Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegung von kleinen Flüssigkeitsmengen in Mikrokanälen und ein Mikrokanalsystem zur Durchführung des Verfahrens.

Miniaturisierte fluidische Systeme bestehen oft aus geschlossenen Kanälen, die aus Kunststoffen, Halbleitermaterialien oder aus Glas hergestellt werden können. Solche geschlossenen Kanäle sind z. B. in M. G. Pollack and R. B. Fair, Applied Physics Letters, 2000, 77, 1725 - 1728 beschrieben.

Herstellverfahren sind z. B. nasschemisches Ätzen oder auch Heißprägen von Kunststoffen zur Erzeugung der Kanäle in den Substraten. Anschließend werden die so strukturierten Substrate mit einem Deckel verschlossen. Typische Kanaldimensionen sind Durchmesser im Bereich zwischen 50 µm und einigen mm sowie eine Länge des Gesamtsystems von einigen cm. Für lab-on-the-chip-Anwendungen sollen in diesen Kanälen z. B. biochemische Reaktionen durchgeführt werden. Dazu müssten im allgemeinen Dosierer, Mischer, Reaktionskammern und Verzweigungen in einem solchen System realisiert werden. Zur Bewegung der Flüssigkeit sind pumpenartige Systeme notwendig.

Heute stehen als Pumpen für derartige "lab chips" unterschiedliche Technologien zur Verfügung: peristaltische Pumpen (US 6,408,878), elektrokinetische Pumpen (US 6,394,759) oder auch Pumpen unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft ("lab-CD", US 5,472,603).

Elektrokinetische Pumpen benötigen z. B. jedoch Spannungen von mehreren 100 Volt, sind also für portable Geräte wenig geeignet. In den sogenannten lab-CDs können die Flüssigkeiten nur in eine Richtung, nämlich nach außen bewegt werden. Miniaturisierte Peristaltikpumpen sind sehr aufwendig und daher teuer.

Andere Anwendungen nutzen die Kapillarkraft aus, um Flüssigkeiten durch Kanäle zu bewegen. Ohne zusätzliche Kraft kann hier eine Bewegung in nur einer Richtung erfolgen. Zum Beispiel ein hydrophiler Kanal läßt sich mit einer Lösung zwar füllen, aber bei gefülltem Kanal ist keine weitere Bewegung oder Strömung mehr möglich, die durch die Kapillarkraft vermittelt wäre.

Die Einkopplung von Schallwellen in dünne, lateral ausgedehnte Flüssigkeitsfilme ist in DE 103 25 313 B3 beschrieben. Dort werden Ultraschallfrequenzen eingesetzt, um in einer kleinen Flüssigkeitsmenge in einem lateral unstrukturierten Kapillarspalt eine Durchmischung zu bewirken. Die Einstrahlung in den Flüssigkeitsfilm erfolgt bei der Anordnung der DE 103 25 313 B3 symmetrisch bilateral.

Die Erzeugung von Strömung in Flüssigkeit mit Hilfe von Schallwellen ist in Wesley Le Mars Nyborg "Acoustic Streaming" in Physical Acoustics 2B; Editor W.P.Mason; Academic Press 265 (1965) beschrieben.

Ein verfahren unit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 ist aus US 6,210,128 B1 bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System anzugeben, mit dem kleine Flüssigkeitsmengen in Mikrokanalsystemen auf leicht steuerbare und programmierbare Art und Weise bewegt werden können. Das Verfahren soll einfach durchführbar sein und die dazu notwendigen Materialien klein, robust und leicht sein, so daß das Verfahren auch mit tragbaren Chiplabors realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. einem Mikrokanalsystem mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Flüssigkeitsmenge in ein Kanalsystem eingebracht, das zumindest einen Bereich umfasst, der topologisch einem Ring entspricht, so dass eine geschlossene Bahn der Flüssigkeit möglich ist. Zur Erzeugung der Bewegung werden akustische Wellen in die Flüssigkeit eingestrahlt, die in der Ebene des Kanalsystems mindestens eine asymmetrische Komponente haben, die die Bewegungsrichtung der Flüssigkeit definiert. Durch den Impulsübertrag der Schallwellen auf die Flüssigkeit wird in der Flüssigkeit eine Strömung erzeugt ("acoustic streaming"). Durch die Bewegung der Flüssigkeit in einer geschlossenen Bahn sind nur geringe Leistungen notwendig, da auf der geschlossenen Bahn kein großer hydrostatischer Druck aufgebaut werden muss, um eine Bewegung zu erzeugen. Durch die asymmetrische Komponente wird der Flüssigkeit eine Bewegungsrichtung aufgeprägt, die sie sich entlang der geschlossenen Bahn bewegen lässt.

