DE102010038414A1

DE102010038414A1 - Pipettiervorrichtung mit Drosselstelle im Pipettierkanal

Info

Publication number: DE102010038414A1
Application number: DE102010038414A
Authority: DE
Inventors: Vinzenz KIRSTE; Helmut Knapp; Urs Lendenmann; Noa Schmid; Tobias Seiler; Fabian Winter
Original assignee: Hamilton Bonaduz AG
Current assignee: Sias AG
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-01-26
Also published as: US20120017704A1; US8656792B2; EP2412439B1; EP3663001A1; JP2017070950A; EP2412439A1; EP3663001B1; JP2012068231A; JP6463386B2

Abstract

Pipettiervorrichtung (10) wenigstens zur Dispensation von Dosierflüssigkeit durch Erhöhung des Drucks eines Arbeitsfluids, umfassend einen wenigstens teilweise mit Arbeitsfluid gefüllten Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum (38) mit einer Pipettieröffnung (36) als einer ersten Strömungsquerschnittsverengung, durch welche hindurch Dosierflüssigkeit in Abhängigkeit vom Druck des Arbeitsfluids aus dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum (38) hinaus dispensierbar ist, und eine Druckveränderungsvorrichtung (40), welche dazu ausgebildet ist, den Druck des Arbeitsfluids im Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum (38) zu verändern, wobei die Pipettiervorrichtung (10) in einem betriebsmäßig mit Arbeitsfluid gefüllten Pipettierkanal (12) fluidmechanisch zwischen dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum (38) und der Druckveränderungsvorrichtung (40) eine Drosselstelle (42) als weitere Strömungsquerschnittsverengung aufweist, welche derart dimensioniert ist, dass ein Verhältnis eines Strömungswiderstands (R1) der Pipettieröffnung (36) für dispensierte Dosierflüssigkeit zu einem Strömungswiderstand (R2) der Drosselstelle (42) für Arbeitsfluid, welches die Drosselstelle (42) bei der Dispensation des Dosierfluids durchströmt, kleiner als 0,5, vorzugsweise kleiner als 0,3, besonders bevorzugt kleiner als 0,225 ist, wobei die Strömungswiderstände der jeweiligen Strömungsquerschnittsverengung (36 bzw. 42) berechnet werden unter Berücksichtigung des Produkts aus der Viskosität des der jeweiligen Strömungsquerschnittsverengung (36 bzw. 42) zugeordneten Mediums aus Arbeitsfluid und Dosierflüssigkeit und der charakteristischen Länge (lDst, lPof) der zugeordneten Strömungsquerschnittsverengung (36 bzw. 42), geteilt durch die vierte Potenz der charakteristischen Abmessung (dDst, dPof) des Strömungsquerschnitts der zugeordneten Strömungsquerschnittsverengung (36 bzw. 42).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pipettiervorrichtung wenigstens zur Dispensation von Dosierflüssigkeit durch Erhöhung des Drucks eines Arbeitsfluids, umfassend einen wenigstens teilweise mit Arbeitsfluid gefüllten Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum mit einer Pipettieröffnung als einer ersten Strömungsquerschnittsverengung, durch welche hindurch Dosierflüssigkeit in Abhängigkeit vom Druck des Arbeitsfluids aus dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum hinaus dispensierbar ist, und eine Druckveränderungsvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den Druck des Arbeitsfluids im Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum zu verändern.
Derartige Pipettiervorrichtungen sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Bei der Dispensation von Dosierflüssigkeit wird in an sich bekannter Weise eine in einem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum vorhandene Dosierflüssigkeit durch Erhöhung eines Drucks eines Arbeitsfluids, welches sich ebenfalls in dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum befindet, durch eine Pipettieröffnung des Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraums ausgeschoben.
Da die Pipettieröffnung in der Regel einen engsten Strömungsquerschnitt beim Austreiben der Dosierflüssigkeit aus dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum darstellt, bildet die Pipettieröffnung eine erste Strömungsquerschnittsverengung der vorliegend diskutierten Pipettiervorrichtung.
Pipettiervorrichtungen der eingangs genannten Art werden beispielsweise als Waschköpfe verwendet, bei welchen der Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum durch einen Dosierflüssigkeits-Zulauf gefüllt oder wenigstens teilweise gefüllt und anschließend durch die beschriebene Dispensation mittels Überdruck des Arbeitsfluids bezogen auf den Umgebungsdruck des Flüssigkeits-Aufnahmeraums aus letzterem ausgetrieben wird.
