DE10325307B3 - For the mixture of fluids in micro-cavities, in a micro-titration plate, at least one piezo electric sound converter generates an ultrasonic wave to give a wave-induced flow to the fluids - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchmischung von Flüssigkeiten in Mikrokavitäten und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for mixing liquids in micro cavities and a device for performing of the procedure.
Mikrokavitäten, z. B. in der Anordnung von Mikro-Titerplatten, werden in der pharmazeutischen Forschung und Diagnostik als 0Reaktionsgefäße eingesetzt. Auf Basis des Standardformates von Mikro-Titerplatten sind hochautomatisierte Prozeßabläufe in modernen Labors möglich. So sind z. B. Pipettierroboter, Geräte zur optischen Auslesung biologischer Assays und auch die entsprechenden Transportsysteme auf das Standardformat abgestimmt. Solche Standard-Mikro-Titerplatten gibt es heute mit 96, 384 oder 1536 Kavitäten. Typische Volumina liegen je Kavität im Bereich von 300 μl für 96er Titerplatten, etwa 75 μl für 384er Mikro-Titerplatten sowie etwa 12 μl für 1536er Titerplatten. Mikro-Titerplatten sind im allgemeinen aus Kunststoff gefertigt, z. B. aus Polypropylen oder Polystyrol, und häufig beschichtet oder biologisch funktionalisiert.Micro cavities, e.g. B. in the arrangement of micro-titer plates, are used in pharmaceutical research and diagnostics are used as reaction vessels. Based on the standard format of micro-titer plates are highly automated Process flows in modern Laboratories possible. So z. B. pipetting robots, devices for optical reading biological assays and also the corresponding transport systems matched to the standard format. Such standard micro-titer plates exist today with 96, 384 or 1536 cavities. Typical volumes are per cavity in the range of 300 μl for 96s Titer plates, about 75 μl for 384s Micro-titer plates and about 12 μl for 1536s Titer plates. Micro-titer plates are generally made of plastic manufactured, e.g. B. made of polypropylene or polystyrene, and often coated or biologically functionalized.
Die Miniaturisierung in Form solcher Mikro-Titerplatten bzw. Mikrokavitäten im allgemeinen findet seine Begründung in den oftmals teuren Reagenzien und in der Tatsache, daß Probenmaterial oft nicht in gewünschter Menge zur Verfügung steht, so daß Reaktionen bei hoher Probenkonzentration nur durchgeführt werden können, wenn die Volumina entsprechend verringert werden.Miniaturization in the form of such Micro-titer plates or micro-cavities in general are found Reason in the often expensive reagents and in the fact that sample material often not in the desired Amount available stands so that reactions at high sample concentrations can only be carried out if the volumes are reduced accordingly.
Um die Reaktionen zu beschleunigen sowie homogene Reaktionsbedingungen sicherzustellen, ist es wünschenswert, die Reaktanden während der Reaktion zu durchmischen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn ein Reaktionspartner („Sonde") gebunden ist, d.h. ein inhomogener Assay vorliegt. Hier kann eine Durchmischung eine Verarmung der Probe an den gebundenen Sonden verhindern. Ganz allgemein ist bei fehlender Durchmischung häufig die Diffusion der Reaktanden der zeitbestimmende Schritt. Es kommt dadurch zu langen Reaktionszeiten und geringem Probendurchsatz.To speed up the reactions as well as ensuring homogeneous reaction conditions, it is desirable the reactants during to mix the reaction. This is particularly important when a reactant ("probe") is bound, i.e. there is an inhomogeneous assay. Mixing can be a problem here Prevent sample depletion from the bound probes. Generally is the diffusion of the reactants in the absence of thorough mixing the time-determining step. This leads to long reaction times and low sample throughput.
Mikro-Titerplatten bzw. allgemein Mikrokavitäten werden bei bekannten Verfahren mittels sogenannter Schüttler durchmischt. Solche Schüttler umfassen mechanisch bewegliche Teile und sind zum einen schwer in hochautomatisierte Linien zu integrieren. Die Durchmischung ist darüber hinaus insbesondere in kleinen Kavitäten, also z. B. 384er Mikro-Titerplatten oder 1536er Mikro-Titerplatten sehr ineffizient. Bei so kleinen Mikrokavitäten werden kleine Flüssigkeitsmengen scheinbar sehr viskos und in kleinen Volumina sind nur laminare Strömungen möglich, d.h. es gibt keine Turbulenzen, die eine effektive Durchmischung bewirken würden. Um trotz der bei kleinen Flüssigkeitsmengen scheinbar hoch werdenden Viskosität einen ausreichenden Mischungseffekt zu erzielen, sind hohe Leistungen des Schüttlers notwendig.Micro-titer plates or in general microcavities are mixed in known processes by means of so-called shakers. Such shakers include mechanically moving parts and are difficult to handle to integrate highly automated lines. The mixing is about that in addition, especially in small cavities, e.g. B. 384 micro-titer plates or 1536 micro-titer plates very inefficient. With such small ones microcavities become small amounts of liquid apparently very viscous and in small volumes are only laminar Currents possible, i.e. there is no turbulence that causes effective mixing would. To despite the small amounts of liquid apparently high viscosity a sufficient mixing effect To achieve this, high shaker performance is necessary.
So beschreibt WO 00/10011 A1 ein Verfahren, mit dessen Hilfe eine Mikrokavität im Frequenzbereich von 1 bis 300 kHz geschüttelt wird. Es werden Leistungen von 0,1 bis 10 Watt appliziert.This is how WO 00/10011 A1 describes Process with the aid of which a microcavity in the frequency range of 1 shaken up to 300 kHz becomes. Outputs from 0.1 to 10 watts are applied.
