DE19728520A1

DE19728520A1 - Switchable dynamic micromixer with minimal dead volume

Info

Publication number: DE19728520A1
Application number: DE19728520A
Authority: DE
Inventors: Geb Schmidt Schmidt; John S Prof Dr Rer N Mccaskill
Original assignee: IMB INST fur MOLEKULARE BIOTE
Current assignee: IMB INST fur MOLEKULARE BIOTE
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1999-01-07
Also published as: WO1999001209A1

Abstract

The invention relates to a switchable dynamic micromixer with minimum dead volume used for cyclic or continuous mixing of small fluids ranging from 1 nl to 10 mu l. The invention provides for a micromixer which is brought into contact on one side with at least two feed ducts (21, 22) and which has at least one discharge duct (26) opposite the feed ducts (21, 22). The micromixer also has a mixing chamber (23) with several magnetizable pearls (4) which are covered on one side by a lid (30) and which can move freely. The entire length of the pearls arranged in an adjacent line is slightly lower than the smallest lateral dimension of the mixing chamber. A magnetic system (5) can be set into rotation and assigned and switched in such a way that it enables an adjacent linear arrangement of the magnetizable pearls (4) in addition to joint rotation of the linear pearl structure.

Description

Die Erfindung betrifft einen schaltbaren dynamischen Mikromischer mit minimalem Totvolumen, der dem zyklischen oder kontinuierlichen Mischen kleinster Flüssigkeitsmengen in der Größenordnung von 1 nl bis 10 µl dient. Bevorzugte Verwendung findet der Mikromischer, insbesondere in Verbindung mehrerer Mikromischer untereinander, in der Biotechnologie, der medizinischen Diagnostik, für pharmazeutisches Screening oder DNA-Computing.The invention relates to a switchable dynamic micromixer minimal dead volume, the cyclical or continuous Mix the smallest amounts of liquid in the order of 1 nl to 10 µl serves. The micromixer is preferred, especially in connection with several micromixers with each other, in which Biotechnology, medical diagnostics, for pharmaceutical Screening or DNA computing.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Homogenisieren von Flüssigkeiten in Form von dynamischen und statischen Mikromischern bekannt.Devices for homogenizing are known from the prior art of liquids in the form of dynamic and static Known micromixers.

Statische Mikromischer nutzen, wie z. B. in MST-news 19/97 S. 30-31 (ISSN 09483128) beschrieben, die Diffusion zum Homogenisieren von Lösungen bei Verwendung von langen Kontaktwegen und kleinen Kanaldurchmessern. Die Nachteile dieser Mischvariante bestehen, bedingt durch die notwendigerweise langen Strömungskanäle, in den resultierenden Druckverlusten im Flußsystem, dem geringen Wirkungsgrad des Mischvorgangs, dem verhältnismäßig großen Totvolumen und den relativ langen Mischzeiten.Use static micromixers, e.g. B. in MST-news 19/97 p. 30-31 (ISSN 09483128) describes the diffusion for homogenizing Solutions when using long contact paths and small ones Channel diameters. The disadvantages of this mixed variant are due to the necessarily long flow channels in the resulting pressure losses in the flow system, the low Efficiency of the mixing process, the relatively large Dead volume and the relatively long mixing times.

In DE 195 11 603 A1 wird eine Anordnung zum statischen Mischen beschrieben, die eine Verkürzung der Diffusionswege dadurch erreicht, daß zwei oder mehrere Flüssigkeiten mehrmals aufgeteilt und schichtweise übereinander geführt werden. Damit gelingt auch ein Vermischen von nicht löslichen Fluiden. Auch hier ist das Totvolumen der Mischvorrichtung, bedingt durch mehrmaliges Umleiten und Übereinanderschichten der Flüssigkeiten, sehr groß und die Mischzeiten ebenfalls sehr lang.DE 195 11 603 A1 describes an arrangement for static mixing described, which achieves a shortening of the diffusion paths by that two or more liquids are divided several times and layer by layer. This also works Mixing of insoluble fluids. The dead volume is also here the mixing device, caused by repeated rerouting and Layering the liquids, very large and the mixing times also very long.

Ein weiterer statischer Mikro-Vermischer wird in DE 44 16 343 C2 beschrieben. Nach diesem Vorschlag erfolgt das Mischen mehrerer Lösungen ebenfalls diffusiv, wobei die zu mischenden Fluide vor der Mischkammer aus plattenartigen, übereinandergeschichteten Elementen zusammengesetzt sind, die von schräg zur Mikro-Vermischer-Längsachse verlaufenden Kanälen durchzogen sind, und wobei die Kanäle benachbarter Elemente sich berührungslos kreuzen und in die Mischkammer münden. Da auch hier die Mischwirkung durch Diffusion herbeigeführt wird, ist ein Nachteil dieser Anordnung die lange Mischzeit zum vollständigen Homogenisieren.Another static micro-mixer is described in DE 44 16 343 C2 described. According to this proposal, several are mixed Solutions are also diffusive, with the fluids to be mixed before Mixing chamber made of plate-like, stacked elements are composed of the oblique to the micro-mixer longitudinal axis extending channels are crossed, and being the channels neighboring elements cross without contact and into the Mixing chamber open. Because here too the mixing effect by diffusion A disadvantage of this arrangement is the long mixing time for complete homogenization.