Bei diesen Waschköpfen ist die Dosierflüssigkeit eine Waschflüssigkeit, welche durch die Pipettieröffnung hindurch abgegeben wird, um einen darunter vorgesehenen Gegenstand, etwa einen Behälter, mit der Waschflüssigkeit zu reinigen. Auch hierbei kommt es auf eine korrekte Bemessung der abgegebenen Menge an Waschflüssigkeit an.
Grundsätzlich soll jedoch auch nicht ausgeschlossen sein, dass Waschköpfe die Dosierflüssigkeit, also etwa Waschflüssigkeit, zusätzlich oder alternativ zu dem zuvor genannten Zulauf durch an sich bekannte Aspiration, also mittels eines Unterdrucks des Arbeitsfluids im Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum durch die Pipettieröffnung hindurch in den Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum aufnehmen.
Ein Problem der eingangs genannten Pipettiervorrichtung, insbesondere in ihrer Ausgestaltung als Waschkopf, liegt darin, dass sich durch das wiederholte Austreiben von Dosierflüssigkeit durch die Pipettieröffnung an dieser oder an einem Kanal, welcher zur Pipettieröffnung führt, Ablagerungen bilden, welche den Strömungsquerschnitt der Pipettieröffnung bzw. des zur Pipettieröffnung führenden Kanals verändern. Hierdurch kommt es zu Veränderungen im Dosierverhalten, so dass nach einiger Betriebszeit im Wesentlichen baugleiche Pipettiervorrichtungen, welche mit der gleichen Dosierflüssigkeit und ansonsten gleichen Betriebsparametern betrieben werden, unerwünschterweise unterschiedliches Dosierverhalten zeigen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pipettiervorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass ihr Dosierverhalten unempfindlicher gegen Veränderungen des Strömungsquerschnitts der Pipettieröffnung bzw. des zur Pipettieröffnung führenden Kanals des Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraums gemacht wird, so dass mögliche oder sogar wahrscheinliche Ablagerungen an der Pipettieröffnung das Dosierverhalten der Pipiettiervorrichtung nicht oder zumindest in geringerer Weise als bisher beeinflussen.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine gattungsgemäße Pipettiervorrichtung, bei welcher die Pipettiervorrichtung in einem betriebsmäßig mit Arbeitsfluid gefüllten Pipettierkanal fluidmechanisch zwischen dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum und der Druckveränderungsvorrichtung eine Drosselstelle als weitere Strömungsquerschnittsverengung aufweist, welche derart dimensioniert ist, dass ein Verhältnis eines Strömungswiderstands (R₁) der Pipettieröffnung für dispensierte Dosierflüssigkeit zu einem Strömungswiderstand (R₂) der Drosselstelle für Arbeitsfluid, welches die Drosselstelle bei der Dispensation des Dosierfluids durchströmt, kleiner als 0,5, vorzugsweise kleiner als 0,3, besonders bevorzugt kleiner als 0,225 ist, wobei die Strömungswiderstände der jeweiligen Strömungsquerschnittsverengung berechnet werden unter Berücksichtigung des Produkts aus der Viskosität des der jeweiligen Strömungsquerschnittsverengung zugeordneten Mediums aus Arbeitsfluid und Dosierflüssigkeit und der charakteristischen Länge der zugeordneten Strömungsquerschnittsverengung, geteilt durch die vierte Potenz der charakteristischen Abmessung des Strömungsquerschnitts der zugeordneten Strömungsquerschnittsverengung.
Mit der beschriebenen Drosselstelle wird zwischen der Druckveränderungsvorrichtung und dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum eine Engstelle im Strömungsquerschnitt geschaffen, welche dafür sorgt, dass eine durch die Druckveränderungsvorrichtung bewirkte Druckänderung im Arbeitsfluid sich nicht schlagartig, sondern nur allmählich in den Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum fortsetzt, was überraschenderweise für eine Unempfindlichkeit des Dispensationsverhaltens der Pipettiervorrichtung gegenüber Änderungen, insbesondere ablagerungsbedingte Änderungen, des Strömungsquerschnitts der Pipettieröffnung sorgt. Somit können im Wesentlichen baugleiche Pipettiervorrichtungen, welche im Wesentlichen mit identischen Einstellungen betrieben werden, ein im Wesentlichen identisches Dispensationsverhalten aufweisen, obwohl an ihren Pipettieröffnungen unterschiedlich starke Ablagerungen vorhanden sind.
Das Verhältnis der genannten Strömungswiderstände, welches für das Funktionieren der hier vorgestellten Lösung maßgeblich ist, führt dazu, dass die mit Arbeitsfluid, in der Regel einem Gas, durchströmte Drosselstelle eine deutlich kleinere Querschnittsöffnung aufweist als die Pipettieröffnung. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass auch eine Flüssigkeit als Arbeitsfluid verwendet wird.
