen Körper auf einem Teil seiner Innen wand aufweist und es einem Fluid ermöglicht, sich darin zu bewegen, sowie einen Ab schnitt zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen, um das Fluid in dem Fluidkanal durch akustische Oberflächenwellen anzutreiben, die von einer Interdigitalelektrode er zeugt werden, die auf der dem Fluidkanal zugewandten Oberfläche des piezoelektrischen Körpers angeordnet ist. Der Abschnitt zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen ist an einer von der Mitte des Fluidkanals versetzten Position angeordnet.
US 2005/0161327 Al beschreibt eine mikrofluidische Vorrichtung, umfassend ein Einlass reservoir zur Aufnahme von in einem fluiden Medium dispergierten, elektrisch geladenen Substanzen, einen mikrofluidischen Kreislauf, der in fluider Verbindung mit dem Einlass reservoir steht, und eine elektrische Transportvorrichtung zum Bewegen der elektrisch geladenen Substanzen entlang des mikrofluidischen Kreislaufs. Die elektrische Transport vorrichtung umfasst eine Anzahl von leitfähigen Bereichen, die entlang des mikrofluidi schen Kreislaufs angeordnet und durch Bereiche entgegengesetzten Typs getrennt sind, wobei die leitfähigen Bereiche elektrisch mit einer Spannungsquelle verbunden sind, um eine gepulste Spannung bereitzustellen, die die geladenen Substanzen entlang des mikro fluidischen Kreislaufs transportiert.
DE 10 2018 210 693 Al offenbart eine Vorrichtung mit wenigstens einer Flusszelle zur dielektrischen Trennung von Partikeln gemäß einer Wanderwellen-Dielektrophorese. Der Flusszelle ist eine mehrlagige Elektrodenanordnung zugeordnet, wobei die Elektrodenano rdnung zur Erzeugung von wenigstens zwei in einem Winkel zueinanderstehenden elektri schen, sich bewegenden Feldern in der Flusszelle eingerichtet ist.
Ungeachtet der Vorteile durch die im Stand der Technik bekannten Anordnungen und Ver fahren, verbleiben weiterhin noch zahlreiche technische Herausforderungen. Insbesondere mangelt es vielen System an ausreichender Leistung für eine anwendungsbezogene Umset zung. Im Allgemeinen ist der Wirkungsgrad bei bekannten Strömungsantrieben zu gering für eine realitätsnahe Umsetzung. Außerdem treten häufig unerwünschte Nebenwirkungen, wie beispielsweise eine erhöhte Wärmeentwicklung, beim Betrieb der Antriebe auf. Wei terhin bereiten die oben erwähnten Ab schirm eff ekte der elektrischen Doppelschicht techni sche Probleme bei der Umsetzung bekannter Lösungen. Insbesondere weisen einige der bekannten Anordnungen strukturierte, beispielsweise stufenförmige, Strömungskanäle auf. Eine derartige Strukturierung ist im Allgemeinen ungeeignet, freie Strömungen auf freien Oberflächen zu erzeugen. Andere bekannte Anordnungen verwenden verschiedene Ober flächenmaterialien, um eine Strömung zu erzeugen. Dabei können jedoch technische Prob leme, z.B. Rückströmungen, Wirbelbildung oder Schwierigkeiten bei Umsetzung einer scharfen Trennung von Oberflächenspannungen durch Isolation, auftreten.
Aufgabe der Erfindung
Es wäre daher wünschenswert, eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen, ein System sowie Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb der Anordnung bereitzustel len, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Ins besondere soll eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen mit verbesserter Antriebsleistung und erhöhter Strömungsgeschwindigkeit bereitgestellt werden, die An wendungen für ein Labor im Mikromaßstab ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen, ein System sowie Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb der Anordnung oder des Sys tems mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiter bildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargestellt.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen, die sich in einer Flüssigkeit befinden, umfassend ein Substrat mit steuerbaren Mitteln zur Bereitstel lung von elektrischen Spannungen für eine Vielzahl von sich auf einer Oberfläche des Substrats befindlichen Elektrodentripeln. Die Vielzahl der Elektrodentripel ist derart ange ordnet, dass die Elektrodentripel bei Anlegen einer elektrischen Spannung zumindest zwei voneinander unabhängige bewegliche elektrische Feldkomponenten erzeugen, die jeweils eine Kraft auf die elektrisch geladenen Teilchen bewirken, wodurch die Flüssigkeit in zu mindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen auf dem Substrat bewegbar ist. Der Begriff „Anordnung“ bezieht sich auf eine Kombination mehrerer Elemente, wobei die Elemente alleine oder gemeinsam eine Funktion erfüllen, die auf eine Handhabung einer Flüssigkeit gerichtet ist. Die Anordnung kann insbesondere im Bereich der Mikrofluidik verwendet werden, beispielsweise um Flüssigkeiten zu bewegen, zu separieren, zu vermi schen, zu analysieren und/oder zu charakterisieren. Dabei kann die Anordnung insbesonde re dazu eingerichtet sein, um Flüssigkeiten reaktionsschnell mit geringer Ansprechzeit zu bewegen. Der Begriff der „Ansprechzeit“ bezeichnet hierbei eine Zeitspanne zwischen einem Anlegen mindestens einer elektrischen Feldkomponente und dem Einsetzen einer Bewegung der Flüssigkeit. Insbesondere kann die vorliegende Anordnung dazu verwendet werden, mehrere Flüssigkeitsströme zu erzeugen, wobei sich die Flüssigkeitsströme in Richtung und/oder in Geschwindigkeit voneinander unterschieden können. Die vorliegen de Anordnung kann dabei als elektrokinetischer Antrieb, insbesondere als elektroosmoti scher Antrieb, betrachtet werden. Die Anordnung kann beispielsweise als elektrokineti scher Antrieb für ein Labor im Mikromaßstab verwendet werden. Die Anordnung kann weiterhin auch kombinierbar mit anderen Elementen und/oder Vorrichtungen sein, die üb licherweise im Bereich der Mikrofluidik verwendet werden, beispielsweise mit anderen Mikroantrieben, Mikropumpen, Mikroventilen und/oder Mikromischern. Insbesondere kann die Anordnung auch mit anderen, gleichartigen Anordnungen kombiniert werden, beispielsweise in einem System, wie weiter unter noch ausführlich erläutert wird.
Der Begriff „Erzeugung“ bezieht sich auf einen Vorgang, der mindestens einen Flüssig keitsstrom in der Anordnung auslösen, hervorrufen und/oder aufrechterhalten kann. Die Erzeugung von Flüssigkeitsströmen kann somit ein Auslösen, Hervorrufen und/oder Auf rechterhalten mindestens eines Flüssigkeitsstroms zumindest eines Teils der Flüssigkeit umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Erzeugung von Flüssigkeitsströmen eben falls das Auslösen, Hervorrufen und/oder Aufrechterhalten von mehreren Flüssigkeits strömen umfassen, wobei das Auslösen, Hervorrufen und/oder Aufrechterhalten mehrerer Flüssigkeitsströme in einer Ebene, die von der Oberfläche des Substrats der Anordnung aufgespannt wird, insbesondere unabhängig voneinander erfolgen kann. So können in der Anordnung mehrere Flüssigkeitsströme, insbesondere mindestens zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Flüssigkeitsströme, unabhängig voneinander erzeugt werden.
Der Begriff „Flüssigkeitsstrom“ bezieht sich auf eine gerichtete Bewegung einer Flüssig keit. Dabei bezeichnet der Begriff „Flüssigkeit“ mindestens eine Substanz, die einen flüs sigen Aggregatzustand aufweist. Insbesondere kann die Flüssigkeit eine im Wesentlichen inkompressible Substanz umfassen. Die Flüssigkeit kann als reine Substanz vorliegen oder, alternativ, auch als Gemisch von mindestens zwei Substanzen, beispielsweise als Emulsi- on, Lösung oder Suspension mindestens zweier Substanzen. Die Flüssigkeit kann insbe sondere auch eine Trägerflüssigkeit und darin zu handhabende Proben, insbesondere Parti keln, vorzugsweise anorganische Partikeln oder Zellen, und/oder diffuse Proben, umfassen. Als diffuse Probe wird ein räumlich abgegrenzter Bereich innerhalb der Trägerflüssigkeit bezeichnet, welcher sich bezüglich der Zusammensetzung und/oder bezüglich der Ionenzu sammensetzung von der Trägerflüssigkeit unterscheidet. Die diffuse Probe kann hierbei von der umgebenden Trägerflüssigkeit durch eine Diffusionsgrenzschicht getrennt sein.
Die gerichtete Bewegung der Flüssigkeit wird im Folgenden somit als „Flüssigkeitsstrom“ bezeichnet. Dabei kann eine quantifizierbare Menge der Flüssigkeit eine Ortsänderung erfahren. Insbesondere kann es sich bei dem Flüssigkeitsstrom um einen Massenstrom und/oder um einen Volumenstrom handeln. Hierbei kann also eine quantifizierbare Menge an Masse oder an Volumen der Flüssigkeit eine Ortsänderung erfahren. Die Ortsänderung kann dabei durch eine Strömungsgeschwindigkeit quantifiziert werden. Der Flüssigkeits strom kann in der Ebene der Oberfläche des Substrats der Anordnung bevorzugt ein homo genes Geschwindigkeitsprofil aufweisen, wobei das Geschwindigkeitsprofil insbesondere eine ortsabhängige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über einen Querschnitt des Flüssigkeitsstroms bezeichnet. Somit kann das homogene Geschwindigkeitsprofil im We sentlichen eine konstante Geschwindigkeit über den Querschnitt des Flüssigkeitsstroms aufweisen. Insbesondere kann keine Geschwindigkeitskomponente normal zur Oberfläche auftreten. Entlang der Oberfläche kann sich bevorzugt ein Blockprofil ausbilden, das min destens einem vorgegebenen Strömungspfad folgt und das quer zur Richtung des mindes tens einen Strömungspfads keine oder nur geringe Variationen aufweist. Außerhalb des mindestens einen Strömungspfads soll hierbei möglichst keine oder höchstens eine geringe Strömung erfolgen. Der mindestens eine Strömungspfad transportiert Flüssigkeit hierbei in gerichteter Form, vergleichbar mit einer Rohrleitung, und kann daher auch als „Strömungs röhre“ oder „Stromröhre“ bezeichnet werden. Jedoch sind auch andere Geschwindigkeits profile denkbar, beispielsweise inhomogene Geschwindigkeitsprofile mit über den Quer schnitt des Flüssigkeitsstroms veränderlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Die ortsab hängige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über den Querschnitt des Flüssigkeits stroms des inhomogenen Geschwindigkeitsprofils kann dabei einstellbar sein. Weiterhin kann der Flüssigkeitsstrom entlang von Strömungslinien verlaufen, welche wahlweise of fen oder geschlossen sein können. Die Strömungslinien können bevorzugt parallel zu der Oberfläche des Substrats verlaufen. Hierbei können Proben, insbesondere diffuse Proben, bevorzugt in geschlossenen Stromröhren einer Trägerflüssigkeit transportiert und/oder ge- handhabt werden. Dabei können Stromröhren mit einem geringen Durchmesser, insbeson dere von höchstens 500 pm, bevorzugt von höchstens 100 pm, insbesondere von höchstens 5 mih, besonders vorteilhaft im Hinblick auf einen geringen Energieaufwand, geringe Ver luste, geringe Wärmeentwicklung und/oder geringe Wirbelbildung sein.
In der Flüssigkeit befinden sich zumindest teilweise elektrisch geladene Teilchen. Der Be griff „elektrisch geladenes Teilchen“ bezieht sich auf einzelne Atome, Moleküle oder Komplexe, welche mindestens eine elektrische Elementarladung tragen. Insbesondere kön nen die elektrisch geladenen Teilchen auch mehrere, beispielsweise mindestens zwei ver schiedene Atome, Moleküle oder Komplexe umfassen. Alternativ oder zusätzlich können die elektrisch geladenen Teilchen auch höherwertige Gebilde umfassen, beispielsweise Nanoteilchen, welche aus bis zu 1000 Atomen oder Molekülen bestehen können. Die elektrisch geladenen Teilchen können mindestens eine negative Elementarladung oder mindestens eine positive Elementarladung tragen. In der Flüssigkeit können sich sowohl elektrisch geladenen Teilchen mit negativer elektrischer Ladung, elektrisch geladene Teil chen mit positiver elektrischer Ladung als auch elektrisch ungeladene, neutrale Teilchen befinden. Bevorzugt kann jedoch in einem Teilgebiet der Flüssigkeit eine Konzentration an elektrisch geladenen Teilchen mit einer Ladungsart eine andere Konzentration an elektrisch geladenen Teilchen der entgegengesetzt geladenen Ladungsart übertreffen, ins besondere in der elektrischen Doppelschicht. In einem anderen Teilgebiet kann ein Gleich gewicht der Konzentrationen von elektrisch geladenen Teilchen beider Ladungsarten vor handen sein. Die elektrisch geladenen Teilchen können der Flüssigkeit hinzugefügt sein. Beispielsweise können die elektrisch geladenen Teilchen in der Flüssigkeit gelöst oder suspendiert sein. Alternativ oder zusätzlich können die elektrisch geladenen Teilchen auch durch Reaktion in der Flüssigkeit erzeugt werden, beispielsweise durch Autoprotolyse. In der Flüssigkeit können neben den elektrisch geladenen Teilchen auch noch andere, insbe sondere elektrisch neutrale Teilchen vorhanden sein. In einer solchen Situation befinden sich folglich teilweise elektrisch geladene Teilchen und teilweise elektrisch neutrale Teil chen in der Flüssigkeit. Alternativ kann die Flüssigkeit auch ausschließlich aus elektrisch geladenen Teilchen bestehen, wie dies beispielsweise bei ionischen Flüssigkeiten der Fall ist.
