DE102008042071A1

DE102008042071A1 - Mikrodosierpumpe

Info

Publication number: DE102008042071A1
Application number: DE102008042071A
Authority: DE
Inventors: Gernot Heuser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2009-03-19
Also published as: EP2191135A1; WO2009034187A1

Abstract

Das Dosiersystem 22 mit mindestens einer bidirektional arbeitenden Mikropumpe 1 oder einer Anordnung mit mindestens einer Mikropumpe 1, die einen bidirektionalen Pumpvorgang erlaubt, wird zum Befüllen und Entleeren von Mikrotiterplatten eingesetzt. Vorteilhaft wird jeder Mikropumpe 1 eine Kalibriereinheit zugeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem mit mindestens einer Mikropumpe, ein Verfahren zum Betrieb eines Dosiersystems mit einer Kalibriereinheit und die Verwendung einer Mikropumpe insbesondere in einem Dosiersystem.
Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Mikropumpen. Verbreitet sind Mikromembranpumpen, die beispielsweise einen elektromagnetischen, piezoelektrischen, thermischen oder elektrostatischen Antrieb aufweisen. Die Pumpenkörper bestehen z. B. aus Silizium oder Kunststoff.
Mikropumpen, insbesondere Mikromembranpumpen, und deren Aufbau und Funktionsweise werden z. B. in der DE 19719862 A1 , DE 19720482 C5 und DE10360709 A1 beschrieben.
Es gibt verschiedene Varianten von piezoelektrisch angetriebenen Mikromembranpumpen, die mit aktiven Ventilen, mit passiven Rückschlagventilen oder ventillos arbeiten.
Die bekannten Mikromembranpumpen werden unidirektional betrieben. Die Förderleistung unterscheidet sich von Mikropumpe zu Mikropumpe sehr stark.
Zur Befüllung von Mikrotiterplatten mit Proben bzw. zur Dosierung von Proben in die Kammern (Wells oder Kavitäten) von Mikrotiterplatten sind multiple Kolbenhubpipetten gebräuchlich. Andere Dosiersysteme verwenden übliche Pumpen, z. B. peristaltische Pumpen, die vom Dosierort entfernt sind und die Proben über Schläuche den Kavitäten der Mikrotiterplatten zugeführt werden. In der Regel sind die Schläuche in einer Reihe angeordnet. Mikropumpen werden bisher für solche Dosiersysteme nicht eingesetzt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines alternativen Dosiersystems für präzise Dosierungen eines Mediums. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein alternatives Dosiersystem mit mehreren Dosiereinrichtungen bereit zu stellen.
Gelöst wurde die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche.
Das Dosiersystem gemäß der Erfindung enthält mindestens eine Mikropumpe, Die Mikropumpe oder Mikropumpen des Dosiersystems sind im Allgemeinen im Bereich oder in der Nähe der Austrittsöffnung für das zu dosierende Medium, also bei der Dosierung in der Nähe des Dosierortes, angeordnet. Das Dosiersystem enthält vorzugsweise mindestens eine bidirektional arbeitende Mikropumpe. Die Mikropumpe ist in der Regel Teil einer Dosiereinheit. Alternativ zur bidirektional arbeitenden Mikropumpe können zwei unidirektional arbeitende Mikropumpen so verschaltet werden, dass sich ein bidirektionaler Betrieb ergibt.
Der Mikropumpe ist vorteilhaft mindestens ein aktives Einlaßventil und mindestens ein aktives Auslaßventil zugeordnet oder sie enthält mindestens ein Einlaßventil (Eingangsventil, Ventil am Eingang der Pumpe) und mindestens ein Auslaßventil (Ausgangsventil, Ventil am Ausgang der Pumpe), die einen bidirektionalen Betrieb der Mikropumpe erlauben. Die Mikropumpe ist damit für eine bidirektionale Förderung eines Pumpmediums (zu förderndes Medium; Flüssigkeit und/oder Gas) ausgelegt. Vorteilhaft ist die Mikropumpe mit einer Steuereinheit verbunden oder ausgestattet. Die Mikropumpe ist vorzugsweise eine piezoelektrische Mikromembranpumpe. Die Ventile sind vorzugsweise Mikroventile. Die Pumpe enthält vorzugsweise piezoelektrische Mikromembranventile.
Eine bidirektionale Förderung des Pumpmediums läßt sich alternativ zu dem Einsatz einer bidirektional betreibbaren Mikropumpe durch eine Anordnung zweier gegenläufig verschalteter unidirektional arbeitender Mikropumpen, die gewöhnlich passive Ventile (z. B. Rückschlagventile) aufweisen, realisieren. Die gewünschte Förderrichtung in der Dosiereinheit wird dabei über Ventile eingestellt und gesteuert. Das heißt unidirektional arbeitende Mikropumpen mit gegenläufiger Förderrichtung werden mit Hilfe von Ventilen im Leitungsweg alternativ eingesetzt. Diese Variante einer bidirektional betreibbaren Dosiereinheit ist gegenüber dem Einsatz von bidirektional betreibbaren Mikropumpen weniger bevorzugt.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Dosiersystem mit einer oder mehreren Dosiereinheiten, die bidirektional betreibbar sind. Vorzugsweise sind die Dosiereinheiten in einem Dosiersystem unabhängig betreibbar.
Der prinzipielle Aufbau einer piezoelektrischen Mikromembranpumpe, allerdings mit passiven Ventilen für unidirektionalen Betrieb, ist in der DE 19719862 A1 beschrieben, worauf hiermit Bezug genommen wird.
Die Mikropumpe wird im Folgenden als Pumpe bezeichnet.
Als Pumpe werden vorzugsweise Mikromembranpumpen eingesetzt. Es können aber auch Kolbenhubpumpen, Zahnradpumpen oder andere im Mikromaßstab verfügbare Pumpentypen eingesetzt werden.
Zur Erhöhung der Förderleistung können zwei oder mehrere Mikropumpen in einer Dosiereinheit zusammengeschaltet werden. Beispielsweise werden zwei oder mehrere Mikropumpen in einer Variante der Dosiereinheit parallel betrieben.
Die Pumpe wird am Beispiel einer Mikromembranpumpe beschrieben.
Die Pumpe weist einen Grundkörper mit einem Eingangsweg oder Eingangskanal und einem Ausgangsweg oder Ausgangskanal auf. Im oder am Grundkörper ist eine Fördereinrichtung oder ein Bewegungselement angeordnet. In dem Eingangskanal ist mindestens ein Eingangsventil und in dem Ausgangskanal ist in der Regel mindestens ein Ausgangsventil angeordnet.
Der Grundkörper der Pumpe ist vorzugsweise aus einem oder mehreren Materialien, die chemisch resistent und biochemisch und mikrobiologisch inert sind. Solche Materialien sind z. B. geeignete Kunststoffe, Keramik, Glas. Verwendet werden vorteilhaft Kunststoffe, insbesondere thermoplastische Kunststoffe wie Polycarbonat, Polypropylen, PET, PBT, PPS, Polyphenylsulfon, Polyimid, PFA.