Als Viskosität ist dabei die jeweilige dynamische Viskosität heranzuziehen, welche in der Literatur in der Regel mit dem Formelzeichen „η” bezeichnet ist.
Die bezeichnete charakteristische Länge der zugeordneten Querschnittsverengung kann bei zylindrischen Strömungsquerschnittsverengungen die Länge des zylindrischen Kanals sein oder kann bei konisch auf die Strömungsquerschnittsverengung zulaufenden Kanälen die Länge des Kanalabschnitts sein, in welchem sich die Strömungsquerschnittsfläche des Kanals ausgehend von der kleinsten Strömungsquerschnittsfläche in der Drosselstelle oder in der Pipettieröffnung verdoppelt. Findet über die maximal feststellbare Länge des Kanals keine Verdopplung der Strömungsquerschnittsfläche statt, so kann die gesamte Länge des Kanals als charakteristische Länge herangezogen werden.
Als charakteristische Abmessung des Strömungsquerschnitts kann bei kreisförmigen Strömungsquerschnitten der Durchmesser, bei quadratischen Strömungsquerschnitten eine Kantenlänge, bei rechteckigen Strömungsquerschnitten ein arithmetischer Mittelwert aus langer und kurzer Kantenlänge, bei elliptischen. Strömungsquerschnitten ein arithmetischer Mittelwert aus langer und kurzer Achse usw. herangezogen werden. Sofern sich der Strömungsquerschnitt über die Länge der Strömungsquerschnittsverengung ändert, sollte der kleinste in der Strömungsquerschnittsverengung auftretende Strömungsquerschnitt herangezogen werden.
Die Verwendung charakteristischer Abmessungen ist in der Strömungsmechanik ausreichend bekannt.
Vorzugsweise wird das Verhältnis des Strömungswiderstands (R₁) der Pipettieröffnung und des Strömungswiderstands (R₂) der Drosselstelle berechnet aus:
wobei η_Pof die dynamische Viskosität einer die Pipettieröffnung durchströmenden Dosierflüssigkeit, η_Dst eine dynamische Viskosität eines die Drosselstelle durchströmenden Arbeitsfluids, l_Pof eine charakteristische Länge der Pipettieröffnung, lost eine charakteristische Länge der Drosselstelle, d_Pof eine charakteristische Abmessung des Strömungsquerschnitts der Pipettieröffnung und d_Dst eine charakteristische Abmessung des Strömungsquerschnitts der Drosselstelle ist.
Das Prinzip der Drosselung der Arbeitsfluidströmung zwischen Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum und Druckveränderungsvorrichtung kann nicht nur bei der Dispensation von Dosierflüssigkeiten, sondern auch bei deren Aspiration mit Erfolg angewendet werden. Auch hier kann es zu einer Unempfindlichkeit des Dosierverhaltens gegenüber Ablagerungen und sonstigen Strömungsquerschnittsveränderungen in der Pipettieröffnung kommen.
Deshalb betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere auch solche Pipettiervorrichtungen, welche außer zur obengenannten Dispensation auch zur Aspiration von Dosierflüssigkeit, in diesem Falle durch Verringerung des Drucks des Arbeitsfluids im Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum, ausgebildet sind. In diesem Falle ist bei der Aspiration von Dosierflüssigkeit diese in Abhängigkeit vom Druck des Arbeitsfluids durch die Pipettieröffnung in den Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum hinein aspirierbar.
Im Falle von Dosiervorgängen, also der Aspiration und der Dispensation von Dosierflüssigkeit, sind bei den Pipettiervorrichtungen im Stand der Technik bei baugleichen Pipettiervorrichtungen und im Wesentlichen identischen Betriebsparametern Unterschiede im Dosierverhalten für unterschiedliche Dosierflüssigkeiten, insbesondere für unterschiedlich viskose Dosierflüssigkeiten feststellbar.
Es hat sich dabei herausgestellt, dass die vorliegend empfohlene Drosselstelle im Pipettierkanal fluidmechanisch zwischen der Druckveränderungsvorrichtung und dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum in gewissen Grenzen auch zur Vergleichmäßigung des Dosierverhaltens über unterschiedlich viskose Dosierflüssigkeiten hinweg geeignet ist. Mit anderen Worten: Bei im Wesentlichen baugleichen Pipettiervorrichtungen und im Wesentlichen gleichen Betriebsparametern ist das Dosierverhalten dieser Pipettiervorrichtungen in gewissen Grenzen unabhängig von der Viskosität der Dosierflüssigkeit.
Hierzu bedarf es allerdings, verglichen mit dem vorherigen Fall eines im Wesentlichen von Veränderungen des Pipettieröffnungs-Strömungsquerschnitts unabhängigen Dosierverhalten, einer deutlichen Reduzierung des Strömungsquerschnitts der Drosselstelle.