Die Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfasst ein Substrat mit steuerba ren Mitteln. Der Begriff „Substrat“ bezieht sich auf eine Unterlage, umfassend einen Kör per, der ein Volumen aufweist, das über eine Oberfläche verfügt, die vorzugsweise in Form einer planaren Fläche vorliegt. Der Begriff „Oberfläche des Substrats“ bezieht sich dabei auf eine Fläche des Substrats, welche einem Strömungsbereich der Flüssigkeit zugewandt ist, während eine „Rückseite des Substrats“ eine weitere Fläche des Substrats bezeichnet, welche dem Strömungsbereich der Flüssigkeit abgewandt ist. In einer besonderen Ausge- staltung ist nur ein Teilbereich der Oberfläche des Substrats für die Bereitstellung der Flüs sigkeit vorgesehen sein; ein weiterer Teilbereich der Oberfläche kann Strukturen, die für weitere Zwecke eingerichtet sein können, aufweisen, insbesondere Messeinrichtungen oder Strukturen zur Strömungsführung, beispielsweise Versperrungen oder Hindernisse.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Oberfläche des Substrats direkt in Kontakt mit der Flüssigkeit stehen. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Oberfläche des Substrats durch eine weitere aufgebrachte Schicht, beispielsweise durch eine isolierende Schicht, von dem Strömungsbereich der Flüssigkeit getrennt sein. Insbesondere kann die auf der Oberfläche des Substrats angebrachte Vielzahl der Elektrodentripel durch eine iso lierende Schicht von dem Strömungsbereich der Flüssigkeit getrennt sein. Die isolierende Schicht kann eine ebene Oberfläche für die Flüssigkeitsströme bilden. Hierbei ist die ebene Oberfläche durch das Fehlen makroskopisch erfassbarer Höhenunterschiede gekennzeich net. Weiterhin kann die isolierende Schicht eine glatte Oberfläche für die Flüssigkeitsströ me bilden. Hierbei bezeichnet die „glatte Oberfläche“ eine Fläche mit einer Rauheit von höchstens 0,1 pm, bevorzugt von höchstens 0,05 pm, besonders bevorzugt von höchstens 0,01 pm.
Das Substrat kann aus einem nichtleitenden Material und/oder aus einem halbleitenden Material bestehen, bevorzugt aus Glas, Kunststoff und/oder Silizium. Die Oberfläche des Substrats kann insbesondere flach ausgestaltet sein. So können die steuerbaren Mittel bei spielsweise auf der Oberfläche des Substrats angebracht werden. In einer alternativen Aus führungsform können die steuerbaren Mittel jedoch auch zumindest teilweise von dem Substrat aufgenommen werden.
Der Begriff „steuerbare Mittel“ bezieht sich allgemein auf elektrisch leitfähige Elemente, welche von dem Substrat umfasst sind. Die steuerbaren Mittel können dabei elektrische Leiterbahnen umfassen, insbesondere eine Vielzahl von elektrischen Leiterbahnen. Bei spielsweise können die steuerbaren Mittel ein metallisches Material, Graphit und/oder ein halbleitendes Material, insbesondere ein dotiertes halbleitendes Material, umfassen. Die steuerbaren Mittel können besonders bevorzugt auf der Oberfläche des Substrats angeord net sein. Alternativ oder zusätzlich können die steuerbaren Mittel jedoch auch zumindest teilweise in dem Volumen des Substrats angeordnet sein. Die steuerbaren Mittel können in einer oder in mehreren Schichten auf dem Substrat oder in dem Volumen des Substrats angeordnet sein. Die steuerbaren Mittel können insbesondere eine einer Vielzahl an Elektroden entspre chenden Anzahl an elektrischen Leiterbahnen und an elektrischen Anschlüssen für die Elektroden aufweisen. Dabei können die elektrischen Anschlüsse die elektrischen Leiter bahnen der steuerbaren Mittel mit den Elektroden der Elektrodentripel verbinden. Die steuerbaren Mittel können weiterhin eine der Vielzahl an Elektroden entsprechenden An zahl an elektrischen Anschlüssen für ein Antriebselement aufweisen. Dabei können die elektrischen Anschlüsse für Antriebselemente auf der Rückseite des Substrats oder außer halb der Anordnung zugänglich sein.
Alternativ können die steuerbaren Mittel eine Anzahl an elektrischen Leiterbahnen umfas sen, die mindestens der Vielzahl an Elektrodentripel entspricht, höchstens jedoch der An zahl an Elektroden in den Elektrodentripeln. In einer bevorzugten Ausführungsform kön nen die steuerbaren Mittel eine Anzahl an elektrischen Leitbahnen umfassen, die mindes tens der Vielzahl an Elektrodentripel entspricht, jedoch geringer ist als die Anzahl der Elektroden in den Elektrodentripeln. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die steuerbaren Mittel genau eine der Vielzahl an Elektrodentripel entsprechenden Anzahl an elektrischen Leiterbahnen umfassen. Zusätzlich können die steuerbaren Mittel zumindest eine der Vielzahl an Elektrodentripel entsprechenden Anzahl an elektrischen Anschlüsse für die Elektroden umfassen. Weiterhin können die steuerbaren Mittel zusätzli che elektrische Anschlüsse für die Elektroden umfassen, wobei die zusätzlichen Anschlüs se ausgewählte Elektroden untereinander verbinden. Insbesondere können solche Elektro den verbunden werden, die entsprechend der noch näher zu erläuternden Steuerung der Anordnung auf ein gleiches elektrisches Potential gehoben werden.
Die steuerbaren Mittel sind dazu eingerichtet, elektrische Spannungen für eine Vielzahl von sich auf der Oberfläche des Substrats befindlichen Elektrodentripeln bereitzustellen. Der Begriff „elektrische Spannung“ bezieht sich auf jede Art einer elektrischen Potential differenz, die zwischen mindestens zwei elektrisch kontaktierbaren Orten besteht. Insbe sondere kann es sich hierbei um eine Wechsel Spannung handeln. Die elektrische Spannung kann mindestens eine Wechselspannung umfassen. In einer besonders bevorzugten Aus führung kann die elektrische Spannung drei Wechselspannungen umfassen, die jeweils um eine Phasendifferenz zueinander verschoben sind. Die Kombination von drei Wechsel spannungen wird im Folgenden auch als „Drehstrom“ bezeichnet. Dabei kann je eine Wechsel Spannung auf eine von dem Elektrodentripel umfasste Elektrode anlegbar sein. Bevorzugt kann die Phasenverschiebung 120° betragen. Jedoch sind auch andere Phasen verschiebungen denkbar. Die Wechselspannung kann dabei eine Amplitude von 0,005 V bis 10 V, bevorzugt von 0,01 V bis 0,1 V, und eine Frequenz von 1 kHz bis 1000 kHz, bevorzugt von 5 kHz bis 100 kHz, aufweisen. Eine optimale Kombination kann insbeson dere von einer Elektrolytkonzentration der Flüssigkeit abhängen. Besonders bevorzugt kann dabei eine Amplitude von etwa 0,025 V und eine Frequenz von 10 kHz bis 50 kHz bei einer Elektrolytkonzentration von 105 mol/1 bis 104 mol/1 sein. Andere Kombinationen sind ebenfalls möglich.
Der Begriff „Elektrodentripel“ bezieht sich auf eine Gruppierung von drei separat vonei nander ausgestalteten Elektroden. Ein Elektrodentripel kann somit drei voneinander ge trennt ausgestaltete Elektroden umfassen. Die Elektroden in dem Elektrodentripel können vorzugsweise eine gleichartige geometrische Form ausweisen. Die Elektroden eines Elekt rodentripels können insbesondere räumlich benachbart zueinander angeordnet sein. Die Elektroden eines Elektrodentripels können insbesondere mindestens ein elektrisch leitfähi ges Material, beispielsweise ein metallisches Material, ein halbleitendes Material und/oder ein dotiertes halbleitendes Material umfassen. Die Elektroden eines Elektrodentripels kön nen derart ausgestaltet sein, dass sie untereinander keine elektrische Verbindung aufwei sen. Dies schließt jedoch insbesondere die Möglichkeit nicht aus, dass Elektroden ver schiedener Elektrodentripel eine elektrische Verbindung untereinander aufweisen können. Das Elektrodentripel, insbesondere jede Elektrode eines Elektrodentripels, kann durch die steuerbaren Mittel elektrisch kontaktierbar sein. Die Elektrodentripel befinden sich auf der Oberfläche des Substrats. Die Elektrodentripel können beispielsweise auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht sein. Alternativ können die Elektrodentripel zumindest teilweise in der Oberfläche des Substrats aufgenommen sein. Die Elektrodentripel können durch eine isolierende Schicht von dem Strömungsbereich der Flüssigkeit getrennt sein. Die Elektrodentripel können insbesondere derart von dem Strömungsbereich der Flüssigkeit getrennt sein, dass keine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Elektrodentripel und der Flüssigkeit besteht.
Die steuerbaren Mittel können weiterhin dazu eingerichtet sein, die elektrische Spannung derart an der Vielzahl der Elektrodentripel bereitzustellen, dass die elektrische Spannung an den Elektroden jeweils eines Elektrodentripels um eine Phasendifferenz zueinander ver schoben ist. Mit anderen Worten: Die steuerbaren Mittel können die elektrische Spannung derart an der Vielzahl der Elektrodentripel bereitstellen, dass die elektrische Spannung an jeder von dem Elektrodentripel umfassten Elektroden um eine Phasendifferenz zueinander verschoben ist. Insbesondere können die steuerbaren Mittel die elektrische Spannung der art an der Vielzahl der Elektrodentripel bereitstellen, dass die Phasendifferenz zwischen räumlich nacheinander angeordneten Elektroden in dem Elektrodentripel monoton steigend oder fallend ist. Weiterhin können die steuerbaren Mittel dazu eingerichtet sein, die elektrische Spannung derart an die Vielzahl der Elektrodentripel bereitzustellen, dass die an jeweils einer der Elektroden jeden Elektrodentripels anliegende elektrische Spannung eine Phasendifferenz von n-360°, n= 0, ±1, ±2, ..., aufweist. Beispielsweise kann zwischen jeder ersten Elektro de der Vielzahl der Elektrodentripel eine Phasendifferenz von n-360°, n= 0, ±1, ±2, ..., anliegen, ebenso wie zwischen jeder zweiten Elektrode und zwischen jeder dritten Elektro de der Vielzahl an Elektrodentripel.
Die Phasendifferenz zwischen den Elektroden eines Elektrodentripels kann von einem räumlichen Abstand der Elektroden innerhalb des Elektrodentripels abhängig sein. Bei spielsweise kann die Phasendifferenz zwischen den Elektroden innerhalb des Elektrodent ripels jeweils 120° bei äquidistanter räumlicher Anordnung der Elektroden betragen. Ande re Möglichkeiten sind jedoch ebenfalls denkbar.
