DE10261158A1

DE10261158A1 - Vorrichtung zum Aufbringen von Mikrotröpfchen auf ein Trägersubstrat

Info

Publication number: DE10261158A1
Application number: DE2002161158
Authority: DE
Inventors: Martin Müller; Michael Gissmann
Original assignee: Biochip Technologies GmbH
Current assignee: Biochip Technologies GmbH
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Aufbringen von Mikrotröpfchen auf ein Trägersubstrat. Um ein exaktes und darüber hinaus kostengünstiges Aufbringen von Mikrotröpfchen auf ein Trägersubstrat zu gewährleisten, wird eine Vorrichtung vorgeschlagen mit einem Dosiersubstrat (1), das eine Mehrzahl von Dosieröffnungen (5) und für jede Dosieröffnung (5) einen mit einer zu dosierenden Flüssigkeit zu befüllenden Medienbereich (4, 6) aufweist, mit einer Mehrzahl von Stempelelementen (11), wobei jedes Stempelelement (11) in den Medienbereich (4, 6) einer ihm zugeordneten Dosieröffnung (5) hineinragt, und mit einer Betätigungsvorrichtung (14, 19, 20) zum Betätigen wenigstens eines Stempelelements (11) zum Ausstoßen eines Mikrotröpfchens aus einer Dosieröffnung (5). Weiterhin wird ein Verfahren vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst: Befüllen wenigstens eines jeweils einer Dosieröffnung (5) zugeordneten Medienbereiches (4, 6) mit einer zu dosierenden Flüssigkeit und Ausstoßen eines Mikrotröpfchens durch eine Dosieröffnung (5) aus wenigstens einem Medienbereich (4, 6) durch Betätigen wenigstens eines in den Medienbereich (4, 6) hineinragenden und Flüssigkeit verdrängenden Stempelelements (11).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Aufbringen von Mikrotröpfchen auf ein Trägersubstrat.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 199 13 076 A1 bekannt. Sie kann beispielsweise zur Herstellung so genannter Biochips verwendet werden. Hiermit werden Trägersubstrate bezeichnet, auf die eine Mehrzahl unterschiedlicher Analyte aufgebracht worden sind. Derartige Biochips werden beispielsweise zum gleichzeitigen Nachweis einer Vielzahl von Stoffen in einer unbekannten Probe verwendet. Um eine möglichst hohe Anzahl gleichzeitiger Testreaktionen durchführen zu können, werden die Analyte dabei in Form eines Arrays rasterartig, d. h. in einem regelmäßigen Muster auf das Trägersubstrat aufgebracht.
Zum Aufbringen der Mikrotröpfchen werden Dosiersubstrate aus Silizium verwendet, die auch als Dosierchip, Printchip oder Printkopf bezeichnet werden. Das Volumen eines einzelnen auf das Trägersubstrat aufgebrachten Flüssigkeitstropfens beträgt üblicherweise 1 nl. Die vom Dosiersubstrat durch Düsen abgegebene Tropfen treffen auf das Trägersubstrat auf und bilden dabei einen mehr oder weniger unregelmäßigen Auftropfbereich, in dem die Flüssigkeit anschließend eintrocknet.
Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind Biochips herstellbar, auf die einige 100 bis einige 10.000 Analyte aufgebracht sind. Je höher die Anzahl der Flüssigkeitstropfen ist, um so größer und damit unhandlicher wird jedoch der Biochip. Versuche einer gleichzeitigen Miniaturisierung, beispielsweise durch fortgeschritten lithographische Strukturierung des Dosiersubstrates mit Maskentechnik, führen jedoch zu einer erheblichen Verteuerung der Herstellung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein exaktes und darüber hinaus kostengünstiges Aufbringen von Mikrotröpfchen auf ein Trägersubstrat zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst.
