DE60023629T2 - Mikrodosiersystem für die Freistrahldosierung von Flüssigkeiten - Google Patents

Mikrodosiersystem für die Freistrahldosierung von Flüssigkeiten Download PDF

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikroabgabesystem zur Freistrahl-Abgabe von Flüssigkeiten, mit einem Ventil, das eine Ventilkammer aufweist, die durch eine undurchlässige, elastische Membran begrenzt und mit der abzugebenden Flüssigkeit gefüllt ist, mit einer Flüssigkeitszuführleitung, die zur Ventilkammer führt, während ein durch die Membran in deren Ruhestellung von außen geschlossener Auslass von der Kammer zu einer Abgabedüse führt, und auf der anderen Seite der Ventilmembran eine Antriebskammer angeordnet ist, in der ein elektromechanischer Antrieb vorgesehen ist, der mit der Membran zum Zweck eines kurzen Anhebens der Membran vom Auslass verbunden ist. Ein solches Mikroabgabesystem, das hier als Druckkopf bezeichnet wird, ist aus der US 4,723,131 bekannt.
  • Für den Zweck dieser Beschreibung wird mit dem Begriff „Mikroabgabe" die Abgabe von Flüssigkeitsvolumina im Bereich von 10 Mikroliter und weniger bezeichnet. Der Begriff „Freistrahl-Abgabe" bezeichnet eine Abgabe, bei der die Abgabedüse und das Ziel durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, um eine Kontamination zu vermeiden.
  • Freistrahl-Abgabesysteme bestehen aus einer Abgabedüse, einer Flüssigkeitszuführleitung zur Abgabedüse und einem Abgabeantrieb.
  • Für den Abgabeantrieb in Mikroabgabesystemen sind verschiedene Betriebsprinzipien bekannt, und in der Praxis werden Piezoaktoren, Bubblejet-Aktoren, elektrostatische, pneumatische und magnetostriktive Antriebe eingesetzt. Die wichtigsten Einsatzbereiche dieser Antriebe sind das Tintenstrahldrucken und das Mikropipettieren.
  • Für die Abgabe biologischer Flüssigkeiten und suspendierter Zellen ist es sehr wichtig, dass keine oder nur minimale Scherkräfte, Druck- und Temperatureinflüsse auftreten sollten. Die bekannten Antriebe können folglich jedoch nur in begrenztem Maße eingesetzt werden. Insbesondere wirkt sich die Erwärmung der Flüssigkeit durch die Abwärme der elektromechanischen Antriebe bekannter Systeme nachteilig auf die Stabilität von Protein- und Enzymlösungen während deren Abgabe aus.
  • Vor dem tatsächlichen Abgabevorgang müssen die meisten Mikroabgabesysteme durch Abgabedurchläufe entlüftet und initialisiert werden. Nach der Abgabe musste jedes Mikroabgabesystem entleert, gespült und gereinigt werden. In beiden Fällen ist es außerordentlich wichtig, die üblicherweise teuren Flüssigkeiten sparsam zu verwenden. Die bekannten Mikroabgabesysteme können nur mittels einer großen Anzahl von Abgabedurchläufen mit wiederholter Betätigung des Antriebs initialisiert, entleert oder gespült werden, und verwerfen die überschüssige Flüssigkeit nach der Abgabe vollständig, so dass eine Rückgewinnung unmöglich ist.
  • Eben die Reinigung stellt ein beträchtliches praktisches Problem bei Mikroabgabesystemen dar, und dies gilt insbesondere für die Abgabedüse. Je nach Art ihrer Bauweise kann sie nicht ausgewechselt werden und, wenn überhaupt, nur unter Schwierigkeiten gereinigt werden, wenn eine Kontamination oder Verstopfung vorliegt.
