Grundsätze des Kanaldesigns für das raum-zeitliche Mischen

Konzentrationsimpulse in mikrofluidischen Mischern

Verschiedene Anwendungen erfordern eine kontrollierte Mischung mehrerer Fluide in mikrofluidischen Geräten. Das Mischen in der Mikrofluidik stellt jedoch eine Herausforderung dar, da die Strömung in den Mikrokanälen laminar ist und die Reynolds-Zahlen durch Kanalabmessungen, Strömungsgeschwindigkeit und kinetische Viskosität der Lösung bestimmt werden. Der vorherrschende Mischungsmechanismus in einer einfachen Y-förmigen Verbindung zweier sich mischender Fluide wäre zum Beispiel die molekulare Diffusion. 

Die meisten Mischtechniken konzentrieren sich auf das räumliche Mischen, d. h. zwei Flüssigkeiten an den Einlässen (z. B. Wasser und Tinte) mit konstantem Volumenstrom werden kombiniert und zu einer Flüssigkeit am Auslass gemischt. Hier wurden passive Mischmethoden von Kanaldesigns verwendet, z. B. Fließkanalgeometrien mit schrägen Vertiefungen oder Rippen, variierende Kanalgeometrien, veränderte Kanaltopologien und Kanaloberflächenmodifikationen. Beispielsweise unterstützt und verstärkt der mikrofluidische Mischer in Abbildung 1 die Diffusion zwischen Wasser (transparent/weiß) und Tinte (blau) durch Scherströmungen in den schmalen Abschnitten und Taschen dazwischen, in denen sich Proben befinden können. Dieser Mikromischer mischt zwei Flüssigkeiten mit konstanten Strömungen räumlich effizient.

Zeitabhängige Dosis-Wirkungs-Studien und neue Hochdurchsatztechnologien, insbesondere Sequenzierungstechniken, erfordern ein zeitabhängiges Mischen von Flüssigkeiten. So können beispielsweise durch die Änderung der Dosiskonzentration im Laufe der Zeit oder die gepulste Dosiskonzentration (epigenetische) Adaptionsstudien und Studien zur Arzneimittelresistenz untersucht werden. Bei der Betrachtung von gepulsten Volumenströmen von Mischflüssigkeiten in einem Mikromischer haben Konstruktionen, die auf einer Durchmischung durch Verstärkung des Diffusionsprozesses zwischen den Mischflüssigkeiten beruhen, einen Nachteil, siehe Abbildung 2.

Figure 2

Hier ist der Mischer so aufgebaut, dass er zwei Flüssigkeiten, Wasser und Tinte, mischt. Zunächst strömt Wasser durch den Mikromischer (Abbildung 2). Dann wird ein intensiver Impuls konzentrierter Tinte in den Einlass gegeben. Die hochkonzentrierte Tinte am Einlass vermischt sich jedoch schnell in den Taschen des Mikrokanals. Der Impuls der konzentrierten Tinte wird stark verdünnt, wenn er den Auslass erreicht. Infolgedessen nimmt die Tintenkonzentration am Auslass im Laufe der Zeit gleichmäßig zu und ab, anstatt eines kurzen und intensiven Impulses konzentrierter Tinte. Bei diesem mäanderförmigen Kanaldesign werden zwei Flüssigkeiten in der Zeit gemischt, d. h. Einlassflüssigkeiten mit zeitabhängigen Konzentrationen können sich in den Taschen des Kanals aufhalten und vermischen, was zu einer zeitlich geglätteten Auslasskonzentration führt.

Figure 3a

Figure 3b

Ein weiterer typischer Mikromischer ist der topologische 3D-Mischer, z. B. die bekannte Bäcker-Transformation in Abbildung 3A (Carrière et al., Physics of Fluids  19, 118110 (2007)). Hier werden zwei Fluide vertikal vereinigt, dann horizontal in zwei Kanäle aufgeteilt und wieder vertikal vereinigt. Bei mehreren Einheiten in einer Reihe führt dieses Kanaldesign zu einer Vermischung durch Schichtung der Fluide, was die Diffusionsprozesse drastisch erhöht. Der Nachteil ist die nicht triviale Herstellung, die die Produktionskosten erheblich erhöhen kann. Um die hohen Herstellungskosten einiger topologischer Mischer zu umgehen, werden häufig optimierte mehrschichtige Mischkanäle (oft als "2,5D"-Strukturen bezeichnet) bevorzugt (siehe Abbildung 3B), da ihre Herstellung oft deutlich kostengünstiger ist. Topologische Mikromischer bieten auch eine hervorragende räumliche Durchmischung.

Figure 4

Außerdem können topologische Mischer mit minimaler zeitlicher Durchmischung konstruiert werden (siehe Abbildung 4). Ein konzentrierter Tintenimpuls am Einlass fließt durch den Mikromischer und wird nicht stark verdünnt, bis er den Auslass erreicht. Dies wird vor allem dadurch erreicht, dass Hohlräume, in denen sich Flüssigkeiten ansammeln können, minimiert werden, wodurch die Verweilzeit einer Flüssigkeit auf ein Minimum reduziert wird, und dass die Geometrie der Split-and-Recombine-Kanäle so optimiert wird, dass die Strömungswege, die ein Fluidelement durch den Mikromischer nehmen kann, gleich wahrscheinlich sind, d. h., es gibt keine "Überholspur" in den mikrofluidischen Mischern. Somit bieten topologische Mikromischer eine hervorragende Möglichkeit für zeitaufgelöste mikrofluidische Dosis-Wirkungs-Studien.

Verfasser: Dr. H. Kubitschke

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