DE102008016549A1

DE102008016549A1 - Dosing apparatus for contact free dispensing of liquids, has channel module for collecting and dispensing liquid by capillary and regulated pressure system for generation of over pressure

Info

Publication number: DE102008016549A1
Application number: DE200810016549
Authority: DE
Inventors: Lajos Nyarsik
Original assignee: Nyarsik Lajos Dr
Current assignee: Nyarsik Lajos Dr
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-11-19

Abstract

The dosing apparatus has a channel module (11) for collecting and dispensing liquid by a capillary and a regulated pressure system (31) for the generation of over pressure. A container module (21) for gases is positioned between the channel module and the pressure system. The container module is connected to the pressure system through a pressure valve (22). The container module is connected to the channel module through a very fast check valve (23) and a connecting plate (25). An independent claim is included for a dosing method for contact free dispensing of liquids.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung für kontaktfreie Flüssigkeitsabgabe im Nanoliterbereich mit Hilfe eines Behältermoduls für Gase und bei Verwendung von sehr schnellen Ventilen.The The invention relates to a dosing device for non-contact Liquid dispensing in the nanoliter range with the help of a Container module for gases and when using very fast valves.

In der Flüssigkeitshandhabung spielt der Prozess der Abgabe der Flüssigkeit in einen Behälter oder auf eine Trägerplatte eine entscheidende Rolle. Die Flüssigkeit enthält üblicherweise die gelösten Proben für biochemische Untersuchungen. Standardmäßig wird die Flüssigkeit im Kontakt mit einer Oberfläche oder direkt in eine schon vorhandene Flüssigkeit durch Pipettieren abgegeben. Dieser Prozess kann mit handelsüblichen Pipettierrobotern oder Handpipetten realisiert werden. Durch Miniaturisierung von Assays gewinnt jedoch die Methode der kontaktfreien Flüssigkeitsdosierung mehr an Bedeutung. In miniaturisierten Plattenformaten kann die Flüssigkeit in vielen Fällen nur kontaktfrei abgegeben werden, ohne die Kosten zu erhöhen oder die Zeit zu verlängern.In Liquid handling plays the process of delivery the liquid in a container or on a Carrier plate a crucial role. The liquid usually contains the dissolved samples for biochemical investigations. By default the liquid gets in contact with a surface or directly into an already existing liquid Pipetting dispensed. This process can be done with commercial Pipetting robots or hand pipettes can be realized. By miniaturization however, the method of non-contact liquid dosing is gaining in assays more important. In miniaturized plate formats, the liquid can in many cases, only contactless, without to increase the costs or to extend the time.

Stand der TechnikState of the art

Alternativ zum Pipettieren wurden bereits Geräte entwickelt, die in Form eines Freistrahls eine kontaktfreie Flüssigkeitsabgabe im Mikroliterbereich (oberhalb von 1 µl) ermöglichen. Im Nanoliterbereich (unterhalb von 1 µl) ist dagegen nur eine tropfenartige Flüssigkeitsabgabe möglich, wodurch erhebliche physikalische Probleme mit der Tropfenbildung entstehen. Hierfür wurden bereits Dispensingsysteme entwickelt, die eine Tropfenabgabe im Bereich von 10–1000 nl ermöglichen. Diese Systeme arbeiten vorwiegend mit einem Ventil für Durchlass und Sperrung der unter Druck stehenden Flüssigkeit. Es werden kommerzielle Geräte mit diesem Funktionsprinzip angeboten.alternative Devices have already been developed for pipetting that are used in Form of a free jet a non-contact liquid delivery in the microliter range (above 1 μl). In the nanoliter range (below 1 μl), on the other hand, only a drop-like liquid delivery possible, causing significant physical problems with the dripping arise. Dispensing systems have already been developed for this which allow a drop delivery in the range of 10-1000 nl. These systems work predominantly with a valve for Passage and blocking of the pressurized fluid. There are commercial devices with this principle of operation offered.

Die Dispensingsysteme verwenden meistens eine Systemflüssigkeit, die das System bis zum Auslass (Nozzle) komplett befüllt. In diesen Systemen steht die Flüssigkeit unter Druck. Durch Öffnung eines Ventils wird ein Freistrahl erzeugt oder ein Tropfen gebildet. Derartige Systeme werden zum Beispiel in US5916524A , EP1379332B1 oder US6357636B2 beschrieben. Ein gemeinsames Problem in diesen Systemen besteht in der möglichen Bildung von Luftblasen oder Mikroluftblasen in der Systemflüssigkeit, die die Tropfenbildung oft verhindern. Wenn die Funktion der Systeme durch die Bildung von Luftblasen beeinflusst wird, sind aufwendige Regenerationen und umfangreiche Waschroutinen notwendig. Die Luftblasen in der Systemflüssigkeit können das Funktionsprinzip des Dispensierens stark beeinträchtigen oder sogar ganz verhindern. Bei dem Auftreten von Luftblasen variiert meistens die Tropfengröße; oder am Kapillarende werden Flüssigkeiten gesammelt. Das Problem kann in den meinsten Fällen nur durch aufwendige Entlüftung oder durch den Austausch der Systemflüssigkeit gelöst werden, was ein sehr zeitaufwendiger Prozess ist. Der Durchsatz wird in diesem Fall deutlich reduziert, wodurch auch erhebliche Kosten entstehen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Dosierkanäle nicht einfach ausgetauscht werden können, wodurch beim Probenwechsel immer ein umfangreicher Waschvorgang erforderlich ist. Der Austausch der Dosierkanäle ist bei vielfältigen und sehr empfindlichen Assaysproben ausgesprochen vorteilhaft. Ein Dispensingsystem mit Systemflüssigkeit muss nach einem Wechsel der Dosierkanäle wieder konditioniert werden. Zusätzlich zu den genannten Problemen entsteht eine Kontaminationsgefahr in diesen Systemen, und zwar wegen der direkten Verbindung zwischen der Systemflüssigkeit und der Arbeitsflüssigkeit. Nach einer Kontamination muss ein aufwendiges Waschen durchgeführt werden. Die Sytemflüssigkeit kann sich außerdem auch mit der Arbeitsflüssigkeit vermischen, wodurch eine potentielle Diffusion und Verschleppung der Proben in den internen Systembereich entsteht. Die Probenkonzentration wird dadurch verringert. Weiterhin kann das Ventil durch Diffusion von Proben kontaminiert werden, wodurch weitere Waschschritte eingeführt werden müssen. Es kann sogar zur Änderung der Funktionseigenschaften von Ventilen kommen, wodurch die präzise Abgabe teilweise oder vollständig verhindert wird.The dispensing systems usually use a system fluid that completely fills the system to the outlet (nozzle). In these systems, the fluid is under pressure. By opening a valve, a free jet is created or a drop is formed. Such systems are used for example in US5916524A . EP1379332B1 or US6357636B2 described. A common problem in these systems is the possible formation of air bubbles or micro-bubbles in the system fluid that often prevent dripping. If the function of the systems is influenced by the formation of air bubbles, elaborate regenerations and extensive washing routines are necessary. The air bubbles in the system fluid can severely impair or even prevent the functional principle of dispensing. When air bubbles occur, the size of the drops usually varies; or liquids are collected at the capillary end. The problem can be solved in most cases only by consuming venting or by replacing the system fluid, which is a very time-consuming process. The throughput is significantly reduced in this case, resulting in considerable costs. Another problem is that the metering channels can not be easily replaced, which always requires an extensive washing process when changing samples. The replacement of the dosing channels is extremely advantageous in the case of a variety of very sensitive assay samples. A dispensing system with system liquid must be conditioned again after a change of the dosing channels. In addition to the problems mentioned, there is a risk of contamination in these systems because of the direct connection between the system fluid and the working fluid. After contamination, a complex washing must be carried out. The system fluid can also mix with the working fluid, creating potential diffusion and carryover of samples into the internal system area. The sample concentration is thereby reduced. Furthermore, the valve may be contaminated by diffusion of samples, requiring further washing steps. It may even change the functional properties of valves, whereby the precise delivery is partially or completely prevented.

