DE10238564B4

DE10238564B4 - Pipettiereinrichtung

Info

Publication number: DE10238564B4
Application number: DE10238564A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Richter; Martin Wackerle; Hans-Jürgen Dr. Bigus; Ralph Debusmann
Original assignee: Hirschmann Laborgerate & Co KG GmbH; Hirschmann Laborgerate GmbH and Co KG; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Hirschmann Laborgeraete & Co Kg 74246 Eberst GmbH
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: DE10238564A1; WO2004018103A1; AU2003242720A1; US20050196304A1; EP1531937A1; AU2003242720A8

Abstract

Pipettiereinrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer Mikropumpe (200) mit
einer Pumpenkammer (216) mit einer ersten Öffnung (222) und einer zweiten Öffnung (224);
einer Einrichtung (246, 250) zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer (216), wobei die Einrichtung (246, 250) eine Membran und eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen der Membran umfasst;
einem ersten aktiven Ventil (226) zum Öffnen und Schließen der ersten Öffnung (222);
einem zweiten aktiven Ventil (236) zum Öffnen und Schließen der zweiten Öffnung (224);
einer Pipettenspitze (258), die über den Pipettenkanal (256) mit der ersten (222) Öffnung verbunden ist; und
einer Steuereinrichtung, die ausgebildet ist,
um das erste aktive Ventil (226) zum Schließen der ersten Öffnung (222) zu betätigen,
um das zweite aktive Ventil (236) zum Öffnen der zweiten Öffnung (224) zu betätigen, wodurch die Pumpenkammer (216) mit dem Pipettenkanal (256) verbunden wird,
um die Betätigungseinrichtung zum Vergrößern eines Volumens der...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Pipettiereinrichtungen und spezifischer auf Pipettiereinrichtungen mit Mikropumpen.
Mit zunehmender Verbesserung der Herstellung von mikromechanischen Strukturen können heutzutage vielfältige Vorrichtungen als Mikrostrukturvorrichtungen realisiert werden. Eine solche Mikrostrukturvorrichtung umfaßt beispielsweise eine Mikropipettiereinrichtung mit einer Mikropumpe.
1 zeigt eine bekannte Pipettiereinrichtung, die eine erste und zweite Mikropumpe 100a und 100b aufweist, die jeweils aus drei übereinander angeordneten Pumpenkörperabschnitten 110, 112 und 114 aufgebaut sind. Die Pumpenkörperabschnitte 110, 112 und 114 umfassen jeweils eine flache Scheibe bzw. Wafer mit Mikrostrukturen, die mittels geeigneter Ätzverfahren erzeugt werden. Typischerweise weisen die Pumpenkörperabschnitte 110, 112 und 114 bei einer solchen bekannten Mikropumpe ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, auf. Jede der Mikropumpen 100a und 100b umfaßt eine Pumpenkammer 116, die durch Begrenzungen der Pumpenkörperabschnitte 110 – 114 gebildet wird. Die Pumpenkammer 116 weist eine Einlaßöffnung 118 auf, die in dem unteren Pumpenkörperabschnitt 110 gebildet ist. Über der Einlaßöffnung 118 ist ein erstes Klappenventil 120 angeordnet, das als passives Rückschlagventil ausgebildet ist. Das Klappenventil 120 ist in dem mittleren Pumpenkörperabschnitt 112 gebildet und weist eine längliche flexible Klappe 120a auf, die sich über die Einlaßöffnung 118 erstreckt.
Die Pumpenkammer 116 weist ferner eine Auslaßöffnung 122 auf, die durch ein zweites passives Klappenventil 124, das in dem Pumpenkörperabschnitt 110 angeordnet ist, verschlossen und geöffnet werden kann. Das zweite Klappenventil 124 weist entsprechend zu dem ersten Klappenventil 120 eine Klappe 124a mit einer länglichen flexiblen Form auf.
Ferner weisen die Mikropumpen 100a und 100b ein piezoelektrisches Betätigungselement 126 zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer 116 auf. Das piezoelektrische Betätigungselement 126 ist als eine piezoelektrische Keramikschicht großflächig auf einer dünn ausgebildeten Membran 128 angeordnet, die flexibel zwischen Halteelementen angeordnet ist. Bei Anlegen einer geeigneten Spannung an das piezoelektrische Betätigungselement 126 verformt sich die Membran 128 und bewirkt, je nach Polarität der Spannung, ein Vergrößern oder Verkleinern des Volumens der Pumpenkammer 116.
Bei einem Saugvorgang wird an das piezoelektrische Betätigungselement 126 eine Spannung angelegt, die die Membran 128 derart verformt, daß sich eine Vergrößerung des Volumens der Pumpenkammer 116 ergibt. Dabei wird in der Pumpenkammer 116 ein Unterdruck erzeugt, der bewirkt, daß das Ventil 120 von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand übergeht, wohingegen das Ventil 124 durch den Unterdruck einen geschlossen Zustand aufweist. Dadurch wird ein Fluid durch die Öffnung 118 in die Pumpenkammer 116 gesaugt.
Bei einem Pumpvorgang wird das Pumpkammervolumen durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung an das piezoelektrische Betätigungselement 116 verringert. Der dabei entstehende Überdruck bewirkt, daß auf das Klappenventil 124 eine Kraft ausgeübt wird, die das Klappenventil 124 nach unten bewegt. Dadurch wird die Öffnung 122 geöffnet, während die Einlaßöffnung 118 durch das Ventil 120 verschlossen wird. Durch den Überdruck in der Pumpenkammer 116 wird das Fluid aus der Pumpenkammer 116 durch die Öffnung 122 ausgestoßen.
In der Pipettiereinrichtung ist die Mikropumpe 100a angeordnet, so daß dieselbe saugseitig, d.h. mit der Einlaßöffnung 118, an den Pipettenkanal 132 einer Pipettierspitze 134 und druckseitig, d.h. mit der Auslaßöffnung 122, an die Umgebung angeschlossen ist. Dahingegen ist die Mikropumpe 100b entgegengesetzt zu der Mikropumpe geschaltet, so daß dieselbe druckseitig an den Pipettenkanal und saugseitig an die Umgebung angeschlossen ist.
Beim Ansaugen eines zu dosierenden Mediums wird die saugseitig an den Pipettenkanal angeschlossene Mikropumpe 100a betätigt, so daß sich das Volumen der Pumpenkammer vergrößert und Luft aus dem Pipettenkanal in die Pumpenkammer gesaugt wird. Dabei wird ein Luftpolster 136 in der Pipettenspitze 134 abgebaut und ein Dosiermedium in die Pipettenspitze 134 angesaugt. Die zweite Mikropumpe 100b, die druckseitig mit dem Pipettenkanal in Verbindung steht, bleibt dabei ausgeschaltet.
Umgekehrt wird bei einem Dosieren des angesaugten Mediums die Mikropumpe 100b betätigt, indem das Volumen der Pumpenkammer derselben verringert wird, während die Mikropumpe 100a ausgeschaltet bleibt. Die druckseitig mit dem Pipettenkanal verbundene Mikropumpe 100b erzeugt dabei einen Überdruck in dem Pipettenkanal, was ein Aufbauen des Luftpolster 136 und ein Ausstoßen des Dosiermediums bewirkt.