In der Literatur sind verschiedene andere Verfahren zur Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen beschrieben.There are several in the literature other methods for mixing small amounts of liquid are described.
In
Andere bekannte Verfahren (z. B. „Microfluidic
motion generation with acoustic waves", X. Zhu et al. Sensors and Actuators,
A. Physical, Vol. 66/1–3, page
355 to 360 (1998) oder „Novel
acoustic wave micromixer",
V.Vivek et al., IEEE International Microelectro mechanical systems
conference 2002, pages 668 to 673, oder
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine effektive Durchmischung von Flüssigkeiten in Mikrokavitäten, insbesondere einer Mikro-Titerplatte, ermöglichen und die Gefahr der Kontamination gering halten.Object of the present invention is to provide a method and apparatus that is effective Mixing of liquids in micro cavities, especially a micro-titer plate, enable and the risk of Keep contamination low.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 22 gelöst. Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungen gerichtet.This task is done with a procedure with the features of claim 1 and a device with the Features of claim 22 solved. Subclaims are focused on advantageous designs.
Erfindungsgemäß wird mit Hilfe zumindest eines piezoelektrischen Schallwandlers eine Ultraschallwelle einer Frequenz größer oder gleich 10 MHz durch eine Festkörperschicht hindurch in Richtung der zumindest einen Mikrokavität und der darin befindlichen Flüssigkeit geschickt, um dort eine schallinduzierte Strömung zu erzeugen. Das Ausmaß der Festkörperschicht in Schallausbreitungsrichtung ist größer als ein ¼ der Wellenlänge der Ultraschallwelle.According to the invention, at least one is used piezoelectric transducer emits an ultrasonic wave of a frequency bigger or equal to 10 MHz through a solid layer through towards the at least one microcavity and the liquid in it sent to create a sound-induced flow there. The extent of the solid layer in the direction of sound propagation is greater than ¼ of the wavelength of the Ultrasonic wave.
Der Frequenzbereich größer oder gleich 10 MHz stellt sicher, daß ein Rütteln der gesamten Vorrichtung, wie sie z. B. bei Schüttelmechanismen des Standes der Technik verwendet wird, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auftritt. Eine Festkörperschicht, die größer ist als ¼ der Wellenlänge der Ultraschallwelle, kann wirksam verhindern, daß sich membranartige „flexural plate wave modes" oder Lamb-modes ausbilden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt der Ultraschall durch die Festkörperschicht direkt in die Mikrokavität ein und erzeugt dort eine schallinduzierte Strömung. Die Verwendung der hohen Frequenz stellt zudem sicher, daß die Schallabsorption in der Flüssigkeit groß ist.The frequency range larger or equal to 10 MHz ensures that a Shake the entire device as z. B. with shaking mechanisms of the stand the technology is used in the method according to the invention does not occur. A solid layer, which is bigger than ¼ of wavelength the ultrasonic wave, can effectively prevent membrane-like "flexural plate wave modes "or Lamb modes form. In the method according to the invention the ultrasound enters the microcavity directly through the solid layer and generates a sound-induced flow there. The use of the high Frequency also ensures that sound absorption in the liquid is great.
Die zu durchmischende Flüssigkeit ist nicht in direktem Kontakt mit dem schallerzeugenden bzw. -vermittelnden Medium. Eine Kontamination bei Mehrfachverwendung ist also ausgeschlossen.The liquid to be mixed is not in direct contact with the sound generating or transmitting Medium. Contamination with multiple use is therefore excluded.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine effektive Durchmischung in einigen Minuten mit Leistungen erreicht werden, die typischerweise kleiner sind als 50 Milliwatt pro Kavität. Bei guter akustischer Anpassung kann der Wert auch auf kleiner als 5 Milliwatt pro Kavität gesenkt werden.With the method according to the invention can effectively mix in a few minutes with accomplishments that are typically less than 50 milliwatts per cavity. With good acoustic adjustment, the value can also be less than 5 Milliwatts per cavity be lowered.
Als Festkörperschicht kann ein gesondertes Substrat, z. B. aus Kunststoff, Metall oder Glas eingesetzt werden. Die Dicken liegen je nach der verwendeten Ultraschallwellenlänge z. B. im Bereich von 0,1 mm bis zu einigen cm. Typische Ultraschallwellenlängen liegen im Bereich von 10 μm bis 100 μm. Die Festkörperschicht kann auch z. B. durch den Boden einer Mikrokavität oder den Boden einer Mikro-Titerplatte direkt gebildet werden, der ggf. auf eine gewünschte Dicke eingestellt bzw. geschliffen wird, bzw. den Boden umfassen.A separate substrate can be used as the solid layer. z. B. made of plastic, metal or glass. The fat ones are depending on the ultrasonic wavelength used z. B. in the range from 0.1 mm to a few cm. Typical ultrasonic wavelengths are in the range of 10 μm up to 100 μm. The solid layer can also z. B. directly through the bottom of a microcavity or the bottom of a micro titer plate are formed, which may be set to a desired thickness or is sanded or cover the floor.
Der piezoelektrische Schallwandler kann entweder monochromatisch durch Anlegen eines Hochfrequenzsignales der Resonanzenergie bzw. einer Harmonischen angeregt werden (kontinuierlich oder gepulst). Durch Wechsel der Frequenz oder Amplitude kann gezielt Einfluß auf das sich ergebene Mischmuster genommen werden. Die Einspeisung der Resonanzfrequenz des Schallwandlers erhöht zudem die Effizienz der Umwandlung der elektrischen in akustische Energie.The piezoelectric transducer can either be monochromatic by applying a high frequency signal the resonance energy or a harmonic are excited (continuously or pulsed). By changing the frequency or amplitude can be targeted Influence on the resulting mixed pattern can be taken. The feed of the Resonance frequency of the transducer also increases the efficiency of the Converting electrical energy into acoustic energy.