Die Systemflüssigkeit und gleichzeitig das ganze System müssen für die richtige Funktion immer konditioniert werden. Ein Austausch von Komponenten ist nur mit großem Aufwand möglich, weil im System immer wieder Luftblasen gebildet werden können. Das betrifft auch die Dispensingkanäle, die aus diesem Grund nicht einfach ausgetauscht werden können. Dadurch müssen die Kanäle bei einem Probenwechsel immer gewaschen werden.The System liquid and at the same time the whole system must always be conditioned for the right function. One Replacement of components is possible only with great effort, because in the system again and again air bubbles can be formed. This also affects the Dispensingkanäle, from this Reason can not be easily exchanged. Thereby need the channels during a sample change always getting washed.

Dispensingsysteme können auch nur mit der Arbeitsflüssigkeit komplett befüllt werden. Dadurch übernimmt die Arbeitsflüssigkeit auch die Funktion der Systemflüssigkeit. Die Probleme mit der Vermischung und der Konzentrationsreduzierung werden eliminiert, aber sonst entstehen identische Probleme, wie bei der Verwendung einer Systemflüssigkeit. In diesen Systemen erhöht sich zusätzlich die Kontaminationsgefahr im Ventilbereich. Die analytischen Flüssigkeiten neigen häufig zur Luftblasenbildung, was bei komplexen Formen der Kanalführungen nur noch begünstigt wird. Eine Luftblase in der Flüssigkeit verursacht eine Federung und hindert die Tropfenbildung bei kleinen Volumen.Dispensingsysteme can also complete only with the working fluid be filled. This takes over the working fluid also the function of the system fluid. The problems with the mixing and the concentration reduction are eliminated, but otherwise arise identical problems, as in use a system fluid. In these systems increased In addition, the risk of contamination in the valve area. The analytical fluids are often prone to Bubble formation, resulting in complex shapes of the channel guides is only favored. A bubble in the liquid causes a suspension and prevents the formation of small drops Volume.

In DE10022398A1 wird ein Gaspolster-Mikrodosiersystem beschrieben, das ohne Verwendung von Systemflüssigkeit arbeitet. Das Funktionsprinzip des Systems basiert auf der geregelten Impulsdruckmethode, wonach der Druck oberhalb des Flüssigkeitsreservoirs schlagartig geändert wird, und infolge dessen eine Flüssigkeitsabgabe in einem Freistrahl erfolgt. Der Druck wird mit Hilfe einer Mikropumpe erzeugt, wodurch der Überdruck ungefähr auf 500 mbar begrenzt ist. Ein vorgegebener Druckwert wird durch die geregelte Steuerung der Mikropumpe erreicht, die die Werte von Drucksensoren verarbeitet. Der Nachteil dieses Systems besteht in der aufwendigen Regelung des Drucks bei der Flüssigkeitsabgabe. Außerdem eignet sich das System nur für die Flüssigkeitsabgabe oberhalb von 100 nl.In DE10022398A1 a gas cushion microdosing system will be described which operates without the use of system liquid. The functional principle of the system is based on the controlled pulse pressure method, according to which the pressure above the liquid reservoir is changed abruptly, and as a result, a liquid discharge takes place in a free jet. The pressure is generated by means of a micropump, whereby the overpressure is limited to approximately 500 mbar. A predetermined pressure value is achieved by the controlled control of the micropump, which processes the values of pressure sensors. The disadvantage of this system is the elaborate control of the pressure in the liquid delivery. In addition, the system is only suitable for dispensing liquids above 100 nl.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Dosiervorrichtung für kontanktfreie Flüssigkeitsabgabe im Volumenbereich von 1–100 nl ohne Verwendung einer Systemflüssigkeit und mit einfacher Steuerung zu realisieren. Ein solches System ermöglicht auch die Dosierung oberhalb von 100 nl. Durch die Erfindung wird das Dosieren im Nanoliterbereich einfacher, stabiler und schneller. Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt keine aufwendige Regelung bei der Tropfenabgabe. Außerdem ist die Verwendung von Waschroutinen nicht erforderlich, wenn Dosierkanäle ausgetauscht werden. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, indem ein Behältermodul mit definiertem Druck und Volumen in Verbindung mit sehr schnellen Ventilen und unter Verwendung von definierten Kanalstrukturen in der Dosiervorrichtung eingesetzt wird. Die Erfindung basiert auf der Direktdruckmethode mit Flüssigkeitsabgabe in einem Zeitfenster.The The object of the invention is therefore a metering device for non-contact liquid dispensing in the volume range from 1-100 nl without using a system fluid and to realize with simple control. Such a system allows also the dosage above 100 nl. By the invention is dosing in the nanoliter range simpler, more stable and faster. The device according to the invention is needed no complicated control of the drop delivery. Furthermore the use of washing routines is not required when dosing channels be replaced. The object of the invention is achieved by a container module with defined pressure and volume in conjunction with very fast valves and using defined channel structures used in the metering device becomes. The invention is based on the direct printing method with liquid delivery in a time window.

Erfindungsgemäß besteht die Dosiervorrichtung aus drei Ebenen: die erste Ebene beinhaltet die Kanäle für die Aufnahme der Flüssigkeit; die zweite Ebene besteht aus einem Behältermodul für die Zwischenspeicherung und Ventilen; die dritte Ebene besteht aus einer regulierten Druckeinheit.According to the invention the dosing device of three levels: the first level includes the channels for receiving the liquid; the second level consists of a container module for the caching and valves; the third level consists of a regulated printing unit.

Die Flüssigkeit befindet sich in der ersten Ebene in einem Kanalmodul, das einen Auslass in Form einer Kapillare besitzt. Der Durchmesser der Kapillare ist vorzugsweise 100–200 µm, aber auch Kapillaren mit kleineren oder größeren Durchmesser können verwendet werden. Die andere Seite des Kanalmoduls besitzt einen Anschluss zur Anbindung an die zweite Ebene. Hier werden luftdurchlässige Kanäle eingebracht, die an den Ventilen in der zweiten Ebene angeschlossen sind. Das Kanalmodul besitzt ein internes Volumen, das in zwei Bereiche aufgeteilt ist. Im unteren Bereich befindet sich die aufgenommene Flüssigkeit. Der obere Bereich ist mit Gas (Luft) befüllt. Die im Kanal aufgenommene Flüssigkeit wird üblicherweise durch Kapillarkräfte und Oberflächenspannung festgehalten. Wenn es notwendig ist, kann im Gasbereich ein kleiner Unterdruck appliziert werden (beipielsweise 1–10 mbar). Die Flüssigkeit im Kanalmodul kann nach dem Anschluss an die zweite Ebene durch die Verwendung eines Unterdrucks (beipielsweise 20–100 mbar) befüllt werden. Die Befüllung kann auch vor dem Anschluss stattfinden, wenn die Kräfte ausreichend stark sind oder der Kanal entsprechend für die Speicherung der Flüssigkeit geformt ist.The Liquid is in the first level in one Channel module having an outlet in the form of a capillary. Of the Diameter of the capillary is preferably 100-200 μm, but also capillaries with smaller or larger ones Diameter can be used. The other side of the Channel module has a connection for connection to the second Level. Here air-permeable channels are introduced, which are connected to the valves in the second level. The Channel module has an internal volume, which is divided into two areas. In the lower area is the absorbed liquid. The upper area is filled with gas (air). The in the channel absorbed liquid is usually through Capillary forces and surface tension recorded. If necessary, a small negative pressure can occur in the gas area be applied (for example, 1-10 mbar). The liquid in the channel module can after connecting to the second level by the use of a negative pressure (for example 20-100 mbar). The filling can also take place before the connection, if the forces are sufficient are strong or the channel is appropriate for storage the liquid is formed.

Die zweite Ebene beinhaltet ein Behältermodul für die Zwischenspeicherung eines definierten Gasdrucks. Der Zwischenspeicherraum des Behältermoduls ist in Richtung der ersten Ebene durch ein Sperrventil gesperrt. Das Sperrventil ist mit einer Anschlussplatte verbunden. Die zweite Öffnung wird durch ein Druckventil an die dritte Ebene angeschlossen, wodurch eine Befüllung oder Entleerung stattfinden kann. Das Behältermodul kann weitere Öffnungen besitzen, wenn diese für eine Regelung notwendig erscheinen. Die zweite Ebene besitzt weiterhin ein Auslassventil, das an einen Kanal an der Anschlussstelle zu der ersten Ebene angeschlossen ist.The second level includes a container module for the intermediate storage of a defined gas pressure. The cache space of the container module is in the direction of the first level a check valve blocked. The check valve is with a connection plate connected. The second opening is through a pressure valve connected to the third level, creating a filling or emptying can take place. The container module can have more openings, if this for a Regulation appear necessary. The second level still has one Exhaust valve connected to a duct at the junction to the first level is connected.

