DE10350614A1 - Dispenser - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Dispenser, die durch Schockwellen in einer flüssigkeitsgefüllten Kapillare sehr kleine Tröpfchen gleichmäßiger Größe und hoher Geschwindigkeit erzeugen. Es sind Dispenser auf der Basis von Bubble-Jets, Piezo-Kristallen und elektrischen Spulen (Solenoids) bekannt. DOLLAR A Die Erfindung besteht darin, dass durch konzentrisch übergestülpte Kapillaren Flüssigkeitsoberflächen geschaffen werden, die die Tröpfchen stabil in der Achse der Erzeuger-Kapillare fliegen lassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft Dispenser, die durch Schockwellen in einer flüssigkeitsgefüllten Kapillare sehr kleine Tröpfchen gleichmäßiger Größe und hoher Geschwindigkeit erzeugen. Es sind Dispenser auf der Basis von Bubble-Jets, Piezo-Kristallen und elektrischen Spulen (Solenoids) bekannt.
  • Die Erfindung besteht darin, dass durch konzentrisch übergestülpte Kapillaren Flüssigkeitsoberflächen geschaffen werden, die die Tröpfchen stabil in der Achse der Erzeuger-Kapillare fliegen lassen.
  • Dispenser werden benutzt, um berührungslos genau bemessene Flüssigkeitsmengen übertragen können. Die Übertragung geschieht in winzigen Tröpfchen exakt gleicher Größe. Dabei kann die Flüssigkeit in Gefäße pipettiert werden, beispielsweise in Mikrotiterplatten; sie kann aber auch auf Oberflächen aufgebracht werden, wie beispielsweise bei Druckerköpfen. Ein weiteres Beipiel ist das Auftragen einer genau bemessenen Menge an Matrix-Substanz auf die Oberfläche von MALDI-Targets für die Massenspektrometrie (MALDI = matrixunterstützte Laser-Desorption und -Ionisation).
  • Die Dispenser erzeugen in der Regel durch eine sehr schnelle Volumenänderung Schockwellen, die sich mit Schallgeschwindigkeit in der zentralen Kapillare bis zu deren Ende fortsetzen und am Ende ein winziges Tröpfchen aus der Oberfläche herauskatapultieren. Die Volumenänderung kann durch Spannungsänderungen an elektrostriktivem Material in einem geeignet geformten Gefäß („Piezo-Dispenser"), durch die schlagartige Erzeugung eines Dampfbläschens („Bubble-Jet") oder durch eine spulenerzeugte Magnetwirkung auf ein magnetostriktives Material („Solenoid-Dispenser") erzeugt werden. Die Größe der Tröpfchen hängt von dem Gerät ab, ist aber normalerweise sehr klein: sie beträgt einige zehn bis einige hundert Picoliter. Die Durchmesser der Tröpfchen beträgt einige zehn Mikrometer. Bei gleichmäßigem Betrieb, der bei einigen zehn bis zu einigen zehntausend Hertz betragen kann, werden sehr gleichmäßig große Tröpfchen hergestellt.
  • Allen Dispensern ist gemeinsam, dass sich die Flugrichtung der erzeugten Tröpfchen nicht genau verhersagen lässt, weil sie von den geometrischen Mikroverhältnissen an der Kapillarenspitze abhängt. Ungleichmäßige Benetzung der Kapillarenspitze mit der Dispenserflüssigkeit oder winzige Unregelmäßigkeiten am Rand der Dispenserspitze führen zu Flugbahnen, die nicht mehr genau in der Achse der Erzeuger-Kapillare liegen. Für wässrige Dispenserflüssigkeiten, in denen Substanzen weit entfernt von jeder Sättigung gelöst sein mögen, bleibt die Richtung aufeinanderfolgender Tröpfchen aber für längere Zeiten (Minuten bis Stunden) gleich. Aber auch hier ist die Herstellung sehr gleichmäßig gearbeiteter und polierter Ränder für die Spitzen der Dispenserkapillaren sehr aufwendig.
  • Die relativ gute Konstanz der Flugrichtung gilt nicht mehr für Dispenserflüssigkeiten mit starken oder überwiegenden Anteilen an organischen Lösungsmitteln, in denen auch noch Substanzen bis nahe zur Sättigungsgrenze gelöst sein mögen. Durch Eintrocknen von Dispenserflüssigkeit am Benetzungsrand entstehen sehr leicht Schmierfilme oder sogar Kristalle am Rand der Dispenserspitze, die die Richtung der Flugbahn bestimmen. Auch durch schnell erfolgende Benetzungsänderungen durch unsymmetrisches Kriechen der Flüssigkeiten zur Außenseite der Kapillarenspitze stellen sich Änderungen der Flugrichtung ein.
