DE3750655T3

DE3750655T3 - Verfahren und Vorrichtung zum Abgeben von flüssigen Reagenzien

Info

Publication number: DE3750655T3
Application number: DE3750655T
Authority: DE
Inventors: Donald J Hayes; Kenneth R Houseman; Donald J Verlee; David B Wallace
Original assignee: Abbott Laboratories
Current assignee: Abbott Laboratories
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1987-11-16
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2007-11-17
Also published as: AU8120787A; JPH076975B2; CA1308467C; EP0268237A2; DE3750655D1; EP0268237B1; JPS63139253A; EP0268237A3; KR880006117A; ATE112849T1; AU603617B2; DE3750655T2; EP0268237B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abgeben von Reagenzflüssigkeiten, wobei ein Wandler verwendet wird, um kleine Mengen der Flüssigkeit auf eine positionierte Auftreffplatte zu stoßen.
Diagnostische Assays benötigen oftmals Systeme zum Messen, Ausgeben und Auftragen von Reagenzflüssigkeiten. Im Fall der Messung und der Abgabe umfassen solche Systeme sowohl manuelle als auch automatische Vorrichtungen. Aus praktischen Gründen wird sich die vorliegende Hintergrunddiskussion auf die Verfahren der Messung und der Abgabe von 100 Mikrolitermengen oder weniger konzentrieren.
Die manuellen Systeme zur Messung und Abgabe umfassen die Glaskapillar-Pipette; die Mikro-Pipette; die Präzisionsspritze und Wiegeinstrumente. Die Glaskapillar-Pipette besteht aus einer präzisionsgebohrten Glaskapillarröhre. Die Pipette umfaßt typischerweise eine feuergeblasene Wulst und einen Röhrenabschnitt, der auf einen feinen Punkt durch Wärme enggezogen wird. Die Flüssigkeit wird durch Ansaugen der Flüssigkeit durch die Röhre in die Wulst bis zu einer vorherbestimmte Höhe, die durch eine Ätzmarkierung angegeben ist, präzise gemessen. Die Flüssigkeit kann dann abgegeben werden, indem Luft durch die Röhre geblasen wird. Die Mikro-Pipette umfaßt typischerweise einen Zylinder und einen federgespannten Kolben. Der Verfahrweg der Wulst wird durch eine gewindeartige Halterung genau bestimmt. Der Verfahrweg, den der Kolben innerhalb des Zylinders zurücklegt, und der Durchmesser des Zylinders definieren ein präzises Volumen. Die Flüssigkeit wird in die Mikro-Pipette gesaugt und aus dieser in exakten Mengen durch Bewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders abgegeben.
Die Präzisionsspritze umfaßt allgemein einen präzis angefertigten Kolben und einen Zylinder mit genau positionierten Meßmarkierungen. Die Flüssigkeit wird in die Spritze eingefüllt und aus dieser durch Bewegung des Kolbens zwischen den Marken abgegeben.
Wiegeverfahren zum Abgeben der Flüssigkeiten umfassen oftmals ganz einfach das Wiegen einer Flüssigkeitsmenge. Die Flüssigkeitsdichte kann dann dazu herangezogen werden, um das Flüssigkeitsvolumen zu bestimmen.
Beispielhafte automatische Meß- und Abgabesysteme umfassen die Präzisions-Spritzen-Pumpe; die peristaltische Pumpe und das Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie-(HPLC)-Dosierventil.
Die Präzisions-Spritzen-Pumpe umfaßt im allgemeinen einen feingeschliffenen Kolben, der sich innerhalb eines präzisionsgebohrten Zylinders befindet. Der Kolben wird innerhalb des Zylinders in exakt festgelegten Schritten durch einen Schrittmotor bewegt.
Die peristaltische Pumpe umfaßt eine elastomere Röhre, die in aufeinanderfolgenden Schritten durch eine Reihe von Rollen zusammengepreßt wird. Oftmals befindet sich die Röhre innerhalb eines halbkreisförmigen Kanals und die Rollen sind auf der Außenkante einer Scheibe, die durch einen Schrittmotor angetrieben wird, befestigt. Die Bewegung der Rollen gegen die Röhre erzeugt eine peristaltische Bewegung der Flüssigkeit.
Das HPLC-Dosierventil umfaßt eine definierte Länge einer Rohrleitung mit präzisem Innendurchmesser. Die Flüssigkeit wird in das definierte Volumen der Rohrleitung eingeführt, wobei sich das Ventil in einer ersten Position befindet, und wird dann aus der Rohrleitung abgegeben, wenn das Ventil in eine zweiten Position gebracht wird.
Alle oben erwähnten Dosier- und Verteilersysteme haben den Nachteil, daß die abgegebenen Mengen relativ groß sind. Darüber hinaus sind diese Systeme auch relativ langsam, ineffizient und umfassen präzisionsangepaßte Komponenten, die besonders abnutzungsempfindlich sind.
Das Auftragen von Reagenzflüssigkeiten wird häufig bei der Herstellung von chemischen Assay-Teststreifen benötigt. Ausgewählte Reagenzien werden in der erwünschten Konfiguration auf Streifen oder Filterpapier aufgetragen. Die Streifen können dann als wegwerfbares Diagnostikum verwendet werden, um die Anwesenheit oder Abwesenheit einer Vielzahl von chemischen Komponenten zu bestimmen.
Um einen chemischen Assay mit einem Teststreifen durchzuführen, wird im allgemeinen der Streifen einer zu testenden Flüssigkeit oder einer Reihe von zu testenden Flüssigkeiten wie Blut, Serum oder Urin, ausgesetzt. In einigen Fällen wird der Streifen gespült und mit zusätzlichen Reagenzien vor der Auswertung behandelt. Die exakte Auswertung hängt vom Typ der damit verbundenen chemischen Reaktionen ab, kann jedoch so einfach sein, daß der Teststreifen nur auf eine besondere Farbveränderung hin untersucht wird.
Die Herstellung von Teststreifen umfaßt im allgemeinen entweder einen Auftragungsvorgang oder einen Aufspritzvor-gang. Der Aufspritzvorgang ist das einfachste Herstellungsverfahren und ermöglicht den meisten Reagenzien, ohne Abänderung eingesetzt zu werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es, daß es schwierig ist, die Flüssigkeiten präzise auf den Teststreifen zu spritzen.
Der Auftragungsvorgang umfaßt oft eine der drei wohl bekannten Verfahren: Siebdruckverfahren; Gravüre; und Transferdruck. Das Siebdruckverfahren von Reagenzien umfaßt im allgemeinen die Erzeugung einer Maske durch photo-graphische Verfahren in der erwünschten Konfiguration für jede aufzutragende Reagenzflüssigkeit. Die Maske wird unter Licht einem vorausgewählten Muster ausgesetzt und dann entwickelt. Die Flächen der Maske, die während der Entwicklung nicht dem Licht ausgesetzt sind, werden porös. Jedoch bleiben die Flächen der Maske, die dem Licht ausgesetzt worden sind, relativ unporös. Die Maske wird dann in einem Rahmen befestigt und der Teststreifen darunter plaziert. Die erwünschte Reagenzflüssigkeit, die speziell präpariert wurde, um eine hohe Viskosität zu erhalten, wird über die obere Oberseite der Maske verteilt. Das Reagens tritt durch die porösen Flächen der Maske und auf den Teststreifen. Der. Teststreifen wird dann einem für jedes Reagens spezifische Trocknungsverfahren unterzogen. Sobald der Teststreifen trocken ist, kann dieser erneut beschichtet werden unter Verwendung verschiedener Masken, Muster und Reagenzien.
Das Gravurverfahren zum Auftragen von Reagenzien umfaßt das Auftragen eines lichtempfindlichen Polymers auf eine Metalloberfläche. Das Polymer wird im gewünschten, vorbestimmten Muster dem Licht ausgesetzt. Nach der Entwicklung erzeugt das Polymer hydrophile und hydrophobe Bereiche. Das Reagens ist speziell präpariert, so daß es, wenn es auf das Metall aufgebracht wird, nur an den hydrophilen Bereichen haften bleibt. Nachdem das speziell präparierte Reagens aufgebracht ist, wird der Teststreifen gegen das Metall gedrückt und das Reagens vom Metall auf den Teststreifen übertragen.
Das Transferdruckverfahren umfaßt den Transfer der Reagenzien von einer Matrize auf den Teststreifen im erwünschten Muster. Die Matrize wird mit dem entsprechenden Muster auf ihrer Oberfläche hergestellt und dann mit dem gewünschten, speziell präparierten Reagens überzogen. Ein Gummistempelmechanismus wird gegen die Matrize gedrückt, um das Reagens im erwünschten Muster von der Matrize auf den Gummistempel zu transferieren. Der Gummistempel wird dann gegen den Teststreifen gepreßt, um das Reagens im gleichen Muster auf den Teststreifen zu transferieren.
Jedes der oben erwähnten Verfahren zur Auftragung von Reagenzien weist bedeutende Nachteile auf. Der geläufigste Nachteil besteht in der Erfordernis, daß die Reagenzien speziell präpariert werden müssen. Wenn zusätzlich eine Vielzahl von Reagenzien auf einen einzelnen Teststreifen aufgetragen werden muß, muß der Streifen vor jedem Auftragen zuerst sorgfältig ausgerichtet werden. Dieses Ausrichtungsverfahren erhöht die Kosten und verringert den Durchsatz des Auftragungsverfahrens. Darüber hinaus muß eine spezielle Matrize bzw. Maske für jedes aufzutragende Muster angefertigt werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die oben erwähnten Auftragungsverfahren nicht in der Lage sind, reproduzierbare, kleine Mengen von Reagenzien auf den Teststreifen zu plazieren.
Eine Vorrichtung zur Abgabe von Mikrotröpfchen, die für biochemische Anwendungen nützlich ist, ist aus EP-A-119 573 bekannt.
Ein Tintenstrahldrucker mit der Fähigkeit zum Graustufendruckes ist aus US-A-3 857 049 bekannt. Die Graustufen werden durch Veränderung der ausgespritzten Tintenmenge erreicht.
US-A-4 339 763 beschreibt ein Aufzeichnungsgerät, das eine Quelle einer Schreibflüssigkeit einschließt, die eine Tropfenprojektionsvorrichtung speist, die Tropfen der Schreibflüssigkeit von einer Düse ausstoßt. Das Volumen der einzelnen Tropfen ist durch elektrische Pulse steuerbar, die an die Tropfenprojektionsvorrichtung angelegt werden. Die bekannte Tropfenprojektionsvorrichtung schießt einen Piezokristall ein, der nach Innen expandiert wird, um eine Expansionswelle in der Schreibflüssigkeit zu erzeugen.
Ein ähnliches System ist aus dem IBM Journal of Research and Development, Vol. 28, No. 3, Mai 1984 bekannt.
US-A-3 775 058 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten. Die bekannte Vorrichtung schließ einen Tropfengenerator ein, der gesteuert ist, um einen Flüssigkeitsfluss in Tropfen aufzuteilen. Ein weiterer Tropfengenerator wird bereitgestellt, um einen weiteren Flüssigkeitsfluss in Tropfen aufzuteilen. Die Mischung der Tropfen kann innerhalb eines Kollektors erfolgen.
GB-A-1 526 708 lehrt ein Verfahren zur Herstellung eines Reagenztestgeräts. Unter zahlreichen Verfahren wird das Tintenstrahldrucken als für die Herstellung eines Reagenztestgeräts geeignet beschrieben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgabeverfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die diese Nachteile vermeiden.

ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reagenz-Abgabe- Vorrichtung und ein Verfahren wie in den angefügten Ansprüchen definiert.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, die zur, Abgabe von Reagenzflüssigkeiten Anwendung findet, ist eine Sprühröhre konzentrisch innerhalb eines piezoelektrischen Wandlers angebracht. Die Sprühröhre umfaßt an einem Ende eine Mündung und am anderen Ende eine Öffnung zur Aufnahme der Reagenzien. Das Aufnahmeende der Sprühröhre ist mit einem Filter verbunden, der wiederum mit einem Behälter, der das ausgewählte Reagenz enthält, verbunden ist. Eine Sprühsteuereinheit übermittelt einen elektrischen Impuls von kurzer Dauer zum Wandler als Reaktion auf einen vom Computer ausgegebenen Befehl. Der elektrische Impuls veranlaßt, daß das durch die Sprühröhre definierte Volumen um eine Menge vergrößert wird, die ausreicht, um eine kleine Menge von Reagenzflüssigkeit vom Behälter einzubringen. Am Ende der Impulsdauer verkleinert sich der Wandler, wobei eine kleine Menge der Reagenzflüssigkeit durch die Mündung in eine Flüssigkeitsauffangvorrichtung ausgestoßen wird. Falls erwünscht, können zusätzliche Tröpfchen in der Flüssigkeitsauffangvorrichtung aufgefangen werden oder in der Flüssigkeitsauffangvorrichtung, die mit einer zusätzlichen Sprühröhre derart ausgerichtet ist, daß die Aufnahme einer zusätzlichen Reagenzflüssigkeit möglich ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß präzise, sehr kleine Mengen Reagenzflüssigkeit auf eine reproduzierbare Art und Weise abgegeben werden können. Zusätzlich kann das Verfahren und die Vorrichtung dazu verwendet werden. Flüssigkeitströpfchen auszustoßen, die einen weiten Reagenzflüssigkeitsviskositäten- und Oberflächenspannungs-bereich aufweisen. Die Reagenzien müssen im allgemeinen nicht insbesondere dafür ausgebildet sein, um mit der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden.
Die Erfindung selbst wird zusammen mit weiteren Aufgaben und damit verbundenen Vorteilen am besten verständlich durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN (FIGUREN)

