DE10136904A1

DE10136904A1 - Dispenser for very small volumes of fluid, e.g. in cell manipulation, has displacement chamber through which fluid is moved by piston actuated by electrochemically operated bellows

Info

Publication number: DE10136904A1
Application number: DE2001136904
Authority: DE
Inventors: Andreas Graff
Original assignee: Eppendorf SE
Current assignee: Eppendorf SE
Priority date: 2001-07-28
Filing date: 2001-07-28
Publication date: 2003-02-20

Abstract

Dispenser for very small volumes of fluid has a displacement chamber (1) through which fluid is moved by a piston (8). This is actuated by an electrochemically operated bellows (9) connected to the piston rod. The displacement chamber is fitted with an inlet (2) connected to fluid reservoir (6) with a valve (3) which opens as the piston is withdrawn and an outlet with a second valve (5) which closes as it is withdrawn. The dispenser is controlled by current from a control unit (11) connected to the bellows. The dispenser has two interconnected displacement chambers (1, 1') with connected inlets (2, 2') and outlets (4, 4'). Each chamber is fitted with its own piston (8, 8), each with a bellows (9, 9'). These operate so that fluid is drawn into one chamber as it is expelled from the other.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren kleinster Fluidmengen. The invention relates to a device for conveying and / or dosing smallest amounts of fluid.

Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art werden beispielsweise im Bereich der Zellmanipulation benötigt, wo flüssige Medien in Volumenströmen von ca. von 10 µl pro Stunde und darunter gefördert werden müssen. Des weiteren sind für viele Anwendungen, insbesondere in der Mikrobiologie, Dosiermengen in Nanoliter-Bereich und Picoliter-Bereich von Interesse. Devices of the type mentioned are for example in the field of Cell manipulation is required where liquid media in volume flows of approx. 10 µl must be promoted per hour and below. Furthermore, for many Applications, especially in microbiology, dosing quantities in the nanoliter range and picoliter range of interest.

Bisherige Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren haben den Nachteil, daß sie flüssige Medien in verhältnismäßig großen Volumenströmen fördern bzw. große Volumina dosieren. Weitere Nachteile bekannter Vorrichtungen sind, daß sie flüssige Medien nicht gleichförmig fördern, nur im Freistrahl abgeben, keinen Gegendruck überwinden können bzw. nicht selbst ansaugend sind. Previous devices for conveying and / or dosing have the disadvantage that they convey liquid media in relatively large volume flows or large ones Dispense volumes. Other disadvantages of known devices are that they are liquid Do not convey media uniformly, only dispense in open jet, no counter pressure can overcome or are not self-priming.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren zu schaffen, die kleinste Fluidmengen fördern und/oder dosieren kann. Based on this, the present invention seeks to provide a device for Convey and / or create dosing that convey the smallest amounts of fluid and / or can dose.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtungen sind in den Unteransprüchen angegeben. The object is achieved by a device having the features of claim 1 solved. Advantageous embodiments of the devices are in the subclaims specified.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren kleinster Fluidmengen hat

- eine Verdrängungskammer mit einer verlagerbaren Begrenzung zum Verdrängen eines Fluides in der Verdrängungskammer und mit einem Auslaß,
- einen auf die verlagerbare Begrenzung wirkenden elektrochemischen Aktor zum Verlagern der Begrenzung und
- eine mit dem elektrochemischen Aktor elektrisch verbundene elektrische Steuerungseinrichtung zum Steuern des elektrochemischen Aktors.

The device according to the invention for conveying and / or metering the smallest amounts of fluid has

a displacement chamber with a displaceable boundary for displacing a fluid in the displacement chamber and with an outlet,
an electrochemical actuator acting on the displaceable boundary for displacing the boundary and
- An electrical control device electrically connected to the electrochemical actuator for controlling the electrochemical actuator.

