DE3531241A1 - Vorrichtung zur gesteuerten ausgabe von fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gesteuerten Ausgabe von Flüssigkeiten, mit einer Kanüle zur Aufnahme der Flüssigkeit und einem axial bewegbaren Druckgeber an einem Ende der Kanüle, wobei zwischen Kanüle und Druckgeber insbesondere eine in ihrem Volumen gleichbleibende Verbin­ dung angeordnet ist.

Solche Vorrichtungen sind als Pipettiervorrichtungen, z. B. DE P 12 91 142, bekannt. Dabei ist der Druckgeber ein durch Hand betätigbarer Kolben, der in einer zylindrischen Führung bewegbar ist, auf welcher am freien Ende der Pipet­ te eine Pipettenspitze zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit angeordnet ist. Durch die Handbetätigung ist die Kolben­ bewegung undefiniert im Verlauf des Hubes und - wenn keine Anschläge vorgesehen sind - auch in der Länge des Hubes. Solche Anschläge sind aber beispielsweise bei einer Pipet­ te aus der DE P 10 90 449 bekannt. Eine exakte Anpassungs­ fähigkeit fehlt daher.

Eine Dosierung der Aufnahme- und Abgabevolumina bei Pipetten ist beispielsweise aus der DE P 25 49 477 und . . . (Anmeldung DE OS 32 04 178.01-52) bekannt.

Bei bekannten Pipettiervorrichtungen ist zwischen dem Kolben und dem aufzunehmenden Volumen der Flüssigkeit ein Luftpolster belassen, damit der Kolben nicht von der Flüssigkeit verunreinigt wird.

Eine solche Pipettiervorrichtung ist ein Handgerät für Labortätigkeiten.

Entsprechende Vorrichtungen sind auch in Form von Injek­ tionsspritzen bekannt, die als Kanüle eine Nadel haben, in welche durch Kolbenbewegung Flüssigkeit bis an den Kolben eingesaugt und wieder herausgestoßen werden kann.

In Form einer Spritze wird auch der hohle Durchgang eines zylindrischen Saugkörpers gefüllt oder entleert, wie aus der Europ. Pat. Anm. 0 032 719 hervorgeht. Solche Probe­ nahme-Vorrichtung eignet sich nicht für besondere Steue­ rungen zur Ausgabe von Flüssigkeiten, insbesondere kleinster Mengen.

Die Erfindung befaßt sich im Zusammenhang mit der Vor­ richtung mit zwei Arten von Flüssigkeiten.

Einmal handelt es sich um eine Flüssigkeit mit höherem Partialdruck als eine wäßrige Lösung. Diese tropft bei unbeabsichtigtem Austritt leicht ab und verdampft bei Freigabe, so daß sie in besonderer Weise gehandhabt werden muß, wenn sie dosiert ausgegeben werden soll. Beispiels­ weise wird in diesem Zusammenhang als Flüssigkeit Methanol angeführt, das als Lösungs- und Reinigungsmittel vielfachen Einsatz findet. Entsprechend wird eine Gruppe von Flüssig­ keiten einbezogen, die sämtliche organische Flüssigkeiten beinhalten kann.

Zum anderen handelt es sich um Probenflüssigkeiten, die in lebende Zellen injiziert werden, wobei die Größen­ ordnung im Bereich der pl-Technik liegt. Bei ihr ergeben sich auch besondere Probleme hinsichtlich der Ausführung der Kanüle mit Querschnittsöffnung und gezogener Spitze in einer geringen Größenordnung, wie aus der DE-OS 32 04 040 bekannt ist. Unter Berücksichtigung, daß µ-Kapillaren verwendet werden, um die sehr kleine Proben­ volumina je zu injizierender Zelle zu behandeln. Diese Volumina liegen im Bereich von 10^-11 bis 10^-13 µl. Um eine solche Injektion durchführen zu können, wird eine µ-Kapillare mit gezogener Spitze verwendet, deren Außen­ durchmesser bei 1 µm und der Innendurchmesser bei 0,5 µm liegen, um überhaupt die Aufgabe der Behandlung lebender Zellen erreichen zu können. Solche Abmessungen sind für die Erfindung einbezogen.

Bei solchen Spitzen ergeben sich besondere Probleme auch hinsichtlich der Überwachung, insbesondere dann, wenn bei Injizierung in lebende Zellen eine Kontrolle durch Potentialänderung erfolgt. Beispielsweise wird da­ bei mit leitfähigen Flüssigkeiten verschiedener Zusammen­ setzung gearbeitet. Dazu wird auf die Dissertation EFFEKTE VON KALZIUM UND ANDEREN DIVALENTEN KATIONEN AUF DIE KONDUKTIVITÄT ELEKTRISCH ERREGBARER MEBRANEN, Gerhard Hofmeier, 1979, der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität München, Seite 28, 29, verwiesen. Die Leitfähigkeit wird zur Überwachung aus­ genutzt im Zusammenhang mit einer elektrischen Potential­ änderung. Die Druckbildung erfolgt über Pneumatikbauteile, insbesondere aus einem vorhandenen Druckluftnetz über Druckregler und dergleichen. Dazu ist eine Fremdanlage notwendig, wobei der Übergang aus einem Hausdruckluftnetz oder aus einem Druckgas-Reservoir in eine außerordentlich fein zu bearbeitende Steuerung einen erheblichen Aufwand erfordert.

