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Die
Erfindung betrifft eine Pipettiervorrichtung mit einem Dosierkopf
mit einer Mehrzahl von Pipettierkanälen, welche in einer oder mehreren
Reihen oder matrixartig in mehreren Reihen und Spalten angeordnet
und endseitig mit jeweils einer Pipettenspitze verbindbar sind,
wobei jedem Pipettierkanal zum dosierten Ansaugen und/oder Abgeben
von Fluiden wenigstens eine separate Mikromembranpumpe zugeordnet
ist, die aus mehreren übereinander
angeordneten, im wesentlichen scheibenförmigen Mikrostrukturen aufgebaut
ist, von welchen wenigstens zwei zwischen sich eine Pumpenkammer
bilden und von welchen wenigstens eine die von einem Betätigungselement
verformbare Membran aufweist. Sie ist ferner auf einen Dosierkopf
einer derartigen Pipettiervorrichtung und auf ein Computerprogrammprodukt
zum Steuern einer solchen Pipettiervorrichtung gerichtet.
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Pipetten
besitzen in der Labortechnik ein breites Anwendungsgebiet zum genauen
Dosieren definierter Flüssigkeitsvolumina.
Neben Einzelpipetten mit einem Pipettierkanal sind für große Versuchsreihen
mehrkanalige Pipetten gebräuchlich.
Sie weisen einen manuellen oder motorischen An trieb und in der Regel
ein einstellbares Volumen auf. Ferner sind Festvolumenpipetten bekannt.
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Pipetten
arbeiten entweder nach dem Direktverdrängungsprinzip oder über ein
zwischengeschaltetes Luftpolster. Erstere kommen insbesondere beim
Dosieren von Flüssigkeiten
mit hohem Dampfdruck, hoher Viskosität und hoher Dichte zum Einsatz.
Neben Hubkolbenpipetten, welche mit einem in einem Pipettierkanal
innerhalb der Pipette geführten Antriebskolben
ausgestattet sind, kommen in jüngerer
Zeit verstärkt
Pipetten zum Einsatz, welche mit elektrisch ansteuerbaren Mikromembranpumpen
arbeiten (
EP 0 725
267 A2 ,
EP
0 865 824 A1 ). Sie ermöglichen
eine äußerst präzise Dosierung
bis zu einem Dosiervolumen von wenigen Nanometern (nm).
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Mehrkanalpipetten
mit einer Mehrzahl von in einer oder mehreren Reihen oder matrixartig
in mehreren Reihen oder Spalten angeordneten Pipettierkanälen sind
bekannt. Der Abstand der Pipettierkanäle bzw. der hierauf aufsetzbaren
Pipettenspitzen ist in der Regel genormt und insbesondere an die
Abmessungen der Aufnahmen genormter Mikrotiterplatten angepaßt, welcher
beispielsweise bei einer normierten Mikrotiterplatte mit 12 Reihen
und 8 Spalten (insgesamt 96 Aufnahmen) 9 mm, einer Platte mit 16 × 24 (insgesamt
384 Aufnahmen) 4,5 mm, einer Platte mit 32 × 48 (insgesamt 1536 Aufnahmen)
2,25 mm etc. betragen kann.
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Auch
Mehrkanalpipetten sind einerseits in Form von Hubkolbenpipetten
bekannt, wobei den Hubkolben der Pipettierkanäle ein gemeinsames Antriebsorgan
zugeordnet ist, um aus sämtlichen
Pipettierkanälen
dasselbe Fluidvolumen gemeinsam dosieren zu können. Andererseits existieren
bereits Mehrkanalpipetten mit einer mit den Pipettierkanälen wirkverbundenen
Pumpe, welche mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung programmierbar
ist, so daß ein
automatisiertes Do sieren mit vorgegebenen Fluidvolumina möglich ist.
Nachteilig ist insbesondere, daß mit
den bekannten Mehrkanalpipetten aus allen Pipettierkanälen stets
nur dasselbe Fluidvolumen dosierbar ist. Zwar läßt sich im Falle von Mehrkanal-Hubkolbenpipetten
durch Abstufung des Kolbendurchmessers bzw. des Durchmessers der
Pipettenspitzen oder der Pipettierkanäle, in welchen die Hubkolben
geführt
sind, eine Abstufung der Dosiervolumina erzielen, doch ist auch
auf diese Weise eine individuelle Einstellung beliebiger Dosiervolumina
nicht möglich
und sind dem Dosiervolumen bei solchen Pipetten nach unten hin Grenzen
gesetzt.
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Die
EP 0 993 869 A2 beschreibt
eine Pipettiervorrichtung bei welcher. der Pipettierkanal mit zwei
Mikromembranpumpen in Wirkverbindung steht. Dabei ist ein druckseitiger
Anschluß der
einen und ein saugseitiger Anschluß der anderen Mikromembranpumpe
mit dem Pipettierkanal verbunden, um durch entsprechende Aktivierung
der jeweiligen Pumpe ein präzises
Ansaugen und Dosieren von Medien getrennt voneinander zu gewährleisten.