Die Elektroden in jeweils einem Elektrodentripel können in einem räumlichen Abstand zueinander angeordnet sein, wobei der räumliche Abstand der Elektroden der Größenord nung einer Schichtdicke einer elektrischen Doppelschicht, welche sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung in der Flüssigkeit ausbildet, entsprechen kann. Hierbei bezeichnet der Begriff der „Größenordnung“ eine räumliche Ausdehnung von einem Zehntel der Schichtdicke der elektrischen Doppelschicht bis zu einem Zehnfachen der Schichtdicke der elektrischen Doppelschicht. Insbesondere kann der räumliche Abstand der Elektroden im Bereich von mindestens einem Zehntel bis maximal einem Zehnfachen der Dicke der elektrischen Doppelschicht liegen. Besonders bevorzugt kann der räumliche Abstand der Elektroden im Bereich von mindestens einem Drittel bis maximal einem Dreifachen der Dicke der elektrischen Doppelschicht liegen. Die Schichtdicke der elektrischen Doppel schicht kann insbesondere von einer Konzentration der elektrisch geladenen Teilchen in der Flüssigkeit abhängen. Beispielsweise können die Elektroden in jeweils einem Elektro dentripel in einem räumlichen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der räumliche Abstand der Elektroden bevorzugt 0,05 pm bis 10 pm, besonders bevorzugt 0,05 pm bis 5 pm, insbesondere 0,1 pm, beträgt. Wie oben beispielsweise erläutert, können die Elekt roden in jeweils einem Elektrodentripel äquidistant angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform mit einem räumlichen Abstand der Elektroden von 0,05 pm kann insbe sondere eine Verlängerung einer Wellenlänge der beweglichen elektrischen Feldkompo nente erreicht werden, sodass eine gewünschte Größenordnung bereitgestellt werden kann. Die Vielzahl der Elektrodentripel ist derart angeordnet, dass die Elektrodentripel bei Anle gen der elektrischen Spannung zumindest zwei voneinander unabhängige bewegliche elektrische Feldkomponenten erzeugen. Der Begriff „elektrische Feldkomponente“ bezieht sich auf eine durch Anlegen der elektrischen Spannung induzierte Kraftfeldkomponente. Eine Gesamtheit der elektrischen Feldkomponenten kann insbesondere ein elektrisches Feld beschreiben. Das elektrische Feld kann insbesondere mit den elektrisch geladenen Teilchen in der Flüssigkeit wechselwirken, insbesondere derart, dass auf die elektrisch geladenen Teilchen eine Kraft durch das elektrische Feld ausgeübt wird. Die Kraftwirkung des elektrischen Feldes kann durch Feldlinien beschrieben werden, wobei die Feldlinien eine Richtung der Kraft angeben. Die elektrische Feldkomponente ist eine bewegliche elektrische Feldkomponente. Der Begriff „beweglich“ bezieht sich hierbei auf die Tatsa che, dass die Feldlinien des elektrischen Feldes bzw. der elektrischen Feldkomponenten orts- und zeitabhängig sind. So kann beispielweise durch Anlegen der Wechsel Spannung mindestens zwei voneinander unabhängige bewegliche elektrische Feldkomponenten er zeugt werden, welche Feldlinien besitzen, die sich sowohl örtlich als auch zeitlich verän dern. Insbesondere können durch Anlegen der elektrischen Spannung sogenannte „Wan derwellen“ erzeugt werden, insbesondere mindestens zwei Wanderwellen, wobei eine Wanderwelle die bewegliche elektrische Feldkomponente bezeichnet.
Bei Anlegen der elektrischen Spannung entstehen zumindest zwei voneinander unabhängi ge elektrische Feldkomponenten. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „von einander unabhängig“ auf eine Eigenschaft der mindestens zwei elektrischen Feldkompo nenten Feldlinien zu besitzen, welche in einem Winkel, bevorzugt von größer als 0° bis weniger als 180°, besonders bevorzugt von 30° bis 150°, insbesondere 45 ° bis 135°, zuei- nanderstehen. Die elektrischen Feldkomponenten können insbesondere derart voneinander unabhängig sein, dass die Feldlinien der zumindest zwei elektrischen Feldkomponenten senkrecht zueinander verlaufen oder einen Winkel von 60° oder 120° zueinander anneh men. Die voneinander unabhängigen elektrischen Feldkomponenten können sich also ins besondere in zwei Richtungen erstecken, wobei die Feldlinien der elektrischen Feldkom ponenten entlang der zwei Richtungen senkrecht zueinanderstehen. Insbesondere im Un terschied zu den in N. Loucaides et al., s.o., und in A. Farzanehnia und A. Taheri, s.o., be schriebenen Vorrichtungen, kann die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung mit tels der mindestens zwei voneinander unabhängigen elektrischen Feldkomponenten einen zweidimensionalen Transport über die Oberfläche des Substrats ermöglichen. Die elektri schen Feldkomponenten können insbesondere parallel zu der Oberfläche, insbesondere parallel zur Ausdehnung der Oberfläche, des Substrats verlaufen. Die elektrischen Feldkomponenten bewirken jeweils eine Kraft auf die elektrisch gelade nen Teilchen, wodurch die Flüssigkeit in zumindest zwei voneinander verschiedenen Rich tungen auf dem Substrat bewegbar ist. Der Begriff „Kraft“ bezieht sich auf die durch das elektrische Feld induzierte Krafteinwirkung auf die elektrisch geladenen Teilchen in der Flüssigkeit. Insbesondere kann die Kraft auf die geladenen Teilchen durch eine Coulomb- Kraft beschrieben werden. Eine weiterhin denkbare Kraft, deren Richtung senkrecht zur Oberfläche steht, ist jedoch vernachlässigbar, da sie praktisch zu keiner beobachtbaren Strömung auf der Oberfläche der Anordnung führt.
Der Begriff „Richtung“ bezieht sich auf eine Angabe eines Bewegungsziels der Flüssig keit. Dabei kann die Angabe der Richtung sich insbesondere auf ein vorgegebenes Koordi natensystem beziehen, beispielsweise ein Koordinatensystem, das in der Ebene der Ober fläche des Substrats liegt. Die Richtung kann beispielsweise durch einen Richtungsvektor in diesem Koordinatensystem angezeigt werden. Beispielweise kann die Richtung durch eine Angabe in einem kartesischen Koordinatensystem angezeigt werden, insbesondere in einem x-y-Koordinatensystem. Alternativ kann grundsätzlich auch ein Polarkoordinaten system verwendet werden. In dem kartesischen Koordinatensystem kann die Richtung zum Beispiel durch Vergleich mit einer Himmelsrichtung angegeben werden. So bezeichnet beispielsweise eine Nord- Süd-Richtung eine in Relation zur Oberfläche des Substrats hori zontale Richtung von oben nach unten. Ebenso bezeichnet eine West-Ost-Richtung eine in Relation zur Oberfläche des Substrats horizontale Richtung von links nach rechts. In die sem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „voneinander verschieden“ auf die Tatsache, dass die Richtungsvektoren zwei voneinander verschiedener Richtungen senkrecht zuei- nanderstehen. Mathematisch kann dies dadurch ausgedrückt werden, dass das Skalarpro dukt der Richtungsvektoren Null ergibt. Die voneinander unabhängigen beweglichen elektrischen Feldkomponenten können also insbesondere zwei Flüssigkeitsströme in zu mindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen bewirken, wobei ein Flüssigkeits strom beispielsweise in Nord- Süd-Richtung verläuft und ein anderer Flüssigkeitsstrom in West-Ost-Richtung. Auch andere Richtungen sind möglich, beispielsweise eine Kombina tion dieser Richtungen. Die mindestens zwei voneinander verschiedenen Flüssigkeitsströ me können insbesondere unabhängig voneinander steuerbar sein. Die erzeugten Flüssig keitsströme können sich insbesondere zu einem resultierenden Flüssigkeitsstrom überla gern.
Der Begriff der „Vielzahl an Elektrodentripel “ bezieht sich auf eine Anzahl an Elektro dentripeln, die benötigt wird, um die Flüssigkeit in die mindestens zwei voneinander ver schiedenen Richtungen zu bewegen. Die Anzahl an Elektrodentripel kann insbesondere derart gewählt sein, dass die Anordnung mit den auf dem Substrat aufgebrachten Elektro dentripel flächendeckend ausgestaltet werden kann. Die Elektrodentripel können dabei insbesondere derart angeordnet sein, dass mindestens zwei Elektrodentripel in einem Win kel zueinanderstehen. Beispielsweise kann ein Elektrodentripel der Anordnung um 90° Grad zu einem anderen Elektrodentripel der Anordnung gedreht sein. In diesem Beispiel könnten also auf einem rechteckig geformten Substrat drei Elektrodentripel in Nord- Süd richtung sowie drei Elektrodentripel in West-Ost-Richtung angeordnet sein. So kann die Anordnung mindestens sechs Elektrodentripel umfassen. Alternativ könnte auch eine he xagonale Ausrichtung der Elektrodentripel vorteilhaft für eine flächendeckende Ausgestal tung sein. Dabei können die Elektrodentripel in einem Winkel von 60° zueinander gedreht sein. In diesem Beispiel kann die Anordnung ebenfalls mindestens sechs Elektrodentripel umfassen, wobei jeweils ein Elektrodentripel in einem Abschnitt der hexagonalen Ausrich tung angeordnet sein kann. Damit kann die Anordnung insbesondere mindestens sechs Elektrodentripel bei einer rechtwinkligen oder hexagonalen Anordnung der Vielzahl der Elektrodentripel umfassen. Andere Möglichkeiten sind jedoch ebenfalls denkbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform können mindestens zwei der Elektrodentripel aus der Vielzahl der Elektrodentripel derart zueinander angeordnet sein, dass die von jedem der Elektrodentripel bei Anlegen der elektrischen Spannung erzeugten beweglichen elektrischen Feldkomponenten einen Winkel von größer als 0° bis weniger als 180° zuei nander annehmen, bevorzugt von 30° bis 150 °, besonders bevorzugt von 45° bis 135°, insbesondere von 60° bis 120°. Der Winkel bezeichnet dabei insbesondere einen Winkel in einer durch die Oberfläche des Substrats beschriebenen Ebene.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System, umfassend min destens eine Anordnung, bevorzugt mindestens zwei Anordnungen, zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen. Weiterhin umfasst das Sys tem mindestens eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen, insbe sondere eine Drehstromquelle oder einen Drehstromgenerator.
Der Begriff „System“ bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung oder eine Gruppe von miteinander wechselwirkenden Vorrichtungen, welche zur Erfüllung mindestens eines gemeinsamen Zwecks eingerichtet sind. Dabei kann der gemeinsame Zweck des Systems insbesondere das Bewegen, das Mischen, das Separieren und /oder das Analysieren von Flüssigkeiten sein. Das System kann also insbesondere im Bereich der Mikrofluidik ver- wendet werden. Das System kann mindestens einen Antrieb aufweisen, insbesondere kann die mindestens eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen als Antrieb des Systems verwendet werden.
Das System kann beispielsweise als Fluid-Maschine verwendet werden, wobei die Fluid- Maschine, in Analogie zu einer Computerrecheneinheit, mit der Flüssigkeit Rechenopera tionen umsetzen kann. Eine sogenannte „Fluid-Prozesseinheit“ kann hierbei eine zentrale Verknüpfung von Komponenten der Fluid-Maschine darstellen. Die Fluid-Prozesseinheit kann dabei eine Vielzahl an verknüpften Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeits strömen umfassen. Beispielsweise können mit dem System transportierte Proben ein Ein heitsvolumen aufweisen, wodurch die Verarbeitung der Rechenoperationen erleichtert wird. Weiterhin kann hierbei durch Verwendung einer Maschinensprache Rechenoperatio nen in Flüssigkeitstransportprozesse, wie beispielsweise Misch-, Auswahl- und Transport- Befehle, übersetzt werden.
Das System umfasst, wie bereits erläutert, mindestens eine Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen. Für weitere Definitionen be züglich des Systems kann daher auf die obige Beschreibung der Anordnung verwiesen werden. Insbesondere kann das System eine Vielzahl an Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfassen, wobei die Vielzahl an Anordnungen mindestens zwei An ordnungen umfasst. Es können jedoch auch mehr als zwei Anordnungen von dem System umfasst sein, insbesondere 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 30 oder mehr als 30 Anordnungen. Diese Vielzahl an Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen kann in einem gemeinsamen Verbund angeordnet sein. Die Vielzahl an Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen kann insbesondere derart einen flächendenkenden Verbund ausbilden, dass ein gemeinsamer Strömungsbereich über die Vielzahl der Anordnungen hinweg ent steht. Beispielsweise kann das System die Vielzahl der Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen in einem Verbund in Spalten und Zeilen anordnen, insbesondere in einem matrixförmigen Verbund. Hierfür kann insbesondere eine rechtwinklige oder auch hexagonale Form der Anordnungen besonders vorteilhaft sein. Auch andere Möglichkeiten die Vielzahl der Anordnungen in dem System zu verbinden sind ebenfalls denkbar.
Weist das System eine Vielzahl von Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen auf, so können mindestens zwei Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen durch mindestens ein elektrisches Verbindungselement verbunden sein. Das elektrische Verbindungselement kann die steuerbaren Mittel der mindestens zwei Anordnung mitei nander verbinden, insbesondere derart, dass eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den steuerbaren Mitteln der mindestens zwei Anordnungen herstellbar ist. Beispielsweise kann das elektrische Verbindungselement eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrischen Anschlüssen für ein Antriebselement der mindestens zwei Anordnungen hersteilen. Beispielsweise kann das elektrische Verbindungselement mindestens zwei be nachbarte Anordnungen innerhalb einer Spalte und/oder Zeile verbinden. Zusätzlich kann das elektrische Verbindungselement auch mindestens zwei benachbarte Verbindungsele ment an einem Anfang oder an einem Ende einer Spalte und/oder Zeile verbinden.
Das System umfasst mindestens eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen. Der Begriff „Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen“ bezieht sich auf eine Vorrichtung, die eingerichtet dazu eingerichtet ist, die elektrische Spannung an der mindestens einen Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen bereitzustellen. Insbesondere kann es sich bei der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen um eine Drehstromquelle und/oder um einen Drehstromgenerator handeln. Die Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen kann also insbe sondere dazu eingerichtet sein, zumindest eine Wechselspannung bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen dazu eingerichtet sein, drei zueinander um eine Phasenverschiebung verscho bene Wechsel Spannungen bereitzustellen. Besonders bevorzugt kann die Phasenverschie bung 120° betragen. Andere Phasenverschiebungen sind jedoch ebenfalls möglich.