In dem elektrochemischen Aktor befindet sich in einem größenveränderlichen Behältnis ein Medium, in dem durch Anlegen bzw. Abziehen eines elektrischen Stromes eine Umsetzung bewirkt werden kann, die zu einer Veränderung des Innendruckes im Behältnis führt. Dabei kann es sich insbesondere um eine Umsetzung handeln, die durch Erzeugung bzw. Verbrauch eines Gases den Innendruck im Behältnis beeinflußt. Die Veränderung des Innendrucks kann in eine Größenänderung des Behältnisses und/oder in eine Änderungen einer von diesem ausgeübten Kraft umgesetzt werden. Die Umsetzung des Mediums kann reversibel erfolgen, so daß eine gegenläufige Größen- bzw. Kraftänderung durch Anlegen bzw. Abziehen eines Stromes bewirkt werden kann. The size of the electrochemical actuator is variable Container a medium in which a by applying or withdrawing an electrical current Implementation can be brought about, which leads to a change in the internal pressure in the Container leads. In particular, this can be an implementation by Generation or consumption of a gas affects the internal pressure in the container. The Changing the internal pressure can result in a change in the size of the container and / or into a change in a force exerted by it. The Implementation of the medium can be reversible, so that an opposite size or Force change can be caused by applying or withdrawing a current.

Vorzugsweise arbeitet der elektrochemische Aktor wie ein Akkumulator, in dem durch Anlegen eines Ladestroms an ein elektrolytisches Medium ein Gas (Wasserstoff) gebildet und bei Abziehen eines Entladestroms verbraucht wird. Der elektrochemischer Aktor kann insbesondere ein balgartiges Behältnis aufweisen, in dem Elektroden angeordnet sind, an die von außen ein Strom angelegt bzw. abgezogen werden kann. Im Inneren des Behältnisses befindet sich das Medium, in dem bei Anlegen bzw. Abziehen eines Stromes eine Umsetzung stattfindet. Durch Dehnen des Balges werden die Kräfte zur Verlagerung der Begrenzung aufgebracht. Ferner kann eine Federeinrichtung vorhanden sein, die den Balg zusammenzieht, wenn die Umsetzung in umgekehrter Richtung abläuft. Die Feder kann beispielsweise von dem Mantel des Balges gebildet oder in diesem integriert sein. The electrochemical actuator preferably works like an accumulator in which Applying a charging current to an electrolytic medium a gas (hydrogen) formed and consumed when a discharge current is withdrawn. The electrochemical Actuator can in particular have a bellows-like container in which electrodes are arranged, to which a current can be applied or withdrawn from the outside. in the Inside the container is the medium in which Withdrawing a current a conversion takes place. By stretching the bellows Forces applied to move the boundary. Furthermore, a Spring device be present that contracts the bellows when the implementation in reverse direction. The spring can, for example, from the jacket of the bellows be formed or integrated into this.

Die Vorrichtung hat den Vorteil, daß die insgesamt bei einer Dosierung geförderten Fördermengen bzw. die Fördermengenströme (zusammenfassend als "Fördermengen" bezeichnet) nach unten praktisch unbegrenzt steuerbar sind, entsprechend der Steuerbarkeit der chemischen Umsetzung durch den angelegten bzw. abgezogenen Strom. Andererseits ermöglicht die Kinetik der Umsetzung auch große Fördermengen. Die Vorrichtung kann deshalb einen besonders großen Dynamikbereich haben, in dem Fördermengen genau steuerbar sind. Durch die genaue Steuerbarkeit der Umsetzung ist auch eine sehr gleichförmige Förderung des Fluids möglich. The device has the advantage that the total promoted at a dosage Flow rates or flow rates (collectively, "flow rates" designated) are practically unlimited controllable downwards, according to the Controllability of the chemical conversion through the applied or withdrawn electricity. On the other hand, the kinetics of implementation also enable large production volumes. The The device can therefore have a particularly large dynamic range in which Flow rates are precisely controllable. Through the precise controllability of the implementation a very uniform delivery of the fluid is also possible.

