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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Reaktor mit einer Reaktionskammer in mikromechanischer Bauweise
für ein
insbesondere elektrische Ladungsträger enthaltendes Probenmedium
und mit einem Erzeuger für
ein im Inneren der Reaktionskammer wirksames, taktweise umgepoltes
und/oder örtlich verändertes,
insbesondere elektrostatisches Feld als Rührvorrichtung.
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Reaktoren zur Behandlung eines Probenmediums
werden beispielsweise für
die Durchführung von
Bioprozessen verwendet, wobei unter Bioprozessen die Gewinnung von
Produkten durch biochemische Reaktionen gemeint ist. Sollen solche
Bioprozesse großtechnisch
angewendet werden, so muss der Ablauf des Bioprozesses vorab genau
untersucht werden, um durch Wahl geeigneter Prozessparameter zu
einer möglichst
hohen Effizienz des Bioprozesses zu kommen. Dieser Vorgang wird
als upstream processing bezeichnet.
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Für
das upstream processing wird eine Anlage benötigt, welche die Durchführung des
Bioprozesses unter Laborbedingungen erlaubt. Eine solche als Tischfermenter
bezeichnete Anlage wird beispielsweise durch die Infors AG angeboten,
die am 25.10.2001 ihr Produkt unter dem Modellnamen „Sixfors" auf der Internetseite
www.infors.ch/d/d5a.htm beschrieben hat. Gemäß der auf dieser Internetseite veröffentlichten
Abbildung besteht „Sixfors" aus einer Basisstation,
auf der in sechs Bechergläsern
gleichzeitig ein Bioprozess unter jeweils modifizierten Bedingungen
durchgeführt
werden kann. Wie dem Beschreibungstext zu „Sixfors" zu entnehmen ist, weisen diese Bechergläser Rührwelleneinsätze auf
(auf der Abbildung zu er kennen). Zusätzlich sind Antriebe mit einer
Magnetkupplung vorgesehen, welche in der Zeichnung dargestellte,
am Boden der Becher befindliche Rührmagnete bewegen können.
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Die beiden genannten Rührvorrichtungen sorgen
während
des Durchlaufens des Bioprozesses für ein ständiges Umwälzen der Reaktionsflüssigkeit, wodurch
ein quasi stationärer
Biopro zess am Laufen gehalten werden kann. Dieser Prozess entspricht weitgehend
den Verhältnissen
während
der großtechnischen
Anwendung. Der quasi stationäre
Zustand wird als fedbatch bezeichnet, womit gemeint ist, dass der
Bioprozess durch ständige
Zugabe von Reaktionsflüssigkeit
einerseits und Entnahme des Reaktionsproduktes andererseits am Laufen
gehalten wird.
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Gemäß der
US 6,238,909 B1 ist ein
Mikroreaktor in Form einer Hybridisierzelle offenbart, der von zwei
oder mehr Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes im
Inneren der Reaktionskammer umgeben ist. Werden mehr als zwei Elektroden verwendet,
sind diese in einer regelmäßigen Anordnung
um die Reaktionskammer verteilt, so dass durch eine geeignete Ansteuerung
der Elektroden ein zeitlich veränderliches
Feld erzeugt werden kann, das einen Rühreffekt im Probenmedium bewirkt.
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Die WO 00/37628 beschreibt ein Mikrosystem
zur Zellpermeation oder Zellfusion, bei dem mittels Elektroden einerseits
eine Fokussierung der zu behandelnden Zellen in bestimmten Bereichen
einer Reaktionskammer erfolgt, zum anderen die durch die Elektroden
erzeugbaren Felder zur Elektroporation der Zellmembranen verwendet
werden.
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Aus der
DE 37 35 397 A1 ist es bekannt,
magnetische Partikel zur Durchmischung von in Membrankapseln enthaltenem
biologischen Material zu verwenden. Hierbei sind magnetische Partikel
der im Inneren der Membrankapsel befindlichen Flüssigkeit beigemengt. Die Membrankapseln
schwimmen ihrerseits in einer Flüssigkeit,
die in ein fluktuierendes Magnetfeld eingebracht werden kann, so
dass durch eine Bewegung der magnetischen Partikel in den Membrankapseln
ein Rühreffekt
bewirkt wird.