Wie die genaue Ansteuerung der Mikromembranpumpen geschieht, läßt die Druckschrift
offen. Ferner wird vorgeschlagen, im Falle einer Pipettiervorrichtung
mit mehreren Pipettierkanälen
einem jeden Kanal eine solche Pumpenanordnung zuzuordnen, um verschiedene
Dosiervolumina unabhängig
voneinander dosieren zu können.
Dies ist jedoch insbesondere aufgrund der Vielzahl an individuellen
Pumpenanordnungen (zwei getrennte Mikromembranpumpen pro Pipettierkanal)
verhältnismäßig aufwendig
und teuer. Hinzukommt der komplizierte Aufbau einer solchen Pipettiervorrichtung,
welcher die individuelle Ausstattung eines jeden Pipettierkanals
mit zwei Mikromembranpumpen erfordert, wobei der Abstand der Pipettierkanäle durch
den genormten Abstand der Aufnahmen einer Mikrotiterplatte fest
vor gegeben ist.
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Ausgehend
von dem genannten Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, bei einer Pipettiervorrichtung bzw. einem Dosierkopf einer
solchen Pipettiervorrichtung für
einen einfacheren und kostengünstigeren
Aufbau unter Gewährleistung
einer hohen Bedienfreundlichkeit zu sorgen. Sie ist ferner auf ein
Computerprogrammprodukt zum Steuern einer solchen Pipettiervorrichtung
gerichtet.
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Der
erste Teil dieser Aufgabe wird bei einer Pipettiervorrichtung bzw.
einem Dosierkopf einer solchen Pipettiervorrichtung dadurch gelöst, daß zumindest
einige der Mikromembranpumpen verschiedener Pipettierkanäle materialschlüssig miteinander verbunden
sind, und daß die
Mikromembranpumpen eines jeden Pipettierkanals mittels einer elektronischen
Datenverarbeitungseinheit getrennt voneinander programmierbar sind,
so daß das
Dosiervolumen einer jeden Mikromembranpumpe getrennt voneinander
einstellbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Mikromembranpumpen ermöglicht
eine gegenüber dem
Stand der Technik äußerst einfache
und kostengünstige
Herstellung der Pipettiervorrichtung, wobei die Herstellung der
Mikromembranpumpen dadurch geschehen kann, indem unter Anwendung
einer als solchen bekannten mikrotechnischen Materialformgebung
größere Scheiben
oder Plättchen
(sogenannte "Wafer") der die Pumpen
bildenden Mikrostrukturen hergestellt werden. Desgleichen kann die Erstellung
der Mikrostrukturen auf den Plättchen
zur Ausbildung einer Membran, Ventilen, Anschlüssen etc. auf an sich bekannte
Weise durch thermische Oxidation, Fotolithografie, anisotropes Formätzen etc.
erfolgen.
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Indes
läßt sich
die Mehrzahl der erfindungsgemäß materialschlüssig miteinander
verbundenen Mikromembranpumpen der Pipettierkanäle und die Mikrostrukturen
dieser Mehrzahl von Pumpen in geometrisch regelmäßiger Anordnung gemeinsam herstellen,
so daß einerseits
der bei der Herstellung von Mikromembranpumpen grundsätzlich erforderliche Trennvorgang
des für
die Pumpe vorgesehenen Abschnittes des Wafers von seinem während der
Fertigung als Halterung dienenden Rand nicht für jede Pumpe einzeln, sondern
für eine
Gruppe von Pumpen gemeinsam durchgeführt werden kann. Da bei solchen
Trennvorgängen
in der Mikrotechnolgie eine hohe Exaktheit unter Einhaltung kleinster
Toleranzen erforderlich ist, lassen sich allein hierdurch die Kosten
der gesamten Pipettiervorrichtung erheblich reduzieren. Ein solches
Substrat enthält
dann die Strukturen einer Vielzahl von Mikromembranpumpen, wobei
sich der Abstand der auf dem Wafer vorzunehmenden Formgebungen der
Mikrostrukturen an den gewünschten
Abstand der Pipettierkanäle – insbesondere
den Abstand der Aufnahmen einer normierten Mikrotiterplatte – anpassen
läßt, so daß eine Mehrzahl
von materialschlüssig
miteinander verbundenen Mikromembranpumpen erhalten wird, welche zwar
aus gemeinsamen, mit Mikrostrukturen versehenen Plättchen bzw.