Der Grundkörper der Pumpe ist z. B. aus einem Oberteil und einem Unterteil aufgebaut, z. B. eine obere und untere Platte, die Kanäle für das zu dosierende Medium (Pumpmedium) und als Träger für Funktionselemente wie Pumpenmembran und Bewegungselement (z. B. Piezoaktor). In der Regel enthält der Grundkörper mindestens ein Einlaßventil und mindestens ein Auslaßventil. Diese Ventile werden bei einer Membranpumpe z. B. im Bereich der Pumpenmembran oder außerhalb des Bereiches der Pumpenmembran angeordnet.
Eingangsventil und Ausgangsventil sind vorzugsweise aktive Ventile. Aktive Ventile sind Ventile, die anhand einer Steuerung oder eines Steuersignales geöffnet oder geschlossen werden können. Solche ansteuerbaren oder schaltbaren Ventile sind beispielsweise Magnetventile, pneumatische oder hydrauliche Ventile, z. B. Membranventile.
Piezoelektrische Mikromembranventile weisen einen Piezoaktor auf der an eine Ventilmembran gekoppelt ist, mit der ein Kanal oder ein Leitungsweg z. B. über einen Ventilsitz geschlossen werden kann. Aktive Mikroventile sind z. B. in der DE 19719862 A1 beschrieben, worauf hiermit Bezug genommen wird.
Vorteilhaft sind Eingangsventil und Ausgangsventil einer Mikropumpe gekoppelt. Insbesondere bilden Eingangsventil und Ausgangsventil ein Tandem-Ventil, bei dem die Ventile wechselweise geöffnet und geschlossen werden. Dies wird beispielsweise durch einen Wipp-Mechanismus an Ventilkörpern oder Ventilklappen erreicht. Ferner ist eine Kopplung des Ventiantriebes mit dem Pumpenantrieb vorteilhaft. Z. B. kann der Piezoaktor einer Piezomembranpumpe auch als Antrieb von Eingangsventil und Ausgangsventil dienen.
Ein bidirektionaler Betrieb der Pumpe läßt sich auch mit passiven Mikroventilen aufbauen, beispielsweise durch drehbar angeordnete Rückschlagventile. Das heißt die Förderrichtung der Pumpe kann durch Drehung um 180° eines Rückschlagventiles an Eingang und eines Rückschlagventiles am Ausgang der Pumpe verstellt werden. Gegenstand der Erfindung ist somit ein drehbares Mikroventil, insbesonderes ein drehbares Rückschlagventil in Mikrobauweise. Vorteilhaft können drehbare Ventile mechanisch gekoppelt sein. Beispielsweise können drehbare Ventile am Eingang und Ausgang einer Pumpe mechanisch gekoppelt sein, etwa über eine gemeinsame Drehachse. Die Durchlaßrichtung an Eingang und Ausgang einer Pumpe kann auch durch Austausch des Rückschlagventils durch ein gegenläufig arbeitendes Rückschlagventil verändert werden. Beispielsweise kann mit einer Art Schieber, der zwei nebeneinander angeordnete gegenläufig arbeitende Rückschlagventile trägt, durch Änderung der Position des Schiebers die Durchlaßrichtung am Eingang oder Ausgang der Pumpe geändert werden. Mehrere Schieber können mechanisch gekoppelt sein (z. B. Schieber an Eingang und Ausgang einer Pumpe oder Schieber mehrerer Pumpen an Eingang oder Ausgang der Pumpe). Die drehbaren Ventile und die Schieber werden z. B. mit Hilfe eines Elektromotors oder eines Elektromagnetes bewegt, die in der Regel gesteuert werden.
Die Pumpe ist in der Regel selbstansaugend. Die Pumpe ist im Allgemeinen zur Förderung von Flüssigkeiten und Gasen geeignet.
Die Pumpe wird vorzugsweise über eine Rückkopplung derart gesteuert, dass ein vorgegebenes Volumen (Sollwert), beispielsweise im Bereich von 10 bis 1000 Mikroliter, vorzugsweise 20 bis 500 Mikroliter, insbesondere 20 bis 200 Mikroliter, mit hoher Präzision, im allgemeinen mit einer Abweichung vom Sollwert von weniger als einem Mikroliter, dosiert wird. Dies wird durch den Einsatz einer Kalibriereinheit und einer Steuer- und Regeleinheit erreicht, die noch erläutert werden.
Die Präzision der Pumpe mit Kalibriereinheit ist unabhängig insbesondere von der Temperatur, der Viskosität und der Oberflächenspannung des zu dosierenden Mediums.
Eine bevorzugte Ausführung des Dosiersystems bzw. der Dosiereinheit enthält mindestens eine Mikromembranpumpe mit piezoelektrischem Antrieb, die mindestens ein aktives Pumpeneinlaßventil und mindestens ein aktives Pumpenauslaßventil aufweist. Die Dosiereinheit in einem Dosiersystem enthält vorteilhaft eine Kalibriereinheit.
Bevorzugt ist ein Dosiersystem mit mehreren Dosiereinheiten, insbesondere ein Dosiersystem für mehrfache, reihenweise oder flächenhafte Dosierungen von Proben oder Reagenzien oder Probenauftrag. Das Dosiersystem ist besonders vorteilhaft zur Proben- oder Reagenzdosierung bei so genannten Mikrotiterplatten, Anordnungen von Reaktionsgefäßen, Probenbehältern, Probengefäßen, Röhrchen, bei flachen Trägern (mit oder ohne Vertiefungen für eine Proben- oder Reagenzaufnahme; z. B. Proben- oder Reagenz-Chip) oder ähnlichen Dosieraufgaben. Sehr vorteilhaft sind Dosiersysteme mit einer Anzahl von Dosiereinheiten, die der Anzahl der Dosierungen oder Dosierpunkte entspricht. Beispielsweise sind die Dosiereinheiten des Dosiersystems entsprechend den Vertiefungen zur Aufnahme von Proben (Kavitäten oder Wells) einer Mikrotiterplatte angeordnet. Die Dosiereinheiten des Dosiersystems bilden z. B. ein Array (Anordnung von Reihen).
Eine Dosiereinheit umfasst in der Regel eine Probenzuführung (Zuleitung, z. B. Schlauch oder Kanal) zur Pumpe, eine Pumpe und eine Dosierleitung oder Abgabeleitung. Vorteilhaft ist die Pumpe mit einer Kalibriereinheit ausgestattet. Typischerweise ist die Kalibriereinheit direkt am Pumpenausgang angeordnet und führt direkt zur Austrittsöffnung. Bei einer alternativen Bauweise sind Austrittsleitung oder Ausgangskanal der Pumpe und Kalibriereinheit getrennt. Die Kalibriereinheit kann beispielsweise in einer zusätzlichen, mittels eines Ventils verschließbaren Leitung am Pumpenausgang angeordnet werden, die nicht zum Dosierort sondern zu einem Vorrats- oder Abfallbehälter führt. Es kann eine Kalibriereinheit für mehrere Dosiereinheiten eingesetzt werden (weniger bevorzugt).
