DE19742005A1

DE19742005A1 - Vorrichtung und Verfahren zum genauen Dosieren und Umsetzen von kleinen Flüssigkeitsmengen

Info

Publication number: DE19742005A1
Application number: DE1997142005
Authority: DE
Inventors: Michael Doering; Andreas Dr Schober
Original assignee: Microdrop GmbH
Current assignee: Microdrop GmbH
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 1999-04-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum dosierten Umsetzen von kleinen Flüssigkeitsmengen. Insbesondere betrifft die Erfindung das dosierte Umsetzen von geringsten Flüssigkeitsmengen, d. h. von Mengen, die kleiner als 100 nl sind.

Das Handling von solch kleinen Flüssigkeitsmengen wird insbesondere bei Parallelisierungsversuchen in der kombinatorischen Chemie und der evolutiven Biologie angewandt. Hier werden aus einer Flüssigkeit oder aus einer Vielzahl von Proben, die in sogenannten Substanzbibliotheken im Mikrotiterformat vorliegen, eine Vielzahl von keinen Mengen entnommen und einer ebenso großen Vielzahl von anderen Proben zugeführt. Dieses Umsetzen von kleinen, aber dennoch genau dosierbaren Flüssigkeitsmengen ist erforderlich, da die einzelnen Substanzen häufig nur in geringen Mengen vorliegen und relativ kostenintensiv sind. Bei solchen Versuchen werden in der Regel Pipettierköpfe eingesetzt, die mehrere, also beispielsweise 8×12 = 96, Einzelpipetten aufweisen, um entsprechende Reagenzien umzusetzen und zu kombinieren.

Es sind unterschiedliche Dosierverfahren bekannt. Es ist beispielsweise möglich, daß mittels einer Kolbenpumpe aus einem Zylinder eine Flüssigkeit über eine Dosierspitze ausgestoßen wird. Es wird ein Tropfen erzeugt, der dann nach Erreichen einer gewissen Größe abfällt. Das dosierte Volumen ergibt sich dabei aus dem Gleichgewicht zwischen Schwerkraft einerseits und Haftkraft andererseits. Kleinere Mengen als 1 µl lassen sich damit jedoch nicht pipettieren.

Ein anderes Problem bei der Dosierung solcher kleinen Mengen liegt in dem nicht oder nur sehr schwer vorhersehbaren Einfluß der Viskosität und der Oberflächenspannung. Es ist offensichtlich, daß die Kapillarität von diesen Größen abhängt. Eine Dosierung und Umsetzung von kleinen Flüssigkeitsmengen nur unter Hilfe der Kapillarwirkung ist daher mit zu großen Ungenauigkeiten verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit der bzw. dem es möglich ist, kleinste Mengen Flüssigkeit im wesentlichen unabhängig von deren Viskosität und Oberflächenspannung genau zu dosieren und umzusetzen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung mit wenigstens einem gegenüber dem Umgebungsdruck verschließbaren definierten Saugvolumen, das mit einem definierbaren Unterdruck beaufschlagbar ist, und mit wenigstens einem Aufnahmevolumen, das über wenigstens eine Ventileinrichtung mit dem Saugvolumen in Verbindung steht und das über eine Einführöffnung die Flüssigkeit aufnehmen kann, so daß durch Öffnen der Ventileinrichtung zwischen dem Saugvolumen und dem Aufnahmevolumen aufgrund des Unterdruckes bis zum Druckausgleich in dem Saugvolumen eine definierte Menge Flüssigkeit in die Aufnahme gelangt, wobei das Saugvolumen über wenigstens ein Belüftungsventil zumindest mit Umgebungsdruck beaufschlagbar ist, um die Flüssigkeit aus dem Aufnahmevolumen zu treiben. Mit dieser Anordnung ist es möglich, ein bestimmtes Volumen einer Flüssigkeit unabhängig von deren Viskosität und/oder deren Oberflächenspannung aufzunehmen. Auch ist die aufgenommene Flüssigkeitsmenge unabhängig von der Kapillarität und der geometrischen Form des Aufnahmevolumens. Die aufgenommene Flüssigkeitsmenge bestimmt sich allein durch den Unterdruck und der Größe des abgeschlossenen Saugvolumens.

Es kann vorgesehen werden, daß das Belüftungsventil mit einer Überdruckquelle in Verbindung steht, um die Flüssigkeit durch Überdruck aus dem Aufnahmevolumen zu treiben. Dadurch wird erreicht, daß eventuelle Kapillarkräfte oder Haftkräfte der Flüssigkeit in dem Aufnahmevolumen bzw. an der Begrenzungsfläche des Aufnahmevolumens überwunden werden. Die Flüssigkeit kann somit im wesentlichen vollständig aus dem Aufnahmevolumen getrieben werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung steht das Belüftungsventil mit einer Unterdruckquelle in Verbindung, um den definierten Unterdruck in dem Saugvolumen zu erzeugen. Damit wird erreicht, daß das Saugvolumen neben dem Verbindungsventil zum Aufnahmevolumen nur noch ein weiteres Ventil benötigt. Grundsätzlich ist es möglich, daß die Unterdruck- und Überdruckquelle durch eine gemeinsame, entsprechend umschaltbare Pumpeneinrichtung gebildet wird.