Das System kann weiterhin mindestens ein Flüssigkeitsreservoir umfassen. Das Flüssig- keitsreservoir kann dazu eingerichtet sein, die Flüssigkeit, in welcher sich zumindest teil weise die elektrisch geladenen Teilchen befinden, zu bevorraten und über mindestens einen Verbindungskanal der Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen zuzuführen. Der Verbindungskanal kann dazu eingerichtet sein, das Flüssigkeitsreservoir mit der Anord nung fluidisch zu verbinden. Insbesondere kann das Flüssigkeitsreservoir über mindestens zwei Verbindungskanäle mit der Anordnung fluidisch verbunden sein, wobei je ein Ver bindungskanal für eine Strömungsrichtung von dem Flüssigkeitsreservoir zu der Anord nung bzw. von der Anordnung zu dem Flüssigkeitsreservoir vorhanden sein kann. Der Verbindungskanal kann beispielsweise eine Vielzahl von Elektroden aufweisen, welche mit einem Wechselstrom beaufschlagbar sind, wodurch ein Flüssigkeitstransport zwischen dem Flüssigkeitsreservoir und der Anordnung stattfinden kann. Die Richtung des Flüssig keitstransports kann hierbei von dem beaufschlagten Wechselstrom abhängen. Alternativ kann mindestens eine Wand des Verbindungskanals eine aufgebrachte Wandladung tragen, wobei weiterhin eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsreservoir und der Anordnung anlegbar ist, wodurch ein Flüssigkeitstransport zwischen dem Flüssig- keitsreservoir und der Anordnung stattfinden kann. Die Richtung des Flüssigkeitstransports kann dabei von einer Polarität der Wandladung abhängen.
Das System kann weiterhin mindestens eine Steuereinheit umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, das Anlegen der elektrischen Spannung an die Vielzahl der Elekt rodentripel mittels der steuerbaren Mittel zu steuern. Weist das System eine Vielzahl von Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen auf, so kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, das Anlegen der elektrischen Spannung an die steuerbaren Mittel der Vielzahl an Anordnungen zu steuern. Insbesondere kann die Steuereinheit das Anlegen der elektrischen Spannung an die steuerbaren Mittel für jede Anordnung separat und/oder un abhängig voneinander steuern. Die Steuereinheit kann dabei als aktive Steuereinheit oder als passive Steuereinheit ausgeführt sein.
Die „passive Steuereinheit“ bezeichnet hierbei eine Steuereinheit, die eine separate Beauf schlagung der von dem System umfassten Anordnung, insbesondere der von dem System umfassten Vielzahl an Anordnungen, zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen mit der elektrischen Spannung umfasst. Die passive Steuereinheit kann also eine separate Kontak tierung der Vielzahl an Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfassen. Dabei kann je eine passive Steuereinheit für jede von dem System umfasste Anordnung vorgesehen sein. Die passive Steuereinheit kann in einer Ebene des Systems, insbesondere in einer Ebene unter der Anordnung angeordnet sein. Die passive Steuereinheit kann damit insbesondere Bereiche im System vermeiden, in denen die Flüssigkeit nicht angesteuert werden kann. Das Funktionsprinzip der passiven Steuereinheit kann dabei dem Prinzip der Ansteuerung eines LCD- und/oder TFT-Displays entsprechen.
Die „aktive Steuereinheit“ bezeichnet hierbei eine Steuereinheit, die mindestens eine elekt ronische Recheneinheit, insbesondere einen Mikroprozessor, umfasst. Der Mikroprozessor kann durch mindestens einen Datenbus mit mindestens einem Eingangssignal beaufschlag bar sein. Das mindestens eine Eingangssignal kann insbesondere mindestens ein Aktivsig nal umfassen, wobei das Aktivsignal eine Information über ein einzuschaltendes Elektro dentripel oder ein auszuschaltendes Elektrodentripel der mindestens einen Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen beinhaltet. Das Eingangssignal kann weiterhin min destens eine Information über eine Drehrichtung der an das Elektrodentripel anzulegenden Wechselspannung umfassen. Das Funktionsprinzip der aktiven Steuereinheit kann dabei dem Prinzip der Ansteuerung eines Displays mittels eines Grafikprozessors entsprechen. Der Mikroprozessor der aktiven Steuereinheit kann weiterhin dazu eingerichtet sein, das mindestens eine Eingangssignal auf mindestens einem Speicherelement zu speichern. Das Speicherelement kann dabei zumindest das Aktivsignal wie auch die Information über die Drehrichtung der Wechsel Spannung speichern. Die Steuereinheit kann insbesondere min destens ein Speicherelement pro Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen, wel che von dem System umfasst sein können, aufweisen. Eine Vielzahl an Speicherelementen kann bevorzugt als Schieberegister ausgestaltet sein. Jedoch sind auch andere Ausgestal tungen möglich. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung können mindestens zwei Register ebenen realisiert werden. So kann zumindest eine erste Registerebene eine aktive Registerebene bilden, während eine zweite Registerebene eine Zwischenspeicherebene bilden kann. Besonders vorteilhaft können auch weitere Registerebenen als weitere Zwi schenspeicherebenen ausgestaltet sein. Der Mikroprozessor kann weiterhin eingerichtet sein, ein auf dem Speicherelement gespeichertes Eingangssignal zu lesen.
Die aktive Steuereinheit kann weiterhin mindestens einen Schalter pro Anordnung zur Er zeugung von Flüssigkeitsströmen umfassen. Insbesondere kann der Schalter einen elektro nischen Schalter oder einen Analogschalter umfassen. Der Schalter kann dazu eingerichtet sein, entsprechend dem mindestens einen Eingangssignal die steuerbaren Mittel mit der elektrischen Spannung zu beaufschlagen. Die aktive Steuereinheit kann über eine elektri sche Verbindung der elektrischen Spannung, insbesondere der Wechsel Spannung, beauf schlagt werden. Je nach Eingangssignal, welches auf dem mindestens einen Speicherele ment gespeichert ist, kann der Mikroprozessor dazu eingerichtet sein, die elektrische Span nung, insbesondere die Wechsel Spannung, über den Schalter an die mindestens eine An ordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen weiterzugeben.
Die vorgeschlagene Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen und das vorge schlagene System weisen im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrich tungen zahlreiche Vorteile auf.
Wie oben bereits erläutert, liefern bekannte Vorrichtungen im Allgemeinen nur kleine Strömungsgeschwindigkeiten, da nur relative schwache elektrische Felder außerhalb der elektrischen Doppelschicht erzeugt werden können. Die Abmessungen der Elektroden sind in bekannten Vorrichtungen grundsätzlich von der gleichen Größenordnung wie die Zulei tungen. Die vorgeschlagene Anordnung und das vorgeschlagene System hingegen können insbe sondere mit gleichförmigen Abmessungen der zu fertigenden Strukturen auf einem Mikro chip auskommen. Hierbei werden nur wenige Zuleitungen benötigt, um eine Vielzahl von Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen zu steuern.
Durch einen bevorzugten Betrieb der Anordnung mit dreiphasiger Wechsel Spannung benö tigt die Anordnung im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen mit mehr Phasen einen ge ringeren Bauraum. Die Elektroden jeweils eines Elektrodentripels können dabei bevorzugt derart eng zusammenliegen, dass der Abstand der Elektroden innerhalb eines Elektrodent ripels im Bereich einer Größenordnung einer Schichtdicke der elektrischen Doppelschicht in der Flüssigkeit entspricht. Ein solcher Abstand in Kombination mit einer ebenen und/oder glatten Oberfläche der isolierenden Schicht auf dem Substrat, kann die Erzeu gung von homogenen Flüssigkeitsströmen, beispielsweise von Flüssigkeitsströmen ohne Strömungswirbel, ermöglichen. So können also mittels der vorgeschlagenen Anordnung und/oder mittels des vorgeschlagenen Systems gleichförmige Flüssigkeitsströme erzeugt werden.
Ein von der Anordnung umfasstes Elektrodentripel kann bevorzugt drei Elektroden pro räumlicher Periode des Drehstroms umfassen. Ein solch dreiphasiger Aufbau einer Anord nung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen kann grundsätzlich die kleinstmögliche Bauweise einer solchen Vorrichtung ermöglichen. Zur Fertigung einer vorgeschlagenen Anordnung und eines vorgeschlagenen Systems, die oben beschriebene Abmessungen aufweisen, kann auf Technologien zurückgegriffen werden, die bereits im Bereich der Mikroelektronik-Chips verwendet werden.
Weiterhin kann durch den Übergang von zweiphasiger Wechselspannung auf dreiphasige Wechsel Spannung die Antriebsleistung der hier vorgeschlagenen Anordnung wesentlich erhöht werden. Die Verwendung einer dreiphasigen Wechsel Spannung in der Anordnung weist einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen auf.
Außerdem kann die Flüssigkeit auch als Transportfluid für den Transport diffuser Proben verwendet werden. Die oben erwähnte Diffusionsgrenzschicht kann sich im Allgemeinen im Zeitverlauf vergrößern. Wird die Diffusionsgrenzschicht in ihrer Dicke vergleichbar mit der räumlichen Ausdehnung der diffusen Probe, so kann eine Vermischung mit der Träger flüssigkeit stattfinden, insbesondere solange bis die Probe komplett in die Trägerflüssigkeit hineindiffundiert ist und sich nicht mehr nachweisen lässt. Der Diffusionsvorgang kann also eine Zeitdauer begrenzen, in welcher die diffuse Probe gehandhabt werden kann. Die vorgeschlagene Anordnung und das vorgeschlagene System können hohe Strömungsge schwindigkeiten und kurze Ansprechzeiten für die Handhabung diffuser Proben bereitstel len. Insofern können die vorgeschlagene Anordnung und das vorgeschlagene System sich zur Verarbeitung und Handhabung diffuser Proben eigenen. Daher können mit der vorge schlagenen Anordnung und/oder mit dem vorgeschlagenen System auch diffuse Proben transportiert, miteinander in Verbindung gebracht, vermischt oder Trennungsvorgänge durchgeführt werden. Das System kann weiterhin eine frei programmierbare Oberfläche aufweisen, so dass das System in kurzer Zeit für verschiedenste Anwendungen benutzt werden kann.
Insbesondere im Unterschied zur WO 2007/090531 Al zeichnet sich die vorliegende An ordnung und das vorliegende System durch die Verwendung von Elektrodentripel aus. Be sonders bevorzugt werden diese Elektrodentripel mit einer dreiphasigen Wechsel Spannung beaufschlagt. Dies kann insbesondere die in der Vorrichtung der WO 2007/090531 Al auftretende Problematik der elektrischen Abschirmung des elektrischen Felds in der Flüs sigkeit durch die elektrische Doppelschicht beheben.
Insbesondere weist die vorgeschlagene Anordnung und das vorgeschlagene System fol gende besondere Vorteile auf: Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit kann durch eine Verkleinerung des Elektrodenabstands wesentlich erhöht werden. Dabei kann jedoch der im Hinblick auf den für die individuelle Ansteuerbarkeit jeder einzelnen Anordnung des Systems notwendigen Platz erhalten werden.
Weiterhin kann das vorgeschlagene System einen matrixförmigen Verbund der einzelnen Anordnungen zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfassen. Im Unterschied dazu wird in der WO 2007/090531 Al eine Schachbrett-förmige Anordnung der kleinsten Elemen tareinheiten vorgeschlagen. Der matrixförmige Verbund kann jedoch die Flexibilität be züglich einer besonderen Ausgestaltung des Systems erhöhen, da in einem matrixförmigen Verbund verschiedene Grundstrukturen für die Anordnung zur Erzeugung von Flüssig keitsströmen verbindbar sind.
Auch im Unterschied zur US 7,708,873 B2 zeichnet sich die vorliegende Anordnung und das vorliegende System durch die Verwendung von Elektrodentripel und deren bevorzugte Beaufschlagung mit einer dreiphasigen Wechsel Spannung aus. Weiterhin wird in der US 7,708,873 B2 eine stufenförmige Bauweise der Elektroden vorgeschlagen. Eine ebene und/oder glatte Oberfläche, wie sie in der vorgeschlagenen Anordnung durch die isolieren- de Schicht erreicht werden kann, ermöglicht homogene Flüssigkeitsströme, insbesondere ohne in der Flüssigkeit auftretende Strömungswirbel.
Die in J.H. Noh et al., s.o., vorgestellte Vorrichtung unterscheidet sich insbesondere durch die Verwendung eines Verfahrens zur Elektrobenetzung im Gegensatz zur hierin verwen deten Wechselstrom-Elektroosmose. Durch die Verwendung von vernetzten Elektroden in der vorliegenden Anordnung wird erst eine Bauweise mit geringen Abmessungen möglich, da einzelne TF-Transi stören deutlich mehr Schichten benötigen. Weiterhin ermöglicht Wechselstrom-Elektroosmose einen kontinuierlichen und schnelleren Flüssigkeitstransport.
