DE2415021B2 - Mikropipettiereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikropipettiereinrichtung mit wenigstens einem kapillaren, ein Tropfende aufweisenden Pipettierrohr und mit einer Steuervorrichtung zur Verkleinerung und anschließenden Vergrößerung des Volumens eines oberhalb des Pipettierrohr vorgesehenen Luftraums.

Mikropipette!! dieser Art dienen zum Bereitstellen kleiner, vorgegebener Flüssigkeitsmengen und werden auf dem Gebiet der Mikrobiologie insbesondere in der Virologie, Serologie, der Immunologie und der Bakteriologie eingesetzt

Kleine, vorgewählte Flüssigkeitsmengen von etwa 25 Mikroliter können durch Verwendung von Tropfpipetten zuverlässig bereitgestellt werden. Bei Verwendung von Flüssigkeiten gleicher Oberflächenspannung ist das Volumen eines von der Spitze der Tropfpipette abfallenden Tropfens durch den Durchmesser der Pipettenspitze gegeben. Eine bekannte Tropfpipette enthält ein Glasrohr, an dessen einem Ende ein Ballon befestigt ist und dessen anderes Ende eine Ausflußbohrung für die Flüssigkeit aufweist. Die Flüssigkeit wird hierbei in das Glasrohr gesaugt, indem der Ballon zusammengedrückt, die Rohrspitze in die Flüssigkeit getaucht und der Ballon freigegeben wird. Anschließend können durch sorgfältiges, fortschreitendes Zusammendrücken des Ballons Flüssigkeitstropfen mit einem vorgewählten Volumen abgegeben werden, wobei das Tropfenvolumen durch den Durchmesser am Rohrende bestimmt ist. Bei Verarbeitung großer Flüssigkeitsmengen ist eine derartige Pipette zu langsam und beim Gebrauch ermüdend. Zwecks Vergrößerung der Abgabegeschwindigkeit ist es daher bekannt, eine Anzahl von Pipetten gleichzeitig zu benutzen, wobei es internationalem Brauch entspricht, eine normierte Kunststoffplatte einzusetzen, die in einer 8 χ 12-Matrix angeordnete Behälter aufweist. Acht Pipetten können hierbei zu gleichzeitigen Abgabe je eines Tropfens über den Behälter einer Reihe angeordnet werden, und die Platte kann nach dem Füllen der Behälter weiterbewegt werden, um die acht Behälter der nächsten Reihe in die zur Aufnahme von Tropfen geeignete Stellung zu bringen.

Es besteht ein Bedarf an Mikropipettiereinrichtungen der beschriebenen Art, mit denen Flüssigkeitstropfen eines vorgewählten Volumens wiederholt zuverlässig, schnell und ohne Ermüdung der Bedienungsperson abgegeben werden können. Vorzugsweise sollten acht Mikropipetten in der Weise miteinander verbindbar sein, daß aufgrund einer einzigen Tätigkeit der Bedienungsperson alle acht Pipetten gleichzeitig einen Flüssigkeitstropfen in die acht Behälter einer Reihe der normierten Kunststoffplatte abgeben.

Ausgehend von der eingangs bezeichneten Mikropipettiereinrichtung ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Pipettierrohr in ein Vorratsgefäß mündet, das die abzugebende Flüssigkeit und oberhalb derselben den Luftraum enthält, und wenigstens in seinem am Vorratsgefäß endenden Mündungsabschnitt eine Bohrung von solcher Feinheit aufweist, daß sich bei Normaldruck innerhalb des Luftraums an einem Ende der Feinbohrung längs einer Referenzlinie ein Meniskus ausbildet, und daß die Steuervorrichtung derart eingerichtet ist, daß die Volumenverkleinerung des Luftraums zur Abgabe einer vorgewählten Anzahl von Flüssigkeitstropfen mit einem vom Durchmesser des Tropfendes abhängigen Volumen und die Volumenvergrößerung zur Rückkehr des Meniskus zur Refe.renzlinie führt.

Die Volumenvergrößerung kann gleich der Volumenverkleinerung sein, und der vorher von der abgegebenen Flüssigkeit eingenommene Raum wird mit Luft

gefüllt, die durch das Pipettierrohr in das Vorratsgefäß gesaugt wird.

Die Steuervorrichtung ist derart einstellbar, daß das Volumen, um das das Behältervolumen verringert wird, auf eine bei jedem Abgabevorgang abzugebende Anzahl von Tropfen einstellbar ist Wenn dabei die Volumenverkleinerung größer als die Summe aus dem Bohrungsvolumen des Pipettierrohrs unterhalb der Referenzlinie und dem Volumen der vorgewählten Anzahl von abzugebenden Tropfen, jedoch kleiner als die um genau ein Tropfenvolumen vergrößerte Summe ist, dann gibt die Mikropipettiereinrichtung bei jedem Abgabevorgang dasselbe Flüssigkeitsvolumen ab. Der Grund hierfür besteht darin, daß durch ein überschüssiges Flüssigkeitsvolumen, das kleiner als ein Tropfenvolumen ist, an der Spitze des Rohrs zwar mit der Bildung eines neuen Tropfens begonnen werden kann, daß dieser Tropfen jedoch niemals groß genug wird, um abzufallen, und daher bei Vergrößerung dn Volumens des Luftraums in den Behälter zurückgesaugt wird. Da die Flüssigkeit nach dem Zurücksaugen und vor Beginn des nächsten Abgabevorgangs wieder einen Meniskus längs der Referenzlinie bildet, beginnt jeder Abgabevorgang an exakt derselben Stelle, so daß kumulative Fehler vermieden werden.