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die Verwendung von mehreren Sprühköpfen zur Messung und Abgabe von Reagenzflüssigkeiten zeigt.
Fig. 2a ist eine perspektivische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Sprühkopfes der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2b ist eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform aus Fig. 2a entlang der Linien 2b-2b, wobei die Kontaktstifte entfernt sind.
Fig. 2c ist ein Querschnitt der bevorzugten Ausführungsform aus Fig. 2a entlang der Linien 2c-2c.
Fig. 2d ist eine Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform aus Fig. 2c entlang der Linien 2d-2d.
Fig. 2e ist eine Querschnittansicht der Sprühröhre und des Wandlers der bevorzugten Ausführungsform aus Fig. 2b entlang der Linien 2e-2e.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das nach dem Tropfen-auf-Anforderungs-Modus wie ein Reagenzauftragungssystem arbeitet.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das im Dauerbetriebmodus als Reagenzauftragungssystem arbeitet.
Fig. 5a ist eine schematische Darstellung eines Abschnittes der Sprühkopfsteuereinheit mit Darstellung des LED- Stroposkopschaltkreises.
Fig. 5b ist eine schematische Darstellung eines Abschnittes der Sprühkopfsteuereinheit, die den Hochspannungsschaltkreis darstellt.
Fig. 5c ist eine schematische Darstellung eines Abschnittes der Sprühkopfsteuereinheit, die den Auftragungssteuerschaltkreis zeigt.
Fig. 5d ist eine schematische Darstellung eines Abschnittes der Sprühkopfsteuereinheit, die einen Abschnitt des Auftragungsimpulsgenerators zeigt.
Fig. 5e ist eine schematische Darstellung eines Abschnittes der Sprühkopfsteuereinheit, die einen zusätzlichen Teil des Impulsgenerators zeigt.
Fig. 6a ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Sprühkopfes der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6b ist eine auseinandergezogenen Ansicht der bevorzugten Ausführungsform aus Fig. 6a.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform des Sprühkopfes der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 ist eine Schnittansicht eines symmetrischen Abschnittes einer vierten bevorzugten Ausführungsform des Sprühkopfes der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Tropfenmasse der abgegebenen Tröpfchen als Funktion der Emissionsfrequenz für verschiedene Flüssigkeitsviskositäten.
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung der Geschwindigkeit der abgegebenen Tröpfchen als Funktion der Frequenz für verschiedene Flüssigkeitsviskositäten.
Fig. 11 ist eine graphische Darstellung des Gesamtgewichtes der abgegebenen Flüssigkeit als Funktion der Anzahl der abgegebenen Tröpfchen für eine gegebene Flüssigkeit.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Reagenzverteilersystems, allgemein mit Bezugszeichen 30 gekennzeichnet. Das Verteilersystem 30 umfaßt eine Mehrzahl von Reagenzflüssigkeitsbehältern 200, eine Mehrzahl von Filtern 300, eine Mehrzahl von Reagenzsprühköpfen 400, eine Mehrzahl von Sprühkopfsteuereinheiten 500, eine Schnittstelleneinheit 600, einen Computer 700, eine Transporteinheit 902, eine Mehrzahl von Flüssigkeitsmischzellen 904 und eine Erfassungsstelle 906.
Der Behälter 200 enthält eine ausgewählte Menge von Reagenzflüssigkeit für die Abgabe. Der Behälter 200 wird durch geeignete Vorrichtungen, wie eine mit der Atmosphäre kommunizierende Belüftung unter Atmosphäredruck gehalten. Die Reagenzflüssigkeit gelangt vom Behälter 200 durch den Filter 300 zum Reagenzsprühkopf. 400. Der Filter 300 ist zwischen dem Behälter 200 und dem Sprühkopf 400 angebracht, um sicherzustellen, daß alle partikelförmige Fremdkörper vor Eintritt in den Sprühkopf 400 in der Reagenzflüssigkeit abgefangen werden.
Die Vielzahl von Sprühköpfen 400 und die Erfassungsstelle 406 definieren einen Bearbeitungspfad. Jeder Sprühkopf 400, der im Detail unten beschrieben wird, spritzt Tröpfchen 2 gleicher Größe von Reagenzflüssigkeit aus. Die Tröpfchen 2 werden mit geregelter Geschwindigkeit und Richtung auf eine ausgewählte Mischzelle 904 oder Behälters, die kein Auftragungsmedium darstellen, ausgestoßen, die von der Transporteinheit 902 entlang dem Bearbeitungspfad angebracht ist. Die Mischzellen 904 bestehen aus nicht-reaktivem Material und funktionieren als kleine Auffangtanks für die abgegebene Reagensflüssigkeit.
Die Vielzahl von Sprühköpfen 400, dargestellt in Fig. 1, sind aufeinanderfolgend entlang des Bearbeitungsweges angebracht. Alternativ können einige oder alle der Vielzahl von Sprühköpfen 400 im Hinblick auf die Transporteinheit 902 so angebracht werden, daß die Köpfe 400 die Tröpfchen 2 auf eine ausgewählte Mischzelle 904 gleichzeitig ausrichten.
Die Sprühköpfe 400 und die Transporteinheit 902 werden durch den Computer 700 gesteuert. Der Computer 700 übermittelt Befehle an die Schnittstelle 600, die elektrisch mit der Transporteinheit 902 und der Sprühkopfsteuereinheit 500 verbunden ist. Die Schnittstelle 600 weist einen herkömmlichen Aufbau auf und wird zur Steuerung des Informationsaustausches zwischen dem Computer 700 und der Sprühsteuereinheit 500 verwendet. Die Schnittstelle 600 wird ebenfalls benutzt, um den Informationsaustausch zwischen dem Computer 700 und der Transporteinheit 902 zu steuern.
Eine erste Ausführungsform des Reagenzsprühkopfes ist in den Fig. 2a bis 2e dargestellt und im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 400 gekennzeichnet. Der Sprühkopf 400 umfaßt ein zweiteiliges symmetrisches Gehäuse 402, 404. Das Gehäuse 402, 404 ist im zusammengebauten Zustand dafür ausgebildet, eine Mündungsöffnung 406, eine Belüftungsöffnung und einen Reagenzzufuhrkanal 410 und eine Wandlerkammer 403, dargestellt in Figur Ab, zu bilden. Vier Schrauben 408, die an die jeweiligen Gehäuseschraubenöffnungen 416 angepaßt sind, halten das Gehäuse 402, 404 in zusammengebautem Zustand.
Dar Sprühkopf 400 beinhaltet weiterhin eine Sprühröhre 432, einen piezoelektrischen Wandler 434 und eine Reagenzflüssigkeit- Zufuhrleitung 430. Die Sprühröhre 432 bildet am einen Ende eine sich verjüngende Öffnung 433 und am anderen Ende eine Flüssigkeits-aufnehmende Öffnung 431 zum Abgeben bzw. Aufnehmen von Flüssigkeit. Der piezoelektrische Wandler 434 weist eine zylindrische Form auf und ist konzentrisch um den mittleren Abschnitt der Sprühröhre 432 mit Epoxy oder anderen geeigneten Materialien befestigt.
Der piezoelektrische Wandler 434, dargestellt in Fig. 2e, bildet ein erstes und ein zweites Ende und umfaßt einen Abschnitt von zylindrisch geformtem piezoelektrischem Material 435. Eine innere Nickelelektrode 437 bedeckt die Innenfläche des Zylinders 435. Die Elektrode 437 ist um das erste Ende des Zylinders 435 herum gewickelt und bietet genügend Abstand, um externe elektrische Verbindungen mit dem Zylinder 435 zu ermöglichen.
Eine zweite Nickelelektrode 436 bedeckt den größten Teil der Außenfläche des Zylinders 435. Die zweite Elektrode ist von der ersten Elektrode 437 durch eine Luftlücke an der Oberfläche des zweiten Endes des Zylinders 435 und durch eine Luftlücke an der Außenfläche des Zylinders 435 nahe dem ersten Ende elektrisch isoliert. Wenn ein elektrischer Impuls an die erste und die zweite Elektrode 437, 436 angelegt, wird, wird ein Spannungspotential radial durch das Wandlermaterial 435 erzeugt. Das Spannungspotential verursacht eine Veränderung der radialen Dimensionen des Wandlers 435, was auch eine Veränderung des Volumens, das durch den Wandler 434 definiert wird, bewirkt.
Die Spühröhre 432 ist in der Wandlerkammer 403 derart angebracht, daß das aufnehmende Ende 431 sich über das rückwärtige Ende des Wandlers 434 hin erstreckt. Das aufnehmende Ende 431 der Sprühröhre 432 ist in ein Ende der Reagenzzufuhrröhre 430 eingebracht. Die Zufuhrleitung 430 ist mit der Röhre 431 durch konzentrische Zähne 412, die von den Abschnitten 402, 404 des Gehäuses gebildet werden, abgedichtet verbunden. Die Zähne 411 verbinden abdichtend nicht nur die Zufuhrröhre 430 mit der Sprühröhre 432, sondern verbinden abdichtend ebenso die Zufuhrröhre 430 mit dem Gehäuse 402, 404.
Das zweite Ende der Zufuhrröhre 430 läuft durch den Kanal 410 in einen Reagenzbehälter 200. Der Behälter 200 enthält die Reagenzflüssigkeit, die durch den Sprühkopf 400 abgegeben werden soll. Wenn die Reagenzflüssigkeit verteilt wird, gelangt Luft durch den Kanal 410 zum Behälter 200, um die Bildung eines Vakuums im Behälter 200 zu verhindern. Der Behälter 200 ist abnehmbar mit dem Gehäuse 402, 404 verbunden und wird durch Reibungskräfte festgehalten. Eine Behälterkappe 202 ist an dem Behälter 200 flexibel angebracht und derart ausgebaut, daß die Kappe 202 zur Sicherung der Öffnung im Behälter verwendet werden kann, wenn der Behälter 200 vom Gehäuse 402, 404 gelöst ist.
Die Lage der Sprühröhre 432 definiert die horizontale Ebene des Spühkopfes 400. Die Sprühröhre 432 und der Wandler 434 werden in einer vorherbestimmten vertikalen Beziehung zueinander bezüglich des Gehäuses 402, 404 mittels zweier oberen vertikalen Paßstifte 418 und zweier unteren vertikalen Paßstifte 418 gehalten. Die zwei oberen vertikalen Paßstifte 418 erstrecken sich horizontal aus dem Gehäuseabschnitt 402 bis in die Wandlerkämmer 403. In ähnlicher Weise erstrecken sich die zwei unteren vertikalen Paßstifte 418 vom Gehäuseabschnitt 404 bis in die Wandlerkammer 403. Jeder vertikale Paßstift 418 ist einstückig mit dem jeweiligen Gehäuseabschnitt 402, 404 gebildet.
Die Sprühröhre 432 und der Wandler 434 werden in einer vorherbestimmten horizontalen Beziehung bezüglich des Gehäuses 402. 404 mittels 4 horizontaler Paßstifte 424 gehalten. Zwei der horizontalen Paßstifte 424 erstrecken sich horizontal aus dem Gehäuseabschnitt 402 ungefähr in die Mitte der Wandlerkammer 403. In ähnlicher Weise erstrecken sich zwei der horizontalen Paßstifte 424 aus dem Gehäuseabschnitt 404 ungefähr in die Mitte der Wandlerkammer 403. Jeder horizontale Paßstift 424 ist einstückig mit dem jeweiligen Gehäuseabschnitt 402, 404 gebildet. Die Paßstifte 418, 424, die Abdichtungszähne 412 und die Mündungsöffnung 406 sind dafür ausgerichtet und ausgebildet, die Sprühröhre 432 und den Wandler 434 derart zu halten, daß sich die Mündung 433 der Sprühröhre 432 in die Mündungsöffnung 406 erstreckt.
Ein Aktivierungsimpuls eines elektrischen Wandlers wird mittels zweier Kontaktstifte 422 von der Sprühkopfsteuereinheit 500 zum piezoelektrischen Wandler 434 übermittelt. Eine Flüssigkeitsmenge wird aus der Sprühröhre auf jeden übermittelten Aktivierungsimpuls abgegeben. Der Aktivierungsimpuls kann durch eine Vielzahl von herkömmlichen Schaltkreisen oder im Handel erhältlichen Einheiten erzeugt werden. Daher wird keine detaillierte Beschreibung eines solchen Schaltkreises gegeben. Jedoch wird ein Schaltkreis zur Erzeugung einer Reihe von Aktivierungsimpulsen in der Beschreibung des unten angegebenen Systems bereitgestellt. Wegen der unterschiedlichen Einschränkungen, die bei der Abgabe auftreten, muß der Schaltkreis bei dem System nicht nur einen einzelnen Impuls erzeugen. Jedoch könnte ein Fachmann den Schaltkreis, wenn erwünscht, derart abändern, daß ein einzelner Impuls auf Anforderung hin zur Verwendung für die Abgabeausführungsform erzeugt wird.
Jeder Kontaktstift 422 definiert einen vergrößerten Kopf 423, der dafür ausgebildet ist, mit den jeweiligen ersten und zweiten Elektrode 437, 436 in Kontakt zu treten, die sich an der Außenfläche des Wandlers 434 befinden. Zwei Kontaktstifthalterungen 414, die einstückig mit dem Gehäuse 402, 404 gebildet sind, sind derart angebracht, daß sie die jeweiligen Kontaktstifte 422 unter den Stiftköpfen 423 halten, so daß jeder Stiftkopf 423 elektrisch mit der entsprechenden Elektrode 437, 436 des Wandlers 434 in Kontakt tritt. Zwei Kontaktstift-Halterungsbolzen 420 erstrecken sich vom Gehäuse 402, 404 gegenüber der Kontaktstifthalterungen 414 aus, um mit den Kontaktstiften 422 in Eingriff zu treten und diese gegen die Kontaktstifthalter 414 zu drücken. Die Enden der Kontaktstifte 422 gegenüber den Stiftköpfen 423 erstrecken sich mittels der Kontaktstiftöffnungen 421 durch das Gehäuse 402, 404. Da die Gehäuseabschnitte 402, 404 gegenseitig symmetrisch gebildet sind, können die Kontaktstifte 422 wahlweise oberhalb des Wandlers 434 angebracht werden.
Während des Betriebs wird der Behälter 200, der die Reagenzflüssigkeit enthält, am Sprühkopf 400 festgemacht, so daß die Flüssigkeitszufuhrröhre 430 in die Reagenzflüssigkeit hineinragt. Der Filter 300 kann am freien Ende der Zufuhrröhre 430 festgemacht oder innerhalb des Behälters 200 angebracht werden. Luft wird durch den Kanal 410 um die Zufuhrröhre 430 herum eingelassen, um zu verhindern, daß der Druck im Behälter 200 unter den atmosphärischen Druck abfällt. Durch die Abdichtung, die zwischen den Abdichtungszähnen 412 und der Zufuhrröhre 430 erzeugt wird, wird die Luft davon abgehalten, um die Zufuhrröhre 430 und in die Wandlerkammer 403 einzudringen. Die Sprühröhre 432 kann dadurch aufgefüllt werden, daß der Behälter 200 leicht unter Druck gesetzt wird, so daß die Reagenzflüssigkeit durch die Zufuhrröhre 430 und in die Sprühröhre 431 läuft. Nach der Auffüllung wird die Flüssigkeit durch die Oberflächenspannung der Reagenzflüssigkeit an der Mündung 433 daran gehindert, im wesentlichen aus der Sprühröhre 432 auszulaufen.
Der Wandleraktivierungsimpuls wird zu den Kontaktstiften 422 des Sprühkopfes 400 geleitet. Die Kontaktstifte 422 übermitteln den Hochspannungsimpuls zu den Elektroden 437, 436 des Wandlers 434 mit einer derartigen Polarität, daß der konzentrisch angebrachte Wandler 434 expandiert. Die Expansionsrate wird durch die Anstiegszeit des Hochspannungsimpulses geregelt, die voreingestellt ist, um eine schnelle Expansion zu erzeugen. Die Expansion des Wandlers 434 verursacht ebenso die Expansion der Sprühröhre 432, die mit Epoxy am Wandler 434 befestigt ist. Die Expansion der Sprühröhre 432 erzeugt eine akustische Expansionswelle innerhalb der Sprühröhre 432, die axial zur Mündung 433 und zur Flüssigkeitsaufnehmenden Öffnung 431 wandert. Wenn die Expansionswelle die Mündung 433 erreicht, wird die Flüssigkeit teilweise nach innen angesaugt. Jedoch verhindert die Oberflächenspannung der Flüssigkeit grundsätzlich eine Flüssigkeitsbewegung nach innen. Wenn die Expansionswelle das Ende 431 der Sprühröhre 432 erreicht, wird die Expansionswelle reflektiert und so zu einer Kompressionswelle, die zur Mitte der piezoelektrischen Röhre 434 wandert. Die Breite des Hochspannungsimpulses ist derart ausgebildet, daß, wenn sich die reflektierte Kompressionswelle unterhalb der piezoelektrischen Röhre 434 befindet, der Hochspannungsimpuls abfällt, woraus eine Deexpansion des Wandlers 434 und der Sprühröhre 432 resultiert. Dieser Vorgang summiert sich zu der bestehenden akustischen Kompressionswelle · im Inneren der Sprühröhre 432. Die verstärkte Kompressionswelle wandert zur Mündung und bewirkt somit eine Abgabe der Reagenzflüssigkeit aus der Sprühröhre 432. Die Flüssigkeit wird aus der Mündung 433 als ein kleines Tröpfchen 2 ausgestoßen und in einer ausgewählten Mischzelle 904, die durch die Transporteinheit 902 positioniert, abgelagert. Ein Tröpfchen 2 wird für jeden Wandler-Aktivierungsimpuls abgegeben. Dieses Abgabeverfahren wird als Tröpfchen auf-Anforderungs-Modus bezeichnet.