Insbesondere im Unterschied zu den in N. Loucaides et al., s.o., und in A. Farzanehnia und A. Taheri, s.o., beschriebenen Vorrichtungen, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung durch einen wesentlich geringeren Elektrodenabstand. In diesen Veröffentlichungen wird die elektrische Doppelschicht als vergleichbar dünn angenommen, so dass die Abmessun gen der Elektroden und der Elektrodenabstände deutlich größer als die elektrische Doppel schicht sind. Durch die Wahl der Elektrodenabstände in der Größenordnung der elektri schen Doppelschicht können insbesondere höhere Geschwindigkeiten erreicht werden. Insbesondere in der Veröffentlichung von A. Farzanehnia und A. Taheri, s.o., wird nachtei lig auf die Komplexität und Kosteneffizienz von Anordnungen kleinerer Abstände hinge wiesen. So kann mit der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung die Notwendigkeit der kleineren Geometrie belegt werden. Darüber hinaus weisen auch die in WO 2007/090531 Al und DE 10 2006 004 887 Al beschriebene Vorrichtung keinerlei Angaben in dieser Größenordnung auf.
DE 10 2018 210 693 Al zeigt insbesondere eine Vorrichtung mit einer Matrixanordnung, umfassend jeweils 4 Elektroden mit Phasenverschiebung. Die Vorrichtung kann beispiels weise als Weiche mit einem Eingang und zwei Ausgängen funktionieren. Diese Vorrich tung ermöglicht es daher im Unterschied zur vorliegenden Erfindung nicht, frei program mierbare Strömungen auf eine Oberfläche zu ermöglichen. Anordnungen gemäß der vor liegenden Erfindung können insbesondere als Matrixbaustein zu einem komplexen Chip aufbau zusammengeschaltet werden. Die Anordnung kann derart ausgestaltet sein, um di rekt an gleichartige Anordnungen anzuknüpfen. Im Unterschied dazu zeigt die Vorrichtung in DE 10 2018 210 693 Al ein alleinstehendes Modul, an welches Kanäle angeschlossen werden sollen. Somit können dort komplexere Anordnungen nur durch Verbindungen vie ler Module über Kanalnetzwerke ermöglicht werden. In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß der vorliegenden Erfin dung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausge staltungen. Das Verfahren umfasst die nachfolgend beschriebenen Schritte, welche insbe sondere in der beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden können. Jedoch ist auch eine andere Reihenfolge möglich, oder eine zeitliche Überlappung der Durchführung der Verfahrensschritte oder eine zumindest teilweise gleichzeitige Durchführung der Verfah rensschritte. Das Verfahren kann weitere Verfahrensschritte umfassen, welche nicht ge nannt sind.
Das Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen umfasst hierbei die folgenden Schritte: i) Bereitstellen eines Substrats; ii) Aufbringen von steuerbaren Mitteln zur Beschaltung der Vielzahl der Elektroden, die iii) in Elektrodentripeln auf eine Oberfläche des Substrats angebracht werden.
Weiterhin kann das Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Erzeugung von Flüs- sigkeits strömen vorzugsweise den folgenden Schritt umfassen, der insbesondere nach Schritt iii) ausgeführt wird: iv) Behandeln der Oberfläche des Substrats derart, dass eine ebene Oberfläche und/oder glatte Oberfläche für die Flüssigkeitsströme entsteht.
Für mögliche Methoden zur Herstellung der Anordnung, insbesondere für die Durchfüh rung einer oder mehrerer der Schritte ii) bis iv), können auf bekannte Fertigungsprozesse aus der Halbleiterindustrie zurückgegriffen werden. Vorzugsweise kann hierfür mindestens ein Fertigungsprozess, ausgewählt aus Fotolithografie, Trockenätzen, Nassätzen, Plasma ätzen, chemische Gasphasenabscheidung, Waferbonden, Stacking und IC Packaging, ver wendet werden. Für weitere Einzelheiten zur Herstellung kann bevorzugt auf die Darstel lung in US 7,708,873 B2 zurückgegriffen werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Systems zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausge staltungen. Das Verfahren umfasst die nachfolgend beschriebenen Schritte, welche insbe sondere in der beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden können. Jedoch ist auch eine andere Reihenfolge möglich, oder eine zeitliche Überlappung der Durchführung der Verfahrensschritte oder eine zumindest teilweise gleichzeitige Durchführung der Verfah rensschritte. Das Verfahren kann weitere Verfahrensschritte umfassen, welche nicht ge nannt sind.
Das Verfahren zur Herstellung eines Systems zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen um fasst hierbei die folgenden Schritte:
(I) Herstellen einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß dem Ver fahren zu Herstellung der Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen; und
(II) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen gemäß der vorliegenden Erfin dung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausge staltungen oder zum Betrieb eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, beispiels weise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder ge mäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen.
Das Verfahren umfasst es, mindestens ein Elektrodentripel, bevorzugt mindestens zwei Elektrodentripel, durch die steuerbaren Mittel derart mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen, dass die Flüssigkeit strömt. Dabei kann die elektrische Spannung insbeson dere in Form eines Drehstroms aufgebracht werden, wobei der Drehstrom eine Frequenz von 1 kHz bis 1000 kHz, bevorzugt von 5 kHz bis 100 kHz, besonders bevorzugt von 10 kHz, und eine Amplitude von 0,005 V bis 10 V beträgt, bevorzugt von 0,01 V bis 0,1 V, besonders bevorzugt von 0,025 V, aufweist.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorliegenden Verfahren wird auf die Beschrei bung der erfindungsgemäßen Anordnung und des Systems verwiesen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, um fassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Erzeugung von Flüs- sigkeits strömen oder eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen auszuführen. Das Computerprogramm kann hierbei insbesondere mindestens einen Compiler umfassen, wobei der mindestens eine Compiler dazu eingerichtet ist, Befehle des Computerpro- gramms in die Maschinensprache zur Ansteuerung mindestens einer Komponente des Sys tems zu übersetzen.
Die vorliegende Anordnung und das vorliegende System eignen sich insbesondere zur Anwendung und zur Bereitstellung eines Labors im Mikromaßstab. Insbesondere können die vorliegende Anordnung und das vorliegende System als Plattformtechnologie zur Ma nipulation und Charakterisierung von zu untersuchenden Proben, beispielsweise von Prote inen und/oder Medikamenten, genutzt werden. Hierbei kommen insbesondere sämtliche Proben und/oder Substanzen infrage, die üblicherweise in der Chemie und/oder in der Bio chemie gehandhabt werden, und welche in und/oder mit Transportflüssigkeiten transpor tiert und gehandhabt werden können. Beispielsweise können mit der vorliegenden Anord nung und mit dem vorliegenden System chromatografische Verfahren zur Charakterisie rung von Proteinen, insbesondere von Wirkstoffen von Medikamenten, umgesetzt werden. Weiterhin können aber auch biologische Proben, wie beispielsweise Zellen, transportiert werden, insbesondere ohne Beschädigung, da die vorliegende Anordnung und das vorlie gende System keine Kanten oder Ähnliches aufweist, die solche Proben üblicherweise be schädigen können.
Neben der Analyse können aber auch synthetische Verfahren umgesetzt werden. Bei spielsweise können in einer weiteren Anwendung der vorliegenden Anordnung und des vorliegenden Systems Synthesereaktionen umgesetzt werden, bei denen Edukte A und B über Zwischenprodukte zu C und weiter nach D reagieren. Wird ein Reaktant E hinzuge geben kann gegebenenfalls die Reaktion nach D unterbrochen werden, sodass das Zwi schenprodukt C gewonnen werden kann. Wenn das Zwischenprodukt C nur eine kurze Lebensdauer hat, eignet sich die vorliegende Anordnung und das vorliegende System be sonders, da ein Labor mit den geringen Abmessungen und kurzen Ansprechzeiten umge setzt werden kann, in dem der Stoff C ohne das unerwünschte Produkt D oder nur mit ge ringer Bildung des unerwünschten Produkts D synthetisiert werden kann. Somit können insbesondere Reaktionen mit konkurrierenden Strömungspfaden wirtschaftlich durchge führt werden, da hier die Zeitskalen von Reaktionen, Transport und Mischung aufeinander abgestimmt werden können.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das Verfahren zum Betrieb der Anordnung oder des Systems in einer seiner Ausgestaltungen ausführt. In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um das Verfahren zum Betrieb der Anordnung oder des Systems in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger und/oder einem computerlesbaren Speichermedi um gespeichert sein.
Der Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“, wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Daten speicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem com puter-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random- Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder um fassen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Datenträger, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Haupt speicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das Verfahren zum Betrieb der An ordnung oder des Systems in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm- Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um das Verfahren zum Betrieb der Anordnung oder des Systems in einer seiner Ausgestal tungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein moduliertes Datensignal, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens zum Betrieb der Anordnung oder des Systems nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält. Im Hinblick auf die computer-implementierten Aspekte der vorliegenden Erfindung kön nen einer, mehrere oder sogar alle Verfahrensschritte des Verfahrens zum Betrieb der An ordnung oder des Systems gemäß einer oder mehreren der hier vorgeschlagenen Ausgestal tungen mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Somit können, allgemein, jegliche der Verfahrensschritte des Verfahrens zum Betrieb der Anord nung oder des Systems, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Allgemein kön nen diese Schritte jegliche dieser Verfahrensschritte umfassen, ausgenommen der Schritte, welche manuelle Arbeit erfordern, beispielsweise das Bereitstellen von Proben und/oder bestimmte Aspekte der Durchführung tatsächlicher Messungen und/oder Synthesen.
Hierin werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwen det. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in wel chen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vor handen sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf‘, „A um fasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A aus schließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird daraufhingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder meh rere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammen hang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrü- cken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Ein führung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alterna tive Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise wer den Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einlei tenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit an deren Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, un angetastet bleiben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination mitei nander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugszif- fem in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder fünktionsgleiche bzw. hin sichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems in einer schematischen Seitenansicht;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Elektrodentripels in Draufsicht;
Figuren 3 A und 3B ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anord nung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen in Draufsicht; Figuren 4A bis 4C ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anord nung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen in Draufsicht; Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anord nung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen in Draufsicht;
Figur 6A bis 6D Ausführungsbeispiele eines elektrischen Verbindungselements zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System;
Figuren 7A bis 7C Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Systems in Drauf sicht; Figur 8 ein Ausfühmngsbeispiel einer Steuereinheit zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System;
Figur 9 ein Ausfühmngsbeispiel einer gekoppelten Ansteuerung der Steu ereinheit in dem erfindungsgemäßen System;
Figur 10 ein Ausfühmngsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems in
Draufsicht;
Figuren 11A und 11B beispielhafte Verwendungen eines erfindungsgemäßen Systems zum Transport diffuser Proben; und
Figur 12 ein Flussdiagram eines Ausfühmngsbeispiels eines Verfahren zur
Herstellung einer Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströ men.
Beschreibung der Ausfühmngsbeispiele
Figur 1 zeigt ein Ausfühmngsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 110 in einer schematischen Seitenansicht. Das System umfasst mindestens eine Anordnung 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehreren der in den folgenden Figuren näher beschriebenen Ausgestaltungen. Wei terhin umfasst das System 110 mindestens eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektri schen Spannungen 116.
Die Anordnung 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen 118, die sich in einer Flüssigkeit 120 befinden, umfasst ein Substrat 122 mit steuerbaren Mitteln 124 zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen für eine Vielzahl von sich auf einer Oberfläche 126 des Substrats 122 befindlichen Elekt rodentripeln 128. In Figur 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein Ausschnitt des Systems 110 und der Anordnung 112 gezeigt, wobei der Ausschnitt ein einzelnes Elektrodentripel 128 umfasst. Insbesondere in den folgenden Figuren 3 bis 5 ist die von der Anordnung 112 umfasste Vielzahl der Elektrodentripel 128 dargestellt.
Ein Elektrodentripel 128 kann insbesondere drei voneinander getrennt ausgestaltete Elek troden 130 umfassen. Dabei können die Elektroden 130 eines Elektrodentripels 128 derart in einem räumlichen Abstand 132 zueinander angeordnet sein, dass der räumliche Abstand 132 der Elektroden 130 bevorzugt einen Wert von 0,05 pm bis 10 pm annimmt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 130 innerhalb eines Elektrodentripels 128 äqui- distant angeordnet. Jedoch sind auch variierende räumliche Abstände 132 zwischen den Elektroden 130 eines Elektrodentripels 128 möglich.
Weiterhin können die steuerbaren Mittel 124 dazu eingerichtet sein, die elektrische Span nung derart an die Vielzahl der Elektrodentripel 128 bereitzustellen, dass die elektrische Spannung an jeder von dem Elektrodentripel 128 umfassten Elektroden 130 um eine Pha sendifferenz zueinander verschoben ist. Die Phasenverschiebung zwischen den von dem Elektrodentripel 128 umfassten Elektroden 130 kann insbesondere von dem räumlichen Abstand 132 abhängen. Die Phasenverschiebung zwischen den Elektroden 130 wird in der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere in den Figuren 2 bis 5, näher erläutert.