Die Steuervorrichtung kann manuell oder automatisch betrieben werden und ein Volumenänderungsorgan aufweisen, das durch ein flexibles Element zwischen Anschlägen hin- und herbewegbar ist. Die Anschläge legen einen vorgewählten Hub des Volumenänderungsorgans fest, sofern die Bewegung des flexiblen Elements einen Minimalwert übersteigt, so daß das Behältervolumen wiederholt um ein vorgegebenes Volumen verändert werden kann.

Mit dem Behälter kann schließlich über ein Ventil ein flexibler Ballon verbunden sein, um eine zumindest dem Volumen des Vorratsgefäßes entsprechende Luftmenge aus dem Behälter auszutreiben, wenn das Vorratsgefäß vor Inbetriebnahme gefüllt werden soll.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen

Fig. la und Ib schematisch die Betriebsweise einer erfindungsgemäßen Pipettiereinrichtung,

Fig.2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pipettiereinrichtung,

F i g. 3 zwei schematische Schnitte durch ein Drosselventil der Pipettiereinrichtung nach F i g. 2,

Fig.4 schematisch ein Vorratsgefäß mit einem Pipettierrohr zur Darstellung eines numerischen Beispiels,

F i g. 5 und 6 Schaubilder zur Erklärung des Beispiels nach F i g. 4.

Die Fig. la und Ib zeigen ein Vorratsgefäß 101 mit einem Kolben 103, der im oberen Teil des Vorratsgefäßes 101 auf- und abbewegbar ist, und mit einem kapillaren Pipettierrohr, das vom Boden des Vorratsgefäßes 101 nach unten ragt und wenigstens in seinem in das Vorratsgefäß 101 mündenden Mündungsabschnitt eine feine Bohrung 102 aufweist. Bei dem in Fig. la dargestellten Ruhezustand befindet sich am Boden des Vorratsgefäßes 101 eine Flüssigkeit 104, die durch den Atmosphärendruck und einen an der oberen öffnung 107 der Bohrung 102 sich ausbildenden Meniskus daran gehindert ist, das Pipettierrohr zu füllen. Zur Aufgabe eines Tropfens der Flüssigkeit 104 wird der Kolben 103 gemäß F i g. Ib nach unten bewegt um das Volumen des Vorratsgefäßes 101 um einen Betrag zu verkleinern, welcher gleich der Summe aus dem Volumen des Pipettierrohrs unterhalb des Meniskus und dem j Volumen eines Tropfens ist der sich am Tropfende des Pipettierrohrs bilden und dann abfallen soll. Das Volumen des Tropfens ist durch die Dimensionen des Tropfendes des Pipettierrohrs und durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit 104 vorgegeben. Wird das

κι Behältervolumen um ein etwas größeres Volumen verkleinert dann beginnt sich zwar am Tropfende ein neuer Tropfen zu bilden, doch wird trotzdem nur ein einziger Tropfen abgegeben, solange das überschüssige Volumen kleiner als das Volumen eines weiteren

ij Tropfens bleibt Nachdem der Tropfen abgefallen ist wird der Kolben in seine ursprüngliche Stellung gemäß Fig. la zurückgeführt wodurch die im Pipettierrohr befindliche Flüssigkeit in das Vorratsgefäß zurückgezogen und ein das Volumen der abgegebenen Flüssigkeit ersetzendes Volumen an Luft in das Vorratsgefäß gesaugt wird. Auf diese Weise können dem Vorratsgefäß durch wiederholte Betätigung des Kolbens über ein großes Volumen hinweg Tropfen gleicher Größe entnommen werden.

Die Bedeutung der beschriebenen Betriebsweise besteht darin, daß die Lage der Flüssigkeit aufgrund des an der öffnung 107 der Bohrung 102 befindlichen Meniskus am Ende eines Tropfzyklus dieselbe wie bei Beginn des Tropfsyklus ist. Auf diese Weise werden

jo kumulative Fehler vermieden.

Bei einer erfindungsgemäßen Mikropipettiereinrichtung sind acht Pipettierrohre, die beispielsweise aus Injektionskanülen bestehen, derart in einem Gestell angeordnet, daß die Tropfen dieser Pipettenrohre gleichzeitig in die acht Behälter einer Reihe von Behältern einer normierten Platte getaucht werden können. Die Bewegung dieser Platte kann mit dem Tropfenbetrieb derart koordiniert werden, daß jedesmal eine neue Reihe von Behältern unter den Pipettenrohren angeordnet ist, wenn Tropfen abgegeben werden.

Gemäß F i g. 2, die einen schematischen Schnitt durch eine Mikropipettiereinrichtung mit separaten Rohren und diesen zugeordneten Behältern zeigt, kann eine Platte 1 in horizontaler Richtung von links nach rechts unter acht Pipettierrohren 2 vorbeibewegt werden, die am Boden je eines Vorratsgefäßes 3 angebracht ist Die oberen Enden der Vorratsgefäße 3 sind über je einen Stöpsel 4 mit dem einen Ende einer dickwandigen, einen kleinen Durchmesser aufweisenden Röhre 5 verbunden, deren anderes Ende mit einem Verbindungsstück 6 verbunden ist. Das Verbindungsstück 6 verbindet das Ende der Röhre 5 mit dem einen Ende einer Metallröhre 7, deren anderes Ende mit dem einen Ende eines dünnwandigen, einen großen Durchmesser aufweisenden Schläuche 8 verbunden ist dessen anderes Ende an das eine Ende eines kleinen, dünnwandigen Schlauchs 9 angeschlossen ist, welcher durch ein federbelastetes Quetschventil 10 normalerweise verschlossen gehalten