  • Für Einzeldispenser wässriger Flüssigkeiten sind elegante Problemlösungen für die Messung der Flugrichtung bekannt geworden. Beispielweise können die Dispenser, die sich meist an einer x-y-Bewegungseinrichtung befinden, zu einer Einrichtung mit dünnen Drähten quer zu den x- und y-Richtungen gefahren werden, wobei eine Berührung der Drähte durch die abgeschossenen Tröpfchen zu einer Schallerzeugung führt, die durch feine Mikrophone an den Drähten wahrgenommen werden kann. Einzelne Dispenser lassen sich so sehr schnell wiederholt kalibrieren. Eine solche Kalibrierung fällt bei Verwendung organischer Lösungsmittel jedoch weitgehend aus, da sich hier auch über kürzere Zeiten hinweg kein stabiler Betrieb einstellt.
  • In einigen Fällen, beipielsweise bei Druckköpfen, die sich dicht über dem zu bedruckenden Papier befinden, spielt die Flugrichtung eine untergeordnete Rolle. In anderen Fällen aber, beispielsweise bei der Belegung vieler kleiner Flecken einer MALDI-Probenträgerplatte mit Matrix-Material unter Wahrung einer hohen Ortstreue, verhindern die unvorhersehbaren Flugrichtungen eine erfolgreiche Benutzung solcher Dispenser, zumal hier in der Regel aus verschiedenen Gründen eine größere Distanz zwischen Probenträgerplatte und Dispenserspitze einzuhalten ist. Insbesondere aber wird die Herstellung von Vielfach-Dispensern für die gleichzeitige Belegung vieler Felder mit hoher Ortstreue vollkommen unmöglich.
  • Die genauen Mechanismen, die die Richtung der Tröpfchen bestimmen, sind nicht im Einzelnen bekannt. Wir können annehmen, dass die Flugrichtung der Tröpfchen vom Winkel abhängt, mit dem die Schockwelle auf die Oberfläche der Flüssigkeit trifft. Beträgt dieser Winkel genau 90°, so wird der Tropfen genau senkrecht zur Oberfläche wegfliegen. Die Abreisskraft für das Tröpfchen von der Oberfläche liegt in der selben Richtung wie die Schockwelle und beeinflusst daher die Flugrichtung des Tröpfchens nicht, die Energie des Abreissens verlangsamt nur die Fluggeschwindigkeit gegenüber der Schockwellengeschwindigkeit. Trifft die Schockwelle dagegen nicht senkrecht auf die Flüssigkeitsoberfläche, so erhält das Tröpfchen durch die Schockwelle einen Impuls in Schockwellenrichtung, die Abreisskraft von der Oberfläche steht jedoch in einem Winkel zur Schockwelle. Die Abreisskraft ändert daher die Flugrichtung des abgerissenen Tröpfchens, das ähnlich wie bei der Brechung des Lichts jetzt unter einem kleinerem Austrittswinkel aus der Oberfläche austritt, als der Eintrittswinkel der Schockwelle, jeweils gemessen als Neigungswinkel zur Oberfläche (siehe 1). Hinzu kommt, dass Flüssigkeitströpfchen, die innerhalb des Endes einer Erzeuger-Kapillare aus der Oberfläche abreissen, auch noch von Randbelegungen der Kapilareninnenseite abgelenkt werden köännen.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Ausführungsform für einen Dispenser bereitzustellen, mit der die Tröpfchen immer in der gleichen Flugrichtung abgeschossen werden. Damit lassen sich Einzeldispenser ohne Notwendigkeit zur oft wiederholten Richtungskalibrierung bauen. Nach Möglichkeit soll es sich dabei um die Richtung handeln, die durch die Erzeuger-Kapillare vorgegeben ist. Damit lassen sich auch Vielfachdispuenser herstellen.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Es ist der Grundgedanke der Erfindung, durch eine oder mehrere über die Erzeuger-Kapillare koaxial übergestülpte Kapillaren am Ende der Erzeuger-Kapillare einen Flüssigkeitsspiegel bereitzustellen, der vollkommen und ungestört über das Ende der Erzeuger-Kapillare hinwegreicht. Der Flüssigkeitsspiegel steht gut senkrecht zur Achse der Erzeuger-Kapillare und ergibt eine gute Flugrichtung in Richtung der Achse der Erzeuger-Kapillare. Insbesondere wird verhindert, dass sich am Rand der Erzeuger-Kapillare Kristalle bilden.