Danach umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Dosiersubstrat, das eine Mehrzahl von Dosieröffnungen und für jede Dosieröffnung einen mit einer zu dosierenden Flüssigkeit zu befüllenden Medienbereich aufweist, eine Mehrzahl von Stempelelementen, wobei jedes Stempelelement in den Medienbereich einer ihm zugeordneten Dosieröffnung hineinragt, und eine Betätigungsvorrichtung zum Betätigen wenigstens eines Stempelelements zum Ausstoßen eines Mikrotröpfchens aus einer Dosieröffnung.
Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß das Befüllen wenigstens eines jeweils einer Dosieröffnung zugeordneten Medienbereiches mit einer zu dosierenden Flüssigkeit und das Ausstoßen eines Mikrotröpfchens durch eine Dosieröffnung aus wenigstens einem Medienbereich durch Betätigen wenigstens eines in den Medienbereich hineinragenden und Flüssigkeit verdrängenden Stempelelements.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, ein besonders exaktes Aufbringen von Mikrotröpfchen dadurch zu erreichen, dass das Tropfenvolumen der Mikrotröpfchen verringert wird. Gleichzeitig garantiert ein sehr einfacher konstruktiver Aufbau der Vorrichtung niedrige Kosten. Ausgangspunkt der Erfindung war es, von dem bisher genutzten Prinzip einer gleichzeitigen Beaufschlagung gemeinsamer Medienbereiche abzukommen. Statt dessen ist erfindungsgemäß für jede Dosieröffnung ein separates, starres Stempelelement vorgesehen. Jedes dieser Stempelelemente führt beim Betätigen durch die Betätigungsvorrichtung einen Stempelhub aus. Als vorteilhaft haben sich dabei Hublängen von etwa 3 bis 10 μm erwiesen. Da jedes Stempelelement in einen entsprechenden Medienbereich hineinragt, verdrängt es bei seiner Betätigung ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen. Dieses Flüssigkeitsvolumen wird in Form eines Mikrotröpfchens aus der Dosieröffnung ausgestoßen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können somit Tropfenvolumen von bis zu 100 pl erzielt werden. Üblicherweise liegen die Tröpfchenvolumen in einem Bereich von 100 bis 500 pl. Dies führt dazu, dass auch die Auftropfbereiche auf dem Trägersubstrat kleiner ausfallen. Somit ist es möglich, die Abstände der Dosieröffnungen zu verringern und die Anzahl der auf das Trägersubstrat aufzubringenden Analyte pro Flächeneinheit zu vergrößern. So können im Array Rasterabstände im Bereich von 100 bis 500 μm erzielt werden. Mit einem einzigen Biochip können daher eine größere Anzahl gleichzeitiger Testreaktionen durchgeführt werden. Da der konstruktive Aufwand aufgrund der einfachen mechanischen Stempelvorrichtung sehr gering ist, führt dies zu einer deutlichen Erhöhung des Nutzwertes derartiger Biochips. Gleichzeitig können mit einer einzigen Befüllung der Medienbereiche eine größere Anzahl von Mikrotröpfchen ausgestoßen werden. Dies bedeutet, dass die Anzahl der bedruckten Biochips vor eine Nachbefüllung bzw. dem Austausch des Dosiersubstrats erhöht werden kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass für einen Dosiervorgang, also das Ausbringen eines oder mehrerer Mikrotröpfchen, nicht mehr wie bisher alle Medienbereiche des Dosiersubstrates befüllt sein müssen. Es ist vielmehr möglich, einzelne oder eine Mehrzahl von Medienbereichen unbefüllt zu lassen. Mit anderen Worten ist es nunmehr möglich, eine beliebige Anzahl von Mikrotröpfchen gleichzeitig abzugeben.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 2 weist das Dosiersubstrat zur Aufnahme der Stempelelemente Durchführöffnungen auf. Diese Durchführöffnungen sind vorteilhafterweise im Oberteil des Dosiersubstrats angeordnet und werden bereits bei der Herstellung des Oberteils darin eingebracht. Das Oberteil, das vorzugsweise aus einem starren, nicht elastischen Material besteht, weist darüber hinaus Reservoiröffnungen zum Befüllen der Medienbereiche auf. Das Oberteil des Dosiersubstrats wird mit dem Dosiersubstrat-Grundträger, in dem die Dosieröffnungen angebracht sind, fest verbunden. Dadurch wird gewährleistet, dass die Fluidleitungen und sämtliche anderen Medienbereiche sicher voneinander getrennt sind. Auch der Grundträger ist vorzugsweise aus einem starren, nicht elastischen Material gefertigt.