Dynamische Mischer nutzen rotierende Mischwerkzeuge, die die Mischenergie in das Mischgut zum Homogenisieren der zu mischenden Komponenten bringen. Wegen der konstruktiv bedingten, relativ großvolumigen Ausführung dieser Mischer sind diese nicht zum Mischen kleinster Flüssigkeitsmengen geeignet, die einerseits für den vorgesehenen Verwendungszweck vorliegender Erfindung nicht benötigt werden oder, z. B. aus Kostengrunden, nicht bereitgestellt werden können. Ein der Erfindung am nächsten kommender Mikroflußprozessor ist in EP 0495 255 A1 beschrieben. Mit diesem Mikroflußprozessor wird die Vermischung kleiner Probenmengen mit möglichst geringem Totvolumen angestrebt, wobei er mit Flußraten im Bereich von ml/min bis öl/min betreibbar ist. Ein Bestandteil dieses Mikroflußprozessors ist ein Mikromixer, der minimal, bedingt durch seine nicht weiter zu steigernde Miniaturisierung, ein Volumen von 0,1 µl aufweisen kann.Dynamic mixers use rotating mixing tools that Mixing energy into the mix to homogenize the mix Bring components. Because of the constructive, relative Large volume versions of these mixers are not for mixing smallest amounts of liquid suitable for the one hand intended use of the present invention is not required be or, e.g. B. for cost reasons, are not provided can. A microflow processor closest to the invention is described in EP 0495 255 A1. With this microflow processor mixing small amounts of samples with the smallest possible Dead volume sought, with flow rates in the range of ml / min until oil / min can be operated. Part of this microflow processor is a micromixer that is minimal, due to its no further increase increasing miniaturization, can have a volume of 0.1 µl.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikromischer zu schaffen, der zwei oder mehrere Flüssigkeiten, die in sehr kleinen Volumina, bevorzugt in einem Bereich unterhalb von 100 nl, vorliegen, in sehr kurzer Zeit, mit geringem Totvolumen und hoher Effizienz vermischt, im Bedarfsfall die Vermischung unterbrechbar gestalten läßt und der die Integration mehrerer Mikromischer innerhalb eines Grundkörpers ermöglicht.The invention has for its object to a micromixer create the two or more liquids in very small Volumes, preferably in a range below 100 nl, are present in very short time, with low dead volume and high efficiency mixed, can make the interruption interruptible if necessary and the integration of multiple micromixers within one Basic body allows.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.The task is characterized by the distinctive features of the first Claim resolved. Advantageous refinements are due to the subordinate claims recorded.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs beispiele näher erläutert werden. Es zeigen: The invention is based on a schematic embodiment examples will be explained in more detail. Show it:

Fig. 1a eine erste Ausführungsmöglichkeit eines Mikromischers im zusammengebauten Zustand ohne Befüllung der zu mischenden Medien, FIG. 1a is a first possible embodiment of a micro mixer in the assembled state without a filling of, media to be mixed

Fig. 1b einen Mikromischer nach Fig. 1 mit Befüllung der zu mischenden Medien, FIG. 1b is a micro-mixer of FIG. 1 with the filling media to be mixed,

Fig. 2a eine zweite Ausführungsmöglichkeit eines Mikromischers im zusammengebauten Zustand ohne Befüllung der zu mischenden Medien, Fig. 2a shows a second possible embodiment of a micro mixer in the assembled state without a filling of, media to be mixed

Fig. 2b einen Mikromischer nach Fig. 2 mit Befüllung der zu mischenden Medien, FIG. 2b shows a micro-mixer of FIG. 2 with the filling media to be mixed,

Fig. 3a eine dritte Ausführungsmöglichkeit eines Mikromischers im zusammengebauten Zustand mit Befüllung der zu mischenden Medien und aktivem Mischelement, Fig. 3a shows a third possible embodiment of a micro mixer in the assembled condition with the refilling, media to be mixed and active mixing element

Fig. 3b den Mikromischer nach Fig. 3a, der von zwei laminar strömenden Medien bei Ruhestellung des Mischelements durchflossen wird, FIG. 3b, the micro-mixer according to Fig. 3a, which is traversed by two laminar flowing media at rest position of the mixing element,

Fig. 4 eine Zusammenschaltung von drei Mikromischern nach Fig. 1 und Fig. 4 shows an interconnection of three micromixers according to Fig. 1 and

Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsmöglichkeit eines sich an eine Mischkammer anschließenden Abführkanals. Fig. 5 shows a preferred embodiment of a discharge channel adjoining a mixing chamber.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsmöglichkeit eines Mikromischers 1 nach vorliegender Erfindung. Im Beispiel ist der Mikromischer 1 aus einer ersten Grundplatte 20 gebildet, in die eine Mischkammer 23 und an die Mischkammer 23 sich anschließende zwei Zufuhrkanäle 21 und 22 eingebracht sind. An der den Zufuhrkanälen 21, 22 gegenüberliegenden Seite schließen sich an die Mischkammer 23 kammartig ausgebildete Kapillarwege 24 an, die in einen Graben 25 münden, an den sich ein Abfuhrkanal 26 anschließt. In die Mischkammer 23 sind weiterhin mehrere magnetisierbare, insbesondere aus einem ferromagnetischen Material bestehende Perlen 4 eingebracht. Der Durchmesser dieser Perlen 4 ist so bemessen, daß er etwas unterhalb der lichten und durch eine Deckplatte 30 nach oben begrenzten Kammerhöhe liegt. Unterhalb der Grundplatte 20 ist ein in Rotation versetzbarer Magnet 5 (vgl. Fig. 1b) vorgesehen. Dieser Magnet 5 bewirkt bei entsprechender Festlegung seiner magnetischen Polarisation eine lineare und benachbarte Ausrichtung der Perlen 4, welche der Magnetrotation folgend, eine Rotation innerhalb der Mischkammer 23 erfahren. Je nach vorgegebenen Volumen der Mischkammer 23 können die Durchmesser der Perlen zwischen 1 µm und 100 µm festgelegt sein. Ihre Gesamtanzahl ist dann weiterhin so festgelegt, daß die Länge des linear ausgerichteten Perlengebildes unterhalb der kleinsten lateralen Ausdehnung der Mischkammer 23 liegt. Fig. 1 shows a first possible embodiment of a micro-mixer 1 according to the present invention. In the example, the micromixer 1 is formed from a first base plate 20 , into which a mixing chamber 23 and two feed channels 21 and 22 adjoining the mixing chamber 23 are introduced. On the side opposite the feed channels 21 , 22 , the mixing chamber 23 is followed by comb-shaped capillary paths 24 which open into a trench 25 to which a discharge channel 26 is connected. A plurality of magnetizable beads 4 , in particular made of a ferromagnetic material, are also introduced into the mixing chamber 23 . The diameter of these beads 4 is such that it lies somewhat below the clear chamber height limited by a cover plate 30 . A rotatable magnet 5 (see FIG. 1b) is provided below the base plate 20 . With a corresponding determination of its magnetic polarization, this magnet 5 brings about a linear and adjacent alignment of the beads 4 , which, following the magnetic rotation, experience a rotation within the mixing chamber 23 . Depending on the predetermined volume of the mixing chamber 23 , the diameter of the beads can be between 1 μm and 100 μm. Their total number is then further determined so that the length of the linearly aligned pearl structure is below the smallest lateral extent of the mixing chamber 23 .