ho ist Das andere Ende des Schlauchs 9 ist mit einem Ballon U aus Gummi verbunden. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel bilden die Teile 3 bis 9 einen geschlossenen Behälter. Der dünnwandige Schlauch 8 spricht auf eine die Abgabe steuernde Steuervorrichtung durch elastische Deformationen an, die das Volumen des geschlossenen Behälters verkleinern und dieselbe Wirkung wie der Kolben des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 haben.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 wird das Abfallen von Tropfen dadurch bewirkt, daß mit dem Finger ein Betätigungsknopf 12 herabgedrückt wird. Um sicherzustellen, daß aufeinanderfolgende Betätigungen des Betätigungsknopfes 12 stets dieselbe Verfor- ■-, mung des Schlauchs bewirken, ist die folgende Steuervorrichtung vorgesehen: Der Betätigungsknopf 12 ist an einer Platte 13 befestigt, die bei 14 schwenkbar gehalten ist und durch eine Feder 15 normalerweise nach oben gegen einen Anschlag 16 gedrückt wird. Beim ι ο Niederdrücken des Betätigungsknopfes 12 wird die Platte 13 ebenfalls niedergedrückt, bis sie gegen einen Anschlag 17 stößt. Ein an der Platte 13 befestigter Stab

18 trägt Einstellschrauben 19, deren Köpfe an die Enden von Kragarmen 20 anschlagen und diese nach unten π biegen können. Jeder Kragarm 20 trägt einen Stift 21, der in seiner Normalstellung den Schlauch 8 leicht verformt Die Normalstellung des Stifts 21 ist durch eine an einem Block 23 befestigte Schraube 22 festgelegt, die durch einen im Kragarm ausgebildeten Schlitz greift. Der Kragarm steht unter einer nach oben gerichteten Vorspannung, so daß er in seiner Normalstellung von unten gegen den Kopf der Schraube 22 drückt. Die untere Stellung des Stifts 21 beim Herabdrücken der Platte 13. durch den Betätigungsknopf 12 bis zum Anschlag 15 ist durch die Einstellschraube 19 festgelegt, die auf das Ende des Kragarms 20 einwirkt. Wiederholte Betätigungen des Betätigungsknopfes 12 haben daher gleiche Deformationen des Schlauchs 8 zur Folge, wobei die Größe der Deformation mittels der Einstellschraube jo

19 vorgewählt werden kann. Die Teile 12 bis 23 bilden die Steuervorrichtung, die einen einzigen Betätigungsknopf 12 zur Betätigung von acht getrennten, dünnwandigen Schläuchen 8 aufweist.

Wenn es notwendig ist, die Vorratsgefäße 3 zu r> füllen oder zu leeren, dann werden die Quetschventile 10 gelöst, wodurch die Behälter mit dem Ballon verbunden sind. Beim Zusammendrücken des Ballons U werden sämtliche Behälter durch die Pipettenrohre hindurchentleert Bei einer nachfolgenden Freigabe des Ballons wird Flüssigkeit in die Vorratsgefäße gesaugt, falls die Pipettenspitze in die zu verwendende Flüssigkeit eingetaucht sind.

Unterhalb eines Traggestells 24 ist im Gleitsitz ein Schlitten 25 angeordnet, der einen Flüssigkeitsbehälter 4 ■> trägt, in den die Pipettenspitze beim Herabsenken durch einen im Traggestell ausgebildeten Schlitz 27 eingetaucht werden können. Ein Oberteil 28 der Pipettiereinrichtung, das bei 29 schwenkbar angeordnet ist, trägt die Pipetten und alle Teile der Steuervorrichtung. Normalerweise ist das Oberteil 28 horizontal angeordnet, wobei eine am Oberteil 28 befestigte Klinke 30 einem Vorsprung anliegt, der an einer Halterung 31 ausgebildet ist. Wird die Klinke 30 senkrecht zur Zeichenebene verschoben, dann gibt sie den Vorsprung frei, so daß das 5^r> gesamte Oberteil 28 im Gegenuhrzeigersinn um den Scl.wenkpunkt 29 verschwenkt werden kann, bis die Pipettenspitze in den Flüssigkeitsbehälter eintauchen. Beim Verschwenken des Oberteils 28 verbleibt das eine Ende eines Hebels 32, das auf einem Vorsprung der w> Halterung 31 aufliegt, in Ruhe, während sich das andere Ende nur wenig bewegt, weil der Hebel 32 an einer Stelle 22 gelagert ist, die nahezu mit dem Drehzentrum des Oberteils 28 an der Stelle 29 übereinstimmt. Eine Feder 34 wird daher in der Weise gespannt, daß das <v> Oberteil 28 angehoben würde, wenn nicht die obere Oberfläche der Klinke 30 jetzt unter den Vorsprung der Halterung 31 greifen würde.

Der Hebel 32 trägt in einem Stab 35 einzeln durch Federn vorgespannte Quetschventile 10, die beim Absenken der Pipetten aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Stab 35 und dem Oberteil 28 geöffnet werden. Zum Anheben der Pipetten wird die Klinke aus ihrer Verriegelung mit dem Vorsprung der Halterung 31 gelöst, so daß sie wieder mit der Oberfläche des Vorsprungs in Anlage kommt, nachdem die am Oberteil 28 befestigten Pipetten angehoben worden sind.