Wie in Figur 1 dargestellt, können die Elektrodentripel 128 sich nicht nur auf der Oberflä che 126 des Substrats 122 befinden, sondern zusätzlich auch zumindest teilweise von der Oberfläche 126 des Substrats 122 aufgenommen sein. Die auf der Oberfläche 126 des Sub strats 122 angebrachte Vielzahl an Elektrodentripel 128 kann insbesondere durch eine iso lierende Schicht 134 von einem Strömungsbereich 136 der Flüssigkeit 120 getrennt sein. Die isolierende Schicht 134 kann dabei besonders bevorzugt eine ebene Oberfläche 138 und/oder eine glatte Oberfläche 140 für die Flüssigkeitsströme 114 bilden.
Die Vielzahl der Elektrodentripel 128 ist derart angeordnet, dass die Elektrodentripel 128 bei Anlegen einer elektrischen Spannung zumindest zwei voneinander unabhängige be wegliche elektrische Feldkomponenten 142 erzeugen, die jeweils eine Kraft 144 auf die elektrisch geladenen Teilchen 118 bewirken, wodurch die Flüssigkeit 120 in zumindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen 146 auf dem Substrat 122 bewegbar ist. In Figur 1 ist aufgrund der seitlichen Ansicht des Systems 110 und der Anordnung 112 ledig lich eine elektrische Feldkomponente 142 und eine Richtung 146 sichtbar. Die mindestens eine weitere elektrische Feldkomponente 142 und die mindestens eine weitere Richtung 146 würde beispielsweise in die Bildebene hinein oder aus der Bildebene heraus zeigen.
Die elektrische Spannung an den Elektroden 130 eines Elektrodentripels 128 kann insbe sondere durch die Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen 116 bereit gestellt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen 116 eine Drehstromquelle 148 und/oder einen Drehstromgenerator 150 umfassen. Die Vielzahl der Elektrodentripel 128 kann ins besondere mit einer Wechsel Spannung, besonders bevorzugt mit einem Drehstrom, beauf schlagt werden. An der ebenen Oberfläche 138 und/oder an der glatten Oberfläche 140 der isolierenden Schicht 134 kann sich durch Kontakt mit der Flüssigkeit 120 ein Gebiet 152 ausbilden, in dem ein Ladungsungleichgewicht zwischen positiv elektrisch geladenen Teilchen 118 und negativ elektrisch geladenen Teilchen 118 herrscht. In diesem Gebiet 152 kann insbeson dere eine elektrische Doppelschicht in der Flüssigkeit 120 ausgebildet sein, insbesondere da auf der ebenen Oberfläche 138 und/oder auf der glatten Oberfläche 140 üblicherweise Oberflächenladungen (nicht dargestellt) vorhanden sind. In diesem Gebiet 152 kann durch die auf die elektrisch geladenen Teilchen 118 wirkende Kraft 144 eine Volumenkraft auf die Flüssigkeit 120 übertragen werden, wodurch die Flüssigkeit 120 bewegbar ist. In einem weiteren Gebiet 154 kann in ausreichender Entfernung zu der ebenen Oberfläche 138 und/oder an der glatten Oberfläche 140 der isolierenden Schicht 134 ein Gleichgewicht zwischen den elektrisch geladenen Teilchen 118 vorliegen. Auch in diesem Gebiet 154 können Flüssigkeitsströme 114 durch viskose Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit 120 im Gebiet 152 und der Flüssigkeit 120 im neutralen Gebiet 154 induziert werden.
Ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 oder zum Betrieb des Systems 110 umfasst also das Beaufschlagen des mindestens einen Elektrodentripels 128, bevorzugt mindestens zweier Elektrodentripel 128, durch die steuerbaren Mittel 124 mit einer elektrischen Spannung derart, dass die Flüssigkeit 120 strömt. Die elektrische Spannung kann dabei besonders bevorzugt in Form eines Dreh stroms aufgebracht werden, wobei der Drehstrom eine Frequenz von 1 kHz bis 1000 kHz, besonders bevorzugt von 10 kHz, und eine Amplitude von 0,01 V bis 10 V, besonders be vorzugt von 0,025 V, aufweist.
Das System 110 kann insbesondere weitere, optionale Komponenten umfassen. Weitere Ausführungsbeispiele des Systems 110 finden sich in den folgenden Figuren, insbesondere in den Figuren 7A bis 7C und in Figur 10.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Elektrodentripels 128 in einer Draufsicht ge zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Elektroden 130 des Elektrodentripels 128 eine gleichartige geometrische Form auf. Wie in Figur 1 zu sehen, weisen die Elektroden 130 eine längliche, rechteckige Form auf. Es ist jedoch auch möglich, dass die Elektroden 130 andere Formen und/oder ungleichartige Formen aufweisen. Die Elektroden 130 kön nen insbesondere mit ihrer länglichen Form in Nord- Süd-Richtung ausgerichtet sein. Wer den diese Elektroden 130 mit der elektrischen Spannung beaufschlagt, so kann das Elekt rodentripel 128 einen Flüssigkeitsstrom 114 in West-Ost-Richtung bzw. in Ost-West- richtung je nach Drehrichtung der elektrischen Spannung erzeugen. Dabei werden die Elektroden 130 des Elektrodentripels 128, wie oben bereits erwähnt, derart von den steuer baren Mitteln 124 mit der elektrischen Spannung beaufschlagt, dass die Elektroden 130 des Elektrodentripels 128 eine Phasendifferenz zueinander aufweisen. In diesem Ausführungs beispiel weist die elektronische Spannung an den Elektroden 130 des Elektrodentripels 128 eine Phasendifferenz von 120° zueinander auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist also eine erste Elektrode 156 eine Phase cp, eine zweite Elektrode 158 eine Phase cp+120° und eine dritte Elektrode 160 eine Phase cp+240° auf, wobei die Phase f jeden beiliegen Wert von 0° bis 360°n, wobei n = 0, ±1, ±2, ..., annehmen kann. Andere Phasendifferenzen zwi schen den Elektroden 130 des Elektrodentripels 128 sind jedoch ebenfalls möglich.
Die Figuren 3A bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 in einer Draufsicht. Dabei ist zunächst in den Figuren 3A und 3B beispielhaft eine quadratische Form der Anordnung 112 gewählt. Wie in Figur 3A dargestellt, umfasst die Anordnung 112 die Vielzahl der Elektrodentripeln 128, welche auf der Oberfläche 126 des Substrats 122 angeordnet sind. Die von der Anordnung 112 umfassten Elektrodentripeln 128 können dabei insbesondere wie in Figur 2 dargestellt ausgestaltet sein. In diesem besonders bevorzugten Ausführungs beispiel umfasst die Anordnung 112 sechs Elektrodentripel 128 mit jeweils drei Elektroden 130, d.h. insgesamt 18 Elektroden.
Ein Teil der von der Anordnung 112 umfassten Elektrodentripel 128 kann dabei unverän dert in Nord- Süd-Richtung ausgerichtet sein, wobei diese Elektrodentripel 128 Flüssig keitsströme 114 in West-Ost-Richtung bzw. in Ost-West-Richtung erzeugen können. Ein anderer Teil der von der Anordnung 112 umfassten Elektrodentripel 128 kann im Ver gleich zu ersteren Elektrodentripeln 128 um einen Winkel gedreht sein. In diesem Ausfüh rungsbeispiel ist der andere Teil der von der Anordnung 112 umfassten Elektrodentripel 128 um 90° gedreht. Andere Winkel und Geometrien in der Anordnung sind jedoch eben falls möglich, wie insbesondere in Figur 5 dargestellt. Der andere Teil der von der Anord nung umfassten Elektrodentripel 128 kann also in West-Ost-Richtung ausgerichtet sein, wobei diese Elektrodentripel 128 Flüssigkeitsströme 114 in Nord- Süd-Richtung bzw. in Süd-Nord-Richtung erzeugen können.
Eine mögliche Beschaltung der in Figur 3A gezeigten Anordnung 112 ist in Figur 3B ge zeigt. Hier sind die von der Anordnung 112 umfassten steuerbaren Mittel 124 in einer Draufsicht gezeigt. Die steuerbaren Mittel 124 können auf der Oberfläche 126 des Sub strats 122 aufgebracht und/oder von einem Volumen des Substrats 122 aufgenommen sein. Insbesondere können die steuerbaren Mittel 124 jedoch in einer Ebene unter der Vielzahl an Elektrodentripeln 128 in dem Substrat 122 oder unterhalb des Substrats 122 angeordnet sein.
Wie in Figur 3B dargestellt, können die steuerbaren Mittel 124 eine Vielzahl an Leiterbah nen 162 und eine Vielzahl an elektrischen Anschlüssen für die Elektroden 164 aufweisen. Die elektrischen Leiterbahnen 162 können über die elektrischen Anschlüsse für die Elek troden 164 eine elektrisch leitende Verbindung zu den von der Vielzahl an Elektrodentri peln 128 umfassten Elektroden 128 hersteilen. Die steuerbaren Mittel 124 können insbe sondere eine der Vielzahl an Elektroden 130 entsprechenden Anzahl an elektrischen Lei terbahnen 162 und an elektrischen Anschlüssen für die Elektroden 164 umfassen. In die sem Ausführungsbeispiel umfassen die steuerbaren Mittel 124 folglich je 18 Leiterbahnen 162 und elektrische Anschlüsse für die 18 Elektroden 130. Die steuerbaren Mittel können weiterhin elektrische Anschlüsse für Antriebselemente 166 aufweisen. Die elektrischen Anschlüsse für Antriebselemente 166 können insbesondere auf einer Berandung 168 der steuerbaren Mittel 124 angeordnet sein. Die Abmessungen der steuerbaren Mittel 124 und der Elektroden 130 können insbesondere miteinander übereinstimmen. Dies kann insbe sondere eine Fertigung der Anordnung 112 mit gleicher Fertigungstechnologie sowohl auf der Ebene der steuerbaren Mittel 124 wie auch auf der Ebene der Elektroden 130 begünsti gen.
Eine alternative Beschaltung der in Figur 3A gezeigten Anordnung 112 ist in den Figuren 4A bis 4C gezeigt. Dabei ist in Figur 4A eine erste Ebene der Anordnung 112, in Figur 4B eine zweite Ebene der Anordnung 112 und in Figur 4C eine dritte Ebene der Anordnung 112 in jeweils einer Draufsicht gezeigt. In Figur 4A ist die erste Ebene der Anordnung 112 mit der darin angeordneten Vielzahl an Elektrodentripeln 128 gezeigt. Figur 4B zeigt eine zweite, mittlere Ebene der Anordnung 112 mit den darin angeordneten elektrischen An schlüssen für die Elektroden 164 der steuerbaren Mittel 124. In Figur 4C ist eine dritte, unterste Ebene der Anordnung 112 mit den darin angeordneten Leiterbahnen 162 der steu erbaren Mittel 124 dargestellt. Wie in Figur 4C dargestellt, können die steuerbaren Mittel 124 auch lediglich eine der Vielzahl an Elektrodentripel 128 entsprechenden Anzahl an Leiterbahnen 162 umfassen. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen die steuerbaren Mit tel also nur sechs Leiterbahnen 162 im Unterscheid zu den 18 Leiterbahnen 162 in Figur 3B. Mit den elektrischen Anschlüssen 164 kann die Vielzahl der Elektrodentripel 128 elektrisch kontaktiert werden. Weiterhin können die steuerbaren Mittel 124 zusätzliche elektrische Anschlüsse 170 aufweisen, wobei die zusätzlichen elektrischen Anschlüsse 170 ausgewählte Elektroden 130 untereinander verbinden. Die so verbundenen Elektroden 130 können insbesondere aus verschiedenen, benachbarten Elektrodentripeln 128 ausgewählt sein. Beispielsweise kann eine erste Elektrode 156 eines Elektrodentripels 128 mit einer ersten Elektrode 156 eines anderen, benachbarten Elektrodentripels 128 über die zusätzli chen elektrischen Anschlüsse verbunden sein. Ebenso können die zweiten Elektroden 158 und dritten Elektroden 160 benachbarter Elektrodentripel 128 verbunden sein.
Figur 5 zeigt eine alternative Geometrie der Anordnung 112. Hier ist die Vielzahl der Elektrodentripel 128 in einer hexagonalen Form angeordnet. Dabei können die Elektro dentripel 128 jeweils in einem Winkel von 60° zueinander gedreht sein. Auch in diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Anordnung 112 sechs Elektrodentripel 128. Bei Anlegen der elektrischen Spannung an die Vielzahl der Elektrodentripel 128 können hier jedoch mindestens drei voneinander unabhängige elektrische Feldkomponenten erzeugt werden: So kann mit diesem Ausführungsbeispiel je eine elektrische Feldkomponente in West-Ost- Richtung, eine elektrische Feldkomponente in Südwest-Nordost-Richtung und eine elektri sche Feldkomponente in Südost-Nordwest-Richtung erzeugt werden.