Wafern bestehen, mittels der getrennt voneinander programmierbaren
Betätigungselemente
jedoch beliebig und insbesondere unabhängig voneinander gesteuert
werden können. Ferner
gestaltet sich der Einbau solcher Einheiten von Mikromembranpumpen
in die Pipettiervorrichtung erheblich einfacher als im Falle von
einzelnen Mikromembranpumpen, da das Pumpenaggregat, dessen Pumpen
insbesondere einen dem Lochabstand einer Mikrotiterplatte entsprechenden
Abstand aufweisen, gemeinsam in die Vorrichtung eingesetzt und an
die in die Pipettierkanäle
mündenden
Verbindungskanäle
der Pipette gemeinsam angeschlossen werden kann. Schließlich lassen
sich die Pumpenaggregate auch austauschbar in der Pipettiervorrichtung
anordnen, so daß im
Falle des Versagens nur einer Mikromembranpumpe das jeweilige Pumpenaggregat
ersetzt werden kann. Eine solche Austauschbarkeit ist im Falle von
einzelnen Mikromembranpumpen aufgrund de r Vielzahl der einzelnen
Verbindungen mit den jeweiligen Pipettierkanälen und des geringen Raumangebotes
im Dosierkopf praktisch unmöglich,
wobei z.B. die Anordnung einzelner Mikromembranpumpen in einem Dosierkopf
für eine
32 × 48
Mikrotiterplatte praktisch nur durch Einspritzen der Pumpen geschehen
kann.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Mehrkanal-Pipettiervorrichtung ist schließlich auch eine individuelle
Einstellung eines beliebigen Dosiervolumens an jedem Pipettierkanal
unabhängig voneinander
möglich,
so daß eine
automatisierte und individuelle Durchführung chemischer, biologischer, biochemischer
oder medizinischer Analysen und/oder Synthesen zugleich möglich ist.
Dabei gewährleisten
die Mikromembranpumpen eine exakte Arbeitsweise bis zu einem Dosiervolumen
von wenigen nm. Aufgrund der mittels der elektronischen Datenverarbeitungseinheit
getrennt voneinander programmierbaren Pumpen lassen sich die individuellen Dosiervolumina
im Vorhinein getrennt voneinander einstellen, so daß eine Vorprogrammierung
der Pumpen möglich
ist und eine äußerst effektive
Betriebsweise der Pipettiervorrichtung unter Einsparung von Bedienpersonal
gegenüber
dem Stand der Technik gewährleistet
ist.
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Als
Mikromembranpumpen der Pumpenaggregate können prinzipiell die gegenwärtig bekannten
Pumpen zum Einsatz kommen, wobei deren im wesentlichen scheibenförmigen Mikrostrukturen
vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium
oder einer Silicium enthaltenden Legierung bestehen.
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Die
Mikromembranpumpen weisen dabei bevorzugt ein piezoelektrisches,
elektromagnetisches, elektrostatisches oder thermopneumatisches
Betätigungselement
zum Antrieb ihrer Membran auf. Die Dicke einer solchen Siliciummembran
be trägt
in der Regel zwischen etwa 10 und 200 μm, wobei das Betätigungselement,
beispielsweise ein piezoelektrisch aktivierbarer Aktuator, unmittelbar
auf der Membran aufsitzt.
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In
bevorzugter Ausführung
ist vorgesehen, daß zumindest
die Mikromembranpumpen der Reihen oder Spalten der matrixartig angeordneten
Pipettierkanäle
materialschlüssig
miteinander verbunden sind, wobei selbstverständlich auch clusterförmig angeordnete
Gruppen oder insbesondere auch sämtliche
Mikromembranpumpen der Pipettiervorrichtung materialschlüssig miteinander
verbunden sein können.
Während
letztgenannte Ausführung
eine besonders kostengünstige
Herstellung der Pumpenanordnung ermöglicht, ist bei mehreren Gruppen
von einstückig
ausgebildeten Mikromembranpumpen ein Austausch einzelner Pumpenaggregate
möglich
und kann bei der Herstellung des Pumpenaggregates mit der Mehrzahl
der für
den erfindungsgemäß vorgesehenen
Dosierkopf eingesetzten Mikromembranpumpen gegebenenfalls entstehender
Ausschuß infolge Fertigungsfehler
reduziert werden.
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Während die
Mikromembranpumpen der Pipettiervorrichtung grundsätzlich auch
nach dem Direktverdrängungsprinzip
arbeiten können,
ist in bevorzugter Ausführung
zwischen dem zu pipettierenden Fluid in den Pipettierkanälen und
der wenigstens einen, dem jeweiligen Pipettierkanal zugeordneten Mikromembranpumpe
ein Luftpolster vorgesehen. Indes ist es, wie bereits erwähnt, selbstverständlich auch
denkbar, daß die
Mikromembranpumpen der Pipettiervorrichtung unmittelbar mit dem
zu fördernden
Medium in Kontakt treten.
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Eine
bevorzugte Ausführung
sieht vor, daß jedem
Pipettierkanal zwei getrennt voneinander aktivierbare Mikromembranpumpen
mit jeweils einem saugseitigen und einem druckseitigen Anschluß zugeordnet
sind, wobei der Pipettierkanal mit dem druckseitigen Anschluß der einen
Mikromembranpumpe und mit dem saugseitigen Anschluß der anderen
Mikromembranpumpe in Verbindung steht. Bei einer solchen, bei einer
Einzelpipette aus der
EP
0 993 869 A2 an sich bekannten Ausgestaltung läßt sich
das Fördervolumen
sowohl beim Ansaugvorgang als auch beim Dosiervorgang exakt einstellen und
aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Datenverarbeitungseinheit
insbesondere auch getrennt voneinander programmieren.
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Dabei
steht vorzugsweise die eine Mikromembranpumpe druckseitig und die
andere Mikromembranpumpe saugseitig mit der Umgebung in Verbindung,
so daß im
Falle eines Luftpolsters in den Pumpen selbst nur Luft gefördert und
Kontaminationen der Pumpen bzw. – im Falle der Verwendung von Pipettierspitzen – der Pipettierkanäle mit dem
zu pipettierenden Fluid vermieden werden.
