WO2000050884A2 - Method and device for sorting microscopic particles according to size based on noise-induced transport - Google Patents

Method and device for sorting microscopic particles according to size based on noise-induced transport Download PDF

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WO2000050884A2
WO2000050884A2 PCT/EP2000/001369 EP0001369W WO0050884A2 WO 2000050884 A2 WO2000050884 A2 WO 2000050884A2 EP 0001369 W EP0001369 W EP 0001369W WO 0050884 A2 WO0050884 A2 WO 0050884A2
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barrier
carrier medium
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Christiane Kettner
Peter Hänggi
Frank Müller
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MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/02—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor characterised by their properties
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    • B01D43/00—Separating particles from liquids, or liquids from solids, otherwise than by sedimentation or filtration
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0039—Inorganic membrane manufacture
    • B01D67/0053—Inorganic membrane manufacture by inducing porosity into non porous precursor membranes
    • B01D67/0058—Inorganic membrane manufacture by inducing porosity into non porous precursor membranes by selective elimination of components, e.g. by leaching
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    • B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/02—Details relating to pores or porosity of the membranes
    • B01D2325/022—Asymmetric membranes

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the noise-induced transport of microscopic particles in macroporous material, in particular a method for particle separation, in which microscopic particles which are suspended in a carrier liquid are separated depending on their size, which is a particle size selective pumping method , and devices for implementing and using such a method.
  • Microscopically small particles suspended in a carrier medium experience not only the effects of external, deterministic forces (eg gravitation, possibly mechanical flow forces), but also the effects of random fluctuations.
  • the random forces are exerted by the thermally moving molecules of the carrier medium, which abut against the particles, and thus even particle movements things Doomed ⁇ .
  • Microscopically small, suspended particles form a high-dimensional, coupled system with highly non-linear physical effects with the carrier medium. These effects include, for example, the movement of particles in periodic asymmetrical electrical or chemical potentials (so-called ratchet potentials) against the Rich ⁇ processing of an external force (see R. Bartussek et al. In “. Phys leaves” Volume 51, 1995, Page 506 ff).
  • HystE ⁇ are rese effects in the force-velocity diagram of microscopic particles known (see F. Jülich et al., "Rev. Mod. Phys.”, Vol 69, 1997, page 1269 et seq).
  • the phenomena in the movement of microscopic particles in carrier media have so far been of theoretical interest.
  • the generation of an electrical ratchet potential in areas of interest for the manipulation of microscopic particles is problematic.
  • the use of an electrical ratchet potential is limited to electrically charged particles.
  • the object of the invention is to provide a novel method for separating microscopic particles using non-linear force effects in the carrier medium, which has a wide range of applications with regard to particle types and sizes and a high speed and effectiveness.
  • the object of the invention is also to provide devices for implementing such a method and uses of the method.
  • the invention is based on the idea of pumping, in particular separating or separating, microscopic particles suspended in a carrier medium depending on the size.
  • the carrier medium with the particles is pumped at least partially in a periodically varying direction through a plurality of channels or pores which have an irregular profile in the axial direction (asymmetrically modulated pore diameter). Due to the varying pore diameter and the periodically reversing flow direction There is a temporally and locally varying speed of the suspended particles in the pores.
  • the superimposition of this deterministic movement (which is usually set so that it disappears on average) with the thermal diffusion leads to a non-vanishing net movement of the particles. Since both the direction and strength of this net motion strongly depend on the particle size, it can be used to separate the suspended particles according to their size.
  • the carrier medium with the particles flows several times through a barrier device (also called a pump membrane, pore membrane, transfer wall) which comprises the multiplicity of channels or pores with the asymmetrically modulated pore diameter.
  • a barrier device also called a pump membrane, pore membrane, transfer wall
  • the repeated flow through the barrier device takes place with changing flow directions.
  • microscopic particles are understood to mean synthetic or natural particles with characteristic dimensions below 10 ⁇ m, preferably in the range from 0.05 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • Synthetic particles are e.g. B. plastic beads or macromolecules.
  • Natural particles are e.g. B. biological cells or cell components or macromolecules or other microscopic biological objects.
  • the carrier medium is an application-specific suspension liquid (e.g. water, an aqueous solution, an oil or the like).
  • Flow through here does not necessarily mean complete penetration of the carrier medium through the barrier device during a pumping period.
  • the flow means that the carrier medium swings back and forth between the chambers on the sides of a barrier device at least partially under an external periodic drive. It is not absolutely necessary for the carrier medium to be Process flows entirely from one chamber to another.
  • a mechanical vibration (such as a sound vibration) is triggered in the carrier medium and leads to the passage through the barrier device.
  • Any incompressible liquid which is suitable as a suspension medium or solution for the particles can be used as the carrier medium.
  • Embodiments can also be formed in the pores of the barrier device symmetrical profiles (i.e. uniform diameter fluctuations).
  • the periodically repeated flow is carried out with an asymmetrical time profile.
  • Asymmetric means that the mean value of the pump pressure is 0, but not necessarily the higher moments. For example, be pumped very strongly in the positive z-direction for a short time and then in the negative direction for a longer time with weaker pressure.
  • a device for particle separation according to the invention comprises a liquid bath with at least two partial areas, each of which is separated by a barrier device with a plurality of axially profiled channels or pores, and a flow drive device.
  • the flow drive device is formed by a pump device for the carrier medium, a transport device for the barrier device or a swivel device for the entire separating device.
  • the invention also relates to a method for producing a barrier device from macroporous material, which is used in a device according to the invention.
  • An important advantage of the invention is that the barrier device forms a size filter which can be tuned via the flow rate.
  • the separating device can be adjusted with respect to the pump amplitude and frequency so that the particles to be separated are moved in different directions.
  • Preferred uses of the invention are in the field of chemistry, medicine or biology, in particular when separating and, if appropriate, subsequently analyzing mixtures of particles, in particular mixtures of macromolecules.
  • the invention has the following advantages.
  • the particle separation according to the invention is contactless and is based on non-electrical forces. This results in a wide range of uses for the particle separation according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic plan view of a first embodiment of a separation device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic top view of a further embodiment of a separating device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a further embodiment of a separating device according to the invention with a compact design
  • 4 shows a schematic side view of a further embodiment of a separating device according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view of a further embodiment of the separating device according to the invention.
  • Fig. 10 is a schematic scanning electron microscopic
  • FIG. 11 shows an enlarged illustration of a section of a further pore profiling.
  • the core of the invention is the design and use of the barrier device with a large number of profiled pores. Before the details of the entire separating device and the barrier device are explained, the basic considerations on which the invention is based are described below. Transport of particles through profiled pores
  • the carrier medium with the suspended particles flows through the barrier device with the large number of periodically profiled pores, with a time-oscillating reversal of direction with a small amplitude.
  • the total flow of the carrier medium generally disappears over time, but can also be designed for a net flow in a design variant.
  • a size-dependent net movement of the particles into one of the reservoirs is formed. This net movement results from the following considerations, the explanation of which relates to FIGS. 6 to 8.
  • the flow through a profiled pore according to FIG. 6 is considered.
  • 6 shows the pore diameter in the x-direction as a function of the longitudinal extent of the pore in the z-direction using the example of a sawtooth-shaped pore shape.
  • the direction in which the pore diameters decrease in the longer pore sections is defined as the pore orientation (positive z direction).
  • the opposite direction (here: negative z direction) in which the pore diameters decrease in shorter pore sections is referred to as the pore counter-orientation.
  • the pore diameter varies periodically in the um range, e.g. from 1.4 ⁇ m to 4 ⁇ m.
  • this asymmetrical pore shape in which short areas in the z direction, in which the pore diameter increases, alternates with longer areas in the z direction, in which the pore diameter decreases, is modeled by two sine modes.
  • the determination equation for the trajectory x (t) of a particle according to equation (2) then takes the form of a stochastic differential equation of the first order (so-called Langevm equation):
  • D kT / ⁇ mean the thermal diffusion constant, where k is given by the Boltzmann constant and ⁇ by the Stokes friction constant according to 6 ⁇ Rv (particle radius R, viscosity of the carrier medium v).
  • the square brackets stand for an ensemble averaging, i.e. an averaging over different realizations of the noise.
  • Equation (2) is solved by numerical integration with respect to time, where ⁇ ⁇ (t) is supplied by a random generator. This procedure is referred to below as simulation. The averaging over the results of several simulations gives statistical statements such as the ensemble mean values ⁇ x (t run )) or ⁇ x 2 (t rU n)> for any runtime t r un «
  • equation (2) is rewritten into a Fokker-Planck equation, an alternative solution method results for independent control of the modeling results.
  • the Fokker-Planck equation is a deterministic partial differential equation for the probability density P (x, t), which specifies the probability of the particle being at x at time t. This equation is then solved numerically on a spatial grid.
  • the modeling has led to a physically meaningful area in the parameter space, in which significant transport speeds (of the particles or the carrier medium) occur in the range from 0.2 to 0.8 ⁇ m / s.
  • An advantage of the invention is in particular that these transport speeds are similar to the speeds that occur in biological systems with noise-induced mass transport.
  • the amplitude of the pumping was adjusted so that a carrier medium molecule that starts on the pore axis (z direction) in a constriction (location with the smallest pore diameter) covered a simple pore period of 6 ⁇ m in half a pumping period. This value was chosen from the point of view of the best use of pore asymmetry.
  • FIG. 7 shows the modeling results for the standard parameters mentioned.
  • the graphs illustrate the z component of the movement paths of sample particles with different sizes over the course of a large number of pumping periods.
  • the sample particles are spherical plastic particles (eg polyester spheres). 6 is repeatedly flowed through uniformly with the pump period mentioned, the direction of flow is reversed after each period.
  • movement paths with a medium movement towards negative z values, ie to the left in FIG. 6.
  • For larger particles with a diameter of 0.7 ⁇ m (right part of FIG. 7) there is a stronger mean movement towards negative z values and also a localization effect.
  • the localization effect means that the particles stay for a long time between the narrow points and the wide points to the right of them.
  • the modeling results shown show that with a suitable choice of the flow parameters, the particles carry out size-dependent average movements in opposite directions. Repeated flow through the pores (the barrier device) results in the particles collecting separately on the sides of the barrier device depending on their size.
  • FIG. 1 does not show a schematic plan view of a separation device 100 with two chambers (or reservoirs) 110, 120, which are separated by a barrier device in the form of the essentially planar macroporous barrier element 130.
  • the chamber 110 (on the left in the illustration) is delimited by the barrier element 130 and side walls 111, 112.
  • the (right) chamber 120 is delimited by the barrier element 130, the side walls 121 and an elastically deformable side wall 122.
  • the elastically deformable side wall 122 is preferably an elastic membrane.
  • the closed bottom and top surfaces of the chambers are not shown in Fig. 1.
  • the side walls 111, 112 and 121 consist of a suitable rigid material, preferably plastic, such as plexiglass. The following chamber dimensions can be provided.
  • the side walls 111, 121 each have a length of around 0.5 mm.
  • the side walls 112, 122 and the chamber height (perpendicular to the image plane) each amount to approximately 10 mm (illustration not to scale).
  • the barrier element 130 extends over the entire cross section of the separating device 100 and accordingly has an area of approximately 10 '10 mm 2 .
  • the thickness of the barrier element 130 is, for example, 120 ⁇ m.
  • the chamber depth perpendicular to the barrier element is preferably substantially smaller (eg smaller than 1/10) than the typical transverse dimensions of the barrier element, since the particles are transported outside the barrier element essentially in a diffusion-determined manner.
  • the chamber depth can also be greater. It is also possible to provide a stirring device in the chambers for transporting the particles to the barrier element.
  • the chamber 110 which has no elastic side wall, has a connection attachment 113 to the flow drive device 140 on the side wall 112 opposite the barrier element 130.
  • the flow drive device 140 consists of a pump device 141 with a piston 142 which projects into the connecting projection 113 and can be actuated by an electric motor 143.
  • the flow drive device 140 is designed to periodically alternately form an overpressure and underpressure in the chamber 110, under the effect of which the carrier medium 150 flows accordingly into the second chamber 120 or back into the first chamber 110. This periodic pumping movement is achieved by advancing and retracting the piston 142 in accordance with flow parameters selected as a function of the application (see above).
  • a typical pump frequency is approx. 40 Hz.
  • the flow drive device 140 can also be constructed like a loudspeaker, so that a density fluctuation in the carrier medium is conveyed via the loudspeaker membrane, or with a piezo drive.
  • the barrier element 130 consists of a macroporous material, preferably of macroporous silicon, the manufacture and properties of which are explained in detail below.
  • the barrier element 130 is penetrated by parallel pores 131 which run essentially perpendicular to the plane alignment of the barrier element.
  • the pores have characteristic diameters in the range from around 500 nm to 50 ⁇ m.
  • the pore spacing is in the range of around 500 nm to 1.5 ⁇ m. Accordingly, with the specified size of the barrier element 130, up to 1.5 million pores 131 are located in the barrier element. In general, the pore spacing is preferably chosen to be larger than the pore diameter.
  • the separation device 100 is loaded with the carrier medium 150.
  • the particle mixture is then fed to the carrier medium as a suspension. This can take place via feed elements (not shown) in both chambers 110, 120 or only in one of the chambers.
  • the periodic pumping process of the barrier element 130 is then started.
  • a density fluctuation is impressed on the carrier medium with a predetermined pump amplitude and frequency, which causes at least a portion of the carrier medium to flow through the barrier device.
