DE602004013045T2 - Mischen von flüssigkeiten - Google Patents

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Description

  • ZUGRUNDE LIEGENDE TECHNIK
  • Mikrofluideinheiten, die auch als „Labor auf einem Chip" (lab-on-a-chip) oder einfach als Chips bezeichnet werden, haben als Alternativen zu den herkömmlichen Analysewerkzeugen in den Forschungs- und Entwicklungslabors sowohl an den Hochschulinstituten als auch in der Industrie breite Anwendung gefunden. Zum Beispiel können Mikrofluideinheiten in der Biologie zur Durchführung von Zelluntersuchungen und in der analytischen Chemie zur Durchführung von Trennverfahren eingesetzt werden.
  • Einige der Vorteile der Mikrofluideinheiten bestehen in ihren kleineren Reagensmengen und der höheren Analysegeschwindigkeit. Mit Mikrofluidkammern und -kanälen können Volumina zuverlässiger als manuell gemessen werden, sodass die Fehleranfälligkeit somit verringert werden kann.
  • Eines der mit Mikrofluideinheiten verbunden Probleme, insbesondere in der Biologie und der analytischen Chemie, besteht in der Vermischung von Flüssigkeitsvolumina in der Größenordnung von Nanolitern. Dieses Problem wird genauer beschrieben in dem Artikel „Honey, I shrunk the lab", in Nature, Bd. 118, August 2002, S. 447 bis 457, wo zwei Ansätze zur Beschleunigung des Mischprozesses beschrieben werden. Der erste Ansatz beinhaltet das Dehnen und Falten von Fluidschichten während ihrer Bewegung entlang dem Kanal unter Verwendung von Rippen, die in Form eines Fischgrätenmusters auf dem Kanalboden angeordnet sind. Der zweite Ansatz beinhaltet die Anwendung eines Wechselstroms entlang dem Kanal, um die Flüssigkeit im Kanal zu Schwingungen anzuregen.
  • Weitere Ansätze zum Abmildern des Mischungsproblems in Mikrofluideinheiten werden von Yi-Kuen Lee et al. in „Chaotic Mixing in Electrokinetically and Pressure Driven Micro Flows", IEEE, 2001, S. 483 bis 486, beschrieben. Das Hauptaugenmerk liegt hier darin, durch das Falten und Dehnen von Stoffströmen eine chaotische Vermischung zu erreichen.
  • Z. B. in DE 10 213 003 A wird beschrieben, wie Flüssigkeiten durch Änderung der Strömungsrichtung gemischt werden, während in US 2003/0 031 090 A und US 2002/0 125 134 A die Verwendung von chaotischen Mischkammern beschrieben wird.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten zu verbessern. Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Hauptansprüche gelöst. In den Unteransprüchen werden bevorzugte Ausführungsarten beschrieben.
  • Ausführungsarten gemäß der Erfindung können für das Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten in einer Mikrofluideinheit von besonderem Vorteil sein. Zum Beispiel kann die Mischgeschwindigkeit der Flüssigkeiten erhöht und/oder das verbesserte Mischverfahren relativ einfach auf neue oder bereits vorhandene Mikrofluideinheiten und/oder -systeme angewendet werden.
  • Gemäß den Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei Flüssigkeiten gemeinsam in eine erste Leitung eingegeben, die eine Verzweigung mit einer zweiten Leitung beinhaltet. Die Flüssigkeiten werden zur Verzweigung befördert und einer wechselnden Kraft ausgesetzt, während sie im Wesentlichen in der ersten Leitung verbleiben. Die wechselnde Kraft bewirkt eine wechselnde Änderung der Strömungsrichtung der Flüssigkeiten.
  • Ausführungsarten der Erfindung können zum Mischen von Flüssigkeiten verwendet werden, die mindestens eine Komponente aus einer der folgenden Gruppen enthalten: Peptide, Polypeptide, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate, Farbstoffe, Fettsäuren.