  • Der Flüssigkeitsspiegel wird dabei durch Kapillar- und durch Benetzungskräfte erzeugt. Für die Benetzungskräfte ist es von Vorteil, wenn das Ende der Erzeuger-Kapillare sowohl innen wie auch außen für die verwendete Dispenser-Flüssigkeit hydrophil ist. Bei Benutzung nur einer übergezogenen Kapillare kann es weiterhin von Vorteil sein, wenn sie außen hydrophob ist, so dass sich die Dispenserflüssigkeit nicht an der Außenoberfläche hochziehen kann. Es ist weiter von Vorteil (aber nicht notwendig), wenn die Kante zwischen hydrophiler und hydrophober Oberfläche scharf ist (möglichst schärfer als nur 90°), da dann die Dispenserflüssigkeit ein weiteres Hemmnis hat, die Außenoberfläche zu erreichen (Kanten sind benetzungshemmend). Die Benetzung soll durch die Formgebung der Kapillare bis zur scharfen Kante reichen und so einen möglichst gleichmäßig hohen Rand für den Flüssigkeitsspiegel erzeugen, relativ weit von der Achse der Innenkapillare entfernt.
  • In anderer Ausführungsform kann die äußere Kapillare auch vollkommen innen und außen hydrophil und sogar gerundet sein, um eine gleichmäßige Benetzung zu erzeugen. Auf jeden Fall sind kleinere Form- oder Benetzungsfehler sowie Kristallbildungen bei der äußeren Kapillare weit weniger von Einfluss auf die Flugrichtung der Tröpfchen als bei bisherigen Ausführungsformen mit der Erzeuger-Kapillare als einziger Kapillare.
  • Bei mehreren übergezogenen Kapillaren, wie in 2 dargestellt, gilt die Hydrophobie der Außenwand (9) und die Ausbildung einer scharfen Kante nur für die äußerste Kapillare (7). Die inneren Kapillaren (6) einschließlich der Erzeuger-Kapillare (5) sollten alle hydrophile Oberflächen besitzen.
  • Ein solches Überziehen des Flüssigkeitsspiegels über die Erzeuger-Kapillare hinweg verhindert weitgehend das Auskristallisieren an der Spitze dieser Kapillare. Es ist damit ein weit längerdauernder störungsfreier Betrieb möglich als mit bisherigen Ausführungsformen. Für noch längeren Betrieb ist es günstig, die Dispenserspitzen jeweils durch eine Kappe mit einem feinen hoch für den Austritt der Tröpfchen so abzudecken, dass das Austrocknen unterbleibt.
  • Dispenser mit gutem Geradeausflug lassen sich als Vielfachpipetten ausbilden, wie andeutungsweise in 3 dargestellt. So kann beispielsweise eine Anordnung aus 4 × 6 = 24 Dispensern im Abstand von je 18 Millimetern dazu verwendet werden, MALDI-Probenträgerplatten im Mikrotiterplatten-Format mit Matrix-Substanzen zu belegen, wobei für 96 MALDI-Flecken viermal, für 384 Flecken 16 mal je ein Flecken dispensiert werden muss.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • 1 zeigt die Winkelverhältnisse beim Tröpfchenabriss. Der Einfallswinkel α der Schockwelle (3) zur Flüssigkeitsoberfläche (1) ist stets größer als der Abflugwinkel β des Tröpfchens, weil die Abreisskraft das Tröpfchen aus der Richtung der Schockwelle (3) in die Flugrichtung (4) ablenkt.
  • 2 zeigt das Prinzip der Erfindung einer Dispenserspitze, hier mit drei konzentrischen Kapillaren (5), (6) und (7), die einen Flüssigkeitsspiegel (8) ausbilden. Die Außenseite (9) der Außenkapillare (7) ist hydrophob, alle anderen Oberflächen sind hydrophil.
  • 3 gibt eine Batterie von drei Dispensern mit je einer Außenkapillare (12) um die Erzeuger-Kapillare (10) wieder, mit elektrorestriktiven Volumen (11), verdampfungsverhindenden Kappen (13), Verbindungschläuchen (15) und einem höhenjustierbaren Vorratsvolumen (16) für die Dispenserflüssigkeit.
