DE2415021C3 - Mikropipettiereinrichtung - Google Patents
MikropipettiereinrichtungInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
- B01L3/02—Burettes; Pipettes
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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.
Mikropipetten 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 vca 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
Kleine, vorgewählte Flüssigkeitsmengen vca 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
υ 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
ία 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
2ri 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
jo 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
Γ) 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 Mikropipeltiereinrichtiingen
der beschriebenen Art, mit denen Flüssigkeitstropfen eines vorgewählten Volumens wiederholt zuverlässig,
schnell und ohne Ermüdung der Bedienungsperson abgegeben werden können. Vorzugsweise sollten acht
•r> 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
T> seinem am Vonatsgefäß 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
M) 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 Referenzli-
nie 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 r, 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 des Volumens des Luftraums in den Behälter zurückgesaugt wird. Da
die Flüssigkeit nach dem Zurücksaugen und vor Beginn des nächsten Abgabevorgangs wieder eine τ 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 Volumenänderungs- jo
organs fest sofern die Bewegung des flexiblen Elements einen Minimalwert übersteigt, so daß das Behältervolu
men wiederholt um ein vorgegebenes Volumen verändert werden kann.
Mit dem Behälter kann schließlich über ein Ventil ein π
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
erfindun£5gemäßen Pipettiereinric'itung,
F i g. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäCe Pipettiereinrichtung,
F i g. 3 zwei schematische Schnitte durch ein Drosselventil der Pipettiereinrichtung nach F i g. 2, w
F i g. 4 schematisch ein Vorratsgefäß mit einem Pipettier-ohr zur Darstellung eines numerischen Beispiels.
F i g. 5 und 6 Schaubilder zur Erklärung des Beispiels nach F i g. 4. γ,
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 mi
das Vorrätsgefäß 101 mündenden Mündungsäbschnitt 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 Pipnitierrohr zu füllen. Zur Aufgabe
eines Tropfens der Flüssigkeit 104 wird der Kolben 103 gemäß Fi 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 Volumen eines Tropfens ist, der sich am Tropfende des
Pipettierrohrs bilden und dann abfallen soll. Das Volumen des Tropfens ist durch die Dimensionen dec
Tropfendes des Pipettierrohrs und durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit 104 vorgegeben. Wird das
Behältervolumen um ein etwas größeres Volumen verkleinert, dann beginnt sich zwar am Tropfende ein
neuer Tronfen zu bilden, doch wird trotzdem nur ein einziger Tropfen abgegeben, solange das überschüssige
Volumen kleiner als das Volumen eines weiteren 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 <<£olbens über ein
großes Volumen hinweg Tropfen gleicher Größe entnommen werden.
Die Bedeutung der beschriebenen Betriebsweise besteut 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 Tropfzyklus ist Auf diese Weise werden 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 achi 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 zeig:, kann eine Platte 1 in horizontaler Richtung vor links ηεοΐι 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 ln normalerweise verschlossen gehalten
ist. Das andere Ende des Schlauchs 9 ist mit einem Ballon 11 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 elas asche 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 F i g. 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 Verformung
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 in 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
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 Schütz 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
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 füllen oder zu leeren, dann werden die Quetschventile 10
gelöst, wodurch die Behälter mit dem Ballon verbunden sind. Beim Zusammendrücken des Ballons 11 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
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
gesamte Oberteil 28 im Gegenuhrzeigersinn um den Schwenkpunkt 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 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 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.
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,
weiche die Füllgeschwindigkeit des Ballons und daher der Vorratsgefäße begrenzt
Um die Platte 1 in der Weise führen zu können, daß 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 geg.η
Metallringe gepreßt werden kann, die in dem Stab getragen sind und zum Anschluß der Röhren 5 dienen,
während die anderen Seiten der Gummidichtungen gegen die Enden der Metallröhren 7 gepreßt sind, um
eine luftdichte Verbindung zu schaffen, wenn die aus Pipetten und Vorratsbehältern bestehende Einrichtung
mit zwei Daumenmuttern, die das Verbindungsstück 6 fest gegen die Enden der Metallröhren 7 ziehen, an der
Pipettiereinrichtung befestigt wird.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform der 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 Quetschventiie iö 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 Ausführungsform
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 gedruckt 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 IS 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 · 10-6J/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 · IO-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:
1. 1 2,5-981-10-" = I- Ζ452-ΚΓ3 = 0.9976 · 10"" Bar
2. I - (2,452 + 4.637) · IO~3 = 0.9929 -10"" Bar
3. I —(3.135-981 ■ 10"6 + 2,990- 10"3) = 0.9939 ■ 106 Bar
4. 1 - (2,452 · IO"3 + 3 -981 - 10~h + 2.990 · 10"3) = 0.9916 · I0~6 Bar
5. i (2.452 ■ 1O~3 + 3 ■ 981 · 10" - 2,990 ■ IO"3) = 0.9976 - 10~6 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 5339 cm.
