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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität von zwei gemeinsam vergebenen
US-Patentanmeldungen mit der Seriennummer 10/046,071, herausgegeben
am 11. Januar 2002, und mit der Seriennummer 10/138,959, herausgegeben
am 03. Mai 2002.
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Die
Erfindung betrifft eine Mikrofluid-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
vom Anspruch 1, besonders zur Manipulation und insbesondere zum
Mischen von Fluiden in Mikrofluid-Systemen.
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Es
gab ein wachsendes Interesse in der Anwendung von Mikrofluid-Systemen
in einer Vielzahl von technischen Gebieten, einschließlich solcher verschiedenen
Gebiete, wie biochemische Analyse, medizinische Diagnostiken, chemische
Synthesen und der Umweltüberwachung.
Beispielsweise stellt die Verwendung von Mikrofluid-Systemen zum
Erwerben chemischer und biologischer Informationen bestimmte Vorteile
bereit. Insbesondere Mikrofluid-Systeme erlauben, dass komplizierte
biochemische Reaktionen und Prozesse unter Anwendung von sehr kleinen
Fluidvolumen durchführbar
sind. Zusätzlich
zum Minimieren des Probevolumens vergrößern Mikrofluid-Systeme die
Reaktionszeit der Reaktionen und reduzieren den Reagenzverbrauch.
Außerdem
kann, wenn in Mikrofluidvolumen zugeführt, eine große Anzahl
von komplizierten biochemischen Reaktionen und/oder Prozessen in
kleinen Bereichen durchgeführt
werden, wie beispielsweise in einer einzigen integrierten Vorrichtung.
Beispiele von wünschenswerten
Anwendungen für
Mikrofluid-Technologien weisen die analytische Chemie, die chemische und
biologische Synthese, die DNS-Amplifikation, und das Überprüfen chemischer
und biologischer Wirkstoffe nach ihrer Wirksamkeit unter anderen
auf. Traditionelle Verfahren zum Konstruieren von Mikrofluid-Vorrichtungen
haben oberflächenmikrobearbeitende
Techniken verwendet, welche von der siliziumerzeugenden Industrie
entliehen wurden. Gemäß diesen
Techniken wurden Mikrofluid-Vorrichtungen auf ebene Art und Weise
konstruiert, welche typischerweise mit einem Glas oder einem anderen
Abdeckmaterial zum Verschließen
der Fluidkanäle
bedeckt sind. Repräsentative
Vorrichtungen sind beispielsweise in einer frühen Arbeit von Manz, et al. (Trends
in Anal. Chem. (1990) 10(5): 144–149; Advances in Chromatography
(1993)33: 1–66)
beschrieben. Diese Veröffentlichungen
beschreiben Mikrofluid-Vorrichtungen, welche unter Verwendung von
Photolitographie konstruiert sind zum Gestalten von Kanälen auf
Silizium- oder Glassubstraten, gefolgt von einer Anwendung von Oberflächenätztechniken
zum Beseitigen von Material von einem Substrat zum Ausbilden von
Kanälen.
Danach ist eine Abdeckplatte typisch für den Oberteil eines geätzten Substrats
zum Verschließen
der Kanäle
und zum Enthalten eines fließenden
Fluids.
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Kürzlichst
wurde eine Anzahl von Verfahren entwickelt, welche erlauben, Mikrofluid-Vorrichtungen
aus Kunststoff, Silizium oder anderen Polymermaterialien zu konstruieren.
Herstellungsverfahren weisen das Mikrogießen von Kunststoffen oder Silizium
unter Anwendung von oberflächenätzenden
Silizium als das Gießmaterial
(siehe z.B. Duffy et al., Anal. Chem. (1998)70: 4974–4984; McCormick
et al., Anal. Chem. (1997)69: 2626–2630); Spritzgießen; und
Mikrogießen
unter Anwendung einer LIGA Technik auf (siehe z.B. Schomburg et
al., Journal of Micromechanical Microengineering (1994)4: 186–591), wie
im nuklearen Forschungszentrum Karlsruhe in Deutschland entwickelt
und von MicroParts (Dortmund, Deutschland) kommerziell angewendet.
LIGA und Wärmepräge-Techniken wurden
auch von Jenoptik (Jena, Deutschland) demonstriert. Prägeverfahren
mit Polymethylmetaacrylat (PMMA) wurden auch beschrieben (siehe
z.B. Martynova et al., Anal. Chem. (1997)69: 4783–4789).
Diese verschiedenen Techniken werden typischerweise verwendet zum Gestalten
von ebenen (d.h. zweidimensionalen oder 2-D-) Strukturen, welche
eine Art von Abdeckung benötigen
zum Verschließen
von Mikrofluid-Kanälen. Zusätzlich gewähren diese
Techniken an sich nicht ein Rapid-Prototyping und eine Herstellungsflexibilität. Außerdem sind
die Ausrüstungskosten
für solche Techniken
sehr oft ziemlich hoch und können
unerschwingliche Kosten aufweisen.
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Ein
früheres
Verfahren zum Konstruieren von Mikrofluid-Vorrichtungen verwendet einen KrF-Laser
zum Durchführen
von Festkörperlaser-Ablation
in Fluorkohlenstoffen, welcher mit Ruß vermischt ist zum Bewirken,
dass das Fluorkohlenstoff für
den KRF Laser absorptiv ist (siehe z.B. McNeely et al., "Hydrophobic Microfluidics", SPIE Microfluidic Devices
and Systems IV, Vol. 3877 (1999)). Von diesem Verfahren wird berichtet,
dass es die Zeit zum Prototyping reduziert; jedoch die Zugabe von
Ruß macht
das Material optisch unrein und präsentiert potentiell chemische
Kompatibilitätsprobleme.
Zusätzlich
ist die Referenz nur auf ebene Strukturen gerichtet.
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Wenn
mit Fluiden in konventionellen makroskopischen Volumen gearbeitet
wird, ist das Erzielen von effektiven Gemischen zwischen einem oder mehreren
Fluidströmen
eine relativ einfache Aufgabe. Unterschiedliche konventionelle Strategien
können
angewendet werden zum Verursachen von turbulenten Bereichen, welche
bewirken, dass Fluidströme
schnell gemischt werden. Beispielsweise können aktive Rühr- oder
Mischelemente z.B. mechanisch oder magnetisch angetrieben) angewendet werden.
Alternativ können,
ohne die Verwendung von sich bewegenden Elementen, in Strömungskanälen zum
Begünstigen
des Mischens spezielle Geometrien angewendet werden. Ein übliches
Beispiel für
die Verwendung von speziellen Geometrien weist den Zusatz von Dampfsperren
auf zum Ablenken von Fluidströmen
und um dadurch eine Turbulenz zu begünstigen.
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Die
Anwendung von konventionellen Mischstrategien in Mikrofluid-Volumen
ist gewöhnlich
unwirksam, undurchführbar
oder beides. Zunächst
sind Mikrofluid-Systeme durch extrem hohe Flächen zu Volumenverhältnissen
und korrespondierenderweise niedrige Reynoldszahlen (weniger als
2000) für
die erreichbarsten Fließgeschwindigkeiten
charakterisiert. Bei solchen niedrigen Reynoldszahlen ist innerhalb
der meisten Mikrofluid-Systeme die Fließgeschwindigkeit voll und ganz
innerhalb des laminaren Zustands und das Mischen zwischen den Fluidströmen wird
primär
durch das Diffusionsphänomen
angeregt – typischerweise
ein relativ langsamer Prozess. In dem laminaren Zustand ist die
Anwendung von konventionellen geometrischen Modifikationen wie beispielsweise
Dampfsperren zum Begünstigen des
Mischens gewöhnlich
unwirksam. Außerdem wäre die Aufgabe,
bewegbare Rührelemente und/oder
ihre Antriebsmittel in Mikrofluid-Vorrichtungen zu integrieren,
unter Anwendung konventioneller Verfahren untragbar schwierig aufgrund
volumetrischer und/oder Kosten-Zwänge, zusätzlich zu Zweifeln an deren
Komplexibilität
und Zuverlässigkeit.