Die Mischkammer 23, die Zufuhrkanäle 21, 22, der Abfuhrkanal 26, die kammartig ausgebildeten Kapillarwege 24 und der Graben 25 werden mit Hilfe von Mikrostrukturierungstechnologien in den Grundkörper 20 eingebracht. Dabei können sowohl naßchemische oder physikalische Ätztechniken für die Strukturierung von Silizium oder fotostrukturierbarem Glas, Laserstrukturierungsverfahren oder Abformtechniken für Polymere zur Herstellung der Strukturen eingesetzt werden. Der Grundkörper 20, der die so hergestellten Strukturen trägt, ist dichtend mit einer Deckplatte 30, bestehend aus einem Glas oder einem transparenten Polymer, verschlossen. Damit ist das Mischergebnis in der Mischkammer oder in den nachfolgenden Kanälen jederzeit detektierbar. Das Einbringen der Perlen 4 kann zum einen vor dem Verschließen des Grundkörpers 20 mit der Deckplatte 30 erfolgen oder auch zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die Perlen 4 gemeinsam mit einer Flüssigkeit, bei entsprechender Auslegung der Zufuhrkanäle 21, 22, in die Mischkammer 23 gepumpt werden. Ein Rücktransport der Perlen 4 aus der Mischkammer 23 wird durch einen im Mikromischer aufrechterhaltenen Strömungsfluß verhindert. Werden die Perlen 4 auf letzte Art und Weise in die Mischkammer 23 verbracht, werden diese vor dem Transport in die Mischkammer 23 entmagnetisiert, um ein Verstopfen durch ein Zusammenhängen mehrerer Perlen 4 zu vermeiden. Mit dem ersten Einschalten eines externen Magnetfeldes werden die Perlen 4 aufmagnetisiert und weisen erst dann ein ferromagnetisches Verhalten auf. Dies führt dazu, daß, bedingt durch das ferromagnetische Material der Perlen 4, sich immer mehrere Perlen 4 zusammenfinden und sich zum dargestellten kettenförmigen Gebilde zusammenschließen, und sich dann bei Zuführung eines lageveränderlichen Magnetfeldes gemeinsam drehen. Dies bedingt eine Rührwirkung mit einem hohen Durchmischungsgrad, wie in Fig. 1b angedeutet. Dort werden zwei fluide Medien A und B durch die Zufuhrkanäle 21, 22 in die Mischkammer 23 geleitet, in welcher in der Darstellung durch die Rotation des linear ausgerichteten Perlengebildes bereits eine optimale Durchmischung stattgefunden hat. Das gemischte Medium C ist dann über die kammartig ausgebildeten Kapillarwege 24, den Graben 25 und den Abfuhrkanal 26 ableitbar. Die Ausführung der Kapillarwege 24, die sich an die Mischkammer 23 mit je einem Öffnungsquerschnitt anschließen, der kleiner bemessen ist als die Durchmesser der zum Einsatz gelangenden Perlen 4, stellt dabei ein wirksames Rückhaltemittel für die Perlen 4 dar. Es liegt im Rahmen der Erfindung, weitere Abführkanäle 26 an den Graben 25 zur Ableitung des identischen Mischungsergebnisses C vorzusehen. Bei der Ausführungsform des Mikromischers 1 nach den Fig. 1a, 1b werden die zu mischenden Fluide A, B permanent miteinander gemischt. Der Abfuhrkanal kann zusätzlich noch als Detektionskanal genutzt werden, wozu eine besonders bevorzugte Ausführungsform unter Fig. 5 beschrieben wird. Für übliche Verwendungen des Mikromischers 1, wie in der Molekularbiologie, ist der Mischkammer 23 ein Volumen von 1 nl bis 10 µl gegeben.The mixing chamber 23 , the feed channels 21 , 22 , the discharge channel 26 , the comb-shaped capillary paths 24 and the trench 25 are introduced into the base body 20 with the aid of microstructuring technologies. Both wet chemical or physical etching techniques for structuring silicon or photo-structurable glass, laser structuring processes or molding techniques for polymers can be used to produce the structures. The base body 20 , which carries the structures thus produced, is sealed with a cover plate 30 , consisting of a glass or a transparent polymer. This means that the mixing result in the mixing chamber or in the subsequent channels can be detected at any time. The beads 4 can be introduced before the base body 20 is closed with the cover plate 30 or at a later point in time when the beads 4 are pumped into the mixing chamber 23 together with a liquid, with the feed channels 21 , 22 appropriately designed . A return transport of the beads 4 from the mixing chamber 23 is prevented by a flow flow maintained in the micromixer. If the beads 4 are finally brought into the mixing chamber 23 , they are demagnetized before being transported into the mixing chamber 23 in order to avoid clogging due to a plurality of beads 4 being connected. When an external magnetic field is switched on for the first time, the beads 4 are magnetized and only then exhibit a ferromagnetic behavior. This leads to the fact that, due to the ferromagnetic material of the beads 4 , a plurality of beads 4 always come together and join together to form the chain-shaped structure shown, and then rotate together when a position-changing magnetic field is applied. This requires a stirring effect with a high degree of mixing, as indicated in Fig. 1b. There, two fluid media A and B are passed through the feed channels 21 , 22 into the mixing chamber 23 , in which, in the illustration, the mixing of the linearly oriented pearl structure has already optimally mixed them. The mixed medium C can then be discharged via the comb-shaped capillary paths 24 , the trench 25 and the discharge channel 26 . The design of the capillary paths 24 , which adjoin the mixing chamber 23 , each with an opening cross-section that is smaller than the diameter of the pearls 4 used , represents an effective retention means for the pearls 4. It is within the scope of the invention to provide further discharge channels 26 on the trench 25 for deriving the identical mixing result C. In the embodiment of the micromixer 1 according to FIGS . 1a, 1b, the fluids A, B to be mixed are permanently mixed with one another. The discharge channel can also be used as a detection channel, for which purpose a particularly preferred embodiment is described in FIG. 5. For conventional uses of the micromixer 1 , such as in molecular biology, the mixing chamber 23 is given a volume of 1 nl to 10 μl.

Die Fig. 2a und 2b beschreiben grundsätzlich eine zu den Fig. 1a und 1b identische Bauform; gleiche Funktionselemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der einzige Unterschied besteht darin, daß hier das Rückhaltemittel für die Perlen 4 durch einen Überlaufkanal 24' gebildet ist. In seiner Breitenausdehnung b erstreckt sich dieser Überlaufkanal 24' im wesentlichen über die Breite der Mischkammer 23, an die er sich anschließt. Die spaltförmig ausgebildete vertikale Ausdehnung des Überlaufkanals 24', die nach oben durch die sich anschließende Deckplatte 30 begrenzt ist, ist dabei im Vergleich zu den zum Einsatz gelangenden Perlendurchmessern so bemessen, daß die Perlen 4 nicht in den Überlaufkanal 24' gelangen können. FIGS. 2a and 2b basically describe an identical design to FIGS. 1a and 1b; Identical functional elements are provided with the same reference symbols. The only difference is that here the retaining means for the beads 4 is formed by an overflow channel 24 '. In its width dimension b, this overflow channel 24 ′ extends essentially over the width of the mixing chamber 23 , to which it adjoins. The gap-shaped vertical extension of the overflow channel 24 ', which is bounded at the top by the adjoining cover plate 30 , is dimensioned in such a way that the beads 4 cannot get into the overflow channel 24 ' in comparison with the bead diameters used.

