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DE10318864B3 - Mikrofluidische Einrichtung zur gesteuerten Einleitung eines Fluids in einen Kanal - Google Patents

Mikrofluidische Einrichtung zur gesteuerten Einleitung eines Fluids in einen Kanal Download PDF

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Abstract

Die erfindungsgemäße mikrofluidische Einrichtung weist einen ersten Kanal (1) auf, in dem ein erstes Fluid (6) druckgetrieben gefördert wird, und einen zweiten Kanal (2), in dem ein zweites Fluid (7) elektrokinetisch gefördert wird. Beide Kanäle (1, 2) sind an einer für eine Einleitung des ersten Fluids (6) in den zweiten Kanal (2) vorgesehenen Verbindungsstelle (3) miteinander verbunden. Der erste Kanal (1) weist an einer der Verbindungsstelle (3) gegenüberliegenden Innenseite eine derart konvexe Krümmung (4) auf, dass sich in einem ersten Betriebszustand der Einrichtung das erste Fluid (6) aufgrund des sogenannten Coanda-Effekts an der Krümmung (4) anlegt und daran entlang fließt, so dass es nicht in den zweiten Kanal (2) eindringen kann. Zur Einleitung des ersten Fluids (6) in den zweiten Kanal (2) wird in einem zweiten Betriebszustand der Einrichtung das erste Fluid (6) elektrokinetisch in den zweiten Kanal (2) umgelenkt, wobei der Coanda-Effekt aufgehoben wird bzw. nicht zustande kommt.