Die Kalibriereinheit umfaßt eine Meßstrecke mit mindestens zwei Meßpunkten, vorzugsweise drei Meßpunkten. An den Meßpunkten befinden sich in der Regel Sensoren. Die Meßstrecke ist ein Abschnitt eines Leitungsweges mit präzisen Abmessungen, beispielsweise ein Abschnitt eines Kanals oder einer Kapillare. Die Meßstrecke hat ein definiertes und vorbekanntes Volumen. Die Meßstrecke dient zur Erfassung der Geschwindigkeit eines Volumenelementes des Pumpmediums bei Betrieb der Pumpe bzw. der Bestimmung der Förderleistung der Pumpe unter den gegebenen Bedingungen. Gemessen werden bei einer Flüssigkeit als Pumpmedium in der Regel der Zeitpunkt, in dem die Front des Pumpmediums (Ende einer Flüssigkeitssäule, Meniskus der Flüssigkeit) die Meßpunkte erreicht. Dies wird beispielsweise mittels Lichtschranken an den Meßpunkten erfaßt. Dazu befinden sich an der Meßstrecke Fenster im Leitungsweg oder es wird ein Leitungsweg mit transparenten Wandungen eingesetzt. Andere Sensoren sind Leitfähigkeitsfühler, Kapazitätssensoren oder elektrochemische Sensoren. Die ermittelten Meßwerte werden in einer Einheit ausgewertet. Dabei wird ein Istwert (z. B. Istwert der Fördermenge pro Zeiteinheit) bestimmt, der in einer Steuereinheit mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird. Von der Steuereinheit wird die Leistung der Pumpe so geregelt, dass der Sollwert erreicht wird.
Im Leitungsweg sind vorteilhaft eine oder mehrere Vorrichtungen zur Detektion von Fremdkörpern im Pumpmedium oder Bläschen in einem flüssigen Pumpmedien. Diese Detektionseinheiten sind vorzugsweise an Kapillaren angeordnet, z. B. Lichtschranken, Lichtsensoren oder Leitfähigkeitsfühler. Diese Prüfvorrichtungen sind besonders vorteilhaft in der Kalibriereinheit einer Dosiereinheit integriert. Vorteilhaft wird ein Meßsignal der Prüfvorrichtung zur Steuerung oder zur Kontrolle des Dosiervorganges genutzt. Beispielsweise wird bei Detektion von Fremdkörpern oder Bläschen in einer zu dosierenden Flüssigkeit ein Alarm ausgelöst oder ein besonderer Steuervorgang bei der betroffenen Dosiereinheit eingeleitet.
Die Oberfläche des Leitungsweges und der Pumpe, insbesondere die innere Oberfläche und die Oberflächen, die mit dem Pumpmedium in Kontakt kommen, ist vorteilhaft modifiziert. Die Oberflächenmodifizierung im Dosiersystem dient zur Verminderung der Reibung, der besseren Reinigbarkeit und zur Verbesserung der Dosierung. Insbesondere im Bereich der Austrittsöffnung ist die Oberfläche des Leitungsweges für das zu dosierende Medium (z. B. Kapillare aus Kunststoff oder Glas) modifiziert, z. B. beschichtet oder oberflächenmodifiziert, so dass eine Flüssigkeit abperlt und Tropfen an der Austrittsöffnung abgestoßen werden. Dies erhöht die Präzision der Dosierung. Die Oberfläche wird beispielsweise durch eine Beschichtung, insbesondere eine Fluorsilan-Beschichtung, hydrophob gemacht. Vorteilhaft ist ebenso eine Modifizierung der Oberfläche durch Schaffung oder Anbringung einer Oberflächenstruktur, die flüssigkeitsabweisende Eigenschaften hat, insbesondere eine nanostrukturierte Oberfläche, z. B. eine Oberfläche mit so genanntem Lotus-Effekt. Besonders vorteilhaft ist eine Oberflächenmodifizierung durch kombinierte Schaffung einer hydrophoben und nanostrukturierten Oberfläche.
Die Ablösung eines Flüssigkeitstropfens am Ende eines Dosiervorganges wird vorteilhaft durch eine Rüttel-, Vibriereinrichtung oder einer mechanischen Einrichtung (z. B. Schlageinrichtung) unterstützt. Die Einrichtungen können im Bereich der ausgehenden Leitung oder Kapillare angeordnet werden. Sehr vorteihaft ist eine Ausführung, die den ganzen Dosierkopf rüttelt, zum Vibrieren bringt oder in Schwingung versetzt. Beispielsweise wird ein vorzugsweise steuerbarer Vibrator für einen zeitlich begrenzten Einsatz am oder im Dosierkopf angebracht.
Die Förderleistung einer Mikropumpe mit Piezoantrieb läßt sich über Einstellung geeigneter Parameter wie Frequenz, Amplitude und Form (Sinus, Rechteck, Dreieck etc.) des Steuersignales bzw. der Spannung für den Pumpenantrieb anpassen. Die Einstellung der Förderleistung mit Hilfe einer Steuerung und Regelung erfolgt vorteilhaft während des Dosierbetriebes.
Die Kalibriereinheit wird vorzugsweise am Ausgang der Pumpe angeordnet.
Die Miniaturisierung der Pumpe (Mikrobauweise der Pumpe) ermöglicht, dass die Pumpe unmittelbar in die Nähe des Dosierortes gebracht und der Weg vom Pumpenausgang bis zum Ausgang der Dosiereinheit sehr klein ausgeführt werden kann. Das bevorzugte Dosiersystem mit mindestens einer Dosiereinheit mit mindestens einer Mikropumpe und unmittelbar anschließender Kalibriereinheit, insbesondere der Meßkapillare, an deren Ausgang das zu dosierende Medium austritt, erlaubt eine Minimierung des Weges für das zu dosierende Medium und damit eine Verminderung des Totvolumens und des Gesamtvolumens des Dosierweges im Dosiersystem. Es kann dadurch die erforderliche Mindestmenge des dosierten Mediums und die Menge für den laufenden Betrieb der Dosierung deutlich reduziert werden, also die Ausbeute bei der Dosierung erhöht werden, was insbesondere bei der Dosierung teurer Reagenzien interessant ist. Dosierfehler und schlauchbedingte Fehler bei der Dosierung, die bei konventionellen Dosiersystemen mit langen Schläuchen üblich sind, treten nicht auf. Das Dosiersystem gemäß der Erfindung zeichnet sich durch eine hohe Präzision und Reproduzierbarkeit bei der Dosierung aus.
Vorteilhaft werden mehrere Dosiereinheiten in einer Reihe oder in mehreren Reihen (Array) angeordnet. Dies erfolgt vorteilhaft auf einem gemeinsamen Träger. Die Mikrobauweise erlaubt den Aufbau eines Dosierkopfes mit einer Vielzahl unabhängiger Dosiereinheiten auf engstem Raum.
Die Dosiereinheiten und das aus Dosiereinheiten aufgebaute Dosiersystem (Dosierkopf) werden sehr vorteilhaft bei der Dosierung von Flüssigkeiten in Mikrotiterplatten eingesetzt. Der bevorzugte Dosierkopf für Mikrotiterplatten enthält für jede Kavität der Mikrotiterplatte eine Dosiereinheit.