In manchen Fällen kann ein Tröpfchen 2 zumindest von einem kleineren Satellitentröpfchen begleitet werden. Jedoch auch wenn Satellitentröpfchen anwesend sind, sind Volumen und Geschwindigkeit der Reagenztröpfchen 2 in hohem Maße reproduzierbar. Diese Reproduzierbarkeit erlaubt die präzise Abgabe von gleichförmigen Tröpfchen 2 regelbarer Größe von Reagenzflüssigkeit in die Mischzelle 904.
Die Reagenztröpfchen 2 treffen in der Mischzelle 904 mit ausreichender Kraft und Volumen auf, um eine Flüssigkeitsvermischung der Reagenzien zu bewirken. Sobald die erwünschte Menge von ausgewählten Reagenzien in der ausgewählten Mischzelle 904 eingebracht ist, wird die Mischzelle 904 zur Erfassungsstelle 906 befördert, wo die vermischten Reagenzien zur Verwendung extrahiert oder auf Assayergebnisse hin analysiert werden.
Die Abgabevorrichtung 30 bietet zahlreiche Vorteile aufgrund der Fähigkeit des Reagenzsprühkopfes 400 zum schnellen und reproduzierbaren Ausstoßen gleichförmiger Mengen einer Vielzahl von Reagenzien. Die Reaktionszeiten mancher chemischer Vorgänge hängen vom Volumen der verwendeten Reagenzien ab. Die Fähigkeit des Verteilersystems 30, solche kleine Mengen von Reagenzien abzugeben, verringert somit die Bearbeitungszeit bestimmter chemischer Assays. Weiterhin benötigen manche chemische Assays einen breiten Bereich von Verdünnungsverhältnissen. Viele herkömmliche Verteilersysteme sind nicht in der Lage, die Reagenzien in so geringen Mengen abzugeben, daß das erwünschten Assay anwendbar ist. Das Abgabesystem der vorliegenden Erfindung überwindet diesen Nachteil.
Ein Auftragungssystem 10 wird in der Fig. 3 dargestellt. Die Struktur, die in Form und Funktion der oben beschriebenen ähnelt, ist durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Das Auftragungssystem 10 umfaßt einen Reagenzflüssigkeitsbehälter 200, einen Filter 300, einen Reagenzsprühkopf 400, eine Sprühkopfsteuereinheit 500, eine Schnittstelle 600, einen Computer 700 und einen x-y-Plotter 800.
Der x-y-Plotter 800 ist ein im Handel erhältlicher Stiftplotter, in herkömmlicher Weise derart mechanisch abgeändert, daß der Stift durch den Sprühkopf 400 ersetzt wird. Der allgemeine Betrieb und die Struktur des Plotters 800 werden hier nicht im Detail beschrieben. Der Plotter 800 empfängt die Befehle vom Computer 700 durch eine Standard-RS-232- Serienschnittstelle, die in der Schnittstelleneinheit 600 enthalten ist. Der Plotter 800 verarbeitet die Befehle und erzeugt Steuersignale, um einen x-Achsenmotor (nicht dargestellt) und einen y-Achsenmotor (nicht dargestellt) anzutreiben. Der x-Achsenmotor wird zur Positionierung des Spühkopfes 400 und der y-Achsenmotor zur Positionierung einer Trommel (nicht dargestellt), an der die Auftreffplatte 1 angebracht ist, verwendet.
Der Plotter 800 erzeugt ein Stiftabwärtssignal PENDN. Dieses Signal wird an die Steuereinheit 500 angelegt und zeigt an, daß der Plotter 800 bereit ist, mit der Auftragungstätigkeit zu beginnen.
Die Steuereinheit 500 empfängt ebenfalls Steuersignale von der Schnittstelleneinheit 600. Diese Signale beinhalten die Signale HIGHER*, LOWER*, um die Amplitude der Impulse, die an den Wandler 434 angelegt werden, zu steuern; sowie ein Rücksetzsignal RST, um die Steuereinheit 500 zurück-zusetzen; und eine Reihe von Drucksignalen PRT*. Die Erzeugung dieser Signale wird nicht im Detail beschrieben, da ihre Erzeugung durch die konventionelle Schnittstelleneinheit 600 erfolgt.
Der Sprühkopf 400 und das Flüssigkeitszufuhrsystem 200, 300 werden initialisiert und arbeiten im wesentlichen wie oben beschrieben. Die Sprühkopfsteuereinheit 500, dargestellt in den Fig. 5a bis 5e, umfaßt einen Drucksteuerschaltkreis 510, einen Impulsgenerator 530, eine Hochspannungsversorgung 540 und einen Stroboskopimpuls-generator 560. Die Steuereinheit 500 umfaßt ebenfalls eine Energieversorgung. Da jedoch die Energieversorgung einen herkömmlichen Aufbau aufweist, wird sie nicht dargestellt oder im Detail beschrieben.
Der Drucksteuerschaltkreis 510 empfängt vom Plotter 800 das Stiftabwärtssignal PENDN und umfaßt einen Transistor Q100, einen monostabilen Kreisschaltkreis U100, zwei NAND-Gatter U101, U102, einen Line-Dekoder-Multiplexer U107 und vier Invertierer U103 bis U106. Das Stiftabwärtssignal PENDN wird an die Basis des Transistors Q100 angelegt durch die Widerstände R100, R101 und die Diode D100. Der Emitter des Transistors Q100 ist geerdet und der Kollektor über den Widerstand R102 mit der +5-Volt- Stromversorgung verbunden.
Der monostabile Kreis U100 umfaßt die Eingänge A, B und einen Ausgang Q. Der B-Eingang des monostabilen Kreises U100 ist mit dem Kollektor des Transistors Q100 verbunden und der A- Eingang ist geerdet. Die Zeitperiode des Impulses, der durch den monostabilen Kreis U100 erzeugt wird, wird bestimmt durch einen Widerstand R104, einen variablen Widerstand R105 und einen Kondensator C100. Der Ausgang Q des monostabilen Kreises U100 ist durch das NAND-Gatter U101 mit dem Kollektorausgang des Transistors Q100 verbunden und wird dann durch das NAND-Gatter U102 invertiert. Der Schaltkreis ist betriebsbereit, um die eine einstellbare Verzögerung bei der Anlegung des Stiftabwärtssignals PENDN an die Steuereinheit 500 zu erzeugen.
Der Leitungs-Dekoder U107 ist als ein 3-Eingang-UND-Gatter geschaltet. Der Ausgang des NAND-Gatter U102 wird an den ersten Eingang des Dekoders U107 angelegt; die Drucksignalleitung PRT*, die eine Reihe von Impulsen von der Schnittstelleneinheit 600 umfaßt, wird an den zweiten Eingang angelegt; und ein Sprühkopf- ON/OFF-Signal vom Schalter S1 wird an den dritten Eingang angelegt. Der Inverter U106 invertiert den Ausgang des Leitungs- Dekoders U107, um ein Drucksteuersignal PRT* zu erzeugen, und die Inverter U103 bis U105 invertieren jeweils die Steuersignale LOWER*, HIGHER* bzw. RST-Signale.
Die Hochspannungsversorgung 540, dargestellt in Fig. 5b, erzeugt +175 Volt Gleichstrom, um einen maximalen Impuls von +150 Volt von Spitze zu Spitze am Reagenzsprühkopf 400 zu erzeugen. Die Hochspannungsversorgung 540 umfaßt einen Differentialverstärker U12 und Transistoren Q1, Q2, Q13, Q14. Eine stabile Referenzspannung von -2,5 Volt Gleichstrom wird an der Verbindungsstelle eines Widerstandes R13 erzeugt, der mit der -15 Volt Spannungsversorgung und mit einer geerdeten Diode CR6 verbunden ist. Die Referenzspannung wird über einen Widerstand R14 eingekoppelt, um eine einstellbare, stabile Spannungsreferenz für den Verstärker U12 zu erzeugen. Die Referenzspannung wird über den Widerstand R11 kommend an den invertierenden Eingang des Verstärkers U12 angelegt. Der nicht- invertierende Eingang des Verstärkers U12 ist über den Widerstand R12 geerdet. Der Verstärker U12, in Verbindung mit einem Rückführungswiderstand R10, erzeugt ein Ausgabesignal, das proportional zur Differenz des Spannungsreferenzsignales und zum Erdpotential ist.
Der Ausgang des Verstärkers U12 ist an die Basis des Transistors Q2 angelegt, dessen Kollektor mit der +15 Volt Spannungsversorgung verbunden ist. Das Signal, das am Emitter des Transistors Q2 erzeugt wird, wird über die Widerstände R8, R6, R5, einen Transformator L1 und die Dioden CR4, CR2 und CR1 an die Basis des Transistors Q1 angelegt. Der Emitter des Transistors Q1 ist geerdet und der Kollektor ist über den Transformator L1 mit der +15 Volt Spannungsversorgung verbunden. Eine Diode CR3 verbindet den Kollektor des Transistors Q1 mit der Verbindungsstelle des Widerstandes R5 und der Diode CR4. Der Transistor Q1 wird durch die Widerstände R7, R6 und R5 für den richtigen Betrieb unter Vorspannung gesetzt. Der Widerstand R7 und ein Kondensator C22 verbinden die Verbindungsstelle des Widerstands R8, R6 mit der +15-Volt-Spannungsversorgung.
Der Transistor Q1 und der Transformator L1 bilden einen Rücklauf-Sperroszillator. Jeder Stromanstieg durch den Transistor Q1 erzeugt einen Anstieg der Energie, die durch die sekundäre Windung des Transformators L1 und der Diode CR5 übertragen wird. Daher bedingt ein Stromanstieg durch den Transistor Q1 einen Anstieg der Leistung, die für den Hochspannungsausgang zur Verfügung steht. Die Dioden CR1 bis CR4 bilden eine "Baker"-Klemmschaltung, die die Sättigung des Transistors Q1 verhindert. Die Klammer verhindert somit die Transistor-Speicherzeit.
Die Diode CR5 ist mit einem Mehrfach-pi-Filter verbunden, der durch die Induktivitäten L3, L2, die Kondensatoren C24, C21, C41 und den Widerstand R29 gebildet ist. Der Mehrfach-pi-Filter schwächt Riffel und Umschaltspitzen im Signal ab, das dem Transistor Q13, der den Hochspannungsausgang V++ erzeugt, zugeführt wird. Ein Widerstand R64 verbindet die Basis des Transistors Q13 mit dem Emitter und mit dem Widerstand U29. Die Basis ist über einen Widerstand R65 ebenfalls mit dem Kollektor des Transistors Q14 verbunden. Die Basis des Transistors Q14 ist über einen Widerstand R67 mit der +15 Volt Spannungsversorgung verbunden und über einen Widerstand R66 geerdet. Der Emitter des Transistors Q13 erzeugt ein Signal HV SENSE, das über einen Widerstand R9 an den invertierenden Eingang des Verstärkers U12 rückgekoppelt wird. Der Hochspannungsausgang V++ wird am Kollektor des Transistors Q13 erzeugt. Die korrekte Vorspannung des Transistors Q13 ergibt sich durch den Widerstand R64 und den Vorspannungsschaltkreis, der den Transistor Q13, die Widerstände R67, R66 und R65 umfaßt.
Der Impulsgenerator 530, dargestellt in den Fig. 5d und 5e, umfaßt einen Opto-Isolator U18, einen monostabilen Kreis U23, einen Digital-Analog-(D/A)-Wandler U30 und zwei Binärzähler U24, U25. Der Impulsgenerator 530 empfängt die Steuersignale PRT*, LOWER*, HIGHER*, RST und erzeugt den Aktivierungsimpuls, der an den Wandler 434 angelegt wird. Während des normalen Betriebes wird das PRT*-Steuersignal durch einen Jumper JMP zwischen den Kontaktstellen E5, E6 dem Opto-Isolator U18 zugeführt. Der Opto- Isolator U18 weist einen herkömmlichen Aufbau auf und umfaßt einen Licht-emittierenden Dioden-(LED)-Schaltkreis und einen Foto-Element-Schaltkreis. Ein Widerstand R15 arbeitet als Lastwiderstand für den LED-Schaltkreis des Isolators und ein Kondensator C25 unterdrückt vorübergehendes Rauschen an der Spannungsversorgung zum Isolator U18. Der Ausgang des Isolators U18 wird an einen Eingang des monostabilen Kreises U23 angelegt, dessen Zeitkonstante durch die Widerstände R38, R25 und den Kondensator C30 regelbar bestimmt wird. Der Impuls vom nicht- invertierenden Ausgang des monostabilen Kreises U23 wird in die Basis des Transistors Q9 eingegeben. Ein Widerstand R39 stellt den ungefähren Basisstrom des Transistors Q9 ein, der als Pegelverschieber zur Konvertierung des CMOS-Signalpegels zum +15 Volt Gleichstrom-Signalpegel Verwendung findet.
Die Steuerung der Anstiegs- und Abfallraten des Impulsgenerators 530 erfolgt durch Ausrichtung von einem Paar Stromversorgungstransistoren Q11, Q12 zur Ladung und Entladung eines Kondensators C57 gebracht werden. Der Transistor Q11 wirkt als Stromversorgung und der Transistor Q12 als Stromsenke. Ein Transistor Q10 steuert den Strompegel, indem er einen geeigneten Abgleichstrom durch den Widerstand R56 zur Basis des Transistors Q11 zuführt. Die Vorspannung der Transistoren Q11, Q12 ist für die korrekten Anstiegs- und Abfallraten entscheidend. Daher werden Präzisionsspannungs-Referenzen CR13, CR15 verwendet, um die jeweiligen Referenzvorspannungen zur Verfügung zu stellen. Ein Temperaturkompensationsnetzwerk wird aus Zener-Dioden CR14, CR16 und Widerständen R55, R54 gebildet, um jeweils einen stabilen Betrieb der Transistoren Q11, Q12 aufrecht zu erhalten. Die variablen Widerstände R49, R52 können dazu verwendet werden, um die Abstiegszeit bzw. Anstiegszeit des Ausgangsimpulses einzustellen, der am Reagenzsprühkopf 400 angelegt wird. Eine Vielzahl von Widerständen R45, R46, R47, R48, R49, R51, R52, R53, R56, R57, R58 werden verwendet, um die Transistoren Q10, Q11, Q12 korrekt unter Vorspannung zu setzen, und die Kondensatoren C55, C60 sind derart geschaltet, daß die Stabilität des Schaltkreises aufrechterhalten bleibt.
Die Impedanz der Ausgangsstufe der Anstiegs- und Abfallsschaltkreise Q10, Q11, Q12 ist sehr hoch. Mit einer solch hohen Impedanz könnten die Schaltungselemente, die am Kondensator C57 angebracht sind, die Linearität der Anstiegs- und Abfallzeit-Konstanten beeinträchtigen. Daher wird ein FET- Eingangsoperationsverstärker U32 als eine Impedanzschnittstelle verwendet. Der Verstärker U32 ist im einen nicht-invertierenden Modus konfiguriert und zur Stabilität mit den Kondensatoren C58, C59 verbunden.
Der Ausgang des Verstärkers U32 wird über den Widerstand R62 an den invertierenden Verstärker U31 angelegt. Der Verstärker U31 invertiert und konditioniert das Impulssteuersignal mithilfe der Widerstände R59, R60. Die Widerstände R61, R63, die mit der -15 Volt Spannungsversorgung verbunden sind, stellen eine Vorrichtung zur Einstellung des Gleichstrom-Pegel-Offsets des Verstärker-U31-Ausgangs signales zur Verfügung. Die Kondensatoren C51, C52 sind miteinander verbunden, um die Leistung und die Stabilität des Schaltkreises zu steigern.
Der Ausgang des Verstärkers U31 wird mittels des Widerstandes R41 an den positiven Spannungsreferenzsignaleingang REF(+) des D/A-Wandlers U30 angelegt. Der negative Spannungsreferenzsignaleingang REF(-) ist über den Widerstand R40 geerdet. Der D/A-Wandler U30 erzeugt die Ausgangssignale IOUT, IOUT*, die proportional zur Differenz zwischen den positiven und negativen Spannungsreferenzsignaleneingängen REF(+), REF(-) sind. Die Kondensatoren C48, C49, C50 sind mit dem D/A-Wandler U30 verbunden, um die Stabilität zu erhöhen.
Die D/A-Wandlerausgänge IOUT, IOUT* sind ebenfalls proportional zu einem 8 Bit Binärwert, der an die Eingänge B1 bis B8 angelegt wird. Der Binärwert wird durch die Zähler U24, U25 geliefert, die durch die Funktionssignale LOWER*, HIGHER* und RST gesteuert werden. Das LOWER*-Signal und die HIGHER*- Signale werden mittels der Opto-Isolatoren U19, U20 an die Vorwärtszähl- und Rückwärtszähleingänge CU, CD des Zählers U24 angelegt. Die Übertrag- und Borgeausgänge CY, BR des Zählers U24 sind mit den Vorwärtszähl- und Rückwärtszähleingängen CU, CD des Zählers U25 verbunden. Die Rücksetzeingänge RST von beiden Zählern U24, ü25 erhalten das RST-Signal mittels eines Opto- Isolators U21. Widerstände R16, R17, R18 werden als Lastwiderstände für die LED-Schaltkreise der Isolatoren U19, U20, U21 verwendet und die Kondensatoren C26, C27, C28 werden dazu verwendet, die Stabilität der. Isolatorschaltkreise zu steigern.