Die oben beschriebenen Mikropumpen 100a und 100b zeichnen sich durch eine einfache Ansteuerung aus, da bei den Pump- und Saugvorgängen als einzigstes aktives Element lediglich das piezoelektrische Betätigungselement 126 betätigt werden muß. Ferner besteht ein Vorteil der Mikropumpen 100a und 100b darin, daß dieselben kompakt herstellbar sind, dahingehend, daß auf einem Chip, auf dem die Mikropumpen angeordnet sind, lediglich ein geringe Fläche verbraucht wird. Darüber hinaus liegt eine langjährige Erfahrung für derartige bekannte Mikropumpen mit Klappenventilen vor, so daß die Strukturen der Mikropumpe mit einer hohen Genauigkeit erzeugt werden können.
Die Verwendung von passiven Rückschlagventilen bei den Mikropumpen 100a und 100b, die bei jeweiligem Über- bzw. Unterdruck öffnen oder schließen, weist jedoch den Nachteil auf, daß ein Halten der Flüssigkeit nicht immer gewährleistet ist. Bereits ein geringer Überdruck an der Einlaßöffnung 118 kann bewirken, daß sich die passiven Rückschlagventile leicht öffnen, wodurch ein Fluid in die Pumpenkammer 116 einströmen oder ausströmen kann.
Bei dem Einsatz der Mikropumpen 100a und 100b in der oben beschriebenen Pipettiereinrichtung treten daher aufgrund des oben beschriebenen unzureichenden Haltens der Dosierflüssigkeiten bereits bei geringen Druckdifferenzen in Öffnungsrichtung Leckraten auf. Insbesondere ein Halten von großen Flüssigkeitsmengen ist aufgrund des hydrostatischen Drucks und der damit verbundenen Leckraten nur eingeschränkt möglich.
Ein wesentlicher Nachteil der Mikropumpen 100a und 100b besteht ferner darin, daß bei hohen Druckpulsen ein sogenannter fluidischer Kurzschluß auftreten kann. Wird während des Ansaugens des Dosierfluids die Mikropumpe 100a betätigt, so entsteht in dem Pipettenkanal 132 ein Druck p2, der geringer als ein Druck p1 der Umgebung ist, die mit der Auslaßöffnung der Mikropumpe 100a in Verbindung ist. Da der Pipettenkanal jedoch mit der Auslaßöffnung der Mikropumpe 100b und ferner die Umgebung mit der Einlaßöffnung der Mikropumpe 100b in Verbindung steht, bewirkt der Druckunterschied, daß sich die Ventile der Mikropumpe 100b aufgrund des Druckunterschieds öffnen können, so daß durch die Mikropumpe 100b ein fluidischer Kurzschluß auftritt. Ferner kann auch bei einem Ausstoßen des Dosierfluids ein fluidischer Kurzschluß auftreten. In diesem Fall wird durch das Betätigen der Mikropumpe 100b in dem Pipettenkanal ein Druck p2 erzeugt, der größer als der Druck p1 der Umgebung ist, die mit der Einlaßöffnung der Mikropumpe 100b in Verbindung steht. Durch den Druckunterschied zwischen der Umgebung und dem Pipettenkanal können sich die Ventile der Mikropumpe 100a öffnen, so daß bei dem Dosiervorgang ein fluidischer Kurzschluß durch die Mikropumpe 100a auftreten kann.
Bekannterweise kann die Gefahr des fluidischen Kurzschlusses durch ein geeignetes Ansteuern des piezoelektrischen Elements 126 verringert werden, bei dem kurzeitige hohe Druckpulse vermieden werden. Das Ansteuern des piezoelektrischen Elements 126 kann beispielsweise mittels einer sinusförmigen Signalform erfolgen. Das Erzeugen der Sinusform erfordert jedoch einen zusätzlichen Schaltungsaufwand, indem zusätzliche Bauelemente und Schaltungsteile bereitgestellt werden müssen.
Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen bekannten Pipettiereinrichtung besteht darin, daß die Herstellung derselben aufwendig ist. Die Mikropumpen 100a und 100b werden aus drei Wafern gebildet, die nach einer Strukturierung übereinander angeordnet werden. Das Anordnen der Wafer erfordert eine hohe Präzision, damit die jeweils übereinander angeordneten Strukturen der verschiedenen Wafer genau an der vorgesehenen Position positioniert sind. Dabei erhöht sich der Aufwand mit jedem zusätzlichen Wafer.
Ferner muß bei den bekannten Mikropumpen 100a und 100b der mittlere Pumpenkörperabschnitt 112 dünn ausgebildet sein, um eine Gesamthöhe der Pumpenkammer 116 gering zu halten, so daß ein hohes Kompressionsvermögen erreicht wird. Das Dünnen des Wafers wird bekannterweise mittels eines Schleifens bzw. Grinden durchgeführt. Durch das Schleifen treten jedoch mechanische Belastungen auf, die zu einer Beschädigung der empfindlichen Mikrostrukturen oder zu einem Brechen des Wafers führen können.
Alternativ kann bei der Herstellung des mittleren Pumpenkörperabschnitts auch ein dünner Wafer als Ausgangswafer verwendet werden. Um die dünnen Wafer während des Herstellungsprozesses geeignet zu transportieren und zu lagern, sind jedoch aufwendige und speziell an die dünnen Wafer angepaßte Handhabungsvorrichtungen erforderlich. Ferner besteht bei dem Umgang mit den dünnen Wafern die Gefahr eines Bruchs des Wafers, wodurch bei einer Massenfertigung die Ausschußrate erhöht wird und die Herstellungskosten steigen.
Ein weiterer Nachteil, der sich bei den Mikropumpen 100a und 100b durch die Verwendung von passiven Rückschlagventilen ergibt, besteht darin, daß eine einfache Fluidführung nicht möglich ist, da der Fluidstrom, bei einem Ein- und Ausströmen durch die Klappen behindert wird. Insbesondere ist der Grad der Öffnung der Klappen von dem Über- bzw. Unterdruck in der Pumpenkammer abhängig, so daß sich je nach vorliegendem Druck unterschiedliche Verläufe des Fluids beim Einlassen bzw. Ausströmen ergeben. Dies muß bei einem Entwurf der Mikropumpe berücksichtigt werden.
Ferner muß zum Bilden des Auslaß-Klappenventils 124 ein Auslaßkanal 130 in dem Pumpenkörperabschnitt 110 aufgrund der länglichen Form der Ventilklappe 124a einen großen Durchmesser aufweisen. Dadurch reduziert sich eine Außenfläche des Pumpenkörperabschnitts 110, wodurch ein Befestigen der Mikropumpe erschwert ist.
Darüber hinaus besteht ein wesentlicher Nachteil der Pipettiereinrichtung gemäß 1 darin, daß zwei Mikropumpen 100a und 100b verwendet werden müssen, um ein Ansaugen und Dosieren zu erreichen, da die Mikropumpen 100a und 100b lediglich mit einer Pumprichtung betrieben werden können. Dies erfordert einen hohen Aufwand bei der Herstellung und einen zusätzlichen Platzverbrauch.
Eine Pipettiereinrichtung, die entsprechend zu der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Pipettiereinrichtung zwei Mikropumpen mit passiven Klappenventilen umfaßt, ist beispielsweise in der DE 198 47 869 A1 beschrieben. Dies erfordert einen hohen Aufwand bei der Herstellung und einen zusätzlichen Platzverbrauch.