  • Eine bevorzugte Ausführungsart umfasst eine Vorrichtung zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten, in der eine erste Leitung zum Aufnehmen der mindestens zwei Flüssigkeiten vorgesehen ist. Die erste Leitung bildet eine Verzweigung mit einer zweiten Leitung. Eine erste Energiequelle dient zum Befördern der Flüssigkeiten in der ersten Leitung, und eine zweite Energiequelle dient dazu, die Flüssigkeiten in der ersten Leitung an der Verzweigung einer wechselnden Kraft auszusetzen, welche die Strömungsrichtung der Flüssigkeiten im Wechsel ändert.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsarten beinhalten eine Mikrofluideinheit zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten. Die Mikrofluideinheit umfasst ein Substrat mit mindestens einem in einer Oberfläche des Substrats gebildeten offenen Mikrokanal, eine auf der Substratoberfläche angeordnete Deckplatte zum Abdecken der offenen Seite des Mikrokanals, eine erste und eine zweite Leitung, die beide durch die Deckplatte in Verbindung mit dem offenen Mikrokanal definiert sind, eine erste Energiequelle zum Befördern der Flüssigkeiten in der ersten Leitung und eine zweite Energiequelle, um die Flüssigkeiten in der ersten Leitung an der Verzweigung einer wechselnden Kraft auszusetzen, welche die Strömungsrichtung der Flüssigkeit entsprechend im Wechsel ändert. Die zweite Leitung bildet eine Verzweigung mit der ersten Leitung. Die erste und die zweite Leitung sollen zum Mischen der mindestens zwei Flüssigkeiten dienen, die in die erste Leitung eingegeben werden. Die zweite Energiequelle besteht vorzugsweise aus zwei in der zweiten Leitung angeordneten Elektroden. Auf jeder Seite der Verzweigung ist in der zweiten Leitung mindestens eine der beiden Elektroden angeordnet.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Aufgaben und viele der mit den Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung verbundenen Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsarten in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klarer und verständlicher. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugsnummern bezeichnet.
  • 1 veranschaulicht schematisch eine erste und eine zweite Leitung einer Mikrofluideinheit und den Flüssigkeitsstrom durch die erste Leitung; und
  • 2a und 2b veranschaulichen schematisch eine Draufsicht auf einen LabChip für einen 2100 Bioanalyzer, im den Ausführungsarten gemäß der Erfindung angewendet werden.
  • 1 zeigt als Beispiel eine Skizze einer ersten Leitung im Verhältnis zu einer zweiten Leitung gemäß einer Ausführungsart der Erfindung. In dem Beispiel werden zwei Flüssigkeiten durch Pipettieren in eine Elektrodenmulde 11a in das System eingegeben. Das Pipettieren der Probe kann manuell erfolgen. Im vorliegenden Beispiel bietet sich eine erste Energiequelle durch ein elektrisches Feld dar, das durch eine Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden 8a, 8b erzeugt wird, und eine zweite Energiequelle bietet sich durch ein elektrisches Feld dar, das durch eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 6, 7 erzeugt wird. Desgleichen kommen auch andere Energiequellen in Betracht, zum Beispiel das Anwenden eines Druckgradienten als erste und/oder zweite Energiequelle.
  • Die Leitungen in der Mikrofluideinheit werden vorzugsweise durch offene Kanäle im Chip gebildet, die durch eine (in 1 nicht dargestellte) Deckplatte abgedeckt und/oder abgedichtet sind. Daher stellen die Leitungen im Wesentlichen geschlossene Gefäße für die Beförderung von Flüssigkeiten dar. Üblicherweise stecken Elektroden 6, 7, 8a, 8b in den Elektrodenmulden 11, 11a, 11b, die sich in den Kanälen des Chips befinden.
  • Jede der beiden Flüssigkeiten wird durch das Anlegen eines elektrischen Potenzials zwischen den Transportelektroden 8a, 8b vorzugsweise elektrokinetisch von der entsprechenden Elektrodenmulde 11a in die erste Leitung 1 befördert. In jeder der Elektrodenmulden 11a ist mindestens eine Transportelektrode 8a einer Polarität angeordnet. In einer Elektrodenmulde 11b ist mindestens eine Elektrode 8b der entgegengesetzten Polarität angeordnet. Zwischen den Transportelektroden 8a und 8b wird ein elektrisches Feld angelegt, das im Fall eines 2100 Bioanalyzer von Agilent Technologies standardmäßig vorzugsweise einen Strom zwischen 2 μA und 5 μA erzeugt. Der Transportstrom ist nicht auf diese Werte beschränkt, die vielmehr von der Geometrie der Leitungen und den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten wie beispielsweise der Viskosität und der Temperatur abhängen. Die Beförderung der beiden Flüssigkeiten ist nicht auf elektrokinetische Effekte beschränkt, sondern kann auf beliebige in der Technik bekannte Weise erfolgen.