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Des
weiteren sind die druck- und saugseitigen Anschlüsse der Mikromembranpumpen
bevorzugt mit Rückschlagventilen
ausgestattet, um die jeweils gegenläufige Fließrichtung in den beiden, jeweils
einem Pipettierkanal zugeordneten Mikromembranpumpen zu erzwingen.
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Eine
andere bevorzugte Ausführung
sieht vor, daß jedem
Pipettierkanal eine Mikromembranpumpe mit zwei von getrennt voneinander
steuerbaren Ventilen verschließbaren Öffnungen
zugeordnet ist, wobei der Pipettierkanal mit einer der beiden Öffnungen
in Verbindung steht. Auch auf diese Weise läßt sich durch geeignete Ansteuerung
der Ventile das Fördervolumen
sowohl beim Ansaugvorgang als auch beim Dosiervorgang exakt einstellen
und insbesondere auch programmieren.
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Die
Ventile der Mikromembranpumpen einer solchermaßen ausgestalteten Pipettiervorrichtung weisen
zweckmäßig einen dem
Antriebsmechanismus der Membran entsprechenden Antriebsmechanismus
auf, wobei beispielsweise sowohl für die Ventile als auch für die Membran
piezoelektrische Betätigungselemente
vorgesehen sein können.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt zum Steuern
einer Pipettiervorrichtung mit einer Mehrzahl von Pipettierkanälen, welche in
einer oder mehreren Reihen oder matrixartig in mehreren Reihen aus
Spalten angeordnet sind und endseitig mit jeweils einer Pipettenspitze
verbindbar sind, wobei jedem Pipettierkanal zum dosierten Ansaugen
und/oder Abgeben von Fluiden wenigstens eine separate Mikromembranpumpe
zugeordnet ist, mit einer Benutzeroberfläche, welche die Eingabe eines
individuellen Dosiervolumens für
jede Pumpe oder Gruppen von Pumpen ermöglicht, wobei das Programm
für jedes
Dosiervolumen ein an einen Prozessor übermittelbares Signal erzeugt,
so daß der Prozessor
eine jede Pumpe mit dem jeweils eingegebenen Dosiervolumen ansteuert.
Ein solches Computerprogrammprodukt, welches auf beliebigen Datenträgern, wie
Disketten, CD-Roms, Festplatten etc. verkörpert sein kann, ermöglicht eine
einfache und bequeme individuelle Ansteuerung der Vielzahl von Mikromembranpumpen
und insbesondere eine Vorprogrammierung derselben, so daß die Pipettiervorrichtung
auch über
längere
Zeit ohne den Einsatz von Bedienpersonal arbeiten kann.
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In
bevorzugter Ausführung
ist vorgesehen, daß die
Benutzeroberfläche
des Computerprogrammproduktes die in Reihe oder Reihen oder matrixartig
in Reihen oder Spalten angeordneten Pipettierkanäle der Pipettiervorrichtung
wiedergibt, so daß die
Pipettierkanäle
sämtlich
oder auch nur Gruppen derselben auf einem Display, wie einem Monitor,
bildlich wiedergegeben werden können
und einem jeden Pipettierkanal das jeweils gewünschte, individuelle Dosiervolumen
unter wei testgehender Vermeidung von Bedienfehlern zugeordnet werden
kann.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht
eines Dosierkopfes einer Mehrkanal-Pipettiervorrichtung mit matrixartigen
in mehreren Reihen und Spalten angeordneten Pipettierkanälen;
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2 eine geschnitten dargestellte
Detailansicht eines mit einer Mikromembranpumpe in Verbindung stehenden
Pipettierkanals des Dosierkopfes gemäß 1;
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3 eine Detailansicht der
einstöckig
ausgebildeten Mikromembranpumpen des Dosierkopfes gemäß 1 und 2 und
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4 eine geschnitten dargestellte
Detailansicht eines mit zwei Mikromembranpumpen in Verbindung stehenden
Pipettierkanals einer alternativen Ausführungsform eines Dosierkopfes
einer Mehrkanal-Pipettiervorrichtung.
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Der
in 1 dargestellte Dosierkopf 1 einer im übrigen nicht
dargestellten Pipettiervorrichtung weist eine Mehrzahl von matrixartig
in mehreren Reihen 2 und Spalten 3 angeordneten
Pipettierkanälen 4 auf,
an deren nutzungsseitigem Ende jeweils eine Pipettenspitze 5 aufgesteckt
ist. Die Pipettenspitzen 5 sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
als Einweg-Pipettenspitzen ausgebildet, wobei zwischen dem zu pipettierenden
Medium und den Pipettierkanälen 4 ein
Luftpolster vorgesehen ist. Der Abstand. der Pipettierkanäle 4 bzw.
der Pipettenspitzen 5 entspricht insbesondere dem Abstand
der Aufnahmen einer genormten Mikrotiterplatte.