Angesichts dieser Einschränkungen
wäre es
wünschenswert,
einen Mikrofluidmischer bereitzustellen, welcher schnell Fluidströme ohne
sich bewegende Teile in einem minimalen Raum und zu sehr geringen Konstruktionskosten
mischen kann. Ein idealer Fluidmischer wäre ferner durch ein minimales Totvolumen charakterisiert
zum Erleichtern des Mischens von extrem kleinen Fluidvolumen.
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Passive
Mikrofluid-Mischvorrichtungen wurden im Wesentlichen als jene ebene
Mikrofluid-Systemen konstruiert, wo den Fluiden erlaubt wird, sich durch
Diffusion (z.B. Bokenkamp et al., Analytical Chemistry (1998) 70(2):
232–236)
zu mischen. In diesen Systemen tritt die Fluidmischung an den Grenzflächen der
Fluide auf, welche gewöhnlich
relativ klein zu den Gesamtvolumen der Fluide ist. Daher findet
ein Vermischen in solchen Vorrichtungen sehr langsam statt.
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Die
WIPO-Veröffentlichung
Nr. WO 01/25138 lehrt eine Mikrofluid-Vorrichtung (beispielsweise
beschrieben hierin im Zusammenhang mit 4A–4B),
wie in dem vorkennzeichneten Abschnitt von Anspruch 1 erwähnt. Die
Vorrichtung lehrt jedoch einen Mischkanal, welcher in einer einzelnen Schicht
angeordnet ist.
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Ein
anderer, passiver Mikrofluidmischer ist von Erbacher und Manz in
der WIPO Veröffentlichung
Nr. WO 97/00125 vorgeschlagen, welche am 3. Januar 1997 herausgegeben
wurde. Hier weist eine Durchflusszelle zum Mischen von mindestens zwei
fließfähigen Substanzen
mehrere fluid-verteilende Wannen auf (eine für jede Substanz) welche zu einem
fächerartig
zusammenlaufenden ebenen Strömungsbett
führen,
wobei alle zwischen Fluideinlässen
und einem Auslass angeordnet sind. Eine Einschränkung der offenbarten Mischvorrichtung
ist, dass ihre Komponenten (zum Beispiel die Zuführkanäle, die Verteilungswannen und
das Strömungsbett) mittels
konventionellen Oberflächen-Mikrobearbeitungs-Techniken
hergestellt sind, wie beispielsweise jene, welche zum Strukturieren
von Halbleitermaterialien und Lithographie- Galvanik LIGA Verfahren verwendet werden,
wobei ihre begleitenden Nachteile oben erwähnt sind. Eine andere Einschränkung von den
offenbarten Mischvorrichtungen ist, dass ihre Komponenten ein relativ
großes
Volumen verbrauchen, wobei daher die Möglichkeit, viele solche Mischer
auf einer einzigen Vorrichtung anzuordnen und das Bereitstellen
eines großen
potentiellen Todvolumens begrenzt ist.
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Ein
sogenannter "Mikrolaminarmischer" ist in U.S. Patent
6,264,900 von Schubert et al. bereitgestellt. Hier weist eine verbesserte
Düse eine
mikro-hergestellte Führung
auf, welche mehrere einzelne Fluidschichten zu einem äußeren Sammeltank oder
einer äußeren Sammelkammer
führt.
Verschiedene reaktive Fluidströme
werden räumlich
getrennt gehalten, bis sie aus der Führung hervortreten, insbesondere
zum Verhindern, dass die Anfangskomponenten innerhalb der Vorrichtung
miteinander in Kontakt kommen. Eine Einschränkung des offenbarten Düsentypsystems
ist, das sein "Führungs"-Element mit konventionellen
Oberflächen-Mikrobearbeitungs-Techniken
hergestellt ist. Eine andere Einschränkung von diesem Düsentyp-System
ist, dass es hoch unpraktikabel sein würde, wenn nicht sogar unmöglich, dessen
Elemente in einer einzigen Mikrofluid-Vorrichtung zu integrieren
zur weiteren Manipulation des sich ergebenden Fluids, welches dem Mischschritt
folgt.
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U.S.
Patent 5,595,712 von Harbster et al. ("Harbster") offenbart eine vollständig laminierte
Vorrichtung zum Mischen und Reagieren von Chemikalien. Eine Mehrzahl
von Schichten – typischerweise
Silizium (oder Glas oder Cheramik) Wafern – sind oberflächenmikrobehandelt
zum Ausbilden horizontaler Kanäle
oder Gräben
in der oberen und/oder unteren Fläche der Schichten, welche zum
Ausbilden eines Mischbereichs zusammenwirken, wobei jede davon eine
Mehrzahl von überschneidenden
Kanälen
aufweist. Die Kanäle überschneiden
sich mit anderen Kanälen
auf eine geschnittene Weise bei einem vorbestimmten Angriffswinkel.
Insbesondere weist jeder Wendeabschnitt Kanalwände auf, welche "von der Vertikalen
mit einem 37°-Winkel
abgeschrägt" sind. Dies wird
durch ätzende
kristallinen Materialien entlang abgeschrägten facettierten Ebenen implementiert,
etwas, was nur mit kristallinen Materialien wie beispielsweise Silizium
erzielt werden kann.
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Knight
et al. beschreibt Mischer, welche Kanäle aufweisen, welche in einen
Siliziumchip geätzt sind,
welcher eine Düse
aufweist. Knight et al. "Hydrodynamic
Focusing on a Silicon chip: Mixing Nanoliters in Microseconds", "Physical Review Letters,
80: 17, 27 April 1998, 3863–3866
("Knight"). Die Düse wirkt
zum Fokussieren der Strömung,
zum Verbessern und zum Beschleunigen des Mischens von zwei Fluidströmen in dem
Kanal. Sowohl Harbster als auch Knight benötigen die Verwendung von oberflächenmikrobehandelten
oder geätzten
Techniken, wobei deren begleitende Nachteile oben erwähnt sind.
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Alternative
Mischverfahren sind entwickelt worden, welche auf eine elektrokinetische
Strömung basieren.
Vorrichtungen, welche solche Verfahren anwenden, sind kompliziert,
benötigen
elektrische Kontakte innerhalb des Systems. Zusätzlich arbeiten jene Systeme
nur mit geladenen Fluiden oder Fluiden, welche Elektrolyte enthalten.
Schließlich
benötigen
diese Systeme Spannungen, die ausreichend hoch sind, um die Elektrolyse
von Wasser zu bewirken, wobei daher Probleme verursacht werden,
wobei Blasenbildung und das Sammeln von Proben, ohne dieselben zu
zerstören,
ein Problem ist.
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Angesichts
der Einschränkungen
von konventionellen Mikrofluid-Mischern besteht ein Bedarf für widerstandsfähige Mischer,
welche zum schnellen und vollständigen
Mischen einer weiten Vielfalt von Fluiden innerhalb eines minimalen
Volumens in einer Mikrofluid-Umgebung im Stande sind. Derartige Mischdesigns
würden
vorzugsweise zugänglich
für schnelle,
geringe Herstellungskosten, sowohl bei geringen und hohen Volumen,
wären zum
Prototyping und zum Herstellen im großen Maßstab geeignet und würden ferner
das Bearbeiten von Fluiden stromabwärts von jedem/von jeden Mischbereich/Mischbereichen
erlauben.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, die Mikrofluid-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 zu verbessern zum Begünstigen eines schnellen und
komplexen Mischens innerhalb eines Minimalvolumens in einer Mikrofluid-Vorrichtung.
Dies wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch
1 erzielt. Vorteilhafte andere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis
13 beansprucht.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
mit Bezug auf die Zeichnungen diskutiert:
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1A ist
ein oberes Ansichtsbild einer Mikrofluid-Vorrichtung mit trassierten Kanalgrenzlinien gemäß einem
ersten Stand-der-Technik Design, welches Grenzschichtkontakt zwischen
zwei Seite-an-Seite Fluiden in einem geraden Kanal begünstigt,
wobei nur ein minimales Vermischen zwischen den beiden Fluiden auftritt,
bevor die Gesamtmenge in zwei separate Ströme getrennt wird. 1B ist
ein oberes Ansichtsbild von einer Mikrofluid-Vorrichtung mit trassierten
Kanalgrenzlinien gemäß einem
zweiten Stand-der-Technik Design, welches Grenzflächenkontakt
zwischen zwei Seite-an- Seite
Fluiden in einen Kanal mit mehreren Wendungen begünstigt, wobei
ein unvollständiges
Mischen zwischen den beiden Fluiden auftritt, bevor die Gesamtmenge
in zwei separate Ströme
getrennt wird.