Mit Druckquellen in Form eines Gasdruckes arbeitet auch die bereits erwähnte Ausführung nach der DE-OS 32 04 040. Dabei wird die mit der Flüssigkeit gefüllte Kapillare über einen µ-Manipulator geführt und aus den zwei Gas­ luftquellen unter einer Ventilsteuerung betrieben, und zwar derart, daß eine Beaufschlagung mit drei Gasdrücken möglich ist. Hierbei handelt es sich einmal um einen verhältnismäßig hohen Druck zum Durchblasen der Spitze, zum anderen um einen niedrigeren Injektionsdruck und ferner noch um einen demgegenüber herabgesetzten Halte­ druck. Diese Drücke können von Hand durch ein Drei­ stellungsventil eingestellt werden. In einem Fall kommt aus der einen Gasdruckquelle der Injektionsdruck, der in einer Ventilstellung so weit über eine Drossel gedämpft werden kann, daß ein Überschwingen verhindert wird. Die Umschaltung auf die andere Gasdruckquelle führt dann zu dem zuerst erwähnten Druck zum Durchblasen der Spitze.

Diese bekannte Ausführung ist aufwendig, weil sie von Fall zu Fall eingestellt werden muß. Auch wenn Regelventile zwischengeschaltet werden, führt eine der Druckänderungen in den Quellen zu abweichenden Drücken an der Kapillare. Die Druckvorräte müssen extern bereitgehalten werden. Die Druckregler selbst stellen einen zusätzlichen Aufwand aufgrund des Erfordernisses der zeitweiligen Druckabglei­ chung dar. Eine Programmierung für einen bestimmten Ablauf oder die Berücksichtigung der unterschiedlichen Zellmembra­ ne-Eigenschaften von Zelle zu Zelle ist praktisch nicht möglich. Eine solche Programmierung ist aber auch hinsicht­ lich der beiden verschiedenen Flüssigkeitsarten bezüglich ihres Einsatzes vielfach erwünscht.

Besonders bei feinfühligen Steuerungen mit exakt dosierten Ausgaben von Flüssigkeiten ist aus "Methods in Enzymology, Volume 79, Interferons, Part B, 1981" Seite 78 bekannt, Verbindungen im Zusammenhang mit der Hochdruck-Chromato­ graphy flexibel genug zu machen, um keine Vibrationen auf eine µ-Pipette zu übertragen. Eine solche Ausgestal­ tung von Verbindungen ist problematisch, weil sie einer­ seits auch Schwingungen anregt und andererseits durch Deformationen Volumenänderungen herbeiführen kann, die keine genauen Dosierungen zulassen, auch wenn noch eine genügend starre Ausführung der Verbindungen angesprochen ist. Da Deformationen klein sein sollen, lassen sich solche bei einer im Sinne einer Schwingungsdämpfung flexiblen Ausführung nicht vermeiden, so daß die genannten Nachteile auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der eingangs angegebenen Art auch im Hinblick auf die gesteuerte Ausgabe der beiden Flüssigkeitsarten dahingehend zu verbessern, daß jegliche externe Druck­ versorgung oder Vorratshaltung von Druckbehältern, die Platz und Geräte erfordern, vermieden werden und trotzdem eine Ausführung geschaffen wird, die mit einfachen Mitteln auf kleinem Raum auskommt und an programmierte Abläufe anpaßbar ist, wobei durch eine der Programmierung ver­ gleichbare Einstellung auch genaue Druckwerte in den in Frage kommenden Toleranzbereichen eingehalten werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Druckgeber und Kanüle, insbesondere in der Ver­ bindung wenigstens ein Drucksensor angeordnet ist und eine Regelverbindung zwischen dem Drucksensor und einer Antriebs­ einrichtung für den Druckgeber vorgesehen ist. Der Ausdruck "wenigstens ein Drucksensor" bezieht ein, daß auch mehrere solcher Drucksensoren für unterschiedliche Bereiche ange­ ordnet sind.

Die Einschaltung des Drucksensors praktisch in der Aus­ gabestrecke in die Betätigung der Antriebseinrichtung läßt durch entsprechende Einstellung jede Anpassung zu, bildet aber auch eine unmittelbare Überwachung für die Tätigkeit des Druckgebers, der in diesem Fall nicht handgetrieben, sondern von der Antriebseinrichtung beweg­ bar und daher steuerbar ist.

In einigen Anwendungen kann eine Verbindung zwischen Kanüle und Druckgeber nicht nur flexibel, sondern auch bis zu einem gewissen Maße elastisch sein, wenn im µl- Bereich gearbeitet wird. Ein solches gleichbleibendes Volu­ men wird beim Einsatz in der nl- bzw. pl-technik vorgesehen.