  • the particle transport within the chambers is determined by diffusion. In accordance with the principles explained above, the concentration of particles with a smaller or larger diameter increases in one or the other chamber.
  • the pores 131 of the barrier element 130 have an asymmetrical profile which is aligned in the same way in all pores.
  • the barrier element 130 contains an orientation corresponding to the pore orientation (see above).
  • the larger particles move in the direction of the pore orientation and the smaller particles in the direction of the sample counter-orientation. If, for example in the design according to FIG. 1, the pore orientation is directed to the right, ie towards the chamber 120, then collect the larger particles in chamber 120 and smaller particles in chamber 110.
  • one or both chambers are divided into parallel subchambers themselves with at least one impermeable partition wall perpendicular to the bamer element and the barrier element consists of at least two sub-elements, each one chamber and one sub-chamber or two sub-chambers separate from each other.
  • Each sub-element of the Bamere element is designed for a different separation size, so that it can be separated into at least 3 size groups.
  • FIG. 2 A further modification of the separating device according to FIG. 1 is illustrated with the separating device 200 according to FIG. 2.
  • the structure, the dimensions and the materials of the separating device 200 essentially correspond to those of the separating device 100.
  • three chambers 210, 220 and 250 are shown, which are each separated from one another by the barrier elements 230 and 240, respectively.
  • the chamber 250 furthest away from the current drive device 240 is in turn equipped with an elastic side wall 232.
  • the remaining side walls 211, 212, 221, 231 are again made of rigid material (e.g. plastic).
  • the separating device 200 represents a series connection of several separating chambers, the barrier elements 130, 140 differing in their separating properties (pore profile, pore diameter), so that a particle mixture with a size distribution in three particle groups with three size classes can be separated.
  • the principle of series connection of several separation chambers shown in FIG. 2 can be extended accordingly with further separation chambers.
  • the particles to be separated can be fed into the center or into one of the side chambers.
  • 3 shows a further embodiment of a separating device 300 according to the invention, which is designed in a compact chip form.
  • the separating device 300 in turn has two chambers 310, 320 which are separated by the barrier element 330 with pores profiled according to the invention.
  • the first chamber 130 can be charged with a particle suspension via a feed channel 314.
  • a pressure measurement channel 315 is also provided, via which the chamber 310 is connected to a pressure sensor 316.
  • the second chamber 320 is connected via the connecting attachment 323 to the flow drive device 340, which in turn accordingly contains an electrically operated piston pump 341.
  • the second chamber 320 is also connected to a pressure sensor 326 via a pressure measurement channel 325.
  • the reference number 370 denotes the beam path of excitation light (for example laser light) for excitation of the photoluminescence, which is provided with the spectrometer device 371 for monitoring the particle separation.
  • the chamber pressure can be compared with the required pump amplitude determined by the theoretical modeling and the separation process can be precisely controlled.
  • the chambers 310, 320, the feed channel 314, the pressure measuring channels 315, 325 and the connecting extension 323 are embedded in a carrier material (for example made of plastic), so that the entire separating device 300 has a compact design, which is advantageously used as a component in a system for Manipulation of microscopic particles can be used.
  • a carrier material for example made of plastic
  • FIG. 4 An alternative design of the flow drive device of a separation device according to the invention is illustrated schematically in FIG. 4.
  • the separation device 400 is shown in a schematic sectional view from the side. Chambers 410 and 420 are in turn separated by barrier element 430.
  • the barrier element 430 is movably attached and can be moved to the left or right with the flow drive device 440.
  • the barrier element 430 is shifted periodically (in the ⁇ m range)
  • the adjacent chambers 410, 420 are correspondingly reduced or enlarged, so that the carrier medium flows through the barrier element 430 in order to equalize the pressure.
  • the separation process with the moving barrier element 430 takes place according to the principles mentioned above, i.e. the larger particles are moved in the direction of the pore orientation and the smaller particles in the direction of the pore opposite orientation.
  • the flow drive device 540 for generating a carrier medium flow between the chambers 510, 520, which in turn are separated by the barrier element 530 consists of a pivot mechanism 541, which is designed to pivot the separating device 500 from a vertical orientation into the opposite vertical orientation .
  • the carrier medium flows through the barrier element 530. This flow is repeated again periodically until the size-dependent separation of the particles in the carrier medium is complete.
  • the flow drive device 540 could additionally have a centrifugation device (not shown) with which the carrier medium flow between the chambers is additionally set.
  • Advantages of the invention are that the particle separation takes place quickly (without clogging of the barrier element 130 acting as a "filter”). Furthermore, the separation effect of depending on the total size of the particles. Rod-shaped particles, which may pass through the filter incorrectly in a sieve filter with suitable alignment, cannot pass through the barrier device according to the invention. Any materials can be used for use in medical applications, for example. Above all, further integration with micromechanical components based on silicon is also conceivable. Since the Si is covered with a Si0 2 layer, one has a very inert material. The surface has the same chemical properties as the usual glass jars.
  • the lighting creates holes (missing electrons) in the valence band, which are required for the reaction of the silicon with the hydrofluoric acid. Since the illumination is from the back and the penetration depth of the light is only a few ⁇ m, the holes as minority carriers have to diffuse through the entire silicon wafer in order to trigger the etching process on the front with the structuring. For geometric reasons, the diffusing holes first arrive at the depressions previously defined by lithography. These act as germs for pore formation, because is etched first on the depressions. This phenomenon is intensified by the focusing effect of the electric fields in the space charge zone around the depressions or pores.
  • the etching nuclei Due to the regular arrangement and size of the etching nuclei during the photo-lithographic pretreatment, it can be achieved in this way that the same etching conditions prevail for all pores and that the pores each have the same diameter as a function of the z direction (transverse to the plane of the disk).
  • the barrier elements used in accordance with the invention for example silicon wafers (5 ⁇ c, n-type, FZ) with a square grid of pore nuclei are used. The distance between the germs and thus the etched pores is around 3.5 ⁇ m, the HF concentration is 5%. The etching process takes place with an etching voltage of 2.7 V. The characteristic pore diameter of a reference sample without pore profiling is 1.7 ⁇ m.
  • etching process is therefore determined by the ratio of the total current to the proportion of the led hole current described.
  • a measure of the illumination intensity is defined with a photosensitive element and an efficiency ⁇ is then calculated from this as a ratio of the measured etching current I atz and photocurrent I Photo of the photosensitive element in accordance with equation (3).
  • ⁇ Ierson / Iphoto (3)
  • the sawtooth-shaped current for the etching current for unprofiled straight pores is first increased by a factor of 3.
  • profiling There are two ways to implement profiling. First of all, it is possible to increase the current very quickly to 3 times the value (e.g. within 1 s) and then slowly return to the initial value within minutes. Second, it is possible to slowly increase the current and then let the current drop off quickly.
  • the first variant has the disadvantage that the electrochemical process cannot follow the rapid initial change. It is no longer possible to use up all the holes offered in the etching process.
  • the efficiency ⁇ according to equation (3) no longer describes the process in real terms, and the illuminance would have to be changed by more than a factor of 3.
  • the second option is therefore preferred, since the photocurrent can follow the illuminance well with a slow increase and a rapid decrease in the current intensity and the efficiency remains sufficiently constant.
  • 9 shows the etching current and the efficiency ⁇ in the production of profiled pores using an example.
  • the current curve shows the relatively slow increase in the etching current followed by a rapid decrease.
  • a time range of constant current is provided before the rise again.
  • the period of 825 s is made up as follows.
  • the linear increase lasts 220 s and corresponds to a pore depth of 3.2 ⁇ m.
  • the scanning electron microscopic cross-sectional view of the pores in FIG. 10 illustrates the profiling of the pores achieved with such a current modulation.
  • the period length is around 10.8 ⁇ m, within which the section of constant diameter has a length of around 4.8 ⁇ m.
  • the efficiency curve according to FIG. 9 shows no large fluctuations, it has a clear fine structure. Already within the first seconds after the beginning of the linear increase you can see a characteristic structure with a small peak downwards and then a sharp peak upwards. This structure is repeated in all five periods. Thereafter, the efficiency remains essentially constant at the original value until approximately twice the current is reached. After a drop in efficiency, after the maximum of the etching current has been exceeded, there is a further increase. After the end of the ramp, there is a sudden reduction in efficiency to a value that is above the original equilibrium value. During the following constant current intensity, the efficiency falls back to the equilibrium value. The length of the pore piece with constant diameter corresponds essentially to the range of constant efficiency.
  • FIG. 11 An enlarged representation of a further pore profile is shown in FIG. 11.
  • the constant current range is shortened (halving compared to the conditions in Fig. 10). This eliminates the area of constant pore diameter and the asymmetrical ramp shape is clearly recognizable. The decrease in the pore diameter takes place during the etching within an etching time which is approximately two times shorter than the increase.
  • the production of the barrier element of a separation device according to the invention is not restricted to the use of macroporous silicon. Rather, all other semiconductor or plastic materials that can be structured in a suitable manner can also be used.
  • the parameters of the pore profiling (asymmetry ratios, diameter, number of periods, pore diameter) can be selected depending on the application.
  • the manufacture of the barrier element of a separating device according to the invention is also not limited to the specified size of the silicon wafer. Silicon wafers can be produced much larger, so that the separating device can also be dimensioned correspondingly larger.
  • the separator can be constructed as a flow system.

Abstract

In order to sort microscopic particles according to size which are contained in a supporting medium, portions of the supporting medium with suspended particles repeatedly flow with alternating reversal of flow direction through a barrier device (130) between at least two chambers of a separating device (100), whereby the barrier device (130) has pores with an axial shaping in which net forces are exerted on the particles in the flowing supporting medium so that the particles accumulate according to size on the opposite sides of the barrier device. During flow, a net transport speed of the particles according to particle size is adjusted by the superposition of the movement of flow in the pores having the thermal diffusion of the particles.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur größenabhängigen Method and device for size-dependent
Sortierung mikroskopisch kleiner Teilchen auf derSorting microscopic particles on the
Basis von rauschinduziertem TransportBasis of noise-induced transport
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum rauschinduzierten Transport mikroskopisch kleiner Teilchen in makroporösem Material, insbesondere ein Verfahren zur Teilchentrennung, bei dem mikroskopisch kleine Teilchen, die in einer Trägerflüssigkeit suspendiert sind, in Abhängigkeit von ihrer Größe getrennt werden, das ein teilchengrößenselektives Pumpverfahren darstellt, und Vorrichtungen zur Implementierung und Verwendungen eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method and a device for the noise-induced transport of microscopic particles in macroporous material, in particular a method for particle separation, in which microscopic particles which are suspended in a carrier liquid are separated depending on their size, which is a particle size selective pumping method , and devices for implementing and using such a method.
Mikroskopisch kleine Teilchen, die in einem Trägermedium suspendiert sind, erfahren nicht nur die Wirkung äußerer, determi- ministischer Kräfte (z.B. Gravitation, ggf. mechanische Strömungskräfte) , sondern auch die Wirkungen statistisch fluktuierender Zufallskräfte. Die Zufallskräfte werden durch die thermisch bewegten Moleküle des Trägermediums ausgeübt, die gegen die Teilchen stoßen und damit selbst Teilchenbewegungen verur¬ sachen. Mikroskopisch kleine, suspendierte Teilchen bilden mit dem Trägermedium ein hochdimensionales, gekoppeltes System mit hochgradig nichtlinearen physikalischen Effekten. Zu diesen Effekten zählt beispielsweise die Bewegung von Teilchen in periodischen, asymmetrischen elektrischen oder chemischen Potentialen (sogenannte Ratschen-Potentiale) entgegen der Rich¬ tung einer äußeren Kraft (siehe R. Bartussek et al. in "Phys. Blätter" Band 51, 1995, Seite 506 ff) . Ferner sind auch Hyste¬ rese-Effekte im Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm mikroskopisch kleiner Teilchen bekannt (siehe F. Jülicher et al . in "Rev. Mod. Phys.", Band 69, 1997, Seite 1269 ff). Die Erscheinungen bei der Bewegung mikroskopisch kleiner Teilchen in Trägermedien sind bislang von theoretischem Interesse. Beispielsweise ist die Erzeugung eines elektrischen Ratschen- Potentials in für die Manipulierung mikroskopisch kleiner Teilchen interessierenden Raumbereichen problematisch. Ferner ist die Anwendung eines elektrischen Ratschen-Potentials auf elektrisch geladene Teilchen beschränkt.Microscopically small particles suspended in a carrier medium experience not only the effects of external, deterministic forces (eg gravitation, possibly mechanical flow forces), but also the effects of random fluctuations. The random forces are exerted by the thermally moving molecules of the carrier medium, which abut against the particles, and thus even particle movements things Doomed ¬. Microscopically small, suspended particles form a high-dimensional, coupled system with highly non-linear physical effects with the carrier medium. These effects include, for example, the movement of particles in periodic asymmetrical electrical or chemical potentials (so-called ratchet potentials) against the Rich ¬ processing of an external force (see R. Bartussek et al. In ". Phys leaves" Volume 51, 1995, Page 506 ff). Furthermore HystE ¬ are rese effects in the force-velocity diagram of microscopic particles known (see F. Jülich et al., "Rev. Mod. Phys.", Vol 69, 1997, page 1269 et seq). The phenomena in the movement of microscopic particles in carrier media have so far been of theoretical interest. For example, the generation of an electrical ratchet potential in areas of interest for the manipulation of microscopic particles is problematic. Furthermore, the use of an electrical ratchet potential is limited to electrically charged particles.