Die Zähler U24, U25 können über die Eingangsleitungen TP0 bis TP7 wahlweise auf einen ausgewählten 8 Bit Binärwert vorgeladen werden. Die Eingangsleitungen TP0 bis TP7 sind normalerweise durch das Widerstandsnetzwerk U22 auf den logischen Hochsignalzustand vorgespannt. Der ausgewählte Binärwert wird durch Runterziehen der jeweiligen Eingänge TPO bis TP7 und durch Anlegen eines externen, aktiv-niedrigen Ladesignals EXT LOAD an den Pin TP8 in den Zählern U24, U25 geladen. Der Ladesignal-Pin TP8 ist mit den Ladeeingängen LOAD der Zähler U24, U25 verbunden und wird durch einen Kippschaltkreis konditioniert, der aus den Dioden CR9, CR10 und einem Pull-Up-Widerstand des Widerstandnetzwerkes U22 besteht.
Die nicht-invertierten und invertierten Ausgänge IOUT, IOUT* sind mit den invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen eines Differentialverstärkers U29 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers U29 wird über den Widerstand R50 zum invertierenden Eingang rückgekoppelt. Der Verstärker U29 konvertiert den Stromausgang des D/A-Wandlers U30 zu einem Spannungsausgang. Die Kondensatoren C56, C47 dienen zur Steigerung der Schaltkreisstabilität.
Der Ausgang des Verstärkers U29 wird an den nicht- invertierenden Eingang des Verstärkers U28 angelegt. Der Ausgang des Verstärkers U28 wird zum invertierenden Eingang mittels eines Kondensators C46 und eines Widerstandes R37 rückgekoppelt. Der invertierende Eingang ist ebenfalls über den Widerstand R36 geerdet. Um die Frequenzantwort des Verstärkers U28 zu verbessern, sind ein Widerstand R43 und ein Kondensator C54 zwischen dem Frequenzkompensationseingang FC und der Masse zwischengeschaltet. Ein einstellbarer Gleichstrom-Offset wird durch Verbindung der Ausgangs-Offset-Eingänge OF, OF mit einem variablen Widerstand R42 erreicht. Der Schleifer des Widerstandes R42 wird mit dem Hochspannungsversor-gungsausgang V++ verbunden.
Der Ausgang des Verstärkers U28 ist ebenso mit der Basis des Transistors Q4 verbunden und durch die Dioden CR11, CR12 mit der Basis eines Transistors Q7. Die Transistoren Q4, Q7, Q3 und die Widerstände R30 bis R35 bilden einen Ausgabeschaltkreis, der geeignet ist, hohe kapazitive Lasten bei hohen Anstiegsraten und großer Bandbreite zu steuern. Der variable Widerstand R31 kann dazu verwendet werden, um den maximalen Strom durch das Vorspannungsnetzwerk R30, R33 einzustellen, indem der Spannungsabfall durch den Widerstand R35 gemessen wird.
Der Stroboskopgenerator 560 erzeugt einen Stroboskopimpuls und umfaßt die Transistoren Q101 bis Q105 und einen monostabilen Kreisschaltkreis U108. Die Stroboskopintensität wird bestimmt durch den Schaltkreis, der die Transistoren Q101 bis Q104 und die Widerstände R109 bis R115 umfaßt. Der Schaltkreis ist mit der Anode der LED 900 verbunden und empfängt zwei Eingänge von der Schnittstelleneinheit 600, um vier Helligkeitsgrade in der LED 900 zu erzeugen.
Die Aktivierung und Aktivierungsdauer der LED 900 wird durch den monostabilen Kreis U108 und den Transistor Q105 bestimmt. Der monostabile Kreis U108 umfaßt die Eingänge A, B und einen Ausgang Q. Das Stroboskopsignal STROBE wird von der Schnittstelleneinheit 600 an den B-Eingang angelegt. Die Dauer des monostabilen Kreises-U108-Ausgangsimpulses wird durch das einstellbare RC-Netzwerk R107, C108 gesteuert. Der Ausgang Q wird an die Basis des Transistors Q105 durch den Widerstand R108 angelegt. Der Kollektor des Transistors Q105 ist mit der Kathode der LED 900 verbunden, um den Strom durch die LED 900 zu ziehen. Der Computer 700, die Steuereinheit 500 und der Plotter 800 müssen initialisiert werden. Die Initialisierung des Computers 700 und des Plotters 800 wird nicht eingehend behandelt, da die Einheiten einen herkömmlichen Aufbau und Betrieb aufweisen.
Zur Initialisierung der Sprühkopfsteuereinheit 500 übermittelt der Computer 700 an die Schnittstelleneinheit 600, einen Rücksetzbefehl auszugeben. Das Rücksetzsignal RST wird der Steuereinheit 500 zugeführt, woraufhin die Zähler U24, U25 zurückgesetzt werden. Der Computer 700 sorgt dann für die Wiedergewinnung, aus seinem Speicher oder durch eine herkömmliche Benutzereingabe, der erwünschten digitalen Einstellung für den D/A-Wandler. Diese Einstellung kann ebenfalls aus Daten berechnet werden und auf spezifische Größen von Sprühköpfen 400 oder Reagenzflüssigkeiten abgestimmt werden. Der Computer 700 erteilt dann durch die Schnittstelleneinheit 600 eine Reihe von Befehlen, um die Zähler U24, U25 zu inkrementieren oder dekrementieren, damit diese der erwünschten Binäreinstellung entsprechen. Wenn der Befehl angibt, daß die Zähler inkrementiert werden, wird das HIGHER*-Signal durch den Opto-Isolator U20 an den Vorwärtszähleingang CU des Zählers U24 angelegt. In ähnlicher Weise wird, wenn der Befehl angibt, daß die Zähler dekrementiert werden, das LOWER*-Signal durch den Opto-Isolator U19 an den Rückwärtszähleingang CD des Zählers U24 angelegt. Da die Übertrag- und Borgeausgänge CY, BR des Zählers U24 mit den Vorwärtszähleingängen und Rückwärtszähleingängen CU, bzw. CD des Zählers U25 verbunden sind, kann die digitale Einstellung, die zum D/A-Wandler U30 übermittelt wird, zwischen 0 und 255 betragen. Alternativ könnten die Zähler U24, U25 durch Laden des Binärwertes auf den Leitungen TP0 bis TP7 und durch Stroben der EXT LOAD-Leitung auf eine erwünschte Einstellung initialisiert werden.
Nachdem die Steuereinheit 500 und der Plotter 800 initialisiert worden sind, kann der Auftragungszyklus beginnen. Der Computer 700 erteilt einen Befehl an die Schnittstelleneinheit 600, um eine Reihe von PRT*-Signalimpulsen zu erzeugen. Der Computer 700 erteilt dann dem Plotter 800 den Druckbefehl, z. B. eine Linie entlang eines ausgewählten Pfades zu drucken. Der Plotter 800 positioniert den Sprühkopf 400 und die Auftreffplatte 1 und gibt dann das Stiftabwärtssignal PENDN aus. Das Signal wird verzögert durch den Drucksteuerschaltkreis 510, um sicherzustellen, daß die Auftreffplatte 1 richtig positioniert ist. Am Ende der Verzögerung wird das Signal mit dem geschlossenen Freigabeschalter S1 und der Reihe von Druckimpulsen PRT* UND-verknüpft. Das Ergebnis des UND-Vorganges ist die Übermittlung der PRT*-Impulse an den Impulsgeneratorschaltkreis 530.
Das PRT*-Signal wird durch den Jumper JMP zum Opto-Isolator U18 und dann zum monostabilen Kreis U23 übertragen. Der monostabile Kreis U23 erzeugt ein Impulssignal, das dann durch den Transistor Q9 von den CMOS-Signalpegeln in den 15 Volt Gleichstrom-Singalpegel umgewandelt wird. Die Anstiegs- und Abfallschaltung, die Q10, Q11 und Q12 umfaßt, wandelt die Quadratwellenimpulse in einen Impuls um, der Anstiegs- und Abfallcharakteristika aufweist, die durch die Widerstände R49, R52 voreingestellt sind. Der konditionierte Impuls wird dann durch den Verstärker U32 verstärkt und an den Verstärker U31 zugeführt.
Der Verstärker U31 wandelt die Polarität des konditionierten Impulses derart um, daß diese durch den D/A- Wandler U30 empfangen wird, und liefert einen einstellbaren Gleichstrom-Offset. Der Gleichstrom-Offset wird dazu verwendet, um einer möglichen Verzerrung durch den Verstärker U31 entgegenzuwirken. Die Verzerrung entsteht dadurch daß, eine geringe Strommenge durch den Widerstand R41 fließen muß, damit der Verstärker U31 entsprechend reagiert. Dieser Strom erzeugt einen Offset-Zustand am Ausgang des Verstärkers U29, der dann durch den D/A-Wandler U30 in Übereinstimmung mit den binären Daten skaliert wird. Der Widerstand R63 erlaubt es, daß eine geringe Strommenge an den Verstärker U31 angelegt wird, um die Offset-Spannung zu steuern, die vom Strom, der durch den Widerstand R41 fließt, herrührt.
Der D/A-Wandler U30 skaliert die Differenz zwischen den Eingängen REF(+), REF(-) unter Verwendung der binären Daten, die an die Eingangsleitungen B1 bis B8 übermittelt werden, um einen Stromausgangsimpuls IOUT und einen Strominvertierten Ausgangsimpuls IOUT* zu erzeugen. Die beiden Ausgaben IOUT, IOUT* werden in den Verstärker U29 eingegeben, der die Stromausgaben in eine einzelne Spannungsausgabe konvertiert. Der skalierte, konditionierte Impuls wird dann dem Ausgangsschaltkreis zugeführt, der den Verstärker U28 und die Transistoren Q3, Q4, Q5, Q6, Q7 umfaßt. Der Schaltkreis erzeugt einen Hochspannungsimpuls mit den oben erwähnten Anstiegs- und Abfallcharakteristika, um den piezoelektrischen Wandler 434 zu steuern.
Der Hochspannungsimpuls wird dem Wandler 434 übermittelt und verursacht den Ausstoß eines Flüssigkeitströpfchens 2 auf die Auftreffplatte 1. Da das Stiftabwärtssignal PENDN nach wie vor angelegt ist, werden zusätzliche Tröpfchen 2 vom Sprühkopf 400 erzeugt. Der Plotter 800 bewegt, während des Ausstoßes der Tröpfchen 2, den Sprühkopf 400 und die Auftreffplatte 1 den erwünschten Pfad entlang, um die erwünschte Auftragungslinie zu erzeugen. Wenn das Auftragen beendet ist, nimmt der Plotter 800 das Stiftabwärtssignal PENDN zurück und die Tröpfchenausstoßung wird beendet. Es sollte natürlich klar werden, daß Punkte, Kreise und ähnliches durch geeignete Positionierung der Auftreffplatte 1 und des Sprühkopfes 400 erzeugt werden können.
Die Größe und die Gleichförmigkeit der Tröpfchen 2, sowie die Anwesenheit von Satellitentröpfchen können mithilfe des Stroboskops 950 und der LED 900 beobachtet werden. Das Stroboskop 950 und die LED 900 sind derart positioniert, daß die Tröpfchen 2 sich zwischen dem Stroboskop 950 und der LED 900 und innerhalb der Brennweite des Stroboskops 950 bewegen. Der Stroboskopimpuls verursacht ein momentanes Aufblitzen der LED 900, wenn er an die LED 900 angelegt wird. Die Zeitmessung der Aktivierung und der Impulsbreite kann eingestellt werden, so daß das Aufblitzen dann erfolgt, wenn die Flüssigkeit, die auf den Hochspannungsimpuls hin ausgestoßen wird, sich zwischen dem Stroboskop 950 und der LED 900 befindet. Die abgegebene Flüssigkeitsmenge kann dann während des Fluges oder im oder nahe am Moment der Trennung von der Mündung 433 beobachtet werden. Korrekturen aufgrund der Beobachtung können dann durch das System 10 vorgenommen werden.
Da jedes Tröpfchen 2 ein kleines Volumen aufweist, kann das Tröpfchen 2 schnell durch die Auftreffplatte 1 absorbiert werden, wodurch eine schnelle und präzise Plazierung einer Vielfalt von Reagenzien an die Auftreffplatte 1 mit verringerter Trocknungszeit und verringertem Flüssigkeitsvermischungspotential ermöglicht wird. Zusätzlich ermöglicht die Fähigkeit, kleine Tröpfchen auf präzise Art und Weise zu plazieren, daß die Auftreffplatte 1 in einer Matrix hoher Dichte gedruckt wird mit einer Vielzahl von Reagenzien als isolierte Matrixelemente.
Bei manchen Auftragungsanwendungen, besonders bei Auftragungsflüssigkeiten mit niedriger Viskosität und Oberflächenspannung, kann es wünschenswert sein, die Flüssigkeit durch die Sprühröhre 432 unter Druck auszutreiben, und den Vibrationen, die durch den Wandler 434 erzeugt werden, zu erlauben, den ausgestoßenen Flüssigkeitsstrom in gleichförmige Tröpfchen 2 aufzuspalten. In diesem Auftragungsmodus kann der Ausstoß von Tröpfchen 2 nicht durch Beenden des Wandleraktivierungsimpulses gestoppt werden. Es ist daher notwendig, die Flüssigkeitsausgabe durch andere Vorrichtungen zu verhindern. Eine bevorzugte Vorrichtung zum sofortigen Beenden der Tröpfchenausgabe ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. In dieser Darstellung wird die Struktur, die in Form und Funktion der in Fig. 3 dargestellten Struktur ähnlich ist, mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Darstellung, im allgemeinen dargestellt durch das Bezugszeichen 20, umfaßt ein geschlossenes Reagenz- Rückführungssystem, das ein gewöhnlich geschlossenes Dreiwegventil 970, einen Sammelbehälter 960 und eine Rückförderpumpe 980 umfaßt. Im Dauerbetriebsmodus wird die Reagenzflüssigkeit aus der Mündung 433 durch hydraulischen Druck gesteuert und durch die Bewegung des Wandlers 434 in eine Reihe von im wesentlichen gleichförmigen Tröpfchen aufgespalten. Eine regulierte gefilterte Luftzufuhr 100 wird verwendet, um den Reagenzflüssigkeitsbehälter 200 mit Druck zu beaufschlagen. Die Reagenzflüssigkeit im Behälter 200 kann wahlweise durch einen Magnetrührer 990 geschüttelt werden. Dies ist besonders für Reagenzflüssigkeiten, die Schwebeteilchen enthalten, nützlich.
Das Dreiwegventil 970 beinhaltet einen gemeinsamen Kanal, einen gewöhnlich offenen Kanal und einen gewöhnlich geschlossenen Kanal. Die Flüssigkeit wird durch den Filter 300 gesteuert und dann dem gewöhnlich geschlossenen Kanal des Ventils 970 zugeführt. Wenn der gewöhnlich geschlossene Kanal zu ist, arbeitet der gewöhnlich offene Kanal des Ventils 970 als Belüftung für den Reagenzsprühkopf 400. Der gemeinsame Kanal ist mit der Reagenzzufuhrröhre 430 des Sprühkopfes 400 verbunden.
Die Reagenzzufuhrröhre 430 ist ebenso mit dem Sammelbehälter 960 verbunden.
Während des Betriebs wird der gewöhnlich geschlossene Kanal durch ein geeignetes Signal geöffnet, das vom Computer übermittelt wird, welches ebenso den gewöhnlich offenen Kanal schließt. Wenn der gewöhnlich geschlossene Kanal geöffnet wird, kann Flüssigkeit zum Sammelbehälter 960 und zum Sprühkopf 400 fließen. Der Sammelbehälter 960 sammelt die Reagenzflüssigkeit, die nicht dem Sprühkopf 400 zugeführt wurde. Der Sammelbehälter 960 führt die gesammelte Flüssigkeit zur Einlaßseite der Rückförderpumpe 980, welche die Flüssigkeit zum Behälter 200 zurückführt. Die zurückgeführte Flüssigkeit wird dann mit dem Inhalt des Behälters gemischt und ist für die Rückführung verfügbar.
Während des Betriebes im Dauerbetriebsmodus kann, anstatt den kontinuierlichen Strom von Auftragungsimpulsen zum Sprühkopf 400 zu unterbrechen, das Auftragen sofort durch Schließen des gewöhnlich geschlossenen Kanals des Ventils 970 gestoppt werden. Das Schließen des gewöhnlich geschlossenen Kanals stoppt den Fluß von Reagenzflüssigkeit zum Sprühkopf 400 und ermöglicht dem Sprühkopf 400 atmosphärisch zu entlüften. Bei kontinuierlicher Flüssigkeitszufuhr ist der Wandler 434 nicht in der Lage, weitere Tröpfchen 2 auszustoßen. Wenn somit die Positionierung der Auftreffplatte 1 durch den Plotter 800 ein längeres Zeitintervall als die Zeit zwischen dem Ausstoß von Tröpfchen 2 beansprucht, kann der Computer 700 den gewöhnlich geschlossenen Kanal des Ventils 970 schließen. Der Plotter 800 kann dann die Auftreffplatte 1 positionieren oder eine neue Auftreffplatte 1 nach Wunsch in Position bringen.