Vorteilhaft kann aber auch ein Nadelimpuls verwendet werden, der neben vielen anderen Fourier-Koeffizienten in der Regel auch solche aufweist, die den Schallwandler resonant anregen können. Dies senkt die Anforderungen an die benötigte Elektronik, da keine spezielle Frequenz einstellbar sein muß.A needle pulse can also be used advantageously that of many other Fourier coefficients as a rule also has those that can resonantly excite the transducer. This lowers the requirements for the required electronics, since none special frequency must be adjustable.
Besonders effektiv ist die Ultraschallabsorption in der zu mischenden Flüssigkeit, wenn die Wellenlänge der Ultraschallwelle so gewählt wird, daß sie in der Flüssigkeit kleiner oder gleich dem mittleren Füllstand in der Mikrokavität ist.Ultrasound absorption is particularly effective in the liquid to be mixed, if the wavelength the ultrasound wave is chosen in this way is that they are in the liquid is less than or equal to the average fill level in the microcavity.
Der Schallwandler kann unter der Festkörperschicht vollflächig ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die laterale Ausdehnung des Schallwandlers kleiner ist als das laterale Ausmaß der verwendeten Mikrokavität. Zum einen ist bei größerem Schallwandler der kapazitive Anteil seiner Impedanz erhöht, wodurch sich die elektrische Anpassung verändert, und zum zweiten ist die Mischeffizienz kleiner, wenn der Schallwandler größer ist als das laterale Ausmaß der Mikrokavität. Wenn das laterale Ausmaß des Schallwandlers andererseits kleiner ist als das laterale Ausmaß der Mikrokavität, hat der Ultraschallstrahl eine kleinere laterale Ausdehnung als das laterale Ausmaß der Mikrokavität. Seitlich des nach oben gerichteten Ultraschallstrahles kann die Flüssigkeit wieder nach unten fließen, so daß dadurch eine optimale Durchmischung der Flüssigkeit erreicht wird. Zum Beispiel kann die Ultraschallwelle zentral von unten in die Mikrokavität eingekoppelt werden, so daß sich die Flüssigkeit zentral in der Mikrokavität nach oben bewegt und am Rande der Mikrokavität wieder nach unten zurückfließen kann.The transducer can be placed under the Solid layer entire area be trained. However, it is particularly advantageous if the lateral extension of the sound transducer is smaller than the lateral extent of the one used Microcavity. Firstly, with a larger sound transducer the capacitive portion of its impedance increases, which causes electrical matching changed and secondly, the mixing efficiency is lower when the transducer is bigger than the lateral extent of the Microcavity. If the lateral extent of the Transducer, on the other hand, is smaller than the lateral extent of the microcavity Ultrasonic beam has a smaller lateral extent than the lateral one Extent of Microcavity. To the side of the upward directed ultrasound beam liquid flow down again so that optimal mixing of the liquid is achieved. To the For example, the ultrasound wave can be coupled into the microcavity centrally from below be so that the liquid central in the micro cavity moved upwards and can flow back down again at the edge of the microcavity.
Der letztgenannte Effekt kann bei einer alternativen Verfahrensführung erreicht werden, indem zwischen den Schallwandler und die Mikrokavität eine Zwischenschicht eingebracht wird, die ein schallabsorbierendes Material in einer Anordnung umfaßt, die es dem Ultraschall nur in einem begrenzten räumlichen Bereich ermöglicht, in Richtung der Mikrokavität zu propagieren. Beispiele für vorteilhaft einsetzbare schallabsorbierende Medien sind Silikon, Kautschuk, Silikonkautschuk, weiches PVC, Wachs o.ä.The latter effect can be achieved in an alternative procedure by an intermediate layer is introduced between the sound transducer and the microcavity, which comprises a sound-absorbing material in an arrangement which allows the ultrasound to propagate in the direction of the microcavity only in a limited spatial area. Examples of sound absorbing media that can be used advantageously are silicone, rubber, silicone rubber, soft PVC, wax or the like.
Zwischen der Mikrokavität und dem Festkörpermaterial kann ein flüssiges oder festes Ausgleichsmedium, z. B. Wasser, Öl, Glyzerin, Silikon, Epoxidharz oder ein Gelfilm eingebracht werden, um Unebenheiten auszugleichen und einen sicheren akustischen Kontakt zu gewährleisten.Between the micro cavity and the Solid material can be a liquid or solid compensation medium, e.g. B. water, oil, glycerin, silicone, epoxy resin or a gel film can be introduced to compensate for unevenness and to ensure a safe acoustic contact.
Als Mikrokavitäten können z. B. Eppendorf caps oder Pipettenspitzen oder andere Mikroreaktoren eingesetzt werden. Um den Prozeß parallelisieren zu können, können mehrere Mikrokavitäten gleichzeitig eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Mikro-Titerplatte, die bereits in einem vorgegebenen Rastermaß eine große Anzahl von Kavitäten bereitstellt.As microcavities such. B. Eppendorf caps or Pipette tips or other microreactors can be used. Around parallelize the process to be able can several micro cavities at the same time be used. The use of a is particularly advantageous Micro-titer plate that already has a large number in a given grid dimension of cavities provides.