Es ist ferner bekannt, beim elektrochemischen Ätzen von n- leitendem Silizium unter Rückseitenbeleuchtung mikroskopisch kleine Poren zu erzeugen, die sich durch ein Siliziumsubstrat senkrecht zur Substratebene erstrecken. Durch die lithographische Definition von Porenkeimen lassen sich regelmäßige Porenanordnungen erzeugen (siehe V. Lehmann et al . in "J. Electro- chem. Soc", Band 137, 1990, Seite 653 ff, und in Band 140, 1993, Seite 2836 ff) . Die Erzeugung der Porenanordnungen im Silizium ist auf die Herstellung von zweidimensionalen photonischen Kristallen gerichtet. Es ist zwar bekannt, mit einer sinusförmigen Strommodulation beim elektrochemischen Ätzen eine periodische Durchmesservariation in den Poren zu erzielen (siehe V. Lehmann et al . in "Thin Solid Films", Band 297, 1997, Seite 13 ff) , für die photonischen Kristalle sollen Durchmesseränderungen mit Abhängigkeit von der Porentiefe jedoch gerade unterdrückt werden (siehe A. Birner et al . in "Phys. Stat. Sol. (a)", Band 165, 1998, Seite 111 ff). Die Ausbildung vorbestimm- ter Profilformen entlang der Porenlängsrichtung ist bisher weder bekannt noch von technischem Interesse.It is also known to generate microscopic pores during electrochemical etching of n-conducting silicon under backlighting, which extend through a silicon substrate perpendicular to the substrate plane. The pore nuclei can be lithographically defined to create regular pore arrangements (see V. Lehmann et al. In "J. Electrochem. Soc", volume 137, 1990, page 653 ff, and in volume 140, 1993, page 2836 ff) . The generation of the pore arrangements in the silicon is aimed at the production of two-dimensional photonic crystals. It is known to achieve a periodic diameter variation in the pores with a sinusoidal current modulation during electrochemical etching (see V. Lehmann et al. In "Thin Solid Films", Volume 297, 1997, page 13 ff), for the photonic crystals Diameter changes depending on the pore depth are just suppressed (see A. Birner et al. In "Phys. Stat. Sol. (A)", volume 165, 1998, page 111 ff). The formation of predetermined profile shapes along the longitudinal direction of the pores is hitherto neither known nor of technical interest.
In der chemischen Technologie, Medizin und Biologie besteht ein Interesse an der Handhabung von Teilchengemischen, die Teilchen verschiedener Größe umfassen und in der Regel in suspendierter Form in bestimmten Trägermedien vorliegen. Hierzu ist insbesondere allgemein die Chromatographie, das Prinzip des Durchsickerns durch enge Röhrchen und die sog. "field flow fractionation"-Methode bekannt. Es ist ferner bekannt, mikroskopisch kleine Teilchen mit Filtern größenabhängig zu tren- nen. Ein Filter wirkt wie ein Sieb mit einer 'bestimmten Maschenbreite, das von genügend kleinen Teilchen passiert werden kann, während große Teilchen im Filter zurückbleiben. Dieses Filterprinzip ist nachteilig, da sich die Filter schnell mit den großen Teilchen, die nicht passieren können, zusetzen. Dies gilt insbesondere bei biologischen Anwendungen, bei denen die Zellen am Filtermaterial adsorbieren, wodurch die Filter verstopft werden.In chemical technology, medicine and biology, there is an interest in the handling of particle mixtures that comprise particles of different sizes and are usually in suspended form in certain carrier media. Chromatography, the principle of leakage through narrow tubes and the so-called "field flow fractionation" method are generally known for this purpose. It is also known to separate microscopic particles with filters depending on their size. nen. A filter acts like a sieve with a ' certain mesh width, which can be passed by enough small particles, while large particles remain in the filter. This filter principle is disadvantageous because the filters quickly become clogged with the large particles that cannot pass through. This applies in particular to biological applications in which the cells adsorb on the filter material, which clogs the filter.
Die Nachteile herkömmlicher Trennverfahren bestehen allgemein darin, daß diese entweder zu langsam oder in der Genauigkeit der Trennung nicht genug verfeinerbar sind.The disadvantages of conventional separation methods are generally that they are either too slow or cannot be refined enough in the accuracy of the separation.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neuartiges Verfahren zur Trennung mikroskopisch kleiner Teilchen unter Ausnutzung nichtlinearer Kraftwirkungen im Trägermedium anzugeben, das einen breiten Anwendungsbereich in bezug auf die Teilchenarten und -großen und eine hohe Geschwindigkeit und Effektivität besitzt. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Vorrichtungen zur Implementierung eines derartigen Verfahrens und Verwendungen des Verfahrens anzugeben.The object of the invention is to provide a novel method for separating microscopic particles using non-linear force effects in the carrier medium, which has a wide range of applications with regard to particle types and sizes and a high speed and effectiveness. The object of the invention is also to provide devices for implementing such a method and uses of the method.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These objects are achieved by a method and a device with the features according to claims 1 and 9, respectively. Advantageous embodiments and uses of the inventions result from the dependent claims.
Die Erfindung basiert auf der Idee, mikroskopisch kleine Teilchen, die in einem Trägermedium suspendiert sind, in Abhängigkeit von der Größe pumpen, insbesondere zu separieren oder zu trennen. Dazu wird das Trägermedium mit den Teilchen in periodisch variierender Richtung zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Kanälen oder Poren gepumpt, die in axialer Richtung eine unregelmäßige Profilierung aufweisen (asymmetrisch modulierter Porendurchmesser) . Durch den variierenden Poren- durchmesser und die periodisch sich umkehrende Strömungsrich- tung kommt es zu einer zeitlich und örtlich variierenden Geschwindigkeit der suspendierten Teilchen in den Poren. Die Überlagerung dieser deterministischen Bewegung (die meist so eingestellt wird, daß sie im zeitlichen Mittel verschwindet) mit der thermischen Diffusion führt zu einer nicht-verschwin- denden Nettobewegung der Teilchen. Da sowohl Richtung als auch Stärke dieser Nettobewegung stark von der Teilchengröße abhängen, kann sie zur Trennung der suspendierten Teilchen nach ihrer Größe verwendet werden.The invention is based on the idea of pumping, in particular separating or separating, microscopic particles suspended in a carrier medium depending on the size. For this purpose, the carrier medium with the particles is pumped at least partially in a periodically varying direction through a plurality of channels or pores which have an irregular profile in the axial direction (asymmetrically modulated pore diameter). Due to the varying pore diameter and the periodically reversing flow direction There is a temporally and locally varying speed of the suspended particles in the pores. The superimposition of this deterministic movement (which is usually set so that it disappears on average) with the thermal diffusion leads to a non-vanishing net movement of the particles. Since both the direction and strength of this net motion strongly depend on the particle size, it can be used to separate the suspended particles according to their size.
Es ist insbesondere vorgesehen, daß Trägermedium mit den Teilchen mehrfach eine Barriereeinrichtung (auch Pumpmembran, Porenmembran, Übertragungswand genannt) durchströmt, die die Vielzahl von Kanälen oder Poren mit dem asymmetrisch modulierten Porendurchmesser umfaßt. Das wiederholte Durchströmen der Barriereeinrichtung erfolgt unter jeweils wechselnder Strömungsrichtung.In particular, it is provided that the carrier medium with the particles flows several times through a barrier device (also called a pump membrane, pore membrane, transfer wall) which comprises the multiplicity of channels or pores with the asymmetrically modulated pore diameter. The repeated flow through the barrier device takes place with changing flow directions.
Unter mikroskopisch kleinen Teilchen werden im Rahmen der Erfindung synthetische oder natürliche Teilchen mit charakteristischen Dimensionen unterhalb von 10 μ , vorzugsweise im Bereich von 0.05 μm bis 2 μm, verstanden. Synthetische Teilchen sind z. B. Kunststoffkügelchen oder Makromoleküle. Natürliche Teilchen sind z. B. biologische Zellen oder Zellbestandteile oder Makromoleküle oder andere mikroskopisch kleine biologische Objekte. Das Trägermedium ist eine anwendungsabhängig gewählte Suspensionsflüssigkeit (z.B. Wasser, eine wäßrige Lösung, ein Öl oder dgl . ) .In the context of the invention, microscopic particles are understood to mean synthetic or natural particles with characteristic dimensions below 10 μm, preferably in the range from 0.05 μm to 2 μm. Synthetic particles are e.g. B. plastic beads or macromolecules. Natural particles are e.g. B. biological cells or cell components or macromolecules or other microscopic biological objects. The carrier medium is an application-specific suspension liquid (e.g. water, an aqueous solution, an oil or the like).
Unter Durchströmen wird hier nicht notwendig ein vollständiges Durchsetzen des Trägermediums durch die Barriereeinrichtung bei einer Pumpperiode verstanden. Das Durchströmen bedeutet, daß das Trägermedium zumindest teilweise unter einem äußeren periodischen Antrieb zwischen den Kammern auf den Seiten einer Barriereeinrichtung hin- und herschwingt. Dabei ist nicht zwingend erforderlich, daß das Trägermedium im Lauf des Trenn- Vorgangs ganz von einer Kammer zur anderen Kämmer strömt. Im Trägermedium wird also eine mechanische Schwingung (wie eine Schallschwingung) auslöst, die zum Durchtritt durch die Barriereeinrichtung führt. Als Trägermedium ist jede inkompressi- ble Flüssigkeit verwendbar, die als Suspensionsmedium oder Lösung für die Teilchen geeignet ist.Flow through here does not necessarily mean complete penetration of the carrier medium through the barrier device during a pumping period. The flow means that the carrier medium swings back and forth between the chambers on the sides of a barrier device at least partially under an external periodic drive. It is not absolutely necessary for the carrier medium to be Process flows entirely from one chamber to another. A mechanical vibration (such as a sound vibration) is triggered in the carrier medium and leads to the passage through the barrier device. Any incompressible liquid which is suitable as a suspension medium or solution for the particles can be used as the carrier medium.
Alternativ zur o.a. Ausführungsform können auch in den Poren der Barriereeinrichtung symmetrische Profilierungen (d.h. gleichförmige Durchmesserschwankungen) ausgebildet sein. In diesem Fall wird das periodisch wiederholte Durchströmen mit einem asymmetrischen Zeitprofil durchgeführt. Asymmetrisch bedeutet hier, daß zwar der Mittelwert des Pumpendrucks 0 ist, aber nicht unbedingt die höheren Momente. So kann z.B. kurze Zeit sehr stark in positive z-Richtung gepumpt werden und anschließend eine längere Zeit mit schwächerem Druck in negative Richtung.As an alternative to the above Embodiments can also be formed in the pores of the barrier device symmetrical profiles (i.e. uniform diameter fluctuations). In this case, the periodically repeated flow is carried out with an asymmetrical time profile. Asymmetric here means that the mean value of the pump pressure is 0, but not necessarily the higher moments. For example, be pumped very strongly in the positive z-direction for a short time and then in the negative direction for a longer time with weaker pressure.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Teilchentrennung umfaßt ein Flüssigkeitsbad mit mindestens zwei Teilbereichen, die jeweils durch eine Barriereeinrichtung mit einer Vielzahl axial profilierter Kanäle oder Poren getrennt sind, und eine Strömungsantriebseinrichtung. Je nach Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Strömungsantriebseinrichtung durch eine Pumpeneinrichtung für das Trägermedium, eine Transporteinrichtung für die Barriereeinrichtung oder eine Schwenkeinrichtung für die gesamte Trennvorrichtung gebildet.A device for particle separation according to the invention comprises a liquid bath with at least two partial areas, each of which is separated by a barrier device with a plurality of axially profiled channels or pores, and a flow drive device. Depending on the embodiment of the device according to the invention, the flow drive device is formed by a pump device for the carrier medium, a transport device for the barrier device or a swivel device for the entire separating device.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Barriereeinrichtung aus makroporösem Material, die bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß die Barriereeinrichtung einen über die Strömungsgeschwindigkeit durchstimmbaren Größen- Filter bildet. Die Trennvorrichtung kann in Bezug auf die Pumpamplitude und -frequenz so justiert werden, daß jeweils die zu trennenden Teilchen in verschiedenen Richtungen bewegt werden. Bevorzugte Verwendungen der Erfindung liegen im Bereich der Chemie, Medizin oder Biologie, insbesondere beim Trennen und gegebenenfalls nachfolgenden Analysieren von Gemischen aus Teilchen, insbesondere von Gemischen aus Makromolekülen. Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Die erfindungsgemäße Teilchentrennung ist berührungsfrei und basiert auf nichtelektrischen Kräften. Dadurch ergibt sich ein breiter Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Teilchentrennung. Es wird ein hoher Durchsatz, eine hohe Parallelität bei großer Transportgeschwindigkeit und eine Unabhängigkeit von sterischen Effekten, die die Trennung bestimmter Teilchengrößen verhindern würden, erzielt. Die Verwendung einer gegebenen Barriereeinrichtung mit einer vorbestimmten Porengröße und Porenprofilierung ist für eine große Bandbreite von Teilchengrössen möglich, d.h. etwa für Durchmesser von 5 % - 90 % des minimalen Porendurchmessers. Die Trenneigenschaften werden nämlich zusätzlich auch durch die Geschwindigkeit der Durchströmung der Barriereeinrichtung mit dem Trägermedium bestimmt, so daß eine Barriereeinrichtung für verschiedene Trennaufgaben verwendet werden kann.The invention also relates to a method for producing a barrier device from macroporous material, which is used in a device according to the invention. An important advantage of the invention is that the barrier device forms a size filter which can be tuned via the flow rate. The separating device can be adjusted with respect to the pump amplitude and frequency so that the particles to be separated are moved in different directions. Preferred uses of the invention are in the field of chemistry, medicine or biology, in particular when separating and, if appropriate, subsequently analyzing mixtures of particles, in particular mixtures of macromolecules. The invention has the following advantages. The particle separation according to the invention is contactless and is based on non-electrical forces. This results in a wide range of uses for the particle separation according to the invention. High throughput, high parallelism at high transport speeds and independence from steric effects which would prevent the separation of certain particle sizes are achieved. The use of a given barrier device with a predetermined pore size and pore profiling is possible for a wide range of particle sizes, that is to say for diameters of 5% to 90% of the minimum pore diameter. The separation properties are namely additionally determined by the speed of the flow through the barrier device with the carrier medium, so that a barrier device can be used for various separation tasks.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will become apparent from the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung;Figure 1 is a schematic plan view of a first embodiment of a separation device according to the invention.