Versuche haben gezeigt, dass das Dosierverhalten im Wesentlichen gleicher Pipettiervorrichtungen bei im Wesentlichen gleichen Betriebsparametern dann im Wesentlichen unabhängig von der Viskosität der Dosierflüssigkeit ist, wenn das Verhältnis des Strömungswiderstands (R₁) der Pipettieröffnung für dispensierte Dosierflüssigkeit zu dem Strömungswiderstand (R₂) der Drosselstelle für diese bei der Dispensation des Dosierfluids durchströmendes Arbeitsfluid kleiner als 0,001, vorzugsweise kleiner als 0,00075, besonders bevorzugt kleiner als 0,0005 ist.
Wiederum gilt die Unabhkeit des Dosierverhaltens von der Viskosität sowohl für das Dispensations- wie auch das Aspirationsverhalten. Es wird lediglich die Dispensation als Bezugsvorgang herangezogen.
Versuche haben gezeigt, dass die oben genannten Obergrenzen des Verhältnisses der Strömungswiderstände dann ein von der Viskosität der Dosierflüssigkeit im Wesentlichen unabhängiges Dosierverhalten bewirken, wenn die dynamische Viskosität der Dosierflüssigkeit den Wert von 0,004 Nsm^–2, vorzugsweise von 0,0035 Nsm^–2, besonders bevorzugt von 0,0031 Nsm^–2 nicht übersteigt.
Dabei können Arbeitsfluide mit Erfolg verwendet werden, deren dynamische Viskosität den Wert von 0,00003 Nsm^–2, vorzugsweise von 0,00002 Nsm^–2, besonders bevorzugt von 0,0000175 Nsm^–2 nicht übersteigt. Dabei ist wiederum die dynamische Viskosität gemeint.
Weiter kann daran gedacht sein, die Drosselstelle mit einem wahlweise veränderbaren Strömungsquerschnitt auszurüsten, etwa durch Veränderung der Spaltweite eines Ringspalts oder mit einem Mechanismus, ähnlich jenem, wie er zur Verstellung der Blende an mechanischen Fotoapparaten verwendet wird. Damit kann der Strömungsquerschnitt der Drosselstelle an das jeweils verwendete Arbeitsfluid oder/und die jeweils zu dosierende Dosierflüssigkeit angepasst werden.
Zur besseren Steuerbarkeit, insbesondere Feinsteuerbarkeit eines Aspirations- oder/und Dispensationsvorgangs kann weiter daran gedacht sein, dass der Pipettierkanal ein zwischen einer Sperrstellung, in welcher eine Arbeitsfluidströmung im Pipettierkanal unterbunden ist, und einer Offenstellung, in welcher eine Arbeitsfluidströmung im Pipettierkanal gestattet ist, verstellbares Ventil aufweist. Dabei kann das Ventil zunächst geschlossen gehalten werden, bis in einem zumindest nahe der Druckveränderungsvorrichtung gelegenen Bereich das Arbeitsfluid auf einen gewünschten Druck gebracht wurde. Insbesondere kann die Drosselstelle bis zu einem Querschnitt von Null veränderbar sein, so dass das hier beschriebene Ventil unter Verwendung einer vorteilhaft geringen Anzahl an Bauteilen durch die oben beschriebene Drosselstelle mit veränderbarem Strömungsquerschnitt realisiert sein kann.
Weiter kann in an sich bekannter Weise durch intermittierendes Öffnen und Schließen des Ventils eine Flüssigkeitsmenge hochgenau dosiert werden.
Da die Wirkung der vorliegend diskutierten Erfindung, wie eingangs dargelegt wurde, darin liegt, dass sich eine von der Druckveränderungsvorrichtung ausgehende Druckveränderung nicht schlagartig in den Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum ausbreiten kann, ist es vorteilhaft, wenn auch das Ventil an der Drosselstelle oder fluidmechanisch zwischen der Druckveränderungsvorrichtung und der Drosselstelle vorgesehen ist.
Gemäß einer konstruktiv möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann als die Druckveränderungsvorrichtung wenigstens ein unter einem Systemdruck stehendes Reservoir an Arbeitsfluid vorgesehen sein. Genauer kann zur Durchführung sowohl von Aspirations- wie auch von Dispensationsvorgängen an ein und demselben Pipettierkanal vorgesehen sein, dass ein unter einem ersten Systemdruck stehendes Dispensations-Reservoir und ein unter einem zweiten Systemdruck stehendes Aspirations-Reservoir vorgesehen sind, welche wahlweise druckübertragend mit dem Pipettierkanal verbindbar und von diesem trennbar sind, wobei der erste Systemdruck größer ist als ein Umgebungsdruck der Pipettiervorrichtung und der zweite Systemdruck kleiner ist als der Umgebungsdruck.