  • In diesem Beispiel strömen die beiden Flüssigkeiten separat in den Probenleitungen 12, 13 (die auch als Teile der ersten Leitung 1 angesehen werden können), die sich dann in der ersten Leitung 1 vereinigen. Die Flüssigkeiten können auch direkt in die Elektrodenmulden 11a in die erste Leitung 1 eingegeben werden, ohne dass die Probenleitungen 12, 13 erforderlich sind.
  • Aufgrund der Mikrometerdimensionen, um nicht zu sagen Nanometerdimensionen, der Leitungen ist die Strömung der beiden Flüssigkeiten in den Probenleitungen 12, 13 und in der ersten Leitung 1 im Wesentlichen laminar. Das Mischen der Flüssigkeiten erfolgt durch die gegenseitige Diffusion der Flüssigkeiten durch die Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten. Im großen Maßstab kann dieser Prozess durch Rühren beschleunigt werden, da durch die erzeugten Turbulenzen die Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten vergrößert wird. Der turbulenten Strömung steht jedoch die Viskosität der beiden Flüssigkeiten entgegen, welche die Bewegung der Flüssigkeiten stabilisiert. Demzufolge erzeugt eine hinreichend kleine Probe (zum Beispiel im Mikromaßstab) nicht genügend Kraft, um die Viskosität zu überwinden. Aus diesem Grund laufen zwei Flüssigkeiten im Mikromaßstab in einem schmalen Kanal nebeneinander her (d. h. in einer laminaren Strömung) und vermischen sich erst nach vielen Zentimetern). Die laminare Strömung in der ersten Leitung 1 ist schematisch durch die gestrichelte Linie 10a dargestellt, die im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung verläuft. Die gestrichelte Linie 10a, 10b stellt schematisch die Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten dar.
  • Die erste Leitung 1 bildet mit einer zweiten Leitung 2 eine Verzweigung 3. Die Verzweigung gemäß den Ausführungsarten wird in der Technik oft auch als Mischungs-T-Stück oder als Mischungskreuz bezeichnet. Die zweite Leitung steht vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur ersten Leitung 1. Die Ausführungsarten umfassen jedoch auch eine erste Leitung 1, die eine Verzweigung 3 mit einer zweiten Leitung 2 unter beliebigen anderen Winkeln bildet.
  • Die zweite Leitung 2 enthält vorzugsweise eine Lösung mit geladenen oder aufzuladenden Partikeln oder eine geladene aufzuladende Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit in der zweiten Leitung 2 wirkt im Wesentlichen als leitendes Medium für das elektrische Feld zwischen den Mischelektroden 6, 7. An jeder Seite der Verzweigung 3 ist in der zweiten Leitung 2 mindestens eine Elektrode 6, 7 angeordnet, und an jeder Seite der Verzweigung 3 wird ein elektrisches Potenzial (d. h. eine Spannungsdifferenz) zwischen diesen Mischelektroden 6, 7 angelegt, um das elektrische Feld zum „Mischen" zu erzeugen. In diesem Beispiel ist an jedem der beiden Enden der zweiten Leitung 2 eine Elektrode 6, 7 angeordnet. Die Elektroden 6, 7 können jedoch an einer beliebigen anderen Stelle in der zweiten Leitung angeordnet werden, solange sich mindestens eine Elektrode an jeder Seite der Verzweigung 3 befindet. Jede der Elektroden 6, 7 sind in einer Elektrodenmulde 11 angebracht.
  • Gemäß diesem Beispiel wird über die Elektroden 6, 7 ein elektrisches Wechselfeld, insbesondere ein pulsierendes elektrisches Wechselfeld, durch die Verzweigung 3 angelegt. Das bedeutet, dass eine elektrische Kraft auf die in der ersten Leitung 1 strömenden Flüssigkeiten in einer Richtung einwirkt, die (aufgrund der bevorzugten Anordnung der ersten und zweiten Leitung 1, 2 zueinander) im Wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung der Flüssigkeiten in der ersten Leitung 1 verläuft. Wenn das elektrische Feld nach einem bestimmten Zeitintervall die entgegengesetzte Polarität annimmt, wirkt auf die Flüssigkeiten in der ersten Leitung 1 eine Kraft in der entgegengesetzten Richtung ein, die ebenfalls im Wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung der Flüssigkeiten in der ersten Leitung 1 verläuft. Das elektrische Feld zwischen den Elektroden 6 und 7 wechselt vorzugsweise mit einer Frequenz, bei der sich mindestens ein wesentlicher Teil der Flüssigkeit in der ersten Leitung durch das elektrische Feld von einer Leitungswand zur gegenüber liegenden Leitungswand bewegen kann. Diese Frequenz f entspricht dem bevorzugten Zeitintervall (1/2f).