Aufgrund der bidirektional arbeitenden Pumpe (Pumpe mit reversierender Förderrichtung) sind die Dosiereinheiten auch zum Absaugen von Medien, insbesondere Flüssigkeiten, geeignet. Das Dosiersystem kann daher vorteilhaft für die Befüllung und auch Entleerung von Probenbehältern, insbesondere Mikrotiterplatten, eingesetzt werden.
Pumpen oder Pumpenanordnungen mit reversierender Förderrichtung sind in Dosiersystemen vorteilhaft
a) um mit Preflow einen sauberen kontrollierten Mediumabriss ohne Nachtropfen zu gewährleisten, b) um Pumpen und evtl. Schläuche zu reinigen/spülen, c) um über eine Kapillare den Flow der Pumpe zu kalibrieren und d) um Mikrotiterplatten entleeren und befüllen zu können.
Die Erfindung wird anhand von Beispielen in der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
1a: stark vereinfachtes Schema einer piezoelektrischen Mikromembranpumpe im Querschnitt,
1b: schematische Darstellung der Pumpe von 1a beim Ansaugen des Mediums (Ansicht im Querschnitt).
1c: schematische Darstellung der Pumpe von 1a beim Ausstoßen des Mediums (Ansicht im Querschnitt).
2a: stark vereinfachtes Schema einer piezoelektrischen Mikromembranpumpe im Querschnitt mit alternativer Anordnung der Ventile.
2b: schematische Darstellung der Pumpe von 2a beim Ansaugen des Mediums (Ansicht im Querschnitt).
2c: schematische Darstellung der Pumpe von 2a beim Ausstoßen des Mediums (Ansicht im Querschnitt).
3: schematische Darstellung einer Dosiereinheit mit Mikropumpe und Meßkapillare (Ansicht im Querschnitt).
4: schematische Darstellung eines Mikroventils mit Schieber.
5: schematische Darstellung eines Mikroventils mit drehbarem Kern.
6: schematische Darstellung einer Mikropumpe mit Schieber.
7: schematische Darstellung eines Mikroventils mit Ventilklappe.
8: schematische Darstellung einer drehbaren unidirektionalen Mikropumpe für bidirektionalen Betrieb.
9: schematische Darstellung eines Mikroventils mit drehbarem Rückschlagventil.
10: schematische Darstellung eines Dosiersystems (Dosierkopf) mit Dosiereinheiten mit gemeinsamen Grundkörper und gekoppelten Ventilen der Dosiereinheiten.
11: Schema eines Dosierkopfes im Schnitt.
12: Schema eines Dosiersystems für Mikrotiterplatten mit schräg angeordneten Mikropumpen.
13: Schema eines Dosiersystems für Mikrotiterplatten mit gerade angeordneten Mikropumpen.
Die in 1a gezeigte piezoelektrische Membranpumpe 1 weist einen Grundkörper oder Gehäuse 2 mit einem Gehäuseunterteil 2b und einem Gehäuseoberteil 2a, einen Eingangskanal 8, einen Ausgangskanal 11, Pumpeneingangsventil 6 und Pumpenausgangsventil 7, eine Pumpenmembran 4 und eine Piezokeramik-Scheibe 3 (Piezoaktor) auf. Die Mikropumpe ähnelt im Aufbau der in der DE 19720482 C5 beschriebenen Mikropumpe, worauf hiermit Bezug genommen wird, unterscheidet sich aber in der Art der eingesetzten Ventile 6 und 7 und in der Betriebsweise. Die Abbildung der Ventile ist stark vereinfacht und nur symbolisch. Bei den Ventilen handelt es sich um aktive Ventile (Mikroventile), beispielsweise Mikromembranventile, insbesondere magnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder vorzugsweise piezoelektrisch verstellbare Ventile. Der Grundkörper 2 besteht in der Regel aus einem oder mehreren inerten thermoplastischen Kunststoffen, z. B. Polyphenylsulfon (PPSU). Die Pumpenmembran besteht beispielsweise aus Glas, Keramik oder Kunststoff. Der Piezoaktor 3 ist auf der Pumpenmembran 4 fixiert.
Durch Verformung des Piezoaktors 3 wird die Pumpenmembran 4 ausgelenkt, wodurch eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Pumpenkammervolumens erzeugt wird. In der gezeigten Position von Piezoaktor 3 und Pumpenmembran 4 (am Grundkörper 2 anliegend) ist das Pumpenkammervolumen auf ein Minimum reduziert. Die Kanäle 8, 9, 10 und 11 dienen als Weg für das Pumpmedium. Gehäuseoberteil 2a und Gehäuseunterteil 2b werden z. B. durch Verkleben, Verschweißen oder Verschrauben verbunden.
Die Funktionsweise der Pumpe wird in 1b (Ansaugphase) und 1c dargestellt. In der Ansaugphase (1b) entsteht durch Krümmung des Piezoaktors 3 zwischen Gehäuseoberteil 2a und Pumpenmembran 4 ein vergrößertes Pumpenkammervolumen 5, wobei das gesteuerte Eingangsventil 6 geöffnet und das gesteuerte Ausgangsventil 7 geschlossen. Die Fließrichtung des Pumpmediums wird durch einen Pfeil in dem Eingangskanal 8 dargestellt. In der Ausstoßphase (1c) wird die Krümmung des Piezoaktors 3 verringert. Er bewegt sich zur Oberseite des oberen Gehäuseteiles 2a, wodurch das Pumpenkammervolumen 5 verringert wird. Dabei ist das gesteuerte Eingangsventil 6 geschlossen und das gesteuerte Ausgangsventil 7 geöffnet.
Durch entsprechende Ansteuerung von Piezoaktor 3 und den aktiven Ventilen 6 und 7 wird der Pumpvorgang ausgeführt. Die Pumpe kann das Pumpmedium aufgrund des Einsatzes der aktiven Ventile bidirektional fördern. Dies ist für die Arbeit der Dosiereinheit bzw. des Dosiersystems von grundlegender Bedeutung.
2a–c sind analog zu 1a–c und unterscheiden sich in der Anordnung der aktiven Ventile 6 und 7. In 2a–c sind die Ventile 6 und 7 neben Piezoaktor 3/Pumpenmembran 4 in dem Gehäuseoberteil 2a angeordnet, ebenso wie die Kanäle 8, 9, 10 und 11. Dadurch wird nur noch eine einfache Deckplatte mit gegebenenfalls geringfügigen Anpassungen als Gehäuseunterteil 2b benötigt.
Gehäuseoberteil 2a mit den Funktionselementen 3–11 könnte als Modul ein oder mehrfach auf einer oder beiden Seiten des Gehäuseunterteiles 2a, das nun als Träger fungiert, angeordnet werden. Damit werden platzsparende Multipumpensysteme mit einer oder zwei Reihen von Pumpen auf einem Träger möglich. Durch Kombination mehrerer solcher Träger mit Reihen von Pumpen können Arrays (Anreihung von Reihen) von Pumpen realisiert werden.