Nach dem Absenken der Pipetten in den Flüssigkeitsbehälter und die dadurch bewirkte automatische öffnung der Quetschventile kann der Ballon 11 durch Betätigung eines Hebels 37 mittels eines Handgriffs 36, der bei 33 schwenkbar gelagert und am Hebel 37 befestigt ist, zusammengedrückt werden. Eine nachfolgende Freigabe des Hebels 37 bewirkt eine Ausweitung des Ballons unter Ansaugung von Flüssigkeit in das Vorratsgefäß 3.

Würde die Flüssigkeit zu schnell in das Vorratsgefäß 3 gesaugt, dann würde sie springbrunnenartig das obere Ende des Vorratsgefäßes erreichen und möglicherweise in den übrigen Teil der Pipettiereinrichtung gesaugt, der nur Luft enthalten sollte. Um dies zu vermeiden, ist einerseits jedes Vorratsgefäß 3 mit einer Prallplatte versehen, die ein Teil des Stöpsels 4 ist. Andererseits ist der Ballon 11 mit den Schläuchen 9 durch eine aus einem Kapillarrohr 39 gebildete Rohrschlange verbunden, welche die Füllgeschwindigkeit des Ballons und daher der Vorratsgefäße begrenzt.

Um die Platte 1 in der Weise führen zu können, daQ jede Reihe von Behältern genau unter den Pipettenspitzen gebracht wird, wird die Platte 1 auf einem Tisch 40 angeordnet, dessen Seiten nach oben aufragen und dadurch einen Kanal bilden, in dem die Platte gleiten kann. Am Boden des Tisches sind Stufen 41 nach Art einer Zahnstange ausgebildet. Die Platte wird beim Gebrauch manuell den Tisch entlanggeschoben und gegen eine der Stufen zurückgezogen. Der Tisch ist entfernbar im Traggestell 24 der Pipettiereinrichtung angeordnet, so daß eine Reihe von Behältern exakt unterhalb der Pipettenspitzen angeordnet ist, wenn die Platte gegen eine der Stufen zurückgezogen ist wohingegen der Tisch 40 entfernt werden kann, wenn die Pipettenspitzen beim Füllen bzw. Leeren der Vorratsgefäße 3 durch den Schlitz 27 treten sollen.

Das Verbindungsstück 6 ermöglicht es, die aus Pipetten und Vorratsgefäßen bestehende Einrichtung zwecks Reinigung aus der Pipettiereinrichtung herauszunehmen. An der aus Pipetten und Vorratsgefäßen bestehenden Einrichtung ist ein Stab befestigt, der acht Gummidichtungen enthält, deren eine Seite gegen Metallringe gepreßt werden kann, die in dem Stab getragen sind und zum Anschluß der Röhren 5 dienen während die anderen Seiten der Gummidichtunger gegen die Enden der Metallröhren 7 gepreßt sind, uir eine luftdichte Verbindung zu schaffen, wenn die aus Pipetten und Vorratsbehältern bestehende Einrichtung mit zwei Daumenmuttern, die das Verbindungsstück ί fest gegen die Enden der Metallröhren 7 ziehen, an dei Pipettiereinrichtung befestigt wird.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform det Pipettiereinrichtung ist der alle acht Pipetten betätigende einzige Ballon 11 durch acht einzelne Ballons ersetzt Da in diesem Fall kein Behälter mit irgendeinem anderen Behälter strömungsmäßig in Verbindung kommen kann, sind die Quetschventile 10 überflüssig Während bei Verwendung eines einzigen Ballons eine Rohrschlange und bei Verwendung eines zweiendigen

Ballons die doppelte Anzahl an Rohrschlangen benötigt wird, um die Füllgeschwindigkeit zu begrenzen, müssen bei Verwendung von acht Ballons acht getrennte Rohrschlangen zum Drosseln verwendet werden. Da acht aus einer Kapillare bestehende Rohrschlangen jedoch ziemlich aufwendig sind, werden alternative Formen von Drosseln bevorzugt, nämlich beispielsweise poröse Stopfen in den flexiblen, zu den Ballons führenden Schläuchen. Eine weitere Ausfühmngsform der Drossel besteht aus einem Metallstopfen, der in ein Metallrohr getrieben ist und eine sehr feine spiralförmige Rille besitzt, die vom einen Ende bis zum anderen Ende seiner zylindrischen Oberfläche verläuft und auf diese Weise einen langen, schmalen Luftdurchgang bildet, wenn der Stöpsel in das Metallrohr eingepaßt ist.

Um den Nachteil zu vermeiden, daß der Handgriff 36 vor dem Füllen der Vorratsgefäße aufgrund der Drosselwirkung nur langsam niedergedrückt werden kann, kann auch eine Einrichtung verwendet werden, die zwar ein schnelles Austreiben der Luft aus dem Ballon ermöglicht, die jedoch nur ein langsames Eintreten der Luft zuläßt. Zunächst scheint es auszureichen, an jedem Ballon ein Einwegventil zu befestigen, dessen äußeres Ende in der freien Luft angeordnet ist. Dies würde zwar sicherlich ein schnelles Zusammendrücken und ein nur langsames Neufüllen des Ballons aufgrund der Drosselwirkung ermöglichen. Eine derartige Lösung ist jedoch nicht zulässig, weil wiederholte Betätigungen des Handgriffs 36 zunächst-das Vorratsgefäß und dann die übrige Einrichtung füllen würden. Eine bessere Lösung ist daher in F i g. 3 dargestellt. Der Schlauch 8 ist auf ein spezielles Verbindungsstück 42 gezogen, dessen eines Ende mit einem die Luft drosselnden Stöpsel 43 verschlossen ist und das eine ringförmige Nut besitzt, die durch radiale Löcher mit der Hauptbohrung strömungsmäßig in Verbindung steht. Wenn der Ballon zusammengedrückt wird, dann kann die Luft in Richtung der Pfeile strömen, da der Schlauch 8 durch den Luftdruck vom Verbindungsstück abgehoben wird. Wenn sich der Ballon dann wieder ausdehnt, wird Luft nur durch die Einschnürung 43 gezogen, weil der Schlauch 8 nun aufgrund seiner eigenen Elastizität und aufgrund des Luftdrucks dicht gegen das Verbindungsstück 42 gedrückt ist. Bei Verwendung einer derartigen Einrichtung kann das Vorratsgefäß 3 bei wiederholter Betätigung des Handgriffs 36 nicht überfüllt werden, weil es bei jedem Zusammendrücken des Ballons zunächst entleert und erst dann wieder neu aufgefüllt wird.