Mit besonderem Vorteil ist die Antriebseinrichtung für den Druckgeber umsteuerbar und dieser Druckgeber in ver­ schiedene Richtungen einstellbar. Hierbei läßt sich nicht nur ein Ausgabedruck für die Flüssigkeit einstellen, sondern auch über einen Haltedruck hinausgehend eine Rückführung der Druckwerte an der Kanülenspitze. Das ist besonders vorteilhaft, wenn mit der Kanüle zugleich An­ teile, insbesondere einer Flüssigkeit aufgenommen und übertragen werden sollen, d. h. ein Vorgang vollzogen wird, der über das Halten der Flüssigkeit hinausgeht.

Eine solche Umsteuerung kann zwar auch in Abhängigkeit von Ausgangsgrößen des Drucksensors erfolgen. Sie wird aber in erster Linie in Abhängigkeit von eingespeisten Programmen durchgeführt. Solche Programme bilden praktisch Steuercharakteristika, die vorgehalten werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druckgeber ein Kolben, der in einer zylindrischen Führung bewegbar ist, an die die Verbindung angeschlossen ist. Dadurch wird praktisch eine Kolbenpumpe geschaffen, mit der die Untersteuerung des Drucksensors mit großem Auflösungs­ vermögen sehr fein steuerbar ist.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der Druckgeber eine Membrane in einem Gehäuse, an das die Kanüle oder ein entsprechendes Element, gegebenen­ falls auch als Zwischenglied die Verbindung angeschlossen ist. Diese Membrane läßt sich durch die Antriebseinrich­ tung in beiden Richtungen auswölben, so daß dadurch An­ triebsimpulse bzw. Druckverhältnisse in der Kanüle ein­ stellbar sind.

Mit diesem Druckgeber weist die Antriebseinrichtung in einer zweckmäßigen Ausgestaltung eine hin- und herbeweg­ bare Stange in Form einer Kolbenstange oder einer Spindel auf, die mit dem Druckgeber in Verbindung steht. Dabei ist die Antriebseinrichtung selbst in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Schrittmotor, der unter einer Dreh­ winkel-Überwachung steht. Solche Schrittmotoren sind bekannt und geeignet, einen Antrieb in kleinsten Schritten zwecks guter Dosierung durchzuführen.

In einer anderen vorteilhaften Ausführung ist die Antriebs­ einrichtung eine Magnetanordnung, die mit dem Druckgeber, insbesondere mit einer Zusatzeinrichtung zusammenwirkt, wobei die Magnetanordnung einstellbar ist. Die Einstellung kann räumlich auch entlang der Bewegungsstrecke des Druck­ sensors vorgesehen sein.

Eine solche Antriebseinrichtung eignet sich besonders im Zusammenhang mit einem Druckgeber in Form einer Membrane. Dabei wird nicht ausgeschlossen, daß der Druckgeber selbst einen Anker trägt, der unmittelbar mit der Magnetanordnung zusammenwirkt. Dabei können auch verschiedene Bewegungszonen vorteilhaft durch getrennte Erregungswicklungen bestimmt werden, die auch in diesem Fall nach einem Programm oder in Abhängigkeit von Werten des Drucksensors schaltbar sind.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist auch als sogenannte Zusatzeinrichtung an dem als Membrane ausgeführten Druckgeber eine Zylinderspule angeordnet, die in einen Spalt einer Magnetanordnung eintaucht und über eine mit dem wenigstens einen Drucksensor verbundene Regelschaltung durch Einstellung der Strom- und/oder Spannungswerte steuerbar ist. Dabei bleibt eine Einstel­ lung der Magnetanordnung oder Zusatzeinrichtung vorbehal­ ten. Bevorzugt wird, daß die Magnetanordnung aus Perma­ nentmagneten besteht und die Zylinderspule durch Einstel­ lung und/oder Spannungswerte steuerbar ist.

Diese Ausführung hat auch den Vorteil sowohl einer Selbst­ ausrichtung der an sich flexiblen Membrane als auch der Möglichkeit einer sehr feinfühlig ansprechenden Steuerung.

Einbezogen wird vorteilhaft eine Regelverbindung als ein­ stellbares Gestänge zwischen dem Drucksensor und der An­ triebseinrichtung. Hierbei liefert der Drucksensor mecha­ nische Ausgangswerte, die weitergegeben werden können auf Schalteinrichtungen am Schrittmotor oder an der Magnet­ einrichtung.

Gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Drucksensor mit dem Eingang einer Recheneinrichtung ver­ bunden, an deren Ausgang die Antriebseinrichtung ange­ schlossen ist. Die Recheneinrichtung weist Programm­ speicher mit Steuerkennlinien auf, welche in Abhängigkeit von der Flüssigkeit und/oder der Form der Kanüle einstell­ bar sind. Dadurch läßt sich eine sehr feinfühlige Anpas­ sung an die jeweiligen Bedingungen erreichen und die Flüssigkeiten sind in optimaler Weise zu dosieren, wobei zugleich auch die Rückhaltung oder eine gewisse Rücksau­ gung der Flüssigkeiten erreichbar ist.