  • 4 zeigt zwei Dispenser alter Technik (links) und neuer Technik (rechts). Die Flugrichtung der Tröpfchen (25) wird bei der übergezogenen Kapillare (23) durch eine unsymmetrische Randbenetzung (24) kaum beeinflusst; die Tröpfchen werden etwas größer.
  • Besonders günstige Ausführungsformen
  • Als Beispiel für eine besonders günstige Ausführungsform werde hier ein Einzel-Dispenser für die Belegung einer MALDI-Probenträgerplatte mit Matrix-Substanzflecken beschrieben, der aber auch für eine Vielfach-Anordnung von Dispensern geeignet ist. Es sei dabei die Aufgabe, eine Vielzahl von Matrixflecken mit je einer dünnen Schicht aus Matrix-Substanz zu erzeugen. Als Matrix-Substanz diene hier beispielhaft Alpha-Cyano-4-Hydroxi-Zimtsäure (ACH), gemischt mit einem Anteil an Zellulosenitrat, wie in der Patentschrift DE 196 17 011 C2 ( US 5,828,063 ) beschrieben. Das Zellulosenitrat diene hier als starker Klebstoff für die sich bildenden, winzigen ACH-Kriställchen, ferner als stark adsorptiver Binder für später aus wässriger Lösung aufzubringende organische Biomoleküle, und als explosiver Verpufferer zur Bildung einer kleinen Plasmawolke, mit der auch die großen Biomoleküle in den gasförmigen Zustand überführt werden. Das ACH dient als Protonierer für die Biomoleküle, also zur Ionisierung. Das Zellulosenitrat kann später in eine stark poröse Struktur umgewandelt werden, wie zugleich mit weiteren Vorteilen in DE 196 17 011 C2 beschrieben.
  • Als Probenträgerplatte diene hier eine Unterlage aus Metall oder elektrisch leitendem Kunststoff mit einer stark hydrophoben Oberfläche, die mit hydrophilen Ankerflächen für die Matrix-Flecken ausgestattet sein kann. Die Probenträgerplatte habe dabei vorzugsweise die Größe einer Mikrotiterplatte, um die kommerziell für die Platten entwickelte Probenvorbereitungsrobotik verwenden zu können. Bei einer Ausstattung mit hydxophilen Ankerflächen ist es besonders wichtig, nur genau diese Flächen zu belegen, aber auch bei einer Belegung einer durchgehend hydrophoben Fläche ist es wichtig, genau vordefinierte Orte mit bekannten Koordinaten zu belegen.
  • ACH und Zellulosenitrat sind beide in Aceton und Acetonitril löslich und können daher gemeinsam auf die Probenträgerplatte aufgebracht werden. Da diese Lösungsmittel aber sehr schnell verdampfen, ist eine erfindunggemäße Dispenserform besonders wichtig, da beim Verdampfen der Lösung an einer einzelnen Dispenser-Kapillarenspitze durch Auskristallisieren sehr schnell eine Veränderung der Spitzengeometrie eintritt und so eine Änderung der Flugrichtung der Tröpfchen bewirkt. Die Lösung kristallisiert immer am Rand der Benetzung, also genau an der Kapillarenspitze aus. Andererseits soll die Substanzlösung nicht weit von einer Sättigung entfernt sein, damit die aufgebrachten Mikrotröpfchen sehr schnell trocknen können. In einigen Fällen scheint es für die Erzeugung eines gleichmäßigen Filmes im Matrixflecken sogar günstig zu sein, wenn die Tröpfchen während des Fluges bereits eine gewisse Verfestigung durch Auskristallisieren erfahren.
  • Der Matrixfilm im Matrixflecken wird durch eine Vielzahl an Tröpfchen erzeugt. Bleibt das Tröpfchen bis zum Aufprall auf die Probenträgerplatte flüssig, so können einfach etwa 100 Tröpfchen aufeinandergeschossen werden. Die Kleinheit der Tröpfchen und die Oberflächenspannung der Lösung verhindern ein Verspritzen. Die Flüssigkeit benetzt dann einen gewünscht kleinen Flecken von einigen Hundert Mikrometern im Durchmesser, beispielsweise genau eine hydrophile Ankerfläche. Dabei kann eine hohe Erzeugungsrate von einigen Kilohertz eingestellt werden, so dass die Belegung in weniger als einer Zehntel Sekunde beendet ist. Durch die leichte Verdampfbarkeit der Lösungsmittel trocknet der Flecken in etwa drei bis fünf Sekunden auf. Eine Probenträgerplatte mit 384 Matrixmaterialflecken kann in etwa einer Minute belegt werden. Für diesen Fall genügt in der Regel bereits ein Einzeldispenser für eine hohe Produktionsgeschwindigkeit vorpräparierter MALDI-Platten.
