Mikroskopisch kleine Teilchen, die in einem Trägermedium sus- pendiert sind, erfahren nicht nur die Wirkung äußerer, determi- ministischer Kräfte (z. B. Gravitation, ggf. mechanische Strö- mungskräfte), sondern auch die Wirkungen statistisch fluktuie- render Zufallskräfte. Die Zufallskräfte werden durch die ther- misch 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 Po- tentialen (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 Teil- chen in Trägermedien sind bislang von theoretischem Interesse.

Beispielsweise ist die Erzeugung eines elektrischen Ratschen- Potentials in für die Manipulierung mikroskopisch kleiner Teil- chen interessierenden Raumbereichen problematisch. Ferner ist die Anwendung eines elektrischen Ratschen-Potentials auf elek- trisch geladene Teilchen beschränkt.

Es ist ferner bekannt, beim elektrochemischen Atzen von n- leitendem Silizium unter Rückseitenbeleuchtung mikroskopisch kleine Poren zu erzeugen, die sich durch ein Siliziumsubstrat senkrecht zur Substratebene erstrecken. Durch die lithographi- sche Definition von Porenkeimen lassen sich regelmäßige Poren- anordnungen 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 photoni- schen Kristallen gerichtet. Es ist zwar bekannt, mit einer si- nusförmigen Strommodulation beim elektrochemischen Atzen eine periodische Durchmesservariation in den Poren zu erzielen (sie- he V. Lehmann et al. in"Thin Solid Films", Band 297,1997, Seite 13 ff), für die photonischen Kristalle sollen Durchmes- seränderungen 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 we- der bekannt noch von technischem Interesse.

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 sus- pendierter 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, mikro- skopisch kleine Teilchen mit Filtern größenabhängig zu tren- nen. Ein Filter wirkt wie ein Sieb mit einer bestimmten Ma- schenbreite, 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.

Die Nachteile herkömmlicher Trennverfahren bestehen allgemein darin, daß diese entweder zu langsam oder in der Genauigkeit der Trennung nicht genug verfeinerbar sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neuartiges Ver- fahren zur Trennung mikroskopisch kleiner Teilchen unter Aus- nutzung nichtlinearer Kraftwirkungen im Trägermedium anzuge- ben, 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.

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.

Die Erfindung basiert auf der Idee, mikroskopisch kleine Teil- chen, die in einem Trägermedium suspendiert sind, in Abhängig- keit von der Größe pumpen, insbesondere zu separieren oder zu trennen. Dazu wird das Trägermedium mit den Teilchen in perio- disch variierender Richtung zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Kanälen oder Poren gepumpt, die in axialer Rich- tung 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 Ge- schwindigkeit 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 abhän- gen, kann sie zur Trennung der suspendierten Teilchen nach ih- rer Größe verwendet werden.

Es ist insbesondere vorgesehen, daß Trägermedium mit den Teil- chen mehrfach eine Barriereeinrichtung (auch Pumpmembran, Po- renmembran, Ubertragungswand genannt) durchströmt, die die Vielzahl von Kanälen oder Poren mit dem asymmetrisch modulier- ten Porendurchmesser umfaßt. Das wiederholte Durchströmen der Barriereeinrichtung erfolgt unter jeweils wechselnder Strö- mungsrichtung.

Unter mikroskopisch kleinen Teilchen werden im Rahmen der Er- findung synthetische oder natürliche Teilchen mit charakteri- stischen Dimensionen unterhalb von 10 um, vorzugsweise im Be- reich von 0.05 um bis 2 um, verstanden. Synthetische Teilchen sind z. B. Kunststoffkügelchen oder Makromoleküle. Natürliche Teilchen sind z. B. biologische Zellen oder Zellbestandteile oder Makromoleküle oder andere mikroskopisch kleine biologi- sche Objekte. Das Trägermedium ist eine anwendungsabhängig ge- wählte Suspensionsflüssigkeit (z. B. Wasser, eine wäßrige Lö- sung, ein Öl oder dgl.).

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 Kammer strömt. Im Trägermedium wird also eine mechanische Schwingung (wie eine Schallschwingung) auslöst, die zum Durchtritt durch die Bar- riereeinrichtung führt. Als Trägermedium ist jede inkompressi- ble Flüssigkeit verwendbar, die als Suspensionsmedium oder Lö- sung für die Teilchen geeignet ist.