Es versteht sich gemäß obigen Darlegungen, daß bei Ver­ arbeitung einer Flüssigkeit mit höherem stoffabhängigen Partialdruck als wäßrige Lösung vorteilhaft die Kanüle mit einer Bemessung zum Einsatz in der µl-Technik vorgesehen ist und einen Austrittsquerschnitt in der Größenordnung von 0,1 bis 2 mm hat. In diesem Zusammenhang schafft die soweit beschriebene Vorrichtung eine besonders günstige Lösung.

In der anderen Ausführungsform, in welcher die Kanüle als Kapillare mit einer Bemessung zum Einsatz in der nl- bzw. pl-Technik vorgesehen ist, ist mit besonderem Vorteil zwi­ schen dem Druckgeber und der Flüssigkeit in der Kapillare der Gas-Körper mit gegebenenfalls Luft angeordnet. Ein sol­ cher Gas-Körper stellt ein kompressibles Medium dar. Er wirkt als Dämpfung und koppelt praktisch die Probeflüssig­ keitsausgabe von Impulswirkungen der Antriebseinrichtung ab und gewährleistet schon in diesem Fall eine gleichbleibende Flüssigkeitsausgabe bei der Injektion in lebende Zellen.

Vorteilhaft hat dabei, wie an sich bekannt, die Kapillare an ihrer sich verjüngenden Spitze eine Austrittsöffnung mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 0,5 µm. Die sich verjüngende Spitze kann dabei auch im Zusammenhang mit der Viskosität der Flüssigkeit einen besonderen Wider­ stand bilden, der in speziellen Ausführungen durch eine konische Verjüngung auch in bestimmter Weise herbeigeführt sein kann. In diesem Fall wirkt sich der kompressible Gas- Körper bei unterschiedlichen Dichten der Medien zweckmäßig aus, weil er sich spannt und bei Überschreiten eines Schwellenwertes die Flüssigkeit ausstößt. Hierbei wird einbezogen, daß eine im wesentlichen zum Druckaufbau pro­ portionale Ausgabe vorgesehen ist.

In einer speziellen Ausgestaltung ist eine Druckumsteue­ rung des Druckgebers zur Einstellung eines Unterdrucks an den Kapillaren vorteilhaft, weil die Probenflüssigkeit sparsam zu verwenden ist und beim Übergang zwischen ver­ schiedenen Zellen die Rückhaltung leicht eingestellt wer­ den kann. Dieses erfolgt dabei ohne die trägheitsbekannten Magnetventil-Umstellungen, die gegen Federn arbeiten.

Einerseits kann die Umsteuerung eines Schrittmotors im erforderlichen Leistungsbereich praktisch trägheitslos vollzogen werden und andererseits läßt sich die Auslenkung einer Membrane in der einen oder anderen Richtung mit höchster Genauigkeit steuern.

Vorteilhaft wird einbezogen, daß zwischen der Kapillare und der im Volumen gleichbleibenden starren, gegebenenfalls flexiblen Verbindung ein Raum mit dem Gaspolster angeord­ net ist und daß dieser zylindrische Raum als Kapillaren­ halter angeordnet ist. Hierdurch werden bereits günstige Arbeitsbedingungen erreicht.

Zweckmäßig wird ein inertes Gas verwendet. Einbezogen wird auch vorteilhaft, daß zwischen der Flüssigkeit, insbe­ sondere dem Gas-Körper und dem Druckgeber, eine Übertra­ gungsflüssigkeit angeordnet ist. Diese Übertragungsflüs­ sigkeit ist inkompressibel. Es kann eine inerte Flüssig­ keit sein. Sie stellt insbesondere den Übergang zwischen der zylindrischen Führung eines Kolbens oder dem Membranen­ gehäuse und insbesondere der kleineren Querschnitt auf­ weisenden Verbindung oder der Kanüle unmittelbar her. Durch das Volumen dieser Flüssigkeit läßt sich dabei die Größe des kompressiblen Gas-Körpers einstellen, so daß die Übertragungsflüssigkeit ein Steuerelement ist.

Die soweit beschriebene Vorrichtung kann kompakt ausge­ führt und leicht an bestimmte Bedingungen angepaßt werden.