In der dritten Ebene befindet sich eine Druckeinheit, die zur Erzeugung und Vorspeicherung des Gasdrucks dient. Die Druckeinheit besteht aus mindestens einem Drucksystem. Der Druck im Drucksystem kann durch Pumpen oder Absaugen nach bekannten Methoden der Druckerzeugung eingestellt werden. Das Drucksystem beinhaltet mindestens einen Druckbehälter. Der Druckbehälter im Drucksystem wird durch ein Druckventil an den Zwischenspeicherraum des Behältermoduls angeschlossen. Der Druckbehälter hat üblicherweise einen deutlich größeren Raum als das Behältermodul, um den Druck im Behältermodul schnell einzustellen.In the third level is a printing unit used to generate and pre-storage of the gas pressure is used. The printing unit exists from at least one printing system. The pressure in the printing system can by pumping or suctioning by known methods of pressure generation be set. The printing system includes at least one Pressure vessel. The pressure vessel in the printing system is passed through a pressure valve to the buffer chamber of the container module connected. The pressure vessel usually has a much larger space than the container module, to quickly adjust the pressure in the tank module.

Die Dosiervorrichtung mit drei Ebenen ermöglicht, bei eingestellten Parametern für Volumen und Druck, einzelne Flüssigkeitstropfen im Nanoliterbereich abzugeben. Für die richtige Funktion wird noch das Volumen des Gasbereichs im Aufnahmekanal bestimmt. Es wird vorausgesetzt, dass die Kanalgeometrie bekannt ist und die aufgenommene Flüssigkeitsmenge separat gemessen wird, woraus das Volumen des Gasbereichs berechnet werden kann. Das Volumen des Behältermoduls kann auch aus den Konstruktionsunterlagen berechnet werden. Weitere Volumenteile in Ventilen und Verbindugsschläuchen können auch ermittelt werden. So steht das komplette Volumenverhältnis im System dem Benutzer zur Verfügung. Für die nachfolgende Beschreibung der Dosiervorrichtung wird vorausgesetzt, dass die aufgenommene Flüssigkeitsmenge durch Kapillarkräfte gehalten wird, wodurch das Auslassventil in der Grundstellung offen gehalten werden kann. Der Druck im Gasbereich ist dann dem atmosphärischen Druck gleich. Im Behältermodul wird ein vordefinierter Druck eingestellt. Eine solche Dosiervorrichtung ist damit für die Tropfenabgabe durch eine gesteuerte Ventilschaltung vorbereitet.The metering device with three levels makes it possible to dispense individual drops of liquid in the nanoliter range with set parameters for volume and pressure. For the correct function, the volume of the gas area in the receiving channel is determined. It is assumed that the channel geometry is known and the amount of liquid taken is measured separately, from which the volume of the gas range can be calculated. The volume of the container module can also be calculated from the design documentation. Other volumes in valves and connecting hoses can also be determined. Thus the complete volume ratio in the system is available to the user. For the following description of the metering device it is assumed that the amount of liquid absorbed is held by capillary forces, whereby the outlet valve can be kept open in the normal position. The pressure in the gas area is then equal to the atmospheric pressure. A predefined pressure is set in the tank module. Such a metering device is thus for the drop delivery prepared a controlled valve circuit.

Das Dosierverfahren in der beschriebenen Dosiervorrichtung besteht darin, dass zuerst das Auslassventil geschlossen wird, wodurch ein geschlossener Gasbereich im Kanalmodul entsteht. Danach wird das Sperrventil zwischen der ersten und zweiten Ebene sehr schnell geöffnet, wonach ein Arbeitsdruck in dem gemeinsam gebildeten Raum entsteht. Für die erfindungsgemäße Ausführung sind bevorzugt Ventile mit 0,1–1 ms Öffnungszeit einzusetzen. Für die Tropfenbildung im Nanoliterbereich ist vorwiegend eine Öffnungszeit unter 10 ms erforderlich. Der entstandene Arbeitsdruck wirkt auf die Flüssigkeit und setzt sie durch die Kapillare in Bewegung. Bei einem entsprechenden Arbeitsdruck (typischerweise 500–1000 mbar) wird eine Flüssigkeitsgeschwindigkeit (typischerweise größer als 1 m/s) erreicht, die für das Formen eines Tropfens notwendig ist. In einem weiteren Schritt wird das Auslassventil mit schneller Öffnungszeit (bevorzugt 0,1–1 ms) geöffnet, um den Arbeitsdruck mit dem atmosphärischen Druck auszugleichen. Damit wird die Strömung der Flüssigkeit durch die Kapillare gestoppt. Die hinausströmende Flüssigkeit bildet dann einen Tropfen, der kontaktfrei abgegeben wird. Bei sehr schnellen Öffnungszeiten von Ventilen kann eine extrem kurze Zeitspanne zwischen den beiden Ventilen erreicht werden, in der noch ein ausreichender Arbeitsdruck gebildet wird. Ein Zeitinterval ab 1 ms kann mit Hilfe von sehr schnellen Ventilen technisch realisiert werden, wodurch Flüssigkeitstropfen im Volumenbereich von 1–100 nl gebildet werden können.The Metering method in the metering device described is to that first the exhaust valve is closed, whereby a closed Gas area is created in the duct module. Thereafter, the check valve between the first and second levels open very quickly, after which a working pressure arises in the jointly formed space. For the embodiment of the invention are preferred Use valves with 0.1-1 ms opening time. For the formation of drops in the nanoliter range is predominant an opening time of less than 10 ms is required. The resulting Working pressure acts on the liquid and puts it through the capillary in motion. At a corresponding working pressure (typically 500-1000 mbar) becomes a liquid velocity (typically greater than 1 m / s) achieved, the is necessary for forming a drop. In another Step is the exhaust valve with faster opening time (preferably 0.1-1 ms) opened to the working pressure with to balance the atmospheric pressure. This will be the Flow of liquid stopped by the capillary. The outflowing liquid then forms a drop, which is delivered without contact. At very fast opening times Valves can have an extremely short time span between the two Valves are reached, in the still a sufficient working pressure is formed. A time interval from 1 ms can be done with the help of very Fast valves are technically realized, reducing liquid droplets can be formed in the volume range of 1-100 nl.

In der ausgebildeten Form bietet die Dosiervorrichtung eine effiziente Methode zur Erzeugung von Flüssigkeitstropfen für eine kontaktfreie Abgabe. Im System besteht keine Kontaminationsgefahr, weil sich die Arbeitsflüssigkeit nur im Flüssigkeitsbereich des Kanals befindet und dadurch keine Diffusion in andere Bereiche stattfinden kann. Der Aufnahmekanal kann schnell ausgetauscht werden, ohne das System wieder neu zu konditionieren. Im Behältermodul kann der Überdruck (typischerweise zwischen 0,3–3 bar) entsprechend den Systemparametern eingestellt werden.In the trained form the dosing provides an efficient Method for producing liquid drops for a non-contact delivery. There is no risk of contamination in the system, because the working fluid only in the liquid area of Channel and thereby no diffusion into other areas take place can. The receiving channel can be quickly replaced without the system to recondition again. In the tank module, the overpressure (typically between 0.3-3 bar) according to the system parameters be set.

Das Kanalmodul kann als Kapillare aus Glas oder Kunststoff mit variablem Durchmesser geformt und mit einer Anschlussstelle ausgerüstet werden. Eine bevorzugte Lösung besteht in einem mikrofluidischen Modul. Jede Ausführungsform des Kanalmoduls kann durch geeignete Anschlussstelle an die zweite Ebene angeschlossen werden. Der bevorzugte Durchmesser der Kapillare am Auslass liegt bei 100 µm. Ein kleinerer Durchmesser bis 10 µm (aber auch noch kleinerer Durchmesser) kann verwendet werden, um Tropfen um 10 nl (aber auch noch kleinere Tropfen) herzustellen. Hierfür befinden sich die Öffnungszeiten der Ventile und die Druckverhältnisse im System in einem besonders kritischen technischen Bereich.The Channel module can be used as a capillary made of glass or plastic with variable Diameter shaped and equipped with a connection point become. A preferred solution is a microfluidic Module. Each embodiment of the channel module can by suitable connection point can be connected to the second level. The preferred diameter of the capillary at the outlet is 100 microns. A smaller diameter up to 10 μm (but even smaller Diameter) can be used to drop by 10 nl (but also even smaller drops). For this are located the opening times of the valves and the pressure conditions in the System in a particularly critical technical area.

Weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung besteht in der Verwendung einer Spritzenpumpe, die die erste und die zweite Ebene umfasst. Die Spritzenpumpe vereinigt das Drucksystem und das Behältermodul in einem gemeinsamen Modul. Bei dem geschlossenen Sperrventil wird ein Druck durch die Kolbenverschiebung im Spritzengehäuse erzeugt. Nach der Flüssigkeitsabgabe und erneuter Schließung des Sperrventils kann erneut ein Druck durch Weiterschiebung des Kolbens erstellt werden. Das Funktionsprinzip kann vorteilhaft in Pipettiervorrichtungen verwendet werden, wo Spritzenpumpen im Einsatz sind. Es besteht auch die vorteilhafte Möglichkeit, die Handpipetten mit schnellen Ventilen und einer Ventilsteuerung zu ergänzen, um die Funktionalität der Erfindung zu nutzen.Further Formation of the metering device according to the invention consists in the use of a syringe pump, which is the first and the second level includes. The syringe pump unites the pressure system and the container module in a common module. In which closed check valve is a pressure due to the piston displacement generated in the syringe housing. After the liquid delivery and again closing the check valve can again a pressure be created by advancing the piston. The functional principle can be used advantageously in pipetting devices where Syringe pumps are in use. There is also the advantageous Possibility of handpipes with fast valves and a Valve control complement to the functionality to use the invention.

Bei Ventilen spielt nur die Öffnungszeit eine entscheidende Rolle. Dadurch können die Ventile einseitig für schnelles Öffnen optimiert werden. Für schnelle Vorgänge können auch piezoelektrische Elemente verwendet werden. Die Ventilsteuerung bei Tropfenabgaben kann eine einfache Form annehmen, weil nur die zwei Ventile mit einer Zeitverschiebung geöffnet werden sollen. Der weitere Ablauf ist nicht zeitkritisch.at Valves, only the opening time plays a crucial Role. This allows the valves on one side for be optimized for fast opening. For fast Operations can also be piezoelectric elements be used. The valve control for drop deliveries can be a take simple form, because only the two valves with a time lag to be opened. The further process is not time-critical.

Die erneute Einstellung des Drucks im Behältermodul kann nach der Schließung des Sperrventils durch die Öffnung des Druckventils zu dem Druckbehälter des Drucksystems relativ schnell realisiert werden. Die Dosiervorrichtung wird vorzugsweise mit einem Positionierungssystem verbunden, um die Tropfen in definierte Behälterposition abzugeben. Die Behälter werden vorzugsweise in Form einer Mikrotiterplatte oder Trägerplatte gebildet. Die Zeitspanne für die erneute Positionierung der Dosiervorrichtung kann auch für die Druckeinstellung verwendet werden, wodurch in einer neuen Position gleich eine Tropfenabgabe durchgeführt werden kann. Die typische Zeitspanne für eine neue Positionierung liegt bei ungefähr 1 s.The re-adjustment of the pressure in the tank module can after the closure of the check valve through the opening the pressure valve to the pressure vessel of the printing system be realized relatively quickly. The metering device is preferably connected to a positioning system to define the drops in Container position. The containers will preferably in the form of a microtiter plate or carrier plate educated. The period of time for repositioning the metering device can also for the pressure setting be used, whereby in a new position equal to a drop delivery can be carried out. The typical time span for a new positioning is about 1 s.

Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung ermöglicht eine vollständige Flüssigkeitsabgabe in Form eines Tropfens im Nanoliterbereich. Weil keine Vermischung mit einer weiteren Flüssigkeit besteht, kann beispielsweise 50 nl aufgenommen und die gleiche Menge vollständig abgegeben werden, um die Proben mit maximaler Effizienz zu nutzen.The Dosing device according to the invention allows a complete liquid delivery in the form of a Drop in nanoliter range. Because no mixing with another Liquid consists, for example, 50 nl recorded and the same amount to be completely dispensed to use the samples with maximum efficiency.

Aktuelle Systeme in der Biochemie erfordern eine Parallelisierung der Vorgänge durch eine mehrkanalige Flüssigkeitshandhabung. In der Dosiervorrichtung können die Aufnahmekanäle in einen Block zusammengefügt werden. Die Flüssigkeitsbereiche bleiben getrennt; aber die Gasbereiche werden zusammengeschlossen. Es wird vorausgesetzt, dass die Kanäle geometrisch identisch sind. Ein mehrkanaliges Kanalmodul kann vorteilhaft als mikrofluidisches Element gebildet werden. Mit Hilfe von mikrosystemtechnischen Komponenten kann eine hohe Präzision der Kanalstrukturen erreicht werden. Dadurch kann das Dosieren unter Verwendung nur eines Drucksystems und eines Behältermoduls mehrkanalig erfolgen.Current systems in biochemistry require a parallelization of processes through a multi-channel liquid handling. In the metering device, the receiving channels can be assembled into a block. The fluid areas remain separated; but the gas areas become too sammengeschlossen. It is assumed that the channels are geometrically identical. A multi-channel channel module can advantageously be formed as a microfluidic element. With the help of microsystem components, a high precision of the channel structures can be achieved. As a result, metering can take place using only one pressure system and one container module with multiple channels.

Die Dosiervorrichtung besitzt eine Doppelventilanordnung, die aus einem Sperrventil und einem Auslassventil besteht. Die zwei Ventile sichern die Funktionalität der Vorrichtung, indem sie in einem kurzen Zeitabstand sehr schnell nacheinander geöffnet werden. Dadurch erzeugen die Ventile einen kurz andauernden direkten Überdruck für die Abgabe der Flüssigkeit aus einem Kanal des Kanalmoduls. Aus diesem Grund wird das Funktionsprinzip der Dosiervorrichtung als Direktdruckmethode genannt. Durch Öffnung des Sperrventils entsteht ein gemeinsamer Raum aus dem Behältermodul und dem Gasbereich des Kanalmoduls. Infolge der schnellen Ventilöffnung entsteht ein Druckgleichgewicht. Der daraus resultierende Überdruck (typischerweise 300–1000 mbar) bei geeignet gewählter Kanalarchitektur ist ausreichend, um die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbereich des Kanalmoduls mit hoher Geschwindigkeit (höher als 1 m/s) durch die Kapillare zu verschieben. Die schnelle Flüssigkeitströmung verleiht der ausgestoßenen Flüssigkeit genug Energie, um nach der Öffnung des Auslassventils und der Eliminierung des Überdrucks selbständige Tropfen zu bilden.The Dosing device has a double valve arrangement consisting of a Blocking valve and an outlet valve consists. The two valves secure the Functionality of the device by putting in a short Time interval can be opened very quickly one after the other. As a result, the valves generate a short-lasting direct overpressure for the discharge of the liquid from a channel of the channel module. For this reason, the operating principle of Dosing called direct printing method. Through opening the check valve creates a common space from the tank module and the gas region of the channel module. As a result of the rapid valve opening arises a pressure balance. The resulting overpressure (typically 300-1000 mbar) when suitably selected Channel architecture is sufficient to make the liquid out the liquid area of the channel module at high speed (higher than 1 m / s) through the capillary. The fast liquid flow gives the ejected liquid enough energy around after the opening of the exhaust valve and the elimination of overpressure to form independent drops.