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung;2 shows a schematic top view of a further embodiment of a separating device according to the invention;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung mit kompakter Bauweise; Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung;3 shows a schematic plan view of a further embodiment of a separating device according to the invention with a compact design; 4 shows a schematic side view of a further embodiment of a separating device according to the invention;
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung;5 shows a schematic sectional view of a further embodiment of the separating device according to the invention;
Fig. 6 eine Kurvendarstellung zur Illustration einer Poren- profilierung;6 shows a curve to illustrate a pore profile;
Fig. 7 Kurvendarstellungen der Bewegungsbahnen verschieden großer Teilchen;7 shows curves of the movement paths of particles of different sizes;
Fig. 8 Kurvendarstellungen der Bewegungsbahnen von Teilchen bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten;8 shows curves of the movement paths of particles at different flow velocities;
Fig. 9 eine Kurvendarstellung zur Illustration des erfindungsgemäßen elektrochemischen Ätzens von Porenprofi- lierungen;9 shows a graph to illustrate the electrochemical etching of pore profiles according to the invention;
Fig. 10 eine schematische rasterelektronenmikroskopischeFig. 10 is a schematic scanning electron microscopic
Schnittansicht einer Barriereeinrichtung mit einer Mehrzahl von Porenprofilierungen; undSectional view of a barrier device with a plurality of pore profiles; and
Fig. 11 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Porenprofilierung.11 shows an enlarged illustration of a section of a further pore profiling.
Das Kernstück der Erfindung besteht in der Gestaltung und der Verwendung der Barriereeinrichtung mit einer Vielzahl profilierter Poren. Vor der Erläuterung von Einzelheiten der gesamten Trennvorrichtung und der Barriereeinrichtung werden im folgenden zunächst die grundsätzlichen Überlegungen beschrieben, auf denen die Erfindung basiert. Transport von Teilchen durch profilierte PorenThe core of the invention is the design and use of the barrier device with a large number of profiled pores. Before the details of the entire separating device and the barrier device are explained, the basic considerations on which the invention is based are described below. Transport of particles through profiled pores
Erfindungsgemäß wird die Barriereeinrichtung mit der Vielzahl periodisch profilierter Poren von dem Trägermedium mit den suspendierten Teilchen durchströmt, und zwar mit zeitlich oszillierender Richtungsumkehr bei kleiner Amplitude. Die Gesamtströmung des Trägermediums verschwindet im allgemeinen im zeitlichen Mittel, kann aber bei einer Bauartvariante auch auf eine Nettodurchströmung hin angelegt sein. Jedenfalls bildet sich auch bei verschwindender mittlerer Strömung des Mediums durch die erfindungsgemäß profilierten Poren eine größenabhängige Nettobewegung der Teilchen in eines der Reservoirs aus. Diese Nettobewegung ergibt sich aus den folgenden Überlegungen, deren Erläuterung sich auf die Figuren 6 bis 8 bezieht .According to the invention, the carrier medium with the suspended particles flows through the barrier device with the large number of periodically profiled pores, with a time-oscillating reversal of direction with a small amplitude. The total flow of the carrier medium generally disappears over time, but can also be designed for a net flow in a design variant. In any case, even with a vanishing mean flow of the medium through the pores profiled according to the invention, a size-dependent net movement of the particles into one of the reservoirs is formed. This net movement results from the following considerations, the explanation of which relates to FIGS. 6 to 8.
Es wird die Durchströmung einer profilierten Pore gemäß Fig. 6 betrachtet. Fig. 6 zeigt den Porendurchmesser in x-Richtung in Abhängigkeit von der Längsausdehnung der Pore in z-Richtung am Beispiel einer sägezahnförmigen Porenform. Als Porenorientierung wird hier die Richtung definiert, in der sich die Porendurchmesser in den längeren Porenabschnitten verringern (positive z-Richtung) . Als Porengegenorientierung wird entsprechend die entgegengesetzte Richtung (hier: negative z-Richtung) bezeichnet, in der sich die Porendurchmesser in kürzeren Poren- abschnitten verringern. Bei der sägezahnförmigen Porenform wechseln sich also in Richtung der Porenorientierung kurze Abschnitte (z.B. 2 μm) , in denen sich der Porendurchmesser vergrößert, mit längeren Abschnitten (z.B. 4 μm) ab, in denen sich der Porendurchmesser verringert. Das Verhältnis der längeren zu den kürzeren Abschnitten kann auch extremer gewählt werden als beim genannten Beispiel (z. B. 2:1 bis 3:1). Allgemein gilt, daß für genügend asymmetrisch profilierte Poren das zeitlich periodische Pumpen mit symmetrischer Form (z.B. sinusförmig) gewählt werden kann. Bei ungenügend asymmetrischer Profilierung bis hin zur völlig symmetrischen ist ein erfin- dungsgemäßer Transporteffekt durch die Wahl eines zeitlich asymmetrischen periodischen Antriebs erzielbar, wie die bisherigen theoretischen Erkenntnisse über diffusionsinduzierten Transport zeigen. Es können auch Abschnitte konstanten Durchmesser vorgesehen sein. Die Orte geringster Porendurchmesser werden als Engstellen bezeichnet.The flow through a profiled pore according to FIG. 6 is considered. 6 shows the pore diameter in the x-direction as a function of the longitudinal extent of the pore in the z-direction using the example of a sawtooth-shaped pore shape. The direction in which the pore diameters decrease in the longer pore sections is defined as the pore orientation (positive z direction). The opposite direction (here: negative z direction) in which the pore diameters decrease in shorter pore sections is referred to as the pore counter-orientation. In the case of the sawtooth-shaped pore shape, short sections (for example 2 μm) in which the pore diameter increases are alternated with longer sections (for example 4 μm) in which the pore diameter decreases in the direction of the pore orientation. The ratio of the longer to the shorter sections can also be chosen to be more extreme than in the example mentioned (e.g. 2: 1 to 3: 1). The general rule is that periodically periodic pumping with a symmetrical shape (for example sinusoidal) can be selected for sufficiently asymmetrically profiled pores. In the case of insufficiently asymmetrical profiling up to a completely symmetrical one, an invented Transport effect according to the invention can be achieved by choosing a periodically asymmetrical periodic drive, as the previous theoretical knowledge of diffusion-induced transport shows. Sections of constant diameter can also be provided. The locations with the smallest pore diameters are called narrow points.
Der Porendurchmesser variiert periodisch im um-Bereich, z.B. von 1.4 μm bis 4 μm. Für die Modellierung wird diese asymmetrische Porenform, bei der sich kurze Bereiche in z-Richtung, in denen sich der Porendurchmesser vergrößert, mit längeren Bereichen in z-Richtung abwechseln, in denen sich der Porendurchmesser verkleinert, durch zwei Sinusmoden modelliert.The pore diameter varies periodically in the um range, e.g. from 1.4 μm to 4 μm. For modeling, this asymmetrical pore shape, in which short areas in the z direction, in which the pore diameter increases, alternates with longer areas in the z direction, in which the pore diameter decreases, is modeled by two sine modes.
Die numerische Modellierung der Strömung des Trägermediums durch die Pore ergibt unter Berücksichtigung der relevanten Parameter wie Viskosität der Trägerflüssigkeit, Porendurchmesser, Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsdauer eine laminare und quasi-stationäre Strömung. Dies bedeutet, daß Trägheitseffekte vernachlässigt werden können und daß sich die Navier- Stokes-Gleichung des Systems in ausreichender Näherung durch die zeitunabhängige Gleichung (1) angeben läßt:The numerical modeling of the flow of the carrier medium through the pore results in a laminar and quasi-stationary flow taking into account the relevant parameters such as viscosity of the carrier liquid, pore diameter, flow velocity and flow duration. This means that inertial effects can be neglected and that the Navier-Stokes equation of the system can be approximated sufficiently by the time-independent equation (1):
Δv(x) = - Vp(x), mit V- v=0 (1) vΔv (x) = - Vp (x), with V- v = 0 (1) v
Dabei stellt v die dynamische Viskosität der als inkompressibel angenommenen Flüssigkeit dar. Sind aus Gleichung (1) das Geschwindigkeitsfeld v(x) und das Druckfeld p(x) zu einem vorgegebenen Druckunterschied δp0 zwischen Porenein- und -ausgang bestimmt, dann ist wegen der Linearität dieser Gleichung auch das Geschwindigkeitsfeld für jeden anderen Druckunterschied δp(t) = δp0 ' sin(ωt) bekannt. Dies führt auf die komplette (parametrisch) zeitabhängige Lösung v(x,t) = sin(ωt)' v(x) in quasi-stationärer Näherung. Die Bewegungsgieichung eines Teilchens im μm-Bereich ist rei- bungsdominiert . Dies bedeutet, daß Bewegungen des Teilchens relativ zum Tragermedium so stark gedampft werden, daß Trag- heitseffekte vernachlassigbar sind.Here v represents the dynamic viscosity of the liquid assumed to be incompressible. If the velocity field v (x) and the pressure field p (x) are determined from equation (1) at a predetermined pressure difference δp 0 between the pore inlet and outlet, then because of the Linearity of this equation also known the velocity field for every other pressure difference δp (t) = δp 0 'sin (ωt). This leads to the complete (parametric) time-dependent solution v (x, t) = sin (ωt) 'v (x) in a quasi-stationary approximation. The movement equation of a particle in the μm range is dominated by friction. This means that movements of the particle relative to the carrier medium are so strongly damped that the effects of inertia are negligible.
Die Zufallskrafte durch die thermischen Fluktuationen der Moleküle des Tragermediums können im thermischen Gleichgewicht, d.h. bei konstanter Temperatur T, durch weißes Rauschen beschrieben werden. Im ortsfesten Bezugssystem besitzt dann die Besti mungsgleichung f r die Bahnkurve x (t) eines Teilchens gemäß Gleichung (2) die Form einer stochastischen Differentialgleichung erster Ordnung (sogenannte Langevm-Gleichung) :The random forces due to the thermal fluctuations of the molecules of the carrier medium can be in thermal equilibrium, i.e. at constant temperature T, can be described by white noise. In the stationary reference system, the determination equation for the trajectory x (t) of a particle according to equation (2) then takes the form of a stochastic differential equation of the first order (so-called Langevm equation):
x (t) = v (x (t),t) + V2Dξ(t). (2)x (t) = v (x (t), t) + V2Dξ (t). (2)
Dabei bedeuten D = kT/η die thermische Diffusionskonstante, wobei k durch die Boltzmannkonstante und η durch die Stokesche Reibungskonstante gemäß 6πRv (Teilchenradius R, Viskosität des Tragermediums v) gegeben ist. Die Vektor-Komponenten ξx(t) mit l = 1, 2, 3 sind Gauß'sche stochastische Prozesse, für die gilt:D = kT / η mean the thermal diffusion constant, where k is given by the Boltzmann constant and η by the Stokes friction constant according to 6πRv (particle radius R, viscosity of the carrier medium v). The vector components ξ x (t) with l = 1, 2, 3 are Gaussian stochastic processes for which the following applies:
<ξι(t)> = 0 und <ξ1(t)ξD(t')> = δ(t-t')δι:.<ξ ι (t)> = 0 and <ξ 1 (t) ξ D (t ')> = δ (t-t') δ ι:.
Dabei steht (hier und im folgenden) die eckige Klammer (...) für eine Ensemblemittelung, d.h. eine Mittelung über verschiedene Realisierungen des Rauschens.Here (here and below) the square brackets (...) stand for an ensemble averaging, i.e. an averaging over different realizations of the noise.
