{"id":2562,"date":"2021-08-28T22:27:19","date_gmt":"2021-08-28T20:27:19","guid":{"rendered":"https:\/\/biophysical-tools.de\/?page_id=2562"},"modified":"2024-07-25T11:23:33","modified_gmt":"2024-07-25T09:23:33","slug":"microfluidic-mixers","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/biophysical-tools.de\/de\/microfluidic-mixers\/","title":{"rendered":"Mikrofluidische Mischer"},"content":{"rendered":"
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Grunds\u00e4tze des Kanaldesigns f\u00fcr das raum-zeitliche Mischen<\/strong><\/p>\n

Konzentrationsimpulse in mikrofluidischen Mischern<\/strong><\/p>\n

Verschiedene Anwendungen erfordern eine kontrollierte Mischung mehrerer Fluide in mikrofluidischen Ger\u00e4ten. Das Mischen in der Mikrofluidik stellt jedoch eine Herausforderung dar, da die Str\u00f6mung in den\nMikrokan\u00e4len laminar ist und die Reynolds-Zahlen durch Kanalabmessungen, Str\u00f6mungsgeschwindigkeit und kinetische\nViskosit\u00e4t der L\u00f6sung bestimmt werden. Der vorherrschende Mischungsmechanismus in einer einfachen Y-f\u00f6rmigen Verbindung zweier\nsich mischender Fluide w\u00e4re zum Beispiel die molekulare Diffusion.\u00a0<\/span><\/p>\n

Die meisten Mischtechniken konzentrieren sich auf das r\u00e4umliche Mischen,\nd. h. zwei Fl\u00fcssigkeiten an den Einl\u00e4ssen (z. B. Wasser und Tinte) mit\nkonstantem Volumenstrom werden kombiniert und zu einer Fl\u00fcssigkeit am\nAuslass gemischt. Hier wurden passive Mischmethoden von Kanaldesigns\nverwendet, z. B. Flie\u00dfkanalgeometrien mit schr\u00e4gen Vertiefungen oder\nRippen, variierende Kanalgeometrien, ver\u00e4nderte Kanaltopologien und\nKanaloberfl\u00e4chenmodifikationen. Beispielsweise unterst\u00fctzt und verst\u00e4rkt der mikrofluidische Mischer in Abbildung\n1 die Diffusion zwischen Wasser\n(transparent\/wei\u00df) und Tinte (blau) durch Scherstr\u00f6mungen in den\nschmalen Abschnitten und Taschen dazwischen, in denen sich Proben\nbefinden k\u00f6nnen. Dieser Mikromischer mischt zwei Fl\u00fcssigkeiten mit\nkonstanten Str\u00f6mungen r\u00e4umlich effizient.<\/p>\n\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n\n\t

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\"Mixing<\/a>

Figure 1<\/p><\/div>\n

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Zeitabh\u00e4ngige Dosis-Wirkungs-Studien und neue Hochdurchsatztechnologien,\ninsbesondere Sequenzierungstechniken, erfordern ein zeitabh\u00e4ngiges\nMischen von Fl\u00fcssigkeiten. So k\u00f6nnen beispielsweise durch die \u00c4nderung\nder Dosiskonzentration im Laufe der Zeit oder die gepulste Dosiskonzentration (epigenetische) Adaptionsstudien und Studien zur Arzneimittelresistenz untersucht werden. Bei der Betrachtung von gepulsten Volumenstr\u00f6men von Mischfl\u00fcssigkeiten in einem Mikromischer haben Konstruktionen, die auf einer Durchmischung durch Verst\u00e4rkung des Diffusionsprozesses zwischen den Mischfl\u00fcssigkeiten beruhen, einen Nachteil, siehe Abbildung 2.<\/p>\n

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Figure 2<\/p><\/div>\n

Hier ist der Mischer so aufgebaut, dass er\nzwei Fl\u00fcssigkeiten, Wasser und Tinte, mischt. Zun\u00e4chst str\u00f6mt 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 verd\u00fcnnt, wenn er den Auslass erreicht. Infolgedessen nimmt die Tintenkonzentration am Auslass im Laufe der Zeit gleichm\u00e4\u00dfig zu und ab,\nanstatt eines kurzen und intensiven Impulses konzentrierter Tinte. Bei diesem m\u00e4anderf\u00f6rmigen Kanaldesign werden zwei Fl\u00fcssigkeiten in der Zeit gemischt, d. h. Einlassfl\u00fcssigkeiten mit zeitabh\u00e4ngigen Konzentrationen k\u00f6nnen sich in den Taschen des Kanals aufhalten und vermischen, was zu\neiner zeitlich gegl\u00e4tteten Auslasskonzentration f\u00fchrt.<\/p>\n

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Figure 3a<\/p><\/div>
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Figure 3b<\/p><\/div>\n

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Ein weiterer typischer Mikromischer ist der topologische 3D-Mischer, z.\nB. die bekannte B\u00e4cker-Transformation in Abbildung 3A (Carri\u00e8re et al., Physics of Fluids<\/i>\u00a0 19,<\/b> 118110 (2007)). Hier werden zwei Fluide vertikal vereinigt, dann horizontal in zwei Kan\u00e4le aufgeteilt und wieder vertikal\nvereinigt. Bei mehreren Einheiten in einer Reihe f\u00fchrt dieses Kanaldesign zu einer Vermischung durch Schichtung der Fluide, was die Diffusionsprozesse drastisch erh\u00f6ht. Der Nachteil ist die nicht triviale\nHerstellung, die die Produktionskosten erheblich erh\u00f6hen kann. Um die\nhohen Herstellungskosten einiger topologischer Mischer zu umgehen,\nwerden h\u00e4ufig optimierte mehrschichtige Mischkan\u00e4le (oft als \"2,5D\"-Strukturen bezeichnet) bevorzugt (siehe Abbildung 3B), da ihre Herstellung oft deutlich kosteng\u00fcnstiger ist. Topologische Mikromischer bieten auch eine hervorragende r\u00e4umliche Durchmischung.<\/p>\n

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Figure 4<\/p><\/div>\n

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Au\u00dferdem k\u00f6nnen topologische Mischer mit minimaler zeitlicher Durchmischung konstruiert werden (siehe Abbildung 4). Ein konzentrierter Tintenimpuls am Einlass flie\u00dft durch den Mikromischer und wird nicht\nstark verd\u00fcnnt, bis er den Auslass erreicht. Dies wird vor allem dadurch erreicht, dass Hohlr\u00e4ume, in denen sich Fl\u00fcssigkeiten ansammeln k\u00f6nnen, minimiert werden, wodurch die Verweilzeit einer Fl\u00fcssigkeit auf ein Minimum reduziert wird, und dass die Geometrie der Split-and-Recombine-Kan\u00e4le so optimiert wird, dass die Str\u00f6mungswege,\ndie ein Fluidelement durch den Mikromischer nehmen kann, gleich wahrscheinlich sind, d. h., es gibt keine \"\u00dcberholspur\" in den\nmikrofluidischen Mischern. Somit bieten topologische Mikromischer eine\nhervorragende M\u00f6glichkeit f\u00fcr zeitaufgel\u00f6ste mikrofluidische Dosis-Wirkungs-Studien.<\/p>\n

Verfasser: Dr. H. Kubitschke<\/em><\/p>\n\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n<\/div><\/div><\/div><\/div>

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