Für die erfindungsgemäße Funktion der Dosiervorrichtung ist die exakte Bestimmung der Volumengrößen der einzelnen Bereiche erforderlich. Dabei ist vor allem die Flüssigkeitsmenge variabel. Die aufgenommene Flüssigkeit (ihr Volumen) kann durch eine vorherige Messung bestimmt werden. Alternativ können optische Sensoren in der Dosiervorrichtung eingesetzt werden, um die Flüssigkeitsverhältnisse in Kanälen zu untersuchen und daraus das Volumen zu bestimmen. Hierfür ist es sehr vorteilhaft, durchsichtige Kanalmodule zu verwenden, wie zum Beispiel durchsichtige Module aus Plastik oder Glas. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von geformten Glaskapillaren, die einen breiten Teil für die Flüssigkeitsspeicherung und einen schmalen Auslass für die Abgabe besitzen. Der Durchmesser der Kapillarenöffnung liegt bevorzugt zwischen 10–200 µm. Es können aber auch kleinere Öffnungen (1–10 µm) mit kurzer Strecke (um 1 mm) verwendet werden, um sehr kleine Tropfen zu erzeugen. Die Öffnung kann größer als 200 µm sein, aber in diesem Fall soll das Volumen der aufgenommen Flüssigkeitsmenge stärker berücksichtigt werden, wobei bei größeren Mengen voraussichtlich die Applikation eines kleinen Unterdrucks erforderlich wird.For the inventive function of the metering device is the exact determination of the volume sizes of the individual areas required. It is mainly the amount of liquid variable. The absorbed liquid (its volume) can be determined by a previous measurement. Alternatively you can optical sensors are used in the metering device to the liquid ratios in channels to investigate and to determine the volume. Therefor it is very advantageous to use transparent channel modules, such as transparent modules made of plastic or glass. Especially advantageous is the use of molded glass capillaries, the a large part for liquid storage and have a narrow outlet for delivery. Of the Diameter of the capillary opening is preferably between 10-200 μm. But it can also smaller openings (1-10 microns) with a short distance (by 1 mm) used to produce very small drops. The opening can be larger than 200 μm, but in In this case, the volume of the absorbed liquid amount be taken into greater consideration, with larger Quantities expected the application of a small negative pressure is required.

Die Hauptfunktion der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung besteht in der Abgabe der Flüssigkeit. Die Vorrichtung kann aber auch für die Aufnahme der Flüssigkeit verwendet werden, indem im Behältermodul ein Unterdruck erzeugt wird. Bei der Aufnahme findet die Öffnung der Ventile genau so wie bei der Abgabe statt. Dazu muss die Kapillare vorher in die aufzunehmende Flüssigkeit eingetaucht werden. Um die Druckverhältnisse im Drucksystem nicht ständig wechseln zu müssen, wird vorteilhaft ein zweites Drucksystem eingesetzt, welches nur mit Unterdruck arbeitet. Das zweite Drucksystem wird durch ein separates Ventil für Unterdruck an das Behältermodul angeschlossen.The Main function of the metering device according to the invention consists in the delivery of the liquid. The device But it can also be used to absorb the liquid be used by in the tank module a negative pressure is produced. At reception finds opening of valves just like the delivery. For this, the capillary must be in the before be dipped liquid to be absorbed. To the pressure conditions not constantly having to change in the printing system, Advantageously, a second printing system is used, which only works with negative pressure. The second printing system is characterized by a separate Vacuum valve connected to the tank module.

Das geregelte Drucksystem liefert einen konstanten Druck in einem internen Speicherraum, aus dem das Behältermodul mit einem definierten Druck befüllt wird. Wenn der interne Speicherraum des geregelten Drucksystems für die Dauer der Befüllung intern gesperrt wird (nach der Einstellung findet eine Regelung nicht mehr statt), erfolgt die Befüllung nur durch die Öffnung des Ventils (für Überdruck oder Unterdruck). Nach der Schließung des Druckventils wird ein definierter Druck direkt eingestellt, wenn die Volumenverhältnisse und dazu entsprechende Druckverhältnisse definiert sind.The Regulated pressure system delivers a constant pressure in an internal Storage space from which the container module with a defined Pressure is filled. If the internal memory space of the regulated Pressure system for the duration of the filling internally is locked (after the adjustment, a regulation is no longer instead), the filling takes place only through the opening of the valve (for overpressure or negative pressure). To the closure of the pressure valve becomes a defined pressure set directly when the volume ratios and to corresponding pressure ratios are defined.

Der modulare Aufbau der Dosiervorrichtung ermöglicht die Konzeptionierung einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung für den Einsatz an Positionierungssystemen. Ein Dosierkopf wird durch das Behältermodul und das Kanalmodul gebildet. Das Drucksystem kann sich auch außerhalb der Plattform befinden. Der Dosierkopf kann dabei auch eine miniaturisierte Form haben.Of the Modular design of the dosing device allows the conception an advantageous embodiment of the invention for the use on positioning systems. A dosing head is going through the container module and the channel module formed. The printing system can also be outside the platform. The dosing head can also have a miniaturized form.

Das Kanalmodul kann besonders vorteilhaft aus mikrosystemtechnischen Komponenten gebildet werden. Eine Mikrofluidikstruktur wird in planarer Form mit mehreren Kanälen geformt und vor dem Einsatz in die Dosiervorrichtung mit Flüssigkeiten befüllt. Ein Anschluss kann schnell und ohne aufwendige Konditionierung durchgeführt werden. Nach dem Dosieren kann das mikrofluidische Kanalmodul gegen ein weiteres Modul schnell ausgetauscht werden. Dadurch wird die gesamte Prozessgeschwindigkeit deutlich erhöht.The Channel module can be particularly advantageous from microsystem technology Components are formed. A microfluidic structure becomes planar molded with multiple channels and before use in the Dosing device filled with liquids. One Connection can be carried out quickly and without expensive conditioning become. After dosing, the microfluidic channel module against another module can be exchanged quickly. This will be the overall process speed significantly increased.

Eine mehrkanalige Dosiervorrichtung kann auch nur mit einem Behältermodul funktionieren, wenn die Gasbereiche der einzelnen Kanäle einen gemeinsamen Raum bilden. Dadurch bietet die Erfindung eine sehr vorteilhafte und kosteneffiziente Lösung mit reduziertem technischen Aufwand. Es besteht auch die Möglichkeit, die einzelnen Kanäle mit separaten Zwischenbehältern zu bedienen, was wiederum bei Verwendung von Flüssigkeiten mit sehr unterschiedlichen Parametern vorteilhaft ist.A Multi-channel metering device can also only with a container module work when the gas areas of each channel to form a common space. As a result, the invention offers a very advantageous and cost-effective solution with reduced technical effort. There is also the possibility of the individual channels with separate intermediate containers to use, which in turn when using liquids with very different parameters is advantageous.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Direktdruckmethode eine einfache aber voll funktionsfähige Anordnung einer Dosiervorrichtung für die kontaktfreie Flüssigkeitsabgabe im Nanoliterbereich realisiert werden kann. Ein weiterer Vorteil der Dosiervorrichtung besteht darin, dass das Kanalmodul einfach und schnell ausgetauscht werden kann.The particular advantages of the invention are that through the direct printing method a simple but fully functional Arrangement of a metering device for the non-contact Liquid delivery in the nanoliter range can be realized can. Another advantage of the metering device is that the duct module can be easily and quickly replaced.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Die schematischen Zeichnungen im Einzelnen zeigen:The The invention will be explained below with reference to the drawings. The schematic drawings show in detail:

1 eine einkanalige Dosiervorrichtung, 1 a single-channel metering device,

2 eine einkanalige Dosiervorrichtung mit zusätzlichem Drucksystem für Unterdruck, 2 a single-channel dosing device with additional pressure system for negative pressure,

3 eine mehrkanalige Dosiervorrichtung mit mikrofluidischem Kanalmodul. 3 a multi-channel dosing device with microfluidic channel module.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen der ErfindungDetailed description the embodiments of the invention