Wenn der elektrochemische Aktor die Begrenzung bezüglich der Verdrängungskammer nach innen verlagert, wird das Fluid aus dem Auslaß herausgefördert. Diese Verdrängung des Fluids kann auch gegen einen Gegendruck erfolgen. Wenn der elektrochemische Aktor die Begrenzung bezüglich der Verdrängungskammer nach außen verlagert, kann durch den Auslaß ein Fluid angesaugt werden. Die Vorrichtung ist selbstansaugend. Die aufgenommene und abgegebene Fluidmenge kann genau gesteuert werden. Die Vorrichtung kann insbesondere wie eine Pipette oder ein Dispenser arbeiten. If the electrochemical actuator has the limit regarding the Displacement displaced inward, the fluid is transported out of the outlet. This The fluid can also be displaced against a back pressure. If the electrochemical actuator the limitation with respect to the displacement chamber to the outside a fluid can be sucked in through the outlet. The device is self-priming. The amount of fluid absorbed and dispensed can be precise to be controlled. The device can in particular be like a pipette or a dispenser work.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung hat die Verdrängungskammer einen Einlaß mit einem Einlaßventil, das sich beim Verlagern der Begrenzung nach außen öffnet und beim Verlagern der Begrenzung nach innen schließt, und einen Auslaß mit einem Auslaßventil, das sich beim Verlagern der Begrenzung nach außen schließt und beim Verlagern der Begrenzung nach innen öffnet. Durch ein wiederholtes Verlagern der Begrenzung nach außen und nach innen kann ein Ansaugen eines Fluids durch den Einlaß und ein Ausdrücken des Fluids aus dem Auslaß bewirkt werden. According to an advantageous embodiment, the displacement chamber has an inlet an inlet valve which opens when the limit is moved outwards and closes inward when moving the boundary, and an outlet with a Exhaust valve that closes when the limit is moved outwards and when Moving the limit inward opens. By repeatedly relocating the Limitation outwards and inwards can suck a fluid through the Inlet and squeeze the fluid out of the outlet are effected.

Das Einlaßventil und/oder das Auslaßventil kann ein passives Sperrventil (z. B. Klappenventil oder Kugelrückschlagventil) und/oder ein aktives Sperrventil (z. B. ein durch ein elektrischen Aktor gesteuertes Klappenventil) sein. Ein passives Sperrventil wird durch die Druckveränderungen in der Verdrängungskammer gesteuert. Ein aktives Sperrventil wird bevorzugt von der elektrischen Steuerungseinrichtung in einer mit der Steuerung des elektrochemischen Aktors koordinierten Weise gesteuert. The inlet valve and / or the outlet valve can be a passive shut-off valve (e.g. Butterfly valve or ball check valve) and / or an active shut-off valve (e.g. a through an electric actuator-controlled flap valve). A passive check valve will controlled by the pressure changes in the displacement chamber. An active one Check valve is preferred by the electrical control device in one with the Control of the electrochemical actuator is controlled in a coordinated manner.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Begrenzung ein Kolben, der in einem Zylinder der Verdrängungskammer verlagerbar ist. According to a further embodiment, the limitation is a piston, which in one Cylinder of the displacement chamber is displaceable.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der zeitliche Verlauf des von der elektrischen Steuerungseinrichtung an den elektrochemischer Aktor angelegten und/oder von diesem abgezogenen Stroms zur Realisierung einer vorgegebenen Fördercharakteristik steuerbar. According to a further embodiment, the time course of the electrical Control device applied to and / or by the electrochemical actuator this withdrawn current to implement a given funding characteristic controllable.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen mit dem Einlaß der Verdrängungskammer verbundenen Vorratsbehälter auf. According to a further embodiment, the device has one with the inlet of the Displacement chamber connected storage container.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung zwei Verdrängungskammern auf, deren Einlässe miteinander verbunden sind und deren Auslässe miteinander verbunden sind und auf deren Begrenzungen mindestens ein von der elektrischen Steuerungseinrichtung gesteuerter elektrochemischer Aktor wirkt, so daß sich die Begrenzung der einen Verdrängungskammer zum Ansaugen eines Fluids in diese Verdrängungskammer nach außen bewegt und zugleich die Begrenzung der anderen Verdrängungskammer zum Ausdrücken eines Fluids aus dieser Verdrängungskammer nach innen bewegt und umgekehrt und hierdurch ein quasi kontinuierlicher Fluidmengenstrom am Auslaß erzeugt wird. According to a preferred embodiment, the device has two Displacement chambers whose inlets are connected to one another and whose outlets are interconnected and at least one of the Electrical control device controlled electrochemical actuator acts so that the limitation of a displacement chamber for sucking a fluid into it Displacement chamber moves outwards and at the same time limits the others Displacement chamber for expressing a fluid from this displacement chamber moved inward and vice versa, making it a quasi-continuous one Fluid flow is generated at the outlet.