Im Hinblick auf die Strömungsvorgänge des Arbeitsfluids durch die Drosselstelle hindurch ist es bei Aspirations- und Dispensationsvorgängen vorteilhaft, wenn der Systemdruck zumindest für Dispensationsvorgänge gegenüber dem Umgebungsdruck des Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraums einen Überdruck von 1,5 bar, vorzugsweise von 1,2 bar, besonders bevorzugt von 1,0 bar, nicht übersteigt. Bei höheren Druckunterschieden zwischen dem Systemdruck und dem Umgebungsdruck kann es zu stark turbulenten Strömungen des Arbeitsfluids durch die Drosselstelle kommen, was die Wirkung der vorliegenden Erfindung unter Umständen beeinträchtigen kann.
Grundsätzlich kann jedoch auch daran gedacht sein, dass die Druckveränderungsvorrichtung eine diskontinuierlich oder kontinuierlich arbeitende Pumpe aufweist. Im Hinblick auf eine stets gewünschte Automatisierung von Dosierungsvorgängen ist es vorteilhaft, wenn die Pumpe motorisch angetrieben ist.
Ebenso kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Pipettiervorrichtung daran gedacht sein, dass die Druckveränderungsvorrichtung eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung mit einem sich längs einer Zylinderachse erstreckenden Zylinder und mit einem darin längs der Zylinderachse beweglich aufgenommenen Kolben aufweist, wobei Zylinder und Kolben wenigstens ein Arbeitsvolumen begrenzen, welches durch eine Relativbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder veränderlich ist und welches mit dem Pipettierkanal in Fluidübertragungsverbindung steht oder bringbar ist. Die Kolben-Zylinder-Anordnung stellt die gebräuchlichste Ausgestaltung der Druckveränderungsvorrichtung in Pipettiervorrichtungen dar. Sie bietet überdies die Möglichkeit einer sehr genauen Drucksteuerung durch die Verwendung kleiner Kolbenflächen und im Verhältnis dazu langer Kolbenhübe.
Gerade mit der zuvor genannten Kolben-Zylinder-Vorrichtung als der Druckveränderungsvorrichtung kann die Pipettiervorrichtung auch eine bestimmungsgemäß manuell betätigbare Pipettiervorrichtung sein, wobei dann insbesondere der Kolben durch manuelle Betätigung relativ zum Zylinder bewegbar ist. Diese Betätigung kann unmittelbar, also durch Herausziehen oder Eindrücken des Kolbens mit der Hand, oder kann mittelbar, etwa durch Spannen einer Feder, welche nach einem Auslösen eine Relativbewegung. zwischen Kolben und Zylinder antreibt, erfolgen. Bevorzugt weist die manuell betätigbare Pipettiervorrichtung zur möglichst genauen Dosierung nur genau einen Pipettierkanal auf.
Mit „bestimmungsgemäß manuell betätigbar” sollen solche Fälle nicht erfasst sein, welche grundsätzlich motorisch oder sonstwie automatisiert betätigt sind und nur für den Ausfall einer Energieversorgung durch eine manuelle Notbetätigung weiter betrieben werden können.
Gerade für Fälle einer Dosierung durch Aspiration und Dispensation ist es zur Erfüllung höchster Ansprüche an Hygiene vorteilhaft, wenn der Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum und die Pipettieröffnung an einer von dem die Drosselstelle aufweisenden Pipettierkanal gesondert ausgebildeten, wahlweise mit diesem verbindbaren oder/und von diesem trennbaren Pipettierspitze ausgebildet sind.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden, welche einen grobschematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Pipettiervorrichtung zeigt.
In 1 ist eine grobschematisch dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsform einer Pipettiervorrichtung allgemein mit 10 bezeichnet. Die Pipettiervorrichtung 10 umfasst einen Pipettierkanal 12, an welchem in an sich bekannter Weise eine Pipettierspitze 14 lösbar angekoppelt ist.
Der Pipettierkanal 12 weist einen Zylinderabschnitt 16 auf, in welchem ein Kolben 18 längs einer mit der Zylinderachse Z zusammenfallenden Längsachse L der Pipettiervorrichtung 10 über eine Kolbenstange 20 durch einen Motor 22 relativ zum Zylinderabschnitt 16 verstellbar ist.
Der Motor 22 wird durch eine Steuer/Regeleinheit 24 angesteuert, beispielsweise in Abhängigkeit vom Erfassungsignal eines Drucksensors 26, welcher den Druck eines Arbeitsfluids, etwa Luft, in einer durch die Bewegung des Kolbens 18 volumenveränderlichen Arbeitskammer 28 erfasst.