Description

  • Zur Behandlung von Fluiden, insbesondere für deren Analyse, beispielsweise durch Kapillarelektrophorese, kann es notwendig sein, zwei Fluidströme derart miteinander zu koppeln, dass für eine bestimmte Zeit oder in einer vorgegebenen Menge eine Probe des einen Fluidstroms an einer Kreuzungs- oder Kontaktstelle in den anderen Fluidstrom eingefügt wird.
  • So ist aus der EP 0 775 306 B1 eine mikrofluidische Einrichtung zur Injektion eines ersten Fluids aus einem ersten Kanal in einen ein zweites Fluid enthaltenden zweiten Kanal und zur elektrokinetischen Förderung beider Fluide durch den zweiten Kanal bekannt, wobei die beiden Kanäle an einer für die Einleitung des ersten Fluids in den zweiten Kanal vorgesehenen Verbindungsstelle miteinander fluidisch verbunden sind. In einem ersten Betriebszustand der bekannten Einrichtung fließen das erste Fluid in dem ersten Kanal und das zweite Fluid in dem zweiten Kanal, wobei ein Teil des zweiten Fluids in den ersten Kanal geleitet wird um das erste Fluid am Eindringen in den zweiten Kanal zu hindern. Dazu werden in Bezug auf die Strömungsrichtungen der Fluide an vor und hinter der Verbindungsstelle liegenden Stellen der Kanäle unterschiedliche elektrische Potenziale angelegt, die die gewünschten Fluidströmungen elektrokinetisch erzeugen. Zum Einleiten des ersten Fluids in den zweiten Kanal werden in einem zweiten Betriebszustand die Potenzialverhältnisse derart geändert, dass das zweite Fluid nicht mehr in den ersten Kanal gefördert wird, so dass das erste Fluid aus dem ersten Kanal zusammen mit dem zweiten Fluid in den zweiten Kanal gelangt.
  • Aus der WO 00/70080 A1 und der WO 03/006133 A2 ist jeweils eine mikrofluidische Einrichtung bekannt, bei der mittels ei nes Fluids durch einen Kanal transportierte Zellen durch Fluoreszenz-Detektion nach unterschiedlichen Eigenschaften klassifiziert werden. In Abhängigkeit von dem Detektionsergebnis werden anschließend die Zellen druckgesteuert mit Hilfe von einer oder mehreren seitlich in den Kanal eingeleiteten Steuerströmungen entweder in den einen oder den anderen von zwei Kanalabzweigen umgeleitet.
  • Aus der US 2002/0112959 A1 und der DE 199 47 496 A1 ist es jeweils bekannt, Fluide unter Verwendung elektrokinetischer Kräfte zusammen mit einer Drucksteuerung durch Kanäle eines mikrofluidischen Systems zu fördern.
  • Die WO 02/083988 A2 offenbart einen Mikroreaktor mit einer elektrochemischen Zelle, durch die hindurch zwischen zwei an einer Spannungsquelle angeschlossenen Elektroden eine oder mehrere ionisch leitende Fluide fließen, wobei es in der Zelle zu einer elektrochemischen Reaktion kommt. Zur besseren Trennung der hineinfließenden Edukte bzw. herausfließenden Reaktionsprodukte können die Edukte über zwei Kanäle in die elektrochemische Zelle eingeleitet werden, von denen der eine Kanal näher zu der einen Elektrode und der andere Kanal näher zu der anderen Elektrode in die elektrochemische Zelle einmündet; entsprechend können die Reaktionsprodukte aus dem zu der einen oder anderen Elektrode jeweils näheren Bereich über unterschiedliche Kanäle aus der Zelle herausgeführt werden.
    •
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikrofluidische Einrichtung zur gesteuerten Einleitung eines ersten Fluids aus einem ersten Kanal in einen ein zweites Fluid enthaltenden zweiten Kanal und zur elektrokinetischen Förderung beider Fluide durch den zweiten Kanal,
    • – wobei die beiden Kanäle an einer für die Einleitung des ersten Fluids in den zweiten Kanal vorgesehenen Verbindungsstelle miteinander fluidisch verbunden sind,
    • – wobei eine das erste Fluid mittels Druck durch den ersten Kanal in Richtung auf die Verbindungsstelle fördernde Vorrichtung vorhanden ist,
    • – wobei der erste Kanal an einer der Verbindungsstelle gegenüberliegenden Innenseite eine konvexe Krümmung aufweist, an der sich das erste Fluid aufgrund des Coanda-Effekts bei einer ein Mindestmaß übersteigenden Strömung anlegt und daran entlangfließt,
    • – wobei in Bezug auf die Strömungsrichtung des zweiten Fluids zwischen einer vor der Verbindungsstelle liegenden Stelle des zweiten Kanals und einer hinter der Verbindungsstelle liegenden Stelle des zweiten Kanals eine elektrische Spannung anliegt und
    • – wobei in Bezug auf die Strömungsrichtung des ersten Fluids zwischen einer vor der Verbindungsstelle liegenden Stelle des ersten Kanals und der oder einer weiteren hinter der Verbindungsstelle liegenden Stelle des zweiten Kanals dieselbe oder eine weitere elektrische Spannung zur Einleitung des ersten Fluids in den zweiten Kanal anlegbar ist.
  • Im Unterschied zu der bekannten Einrichtung wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung im ersten Betriebszustand das erste Fluid nicht elektrokinetisch, sondern druckgetrieben durch den ersten Kanal gefördert, wobei im Bereich der Verbindungsstelle beider Kanäle das Eindringen des ersten Fluids in den zweiten Kanal durch Ausnutzen des so genannten Coanda-Effekts verhindert wird. Der Coanda-Effekt beschreibt die Eigenschaft von Fluiden, die angenähert tangential zu einer Wand ausgeschleust werden und deren Strömung ein Mindestmaß übersteigt, sich an dieser Wand anzulegen und an ihr entlangzuströmen. Die Nutzung des Coanda-Effekts zur Steuerung von Fluiden, auch in mikrofluidischen Einrichtungen ist an sich bekannt.