Eine Pipettiereinrichtung, die entsprechend zu der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Pipettiereinrichtung zwei Mikropumpen mit passiven Klappenventilen umfaßt, ist beispielsweise in der DE 198 47 869 A1 beschrieben.

Die WO 99/10 099 A1 offenbart ein Mikrodosiersystem, das eine Mikromembranpumpe und einen Freistrahldosierer umfaßt. Die Mikromembranpumpe ist mittels eines Eingangs mit einem Reservoir verbunden und weist ferner einen Ausgang auf, der mittels einer Leitung mit einem Eingang des Freistrahldosierers verbunden ist. Am Eingang und Ausgang der Mikromembranpumpe sind passive Rückschlagventile vorgesehen, so dass eine Flüssigkeit von dem Reservoir zu dem Freistrahldosierer gepumpt werden kann. Der Freistrahldosierer umfaßt ferner eine Druckkammer mit zwei Öffnungen, die jeweils einen Eingang bzw. Ausgang des Freistrahldosierers bilden. Die Mikromembranpumpe und der Freistrahldosierer umfassen ferner jeweils eine Membran, um ein Volumen der Druckkammer zu verändern.

Die DE 197 06 513 A1 zeigt eine Mikrodosiervorrichtung, die eine Druckkammer aufweist, die über einen Einlaß mit einem Medienreservoir verbunden ist und ferner einen Auslaß zum Ausstoßen von Fluid aufweist. Die Vorrichtung umfaßt eine Membran mit einem Aktor, um das Volumen der Druckkammer zu verändern. Zum Verhindern einer Rückströmung durch den mit dem Medienreservoir verbundenen Kanal ist zwischen der Druckkammer und dem Medienreservoir ein Ventil angeordnet.

Das Ventil ist mittels eines piezoelektrischen Antriebs betreibbar, der eine bewegbare Membran zum Verschließen betätigt.

Die EP 0 725 267 A2 offenbart eine elektrisch steuerbare Mikro-Pipette, die eine Mikroejektionspumpe umfaßt. Die Mikroejektionspumpe umfaßt eine Kammer mit einer Kammerwand, die mittels einer elektrisch ansteuerbaren Aktuator-Vorrichtung steuerbar ist. Im Betrieb wird die Pumpkammer der Mikroejektionspumpe mit Fluid aus einem Vorrat befüllt wird, und darauffolgend über eine Auslaufkapillare abgegeben.