Zur Abdichtung der Durchführöffnung ist ein Dichtelement vorgesehen (Anspruch 3). Dieses kann beispielsweise bei der Herstellung des Oberteils des Dosiersubstrats in der Durchführöffnung angespritzt oder aber als separates Bauteil nachträglich montiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass beim Ausstoßen der Mikrotröpfchen lediglich die geringe Reibungskraft zwischen Stempelelement und Dichtelement auf das Dosiersubstrat übertragen wird. Die Bauteilbelastungen können daher gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verringert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Befüllung der Medienbereiche über Reservoiröffnungen, die über Fluidkanäle mit den Dosieröffnungen verbunden sind. Damit kann erreicht werden, dass die Dosieröffnungen zueinander in einem sehr viel kleineren Rastermaß als die Reservoiröffnungen angeordnet sind. Die Reservoiröffnungen sind im Vergleich zu den Dosieröffnungen relativ groß, so dass sie eine Flüssigkeitsmenge aufnehmen können, die für eine Vielzahl von Druckvorgängen ausreicht. Die Medienbereiche sind nach der Befüllung fluidmäßig miteinander verbunden, so dass jeweils ein zusammenhängendes Fluidsystem entsteht. Eine Wiederbefüllung der Dosieröffnungen nach dem Ausstoßen eines Mikrotröpfchens erfolgt vorzugsweise durch eine kapillare Befüllung der Fluidkanäle. Als in der Praxis besonders gut anwendbar hat sich dabei eine Ausführungsform erwiesen, bei der jede Dosieröffnung mit wenigstens zwei Reservoiröffnungen fluidmäßig verbunden ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Durchführöffnungen im Wesentlichen gegenüber der entsprechenden Dosieröffnung angeordnet (Anspruch 4). Dadurch wird sichergestellt, dass die vom Stempel verdrängte Flüssigkeit direkt und unmittelbar aus der jeweiligen Dosieröffnung ausgestoßen werden kann.
Im Bereich der Dosieröffnungen weist der Medienbereich im Vergleich zu dem ankommenden Fluidkanal eine Aufweitung auf (Anspruch 5), die dazu dient, einen größeren Flüssigkeitsvorrat aufzunehmen und zur Verdrängung durch den Stempel bereitzustellen. Da die Stempelfläche des Stempelelements direkt in Richtung Dosieröffnung geführt wird, wird somit das insgesamt in Richtung Reservoir verdrängte Flüssigkeitsvolumen verringert. Im Wesentlichen wird somit nur das direkt vom Stempel verdrängte Flüssigkeitsvolumen aus der Dosieröffnung ausgestoßen.
Besonders vorteilhaft ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung, mit der ein gleichzeitiges Aufbringen einer Mehrzahl von Mikrotröpfchen auf das Trägersubstrat erfolgen kann (Ansprüche 6 und 15).
Zur Beaufschlagung der Stempelelemente ist ein Aktor vorgesehen (Anspruch 7). Die Stempelelemente können dabei jeweils einzeln beaufschlagt werden, beispielsweise durch einen verfahrbaren Aktor, der jedes Stempelelement einzeln ansteuern kann oder eine Mehrzahl von Aktoren. Der oder die Aktoren können dabei mit den Stempelelementen direkt oder indirekt in Verbindung stehen. So kann eine Kolbenplatte zur Beaufschlagung eines oder mehrerer Stempelelemente vorgesehen sein, die direkt auf den Stempelelementen oder aber auf einem oder mehreren Kolben aufliegen, die wiederum die Stempelelemente beaufschlagen oder mit diesen verbunden sind.