Ebenso können mehrere Mikrokavitäten z. B. mit Hilfe einer Klebefolie mit Löchern auf einem Glasslide definiert werden, vorzugsweise in den Maßen einer herkömmlichen Mikro-Titerplatte. Für die Zwecke des vorliegenden Textes soll der Begriff „Mikro-Titerplatte" eine solche Anordnung mit umfassen. Bei einer solchen Ausführungsform kann z. B. das Glasslide direkt als Festkörperschicht eingesetzt werden, die von der Ultraschallwelle durchstrahlt wird. Auf diese Weise ist eine besonders kompakte Anordnung realisierbar. Für die Realisierung von nur einer Mikrokavität wird in analoger Weise eine Klebefolie mit nur einem Loch eingesetzt.Likewise, several microcavities, e.g. B. with Help with an adhesive film with holes be defined on a glass slide, preferably in the dimensions of one usual Microtitre plate. For For the purposes of this text, the term "micro-titer plate" is intended to refer to such an arrangement with include. In such an embodiment, e.g. B. the glass slide directly as a solid layer be used, which is irradiated by the ultrasonic wave. In this way, a particularly compact arrangement can be realized. For the Realization of only one microcavity becomes an analog Adhesive film used with only one hole.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch mit einem einer Mikro-Titerplatte analogen Device durchführbar, bei dem auf einem Substrat ein Feld von Teilbereichen vorgesehen ist, die bevorzugt von der zu durchmischenden Flüssigkeit benetzt werden und so als Ankerplatz für die zu durchmischende Flüssigkeit dienen. Sind diese Felder im Rastermaß einer konventionellen Mikro-Titerplatte angeordnet, so ergibt sich nach Aufbringen der Flüssigkeit eine laterale Verteilung der Flüssigkeit wie bei einer herkömmlichen Mikro-Titerplatte, wobei einzelne Tropfen durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten werden. Im vorliegenden Text soll der Begriff „Mikro-Titerplatte" eine solche Ausführung mit umfassen.The method according to the invention is also possible with a a micro-titer plate analog device can be carried out on a substrate a field of sub-areas is provided, which is preferably of liquid to be mixed be wetted and thus as an anchorage for the liquid to be mixed serve. Are these fields in the grid dimension of a conventional micro-titer plate arranged, results after the application of the liquid a lateral distribution of the fluid like a conventional one Micro-titer plate, with individual drops due to their surface tension be held together. In the present text, the term “micro-titer plate” is intended to include such an embodiment include.
Eine Mikro-Titerplatte kann auf die Festkörperschicht aufgesetzt werden. Ist z. B. nur ein Schallwandler vorhanden, so kann die Mikro-Titerplatte auf der Festkörper schicht bewegt werden, um unterschiedliche Kavitäten mit Ultraschall zu beschallen. Auf diese Weise kann individuell ausgewählt werden, welche Mikrokavität gerade der Durchmischung ausgesetzt werden soll.A micro-titer plate can be placed on the Solid layer be put on. Is z. B. only one transducer available, so the micro-titer plate can be moved on the solid layer, around different cavities to sonicate with ultrasound. In this way it can be customized selected what microcavity just to be subjected to mixing.
Zur Durchmischung von Flüssigkeiten in den einzelnen Kavitäten einer Mikro-Titerplatte wird bei einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens z. B. ein Feld von piezoelektrischen Schallwandlern unterhalb der Festkörperschicht eingesetzt, die die gleiche Anordnung haben wie die Kavitäten einer Mikro-Titerplatte. Werden diese Schallwandler individuell angesteuert, können die Flüssigkeiten in den einzelnen Kavitäten unabhängig durchmischt werden. Ein solches Feld piezoelektrischer Schallwandler läßt sich einfach in Automatisierungslösungen integrieren.For mixing liquids in the individual cavities a micro titer plate is in a special embodiment of the method z. B. a Field of piezoelectric transducers below the solid layer used, which have the same arrangement as the cavities of one Microtitre plate. If these sound transducers are controlled individually, can the liquids in the individual cavities independently be mixed. Such a field of piezoelectric transducers let yourself simply in automation solutions integrate.
Bei einer anderen vorteilhaften Verfahrensführung wird mit Hilfe einer Ultraschallwellenerzeugungseinrichtung Ultraschall derart in die Festkörperschicht eingekoppelt, daß Ultraschalleistung zumindest an zwei Auskoppelpunkten aus der Festkörperschicht in eine entsprechende Anzahl von Mikrokavitäten einkoppelbar ist. Dies kann z. B. durch eine Ultraschallwellenerzeugungseinrichtung erreicht werden, die bidirektional abstrahlt. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Ultraschallwelle mit Hilfe einer Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung, vorzugsweise eines Interdigitaltransducers, auf einem piezoelektrischen Kristall erzeugt, der auf einem piezoelektrischen Kristall aufgebracht ist.Another advantageous procedure is with the help of an ultrasonic wave generating device ultrasound such in the solid layer coupled that ultrasonic power at least at two decoupling points from the solid layer into a corresponding one Number of micro cavities can be coupled. This can e.g. B. by an ultrasonic wave generating device can be achieved, which radiates bidirectionally. In one embodiment the invention, the ultrasonic wave is generated with the aid of a surface wave generating device, preferably an interdigital transducer, on a piezoelectric Crystal generated that applied to a piezoelectric crystal is.
Der den Interdigitaltransducer tragende piezoelektrische Kristall kann auf die Festkörperschicht geklebt, gepreßt, gebondet oder über ein Koppelmedium (z. B. elektrostatisch oder über einen Gelfilm) an die Festkörperschicht geklebt, gepreßt oder gebondet sein.The one carrying the interdigital transducer Piezoelectric crystal can be glued, pressed, bonded onto the solid layer or about a coupling medium (e.g. electrostatically or via a gel film) to the solid layer glued, pressed or be bonded.
Derartige Interdigitaltransducer sind 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 z. B. auf piezoelektrischen Kristallen vorgesehen, um darauf Oberflächenschallwellen in an sich bekannter Weise anzuregen.Such interdigital transducers are comb-shaped metallic electrodes, the double of which Finger distance the wavelength the surface sound wave defined and by optical photolithography z. B. in the range around 10 μm Finger distance can be established. Such interdigital transducers z. B. provided on piezoelectric crystals to surface acoustic waves thereon to stimulate in a manner known per se.