Die Pipettierspitze 14, welche durch einen längs der Längsachse L der Pipettiervorrichtung 10 relativ zum Zylinderabschnitt 16 beweglichen Abwerfer 30 in an sich bekannter Weise vom Pipettierkanal 12 lösbar ist, weist einen zur Kopplung mit dem Pipettierkanal 12 ausgebildeten Kopplungsbereich 32, einen in dem in 1 gezeigten Beispiel konisch verlaufenden Wandbereich 34 und eine Pipettieröffnung 36 auf, durch welche hindurch eine Dosierflüssigkeit in Abhängigkeit vom Druck eines Arbeitsfluids, mit dem ein vom Wandbereich 34 und gegebenenfalls auch noch vom Kopplungsbereich 32 umgebener Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum 38 wenigstens teilweise gefüllt ist, in den Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum aspirierbar und aus diesem dispensierbar ist.
Die Baugruppe aus Zylinder 16 und Kolben 18 bildet eine Druckveränderungsvorrichtung 40 zur Veränderung des Drucks von Arbeitsfluid im Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum 38.
Erfindungsgemäß ist zwischen der Druckveränderungsvorrichtung 40 und dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum 38 eine Drosselstelle 42 vorgesehen, welche einen Strömungswiderstand R₂ für Arbeitsfluid aufweist, welcher sich vorzugsweise berechnet aus
wobei η_Dst die dynamische Viskosität des Arbeitsfluids ist, l_Dst eine charakteristische Länge der Drosselstelle 42 in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids bei der Dispensation von Dosierflüssigkeit ist und wobei d_Dst eine charakteristische Abmessung des Strömungsquerschnitts der Drosselstelle 42 ist, in dem in 1 gezeigten Beispiel der Durchmesser der Drosselstelle 42 ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Drosselstelle 42 im Wesentlichen durch einen zylindrischen Kanal gebildet, so dass die Länge des Kanals die charakteristische Länge l_Dst der Drosselstelle 42 ist.
Die Drosselstelle 42 kann darüber hinaus ein Ventil 44 aufweisen, mit welchem die Drosselstelle 42 vollständig abschließbar ist, um eine Druckausbreitung des Arbeitsfluiddrucks vom Arbeitsraum 28 in den Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum 38 zu unterbrechen.
Das Ventil 44 ist vorzugsweise ebenfalls durch die Steuer/Regeleinrichtung 24 betätigbar.
Die Pipettieröffnung 36 weist dagegen beim Dispensieren einen Strömungswiderstand R₁ auf, welcher sich vorzugsweise ergibt aus
wobei η_Pof die dynamische Viskosität des die Pipettieröffnung 36 durchströmenden Mediums, also der Dosierflüssigkeit, ist, l_Pof eine charakteristische Länge eines zur Pipettieröffnung 36 führenden Auslassendes der Pipettierspitze 14 ist, und d_Pof eine charakteristische Abmessung des Strömungsquerschnitts der Pipettieröffnung 36, im vorliegenden Regelfall einer kreisförmigen Pipettieröffnung der Durchmesser der Pipettieröffnung 36 ist.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel einer sich konisch oder sonstwie zur Pipettieröffnung 36 hin verjüngenden Pipettierspitze 14 kann folgende Konvention zur Bestimmung der charakteristischen Länge gelten:
Die charakteristische Länge l ist jene Länge, die das Austrittsende der Pipettierspitze 14 ausgehend von der Pipettieröffnung 36 bis zu jener Stelle aufweist, an welcher der Strömungsquerschnitt der Pipettierspitze 14 den doppelten Flächenbetrag aufweist wie die Pipettieröffnung 36. Da der Strömungsquerschnitt bei kreisförmiger Gestalt proportional zum Quadrat des Radius bzw. des Durchmessers ist, kann als charakteristische Länge eines sich konisch oder sonstwie zur jeweiligen Strömungsquerschnittsverengung mit engstem Strömungsquerschnitt hin verjüngenden Austrittsbereichs jene Länge angenommen werden, die zwischen der jeweiligen Strömungsquerschnittsverengung und einem Strömungsquerschnitt besteht, dessen Durchmesser das √2-fache des Durchmessers der Strömungsquerschnittsverengung beträgt.