  • Bei Tröpfchen, die während des Fluges bereits beginnen, sich zu verfestigen, können sich Dispensereinheit und Probenträgerplatte durch eine Bewegungseinheit in gesteuerter Bewegung gegeneinander verschieben. Die Tröpfchen lassen sich dann relativ dicht aneinanderreihen. Haben die Tröpfchen einen Durchmesser von etwa 60 Mikrometer, was einem Volumen von etwa 100 Picolitern entspricht, so reichen etwa 100 Tröpfchen aus, um einen quadratischen Matrixflecken von 600 Mikrometern Seitenlänge zu belegen. Mit einer genügend schnellen Bewegungseinheit und einer Schussfrequenz von 100 Tröpfchen pro Sekunde lässt. sich ein Flecken in einer Sekunde belegen. Schnellere Belegungen sind möglich, wenn die Bewegungseinheit schnell genug ist. Die optimale Geschwindigkeit wird aber eher durch das Trocknungsverhalten gegeben. In diesem Fall ist es günstig, einen Vielfachdispenser zu verwenden, um auf eine hohe Produktionsgeschwindigkeit zu kommen.
  • Der einzelne Dispenser ist, wie beispielsweise in 3 für eine Batterie an Dispensern dargestellt, mit einer zentralen Erzeuger-Kapillare (10) und einer konzentrischen Außenkapillare (12) ausgestattet. (Selbstverständlich kann hier auch eine Anordnung von drei konzentrischen Kapillaren, wie beispielhaft in 2 dargestellt, verwendet werden). Die zentrale Erzeuger-Kapillare (10) ist mit einem Volumen (11) verbunden, das durch elektrostriktives Wandmaterial auf elektrischem Wege (durch einen Spannungpuls) einer schnellen Volumenänderung unterworfen werden kann, wodurch die Schockwelle in der Erzeuger-Kapillare (10) entsteht. Die Volumenänderung kann in anderen Dispensern auch durch magnetostriktives Material oder durch die abrupte Erzeugung von Dampfbläschen erzeugt werden. Das Volumen (11) kann (muss aber nicht) auf der der Erzeuger-Kapillare entgeggengesetzten Seite mit einer Kapillare (14) versehen sein, die eine kontinuierliche Zufuhr der Dispenserflüssigkeit gestattet. (Das Volumen kann auch abgeschlossen und einmalig mit Wasser, Öl oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt sein, die die Schockwelle weiterleitet, wobei die Zufuhr an Dispenserflüssigkeit durch eine der konzentrisch einhüllenden Kapillaren gesschieht).
  • Die zentrale Erzeuger-Kapillare (10) ist an ihrer Spitze leicht abgerundet und vorzugsweise innen wie außen hydrophil. Die koaxial angebrachte Außenkapillare ist vorzugsweise innen hydrophil und außen hydrophob. Es ist dabei günstig (aber nicht notwendig), wenn die inneren Kapillaren (5, 6) nicht ganz bis zum äußersten Ende der Außenkapillare (7) reichen, um so einem Flüssigkeitsspiegel (8) Platz zu machen, der sich über alle Innenkapillaren (5, 6) hinzieht und möglichst senkrecht zur Achse der Erzeuger-Kapillare (5) ausbildet.
  • Der Flüssigkeitsspiegel wird durch die Benetzung der Kapillarenenden erzeugt; seine Erzeugung kann durch den Zuführungsdruck der Dispenserflüssigkeit zusätzlich fein eingeregelt werden. Die Zwischenräume zwischen den Kapillaren sollten eng sein, um einen Flüssigkeitsnachschub durch Kapillarkräfte zu ermöglichen. Es ist nicht bekannt, wie gut die Innenkapillare innerhalb der äußeren Kapillaren zentriert sein muss; es ist aber vermutlich ein gleichmäßiger Abstand zu bevorzugen, damit die Achse der Innenkapillare in der Mitte des Flüssigkeitsspiegels steht. Der Abstand sollte sehr klein sein (weniger als ein Millimeter, vorzugsweise etwa ein halber Millimeter), um zwischen den Kapillaren die Flüssigkeit durch Kapillarwirkung halten und führen zu können.