Die nach den Fig. 1a, 1b, 2a, 2b ausgebildeten Mikromischer 1 sind für einen rein dynamischen Betrieb, also zum ständigen Vermischen von Fluiden ausgelegt. Diese Ausbildungen der Mikromischer 1 besitzen mehrere, mindestens jedoch zwei, Eingänge 21 und 22, die bei dieser Betriebsweise nicht notwendig in einer Ebene mit den übrigen Komponenten, wie 23 und den nachfolgenden, zu liegen brauchen, über die die Lösungen A und B der Mischkammer 23 zuführbar sind, vermittels der Perlen 4 dort in der beschriebenen Weise vermischt werden, so daß am Abführkanal 26 eine Mischung C entnehmbar ist.The micromixers 1 designed according to FIGS . 1a, 1b, 2a, 2b are designed for purely dynamic operation, that is to say for the constant mixing of fluids. These designs of the micromixers 1 have a plurality, at least two, of inputs 21 and 22 , which in this mode of operation do not necessarily have to lie in one plane with the other components, such as 23 and the following ones, via which the solutions A and B of the mixing chamber 23 can be supplied, are mixed there by means of the beads 4 in the manner described, so that a mixture C can be removed from the discharge channel 26 .

Eine gewisse Abwandlung für weitere Verwendungszwecke erfährt der Mikromischer 1, wie es in den Fig. 3a und 3b angedeutet ist. Diese Ausführungen stellen einen schaltbaren Mikromischer dar. Enthielt der Mikromischer 1 nach den Fig. 1a, 1b, 2a, 2b jeweils nur einen Abfuhrkanal 26, sind in einer Ausführung nach Fig. 3a drei Abfuhrkanäle 26, 27, 28 vorgesehen, die in ihrer Höhenbemessung der Höhenbemessung des Überlaufkanals 24' nach Fig. 2a analog ausgeführt sind, wodurch die Kanalkantenausbildungen 261, 271, 281 zugleich die Funktion des Überlaufkanals 24' übernehmen.The micromixer 1 undergoes a certain modification for further uses, as indicated in FIGS . 3a and 3b. These versions represent a switchable micromixer. If the micromixer 1 according to FIGS . 1a, 1b, 2a, 2b contained only one discharge channel 26 , three discharge channels 26 , 27 , 28 are provided in an embodiment according to FIG. 3a, with their height dimensioning the height dimensioning of the overflow channel 24 'of FIG. 2a are carried out similarly, so that the channel edge formations 261, 271, 281 at the same time the function of the overflow channel 24' take over.

Fig. 3a stellt den Fall dar, daß der Mikromischer im dynamischen Betrieb, analog zu den bisherigen Figuren arbeitet und somit die über die Zufuhrkanäle 21, 22 zugeführten liquiden Medien A und B vermischt werden. Bei dieser Betriebsweise ist an allen Abführkanälen 26, 27, 28 ein identisches Lösungsgemisch C entnehmbar. Fig. 3a shows the case that the micro mixer in dynamic operation analogous works to the previous figures, and thus via the supply channels 21, 22 supplied liquid media A and B are mixed. In this mode of operation, an identical mixed solution C can be taken from all discharge channels 26 , 27 , 28 .