Während des Auftragungsvorganges wird der aktive Bestandteil des Reagenzes so behandelt, daß eine erwünschte Konzentration pro Flächeneinheit an Auftreffplatte 1 erreicht wird. Jedoch kann in einem bestimmten Ausmaß die endgültige Konzentration der Flächeneinheit durch Variierung der Dichte der Tröpfchen 2, die auf die Auftreffplatte 1 aufgetragen werden, eingestellt werden. Das Auftragungssystem ist für diese Anwendung wegen ihrer Fähigkeit, präzise diskrete Reagenztröpfchen aufzutragen, besonders gut geeignet.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Sprühkopfes ist in den Fig. 6a bis 6b dargestellt und wird allgemein mit 400' gekennzeichnet. Der Sprühkopf 400' umfaßt ein Gehäuse, das aus drei Abschnitten 401', 402', 403' besteht. Der Gehäuseabschnitt 403' beinhaltet eine Vertiefung, die den Reagenzflüssigkeitsbehälter 200' bildet, wenn der Gehäuseabschnitt 403' mit dem Gehäuseabschnitt 402' verbunden ist.
Der Sprühkopf, 400' umfaßt weiterhin einen piezoelektrischen Wandler 434' und eine Reagenzsprühröhre 432', die denen der ersten Ausführungsform ähnlich sind. Der Sprühkopf 400' und der Wandler 434' sind am deutlichsten in Fig. 6b dargestellt. Die Sprühröhre 432' bildet eine Mündung 433' an einem Ende und eine Reagenzflüssigkeit-aufnehmende Öffnung 431' am anderen Ende. Der Wandler 434' ist an der Sprühröhre 432' konzentrisch um den mittleren Bereich der Röhre 432' mit Epoxy angebracht.
Der Wandler 34' und die Sprühröhre 432' sind in den Kanälen 420', 418', 416', die sich in den Gehäuseabschnitten 402', 401' befindet, angebracht. Der Kanal 416' beinhaltet eine Vielzahl von Abdichtungszähnen 412' zum Eingreifen und Abdichten des Flüssigkeit-aufnehmenden Endes 431' der Sprühröhre 432'. Der Kanal 416' ist mit dem Reagenzflüssigkeitszufuhrkanal 430' verbunden. Der Zufuhrkanal 430' ist mittels einer Öffnung 431' durch den Gehäuseabschnitt 402', dargestellt in Fig. 6b, mit dem Flüssigkeitsbehälter 200' verbunden.
Der Behälter 200' beinhaltet eine flexible Behälterauskleidung 201', die dazu ausgebildet ist, die Reagenzflüssigkeit zu enthalten. Die Auskleidung 201' umfaßt eine Öffnung, die mit dem Gehäuse 402' verbunden ist, um es der Flüssigkeit zu ermöglichen, aus der Auskleidung 201' auszutreten. Eine Belüftungsöffnung (nicht dargestellt), die sich im Gehäuse 403' befindet, ermöglicht es, daß der Raum zwischen dem Behälter 200' und der Auskleidung 201' belüftet oder unter Druck gesetzt wird. Ein Filter 300' ist in der Öffnung 202' angebracht, um unerwünschte partikelförmige Fremdkörper aufzufangen.
Elektrische Impulse werden mithilfe zweier Kontaktstifte 422' dem Wandler 434' übermittelt. Die Stifte 422' werden durch jeweiligen Öffnungen 419' des Gehäuseabschnittes 402' und entsprechende Öffnungen 421' des Gehäuseabschnittes 403' eingeführt. Zwei dünne elektrisch leitende Streifen 410', 411', dargestellt in Fig. 6b, werden verwendet, um den Wandler 434' mit den Kontaktstiften 422' zu verbinden. Ein Schutzschild 405' erstreckt sich vom Gehäuseabschnitt 403' aus, um die vorstehenden Abschnitte der Kontaktstifte 422' teilweise zu isolieren.
Die Funktion und der Betrieb des Sprühkopfes 400' sind denen des Sprühkopfes 400 ähnlich und werden daher nicht im Detail ausgeführt. Die faltbare innere Auskleidung 201" des Behälters 200' ermöglicht ' es der Sprühröhre 432', durch Unterdrucksetzung des Behälters 200' durch die Belüftungsöffnung 205' aufgefüllt zu werden. Nach Auffüllung kann der Sprühkopf 400' unter Bezugnahme auf den Sprühkopf 400 wie oben verwendet werden.
Der Sprühkopf 400' bietet einen Vorteil darin, daß sich das gesamte Flüssigkeitssystem in einem Gehäuse befindet. Diese Zusammensetzung ermöglicht einen schnellen und effizienten Ersatz der Sprühköpfe ohne die Probleme der Flüssigkeitsverunreinigung.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform des Sprühkopfes ist in Fig. 7 dargestellt und allgemein mit 400" gekennzeichnet. Der Sprühkopf 400" umfaßt ein Gehäuse 403", eine Reagenzflüssigkeitszufuhrleitung 406", einen piezoelektrischen Wandler 434" und eine Mündungsplatte 404". Das Gehäuse 403" bildet eine konisch geformte Flüssigkeitskammer 432". Eine Mündungsplatte 404", die eine Mündung 433" bildet, ist am Gehäuse 403" befestigt, so daß die Mündung 433" sich am oder nahe am Gipfelpunkt der konischen Flüssigkeitskammer 432" befindet.
Die Flüssigkeitszufuhrleitung 406" ist am Gehäuse 403" angebracht und definiert einen Zufuhrkanal 430". Der Zufuhrkanal 430" steht in flüssiger Verbindung mit der Flüssigkeitskammer 432" mittels eines Verbindungskanals 431". Die Basis der Flüssigkeitskammer 432" wird durch den scheibenförmigen Wandler 434" gebildet. Der Wandler 434" wird durch eine Halteplatte 402" die am Gehäuse 403" angebracht ist, in Position gehalten. Die elektrischen Verbindungen zum Wandler 434" weisen einen herkömmlichen Aufbau auf und sind daher nicht dargestellt. Das Gehäuse 403" umfaßt weiterhin eine mit einem Gewinde versehene Öffnung 406" zur Befestigung des Sprühkopfes 400".
Der Sprühkopf 400" arbeitet in einer Art und Weise, die derjenigen der Sprühköpfe, die oben beschrieben sind, ähnlich sind. Jedoch ist in diesem Sprühkopf der Wandler 434" gewöhnlicherweise scheibenförmig. Wenn der elektrische Impuls angelegt wird, verbiegt sich der Wandler 434" leicht, wodurch das Volumen der konisch geformten Sprühkammer 432" verändert wird. Die Volumenveränderung der Kammer 432" verursacht die Ausgabe der Flüssigkeit durch die Mündung 433" und die Aufnahme der Flüssigkeit durch den Zufuhrkanal 430", wie unter Bezugnahme auf den Sprühkopf 400 beschrieben.
Eine vierte bevorzugte Ausführungsform des Sprühkopfes ist in Fig. 8 dargestellt und allgemein mit 400''' gekennzeichnet. Der Sprühkopf 400''' ist in Form und Funktion dem Sprühkopf 400 sehr ähnlich und wird daher nicht im Detail beschrieben. Der Sprühkopf 400''' umfaßt zwei symmetrische Gehäuseabschnitte. Die Gehäuseabschnitte können mittels der Öffnungen 409''' und Schrauben, die nicht dargestellt sind, miteinander verbunden werden. In zusammengebautem Zustand bilden die Gehäuseabschnitte 404''', 402''' einen T-förmigen Zufuhrkanal 410'''.
Während des Betriebes arbeitet der Sprühkopf 400''' in einer Weise, die dem Sprühkopf 400 ähnlich ist. Der Sprühkopf 400''' ist besonders zur Verwendung im Dauerbetriebsmodus geeignet, kann jedoch auch im Tropfen-auf-Auforderungs-Modus Verwendung finden. Im Dauerbetriebsmodus zirkuliert Flüssigkeit kontinuierlich durch den Flüssigkeitskanal 430''', wobei die Sprühröhre 432''' so viel Flüssigkeit wie erforderlich ist entnimmt.
Beispielhaft und ohne beabsichtigte Einschränkungen werden die folgenden Informationen gegeben, um die oben beschriebenen Ausführungsformen noch eingehender zu beschreiben.
Der Computer 700 ist ein IBM Corporation Personal Computer mit einem 640 kBytes RAM-Speicher. Die Schnittstelleneinheit 600 ist eine Burr-Brown-Schnittstelleneinheit mit der Typbezeichnung PC 20001. Der Plotter 800 wird von Housten Instrument mit der Typbezeichnung DMP-40 hergestellt. Die Verbindung zwischen dem Plotter 800 und der Schnittstelleneinheit 600 erfolgt durch eine Standard-asynchrone serielle Kommunikationsschnittstelle.
Der elektrische Impuls, der am Sprühkopf 400 zur Aktivierung des Wandlers 434 angelegt wird, umfaßt eine Anstiegszeit von ungefähr 5 s, eine Abfallzeit von ungefähr 5 s und eine Impulsbreite von ungefähr 35 s. Wenn der Wandler 434 im Tröpfchen auf-Anforderungs-Modus arbeitet, beläuft sich das Spannungspotential des Impulses auf 60 Volt plus oder minus 10 Volt und die Impulsfrequenz kann bis zu 4 kHz betragen. Wenn der Wandler 434 im Dauerbetriebsmodus arbeitet, beläuft sich das Spannungspotential des Impulses auf 30 Volt plus oder minus 10 Volt und die Impulsfrequenz kann bis zu 10 kHz betragen.
Die Sprühröhre 432 besteht aus einer Pyrexglasröhre und mißt 0,6858 mm (.027 Zoll) Außendurchmesser und 0,508 mm (.020 Zoll) Innendurchmesser. Die Röhre wird zu einer geschlossenen Verjüngung in einem elektrischen Ofen ausgezogen. Die Verjüngung wird abgeschnitten und auf die Größe der erwünschten Mündungsöffnung von 0,0508 bis 0,1016 mm (.002 bis 004 Zoll) im Durchmesser geschliffen. Die Röhre wird auf eine endgültige Länge von 24,003 mm (.945 Zoll) im Falle der Verteilerausführungsform abgeschnitten und in Aceton mit Ultraschall gereinigt. Nach der Reinigung und Trocknung wird das breite Ende der Röhre feuerpoliert. Falls erwünscht, kann das Mündungsende der Röhre einen Überzug, wie ein hydrophobes Polymer, erhalten, um die Trennung der Tröpfchen von der Röhre zu verstärken.
Die Zufuhrleitung 430 besteht aus einer Polyethylenröhre mit 0,5842 mm (.023 Zoll) Innendurchmesser und 9,652 mm (.38 Zoll) Außendurchmesser hergestellt von der Firma Intramedic Corporation mit der Typbezeichnung #14 170 11B. Während des Zusammenbaus wird ein Ende der Röhre über eine warme spitz zulaufende Spindel gedehnt. Das gedehnte Ende der Zufuhrleitung 430 wird dann über das breite, feuerpolierte Ende der Sprühröhre 432 eingeführt. Die zusammengebauten Teile werden dann für 10 Minuten in einem Umluftofen bei 50ºC gereinigt und ofengetrocknet.
Der Wandler. 434 stammt von Vernitron Cleveland, Ohio als Modell Nr. PZT-5H. Die Elektroden 437, 436 bestehen aus Nickel und sind auf der Außenoberfläche des Wandlers voneinander um ungefähr. 0,762 mm (.030 Zoll) entfernt. Die Sprühröhre 432 wird in die zylindrische piezoelektrische Röhre 434 gesteckt und mit Epoxy, das von der Firma Epoxy Technology, Bellerica, Massachusets mit der Typbezeichnung 301 hergestellt wurde, befestigt. Das Epoxy wird mit einer Spritze an der Verbindung der Röhre 432 mit dem Wandler 434 aufgetragen. Das Epoxy fließt durch Kapillarwirkung entlang der Röhre 432 in den Wandler 434. Die zusammengebauten Teile werden dann in einem Umluftofen bei 65ºC für ungefähr eine Stunde ofengetrocknet, damit das Epoxy aushärtet.
Die Kontaktstifte 422 werden an einem der Gehäuseabschnitte 402, 404 mit einem Tropfen Epoxy befestigt. Die Wandlersprühröhre 434, 432 ist im Gehäuse derart angebracht, daß das Mündungsende 433 der Röhre 432 ungefähr 0,762 mm (.030 Zoll) aus dem Gehäuse 402, 404 herausragt. Ein Tropfen von Silberepoxy wird zwischen jedem Kontaktstift 422 und dem Wandler 434 aufgetragen, um eine sichere elektrische Verbindung zu gewährleisten. Epoxy wird ebenfalls auf die Verbindung des Gehäuses 402, 404 und der Zufuhrröhre 430 aufgetragen. Der andere Abschnitt des Gehäuses 402, 404 wird dann eingeschraubt. Die Peripherie des Gehäuses 402, 404 wird mit einem kapillaren Abdichtungsmittel wie Cyclohexanon abgedichtet. Epoxy wird dann um jeden Kontaktstift 422 und um das Mündungsende 433 herum hinzugefügt. Die zusammengebauten Teile werden dann in einem Umluftofen bei 65ºC für über eine Stunde ofengetrocknet.
Der Filter 300 besteht aus einem Polyesternetz mit 20-m- Poren und ist in einem Polypropylengehäuse angebracht. Der Luftdruck, der während des kontinuierlichen Auftragebetriebes dem Behälter 200 zugeführt wird, wird zwischen 6,897 · 10&sup4; N/m² bis 20,697 · 10&sup4; N/m² (10 bis 30 psi) eingestellt.
Die verwendeten Reagenzien weisen die folgenden Charakteristika auf:
Auftragen (Tropfchen-auf-Anforderungs-Modus):
Flüssigkeitsviskositätsbereich: 1-30 Zentipoise
Flüssigkeitsoberflächenspannung: 20-70 Dyn/cm
Auftragen (Dauerbetriebsmodus):
Flüssigkeitsviskositätsbereich: bis 50 Zentipoise
Flüssigkeitsoberflächenspannung: nicht gemessen
Abgeben (Tropfchen-auf-Anforderungs-Modus):
Flüssigkeitsviskositätsbereich: 2-30 Zentipoise
Flüssigkeitsoberflächenspannung: 20-70 Dyn/cm
Eine Messung der Leistung und der ausgewählten Betriebsmerkmale für einen typischen Sprühkopf sind in Fig. 9 bis 11 dargestellt. Die Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Masse eines Tröpfchens als Funktion der Tröpfchenemissionsfrequenz für drei Flüssigkeiten. Die Viskosität der Flüssigkeiten betrug 1, 5 und 24 Zentipoise und die Wandlererregungsimpulsbreite 35 s. Wie in Fig. 9 dargestellt, führte die höhere Flüssigkeitsviskosität zu einer stabileren Betriebsleistung des Sprühkopfes. Fig. 10 ist eine graphische Darstellung der Tröpfchengeschwindigkeit als Funktion der Tröpfchenemissionsfrequenz für Flüssigkeitsviskositäten von 1, 5 und 24 Zentipoise. Der Logarithmus des Gesamtflüssigkeitsgewichts als Funktion des Logarithmus der Anzahl der abgegebenen Tröpfchen ist dargestellt in Fig. 11. Die verwendete Flüssigkeit hat eine Viskosität von 2 Zentipoise, eine Oberflächenspannung von 20 Dyn/cm und eine Dichte von 0,8 g/cc. Der Wandlererregungsimpuls betrug 80 Volt und die Erregungsfrequenz ungefähr 711 Hz.
Manche blutkennzeichnenden Reagenzien und manche Allergenreagenzien weisen sehr niedrige Viskositäten und Oberflächenspannungen auf. Obwohl in manchen Fällen Mittel zur Veränderung der Viskosität, wie Glycerol, Dextran, Glukose und ähnliches zugefügt werden können, um die Viskosität zu erhöhen, werden manche Reagenzien durch solche Modifikatoren ungünstig beeinflußt.
Die Entwicklung von stabiler und reproduzierbarer Tröpfchen-auf-Anforderungs-Versprühung ist bei sehr niedrigen Viskositäten schwierig. Obwohl die Tröpfchenausgabe bei manchen grundlegenden Frequenzen erreicht werden kann, können die abgegebenen Tröpfchen kleine Satellitentröpfchen haben, die die Genauigkeit der Messung und der Abgabevorgänge verringern. Jedoch wird auch bei Anwesenheit von Satellitentröpfchen für die meisten Auftragungsanwendungen genügend Reagenzflüssigkeit zugeführt ohne wesentliche Abnahme der Auftragungsqualität.
Glycerin kann als Mittel zur Veränderung der Viskosität verwendet werden, um die Sprühverläßlichkeit zu verbessern und um die Verstopfung der Mündung zu verhindern, die aus der Verdampfung der Reagenzflüssigkeitskomponenten entsteht. Glycerin wurde als besonders geeignet befunden für solche Reagenzien, die körniges Material enthalten. Die Verdampfung der Flüssigkeitskomponenten führt zu einer Glycerinkonzentration an der Mündung. Der Glycerinpfropfen verhindert im wesentlichen eine weitere Verdampfung der Reagenzflüssigkeit. Während des nächsten Aktivierungszyklus des Wandlers wird der Glycerinpfropfen aus der Mündung ausgestoßen.
Während des Versprühungs-Betriebs-Modus kann das Volumen der Tröpfchen derart variiert werden, daß im wesentlichen einheitlich 100 Piko-Liter bis 1 Mikroliter enthalten sind. Die Tröpfchen können mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1 kHz bis 8 kHz erzeugt werden.
Die Werte, Hersteller und Typbezeichnung der Schaltkreiskomponenten der Sprühsteuereinheit 500 sind im wesentlichen wie folgt:
Es sollte natürlich klar sein, daß viele Abänderungen zu den bevorzugten Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, vorgenommen werden können. Z. B. könnte der Wandler anstatt dem piezoelektrischen Typ einem anderen Typ angehören wie dem magnetostriktiven, elektrostriktiven und elektromechanischen Typ. Es ist daher, beabsichtigt, daß die vorhergehende ausführliche Beschreibung eher darstellend als einschränkend zu betrachten ist, und es sollte klar werden, daß es die folgenden Ansprüche sind, die einschließlich aller Äquivalente die Aufgabe dieser Erfindung definieren.
Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Schutzumfangs solcher Elemente dar, die nur exemplarisch durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims

1. Eine Diagnosevorrichtung mit einem Verteilersystem zum Ausstoß von gleichförmigen Tröpfchen regelbarer Größe in einem Bereich von 100 Pikoliter bis 1 Mikroliter einer großen Vielfalt von diagnostischen Reagenzflüssigkeiten, wobei das System folgendes umfasst:

eine Sprühkammer (432), die ein Volumen bestimmt, und die eine erste und zweite Öffnung (431, 433) besitzt, wobei die erste Öffnung (431) zur Aufnahme einer diagnostischen Reagenzflüssigkeit ausgebildet ist und die zweite Öffnung (433) eine Mündung bildet;

einen elektroakustischen Wandler (434) in mechanischer Verbindung mit der Sprühkammer (432), wobei der Wandler (434) betätigbar ist, um wechselweise in Abhängigkeit von einem ausgewählten elektrischen Impuls das Volumen der Sprühkammer (432) zu vergrößern und zu verringern, wodurch wechselweise eine akustische Expansions- und Kompressionswelle in der Flüssigkeit erzeugt wird, wobei die Kompressionswelle ausreicht, um den Ausstoß eines Tröpfchens der Flüssigkeit durch die Mündung (433) zu bewirken;

ein Mittel (500) zur Erzeugung einer Anzahl von elektrischen Impulsen, die ausreichend sind, um zu bewirken, dass eine erwünschte Menge der Flüssigkeit versprüht wird, wobei das Erzeugungsmittel (500) ausgebildet ist, um elektrische Impulse zu erzeugen, die bewirken, dass das von der Sprühkammer bestimmte Volumen um eine Größe expandiert wird, die ausreichend ist, um eine geringe Menge der Reagenzzufuhr anzusaugen;