Ist es erwünscht, mehrere Tropfen aus jedem Pipettenrohr bei einer Betätigung des Betätigungsknopfes 12 abzugeben, dann werden die Stellungen der Einstellschrauben 19 verändert. Alternativ können mehrere Sätze von Stäben 18 vorgesehen sein, die unterschiedlich eingestellte Einstellschrauben 19 aufweisen. Durch geeignete Wahl der Sätze der Stäbe 18

U) können bei jeder Betätigung des Betätigungsknopfes 12 ein, zwei oder drei Tropfen abgegeben werden.

Die Abgabewirkung kann, beispielsweise durch Verwendung eines Solenoids, mechanisiert werden.

Im folgenden wird eine Analyse des Tropfenmechanismus angeben. Zur Untersuchung der Einzelheiten des Tropfmechanismus ist es erforderlich, die Gleichgewichtsbedingungen zwischen den Kräften, die ein Herausfließen der Flüssigkeit bewirken (Schwerkraft und Kapillarität), und den Kräften, die dem Herausströmen entgegenwirken (reduzierter Luftdruck über die Flüssigkeit und Innendruck des Tropfens), zu ermitteln. Dies wird im folgenden anhand eines vorhandenen und zufriedenstellenden Musters erläutert.

Fig.4 zeigt schematisch ein Vorratsgefäß und ein Pipettenrohr. In Verbindung hiermit werden die obenerwähnten Drücke im geschlossenen Luftraum über der Flüssigkeit bei fünf Stufen während der Tropfenbildung bestimmt

Zusätzlich zu den durch Schwerkraft bedingten Drücken ist ein nach unten gerichteter Kapillardruck zu beachten, der durch den Meniskus einer in einem Rohr abwärts wandernden Flüssigkeit ausgeübt wird. Im Falle einer wäßrigen Lösung und eines Pipettenrohrs aus rostfreiem Stahl benetzt die Flüssigkeit das Metall, so daß der abwärts wandernde Meniskus, der nach unten konkav gewölbt ist, die Flüssigkeit in das Rohr zieht. Die bedeutende feinbohrige öffnung 107 befindet sich daher am Boden des Rohrs 102.

Der durch die Kapillarität bedingte Druck in dem Rohr 102, das eine Feinbohrung von 0,069 cm aufweist, beträgt 4 ■ 80/0,069=4,637 · 10~³ Bar, wobei 8 · 10~⁶ J/cm² die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ist.

Der durch die Kapillarität bedingte Druck in dem daran anschließenden Rohr 108 mit einer Feinbohrung von 0,107 cm beträgt 4 · 80/0,107 = 2,990 · 10-3 Bar.

Die folgenden fünf Stufen sind beim Abwärtswandern der Flüssigkeit zu untersuchen:

1. 2,5 cm Flüssigkeitssäule im Vorratsgefäß bei leeren Pipettenrohren.

2. Die Flüssigkeit tritt soeben in das Rohr 102 mit der Feinbohrung von 0,069 cm ein.

3. Die Flüssigkeit tritt soeben in das Rohr 108 mit der Feinbohrung von 0,107 cm ein.

4. Die Flüssigkeit befindet sich am unteren Ende des Rohrs 108 mit der Feinbohrung von 0,107 cm.

5. Ein halbkugelförmiger Tropfen hat sich am Ende des Rohrs 108 mit der Feinbohrung von 0,107 cm gebildet

Der Atmosphärendruck beträgt etwa 1 Bar.
Die inneren Drücke, die notwendig sind, um bei den fünf Stufen einen Gleichgewichtszustand aufrechtzuerhalten, sind wie folgt:

20

25

30

40

50

2. I

3. I

4. 1

5. I

2,5-981 -10"" = I 2,452-K)"³ = 0,9976 · I (T" Bar

(2.452 + 4,637) · K)"³ = 0,9929 ■ 10"" Bar

(3,135 · 981 ■ ΙΟ"⁶ + 2,990 · KT³) = 0,9939 · 10" Bar

(2,452 · KT³ + 3 · 981 · K)"" + 2,990 · ΚΓ³) = 0,9916 · IO " Bar

(2,452 · ΚΓ³ + 3 ·981 · K)"" - 2,990 · K)"³) = 0,9976 · K)"" Bar

Es ist üblich, die fünf Stufen mit den entsprechenden Vergrößerungen des Volumens des Luftraums oberhalb der Flüssigkeit in Beziehung zu setzen, wenn die Flüssigkeit im Rohr nach unten wandert. Die tatsächliche Länge des Rohrs 108 mit der Feinbohrung von 0,107 cm beträgt 5,339 cm.