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Der
Dosierkopf 5 ist ferner mit einem etwa plattenförmigen Träger 6 ausgestattet,
an dessen den Pipettierspitzen 5 zugewandter Unterseite
die Pipettierkanäle 4 münden. Wie
nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 und 3 im einzelnen erläutert, ist der
Träger 6 mit
einer der Anzahl von Pipettierkanälen 4 entsprechenden
Anzahl von materialschlüssig miteinander
verbundenen Mikromembranpumpen 8 (vgl. 2 ff) ausgestattet, wobei jedem Pipettierkanal 4 eine
separate Mikromembranpumpe zugeordnet ist und die Mikromembranpumpen
mittels einer elektronischen Datenverarbeitungseinheit (nicht gezeigt)
getrennt voneinander programmierbar sind, um das Dosiervolumen an
jeder Mikromembranpumpe getrennt voneinander einstellen zu können.
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Die
gesamte Pipettiervorrichtung kann ferner einen beispielsweise entlang
einer Schiene geführten
Schlitten (nicht dargestellt) aufweisen, an welcher der Träger 6 des
Dosierkopfes 1 befestigt ist und welcher insbesondere mittels
einer Datenverarbeitungseinheit gesteuert bewegbar ist. Der Pipettiervorrichtung
kann ferner eine Halteeinrichtung zum Einstellen von Mikrotiterplatten
zugeordnet sein, um in zumindest einigen Aufnahmen der Mikrotiterplatte
mittels des Dosierkopfes 1 zugleich Dosiervorgänge durchführen zu
können.
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In 2 ist eine Schnittansicht
einer abgebrochen dargestellten Mikromembranpumpe 8 dargestellt,
welche mit einem mit einer Pipettenspitze 5 bestückten Pipettierkanal 4 der
Pipettiervorrichtung in Verbindung steht. Die Mikromembranpumpe 8 weist
beim gezeigten Ausführungsbeispiel
zwei im wesentlichen scheibenförmige
Plättchen 9, 10,
sogenannte Wafer auf, welche beispielsweise aus Halbleitermaterial,
insbesondere aus Silicium oder einer solches enthaltenden Legierung,
gefertigt sind. Zwischen den Plättchen 9, 10 ist
eine Pumpenkammer 11 gebildet, welche über einen Durchlaß 12 in
dem der Pipettenspitze 5 zugewandten, in 2 unteren Plättchen 10 mit dem
Pipettierkanal 4 in Verbindung steht. Zwischen dem Durchlaß 12 und
dem mittels der Pipettenspitze 5 zu dosierenden Fluid ist
beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein Luftpolster vorgesehen. Die Pumpenkammer 11 steht über einen
weiteren Durchlaß 13 in
dem Plättchen 10 mit der
Umgebung in Verbindung, wobei zur Vermeidung von Kontaminationen
ein Filter 14 zwischengeschaltet ist.
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Das
in 2 untere Plättchen 10 weist
im Bereich der Durchlässe 12, 13 jeweils
einen in Richtung der Pumpenkammer 11 vorstehenden Umfangswulst 14 auf,
welcher je einen Ventilsitz bildet. Die Ventile selbst sind von
jeweils einem mit dem jeweiligen Durchlaß 12, 13 im
wesentlichen fluchtenden Vorsprung 15 an der dem unteren
Plättchen 10 zugewandten
Seite des oberen Plättchens 9 gebildet.
An der dem unteren Plättchen 10 abgewandten
Seite des oberen Plättchens 9 ist
im Bereich dieser Vorsprünge 14 jeweils
ein Aktuator 16, z.B. in Form eines piezoelektrischen Elementes,
angeordnet, um die Ventile 15 individuell öffnen und
schließen
zu können.
Auf diese Weise lassen sind die Ventile 15 der Durchlässe 12, 13 mittels
separater Aktuatoren 16 getrennt voneinander öffnen bzw.
verschließen.
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Die
Membran 17 der Mikromembranpumpe 8 ist von einem
zentralen Abschnitt des oberen Plättchens 9 gebildet,
welche eine gegenüber
den randseitigen Abschnitten des Plättchens 9, an welchen dieses
mit dem unteren Plättchen 10 verbunden
ist, einen verminderten Querschnitt aufweist. An der dem unteren
Plättchen 10 abgewandten
Seite des oberen Plättchens 9 ist
unmittelbar auf der Membran 17 ein weiterer Aktuator 17 zur
Betätigung
der Membran 17 vorgesehen, welcher beispielsweise entsprechend des
Aktuatoren 16 von einem piezoelektrischen Element gebildet
sein kann, so daß der
Antriebsmechanismus der Membran 17 demjenigen der Ventile 15 entspricht.
Sowohl das Öffnen
und Schließen
der Ventile 15 als auch die Betätigung der Membran 17 geschieht
durch elastische Verformung des Siliciummaterials des oberen Plättchens 9 in
dem jeweils mit dem entsprechenden Aktuator 16, 18 bestückten Bereich.
Zur Stabilisierung der zwischen der Membran 17 und den
Ventilen 15 angeordneten Bereiche des oberen Plättchens 9 sind
diese mittels einer an der der Pumpenkammer 11 abgewandten
Seite des Plättchens 9 angeordneten
Verdickung 19 verstärkt. Entsprechendes
gilt für
die randseitigen Verbindungsbereiche der Plättchen 9, 10.