Unter Einbeziehung der Verarbeitung beider Flüssigkeits­ arten, die oben angesprochen sind, bzw. der beiden Tech­ niken in bestimmter Größenordnung wird bevorzugt, daß der Drucksensor mit hohem Auflösungsvermögen ein dem Druck entsprechendes elektrisches Signal erzeugt und da­ mit eine druckabhängig arbeitende Schaltung der Antriebs­ einrichtung den Austritt einer vorgesehenen Flüssigkeits­ dosis aus der Kapillare steuert, wobei eine Zeitsteuerung in Abhängigkeit von der Einschaltung der Antriebseinrich­ tung zur Herstellung des Ausgabedrucks vorgesehen ist und der Schaltungszeitpunkt in Abhängigkeit von der Kompres­ sibilität des Gas-Körpers, der Viskosiät der Flüssigkeit und der Spitzenform der Kapillare vorgesehen ist. Hierin liegt die Möglichkeit einer automatischen Anpassung an bestimmte Arbeitsbedingungen, die praktisch trägheitslos in die verschiedenen Zustände übergehen und dabei eine erhöhte Arbeitsgeschwindigkeit der Vorrichtung ermöglichen. Dabei werden verschiedene Einsatzmöglichkeiten und Be­ triebsmittel unter entsprechender Abwandlung einbezogen.

Ein Drucksensor einer solchen Ausführungsform im pl-Be­ reich ist beipsielsweise eine handelsüblich verfügbare Type KPY 31 R von der Firma Siemens mit einer Auflösung von +/- 20 mbar.

Es wird einbezogen, daß die Antriebseinrichtung durch vor­ gegebene Schaltpunkte auslösbar ist, deren elektrisches Steuersignal vom Drucksensor lieferbar ist.

Die Zeitsteuerung der erwähnten Recheneinrichtung fordert eine automatische Betriebsweise. Das bedeutet, daß die Recheneinrichtung oder aber auch eine entsprechende Regel­ schaltung mit einem Zeitgeberblock ausgestattet ist, der Umschaltungen auslöst. Dadurch lassen sich nicht nur unmittelbar im Ablauf des Betriebs der Vorrichtung An­ passungen herstellen, sondern in Verbindung mit den er­ wähnten Programmspeichern auch Programm-Kennlinien in diesen Speichern an die genannten Bedingungen anpassen.

Vorzugsweise ist in diesem Zusammenhang eine zeitlich bemessene Umsteuerung der Antriebseinrichtung zur Druck­ entlastung zum Schaltungszeitpunkt und Ausschaltung der Antriebseinrichtung der zeitlich bemessenen Umsteuerung vorgesehen. Die erforderlichen Schalteinrichtungen werden einbezogen.

Eine andere vorteilhafte Ausführung vereinigt die Antriebs­ einrichtung in einheitlicher Ausführung mit dem Drucksen­ sor und einem mechanischen Ausgangselement in ein Getriebe zum Antrieb einer Kolbenstange oder Spindel.

Ein besonderes Merkmal besteht in der Anordnung einer Bypass-Öffnung, die durch ein mechanisch exakt gesteuer­ tes Ventil betätigbar ist. Hierbei ist eine verschließbare Bypass-Öffnung an einen Raum angeschlossen, der zugleich als Kapillarenhalter dient und der Kapillare vorgeschaltet ist. Zur Betätigung wird in vorteilhaften Ausführungsformen eine Funktionsverbindung zwischen dem Ventil und einer Recheneinheit oder einem Drucksensor einbezogen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen gezeigt, die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine schematische und im Schnitt gezeigte Teilansicht in prinzipieller Darstellung mit einem Druckgeber als Membrane einer besonderen Ausgestal­ tung der Antriebseinrichtung und auch ihrer Ansteuerung;

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht im Schnitt für eine weitere Ausgestaltung mit einem Druckgeber als Kolben;

Fig. 4 eine Teildarstellung aus Fig. 1 zur Erläuterung einer besonderen Ausgestaltung.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs­ zeichen bezeichnet.

Die Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführung mit einer Kanüle 1 vorteilhaft als µ-Kapillare zur Aufnahme einer in eine Zelle zu injizierenden Flüssigkeit. Diese µ-Kapillare befindet sich an einem zugleich als Kapillarenhalter dienenden Raum 2, der über eine flexible Verbindung 3, beispielsweise einen Schlauch, mit einer zylindrischen Führung bzw. einem Zylinder 4 verbunden ist. Der Raum 2 kann beliebigen Querschnitt haben. In einer besonderen Ausführungsform ist er zylindrisch.

Gemäß Fig. 1 handelt es sich um die Ausführung, in der der Druckgeber 5 ein Kolben ist. Dieser Kolben ist in der zylindrischen Führung des Zylinders 4 zur Wand des Zylin­ ders abgedichtet bewegbar. Er wird von einer Gewinde­ spindel 6 angetrieben, die an dem Läufer eines Schritt­ schaltmotors 7 befestigt ist. Dieser Schrittschaltmotor ist in üblicher Weise für die Fortschaltung in kleinen Winkelschritten ausgeführt. Diese bekannte Ausführung ist nicht näher dargestellt.

Etwa im Bereich des Anschlusses der Verbindung 3 an den Zylinder 4 ist an diesem ein an sich bekannter Drucksen­ sor 8 mit hohem Auflösevermögen angeordnet. Solche Druck­ sensoren sind handelsmäßig verfügbar und beispielsweise bekannt unter der Handelsbezeichnung KP Y 31 R von Firma Siemens.