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2A ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer Mikrofluid-Mischvorrichtung,
welche aus fünf
Schichten konstruiert ist und zum Mischen von zwei Fluiden imstande
ist, wobei die Vorrichtung zwei durchgängige Kontraktions/Expansions-Schichtbereiche
aufweist, welche in Reihe mit geraden Einlass- und Auslasskanälen angeordnet sind. 2B ist
eine Draufsicht auf die zusammengebaute Vorrichtung aus 2A. 2C ist
ein oberes Ansichtsbild der Mikrofluid-Mischvorrichtung aus 2A–2B mit
trassierten Kanalgrenzlinien, welche das Mischmuster zum Mischen
zwischen zwei Fluiden mit einer Gesamtflussrate von ungefähr 20 Mikroliter
pro Minute zeigt. 2D stellte die gleiche Ansicht
wie 2C bereit, wobei aber das Mischmuster zum Mischen
zwischen zwei Fluiden bei einer Gesamtflussrate von ungefähr 400 Mikrolitern pro
Minute gezeigt ist.
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3A ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer Mikrofluid-Mischvorrichtung,
welche aus fünf
Schichten konstruiert ist und imstande ist, zwei Fluiden zu mischen,
wobei die Vorrichtung zehn durchgängige Kontraktions/Expansions-Schichtbereiche
aufweist, welche in Reihe mit geraden Einlass- und Auslasskanälen angeordnet
sind. 3B ist eine Draufsicht auf die
zusammengebaute Vorrichtung von 3A. 3C–3E sind
ein Draufsichtansichtsbild der Mikrofluid-Mischvorrichtung aus 2A–2B mit
trassiertem Kanalgrenzlinien, welche das Mischmuster zum Vermischen
von zwei Fluiden bei drei unterschiedlich Gesamt- Fließgeschwindigkeiten zeigen:
20, 200 beziehungsweise 400 Mikroliter pro Minute.
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4A ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer Mikrofluid-Mischvorrichtung,
welche aus elf Schichten konstruiert ist und imstande ist, zwei
Fluide zu mischen, wobei die Vorrichtung vier aufeinander gestapelte
Durchgangs-Schichtkontraktions/Expansionsschicht-Bereiche
mit zwei Strömungswendugen
aufweist, wobei die gestapelten Bereiche in Reihe mit geraden Einlass-
und Auslasskanälen
angeordnet sind. 4B ist eine Draufsicht der zusammengebaut
Vorrichtung aus 4A.
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5A ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer Mikrofluid-Mischvorrichtung,
welche aus fünf
Schichten konstruiert ist und imstande ist, zwei Fluide zu mischen,
wobei die Vorrichtung achtzehn Durchgangs-Schichtkontraktions/Expansions-Bereiche
und sechszehn 90-Grad-Biegungen aufweist. 5B ist
eine Draufsicht der zusammengebauten Vorrichtung aus 5A. 5C–5E sind
obere Ansichtsbilder der Mikrofluid-Mischvorrichtung aus 5A–5B mit
trassierten Kanalgrenzlinien, welche das Mischmuster zum Vermischen
von Fluiden in drei unterschiedlichen Gesamtfließgescwindigkeiten zeigen: 20,
200 beziehungsweise 400 Mikroliter pro Minute.
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Definitionen
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Der
Begriff "Kanal", wie hierin verwendet,
ist im weitesten Sinn zu interpretieren. Daher ist der Begriff "Kanal" nicht vorgesehen,
auf die längliche
Konfiguration eingeschränkt
zu werden, wo die Quer- oder Längsabmessung
stark den Durchmesser oder die Querschnittsabmessung überschreitet.
Der Begriff ist eher gemeint, eine Leitung von jeder gewünschten
Gestalt oder Konfiguration zu umfassen, durch welche Liquide geführt werden
können.
Ein Kanal kann mit einem oder mehreren Materialien gefüllt sein.
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Der
Begriff "Hauptabmessung" wie hierin verwendet,
bezieht sich auf die Größte von
der Länge,
Breite oder Höhe
von einer bestimmten Gestalt oder Struktur. Beispielsweise ist die
Hauptabmessung von einem Kreis der Radius und die Hauptabmessung
von einem Rechteck (mit einer Länge
größer als
dessen Breite oder Höhe)
dessen Länge. Wenn
bei einer Öffnung
angewendet, ist die Hauptabmessung einer Kreisöffnung der Radius und die Hauptabmessung
von einer typischen Rechtecköffnung
deren Länge.
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Der
Begriff "Mikrofluid", wie hierin verwendet, ist
ohne Einschränkungen
hierzu mit Bezug auf Strukturen oder Vorrichtungen zu verstehen,
durch welche Fluid/Fluide im Stande sind, hindurchgeführt oder
gleitet zu werden, wobei eine oder mehrere der Abmessungen kleiner
als fünfhundert
(500) μm
ist.
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Der
Begriff "passiv" oder "passives Mischen", wie hierin verwendet,
bezieht sich auf das Mischen zwischen zwei Fluidströmen ohne
die Verwendung von sich bewegenden Elementen.
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Der
Begriff "Matrize", wie hierin verwendet, bezieht
sich auf eine Materialschicht oder Scheibe, welche vorzugsweise
im Wesentlichen eben ist, durch welche einer oder mehrere unterschiedlich
gestaltete und orientierte Kanäle
herausgeschnitten worden sind oder auf andere Weise über die
gesamte Dicke der Schicht entfernt worden sind, was daher eine wesentliche
Fluidbewegung innerhalb der Schicht erlaubt (im Gegensatz zu einfachen
Durchgangslöchern
zum Überführen von
Fluid durch eine Schicht hindurch zu einer anderen Schicht). Die
Außenlinien
des Schnittes oder der auf andere Weise beseitigten Abschnitten
bilden die seitlichen Grenzen von Mikrostrukturen, welche vervollständigt sind, wenn
eine Matrize zwischen anderen Schichten sandwichartig eingelegt
ist, wie beispielsweise Substrate und/oder andere Matrizen. Matrizenschichten können flexibel
sein, was daher ermöglicht,
dass eine oder mehrere Schichten manipulierbar sind, so dass sie
nicht in einer Ebene liegen.
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Herstellung
von Mikrofluid-Strukturen
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
können
Mikrofluid-Vorrichtungen unter Verwendung von Matrizenschichten
oder Scheiben konstruiert werden zum Definieren von Kanälen zum Transportieren
von Fluiden. Eine Matrizenschicht ist vorzugsweise im Wesentlichen
eben und weist eine oder mehrere Mikrostrukturen auf, wie beispielsweise
Kanäle,
welche durch die gesamte Dicke der Schicht hindurch geschnitten
sind. Beispielsweise kann ein computergesteuerter Plotter, welcher
zum Manipulieren eines Schneidmessers modifiziert ist, verwendet
werden. Solch ein Messer kann entweder zum Schneiden von Abschnitten,
welche aus der Matrizenschicht abgetrennt und beseitigt werden,
oder zum Modellieren von Schlitzen verwendet werden, welche Bereiche
in der Matrizenschicht separieren ohne dass irgendein Material beseitigt
wird. Alternativ kann ein computergesteuerter Laserschneider verwendet
werden zum Schneiden von Mustern durch die gesamte Dicke einer Materialschicht
hindurch. Wobei das Laserschneiden zum Erzielen präzise dimensionierter
Mikrostrukturen verwendet werden kann, beseitigt die Verwendung
eines Lasers zum Schneiden einer Matrizenschicht von Natur aus etwas
Material. Andere Beispiele von Verfahren, welche zum Ausbilden von
Matrizenschichten angewendet werden können, weisen konventionelle
Präge- oder
Stanz-Technologien auf. Jedes der oben erwähnten Verfahren zum Schneiden
durch eine Matrizenschicht oder Scheibe erlaubt, widerstandfähige Vorrichtungen
schnell und unaufwendig herzustellen im Vergleich zu konventionellen
Flächenmikrobearbeitungs-
oder Materialbeseitigungs-Techniken, welche von anderen zum Produzieren
von Fluidik-Mikrostrukturen angewendet werden.