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 be- deutet 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 an- schließend eine längere Zeit mit schwächerem Druck in negative Richtung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Teilchentrennung umfaßt ein Flüssigkeitsbad mit mindestens zwei Teilbereichen, die je- weils durch eine Barriereeinrichtung mit einer Vielzahl axial profilierter Kanäle oder Poren getrennt sind, und eine Strö- mungsantriebseinrichtung. Je nach Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung wird die Strömungsantriebseinrichtung durch eine Pumpeneinrichtung für das Trägermedium, eine Trans- porteinrichtung für die Barriereeinrichtung oder eine Schwenk- einrichtung für die gesamte Trennvorrichtung gebildet.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Barriereeinrichtung aus makroporösem Material, die bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird. Ein wesent- licher Vorteil der Erfindung ist, daß die Barriereeinrichtung einen über die Strömungsgeschwindigkeit durchstimmbaren Größen- Filter bildet. Die Trennvorrichtung kann in Bezug auf die Pump- amplitude 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 nicht- elektrischen Kräften. Dadurch ergibt sich ein breiter Einsatz- bereich der erfindungsgemäßen Teilchentrennung. Es wird ein hoher Durchsatz, eine hohe Parallelität bei großer Transportge- schwindigkeit 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.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausfüh- rungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ; Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausfüh- rungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ; Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausfüh- rungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung mit kompakter Bauweise ; Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Aus- führungsform einer erfindungsgemäßen Trennvorrich- tung ; Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Aus- führungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ; Fig. 6 eine Kurvendarstellung zur Illustration einer Poren- profilierung ; Fig. 7 Kurvendarstellungen der Bewegungsbahnen verschieden großer Teilchen ; Fig. 8 Kurvendarstellungen der Bewegungsbahnen von Teilchen bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten ; Fig. 9 eine Kurvendarstellung zur Illustration des erfin- dungsgemäßen elektrochemischen Ätzens von Porenprofi- lierungen ; Fig. 10 eine schematische rasterelektronenmikroskopische Schnittansicht einer Barriereeinrichtung mit einer Mehrzahl von Porenprofilierungen ; und Fig. 11 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts einer weiteren Porenprofilierung.

Das Kernstück der Erfindung besteht in der Gestaltung und der Verwendung der Barriereeinrichtung mit einer Vielzahl profi- lierter Poren. Vor der Erläuterung von Einzelheiten der gesam- ten Trennvorrichtung und der Barriereeinrichtung werden im fol- genden zunächst die grundsätzlichen Überlegungen beschrieben, auf denen die Erfindung basiert.

Transport von Teilchen durch profilierte Poren Erfindungsgemäß wird die Barriereeinrichtung mit der Vielzahl periodisch profilierter Poren von dem Trägermedium mit den suspendierten Teilchen durchströmt, und zwar mit zeitlich os- zillierender Richtungsumkehr bei kleiner Amplitude. Die Ge- samtströmung des Trägermediums verschwindet im allgemeinen im zeitlichen Mittel, kann aber bei einer Bauartvariante auch auf eine Nettodurchströmung hin angelegt sein. Jedenfalls bil- det sich auch bei verschwindender mittlerer Strömung des Me- diums durch die erfindungsgemäß profilierten Poren eine größenabhängige Nettobewegung der Teilchen in eines der Reser- voirs aus. Diese Nettobewegung ergibt sich aus den folgenden Überlegungen, deren Erläuterung sich auf die Figuren 6 bis 8 bezieht.

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 Porenorientie- rung wird hier die Richtung definiert, in der sich die Poren- durchmesser in den längeren Porenabschnitten verringern (posi- tive z-Richtung). Als Porengegenorientierung wird entsprechend die entgegengesetzte Richtung (hier : negative z-Richtung) be- zeichnet, in der sich die Porendurchmesser in kürzeren Poren- abschnitten verringern. Bei der sägezahnförmigen Porenform wechseln sich also in Richtung der Porenorientierung kurze Ab- schnitte (z. B. 2 um), in denen sich der Porendurchmesser ver- größert, mit längeren Abschnitten (z. B. 4 um) ab, in denen sich der Porendurchmesser verringert. Das Verhältnis der län- geren zu den kürzeren Abschnitten kann auch extremer gewählt werden als beim genannten Beispiel (z. B. 2 : 1 bis 3 : 1). Allge- mein gilt, daß für genügend asymmetrisch profilierte Poren das zeitlich periodische Pumpen mit symmetrischer Form (z. B. si- nusförmig) 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 bishe- rigen theoretischen Erkenntnisse über diffusionsinduzierten Transport zeigen. Es können auch Abschnitte konstanten Durch- messer vorgesehen sein. Die Orte geringster Porendurchmesser werden als Engstellen bezeichnet.