Das Kanalsystem kann unterschiedliche Geometrien aufweisen, solange ein topologisch ringförmiger Bereich enthalten ist, der für die gerichtete Bewegung der Flüssigkeit auf einer geschlossenen Bahn dient. Besonders einfach ist die Verwendung eines einfachen Ringes ohne Verzweigungen.

Bei einer einfachen Ausgestaltung ist das Kanalsystem nach oben offen, z. B. als Rinne in einem Substrat. Durch die Bewegungsvermittlung aufgrund des "Acoustic Streaming" ist ein Abschluss nach oben nicht notwendig. Die strömungsinduzierte Bewegung kann auch in einem offenen Kanal stattfinden.

Gegen äußere Einflüsse unempfindlicher ist ein Kanalsystem, das allseitig umschlossen ist. Die Befüllung eines solchen Kanalsystems erfolgt entweder bevor ein Deckel auf das rinnenförmige Kanalsystem aufgebracht wird oder durch eine entsprechende Befüllöffnung, an die z. B. eine Pipette angesetzt werden kann. An anderer Stelle des Kanalsystems ist eine Entlüftungsöffnung vorgesehen, so dass die durch die eingebrachte Flüssigkeit verdrängte Luft entweichen kann. Da die Bewegung in dem Kanalsystem durch die schallinduzierte Strömung vermittelt wird, ist ein dichter Abschluss nicht nötig, wie es bei anderen Verfahren des Standes der Technik der Fall ist, die hydrostatischen Druck zur Bewegung verwenden.

Einfacherweise ist das Kanalsystem in einem Substrat vorgesehen. Vorteilhaft ist die Verwendung eines Materiales, das von akustischen Wellen durchdrungen wird, zum Beispiel Glas, nicht-elastischer Kunststoff oder Halbleitermaterialien. Auf diese Weise ist auch bei außen angeordnetem Schallerzeuger sichergestellt, dass die Bewegung durch das mit den Schallwellen erzeugte "acoustic streaming" vermittelt wird und nicht durch eine schallwelleninduzierte Bewegung des Substratmaterials selbst.

Die Schallwellen werden erfindungsgemäß unit zumindest einem Interdigitaltransducer erzeugt, wie sie aus der Hochfrequenzfiltertechnologie bekannt sind. Derartige Interdigitaltransducer, die auf piezoelektrischen Materialien aufgebracht sind, können durch Anlegen einer Frequenz von 1 bis einigen 100 MHz zur Anregung von akustischen Wellen, insbesondere Oberflächenschallwellen, in dem piezoelektrischen Material eingesetzt werden. Die so erzeugten Schallwellen können in das System eingekoppelt werden, wie es auch in DE 103 25 313 B3 für den Fall von filmförmigen Kapillarspalten beschrieben ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Interdigitaltransducer direkt mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht, ist also Teil des Mikrokanalsystems. So wird die Schallwelle, die mit dem Interdigitaltransducer erzeugt wird, direkt in die Flüssigkeit übertragen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das rinnenartige Kanalsystem mit einer Folie, vorzugsweise aus Kunststoff, abgedeckt ist, gegen die der Interdigitaltransducer direkt gepresst wird, um eine direkte Übertragung der Schallwellen in die Flüssigkeit zu ermöglichen.

Das piezoelektrische Material, in der Regel ein Chip, kann auch direkt als Abschluss des Kanalsystems eingesetzt werden und insofern einen Teil des Kanalsystems darstellen.

Um in einem Kanalsystem Bewegung in den unterschiedlichen Richtungen zu ermöglichen oder um Verzweigungen mit Flüssigkeit zu durchströmen, können mehrere Interdigitaltransducer an unterschiedlichen Stellen des Kanalsystems vorgesehen sein.