Es hat sich nämlich herausgestellt, dass mit größer werdenden Strömungsquerschnitten in der Pipettierspitze 14 oder auch in der Drosselstelle 42 jene Bereiche mit deutlich größerem Strömungsquerschnitt als der engste Strömungsquerschnitt kaum zum Strömungswiderstand der jeweiligen Austrittsöffnung beitragen. Mit anderen Worten: Jene Bereiche der Pipettierspitze 14 oder der Drosselstelle 42, welche eine Strömungsquerschnittsfläche aufweisen, die mehr als doppelt so groß wie die Strömungsquerschnittsfläche des engsten Querschnitts ist, tragen nur noch in untergeordneten Größenordnungen zum jeweiligen Strömungswiderstand der betreffenden Strömungsquerschnittsverengung bei. Sie können daher vernachlässigt werden.
Dann, wenn das Verhältnis der beiden Strömungswiderstände an der Drosselstelle 42 und der Pipettieröffnung 36 unter Berücksichtigung der die jeweiligen Strömungsquerschnittsverengungen durchströmenden Medien anhand von deren dynamischer Viskosität ein Verhältnis von 0,5, vorzugsweise 0,3, besonders bevorzugt 0,225, nicht übersteigt, ist das Dispensationsverhalten der Pipettierspitze 14, welche auch starr mit dem Pipettierkanal 12 verbunden sein kann, weitgehend unabhängig von Veränderungen des Strömungsquerschnitts etwa durch Ablagerungen von getrockneter oder/und auskristallisierter Dosierflüssigkeit.
Selbstverständlich ändert sich das Dosierverhalten mit zunehmender Verengung der Pipettieröffnung 36 ab Unterschreiten eines kritischen Verengungsgrads auch trotz des Vorsehens der Drosselstelle 42 im Pipettierkanal 12 fluidmechanisch zwischen der Druckveränderungsvorrichtung 40 und dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum 38. Jedoch kann die Grenze, ab welcher sich Einflüsse derartiger Ablagerungen an der Pipettieröffnung 36 oder in einem der Pipettieröffnung 36 nahen Bereich beim Dispensieren bemerkbar machen, weiter in Richtung einer Querschnittsverkleinerung der Pipettieröffnung 36 hinausgeschoben werden.
Entsprechendes gilt für die Aspiration von Dosierflüssigkeit.
Dann, wenn das Verhältnis der Strömungsquerschnitte R₂ zu R₁ kleiner als 0,001, vorzugsweise kleiner als 0,00075 und besonders bevorzugt kleiner als 0,0005, ist, kann das Aspirations- und Dispensationsverhalten der Pipettiervorrichtung sogar in gewissen Grenzen unabhängig von der Viskosität der verwendeten Dosierflüssigkeit gemacht werden, so dass mit ein und derselben Pipettiervorrichtung 10 und ein und denselben Betriebsparametern unterschiedlich viskose Dosierflüssigkeiten gleich dosiert werden können. Dies vereinfacht den Betrieb von Pipettiervorrichtungen erheblich.
Versuche haben gezeigt, dass Dosierflüssigkeiten mit einer dynamischen Viskosität von bis zu 0,004 Nsm^–2, vorzugsweise von 0,0035 Nsm^–2 und besonders bevorzugst von 0,0031 Nsm^–2 durch eine erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung ohne Änderung der Betriebsparameter dosierbar sind.
Mit der vorliegenden Erfindung können daher Dosieraufgaben von Pipettiervorrichtungen deutlich vereinfacht werden.

Claims

Pipettiervorrichtung (10) wenigstens zur Dispensation von Dosierflüssigkeit durch Erhöhung des Drucks eines Arbeitsfluids, umfassend: – einen wenigstens teilweise mit Arbeitsfluid gefüllten Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum (38) mit einer Pipettieröffnung (36) als einer ersten Strömungsquerschnittsverengung, durch welche hindurch Dosierflüssigkeit in Abhängigkeit vom Druck des Arbeitsfluids aus dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum (38) hinaus dispensierbar ist, und – eine Druckveränderungsvorrichtung (40), welche dazu ausgebildet ist, den Druck des Arbeitsfluids im Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum (38) zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass die Pipettiervorrichtung (10) in einem betriebsmäßig mit Arbeitsfluid gefüllten Pipettierkanal (12) fluidmechanisch zwischen dem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum (38) und der Druckveränderungsvorrichtung (40) eine Drosselstelle (42) als weitere Strömungsquerschnittsverengung aufweist, welche derart dimensioniert ist, dass ein Verhältnis eines Strömungswiderstands (R₁) der Pipettieröffnung (36) für dispensierte Dosierflüssigkeit zu einem Strömungswiderstand (R₂) der Drosselstelle (42) für Arbeitsfluid, welches die Drosselstelle (42) bei der Dispensation des Dosierfluids durchströmt, kleiner als 0,5, vorzugsweise kleiner als 0,3, besonders bevorzugt kleiner als 0,225 ist, wobei die Strömungswiderstände der jeweiligen Strömungsquerschnittsverengung (36 bzw. 42) berechnet werden unter Berücksichtigung des Produkts aus der Viskosität des der jeweiligen Strömungsquerschnittsverengung (36 bzw. 42) zugeordneten Mediums aus Arbeitsfluid und Dosierflüssigkeit und der charakteristischen Länge (l_Dst, l_Pof) der zugeordneten Strömungsquerschnittsverengung (36 bzw. 42), geteilt durch die vierte Potenz der charakteristischen Abmessung (d_Dst, d_Pof) des Strömungsquerschnitts der zugeordneten Strömungsquerschnittsverengung (36 bzw. 42).
Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie auch zur Aspiration von Dosierflüssigkeit durch Verringerung des Drucks des Arbeitsfluids ausgebildet ist, wobei bei der Aspiration Dosierflüssigkeit in Abhängigkeit vom Druck des Arbeitsfluids durch die Pipettieröffnung (36) in den Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum (38) hinein aspirierbar ist, wobei das Verhältnis des Strömungswiderstands (R₁) der Pipettieröffnung (36) für dispensierte Dosierflüssigkeit zu dem Strömungswiderstand (R₂) der Drosselstelle (42) für diese bei der Dispensation des Dosierfluids durchströmendes Arbeitsfluid kleiner als 0,001, vorzugsweise kleiner als 0,00075, besonders bevorzugt kleiner als 0,0005 ist.
Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Dosierflüssigkeit den Wert von 0,004 Nsm^–2, vorzugsweise von 0,0035 Nsm^–2, besonders bevorzugt von 0,0031 Nsm^–2 nicht übersteigt.
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des Arbeitsfluids den Wert von 0,00003 Nsm^–2, vorzugsweise von 0,00002 Nsm^–2, besonders bevorzugt von 0,0000175 Nsm^–2 nicht übersteigt.
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (42) einen wahlweise veränderbaren Strömungsquerschnitt aufweist.
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pipettierkanal (12) ein zwischen einer Sperrstellung, in welcher eine Arbeitsfluidströmung im Pipettierkanal (12) unterbunden ist, und einer Offenstellung, in welcher eine Arbeitsfluidströmung im Pipettierkanal (12) gestattet ist, verstellbares Ventil (44) aufweist.
Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (44) an der Drosselstelle (42) oder fluidmechanisch zwischen der Druckveränderungsvorrichtung (40) und der Drosselstelle (42) vorgesehen ist.
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als die Druckveränderungsvorrichtung (40) wenigstens ein unter einem Systemdruck stehendes Reservoir an Arbeitsfluid aufweist.
Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein unter einem ersten Systemdruck stehendes Dispensations-Reservoir und ein unter einem zweiten Systemdruck stehendes Aspirations-Reservoir vorgesehen sind, welche wahlweise druckübertragend mit dem Pipettierkanal (12) verbindbar und von diesem trennbar sind, wobei der erste Systemdruck größer ist als ein Umgebungsdruck der Pipettiervorrichtung (10) und der zweite Systemdruck kleiner ist als der Umgebungsdruck.
Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemdruck für Dispensationsvorgänge gegenüber dem Umgebungsdruck des Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraums (38) einen Überdruck von 1,5 bar, vorzugsweise von 1,2 bar, besonders bevorzugt von 1,0 bar nicht übersteigt.
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckveränderungsvorrichtung (40) eine Pumpe, insbesondere motorisch angetriebene Pumpe, aufweist.
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckveränderungsvorrichtung (40) eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung (16, 18, 20) mit einem sich längs einer Zylinderachse (Z) erstreckenden Zylinder (16) und mit einem darin längs der Zylinderachse (Z) beweglich aufgenommenen Kolben (18) aufweist, wobei Zylinder (16) und Kolben (18) wenigstens ein Arbeitsvolumen (28) begrenzen, welches durch eine Relativbewegung des Kolbens (18) relativ zum Zylinder (16) veränderlich ist und welches mit dem Pipettierkanal (12) in Fluidübertragungsverbindung steht oder bring bar ist.
Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine bestimmungsgemäß manuell betätigbare Pipettiervorrichtung (10) ist, bei welcher insbesondere der Kolben (18) durch manuelle Betätigung relativ zum Zylinder (16) bewegbar ist.
Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einkanalpipettiervorrichtung mit genau einem Pipettierkanal ist.
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum (38) und die Pipettieröffnung (36) an einer von dem die Drosselstelle (42) aufweisenden Pipettierkanal (12) gesondert ausgebildeten, wahlweise mit diesem verbindbaren oder von diesem trennbaren Pipettierspitze (14) ausgebildet sind.