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Sämtliche
Mikrostrukturen in Form von Durchlässen, Vorsprüngen, Verdickungen
etc. im Querschnitt der Plättchen 9, 10 können nach
Fertigung der Plättchen 9, 10 durch
entsprechende, aus der mikrotechnischen Materialformgebung bekannte Verfahren,
wie Siliciumformätzen,
Fotolithographie etc., erhalten worden sein. Dabei können die
Plättchen 9, 10 separat
hergestellt und nach Aufbringen der Mikrostrukturen an ihren einander
zugewandten, die Pumpenkammer 11 umgebenden Bereichen miteinander
verbunden worden sein.
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Wie
insbesondere aus 3 ersichtlich,
weisen die Reihen 2 oder Spalten 3 von Pipettierkanälen 4 der
Pipettiervorrichtung (1)
oder auch sämtliche
Pipettierkanäle
aus Gründen
einer einfachen und kostengünstigen
Herstellung materialschlüssig
miteinander verbundene Mikromembranpumpen 8 auf. Dabei
ist sowohl das obere Plättchen 9 als
auch das untere Plättchen 10 jeweils
einer Reihe 2 oder einer Spalte 3 von Pipettierkanälen 4 zugeordneter
Mikromembranpumpen 8 einstöckig aus einem einzigen Wafer
mit den hierauf aufgebrachten Mikrostrukturen gebildet. Alternativ
können
auch sämtliche
oder clusterförmig
angeordnete Mikromembranpumpen 8 aus gemeinsamen Plättchen 9, 10 aufgebaut
sein. Der Abstand zwischen den mit den Pipettierkanälen 4 in Verbindung
stehenden Durchlässen 12 entspricht
dabei zweckmäßig dem
Lochabstand einer genormten Mikrotiterplatte. Die zwischen der Membran 17 und den
Ventilen 15 angeordneten Verdickungen 19 des Plättchens 9 sorgen
beim Betrieb der Mikromembranpumpen 8 ebenso wie die entsprechend
ausgestalteten, verdickten Bereiche zwischen jeweils zwei einzelnen
Mikromembranpumpen 8 des Pumpenaggregates für eine Entkopplung
der jeweiligen Membran 17 von den Ventilen 15 bzw.
der einzelnen Mikromembranpumpen 8 untereinander, so daß jede Membran 17 bzw.
jedes Ventil 15 einer jeden Mikromembranpumpe 8 des
Aggregates mittels der Aktuatoren 16, 18 getrennt
voneinander und diskret betätigbar
ist.
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Sämtliche
Mikromembranpumpen 8 eines derart gebildeten Pumpenaggregates
sind mittels einer elektronischen Datenverarbeitungseinheit individuell
und getrennt voneinander programmierbar, so daß das Dosiervolumen einer jeden
Mikromembranpumpe 8 getrennt voneinander einstellbar ist.
Hierzu ist ein Computerprogrammprodukt mit einer Benutzeroberfläche vorgesehen,
welche die Eingabe einer individuellen Dosiervolumens für jede Pumpe 8 oder Gruppen
von Pumpen 8 ermöglicht,
wobei das Programm für
jedes Dosiervolumen ein an einen Prozessor (nicht dargestellt) übermittelbares
Signal erzeugt, so daß der
Prozessor eine jede Pumpe 8 mit dem jeweils eingegebenen
Dosiervolumen individuell ansteuert.
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Die
Arbeitsweise der Mikromembranpumpen 8 des Pumpenaggregates
geschieht wie folgt:
Zum Ansaugen des zu pipettierenden Fluides
wird das dem Durchlaß 12 zwischen
der Pumpenkammer 11 und dem Pipettierkanal 4 zugeordnete
Ventil 15 geschlossen, wobei durch Betätigung des Aktuators 16 der
dem Durchlaß 12 gegenüberliegende
Bereich des oberen Plättchens 9 derart
verformt wird, daß der Vorsprung 15 auf
dem Umfangswulst 14 dichtend zu Anlage kommt. Sodann wird
durch Betätigung
des Aktuators 18 bzw. durch die dadurch bewirkte Deformation
der Membran 17 die Pumpenkammer 11 verkleinert.
Sodann wird das dem Durchlaß 13 zwischen der
Pumpenkammer 11 und dem Auslaß zugeordnete Ventil 15 auf
entsprechende Weise mittels des Aktuators 16 verschlossen,
anschließend
das dem Durchlaß 12 zwischen
der Pumpenkammer 11 und dem Pipettierkanal 4 zugeordnete
Ventil 15 wieder geöffnet
und die Pumpenkammer 11 durch Abschalten des Aktuators 18 bzw.
Zurückverformung
der Membran 17 wieder vergrößert, so daß das Fluid in die Pipettenspitze 5 eingesaugt
wird. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das gewünschte Dosiervolumen
eingesaugt worden ist.
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Die
Abgabe des Fluides aus der Pipettenspitze 5 geschieht auf
entsprechende Weise mittels umgekehrter Betätigung der Aktuatoren 16.