In der 1 wird eine Dosiervorrichtung (01) zur Beschreibung der grundlegenden Anordnung und Funktion der Erfindung schematisch dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus drei Ebenen (10), (20), (30), die zueinander an zwei Schnittstellen (51), (52) verbunden sind. Die in der Zeichnung dargestellte obere Ebene besteht aus einer geregelten Druckeinheit (30), die einen vorher definierten Druck für die Vorrichtung zur Verfügung stellt. Bevorzugt wird eine Druckeinheit mit Druckabweichung von einem Nennwert unter 1 mbar verwendet. Die Druckeinheit (30) besteht mindestens aus einem Drucksystem für Überdruck (31). In einem internen Druckbehälter (32) wird ein geregelter Überdruck, bevorzugt zwischen 1–10 bar, erstellt. Für eine optimale Funktion der Vorrichtung, ist es sehr vorteilhaft, einen zweiten Druckbehälter zu verwenden, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist. In der zweiten Ebene (20) befindet sich eine Behältereinheit, die aus einem Behältermodul (21) für Zwischenspeicherung eines definierten Drucks und aus mehreren, teilweise sehr schnellen Ventilen besteht. Das Druckventil (22) sperrt den Luftweg zwischen dem internen Druckbehälter (32) und dem Behältermodul (21). Das Druckventil (22) ist durch Schläuche (22a), (22b) mit den Behältern luftdicht verbunden. Es besteht die Möglichkeit, das Druckventil (22) direkt in einen Behälter zu integrieren. Für eine technische Ausführung der Erfindung bleibt es vorteilhaft, das Druckventil (22) mit dem Drucksystem (31) durch einen Schlauch (22a) zu verbinden, womit auch längere Wege zwischen den Ebenen (20), (30) realisiert werden können. In einem anderen Teil des Behältermoduls (21) wird ein Sperrventil (23) durch einen Schlauch (23a) angeschlossen. Das Sperrventil (23) spielt eine entscheidende Rolle bei der richtigen Flüssigkeitsabgabe. Durch einen weiteren Schlauch (23b) wird das Sperrventil (23) an eine Anschlussplatte (25) angeschlossen. Die Anschlussplatte (25) besitzt eine weitere Anschlussstelle, wo ein Auslassventil (24) durch einen Schlauch (24a) angeschlossen wird. Das Auslassventil (24) wird am anderen Ende durch einen Schlauch (24b) mit der atmosphärischen Umgebung verbunden. Für bestimmte Funktionen besteht auch die Möglichkeit, den Schlauch (24b) an andere Module anzuschließen, um eine Druckkonditionierung durchzuführen. Die Anschlussplatte (25) besitzt eine Schnittstelle (51) zu einem Kanalmodul (11) der Dosiereinheit (10) in der ersten Ebene. Das Kanalmodul (11) wird an dem Anschlussende (14) luftdicht an die Anschlussplatte (25) angeschlossen. Auf der anderen Seite besitzt das Kanalmodul (11) ein Kapillarende (15). Der innere Durchmesser am Kapillarende (15) beträgt bevorzugt 20–500 µm. Sehr bevorzugt liegt der innere Durchmesser im Bereich von 100–200 µm. Es können auch Kapillare mit innerem Durchmesser oberhalb von 500 µm eingesetzt werden. Für die Flüssigkeitsabgabe im Pikoliterbereich können auch Kapillaren mit einem inneren Durchmesser unterhalb von 20 µm eingesetzt werden. Das Kanalmodul (11) wird in zwei Bereiche aufgeteilt. Im oberen Teil zur Anschlussplatte (25) befindet sich der Gasbereich (12) mit definiertem Volumen. Im unteren Teil zum Kapillarende (15) befindet sich der Flüssigkeitsbereich (13) auch mit definiertem Volumen. Die zwei Bereiche teilen den inneren Raum des Kanalmoduls (11). Für die richtige Funktion der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung müssen die Volumengrößen bestimmt werden. Das Volumen der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbereich (13) kann zum Beispiel mit Hilfe von optischen Sensoren bestimmt werden, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die innere Volumengröße des Kanalmoduls kann aus den Konstruktionszeichnungen entnommen oder auch gemessen werden. Dadurch besteht immer die Möglichkeit, die exakten Volumenverhältnisse im Kanalmodul (11) zu bestimmen. Die Volumenverhältnisse in den anderen Teilen der Dosiervorrichtung (01) können auch aus den technischen Unterlagen entnommen oder direkt gemessen werden. In der dargestellten Ausführungsform wird das Kanalmodul (11) zuerst extern mit Flüssigkeit im Flüssigkeitsbereich (13) befüllt und dann an die Anschlussplatte (25) bei geöffnetem Auslassventil (24) luftdicht angeschlossen. Die Flüssigkeitsmenge wird so gewählt, dass die Flüssigkeit durch die Kapillarkräfte gehalten werden kann. Das Sperrventil (23) ist dabei geschlossen. Das Behältermodul (21) wird durch das Öffnen des Druckventils (22) mit einem definierten Zwischendruck befüllt. Die Druckgröße hängt mit den Volumenverhältnissen in der Vorrichtung zusammen. Der Zwischendruck liegt bevorzugt zwischen 0,3–3 bar über den atmosphärischen Druck. Nach der Druckeinstellung im Behältermodul (21) wird das Druckventil (22) geschlossen. Das Auslassventil (25) wird auch geschlossen. Damit steht die Vorrichtung für kontaktfreie Flüssigkeitsabgabe bereit. Das Sperrventil (23) wird sehr schnell geöffnet, womit ein gemeinsamer Raum aus dem Behältermodul (21) und Gasbereich (12) mit einem mittleren Überdruck gebildet wird. Der Überdruck beträgt bevorzugt 200–800 mbar für eine optimale Tropfenbildung durch die Bewegung der Flüssigkeit hinter dem Kapillarende (15). Ein Überdruck oberhalb von 800 mbar kann auch eingesetzt werden. Der Überdruck kann auch unter 200 mbar liegen. Bei den kleinen Überdruckgrößen besteht jedoch die Gefahr der Ansammlung der Flüssigkeit am Kapillarende (15). Eine sehr bevorzugte Überdruckgröße liegt zwischen 300–500 mbar. Nach Abgabe einer definierten Flüssigkeitsmenge durch entstandenen Überdruck wird das Auslassventil (24) sehr schnell geöffnet, womit der Überdruck kompensiert und die Bewegung der Flüssigkeit gestoppt wird. Die Öffnungszeit der Ventile (23), (24) liegt bevorzugt im Bereich von 0,1–1 ms. Es sind kommerzielle magnetische Mikroventile bekannt, die eine Schaltzeit um etwa 0,2 ms ermöglichen. Bei längeren Öffnungszeiten (1–10 ms) kann auch eine Tropfenbildung bei bestimmten Konfigurationen und Tropfengrößen erreicht werden. Für die richtige Funktion der Dosiervorrichtung (01) ist nur die Öffnungszeit der Ventile (23), (24) entscheidend, weshalb die Ventile weiter für diese Aufgabe optimiert und technisch angepasst werden können. Weiterer Faktor ist die Zeitverschiebung zwischen der Öffnung der Ventile (23), (24), die die abgegebene Flüssigkeitsmenge (16) auf eine Trägerplatte (17) bestimmt. Die Tropfengröße (16) liegt üblicherweise im Bereich von 1–100 nl. Tropfen oberhalb von 100 nl oder ein Freistrahl der Flüssigkeit kann durch längere Zeitverschiebung zwischen den Ventilöffnungen erreicht werden. Durch eine optimale Gerätekonfiguration können auch Tropfen im Subnanoliterbereich (0,1–1 nl) erreicht werden. Dazu müssen die Volumenverhältnisse, die Druckparameter und die Ventilöffnungszeiten angepasst werden.In the 1 is a metering device ( 01 ) to describe the basic arrangement and function of the invention shown schematically. The device consists of three levels ( 10 ) 20 ) 30 ), which are connected to each other at two interfaces ( 51 ) 52 ) are connected. The upper level shown in the drawing consists of a regulated printing unit ( 30 ), which provides a predefined pressure for the device. Preferably, a pressure unit with pressure deviation of a nominal value below 1 mbar is used. The printing unit ( 30 ) consists of at least one pressure system for overpressure ( 31 ). In an internal pressure vessel ( 32 ) is a regulated overpressure, preferably between 1-10 bar created. For optimal operation of the device, it is very advantageous to use a second pressure vessel, which is not shown in the drawing. In the second level ( 20 ) is a container unit consisting of a container module ( 21 ) for intermediate storage of a defined pressure and several, sometimes very fast valves. The pressure valve ( 22 ) blocks the airway between the internal pressure vessel ( 32 ) and the container module ( 21 ). The pressure valve ( 22 ) is through hoses ( 22a ) 22b ) are hermetically connected to the containers. It is possible to use the pressure valve ( 22 ) directly into a container. For a technical embodiment of the invention, it remains advantageous, the pressure valve ( 22 ) with the printing system ( 31 ) through a hose ( 22a ), which also allows longer distances between the levels ( 20 ) 30 ) can be realized. In another part of the container module ( 21 ) a check valve ( 23 ) through a hose ( 23a ) connected. The check valve ( 23 ) plays a crucial role in proper fluid delivery. Through another hose ( 23b ) the check valve ( 23 ) to a connection plate ( 25 ) connected. The connection plate ( 25 ) has another connection point where an exhaust valve ( 24 ) through a hose ( 24a ) is connected. The outlet valve ( 24 ) is at the other end through a hose ( 24b ) connected to the atmospheric environment. For certain functions there is also the possibility of the hose ( 24b ) to connect to other modules to perform pressure conditioning. The connection plate ( 25 ) has an interface ( 51 ) to a channel module ( 11 ) of the dosing unit ( 10 ) in the first level. The channel module ( 11 ) is at the connection end ( 14 ) airtight to the connection plate ( 25 ) connected. On the other hand, the channel module ( 11 ) a capillary end ( 15 ). The inner diameter at the capillary end ( 15 ) is preferably 20-500 microns. Most preferably, the inner diameter is in the range of 100-200 μm. It is also possible to use capillaries with an inner diameter above 500 μm. Capillary tubes with an inner diameter of less than 20 μm can also be used for the liquid dispensing in the picoliter range. The channel module ( 11 ) is divided into two areas. In the upper part to the connection plate ( 25 ) is the gas area ( 12 ) with defined volume. In the lower part to the capillary end ( 15 ) is the liquid area ( 13 ) also with defined volume. The two areas divide the inner space of the channel module ( 11 ). For the proper function of the metering device according to the invention, the volume sizes must be determined. The volume of liquid in the liquid area ( 13 ) can be determined, for example, by means of optical sensors, which are not shown in the drawing. The internal volume size of the channel module can be taken from the design drawings or even measured. Thus, there is always the possibility of the exact volume ratios in the channel module ( 11 ). The volume ratios in the other parts of the dosing device ( 01 ) can also be taken from the technical documentation or measured directly. In the illustrated embodiment, the channel module ( 11 ) first externally with liquid in the liquid region ( 13 ) and then to the connection plate ( 25 ) with the exhaust valve open ( 24 ) airtight connected. The amount of liquid is chosen so that the liquid can be held by the capillary forces. The check valve ( 23 ) is closed. The container module ( 21 ) is opened by opening the pressure valve ( 22 ) filled with a defined intermediate pressure. The pressure size is related to the volume ratios in the device. The intermediate pressure is preferably between 0.3-3 bar above the atmospheric pressure. After the pressure setting in the tank module ( 21 ) the pressure valve ( 22 ) closed. The outlet valve ( 25 ) is also closed. Thus, the device stands for contactless liquid delivery ready. The check valve ( 23 ) is opened very quickly, whereby a common space from the container module ( 21 ) and gas area ( 12 ) is formed with a medium overpressure. The overpressure is preferably 200-800 mbar for optimal droplet formation by the movement of the liquid behind the capillary end ( 15 ). An overpressure above 800 mbar can also be used. The overpressure can also be below 200 mbar. With the small overpressure sizes, however, there is the danger of accumulation of the liquid at the capillary end ( 15 ). A very preferred overpressure size is between 300-500 mbar. After dispensing a defined amount of liquid by the resulting overpressure, the outlet valve ( 24 ) opens very quickly, which compensates for the overpressure and stops the movement of the liquid. The opening time of the valves ( 23 ) 24 ) is preferably in the range of 0.1-1 ms. Commercial magnetic microvalves are known which allow a switching time of about 0.2 ms. With longer opening times (1-10 ms), droplet formation can also be achieved for certain configurations and droplet sizes. For the correct function of the dosing device ( 01 ) is only the opening time of the valves ( 23 ) 24 ), which is why the valves can be further optimized for this task and technically adapted. Another factor is the time difference between the opening of the valves ( 23 ) 24 ), which determines the amount of liquid delivered ( 16 ) on a carrier plate ( 17 ) certainly. The drop size ( 16 ) is usually in the range of 1-100 nl. Drops above 100 nl or a free jet of liquid can be achieved by a longer time shift between the valve openings. Optimal device configuration can also achieve drops in the subnanoliter range (0.1-1 nl). For this, the volume ratios, the pressure parameters and the valve opening times must be adjusted.