Der Drucksensor ist in diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 über eine Steuerverbindung 9 mit dem Schrittschalt­ motor 7 verbunden. Im Ausführungsbeispiel liegt in dieser Steuerverbindung eine Recheneinrichtung 10 und ein Ver­ stärker 11. In der Recheneinrichtung werden die im Druck­ sensor erzeugten elektrischen Signale umgesetzt in Steuer­ impulse für den Schrittmotor.

Die im ganzen in einem Gehäuse 12 angeordnete Vorrich­ tung hat einen Spannungs- und Stromversorgungsteil 13 mit einem Anschluß 14 an ein Netz und den Ausgangsver­ bindungen an jeweilige Baugruppen. Die Recheneinrichtung 10 ist durch eine in der Wand des Gehäuses 12 angebrach­ te Tastatur 15 programmierbar, wozu auf obige Ausführun­ gen hingewiesen wird. Die Art der Programmierung kann einerseits von der Art der zu verarbeitenden Flüssig­ keiten, ihrer Dosierung und einem entsprechenden Ausgabe­ takt, auch im Hinblick auf die Form der verwendeten Kanüle oder Kapillare erfolgen. Der jeweilige Vorgang wird auf einer Anzeigetafel 16 zwecks möglicher Überwachung zur Kenntnis gebracht, wobei auch Fehleranzeigen einbezogen werden.

Das Gehäuse beinhaltet eine kompakte Baugruppe mit einer flexiblen Leitung 17 zu einem als Stecker ausgeführten Anschluß 14 und mit der herausgeführten flexiblen Ver­ bindung zur Kanüle 1.

Die Betätigung kann durch die Tastatur 15 in einer Wand des Gehäuses gesteuert werden.

Einbezogen wird eine Fußtaste 18 mit einer Funktionsver­ bindung 19 in das Gehäuse 12 und einem Funktionsanschluß an die Recheneinrichtung 10 zu einer erleichterten Aus­ lösung, wenn nämlich die Kanüle mit dem vom zylindrischen Raum gebildeten Instrumentenhalter geführt wird.

Damit wird eine kompakte Baugruppe geschaffen aus einem Gehäuse mit einer schlauchartigen, flexiblen Leitung als Austrittsöffnung in fester Verbindung zum zylindrischen Raum und Kanüle 1 einerseits und ferner mit der flexiblen Leitung 17 zum als Verbindungseinrichtung ausgeführten Stecker.

Das Gehäuse 12 faßt dabei räumlich in festen Zuordnungen den Zylinder 4, die Antriebseinrichtung 7, die Rechen­ einrichtung 10, in ihrer Wand die Tastatur 15 und die Anzeigetafel 16 zusammen. Diese räumliche Ausführung auf kleinster Basis ist eine besonders vorteilhafte Ausge­ staltung.

Im Zusammenhang mit der beschriebenen Gewindespindel 6 als Teil der Antriebseinrichtung, gegebenenfalls auch in der Ausgestaltung als Kolbenstange, wird die Hin- und Her­ bewegung durch Anschlagkontakte 20, 21 in Form von End­ schaltern mit einem Bestätigungselement 22 an der Gewinde­ spindel 6 oder Kolbenstange gegen Überbewegung geschützt.

Für die Bewegung in Form einer Kolbenstange ist die Aus­ führung leicht übersichtlich. Auch die Gewindespindel 6 ist in ihrer axialen Richtung mit dem Betätigungselement 22 zwischen den Endschaltern 20 und 21 bewegbar.

Für den Fall - was nicht ausgeschlossen wird -, in welchem die Gewindespindel auch den Druckgeber 5 in Form eines Kolbens durchsetzt, der mit einer Mutter aufgesetzt ist und in Abhängigkeit von der Drehung der Gewindespindel bewegbar ist, versteht sich, daß dann das Betätigungs­ element 22 auch als Mutter auf die Gewindespindel aufge­ setzt und durch eine äußere, axial gerichtete Anschlag­ führung undrehbar gehalten ist, so daß dann das Betäti­ gungselement 22 auch zwischen den Endschaltern 20 und 21 hin- und herwandert.

In Fig. 2 ist der Druckgeber als Membrane 35 ausgeführt. Diese Membrane ist mit ihrem äußeren Rand in einer abge­ dichteten Halterung 36 in einem Gehäuse 37 gehalten, an das die Verbindung 3 oder aber auch die Kanüle oder Kapil­ lare 1 angeschlossen ist. In den Übergang zwischen Gehäuse 36 und Verbindung 3 bzw. Kanüle 1 ist der Drucksensor 8 eingeführt.

Es wird einbezogen, gemäß bisheriger Beschreibung die Mem­ brane 35 als Druckgeber 5 durch eine Kolbenstange oder Spindel 6 (Fig. 1) anzutreiben. Es wird einbezogen, die Kolbenstange oder Spindel 6 mit einem Linear-Motor anzu­ treiben.