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Nachdem
ein Abschnitt einer Matrizenschicht ausgeschnitten oder beseitigt
worden ist, bilden die Außenlinien
des Schnitts oder der auf andere Weise entfernte Abschnitte die
seitlichen Grenzen von Mikrostrukturen aus, welche vervollständigt sind, nachdem
eine Matrize zwischen anderen Vorrichtungsschichten, wie beispielsweise
Substraten und/oder anderen Matrizen, sandwichartig angeordnet ist.
Nach dem die Vorrichtungsschichten zusammen gestapelt oder sandwichartigt
angeordnet sind, werden die oberen und unteren Grenzen von einem Mikrofluidkanal
innerhalb einer Matrizenschicht von dem Unterteil beziehungsweise
dem Oberteil von angrenzenden Matrizen- oder Substratschichten gebildet.
Die Dicke oder Höhe
von Mikrostrukturen wie beispielsweise Kanälen kann durch Wechseln der
Dicke einer Matrizenschicht oder Verwenden mehrerer im Wesentlichen
identischer Matrizenschichten variiert werden, die aufeinandergestapelt
sind. Wenn in einer Mikrofluid-Vorrichtung zusammengebaut, sind die
obere und untere Fläche
der Matrizenschichten vorgesehen, sich mit einer oder mehreren benachbarten
Matrizen oder Substratschichten zu paaren zum Ausbilden einer im Wesentlichen
abgedichteten Vorrichtung, welche typischerweise eine oder mehrere
Fluid-Einlassöffnungen
und eine oder mehrere Fluid-Auslassöffnungen aufweist. Eine Matrizenschicht
und umgebende Matrizen- oder Substratschichten können unter Verwendung jeder
geeigneten Technik verklebt werden.
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Die
weite Vielfalt von Materialien, welche zum Herstellen von Mikrofluid-Vorrichtung
verwendet werden kann, welche sandwichartig aufeinandergelegte Matrizenschichten
verwenden, weist polymere, metallische und/oder Komposit-Materialien
auf, um nur einige zu nennen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen
werden jedoch Polymermaterialien aufgrund ihrer chemischen Trägheit und
jeweiligen Herstellung verwendet.
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Wenn
in einer Mikrofluid-Vorrichtung zusammengebaut, können die
obere Fläche
und die untere Fläche
von Matritzenschichten mit einer oder mehreren angrenzenden Matrizen
oder Substratschichten zum Ausbilden einer im Wesentlichen abgedichteten Vorrichtung
gepaart werden. In einer Ausführungsform
können
eine oder mehrere Schichten einer Vorrichtung aus einseitigen oder
doppelseitigen Klebeband hergestellt sein, obwohl andere Verfahren
zum Kleben von Matrizenschichten verwendet werden können. Ein
Abschnitt des Klebebands (mit der gewünschten Gestalt und den gewünschten
Abmessungen) kann zugeschnitten werden und beseitigt werden zum
Ausbilden von Mikrostrukturen wie beispielsweise Kanälen. Eine
Klebebandmatrize kann dann auf ein tragendes Substrat mit einer
geeigneten Abdeckschicht zwischen Klebebandschichten oder zwischen
Schichten aus anderen Materialien platziert werden. In einer Ausführungsform
können
Matrizenschichten aufeinander gestapelt werden. In dieser Ausführungsform
kann die Dicke oder Höhe
der Kanäle
innerhalb einer besonderen Matrizenschicht variiert werden indem
die Dicke der Matrizenschicht (zum Beispiel der Klebebandträger und
das Klebematerial daran) variiert wird oder indem mehrere im Wesentlichen
identische Matrizenschichten verwendet werden, welche aufeinandergestapelt
sind. Verschiedene Arten von Klebebändern können mit solch einer Ausführungsform
verwendet werden. Geeignete Klebebandträgermaterialien weisen auf,
sind aber nicht darauf beschränkt,
Polyester, Polycarbonat, Polytetrafluorethylen, Polypropylen und
Polyimide auf. Derartige Klebebänder
können
verschiedene Aushärtverfahren
aufweisen, welche Aushärten
durch Druck, Temperatur oder chemische oder optische Wechselwirkung
aufweisen. Die Dicke dieser Trägermaterialien
und des Klebstoffs kann variiert werden. Als eine Alternative zur
Verwendung eines Klebebands kann eine Klebeschicht direkt auf eine
nicht klebende Matrize oder umgebende Schicht aufgebracht werden.
Beispiele von Klebstoffen, welche verwendet werden können, entweder
in selbstständiger
Form oder einbezogen in einem selbstklebend Klebeband, einschließlich auf
Gummi basierende Klebstoffe, auf Acryl basierende Klebstoffe, auf
Kautschuk basierende Klebstoffe und verschiedenen anderen Typen.
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Bemerkenswerterweise
erlauben auf Matrizen basierende Fabrikationsverfahren eine sehr schnelle
Herstellung von widerstandsfähigen
Mirkofluidik-Vorrichtungen sowohl für das Prototyping als auch
für die
Großserienproduktion.
Das Rapid Prototyping ist unschätzbar
zum Ausprobieren und Optimieren von neuen Vorrichtung-Designs, da
die Designs schnell implementiert, getestet und (falls notwendig)
modifiziert und weiter getestet werden können zum Erzielen des gewünschten
Ergebnisses. Die Möglichkeit,
Vorrichtungen mit Matrizenherstellungsverfahren schneller mit Prototyping herzustellen,
erlaubt auch, viele unterschiedliche Varianten von einem bestimmten
Design zu testen und gleichzeitig auszuwerteten.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
können
Mikrofluid-Vorrichtungen aus Materialien wie beispielsweise Glas,
Silizium, Siliziumnitrit, Quarz oder ähnlichen Materialien hergestellt
werden. Unterschiedliche konventionelle Oberflächen-Bearbeitungs- oder Oberflächen-Mikrobearbeitungstechniken,
wie beispielsweise solche, welche in der Halbleiterindustrie bekannt
sind, können
zum Ausgestalten von Kanälen,
Durchgangslöchern
und/oder Kammern in diesen Materialien verwendet werden. Beispielsweise
können
Techniken verwendet werden, welche Nass- oder Trockenätzen und
Laser-Ablation aufweisen. Unter Anwendung solcher Techniken können Kanäle in einer
oder mehreren Flächen
eines ersten Substrats gemacht werden. Ein zweiter Satz von Kanälen kann
in ein zweites Substrat geätzt
oder in demselben erzeugt werden.
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Auch
andere Ausführungsformen
können aus
unterschiedlichen Materialien hergestellt werden unter Anwendung
gut bekannter Techniken, wie beispielsweise das Prägen, das
Stanzen, das Gießen und
die Soft Lithographie. Zusätzlich
in noch einer anderen Ausführungsform
sind die Schichten nicht diskret, sondern eine Schicht beschreibt
eine im Wesentlichen ebenen Abschnitt durch solch eine Vorrichtung
hindurch. Solch eine Mikrofluid-Vorrichtung kann unter Verwendung
von Fotopolymerisationstechniken beispielsweise jenen konstruiert
werden, die in Cumpston et al. (1990) Nature 398: 51–54 beschrieben
sind.
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Zusätzlich zu
der Verwendung von Klebstoffen oder von einseitig oder doppelseitigen
Klebeband, wie oben diskutiert, können andere Techniken zum Anbringen
einer oder mehrerer der unterschiedlichen Schichten von Mikrofluid-Vorrichtungen
verwendet werden, wie es einem Fachmann im Materialanfügen ersichtlich
ist. Beispielsweise weisen, Anbringungstechniken, thermisches, chemisches
oder lichtaktiviertes Kleben auf; wobei mechanisches Anfügen (einschließlich des
Verwendens von Klammern oder Schrauben zum Anlegen von Druck an
den Schichten); oder andere äquivalente
Kupplungsverfahren verwendet werden können.