In den Figuren 6A bis 6D sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines elektrischen Ver bindungselements 172 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System 110 gezeigt. Dazu ist in den Figuren 6A bis 6D das System 110 auf seiner Leiterebene gezeigt. Das in den Figuren 6A bis 6D gezeigte Ausführungsbeispiel des Systems 110 weist zwölf Anord nungen 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 auf, die in einem matrixförmigen Verbund 174 in Zeilen 176 und Spalten 178 derart angeordnet sind, dass ein gemeinsamer Strömungsbereich 136 der Flüssigkeit 120 über die Anordnungen 112 hinweg entsteht. Dabei können besonders bevorzugt Anordnungen 112 in einer aus den in Figuren 3A bis 4C gezeigten Ausführungsformen verwendet werden.
Das elektrische Verbindungselement 172 kann dazu eingerichtet sein, mindestens zwei Anordnungen 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 in dem System 110 elektri sche miteinander zu verbinden. In dem Ausführungsbeispiel aus Figur 6A kann das elektri sche Verbindungselement an einem Ende einer Spalte 178 angeordnet sein, um mindestens zwei Anordnungen 112 über zwei benachbarte Spalten 178 hinweg verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann das elektrische Verbindungselement 172 auch am Ende einer Zeile angeordnet sein. In Figur 6B ist ein schematisches Ausführungsbeispiel des elektrischen Verbindungselements 172 gezeigt, wobei hier das elektrische Verbindungselement 172 in Schichten unterhalb der Anordnungen 112 ausgeführt ist. In dieser Ausführungsform kann das elektrische Verbindungselement 172 auch inmitten einer Zeile 176 und/oder einer Spalte 178 angeordnet sein. Ein solches Beispiel ist in Figur 6C gezeigt. In diesem Ausfüh rungsbeispiel ist eine weitere elektrische Leitungsbahn 180 vorgesehen. In Figur 6D ist schließlich eine vereinfachte Darstellung der Anordnung 112 mit einem darunterliegenden elektrischem Verbindungselement 172 gezeigt. In Figur 6D ist dies durch die Schraffur auf der Anordnung 112 dargestellt.
In den Figuren 7A bis 7C sind weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sys tems 110 in einer Draufsicht gezeigt. Dabei sind auch in diesen Ausführungsbeispielen die von dem System 110 umfasste Vielzahl an Anordnungen 112 in dem matrixförmigen Ver bund 174 angeordnet. Beispielsweise umfasst das in Figur 7A gezeigte System 110 32 An ordnungen 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114. Eine andere Anzahl von An ordnungen 112 ist jedoch möglich. Die Anordnungen 112 können hierbei in Richtung und Geschwindigkeit identische oder verschiedene Flüssigkeitsströme 114 erzeugen. Analog zu Figur 6D sind die in den Figuren 7A bis 7C durch das elektrische Verbindungselement 172 verbundenen Anordnungen 112 schraffiert dargestellt.
Das System 110 kann, wie in Figur 7A dargestellt, mindestens eine Steuereinheit 182 auf- weisen. Die Steuereinheit 182 kann eingerichtet sein, das Anlegen der elektrischen Span nung an die Vielzahl der Elektrodentripel 128 mittels der steuerbaren Mittel 124 zu steu ern. So kann die Steuereinheit 182 zur Steuerung der Richtung und Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströme 114 auf den einzelnen Anordnungen 112 eingerichtet sein. Die Steuer einheit 182 kann über einen Datenbus 184 mit einem Eingangssignal beaufschlagt werden. Ein Ausführungsbeispiel der Steuereinheit 182 ist in Figur 8 detailliert beschrieben. Für die Beschreibung der Steuereinheit 182 wird auf die Beschreibung von Figur 8 verwiesen.
Über die elektrischen Anschlüsse für Antriebselemente 166 können die Anordnungen 112 mit der Steuereinheit 182 verbunden sein. Dafür kann die Steuereinheit 182 mindestens eine Verbindungsstelle 186 aufweisen, besonders bevorzugt eine Vielzahl an Verbindungs stellen 186, an denen die Steuereinheit 182 mit den elektrischen Anschlüssen für Antrieb selemente 166 der Anordnungen 112 verbunden sein kann. Ebenso kann die Steuereinheit 182 mindestens eine weitere Verbindungstelle 188 zu dem Datenbus 184 aufweisen.
Alternativ kann das System 110 auch, entsprechend der in Figur 7B gezeigten Ausfüh rungsform, zwei Steuerelemente 182 umfassen. In diesem Ausführungsbeispiel können die Steuerelemente 182 getrennt voneinander in dem System 110 angeordnet sein. Dies kann insbesondere die Kontaktierung mit der von dem System 110 umfassten Vielzahl an An ordnungen 112 erleichtern. Zusätzlich kann das System 110, wie in Figur 7C dargestellt, mindestens ein Flüssigkeits reservoir 190 umfassen. Das Flüssigkeitsreservoir 190 kann eingerichtet sein, die Flüssig keit 120, in welcher sich zumindest teilweise die elektrisch geladenen Teilchen 118 befin den, zu bevorraten. Das Flüssigkeitsreservoir 190 kann über mindestens einen Verbin dungskanal 192 mit der Anordnung 112, bevorzugt mit der von dem System 110 umfassten Vielzahl an Anordnungen 112 verbunden sein. Das Flüssigkeitsreservoir 190 kann also dazu eingerichtet sein, der Anordnung 112, bevorzugt der Vielzahl an Anordnungen 112, die Flüssigkeit 120 über den mindestens einen Verbindungskanal 192 zuzuführen. In die sem Ausführungsbeispiel umfasst das Flüssigkeitsreservoir 190 zwei Verbindungskanäle 192, wobei je ein Verbindungskanal 192 für eine Flussrichtung 194 der Flüssigkeit 120 zu der Anordnung 112 hin bzw. von der Anordnung 112 weg vorgesehen ist.
In einer möglichen Ausführungsform kann der Verbindungskanal 192 eine Vielzahl an Elektroden 196 umfassen, die mit Wechselstrom beaufschlagt werden können, wodurch mittels Elektroosmose ein Transport der Flüssigkeit 120 ermöglicht wird. In einer alterna tiven Ausführungsform kann an dem Flüssigkeitsreservoir 190 eine Spannungsquelle 198 über einen Kontakt 200 angeschlossen werden. Das System 110 kann dagegen über eine Erdung 202 verfügen, sodass eine Potentialdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsreservoir 190 und dem System 110 anliegt. Auf den Wänden des Verbindungskanals 192 können elektrische Wandladungen aufgebracht sein, sodass ein Transport der Flüssigkeit 120 auf grund der Potentialdifferenz zwischen Flüssigkeitsreservoir 190 und System 110 je nach Polarität der Wandladung und/oder Polarität der Potentialdifferenz in beiden Richtungen möglich ist.
Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Steuereinheit 182 zur Verwendung in einem er findungsgemäßen System 110. Die Steuereinheit 182 kann als passive Steuereinheit oder als aktive Steuereinheit 204 ausgeführt sein. In Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel einer aktiven Steuereinheit 204 gezeigt. Die aktive Steuereinheit 204 kann mindestens einen Mikroprozessor 206 umfassen. Der Mikroprozessor 206 kann über einen Anschlusspunkt 208 mindestens ein Eingangssignal von dem Datenbus 184 empfangen.
Die aktive Steuereinheit 204 kann das mindestens eine Eingangssignal in mindestens ei nem Speicherelement 208, bevorzugt auf einem digitalen Speicher, ablegen. Das Ein gangssignal kann insbesondere Informationen darüber enthalten, welche der Elektrodentri peln 128 mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden sollen. Die aktive Steuereinheit 204 kann weiterhin mit mindestens drei Stromleitern von außen mit der notwendigen Leis tung versorgt werden. Eine Weiterleitung der angelegten elektrischen Spannung zu den elektrischen Leiterbahnen 162, welche zu den Elektrodentripeln 128 fuhren kann nur erfol gen, wenn das entsprechende Speicherelement 208 in der aktiven Steuereinheit 204 den entsprechenden Zustand aufweist. Eine Drehrichtung der Wechsel Spannung an den Elekt rodentripeln 128 kann über eine gespeicherte Information über die Drehrichtung der Wechsel Spannung festgelegt sein. Das Aktivsignal und die Information über die Drehrich tung der Wechselspannung, welches in dem Speicherelement 208 abgelegt ist und das Analogsignal der elektrischen Spannung können mittels einem Analogschaltem 210 derart verknüpft werden, dass nur die gewünschten Elektrodentripel 128 mit elektrischer Span nung beaufschlagt werden.
Die Beaufschlagung des mindestens einen Speicherelements 208 in der aktiven Steuerein heit 204 kann, in vorteilhafter Weise, als Schieberegister 212 erfolgen. Das zu speichernde Eingangssignal kann über den Datenbus 184 auf die aktive Steuereinheit 204 übertragen werden. Neben dem Datenbus kann ein Taktsignal von außen zugeführt werden. Zur Mi nimierung der notwendigen Busarchitektur, kann auch die Funktion des Datenbusses, der Spannungsversorgung und des Taktsignals über einen Bus umfassend mindestens zwei Leiter erfolgen. Hierdurch können Zuleitungen zu der aktiven Steuereinheit 204 gespart werden.
Während das Schieberegister 212 die Informationen an die richtige Position verschiebt, kann eine Weitergabe von unerwünschten Zwischenzuständen an die Elektrodentripeln 128 durch Unterbrechung der Analogschalter 210 in der aktiven Steuereinheit 204 unterdrückt werden. Wie in Figur 8 dargestellt, können mehrere Register ebenen 212 bereitgestellt wer den. Jede Registerebene 212 kann mindestens einen Speicher für den Aktivzustand und die Information über die Drehrichtung der Wechsel Spannung der Elektrodentripel 128 umfas sen. Somit können Zwischenspeicherebenen seriell mit Informationen über den Datenbus 184 befüllt werden, ohne dass sich der Zustand einer aktiven Registerebene 212 und damit der Elektrodentripeln 128 ändert. Wenn ein Speicherzustand einer Zwischenspeicherebene den gewünschten Zustand erreicht hat, kann durch einen einzigen Kopiervorgang, bei spielsweise einem Write-Befehl, der Inhalt der Zwischenspeicherebene auf die aktive Re gisterebene 212 parallel kopiert werden. Alle Elektrodentripel 128 des Systems 110 kön nen so gleichzeitig neu gesetzt werden.
Alternativ kann die Steuereinheit 182 auch als passive Steuereinheit ausgeführt sein. Die passive Steuereinheit kann die Kontaktierung von Zeilen- und Spaltenleiterbahnen an ei nem Rand des System 110 umfassen. Angesteuert werden können die Elektrodentripel 128 an Kreuzungspunkten der Zeilen- und Spaltenleiterbahnen. Besonders bevorzugt können jeweils 3 Zeilen- und 3 Reihenleiterbahnen gleichzeitig mit der elektrischen Spannung beaufschlagt werden. Das in Figur 7A beispielhaft dargestellte System 110 umfasst 32 An ordnungen 112 und muss somit mit bis zu 64 Drehstromsignalen versorgt werden. In der passiven Steuereinheit kann die Versorgung durch Multiplexen mit einer hohen Schaltfre quenz und anschließender Glättung mit Kondensatoren erfolgen.
In Figur 9 ist ein Ausfiihrungsbeispiel einer gekoppelten Ansteuerung der Steuereinheit 182 in dem erfindungsgemäßen System 110 dargestellt. Das Eingangssignal 214 kann für jede Zeile, hier durchnummeriert von A bis H, und für jede Spalte, hier durchnummeriert von I bis VIII, jeweils das mindestens eine Aktivsignal und die mindestens eine Informati on über die Drehrichtung der Wechsel Spannung an den Elektrodentripeln 128 umfassen.
Das mindestens eine Aktivsignal und die Information über die Drehrichtung der Wechsel spannung können für jedes Elektrodentripel 130 einer Anordnung 112, die Flüssigkeits ströme 114 in eine Richtung 146 erzeugen, verschiedene Zustände annehmen. Beispielwei se kann das Aktivsignal für Elektrodentripel 130 in West-Ost-Richtung die Zustände An (1) bzw. Aus (0) annehmen. Die Information über die Drehrichtung der Wechsel Spannung kann eine Information über die Richtung 146 enthalten, beispielsweise einen Zustand (+) für Flüssigkeitsströme 114 in West-Ost-Richtung oder einen Zustand (-) für Flüssigkeits ströme 114 in Ost- West-Richtung. Ebenso können für Elektrodentripel 130 in Nord-Süd- Richtung das Aktivsignal und die Information über die Drehrichtung der Wechsel Spannung entsprechende Zustände annehmen. So können an der einen Anordnung 112 neun ver schiedene Strömungszustände umgesetzt werden, wobei die Strömungszustände jede mög liche Himmelsrichtung und auch den Zustand „keine Strömung“ annehmen können. In diesem Beispiel, können zur Speicherung der Strömungszustände mindestens sechs Spei cherelemente 208 vorgesehen sein. Allgemein kann die Anzahl N der Speicherelemente 208 pro Anordnung 112 N = 2 * (2 * n + 1) betragen, wobei n eine Amplitude des Ak tivsignals bezeichnet.