Mit Hilfe eines solchen Interdigitaltransducers können auf unterschiedliche Weise Volumenschallwellen in der Festkörperschicht erzeugt werden, die dieses schräg durchsetzen. Der Interdigitaltransducer erzeugt eine bidirektional abstrahlende Grenzflächenwelle (LSAW) an der Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Kristall und der Festkörperschicht, auf der er aufgebracht ist. Diese Grenzflächen-Leckwelle strahlt Energie als Volumenschallwellen (BAW) in die Festkörperschicht ab. Dadurch nimmt die Amplitude der LSAW exponentiell ab, wobei typische Abklinglängen etwa 100 μm sind. Der Abstrahlwinkel α der Volumenschallwellen in die Festkörperschicht gemessen gegen die Normale der Festkörperschicht ergibt sich aus dem Arcussinus des Verhältnisses der Schallgeschwindigkeit VS der Volumenschallwelle in der Festkörperschicht und der Schallwelle VSAW der mit dem Interdigitaltransducer erzeugten Grenzflächenschallwelle (α = arcsin (VS/VLSAW). Eine Abstrahlung in die Festkörperschicht ist daher nur möglich, wenn die Schallgeschwindigkeit in der Festkörperschicht kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit der Grenzflächen-Leckwelle. In der Regel werden daher in der Festkörperschicht transversale Wellen angeregt, da die longitudinale Schallgeschwindigkeit in der Festkörperschicht größer ist als die Geschwindigkeit der Grenzflächen-Leckwelle. Ein typischer Wert für die Grenzflächen-Leckwellengeschwindigkeit ist z. B. 3900 m/s.With the help of such an interdigital transducer, volume sound waves can be generated in the solid layer in different ways, which penetrate it obliquely. The interdigital transducer generates a bidirectionally radiating interfacial wave (LSAW) at the interface between the piezoelectric crystal and the solid layer on which it is applied. This interfacial leakage wave emits energy as solid-borne sound waves (BAW) into the solid layer. As a result, the amplitude of the LSAW decreases exponentially, with typical decay lengths being around 100 μm. The radiation angle α of the volume sound waves into the solid layer measured against the normal of the solid layer results from the arc sine of the ratio of the sound velocity V S of the volume sound wave in the solid layer and the sound wave V SAW of the interface sound wave generated with the interdigital transducer (α = arcsine (V S / V LSAW ). Radiation into the solid layer is therefore only possible if the speed of sound in the solid layer is lower than the speed of sound of the interface leakage wave. As a rule, transverse waves are therefore excited in the solid-state layer, since the longitudinal sound velocity in the solid-state layer is greater than the speed of the interface leakage wave. A typical value for the interfacial leaky wave speed is e.g. B. 3900 m / s.
Die piezoelektrisch hervorgerufenen Deformationen in dem piezoelektrischen Kristall unterhalb der kammartig ineinander greifenden Interdigitaltransducerfinger strahlen Volumenschallwellen (BAW) auch direkt in die Festkörperschicht ab. In diesem Fall ergibt sich ein Abstrahlwinkel α gemessen gegen die Normale der Festkörperschicht als Arcussinus des Verhältnisses einerseites der Schallgeschwindigkeit in der Festkörperschicht VS und andererseits dem Produkt aus der Periode des Interdigitaltransducers IIDT und der angelegten Hochfrequenz f (α = arcsin (VS/(IIDT·f)). Für diesen Schalleinkoppelungsmechanismus kann der Einstrahlwinkel gegenüber der Normalen der Festkörperschicht, der Levitationswinkel, also durch die Frequenz vorgegeben werden. Beide Effekte können nebeneinander auftreten.The piezoelectrically induced deformations in the piezoelectric crystal below the interdigital transducer fingers which intermesh like a comb radiate volume sound waves (BAW) directly into the solid layer. In this case there is a radiation angle α measured against the normal of the solid layer as the arc sine of the ratio on the one hand of the speed of sound in the solid layer V S and on the other hand the product of the period of the interdigital transducer I IDT and the applied high frequency f (α = arcsin (V S / (I IDT · f)) For this sound coupling mechanism, the angle of incidence in relation to the normal of the solid layer, the levitation angle, that is to say by the frequency, can be specified. Both effects can occur side by side.
Beide Mechanismen (LSAW, BAW) ermöglichen die schräge Durchstrahlung der Festkörperschicht. Die gesamte elektrische Kontaktierung des Interdigitaltransducers kann auf der der Mikrokavität bzw. der Flüssigkeit abgewandten Seite der Festkörperschicht stattfinden.Both mechanisms (LSAW, BAW) enable the slope Radiation through the solid layer. The entire electrical contact of the interdigital transducer can on the microcavity or the liquid opposite side of the solid layer occur.