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Mikrofluid-Mischer
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Bestimmte
Ausführungsformen
der Erfindung sind auf passive Mikrofluid-Mischvorrichtungen gerichtet,
welche zum schnellen Mischen von zwei oder mehreren Fluidströmen auf
eine kontrollierte Art und Weise im Stande sind ohne dass Rührstangen oder
anderen sich bewegende Teile verwendet werden. Typischerweise ist
das Mischen im Wesentlichen innerhalb der neuen Mikrofluid-Vorrichtungen vervollständigt. In
einer Ausführungsform
weisen diese Vorrichtungen Mikrofluid-Kanäle oder Kanalabschnitte auf,
welche in unterschiedlichen Schichten einer dreidimensionalen Struktur
ausgebildet sind. Das Mischen kann unter Verwendung verschiedener Manipulationen
der Fluidflussbahnen und/oder Kontakte zwischen den Fluidströmen durchgeführt werden.
Beispielsweise können
in verschiedenen Ausführungsform-Strukturen, wie zum
Beispiel Kanalüberlappungen,
konvergierende/divergierende Bereichen und Wendungen in einer Mischvorrichtung
designed sein zum Begünstigen
eines schnellen und kontrollierten Mischens zwischen zwei oder mehren
Fluidströmen.
Bestimmte Parameter können
geändert werden,
um eine kontrollierbare Wirkung auf die Misch-Menge oder -Rate zu
haben, wie beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, die
Größe und Geometrie
der Mikrostrukturen, die Oberflächenchemie der
Materialien, der verwendeten Fluide und die Fließgeschwindigkeit der Fluide.
Mehrere Strukturen zum Durchführen
des Mischens können
in derselben Vorrichtung verwendet werden, um ein schnelleres oder
vollständigeres
Mischen sicherzustellen oder um eine komplizierte Mischeinrichtung
bereitzustellen, wie beispielsweise das Mischen unterschiedlicher
Fluidströme
in verschiedenen Abschnitten.
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Mikrofluid-Kanäle haben
mindestens eine Abmessung, welche kleiner als ungefähr 500 μm ist. Kanäle, welche
mit den bestimmten Ausführungsformen
zweckmäßig sind,
weisen vorzugsweise ein Seitenverhältnis auf, welches den Flächen zu-Flächen-Kontakt
zwischen Fluidströmen
maximiert. Ein Kanal kann eine Tiefe von ungefähr 1 bis ungefähr 500 μm, vorzugsweise
von ungefähr
10 bis ungefähr 100 μm und eine
Breite von ungefähr
10 bis ungefähr 10000 μm aufweisen,
so dass das Seitenverhältnis (Breite/Höhe) des
Kanalquerschnitts mindestens ungefähr 2, vorzugsweise mindestens
ungefähr
10 beim Überlappungsbereich
ist, wo sich die Kanäle treffen.
In unterschiedlichen Ausführungsformen kann
ein Kanal in eine Schicht geformt, in eine Schicht geätzt oder
aus einer Schicht herausgeschnitten sein. Wo ein Kanal aus der gesamten
Dicke einer Schicht herausgeschnitten ist, wird sie als Matrizenschicht
bezeichnet.
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Unterschiedliche
Ausführungsformen
erzeugen ausreichenden Grenzschichtkontakt pro Querschnittsbereich
zwischen den unterschiedlichen Fluidströmen zum Bewirken einer schnellen
Vermischung. Auf diese Weise wird ein diffuses Vermischen zwischen
zwei oder mehreren Fluidströmen erzielt,
welche sich in den überlappenden
Bereichen treffen, und sie können
zu einem größeren Grad
vermischt werden, als es in einer Mikrofluid-Vorrichtung üblich ist.
Die Gestalt und der Bertrag der Überlappung
an diesen Stellen kann gesteuert werden, um den Misch-Betrag zu ändern.
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In
unterschiedlichen Ausführungsformen kann
eine Mikrofluid-Vorrichtung
einen oder mehrere Mischbereiche aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen
sind alle Mischbereiche im Wesentlichen identisch im Typ, in der
Größe und/oder
in der Geometrie. In anderen Ausführungsformen können Mischbereiche
von unterschiedlichen Typen, Größen oder
Geometrien in einer einzelnen Vorrichtung bereitgestellt werden
zum Produzieren eines bevorzugten Vermischens. In bestimmten Ausführungsformen können die
Mischer in einer Vorrichtung gebündelt sein
zum Durchführen
verschiedener Funktionen. Beispielsweise können die Mischer in einer Vorrichtung
gebündelt
sein zum Durchführen
kombinatorischer Synthesen von unterschiedlichen Materialtypen.
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Wichtigerweise
kann die Natur dieser Mikrofluid-Mischer für bestimmte Anwendungen angepasst
werden. Einige der Parameter, welche das Design von diesen Systemen
beeinflussen, weisen den verwendeten Fluidtyp, die Fließgeschwindigkeit
und die Materialzusammensetzung der Vorrichtungen auf. Die Mikrofluid-Mischer,
welche hierin beschrieben sind, können in einer Mikrofluid-Vorrichtung
konstruiert sein, indem die Geometrie und Chemie der Bereiche, wo
ein Fluidstrom einen anderen kontaktiert, gesteuert werden.
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Ältere zweidimensionale
Mikrofluid-Mischvorrichtungen weisen typischerweise Fluidik-Kanäle auf einer
einzelnen im Wesentlichen ebenen Schicht einer Mikrofluid-Mischvorrichtung
auf. Gewöhnlich
ist das Seiten- (Breite zu Höhen)
Verhältnis
von diesen Kanälen
10:1 oder größer, wobei
die Kanalweite gewöhnlich
zwischen 10 und 500 mal größer als
ihre Höhe
ist. Diese Einschränkung
ergibt sich teilweise aus Einschränkungen in den Siliziumtechniken,
welche typischerweise zum Produzieren solcher Vorrichtungen verwendet
werden. Um Proben zu vermischen, werden zwei koplanare Einlasskanäle in einen
gemeinsamen Auslasskanal zusammengebracht. Die Fluide treffen sich
an der Überschneidung und
laufen entlang des Auslasskanals fort, typischerweise auf eine Seite-an-Seite
Weise. In Mikrofluid-Systemen ist der Fluidfluss praktisch immer
laminar (es tritt keine turbulente Strömung auf); daher tritt jedes
Vermischen in diesem Auslasskanal durch diffusionales Mischen an
der Schnittstelle zwischen den zugeführten Liquidströmen auf.
Dieses Vermischen ist extrem langsam, da die Schnittstelle zwischen
den beiden sich kreuzenden Fluiden entlang der kleineren Abmessung
der senkrechten Querschnitte der Fluidströme ist und diese Abmessung
im Vergleich zu dem Gesamtvolumen der Fluide sehr klein ist. Da
in traditionellen zweidimensionalen Mikrofluidsystemen alle Fluidik-Kanäle in derselben
im Wesentlichen ebenen Schicht der Vorrichtung enthalten sind, ist dieses
Problem schwer zu überwinden.
Mikrofluid-Vorrichtungen,
welche im Stand der Technik zweidimensionalen "Mischung"-Strukturen nahe kommen, wurden konstruiert.
Typische Ergebnisse von Versuchen, zwei Liquide (zum Beispiel gefärbtes Wasser)
in solchen Vorrichtungen zu mischen, sind in ziemlich dramatischer
Weise in 1A–1B gezeigt,
welche den relativen Mangel von diffuser Vermischung zwischen zwei
kontaktierenden, Seite an Seite angeordneten Strömen zeigen.