Das Schema in 3 zeigt stark vereinfacht ein Beispiel einer Dosiereinheit (Ansicht im Querschnitt). Die Dosiereinheit weist eine Leitung 16 (z. B. Kanal, Schlauch, Kapillare, Rohr) für die Zuführung des Pumpmediums zur Pumpe 1 und eine Leitung 12, die am Ausgang der Pumpe 1 angeordnet ist. In der Leitung 12 ist als separates Teil (z. B. Kapillare mit Messpunkten 13, 14, 15 bzw. Sensoren) oder integriert eine Kalibriereinrichtung oder Kalibriereinheit enthalten. Das Pumpmedium tritt am Leitungsende 17 aus. Das Leitungsende 17 ist vorzugsweise Teil einer Meßkapillare oder eines Meßkanals 12.
Anhand von 3 wird das bevorzugte Verfahren zur Kalibrierung der Pumpe 1 erläutert. Das Kalibrierverfahren erfordert eine bidirektional arbeitende Pumpe. Die Kalibrierung erfolgt während des Betriebes einer Dosiereinheit mit dem zu dosierenden Pumpmedium und ist vorzugsweise automatisiert. Der Kalibrierung dient eine Strecke mit definierten Dimensionen in einem Leitungsweg 12, der vorzugsweise am Ausgang der Pumpe 1 angeordnet ist. Als Meßstrecke wird vorteilhaft eine Kapillare (z. B. aus Glas oder Kunststoff) eingesetzt. Die Kapillare erstreckt sich vorteilhaft über den gesamten oder nahezu gesamten Leitungsweg 12. Bei der bevorzugten Ausführung der Kalibriereinheit befinden sich 3 Meßpunkte 13, 14 und 15 an der Meßstrecke. An den Meßpunkten werden Meßwerte erfaßt, die angeben, ob sich Pumpmedium an dem jeweiligen Meßpunkt befindet. Zur Durchführung der Kalibrierung muß die Meßstrecke bis vor den Meßpunkt 14 von dem Pumpmedium, in der Regel eine Flüssigkeit, insbesondere eine wäßrige Probe mit organischen Bestandteilen, entleert sein. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich ein Gas, z. B. Luft, in dem Raum der Leitung 12 von vor dem Meßpunkt 14 bis nach dem Meßpunkt 15, in der Regel bis zum Leitungsende 17. Dieser geleerte Zustand der Leitung 12 liegt entweder bereits vor (z. B. bei Beginn mit entleerter Dosiereinheit) oder wird mit Hilfe der Pumpe 1 und entsprechender Ansteuerung der Ventile 6, 7 durch Förderung des Pumpmediums bis vor den Meßpunkt 14 erreicht.
Die eigentliche Meßstrecke für das Kalibrieren liegt zwischen den Meßpunkten 14 und 15. Nachdem in einem ersten Schritt das Pumpmedium vor den Meßpunkt 14 gebracht wurde, wird in einem zweiten Schritt die Pumpe 1 in Betrieb gesetzt. Dieser Betriebszustand der Pumpe 1 entspricht dem Betrieb während des Dosiervorganges. Nach Überschreiten der Pumpmediumfront von Meßpunkt 15 wird die Pumpe 1 in der Regel gestoppt. Die Zeiten der Passage des Pumpmediums bzw. der Pumpmediumfront (in der Regel ein Flüssigkeitsmeniskus in der Kapillare) an den Meßpunkten 14 und 15 werden erfaßt. Dies erfolgt z. B. anhand von Sensoren wie Lichtschranken, Leitfähigkeitssensoren oder Kapazitätssensoren. Mit Hilfe des definierten inneren Volumens der Kapillare zwischen den Meßpunkten 14 und 15 und den erfassten Zeitwerten wird die Fördermenge oder das Fördervolumen pro Zeiteinheit und damit die Pumpenförderleistung von einer Auswertungseinheit ermittelt, die z. B. Teil einer Steuereinheit ist. Diese Auswertung liefert einen Istwert für die Pumpenleistung. Der ermittelte Istwert wird in einer Steuereinheit mit einem Sollwert entsprechend der gewünschten Dosiermenge bzw. des gewünschten Dosiervolumens verglichen und die Pumpenleistung durch die Steuerung angepasst. (Veränderung der Ansteuerung der eingesetzten Piezomembranpumpe, z. B. durch Anpassung von Frequenz, Amplitude und/oder Wellenform wie Sinus-, Rechteck-, Dreieck-Form der Spannung zur Versorgung des Piezoaktors der Pumpe). Durch diesen Kalibrier- und Anpassungsschritt, der gegebenenfalls ein- oder mehrfach wiederholt wird, wird die Pumpe optimal auf das zu dosierende Medium eingestellt. Die Pumpe bzw. die Präzision der Pumpe ist damit unabhängig von der Temperatur, der Viskosität und/oder der Oberflächenspannung des Pumpmediums. Die Dosierung eines Mediums wie einer Flüssigkeit erfolgt mit Hilfe der Kalibrierung mit hoher Präzision. Die Kalibrierung auf Grundlage des bidirektionalen Betriebes der Pumpe sorgt für eine höhere Präzision der Dosierung eines Mediums als bei einer unidirektional arbeitenden Pumpe. Außerdem erlaubt die Bidirektionalität der Pumpe ein Zurückziehen des Pumpmediums vom Austrittsende 17 nach jedem Dosierschritt, wodurch ein Nachtropfen des Pumpmediums sehr effektiv verhindert werden kann. Dazu genügt in der Regel ein geringfügiges Zurückziehen des Pumpmediums vom Austrittsende 17. Desweiteren können die Pumpen durch Rückspülen automatisiert gereinigt werden.
Die Kalibrierung der Pumpe ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere Dosiereinheiten z. B. in einem Dosierkopf kombiniert werden. Die Pumpen werden so während des Dosierbetriebes auf einen einheitlichen Sollwert eingestellt oder gehalten. Damit werden übliche Abweichungen bei der Betriebscharakteristik der Piezoaktoren der Pumpen ausgeglichen.
Eine Vorrichtung oder ein Sensor zur Detektion von Fremdkörpern oder Bläschen im Pumpmedium wird vorteilhaft im Bereich der Kalibriereinheit an der Leitung 12 angeordnet oder in der Kalibriereinheit integriert. Besonders vorteilhaft werden ein oder mehrere Meßpunkte 13, 14, 15 der Kalibriereinheit auch für eine Detektion von Fremdkörpern oder Bläschen genutzt.
Die Kalibriereinheit mit an den Meßpunkte 13, 14, 15 angeordneten Sensoren kann somit nicht nur zur Kalibrierung der Flowrate der Pumpe 1, unabhängig von äußeren Parametern wie Temperatur und unabhängig von den Eigenschaften des geförderten Mediums, genutzt werden, sondern auch zur Überwachung oder Monitoring des Flusses des Pumpmediums.