Bei der Ausführung des Druckgebers 5 als Membrane 35 liegt jedoch eine vorteilhafte Ausführung darin, daß in der Membrane ein Magnetanker und außerhalb des Gehäuse 36 eine Magnetanordnung angeordnet ist. Dabei kann die Magnet­ anordnung in mehrere getrennt einschaltbare Zonen aufge­ teilt sein.

In der gezeigten besonders bevorzugten Ausführung ist an der aus unmagnetischem und flexiblem Material bestehenden Membrane 35 eine Zylinderspule 38 angeordnet, welche in einen Spalt 39 einer Magnetanordnung 40 eintaucht. Hierbei handelt es sich um eine Magnetanordnung aus Permanent­ magneten mit einem zylindrischen Magnetelement 41 auf einer zur Magnetanordnung gehörenden Grundplatte 42, die unter Umständen auch als Magnet ausgeführt sein kann, ins­ besondere aber einen Rückschluß zwischen dem äußeren ring­ förmigen Magnetelement und einem mittleren zylindrischen Magnetelement 43 bildet, wobei zwischen den Teilen 41 und 43 der Spalt 39 angeordnet ist. Die Zylinderspule 38 ist über eine herausgeführte Anschlußleitung 44 mit einer elektrischen Regelschaltung 45 verbunden, in welche die Steuerverbindung 9 als Drucksignalleitung geführt ist.

Es versteht sich, daß über der Membrane 35 ein Druckraum 46 für die Flüssigkeit angeordnet ist und die Membrane 35 in Abhängigkeit von dem Strom und/oder der Spannung, wel­ che über die Anschlußleitung 44 in die Zylinderspule 38 eingegeben werden, nach oben oder unten bewegbar ist, und zwar durch Feldüberlagerung in dem Feld der Magnet­ anordnung 40 aus Permanentmagneten.

Fig. 3 zeigt eine mechanisch räumlich geschlossene Bau­ gruppe 63 mit topfförmigem Querschnitt. Von dieser geht oben der Drucksensor 8 in die zylindrische Führung 4, wobei das Gehäuse der Baugruppe 63 nicht nur die zylin­ drische Führung 4 aufnimmt und anschließt, sondern auch in ihrer Basis die Antriebseinrichtung 7, so daß hier eine räumlich geschlossene Einheit vorliegt.

Gemäß Fig. 4 ist am Raum 2, der gegebenenfalls zylindrisch sein kann, eine Bypass-Öffnung 84 angeordnet, die durch ein mechanisches, sehr exakt gesteuertes Ventil 85 ange­ schlossen ist, um einem Stutzen 86 entweder aus einer nicht gezeigten Quelle Mittel einzuführen oder über diesen Stutzen 86 eine Entlastung herbeizuführen.

Das Ventil 85 steht über eine insbesondere mechanische Funktionsverbindung 87 mit einer Antriebsvorrichtung 88 in Verbindung, welche eine sehr genaue Steuerung des Ventils bewirkt. Diese Steuerung dieses Ventils kann über zwei Anschlüsse erfolgen, und zwar entweder über eine druckabhängige Funktionsverbindung 89 mit Anschluß an den Drucksensor 8 oder über eine andere elektrische Funktions­ verbindung 90 mit Anschluß an die Recheneinrichtung 10. Dadurch ist es möglich, die ein sehr vorteilhaftes Merkmal bildende Bypass-Öffnung 84 in besonderer Weise zu steuern. Durch diese Bypass-Öffnung kann die Kanüle 1 bzw. Kapillare mit der Probeflüssigkeit versehen werden bzw. kann auch unter Einsatz von in Fig. 1 nicht dargestellten Steuer­ mitteln eine Druckentlastung am hinteren Ende der Kanüle oder Kapillare 1 eingeführt werden.

Claims (28)