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Mikrofluid-Vorrichtungen
gemäß den Ausführungsformen
sind dreidimensional, weisen Mikrofluid-Kanäle auf, welche auf oder in
unterschiedlichen Schichten einer Fluidik-Vorrichtung angeordnet
sind. In bestimmten Ausführungsformen
fließen
mehrere Fluidströme
Seite-an-Seite in einem ersten Mikrofluid-Kanal, bis sie einen Kontraktions-/Expansions-Bereich erreichen,
welcher zu einem zweiten Mikrofluid-Kanal führt, wobei der erste Kanal
und der zweite Kanal in unterschiedlichen Vorrichtungsschichten
definiert sind. Mehrere Kontraktions-Expansions-Bereiche können in
Reihe bereitgestellt werden zum Durchführen einer schnelleren oder
vollständigeren Vermischung
zwischen den Fluiden.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
kann das Wechseln der chemischen Natur von den Vorrichtungsschichten
oder von speziellen Bereichen die Mischeigenschaften ändern. Dies
kann durch Ausbilden einer Matrizenschicht aus einem anderen Material
oder durch Ändern
der Oberflächenchemie
einer Matrizenschicht erzielt werden. Die Oberflächenchemie einer Matrizenschicht
kann auf vielen Wegen geändert
werden, wie es von einem Fachmann erkannt werden würde. Beispiele
von Verfahren zum Ändern
der Oberflächenchemie
weisen die chemische Derivatisierung sowie Oberflächenmodifikationstechniken
wie beispielsweise das Plasmareinigen oder das chemische Ätzen auf.
Diese oben beschriebenen Verfahren zum Ändern der chemischen Natur
von Vorrichtungsschichten oder bestimmten Bereichen innerhalb einer
Mikrofluid-Vorrichtung können
unabhängig
oder im Verbindung miteinander verwendet werden.
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In
einer Mischerausführung,
welche eine Zwischenabstandhalterschicht hat, definiert die Abstandshalterschicht
eine Öffnung,
welche im Wesentlichen kleiner in der Hauptabmessung als die benachbarten
Kanäle
ist. Solch eine Öffnung
kann in verschiedenen passenden Gestalten konfiguriert sein, wie
beispielsweise rund, rechteckig oder dreieckig, um nur einige zu
nennen. Zusätzlich
ist solch eine Öffnung
entlang der Breite von jedem der benachbarten Kanäle vorzugsweise
im Wesentlichen mittig angeordnet. In einer Ausführungsform treffen sich zwei
Mikrofluid-Kanäle,
welche unterschiedliche Fluide führen,
in einem Verbindungsbereich in einer Schicht, was typischerweise
einen kombinierten Strom von zwei getrennten Fluidströmen ergibt,
welche Seite-an-Seite fließen.
Der kombinierte Strom setzt sich dann durch einen "Stromabwärts"-Kanal zu einem Kanalüberlappungsbereich
mit einer kleinen Öffnung
fort, welche eine Fluid-Kommunikation zwischen dem Stromaufwärts-Kanal und einem Stromabwärts-Kanal
erlaubt. Der Fluss setzt sich durch die kleine Öffnung und in dem Stromabwärts-Kanal
hinein fort. Die Kombination von der kleinen Öffnung und von dem Stromabwärts-Kanal
dient als ein Kontraktions-/Expansions-Bereich,
da der Fluidflussbereich durch die Öffnung hindurch kontrahiert
und dann expandiert wird, wenn das Fluid sich in den Stromabwärts-Kanal
hinein bewegt. Mehrere kanalüberlappende
Kontraktions-/Expansions-Bereiche können in einer einzigen Vorrichtung
vorgesehen sein. Wenn in Reihe angeordnet, können mehrere Kontraktions-/Expansions-Bereiche ein schnelleres
oder vollständigeres
Vermischen von mehreren Fluiden begünstigen.
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Einige
Beispiele von Mischvorrichtungen, welche mehrere Kanalüberlappung-Kontraktion-/-Expansions-Bereiche
haben, sind in 2A–2B und 2A–2B bereitgestellt.
In anderen Ausführungsformen
können
die Fluidströme
so manipuliert werden, dass sie einen wesentlichen Wechsel in der
Richtung von einem Kontraktion-/Expansions Bereich zu einem anderen
durchmachen. Beispiele von solchen Vorrichtungen sind in 4A–4B und 5A–5B bereitgestellt.
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Die
folgenden Beispiele beschreiben bestimmte Aspekte von mehreren bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung.
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Beispiel 1
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In
einer Ausführungsform
weist eine Mikrofluid-Mischvorrichtung
eine Abstandshalterschicht auf, welche eine Öffnung definiert, welche im
Wesentlichen kleiner im Durchmesser als die angrenzenden Stromaufwärts- und
Stromabwärts-Kanäle ist,
so dass die Öffnung
und der Stromabwärts-Kanal als
ein Kontraktion-/Expansions-Bereich zum Begünstigen des Mischens dienen.
Ein Beispiel vom einem Mikrofluid-Mischer, welcher solch ein Design verkörpert, ist
in 2A–2B dargestellt.
Eine Mischvorrichtung 250 ist aus fünf Vorrichtungsschichten 251–255 konstruiert,
welche Matrizenschichten 252, 254 aufweisen. Beginnend
vom unteren Ende definiert die erste Schicht 251 zwei Fluid-Einlassöffnungen 256, 257 und
zwei -Auslassöffnungen 258, 259,
wobei jede Öffnung
ungefähr
achtzig (80) Millizoll (2 mm) im Durchmesser ist. Die zweite Schicht 252 definiert
zwei Einlasskanal-Abschnitte 260, 261, welche
sich an einer Verbindungsstelle 262 treffen, welche einen
Stromaufwärts-Kanal-Abschnitt 263 versorgt,
welcher einen Auslass 263A hat. Die zweite Schicht 252 definiert
einen anderen Kanal 264, der einen Trennbereich 265 zum
Aufteilen eines gemischten Fluidstroms in zwei Unterströme hat.
Die dritte Schicht 253 definiert zwei kleine Öffnungen 266, 267,
wobei jede Öffnung 266, 267 kleiner
in der Größe als die
benachbarten Kanäle 263, 268, 264 ist. In
dieser Ausführungsform
ist jede Öffnung 266, 267 ungefähr sechs
(6) Millizoll (150 μm)
im Durchmesser. Vorzugweise sind diese Öffnungen 266, 267 entlang
der Breite von jedem der Kanäle 263, 264, 268 im
Wesentlichen mittig angeordnet. Die vierte Schicht 254 definiert
einen Kanal 268, welcher sowohl den Kanalabschnitt 263 und
als auch den Kanal 264 leicht überlappt, welche in der zweiten
Schicht 252 definiert sind. Der Kanal 268 ist
im Wesentlichen stromabwärts
des Kanalabschnitts 263 und der ersten Öffnung 266 und ist
gleichzeitig im Wesentlichen stromaufwärts zu der zweiten Öffnung 267 und
dem Kanal 264. Die fünfte
Schicht 255 kann aus einem bloßen Substrat oder Film hergestellt
werden, was daher zum Versiegeln des Kanals 268 von oben
und zum Tragen der Vorrichtung 250 dient, falls notwendig. Die
Kanäle 260, 261, 263, 264, 265, 268 weisen
jeweils eine nominelle Weite von ungefähr vierzig (40) Millizoll (1
mm) auf. Wie vorher beschrieben, können die Matrizenschichten 252, 254 vorteilhafterweise aus
doppelseitigen selbstklebenden Klebeband hergestellt werden, wobei
die nicht-Matrizenschichten 251, 253, 255 aus
einem nicht-klebenden Material hergestellt sein können.
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Bei
der Betätigung
wird ein erster Fluidstrom in die erste Einlassöffnung 256 und ein
zweiter Fluidstrom in die zweite Einlassöffnung 257 injiziert.
Die Fluidströme
reisen durch Kanalabschnitte 260 bzw. 261 bis
sie sich an der Verbindungsstelle 262 treffen. Von der
Verbindungsstelle 262 fließen die Bestandteile des kombinierten
Stroms Seite-an-Seite
durch den Kanalabschnitt 263 bis sie einen Kanalauslass 263A unmittelbar
stromaufwärts
der ersten Öffnung 266 erreichen.
Der kombinierte Strom fließt
aufwärts durch
die kleine Öffnung 266 und
in den Kanal 268 hinein, welche zusammen als ein Kontraktions-/Expansions-Bereich
dienen, was das Vermischen begünstigt.
