DE10356369B4 - Apparatus and methods for generating fluid assemblies from fluids - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung
zum Erzeugen einer Fluidanordnung aus Fluiden mit folgenden Merkmalen:
einem
um eine Rotationsachse drehbaren Rotationskörper (124; 140), in dem zwischen
einem Kanaleinlass (14; 52; 72) und einem Kanalauslass (16) ein
geschlossener Fluidkanal (12; 40; 70; 120; 170; 170') mit einer
Kanalgeometrie gebildet ist, wobei der Fluidkanal in Haupterstreckungsrichtung
bezüglich
der Rotationsachse radiale Komponenten aufweist;
einer Einrichtung
(140, 142, 144) zum Beaufschlagen des Fluidkanals (12; 40; 70; 120;
170; 170') mit einer Rotationsgeschwindigkeit um die Rotationsachse
zum Treiben von Fluid durch Zentrifugalkraft durch den Fluidkanal;
wobei
die Kanalgeometrie und die Rotationsgeschwindigkeit derart eingestellt
sind, dass die Zentrifugalkraft aufgrund der Kanalgeometrie ein
Geschwindigkeitsprofil über den
Kanalquerschnitt bewirkt, durch das über den Kanalquerschnitt unterschiedliche
Corioliskräfte
auf das Fluid ausgeübt
werden, so dass aus einer Fluidanordnung eines ersten Fluids und
eines zweiten Fluids am Kanaleinlass (14; 52; 72) eine Fluidanordnung
am Kanalauslass (16) erzeugt wird, bei der die diffusive Mischzeit...Device for producing a fluid arrangement of fluids with the following features:
a rotary body (124; 140) rotatable about a rotation axis, in which a closed fluid channel (12; 40; 70; 120; 170; 170 ') with a channel geometry is arranged between a channel inlet (14; 52; 72) and a channel outlet (16) is formed, wherein the fluid channel in the main extension direction with respect to the axis of rotation has radial components;
means (140, 142, 144) for pressurizing the fluid channel (12; 40; 70; 120; 170; 170 ') at a rotational speed about the axis of rotation to drive fluid by centrifugal force through the fluid channel;
wherein the channel geometry and the rotational speed are set such that the centrifugal force due to the channel geometry causes a velocity profile across the channel cross section through which different Coriolis forces are exerted on the fluid over the channel cross section, such that a fluid arrangement of a first fluid and a second fluid at the channel inlet (14; 52; 72), a fluid arrangement is created at the channel outlet (16), in which the diffusive mixing time ...
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen einer Fluidanordnung aus Fluiden.The The present invention relates to devices and methods for producing a fluid assembly of fluids.
Das Mischen von Flüssigkeiten kann formal gesehen in zwei Einzelschritte unterteilt werden. Der erste Schritt besteht in der Kontaktierung der zu vermischenden Flüssigkeiten auf makroskopischer Ebene, während der zweite Schritt in der Durchmischung der Stoffe auf molekularer Ebene durch Diffusion besteht. Um die Geschwindigkeit der Durchmischung zu maximieren, ist es notwendig, die Diffusionslängen zwischen den Fluiden, welche der minimalen Wegstrecke zwischen Zonen mit verschiedenen Phasen entspricht und quadratisch in die Diffusionszeit eingeht, zu minimieren. Diese Diffusionslänge wird in dem oben genannten ersten Schritt bestimmt, während die molekulare Diffusion im zweiten Schritt im wesentlichen durch die Diffusionskonstanten der zumeist vorgegebenen Ausgangssubstanzen bestimmt ist.The Mixing liquids can formally be divided into two steps. The first Step consists in the contacting of the liquids to be mixed at the macroscopic level, while the second step in the mixing of substances on molecular Level consists of diffusion. To increase the speed of mixing maximize the diffusion lengths between the fluids, which of the minimum distance between zones with different ones Corresponds to phases and square in the diffusion time, to minimize. This diffusion length is determined in the above-mentioned first step, while the molecular diffusion in the second step essentially by the Diffusion constants of the usually predetermined starting materials is determined.