Bei einer einfach zu realisierenden Ausführungsform befindet sich der Interdigitaltransducer auf dem piezoelektrischen Element an einer der Mikrokavität abgewandten Seite der Festkörperschicht. Aufgrund der beschriebenen schrägen Einkopplung der Ultraschallwelle in die Festkörperschicht sind auch Geometrien möglich, bei denen der Interdigitaltransducer mit dem piezoelektrischen Element an einer Stirnfläche der Festkörperschicht angeordnet ist.With an easy to implement embodiment the interdigital transducer is located on the piezoelectric Element on one of the microcavity opposite side of the solid layer. Because of the slant described Coupling of the ultrasound wave into the solid layer are also geometries possible, where the interdigital transducer with the piezoelectric element on an end face the solid layer is arranged.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Material der zu durchschallenden Festkörperschicht bezüglich der akustischen Dämpfung bei den verwendeten Frequenzen und den Reflexionseigenschaften der Grenzflächen derart ausgewählt wird, daß eine Teilreflexion einer schräg eingekoppelten Ultraschallwelle erfolgt. Zum Beispiel kann ein Ausgleichsmedium zwischen Mikro-Titerplatte und Festkörperschicht vorgesehen sein, so daß sich eine Grenzfläche zwischen Ausgleichsmedium und zu durchschallender Festkörperschicht einstellt, bei der sich ein Reflexionskoeffizient von z. B. 80% bis 90% für eine Ultraschallwelle der verwendeten Frequenz einstellt, so daß 10% bis 20% der in der Festkörperschicht laufenden Ultraschallwelle ausgekoppelt werden und der Rest reflektiert wird. Zwischen Festkörperschicht und Luft an der anderen Begrenzungsfläche der Festkörperschicht findet in der Regel eine nahezu 100%ige Reflexion statt. Bei einer anderen Ausgestaltung, bei der der Boden der Mikro-Titerplatte selbst als zu durchschallende Festkörperschicht eingesetzt wird, wird aus dem als Festkörperschicht dienenden Boden der Mikro-Titerplatte in die Flüssigkeit in der jeweiligen Mikrokavität 10% bis 20% der Ultraschalleistung ausgekoppelt und der Rest im Boden der Mikro-Titerplatte reflektiert.It is particularly advantageous if the material of the solid layer to be passed through with respect to the acoustic damping at the frequencies used and the reflective properties of the interfaces so selected is that a partial reflection one at an angle coupled ultrasonic wave takes place. For example, a compensating medium be provided between the micro-titer plate and the solid layer, so that an interface between compensating medium and solid layer to be exposed sets in which a reflection coefficient of z. B. 80% up to 90% for sets an ultrasonic wave of the frequency used, so that 10% to 20% of that in the solid layer current ultrasonic wave are coupled out and the rest is reflected becomes. Between solid layer and Air at the other boundary surface of the solid layer there is usually almost 100% reflection. At a another embodiment, in which the bottom of the micro-titer plate itself as a solid-state layer to be passed through is used, is from the soil serving as a solid layer the micro-titer plate into the liquid in the respective microcavity 10% to 20% of the ultrasound output is decoupled and the rest in Bottom of the micro-titer plate is reflected.
Durch die Reflexion an den Grenzflächen wird die Ultraschallwelle wie in einem Wellenleiter durch die Festkörperschicht geführt. Dort wo die Ultraschallwelle auf die Grenzfläche zwischen Festkörperschicht und Ausgleichsmedium bzw. Festkörperschicht und Flüssigkeit in einer der Mikrokavitäten trifft, wird ein Teil der Ultraschalleistung ausgekoppelt. Durch geeignete Auswahl der Geometrien, z. B. der Dicke der Festkörperschicht bzw. des Bodens der Mikro-Titerplatte, lassen sich die auf diese Weise definierten Auskopplungsorte der Ultraschalleistung örtlich genau festlegen. Bei einer derartigen Verfahrensführung können also z. B. mehrere Mikrokavitäten einer Mikro-Titerplatte gleichzeitig mit Ultraschalleistung beschallt werden, ohne daß eine große Anzahl von Schallwandlern notwendig wäre. Probleme, die z. B. mit der Verdrahtung einer Vielzahl von Schallwandlern auftreten könnten, werden auf diese Weise vermieden.Due to the reflection at the interfaces the ultrasonic wave through the solid layer like in a waveguide guided. Where the ultrasonic wave hits the interface between the solid layer and compensating medium or solid layer and liquid in one of the micro cavities, part of the ultrasonic power is extracted. By suitable Choice of geometries, e.g. B. the thickness of the solid layer or the bottom of the micro-titer plate, can be on this Way defined decoupling locations of ultrasound power locally establish. With such a procedure, z. B. several microcavities one Micro-titer plate sonicated at the same time with ultrasonic power be without a size Number of transducers would be necessary. Problems such. B. with wiring of a variety of transducers could occur avoided in this way.
Als vorteilhaft hat sich z. B. aufgrund geringer Dämpfung die Verwendung von Quarzglas als Festkörperschicht bei einer Frequenz von 10 MHz bis 250 MHz erwiesen. Während an der Grenzfläche Festkörperschicht/Luft in einem solchen Fall nahezu 100% reflektiert werden, wird an der Grenzfläche Festkörperschicht/Flüssigkeit (also z. B. Ausgleichsmedium bzw. die Flüssigkeit in der Mikrokavität) ein gewisser Prozentsatz der Schallenergie in die jeweilige Flüssigkeit ausgekoppelt.Has been advantageous for. B. due low damping the use of quartz glass as a solid layer at one frequency proven from 10 MHz to 250 MHz. While at the solid / air interface in such a case almost 100% will be reflected on the Solid layer / liquid interface (So e.g. compensation medium or the liquid in the microcavity) a certain Percentage of sound energy in the respective liquid decoupled.