Der Porendurchmesser variiert periodisch im um-Bereich, z. B. von 1.4 um bis 4 um. Für die Modellierung wird diese asymmetri- sche Porenform, bei der sich kurze Bereiche in z-Richtung, in denen sich der Porendurchmesser vergrößert, mit längeren Berei- chen in z-Richtung abwechseln, in denen sich der Porendurchmes- ser verkleinert, durch zwei Sinusmoden modelliert.

Die numerische Modellierung der Strömung des Trägermediums durch die Pore ergibt unter Berücksichtigung der relevanten Parameter wie Viskosität der Trägerflüssigkeit, Porendurchmes- ser, Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsdauer eine laminare und quasi-stationäre Strömung. Dies bedeutet, daß Trägheitsef- fekte vernachlässigt werden können und daß sich die Navier- Stokes-Gleichung des Systems in ausreichender Näherung durch die zeitunabhängige Gleichung (1) angeben läßt : i (x) =-Vp (x), mit V v =O (1) v Dabei stellt v die dynamische Viskosität der als inkompressibel angenommenen Flüssigkeit dar. Sind aus Gleichung (1) das Ge- schwindigkeitsfeld v (x) und das Druckfeld p (x) zu einem vorge- gebenen Druckunterschied bp0 zwischen Porenein-und-ausgang bestimmt, dann ist wegen der Linearität dieser Gleichung auch das Geschwindigkeitsfeld für jeden anderen Druckunterschied 8p (t) = bp0 sin (t) bekannt. Dies führt auf die komplette (pa- rametrisch) zeitabhängige Lösung v (x, t) = sin (t) v (x) in quasi-stationärer Näherung.

Die Bewegungsgleichung eines Teilchens im um-Bereich ist rei- bungsdominiert. Dies bedeutet, daß Bewegungen des Teilchens relativ zum Trägermedium so stark gedämpft werden, daß Trag- heitseffekte vernachlässigbar sind.

Die Zufallskräfte durch die thermischen Fluktuationen der Mole- küle des Trägermediums können im thermischen Gleichgewicht, d. h. bei konstanter Temperatur T, durch weißes Rauschen be- schrieben werden. Im ortsfesten Bezugssystem besitzt dann die Bestimmungsgleichung für die Bahnkurve x (t) eines Teilchens gemäß Gleichung (2) die Form einer stochastischen Differential- gleichung erster Ordnung (sogenannte Langevin-Gleichung) : Dabei bedeuten D = kT/die thermische Diffusionskonstante, wobei k durch die Boltzmannkonstante und durch die Stokesche Reibungskonstante gemäß 6sRv (Teilchenradius R, Viskosität des Trägermediums v) gegeben ist. Die Vektor-Komponenten i (t) mit i = 1, 2,3 sind Gauß'sche stochastische Prozesse, für die gilt : (ti (t)) = 0 und ( (t) (t')) = 5 (t-t') 5ij.

Dabei steht (hier und im folgenden) die eckige Klammer (...) für eine Ensemblemittelung, d. h. eine Mittelung über verschiedene Realisierungen des Rauschens.

Die Lösung von Gleichung (2) erfolgt durch numerische Integra- tion in bezug auf die Zeit, wobei ti (t) jeweils von einem Zu- fallsgenerator 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 trunk 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 Differen- tialgleichung 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 Ortsraum- gitter gelöst.