Die EP 0 568 902 A2 zeigt eine Mikropumpe mit einer Pumpkammer, die einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, die jeweils ein Ventil aufweisen, um dieselben zu verschließen. Die Pumpkammer weist ferner eine Membran auf, die mittels einer Mikro-Betätigungsvorrichtung betätigt werden kann. Im Betrieb wird eine Verbiegung der Membran durchgeführt, wodurch der Druck in der Pumpkammer verringert wird, so daß bei einem Anheben des Einlaßventils von seinem Sitz, während das Auslaßventil in einer geschlossenen Position verbleibt, Flüssigkeit durch den Einlaß in die Pumpkammer eintritt und darauffolgend über das geöffnete Auslaßventil ausgestoßen wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pipettiereinrichtung zu schaffen, die ein sicheres und stabiles Dosieren eines Dosierfluids ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Pipettiereinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Pipettiereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine Pipettiereinrichtung mit einer Mikropumpe mit einem stabilen und sicheren Dosierverhalten realisiert werden kann, indem von der Verwendung einer Mikropumpe mit passiven Ventilen zum Öffnen bzw. Schließen von Öffnungen einer Pumpenkammer Abstand genommen wird. Bei der erfindungsgemäßen Pipettiereinrichtung wird eine Mikropumpe mit aktiven Ventilen zum Öffnen und Verschließen der Pumpenkammeröffnungen verwendet.

Dadurch sind die Öffnungen der Pumpenkammer selbst bei auftretenden Gegendrücken sicher verschließbar. Dies verhindert einen fluidischen Kurzschluß bei hohen Druckpulsen und vermeidet das Auftreten von Leckraten.

Die Verwendung einer Mikropumpe mit aktiven Ventilen ermöglicht ein Betreiben in zwei Pumprichtungen, so daß zum Ansaugen und Dosieren lediglich eine Mikropumpe erforderlich ist.

Durch die aktiven Ventile wird ferner eine einfache Fluidführung erreicht, da der Verlauf des ein- oder ausströmenden Fluids im Gegensatz zu den bekannten Mikropumpen mit Klappenventilen nicht durch die Klappen behindert wird. Dadurch ergibt sich in Ein- und Auslaßkanälen, die mit den Öffnungen verbunden sind, ebenfalls eine einfache Fluidführung. Ferner können die Öffnungen mit einer einfachen und symmetrischen Form gebildet werden. Dies vereinfacht ein Strukturieren der Öffnungen bei der Herstellung der Mikropumpe.

Darüberhinaus ist bei der Pipettiereinrichtung ein Herstellungsprozess einfach gehalten, da daß kritische Erzeugen von dünnen flexiblen Klappen nicht erforderlich ist.

Im Gegensatz zu der bekannten Pipettiereinrichtung mit einer Mikropumpe mit passiven Klappenventilen ist es bei der erfindungsgemäßen Pipettiereinrichtung mit einer Mikropumpe mit aktiven Ventilen nicht erforderlich, eine längliche Ventilklappe in einem großdimensionierten Auslaßkanal eines Pumpenkörpers anzuordnen. Dadurch kann eine äußere Oberfläche des Pumpenkörpers eine große Befestigungsfläche zum Befestigen der Mikropumpe an einem Träger aufweisen, so daß eine einfache und sichere Befestigung der Mikropumpe möglich ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Pipettiereinrichtung umfaßt eine Mikropumpe, bei der die aktiven Ventile als piezoelektrische Ventile vorliegen. Ferner weist die Einrichtung zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer vorzugsweise eine Pumpenmembran auf, die mit einer piezoelektrischen Betätigungseinrichtung zum Verändern des Volumens betätigbar ist. Die piezoelektrische Betätigungseinrichtung umfaßt vorzugsweise eine dünne piezo-aktive Schicht, die auf einer äußeren Seite der Pumpenmembran aufgebracht ist.

Die Pumpenmembran ist vorzugsweise zwischen Halteelementen angeordnet, die ein Verbiegen der Membran ermöglichen, ohne daß nachteilige Auswirkungen auf die aktiven Ventile in Kauf genommen werden müssen.