Bei einigen Applikationen kann es vorteilhaft sein, die Flüssigkeit mit dem angeschlossenen Kanalmodul (11) aufzunehmen. Dazu ist es erforderlich, im Drucksystem (31) Unterdruck für die Aufnahme zu erzeugen. Die Umschaltung zwischen Überdruck und Unterdruck im gleichen Drucksystem kann zur Verlängerung der Prozesszeit fuhren. Eine optimale Lösung bietet dagegen die Anordnung mit der Trennung zwischen dem Unterdruck und dem Überdruck. In der 2 ist eine modifizierte Version der Dosiervorrichtung (02) dargestellt. Die Druckeinheit (30) wird mit einem weiteren Drucksystem für den Unterdruck (33) ergänzt. Der Unterdruck wird in einem internen Druckbehälter (34) gespeichert und nach Bedarf durch das Ventil für Unterdruck (26) an das Behältermodul (21) gespeist. Wenn die Anforderungen an die kontaktfreie Flüssigkeitsabgabe in der Vorrichtung erfüllt sind, kann auch eine Flüssigkeitsaufnahme mit gleicher Ventilsteuerung realisiert werden. Der Vorgang bei der Flüssigkeitsaufnahme ist identisch mit dem Vorgang bei Flüssigkeitsabgabe, wobei die Druckparameter und die Zeitverschiebung dazu angepasst werden. Es ist vorteilhaft, eine nachträgliche Kontrolle der Flüssigkeitsmenge durchzuführen, um die Volumenverhältnisse zu bestimmen.In some applications it may be advantageous to charge the liquid with the connected channel module ( 11 ). For this it is necessary in the printing system ( 31 ) To generate negative pressure for the recording. Switching between overpressure and negative pressure in the same pressure system can lead to an extension of the process time. An optimal solution, however, offers the arrangement with the separation between the negative pressure and the overpressure. In the 2 is a modified version of the dosing device ( 02 ). The printing unit ( 30 ) is connected to another vacuum system ( 33 ) added. The negative pressure is in an internal pressure vessel ( 34 ) and, if necessary, through the vacuum valve ( 26 ) to the container module ( 21 ). If the requirements for the non-contact liquid delivery in the device are met, a liquid intake can be realized with the same valve control. The fluid intake process is identical to the fluid delivery process, with the pressure parameters and time offset adjusted. It is advantageous to perform a subsequent control of the amount of liquid to determine the volume ratios.

In den schematischen Zeichnungen wurde die Grundfunktion der Dosiervorrichtung mit Hilfe eines einkanaligen Kanalmoduls dargestellt. Die Ausführung der Erfindung ist aber nicht nur auf ein Kanal begrenzt. Die einkanalige Dosiervorrichtung könnte relativ einfach vervielfacht werden, was aber zu höheren Kosten und größerem technischen Aufwand führen würde. Technisch vorteilhaft ist nur die Anzahl der Kanäle im Kanalmodul zu vervielfachen, wobei die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhalten bleibt. In der 3 wird eine Variante der Dosiervorrichtung (03) mit einer mehrkanaligen Dosiereinheit (40) in der ersten Ebene dargestellt. Die Dosiereinheit (40) beinhaltet ein mikrofluidisches Kanalmodul (41) mit mehreren Kanälen. In der Zeichnung werden schematisch vier Kanäle dargestellt. Die Anzahl der Kanäle ist nicht begrenzt. Das mikrofluidische Kanalmodul (41) besitzt ein Kanalende (44) zum luftdichten Anschluss auf eine angepasste Anschlussplatte (25). Die Kanäle sind zur Seite der Anschlussplatte (25) miteinander verbunden, und die Gasbereiche (42a), (42b), (42c), (42d) bilden einen gemeinsamen Raum mit definiertem Volumen. Die Flüssigkeitsbereiche (43a), (43b), (43c), (43d) sind getrennt, um separate Flüssigkeiten aufzunehmen und separate Tropfen (46a), (46b), (46c), (46d) auf eine Trägerplatte (47) abzugeben.In the schematic drawings, the basic function of the metering device was represented by means of a single-channel channel module. However, the embodiment of the invention is not limited to one channel only. The single-channel metering device could be relatively easily multiplied, but this would lead to higher costs and greater technical complexity. Technically advantageous is only to multiply the number of channels in the channel module, wherein the function of the device according to the invention is maintained. In the 3 is a variant of the metering device ( 03 ) with a multichannel dosing unit ( 40 ) in the first level. The dosing unit ( 40 ) includes a microfluidic channel module ( 41 ) with several channels. In the drawing, four channels are shown schematically. The number of channels is unlimited. The microfluidic channel module ( 41 ) has a channel end ( 44 ) for airtight connection to an adapted connection plate ( 25 ). The channels are to the side of the connection plate ( 25 ) and the gas areas ( 42a ) 42b ) 42c ) 42d ) form a common space with a defined volume. The fluid areas ( 43a ) 43b ) 43c ) 43d ) are separated to contain separate liquids and separate drops ( 46a ) 46b ) 46c ) 46d ) on a carrier plate ( 47 ).