Die Losung von Gleichung (2) erfolgt durch numerische Integration in bezug auf die Zeit, wobei ξι(t) jeweils von einem Zufallsgenerator geliefert wird. Diese Verfahrensweise wird im folgenden als Simulation bezeichnet. Die Mittelung über die Ergebnisse mehrerer Simulationen ergeben statistische Aussagen wie die Ensemblemittelwerte <x(trun)) oder <x2(trUn)> für eine beliebige Laufzeit trun« Bei Umschreibung der Gleichung (2) in eine Fokker-Planck- Gleichung ergibt sich ein alternatives Lösungsverfahren zur unabhängigen Kontrolle der Modellierungsergebnisse. Die Fokker- Planck-Gleichung ist eine deterministische partielle Differentialgleichung für die Wahrscheinlichkeitsdichte P(x,t), die die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Teilchens am Ort x zur Zeit t angibt. Diese Gleichung wird dann numerisch auf einem Ortsraumgitter gelöst.Equation (2) is solved by numerical integration with respect to time, where ξ ι (t) is supplied by a random generator. This procedure is referred to below as simulation. The averaging over the results of several simulations gives statistical statements such as the ensemble mean values <x (t run )) or <x 2 (t rU n)> for any runtime t r un « When equation (2) is rewritten into a Fokker-Planck equation, an alternative solution method results for independent control of the modeling results. The Fokker-Planck equation is a deterministic partial differential equation for the probability density P (x, t), which specifies the probability of the particle being at x at time t. This equation is then solved numerically on a spatial grid.
Die Modellierung hat auf einem physikalisch sinnvollen Bereich im Parameterraum geführt, in dem nennenswerte Transportgeschwindigkeiten (der Teilchen bzw. des Trägermediums) im Bereich von 0.2 bis 0.8 μm/s auftreten. Ein Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß diese Transportgeschwindigkeiten ähnlich zu den Geschwindigkeiten sind, die in biologischen Systemen mit rauschinduziertem Stofftransport auftreten. Die in den Figuren 7 und 8 dargestellten Modellierungsergebnisse beziehen sich auf die folgenden Systemparameter. Viskosität der Trägerflüssigkeit v, geteilt durch die Viskosität von Wasser: v/vWaSser = 0.5. Pumpperiode tP = 2π/ω = 0.025 s. Die Amplitude des Pumpens wurde so angepaßt, daß ein Trägermedienmolekül, das auf der Porenachse (z-Richtung) in einer Engstelle (Ort geringsten Porendurchmessers) startet, in einer halben Pumpperiode eine einfache Porenperiode von 6 μm zurücklegt. Dieser Wert wurde unter dem Gesichtspunkt der besten Ausnützung der Porenasymmetrie gewählt.The modeling has led to a physically meaningful area in the parameter space, in which significant transport speeds (of the particles or the carrier medium) occur in the range from 0.2 to 0.8 μm / s. An advantage of the invention is in particular that these transport speeds are similar to the speeds that occur in biological systems with noise-induced mass transport. The modeling results shown in FIGS. 7 and 8 relate to the following system parameters. Viscosity of the carrier liquid v divided by the viscosity of water: v / v water = 0.5. Pump period t P = 2π / ω = 0.025 s. The amplitude of the pumping was adjusted so that a carrier medium molecule that starts on the pore axis (z direction) in a constriction (location with the smallest pore diameter) covered a simple pore period of 6 μm in half a pumping period. This value was chosen from the point of view of the best use of pore asymmetry.
Figur 7 zeigt für die genannten Standard-Parameter die Modellierungsergebnisse. Die Kurvendarstellungen illustrieren die z- Komponente der Bewegungsbahnen von Probeteilchen mit verschiedenen Größen im Verlauf einer Vielzahl von Pumpperioden. Die Probeteilchen sind kugelförmige Kunststoffteilchen (z.B. Poly- sterenkügelchen) . Die profilierte Pore gemäß Fig. 6 wird wiederholt gleichmäßig mit der genannten Pumpperiode durchströmt, wobei nach jeder Periode eine Richtungsumkehr der Strömung erfolgt. Für kleine Teilchen mit einem Durchmesser von 0.25 μm (linker Teil von Fig. 7) ergeben sich Bewegungsbahnen mit einer mittleren Bewegung hin zu negativen z-Werten, d.h. in Fig. 6 nach links. Für größere Teilchen mit einem Durchmesser von 0.7 μm (rechter Teil von Fig. 7) zeigt sich eine stärkere mittlere Bewegung hin zu negativen z-Werten und zusätzlich ein Lokalisierungseffekt. Der Lokalisierungseffekt bedeutet, daß die Teilchen für längere Zeit zwischen den Engstellen und den rechts davon liegenden weiten Stellen verweilen. Im rechten Teil von Fig. 7 markieren die horizontalen Linien die Positionen der weitesten Stellen der Pore bei z = (2 ± n " 6) μm (siehe Fig. 6) .FIG. 7 shows the modeling results for the standard parameters mentioned. The graphs illustrate the z component of the movement paths of sample particles with different sizes over the course of a large number of pumping periods. The sample particles are spherical plastic particles (eg polyester spheres). 6 is repeatedly flowed through uniformly with the pump period mentioned, the direction of flow is reversed after each period. For small particles with a diameter of 0.25 μm (left part of FIG. 7) there are movement paths with a medium movement towards negative z values, ie to the left in FIG. 6. For larger particles with a diameter of 0.7 μm (right part of FIG. 7) there is a stronger mean movement towards negative z values and also a localization effect. The localization effect means that the particles stay for a long time between the narrow points and the wide points to the right of them. In the right part of FIG. 7, the horizontal lines mark the positions of the farthest points of the pore at z = (2 ± n "6) μm (see FIG. 6).
Bei weiterer Vergrößerung der Teilchen verstärkt sich der Lokalisierungseffekt noch, wie dies für den Teilchendurchmesser 1 μm in Fig. 8 (linker Teil) gezeigt ist. Außerdem verringert sich die mittlere Transportgeschwindigkeit (siehe veränderte Achsenteilung gegenüber Fig. 7) . Die Ursachen für dieses Verhalten ergeben sich einerseits aus der verstärkten Stokeschen Reibung für größere Teilchen und aus ihrer Größe selbst. Kleinere Teilchen schwimmen relativ kollisionsfrei mit der Medienströmung mit, wobei der Transport hauptsächlich durch Diffusion in schnellere oder langsamere Strömungsschichten erfolgt. Größere Teilchen hingegen kollidieren mit größerer Wahrscheinlichkeit mit den Porenwänden, wobei deren asymmetrische Form vermehrt zum Transport beitragen kann.As the particles are further enlarged, the localization effect increases, as is shown for the particle diameter 1 μm in FIG. 8 (left part). In addition, the average transport speed is reduced (see changed axis division compared to Fig. 7). The reasons for this behavior arise on the one hand from the increased Stokes friction for larger particles and from their size themselves. Smaller particles swim along with the media flow relatively free of collisions, the transport mainly taking place by diffusion into faster or slower flow layers. Larger particles, on the other hand, are more likely to collide with the pore walls, whereby their asymmetrical shape can increasingly contribute to transport.
Bei weiterer Vergrößerung des Teilchendurchmessers und/oder der Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich schließlich eine Umkehr der mittleren Bewegungsrichtung (umgekehrte Transportrichtung) , die die Grundlage für die erfindungsgemäße Teilchentrennung bildet. Diese Transportrichtungsumkehr ist im rechten Teil von Fig. 8 illustriert. Dort sind die mittleren (negativen) Trans- portgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Teilchengröße (Teilchendurchmesser in um) dargestellt. Mit den oben genannten Parametern ergibt sich die durchgezogene Linie. Wird hingegen die Pumpamplitude verdoppelt, so ergibt sich die gestrichelte Linie. Für Teilchen mit einem Durchmesser oberhalb von rund 0.6 μm ergibt sich eine positive Bewegungsrichtung, d.h. die Teilchen wandern durch die Poren von links nach rechts (siehe Fig. 6) .When the particle diameter and / or the flow velocity are further increased, there is finally a reversal of the central direction of movement (reverse transport direction), which forms the basis for the particle separation according to the invention. This reversal of the direction of transport is illustrated in the right part of FIG. 8. There the average (negative) transport speeds are dependent on the particle size (Particle diameter in µm). The solid line results from the above parameters. However, if the pump amplitude is doubled, the dashed line results. For particles with a diameter above about 0.6 μm there is a positive direction of movement, ie the particles migrate through the pores from left to right (see FIG. 6).
Die dargestellten Modellierungsergebnisse zeigen, daß bei geeigneter Wahl der Strömungsparameter die Teilchen größenabhängige mittlere Bewegungen mit entgegengesetzten Richtungen ausführen. Bei wiederholter Durchströmung der Poren (der Barriereeinrichtung) ergibt sich damit, daß sich die Teilchen größenabhängig getrennt auf den Seiten der Barriereeinrichtung sammeln.The modeling results shown show that with a suitable choice of the flow parameters, the particles carry out size-dependent average movements in opposite directions. Repeated flow through the pores (the barrier device) results in the particles collecting separately on the sides of the barrier device depending on their size.
Analoge Ergebnisse zeigen sich beim Durchströmen von Poren mit symmetrischer Profilierung gemäß einem asymmetrischen Zeitprofil.Analogous results can be seen when flowing through pores with symmetrical profiling according to an asymmetrical time profile.
Bauformen erfindungsgemäßer TrennvorrichtungenDesigns of separation devices according to the invention
Fig. 1 zeigt nicht maßstäblich eine schematische Draufsicht auf eine Trennvorrichtung 100 mit zwei Kammern (oder Reservoiren) 110, 120, die durch eine Barriereeinrichtung in Form des im wesentlichen ebenen makroporösen Barriereelements 130 getrennt sind. Die (in der Darstellung linke) Kammer 110 wird durch das Barriereelement 130 und Seitenwände 111, 112 begrenzt. Die (rechte) Kammer 120 wird durch das Barriereelement 130, die Seitenwände 121 und eine elastisch verformbare Seitenwand 122 begrenzt. Die elastisch verformbare Seitenwand 122 ist vorzugsweise eine elastische Membran. Die geschlossenen Boden- und Deckflächen der Kammern sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Die Seitenwände 111, 112 und 121 bestehen aus einem geeigneten starren Material, vorzugsweise Kunststoff, wie z.B. Plexiglas. Es können die folgenden Kammerdimensionen vorgesehen sein. Die Seitenwände 111, 121 besitzen jeweils eine Länge von rund 0,5 mm. Die Seitenwände 112, 122 und die Kammerhöhe (senkrecht zur Bildebene) betragen jeweils rund 10 mm (Darstellung nicht maßstäblich) . Das Barriereelement 130 verläuft über den gesamten Querschnitt der Trennvorrichtung 100 und besitzt entsprechend eine Fläche von rund 10 ' 10 mm2. Die Dicke des Barriereelements 130 beträgt beispielsweise 120 μm. Die Kammertiefe senkrecht zum Barriereelement ist vorzugsweise wesentlich kleiner (z. B. kleiner als 1/10) als die typischen Quermaße des Barriereelements, da der Teilchentransport außerhalb des Bar- riereelements im wesentlichen diffusionsbestimmt erfolgt. Die Kammertiefe kann aber auch größer sein. Es ist auch möglich, eine Rühreinrichtung in den Kammern zum Transport der Teilchen hin zum Barriereelement vorzusehen.1 does not show a schematic plan view of a separation device 100 with two chambers (or reservoirs) 110, 120, which are separated by a barrier device in the form of the essentially planar macroporous barrier element 130. The chamber 110 (on the left in the illustration) is delimited by the barrier element 130 and side walls 111, 112. The (right) chamber 120 is delimited by the barrier element 130, the side walls 121 and an elastically deformable side wall 122. The elastically deformable side wall 122 is preferably an elastic membrane. The closed bottom and top surfaces of the chambers are not shown in Fig. 1. The side walls 111, 112 and 121 consist of a suitable rigid material, preferably plastic, such as plexiglass. The following chamber dimensions can be provided. The side walls 111, 121 each have a length of around 0.5 mm. The side walls 112, 122 and the chamber height (perpendicular to the image plane) each amount to approximately 10 mm (illustration not to scale). The barrier element 130 extends over the entire cross section of the separating device 100 and accordingly has an area of approximately 10 '10 mm 2 . The thickness of the barrier element 130 is, for example, 120 μm. The chamber depth perpendicular to the barrier element is preferably substantially smaller (eg smaller than 1/10) than the typical transverse dimensions of the barrier element, since the particles are transported outside the barrier element essentially in a diffusion-determined manner. The chamber depth can also be greater. It is also possible to provide a stirring device in the chambers for transporting the particles to the barrier element.