Im einzelnen kann die Vorrichtung eine Kammer aufweisen, in der das Saugvolumen angeordnet ist. Das Saugvolumen steht über ein erstes Ventil in Verbindung mit einer weiteren Kammer, die das Aufnahmevolumen aufweist. Es ist eine Einführöffnung zum Aufnahmevolumen vorgesehen, die in den Flüssigkeitsvorrat taucht. Ferner ist das Saugvolumen mit einem zweiten Ventil versehen, über das das Saugvolumen zum einen mit dem erforderlichen Unterdruck und zum anderen mit dem zum Entleeren erforderlichen Überdruck beaufschlagt wird. Zum Aufnehmen der Flüssigkeit wird zunächst das Verbindungsventil zum Aufnahmevolumen geschlossen und bei geöffneten zweiten Ventil der definierte Unterdruck erzeugt. Das zweite Ventil wird geschlossen und anschließend wird das Verbindungsventil geöffnet. Durch den Unterdruck in dem Saugvolumen wird das Aufnahmevolumen mit der Flüssigkeit bis zum Druckausgleich gefüllt.

Die Flüssigkeit befindet sich dann in dem Aufnahmevolumen und kann problemlos umgesetzt und transportiert werden. Es ist offensichtlich, daß gerade bei geringsten Mengen ein Verlust der aufgenommen Flüssigkeit beim Umsetzen nicht zu erwarten ist, da diese durch Kapillarkräfte und/oder Haftkräfte in dem Aufnahmevolumen gehalten wird. Ein zusätzliches Ventil zum Schließen der Einführöffnung ist daher grundsätzlich nicht erforderlich. Nach dem Umsetzen wird das Belüftungsventil geöffnet, so daß die Flüssigkeit abfließen kann. Da dieses drucklose Belüften häufig nicht ausreichen wird, die Kapillarkräfte und/oder Haftkräfte zu überwinden, kann das Saugvolumen mit einem Überdruck beaufschlagt werden, um die gesamte Flüssigkeit auszutreiben.

Es ist selbstverständlich, daß das Aufnahmevolumen teilweise oder aber auch vollständig in dem Saugvolumen enthalten sein kann. Im letzten Fall dient die Ventileinrichtung nur zum Verschließen der Einführöffnung. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn die Abmessungen des Saugvolumens und des Aufnahmevolumens sowie des Unterdruckes so bemessen sind, daß die aufgenommene Flüssigkeit nicht in die Ventileinrichtung und das Saugvolumen gelangt. Dies hat den Vorteil, daß die Flüssigkeit nicht in Berührung mit dem Ventil kommt, das dann gegebenenfalls leicht verschmutzen und nicht mehr exakt schließen könnte.

Besonders zweckmäßig ist es jedoch, wenn das Aufnahmevolumen in einem austauschbaren Teil der Vorrichtung angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß die Dosiereinrichtung schnell und ohne Reinigung des Saugvolumens auf andere Flüssigkeiten umgerüstet werden kann.

Das Aufnahmevolumen kann in zweckmäßiger Weise Bestandteil eines Kapillarröhrchens sein. Die Kapillarröhrchen sind einfach herzustellen, leicht zu handhaben und ermöglichen den erforderlichen kapillaren Halt der Flüssigkeit beim Umsetzen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß jeweils einem Saugvolumen jeweils genau ein Aufnahmevolumen zugeordnet ist. Dadurch wird die Genauigkeit der Dosierung erhöht.

Die Erfindung betrifft auch eine Pipettiereinrichtung, die mit mehreren Dosiervorrichtungen gemäß der oben erläuterten Art versehen ist. Hier ist insbesondere die Zuordnung von genau einem Saugvolumen zu einem Aufnahmevolumen zweckmäßig, um die geforderte Genauigkeit zu ermöglichen. Es kann hier vorgesehen werden, daß die einzelnen Dosiervorrichtungen mit einer gemeinsamen Unter druck- und/oder Überdruckquelle in Verbindung stehen.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum dosierten Umsetzen von Flüssigkeit, insbesondere mittels einer Vorrichtung gemäß der oben erläuterten Art. Gemäß der Erfindung wird zunächst ein gegenüber dem Umgebungsdruck definierter Unterdruck in wenigstens einem abgeschlossenen definierten Saugvolumen erzeugt. Anschließend wird das abgeschlossene Volumen mit wenigstens einem Aufnahmevolumen verbunden, das mittels wenigstens einer Einführöffnung die umzusetzende Flüssigkeit aufnehmen kann, so daß aufgrund des Unterdruckes bis zum Druckausgleich in dem Saugvolumen eine vorbestimmbare Menge der Flüssigkeit in das Aufnahmevolumen gelangt. Schließlich wird das Saugvolumen und/oder das Aufnahmevolumen zumindest mit Umgebungsdruck beaufschlagt, um die Flüssigkeit aus dem Aufnahmevolumen zu treiben.