Vorzugsweise sind die Stempelelemente derart untereinander verbunden, dass sie gleichzeitig betätigt werden können (Anspruch 8). Vorteilhafterweise sind die Stempelelemente an einem Kolben angeordnet, so dass eine gemeinsame Betätigungsfläche als Angriffsfläche für einen entsprechenden Aktor oder eine durch einen Aktor angetriebene Kolbenplatte besteht. Durch eine solche Ausgestaltung des Stempelsystems kann sichergestellt werden, dass einerseits Mikrotröpfchen aus sämtliche Dosieröffnungen gleichzeitig ausgebracht werden, so dass insbesondere die Trocknung der Mikrotröpfchen auf dem Trägersubstrat gleichmäßig erfolgen kann. Andererseits kann dadurch eine gleichwertige Beaufschlagung für sämtliche Dosieröffnungen gewährleistet werden. Mit anderen Worten sind somit auch die verdrängten Flüssigkeitsvolumen nahezu identisch, was wiederum zu einer exakteren Muster der Mikrotröpfchen führt.
Um eine sichere Betätigung der Stempelelemente zu erreichen, ist die Betätigungsvorrichtung vorzugsweise auf einer Stützplatte angeordnet (Anspruch 9). Die Stützplatte wird vorteilhafterweise in einem Gestell, beispielsweise in Form einer Aufnahmeplatte, gehalten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist darüber hinaus ein elastisches Federelement auf, mit deren Hilfe die Betätigungsvorrichtung auf der Stützplatte federnd angeordnet werden kann (Anspruch 10). Beim Betätigen der Betätigungsvorrichtung werden die Federelemente, beispielsweise mittels eines Kolbens und/oder einer Kolbenplatte über den Aktor in Richtung der Dosieröffnungen bewegt. Das verdrängte Flüssigkeitsvolumen wird aus den Dosieröffnungen ausgestoßen. Die Rückstellkraft für den Rückhub nach der Tropfenablösung wird durch das elastische Federelement sichergestellt.
Die vorzugsweise parallel zum Dosiersubstrat verlaufende Stützplatte (Anspruch 11) ist gegenüber dem Dosiersubstrat beim Betätigen der Betätigungsvorrichtung ortsfest angeordnet (Anspruch 12).
Aufgrund der einfachen Geometrie des Dosiersubstrates – so sind beispielsweise keinerlei vertikal verlaufende Fluidkanäle erforderlich – ist darüber hinaus eine sichere Versorgung der Medienbereiche mit Flüssigkeit gewährleistet. Infolgedessen ist eine weitere Verkleinerung der Medienbereiche, insbesondere der Fluidkanäle möglich. Dies stellte bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen stets einen Hinderungsgrund für eine weitere Miniaturisierung dar. Aus diesem Grund und wegen des sehr einfachen Stempelmechanismus können bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Dosiersubstrate auch andere als die bisher verwendeten Materialien eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform nach Anspruch 13, wonach das Dosiersubstrat nahezu vollständig aus Kunststoffmaterial gefertigt ist.
Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Glas/Silizium-Dosiersubstraten, deren Herstellung mit sehr hohen Kosten verbunden war, sind Dosiersubstrate aus Kunststoff besonders preiswert, beispielsweise mit Hilfe herkömmlicher Spritzgußverfahren, herstellbar. Die Kosten für ein Kunststoff-Dosiersubstrat unterschreiten die Kosten für ein herkömmliches Glas/Silizium-Substrat um ein Vielfaches. Somit sind erstmals Biochips derart preiswert herstellbar, dass sie nicht mehr wiederverwendet werden müssen. Damit entfällt die bisher erforderliche aufwändige und kostspielige Reinigung des Dosiersubstrats nach jedem Druckvorgang bzw. vor jeder neuen Befüllung. Darüber hinaus sind aufwändige hydrophobe Beschichtungen des Siliziumsubstrats, die zudem in regelmäßigen Abständen erneuert werden müssten, nicht mehr erforderlich. Vielmehr können die preiswerten Kunststoff-Biochips, nachdem sie einmal befüllt und leerdosiert wurden, entsorgt werden. Da eine Reinigung der Dosiersubstrate nicht mehr erforderlich ist und bei jedem neuen Druckvorgang ein neues Dosiersubstrat verwendet werden kann, ist zudem ein völlig kontaminationsfreies Drucken der Analyte möglich. Dies führt zu einer gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbesserten Qualität der Biochips. Gleichzeitig wird durch die Verwendung von Kunststoffmaterial eine höhere mechanische Belastbarkeit der Dosiersubstrate erreicht.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels,
2 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels,
3 eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispieles,
4 eine schematische Darstellung der Medienbereich in Draufsicht.
1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Darin ist ein Dosiersubstrat 1 in Schnittdarstellung abgebildet. Das Dosiersubstrat 1 besteht im Wesentlichen aus einem Dosiersubstrat-Grundträger 2 und einem Dosiersubstrat-Oberteil 3. Sowohl der Grundträger 2 als auch das Oberteil 3 bestehen aus einem starren, nicht elastischem Material, vorzugsweise einem Kunststoff.
In dem Grundträger 2 sind Medienbereiche in Form von Fluidkanälen 4, Dosieröffnungen 5 sowie Aufweitungen 6 strukturiert. Das Einbringen dieser Mikrostrukturen in den Grundträger 2 erfolgt vorzugsweise mit Prägetechniken. Die Dosieröffnungen 5 sind in Form von Düsen in den Grundträger 2 eingebracht, zeigen also aus der Unterseite 7 des Dosiersubstrates 1 hinaus. Die Dosieröffnungen 5 sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie eine kapillare Befüllung ermöglichen. In der Praxis haben sich Dosieröffnungen 5 mit Durchmessern im Bereich von 30 μm bis 80 μm als praktikabel erwiesen.
Besonders vorteilhaft sind Dosieröffnungen 5 mit einem Durchmesser von 50 μm.
In 1 sind aufgrund der gewählten Darstellung lediglich zwei Dosieröffnungen 5 abgebildet. Das Dosiersubstrat 1 ist jedoch derart aufgebaut, dass es eine Mehrzahl von Dosieröffnungen (beispielsweise 96 oder 384) aufweist. Diese sind an der Unterseite 7 des Dosiersubstrat 1 rasterförmig angeordnet, sodass ein Ausbringen von Mikrotröpfchen durch die Dosieröffnungen 5 auf ein parallel zur Dosiersubstratunterseite 7 liegendes Trägersubstrat (nicht abgebildet) möglich ist.
Das Oberteil 3 des Dosiersubstrates 1 weist ebenfalls Mikrostrukturen auf. Dies sind insbesondere Flüssigkeitsreservoirs 8, die im montierten Zustand mit den Fluidkanälen 4 im Grundträger 2 fluidmässig verbunden sind. Darüber hinaus sind im Dosiersubstrat-Oberteil 3 Durchführöffnungen 9 angebracht. Dabei ist zu jeder Dosieröffnung 5 im Grundträger 2 eine entsprechende Durchführöffnungen 9 im Oberteil 3 vorgesehen. Die Durchführöffnungen 9 befinden sich dabei jeweils genau über den Positionen der Dosieröffnungen 5. Grundträger 2 und Oberteil 3 werden nach ihrer Herstellung fest mit einander verbunden, sodass die einzelnen Fluidkanäle 4 bzw. -leitungen sicher voneinander getrennt sind.