Unter der Voraussetzung, daß in der Mischkammer 23 laminare Strömungsverhältnisse vorliegen, was durch die Einhaltung von Reynoldzahlen < 1 realisierbar ist, erfolgt die Zuordnung der Abfuhrkanäle 26, 27, 28 mit Maßgabe, daß den im Beispiel vorgesehenen zwei Zufuhrkanälen 21, 22 die drei Abfuhrkanäle 26, 27, 28 am anderen Mischkammerende in der Weise zugeordnet sind, daß dem erstem Zuführkanal 21, und damit dem durch diesen zuführbaren ersten Mediums A, ein erster Abfuhrkanal 27, dem zweiten Zuführkanal 22, und damit dem durch diesen zuführbaren zweiten Mediums B, ein zweiter Abführkanal 28 und einer durch die Medien A und B gebildeten gemeinsamen Durchströmungszone ein dritter Abfuhrkanal 26, dessen Inhalt im weiteren verworfen werden, zugeordnet ist. Arbeitet der Mikromischer im Beispiel nach Fig. 3b im statischen Betrieb, d. h. die Perlen 4 werden nicht dem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt, und ist eine laminare Durchströmung der Mischkammer 23 gewährleistet, bildet sich zwischen den beiden Medienströmen A und B eine relativ scharfe Grenzfläche aus. Diese Grenzflächenzone S und ihr eng benachbarte Bereiche werden vom Abfuhrkanal 26 aufgenommen, wodurch eine Kontamination der einzelnen Komponenten A und B vermieden wird, und der reine Medienstrom der Komponente A gelangt in den Abfuhrkanal 27 und der der Komponente B in den Abfuhrkanal 28. Der vermischte Medienstrom W wird i.d.R. im weiteren Prozeß verworfen. Ein nach den Fig. 3a und 3b gefertigter Mikromischer ist im Rahmen der Erfindung auf mehrere Zufuhr- und Abfuhrkanäle erweiterbar, wobei jeweils obige Maßgaben einzuhalten sind und zwischen zwei jeweils reine Komponenten abführenden Kanälen ein weiterer Kanal für eine teilvermischte Komponente W des jeweiligen Grenzzonenbereiches vorzusehen ist. Zwischen den Betriebszuständen nach Fig. 3a und Fig. 3b kann wechselseitig geschaltet werden, was bspw. für eine kombinatorische Verarbeitung sehr vieler Komponenten von Vorteil ist und z. B. Synthesen im Fluß ermöglicht.Provided that there are laminar flow conditions in the mixing chamber 23 , which can be achieved by adhering to Reynold numbers <1, the discharge channels 26 , 27 , 28 are assigned with the proviso that the two discharge channels 21 , 22 provided in the example are the three discharge channels 26 , 27 , 28 are assigned at the other end of the mixing chamber in such a way that the first feed channel 21 , and thus the first medium A that can be fed through it, a first discharge channel 27 , the second feed channel 22 , and thus the second medium B that can be fed through this a second discharge duct 28 and a third discharge duct 26 , the contents of which are subsequently discarded, are assigned to a common throughflow zone formed by the media A and B. If the micromixer in the example according to FIG. 3b works in static operation, ie the beads 4 are not exposed to the rotating magnetic field, and if a laminar flow through the mixing chamber 23 is ensured, a relatively sharp interface is formed between the two media flows A and B. This interface zone S and its closely adjacent areas are taken up by the discharge channel 26 , as a result of which contamination of the individual components A and B is avoided, and the pure media stream of component A reaches the discharge channel 27 and that of component B enters the discharge channel 28 . The mixed media stream W is usually discarded in the further process. A micromixer manufactured according to FIGS . 3a and 3b can be expanded within the scope of the invention to a plurality of feed and discharge channels, whereby the above requirements are to be observed in each case and a further channel for a partially mixed component W of the respective border zone area is to be provided between two channels which purely purge components . Between the operational states of FIG. 3a and FIG. 3b may be mutually connected, which for example. For a combinatorial processing of many components is beneficial and z. B. allows synthesis in the river.

Die in den Fig. 1a bis 3b beschriebenen Mikromischer können in beliebiger Anzahl hintereinander geschaltet sein, wodurch ganze Netzwerke von Vermischungsbildnern möglich sind. In Fig. 4 ist eine solche Ausbildung anhand von drei nach Fig. 1 ausgebildeten Mikromischern 1a, 1b, 1c dargestellt. Jeder dieser Mikromischer enthält eine Mischkammer 23a, 23b, 23c. Auch ist es in diesem Beispiel möglich, je nach gewünschten Prozeßablauf, einzelne oder mehrere Zufuhrkanäle im Bedarfsfall zu sperren, so daß von einem Mikromischer nur eine oder gar keine Komponenten in die weiteren Mikromischer gelangt. Bei Einsatz o.g. Strukturierungsverfahren für die Herstellung der Mikromischer lassen sich so mehrere Mikromischer in einstückigen einem Grundkörper 20 unterbringen und von einer gemeinsamen Deckplatte 30 abdecken. In einer praktischen Realisierungsvariante sind bspw. in ein 4''-Siliziumwafer im Bedarfsfall bis zu 90 000 einzelne Mischkammern 23 und die zugehörigen Zufuhr- und Abfuhrkanäle einbringbar, wenn die Mischkammern 23 dabei einen Hohlraum von 100.100.50 µm³ umfassen. The micromixers described in FIGS . 1a to 3b can be connected in series in any number, as a result of which entire networks of mixing agents are possible. Such a design is shown in FIG. 4 using three micromixers 1 a, 1 b, 1 c designed according to FIG. 1. Each of these micromixers contains a mixing chamber 23 a, 23 b, 23 c. In this example it is also possible, depending on the desired process sequence, to block individual or multiple feed channels if necessary, so that only one or no components of a micromixer get into the other micromixers. When using the above-mentioned structuring methods for the production of the micromixers, several micromixers can be accommodated in one piece in a base body 20 and covered by a common cover plate 30 . In a practical implementation variant, for example, if necessary, up to 90,000 individual mixing chambers 23 and the associated feed and discharge channels can be introduced into a 4 '' silicon wafer if the mixing chambers 23 comprise a cavity of 100,100.50 μm ³ .