Zweckmäßiger Weise kann vorgesehen werden, daß zum Entleeren der Flüssigkeit das Saugvolumen und/oder das Aufnahmevolumen mit einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck beaufschlagt wird. Dadurch kann die Kapillarwirkung überwunden und ein im wesentlichen voll ständiges Entleeren des Aufnahmevolumens bewirkt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur den schematischen Aufbau einer Dosiervorrichtung zeigt.

Die Dosiervorrichtung weist ein Saugvolumen 11 auf, das über eine erste Ventileinrichtung 12 mit einem Aufnahmevolumen 13 in Verbindung steht. Das Aufnahmevolumen 13 ist Bestandteil eines Kapillarröhrchens 14, das mit seiner Einführöffnung 15 in die umzusetzende Flüssigkeit 16 taucht.

Das Saugvolumen 11 steht ferner über ein zweites Ventil 17 in Verbindung mit einer Unterdruckquelle 18. Dieses Ventil kann gleichfalls als Belüftungsventil dienen. Die Unterdruckquelle kann dann als kombinierte Unterdruck- /Überdruckquelle ausgebildet sein, die entsprechend umschaltbar ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, daß eine separates Belüftungsventil zum Saugvolumen vorgesehen ist.

Zum Umsetzen einer Flüssigkeit ist zunächst das Ventil 12 geschlossen. Über das Ventil 17 wird ein definierter Unterdruck in dem Saugvolumen 11 erzeugt. Anschließend wird das Ventil 17 geschlossen. Die Einführöffnung 15 wird in die Flüssigkeit 16 getaucht bzw. befindet sich bereits dort. Das Ventil 12 wird geöffnet, und ein Teil der Flüssigkeit 16 gelangt aufgrund des Unterdruckes im Saugvolumen 11 in das Aufnahmevolumen 13 des Kapillarröhrchens 14.

Das aufgenommene Flüssigkeitsvolumen bemißt sich aus der Größe des Saugvolumens und durch den erzeugten Unterdruck. Nach dem Druckausgleich im Saugvolumen durch das sich um die aufgenommene Flüssigkeit vermindernde Volumen befindet sich die gewünschte, vorbestimmbare Flüssigkeitsmenge in dem Kapillarröhrchen 14. Die Flüssigkeit verbleibt im Kapillarröhrchen aufgrund der Kapillarkraft, so daß die Flüssigkeit problemlos umgesetzt werden kann. Unter Umsetzen wird in diesem Zusammenhang eine relative Bewegung der Dosiervorrichtung zu einer Flüssigkeitsprobe verstanden, um einen Teil der Flüssigkeit in eine andere Probe zu fördern. Dies kann durch eine Bewegung der Dosiervorrichtung oder der Flüssigkeitsproben erfolgen. Bei diesem Umsetzen ist das Kapillarröhrchen zumindest für eine kurze Zeit offen, so daß die Flüssigkeit aufgrund der Kapillarität in dem Röhrchen gehalten wird.

Nach dem Umsetzen wird das Ventil 17 zum Belüften geöffnet, so daß die aufgenommene Flüssigkeit abgegeben werden kann. Die Anordnung kann so getroffen sein, daß durch das Beaufschlagen des Saugvolumens mit Umgebungsdruck die Flüssigkeit von sich aus dem Kapillarröhrchen strömt. Die Unterdruckquelle 18 ist dann selbstverständlich abgetrennt oder abgeschaltet.

Die Anordnung kann aber auch so geschaltet sein, daß zum Entleeren der Flüssigkeit das Saugvolumen über das Ventil 17 mit Überdruck beaufschlagt wird. Hierzu kann eine separate, nicht dargestellte Druckquelle vorgesehen werden. Es kann aber auch vorgesehen werden, daß die Unterdruckquelle 18 eine kombinierte Druck-/Vakuumpumpe ist, die entsprechend umschaltbar ist.