ίο

	Volumen	der bei jeder Stufe	aus dem Vorratsbehälter	Innerer Luftdruck	Vergrößerung des
Stufe Vergrößerung des Volumens	ausgetriebenen Flüssigkeit) anzugeben.		Innenvolumens
oberhalb der		Bar■10"1	(Mikroliter)
Flüssigkeit in Mikrolitem	■■' Stute	0,9976	0
		0,9929	0
1. =0		0,9939	2,345
2. =0 3. 0,036932ff0,63-49ml = 2,345	κι 1	0,9916	50,08
4. 2,345 + 0,53352 · 5,339 = 50,08	2	0,9976	50,4
5. 5,008 + 2/3 π ■ O,O53352 = 50,4	3	0,9961	55,08
	4	0,9958	60,08
	5	0,99565	65,08
Der Tabelle können nun die verschiedenen Wachs	ι-, 6	0,99555	70,08
tumsstufen des Tropfens hinzugefügt werden. Da bis	7	0,99548	75,08
zum Abfallen des Tropfens keine definierten Ereignisse	8
vorhanden sind, die das Wachstum des Tropfens	9
kennzeichnen könnten, ist es üblich, diese Stufen durch	10

das Tropfenvolumen zu kennzeichnen. Das maximale Tropfenvolumen beträgt 0,025 ml, so daß Stufen zwischen 0,005 und 0,025 ml in Abständen von je 0,005 ml üblich sind. Entsprechend der jeweiligen Stufe während des Tropfenwachstums lassen sich die inneren Drucke berechnen, die, wenn sie zu dem durch die Flüssigkeitssäule 0,9946 · 10"⁶ Bar bedingten Druck bei der Stufe 4 addiert werden, den Druck über der Flüssigkeit angeben.

20

Stufe	Tropfen	T'opfen-	Druck über
	volumen	firuck	der Flüssigkeit
	(Mikroliter)	Bar·10"3	Bar· 10"6
6	5	1,509	0,9961
7	10	1,198	0,9958
8	15	1,046	0,99565
9	20	0,9501	0,99555
10	25	0,8820	0,99548

40

Die Tabellen können nun kombiniert werden, um die Beziehung zwischen dem inneren Druck und der Vergrößerung des inneren Volumens (d. h. dem Nachdem nun die Beziehung zwischen dem inneren Luftdruck vorliegt, der bei jeder Stufe zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtszustands (aufgetragen in F i g. 5) benötigt wird, muß herausgefunden werden, wie sich der innere Luftdruck ändert, wenn die Flüssigkeit aus dem Vorratsgefäß herausströmt und dadurch die Luftmenge oberhalb der Flüssigkeit vergrößert. Nachdem diese Beziehung für aufeinanderfolgende, abnehmende Volumina oberhalb der Flüssigkeit gefunden und auf derselben Skala wie die Beziehung zwischen dem inneren, zum Halten eines aus dem Behälter herausgetriebenen Flüssigkeitsvolumens benötigten Druck aufgetragen worden ist, ergeben die Schnittpunkte zwischen der ersten Kurve und dem Satz von geraden Linien die Gleichgewichtspunkte für jede aufeinanderfolgende, durch Drücken des Betätigungsknopfes verursachte Abnahme der inneren Luftmenge.

Die beiden extremen Bedingungen, unter denen diese Beziehung gefunden werden muß, ergeben sich, wenn das Vorratsgefäß gefüllt bzw. nahezu leer ist, wodurch eine größere Änderung der inneren Luftmenge festgelegt ist.

Die verschiedenen Volumina errechnen sich wie folgt:

Luftmenge im vollen Vorratsgefäß

Luftmenge im kleinen Rohr

Luftmenge im großen Rohr

Luftmenge oberhalb der Flüssigkeit bei vollem Vorratsgeiaß Luftmenge im nahezu leeren Vorratsgefäß

Luftmenge im kleinen Rohr

Luftmenge im großen Rohr

Luftmenge oberhalb der Flüssigkeit bei fast leerem Vorratsgefäß

0,5	xO,6352	X	= 0,633	ml
I	χ 0,0752	X	= 0,194	ml
4	xO,3152	X	= 1,247	ml
			= 2,074	ml
2,5	χ O,6352	X	= 3,167	ml
			= 0,194	ml
			= 1,247	ml

= 4,608 ml

Bei Beginn der Stufe 2 ergeben sich unter der Voraussetzung, daß sich das System bei vollem Vorratsgefäß im Gleichgewicht befindet, die Werte P\ =0,9929 · 10-³ Bar und V₍-2,074 ml. Wenn nun die innere Luftmenge durch Herausströmen einer Flüssigkeitsmenge von 0,005 ml auf V₂ - 2,079 ml vergrößert ist ergibt sich

P₂-0,9929 · 2,074 · 10-V2.079-0,99051 · 10"³ Bar.

