Procedimiento de mezclado para el mezclado de al menos una cantidad pequeña de líquido,

en el que se aplica al menos una cantidad de líquido (53) sobre una zona de interacción (23, 43, 83, 103) de una superficie de un sólido, preferentemente de un chip, y se hace interactuar al menos una onda acústica superficial con la al menos una cantidad de líquido (53,73) para mezclarla, y en el que la al menos una cantidad de líquido (53) se aplica sobre una parte (23, 43, 103) de la superficie en la que se encuentra un dispositivo generador (25, 45, 105) para la al menos una onda acústica superficial y/o la cantidad de líquido se aplica sobre una zona en la que se encuentra un resonador (86) para una onda acústica superficial que es emitida por un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales (85) distanciado de la zona del resonador

Dispositivo de mezclado y procedimiento de mezclado para el mezclado de cantidades pequeñas de líquido.

Campo técnico de la invención

La invención se refiere a un procedimiento de mezclado, a un dispositivo de mezclado para el mezclado de al menos una cantidad pequeña de líquido, al uso del dispositivo y a un procedimiento para el análisis de las fuerzas de unión a superficies.

El término líquido abarca, entre otras cosas, líquidos puros, mezclas, dispersiones y suspensiones, así como líquidos en los que se encuentran partículas sólidas, por ejemplo material biológico.

En la microanalítica se han de mezclar o entremezclar cantidades pequeñas de líquido. R.M. Moroney y col. describen en Appl. Phys. Letters 59, páginas 774 en adelante (1991), el mezclado de líquido en una cavidad de 250 µm de profundidad usando una onda ultrasónica de Lamb que se propaga en una membrana flexible delgada que delimita la cavidad por un lado.

Especialmente para la tecnología "laboratorio en un chip", que se encuentra últimamente en el punto de mira, sería deseable disponer de procesos de mezclado para cantidades mínimas de líquido que se pudieran realizar en un chip (véase, por ejemplo, el documento US-A-5674742). El orden de magnitud de las cantidades de líquido se encuentra en el intervalo de pico-a mililitros. Las áreas relevantes en el chip están comprendidas en el intervalo de milímetros, micrómetros o submicrómetros.

El proceso de mezclado de cantidades pequeñas de líquido es impulsado esencialmente por difusión. Puesto que los tiempos de reacción típicos de muchos procesos químicos o biológicos son muy cortos, el tiempo necesario para que transcurra un proceso químico/biológico sobre el chip viene determinado esencialmente por el tiempo de mezclado de los reactantes.

Para acelerar el mezclado, James B. Knight y col. proponen en "Physical Review Letters" 1998, páginas 3863 en adelante, guiar sobre un chip una cantidad de líquido a alta velocidad por un canal de 10 µm de profundidad y a través de una estrechura hacia una solución tampón. Este fino chorro de líquido así generado acelera el mezclado.

Sin embargo, el mezclado sigue produciéndose por difusión también en la zona límite de este chorro de líquido laminar.

Además, resulta deseable que se puedan alcanzar rápidamente condiciones de reacción homogéneas, por ejemplo de concentración y temperatura, dentro de una cantidad de líquido. Esto también se puede lograr por mezclado.

El documento WO 01/994017 A1, publicado después de la fecha de prioridad del presente texto y que, por lo tanto, constituye el estado de la técnica según el artículo 54(3) del CPE, describe un procedimiento para mover una cantidad pequeña de líquido, en el que se aplica al menos una cantidad de líquido sobre una superficie de un sólido y se hace interactuar al menos una onda acústica superficial con la al menos una cantidad de líquido.

El objetivo de la presente invención es indicar un procedimiento y un dispositivo con los que se pueda realizar el mezclado de una o varias cantidades pequeñas de líquido de forma sencilla, económica y eficaz en un espacio reducido, por ejemplo sobre un chip.