In diesem Fall wird das dem Durchlaß 13 zwischen der
Pumpenkammer 11 und dem Auslaß zugeordnete Ventil 15 geschlossen,
wobei durch Betätigung
des Aktuators 16 der dem Durchlaß 13 gegenüberliegende
Bereich des oberen Plättchens 9 derart
verformt wird, daß der
Vorsprung 15 auf dem Umfangswulst 14 dichtend
zu Anlage kommt. Sodann wird durch Betätigung des Aktuators 18 bzw.
durch die dadurch bewirkte Deformation der Membran 17 die
Pumpenkammer 11 verkleinert und dadurch Fluid aus der Pipettenspitze
herausgerückt.
Sodann wird das dem Durchlaß 12 zwischen
der Pumpenkammer 11 und dem Pipettierkanal 4 zugeordnete
Ventil 15 auf entsprechende Weise mittels des Aktuators 16 verschlossen,
anschließend
das dem Durchlaß 13 zwischen
der Pumpenkammer 11 und dem Auslaß zugeordnete Ventil 15 wieder
geöffnet
und die Pumpenkammer 11 durch Abschalten des Aktuators 18 bzw. Zurückverformung
der Membran 17 wieder vergrößert. Dieser Vorgang wird so
lange wiederholt, bis das gewünschte
Dosiervolumen abgegeben worden ist.
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4 zeigt eine alternative
Ausgestaltung einer Pipettiervorrichtung, bei welcher jedem Pipettierkanal 4 zwei
getrennt voneinander aktivierbare Mikromembranpumpen 8a, 8b.
Die Mikromembranpumpen 8a, 8b sind ähnlich wie
die Mikromembranpumpen 8 des Ausführungsbeispiels gemäß 2 und 3 von etwa scheibenförmigen Plättchen 9, 10 gebildet,
welche wiederum beispielsweise aus Silicium oder einer Siliciumlegierung
bestehen. Die zwischen den Plättchen 9, 10 gebildete
Pumpenkammer 11 der Mikromembranpumpe 8b steht
mit ihrem druckseitigen Anschluß 20 unter
Zwischenschaltung eines Luftpolsters mit dem Pipettierkanal 4 und
mit ihrem saugseitigen Anschluß 21 unter
Zwischenschaltung eines Filters 14 mit der Umgebung in
Verbindung. Demgegenüber
steht die Pumpenkammer 11 der Mikromembranpumpe 8a mit
ihrem saugseitigen Anschluß 21 mit
dem Pipettierkanal 4 und mit ihrem druckseitigen Anschluß 20 mit
der Umgebung in Verbindung.
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Die
Membran 17 der Mikromembranpumpen 8a, 8b ist
von einem zentralen Bereich des Plättchens 9 gebildet,
wobei die Membran 17 endseitig eine gegenüber dem
zentralen Bereich verminderte Dicke aufweist und an diesen endseitigen
Bereich in einen Endabschnitt des Plättchens 9 übergeht,
an welchem das Plättchen 9 mit
dem Endabschnitt des Plättchens 10 verbunden
ist. Die Bereiche verminderter Dicke verleihen der Membran 17 eine
erhöhte Flexibilität im Falle
der Betätigung
derselben mittels eines auf der der Pumpenkammer 11 abgewandten Seite
der Membran angeordneten Aktuators 18. Letzterer kann z.B.
in Analogie zu der in 2 und 3 dar gestellten Ausführungsform
von einem piezoelektrischen Element gebildet sein. Die druck- 20
und saugseitigen Anschlüsse 21 der
Mikropumpen 8a, 8b sind von Rückschlagventilen gebildet,
um die jeweils entgegengesetzte Förderrichtung der Mikromembranpumpen 8a, 8b zu
erzwingen. Sämtliche
auf den Plättchen 9, 10 gebildeten
Mikrostrukturen, wie die Rückschlagventile,
Verdickungen bzw. Verjüngungen der
Membran 17 etc., können
beispielsweise mittels Siliciumformätzen auf die Plättchen 9, 10 aufgebracht
worden sein. Dabei sorgen die verdickten Endabschnitte der Plättchen 9, 10 wiederum
für eine Entkopplung
der Mikromembranpumpen 8a, 8b eines Pumpenaggregates
untereinander während
des Betriebs bei Betätigung
durch die jeweiligen Aktuatoren 18.