Technische Mischkonzepte zielen daher in der Hauptsache auf die Optimierung des ersten Schritts ab. Dabei werden durch die Einkopplung von mechanischer Energie Verwirbelungen erzeugt, welche die Grenzfläche für den gegenseitigen Stofftransfer verzerren oder gar zerstückeln und damit die effektive Oberfläche extrem vergrößern. Ein einfaches Beispiel hierfür ist ein Rührer.Technical Mixing concepts are therefore primarily aimed at optimization of the first step. This is by the coupling of mechanical Energy creates turbulence, which is the interface for the mutual Distorting or even dismembering the transfer of substances and thus the effective surface extremely large. One simple example of this is a stirrer.
Probleme der Durchmischung liegen in der räumlichen und zeitlichen Homogenität. Technische Verfahren, beispielsweise durch einen motorbetriebenen Rührer, verlaufen perio disch in der Zeit und räumlich nicht homogen, was sich erst nach einiger Zeit in einem quasichaotischen und damit die Homogenität gewährleistenden Verhalten niederschlägt. Typischerweise wird eine gute Durchmischung zunächst zonenweise hergestellt, bevor sie sich dann mit der Zeit über das gesamte Medium erstreckt. In makroskopischen Gefäßen wird das chaotische Verhalten durch die Bildung von Turbulenzen unterstützt, was unter den strikt laminaren Verhältnissen in Mikrokanälen mit charakteristischen Kanalbreiten von 10 μm bis einigen 100 μm nicht der Fall ist.issues the mixing is in the spatial and temporal homogeneity. Technical procedures, for example, by a motor-driven stirrer, run perio in time and spatially not homogeneous, which only after some time in a quasi-chaotic and thus the homogeneity guaranteeing Behavior is reflected. typically, will be a good mix first produced in zones, before over time entire medium extends. In macroscopic vessels becomes the chaotic behavior supported by the formation of turbulence, resulting in the strictly laminar conditions in microchannels with characteristic channel widths of 10 microns to several 100 microns not the Case is.
Grundsätzlich zu unterscheiden sind Mischer für mischbare und nicht-mischbare Fluide. Im ersten Fall kann eine Durchmischung auf molekularer Ebene, also eine Lösung erzielt werden, im zweiten eine Dispersion von mehreren Phasen, etwa flüssig-flüssig. (Emulsion) oder gasförmig-fest (Aerosol).Basically too different are mixers for miscible and immiscible fluids. In the first case, a thorough mixing At the molecular level, that is, a solution can be achieved, in the second a dispersion of several phases, such as liquid-liquid. (Emulsion) or gaseous solid (Aerosol).
Bei allen Mikrokanälen bewirken die laminaren Flussbedingungen schwere Begrenzungen hinsichtlich der Geschwindigkeit nur diffusionsgetriebener Prozesse, beispielsweise eines Mischens und nachfolgender chemischer Reaktionen. Seit den Anfängen der Mikrofluidik bis heute wurden viele Konzepte erarbeitet, um das Mischen zu verbessern, die aktive Elemente, wie Piezoaktoren, Heizelemente und externe Pumpen, oder passive dreidimensionale Mikrostrukturen, wie Raupenstrukturen und dergleichen, deren Herstellung mit Standardausrüstung komplex ist, umfassen. Es ist klar, dass diese Anforderungen nicht mit typischen technologischen und ökonomischen Beschränkungen kompatibel sind, insbesondere für Einweggeräte bei vielen Biowissenschaftsanwendungen.at all microchannels The laminar flow conditions cause severe limitations in terms of the speed of diffusion-driven processes, for example mixing and subsequent chemical reactions. Since the beginnings In the field of microfluidics, many concepts have been developed to date improve mixing, the active elements, such as piezo actuators, Heating elements and external pumps, or passive three-dimensional microstructures, such as caterpillar structures and the like, whose manufacture is complex with standard equipment is, include. It is clear that these requirements are not typical technological and economic restrictions are compatible, especially for disposable devices in many life science applications.
G. Ekstrand u. a. beschreiben in „Microfluidics in a rotating CD", in: Proc. μTAS 2000, S. 311–314, Kluwer, The Netherlands, Mikrofluidanwendungen auf einer CD-Plattform. Insbesondere ist die Handhabung diskreter Flüssigkeitsvolumen im Nanoliterbereich unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft auf einer rotierenden CD beschrieben.G. Ekstrand u. a. describe in "Microfluidics in a rotating CD ", in: Proc. μTAS 2000, pp. 311-314, Kluwer, The Netherlands, Microfluidic Applications on a CD Platform. In particular, the handling of discrete liquid volumes in the nanoliter range using centrifugal force on a rotating CD.