  • Der Durchmesser der Tröpfchen steigt durch einen Flüssigkeitsspiegel, der sich etwas vom Erzeuger-Kaüpillarenende entfernt befindet, leicht an. Da eine leichte Durchmesseränderung bereits eine große Volumenänderung ergibt, kann das Volumen der Tröpfchen in Grenzen variiert werden. Die Variation kann durch den Außendruck auf die Dispenserflüssigkeit bewirkt werden.
  • Die Wirkung der übergezogenen Kapillare wird durch die 4 noch einmal verdeutlicht. Die Tröpfchen (22) der Erzeuger-Kapillare (20, links) ohne übergezogene Kapillare erleiden bei einer leicht unsymmetrischen Benetzung (21) des Kapillarenendes bereits eine Ablenkung der Flugbahn. Bei einer übergezogenen Kapillare (23, rechts) bewirkt dagegen eine unsymnietrische Benetzung (24) keine merklich Abweichung der Flugbahn der Tröpfchen (25); die Tröpfchen (25) sind aber ein klein wenig größer.
  • Wenn hier die Begriffe „hydrophil" oder „hydrophob" verwendet werden, so soll das bedeuten, dass die genannte Oberfläche von der verwendeten Dispenserflüssigkeit benetzbar beziehungsweise nicht benetzbar ist. Die Flüssigkeit soll also in der Kapillare oder im kapillaren Spalt zwischen den konzentrischen Kapillaren durch Kapillarkräfte bis zur Spitze aufsteigen und sich durch Benetzung über alle hydrophilen Oberflächen ausbreiten. Dadurch bildet sich ein Flüssigkeitsspiegel aus, der bei einigermaßen gut rotationssymmetrischer Anordnung der Kapillarenspitzen in der Achse senkrecht zur Achse der zentralen Erzeuger-Kapillare steht. Da somit die Spitze der Erzeuger-Kapillare keinen Benetzungsrand aufweist, tritt hier selbst bei Verdampfung von Lösungsmittel keine Auskristallisation auf. Das Auskristallisieren tritt höchstens bei der äußersten Kapillare auf, wo die Wirkung der Kristalle auf die Flugrichtung der Tröpfchen kaum merklich ist.
  • Ein solcher Einzeldispenser zeigt bereits auch ohne die Kappe (13) ein viel stabileres Dispensierverhalten als ein Dispenser nach bisheriger Ausführungsform. Der erfindungsgemäße Dispenser kann so viele Minuten ohne das Auftreten von Störungen verwendet werden. Ein längerdauernder Betrieb bedarf des gelegentlichen Reinigens der Dispenserspitze, die aber sehr einfach ist. Das Reinigen kann beispielsweise durch kräftige Zufuhr eines reinen Lösungsmittels durch die äußere Kapillare vorgenommen werden. Da in der Regel nur an dieser Kapillare Kristalle gebildet werden, reicht eine solche Reingung aus. Auch ein Abstreifen der Dispenserspitze an einem mit Lösungsmittel getränktem Filz kann zur Reinigung genügen.
  • Für einen längerdauernden Betrieb ohne Reinigungsvorgänge ist es vorteilhaft, das Dispenserende mit einer dicht schließenden Kappe (13) zu versehen, die nur für den Austritt der Tröpfchen eine kleine Öffnung hat. Innerhalb der Kappe bildet sich sehr schnell ein Sättigungsdampfdruck aus, der ein weiteres Eintrocknen verhindert. Da die fliegenden Tröpfchen sehr klein sind, werden sie bereits auf dem Anfang ihres Fluges gegen den Sättigungsdampfdruck zu trocknen beginnen, da ihr Dampfdruck wegen der stark gekrümmten Oberfläche größer ist als der Sättigungsdampfdruck des Flüssigkeitsspiegels. Dadurch wird das geringe Eindiffundieren von Außenluft durch das Ausschussloch in das Kappenvoumen (13) ausgeglichen.
  • Während des Dispenser-Betriebes sind bevorzugt die konzentrischen Kapillaren eines Dispensers alle über Schlauchverbindungen (15) mit einem Vorratsvolumen (16) der Dispenserflüssigkeit, also einer Lösung des Matrixsubstanz-Gemisches, verbunden, wie es in 3 für eine Batterie aus drei Dispensern gezeigt ist. Diese Dispenserflüssigkeit befindet sich in einem Volumen (16), das in der Höhe verstellbar ist und daher so einjustiert werden kann, dass der Flüssigkeitsspiegel am Dispenserende optimal für das Dispensieren der Tröpfchen ist. In anderen Anwendungsmodi (beispielsweise für das Reinigen) kann es aber auch vorteilhaft sein, in den drei Kapillaren verschiedene Flüssigkeiten zu verwenden. Insbesondere für Spülvorgänge am Ende des Dispenser-Betriebes können verschiedene Spülflüssigkeiten verwendet werden.