Die Modellierung hat auf einem physikalisch sinnvollen Bereich im Parameterraum geführt, in dem nennenswerte Transportge- schwindigkeiten (der Teilchen bzw. des Trägermediums) im Be- reich von 0.2 bis 0.8 um/s auftreten. Ein Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß diese Transportgeschwindigkei- ten ähnlich zu den Geschwindigkeiten sind, die in biologischen Systemen mit rauschinduziertem Stofftransport auftreten. Die in den Figuren 7 und 8 dargestellten Modellierungsergebnisse be- ziehen sich auf die folgenden Systemparameter. Viskosität der Trägerflüssigkeit v, geteilt durch die Viskosität von Wasser : Wvwasser = 0. 5. Pumpperiode tp = 2/m = 0. 025 s. Die Amplitude des Pumpens wurde so angepaßt, daß ein Trägermedienmolekül, das auf der Porenachse (z-Richtung) in einer Engstelle (Ort gering- sten Porendurchmessers) startet, in einer halben Pumpperiode eine einfache Porenperiode von 6 um zurücklegt. Dieser Wert wurde unter dem Gesichtspunkt der besten Ausnützung der Poren- asymmetrie gewählt.

Figur 7 zeigt für die genannten Standard-Parameter die Model- lierungsergebnisse. Die Kurvendarstellungen illustrieren die z- Komponente der Bewegungsbahnen von Probeteilchen mit verschie- denen Größen im Verlauf einer Vielzahl von Pumpperioden. Die Probeteilchen sind kugelförmige Kunststoffteilchen (z. B. Poly- sterenkügelchen). Die profilierte Pore gemäß Fig. 6 wird wie- derholt gleichmäßig mit der genannten Pumpperiode durchströmt, wobei nach jeder Periode eine Richtungsumkehr der Strömung er- folgt. Für kleine Teilchen mit einem Durchmesser von 0.25 um (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 um (rechter Teil von Fig. 7) zeigt sich eine stärkere mittlere Bewegung hin zu negativen z-Werten und zusätzlich ein Lokali- sierungseffekt. 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 Positio- nen der weitesten Stellen der Pore bei z = (2 n'6) um (siehe Fig. 6).

Bei weiterer Vergrößerung der Teilchen verstärkt sich der Loka- lisierungseffekt noch, wie dies für den Teilchendurchmesser 1 um in Fig. 8 (linker Teil) gezeigt ist. Außerdem verringert sich die mittlere Transportgeschwindigkeit (siehe veränderte Achsenteilung gegenüber Fig. 7). Die Ursachen für dieses Ver- halten ergeben sich einerseits aus der verstärkten Stokeschen Reibung für größere Teilchen und aus ihrer Größe selbst. Klei- nere Teilchen schwimmen relativ kollisionsfrei mit der Medien- strömung mit, wobei der Transport hauptsächlich durch Diffusion in schnellere oder langsamere Strömungsschichten erfolgt. Grö- ßere Teilchen hingegen kollidieren mit größerer Wahrscheinlich- keit mit den Porenwänden, wobei deren asymmetrische Form ver- mehrt zum Transport beitragen kann.

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 um ergibt sich eine positive Bewegungsrichtung, d. h. die Teil- chen wandern durch die Poren von links nach rechts (siehe Fig.

6).

Die dargestellten Modellierungsergebnisse zeigen, daß bei ge- eigneter Wahl der Strömungsparameter die Teilchen größenabhän- gige mittlere Bewegungen mit entgegengesetzten Richtungen aus- führen. Bei wiederholter Durchströmung der Poren (der Barriere- einrichtung) ergibt sich damit, daß sich die Teilchen größenab- hängig getrennt auf den Seiten der Barriereeinrichtung sammeln.

Analoge Ergebnisse zeigen sich beim Durchströmen von Poren mit symmetrischer Profilierung gemäß einem asymmetrischen Zeitpro- fil.

Bauformen erfindungsgemäßer Trennvorrichtungen 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 vorzugs- weise 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 gesam- ten Querschnitt der Trennvorrichtung 100 und besitzt entspre- chend eine Fläche von rund 10-10 mm2. Die Dicke des Barrieree- lements 130 beträgt beispielsweise 120 um. Die Kammertiefe senkrecht zum Barriereelement ist vorzugsweise wesentlich klei- ner (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.