Grundsätzlich ist es möglich, daß ein einziger elektrochemischer Aktor beide Begrenzungen in der beschriebenen Weise verlagert. Vorzugsweise ist jedoch jeder Begrenzung ein eigener elektrochemischer Aktor zugeordnet. Basically, it is possible for a single electrochemical actuator to be both Limits shifted in the manner described. However, everyone is preferred Limitation assigned a separate electrochemical actuator.

Die Vorrichtung kann beliebige Fluide fördern bzw. dosieren, insbesondere Flüssigkeiten oder Gase. Sie kann auch Mehrphasengemische von Flüssigkeiten und/oder Gasen und/oder Feststoffen fördern bzw. dosieren. The device can convey or meter any fluids, in particular Liquids or gases. You can also multiphase mixtures of liquids and / or Convey or dose gases and / or solids.

Die Vorrichtung kann ganz oder teilweise mikrosystemtechnisch hergestellt sein, insbesondere aus Halbleitern und/oder Kunststoffen und/oder Glas und/oder Keramik und/oder Metallen, wobei geeignete Fertigungsverfahren der Mikrotechnik bzw. Mikrostrukturierungen zum Einsatz kommen können, z. B. Lithographie- und Ätzverfahren (bei Halbleitern) oder Ligaverfahren (bei Metallen Kunststoffen und Keramiken). Der elektrochemische Aktor kann auch ein separates Bestandteil sein. Er kann beispielsweise vom Typ ECA (z. B. SK 5/300) der Firma Friwo Silberkraft Gesellschaft für Batterietechnik mbH, Meidericher Str. 6-8, D-47058 Duisburg sein. The device can be wholly or partly manufactured using microsystems technology, in particular from semiconductors and / or plastics and / or glass and / or ceramics and / or metals. Suitable manufacturing methods of microtechnology or microstructuring can be used, e.g. B. lithography and etching processes (for semiconductors) or league processes (for metals, plastics and ceramics). The electrochemical actuator can also be a separate component. It can for example of the ECA (z. B. SK 5/300) from Friwo his silver power company for battery mbH, Meidericher Str. 6-8, D-47058 Duisburg.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden grob schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Die Vorrichtung zum Pumpen und Dosieren kleinster Flüssigkeitsmengen hat zwei parallele Verdrängungskammern 1, 1', die jeweils einen Einlaß 2, 2' mit einem Einlaßventil 3, 3' und einen Auslaß 4, 4' mit einem Auslaßventil 5, 5' aufweisen. Die Einlaßventile 3, 3' und Auslaßventile 5, 5' sind jeweils passive Sperrventile bzw. Rückschlagventile. The invention is explained in more detail below with reference to the roughly schematic drawing of an exemplary embodiment:
The device for pumping and dosing the smallest amounts of liquid has two parallel displacement chambers 1 , 1 ', each having an inlet 2 , 2 ' with an inlet valve 3 , 3 'and an outlet 4 , 4 ' with an outlet valve 5 , 5 '. The inlet valves 3 , 3 'and outlet valves 5 , 5 ' are passive check valves and check valves, respectively.