  • Es ist zweckmäßig, die Dispenser in vertikaler Richtung zu verwenden. Die Tröpfchen können aber zur Belegung einer Oberfläche sowohl nach unten, wie auch nach oben fliegen. Die hier geschilderte Einrichtung in 3 verwendet eine Schussrichtung nach oben, um die Unterseite einer auf eine Bewegungseinrichtung aufgelegten Probenträgerplatte mit den Matrixsubstanzflecken zu belegen. Die Probenträgerplatte und die Bewegungseinheit sind hier nicht gezeigt, da sie für die Erfindung nicht wesentlich sind. Die Tröpfchen haben in Luft bei Atmosphärendruck eine Reichweite von weit mehr als einem Dezimeter, es ist aber günstig, sie nicht mehr als wenige Millimeter bis zum Aufprall auf die Probenträgerplatte fliegen zu lassen.
  • Für viele Aufgaben genügt bereits ein hier geschilderter Einzeldispenser, zumal er, wie oben geschildert, mit hoher Tröpfchen-Erzeugungsfrequenz von einigen Kilohertz gefahren werden kann.
  • Mehrere der geschilderten Einzeldispenser mit einer oder zwei Außenkapillaren und mit oder ohne Kappe (13) können nun zu einer Batterie zusammengeschlossen werden, wie beipielhaft in 3 an drei Dispensern gezeigt. Für schnelle Belegungen bei langsamer Tröpfchenfrequenz, wie sie für einige Anwendungen zweckmäßig sind, ist es sinnvoll, eine größere Anzahl an Dispensern zusammenzuschließen. Beispielsweise können 4 × 6 = 24 solche Einzeldispenser im Abstand von jeweils 18 Millimeter für die Belegung einer Probenträgerplatte im Mikrotiterformat verwendet werden. Es sind dann für 96 Matrixflecken genau 4 Dispensiervorgänge mit jeweils etwa 100 Tröpfchen notwendig; für 384 Matrixflecken sind es 16 Dispensiervorgänge; für 1536 Matrixflecken 64 Dispensiervorgänge. Bei einer Sekunde pro Matrixfleck würde die Probenträgerplatte mit 1536 Matrixflecken in etwa einer Minute zu belegen sein, während die Verwendung eines Einzeldispensers unter diesen langsamen Belegungsverhältnissen nahezu eine halbe Stunde benötigen würde.
  • Für so eine teppichartige Belegung ist es notwendig, dass die Tröpfchen nach dem Aufprall möglichst schnell trocknen. Um die Tröpfchen möglichst rasch zu trocknen (damit nicht alle Tröpfchen einfach ineinanderfließen), ist es zweckmäßig, die Probenträgerplatte vor der Belegung zu erhitzen und den Zwischenraum zwischen Probenträgerplatte und Dispenserein heit (also den abdeckenden Kappen) mit warmer, gur gefilterter Luft durchstreichen zu lassen. Dazu kann die Dispensereinheit bereits mit entsprechenden Luft-Zuführungs- und Abführungssystemen versehen sein.
  • Die Vorteile der Erfindung sind: Es ist robusteres Dispensieren mit problematischeren Lösungen als mit Einzelkapillaren möglich; auch Lösungen nahe der Sättigungskonzentration können eingesetzt werden. Es ist einfachere Fertigung der Kapillaren möglich, denn man braucht nicht mehr die äußerste Präzision für die Herstellung der Düsenöffnung und aufwändige Oberflächenbearbeitung der Kapillare, so wie bei herkömmlichen Dispenser-Kapillaren. Es können größere Tropfen hergestellt werden.

Claims (9)

  1. Dispenser zur Erzeugung kleiner, schnell fliegender Tröpfchen einer Dispenserflüssigkeit, mit einer Erzeuger-Kapillare, an deren Ende eine Schockwelle die Tröpfchen aus der Flüssigkeitsoberfläche reißt, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Kapillaren konzentrisch so über das Ende der Erzeuger-Kapillare gestülpt sind, dass sich ein Flüssigkeitspiegel der Dispenserflüssigkeit über das Ende der Erzeuger-Kapillare hinweg ausbildet.