Länge und Lumen der vorzugsweise im Bereich der Meßstrecke mit den Meßpunkten 13, 14, 15 eingesetzten Kapillare werden für die Anforderungen an Präzision und Fördervolumenbereich ausgelegt.
Die Ausgangsleitung 12 ist in der Regel kurz. Üblicherweise beträgt die Länge der Ausgangsleitung 12 weniger als 10 cm, typisch weniger als 5 cm. Die Länge hängt im Wesentlichen von der Länge der Meßstrecke der Kalibriereinheit ab, welche von der gewünschten Meßgenauigkeit abhängt.
Die mit dem Pumpmedium in Berührung kommenden Oberflächen der Leitungen 12, 16, der Pumpe 1 und der Austrittsöffnung 17 sind vorzugsweise oberflächenmodifiziert, z. B. hydrophobisiert und/oder nanostrukturiert (insbesondere Oberfläche mit Lotus-Effekt). Dies hat Vorteile für die Förderung des Pumpmediums, für die Reinigung der Dosiereinheit und der Tropfenablösung an der Austrittsöffnung 17 während der Dosierung.
Die Ablösung von Flüssigkeitstropfen an der Austrittsöffnung 17 wird vorteilhaft durch eine Einrichtung unterstützt, die das Ende der Leitung 12 in Schwingung versetzt, zu einem abrupten Ausschlag des Leitungsendes führt oder das Leitungsende anschlägt. Die Präzision der Dosierung kann mit Hilfe einer solchen Einrichtung erhöht werden.
In 4 ist ein Beispiel einer als Ventil dienenden Schiebeeinrichtung (Schieber 18 mit Durchlaßöffnungen 20, 20') im Querschnitt. Ein beweglicher Schieber 18 mit einer oder zwei oder mehreren Durchlaßöffnungen 20, 20' dient dazu einen, zwei oder mehrere Leitungswege 8, 8' (z. B. Pumpenkanäle) zu schließen oder zu öffnen, je nach Position des Schiebers 18. In dem gezeigten Beispiel werden die Leitungswege 8 und 8' in gekoppelter Weise mit Hilfe des Schiebers 18 verschlossen oder geöffnet. In der gezeigten Stellung des Schiebers 18 ist der Durchgang in Leitungsweg 8 (z. B. Pumpeneingangskanal) verschlossen, während der Durchgang in Leitungsweg 8' (z. B. Pumpenausgangskanal) freigegeben ist. Durch Verschiebung des Schiebers 18 kann der Durchgang in Leitungsweg 8 geöffnet werden, während der Durchgang in Leitungsweg 8' geschlossen ist. Der Schieber 18 wird gewöhnlich durch einen Antrieb (z. B. Elektromotor oder Elektromagnet) verstellt. Dies erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Steuerung. Besonders vorteilhaft ist eine Kopplung des Schiebers 18 (bei Einsatz als Öffnungs- und Schließmechanismus des Pumpeneingangskanals und Pumpenausgangskanals) mit dem Piezoaktor der Pumpe 1 als Antrieb. Es können so die Ventilfunktionen an Pumpeneingang und Pumpenausgang mit dem Pumpvorgang direkt synchronisiert werden. Dies wird am Beispiel von 6 gezeigt.
5 zeigt ein Mikroventil mit drehbarem Kern 19 mit einer Durchgangsöffnung (Querschnitt). Der Durchfluß in den Leitungswegen 8, 8' wird durch Drehung des Drehteiles 19, das eine durchgehende Öffnung aufweist, eingestellt. Je nach Drehung des Drehteiles 19 werden unterschiedliche Teile der Leitungswege 8, 8' mit einander verbunden.
In 6 ist eine Pumpe 1 mit Schieber 18 (Ansaugphase) dargestellt. In der Ansaugphase entsteht durch Krümmung des Piezoaktors 3 zwischen Gehäuseoberteil 2a und Pumpenmembran 4 ein vergrößertes Pumpenkammervolumen 5, wobei bei der Stellung des Schiebers 18 die Kanäle 8 und 9 am Eingang der Pumpe 1 verbunden sind und der Durchgang zwischen den Kanälen 10 und 11 am Ausgang der Pumpe 1 unterbrochen ist. Die Fließrichtung des Pumpmediums wird durch einen Pfeil in dem Eingangskanal 8 dargestellt. In der Ausstoßphase wird der Schieber 18 in eine Stellung gebracht, in der der Kanal 9 verschlossen und der Kanal 10 offen ist. Vorteilhaft wird die Verstellung des Schiebers 18 mit der Auslenkung des Piezoaktors 3 gekoppelt. In einer anderen Variante wird statt eines Schiebers das gesamte, entsprechend angepaßte Gehäuseunterteil 2b verschoben, um Pumpeneingangkanal 8, 9 und Pumpenausgangskanal 10, 11 wechselweise zu schließen oder zu öffnen.
In 7 wird ein Beispiel eines Ventiles mit Ventilklappe 21 gezeigt. Die Ventilklappe 21 wird zwischen den Leitungswegen 8, 8' verstellt. Verschiedene Schaltzustände werden in dem linken und rechten Teil der Abbildung dargestellt. Die Ventilklappe 21 wird z. B. magnetisch oder mit Hilfe eines Antriebes verstellt.
8 zeigt in vereinfachter Darstellung den Aufbau einer bidirektional arbeitenden Mikropumpe durch Drehung einer unidirektional arbeitenden Mikropumpe 1 mit den passiven Ventilen 6 und 7, wobei die Stellung der Ventile gegenüber den Anschlußleitungen 12 und 16 vertauscht wird. Gezeigt sind die Schaltzustände a und b, die durch Drehung der Pumpe 1 um 180° in einander übergehen. Eine Schiebeeinrichtung als Alternative zur Drehung der Pumpe ist auch möglich.
In 9 wird eine Dreheinrichtung 19 mit integriertem Rückschlagventil 6 im Leitungsweg 8 in den Schaltzuständen a und b gezeigt. Die Dreheinrichtung 19 ist beispielsweise ein Drehkern mit einem Durchgangskanal, in dem ein Rückschlagventil 6 angeordnet ist. Durch Drehung des Drehkernes 19 um die gestrichelt gezeichnete Drehachse um 180° wird das Rückschlagventil 6 im Leitungsweg 8 umgedreht. Die Drehung der Dreheinrichtung 19 erfolgt z. B. mit den üblichen Antrieben und ist in der Regel gesteuert.
10 zeigt als Beispiel ein Dosiersystem 22 mit den Pumpen 1, 1, 1'' und 1'''. Ein Schieber 18 ist mit Durchgangsöffnungen versehen, die Rückschlagventile mit wechselnder Durchlaßrichtung aufweisen. Je nach Stellung des Schiebers wird an den Pumpeneingängen an den Zuleitungen 16 eine bestimmte Durchlaßrichtung eingestellt. Eine Dreheinrichtung 19 mit Rückschlagventilen sorgt an den Pumpenausgängen zu den Leitungen 12 für eine bestimmte Durchlaßrichtung. In dem Beispiel sind Dreheinrichtung 19 und Schiebeeinrichtung 18 vereint dargestellt. Das dient der Erläuterung. In der Praxis wird das Dosiersystem 22 nur eine Art der Verstellung der Durchlaßrichtung an Pumpeneingang und Pumpenausgang aufweisen.