Auch bei M. J. Madou u. a., „The LabCDTM: A Centrifuge-Based Microfluidic Platform for Diagnostics", in: Proceedings of SPIE, Vol. 3259, S. 80–93, 1998, ist die Handhabung von Fluiden auf rotierenden Scheiben beschrieben, unter anderem unter Verwendung von zentrifugalem Pumpen, Ventilen, Mischern und Dosiervorrichtungen in der Form von mit hydrophoben Beschichtungen strukturierten Kapillaren.Also in MJ Madou et al., "The LabCD ™ : A Centrifuge-Based Microfluidic Platform for Diagnostics", in: Proceedings of SPIE, Vol. 3259, pp. 80-93, 1998, the handling of fluids on rotating discs is described below using centrifugal pumps, valves, mixers, and metering devices in the form of capillaries structured with hydrophobic coatings.
Aus
der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Fluidanordnungen aus Fluiden zu schaffen, wobei die Fluidanordnung für eine schnelle diffusive Mischung der Fluide geeignet ist, die mit Fluidikstrukturen eines einfachen Aufbaus implementierbar sind.The Object of the present invention is devices and to provide methods of producing fluid assemblies from fluids, wherein the fluid arrangement for a fast diffusive mixture of fluids is suitable with Fluidic structures of a simple structure can be implemented.
Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1, 2, 15 und 16 und Verfahren nach den Ansprüchen 17 und 18 gelöst.These The object is achieved by devices according to claims 1, 2, 15 and 16 and method the claims 17 and 18 solved.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Konzept zur Durchmischung von Fluiden in einem Fluidkanal unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft. Die vorliegende Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass ein sich in einem rotierenden bzw. rotationsbeschleunigten Fluidkanal durch die Zentrifugalkraft bzw. Eulerkraft ausbildendes parabolisches Flussprofil zusammen mit dem in Querrichtung wirken den Coriolis-Effekt genutzt werden kann, um die Anordnung zweier zu vermischender Fluide zueinander derart zu verändern, dass die diffusive Mischzeit zwischen denselben reduziert wird. Die diffusive Mischzeit wird reduziert, indem die Diffusionslänge zwischen den Fluiden reduziert wird. Diese Diffusionslänge kann vorzugsweise reduziert werden, indem bewirkt wird, dass die Fluide beispielsweise in einer dünnen Schichtung eine größere Kontaktfläche zueinander aufweisen. Darüber hinaus kann die Diffusionslänge reduziert werden, indem eine Fluidanordnung mit einer größeren Anzahl von gegenüber den Schichten der Ausgangsanordnung dünnen Fluidschichten erzeugt wird.The present invention relates to a novel concept for mixing fluids in a fluid channel utilizing centrifugal force. The present invention makes use of the knowledge that a parabola which forms in a rotating or rotationally accelerated fluid channel by the centrifugal force or Euler force sches flow profile can be used together with the acting in the transverse direction of the Coriolis effect to change the arrangement of two fluids to be mixed with each other such that the diffusive mixing time between them is reduced. The diffusive mixing time is reduced by reducing the diffusion length between the fluids. This diffusion length may preferably be reduced by causing the fluids to have, for example in a thin layer, a larger contact area with each other. In addition, the diffusion length can be reduced by creating a fluid assembly having a larger number of fluid layers thin relative to the layers of the exit assembly.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst der Fluidkanal eine Mehrzahl von Teilkanälen. Ferner ist der Fluidkanal bei bevorzugten Ausführungsbeispielen an einem radial inneren Abschnitt zu einem radial äußeren Abschnitt verlaufend in einem Rotationskörper gebildet, der um eine Rotationsachse drehbar ist. Die Ausrichtung des Fluidkanals ist dabei so, dass derselbe zumindest radiale Komponenten aufweist, so dass ein in demselben befindliches Fluid bei Rotation einer Zentrifugalkraft unterworfen wird. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird der Fluidkanal radial angeordnet sein.at preferred embodiments According to the invention, the fluid channel comprises a plurality of subchannels. Further is the fluid channel in preferred embodiments at a radial inner portion extending to a radially outer portion in a rotation body formed, which is rotatable about an axis of rotation. The alignment the fluid channel is such that the same at least radial components so that a fluid therein in rotation is subjected to a centrifugal force. In preferred embodiments the fluid channel will be arranged radially.