  • Das bevorzugte Zeitintervall zwischen wechselnden Polaritäten des elektrischen Feldes hängt von einer Anzahl von Parametern ab, zum Beispiel von den Abmessungen der ersten Leitung 1, der Temperatur der Flüssigkeiten, der Größe der geladenen/polarisierbaren Partikel in der Flüssigkeit oder der Lösung und von der Viskosität der Flüssigkeit. Das elektrische Feld zwischen den Mischelektroden 6, 7 hängt stark von der Geometrie der Kanäle, den Dichten der geladenen Partikel/Moleküle, der Flüssigkeitsviskosität und der Temperatur ab. Beim 2100 Bioanalyzer (Agilent Technologies, Inc.) erzeugt das elektrische Feld vorzugsweise einen Strom von mindestens ±2 μA. Das elektrische Feld kann auch durch Änderung der zwischen den entsprechenden Elektroden 8a, 8b, 6, 7 angelegten Spannung geregelt werden.
  • Durch die elektrische Kraft, die im Wesentlichen ungefähr rechtwinklig zur Strömung durch die erste Leitung 1 wechselt, wird die Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten in der ersten Leistung 1 vergrößert (d. h. „auseinandergezogen"). Durch die vergrößerte Grenzfläche wird die Mischgeschwindigkeit zwischen den Flüssigkeiten erhöht. Das bedeutet, dass eine gemischte Flüssigkeit nach dem Durchlaufen einer kürzeren Leitungslänge als bisher erhalten wird. Die „auseinandergezogene" Grenzfläche ist in 1 durch die wellenförmige gestrichelte Linie 10b dargestellt.
  • Die gemischte Flüssigkeit kann aus der Elektrodenmulde 11b in der ersten Leitung 1 aufgenommen werden.
  • Ein Vorteil der Ausführungsarten besteht darin, dass sie auf vorhandene Chip-/Mikrofluideinheiten übertragen und ohne kostenträchtige Aufwendungen in vorhandenen Mikrofluidsystemen angewendet werden können. Auf Änderungen der Konstruktion vorhandener Mikrofluideinheiten kann zum großen Teil verzichtet werden.
  • Der hier verwendete Begriff „Fluid" soll alle Materialien und Substanzen einschließen, die sich in der Flüssigkeit oder in der Flüssigphase befinden oder in Strömung versetzt werden können; insbesondere beinhaltet der Begriff Substanzen (zum Beispiel geladene Partikel und Ionen), die in beliebigen Lösungen und Gels gelöst oder verteilt werden können. Der hier verwendete Begriff „Leitung" beinhaltet auch eine Kapillare oder ein beliebiges geschlossenes oder im Wesentlichen geschlossenes Gefäß für die Beförderung von Flüssigkeiten zwischen mindestens zwei Orten. Eine Leitung kann auch eine beliebige Anzahl von Kreuzungen, Verzweigungen oder Abzweigungen beinhalten.
  • Als Beispiel zeigt 2a die Anwendung einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung auf einen vorhandenen LabChip für den 2100 Bioanalyzer von Agilent Technologies. 2b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von 2a.
  • In diesem Beispiel wird eine durch Natriumdodecylsulfat („SDS") denaturierte Proteinlösung 15 mit Phosphatsalzpufferlösung (PBS-Lösung) 14 verdünnt. Die Proteinlösung 15 wird vorzugsweise elektrokinetisch zwischen den Elektroden 8a und 8b befördert. Auch die PBS-Lösung 14 wird vorzugsweise elektrokinetisch zwischen den Elektroden 8a und 8b befördert. Das üblicherweise zwischen den Elektroden 8a, 8b angelegte elektrische Feld erzeugt einen Strom (d. h. einen Transportstrom) von ungefähr 2 μA.