Von der Dosiersubstratoberseite 10 erstreckt sich durch jede Durchführöffnung 9 ein zylindrisches Stempelelement 11 in die Aufweitung 6 oberhalb einer Dosieröffnung 5. Die Stempelelemente 11 sind dabei vorzugsweise bereits vor einer Befüllung der Medienbereiche in den Durchführöffnungen 9 angeordnet und ragen in die Medienbereiche hinein. Die Stempelelemente 11 bestehen vorzugsweise aus einem harten unverformbaren Material, beispielsweise Metall oder Polymethylmethacrylat (PMMA). Zur Abdichtung der Medienbereiche 4, 6 zur Dosiersubstratoberseite 10 hin, sind in den Durchführöffnungen 9 Dichtelemente 12 angebracht, an denen die Stempel 11 dicht anliegen. Die Dichtelemente 12 sind ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial gefertigt und werden bereits bei der Herstellung des Dosiersubstrat-Oberteils 3 in den Durchführöffnungen 9 angespritzt.
Die Dichtelemente 12 sind im Ausführungsbeispiel etwa mittig in den Durchführöffnungen 9 angeordnet. Sie können jedoch auch an der Oberseite 10 oder der gegenüberliegenden Unterseite des Oberteils 3, beispielsweise in Form angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist dabei ein Dichtelement 12, das in Form einer Dichtlippe an das Oberteil 3 angeformt ist.
Zum Aufbringen eines Mikrotröpfchens auf das Trägersubstrat wird wenigstens einer der Medienbereiche mit einer aufzubringenden Flüssigkeit befüllt. Die Befüllung erfolgt über die Reservoiröffnung 13 an der Oberseite 10 des Dosiersubstrates 1, beispielsweise mittels einer Pipettiereinrichtung. Über Kapillarkräfte erfolgt dann eine vollständige Befüllung der Fluidkanäle 4, Aufweitungen 6 und Dosieröffnungen 5. Zu dem befüllten Medienbereich gehört dabei ebenfalls der untere Teil der Durchführöffnung 9 im Oberteil 3 bis zu den dort vorgesehenen Dichtelementen 12. Zur Erzeugung eines Tropfenausstoßes wird ein entsprechend vorgesehener Aktor 14 in Betätigungsrichtung 15 senkrecht zur Längsebene des Dosiersubstrates 1 nach unten bewegt. Der Aktor 14 beaufschlagt dabei das Stempelelement 11 in der Durchführöffnung 9 derart, dass es sich den Medienbereich, genauer in die Aufweitung 6 oberhalb der Dosieröffnung 5 hineinbewegt. Typische Aktor- bzw. Stempelwege liegen im Bereich zwischen 3 bis 10 μm. Dabei verdrängt der Stempel 11 ein Flüssigkeitsvolumen in der Größenordnung von 100 bis 500 pl, dass aus der Dosieröffnung 5 als Mikrotröpfchen ausgestoßen wird.
Bei dieser Ausführungsform kann lediglich ein Aktor 14 vorgesehen sein, der zur Betätigung der Stempelelemente 11 in Längs- und Querrichtung verfahrbar ist. Vorzugsweise sind jedoch für jedes Stempelelement 11 separate Aktoren vorgesehen (nicht abgebildet).
2 zeigt, ebenfalls in einer vereinfachten schematischen Darstellung, ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine gleichzeitige Betätigung mehrerer Stempelelemente 11. Dies wird durch eine Stempelplatte 16 gewährleistet, die mit den oberen Enden 17 der Stempelelemente verbunden ist bzw. auf diesen aufliegt, also mit diesen gleichzeitig in Verbindung gebracht werden kann. Der Aktor 14 beaufschlagt nun nicht mehr ein einzelnes Stempelelement 11 direkt, sondern über die Stempelplatte 16 gleichzeitig eine Mehrzahl von Stempelelementen 11. Hierbei können Gruppen von Stempelelementen 11 zusammengefasst werden, sodass eine Betätigung verschiedener Stempel 11 oder Stempelgruppen nacheinander möglich ist.