Der kombinierte Strom setzt sich durch den Kanal 268 fort
und fließt
herunter zu der zweiten Öffnung 267 und
in den Kanal 264 hinein. Die Kombination der zweiten Öffnung 267 und
des Kanals 264 dient als ein anderer Kontraktions-Expansions-Bereich,
was ein weiteres Vermischen begünstigt.
In der dargestellten Ausführungsform
führen
der erste Stromaufwärts-Kanalabschnitt 263,
der Stromaufwärts-/Stromabwärts-Kanalabschnitt 268 und
der Stromaufwärts-Kanalabschnitt 264 alle
die Fluide im Wesentlichen in derselben Richtung ohne irgendeine signifikante
Richtungsänderung.
Aus dem zweiten Kanal 264 wird das Fluid zu einem Trenn-Bereich 265 geführt, wo
es in zwei Ströme
getrennt wird zum Verlassen der Mischvorrichtung 250 durch
die Auslassöffnung 258, 259 hindurch.
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Es
ist beobachtet worden, dass die Mikrofluid-Mischvorrichtung 250 ein schnelleres
oder vollständigeres
Vermischen innerhalb eines gegebenen Abstands der Kontraktions-/Expansions-Bereiche
bei höheren
Fließgeschwindigkeiten
begünstigt.
Beispielsweise zeigt 2C ein Bild eines kombinierten Fluids
bei einer Fließgeschwindigkeit
von ungefähr zwanzig
(20) μl/min,
welche durch die Vorrichtung 250 (von links nach rechts
fließend)
fließt.
Bemerkenswerterweise findet das Vermischen nicht vollständig stromabwärts der
Kontraktions-/Expansions-Bereiche
statt, da eine relativ klare Abgrenzung zwischen den ersten (blauen)und
zweiten (gelben) Fluidströmen
sichtbar bleibt. Im Gegensatz dazu zeigt 2D ein
Bild der gleichen Vorrichtung, welche einem kombinierten Fluid mit
einer Fließgeschwindigkeit
von ungefähr
vierhundert (400) μl/min ausgesetzt
ist. In diesem Fall scheint das vermischen zwischen den Fluidströmen viel
vollständiger
zu sein.
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Beispiel 2
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Im
vorherigen Beispiel weist eine Mikrofluid-Mischvorrichtung zwei
Kontraktions-/Expansions-Bereiche auf. Ähnliche Mischvorrichtungen
können
mit zahlreichen in Reihe angeordneten Kontraktions-/Expansions-Bereichen
konstruiert werden zum Begünstigen
eines schnelleren und vollständigeren Vermischens.
Beispielsweise ist eine Mikrofluid-Mischvorrichtung 300, welche
zehn (10) Kontraktion-/Expansions-Bereiche
hat, in 3A–3B dargestellt.
Die Vorrichtung 300 ist mit fünf Vorrichtungsschichten 301–305 konstruiert,
welche die Matrizenschichten 302, 304 aufweisen.
Beginnend vom unteren Ende definiert die erste Schicht 301 zwei
Fluid-Einlassöffnungen 308, 309 und
zwei Auslassöffnungen 310, 311,
wobei jede Öffnung
ungefähr
achtzig (80) Millizoll (2 mm) im Durchmesser ist. Die zweite Schicht 302 definiert
zwei Einlass-Kanalabschnitte 312, 313, welche
sich an einer Verbindungsstelle 314 treffen, welche zu
einem Kanalauslass 314A führt. Die zweite Schicht 312 definiert
vier Kanalabschnitte 315 und einen anderen Kanal 316,
welcher einen Trennbereich zum Unterteilen eines gemischten Fluidstroms
in zwei Unterströme
hat. Die dritte Schicht 303 definiert zehn (10) kleine Öffnungen 318,
wobei jede Öffnung 318 ungefähr sechs
(6) Millizoll (150 μm)
im Durchmesser ist. Wie vorher sind diese Öffnungen 318 entlang
der Breite von jedem der Kanäle 315, 316, 320 im
Wesentlichen mittig angeordnet. Die vierte Schicht 304 definiert
fünf Kanalabschnitte 320,
wobei jeder von diesen einen Kanaleinlass 320A und zwei
Kanäle
oder Kanalabschnitte leicht überlappt,
welche in der zweiten Schicht 302 definiert sind. Jeder
der Kanalabschnitte 315, 320 ist stromabwärts von
einer Öffnung 318 und
stromaufwärts
von einer anderen, wobei die Kanalabschnitte 315, 320 und
die Stromaufwärts-
und Stromabwärts
Kanäle 314, 315 alle
dazu dienen, Fluid im Wesentlichen in derselben Richtung zu leiten.
Die fünfte
Schicht 305 kann aus einem bloßen Substrat oder Film hergestellt werden,
was daher dient, die Kanalabschnitte 320 von oben zu umschließen und
die Vorrichtung 300 zu tragen, falls notwendig. Jede der
oben beschriebenen Kanäle
weist eine nominelle Breite von ungefähr vierzig (40) Millizoll (1
mm) auf. Wie im Zusammenhang mit den vorherigen zwei Beispielen
beschrieben, können
die Matrizenschichten 302, 304 vorteilhafterweise
aus doppelseitigen selbstklebenden Klebebändern hergestellt werden, wobei
die sandwichartig angeordneten Schichten 301, 303, 305 vorteilhafterweise
aus nichtklebenden Materialien hergestellt sein können.
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Die
Mischvorrichtung 300 wird auf eine im Wesentlichen identische
Weise wie die Vorrichtung 250 betätigt, welche vorher beschrieben
wurde, außer
das die Vorrichtung 300 eher zehn (10) Kontraktions-/Expansions-Bereiche
als zwei hat. Es wurde beobachtet, dass die Verwendung von zehn
Kontraktions/Expansions-Bereichen ein schnelleres oder vollständigeres
Vermischen begünstigt
als die Verwendung von zwei. Wie vorher wurde ein besseres Vermischen
bei höheren
Fließgeschwindigkeiten
beobachtet, wie in 3C–3E gezeigt. 3C zeigt
ein Bild eines kombinierten Fluids mit einer Fließgeschwindigkeit
von ungefähr
zwanzig (20) μl/min,
welches durch die Mischvorrichtung 300 hindurch (von links
nach rechts fließend)
fließt.
Hier verbleibt eine relativ klare Abgrenzung zwischen dem ersten
(blauen) und dem zweiten (gelben) Fluidstrom sogar nach der Passage
durch die zehn Kontraktion-/Expansions-Bereicheegionen sichtbar,
was eine weniger als optimale Vermischung anzeigt. 3D zeigt
ein Bild derselben Vorrichtung 300, welche ein kombiniertes Fluid
mit einer Fließgeschwindigkeit von
ungefähr
zweihundert (200) μl/min
aufweist. Das Mischen scheint in diesem Fall bemerkbar besser zu sein. 3E zeigt
jedoch dieselbe Mischvorrichtung 300 mit besseren Mischergebnissen,
welche mit einem kombinierten Fluid mit einer Fließgeschwindigkeit
von ungefähr
vierhundert (400) μl/min
erzielt wird. Es scheint daher, dass eine höhere Fließgeschwindigkeit und die Anwesenheit
von mehr Kontraktions-/Expansions-Bereichen Faktoren sind, die zum
Verbessern des Mischens verwendet werden können.
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Beispiel 3
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In
anderen Ausführungsformen
können
Fluide wesentliche Richtungsänderungen
zusätzlich
zum Fließen
durch die Kontraktions-/Expansions-Bereiche hindurch durchmachen.
Beispielsweise ist eine Mikrofluid-Mischvorrichtung 340,
welche vier Kontraktions-/Expansions-Bereiche und zwei Fließwendebereiche
hat, in 4A–4B dargestellt.
Die Vorrichtung 340 ist mit elf Vorrichtungsschichten 341–351 konstruiert,
welche Matrizenschichten 342, 344, 346, 348, 350 aufweisen.
Beginnend vom unteren Ende definiert die erste Schicht 341 zwei
Fluid-Einlassöffnungen 355, 356,
wobei jede Öffnung ungefähr einhundertzwanzig
Millizoll (3 mm) im Durchmesser ist. Die zweite Schicht 342 definiert zwei
Einlass-Kanalabschnitte 357, 358, welche sich an
einem Verbindungskanal 360 treffen, welcher einen Kanalauslass 360A hat.