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Außerdem ist es gemäß der WO
01/18168 A1 bekannt, mittels magnetischer Partikel in den Membranen
von Zellen Poren zu erzeugen. Hierzu wird ein Gefäß mit den
Zellen und den magnetischen Partikeln in ein hochfrequentes Magnetfeld
gebracht, so dass die Erhöhung
der thermischen und kinetischen Energie der magnetischen Partikel
eine Perforierung der Zellmembranen bewirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Reaktor in mikromechanischer Bauweise anzugeben, mit dem eine
vergleichsweise wirkungsvolle Durchmischung des Probenmediums möglich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Reaktionskammer länglich
ausgestaltet ist und entlang ihres länglichen Verlaufes mehrere
unabhängig
voreinander aktivierbare Paare von Elektroden ineinander verschachtelt
angeordnet sind. Diese Paare werden abwechselnd aktiviert, wobei
hierdurch eine örtliche Änderung
des im Inneren der Reaktionskammer gebildeten elektrostatischen
Feldes erreicht wird. Durch eine entsprechende Verschachtelung lässt sich
vorteilhaft ein wanderndes elektrisches Feld erzeugen, wobei durch
die Verschachtelung das Feld von einem Elektrodenpaar zum nächsten weitergegeben
werden kann. Somit kann das wandernde Feld vorteilhaft zur gezielten
Erzeugung gleichförmiger
Bewegungszustände
der Ladungsträger
im Probenmedium genutzt werden.
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Die mikromechanische Bauweise des
Reaktors setzt voraus, dass dieser mittels mikromechanischer Fertigungsverfahren
hergestellt wird. Dies kann z. B. durch Mikrofräsen erfolgen. Besonders bevorzugt
kann der Reaktor auch durch Ätzen
der Reak tionskammer sowie von Zuläufen und Abläufen für das Probenmedium
in ein Substrat, z. B. einem Siliciumwafer, hergestellt werden.
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Sobald der Erzeuger ein elektrisches
Feld erzeugt, wirkt dieses im Inneren der Reaktionskammer auf die
im Probenmedium enthaltenen elektrischen Ladungsträger, wodurch
deren Bewegungszustand beeinflusst wird. Hierdurch ist eine Funktion
als Rührvorrichtung
gewährleistet,
da sich die elektrischen Ladungsträger mit einem anderen Bewegungsmuster
bewegen, als die restlichen, im Probenmedium enthaltenen Teilchen.
Die taktweise Umpolung und/oder örtliche
Veränderlichkeit
des elektrostatischen Feldes gewährleistet
dabei, dass ein unerwünschter
Entmischungseffekt verhindert wird, der durch eine Wanderung der
Ladungsträger
in einem über
längere
Zeit konstanten elektrischen Feld bewirkt werden könnte. Die
Taktzeiten für
die Umpolung können
z. B. im Bereich einer oder mehrerer Sekunden liegen.
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Der beschriebene Umwälzeffekt
im Probenmedium hat den wesentlichen Vorteil, dass dieser auch in äußerst kleinen
Reaktionskammern genutzt werden kann. Damit wird eine Umwälzung des
Probenmediums auch in Reaktoren in mikromechanischer Bauweise möglich, in
denen die oben beschriebenen, aus Rührwelleneinsätzen bzw.
Rührmagneten
bestehenden Rührvorrichtungen
aus Platzgründen
nicht angewendet werden können.
Dadurch wird vorteilhaft eine starke Miniaturisierung der Reaktoren zur
Durchführung
des upstream processing beispielsweise für einen Bioprozess möglich. Durch
die Miniaturisierung kann der Reaktor mit äußerst kleinen Mengen des Probenmediums
betrieben werden. Hierdurch ist ein starker Grad an Parallelisierung möglich, das
heißt,
dass in einer Vielzahl von Reaktoren der Bioprozess mit jeweils
einer leichten Abwandlung der Prozessparameter gleichzeitig durchgeführt werden
kann, ohne dass der Verbrauch an Probenmedium zu stark ansteigt.