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 darge- stellten Ausführungsform aus einer Pumpeneinrichtung 141 mit einem Kolben 142, der in den Verbindungsansatz 113 ragt und mit einem elektrischen Motor 143 betätigbar ist. Die Strömungsan- triebseinrichtung 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 Rück- ziehen des Kolbens 142 entsprechend anwendungsabhängig gewähl- ten Strömungsparametern (siehe oben) erzielt. Eine typische Pumpfrequenz liegt beispielsweise bei rd. 40 Hz. Die Strömung- antriebseinrichtung 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 Materi- al, vorzugsweise aus makroporösem Silizium, dessen Herstellung und Eigenschaften im einzelnen unten erläutert werden. Das Bar- riereelement 130 wird von parallelen Poren 131 durchsetzt, die im wesentlichen senkrecht zur ebenen Ausrichtung des Barriere- elements verlaufen. Die Poren besitzen charakteristische Durch- messer im Bereich von rund 500 nm bis 50 um. 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. Allge- mein sind die Porenabständen vorzugsweise größer als die Poren- durchmesser gewählt.

Zur erfindungsgemäßen Trennung eines Teilchengemisches wird die Trennvorrichtung 100 mit dem Trägermedium 150 beschickt. An- schließend wird das Teilchengemisch als Suspension dem Träger- medium 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 Pump- vorgang des Barriereelements 130 in Gang gesetzt. Beim Pumpen wird mit einer vorbestimmten Pumpamplitude und-frequenz dem Trägermedium eine Dichteschwankung aufgeprägt, die ein Durch- strömen zumindest eines Teils des Trägermediums durch die Ba- riereeinrichtung hervorruft. Der Teilchentransport innerhalb der Kammern ist diffusionsbestimmt. Entsprechend den oben er- läuterten 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 aus- gerichtet 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 bei- spielsweise 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.

Bei einer Modifizierung der Trennvorrichtung gemäß Fig. 1 ist vorgesehen, daß eine oder beide Kammern selbst mit mindestens einer undurchlässigen Trennwand senkrecht zum Barriereelement in parallele Teilkammern unterteilt sind und das Barriereele- ment aus mindestens zwei Teilelementen besteht, die jeweils eine Kammer und eine Teilkammer oder zwei Teilkammern voneinan- der trennen. Jedes Teilelement des Barriereelements ist für eine andere Trenngröße ausgelegt, so daß in mindestens 3 Grö- ßengruppen getrennt werden kann.

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 Trennvor- richtung 200 entsprechen im wesentlichen denen der Trennvor- richtung 100. Es sind jedoch drei Kammern 210,220 und 250 ge- zeigt, die jeweils durch die Barriereelemente 230 bzw. 240 von- einander getrennt sind. Die von der Strömungsantriebseinrich- tung 240 am weitesten entfernte Kammer 250 ist wiederum mit einer elastischen Seitenwand 232 ausgestattet. Die übrigen Sei- tenwände 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 (Poren- profilierung, Porendurchmesser) unterscheiden, so daß ein Teil- chengemisch mit einer Größenverteilung in drei Teilchengruppen mit drei Größenklassen getrennt werden kann. Das in Fig. 2 dar- gestellte Prinzip der Serienschaltung mehrerer Trennkammern kann entsprechend mit weiteren Trennkammern erweitert werden.

Eine Einspeisung der zu trennenden Teilchen kann in die Mitte oder in eine der seitlichen Kammern erfolgen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemä- ßen 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 be- schickbar. 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 ent- sprechend 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. Laser- licht) zur Anregung der Photolumineszenz, die mit der Spektro- metereinrichtung 371 zur Oberwachung der Teilchentrennung vor- gesehen ist.

Über die Drucksensoren kann der kammerdruck mit der durch die theoretische Modellierung ermittelten erforderliche Pumpampli- tude verglichen und so der Trennvorgang genau geregelt werden.

Die Kammern 310,320, der Beschickungskanal 314, die Druckmeß- kanäle 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.

Eine alternative Gestaltung der Strömungsantriebseinrichtung einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist in Fig. 4 schema- tisch 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.

Das Barriereelement 430 ist jedoch beweglich angebracht und mit der Strömungsantriebseinrichtung 440 nach links oder rechts verschiebbar. Bei periodischer Verschiebung des Barriereelement 430 (im um-Bereich) ergibt sich entsprechend eine Verkleinerung oder Vergrößerung der angrenzenden Kammern 410,420, so daß das Trägermedium zum Druckausgleich das Barriereelement 430 durch- strömt. 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 klei- neren Teilchen in Richtung der Porengegenorientierung bewegt.