Die Mikropumpe der Pipettiereinrichtung wird bevorzugt mit einer Schichtstruktur aus zwei strukturierten flachen Scheiben, die übereinander angeordnet sind, gebildet. Dadurch wird die Herstellung der Mikropumpe einfach und kostengünstig gehalten. Vorzugsweise wird als Material der Scheiben ein Halbleitermaterial und besonders bevorzugt ein Siliziummaterial verwendet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Pipettiereinrichtung wird nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittsdarstellung einer bekannten Pipettiereinrichtung, die zwei Mikropumpen mit pas siven Klappenventilen aufweist (Stand der Technik);
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Mikropumpe, die bei der Pipettiereinrichtung verwendet wird; und
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Pipettiereinrichtung mit einer Mikropumpe.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 eine Mikropumpe 200 erklärt, die bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
Gemäß 2 weist die Mikropumpe 200 einen Pumpenkörper 210 auf, der vorzugsweise aus einem scheibenförmigen ersten Pumpenkörperabschnitt 212 und einem scheibenförmigen zweiten Pumpenkörperabschnitt 214 gebildet ist. Die Pumpenkörperabschnitte 212 und 214 sind in vertikaler Richtung (y-Achse) übereinander angeordnet und an Randbereichen derselben über Verbindungsstrukturen miteinander verbunden. Die Pumpenkörperabschnitte 212 und 214 umfassen vorzugsweise Scheiben aus einem Halbleitermaterial und besonders bevorzugt aus Silizium. Der Pumpenkörper 210 kann jedoch bei anderen Ausführungsbeispielen jedes andere mikrostrukturierbare Material aufweisen. Die scheibenförmige Pumpenkörperabschnitte 212 und 214 werden vorzugsweise mittels bekannter Lithographie- und Ätztechniken strukturiert und mittels bekannter Verbindungstechniken zum Bilden des Pumpenkörpers 210 verbunden.
Eine länglich ausgebildete Pumpenkammer 216 ist in der Mikropumpe 200 durch eine Ausnehmung 218 in dem unteren Pumpenkörperabschnitt 212 und eine wannenförmige Ausnehmung 220 in dem oberen Pumpenkörperabschnitt 214 gebildet. Die in Richtung des Pumpenkörper weisenden Ausnehmungen 218 und 220 sind in horizontaler Richtung (x-Achse) vorzugsweise mittig angeordnet, um eine symmetrische Struktur zur Erreichen. Vorzugsweise ist die Pumpenkammer mit einer geringen Höhe gebildet, um ein hohes Kompressionsverhältnis zu erreichen.
Die Mikropumpe 200 weist ferner zwei Öffnungen 222 und 224 zum Ein- oder Auslassen eines Fluids in die Pumpenkammer 216 auf, die jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Pumpenkammer 216 in dem unteren Pumpenkörperabschnitt 212 gebildet sind. Die Öffnungen 222 und 224 erstrecken sich jeweils in der Form eines Kegelstumpfs von einer bezüglich des Pumpenkörpers 210 auswärts gewandten Oberfläche zu einer nach innen gewandten Oberfläche des unteren Pumpenkörperabschnitts 212. Die Öffnungen können jedoch auch mit anderen Formen, wie beispielsweise einer Zylinder-Form gebildet sein. Vorzugsweise weisen die Öffnungen 222 und 224 eine symmetrische Form auf, um eine Herstellung derselben zu vereinfachen.
Über der Öffnung 222 ist ein erstes aktives Ventil 226 zum Schließen und Öffnen der Öffnung 222 angeordnet. Das erste aktive Ventil 226 umfaßt ein Verschlußelement 228, das auf einer bezüglich des Pumpenkörpers 210 inneren Oberfläche des zweiten Pumpenkörperabschnitts 214 gebildet ist. Das Verschlußelement 228 ist derart gebildet, daß es in einem geöffneten Zustand des ersten aktiven Ventils 226 in vertikaler Richtung von der Öffnung 222 beabstandet ist.
Das Verschlußelement 228 weist eine flache Verschluß-Oberfläche auf, die sich in horizontaler Richtung über seitlich der Öffnung 222 angeordnete Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b erstreckt, so daß die Öffnung 222 in einem geschlossenen Zustand des Ventils 226 von dem Verschlußelement 228 vollständig verschlossen wird. Die Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b sind vorzugsweise derart ausgebildet, daß bei einem Verschließen des Ventils 226 die Auflagefläche des Verschlußelements 228 geringgehalten ist. Die geringe Auflagefläche bewirkt ein sicheres Verschließen durch das Verschlußelement 228, da die Gefahr eines undichten Verschlusses, beispielsweise durch Unebenheiten in den Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b, mit abnehmender Auflagefläche minimiert ist.
Das Verschlußelement 228 ist jeweils seitlich durch dünne Stege mit Halteelementen 232 und 234 verbunden. Dadurch ist das Verschlußelement 228 flexibel bezüglich den Halteelementen 232 und 234 angeordnet und kann von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand gebracht werden, bei dem das Verschlußelement 228 mit einer Verschluß-Oberfläche auf den Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b aufsitzt und die Öffnung 222 verschließt.
Um das Öffnen und Schließen des ersten aktiven Ventils zu bewirken, ist auf einer der Verschluß-Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Verschlußelements 228 ein erstes piezoelektrisches Betätigungselement 230 angeordnet. Das erste piezoelektrische Betätigungselement 230 umfaßt vorzugsweise eine dünne Schicht eines piezoelektrischen Materials, wie beispielsweise Quarz.
Das erste piezoelektrische Betätigungselement 230 ist über elektrische Anschlüsse (nicht gezeigt) mit einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) verbindbar, um durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung eine Kontraktion oder Expansion des ersten piezoelektrischen Betätigungselements 230 zu erreichen, die jeweils vertikale Verschiebungen des Verschlußelements 228 bewirken.
Über der Öffnung 224 ist ferner ein zweites aktives Ventil 236 gebildet, das vorzugsweise entsprechend zu dem ersten Ventil 226 ausgebildet ist. Genauer gesagt, weist das zweite aktive Ventil 236 ein über der Öffnung 224 angeordnetes Verschlußelement 238 auf, das über seitlich angeordnete Stege mit Halteelementen 242 und 244 verbunden ist. Ebenso umfaßt das zweite aktive Ventil 236 ein zweites piezoelektrisches Betätigungselement 240 zum Ermöglichen der verti kalen Bewegung des Verschlußelement 238. Ferner sind entsprechend zu dem ersten Ventil seitlich der Öffnung 222 jeweils Ventilsitz-Strukturen 224a und 224b gebildet.