ein Mittel (530) zur Veränderung der Charakteristika der Impulse, wobei die Charakteristika aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus der Anstiegszeit; Anstiegszeit und Abfallszeit; Anstiegszeit, Abfallszeit und Breite; oder Anstiegszeit, Abfallszeit, Breite und Amplitude bestehen;

zumindest eine zusätzliche Sprühkammer (432) in Flüssigkeitsverbindung mit einer zusätzlichen diagnostischen Reagenz flüssigkeit;

zumindest einen zusätzlichen Wandler (434) in mechanischer Verbindung mit der zusätzlichen Sprühkammer (432);

zumindest ein zusätzliches Mittel (500) zur Anlegung eines elektrischen Impulses mit vorherbestimmten Charakteristika an den zusätzlichen Wandler;

ein Mittel (530) zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von elektrischen Impulsen, die ausreicht, um genaue Mengen der diagnostischen Reagenzflüssigkeiten, die versprüht werden sollen, in einem erwünschten volumetrischen Verhältnis zu erzeugen; und

einen Behälter (904), der dafür ausgebildet und angebracht ist, um die Flüssigkeiten aufzunehmen.

2. Die Diagnosevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der diagnostischen Reagenzflüssigkeiten Serum umfasst, und dadurch, dass die Sprühkammern (432) derart zusammenwirken, dass die andere diagnostische Flüssigkeit in einer Weise ausgestoßen wird, um mit dem Serum in Kontakt zu treten und sich damit zu vermischen.

3. Die Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkammer (432) eine zylindrische Röhre (435) umfasst, und dass der Wandler (434) konzentrisch um die zylindrische Röhre angebracht ist.

4. Die Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkammer (432) konisch ist.

5. Die Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkammer (432) zumindest eine Kammerwand (435) umfasst, die einstückig mit dem Wandler (434) gebildet ist.

6. Die Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (434) scheibenförmig ist und die Basis der konischen Sprühkammer (432) bildet.

7. Die Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (433) eine Endfläche umfasst, die mit einem hydrophoben Polymer beschichtet ist.

8. Die Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (434) eine zylindrische Form aufweist und eine erste Elektrode (437) umfasst, die sich an der inneren Wand des Zylinders (435) befindet, die ein Ende des Zylinders (435) umschließt; und dadurch, dass eine zweite Elektrode (436) sich im wesentlichen an der äußeren Wand des Zylinders (435) befindet und von der ersten Elektrode (437) elektrisch isoliert, ist.

9. Die Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Mittel (902) zur Leitung und Ablenkung der ausgestoßenen diagnostischen Flüssigkeit(en) entlang eines gewünschten Pfades umfasst.

10. Die Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Vorrichtung (906) zur Erfassung der Reaktionsergebnisse zwischen der diagnostischen Reagenzflüssigkeit und der zusätzlichen diagnostischen Reagenzflüssigkeit umfasst.

11. Die Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkammer (432) aus Glas gefertigt ist.

12. Die Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese weiterhin einen zusammenfaltbaren Behälter (200) mit diagnostischer Reagenzflüssigkeit umfasst, der in Flüssigkeitsverbindung mit der ersten Öffnung (431) der Sprühkammern(432) steht, wobei die Kapillarwirkung an der Mündung (433) ein Druckdifferential zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Behälters (200) beim Ausstoß eines Tröpfchens aus der Sprühkammer (432) erzeugt.

13. Verfahren zur Durchführung eines diagnostischen Tests mit einer Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche des Typs, der einen Behälter einschließt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

(a) Positionierung des Behälters relativ zur Mündung (433) der Sprühkammern (432), wobei jede ein Volumen, eine Mündung und eine Öffnung (410) zur Aufnahme der diagnostischen Reagenzflüssigkeit bestimmt;

(b) wechselweise Vergrößerung und Verringerung des Volumens der Sprühkammern (432) durch ein elektroakustisches Wandlermittel (434), wodurch wechselweise eine akustische Expansions- und Kompressionswelle in den Flüssigkeiten erzeugt wird, wobei die Kompressionswelle ausreicht, die Tröpfchen durch die entsprechenden Mündungen (433) auszustoßen;

(c) Erzeugung von elektrischen Impulsen;

(d) Anlegung der erzeugten elektrischen Impulse an das Wandlermittel (434);

(e) Zulassung, dass die ausgestoßenen Tröpfchen in den Behälter aufgenommen werden; und

(f) Wiederholung der Schritte (a) bis (d), bis die genauen Mengen der diagnostischen Reagenzflüssigkeiten versprüht sind; wobei

Schritt (c) weiterhin die Veränderung der elektrischen Charakteristika der Impulse umfasst, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Anstiegszeit; Anstiegszeit und Abfallszeit; Anstiegszeit, Abfallszeit und Breite; oder Anstiegszeit, Abfallszeit, Breite und Amplitude bestehen, bis die ausgestoßenes Tröpfchen der Reagenzflüssigkeit eine vorherbestimmte und im wesentlichen gleichförmige Größe besitzen.

14. Verfahren zur Durchführung eines diagnostischen Tests mit einer Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12, des Typs, der einen Behälter einschließt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

(a) Positionierung des Behälters relativ zur Mündung. (433) der Sprühkämmern (432), wobei jede ein Volumen, eine Mündung und eine Öffnung (410) zur Aufnahme der diagnostischen Reagenzflüssigkeit bestimmt;

(b) Druckbeaufschlagung der Reagenzflüssigkeiten in die Sprühkammern (432);

(c) wechselweise Vergrößerung und Verringerung des Volumens der Sprühkammern (432) durch das elektroakustische Wandlermittel (434), wodurch wechselweise eine akustische Expansions- und Kompressionswelle in den Flüssigkeiten erzeugt wird, so dass der unter Druck stehende Flüssigkeitsstrom in Tröpfchen aufgespalten wird;

(d) Erzeugung von elektrischen Impulsen; und

(f) Anlegung der erzeugten elektrischen Impulse an das Wandlermittel (434); wobei Schritt (d) weiterhin die Veränderung der elektrischen Charakteristika der Impulse umfaßt, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Anstiegszeit; Anstiegszeit und Abfallszeit; Anstiegszeit, Abfallszeit und Breite; oder Anstiegszeit, Abfallszeit, Breite und Amplitude besteht.