3 zeigt, wiederum in einer vereinfachten schematischen Darstellung, ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Stempelelemente 11 an der Unterseite 18 eines Kolbens 19 angeformt und somit miteinander verbunden. Die Einleitung der Kräfte in den Kolben 19 erfolgt über eine Kolbenplatte 20. Kolbenplatte 20 und Kolben 19 sind dabei vorzugsweise fest miteinander verbunden, beispielsweise mittels Schraubverbindungen.
Aktor 14, Kolbenplatte 20 und Kolben 19 bilden eine Betätigungsvorrichtung, die auf einer parallel zum Dosiersubstrat 1 verlaufenden Stützplatte 21 angeordnet ist. Die Stützplatte 21 wiederum ist in einer (nicht abgebildeten) Aufnahmeplatte gehalten, die gleichzeitig als Gestell für die gesamte Dosiervorrichtung dient.
Die Stützplatte 21 weist eine Aufnahmeöffnung 22 auf, durch die der Kolben 19 in Richtung Dosiersubstrat 1 durchgeführt ist. Der Rand 23 der Aufnahmeöffnung 22 weist eine zweistufige Abkantung auf. Auf der inneren, unteren Stufe 24 ist ein elastisches Federelement 25 angeordnet, auf dem die Kolbenplatte 20 mit ihrem über den Kolben 19 hinausstehenden äußeren Rand 26 aufliegt. Bei einer Betätigung der Kolbenplatte 20 durch den Aktor 14 in Betätigungsrichtung 15 erfolgt ein Komprimieren des Federelements 25. Dabei wird durch die äußere, obere Stufe 27 der Stützplatte, die als Anschlag dient, eine Fehlbedienung der Betätigungsvorrichtung, beispielsweise durch zu hohe Betätigungskräfte, wirksam verhindert.
Im Anschluß an die Betätigung der Stempelelemente 11 dient die Rückstellkraft des Federelements 25 für den Rückhub des Kolbens 19 nach der Ablösung des Mikrotröpfchens von der Dosieröffnung 5.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Stempelelemente 11 als integrale Bestandteile des Oberteils 3 des Dosiersubstrates 1 ausgebildet. Die Stempelelemente 11 sind dann, vorzugsweise über elastische Verbindungselemente, einstückig mit dem Oberteil 3 verbunden. Derartige Verbindungselemente, beispielsweise in Form von elastischen Kunststofflippen, sind vorteilhafterweise an der Stelle der Dichtelemente 12 in den Durchführöffnungen 9 vorgesehen. Sie dienen – neben der Befestigung der Stempelelemente 11 am Oberteil 3 – aufgrund der inneren Reibung bei der Beaufschlagung der Stempelelemente 11 durch den Aktor 14 gleichzeitig zur Rückführung der Stempelelemente 11 in ihre Ausgangslage, also zur Gewährleistung eines ausreichenden Rückhubes. Durch diese Ausführungsform der Erfindung läßt sich die konstruktive Ausgestaltung des Dosiersubstrates 1 weiter vereinfachen. Gleichzeitig verringern sich die Herstellungskosten des Dosiersubstrates. Darüber hinaus entfällt das aufwändige Reinigen der Stempelelemente 11 nach dem Ausstoßen der Mikrotröpfchen. Vielmehr kann das gesamte Dosiersubstrat 1, einschließlich der verunreinigten Stempelelemente 11, nach dem Dosiervorgang entsorgt werden.
4 zeigt schließlich eine vereinfachte schematische Draufsicht auf die zu einer Dosieröffnung 5 gehörenden Medienbereiche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In der hier gezeigten Ausführungsform ist die Dosieröffnung 5 über einen einzelnen Fluidkanal 4 mit einem Flüssigkeitsreservoir 8 verbunden. Im Bereich der Dosieröffnung 5 ist der Fluidkanal 4 zur Bildung einer Aufweitung 6 kreisförmig erweitert. Es hat sich gezeigt, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn der Durchmesser 28 der Aufweitung 6 in etwa das sechsfache der Kanalbreite 29 des Fluidkanals 4 beträgt. Das Stempelelement 11 ist direkt über der Dosieröffnung 5 mittig in der Aufweitung 6 angeordnet.