Es lässt
sich weiterhin der mit dem upstream processing verbundene Zeitaufwand
drastisch reduzieren, wodurch vorteilhafterweise eine schnelle kommerzielle
Nutzung eines untersuchten Bioprozesses möglich wird.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, dass die Elektroden von einer Schicht an
der Reaktionskammer gebildet sind. Die Schicht kann sowohl im Kammerinneren
als auch außen
auf der Kammerwand ausgebildet werden. Sofern die Schicht im Innern
der Reaktionskammer gebildet ist und von dem Probenmedium nicht
durch eine Isolationsschicht getrennt ist, wird durch die taktweise
Umpolung des elektrostatischen Feldes die Ausbildung einer elektrochemischen
Reaktion minimiert. Mittels der Beschichtung ist vorteilhafterweise eine
besonders einfache Fertigung der Elektroden möglich. Diese können beispielsweise
durch eine Beschichtung mittels Sputtern auf die Kammerwände der
Reaktionskammer aufgebracht werden. Ein solches Verfahren lässt sich
günstig
mit anderen mikromechanischen Verfahren zur Herstellung der Reaktionskammer
kombinieren. Die Dicke der so aufgebrachten Beschichtungen schränkt dabei
das Volumen der Kammer nur unwesentlich ein, wenn die Schicht im
Innern der Kammer gebildet wird, was der mikromechanischen Bauweise
des Reaktors zuträglich
ist.
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Gemäß einer alternativen Lösung der
eingangs genannten Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Reaktionskammer
länglich
ausgestaltet ist und
- – als
Erzeuger für
ein Magnetfeld ein sich entlang des länglichen Verlaufes der Reaktionskammer
drehender Magnet angeordnet ist oder
- – entlang
des länglichen
Verlaufes der Reaktionskammer mehrere elektrische Magnetspulen als
Erzeuger für
ein Magnetfeld nacheinander angeordnet sind,
wobei der
Reaktor für
ein magnetische Partikel enthaltendes Probenmedium vorgesehen ist.
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Bei der einen Alternative dieser
Erfindung ist der Erzeuger ein sich drehender Magnet. Die Drehung
des Magneten führt
zu einer örtlichen
Veränderung
des magnetischen Feldes. Der Magnet kann beispielsweise als Dauermagnet
ausgeführt
sein. Der Aufbau des Felderzeugers kann dabei einfach gehalten werden.
Insbesondere lassen sich handelsübliche
Magnetantriebe für
Magnetrührer
verwenden, welche nicht in den mikromechanischen Aufbau der Reaktionskammer
integriert werden müssen
und die Möglichkeit
eröffnen,
mehrere parallel angeordnete Reaktionskammern gleichzeitig in das
Magnetfeld des Magnetantriebs zu bringen.
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Bei der anderen Alternative dieser
Erfindung werden mehrere elektrische Magnetspulen als Erzeuger nacheinander
angeord net. Eine zeitliche Veränderung
des Magnetfeldes kann dann durch einfaches Ein- bzw. Abschalten
der so gebildeten Elektromagneten erfolgen. Hierbei sind keine mechanischen,
beweglichen Teile notwendig, so dass sich der Elektromagnet vorteilhaft
in den mikromechanischen Aufbau der Reaktionskammer integrieren
lässt.
Aber auch bei externer Anordnung des Elektromagneten lässt sich
ein einfacher und robuster Aufbau des Erzeugers realisieren.
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Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung
des Reaktors liegt darin, dass beliebige Probenmedien in der Reaktionskammer
untersucht werden können, also
auch Probenmedien, die keine Ladungsträger enthalten. An Stelle dessen
werden dem Probenmedium magnetische Partikel beigefügt, welche
in ihrem Bewegungszustand durch den Erzeuger für das magnetische Feld beeinflusst
werden können.
Damit übernehmen
die magnetischen Partikel die Funktion, für eine Umwälzung des Probenmediums zu
sorgen, weil der Bewegungszustand der magnetischen Partikel von
dem des Probenmediums abweicht.
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Die magnetischen Partikel sind in
ihrer Größe so klein
gewählt,
dass sie sich in der Reaktionskammer des Reaktors frei bewegen können, das heißt eine
Verstopfung der Reaktionskammer ausgeschlossen ist. Die Partikel
können
beispielsweise aus den allgemein bekannten, hartmagnetischen Materialien
hergestellt werden. Denkbar ist auch die Verwendung magnetesierbarer
Komplexverbindungen.
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Bezogen auf die im Probenmedium ablaufenden
biochemischen Reaktionen verhalten sich die magnetischen Partikel
vorteilhafterweise neutral. Diese können, um chemische Reaktionen
mit dem Probenmedium zu vermeiden, zusätzlich mit einer widerstandsfähigen Schicht
z. B. aus Keramik oder Kunststoff versehen werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung beider Erfindungen ist die Reaktionskammer ringförmig ausgebildet.