Eine weitere Alternative einer erfindungsgemäßen Trennvorrich- tung 500 ist in Fig. 5 illustriert. Bei dieser besteht die Strömungsantriebseinrichtung 540 zur Erzeugung einer Trägerme- dienströmung zwischen den Kammern 510,520, die wiederum durch das Barriereelement 530 getrennt sind, aus einem Schwenkmecha- nismus 541, der dazu ausgebildet ist, die Trennvorrichtung 500 von einer vertikalen Orientierung in die entgegengesetzte ver- tikale Orientierung zu verschwenken. Unter der Wirkung der Gravitationskraft durchströmt das Trägermedium das Barrieree- lement 530. Dieses Durchströmen wird wiederum periodisch wie- derholt, bis die größenabhängige Trennung der Teilchen im Trä- germedium 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 Trägheitskräf- ten im Trägermedium vorgesehen sein. Hierzu könnte die Strö- mungsantriebseinrichtung 540 zusätzlich eine (nicht darge- stellte) Zentrifugiereinrichtung besitzen, mit der die Träger- medienströmung zwischen den Kammern zusätzlich eingestellt wird.

Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Teilchentren- nung (ohne ein Zusetzen des als"Filter"wirkenden Barrieree- lements 130) schnell erfolgt. Ferner ist die Trennwirkung von der Gesamtgröße der Teilchen abhängig. Stäbchenförmige Teil- chen, die bei einem Siebfilter bei geeigneter Ausrichtung ggf. fälschlich durch den Filter durchtreten, können die erfin- dungsgemäße Barriereeinrichtung nicht passieren. Für einen Einsatz für z. B. medizinische Anwendungen können beliebige Ma- terialien eingesetzt werden. Vor allem ist auch eine weiterge- hende 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 Glasgefä- ße.

Herstellung und Gestaltung der profilierten Poren 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 zusammenge- faßten Prozeßschritte beim elektrochemischen Atzen werden diese Publikationen von V. Lehmann et al. vollständig in die vorlie- gende Beschreibung einbezogen. Zunächst wird eine n-dotierte Siliziumscheibe (d < 500 um) mit [100]-orientierter Oberfläche mittels Photolithographie vorstrukturiert. Mit einem alkali- schen Atzmittel werden in die Oberfläche Einsenkungen in Form invertierter Pyramiden geätzt. Die so vorbehandelte Silizium- scheibe wird anschließend in einer elektrochemischen Zelle mit wäßriger Flußsäure (HF) bei anodischer Polarisierung und Rück- seitenbeleuchtung geätzt. Durch die Beleuchtung werden Löcher (fehlende Elektronen) im Valenzband erzeugt, die für die Reak- tion des Siliziums mit der Flußsäure benötigt werden. Da die Beleuchtung von der Rückseite erfolgt und die Eindringtiefe des Lichtes nur wenige um beträgt, müssen die Löcher als Minori- tätsträger durch die gesamte Siliziumscheibe diffundieren, um an deren Vorderseite mit der Strukturierung den Atzvorgang aus- zulösen. Die diffundierenden Löcher kommen aus geometrischen Gründen zunächst an den vorher lithographisch definierten Ver- tiefungen 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 Atzkeime bei der photo-lithographischen Vorbehandlung kann auf diese Weise er- reicht werden, daß für alle Poren dieselben Atzbedingungen herrschen und die Poren in Abhängigkeit von der z-Richtung (quer zur Scheibenebene) jeweils dieselben Durchmesser aufwei- sen. Für die erfindungsgemäß verwendeten Barriereelemente wer- den beispielsweise Silizium-Wafer (5 Qcm, n-Typ, FZ) mit einem quadratischen Raster aus Porenkeimen verwendet. Der Abstand der Keime und damit der geätzten Poren beträgt rund 3.5 um, die HF- Konzentration beträgt 5%. Der Atzvorgang erfolgt mit einer Atz- spannung von 2.7 V. Der charakteristische Porendurchmesser ei- ner Referenzprobe ohne Porenprofilierung beträgt 1.7 um.