Wie es später genauer erklärt wird, bewirken die piezoelektrischen Elemente 230 und 240 durch ein Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung ein Öffnen und Verschließen der Öffnungen 222 bzw. 224, so daß die Pumpenkammer 216 zum Einlassen oder Auslassen eines Pumpmediums durch die Öffnungen 222 bzw. 224 geschlossen oder geöffnet werden kann.
Zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer weist die Pumpenkammer 216 eine dünne Membran 246 auf, die zwischen den Halteelementen 234 und 244 angeordnet ist. Dadurch ist die dünne Membran 246 zwischen den Halteelementen 234 und 244 flexibel biegbar, so daß durch ein Betätigen der Membran das Volumen der Pumpenkammer 216 veränderbar ist. Die massiv ausgebildeten Halteelemente 234 und 244 verhindern, daß sich bei einer Betätigung der Membran 246 eine Bewegung auf die Verschlußelemente 228 und 238 überträgt, so daß eine nachteilige Beeinflussung der aktiven Ventile durch die Bewegung der Membran 246, was beispielsweise zu einem Öffnen eines verschlossenen Ventils führen kann, verhindert ist. Ferner dienen die Halteelemente 234 und 244 auch als Befestigungseinrichtungen, die ein Befestigen der Mikropumpe 200 an einem Träger ermöglichen.
Auf einer dem Pumpenkörper 210 abgewandten Seite der Membran 246 ist ferner ein piezoelektrisches Membran-Betätigungselement 250 zum Betätigen der Membran 246 angeordnet. Das piezoelektrische Membran-Betätigungselement 250 weist, wie die piezoelektrischen Betätigungselemente 230 und 240, vorzugsweise eine dünne Schicht aus einem piezoelektrischem Material auf. Ferner ist das piezoelektrische Membran-Betätigungselement 250 über elektrische Anschlüsse (nicht gezeigt) mit einer Steuereinrichtung verbindbar, um ein Anlegen einer elektrischen Spannung zu ermöglichen.
Bei der Pumpe 200 handelt es sich um eine Pumpe nach dem Peristaltik-Prinzip, bei dem die Betätigungselemente 230, 240 und 250 in vorbestimmten Reihenfolgen aufeinanderfolgend betätigt werden.
Ein Betreiben der Mikropumpe 200 nach diesem Prinzip wird nachfolgend näher erklärt.
Im folgenden wird zunächst eine erste Pumprichtung erläutert, bei der ein Fluid von der Öffnung 222 zu der Öffnung 224 gepumpt wird.
Bei einem Ansaugvorgang wird zunächst das zweite Ventil 236 betätigt, um die Öffnung 224 zu schließen. Das Betätigen des zweiten Ventils 236 erfolgt durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung an das zweite piezoelektrische Element 240, die bewirkt, daß das Verschlußelement 238 zum Schließen der Öffnung 224 in horizontaler Richtung nach unten bewegt wird. Daraufhin wird das erste piezoelektrische Element 230 betätigt, um die Öffnung 222 zu öffnen.
Nachfolgend wird an das piezoelektrische Membran-Betätigungselement 250 eine Spannung angelegt, um eine Verformung der Membran 246 zu bewirken, so daß sich das Volumen der Pumpenkammer 216 vergrößert. Dadurch entsteht in der Pumpenkammer 216 ein Unterdruck, wodurch ein Fluid von der Öffnung 222 in die Pumpenkammer 216 angesaugt wird. Nach dem Beenden des Ansaugvorgangs wird das erste Ventil 226 geschlossen.
Zum Auspumpen des in der vergrößerten Pumpenkammer 216 gespeicherten Fluids wird daraufhin das zweite Ventil 236 durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das zweite piezoelektrische Betätigungselement 240 betätigt, um die Öffnung 224 zu öffnen. Nach dem Öffnen wird an das piezoelektrische Membran-Betätigungselement 250 eine Spannung angelegt, die bewirkt, daß sich das Volumen der Pumpenkam mer 216 verkleinert. Dies bewirkt, daß das Fluid aus der Pumpenkammer 216 heraus und durch die Öffnung 224 gedrückt wird.
Vorzugsweise ist die Öffnung 222 bei dem Betrieb der Mikropumpe 200 mit einem ersten Fluidreservoir in Verbindung, während die Öffnung 224 mit einem zweiten Fluidreservoir in Verbindung steht. Dies bewirkt, daß bei dem oben beschriebenen Pumpvorgang Fluid von dem ersten Fluidreservoir in das zweite Fluidreservoir gepumpt wird. Das erste und zweite Fluidreservoir können beispielsweise Umgebungsluft oder ein Behälter mit Flüssigkeit oder Gas sein.
Nach dem Durchführen des oben beschriebenen Pumptaktes kann der Pumpvorgang ein oder mehrere Male wiederholt werden, um eine gewünschte Fluid-Menge von dem ersten Reservoir zu dem zweiten Reservoir zu pumpen.
Zum Pumpen der Mikropumpe 200 mit einer zweiten Pumprichtung, bei der ein Fluid von der Öffnung 224 zu der Öffnung 222 gepumpt wird, werden die aktiven Ventile 226 und 236 bezogen auf die obigen Erklärungen entsprechend vertauscht betrieben.
Genauer gesagt, wird bei der zweiten Pumprichtung in einem Ansaugvorgang zunächst das erste Ventil 226 geschlossen, das zweite Ventil 236 geöffnet und daraufhin die Membran zum Vergrößern des Pumpenkammervolumens betätigt. Dadurch wird ein Fluid von der Öffnung 224 in die Pumpenkammer 216 angesaugt. Daraufhin verschließt das zweite Ventil 236 die Öffnung 224, während das erste Ventil 226 die Öffnung 222 öffnet. Nachfolgend wird die Membran 246 zum Verkleinern des Pumpenkammervolumens betätigt, wodurch das in der Pumpenkammer 216 befindliche Fluid durch die Öffnung 222 ausgestoßen wird.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 3 ein Ausführungsbeispiel einer Pipettiereinrichtung 252 erklärt, bei der die unter Bezugnahme auf 2 erklärte Mikropumpe 200 zum Dosieren des Dosiermediums verwendet wird.
Gemäß 3 ist bei der Pipettiereinrichtung 252 die Mikropumpe 200 auf einem Trägerelement 254 angeordnet, wobei ein in dem Trägerelement 254 ausgebildeter Pipettenkanal 256 mit der Öffnung 224 der Mikropumpe verbunden ist.
Die Pipettiereinrichtung 252 weist ferner eine Pipettenspitze 258 auf, die an einem vorderseitigen Ende eine Öffnung zum Ansaugen und Ausstoßen einer Dosierflüssigkeit aufweist. An einem rückseitigen Ende weist die Pipettenspitze 258 ein Verbindungselement 260 auf, das ausgebildet ist, um den Pipettenkanal 256 mit dem Innenraum der Pipettenspitze 258 zu verbinden. Vorzugsweise ist das Verbindungselement 260 auf eine wieder lösbare Weise in den Pipettenkanal 256 eingeführt, um ein Austauschen der Pipettenspitze 258 zu ermöglichen.
Das Trägerelement 254 umfaßt ferner einen Kanal 262, der an einem ersten Ende desselben mit der Öffnung 222 der Mikropumpe 200 verbunden ist. Ein zweites Ende des Kanals 262, das seitlich an dem Trägerelement angeordnet ist, steht in Berührung mit einer Umgebung, die beispielsweise Luft aufweist.