  • Die Proteinlösung 15 und die PBS-Lösung 14 werden über die Elektrodenmulden 11 für die Elektroden 8a in eine erste Leitung 1 eingegeben. Wie bereits in Verbindung mit 1 beschrieben wurde, wirkt an der Verzweigung 3, wo die zweite Leitung 2 die erste Leitung 1 kreuzt, auf die Flüssigkeiten 14, 15 ein elektrisches Wechselfeld ein. Die beiden Leitungen kreuzen sich vorzugsweise unter einem im Wesentlichen rechten Winkel. Bei diesem Beispiel enthält die zweite Leitung 2 eine Pufferlösung, die mit der Proteinlösung 15 oder der PBS-Lösung 14 vorzugsweise nicht reagiert. Die Mischelektroden 6, 7 sind in Mulden 11, zum Beispiel an jedem Ende der zweiten Leitung 2 angeordnet. Diese sind in einer Reihe angeordnet und werden als „Puffermulden" oder „Überschussmulden” bezeichnet. Das elektrische Feld zwischen diesen Elektroden wechselt in diesem Beispiel ungefähr alle 0,2 s, und das angelegte elektrische Feld erzeugt einen Strom von ungefähr ±2 μA.
  • Während das elektrische Feld zum Mischen angelegt ist, kann der Transportstrom für die Proteinlösung 15 und die PBS-Lösung 14 von 2 μA auf 5 μA erhöht werden, damit sie im Fluoreszenzmikroskop besser zu sehen sind. Die laminare Strömung der Proteinlösung 15 und der PBS-Lösung 14, die durch die gestrichelte Linie 10a dargestellt ist, wird an der Verzweigung 3 durch das elektrische Feld zwischen den Mischelektroden 6, 7 gestört. Nach Durchlaufen der Verzweigung 3 bildet sich an der Grenzfläche zwischen der Proteinlösung 15 und der PBS-Lösung 14 ein wellenförmiges Muster heraus. Durch diese Wellenform vergrößert sich die Grenzfläche. Dadurch wird die Diffusion der beiden Lösungen ineinander erleichtert und beschleunigt.
  • Die Anwendung der Ausführungsarten gemäß der Erfindung ist nicht auf den 2100 Bioanalyzer beschränkt, sondern kann auch auf beliebige andere Mikrofluideinheiten und -systeme ausgedehnt werden.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten, wobei das Verfahren Folgende Schritte aufweist: (a) Einleiten der mindestens zwei Flüssigkeiten in eine gemeinsame erste Leitung (1) mit einer Verzweigung (3), die über die Flüssigkeit mit einer zweiten Leitung (2) in Verbindung steht, und Befördern der Flüssigkeiten zur Verzweigung (3), und (b) Ausüben einer Kraft an der Verzweigung (3) auf die Flüssigkeiten in der ersten Leitung (1), um die Strömungsrichtung (10b) der Flüssigkeiten im Wechsel zu ändern und somit die Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten in der ersten Leitung (1) zu vergrößern und den Vermischungsgrad zwischen den Flüssigkeiten in der ersten Leitung (1) zu erhöhen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kraft durch mindestens einen der folgenden Einflüsse erzeugt wird: • ein elektrisches Wechselfeld, • eine wechselnde mechanische Energiequelle, vorzugsweise mindestens einen Überdruck oder einen Unterdruck beziehungsweise ein Vakuum.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei dem die Beförderung der Flüssigkeiten zur Verzweigung durch mindestens einen der folgenden Einflüsse erreicht wird; (a) ein elektrisches Feld und/oder (b) einen Druckunterschied.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, wobei das Verfahren mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist: die Kraft wird senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zum Flüssigkeitsstrom in der ersten Leitung an der Verzweigung auf die erste Leitung ausgeübt; die Kraft wird unter Verwendung der zweiten Leitung auf die Verzweigung ausgeübt; die an der Verzweigung ausgeübte Kraft wird nach einem bestimmten Zeitintervall gewechselt, damit sich mindestens eine wesentliche Menge der Flüssigkeiten in der ersten Leitung unter Einwirkung der Kraft von einer Leitungswand zur gegenüberliegenden Leitungswand bewegen kann; die an der Verzweigung ausgeübte Kraft wird ständig nach einem Zeitintervall gewechselt, das von mindestens einem der folgenden Parameter abhängt: Kanalgeometrie, Flüssigkeitsviskosität, Temperatur; die an der Verzweigung ausgeübte Kraft wird nach jedem Zeitintervall von einer Richtung oder Polarität nach der entgegengesetzten Richtung oder Polarität gewechselt; die Stärke der an der Verzweigung ausgeübten Kraft reicht aus, innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls mindestens eine wesentliche Menge der Flüssigkeiten in der ersten Leitung von einer Leitungswand zur gegenüberliegenden Leitungswand zu bewegen.