  2. Dispenser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußerste Kapillare die inneren Kapillaren überragt.
  3. Dispenser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kapillarenoberflächen hydrophil sind, mit möglicher Ausnahme der Außenseite der äußersten Kapillare.
  4. Dispenser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der äußersten Kapillare hydrophob ist.
  5. Dispenser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen hydrophiler Innenseite und hydrophober Außenseite eine scharfe Kante befindet.
  6. Dispenser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispenserspitze dicht durch eine Kappe abgedeckt ist, die ein feines Loch zum Austreten der Tröpfchen besitzt.
  7. Dispenser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er mit weiteren Dispensern zu einem Vielfach-Dispenser zusammengesetzt ist.
  8. Dispenser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaren mit verschiedenen Flüssigkeiten beschickt werden.
  9. Dispenser nach einem der Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Erzeuger-Kapillare eine Flüssigkeit befindet, die nur für die Ausbildung und Weiterleitung der Schockwelle vorhanden ist und die sich nicht mit der Dispenserflüssigkeit mischt.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7405416B2 (en) * 2005-02-25 2008-07-29 Cymer, Inc. Method and apparatus for EUV plasma source target delivery
US7122791B2 (en) * 2004-09-03 2006-10-17 Agilent Technologies, Inc. Capillaries for mass spectrometry
US10753927B2 (en) 2006-09-22 2020-08-25 ALERE TECHNOLOGIES GmbH Methods for detecting an analyte
US20100092683A1 (en) * 2006-09-22 2010-04-15 Clondiag Gmbh Dispenser device for and a method of dispensing a substance onto a substrate
JP6166551B2 (ja) * 2013-02-25 2017-07-19 ギガフォトン株式会社 ターゲット供給装置及び極端紫外光生成装置
CN114345234B (zh) * 2022-01-10 2023-02-03 北京航空航天大学 一种基于水锤效应的液滴发生器及其工作方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0588952B1 (de) * 1991-05-21 1999-09-01 Analytica Of Branford, Inc. Verfahren und Apparat zur Verbesserung der Sprühionisation von gelösten Stoffen
DE29600767U1 (de) * 1996-01-17 1996-05-15 Redeker Joerg Dipl Chem Steckverbindungen aus Polyfluoralkylen-Rohren und daraus hergestellte Laborgerätekomponenten
US5868322A (en) * 1996-01-31 1999-02-09 Hewlett-Packard Company Apparatus for forming liquid droplets having a mechanically fixed inner microtube
DE19756499C2 (de) * 1996-12-18 2003-03-20 Alpha Bioverfahrenstechnik Gmb Mikrokapseln
WO1998035376A1 (en) * 1997-01-27 1998-08-13 California Institute Of Technology Mems electrospray nozzle for mass spectroscopy
US6191418B1 (en) * 1998-03-27 2001-02-20 Synsorb Biotech, Inc. Device for delivery of multiple liquid sample streams to a mass spectrometer
ES2153296B1 (es) * 1998-07-30 2001-09-01 Univ Granada Capilares coaxiales y procedimiento de intercambio para balanza de superficies de penetracion.
EP1099483B1 (de) * 1999-11-11 2009-02-11 Allegro Technologies Limited Abgabe von flüssigen Tropfen
CH695544A5 (de) * 2000-11-17 2006-06-30 Tecan Trading Ag Vorrichtung zur Abgabe bzw. Aufnahme/Abgabe von Flüssigkeitsproben.
WO2002080223A1 (en) * 2001-03-29 2002-10-10 Wisconsin Alumni Research Foundation Piezoelectric charged droplet source
DE20121386U1 (de) * 2001-04-27 2002-10-02 Tecan Trading Ag Maennedorf Sprühvorrichtung
DE10206433A1 (de) * 2001-04-30 2002-11-14 Isa Conductive Microsystems Gm Vorrichtung zur Herstellung von elektrischen oder elektronischen Bauelementen mittels Dispensverfahren
DE10206442A1 (de) * 2001-04-30 2002-11-14 Isa Conductive Microsystems Gm Verfahren und Vorrichtung zur gezielten Passivierung von Leiterbahnzwischenräumen
DE10206435A1 (de) * 2001-04-30 2002-11-14 Isa Conductive Microsystems Gm Verfahren und Vorrichtung zum kombinierten Klebebonden mit unterschiedlichen Leitklebern
WO2003031044A2 (en) * 2001-10-05 2003-04-17 Vanderbilt University Capillary tube printing tips for microarray printing

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