1. Vorrichtung zur gesteuerten Ausgabe von Flüssigkeiten, mit einer Kanüle zur Aufnahme der Flüssigkeit und einem axial bewegbaren Druckgeber an einem Ende der Kanüle, wobei zwischen Kanüle und Druckgeber insbesondere eine in ihrem Volumen gleichbleibende Verbindung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Druckgeber (5, 35) und Kanüle (1), insbesondere in der Verbindung (3) wenigstens ein Drucksensor (8) angeordnet ist und eine Regelverbindung (9) zwischen dem Drucksensor (8) und einer Antriebseinrichtung (7, 40) für den Druck­ geber vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (7) für den Druckgeber (5, 35) umsteuerbar und dieser Druckgeber (5) in verschie­ dene Richtungen einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsteuerung in Abhängigkeit von Ausgangs­ größen des Drucksensors (8), insbesondere in Abhängig­ keit von eingespeisten Programmen vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgeber ein Kolben (5) ist, der in einer zylindrischen Führung (4) bewegbar ist, an die die Verbindung (3) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgeber (5) eine Membrane (35) in einem Gehäuse (37) ist, an das die Kanüle (1) oder die Verbindung (3) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine hin- und herbewegbare Stange in Form einer Kolbenstange oder eine Spindel (6) aufweist, die mit dem Druckgeber (5, 35) in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung ein Schrittmotor (7) ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine Magnetanordnung (40) ist, die mit dem Druckgeber (5, 35), insbesondere mit einer Zusatzeinrichtung zusammenwirkt, wobei die Magnetanordnung (40) einstellbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgeber (35) einen Anker trägt, der unmit­ telbar mit der Magnetanordnung (40) zusammenwirkt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem als Membrane (35) ausgeführten Druckgeber eine Zylinderspule (38) angeordnet ist, die in einen Spalt (39) einer Magnetanordnung (40) eintaucht und eine Steuerung über eine mit dem wenigstens einen Drucksensor (8) verbundene Regelschaltung (45) durch Einstellung der Strom- und/oder Spannungswerte vor­ gesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung (40) aus Permanentmagneten besteht und die Zylinderspule (38) durch Einstellung und/oder Spannungswerte steuerbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelverbindung (9) ein ein­ stellbares Gestänge zwischen dem Drucksensor und der Antriebseinrichtung (7, 40) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Drucksensor (8) mit dem Eingang einer Recheneinrichtung (10) verbunden ist, an deren Ausgang die Antriebseinrichtung (7, 40) angeschlossen ist und daß die Recheneinrichtung (10) Programmspeicher mit Steuerkennlinien aufweist, welche in Abhängigkeit von der Flüssigkeit und/oder der Form der Kanüle (1) einstellbar sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für die Ausgabe einer Flüssigkeit mit höherem Partialdruck als wäßrige Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (1) mit einer Bemessung zum Einsatz in der µl-Technik vorgesehen ist und einen Austrittsquer­ schnitt in der Größenordnung von 0,1 bis 2 mm hat.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (1) als Kapillare mit einer Bemessung zum Einsatz in der nl- bzw. pl-Technik vorgesehen ist und daß zwischen dem Druckgeber (5, 35) und der Flüssigkeit in der Kapillare (1) ein Gas- Körper, gegebenenfalls Luft, angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (1) an ihrer sich verjüngenden Spitze eine Austrittsöffnung mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 0,5 µm aufweist und zur Injizierung einer Probenflüssigkeit in lebende Zellen vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Druckumsteuerung des Druckgebers (5, 35) zur Einstellung eines Unterdruckes an der Kapillare (1) vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Kapillare (1) und der im Volumen gleichbleibenden starren, gegebenen­ falls flexiblen Verbindung (3) ein Raum (2) als Kapil­ larenhalter mit dem Gas-Körper angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß als Gas ein inertes Gas vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Flüssigkeit in der Kapillare (1) und insbesondere dem Gas-Körper und dem Druckgeber (5, 35) eine Übertragungsflüssig­ keit angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (8) mit hohem Auflösungsvermögen ein dem Druck entsprechendes elektrisches Signal erzeugt und damit eine druckab­ hängig arbeitende Schaltung der Antriebseinrichtung (7, 37) den Austritt einer vorgesehenen Flüssigkeits­ dosis aus der Kapillare (1) steuert, wobei eine Zeit­ steuerung in Abhängigkeit von der Einschaltung der Antriebseinrichtung (7, 38, 40) zur Herstellung des Aus­ gabedrucks vorgesehen ist und der Schaltungszeitpunkt in Abhängigkeit von der Kompressibilität des Gas- Körpers, der Viskosität der Flüssigkeit und der Spit­ zenform der Kapillare vorgesehen ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung für den Druckgeber (5, 35) durch vorgegebene Schaltpunkte auslösbar ist, deren elektrisches Steuersignal von wenigstens einem Druck­ sensor (8) lieferbar ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, ge­ kennzeichnet durch eine Recheneinrichtung (10) oder Regelschaltung (45) mit einem Zeitgeberblock.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 und 22 oder 23, gekennzeichnet durch eine zeitlich bemessene Um­ steuerung der Antriebseinrichtung für den Druckgeber (5, 35) zur Druckentlastung zum Schaltungszeitpunkt und Ausschaltung der Antriebseinrichtung der zeitlich bemessenen Umsteuerung.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekenn­ zeichnet durch die Vereinigung der Antriebseinrichtung (7, 40) in einer räumlich geschlossenen Baugruppe (63) einheitlicher Ausführung mit dem wenigstens einen Drucksensor (8) und gegebenenfalls einem mechanischen Ausgangselement in ein Getriebe zum Antrieb einer Kolbenstange oder Spindel (6).

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß an dem Raum (2) eine ver­ schließbare Bypass-Öffnung (84) angeordnet ist, die insbesondere durch ein mechanisch exakt gesteuertes Ventil (85) betätigbar ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch eine Funktionsverbindung (90) zwischen dem Ventil (85) und der Recheneinheit (10).

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch eine Funktionsverbindung (89) zwischen dem Ventil (85) und dem Drucksensor (8).