In Fig. 5 ist schließlich, insbesondere für die letzt genannte, jedoch nicht darauf beschränkte integrierte Ausführungsvariante eine besondere Ausbildung eines Abfuhrkanals 26 dargestellt. Dieser Abfuhrkanal schließt sich, analog wie zu den Fig. 1a bis 3b angegeben, einerseits an die Mischkammer oder dieser nachgeordneten Baugruppen an und ist über eine dem Mischkammervolumen angepaßte Länge mehrfach mäandriert ausgeführt. Das Volumen des Kanals 26 sollte in diesem Fall so dimensioniert sein, daß er mindestens das dreifache Volumen des Mischkammervolumens aufnimmt. Diese mäandrierte Ausbildung des Abfuhrkanals begünstigt die Verwendung handelsüblicher Detektionseinheiten, bspw. von optischen Spektroskopen, mit deren Hilfe bei Abbildung durch eine durchsichtige Deckplatte 30 zugleich ein relativ großes Probenvolumen und damit erhöhte Signale zur Verfügung stehen, da gleichzeitig mehrere Mäanderkanalabschnitte erfaßt werden können.Finally, FIG. 5 shows a special design of a discharge channel 26 , in particular for the last-mentioned, but not limited to, the integrated embodiment variant. This discharge channel connects, analogous to that shown in FIGS . 1a to 3b, on the one hand to the mixing chamber or subordinate assemblies and is designed to be meandered several times over a length adapted to the mixing chamber volume. In this case, the volume of the channel 26 should be dimensioned such that it takes up at least three times the volume of the mixing chamber volume. This meandering design of the discharge channel favors the use of commercially available detection units, for example optical spectroscopes, with the aid of which a relatively large sample volume and thus increased signals are available when imaged by a transparent cover plate 30 , since several meandering channel sections can be detected at the same time.

Alle beschriebenen Ausführungsformen weisen ein außerordentlich geringes Totvolumen auf, da praktisch das gesamte Mischkammervolumen weiteren Verwendungen zuführbar ist.All the described embodiments have an extraordinary low dead volume, since practically everything Mixing chamber volume can be supplied for further uses.

Für alle beschriebenen Ausführungsbeispiele liegt es ausdrücklich im Rahmen der Erfindung, daß die in den Grundkörper 20 eingebrachten Strukturen spiegelbildlich identisch auch in die Deckplatte 30 eingebracht sind. Eine solche Ausbildung eröffnet z. B. anhand der Fig. 1a und 1b bei entsprechender Materialauswahl für den Grundkörper und die Deckplatte, bspw. Pyrexglas, eine kreisrunde Querschnittsgestaltung der Kapillaren 24, welche dann symmetrisch zur Mischkammer 23 liegend, bei Vorsehung weiterer, nicht dargestellter Magnetsysteme die Positionierung einzelner Perlen 4 in einzelnen oder allen Kapillarenmündungsbereichen einen schaltbaren Verschluß des Abflußweges ermöglichen.For all of the exemplary embodiments described, it is expressly within the scope of the invention that the structures introduced into the base body 20 are also introduced into the cover plate 30 in a mirror-image identical manner. Such training opens z. B. reference to Figs. 1a and 1b, with appropriate choice of materials for the base body and the cover plate, for example. Pyrex glass, a circular cross-sectional configuration of the capillaries 24 which then symmetrically lying to the mixing chamber 23, also with the provision, not shown, magnetic systems, the positioning of individual beads 4 enable a switchable closure of the drainage path in individual or all capillary mouth areas.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. All in the description, the following claims and the Features shown in the drawing can be used both individually and in any combination with each other be essential to the invention.

Reference list

11

, ,

11

a, a,

11

b, b,

11

cMikromischer
cMicromic

2020th

GrundkörperBasic body

2121

, ,

2222

Zufuhrkanäle
Feed channels

2323

Mischkammer
Mixing chamber

2424th

kammartige Kapillarenwege
comb-like capillary paths

2424th

' Überlaufkanal
'' Overflow channel

2525th

AufnahmegrabenReceiving trench

2626

, ,

2727

, ,

2828

Abführkanäle
Discharge channels

261261

a, a,

261261

b, b,

261261

c Abfuhr-/Zufuhrkanäle
c Discharge / feed channels

3030th

Deckplatte
Cover plate

44th

magnetisierbare Perlen
magnetizable beads

55

zuschaltbares, rotierbares Magnetsystem
A, B, C, W fluide Medien
switchable, rotatable magnet system
A, B, C, W fluid media

Claims

1. Switchable dynamic micromixer with minimal dead volume, comprising a mixing chamber ( 23 ) which is connected on one side to at least two supply channels ( 21 , 22 ) and on the other hand, opposite to the supply channels ( 21 , 22 ), has at least one discharge channel ( 26 ) , Several magnetizable beads ( 4 ) are provided within the mixing chamber ( 23 ), the diameter of which is somewhat smaller than the inside chamber height of the mixing chamber ( 23 ) so that they are within the mixing chamber walls, which are covered on one side by a cover ( 30 ) , can move freely, and the total length of which is defined in a linear, mutually adjacent arrangement somewhat below the smallest lateral mixing chamber extent, retention means ( 24 ; 24 '; 251-271 ) are provided between the mixing chamber outlet and the entrance of the at least one discharge channel ( 26 ), the penetration of the beads ( 4 ) into the discharge channel ( 26 )) or the discharge Prevent channels ( 251-271 ) and the mixing chamber ( 23 ) can be assigned a rotatable magnet system ( 5 ), which is designed so that it enables a linear adjacent line up of the magnetizable beads ( 4 ) and a common rotation of the linear bead structure .