1: Dosiersubstrat
2: Grundträger
3: Oberteil
4: Fluidkanal
5: Dosieröffnung
6: Aufweitung
7: Unterseite
8: Reservoir
9: Durchführöffnung
10: Oberseite
11: Stempel
12: Dichtelement
13: Reservoiröffnung
14: Aktor
15: Betätigungsrichtung
16: Stempelplatte
17: Oberes Ende
18: Unterseite
19: Kolben
20: Kolbenplatte
21: Stützplatte
22: Aufnahmeöffnung
23: Rand
24: Untere Stufe
25: Federelement
26: Kolbenplattenrand
27: Obere Stufe
28: Durchmesser der Aufweitung
29: Breite des Fluidkanals

Claims

Vorrichtung zum Aufbringen von Mikrotröpfchen auf ein Trägersubstrat – mit einem Dosiersubstrat (1), das eine Mehrzahl von Dosieröffnungen (5) und für jede Dosieröffnung (5) einen mit einer zu dosierenden Flüssigkeit zu befüllenden Medienbereich (4, 6) aufweist, – mit einer Mehrzahl von Stempelelementen (11), wobei jedes Stempelelement (11) in den Medienbereich (4, 6) einer ihm zugeordneten Dosieröffnung (5) hineinragt, und – mit einer Betätigungsvorrichtung (14, 19, 20) zum Betätigen wenigstens eines Stempelelements (11) zum Ausstoßen eines Mikrotröpfchens aus einer Dosieröffnung (5).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersubstrat (1) Durchführöffnungen (9) zur Aufnahme der Stempelelemente (11) in die Medienbereiche (4, 6) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Dichtelement (12) zur Abdichtung der Durchführöffnung (9).
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführöffnung (9) im Wesentlichen gegenüber der Dosieröffnung (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienbereich (4, 6) im Bereich der Dosieröffnung (5) eine Aufweitung (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Betätigungsvorrichtung (14, 19, 20) zum gleichzeitigen Betätigen einer Mehrzahl von Stempelelementen (11) zur Ausstoßung von Mikrotröpfchen aus einer Mehrzahl von Dosieröffnungen (5).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (14, 19, 20) einen Aktor (14) zur Beaufschlagung eines oder mehrerer Stempelelemente (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stempelelemente (11) untereinander derart verbunden sind, dass sie gleichzeitig betätigt werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (14, 19, 20) auf einer Stützplatte (21) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch wenigstens ein elastisches Federelement (25) zur federnden Anordnung der Betätigungsvorrichtung (14, 19, 20) auf der Stützplatte (21).
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützplatte (21) parallel zum Dosiersubstrat (1) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Dosiersubstrat (1) und Stützplatte (21) beim Betätigen der Betätigungsvorrichtung (14, 19, 20) ortsfest zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersubstrat (1) nahezu vollständig aus Kunststoffmaterial besteht.
Verfahren zum Aufbringen von Mikrotröpfchen auf ein Trägersubstrat mit den Schritten: – Befüllen wenigstens eines jeweils einer Dosieröffnung (5) zugeordneten Medienbereiches (4, 6) mit einer zu dosierenden Flüssigkeit und – Ausstoßen eines Mikrotröpfchens durch eine Dosieröffnung (5) aus wenigstens einem Medienbereich (4, 6) durch Betätigen wenigstens eines in den Medienbereich (4, 6) hineinragenden und Flüssigkeit verdrängenden Stempelelements (11).
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch das Befüllen einer Mehrzahl von Medienbereichen (4, 6) und das Betätigen einer Mehrzahl von Stempelelementen (11) zur gleichzeitigen Ausstoßung einer Mehrzahl von Mikrotröpfchen.