Ein erfindungsgemäßes Mikrokanalsystem zur Bewegung von kleinen Flüssigkeitsmengen weist zumindest einen Kanal auf, der eine geschlossene Bahn darstellt. Wenigstens ein Interdigitaltransducer ist derart angeordnet, dass eine Schallwelle gerichtet in den Kanal eingekoppelt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft einzusetzen, wenn einzelne Bereiche des Mikrokanalsystems biologisch, chemisch, physikalisch oder auf andere Weise funktionalisiert sind. An einer solchen funktionalisierten Stelle kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem erfindungsgemäßen Mikrokanalsystem die Flüssigkeit vorbeigeführt werden, so dass die gesamte Flüssigkeit sicher mit der Funktionalisierung in Berührung kommt ist. Bei anderen Anwendungen kann die Flüssigkeit an entsprechend angeordneten Messpunkten vorbei geführt werden. Bei entsprechender Ausgestaltung des Mikrokanalsystems mit Verzweigungen ist eine Dosierung oder Abteilung einzelner Flüssigkeitsmengen möglich, die unterschiedlichen Behandlungen in den einzelnen Verzweigungen unterzogen werden können.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert, die schematische Ansichten des erfindungsgemäßen Systems bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen. Dabei zeigt:

Figur 1a:

eine schematisierte Längsschnittansicht eines erfindungsgemä- ßen Systems,

Figur 1b:

eine Querschnittsansicht des Systems der Figur 1a,

Figur 2:

einen schematisierten Längsschnitt einer anderen erfindungs- gemäßen Ausführungsform,

Figur 3:

einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Ausfüh- rungsform, und

Figur 4:

einen schematischen Längsschnitt durch eine weitere erfin- dungsgemäße Ausführungsform.

Figur 1a zeigt einen Längsschnitt durch ein Mikrokanalsystem. Erkennbar ist der Mikrokanal 3, der z. B. einen Durchmesser im Bereich von 50 µm bis einigen mm hat. Er ist z. B. durch nasschemisches Ätzen in einem Substrat 1 gebildet, das z. B. aus Glas, Halbleitermaterialien oder aus einem nicht elastischen Kunststoff besteht. In dem Kanal bewegt sich die Flüssigkeit, die beispielhaft durch die Kreuze 5 angedeutet ist. Die Bewegungsrichtung ist dabei mit 19 bezeichnet.

Figur 1b zeigt einen Querschnitt in Blickrichtung A der Figur 1a. Der ringförmige Kanal 3 hat eine Befüllöffnung 7, die in dieser Querschnittsansicht sichtbar ist. Unterhalb des Substrats 1 ist im Bereich einer Ecke ein piezoelektrisches Substrat 13 angeordnet, auf dem sich ein Interdigitaltransducer 11 befindet, der in an sich bekannter und hier daher nicht dargestellter Weise mit einem elektrischen Wechselfeld angesteuert werden kann. Gegebenenfalls kann zwischen dem piezoelektrischen Material 13 und dem Substrat 1 ein Koppelmedium (z. B. Wasser) vorgesehen sein, um eine unerwünschte Reflexion der Schallwellen an einem möglicherweise vorhandenen dünnen Luftspalt zu vermeiden. Interdigitaltransducer, die an sich aus der Oberflächenwellenfiltertechnologie bekannt sind, umfassen kammartig ausgebildete metallische Elektroden, deren doppelter Fingerabstand die Wellenlänge der Oberflächenschallwelle definiert und die durch optische Fotolithographieverfahren z. B. im Bereich um die 10 µm Fingerabstand hergestellt werden können. Solche Interdigitaltransducer werden auf piezoelektrischen Kristallen vorgesehen, um darauf Oberflächenschallwellen in an sich bekannter Weise anzuregen. Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes von einigen bis einigen 100 MHz in an sich bekannter Weise an die ineinander greifenden Fingerelektroden des Interdigitaltransducers 11 bewirkt die Erzeugung von Oberflächenschallwellen, die ähnlich wie in DE 103 25 313 B3 beschrieben zur Ausbildung von Schallwellen 15, 17 führen. Das Anlegen des Wechselfeldes kann über entsprechende elektrische Anschlüsse oder z. B. durch drahtlose Einstrahlung erfolgen.