  • Da der Coanda-Effekt eine Mindestströmung des Fluids voraussetzt, ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass sich der erste Kanal vor der Verbindungsstelle und mit Beginn der Krümmung verengt und im Bereich der Krümmung verengt bleibt, so dass dort die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluids erhöht wird.
  • Zum Einleiten des ersten Fluids in den zweiten Kanal wird in einem zweiten Betriebszustand die weitere Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal angelegt. Als Folge davon wird das erste Fluid elektrokinetisch in den zweiten Kanal umgelenkt, wobei der Coanda-Effekt aufgehoben wird bzw. nicht zustande kommt. Die Umleitung des ersten Fluids in den zweiten Kanal kann in Abhängigkeit von der Höhe der weiteren Spannung vollständig oder teilweise erfolgen.
  • Die zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal angelegte weitere Spannung kann zu der an dem ersten Kanal liegenden Spannung identisch sein. Die erfindungsgemäße mikrofluidische Einrichtung kommt dann mit nur einer einzigen Spannungsquelle aus, um das erste Fluid in den zweiten Kanal einzuleiten und im Weiteren zusammen mit dem zweiten Fluid elektrokinetisch durch den zweiten Kanal zu fördern. Da nur eine einzige Spannung an den Kanälen angelegt wird, kann die Spannung weitgehend frei gewählt und beispielsweise für eine elektrophoretische Trennung des ersten Fluids in dem zweiten Kanal optimal eingestellt werden.
  • Vorzugsweise ist die druckgetriebene Förderung des ersten Fluids steuerbar, so dass sie in dem zweiten Betriebszustand zur Unterstützung der Einleitung des ersten Fluids in den zweiten Kanal reduziert oder sogar abgeschaltet werden kann, um die elektrokinetische Förderung der ersten Fluids in den zweiten Kanal aus dem ruhenden Medium heraus zu ermöglichen.
  • Als Vorrichtung zur druckgetriebenen Förderung des ersten Fluids kommt insbesondere eine Pumpe in Betracht. Alternativ kann die Vorrichtung ein an einer von der Verbindungsstelle entfernten Stelle mit dem ersten Kanal verbundenes Fluidreservoir aufweisen, das höher als die Verbindungsstelle angeordnet ist, so dass das erste Fluid durch den sich aus der Höhendifferenz ergebenden hydrostatischen Druck in Richtung auf die Verbindungsstelle gefördert wird. Darüber hinaus kann der Druck zur Förderung des ersten Fluids auch anderweitig, beispielsweise durch Zentrifugalkräfte, Kapillarkräfte oder Elektrolyse, erzeugt werden.
    •
  • Zur weiteren Erläuterung der mikrofluidischen Einrichtung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen
  • 1 ein sehr vereinfachtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung in dem ersten Betriebszustand und
  • 2 dasselbe Ausführungsbeispiel in dem zweiten Betriebszustand.
  • Die 1 und 2 zeigen eine beispielsweise auf einem Chip realisierte mikrofluidische Einrichtung mit einem ersten Kanal 1 und einem zweiten Kanal 2, die an einer Verbindungsstelle 3 miteinander verbunden sind. An seiner der Verbindungsstelle 3 gegenüberliegenden Innenseite weist der erste Kanal 1 eine konvexe Krümmung 4 auf. Mittels einer Vorrichtung 5, hier einer Pumpe, wird ein erstes Fluid 6 druckgetrieben durch den ersten Kanal 1 gefördert. Ein zweites Fluid 7 wird elektrokinetisch durch den zweiten Kanal 2 gefördert, wozu in Bezug auf die Strömungsrichtung 8 des zweiten Fluids 7 zwischen einer vor der Verbindungsstelle 3 liegenden Stelle 9 und einer hinter der Verbindungsstelle 3 liegenden Stelle 10 des zweiten Kanals 2 eine elektrische Spannung liegt, die von einer Spannungsquelle 11 erzeugt wird. Das an der Stelle 9 anliegende Spannungspotenzial ist ferner über einen steuer baren Schalter 12 und ein Potentiometer 13 an eine in Bezug auf die Strömungsrichtung 14 des ersten Fluids 6 vor der Verbindungsstelle 3 liegende Stelle 15 des ersten Kanals 1 schaltbar. Die Steuerung des Schalters 12 sowie der Pumpe 5 erfolgt durch eine Steuereinrichtung 16.
  • In dem in 1 gezeigten ersten Betriebszustand ist der Schalter 12 geöffnet und die Pumpe 5 eingeschaltet. Das erste Fluid 6 wird von der Pumpe 5 durch den Kanal 1 gefördert. Durch eine Verengung 17 an der Stelle, an der die Krümmung 4 ansetzt, wird bei einem vorgegebenen Förderdruck die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluids 6 so erhöht, dass es im Bereich der Krümmung 4 zu dem sogenannten Coanda-Effekt kommt. Dabei legt sich das erste Fluid 6 an der der Verbindungsstelle 3 gegenüberliegenden Innenseite des ersten Kanals 1 an und wird so von der Verbindungsstelle 3 ferngehalten und am Eindringen in den zweiten Kanal 2 gehindert. Das zweite Fluid 7 wird durch die zwischen den Stellen 9 und 10 anliegende Spannung elektrokinetisch durch den zweiten Kanal 2 gefördert.
  • In dem in 2 gezeigten zweiten Betriebszustand ist der Schalter 12 geschlossen, so dass der druckgetriebenen Förderung des ersten Fluids 6 eine elektrokinetische Förderung überlagert wird und das erste Fluid an der Verbindungsstelle 3 vollständig oder teilweise aus dem ersten Kanal 1 in den zweiten Kanal 2 umgeleitet und in diesem zusammen mit dem zweiten Fluid 7 weiter gefördert wird. Um die Einleitung es ersten Fluids 6 in den zweiten Kanal 2 zu unterstützen, kann die Förderleistung der Pumpe 5 durch Ansteuerung reduziert werden. Mittels des Potentiometers 13 ist das an der Stelle 15 des ersten Kanals 1 angelegte Potenzial in Bezug auf das Potenzial an der Stelle 9 in dem zweiten Kanal 2 frei wählbar und für die Fluidumschaltung optimal einstellbar.