Es kann nun eine Linie (Fig.5) gezogen werden, welche diejenigen Punkte verbindet, welche durch einen Flüssigkeitsauslauf von Null und einen Druck 0,9929· 10-³Bar bzw. einen Flüssigkeitsauslauf von ho fünf Mikroliter und einen Druck von 0,99051 · 19~³Bar definiert sind. Wenn Vi durch Herabdrücken des Betätigungsknopfes um 0,01 ml auf 2,064 ml verringert wird, dann beträgt der zugehörige Druck

0,9929 · 2,074 · 10-V2,064->0,99771 · 10"^JBar,

hl wobei dieser Wert und ein Flüssigkeitsauslauf von Null den oberen Punkt für eine andere Linie geben. Nachdem 0,01 ml der Flüssigkeit ausgelaufen sind, ist das Volumen

nochmals auf den Wert 2,074 ml zurückgekehrt, so daß der entsprechende Druck nun

0,9971 · 2,064 · 10-V2.074 = 0,9929 · 10"³ Bar

beträgt, wobei dieser Wert und 0,01 ml ausgelaufener Flüssigkeit den unteren Punkt für eine weitere Linie liefern. Ähnliche Linien in Intervallen von 0,01 ml sind in Fig.5 aufgetragen, wobei diese Linien genaugenommen hyperbelartig verlaufen. Die durch Zeichnung von Geraden vorgenommene Näherung führt allerdings zu vernachlässigbaren Fehlern.

F i g. 6 zeigt die Verhältnisse, wenn ein nahezu leeres Vorratsgefäß verwendet wird. Die erhaltene Kurve hat zwar dieselbe Form wie die Kurve nach F i g. 5, doch ist diese Kurve aufgrund der verringerten Flüssigkeitssäule angehoben, während die Geraden eine weit geringere Steigung als die entsprechenden Geraden der F i g. 5 aufweisen, was durch die vergrößerte Luftmenge oberhalb der Flüssigkeit bedingt ist.

Aus F i g. 5 läßt sich das Ergebnis der Herabdrückens des Betätigungsknopfes ersehen. Es sei angenommen, daß sich das System bei der Stufe 2 im Gleichgewicht befindet Die Stufe 1 ist instabil, weil der Druck von der Stufe 1 auf den Druck der Stufe 2 abfällt, ohne daß irgendeine Flüssigkeit den Flüssigkeitsbehälter verläßt. Die steilen Geraden, die dem Verhalten bei einem vollen Vorratsgefäß entsprechen, sind in Schritten von 0,01 ml beabstandet, wobei sich von links nach rechts das Volumen verringert und der Druck erhöht. Durch die ersten Schritte der Volumenverkleinerung wird die Flüssigkeitssäule im Pipettenrohr nach unten gegen die Stufe 4 transportiert, wobei jeder Punkt durch den Schritt einer Geraden des Satzes von Geraden mit der Kurve gegeben ist. Nachdem die Flüssigkeit das Ende des Rohrs erreicht hat, ist eine beträchtliche Abnahme der inneren Luftmenge notwendig, um den zur Bildung des Tropfens erforderlichen Druck zu schaffen. Bei Stufe 5 ist der maximale Tropfendruck erreicht, weil dann der Tropfenradius gleich dem Radius der Rohrbohrung ist Nur eine geringe Abnahme des inneren Volumens ist nun notwendig, um den Tropfen bis zu demjenigen Wert zu vergrößern, bei dem er abfällt, da der innere Tropfendruck beim Wachsen des Tropfens abnimmt Beim Erreichen der Stufe 10 fällt der Tropfen ab, und der zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts erforderliche Druck steigt sofort auf den Maximalwert, wonach er dann wieder abfällt, wenn sich ein neuer Tropfen zu bilden beginnt, weil das minimale Volumen beim vollen Herabdrücken des Betätigungsknopfes zwar den zum Austreiben eines Tropfens erforderlichen Druck geringfügig übersteigt, den zum Heraustreiben von zwei Tropfen erforderlichen Druck jedoch nicht erreicht. Die Flüssigkeit kommt daher nach dem Austreiben eines Tropfens zur Ruhe, wobei ein zweiter, schon mehr oder weniger stark ausgebildeter Tropfen herabhängt, was von der Einstellung der Einstellschrauben 19 in F i g. 2 abhängig ist.

Aus Fig.5 ergibt sich, daß diese Einstellung nicht sehr kritisch ist, weil das Volumen des zweiten Tropfens anfangs nicht sehr schnell mit dem inneren Druck wächst. Nachdem der Betätigungsknopf freigegeben ist, wird Flüssigkeit, gefolgt von Luft, in das Vorratsgefäß gezogen, wobei die nachfolgende Luft als Blase an die Oberfläche entweicht und sich das Gleichgewicht der Stufe 2 einstellt, so daß die Pipettiereinrichtung für eine neue Betätigung des Betätigungsknopfes zwecks Austreibung eines weiteren Tropfens betriibübereit ist.

Wenn das Vorratsgefäß nahezu leer ist, stellen sich die Verhältnisse gemäß Fig.6 ein, wobei die Gleichgewichtspunkte bei Verringerung der Luftmenge wiederum durch die Schnittpunkte zwischen den Geraden und ^r> der Kurve dargestellt sind.

Interessant ist, daß nun eine Zone der Instabilität auftritt. Wenn nämlich eine zu den anderen Linien des Satzes parallele Linie durch den Punkt der Stufe 5 gezogen wird, dann zeigt sich, daß keine Abnahme der

in inneren Luftmenge erforderlich ist, um das Gleichgewicht nach recht zu verschieben, so daß die Stufe 6 nicht erreicht wird und sich das Gleichgewicht etwa bei der Stufe 7 wieder einstellt. Dies bedeutet, daß kleine Tropfen zu einem großen Tropfen selbst dann wachsen,

ι ·> wenn der Betätigungsknopf in dem Moment angehalten wird, in dem sich der kleine Tropfen zu bilden beginnt.