2. Switchable dynamic micromixer according to claim 1, characterized in that it consists of a first base body ( 20 ) in which the structures for the mixing chamber ( 23 ), the at least two feed channels ( 21 , 22 ), the at least one discharge channel ( 26 ) and the retaining means ( 24 ; 24 '; 251-271 ) are introduced, which is covered on one side by a second cover plate ( 30 ).

3. Switchable dynamic micromixer according to claim 2, characterized in that the same structures ( 23 ; 21 , 22 ; 23 ; 24 ; 24 ';251-271; 26 ) of the base body ( 20 ) are introduced in mirror image in the cover plate ( 30 ) are.

4. Switchable dynamic micromixer according to claim 1 or 2, characterized in that the retaining means are formed by a multiplicity of comb-shaped capillary paths ( 24 ) which, on the one hand, connect to the mixing chamber ( 23 ), each with an opening cross section which is smaller than the diameter of one Pearl ( 4 ) and on the other hand open into a receiving trench ( 25 ) to which the at least one discharge channel ( 26 ) connects.

5. Switchable dynamic micromixer according to claim 1 or 2, characterized in that the retaining means are formed by an overflow channel ( 24 ') adjoining the mixing chamber ( 23 ) in a step-like manner, which on the other hand opens into a receiving trench ( 25 ) to which the at least one discharge channel ( 26 ) connects.

6. Switchable dynamic micromixer according to claim 5, characterized in that the width (b) of the overflow channel ( 24 ') corresponds essentially to the adjacent mixing chamber extension.

7. Switchable dynamic micromixer according to claim 1 or 2, characterized in that two respective feed channels ( 21 , 22 ) are assigned three associated discharge channels ( 26 , 27 , 28 ) in such a way that, with essentially laminar flow through the mixing chamber ( 23 ), the first feed channel ( 21 ), and thus the first medium (A) that can be fed through it, a first discharge channel ( 27 ), the second feed channel ( 22 ), and thus the second medium (B) that can be fed through this, a second discharge channel ( 28 ) and a third discharge channel ( 26 ) is assigned to a common throughflow zone (S) that can be formed by the media (A, B).

8. Switchable dynamic micromixer according to claim 7, characterized in that the discharge channels ( 26 , 27 , 28 ) formed step-like to the mixing chamber ( 23 ) connect such that their smallest lateral dimensions below the diameter of the beads ( 4 ) are fixed.

9. Switchable dynamic micromixer according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of micromixers ( 1 a, 1 b, 1 c) are associated with one another in such a way that in each case at least two discharge channels ( 261 a, 261 b), each of which Discharge channel ( 261 a, 261 b) belongs to a separate mixing chamber ( 1 a, 1 b), which form feed channels to another mixing chamber ( 1 c).

10. Switchable dynamic micromixer according to claim 9, characterized characterized in that when using several interconnected Micromixer one or more feed or discharge channels optional are lockable.

11. Switchable dynamic micromixer according to one of the preceding claims, characterized in that the at least in the base body ( 20 ) recesses for the individual functional modules ( 21 , 22 ; 23 ; 24 ; 24 ', 26-27 ) by wet chemical etching techniques or physical Removal processes or by impression techniques are introduced.

12. Switchable dynamic micromixer according to one of the preceding claims, characterized in that the base body ( 20 ) with the structures introduced therein for the individual functional modules ( 21 , 22 ; 23 ; 24 ; 24 ', 26-27 ) is formed in one piece.

13. Switchable dynamic micromixer according to claim 12, characterized in that in the one-piece base body ( 20 ) a plurality of micromixers ( 1 a, 1 b, 1 c) are introduced.

14. Switchable dynamic micromixer according to one of the preceding claims, characterized in that at least one discharge channel ( 26 , 27 , 28 , 261 a, 261 b) is formed in a meandering manner over a region of its lateral extent.

15. Switchable dynamic micromixer according to claim 14, characterized in that the individual parallel meandering sections are introduced as close as possible to one another in the base body ( 20 ) and / or the cover plate ( 30 ).

16. Switchable dynamic micromixer according to claim 14, characterized in that the multiply meandered discharge duct sections are able to take up a volume which corresponds to at least three times the volume of the volume comprised by the mixing chamber ( 23 ).