Verwendung von Interdigitaltransducern mit nicht konstantem Fingerabstand („getaperte Interdigitaltransducer"), wie sie für eine andere Anwendung z. B. in WO 01/20781 A1 beschrieben sind, ermöglichen die Auswahl des Abstrahlungsortes des Interdigitaltransducers mit Hilfe der angelegten Frequenz. Auf diese Weise kann genau festgelegt werden, an welcher Stelle die Ultraschallwelle aus der Festkörperschicht austritt. Bei Verwendung eines getaperten Interdigitaltransducers, der zusätzlich nicht gerade ausgebildete Fingerelektroden aufweist, insbesondere z. B. bogenförmig ineinander greifende Fingerelektroden, läßt sich der Azimuthalwinkel θ durch Variation der Betriebsfrequenz steuern. Andererseits läßt sich der Levitationswinkel α mit der Frequenz durch die direkte BAW-Erzeugung am Interdigitaltransducer verändern.Use of interdigital transducers with non-constant finger spacing ("tapered interdigital transducers"), as they are for another Application z. B. are described in WO 01/20781 A1, enable the selection of the radiation location of the interdigital transducer with Help of the applied frequency. This way it can be set precisely at which point the ultrasonic wave from the solid layer exit. When using a tapered interdigital transducer, the additional has finger electrodes which are not currently formed, in particular z. B. arcuate interlocking finger electrodes, the azimuth angle θ can be varied control the operating frequency. On the other hand, the levitation angle .alpha Frequency through direct BAW generation on the interdigital transducer change.
Mit Hilfe der beschriebenen Einstellung der Abstrahlrichtung durch Auswahl der Frequenz ggf. durch Einsatz entsprechend ausgeformter Interdigitaltransducer können sehr präzise z. B. einzelne Mikrokavitäten einer Mikro-Titerplatte zur Durchmischung ausgewählt werden. Durch zeitliche Variation der Betriebsfrequenz kann ein zeitlicher Verlauf des Mischortes vorgegeben werden.With the help of the described setting of the radiation direction by selecting the frequency, if necessary by using appropriately shaped interdigital transducers, very precise z. B. individual microcavities of a micro titer plate can be selected for thorough mixing. Through temporal variation a time course of the mixing location can be specified for the operating frequency.
Auf dem piezoelektrischen Element befinden sich z. B. ein oder mehrere Interdigitaltransducer zur Erzeugung der Ultraschallwellen, die entweder getrennt kontaktiert werden oder gemeinsam in Reihe oder parallel zueinander kontaktiert sind. Zum Beispiel bei unterschiedlichem Fingerelektrodenabstand lassen diese sich über die Wahl der Frequenz getrennt ansteuern und bieten so ebenfalls die Möglichkeit der Auswahl bestimmter Bereiche.On the piezoelectric element are z. B. one or more interdigital transducers for generation the ultrasonic waves, which are either contacted separately or are contacted together in series or parallel to each other. For example, leave them with different finger electrode spacing this over itself control the choice of frequency separately and thus also offer the possibility the selection of certain areas.
Um zu verhindern, daß Reflexionen an unerwünschten Orten der Festkörperschicht in unkontrollierter Weise erfolgen (also z. B. an Stirnflächen), kann durch geeignete Auswahl einer diffus streuenden Fläche der Festkörperschicht die Ultraschallwelle diffus gestreut werden. Dazu wird die entsprechende Fläche z. B. aufgerauht. Gezielt kann eine solche aufgerauhte Oberfläche auch eingesetzt werden, um die Ultraschallwelle gezielt aufzuweiten, um eine größere Fläche beschallen zu können.To prevent reflections of unwanted Locating the solid layer can take place in an uncontrolled manner (e.g. on end faces) through suitable selection of a diffusely scattering surface of the Solid layer the ultrasonic wave is diffusely scattered. To do this, the corresponding area z. B. roughened. Such a roughened surface can also be targeted be used to specifically expand the ultrasonic wave, sonicate a larger area to be able to.
Geeignet winkelig angeordnete seitliche Stirnflächen der Festkörperschicht können zur gezielten Reflexion eingesetzt werden und den Schallstrahl definiert lenken.Suitable angled side faces of the Solid layer can used for targeted reflection and defines the sound beam to steer.
Besonders bezüglich Herstellungskosten und Geometrie bei gleichzeitig wohl definierter Durchstrahlungsrichtung in der Festkörperschicht kann sich bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch der Einsatz eines piezoelektrischen Volumenschwingers, z. B. eines piezoelektrischen Dickenschwingers, als vorteilhaft erweisen.Especially regarding manufacturing costs and Geometry with well-defined radiation direction in the solid layer another embodiment of the method according to the invention also the use of a piezoelectric volume transducer, e.g. B. a piezoelectric thickness transducer, prove to be advantageous.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein Substrat auf, auf dessen einer Hauptfläche zumindest ein piezoelektrischer Schallwander angeordnet ist, der zur Erzeugung einer Ultraschallwelle einer Frequenz größer oder gleich 10 MHz elektrisch angeregt werden kann, wobei die Dicke des Substrates in Schallausbreitungsrichtung größer als ¼ der Ultraschallwellenlänge ist. Das Substrat kann dabei gesondert ausgebildet sein oder z. B. durch den Boden einer Mikro-Titerplatte oder einer Mikrokavität gebildet sein.A device according to the invention to carry out of the method according to the invention a substrate, on the one main surface of which at least one piezoelectric Sonic migrator is arranged to generate an ultrasonic wave Frequency greater or equal to 10 MHz can be excited electrically, the thickness of the Substrate in the direction of sound propagation is greater than ¼ of the ultrasonic wavelength. The substrate can be formed separately or z. B. by the bottom of a micro-titer plate or a micro-cavity his.
Das Substrat kann z. B. auch ein Glasslide umfassen, auf dem eine Klebefolie mit vorzugsweise periodisch angeordneten Löchern befestigt ist, um auf diese Weise eine Anordnung von Mikrokavitäten zu erhalten. Ein solches Glasslide mit einer aufgeklebten gelochten Klebefolie kann eingesetzt werden wie eine Mikro-Titerplatte.The substrate can e.g. B. also a Glasslide cover, on which an adhesive film with preferably periodically arranged holes is attached in order to obtain an arrangement of microcavities in this way. Such a glass slide with a glued perforated adhesive film can be used like a micro titer plate.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Vielzahl von piezoelektrischen Schallwandlern im Rastermaß einer Mikro-Titerplatte verwendet werden, um die Mikrokavitäten einer Mikro-Titerplatte parallel mit Ultraschall zu beschallen.It is particularly advantageous if a variety of piezoelectric transducers in a pitch Micro-titer plates are used to measure the microcavities Sonicate micro-titer plate in parallel with ultrasound.