Claims (3)

  1. Mikrofluidische Einrichtung zur gesteuerten Einleitung eines ersten Fluids (6) aus einem ersten Kanal (1) in einen ein zweites Fluid (7) enthaltenden zweiten Kanal (2) und zur elektrokinetischen Förderung beider Fluide (6, 7) durch den zweiten Kanal (2), – wobei die beiden Kanäle (1, 2) an einer für die Einleitung des ersten Fluids (6) in den zweiten Kanal (2) vorgesehenen Verbindungsstelle (3) miteinander fluidisch verbunden sind, – wobei eine das erste Fluid (6) mittels Druck durch den ersten Kanal (1) in Richtung auf die Verbindungsstelle (3) fördernde Vorrichtung (5) vorhanden ist, – wobei der erste Kanal (1) an einer der Verbindungsstelle (3) gegenüberliegenden Innenseite eine konvexe Krümmung (4) aufweist, an der sich das erste Fluid (6) aufgrund des Coanda-Effekts bei einer ein Mindestmaß übersteigenden Strömung anlegt und daran entlang fließt, – wobei in Bezug auf die Strömungsrichtung (8) des zweiten Fluids (7) zwischen einer vor der Verbindungsstelle (3) liegenden Stelle (9) des zweiten Kanals (2) und einer hinter der Verbindungsstelle (3) liegenden Stelle (10) des zweiten Kanals (2) eine elektrische Spannung anliegt und – wobei in Bezug auf die Strömungsrichtung (14) des ersten Fluids (6) zwischen einer vor der Verbindungsstelle (3) liegenden Stelle (15) des ersten Kanals (1) und der oder einer weiteren hinter der Verbindungsstelle (3) liegenden Stelle (10) des zweiten Kanals (2) dieselbe oder eine weitere elektrische Spannung zur Einleitung des ersten Fluids (6) in den zweiten Kanal (2) anlegbar ist.
  2. Mikrofluidische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Kanal (1) vor der Verbindungsstelle (3) und mit Beginn der Krümmung (4) verengt und im Bereich der Krümmung (4) verengt bleibt.
  3. Mikrofluidische Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die druckgetriebene Förderung des ersten Fluids (1) durch die Vorrichtung (5) steuerbar ist.
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