Este objetivo se alcanza mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 1 y un dispositivo con las características de la reivindicación 16. Las reivindicaciones secundarias correspondientes hacen referencia a configuraciones ventajosas. Un procedimiento de análisis para el estudio de la fuerza de unión a superficies, usando ventajosamente el procedimiento de acuerdo con la invención, y un uso ventajoso del dispositivo de acuerdo con la invención son objeto de las reivindicaciones 40 y 39, respectivamente.

En el procedimiento de mezclado de acuerdo con la invención se introducen una o varias cantidades pequeñas de líquido en una zona de interacción de la superficie de un sólido, por ejemplo de un chip. Allí interactúan con al menos una onda acústica superficial con el fin de mezclarse.

El tamaño de la zona de interacción se encuentra en el intervalo de milímetros, micrómetros o submicrómetros. La cantidad de líquido se adapta a este tamaño.

La cantidad de líquido y la trayectoria acústica se pueden superponer por completo para obtener una interacción máxima. Una superposición parcial permite generar turbulencias adicionales.

La onda acústica superficial transmite un impulso a la cantidad de líquido. Esta transmisión de impulsos se logra mediante la deformación mecánica de la superficie del sólido provocada por la onda acústica superficial y/o mediante los campos eléctricos que acompañan la deformación mecánica cuando se usan sustratos piezoeléctricos.

La transmisión de impulsos y la fuerza de retroceso mediada por la tensión superficial del líquido provocan en el líquido un flujo turbulento considerable que hace que las reacciones químicas transcurran con mucha mayor rapidez que en el caso de la difusión pura.

Las ventajas especiales de la transmisión de impulsos mediante ondas acústicas superficiales para la manipulación de cantidades pequeñas de materia son:

La onda acústica superficial se puede generar con la ayuda de un dispositivo generador de ondas superficiales. El mezclado es especialmente eficaz porque el dispositivo generador de ondas superficiales se encuentra, al menos en parte, directamente en la zona en la que se aplica el líquido. Por la deformación correspondiente de la superficie o la acción dinámica de los campos eléctricos que acompañan la deformación se puede mezclar el líquido directa y eficazmente.

En una configuración del procedimiento de acuerdo con la invención, la cantidad de líquido o las cantidades de líquido se introducen en una cavidad de la superficie del sólido que es pequeña en relación con la longitud de onda de la onda superficial. Una cavidad de este tipo permite la localización exacta de la cantidad de líquido sobre la superficie del sólido.

En otra configuración del procedimiento de acuerdo con la invención, el líquido se aplica sobre una zona de la superficie cuyas propiedades de humectación difieren de las de su entorno lateral de manera que el líquido permanezca con preferencia en ella. En una configuración de este tipo no es necesario introducir el líquido en una cavidad. La cantidad de líquido es retenida en la zona de la superficie con propiedades de humectación distintas de las de su entorno lateral por su tensión superficial. En esta zona de permanencia preferente, el líquido se encuentra, por ejemplo, en forma de una gota. Una ventaja especial reside en que, pese a la zona de permanencia delimitada del líquido, que se obtiene por modulación de las propiedades de humectación, no se requiere ningún tipo de surcos, esquinas o cantos que pudieran influir, al menos localmente, en el proceso de mezclado. El hecho de que la superficie sea esencialmente plana simplifica considerablemente tanto la aplicación como también la eliminación del líquido antes y después del proceso, respectivamente. La superficie también es más fácil de limpiar que en el caso de una cavidad.

Por su tensión superficial, la cantidad de líquido no abandonará la cavidad o la zona de permanencia preferente sin la acción de una fuerza externa demasiado grande. El líquido sólo será desplazado de la zona si actúa una fuerza suficientemente grande. Así, en el procedimiento de acuerdo con la invención, primero se puede alcanzar un mezclado del líquido en la zona de permanencia preferente con una intensidad baja de la onda acústica superficial. Si el líquido debe abandonar luego esta zona, se puede aumentar la intensidad de la onda acústica superficial hasta que el líquido abandone la zona de permanencia preferente.

La onda acústica superficial...