Die möglichen Ausführungsformen der Erfindung sind nicht nur auf die dargestellten schematischen Zeichnungen begrenzt. Es können weitere Ausführungen realisiert werden. Das mikrofluidische Kanalmodul kann zum Beispiel diverse Formen annehmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft auch miniaturisiert werden. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung besteht in der einfachen Steuerung des Prozesses der Flüssigkeitshandhabung, ohne dabei eine aufwendige Regelung zu verwenden. Durch Einsatz von schnellen Ventilen besteht die Möglichkeit, Flüssigkeitsdosierung kontaktfrei im Nanoliterbereich durchzuführen. Vorteilhaft ist weiterhin die Trennung des Drucksystemens von der funktionellen Dosiereinheit. Sehr vorteilhaft ist die Eliminierung der Systemflüssigkeit aus der Dosiervorrichtung, womit ein einfaches Wechseln des Kanalmoduls erreicht werden kann. Die volle Funktionalität der Dosiervorrichtung kann nur durch den Einsatz von sehr schnellen Ventilen bei definierten Volumenverhältnissen und Druckparametern erreicht werden.The possible embodiments of the invention are not limited only to the illustrated schematic drawings. Other versions can be realized. The microfluidic channel module can, for example, various forms accept. The device according to the invention can be advantageous also be miniaturized. The advantage of the invention Metering device consists in the simple control of the process the liquid handling, without doing a complicated To use regulation. By using fast valves the possibility of liquid metering contactless in the nanoliter range. It is also advantageous the separation of the printing system from the functional dosing unit. Very advantageous is the elimination of the system fluid from the metering device, whereby a simple change of the channel module achieved can be. The full functionality of the dosing device can only be defined by the use of very fast valves at Volume ratios and pressure parameters can be achieved.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- US 5916524 A [0004]
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- DE 10022398 A1 [0007]

Claims

Dosing device for non-contact liquid dispensing, consisting of a channel module ( 11 ) for receiving and delivering a liquid through a capillary ( 15 ) and a regulated printing system ( 31 ) for generating an overpressure, characterized in that the device comprises the following features: - a container module ( 21 ) for gases is between the channel module ( 11 ) and the printing system ( 31 ), - the container module ( 21 ) is controlled by a pressure valve ( 22 ) to the printing system ( 31 ), - the container module ( 21 ) is controlled by a very fast shut-off valve ( 23 ) and a connection plate ( 25 ) to the channel module ( 11 ), - to the connection plate ( 25 ) is a very fast exhaust valve ( 24 ), and - the channel module ( 11 ) is in the gas range ( 12 ) and in liquid area ( 13 ) divided up.

Dosing device according to claim 1, characterized in that the printing system ( 31 ) an internal pressure vessel ( 32 ) for overpressure of 1-10 bar.

Dosing device according to claim 2, characterized in that the printing system ( 31 ) has a second, downstream pressure vessel.

Dosing device according to claim 1, characterized in that the container module ( 21 ) indicates a defined volume and a defined pressure.

Dosing device according to claim 4, characterized in that the overpressure in the container module ( 21 ) is 0.3-3 bar for an intended liquid delivery.

Dosing device according to claim 1, characterized in that the check valve ( 23 ) is opened very quickly at a liquid dispensing, and the outlet valve ( 24 ) with a time shift after the check valve ( 23 ) is opened very quickly.

Dosing device according to claim 6, characterized in that the check valve ( 23 ) is opened faster than 10 ms.

Dosing device according to claim 6, characterized in that the outlet valve ( 24 ) is opened faster than 10 ms.

Dosing device according to one of claims 1 to 8, characterized in that after the opening of the check valve ( 23 ) the container module ( 21 ) and the gas area ( 12 ) form a common space with defined pressure.

Dosing device according to one of claims 4 to 9, characterized in that by opening the check valve ( 23 ) in the gas sector ( 12 ) creates an overpressure, whereby the liquid in the liquid area ( 13 ) is set in motion, and by subsequent opening of the exhaust valve ( 24 ) with a time shift, the overpressure in the gas region ( 12 ) is compensated, whereby the liquid movement is stopped.

Dosing device according to claim 1, characterized in that the printing unit ( 30 ) from separate pressure systems for overpressure ( 31 ) and negative pressure ( 33 ), whereby the printing systems ( 31 ) 33 ) by separate valves ( 22 ) 26 ) to the container module ( 21 ) are connected.

Dosing device according to claim 11, characterized in that in the container module ( 21 ) either positive pressure or negative pressure is created, to which the respective valve ( 22 ) 26 ) and then closed.

Dosing device according to claim 1, characterized in that the printing system ( 31 ) and the container module ( 21 ) without the pressure valve ( 22 ) are formed together as a module in the form of a syringe pump, which is connected to the check valve ( 23 ) is connected.

Dosing device according to claim 1, characterized in that the channel module from a channel ( 11 ) or multiple channels ( 41 ), wherein, in the case of multiple channels, the gas areas of the individual channels joined together and the liquid areas are separated.

Dosing method for non-contact liquid dispensing from a channel module ( 11 ) for the absorption and delivery of a liquid through a capillary ( 15 ) by means of a regulated pressure system ( 31 ) for generating an overpressure, characterized in that the method comprises the following features: - in a container module ( 21 ) for gases between the channel module ( 11 ) and the printing system ( 31 ), an overpressure is generated and maintained, the pressure in the container module ( 21 ) through the opening of the pressure valve ( 22 ) connected to the printing system ( 31 ), - the channel module ( 11 ) in the gas area ( 12 ) and in liquid area ( 13 ), was previously defined with a defined amount of liquid in the liquid area ( 13 ), - then a common space from the container module ( 21 ), which is controlled by a very fast shut-off valve ( 23 ) and a connection plate ( 25 ) to the channel module ( 11 ) and the gas area ( 12 ) of the channel module ( 11 ), to which the check valve ( 23 ) is opened very quickly, - due to excess pressure in the gas area ( 12 ), the liquid in the liquid area ( 13 ) through the capillary ( 15 ) are set in motion, - after delivery of the defined amount of liquid from the liquid region ( 13 ) the exhaust valve ( 24 ) connected to the connection plate ( 25 ) is opened very quickly, after which the pressure is compensated and the liquid movement is stopped.

Dosing method according to claim 15, characterized in that at a set negative pressure in the container module ( 21 ) the capillary end ( 15 ) of the channel module ( 11 ) is immersed in a liquid, after which at the opening of the check valve ( 23 ) until the subsequent opening of the outlet valve ( 24 ) fluid up to a defined level in the fluid area ( 13 ) is carried out.

Dosing method according to claim 15, characterized in that the liquid dispensing with a multi-channel channel module ( 41 ) is carried out.

Dosing method according to claim 15, characterized in that the channel module ( 11 ) to the connection plate ( 25 ) of the container unit ( 20 ) can be connected quickly and airtight and quickly removed after the operation.

Dosing method according to claim 15, characterized in that the liquid discharge from the channel module ( 11 ) contactless on a carrier plate ( 17 ) or in other containers, whereby the formation of at least one free liquid drop is achieved.

Dosing method according to one of claims 15 to 19, characterized in that when receiving larger amounts of liquid in the liquid area ( 13 ) a holding pressure in the gas area ( 12 ) is applied.

Dosing process according to one of claims 15 to 20, characterized in that the liquid delivery using the dosing device on a platform with Positioning system is performed.