Die Kammer 110, die keine elastische Seitenwand besitzt, weist an der Seitenwand 112 gegenüber dem Barriereelement 130 einen Verbindungsansatz 113 zur Strömungsantriebseinrichtung 140 auf. Die Strömungsantriebseinrichtung 140 besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einer Pumpeneinrichtung 141 mit einem Kolben 142, der in den Verbindungsansatz 113 ragt und mit einem elektrischen Motor 143 betätigbar ist. Die Strömungsantriebseinrichtung 140 ist dazu ausgebildet, in der Kammer 110 periodisch abwechselnd einen Über- und Unterdruck auszubilden, unter dessen Wirkung das Trägermedium 150 entsprechend in die zweite Kammer 120 oder zurück in die erste Kammer 110 strömt. Diese periodische Pumpbewegung wird durch Vorschieben und Rückziehen des Kolbens 142 entsprechend anwendungsabhängig gewählten Strömungsparametern (siehe oben) erzielt. Eine typische Pumpfrequenz liegt beispielsweise bei rd. 40 Hz. Die Strömungsantriebseinrichtung 140 kann auch wie ein Lautsprecher, so daß die Vermittlung einer Dichteschwankung in das Trägermedium über die Lautsprechermembran erfolgt, oder mit einem Piezoantrieb aufgebaut sein. Das Barriereelement 130 besteht aus einem makroporösen Material, vorzugsweise aus makroporösem Silizium, dessen Herstellung und Eigenschaften im einzelnen unten erläutert werden. Das Barriereelement 130 wird von parallelen Poren 131 durchsetzt, die im wesentlichen senkrecht zur ebenen Ausrichtung des Barriereelements verlaufen. Die Poren besitzen charakteristische Durchmesser im Bereich von rund 500 nm bis 50 μm. Die Porenabstände liegen im Bereich von rund 500 nm bis 1.5 um. Dementsprechend befinden sich bei der angegebenen Größe des Barriereelements 130 bis zu 1.5 Millionen Poren 131 im Barriereelement. Allgemein sind die Porenabständen vorzugsweise größer als die Porendurchmesser gewählt.The chamber 110, which has no elastic side wall, has a connection attachment 113 to the flow drive device 140 on the side wall 112 opposite the barrier element 130. In the embodiment shown, the flow drive device 140 consists of a pump device 141 with a piston 142 which projects into the connecting projection 113 and can be actuated by an electric motor 143. The flow drive device 140 is designed to periodically alternately form an overpressure and underpressure in the chamber 110, under the effect of which the carrier medium 150 flows accordingly into the second chamber 120 or back into the first chamber 110. This periodic pumping movement is achieved by advancing and retracting the piston 142 in accordance with flow parameters selected as a function of the application (see above). A typical pump frequency is approx. 40 Hz. The flow drive device 140 can also be constructed like a loudspeaker, so that a density fluctuation in the carrier medium is conveyed via the loudspeaker membrane, or with a piezo drive. The barrier element 130 consists of a macroporous material, preferably of macroporous silicon, the manufacture and properties of which are explained in detail below. The barrier element 130 is penetrated by parallel pores 131 which run essentially perpendicular to the plane alignment of the barrier element. The pores have characteristic diameters in the range from around 500 nm to 50 μm. The pore spacing is in the range of around 500 nm to 1.5 µm. Accordingly, with the specified size of the barrier element 130, up to 1.5 million pores 131 are located in the barrier element. In general, the pore spacing is preferably chosen to be larger than the pore diameter.
Zur erfindungsgemäßen Trennung eines Teilchengemisches wird die Trennvorrichtung 100 mit dem Trägermedium 150 beschickt. Anschließend wird das Teilchengemisch als Suspension dem Trägermedium zugeführt. Dies kann über (nicht dargestellte) Beschik- kungselemente in beide Kammern 110, 120 oder auch nur in eine der Kammern erfolgen. Anschließend wird der periodische Pumpvorgang des Barriereelements 130 in Gang gesetzt. Beim Pumpen wird mit einer vorbestimmten Pumpamplitude und -frequenz dem Trägermedium eine Dichteschwankung aufgeprägt, die ein Durchströmen zumindest eines Teils des Trägermediums durch die Ba- riereeinrichtung hervorruft. Der Teilchentransport innerhalb der Kammern ist diffusionsbestimmt. Entsprechend den oben erläuterten Prinzipien steigt die Konzentration der Teilchen mit geringerem bzw. größerem Durchmesser in der einen bzw. anderen Kammer. Die Poren 131 des Barriereelements 130 besitzen eine asymmetrische Profilierung, die in sämtlichen Poren gleich ausgerichtet ist. Dadurch enthält das Barriereelement 130 eine Orientierung entsprechend der Porenorientierung (siehe oben) . Nach den oben erläuterten Prinzipien wandern somit die größeren Teilchen in Richtung der Porenorientierung und die kleineren Teilchen in Richtung der Probengegenorientierung. Ist beispielsweise bei der Bauform gemäß Fig. 1 die Porenorientierung nach rechts, d.h. hin zur Kammer 120, gerichtet, so werden sich in der Kammer 120 die größeren Teilchen und in der Kammer 110 die kleineren Teilchen sammeln.In order to separate a particle mixture according to the invention, the separation device 100 is loaded with the carrier medium 150. The particle mixture is then fed to the carrier medium as a suspension. This can take place via feed elements (not shown) in both chambers 110, 120 or only in one of the chambers. The periodic pumping process of the barrier element 130 is then started. When pumping, a density fluctuation is impressed on the carrier medium with a predetermined pump amplitude and frequency, which causes at least a portion of the carrier medium to flow through the barrier device. The particle transport within the chambers is determined by diffusion. In accordance with the principles explained above, the concentration of particles with a smaller or larger diameter increases in one or the other chamber. The pores 131 of the barrier element 130 have an asymmetrical profile which is aligned in the same way in all pores. As a result, the barrier element 130 contains an orientation corresponding to the pore orientation (see above). According to the principles explained above, the larger particles move in the direction of the pore orientation and the smaller particles in the direction of the sample counter-orientation. If, for example in the design according to FIG. 1, the pore orientation is directed to the right, ie towards the chamber 120, then collect the larger particles in chamber 120 and smaller particles in chamber 110.
Bei einer Modifizierung der Trennvorrichtung gemäß Fig. 1 ist vorgesehen, daß eine oder beide Kammern selbst mit mindestens einer undurchlässigen Trennwand senkrecht zum Bamereelement in parallele Teilkammern unterteilt sind und das Barriereelement aus mindestens zwei Teilelementen besteht, die jeweils eine Kammer und eine Teilkammer oder zwei Teilkammern voneinander trennen. Jedes Teilelement des Bamereelements ist für eine andere Trenngroße ausgelegt, so daß in mindestens 3 Gro- ßengruppen getrennt werden kann.In a modification of the separating device according to FIG. 1, it is provided that one or both chambers are divided into parallel subchambers themselves with at least one impermeable partition wall perpendicular to the bamer element and the barrier element consists of at least two sub-elements, each one chamber and one sub-chamber or two sub-chambers separate from each other. Each sub-element of the Bamere element is designed for a different separation size, so that it can be separated into at least 3 size groups.
Eine weitere Modifizierung der Trennvorrichtung gemäß Fig. 1 ist mit der Trennvorrichtung 200 gemäß Fig. 2 illustriert. Der Aufbau, die Dimensionierung und die Materialien der Trennvorrichtung 200 entsprechen im wesentlichen denen der Trennvorrichtung 100. Es sind jedoch drei Kammern 210, 220 und 250 gezeigt, die jeweils durch die Barriereelemente 230 bzw. 240 voneinander getrennt sind. Die von der Stromungsantriebsemrich- tung 240 am weitesten entfernte Kammer 250 ist wiederum mit einer elastischen Seitenwand 232 ausgestattet. Die übrigen Sei- tenwande 211, 212, 221, 231 sind wiederum aus starrem Material (z.B. Kunststoff) gebildet. Die Trennvorrichtung 200 stellt eine Serienschaltung mehrerer Trennkammern dar, wobei sich die Barriereelemente 130, 140 durch ihre Trenneigenschaften (Porenprofliierung, Porendurchmesser) unterscheiden, so daß ein Teil- chengemisch mit einer Großenverteilung m drei Teilchengruppen mit drei Größenklassen getrennt werden kann. Das in Fig. 2 dargestellte Prinzip der Serienschaltung mehrerer Trennkammern kann entsprechend mit weiteren Trennkammern erweitert werden.A further modification of the separating device according to FIG. 1 is illustrated with the separating device 200 according to FIG. 2. The structure, the dimensions and the materials of the separating device 200 essentially correspond to those of the separating device 100. However, three chambers 210, 220 and 250 are shown, which are each separated from one another by the barrier elements 230 and 240, respectively. The chamber 250 furthest away from the current drive device 240 is in turn equipped with an elastic side wall 232. The remaining side walls 211, 212, 221, 231 are again made of rigid material (e.g. plastic). The separating device 200 represents a series connection of several separating chambers, the barrier elements 130, 140 differing in their separating properties (pore profile, pore diameter), so that a particle mixture with a size distribution in three particle groups with three size classes can be separated. The principle of series connection of several separation chambers shown in FIG. 2 can be extended accordingly with further separation chambers.
Eine Einspeisung der zu trennenden Teilchen kann in die Mitte oder in eine der seitlichen Kammern erfolgen. Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung 300, die in kompakter Chipform ausgebildet ist. Die Trennvorrichtung 300 weist wiederum zwei Kammern 310, 320 auf, die durch das Barriereelement 330 mit erfindungsgemäß profilierten Poren getrennt sind. Die erste Kammer 130 ist über einen Beschickungskanal 314 mit einer Teilchensuspension beschickbar. Es ist ferner ein Druckmeßkanal 315 vorgesehen, über den die Kammer 310 mit einem Drucksensor 316 verbunden ist. Die zweite Kammer 320 ist über den Verbindungsansatz 323 mit der Strömungsantriebseinrichtung 340 verbunden, die wiederum entsprechend eine elektrisch betriebene Kolbenpumpe 341 enthält. Die zweite Kammer 320 ist ebenfalls über einen Druckmeßkanal 325 mit einem Drucksensor 326 verbunden. Das Bezugszeichen 370 bezeichnet den Strahlenverlauf von Anregungslicht (z.B. Laserlicht) zur Anregung der Photolumineszenz, die mit der Spektro- metereinrichtung 371 zur Überwachung der Teilchentrennung vorgesehen ist.The particles to be separated can be fed into the center or into one of the side chambers. 3 shows a further embodiment of a separating device 300 according to the invention, which is designed in a compact chip form. The separating device 300 in turn has two chambers 310, 320 which are separated by the barrier element 330 with pores profiled according to the invention. The first chamber 130 can be charged with a particle suspension via a feed channel 314. A pressure measurement channel 315 is also provided, via which the chamber 310 is connected to a pressure sensor 316. The second chamber 320 is connected via the connecting attachment 323 to the flow drive device 340, which in turn accordingly contains an electrically operated piston pump 341. The second chamber 320 is also connected to a pressure sensor 326 via a pressure measurement channel 325. The reference number 370 denotes the beam path of excitation light (for example laser light) for excitation of the photoluminescence, which is provided with the spectrometer device 371 for monitoring the particle separation.
Über die Drucksensσren kann der kammerdruck mit der durch die theoretische Modellierung ermittelten erforderliche Pumpamplitude verglichen und so der Trennvorgang genau geregelt werden.Via the pressure sensors, the chamber pressure can be compared with the required pump amplitude determined by the theoretical modeling and the separation process can be precisely controlled.
Die Kammern 310, 320, der Beschickungskanal 314, die Druckmeßkanäle 315, 325 und der Verbindungsansatz 323 sind in einem Trägermaterial (z.B. aus Kunststoff) eingelassen, so daß die gesamte Trennvorrichtung 300 eine kompakte Bauform besitzt, die mit Vorteil als Komponente in einer Anlage zur Manipulierung mikroskopisch kleiner Teilchen verwendet werden kann. Es können auch zwei Trägermaterial-Hälften vorgesehen sein, die bei den Kammern offen sind und zwischen denen das Barriereelement als ebene Scheibe eingeklemmt ist.The chambers 310, 320, the feed channel 314, the pressure measuring channels 315, 325 and the connecting extension 323 are embedded in a carrier material (for example made of plastic), so that the entire separating device 300 has a compact design, which is advantageously used as a component in a system for Manipulation of microscopic particles can be used. There can also be two halves of carrier material which are open in the chambers and between which the barrier element is clamped as a flat disk.
Eine alternative Gestaltung der Strömungsantriebseinrichtung einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist in Fig. 4 schematisch illustriert. Die Trennvorrichtung 400 ist in schemati- scher Schnittansicht von der Seite dargestellt. Die Kammern 410 und 420 sind wiederum durch das Barriereelement 430 getrennt.An alternative design of the flow drive device of a separation device according to the invention is illustrated schematically in FIG. 4. The separation device 400 is shown in a schematic sectional view from the side. Chambers 410 and 420 are in turn separated by barrier element 430.
Das Barriereelement 430 ist jedoch beweglich angebracht und mit der Strömungsantriebseinrichtung 440 nach links oder rechts verschiebbar. Bei periodischer Verschiebung des Barriereelement 430 (im μm-Bereich) ergibt sich entsprechend eine Verkleinerung oder Vergrößerung der angrenzenden Kammern 410, 420, so daß das Trägermedium zum Druckausgleich das Barriereelement 430 durchströmt. Der Trennvorgang mit dem bewegten Barriereelement 430 erfolgt nach den oben erwähnten Prinzipien, d.h. die größeren Teilchen werden in Richtung der Porenorientierung und die kleineren Teilchen in Richtung der Porengegenorientierung bewegt.However, the barrier element 430 is movably attached and can be moved to the left or right with the flow drive device 440. When the barrier element 430 is shifted periodically (in the μm range), the adjacent chambers 410, 420 are correspondingly reduced or enlarged, so that the carrier medium flows through the barrier element 430 in order to equalize the pressure. The separation process with the moving barrier element 430 takes place according to the principles mentioned above, i.e. the larger particles are moved in the direction of the pore orientation and the smaller particles in the direction of the pore opposite orientation.