Die Einlässe 2, 2' sind an den Auslaß eines Vorrats 6 für Flüssigkeiten angeschlossen. Die Auslässe 4, 4' sind zu einem gemeinsamen Auslaß 4" zusammengeführt. The inlets 2 , 2 'are connected to the outlet of a supply 6 for liquids. The outlets 4 , 4 'are brought together to form a common outlet 4 ".

Jede Verdrängungskammer 1, 1' weist einen Zylinder 7, 7' auf, in dem ein Kolben 8,8' verlagerbar angeordnet ist. Außen wirken auf die Kolben elektrochemische Aktoren 9, 9', die über elektrische Verbindungsleitungen 10, 10' mit einer elektrischen Steuerungsvorrichtung 11 verbunden sind. Each displacement chamber 1 , 1 'has a cylinder 7 , 7 ' in which a piston 8 , 8 'is displaceably arranged. Electrochemical actuators 9 , 9 'act on the outside of the pistons and are connected to an electrical control device 11 via electrical connecting lines 10 , 10 '.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Die elektrochemischen Aktoren 9, 9' werden von elektrischen Steuerungseinrichtung 11 elektrisch angesteuert. Die Ausdehnung der Aktoren 9, 9' ist proportional der zugeführten elektrischen Ladung. Das Zusammenziehen der Aktoren 9, 9' ist proportional zur abgezogenen elektrischen Ladung, die beispielsweise einem elektrischen Widerstand zugeführt werden kann. Das Zusammenziehen der Aktoren 9, 9' wird durch eine Federwirkung des balgartigen Behältnisses der Aktoren bewirkt. This device works as follows:
The electrochemical actuators 9 , 9 'are controlled electrically by electrical control device 11 . The expansion of the actuators 9 , 9 'is proportional to the electrical charge supplied. The contraction of the actuators 9 , 9 'is proportional to the electrical charge drawn off, which can be supplied, for example, to an electrical resistance. The contraction of the actuators 9 , 9 'is brought about by a spring action of the bellows-like container of the actuators.

Die elektrische Steuerungseinrichtung 11 steuert die Kolben 9, 9' gegenläufig. Wenn der Kolben 9 tiefer in den Zylinder 7 verlagert wird, wird der Kolben 9' außen weiter aus dem Zylinder 7' herausgezogen. Hierdurch wird aus der Verdrängungskammer 1 Flüssigkeit durch das Ventil 5 und den Ausgang 4" herausgedrückt und von dem Kolben 9' Flüssigkeit durch den Eingang 2' und das Ventil 3' in die Verdrängungskammer 1' eingesogen. Wenn der Kolben 9 maximal zur Verdrängungskammer 1 hin verlagert und der Kolben 9' maximal von der Verlängerungskammer 1' wegverlagert ist, wird der Vorgang umgekehrt, d. h. der Kolben 9' drückt Flüssigkeit aus der Verdrängungskammer 1' durch den Ausgang 4" heraus und der Kolben 9 saugt Flüssigkeit in die Verdrängungskammer 1 durch den Einlaß 2 hinein. The electrical control device 11 controls the pistons 9 , 9 'in opposite directions. When the piston 9 is moved deeper into the cylinder 7 , the piston 9 'is pulled further out of the cylinder 7 '. As a result, liquid is pressed out of the displacement chamber 1 through the valve 5 and the outlet 4 ″ and liquid is drawn in by the piston 9 ′ through the inlet 2 ′ and the valve 3 ′ into the displacement chamber 1 ′. When the piston 9 reaches the displacement chamber 1 at most displaced and the piston 9 'is maximally displaced away from the extension chamber 1 ', the process is reversed, ie the piston 9 'pushes liquid out of the displacement chamber 1 ' through the outlet 4 "and the piston 9 sucks liquid into the displacement chamber 1 through the Inlet 2 into it.