Die dritte, fünfte,
siebte und neunte Schicht 343, 345, 347, 349 definiert
jeweils eine kleine Öffnung 362, 364, 366, 368.
Jede der Öffnungen 362, 364, 366, 368 sind
ungefähr
zehn Millizoll (250 μm)
im Durchmesser und sind entlang der Breite ihrer umgebenen Kanäle vorzugsweise
im Wesentlichen mittig angeordnet. Die vierte, sechste und achte
Schicht 344, 346, 348 definieren jeweils
einen Kanal 363, 365, 367, wobei jeder
Kanal einen Kanaleinlass wie beispielsweise den Kanaleinlass 363A hat.
Die zehnte Schicht 350 definiert einen Auslasskanal 370,
welcher zu der Fluid-Auslassöffnung 372 führt, welche
in der elften Schicht 351 definiert ist. Jede der oben
beschriebenen Kanäle
weist eine nominelle Weite von ungefähr hundertzwanzig (120) Millizoll
(3 mm) auf. Wie vorher beschrieben, können die Matrizenschichten 342, 344, 346, 348, 350 vorteilhafterweise
aus doppelseitig selbstklebenden Klebebändern hergestellt sein, wobei
die sandwichartig angeordneten Nicht-Matrizenschichten 341, 343, 345, 347, 349, 351 vorteilhafterweise
aus nicht klebenden Materialien hergestellt sein können.
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Bei
der Betätigung
wird ein erster Fluidstrom in die erste Einlassöffnung 355 hinein
injiziert und ein zweiter Fluidstrom wird in die zweite Einlassöffnung 356 hinein
injiziert. Die Fluidströme
reisen durch die jeweiligen Kanalabschnitte 357, 358 hindurch
bis sie auf einen Verbindungskanal 360 treffen und hin
zu dem Kanalauslass 360A fließen. Aus dem Kanalauslass 360A fließen die
Bestandteile des kombinierten Stroms durch die erste Öffnung 362 in
den Einlass 363A des ersten Kurzkanals 363, wobei
die Kombination als ein erster Kontraktions-/Expansions-Bereich
dient. Aus dem ersten kurzen Kanalabschnitt 363 fließt die Fluidkombination
durch die zweite Öffnung 364 in
den zweiten Kurzkanal 365 hinein. Bemerkenswerterweise
kehrt der zweite Kurzkanalabschnitt 365 die Richtung der
Fluidkombination um ungefähr
180 Grad hin zu der dritten Öffnung 366 um. Aus
der dritten Öffnung 366 betritt
das Fluid den dritten Kurzkanal 367, wo das Fluid die Richtung
wieder hin zu der vierten Öffnung 368 ändert. Unter
Betrachtung von oben nach unten, würde es scheinen, dass das Fluid
in einer Rückwärts- und Vorwärtsrichtung zwischen
dem zweiten Kurzkanal 365 und dem dritten Kurzkanal 367 bewegt
wird. Aus der vierten Öffnung 368 fließt das Fluid
in den Auslasskanal 370 hinein und verlässt schließlich die Vorrichtung 340 durch
die Auslassöffnung 372.
Diese sich ergebende Mischvorrichtung 340 wendet viele
(11) Schichten an, aber begünstigt
das Mischen zwischen zwei Mikrofluid-Strömen mit einer kleinen Grundfläche, wie
in der Draufsicht in 4B gezeigt.
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Beispiel 4
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Andere
Mikrofluid-Mischvorrichtungs-Ausführungsformen weisen mehrere
Kontraktions-/Expansions-Bereiche auf und viele Fluid-Richtungswechsel
können
konstruiert werden. Beispielsweise ist eine Mikrofluid-Vorrichtung 380 mit
achtzehn Kontraktions-/Expansions-Bereichen und sechzehn annähernd neunzig
Grad Richtungsänderungsbereichen
in 5A–5B dargestellt.
Die Vorrichtung 380 ist mit fünf Vorrichtungsschichten 381–385 konstruiert,
einschließlich
der Schichten 382, 384. Beginnend vom unteren
Ende definiert die erste Schicht 381 zwei Fluid-Einlassöffnungen 386, 387 und
zwei Auslassöffnungen 388, 389,
wobei jede Öffnung
ungefähr
achtzig Millizoll (2 mm) im Durchmesser ist. Die zweite Schicht 382 definiert
zwei Einlasskanal-Abschnitte 392, 393, welche
sich an einem Verbindungskanal 395 treffen, welcher zu
einem Kanalauslass 395A führt. Die zweite Schicht 382 definiert acht
parallele Kurzkanäle 397 und
einen anderen Kanal 398, welcher einen Trennbereich zum
Unterteilen eines gemischten Fluidstroms in zwei Unterströme aufweist.
Die dritte Schicht 383 definiert achtzehn kleine Öffnungen 399,
wobei jede Öffnung 399 ungefähr sechs
Millizoll (150 μm)
im Durchschnitt ist. Diese Öffnungen 399 sind
im Wesentlichen entlang der Breite von jedem der umgebenden Kanäle 397, 400 mittig
angeordnet. Die vierte Schicht 384 definiert zehn Kurzkanäle 400,
wobei jeder von diesen einen Kanaleinlass 400A aufweist
und zwei Kanäle
leicht überlappt,
welche in der zweiten Schicht 382 definiert sind. Jeder
der Kanäle 397, 400 ist
vom stromabwärts
von einer Öffnung 399 und
stromaufwärts
von einer anderen Öffnung 399.
Die fünfte
Schicht 385 kann aus einem bloßen Substrat oder Film hergestellt sein,
welche daher zum Umschließen
der Kanalabschnitte 400 von oben und zum Tragen der Vorrichtung 380 dient,
falls notwendig. Die fünfte
Schicht 305 kann aus einem bloßen Substrat oder Film hergestellt
sein, welcher daher zum Umschließen der Kanalabschnitte 320 von
oben und zum Tragen der Vorrichtung 300 dient, falls notwendig.
Jeder der oben beschriebenen Kanäle
weist eine nominelle Breite von ungefähr vierzig Millizoll (1 Millimeter)
auf. Wie in Verbindung mit den vorherigen zwei Beispielen beschrieben,
können
die Matrizenschichten 382, 384 vorteilhafterweise
aus doppelseitigen selbstklebenden Klebebändern hergestellt sein, wobei
die sandwichartig angeordneten Schichten 381, 383, 385 vorteilhafterweise
aus nicht klebenden Materialien hergestellt sein können.
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Die
Mischvorrichtung 380 wird ähnlich wie die Mischer betätigt, welche
in den vorhergehenden Beispielen beschrieben sind. Ein erster Fluidstrom wird
in die erste Einlassöffnung 386 injiziert
und ein zweiter Fluidstrom wird in die zweite Einlassöffnung 387 injiziert.
Die Fluidströme
reisen durch Kanalabschnitte 393 bzw. 393, bis
sie einen Verbindungskanal 395 treffen. Aus den Kanalauslass 395A fließt der kombinierte
Strom durch die achtzehn Expansions-Kontraktionsbereiche und wechselt
sechzehnmal mal die Richtung, jedes Mal um ungefähr neunzig Grad, bevor er in
zwei Unterströme
bei Kanal 398 getrennt wird und die Vorrichtung 380 durch
die Auslassöffnungen 388, 389 hindurch
verlässt.
Eine erhöhte
Fließgeschwindigkeit
durch die Vorrichtung 380 scheint ein besseres Mischen
zu begünstigen, wie
in 5C–5E gezeigt. 5C–5E zeigen
das Mischen zwischen zwei Fluiden bei einer kombinierten Fließgeschwindigkeit
von zwanzig, zweihundert bzw. vierhundert Mikroliter pro Minute. Wie
aus dem Vergleichen der drei Figuren ersichtlich ist, wird ein schnelleres
und vollständigeres
Vermischen innerhalb einer gegebenen Vorrichtungslänge bei
höheren
Fluid-Fließgeschwindigkeiten
erzielt.