10
Volumen | der bei iedef' Stufe | aus dem Vorratsbehälter | Innerer Luftdruck | Vergrößerung des | |
Stufe Vergrößerung des Volumens |
ausgetriebenen Flüssigkeit) anzugeben. | Innenvoliimens | |||
oberhalb der | Bar-10 ' | (Mikroliler) | |||
Flüssigkeit in Mikrolitern |
r> Stufe | 0,9976 | 0 | ||
0,9929 | 0 | ||||
I. =0 | 0,9939 | 2,345 | |||
2. =0 3. 0,036932ff-0,63-49ml = 2,345 |
in 1 | 0,9916 | 50,08 | ||
4. 2,345 + Ö,53352· 5,339 = 50,08 | 2 | 0,9976 | 50,4 | ||
5. 5,008 + 2/3 ;r · 0,053352 = 50,4 | 3 | 0,9961 | 55,08 | ||
4 | 0,9958 | 60,08 | |||
5 | 0,99565 | 65,08 | |||
Der Tabelle können nun die verschiedenen Wachs | 15 6 | 0,99555 | 70,08 | ||
tumsstufen des Tropfens hinzugefügt werden. Da bis | 7 | 0,99548 | 75.Ü8 | ||
zum Abfallen des Tropfens keine definierten Ereignisse | 8 | ||||
vorhanden sind, die das Wachstum des Tropfens | 9 | ||||
KeiinzeiOrineii KÖnriien, ist es üblich, diese atufen durch | iö | ||||
: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
25
Stufe | Tropfcn- | Tropfen | Druck über |
volumen | druck | 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 leei ist, wodurch
eine größere Änderung der inneren Luftmenge festgelegt ist
Die verschiedenen Volumina errechnen sich wie folgt:
Luftmenge im vollen Vorralsgefäß
Luftmenge im kleinen Rohr
Luftmenge im großen Rohr
Luftmenge oberhalb der Flüssigkeit bei vollem Vorratsgelaß Luftmenge im nahezu leeren Vornitsgefäß
Luftmenge im kleinen Rohr
Luftmenge im großen Rohr
Luftmenge oberhalb der Flüssigkeit bei fast leerem Vorratsgefäß
= 0.5 χ 0.6352 χ =
= II χ 0,0752x =
= 4 χ 0,3152x =
= II χ 0,0752x =
= 4 χ 0,3152x =
= 2,5 χ 0,6352x =
0.633 ml
0.194 ml
1.247 ml
2.074 ml
3.167 ml
= 0,194 ml
= 1,247 ml
0.194 ml
1.247 ml
2.074 ml
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 Pi =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 · 10~3/2,079=0,99051 · 10-3 Bar.
Es kann nun eine Linie (Fig.5) gezogen werden,
welche diejenigen Punkte verbindet, weiche durch einen
60 Flüssigkeitsauslauf von Null und einen Druck 0,9929 · ΙΟ"3 Bar bzw. einen Flüssigkeitsauslauf von
fünf Mikroliter und einen Druck von 0,99051 · 19-3 Bar
definiert sind. Wenn Vj durch Herabdrücken des Betätigungsknopfes um 0,01 ml auf 2,064 ml verringert
wird, dann beträgt der zugehörige Druck
0,9929 · 2,074 · 10-3/2,064=0,99771 - 10"3Bar,
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 entSDrechende 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.
Fi 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 Fig.5
aufweisen, was durch die vergrößerte Luftmenge oberhalb der Flüssigkeit bedingt ist.
Aus F i p. 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 betriebsbereit ist Wenn das Vorratsgefäß nahezu leer ist, stellen sich die
Verhältnisse gemäß F i g. 6 ein, wobei die Gleichgewichtspunkte bei Verringerung der Luftmenge wiederum
durch die Schnittpunkte zwischen den Geraden und 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
ίο 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,
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
dem Schnittpunkt der Linie / mit der Kurve ersichtlich ist, kein hängender Tropfen. Einstellungen, dit einer
geringeren Volumenverkleinerung wie beisp.elsweise die Kurve /und /entsprechend, wurden das Austreiben
eines Tropfen bei nahezu leerem Vorratsbehälter
jo 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
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 a«w oberen
Ende der Pipette hat einen dreifachen Zweck. Ersten •43 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 r> Vorratsgefäß, die etwa das richtige Volumen besitzt
Wenn durchweg ein Rohr mit geringem Durchmesser verwendet würde, dann würde die Pipettiereinrichiung
sich zwar entsprechend verhalten, doch würde sie aufgrund der verringerten Strömungsgeschwindigkeit
bo 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 in Analyse bietet jedoch eine Grundlage, anhand der die
optimalen Einstellungen experimentell gewonnen werden können.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
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
Volumenv^rkleinerung 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.
Z 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. Mikropipette« Inrichti ,ig nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (8) mit veränderbarem Volumen eint ι 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 dem Volumen
des Vorratsgefäßes (3) entsprechende Luftmenge fcwecks 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) zui 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 fcetätigbares, flexibles Element (13) aufweist, mit
dem ein starres Volumenänderungsorgan (20, 21) twischen Anschlägen (19, 23) hin- und herbewegbar
tst.
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Family Applications (1)
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DE10337484B4 (de) | 2003-08-14 | 2005-05-25 | Zengerle, Roland, Prof. Dr. | Mikrodosiervorrichtung und Verfahren zur dosierten Abgabe von Flüssigkeiten |
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