Um einzelne Schallwandler individuell ansteuern zu können, ist vorteilhafterweise eine Schalteinrichtung vorgesehen, die elektrische Hochfrequenzleistung an individuelle Schallwandler anlegt.To individual transducers individually to be able to control a switching device is advantageously provided, the electrical High frequency power applied to individual sound transducers.
Vorteile anderer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung der unterschiedlichen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den für entsprechende Verfahrensausgestaltungen beschriebenen Vorteilen und Eigenschaften.Advantages of other embodiments the device according to the invention to carry out the different configurations of the method according to the invention result from the for corresponding process configurations advantages described and properties.
Im folgenden werden besondere Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert. Die Figuren sind dabei nur schematischer Natur und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Dabei zeigtThe following are special designs of the method according to the invention or the device according to the invention explained in detail with reference to the accompanying figures. The figures are there only schematic and not necessarily to scale. It shows
Die andere Elektrode des Dickenschwingers ist
mit
Gezeigt ist ein Zustand, in dem der
Dickenschwinger
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen wie folgt durchgeführt werden.The inventive method can with the above described inventive devices performed as follows become.
Auf das Substrat
Der Ultraschallstrahl, dessen laterale
Ausdehnung von der Größe des Dickenschwingers
Nach der Durchmischung der Flüssigkeit in einer Mikrokavität wird die Mikro-Titerplatte ggf. versetzt, um eine andere Mikrokavität dem Ultraschall auszusetzen.After mixing the liquid in a micro cavity becomes the micro-titer plate possibly offset to expose another microcavity to the ultrasound.
Bei einer Ausführungsform der
Bei einer Ausführungsform der
Die Hochfrequenzanregung kann bei
allen Ausgestaltungen auch in Form eines intensiven Nadelimpulses
geschehen. Dieser enthält
ein breites Frequenzspektrum, welches auch die Resonanzfrequenz
des Dickenschwingers
Mit Hilfe des bidirektional abstrahlenden
Interdigitaltransducers
Mit Hilfe des Interdigitaltransducers
In einer nicht gezeigten Alternative
dient der Boden der Mikro-Titerplatte
Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform befindet
sich der Interdigitaltransducer
Sowohl bei der Ausführungsform
der
In
Der beschriebene Reflexionseffekt
durch Auswahl eines geeigneten Substratmaterials für das Substrat
Ein ähnlicher Effekt ist mit einer
Ausgestaltung der
Bei der Ausgestaltung der
In der Ausführungsform der elektrischen Kontaktierung
der
In der Ausführungsform der elektrischen Kontaktierung,
wie sie in
Eine weitere Möglichkeit der Zuführung der elektrischen Leistung an den piezoelektrischen Schallwandler besteht in der induktiven Kopplung. Dabei werden die elektrischen Zuleitungen zu den Interdigitaltransducerelektroden derart ausgebildet, daß sie als Antenne zur kontaktlosen Ansteuerung des Hochfrequenzsignales dienen. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um eine ringförmige Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat, das als Sekundärkreis eines Hochfrequenztransformators dient, dessen Primärkreis mit der Hochfrequenzgeneratorelektronik verbunden ist. Dieser wird extern gehalten und ist direkt benachbart zu dem piezoelektrischen Schallwandler angebracht.Another way of feeding the electrical Power at the piezoelectric transducer consists in the inductive Coupling. The electrical leads to the interdigital transducer electrodes trained so that they as an antenna for contactless control of the high-frequency signal serve. In the simplest case, this is an annular electrode on the piezoelectric substrate, which acts as a secondary circuit High-frequency transformer serves, the primary circuit with the high-frequency generator electronics connected is. This is held externally and is directly adjacent attached to the piezoelectric transducer.
Einzelne Ausgestaltungen der Verfahren bzw. der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen lassen sich in geeigneter Form auch kombinieren, um die dadurch erzielten Wirkungen und Effekte gleichzeitig erreichen zu können.Individual configurations of the processes or the features of the described embodiments can be found in suitable form also combine to achieve the effects achieved and being able to achieve effects at the same time.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine effiziente Durchmischung kleinster Flüssigkeitsmengen möglich. Es ist nicht notwendig, daß die Flüssigkeit mit dem bewegungsvermittelnden Medium selbst in Berührung kommt. Es muß z. B. kein Mischelement in die Flüssigkeit eingebracht werden. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung lassen sich einfach und kostengünstig mit heutigen Laborautomaten, die in der Biologie, Diagnostik, pharmazeutischen Forschung oder Chemie verwendet werden, anwenden. Die Verwendung hoher Frequenzen vermeidet auf effektive Weise die Bildung von Kavitation. Schließlich läßt sich eine flache Bauform realisieren und die Vorrichtung kann einfach in Laborstraßen eingesetzt werden.With the method according to the invention efficient mixing of the smallest amounts of liquid is possible. It the liquid is not necessary comes into contact with the movement-mediating medium itself. It must e.g. B. no mixing element in the liquid be introduced. The method or the device can be simple and inexpensive with today's laboratory machines that are used in biology, diagnostics, pharmaceutical Research or chemistry used to apply. The usage high frequencies effectively prevents the formation of cavitation. Finally let yourself realize a flat design and the device can be simple used in laboratory streets become.
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