4 bis 10 veranschaulichen, dass mehrere Ventile gekoppelt sein können. Sie können derart miteinander verbunden sein, dass nur ein Antrieb notwendig ist.
Da für eine Pumpe Ein- und Auslassventil im Wechsel geöffnet bzw. geschlossen sind, kann dies mit einem Wechselventil dargestellt werden, das pneumatisch, mechanisch, elektromechanisch, durch einen separaten Piezoaktor oder über den Pumpenantrieb gesteuert wird.
Das Wechselventil kann linear (4), durch Drehung (5) oder durch Umklappen (7) geschaltet werden.
Die Anordnung von Aus- und Einlass unmittelbar nebeneinander ist besonders günstig für die Anwendung eines Wechselventils bei gleichzeitiger Raumersparnis.
Eine weitere Option ist die Verwendung einer Pumpe mit passiven Ventilen, deren Pumpenkörper (mit den Ventilen) drehbar angeordnet ist. Hierdurch ist die Pumprichtung ebenfalls umkehrbar (8).
Allen Ventillösungen gemein ist die Option, analog eines Drei- oder Mehrwegehahns, mehrere Ein- und/oder Auslasskanäle miteinander zu verschalten.
11 zeigt ein Dosiersystem 22 mit zwei Dosiereinheiten mit jeweils einer Pumpe 1, der Zuleitung 16, einem aktiven Eingangsventil 6, einem aktiven Ausgangsventil 7, einer Steuerelektronik 24 für Ventile und Pumpenantrieb, Stromzuführung 25, einer Steuerleitung 26, einem Lichtleiter 27 und 28 und einer Kalibriereinheit mit den Meßpunkten 13, 14, 15 an der Ausgangsleitung 12. Als Meßstrecke dient vorzugsweise eine Kapillare oder ein Teil einer Kapillare. Bei einem inneren Durchmesser von 0,2 mm und einer Länge von 20 mm ergibt sich ein Testvolumen von 2,5 μl Die Förderleistung der Pumpe 1 ergibt sich aus der ermittelten Zeitdauer, die zur Füllung des Testvolumens benötigt wird. Je nach Leistung der Pumpe und der gewünschten Präzision kann die Länge der Teststrecke bzw. das Testvolumen angepaßt werden. Gut geeignet ist eine Glaskapillare. Vorteilhaft wird die Kapillare als Ausgangsleitung 12 eingesetzt. Das heißt, die Kapillare wird direkt mit dem Pumpenausgang verbundenen. Die Länge der Kapillare vom Pumpenausgang bis zur Austrittsöffnung 17 liegt in der Regel im Bereich von 10 bis 40 mm, insbesondere im Bereich von 20 bis 30 mm. Im gezeigten Beispiel dienen die Lichtleitfaser 27 als Lichtsender und die Lichtleitfaser 28 als Empfänger. Ein Abschnitt der Lichtleiter 27 und 28 wird entlang der Kapillare bzw. der Meßstrecke an gegenüberliegenden Seiten der transparenten Kapillare angeordnet. Beide Lichtleiter 27, 28 tragen Einkerbungen oder Öffnungen an den Meßpunkten 13, 14, 15. In die Lichtleitfaser 27 wird z. B. weißes Licht eingespeist. An den Öffnungen sind vorteilhaft Filter, die für verschiedene Wellenlängen des Lichts durchlässig sind (z. B. gelb, grün, rot) angebracht, beispielsweise eine Farbschicht. Der Lichtleiter 28, der wie der Sende-Lichtleiter 27 an den Meßpunkten entsprechende Filter trägt, dient als Empfänger und ist mit einem Lichtsensor verbunden. Die Meßanordnung der Kalibriereinheit in Form von Lichtschranken läßt sich auf diese Weise Platz sparend aufbauen. Alternativ können einzelne miniaturisierte Lichtschranken an den Meßpunkten 13, 14, 15 eingesetzt werden. Die Durchführung der Kalibrierung erfolgt vorzugsweise automatisch, z. B. mit Hilfe einer Steuerung für die Dosiereinheit.
Eine austauschbare Anschlußplatte 23 erlaubt einen einfachen Austausch des Dosierkopfes 22. Die Pumpen 1 z. B. haben einen gemeinsamen Pumpenkörper oder sind als einzelne Pumpen auf einem Träger angeordnet. Die mit a und b gekennzeichneten Pfeile zeigen eine Schnittfläche an, die in den folgenden Abbildungen angezeigt wird.
Der bevorzugte Dosierkopf 22 ist ausgelegt für Mikrotiterplatten mit 96 Kavitäten. Ein Dosierkopf für größere Mikrotiterplatten (z. B. 384, 1536, 6144 Kavitäten oder Wells) ist ohne weiteres aufbaubar. Der Dosierkopf ist geeignet für alle Mikrotiterplatten mit weniger Wells als die, für die der Dosierkopf ausgelegt ist.
Der Dosierkopf integriert Mikropumpen zu einer Einheit auf der Fläche einer Mikrotiterplatte (z. B. 8,5 × 12,5 cm). Dabei sind die Pumpen vorteilhaft in diagonalsenkrechten Ebenen schichtweise angeordnet (siehe 12). Den Pumpen genügt in der hier beschriebenen Version eine Breite von etwa 13 mm. Die Pumpengehäuse werden z. B. in Spritzgusstechnik aus Kunststoff preiswert gefertigt und in Schichten zusammengefügt. Membranen, Kapillaren, Optik und elektrische Anschlüsse werden in die einzelnen Ebenen eingefügt, soweit sie nicht bereits Bestandteil des Formteils sind. Das fertige Dosierkopfgehäuse ist über eine Steckverbindung mit der Steuer- und Auswerteelektronik verbunden. Zuleitung(en) für das Fördermedium sind über eine austauschbare Platte 23 mit dem Dosierkopf 22 verbunden, so dass bei dem bevorzugten Dosierkopf 22 wahlweise 1 bis 96 verschiedene Medien zugleich dosiert oder gefördert werden können.
Der Dosierkopf 22 kann jede Dosiereinheit separat mit gesondertem Medium und eigenem Fördervolumen betreiben.
Die Pumpen 1 im Dosierkopf 22 liegen unmittelbar über der zu befüllenden Mikrotiterplatte 29. Dabei sind die Pumpen 1 idealerweise in gleicher Höhe angeordnet. Hiervon kann aus Platzmangel abgewichen werden. Der Dosierkopf 22 selbst kann über der Mikrotiterplatte nach Wunsch positioniert werden (3-Achsen steuerbare Montierung). Ebenso ist es möglich, dass der Dosierkopf mit den Kanülen (Leitungen 12) in die Wells 30 der Mikrotiterplatte 29 eintaucht bzw. sich synchron zu der Füllhöhe bewegt.