  5. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der obigen Ansprüche, wobei das Verfahren mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist: das angelegte elektrische Wechselfeld erzeugt einen Strom von mindestens ±1 μA; das elektrische Wechselfeld oder die wechselnde mechanische Energie wird an den beiden Enden der zweiten Leitung angelegt; das elektrische Wechselfeld an der Verzweigung wird erzeugt, indem an jedem der beiden Enden der zweiten Leitung mindestens eine Elektrode angeordnet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei dem die Flüssigkeiten zumindest innerhalb der ersten Leitung elektrokinetisch befördert werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem während des Ausübens der Kraft an der Verzweigung die Transportströme der entsprechenden Flüssigkeiten erhöht oder verringert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, bei dem die Stärke der Kraft mit zunehmender Mischdauer erhöht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, das mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist: in der zweiten Leitung wird eine Flüssigkeit befördert, die geladene oder aufladbare Moleküle oder Partikel enthält; in der zweiten Leitung werden eine Flüssigkeit, die geladene oder aufladbare Moleküle oder Partikel enthält, und eine Pufferlösung befördert; die mindestens zwei Flüssigkeiten weisen geladene oder aufladbare Komponenten, vorzugsweise Ionen, auf.
  10. Anwenden des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche zum Mischen von Flüssigkeiten, die mindestens eine Komponente aus einer der folgenden Gruppen enthalten: Peptide, Polypeptide, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate, Farbstoffe, Fettsäuren.
  11. Mikrofluideinheit zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten, wobei die Mikrofluideinheit Folgendes aufweist: ein Substrat mit mindestens einem Mikrokanal, der in einer Oberfläche des Substrats gebildet ist; eine auf der Substratoberfläche angeordnete Deckplatte; eine erste Leitung (1) und eine zweite Leitung (2) zum Mischen der mindestens zwei Flüssigkeiten, wobei die Leitungen durch die den Mikrokanal bedeckende Deckplatte definiert sind, wobei die zweite Leitung (2) eine Verzweigung (3) mit der ersten Leitung (1) bildet und die erste Leitung (1) zum Durchleiten der mindestens zwei Flüssigkeiten vorgesehen ist; eine erste Energiequelle (8a, 8b), die zum Befördern der Flüssigkeiten innerhalb der ersten Leitung (1) dient; und eine zweite Energiequelle (6, 7), die zum Ausüben einer wechselnden Kraft an der Verzweigung auf die Flüssigkeiten in der ersten Leitung (1) dient, um die Strömungsrichtung (10b) der Flüssigkeiten im Wechsel zu ändern und somit die Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten in der ersten Leitung (1) zu vergrößern und den Vermischungsgrad zwischen den Flüssigkeiten in der ersten Leitung (1) zu erhöhen.
  12. Mikrofluideinheit nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die zweite Energiequelle aus mindestens zwei in der zweiten Leitung befindlichen Elektroden besteht, wobei mindestens eine Elektrode an jeder Seite der Verzweigung angeordnet ist.
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WO (1) WO2005075062A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016191949A1 (en) * 2015-05-29 2016-12-08 The University Of Hong Kong Method and apparatus for rapid mixing of highly viscous fluids

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5750015A (en) * 1990-02-28 1998-05-12 Soane Biosciences Method and device for moving molecules by the application of a plurality of electrical fields
US6001229A (en) * 1994-08-01 1999-12-14 Lockheed Martin Energy Systems, Inc. Apparatus and method for performing microfluidic manipulations for chemical analysis
US6902313B2 (en) * 2000-08-10 2005-06-07 University Of California Micro chaotic mixer
US7070681B2 (en) * 2001-01-24 2006-07-04 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Electrokinetic instability micromixer
DE10213003B4 (de) * 2002-03-22 2006-08-03 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Mikromischer und Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten und Verwendung von Mikromischern

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