Die Längsschnittansicht der Figur 1a entspricht etwa der Blickrichtung B, die in Figur 1b angegeben ist.

Die Lage des Interdigitaltransducers 11 und die Abstrahlrichtungen der Schallwellen 15, 17 sind auch in Figur 1a angedeutet, obwohl sie in der Längsschnittansicht der Figur 1a an sich nicht sichtbar wären. Zudem sind in Figur 1a das Befüllloch 7 und das Entlüftungsloch 9 angedeutet, die in der Längsschnittansicht der Figur 1a eigentlich ebenfalls nicht sichtbar sein sollten, da sie bei der gezeigten Ausführungsform im oberen Abschluss 18 vorgesehen sind.

Die in Figuren 1a und 1b dargestellte Anordnung kann wie folgt eingesetzt werden. Durch die Befüllöffnung 7 wird Flüssigkeit in das System eingebracht. Dabei kann die Kapillarkraft ausgenutzt werden, die die Flüssigkeit durch den Kanal 3 hindurch saugt. Alternativ kann die Flüssigkeit durch die Befüllöffnung 7 z. B. mit einer Spritze oder Pipette eingebracht werden. Die von der Flüssigkeit aus dem Kanal 3 verdrängte Luft tritt durch die Entlüftungsöffnung 9 aus. Der Kanal ist schließlich vollständig mit Flüssigkeit gefüllt. Nach der Befüllung können die Befüllöffnung 7 und die Entlüftungsöffnung 9 verschlossen werden, was jedoch nicht notwendig ist. Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes in der Größenordnung von 1 MHz bis einigen 100 MHz an den nur schematisch dargestellten Interdigitaltransducer 11 bewirkt die Erzeugung einer Oberflächenschallwelle auf dem piezoelektrischen Substrat 13, das die Abstrahlung von Schallwellen 15, 17 senkrecht zu der Fingerausrichtung des Interdigitaltransducers 11 bewirkt. Während die Schallwelle 17 nach außen abstrahlt und somit ohne wesentliche Wirkung auf die Flüssigkeit bleibt, strahlt die Schallwelle 15 direkt in den Kanal 3 ein. Die Schallwellen durchdringen das Substratmaterial aus Glas, Kunststoff oder Halbleitermaterial und erzeugen in der Flüssigkeit eine Strömung "acoustic streaming". Flüssigkeitsteilchen 5 werden durch den Schallimpulsübertrag in Richtung 19 beschleunigt und bewirken eine Bewegung entlang des Kanals 3.

Da das Kanalsystem vor Einstrahlen der Schallwelle bereits gefüllt ist, ist nur ein sehr geringer Druck notwendig. Insofern sind die von dem Interdigitaltransducer 11 elektrischen Leistungen von kleiner als 1 Watt ausreichend, um eine Bewegung der Flüssigkeit zu bewirken.

Durch die Anordnung des Interdigitaltransducers 11 in einer Ecke des Kanalsystems 3 ist sichergestellt, dass nur eine Schallkomponente 15 in Richtung des Kanals 3 wirkt, während die andere vom Interdigitaltransducer erzeugte Schallwelle nach außen abgestrahlt wird. Alternativ kann ein unidirektionales Transducerdesign eingesetzt werden, das nur in eine Richtung abstrahlt. Ein solcher unidirektionaler Transducer kann an beliebiger Stelle des Kanals 3 eingesetzt werden. Schließlich können Geometrien realisiert werden, bei denen der Gegenstrahl 17 nicht nach außen abgestrahlt ist, sondern gezielt absorbiert oder reflektiert wird.

Das Kanalsystem kann unterschiedliche Geometrien aufweisen, solange nur eine geschlossene Bahn möglich ist. Eine andere Ausgestaltung zeigt z. B. Figur 2 mit einer Verzweigung 4. Der Interdigitaltransducer 11 wird wie für Figur 1 beschrieben zur Erzeugung einer Bewegung in Richtung 19 eingesetzt. Ein weiterer Interdigitaltransducer 12 kann eine Bewegung entlang der Abzweigung 4 in Richtung 20 bewirken.

Mit Hilfe eines Interdigitaltransducers 14 kann die Bewegungsrichtung der Flüssigkeit umgedreht werden, so dass sich die Flüssigkeit in Richtung 22 bewegt.

Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform ist das Kanalsystem nach oben hin offen.

Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrokanalsystems im Querschnitt. Hier wird das Kanalsystem 3 durch eine Kunststofffolie 21 abgeschlossen, auf die das piezoelektrische Material 13 mit dem darauf aufgebrachten Interdigitaltransducer 11 aufgepresst wird, so dass der Luftspalt zwischen Transducer und Folie kleiner als die Schallwellenlänge (1 bis einige 100 µm) ist, um Reflexionen am Luftspalt zu vermeiden. Die Schallwelle durchdringt die Kunststofffolie und die Energieübertragung auf die Flüssigkeit erfolgt durch acoustic streaming und nicht durch die schallinduzierte Bewegung der Folie selbst.

Bei einer weiteren Ausführungsform, die nicht in den Figuren dargestellt ist, wird das piezoelektrische Material zur Erzeugung der akustischen Wellen direkt als Deckel für das Kanalsystem eingesetzt.

Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Mikrokanalsystem mit einem funktionalisierten Bereich 23. Dieser funktionalisierte Bereich kann z. B. eine physikalische, chemische, biologische oder eine andere Funktionalisierung aufweisen, die zu einer Reaktion mit der Flüssigkeit in dem Kanalsystem 3, 4 vorgesehen ist. Nachdem die Flüssigkeit z. B. durch eine Einfüllöffnung entsprechend der Einfüllöffnung 7 der Figur 1 in das Kanalsystem eingebracht worden ist wird entweder mit Hilfe des Interdigitaltransducers 11 oder des Interdigitaltransducers 14 wie beschrieben in dem Kanal 3 eine Strömung erzeugt. Anlegen eines weiteren elektrischen Wechselfeldes an den Interdigitaltransducer 12 bewirkt eine Bewegung in Richtung 20 durch die Verzweigung 4. Die Flüssigkeit wird so an dem funktionalisierten Bereich 23 vorbeigeführt. Durch die Strömung in dem Kanalsystem 3, 4 kann sichergestellt werden, dass die gesamte Flüssigkeit mit diesem funktionalisierten Bereich in Kontakt kommen kann und z. B. eine Reaktion eingehen kann.

25 bezeichnet nur schematisch eine Messanordnung, die z. B. elektrisch oder optisch sein kann. 27 bezeichnet ebenfalls nur schematisch den elektrischen Anschluss dieser Messeinrichtung. Bewegt sich die Flüssigkeit in dem Kanal 3 z. B. durch Anregung einer Strömung mit dem Interdigitaltransducer 11 oder mit dem Interdigitaltransducer 14, so wird die Flüssigkeit an diesem Messpunkt 25 vorbeigeführt. Die kontinuierliche Strömung gewährleistet, dass die gesamte Flüssigkeit an dem Messpunkt vorbeifließt.

Die Erzeugung von Schallwellen in der Flüssigkeit mit Hilfe von Oberflächenschallwellen, die durch einen Interdigitaltransducer auf einem piezoelektrischen Material generiert werden, ist für das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft, da die so erzeugte Schallwelle bereits eine große Komponente in Richtung des Kanals hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Mikrokanalsystem haben den weiteren Vorteil, dass sie nicht nur zur Bewegung der Flüssigkeit entlang des Kanals verwendet werden können, sondern auch zur Durchmischung der Flüssigkeit. Dazu werden die Schallwellenerzeugungseinrichtungen mit so geringer Leistung betrieben, dass die Energie nicht zur Strömung des Gesamtsystems ausreicht. Alternativ können zwei Transducer, die eine gegenläufige Abstrahlrichtung haben, wie z. B. die Transducer 11 und 14 der Figur 2, gleichzeitig betrieben werden, so dass eine Strömung der Flüssigkeit nicht möglich ist und nur eine Durchmischung erfolgt.

Selbstverständlich verwirklichen die hier beschriebenen Ausführungsformen nur Beispiele möglicher Geometrien, ohne dass die Erfindung auf die dargestellten speziellen Formen des Kanalsystems eingeschränkt sein soll. Außerdem können am Kanal beliebig viele Interdigitaltransducer mit unterschiedlichen Abstrahlrichtungen vorgesehen sein.