Durch den um 180° verschobenen Betrieb der beiden Kolben 9, 9' kann eine gleichmäßige Förderung von Flüssigkeit aus dem Auslaß 4" erreicht werden. Die Fördermenge ist lediglich vom zeitlichen Verlauf der zugeführten elektrischen Energie abhängig und zu kleinen Mengen hin praktisch nicht begrenzt. Je nach zeitlichen Verlauf der elektrischen Ladung, die an die elektrochemischer Aktoren 9, 9' angelegt bzw. von diesen abgezogen wird, können unterschiedliche Fördercharakteristiken realisiert werden. Through the operation of the two pistons 9 , 9 'shifted by 180 °, a uniform delivery of liquid from the outlet 4 "can be achieved. The delivery rate is only dependent on the course of the electrical energy supplied and is practically not limited to small amounts According to the time course of the electrical charge, which is applied to or subtracted from the electrochemical actuators 9 , 9 ', different delivery characteristics can be realized.

Die Ausführungsform der Ventile 3, 3', 5, 5' hängt vom Anwendungsfall ab. Für eine reine Durchflußpumpe können passive mechanische Ventile ausreichen. Für einen Dosierer können unabhängig voneinander anzusteuernde Ventile vorzuziehen sein. The embodiment of the valves 3 , 3 ', 5 , 5 ' depends on the application. Passive mechanical valves can be sufficient for a pure flow pump. Valves to be controlled independently of one another may be preferred for a dosing device.

Claims

1. Device for conveying and / or dosing the smallest amounts of fluid with
a displacement chamber ( 1 ) with a displaceable boundary ( 8 ) for displacing liquid in the displacement chamber ( 1 ) and with an outlet ( 4 ),
an electrochemical actuator ( 9 ) acting on the displaceable boundary ( 8 ) for displacing the boundary ( 8 ) and
an electrically connected to the electrochemical actuator (9) electrical control means (11) for controlling the electrochemical actuator (9).

2. Device according to claim 1, wherein the displacement chamber (1) having an inlet (2) with an inlet valve (3) that opens during the displacement of the boundary (8) to the outside and closes inwards when displacing the support (8), and an outlet (4), with an outlet valve (5), which closes during the displacement of the boundary (8) to the outside and open inwards during the displacement of the boundary (8).

3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the inlet valve ( 3 ) and / or the outlet valve ( 5 ) is a passive check valve and / or an active check valve.

4. Device according to one of claims 1 to 3, wherein the limitation is a piston ( 8 ) which is displaceable in a cylinder ( 7 ) of the displacement chamber ( 1 ).

5. Device according to one of claims 1 to 4, in which the time profile of the current applied by the electrical control device ( 11 ) to the electrochemical actuator ( 9 ) and / or by this current is controllable.

6. Device according to one of claims 1 to 5, which has a with the inlet ( 2 ) of the displacement chamber ( 1 ) connected storage container ( 6 ).

7. Device according to one of claims 1 to 6, which has two displacement chambers ( 1 , 1 '), the inlets ( 2 , 2 ') are connected to each other and the outlets ( 4 , 4 ') are connected to one another and on the boundaries ( 8 , 8 '), at least one electrochemical actuator ( 9 , 9 ') controlled by the electrical control device ( 11 ) acts, so that the limits ( 8 ) of one displacement chamber ( 1 ) for sucking in a fluid into this displacement chamber ( 1 ) moved outside and at the same time the boundary ( 8 ') of the other displacement chamber ( 1 ') for expressing a fluid from this displacement chamber ( 1 ') moved inwards and vice versa.