Die Pipettiereinrichtung 252 kann, wie es in 3 gezeigt ist, zwischen dem zweiten Ende des Kanals 262 und der mit dem Kanal verbundenen Umgebung einen Filter 264 aufweisen, der über ein Verbindungselement 266a mit dem Kanal 262 verbunden ist.
Typischerweise umfaßt die Umgebung Luft als Medium, so daß der Filter vorzugsweise als Luftfilter ausgebildet ist. Der Filter 264 kann sämtliche bekannten Filterarten, wie beispielsweise Partikelfilter, chemisch selektiv absorbierende Filter oder elektrostatische Filter, umfassen.
Das Filtern der Luft verhindert eine Kontamination des Dosiermediums durch Partikel oder chemische Verunreinigungen der Luft. Ferner wird verhindert, daß sich an den aktiven Ventilen Verunreinigungen ablagern, die ein dichtes Verschließen der Öffnungen verhindern können. Der Filter 264 kann ferner ein äußeres Anschlußelement 266b aufweisen, um eine Verbindung zu einer außerhalb des Trägerelements 252 angeordneten Ansaugleitung zu ermöglichen.
Im folgenden wird nun ein Betrieb der Pipettiereinrichtung 252 näher erläutert.
Zum Ansaugen eines Dosiermediums, das vorzugsweise eine Flüssigkeit umfaßt, wird die Mikropumpe 200 zunächst mit einer Pumprichtung betrieben, bei der ein Arbeitsmedium, das beispielsweise Luft oder ein anderes gasförmiges Medium ist, über die Öffnung 224 aus dem Pipettenkanal 256 angesaugt, in die Pumpenkammer 216 und über die Öffnung 222 in eine mit dem Kanal 262 verbundene Umgebung gepumpt wird. Diese Pumprichtung entspricht der unter Bezugnahme auf 2 erklärten zweiten Pumprichtung, so daß eine Darstellung der zugeordneten Arbeitsabläufe der Mikropumpe den entsprechenden obigen Erklärungen entnommen werden kann.
Der Pumpvorgang zum Ansaugen bewirkt, daß im Inneren der Pipettenspitze 258 ein Unterdruck entsteht, wodurch das Dosiermittel in das Innere der Pipettenspitze 258 gesaugt wird. Der Pumpvorgang zum Ansaugen des Dosiermittels 268 kann so oft wiederholt werden, bis die gewünschte Menge des Dosiermittels 268 in die Pipettenspitze 258 angesaugt ist. Während des Ansaugvorgangs wird die sich als ein gasförmiges Polster 270 in der Pipettenspitze 258 befindliche Arbeitsmedium zunehmend durch das Dosiermittel 268 verdrängt. Das gasförmige Polster 270 bewirkt, daß der Pipettenkanal nicht in eine Berührung mit dem Dosiermedium kommt. Dies verhindert, daß bei einem Austausch der Pipettenspitze 258 zum Dosieren eines anderen Dosiermittels das Dosiermittel durch in dem Kanal vorhandene Dosiermittelreste des vorhergehenden Dosiermittel verschmutzt wird.
Nachdem die gewünschte Dosiermittelmenge angesaugt ist, wird das Ventil zum Schließen betätigt, um ein Halten des Dosiermittels in der Pipettenspitze 258 zu erreichen.
Bei einem darauffolgenden Dosiervorgang wird die Mikropumpe 200 mit der umgekehrten Pumprichtung betrieben, bei der über die Öffnung 222 das Arbeitsmedium der Mikropumpe 200 aus der Umgebung angesaugt wird und über die Öffnung 224 in den Pipettenkanal 256 gepumpt wird.
Diese Pumprichtung entspricht der unter Bezugnahme auf 2 erklärten ersten Pumprichtung, so daß hinsichtlich einer genauen Beschreibung der Pumpvorgänge auf die entsprechenden Erklärungen verwiesen wird.
Das Pumpen des Arbeitsmediums aus der Umgebung in den Pipettenkanal 256 erzeugt in dem Pipettenkanal 256 und in dem gasförmigen Polster 270 einen Überdruck, so daß das Dosiermittel 264 durch das expandierende Luftpolster aus der Pipettenspitze 258 gedrängt bzw. gestoßen wird. Der Pumpvorgang kann so oft wiederholt werden, bis eine gewünschte Dosiermittelmenge aus der Pipettenspitze 258 ausgebracht wurde.
Wie es bereits vorhergehend erwähnt wurde, wird durch die aktiven Ventile 226 und 236 ein dichtes Schließen unabhängig von einem auftretenden Gegendruck erreicht. Dies wirkt sich bei der Pipettiereinrichtung 252 vorteilhaft aus, da ein fluidischer Kurzschluß, wie er bei bekannten Mikropumpen mit Klappenventilen auftreten kann, verhindert wird. Die Pipettiereinrichtung 252 erreicht daher eine hohe Dosiergenauigkeit.
Ebenso wird ein ungewolltes Ablösen des Dosiermediums beim Halten desselben in der Pipettenspitze durch die geringe Leckraten der aktiven Ventile erreicht.
Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen die aktiven Ventile der Mikropumpe 200 als piezoelektrische Ventile ausgebildet sind, können andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung andere aktiv betätigbare Ventil-Typen, wie beispielsweise mechanisch betätigbare Ventile, elektrostatische Ventile oder elektromagnetische Ventile, umfassen.
Zum Betätigen der Membran kann anstelle der beschriebenen piezoelektrischen Betätigungseinrichtung jede andere bekannte Betätigungseinrichtung zum Betätigen der Membran, wie beispielsweise eine elektrostatische Betätigungseinrichtung, verwendet werden.
Ferner kann bei anderen Ausführungsbeispielen jede bekannte Einrichtung verwendet werden, die ein Verändern des Pumpenkammervolumens ermöglicht. Solche Einrichtungen können beispielsweise drehbare Elemente zum Komprimieren und Dekomprimieren eines Fluids in der Pumpenkammer umfassen.
Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Pumpenkammer lediglich zwei Öffnungen aufweist, kann dieselbe bei alternativen Ausführungsbeispielen auch mehr als zwei Öffnungen mit entsprechend zugeordneten aktiven Ventilen aufweisen. Dies ermöglicht ein selektives Pumpen, bei dem beispielsweise verschiedene Fluide aus verschiedenen Reservoiren abwechselnd in die Pumpenkammer gepumpt werden können und daraufhin über selektiv ausgewählte Öffnungen in vorbestimmte andere Reservoire gepumpt werden können. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein selektives Mischen verschiedener Fluide in der Pumpenkammer durchgeführt werden, wobei ein Mischungsverhältnis durch ein Steuern der aktive Ventile einstellbar ist. Die dadurch erreichte Verwendung der Pumpenkammer als „Mischreaktor" weist ferner den Vor teil auf, daß durch die hohen Drücke in der Pumpenkammer ein gute Durchmischung erreicht wird.
Ferner ist die Pipettiereinrichtung mit einer Mikropumpe gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiels einer Luftpolster-Pipettiereinrichtung beschränkt. Andere Ausführungsbeispiele können beispielsweise eine Pipettiereinrichtung nach dem Direktverdränger-Prinzip oder eine Mikrotiter-Pipettiereinrichtung umfassen, bei denen jeweils die erfindungsgemäße Mikropumpe zum Dosieren des Dosiermittels verwendet wird.