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Dies ist sowohl bei Erzeugern für elektrische wie
auch für
Magnetfelder von besonderem Vorteil, da die Ladungsträger bzw.
magnetischen Partikel in der ringförmigen Reaktionskammer umlaufen
können
und so eine effiziente Umwälzung
des Probenmediums gewährleistet
ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das magnetische und/oder
das elektrische Feld in der Reaktionskammer umläuft. Hierbei lässt sich
besonders einfach das Umlaufen der durch das Feld beeinflussten
Teilchen oder Partikel im Reaktor erreichen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung
können der
Zeichnung entnommen werden. Hierbei zeigen
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1 allgemein
den schematischen Längsschnitt
durch einen Mikroreaktor in mikromechanischer Bauweise,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer ringförmig
ausgebildeten Reaktionskammer in perspektivischer Ansicht,
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3 den
schematischen Aufbau einer Analyseeinrichtung, in der ein Ausführungsbeispiel
von ringförmigen
Reaktionskammern verwendet wird, als Blockschaltbild und
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4 schematisch
das Strömungsprofil
der Probenflüssigkeit
in einer Reaktionskammer mit magnetischen Partikeln.
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Ein Reaktor 11 ist durch
Bonden zweier Siliziumwafer 12 gebildet, wobei in einer
Trennfuge 13 zwischen den Siliziumwafern 12 die
den Reaktor bildenden Strukturen durch Ätzen in die einander zugewandten
Oberflächen
der Siliziumwafer 12 gebildet sind. Hierdurch entsteht
eine Reaktionskammer 14, de ren Volumen beliebig, z.B, zylindrisch,
gestaltet sein kann. Von dieser Reaktionskammer geht ein Einlasskanal 15 und
Auslasskanal 16 ab, wobei diese Kanäle über Durchgänge 17 in einem der
Siliziumwafer 12 an nicht dargestellte Kanalstrukturen
zur Zu- bzw. Abführung
des Probenmediums angeschlossen werden können.
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An den beiden der Trennfuge 13 abgewandten
Seiten der Siliziumwafer 12 ist eine metallische Beschichtung 18 angebracht,
die zusammen mit einer elektrischen Spannungsquelle 19 einen
Erzeuger 20 für
ein elektrisches Feld zwischen den als Kondensatorplatten wirkenden
Beschichtungen bildet, wobei diese Kondensatorplatten auch als Elektroden bezeichnet
werden können.
Die Reaktionskammer 14 befindet sich zwischen den Beschichtungen 18,
so dass Ladungsträger 21,
die Bestandteile des in der Reaktionskammer befindlichen Probenfluids
bilden, in ihrem Bewegungszustand beeinflusst werden. Hierdurch
wird eine Umwälzung
der Probenflüssigkeit
erzielt. Die Polung der Beschichtung 18 wird in regelmäßigen Zeitabständen – wie angedeutet – umgekehrt
(Intervall für
Umschalten z. B. 10 s).
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In 2 ist
ein Siliziumwafer 12a dargestellt, welcher lediglich die
eine Hälfte
eines Reaktors entsprechend der Bauweise gemäß 1 bildet. Im Unterschied zu 1 ist die Reaktionskammer 14 ringförmig ausgebildet.
Der Erzeuger 20 besteht in diesem Fall aus ineinander verschachtelten
Elektrodenpaaren 22 mit dazugehörigen Kontaktierungen 23 und
Spannungsquellen 24. An die Elektrodenpaare 22 kann
jeweils nacheinander eine Spannung angelegt werden, so dass durch
die Verschachtelung der Elektrodenpaare das zwischen den jeweiligen
Elektrodenpaaren ausgebildete elektrische Feld in der ringförmigen Reaktionskammer
umläuft,
indem es von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar sozusagen weitergegeben
wird.
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Um ein umlaufendes Feld zu erzeugen,
müssen
selbstverständlich
die verschachtelten Elektrodenpaare in der gesamten Reaktionskammer
angeordnet sein. Die drei dargestellten Elektrodenpaare 22 sollen
den Mechanismus lediglich exemplarisch darstellen.
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Die Elektrodenpaare 22 sind
durch streifenartige Metallschichten 25 gebildet, die einerseits
die Kontaktierungen 23 außerhalb der ringförmigen Reaktionskammer 14 und
andererseits die Elektrodenpaare 22 innerhalb der ringförmigen Reaktionskammer 14 bilden.