1. Procedimiento de mezclado para el mezclado de al menos una cantidad pequeña de líquido, en el que se aplica al menos una cantidad de líquido (53) sobre una zona de interacción (23, 43, 83, 103) de una superficie de un sólido, preferentemente de un chip, y se hace interactuar al menos una onda acústica superficial con la al menos una cantidad de líquido (53,73) para mezclarla, y en el que la al menos una cantidad de líquido (53) se aplica sobre una parte (23, 43, 103) de la superficie en la que se encuentra un dispositivo generador (25, 45, 105) para la al menos una onda acústica superficial y/o la cantidad de líquido se aplica sobre una zona en la que se encuentra un resonador (86) para una onda acústica superficial que es emitida por un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales (85) distanciado de la zona del resonador.

2. Procedimiento de mezclado según la reivindicación 1, en el que la al menos una cantidad de líquido se introduce en una cavidad (23) dispuesta en la superficie del sólido.

3. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que la al menos una cantidad de líquido (53, 73) se aplica sobre una parte (43, 83, 103) de la superficie que presenta propiedades de humectación que difieren de las de su entorno lateral de tal manera que el líquido permanezca con preferencia sobre ella.

4. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la onda acústica superficial se pulsada.

5. Procedimiento de mezclado según la reivindicación 4, en el que la frecuencia de pulso de la onda acústica superficial se selecciona de manera que esté en resonancia con una frecuencia propia de la cantidad pequeña de líquido (53) presente en la zona de interacción (23, 43, 83, 103).

6. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la al menos una onda acústica superficial se emite de forma descentrada a la cantidad de líquido.

7. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que se emiten a la cantidad de líquido al menos dos ondas acústicas superficiales cuyo desplazamiento de fase (?F) es distinto de un múltiplo de su longitud de onda (?), preferentemente igual a media longitud de onda.

8. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la al menos una onda acústica superficial se genera con un transductor interdigital (25, 45, 85, 105).

9. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la al menos una onda acústica superficial se genera con un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales con un recubrimiento preferentemente biocompatible.

10. Procedimiento de mezclado según la reivindicación 9, en el que se usa un recubrimiento aislante para el dispositivo generador de ondas acústicas superficiales.

11. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 9 ó 10, en el que en el dispositivo generador de ondas acústicas superficiales se usa un recubrimiento con una constante dieléctrica elevada.

12. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la cantidad de líquido se encuentra en una zona en la que se encuentran elementos perturbadores para la generación de remolinos en la cantidad de líquido.

13. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 1 a 12, en el que se aplican varias cantidades de líquido en la zona de interacción (23, 43, 83, 103) para el mezclado.

14. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 1 a 12, en el que un material que se ha de disolver se aplica en la zona de interacción (23, 43, 83, 103), se pone en contacto con un líquido y se disuelve en el líquido por acción de una onda acústica superficial.

15. Procedimiento de mezclado según una de las reivindicaciones 1 a 14, en el que la al menos una cantidad de líquido (53) se calienta adicionalmente.

16. Dispositivo de mezclado para el mezclado de al menos una cantidad pequeña de líquido para la realización de un procedimiento según la reivindicación 1, con al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales (25, 45, 85, 105) dispuesto sobre la superficie de un sólido y una zona de interacción (23, 43, 83, 103) dispuesta respecto al al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales de manera que durante el funcionamiento del al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales se deforme por la onda acústica superficial generada, en el que la zona de interacción y el al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales se superponen, al menos parcialmente, y/o en la zona de interacción (83) está previsto un resonador (86) configurado de manera que resuene una onda acústica superficial generada con el al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales (85).

17. Dispositivo de mezclado según la reivindicación 16, en el que la zona de interacción está configurada en forma de cavidad (23) y la profundidad de esta cavidad es pequeña en relación con la longitud de onda de una onda acústica superficial que se puede generar con el dispositivo generador de ondas acústicas superficiales (5, 206).

18. Dispositivo de mezclado según la reivindicación 17, en el que la zona de interacción (23) está configurada en forma de cavidad y el al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales (25) está dispuesto, al menos parcialmente, en la cavidad.

19. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 17 ó 18, en el que la cavidad comprende una cavidad en el recubrimiento de un sólido.

20. Dispositivo de mezclado según la reivindicación 19, en el que el recubrimiento comprende dióxido de silicio.

21. Dispositivo de mezclado según la reivindicación 16, en el que la zona de interacción comprende una zona de permanencia preferente (43, 83, 103) sobre la superficie del sólido cuyas propiedades de humectación difieren de las de su entorno lateral de tal manera que la cantidad de líquido permanezca con preferencia en ella.

22. Dispositivo de mezclado según la reivindicación 21, en el que el entorno de la zona de permanencia preferente (43, 83, 103) está silanizado.

23. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 16 a 22, en el que la zona de interacción y el al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales están dispuestos de tal manera que una onda acústica superficial generada con el al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales actúe de forma descentrada sobre la zona de interacción.

24. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 16 a 23, con al menos dos dispositivos generadores de ondas acústicas superficiales para la generación de ondas acústicas superficiales desfasadas entre sí en la zona de interacción (63).

25. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 16 a 24, con elementos perturbadores (104) dispuestos en la zona de interacción (103).

26. Dispositivo de mezclado según la reivindicación 25, en el que los elementos perturbadores comprenden zonas grabadas en un entorno menos o no grabado, o zonas menos o no grabadas en un entorno grabado.

27. Dispositivo de mezclado según la reivindicación 25, en el que los elementos perturbadores comprenden zonas que están recubiertas de manera distinta que su entorno.

28. Dispositivo de mezclado según la reivindicación 25, en el que los elementos perturbadores se forman mediante una delimitación irregular (104) de la zona de interacción (103).

29. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 16 a 28, con un recubrimiento (33, 43) preferentemente biocompatible dispuesto sobre el dispositivo generador de ondas acústicas superficiales (25, 45).

30. Dispositivo de mezclado según la reivindicación 29, en el que el recubrimiento (33, 43) presenta unas propiedades de humectación que difieren de las de su entorno de tal manera que el líquido permanezca con preferencia sobre él.

31. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 16 a 30, en el que el al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales (25, 45, 85, 105) comprende un transductor interdigital.

32. Dispositivo de mezclado según la reivindicación 31, con un resonador (86) que comprende recubrimientos metálicos dispuestos periódicamente cuya distancia equivale a la distancia interdigital del transductor interdigital (85).

33. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 16 a 32, con un resonador que presenta un recubrimiento.

34. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 16 a 33, con un recubrimiento dispuesto sobre el al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales.

35. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 33 y 34, en el que el recubrimiento es aislante.

36. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 33 a 35, en el que el recubrimiento presenta una constante dieléctrica elevada.

37. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 33 a 36, en el que el recubrimiento presenta un grosor inferior o esencialmente igual a la longitud de onda de una onda acústica superficial generada por el al menos un dispositivo generador de ondas acústicas superficiales.

38. Dispositivo de mezclado según una de las reivindicaciones 16 a 37, con un dispositivo de calefacción dispuesto en la región de la zona de interacción (23, 43, 83, 103).

39. Uso de un dispositivo según una de las reivindicaciones 16 a 38 como ensayo de adhesión celular.

40. Procedimiento de análisis para el análisis de la fuerza de unión de objetos a superficies mediante el uso de un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 15, en el que como cantidad de líquido se usa una solución con objetos de tamaño microscópico y en el que durante o después de la interacción de la onda acústica superficial con la cantidad de líquido se analiza la cantidad de objetos adheridos a la superficie en función del flujo generado por la onda acústica superficial en la cantidad de líquido.

41. Procedimiento de análisis según la reivindicación 40, en el que como solución se usa una solución de cultivo y los objetos son objetos biológicos, en particular células o bacterias.

42. Procedimiento de análisis según una de las reivindicaciones 40 ó 41, en el que la superficie está funcionalizada al menos en una zona parcial.