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine wesentliche Beschleunigung des Mischens laminarer Flüsse durch allgemein radiale Mikrokanäle auf dem Rotationskörper, der eine rotierende Scheibe sein kann. Dabei werden transversale Flussmuster in dem Fluidkanal durch die Pseudo-Coriolis-Kraft erzeugt. Durch das Einstellen bzw. Optimieren der Kanalgeometrie und der Drehgeschwindigkeit als den Schlüsselparametern kann die induzierte Konvektion verwendet werden, um die Ausrichtung zweier paralleler Flüsse zu steuern und sogar umzukehren. Diese Erkenntnisse können zu einer neuartigen Laminiereinrichtung durch Teilen und wieder Kombinieren führen, die durch eine einfache Anordnung von rechteckigen Mikrokanälen mit niedrigem Aspektverhältnis gebil det ist, durch die drastisch reduzierte Mischzeiten erreicht werden können.The present invention enables a significant acceleration of the mixing of laminar flows generally radial microchannels on the rotation body, which can be a rotating disk. This will be transversal Flow pattern generated in the fluid channel by the pseudo-Coriolis force. By adjusting or optimizing the channel geometry and the rotational speed as the key parameters The induced convection can be used to align two parallel rivers to control and even reverse. These findings can too a novel laminator by dividing and recombining to lead, which by a simple arrangement of rectangular microchannels with low aspect ratio gebil det is achieved by the drastically reduced mixing times can.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIG the enclosed drawings closer explained. Show it:
Bevor
auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung näher
eingegangen wird, werden zunächst
Bezug nehmend auf die
Die vorliegende Erfindung wird in der Regel zum Mischen von Flüssigkeiten Anwendung finden, wobei dieselbe jedoch auch zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten bzw. zum Mischen von Gasen untereinander verwendet werden kann. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um ein Mischen von Fluiden ohne gleichzeitige und nachfolgende Reaktion zwischen denselben oder ein Mischen von Fluiden mit einer gleichzeitigen oder nachfolgenden Reaktion zwischen denselben durchzuführen.The present invention will generally find application for the mixing of liquids, however, it may also be used to mix gases and liquids or to mix gases with each other. Moreover, the present invention may be used to effect mixing of fluids without simultaneous and subsequent reaction therebetween or mixing of fluids with a simultaneous or subsequent reaction therebetween.
In
Die
zu durchmischenden Flüssigkeiten
werden in einen Kanaleinlass
Im
rotierenden Bezugssystem, in welchem die Kanalstruktur, d. h. der
Fluidkanal
In
Durch
die angegebene Rühr-Strömung kann die
Anordnung zweier in den Kanaleinlass
Die
Erzeugung einer Rührströmung durch die
Geschwindigkeitsverteilung
Bei
einer Rotationsbeschleunigung kann auch das Fluid auf Zwischenstücken entlang
einer Kreisbogens über
die Euler kraft angetrieben werden. Aus einem rotationsbeschleunigten
System betrachtet erfährt
das Fluid entlang eines Kreisbogens die Eulerbeschleunigung und
die dadurch bedingte Eulerkraft FEuler.
Diese erzeugt ein inhomogenes azimutales Strömungsprofil
Somit kann die vorliegende Erfindung auch unter Verwendung eines Kanals mit azimutalem Verlauf mit einer entsprechenden Einrichtung zum Beaufschlagen des Kanals mit einer Rotationsbeschleunigung implementiert sein. Eine solche Einrichtung kann durch eine Einrichtung zum Beaufschlagen des Rotationskörpers mit einer Rotation gebildet sein, wobei eine jeweilige Rotationsbeschleunigung dann beim Anfahren und/oder Anhalten des Rotationskörpers bewirkt wird. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung mit einem Kanal mit azimutalen und radialen Komponenten implementiert werden, so dass eine Kombination von Eulerkraft und Zentrifugalkraft auftritt.Consequently For example, the present invention may also be implemented using a channel with azimuthal course with a corresponding device for Implementation of the channel with a rotational acceleration implemented be. Such a device may be powered by a device of the rotational body be formed with a rotation, wherein a respective rotational acceleration then causes when starting and / or stopping the rotating body becomes. Furthermore, the present invention with a channel with azimuthal and radial components are implemented so that a combination of elliptical force and centrifugal force occurs.