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Um
für einen
einfachen und kostengünstigen Aufbau
der Pipettiervorrichtung zu sorgen, sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
sowohl die in 4 rechtsseitig
des Trägers 22 angeordneten,
mit dem druckseitigen Anschluß 20 in
den Pipettierkanal 4 mündenden
Mikromembranpumpen 8b als auch die 4 linksseitig des Trägers 22 angeordneten, mit
dem druckseitigen Anschluß 20 über das
Filter 14 mit der Umgebung in Verbindung stehenden Mikromembranpumpen 8a einer
Spalte 3 von Pipettierkanälen 4 (vgl. auch 1) materialschlüssig miteinander
verbunden, indem die Siliciumwafer 9, 10, aus welchen
die Pumpen 8a, 8b aufgebaut sind, einstückig ausgebildet
sind. Selbstverständlich
können
alternativ auch die Mikromembranpumpen 8a, 8b jeweils
einer Reihe 2 von Pipettierkanälen 4 materialschlüssig miteinander
verbunden sein. Ebenfalls können
auch sämtliche
Mikromembranpumpen 8a, 8b einer Reihe 2 oder
Spalte 3 von Pipettierkanälen 4 (1) oder sämtliche
Mikromembranpumpen 8a, 8b aller Pipettierkanäle 4 der
Pipettiervorrichtung von einstückig
ausgebildeten Siliciumplättchen 9, 10 gebildet
sein, wobei in den beiden letztgenannten Fällen beispielsweise vorgesehen
sein kann, daß jeweils
zwei Pumpen oberhalb eines Pipettierkanals 4 parallel zueinander
angeordnet sind und entsprechend der in 4 dargestellten Ausführungsform jeweils mit einem
druck- und einem saugseitigen Anschluß einerseits mit dem Pipettierkanal 4,
andererseits mit der Umgebung in Verbindung stehen. Der Abstand
solcher, einem jeden Pipettierkanal 4 zugeordneter Pumpenpaare
beträgt
dann etwa dem Lochabstand einer jeweiligen Mikrotiterplatte.
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Entsprechend
der Ausführungsform
gemäß 2 und 3 sind sämtliche Mikromembranpumpen 8a, 8b der
in 4 wiedergegebenen
Pipettiervorrichtung mittels einer elektronischen Datenverarbeitungseinheit
individuell und getrennt voneinander programmierbar, so daß das Dosiervolumen
einer jeden Mikromembranpumpe 8a zum Ansaugen des zu pipettierenden
Fluides sowie das Dosiervolumen einer jeden Mikromembranpumpe 8b zum
Abgeben des zu pipettierenden Fluides getrennt voneinander einstellbar
ist. Die Eingabe der individuellen Dosiervolumina geschieht wiederum
mittels eines Computerprogrammproduktes mit einer Benutzeroberfläche der
oben in Verbindung mit 2 und 3 beschriebenen Art.
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Nachstehend
ist die Betriebsweise der Pipettiervorrichtung gemäß 4 näher erläutert:
Zum Ansaugen des
zu pipettierenden Fluides in die z.B. als Einweg-Komponente ausgebildete
Pipettenspitze 5 wird der Aktuator 18 der in 4 linken Mikromembranpumpe 8b aktiviert
und die mit diesem verbundene Membran 17 dadurch in Bewegung
versetzt, so daß sich
das Volumen der Pumpenkammer 11 vergrößert. Hierbei tritt das über das
Luftpolster mit dem saugseitigen Anschluß 21 der Mikromembranpumpe 8a in
Verbindung stehende Fluid infolge des erzeugten Unterdrukkes in
die Pipettenspitze 5 ein. Durch die entsprechend geschalteten
Rückschlagventile
in den Anschlüssen 20, 21 der Mikromembranpumpe 8a wird
während
dieses Vorgangs sichergestellt, daß ihr saugseitiger Anschluß 21 geöffnet ist,
während
ihr druckseitiger Anschluß 20 geschlossen
ist. Demgegenüber
wird bei der hierauf folgenden, durch den Aktuator 18 bewirkten
Verkleinerung der Pumpenkammer 11 der Mikromembranpumpe 8a – um einen
weiteren Pumpvorgang durchführen
zu können – durch
die Schaltung der Rückschlagventile
in den Anschlüssen 20, 21 sichergestellt,
daß der
mit dem Pipettierkanal 4 in Verbindung stehende saugseitige
Anschluß geschlossen
ist, während
der über
das Filter 14 mit der Umgebung in Verbindung stehende druckseitige
Anschluß geöffnet ist.
Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das gewünschte Dosiervolumen
erreicht ist.
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Entsprechend
geschieht das Abgeben von Fluid mittels der in 4 rechten Mikromembranpumpe 8b.
Die Membran 17 dieser Pumpe 8b wird auf identische
Weise mittels des Aktuators 18 in Schwingung versetzt,
so daß das
Volumen der Pumpenkammer 11 periodisch vergrößert bzw.
verkleinert wird. Im Gegensatz zu der in 4 linken Mikromembranpumpe 8a sind
indes die Rückschlagventile
in den Anschlüssen 20, 21 der
Mikromembranpumpe 8b derart geschaltet, daß der mit
dem Pipettierkanal 4 in Verbindung stehende druckseitige
Anschluß 20 der
Pumpe 8a im Falle von Überdruck
in der Pumpenkammer 11 geöffnet und im Falle von Unterdruck in
derselben geschlossen ist, während
der mit der Umgebung in Verbindung stehende saugseitige Anschluß 21 dieser
Pumpe 8b im Falle von Überdruck in
der Pumpenkammer 11 geschlossen und im Falle von Unterdruck
in derselben geöffnet
ist. Das Dosiervolumen läßt sich
wiederum über
die Anzahl der Hubvorgänge
der Membran 17 steuern, wobei jedem Hub ein definiertes
Dosiervolumen, insbesondere im Nanoliterbereich zugeordnet ist.