Wenn die Einstellschraube 19 derart eingestellt ist, daß die maximale Volumenverkleinerung Linien j bzw. / in F i g. 5 und 6 entspricht, dann arbeitet die Pipettiereinrichtung bei vollem sowie nahezu leerem Vorratsgefäß. Ist das Vorratsgefäß voll, dann bildet sich ein kleiner hängender Tropfen von etwa 0,009 ml entsprechend dem Schnittpunkt der Linie j mit der Kurve. Ist der Behälter dagegen nahezu leer, dann bildet sich, wie aus

2) dem Schnittpunkt der Linie /mit der Kurve ersichtlich ist, kein hängender Tropfen. Einstellungen, die einer geringeren Volumenverkleinerung wie beispielsweise die Kurve /und /entsprechend, würden das Austreiben eines Tropfen bei nahezu leerem Vorratsbehälter

ίο verhindern.

In konstruktiver Hinsicht ist zu beachten, daß die Luftmenge oberhalb der Flüssigkeit beim Leeren des Vorratsgefäßes nicht auf einen solchen Wert erhöht werden darf, daß keine Einstellung mehr möglich ist, die

r> die Abgabe eines einzelnen Tropfens bei vollem und auch bei nahezu leerem Behälter sicherstellt Mit anderen Worten ist das Verhältnis des Flüssigkeitsvolumens im vollen Vorratsgefäß zur Luftmenge oberhalb der Flüssigkeit bei vollem Vorratsgefäß wichtig. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis 3,167/2,074=1,53 und sollte nicht wesentlich überschritten werden.

Das Rohr mit geringem Durchmesser am oberen Ende der Pipette hat einen dreifachen Zweck. Ersten

·)> stellt dieses Rohr eine sichere Ausgangsposition dadurch her, daß ein definierter Druckanstieg notwendig ist, bevor die Flüssigkeit in dem Rohr mit großem Durchmesser nach unten wandern kann. Zweitens verhindert das Rohr mit kleinem Durchmesser, daß die

)() Flüssigkeit an den Seiten des Rohrs mit großen Durchmesser nach unten kriecht, weil der Meniskus fest im Rohr mit kleinem Durchmesser gehalten wird. Drittens ermöglicht das Rohr mit kleinem Durchmesser das Ansteigen einer einzelnen Luftblase in das

v> Vorratsgefäß, die etwa das richtige Volumen besitzt. Wenn durchweg ein Rohr mit geringem Durchmesser verwendet würde, dann würde die Pipettiereinrichtung sich zwar entsprechend verhalten, doch würde sie aufgrund der verringerten Strömungsgeschwindigkeit

ho durch das lange Rohr mit geringem Durchmesser sehr langsam arbeiten.

Die vorstehende Analyse ist etwas vereinfacht. In der Praxis ergibt sich eine noch bessere Betriebsweise, als sie durch die Analyse zum Ausdruck kommt. Die

h. Analyse bietet jedoch eine Grundlage, anhand der die optimalen Einstellungen experimentell gewonnen werden können.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Mikropipettiereinrichtung mit wenigstens einem kapillaren, ein Tropfende aufweisenden Pipettierrohr und mit einer Steuervorrichtung zur Verkleinerung und anschließenden Vergrößerung des Volumens eines oberhalb des Pipettierrohrs vorgesehenen Luftraums, dadurch gekennzeichnet, daß das Pipettierrohr (2) in ein Vorratsgefäß (3,101) mündet, das die abzugebende Flüssigkeit und oberhalb derselben den Luftraum enthält, und wenigstens in seinem am Vorratsgefäß (3,101) endenden Mündungsabschnitt eine Bohrung (102) von solcher Feinheit aufweist, daß sich bei Normaldruck innerhalb des Luftraums an einem Ende der Feinbohrung (102) längs einer Referenzlinie ein Meniskus ausbildet, und daß die Steuervorrichtung (12—23,103) derart eingerichtet ist, daß die Volumenverkleinerung des Luftraums zu Abgabe einer vorgewählten Anzahl von Flüssigkeitstropfen mit einem vom Durchmesser des Tropfendes abhängigen Volumen und die Volumenvergrößerung zur Rückkehr des Meniskus zur Referenzlinie führt.

2. Mikropipettiereinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Behälter (3 bis 9) das Vorratsgefäß (3) und einen unter dem Einfluß der Steuervorrichtung (12 bis 23) stehenden, strömungsmäßig mit dem Luftraum oberhalb der Flüssigkeit (104) verbundenen Abschnitt (8) mit veränderbarem Volumen aufweist.

3. Mikropipettiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (8) mit veränderbarem Volumen einen flexiblen Schlauch enthält.

4. Mikropipettiereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (3 bis 9) mit einem flexiblen Ballon (11) derart verbindbar ist, daß eine wenigstens den; Volumen des Vorratsgefäßes (3) entsprechende Luftmenge zwecks Füllung des Vorratsgefäßes (3) aus dem Behälter (3 bis 9) verdrängbar ist.

5. Mikropipettiereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (7) zum schnellen Verdrängen von Luft aus dem Ballon (11) durch den Behälter (3 bis 9) und zum langsamen Ansaugen von Luft durch den Behälter (3 bis 9) in den Ballon (11) vorgesehen ist.

6. Mikropipettiereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spritzschutz (4) zur Vermeidung des Eintritts der Flüssigkeit aus dem Vorratsgefäß in den übrigen Teil des Behälters beim Füllvorgang vorgesehen ist.

7. Mikropipettiereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (12 bis 23) ein manuell betätigbares, flexibles Element (13) aufweist, mit dem ein starres Volumtnänderungsorgan (20, 21) zwischen Anschlägen (19,23) hin- und herbewegbar ist.