Von der Herstellung herkömmlichen makroporösen Siliziums mit unprofilierten Poren ist bekannt, daß mit zunehmender Porentie- fe die HF-Konzentration an den Porenspitzen abnimmt und sich dadurch die Atzgeschwindigkeit der Poren verringert. Zur Kom- pensation 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 um besitzen, gering. In der Praxis wird ein ge- wünschter Atzstrom vorgegeben und über einen PID-Regler die Beleuchtungsstärke reguliert. Zur erfindungsgemäßen Profilie- rung der Poren werden typische Stromwerte bei der Herstellung unprofilierter Poren mit einer sägezahnförmigen Funktion multi- pliziert, wie dies unten erläutert wird.

Am elektrochemischen Auflösungsprozeß des Siliziums sind sowohl die durch Licht erzeugten Minoritätsträger als auch die stets vorhandenen Majoritätsträger beteiligt. Der Ätzprozeß wird da- her 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 Be- leuchtungsintensität definiert und daraus dann als Verhältnis aus gemessenem Ätzstrom Iatz und Photostrom Iphoto des photoemp- findlichen Elements gemäß Gleichung (3) eine Effizienz il be- rechnet. n = Iphoto Da ein Teil der durch Licht im Silizium erzeugten Minoritäts- träger rekombinieren, bevor sie die Oberfläche erreichen, un- terscheidet sich dieser Wert il gemäß Gleichung (3) vom realen Wert durch einen konstanten Faktor.

Im folgenden werden die Einzelheiten der erfindungsgemäßen Pro- filierung der Poren beschrieben. Dies erfolgt am Beispiel einer sägezahnförmigen Porenform (siehe oben).

Um die sägezahnförmige Porenform zu erzielen wird, zunächst zum Atzstrom für unprofilierte gerade Poren der Strom sägezahnför- mig maximal um den Faktor 3 erhöht. Zur Realisierung der Profi- lierung 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.

Die Effizienz T) 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 langsa- mer Erhöhung und schnellem Abfall der Stromstärke gut folgen kann und die Effizienz ausreichend konstant bleibt.

Fig. 9 zeigt den Atzstrom und die Effizienz il bei Herstellung profilierter Poren an einem Beispiel. Der Stromverlauf zeigt den relativ langsamen Anstieg des Atzstromes gefolgt von einem schnellen Abfall. Bei dem Beispiel ist jeweils ein Zeitbereich konstanten Stroms vor dem erneuten Anstieg vorgesehen. Die Pe- riodendauer von 825 s setzt sich wie folgt zusammen. Der linea- re Anstieg dauert 220 s und entspricht einer Porentiefe von 3.2 um. Es folgen für 55 s der Stromabfall entsprechend einer Porentiefe von 0.8 um. Der Abschnitt konstanten Stroms dauert 550 s entsprechend einer Porentiefe von 8 um. Die rasterelek- tronenmikroskopische Querschnittsansicht der Poren in Fig. 10 illustriert die mit einer derartigen Strommodulation erzielte Profilierung der Poren. Bei diesem Beispiel beträgt die Peri- odenlänge rund 10.8 um, innerhalb derer der Abschnitt konstan- ten Durchmessers eine Länge von rund 4.8 um besitzt.

Obwohl die Effizienzkurve gemäß Fig. 9 keine großen Schwankun- gen zeigt, besitzt sie eine deutliche Feinstruktur. Schon in- nerhalb der ersten Sekunden nach dem Beginn des linearen An- stiegs 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 Atzstroms überschritten ist, ein erneuter An- stieg. Nach dem Ende der Rampe ergibt sich wieder eine sprung- hafte 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 Poren- stücks 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 Atzen innerhalb einer etwa um den Faktor 2 kürzeren Atz- zeit als der Anstieg.

Die Herstellung des Barriereelements einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist nicht auf die Verwendung makroporösen Si- liziums beschränkt. Vielmehr sind auch alle anderen, in geeig- neter Weise strukturierbaren Halbleiter-oder Kunststoffmate- rialien verwendbar. Die Parameter der Porenprofilierung (Asym- metrieverhältnisse, Durchmesser, Zahl der Perioden, Porendurch- messer) können anwendungsabhängig gewählt werden. Die Herstel- lung des Barriereelements einer erfindungsgemäßen Trennvorrich- tung ist auch nicht auf die angegebene Größe der Siliziumschei- be beschränkt. Siliziumwafer sind wesentlich größer herstell- bar, so daß auch die Trennvorrichtung entsprechend größer di- mensioniert werden kann. Die Trennvorrichtung kann als Durch- flußsystem aufgebaut sein.