Um Wechselwirkungen mit dem Probenfluid zu vermeiden, können die
Elektrodenpaare 22 aus Edelmetallen, insbesondere Gold
oder Platin, hergestellt sein oder mit einer zusätzlichen isolierenden Beschichtung
versehen werden.
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Der 3 lässt sich
entnehmen, wie sich ein Reaktor 11, dessen Systemgrenzen
durch eine Strichpunktlinie angedeutet sind, mit weiteren Systemkomponenten
kombinieren lässt,
um einen Bioprozess nachzubilden. Das Probenfluid wird aus einem
Vorrat 26 mittels einer Pumpe 27 verschiedenen Reaktionskammern 14a,b zugeführt. Dabei
kann es beispielsweise, wie angedeutet, mit Sauerstoff versetzt
werden. In den Reaktionskammern 14a,b lassen sich unterschiedliche
Prozessparameter einstellen, so dass gleichzeitig mehrere Ansätze für die Probenflüssigkeit
untersucht werden können.
Selbstverständlich
ist die Zahl der Reaktionskammern nicht auf zwei beschränkt. Insbesondere
bei Ausführung
der Reaktionskammer durch Ätzen
in mehrere Wafer können
diese zu einem Block geschichtet werden, wodurch auf engstem Raum
eine große
Zahl von Reaktionskammern realisiert werden kann.
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Das Probenfluid ist weiterhin mit
magnetischen Partikeln 28 versehen, welche entweder bereits
dem Vorrat 26 beigemischt sind oder direkt in die Reaktionskammern 14a,b
eingebracht sind, wo sie durch geeignete Filter oder Siebe (nicht
dargestellt) gehalten werden. Ein Erzeuger 29 für ein magnetisches
Feld besteht aus einem Permanentmagneten, welcher entsprechend der
angedeuteten Pfeile um ein Zentrum 30 drehbar ist und so
in den Reaktionskammern 14a,b ein umlaufendes Magnetfeld
erzeugt. Dieses versetzt auch die magnetischen Partikel 28 in
Bewegung. Die magnetischen Partikel 28 sorgen für eine ständige Umwälzung der
Probenflüssigkeit
in den Reaktionskammern 14a,b, wodurch sich in diesen ein
quasi stationärer
Zustand einstellen kann.
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Alternativ zum Permanentmagneten 29 können elektrische
Spulen an den Reaktionskammern angeordnet werden, von denen die
Spule 29a exemplarisch dargestellt ist. Diese Spulen können zu
mehreren angeordnet werden um ein umlaufendes Magnetfeld entsprechend
des zu 2 erläuterten
Mechanismus zu erzeugen.
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Während
des Durchlaufens des Bioprozesses werden die Prozessparameter durch
Mikrosonden 31 überwacht.
Mittels der Mikrosonden 31 können z. B. der pH-Wert bzw.
die Sauerstoffkonzentration in der Reaktionskammer bestimmt werden.
Weiterhin wird im Analysemodul 32 das den Reaktionskammern 14a,b entnommene
Probenfluid genau untersucht, um Aufschluss über die gewünschten Reaktionsprodukte zu
erhalten. Die in dem Analysemodulen 32 und die Mikrosonden 31 gesammelten
Daten werden mittels Signalleitungen 33 in einer Auswertungseinheit 34 gesammelt
und können
aus dieser abgerufen werden.
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In 4 ist
der Umwälzmechanismus
schematisch dargestellt, der durch die magnetischen Partikel 28 in
dem ringförmigen
Kanal der Reaktionskammer 14a, gemäß 3 erreicht wird. Durch die geringe Abmessung
der mikromechanisch hergestellten Reaktionskammer ist das ungestörte Strömungsprofil 35 sehr
gleichmäßig, d.
h. laminar ausgebildet. Daher ist eine Durchmischung aufgrund der Strömung der
Probenflüssigkeit,
etwa durch Diffusion oder Turbulenzen, selbst unzureichend.
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Das magnetische Partikel 28 wird,
wie durch einen Pfeil angedeutet, entgegen der Probenflüssigkeit
bewegt und daher durch diese umströmt. Hierdurch entsteht ein
gestörtes
Strömungsprofil 36 mit wesentlich
höheren
Geschwindigkeiten aufgrund des durch das magnetische Partikel 28 verminderten Querschnittes.
Diese kurzzeitige Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit führt zu Turbulenzen 37 in
der Probenflüssigkeit,
wodurch eine Umwälzung
und die daraus folgende Durchmischung der Probenflüssigkeit
erreicht wird.