Figur 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 110 in einer Draufsicht. Das in Figur 10 dargestellte Ausführungsbeispiel kann insbesondere als Fluid-Maschine 216 verwendet werden. Die Fluid-Maschine 216 kann einen Einlass 218 aufweisen, in welchen die Flüssigkeit 120 durch Pipettieröffnungen 220 zugeführt werden kann. Über ein Anbindungselement 222 kann die Flüssigkeit 120 den von dem System 110 umfassten Anordnungen 112 zugeführt werden. Das Anbindungselement 222 kann dabei insbesondere mindestens einen Flüssigkeitskanal 224 umfassen. Das System 110 kann eine Vielzahl von Anordnungen 112 umfassen, welche die auszuführenden Rechenoperationen der Fluid-Maschine 216 in Misch-, Auswahl- und/oder Transportprozesse der Flüssigkeit 120 umsetzen können. Die Vielzahl der Anordnungen 112 kann dabei auch als Fluid- Prozesseinheit 226 bezeichnet werden.
Die Fluid-Maschine 216 kann weiterhin über einen Auslass 228 verfügen, der insbesondere analog zu dem Einlass 218 ausgestaltet sein kann. Weiterhin kann die Fluid-Maschine 216 eine Vielzahl an Speicherelementen 230 aufweisen, welche zur Zwischenlagerung der Flüssigkeit 120 eingerichtet sein können. Die Speicherelemente 230 können insbesondere als RAM-Speicher verwendet werden und über Anbindungselemente 222 mit der Fluid- Prozesseinheit 226 verbunden sein.
Wie in Figur 10 dargestellt, kann die Fluid-Maschine 216 über ein inneres Flüssigkeitsre servoir 232 verfügen, welches über Flüssigkeitskanäle 234 mit der Fluid-Prozesseinheit 226 verbunden ist. Die Flüssigkeitskanäle 224 der Anbindungselemente 222 können über eine Y-Gabelung mit den Flüssigkeitskanälen 234 des inneren Flüssigkeitsreservoirs 232 auf der Fluid-Prozesseinheit 226 zur Erhaltung der Kontinuität der Flüssigkeitsströme 114 verbunden sein. Zusätzlich kann die Fluid-Maschine ein äußeres Flüssigkeitsreservoir 236 aufweisen, welches dazu eingerichtet ist, das innere Flüssigkeitsreservoir 232 zu spülen. Weiterhin kann die Fluid-Maschine 216 weitere Anbauelemente 238, beispielweise zusätz liche Mischeinrichtungen und/oder Messeinrichtungen, aufweisen.
In den Figuren 11A und 11B sind beispielhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Systems 110 zum Transport diffuser Proben 240 gezeigt. Dabei sind Ausschnitte des Sys tems 110 in einem zeitlichen Ablauf dargestellt. Eine diffuse Probe kann dabei, wie in Fi gur 11A gezeigt, in einer geschlossenen Stromröhre 242 in dem System 110 transportiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die diffuse Probe in West-Ost-Richtung 244 in dem System transportiert. In Figur 11B ist der Transport der diffusen Probe zu einem Ausgang 246 gezeigt. Dabei kann die geschlossene Stromröhre 242 derart über den Aus gang 246 erweitert werden, dass die diffuse Probe 240 in den Ausgang 246 hinein trans portiert werden kann.
Figur 12 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahren 248 zur Herstellung des Systems 110 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114. Das Verfahren 248 umfasst die nachfolgend näher genannten Schritte. Diese Schritte können in der ge nannten Reihenfolge durchgeführt werden. Auch eine andere Reihenfolge ist jedoch grundsätzlich möglich. Weiterhin können zwei oder mehr der genannten Verfahrensschritte zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Weiterhin können einer oder mehrere der genannten Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt wer den. Das Verfahren 248 kann über die genannten Schritte hinaus weitere Verfahrensschrit te umfassen, welche nicht genannt sind.
Das Verfahren 248 zur Herstellung des Systems 110 umfasst:
(I) Herstellen 250 der Anordnung 112 zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen 114 mit den Schritten: i) Bereitstellen 252 des Substrats 122; ii) Aufbringen 254 von steuerbaren Mitteln 124 zur Beschaltung der Vielzahl an Elektroden 130, die, iii) gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 256 in Elektrodentripeln 128 auf die Oberfläche 126 des Substrats 122 angebracht werden. und optional: iv) Behandeln 258 der Oberfläche 126 des Substrats 122 derart, dass eine ebene Oberfläche 138 und/oder glatte Oberfläche 140 für die Flüssigkeitsströme 114 entsteht; und
(II) Bereitstellen 260 der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen 116.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorliegenden Verfahren wird auf die Beschrei bung der erfindungsgemäßen Anordnung 112 und des Systems 110 verwiesen. Bezugszeichenliste
110 System
112 Anordnung zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen
114 Flüssigkeitsstrom
116 Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen
118 elektrisch geladene Teilchen
120 Flüssigkeit
122 Substrat
124 steuerbare Mittel
126 Oberfläche des Substrats
128 Elektrodentripel
130 Elektrode räumlicher Abstand der Elektroden isolierende Schicht
Strömungsb erei ch ebene Oberfläche glatte Oberfläche elektrische Feldkomponente
Kraft
Richtung
Drehstromquelle
Drehstromgenerator
Gebiet mit Ladungsungleichgewicht neutrales Gebiet erste Elektrode zweite Elektrode dritte Elektrode
Leiterbahn elektrischer Anschluss für Elektrode elektrischer Anschluss für Antriebselemente Berandung zusätzlicher elektrischer Anschluss elektrisches Verbindungselement matrixförmiger Verbund
Zeile
Spalte elektrische Leitungsbahn
Steuereinheit
Datenbus
Verbindungsstelle zu Anordnung
Verbindungsstelle zu Datenbus
Flüssigkeitsreservoir
Verbindungskanal
Flussrichtung
Vielzahl an Elektroden
Spannungsquelle
Kontakt
Erdung aktive Steuereinheit Mikroprozessor Speicherelement Analogschalter Register ebene Eingangssignal Fluid-Maschine Einlass Pipettieröffnungen Anbindungselement Flüssigkeitskanal Fluid-Prozesseinheit Auslass Speicherelement inneres Flüssigkeitsreservoir Flüssigkeitskanal äußeres Flüssigkeitsreservoir Anbauelement diffuse Probe Stromröhre West-Ost-Richtung Ausgang Verfahren zur Herstellung eines Systems Herstellung einer Anordnung Bereitstellen des Substrats Aufbringen von steuerbaren Mitteln Aufbringen von Elektroden in Elektrodentripeln Behandeln der Oberfläche des Substrats Bereitstellen der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) aus zumindest teil weise elektrisch geladenen Teilchen (118), die sich in einer Flüssigkeit (120) befin den, umfassend ein Substrat (122) mit steuerbaren Mitteln (124) zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen für eine Vielzahl von sich auf einer Oberfläche (126) des Substrats (122) befindlichen Elektrodentripeln (128), wobei die Vielzahl der Elektrodentripel (128) derart angeordnet ist, dass die Elektrodentripel (128) bei An legen einer elektrischen Spannung zumindest zwei voneinander unabhängige beweg liche elektrische Feldkomponenten (142) erzeugen, die jeweils eine Kraft (144) auf die elektrisch geladenen Teilchen (118) bewirken, wodurch die Flüssigkeit (120) in zumindest zwei voneinander verschiedenen Richtungen (146) auf dem Substrat (122) bewegbar ist.
2. Anordnung (112) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die zumindest zwei elektrischen Feldkomponenten (142) Feldlinien aufweisen, welche in einem Winkel von größer als 0° bis weniger als 180° zueinanderstehen.
3. Anordnung (112) nach Anspruch 2, wobei die zumindest zwei elektrischen Feld komponenten (142) derart voneinander unabhängig sind, dass die Feldlinien der zu mindest zwei elektrischen Feldkomponenten (142) einen Winkel von 60° oder 120° zueinander annehmen.
4. Anordnung (112) nach Anspruch 2, wobei die zumindest zwei elektrischen Feld komponenten (142) sich in zwei Richtungen erstecken, wobei die Feldlinien der zu mindest zwei elektrischen Feldkomponenten (142) entlang der zwei Richtungen senkrecht zueinanderstehen.
5. Anordnung (112) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Elektroden (130) in jeweils einem Elektrodentripel (128) in einem räumlichen Abstand (132) zu einander angeordnet sind, wobei der räumliche Abstand (132) der Elektroden (130) einer Größenordnung einer Schichtdicke einer elektrischen Doppelschicht, welche sich bei Anlegen der elektrischen Spannung in der Flüssigkeit (120) ausbildet, ent spricht. 6. Anordnung (112) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der räumliche Abstand (132) der Elektroden (130) 0,05 pmbis 10 pm beträgt.
7. Anordnung (112) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die steuerbaren Mittel (124) eingerichtet sind, die elektrische Spannung derart an die Vielzahl der Elektrodentripel (124) bereitzustellen, dass die elektrische Spannung an Elektroden (130) jeweils eines Elektrodentripels (128) um eine Phasendifferenz zueinander ver schoben ist.
8. Anordnung (112) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die steuerbaren Mittel (124) weiterhin eingerichtet sind, die elektrische Spannung derart an die Vielzahl der Elektrodentripel (128) bereitzustellen, dass die an jeweils einer der Elektroden (130) jeden Elektrodentripels (128) anliegende elektrische Spannung eine Phasendifferenz von n-360°, n= 0, ±1, ±2, ..., aufweist.
9. Anordnung (110) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei die Pha sendifferenz zwischen den Elektroden (130) innerhalb des Elektrodentripels (128) jeweils 120° bei äquidistanter räumlicher Anordnung der Elektroden (130) beträgt.
10. Anordnung (110) nach einem der drei vorangehenden Ansprüche, wobei die steuer baren Mittel (124) eine Anzahl an elektrischen Leiterbahnen (162) umfassen, die mindestens der Vielzahl an Elektrodentripel (128) entspricht, höchstens jedoch der Anzahl der Elektroden (130) in den Elektrodentripeln (128).
11. Anordnung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei der Elektrodentripel (128) aus der Vielzahl der Elektrodentripel (128) derart zuei nander angeordnet sind, dass die von jedem der Elektrodentripel (128) bei Anlegen der elektrischen Spannung erzeugten beweglichen elektrischen Feldkomponenten (142) einen Winkel von 30° bis 150° in einer durch die Oberfläche (126) des Sub strats (122) ausgespannten Ebene zueinander annehmen.
12. Anordnung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend mindestens sechs Elektrodentripel (128) bei einer rechtwinkligen oder hexagonalen Anordnung der Vielzahl der Elektrodentripel (128).
13. Anordnung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der Elektrodentripel (128) durch eine isolierende Schicht (134) von einem Strömungsbe reich (136) der Flüssigkeit (120) getrennt ist, wobei die isolierende Schicht (134) ei ne ebene Oberfläche (138) für die Flüssigkeitsströme (114) bildet.
14. System (110) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) aus zumindest teilweise elektrisch geladenen Teilchen (118), die sich in einer Flüssigkeit (120) befinden, um fassend mindestens eine Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen (116).
15. System (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die mindestens eine Vor richtung zur Bereitstellung von elektrischen Spannungen (116) eine Drehstromquelle (148) oder einen Drehstromgenerator (150) umfasst.
16. System (110) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfas send mindestens ein Flüssigkeitsreservoir (190), wobei das Flüssigkeitsreservoir (190) eingerichtet ist, eine Flüssigkeit (120), in welcher sich zumindest teilweise elektrisch geladene Teilchen (118) befinden, zu bevorraten und über mindestens ei nen Verbindungskanal (192) der Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeits strömen (114) zuzuführen.
17. System (110) nach einem der drei vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine Steuereinheit (182), wobei die Steuereinheit (182) eingerichtet ist, das Anlegen der elektrischen Spannung an die Vielzahl der Elektrodentripel (128) mittels der steuerbaren Mittel (124) zu steuern.
18. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeits strömen (114) nach einem der vorangehenden, eine Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) betreffenden Ansprüche, umfassend: i) Bereitstellen eines Substrats (122); ii) Aufbringen von steuerbaren Mitteln (124) zur Beschaltung einer Vielzahl an Elektroden (130), die iii) in Elektrodentripeln (128) auf eine Oberfläche (126) des Substrats (122) ange bracht werden.
19. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströ men (114) nach einem der vorangehenden, eine Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) betreffenden Ansprüche oder eines Systems (110) nach ei nem der vorangehenden, ein System (110) betreffenden Ansprüche, wobei mindes tens ein Elektrodentripel (128), bevorzugt mindestens zwei Elektrodentripel (128), durch die steuerbaren Mittel (124) derart mit einer elektrischen Spannung beauf schlagt werden, dass die Flüssigkeit (120) strömt.
20. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die elektrische Spannung in Form eines Drehstroms aufgebracht wird, wobei der Drehstrom eine Frequenz von 1 kHz bis 1000 kHz und eine Amplitude von 0,01 V bis 10 V aufweist.
21. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerpro gramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren zum Betrieb einer Anordnung (112) zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen (114) oder eines Systems
(110) nach einem der vorangehenden, ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung (112) oder eines Systems (110) betreffenden Ansprüche auszuführen.
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