Claims

Pipettiereinrichtung mit folgenden Merkmalen: einer Mikropumpe (200) mit einer Pumpenkammer (216) mit einer ersten Öffnung (222) und einer zweiten Öffnung (224); einer Einrichtung (246, 250) zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer (216), wobei die Einrichtung (246, 250) eine Membran und eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen der Membran umfasst; einem ersten aktiven Ventil (226) zum Öffnen und Schließen der ersten Öffnung (222); einem zweiten aktiven Ventil (236) zum Öffnen und Schließen der zweiten Öffnung (224); einer Pipettenspitze (258), die über den Pipettenkanal (256) mit der ersten (222) Öffnung verbunden ist; und einer Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, um das erste aktive Ventil (226) zum Schließen der ersten Öffnung (222) zu betätigen, um das zweite aktive Ventil (236) zum Öffnen der zweiten Öffnung (224) zu betätigen, wodurch die Pumpenkammer (216) mit dem Pipettenkanal (256) verbunden wird, um die Betätigungseinrichtung zum Vergrößern eines Volumens der Pumpenkammer (216) zu betätigen, wodurch Dosierfluid durch die Pipettenspitze (258) angesaugt wird; und um die Betätigungseinrichtung zum Verringern des Volumens der Pumpenkammer (216) zu betätigen, wodurch Dosierfluid durch die Pipettenspitze (258) ausgestoßen wird.
Pipettiereinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die aktiven Ventile der Mikropumpe (200) piezoelektrische Ventile (226, 236) umfassen.
Pipettiereinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Einrichtung zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung (250) zum Betätigen der Membran umfaßt.
Pipettiereinrichtung gemäß Anspruch 3 bei der die Membran (246) zwischen Halteelementen (234, 244) angeordnet ist.
Pipettiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner einen Pumpenkörper (210) umfaßt, der ein erstes scheibenförmiges Körperelement (212) und ein darüber angeordnetes zweites scheibenförmiges Körperelement (214) umfaßt.
Pipettiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der ein Pumpenkörper (210) ein Halbleitermaterial aufweist.
Pipettiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Pumpenkammer (216) ferner zumindest eine weitere Öffnung aufweist; und wobei die Mikropumpe (200) ferner zumindest ein weiteres aktives Ventil zum Öffnen und Schließen der zumindest einen weiteren Öffnung aufweist.
Pipettiereinrichtung (252) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner einen Filter (264) zum Filtern eines Arbeitsmediums der Mikropumpe (200) aufweist.
Pipettiereinrichtung (252) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Pipettiereinrichtung (252) eine Luftpolster-Pipettiereinrichtung ist.
Pipettiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Pipettiereinrichtung eine Direktverdränger-Pipettiereinrichtung ist.
Pipettiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Pipettiereinrichtung eine Mikrotiter-Pipettiereinrichtung ist.