Wie
im nachfolgenden gezeigt wird, können die
Kanalgeometrie des Fluidkanals
Wie
in
Unter
Verwendung des in
In
In
dem rechten äußeren Diagramm
von
Aus
Die
in den
Wie
oben ausgeführt
wurde, kann die Kanalstruktur im einfachsten Falls aus einem radial
geführten
Kanal mit rechteckigem Querschnitt bestehen. Durch entsprechende
Einstellung der Kanalgeometrie und der Rotationsfrequenz kann, wie
oben gezeigt wurde, ein gewünschtes
Flüssigkeitsmuster
am Fluidkanalauslass herbeigeführt
werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass bei den bezüglich der
Das
Prinzip einer hydrodynamischen Flusslaminierung anhand des Flusses
durch einen radialen Mikrokanal auf einer ro tierenden Scheibe wurde oben
beschrieben. Dabei hat die bei einer Winkelgeschwindigkeit (bzw.
einer Winkelbeschleunigung dω/dt
auf die in dem Mikrokanal befindlichen Flüssigkeiten wirkende Zentrifugalkraft
Fω bzw.
Eulerkraft FEuler, die proportional zu
Durch das Aufspalten des durch die Zentrifugalkraft bewirkten Flusses der zu mischenden Flüssigkeiten in mehrere, parallele Kanäle, welche weiter außen wieder zusammengeführt werden können, kann zudem eine Multilamination erzielt werden, welche die Zeiten für das diffusive Mischen in erheblichem Umfang weiter verkürzen kann.By the splitting of the flow caused by the centrifugal force the liquids to be mixed into several, parallel channels, which farther out merged again can, can In addition, a multilamination can be achieved, which makes the times for the diffusive Mixing to a considerable extent can further shorten.
Eine
schematische Darstellung eines hierfür verwendbaren Fluidkanals
Am
Kanaleinlass
Somit
wird durch die Verwendung des in
Der
in
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für einen Fluidkanal
Am
Kanaleinlass
Die
zwei Flüsse
werden in die drei Teilkanäle
Dieses
am Ausgang der Teilkanäle
vorliegende Muster wird bei weiterem Fluss entlang des gemeinsamen
Kanalabschnitts
Durch
die in
Bei
den in den
Eine
Implementierung eines Fluidkanals mit vier Teilkanälen, wie
er in der Oberfläche
einer Rotationsscheibe gebildet sein kann, ist in
Die
Kanalgeometrie der in
Zur
Erzeugung einer solchen laminierten Struktur beispielsweise beim
Mischen zweier Tinten unterschiedlicher Farben, die am Kanaleinlass
Tiefe der
Kanäle
in der Platte
Breite
des Kanalabschnitts
Länge des Kanalabschnitts
Länge
der Teilkanäle
etwa 8,4 mm;
Breite des gemeinsamen Kanalabschnitts
Breite
der Teilkanäle
etwa 250 μm.To produce such a laminated structure, for example, when mixing two inks of different colors at the channel inlet
Depth of the channels in the plate
Width of the channel section
Length of the channel section
Length of the sub-channels about 8.4 mm;
Width of the common channel section
Width of the sub-channels about 250 microns.
Wie
in
Der Ausdruck 2,5-dimensional steht dafür, dass in der dritten Dimension nur die Tiefe manipuliert wird, nicht jedoch in unterschiedlichen Ebenen verlaufende Kanäle erzeugt werden müssen.Of the Expression 2.5-dimensional stands for that in the third dimension only the depth is manipulated, but not in different Layers running channels must be generated.