Eine weitere Alternative einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung 500 ist in Fig. 5 illustriert. Bei dieser besteht die Strömungsantriebseinrichtung 540 zur Erzeugung einer Trägermedienströmung zwischen den Kammern 510, 520, die wiederum durch das Barriereelement 530 getrennt sind, aus einem Schwenkmechanismus 541, der dazu ausgebildet ist, die Trennvorrichtung 500 von einer vertikalen Orientierung in die entgegengesetzte vertikale Orientierung zu verschwenken. Unter der Wirkung der Gravitationskraft durchströmt das Trägermedium das Barriereelement 530. Dieses Durchströmen wird wiederum periodisch wiederholt, bis die größenabhängige Trennung der Teilchen im Trägermedium abgeschlossen ist. Um auch bei dieser Bauform die Strömungsgeschwindigkeit (Pumpenamplitude) aktiv einzustellen, kann als zusätzliche äußere Kraftkomponente die Einstellung einer Zentrifugalkraft oder die Verwendung von Trägheitskräften im Trägermedium vorgesehen sein. Hierzu könnte die Strömungsantriebseinrichtung 540 zusätzlich eine (nicht dargestellte) Zentrifugiereinrichtung besitzen, mit der die Trägermedienströmung zwischen den Kammern zusätzlich eingestellt wird.Another alternative of a separating device 500 according to the invention is illustrated in FIG. 5. Here, the flow drive device 540 for generating a carrier medium flow between the chambers 510, 520, which in turn are separated by the barrier element 530, consists of a pivot mechanism 541, which is designed to pivot the separating device 500 from a vertical orientation into the opposite vertical orientation . Under the effect of the gravitational force, the carrier medium flows through the barrier element 530. This flow is repeated again periodically until the size-dependent separation of the particles in the carrier medium is complete. In order to actively set the flow speed (pump amplitude) in this design too, the setting of a centrifugal force or the use of inertial forces in the carrier medium can be provided as an additional external force component. For this purpose, the flow drive device 540 could additionally have a centrifugation device (not shown) with which the carrier medium flow between the chambers is additionally set.
Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Teilchentrennung (ohne ein Zusetzen des als "Filter" wirkenden Barriereelements 130) schnell erfolgt. Ferner ist die Trennwirkung von der Gesamtgröße der Teilchen abhängig. Stäbchenförmige Teilchen, die bei einem Siebfilter bei geeigneter Ausrichtung ggf. fälschlich durch den Filter durchtreten, können die erfindungsgemäße Barriereeinrichtung nicht passieren. Für einen Einsatz für z.B. medizinische Anwendungen können beliebige Materialien eingesetzt werden. Vor allem ist auch eine weitergehende Integration mit mikromechanischen Bauelementen auf Siliziumbasis denkbar. Da das Si mit eine Si02-Schicht bedeckt ist, hat man ein sehr inertes Material. Die Oberfläche hat dieselben chemischen Eigenschaften wie die üblichen Glasgefäße.Advantages of the invention are that the particle separation takes place quickly (without clogging of the barrier element 130 acting as a "filter"). Furthermore, the separation effect of depending on the total size of the particles. Rod-shaped particles, which may pass through the filter incorrectly in a sieve filter with suitable alignment, cannot pass through the barrier device according to the invention. Any materials can be used for use in medical applications, for example. Above all, further integration with micromechanical components based on silicon is also conceivable. Since the Si is covered with a Si0 2 layer, one has a very inert material. The surface has the same chemical properties as the usual glass jars.
Herstellung und Gestaltung der profilierten PorenProduction and design of the profiled pores
Die Herstellung von herkömmlichem makroporösem Silizium wird ausführlich in den oben genannten Publikationen von V. Lehmann et al . beschrieben. In bezug auf die im folgenden zusammengefaßten Prozeßschritte beim elektrochemischen Ätzen werden diese Publikationen von V. Lehmann et al. vollständig in die vorliegende Beschreibung einbezogen. Zunächst wird eine n-dotierte Siliziumscheibe (d < 500 μm) mit [100] -orientierter Oberfläche mittels Photolithographie vorstrukturiert. Mit einem alkalischen Ätzmittel werden in die Oberfläche Einsenkungen in Form invertierter Pyramiden geätzt. Die so vorbehandelte Siliziumscheibe wird anschließend in einer elektrochemischen Zelle mit wäßriger Flußsäure (HF) bei anodischer Polarisierung und Rückseitenbeleuchtung geätzt. Durch die Beleuchtung werden Löcher (fehlende Elektronen) im Valenzband erzeugt, die für die Reaktion des Siliziums mit der Flußsäure benötigt werden. Da die Beleuchtung von der Rückseite erfolgt und die Eindringtiefe des Lichtes nur wenige μm beträgt, müssen die Löcher als Minoritätsträger durch die gesamte Siliziumscheibe diffundieren, um an deren Vorderseite mit der Strukturierung den Ätzvorgang auszulösen. Die diffundierenden Löcher kommen aus geometrischen Gründen zunächst an den vorher lithographisch definierten Vertiefungen an. Diese wirken als Keime für die Porenbildung, da an den Vertiefungen zuerst geätzt wird. Diese Erscheinung wird noch durch die fokussierende Wirkung der elektrischen Felder in der Raumladungszone um die Vertiefungen bzw. Poren verstärkt. Durch die regelmäßige Anordnung und Größe der Ätzkeime bei der photo-lithographischen Vorbehandlung kann auf diese Weise erreicht werden, daß für alle Poren dieselben Ätzbedingungen herrschen und die Poren in Abhängigkeit von der z-Richtung (quer zur Scheibenebene) jeweils dieselben Durchmesser aufweisen. Für die erfindungsgemäß verwendeten Barriereelemente werden beispielsweise Silizium-Wafer (5 Ωc , n-Typ, FZ) mit einem quadratischen Raster aus Porenkeimen verwendet. Der Abstand der Keime und damit der geätzten Poren beträgt rund 3.5 μm, die HF- Konzentration beträgt 5%. Der Ätzvorgang erfolgt mit einer Ätzspannung von 2.7 V. Der charakteristische Porendurchmesser einer Referenzprobe ohne Porenprofilierung beträgt 1.7 μm.The production of conventional macroporous silicon is described in detail in the above-mentioned publications by V. Lehmann et al. described. With regard to the process steps summarized below in electrochemical etching, these publications by V. Lehmann et al. fully incorporated into the present description. First, an n-doped silicon wafer (d <500 μm) with a [100] -oriented surface is pre-structured using photolithography. With an alkaline etchant, depressions in the form of inverted pyramids are etched into the surface. The silicon wafer pretreated in this way is then etched in an electrochemical cell using aqueous hydrofluoric acid (HF) with anodic polarization and backlighting. The lighting creates holes (missing electrons) in the valence band, which are required for the reaction of the silicon with the hydrofluoric acid. Since the illumination is from the back and the penetration depth of the light is only a few μm, the holes as minority carriers have to diffuse through the entire silicon wafer in order to trigger the etching process on the front with the structuring. For geometric reasons, the diffusing holes first arrive at the depressions previously defined by lithography. These act as germs for pore formation, because is etched first on the depressions. This phenomenon is intensified by the focusing effect of the electric fields in the space charge zone around the depressions or pores. Due to the regular arrangement and size of the etching nuclei during the photo-lithographic pretreatment, it can be achieved in this way that the same etching conditions prevail for all pores and that the pores each have the same diameter as a function of the z direction (transverse to the plane of the disk). For the barrier elements used in accordance with the invention, for example silicon wafers (5 Ωc, n-type, FZ) with a square grid of pore nuclei are used. The distance between the germs and thus the etched pores is around 3.5 μm, the HF concentration is 5%. The etching process takes place with an etching voltage of 2.7 V. The characteristic pore diameter of a reference sample without pore profiling is 1.7 μm.
Von der Herstellung herkömmlichen makroporösen Siliziums mit unprofilierten Poren ist bekannt, daß mit zunehmender Porentiefe die HF-Konzentration an den Porenspitzen abnimmt und sich dadurch die Ätzgeschwindigkeit der Poren verringert. Zur Kompensation dieser Erscheinung wird mit zunehmender Porentiefe die Beleuchtungsstärke reduziert, um (herkömmliche) Poren mit konstantem Durchmesser zu erhalten. Allerdings ist der Einfluß dieser Kompensation bei den herkömmlichen Poren, die nur Tiefen von einigen 10 μm besitzen, gering. In der Praxis wird ein gewünschter Ätzstrom vorgegeben und über einen PID-Regler die Beleuchtungsstärke reguliert. Zur erfindungsgemäßen Profilierung der Poren werden typische Stromwerte bei der Herstellung unprofilierter Poren mit einer sägezahnförmigen Funktion multipliziert, wie dies unten erläutert wird.It is known from the production of conventional macroporous silicon with non-profiled pores that the HF concentration at the pore tips decreases with increasing pore depth and the etching speed of the pores thereby decreases. To compensate for this phenomenon, the illuminance is reduced with increasing pore depth in order to obtain (conventional) pores with a constant diameter. However, the influence of this compensation is small in the case of conventional pores, which only have depths of a few 10 μm. In practice, a desired etching current is specified and the illuminance is regulated via a PID controller. To profile the pores according to the invention, typical current values in the production of non-profiled pores are multiplied by a sawtooth-shaped function, as will be explained below.
Am elektrochemischen Auflösungsprozeß des Siliziums sind sowohl die durch Licht erzeugten Minoritätsträger als auch die stets vorhandenen Majoritätsträger beteiligt. Der Ätzprozeß wird daher durch das Verhältnis des Gesamtstroms zum Anteil des zuge- führten Löcherstroms beschrieben. Zur Messung des Löcherstroms wird mit einem photoempfindlichen Element ein Maß für die Beleuchtungsintensität definiert und daraus dann als Verhältnis aus gemessenem Ätzstrom Iatz und Photostrom IPhoto des photoempfindlichen Elements gemäß Gleichung (3) eine Effizienz η berechnet . η = Iätz / Iphoto (3)Both the minority carriers generated by light and the majority carriers always present are involved in the electrochemical dissolution process of the silicon. The etching process is therefore determined by the ratio of the total current to the proportion of the led hole current described. To measure the hole current, a measure of the illumination intensity is defined with a photosensitive element and an efficiency η is then calculated from this as a ratio of the measured etching current I atz and photocurrent I Photo of the photosensitive element in accordance with equation (3). η = Iätz / Iphoto (3)
Da ein Teil der durch Licht im Silizium erzeugten Minoritätsträger rekombinieren, bevor sie die Oberfläche erreichen, unterscheidet sich dieser Wert η gemäß Gleichung (3) vom realen Wert durch einen konstanten Faktor.Since some of the minority carriers generated by light in the silicon recombine before they reach the surface, this value η differs from the real value by a constant factor according to equation (3).
Im folgenden werden die Einzelheiten der erfindungsgemäßen Profilierung der Poren beschrieben. Dies erfolgt am Beispiel einer sägezahnförmigen Porenform (siehe oben) .The details of the profiling of the pores according to the invention are described below. This is done using the example of a sawtooth-shaped pore shape (see above).
Um die sägezahnförmige Porenform zu erzielen wird, zunächst zum Ätzstrom für unprofilierte gerade Poren der Strom sägezahnför- mig maximal um den Faktor 3 erhöht. Zur Realisierung der Profilierung bestehen zwei Möglichkeiten. Zunächst ist es möglich, die Stromstärke sehr schnell auf den 3-fachen Wert zu erhöhen (z.B. innerhalb 1 s) und anschließend langsam innerhalb von Minuten wieder auf den Ausgangswert zurückzufahren. Zweitens ist es möglich, den Strom langsam zu erhöhen und anschließend die Stromstärke schnell abfallen zu lassen. Die erste Variante besitzt den Nachteil, daß der elektrochemische Prozeß der schnellen Anfangsänderung nicht folgen kann. Es können nicht mehr alle angebotenen Löcher im Ätzprozeß verbraucht werden.In order to achieve the sawtooth-shaped pore shape, the sawtooth-shaped current for the etching current for unprofiled straight pores is first increased by a factor of 3. There are two ways to implement profiling. First of all, it is possible to increase the current very quickly to 3 times the value (e.g. within 1 s) and then slowly return to the initial value within minutes. Second, it is possible to slowly increase the current and then let the current drop off quickly. The first variant has the disadvantage that the electrochemical process cannot follow the rapid initial change. It is no longer possible to use up all the holes offered in the etching process.
Die Effizienz η gemäß Gleichung (3) beschreibt den Vorgang nicht mehr real, und die Beleuchtungsstärke müßte um mehr als den Faktor 3 geändert werden. Daher wird die zweite Möglichkeit bevorzugt, da der Photostrom der Beleuchtungsstärke bei langsamer Erhöhung und schnellem Abfall der Stromstärke gut folgen kann und die Effizienz ausreichend konstant bleibt. Fig. 9 zeigt den Ätzstrom und die Effizienz η bei Herstellung profilierter Poren an einem Beispiel. Der Stromverlauf zeigt den relativ langsamen Anstieg des Ätzstromes gefolgt von einem schnellen Abfall. Bei dem Beispiel ist jeweils ein Zeitbereich konstanten Stroms vor dem erneuten Anstieg vorgesehen. Die Periodendauer von 825 s setzt sich wie folgt zusammen. Der lineare Anstieg dauert 220 s und entspricht einer Porentiefe von 3.2 μm. Es folgen für 55 s der Stromabfall entsprechend einer Porentiefe von 0.8 μm. Der Abschnitt konstanten Stroms dauert 550 s entsprechend einer Porentiefe von 8 μm. Die rasterelek- tronenmikroskopische Querschnittsansicht der Poren in Fig. 10 illustriert die mit einer derartigen Strommodulation erzielte Profilierung der Poren. Bei diesem Beispiel beträgt die Periodenlänge rund 10.8 μm, innerhalb derer der Abschnitt konstanten Durchmessers eine Länge von rund 4.8 μm besitzt.The efficiency η according to equation (3) no longer describes the process in real terms, and the illuminance would have to be changed by more than a factor of 3. The second option is therefore preferred, since the photocurrent can follow the illuminance well with a slow increase and a rapid decrease in the current intensity and the efficiency remains sufficiently constant. 9 shows the etching current and the efficiency η in the production of profiled pores using an example. The current curve shows the relatively slow increase in the etching current followed by a rapid decrease. In the example, a time range of constant current is provided before the rise again. The period of 825 s is made up as follows. The linear increase lasts 220 s and corresponds to a pore depth of 3.2 μm. This is followed by the current drop corresponding to a pore depth of 0.8 μm for 55 s. The section of constant current lasts 550 s corresponding to a pore depth of 8 μm. The scanning electron microscopic cross-sectional view of the pores in FIG. 10 illustrates the profiling of the pores achieved with such a current modulation. In this example, the period length is around 10.8 μm, within which the section of constant diameter has a length of around 4.8 μm.