Vorteilhaft wird der Dosierkopf 22 zum Beschichten von Mikrotiterplatten 29 eingesetzt. Vereinfacht werden zum Beschichten einer Mikrotiterplatte 29 die Kavitäten 29 mit einer Lösung, die die Chemikalie für eine Beschichtung enthält, befüllt. Nach einer Inkubationszeit, während der die Chemikalie an die Plattenoberfläche andockt, wird der Überstand, das Lösungsmittel, entfernt. Dies kann mit dem Dispensierkopf (Dosierkopf 22) ohne Umrüsten realisiert werden, indem nach dem präzisen Dosieren der Dosierkopf 22 mit den Kanülen (Leitungen 12) in die Wells 30 eintaucht und das Lösemittel absaugt. Der Dosierkopf 22 dient hier zum Befüllen und Entleeren von Mikrotiterplatten.
Ein komplettes Dispensiergerät (Dispensiermodul) trägt den Dosierkopf 22, die Schnittstelle zur Steuerung, eine Lesestation um die Mikrotiterplatte eindeutig zu identifizieren, die klimatisierte Vorlagenkammer mit Schwenktisch, Vorrat an Reinigungslösungen und ein Gefäß für verbrauchte Spüllösung. Alle Prozesse werden durch Sensoren überwacht, das Befüllen der Mikrotiterplatte erfolgt nach vorbestimmten Parametern automatisch mit einer Performance von etwa 2000 Mikrotiterplatten pro Stunde (100 μl Wasser pro Well). Im Anschluss erfolgt eine automatische Reinigung der mediumberührten Teile.
12 zeigt die Anordnung einzelner Mikropumpen 1 über einer Mikrotiterplatte 29. Jeder Kavität 30 (Vertiefung) der Mikrotiterplatte 29 ist eine Mikropumpe 1 zugeordnet. Die schräge oder diagonale Anordnung (bezogen auf die Ränder der Mikrotiterplatte 29) der Mikropumpen 1 ist besonders Platz sparend. In 13 ist ein entsprechendes Dosiersystem mit gerade (bezogen auf die Ränder der Mikrotiterplatte 29) angeordneten Mikropumpen 1 dargestellt. 12 und 13 verdeutlichen, dass das Dosiersystem bzw. der Dosierkopf mit den Dosiereinheiten den Abmessungen der Mikrotiterplatte angepaßbar ist und eine in der Größe vergleichbare Grundfläche aufweist. Die Mikropumpen 1 kommen sehr nahe zur Mikrotiterplatte zum Einsatz.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19719862 A1 [0003, 0013, 0022]
- DE 19720482 C5 [0003, 0061]
- DE 10360709 A1 [0003]

Claims

Mikropumpe (1), die bidirektional betreibbar ist und/oder die mit einer Kalibriereinheit verbunden ist.
Mikroventil (6, 7) mit Schiebeeinrichtung (18), Dreheinrichtung (19) oder Kopplungseinrichtung zum Antrieb einer Mikropumpe (1) oder das mit einem oder mehreren anderen Mikroventilen gekoppelt ist.
Dosiersystem (22) mit mindestens einer bidirektional betreibbaren Mikropumpe (1) oder einer Anordnung mit mindestens einer Mikropumpe (1), die einen bidirektionalen Pumpvorgang erlaubt, oder mindestens einer verdrehbar oder verschiebbar angeordneten unidirektional arbeitenden Mikropumpe (1) oder mit einem oder mehreren Paaren von gegenläufig verbundenen unidirektional arbeitenden Mikropumpen (1).
Dosiersystem (22) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem (22) mehrere unabhängig von einander betreibbaren Dosiereinheiten aufweist oder mindestens eine Dosiereinheit mit einer Meßanordnung zur Kalibrierung der Mikropumpe (1) oder zur Überwachung des Pumpvorganges oder des Betriebes der Mikropumpe (1) oder mit einer Meßanordnung zur Erfassung von Meßwerten, die eine Eigenschaft oder einen Zustand des Pumpmediums betreffen, oder mit einer Meßanordnung zur Überwachung eines Dosiervorganges umfaßt.
Dosiersystem (22) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikropumpe (1) mindestens ein aktives Einlaßventil (6) und mindestens ein aktives Auslaßventil (7) oder eine Ventilanordnung für bidirektionalen Betrieb der Mikropumpe (1) oder eine Schiebeeinrichtung (18) oder Dreheinrichtung (19) zum Öffnen und Verschließen von Leitungswegen oder Kanälen (8, 9 und 10, 11) zugeordnet sind oder das Dosiersystem (22) gekoppelte Ventile (6, 7) an Eingang (8) und Ausgang (11) der Mikropumpe (1) oder gekoppelte Ventile (6, 7) von zwei oder mehreren Dosiereinheiten oder gekoppelte Ventil- und Mikropumpenantriebe aufweist.
Dosiersystem (22) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem (22) eine Kalibriereinheit enthält, die eine definierte Messtrecke oder einen definierten Messkanal oder eine Messtrecke oder einen Messkanal mit einer Meßeinrichtung aufweist.
Dosiersystem (22) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßeinrichtung mindestens zwei, vorzugsweise drei oder mehr Meßpunkte (13, 14, 15) mit mindestens einem Sensor enthält.
Dosiersystem (22) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem (22) für jede Mikropumpe (1) eine Meßdatenerfassungs- und -auswertungseinheit oder das Dosiersystem (22) für jede Mikropumpe (1) eine Meßdatenerfassungs- und -auswertungseinheit und eine zentrale Steuereinheit aufweist.
Dosiersystem (22) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem (22) in einer oder mehreren Reihen angeordnete Dosiereinheiten enthält.
Dosiersystem (22) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem (22) einen Dosierkopf mit Rüttel-, Vibriereinrichtung oder einer mechanischen Einrichtung zur Tropfenablösung bei der Dosierung umfaßt.
Verfahren zum Betrieb eines Dosiersystems (22) mit einer Kalibriereinheit, gekennzeichnet durch die Erfassung der Pumpencharakteristik durch Messung der Geschwindigkeit des Pumpmediums zwischen zwei Meßpunkten (14, 15), die einen oder mehrere Sensoren umfassen, in einer Messtrecke wie einer Meßkapillare oder einem Meßkanal und automatischer Anpassung der Pumpenleistung an einen Sollwert aufgrund der erfaßten und ausgewerteten Meßwerte an den Meßpunkten.
Verwendung einer oder mehrerer Mikropumpen (1) mit mindestens einem aktiven Einlaßventil (6) und mindestens einem aktiven Auslaßventil (7) oder einer geeigneten Ventilanordnung zur bidirektionalen Förderung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums oder mit einer Einrichtung zur Erzielung einer bidirektionalen Förderung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums in einem Dosier-, Auftragungs-, Beschichtungs-, Befüll- und/oder Entleer-System für Mikrotiterplatten (29), Proben- oder Reagenzgefäße, Proben- oder Reagenzbehälter, flache Träger für Proben- oder Reagenzien, Träger mit oder ohne Vertiefungen für Proben- oder Reagenzien, Chip-Karten oder sonstige Gebilde für die Proben- oder Reagenzaufnahme.