Aus
der in
Ein
Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels eines
Rotationskörpers
mit darin gebildeten Fluidstrukturen zur Implementierung der vorliegenden
Erfindung ist in
Die
Scheibe
Ein
Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Erzeugen einer Fluidanordnung, die als Coriolis-Mischer bezeichnet
werden kann und beispielsweise als kompaktes Tischgerät für den Laboreinsatz
dienen kann, ist in
Der
Mischer umfasst einen Rotationskörper
Auf
der von dem Sockel
Bei
dem in
Die
starre Halteranordnung
Der
Rotationskörper
Die
stationäre
Halteranordnung
Um
die Temperatur der ausgestoßenen
Flüssigkeiten
exakt steuern zu können,
kann eine Temperiereinrichtung
Schematische
Draufsichten auf den Rotationskörper
Der
Fluidkanal
Obwohl
in den
Im
Betrieb des Coriolis-Mischers, der in
Aus
den Flüssigkeitsreservoiren
Der
in
Da
bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen
und Verfahren der Mischvorgang über
ein Kraftfeld induziert wird, welches sich über den gesamten Kanal erstreckt,
lässt sich
tendenziell die Homogenität
der Durchmischung gegenüber
einem punktuell agierenden Aktor verbessern. Darüber hinaus stellt die Zentrifugalkraft
eine Volumenkraft dar und erlaubt somit bei gegebenem Strukturquerschnitt
gegenüber einem
druckgetriebenen Fluss höhere
Flussraten. Wie Bezug nehmend auf
Für die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen genügen als Kanalstrukturen im Prinzip einfache radiale Kanäle mit geringen Aspektverhältnissen, welche mikrotechnologisch einfach herzustellen sind und damit für eine kostengünstige Massenfabrikation zugänglich sind. Somit kann die Mischstruktur als ein Einweg-Modul mit einem wieder verwendbaren Drehmotor ausgelegt werden. In Mikrostrukturen ist das Strömungsverhalten laminar und Aktoren sind schwer und nur teuer zu integrieren. Die Zentrifugalkraft bietet hier eine einzigartige Möglichkeit, Energie für die Durchmischung ohne integrierte Aktoren in die Fluide einkoppeln zu können. Das laminare Verhalten in Mikrostrukturen sorgt ferner für sehr gut reproduzierbare Mischergebnisse. Die Temperaturen der Flüssigkeiten in Mikrokanälen können sehr schnell regu liert werden. Die geringen Volumina in Mikrokanälen reduzieren ferner das Risiko von unkontrollierten Reaktionen, wie beispielsweise Explosionen. Ferner bedeuten die geringen Kanalvolumina von Mikrokanälen geringe Totvolumina.For the inventive method and devices suffice as channel structures in principle simple radial channels with low Aspect ratios, which are microtechnologically easy to manufacture and thus for a cost-effective mass production accessible are. Thus, the blending structure can be used as a disposable module with a reusable rotary motor are designed. In microstructures is the flow behavior laminar and actuators are heavy and only expensive to integrate. The Centrifugal force here provides a unique way of energy for mixing to be able to couple into the fluids without integrated actuators. The laminar behavior in microstructures also ensures very good reproducible mixing results. The temperatures of the liquids in micro channels can be very be quickly regulated. Reduce the low volumes in microchannels Furthermore, the risk of uncontrolled reactions, such as Explosions. Furthermore, the small channel volumes of microchannels mean low Dead volumes.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen zum Erzeugen einer Fluidanordnung, d. h. erfindungsgemäße Mischer, können weitere Ausstattungen aufweisen. Zu nennen sind hier insbesondere die bereits angesprochenen Heiz- oder Kühlelemente, durch die die Temperatur der Edukte und Produkte präzise eingestellt werden kann. Ferner kann eine Einrichtung zur Druckbeaufschlagung der, vorzugsweise zylindersymmetrischen, Reservoire, aus welchen die Edukte über die Schwerkraft und den Sog des stromabwärts zentrifugal ausgetriebenen Fluids in die Kanäle getrieben werden, vorgesehen sein, um eine Anpassung an verschiedene Viskositäten oder Flussraten der Edukte zu liefern. Schließlich können integrierte Flusssensoren zur Überwachung vorgesehen sein. Schließlich können statt den angesprochenen zentrifugal gesteuerten Kugelventilen an den Austrittsöffnungen der Kanäle falls erforderlich andere Ventile vorgesehen sein, die im Ruhezustand ein Austreten von Flüssigkeiten verhindern, während sie es im Betrieb ermöglichen.Devices according to the invention for producing a fluid arrangement, i. H. inventive mixer, can have further equipment. To name here are in particular the already mentioned heating or cooling elements, through which the temperature the educts and products precise can be adjusted. Furthermore, a device for pressurizing the, preferably cylindrically symmetric, reservoirs, from which the educts over the gravity and the suction of the downstream centrifugally expelled Fluids in the channels be provided to adapt to different viscosities or to provide flow rates of the reactants. Finally, integrated flow sensors for monitoring be provided. After all can instead of the mentioned centrifugally controlled ball valves the outlet openings of the channels if necessary, other valves may be provided which are at rest leakage of liquids prevent while they enable it in operation.