Das Aufnahmevolumen 13 ist Bestandteil eines Kapillarröhrchens 14, das in einer nicht näher dargestellten Halterung 19 mit der Vorrichtung verbunden ist. Das Saugvolumen und das Aufnahmevolumen einerseits und der eingestellte Unterdruck vor Aufnahme der Flüssigkeit andererseits sind so gewählt, daß sich die aufgenommene Flüssigkeit nach dem Druckausgleich nur in dem Röhrchen 14 befindet. Dadurch wird erreicht, daß die anderen Teile der Vorrichtung, also insbesondere das Ventil 12, das Saugvolumen 11 und der Verbindungskanal 20 zur Halterung 19 nicht mit der Flüssigkeit benetzt werden. Ein vollständiges Austreiben der Flüssigkeit durch einen Überdruck in dem Saugvolumen 11 ist somit möglich. Insbesondere weist ein Röhrchen keine Vorsprünge und Absätze auf, in denen sich Flüssigkeit sammeln könnte.

Es ist auch möglich, daß das Kapillarröhrchen auswechselbar in der Halterung angeordnet ist. Somit wird ein Umrüsten der Dosiervorrichtung auf andere Flüssigkeiten wesentlich erleichtert. Insbesondere wird nur das Kapillarröhrchen 14 von der Flüssigkeit benetzt, so daß ein Reinigen der gesamten Einheit bei einem Wechsel nicht erforderlich ist.

Bezugszeichenliste

11

Saugvolumen

12

Ventil

13

Aufnahmevolumen

14

Kapillarröhrchen

15

Einführöffnung

16

Flüssigkeit

17

Ventil

18

Unterdruck-/Überdruckquelle

19

Halterung

20

Verbindungskanal

Claims

1. Vorrichtung zum dosierten Umsetzen von Flüssigkeit gekennzeichnet durch
wenigstens ein gegenüber dem Umgebungsdruck verschließbares definiertes Saugvolumen (11), das mit einem definierbaren Unterdruck beaufschlagbar ist,
wenigstens ein Aufnahmevolumen (13), das über wenigstens eine Ventileinrichtung (12) mit dem Saugvolumen in Verbindung steht und das über eine Einführöffnung (15) die Flüssigkeit aufnehmen kann,
so daß durch Öffnen der Ventileinrichtung (12) zwischen dem Saugvolumen und dem Aufnahmevolumen aufgrund des Unterdruckes bis zum Druckausgleich in dem Saugvolumen eine definierte Menge Flüssigkeit in das Aufnahmevolumen gelangt,
wobei das Saugvolumen über wenigstens ein Belüftungsventil (17) zumindest mit Umgebungsdruck beaufschlagbar ist, um die Flüssigkeit aus dem Aufnahmevolumen zu treiben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Belüftungsventil (17) mit einer Überdruckquelle (18) in Verbindung steht, um die Flüssigkeit durch Überdruck aus dem Aufnahmevolumen zu treiben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Belüftungsventil (17) mit einer Unterdruckquelle (18) in Verbindung steht, um den definierten Unterdruck in dem Saugvolumen zu erzeugen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Saugvolumens (11) und des Aufnahmevolumens (13) sowie des Unterdruckes so bemessen sind, daß die aufgenommene Flüssigkeit nicht in die Ventileinrichtung (12) und das Saugvolumen gelangt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmevolumen in einem austauschbaren Teil der Vorrichtung angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmevolumen Bestandteil eines Kapillarröhrchens (14) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einem Saugvolumen jeweils ein Aufnahmevolumen zugeordnet ist.

8. Pipettiereinrichtung mit mehreren Dosiervorrichtungen gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.

9. Pipettiereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiervorrichtungen mit einer gemeinsamen Unterdruck- und/oder Überdruckquelle in Verbindung stehen.

10. Verfahren zum dosierten Umsetzen von Flüssigkeit, insbesondere mittels einer Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erzeugen eines gegenüber dem Umgebungsdruck definierten Unterdruckes in wenigstens einem abgeschlossenen definierten Saugvolumen,
Verbinden des abgeschlossenen Volumens mit wenigstens einem Aufnahmevolumen, das mittels wenigstens einer Einführöffnung die umzusetzende Flüssigkeit aufnehmen kann, so daß aufgrund des Unterdruckes bis zum Druckausgleich in dem Saugvolumen eine vorbestimmbare Menge der Flüssigkeit in das Aufnahmevolumen gelangt, und
Beaufschlagen des Saugvolumens und/oder des Aufnahmevolumens zumindest mit Umgebungsdruck, um die Flüssigkeit aus dem Aufnahmevolumen zu treiben.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entleeren der Flüssigkeit das Saugvolumen und/oder das Aufnahmevolumen mit einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck beaufschlagt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Saugvolumens und des Aufnahmevolumens sowie der Unterdruck so bemessen sind, daß die aufgenommene Flüssigkeit nicht in die Ventileinrichtung und das Saugvolumen gelangt.