Obwohl die Effizienzkurve gemäß Fig. 9 keine großen Schwankungen zeigt, besitzt sie eine deutliche Feinstruktur. Schon innerhalb der ersten Sekunden nach dem Beginn des linearen Anstiegs sieht man eine charakteristische Struktur mit zunächst einem kleinen Peak nach unten und anschließend einem scharfen Peak nach oben. Diese Struktur wiederholt sich in allen fünf Perioden. Danach bleibt die Effizienz im wesentlichen konstant auf dem ursprünglichen Wert, bis etwa die doppelte Stromstärke erreicht ist. Nach einem Abfall der Effizienz folgt, nachdem das Maximum des Ätzstroms überschritten ist, ein erneuter Anstieg. Nach dem Ende der Rampe ergibt sich wieder eine sprunghafte Reduzierung der Effizienz auf einen Wert, der allerdings über dem ursprünglichen Gleichgewichtswert liegt. Während der im folgenden gleichbleibenden Stromstärke fällt die Effizienz wieder auf den Gleichgewichtswert zurück. Die Länge des Porenstücks mit konstantem Durchmesser entspricht im wesentlichen dem Bereich der konstanten Effizienz. Eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Porenprofilierung ist in Fig. 11 gezeigt. Bei dieser Probe ist der Bereich der konstanten Stromstärke verkürzt (Halbierung im Vergleich zu den Bedingungen bei Fig. 10) . Dadurch fällt der Bereich konstanten Porendurchmessers weg und die asymmetrische Rampenform wird deutlich erkennbar. Der Abfall des Porendurchmessers erfolgt beim Ätzen innerhalb einer etwa um den Faktor 2 kürzeren Ätzzeit als der Anstieg.Although the efficiency curve according to FIG. 9 shows no large fluctuations, it has a clear fine structure. Already within the first seconds after the beginning of the linear increase you can see a characteristic structure with a small peak downwards and then a sharp peak upwards. This structure is repeated in all five periods. Thereafter, the efficiency remains essentially constant at the original value until approximately twice the current is reached. After a drop in efficiency, after the maximum of the etching current has been exceeded, there is a further increase. After the end of the ramp, there is a sudden reduction in efficiency to a value that is above the original equilibrium value. During the following constant current intensity, the efficiency falls back to the equilibrium value. The length of the pore piece with constant diameter corresponds essentially to the range of constant efficiency. An enlarged representation of a further pore profile is shown in FIG. 11. In this sample, the constant current range is shortened (halving compared to the conditions in Fig. 10). This eliminates the area of constant pore diameter and the asymmetrical ramp shape is clearly recognizable. The decrease in the pore diameter takes place during the etching within an etching time which is approximately two times shorter than the increase.
Die Herstellung des Barriereelements einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist nicht auf die Verwendung makroporösen Siliziums beschränkt. Vielmehr sind auch alle anderen, in geeigneter Weise strukturierbaren Halbleiter- oder Kunststoffmaterialien verwendbar. Die Parameter der Porenprofilierung (Asymmetrieverhältnisse, Durchmesser, Zahl der Perioden, Porendurchmesser) können anwendungsabhängig gewählt werden. Die Herstellung des Barriereelements einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist auch nicht auf die angegebene Größe der Siliziumscheibe beschränkt. Siliziumwafer sind wesentlich größer herstellbar, so daß auch die Trennvorrichtung entsprechend größer dimensioniert werden kann. Die Trennvorrichtung kann als Durchflußsystem aufgebaut sein. The production of the barrier element of a separation device according to the invention is not restricted to the use of macroporous silicon. Rather, all other semiconductor or plastic materials that can be structured in a suitable manner can also be used. The parameters of the pore profiling (asymmetry ratios, diameter, number of periods, pore diameter) can be selected depending on the application. The manufacture of the barrier element of a separating device according to the invention is also not limited to the specified size of the silicon wafer. Silicon wafers can be produced much larger, so that the separating device can also be dimensioned correspondingly larger. The separator can be constructed as a flow system.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Trennung mikroskopisch kleiner Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Größe, mit den Schritten:1. A method for separating microscopic particles depending on their size, comprising the steps:
Suspendieren einer Vielzahl von Teilchen in einem Trägermedium, und mehrfach wiederholtes Durchströmen von Teilen des Trägermediums mit suspendierten Teilchen durch eine Barriereeinrichtung (130, 230, 330, 430, 530) zwischen mindestens zwei Kammern einer Trennvorrichtung (100, 200, 300, 400, 500) mit jeweils abwechselnder Strömungsrichtungsumkehr, wobei die Barriereeinrichtung (130, 230, 330, 430, 530) Poren mit einer axialen Profilierung aufweist, in denen auf die Teilchen im durchströmenden Trägermedium Nettokräfte derart ausgeübt werden, daß sich die Teilchen größenabhängig auf den gegenüberliegenden Seiten der Barriereeinrichtung sammeln.Suspending a multiplicity of particles in a carrier medium, and repeatedly flowing parts of the carrier medium with suspended particles through a barrier device (130, 230, 330, 430, 530) between at least two chambers of a separating device (100, 200, 300, 400, 500 ) with alternating reversal of the direction of flow, the barrier device (130, 230, 330, 430, 530) having pores with an axial profile, in which net forces are exerted on the particles in the carrier medium flowing through in such a way that the particles are dependent on the size on the opposite sides of the Collect barrier device.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem sich beim Durchströmen durch die Überlagerung der Strömungsbewegung in den Poren mit der thermischen Diffusion der suspendierten Teilchen eine Nettotransportgeschwindigkeit derselben einstellt, welche in Stärke und Richtung teilchengrößenabhängig ist.2. The method according to claim 1, wherein when flowing through the superimposition of the flow movement in the pores with the thermal diffusion of the suspended particles, a net transport speed of the same is obtained, which is dependent on the strength and direction of the particle size.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Durchströmen des Trägermediums durch die Barriereeinrichtung ein periodisches zumindest teilweises Hin- und Herpumpen des Trägermediums zwischen mindestens zwei Kammern einer Trennvorrichtung (100, 200, 300, 400, 500) umfaßt, die durch die Barriereeinrichtung getrennt sind. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the flow of the carrier medium through the barrier means comprises a periodic at least partial pumping back and forth of the carrier medium between at least two chambers of a separating device (100, 200, 300, 400, 500) which by the Barrier device are separated.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Durchströmen ein periodisches zumindest teilweises Hin- und Herbewegen der Barriereeinrichtung zwischen zwei Kammern einer Trennvorrichtung (400) umfaßt, die durch die Barriereeinrichtung (430) getrennt sind.4. The method of claim 1 or 2, wherein the flow comprises a periodic at least partial back and forth movement of the barrier device between two chambers of a separation device (400) which are separated by the barrier device (430).
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Durchströmen des Trägermediums unter der Wirkung von Gravitätions-, Trägheits- und/oder Zentrifugationskräften erfolgt.5. The method according to claim 1 or 2, wherein the flow through the carrier medium takes place under the action of gravitational, inertial and / or centrifugal forces.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Trennvorgang mit spektroskopischen oder mikroskopischen Mitteln überwacht wird.6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the separation process is monitored with spectroscopic or microscopic means.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Teilchen synthetische oder natürliche Teilchen mit charakteristischen Dimensionen unterhalb von 10 μm umfassen.7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the particles comprise synthetic or natural particles with characteristic dimensions below 10 microns.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei das periodische Durchströmen des Trägermediums mit den suspendierten Teilchen durch die Barriereeinrichtung (130, 230, 330, 430, 530) derart erfolgt, daß bei Poren mit axial asymmetrischer Profilierung ein gleichförmiges Durchströmen und bei Poren mit axial symmetrischer Profilierung ein zeitlich asymmetrisches Durchströmen ausgebildet wird.8. The method according to any one of the preceding claims, in which the periodic flow of the suspended medium with the suspended particles through the barrier device (130, 230, 330, 430, 530) is carried out in such a way that with pores with axially asymmetrical profiling a uniform flow and with pores with axially symmetrical profiling a temporally asymmetrical flow is formed.
9. Trennvorrichtung (100, 200, 300, 400, 500) zur Trennung von Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Größe, die umfaßt: mindestens zwei Kammern (110, 120, 210, 220, 250, 310, 20, 410, 420, 510, 520), die durch eine Barriereeinrichtung (130, 230, 240, 330, 430, 530) getrennt sind, wobei die Barriereeinrichtung eine Vielzahl von Poren mit einer Profilierung aufweisen, bei der sich in axialer Porenrichtung Abschnitte mit sich erweiterndem Durchmesser und Abschnitte mit sich verringerndem Durchmesser abwechseln, und eine Strömungsantriebseinrichtung (140, 240, 340, 440, 540) , die dazu ausgebildet ist, das Trägermedium, in dem die Teilchen suspendiert sind, mit sich periodisch umkehrender Strömungsrichtung zumindest teilweise durch die Barriereeinrichtung zu pumpen.9. Separating device (100, 200, 300, 400, 500) for separating particles depending on their size, comprising: at least two chambers (110, 120, 210, 220, 250, 310, 20, 410, 420, 510 , 520), which are separated by a barrier device (130, 230, 240, 330, 430, 530), the Barrier device have a plurality of pores with a profile, in which sections with increasing diameter and sections with decreasing diameter alternate in the axial pore direction, and a flow drive device (140, 240, 340, 440, 540), which is designed to Carrier medium in which the particles are suspended, with a periodically reversing flow direction, at least partially pumped through the barrier device.
10. Trennvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Poren eine asymmetrische Profilierung aufweisen und die Strömungsantriebseinrichtung (140, 240, 340, 440, 540) für ein periodisches Hin- und Herpumpen des Trägermediums mit einer zeitlich symmetrischen Form ausgebildet ist.10. Separating device according to claim 9, wherein the pores have an asymmetrical profile and the flow drive device (140, 240, 340, 440, 540) is designed for a periodic pumping back and forth of the carrier medium with a temporally symmetrical shape.
11. Trennvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Poren eine symmetrische Profilierung aufweisen, und die Strömungsantriebseinrichtung (140, 240, 340, 440, 540) für ein periodisches Hin- und Herpumpen des Trägermediums mit einer zeitlich asymmetrischen Form ausgebildet ist.11. Separating device according to claim 9, wherein the pores have a symmetrical profile, and the flow drive device (140, 240, 340, 440, 540) is designed for periodic pumping back and forth of the carrier medium with a temporally asymmetrical shape.
12. Trennvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Strömungsantriebseinrichtung (140, 240, 340) eine Pumpeneneinrich- tung (140, 142, 143, 241, 242, 243, 341) umfaßt.12. Separating device according to claim 9, wherein the flow drive device (140, 240, 340) comprises a pump device (140, 142, 143, 241, 242, 243, 341).
13. Trennvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Strömungsantriebseinrichtung (440) einen Bewegungsantrieb für das Barriereelement (430) umfaßt.13. Separating device according to claim 9, wherein the flow drive device (440) comprises a movement drive for the barrier element (430).
14. Trennvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Strömungsantriebseinrichtung (540) einen Schwenk- oder Zentrifu- gierantrieb für die gesamte Trennvorrichtung umfaßt. 14. Separating device according to claim 9, wherein the flow drive device (540) comprises a pivoting or centrifuging drive for the entire separating device.
15. Trennvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der die Barriereeinrichtung (130, 230, 240, 330, 430, 530) durch ein makroporöses scheibenförmiges Material gebildet wird, das von den Poren in axialer Richtung senkrecht zur Scheibenebene durchsetzt wird.15. Separating device according to one of claims 9 to 14, wherein the barrier device (130, 230, 240, 330, 430, 530) is formed by a macroporous disc-shaped material which is penetrated by the pores in the axial direction perpendicular to the plane of the disc.
16. Trennvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der die Barriereeinrichtung (130, 230, 240, 330, 430, 530) durch makroporöses Silizium gebildet wird.16. Separating device according to one of claims 9 to 14, wherein the barrier device (130, 230, 240, 330, 430, 530) is formed by macroporous silicon.
17. Trennvorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Poren Profilierungen mit charakteristischen Durchmessern im Bereich von 1 bis 20 μm aufweisen.17. Separating device according to claim 16, in which the pores have profiles with characteristic diameters in the range from 1 to 20 μm.
18. Verwendung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Trennung mikroskopisch kleiner Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Größe. 18. Use of a method and a device for separating microscopic particles depending on their size.
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