Die vorliegende Erfindung schafft Vorrichtungen und Verfahren zum Mischen von Fluiden, die zum einen mit einem einfachen Aufbau auskommen und zum anderen einen hohen Durchsatz und ein gutes Durchmischen der Fluide ermöglichen. Die vorliegende Erfindung ist dabei nicht auf das Mischen von zwei Fluiden begrenzt, wobei die hierin beschriebenen Systeme für einen Fachmann nachvollziehbar ohne weiteres erweitert werden können, um mehr als zwei Fluide zu mischen. Insbesondere die Realisierung eines Fluidkanals mit einer Mehrzahl von n Teilkanälen, die fluidisch parallel geschaltet sind ermöglichen eine 2n-fache Multilaminierung, was die diffusive Mischzeit bezüglich einen ankommenden AB-Musters um einen Faktor von n2 reduziert. Bei einer Anzahl von zehn parallelen Kanälen ergibt sich somit beispielsweise eine Reduzierung der diffusiven Mischzeit um den Faktor 100. Erfindungsgemäß kann somit eine Mischgeschwindigkeit erreicht werden, die vergleichbar mit üblichen LIGA-Mikromischern ist, die eine Multilaminierung durch einen druckgetriebenen Fluss verwenden. Jedoch ist erfindungsgemäß die Herstellung stark vereinfacht, da keine hohen Aspektverhältnisse erforderlich sind, um den Flusswiderstand zu minimieren, und da keine dreidimensionalen Führungsstrukturen benötigt werden, um Split-und-Rekombine-Flußschemata zu implementieren. Die Komplexität des erfindungsgemäßen Systems ist ferner reduziert, da die zentrifugale Volumenkraft eine immanente Pumpe liefert.The present invention provides devices and methods for mixing fluids which, on the one hand, manage with a simple structure and, on the other hand, enable high throughput and thorough mixing of the fluids. The present invention is not limited to mixing two fluids, and the systems described herein may be readily understood by one skilled in the art to mix more than two fluids. In particular, the realization of a fluid channel with a plurality of n subchannels, which are connected in fluidic parallel, allow a 2n-fold multilamination, which reduces the diffusive mixing time with respect to an incoming AB pattern by a factor of n 2 . Thus, for example, a number of ten parallel channels results in a reduction of the diffusive mixing time by a factor of 100. According to the invention, a mixing speed comparable to conventional LIGA micromixers using multilamination by a pressure-driven flow can thus be achieved. However, according to the invention, fabrication is greatly simplified because no high aspect ratios are required to minimize flow resistance, and no three-dimensional guiding structures are needed to implement split-and-recombine flow schemes. The complexity of the system according to the invention is further reduced because the centrifugal volume force provides an inherent pump.
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DE10346468 | 2003-10-02 | ||
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Citations (1)
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Title |
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G. Ekstrand: "Microfluidics in a rotating CD". In: Proc. µTAS 2000, S. 311-314, Kluwer, The Netherlands * |
M.J. Madou u.a.: "The LabCD<SUP>TM</SUP>: A CentrifugeBased Microfluidic Platform for Diagnostics". In: Proceedings of SPIE, Vol. 3259, S. 80-93, 1998 * |
M.J. Madou u.a.: "The LabCDTM: A Centrifuge- Based Microfluidic Platform for Diagnostics". In: Proceedings of SPIE, Vol. 3259, S. 80-93, 1998 |
Also Published As
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