  • Zusätzlich sind die meisten Abgabesysteme nicht vollständig aus inerten Materialien gefertigt. Bei bekannten elektromechanischen Abgabesystemen ist der Antrieb oft abzugebender Flüssigkeit ausgesetzt, die um ihn herum fließt. Abgesehen von der zuvor erwähnten Erwärmung, kann dies auch zu einer Kontamination der Flüssigkeit und zu einem fehlerhaften Betrieb des Antriebs aufgrund der Verschmutzung führen.
  • Ein weiterer Nachteil bekannter Freistrahl-Abgabesysteme besteht darin, dass die pro Durchlauf abgegebene Menge durch die Bauweise vorgegeben ist und durch die Viskosität und Oberflächenspannung der abzugebenden Flüssigkeit beeinflusst wird.
  • Ziel der Erfindung ist es, ein widerstandsfähiges und inertes Abgabesystem bereitzustellen, durch das Mikrovolumina von Flüssigkeiten mit unterschiedlichsten physikochemischen Eigenschaften dem Ziel ohne Verunreinigung mit minimalem Verlust und mit einem vorwählbaren Abgabevolumen, ohne einen wesentlichen Einfluss von Scherkräften, erhöhten Temperaturen und Druckwellen, zugeführt werden können.
  • Erfindungsgemäß ist die Antriebskammer druckdicht verschlossen, so dass sie einem Druck ausgesetzt werden kann, der sich vom atmosphärischen Druck unterscheidet. Das Ventil weist zwei Zuführleitungen auf, die eine Entlüftung, Spülung und Rückgewinnung der abzugebenden Flüssigkeit ohne Betätigung des Abgabeantriebs ermöglichen. Die Abgabedüse ist aus einem inerten und hydrophoben Elastomer gefertigt, wodurch ein Verstopfen verhindert und die Reinigung erleichtert wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroabgabesystems umfasst ein Ventil, mindestens eine Flüssigkeitszuführleitung, einen Auslass, eine Abgabedüse, eine Antriebskammer und einen elektromechanischen Antrieb. Das Ventil weist eine Kammer auf, die zumindest teilweise aus einer flüssigkeitsundurchlässigen, elastischen Membran gebildet ist, die aus einer Ruhestellung in eine gestreckte Position gestreckt werden kann. Die Ventilkammer ist mit der abzugebenden Flüssigkeit gefüllt. Mindestens eine Flüssigkeitszuführleitung steht in Flüssigkeitsverbindung mit der Ventilkammer. Diese mindestens eine Zuführleitung ist so gestaltet und bemessen, dass sie der Ventilkammer Flüssigkeit zuführen kann. Der Auslass ist zur Flüssigkeitsverbindung mit der Ventilkammer geöffnet, wenn sich die elastische Membran in der gestreckten Position befindet, und für eine Flüssigkeitsverbindung mit der Ventilkammer geschlossen, wenn sich die elastische Membran in der Ruhestellung befindet. Der Auslass ist so gestaltet und so bemessen, dass Flüssigkeit aus der Ventilkammer in den Auslass fließt, wenn sich die elastische Membran in der gestreckten Position befindet. Die Abgabedüse ist so gestaltet und bemessen, dass sie in Flüssigkeitsverbindung mit dem Auslass steht und eine Freistrahl-Flüssigkeitsabgabe erfolgt. Die Abgabedüse ist so gebaut, dass eine Freistrahlabgabe der Flüssigkeit aus der Abgabedüse erfolgt, wenn Flüssigkeit vom Auslass in die Abgabedüse fließt. Die Antriebskammer ist benachbart der elastischen Membran auf deren Seite gegenüber der Ventilkammer angeordnet. Die Antriebskammer ist so gestaltet und bemessen, dass sie druckdicht ist und einen Druck aufrechterhält, der sich vom atmosphärischen Druck unterscheidet. Der elektromechanische Antrieb ist in der Antriebskammer angeordnet und mit der Membran verbunden. Er ist so gebaut, dass er bei seiner Betätigung die Membran von der Ruhestellung in die gestreckte Position streckt, wodurch aus der Ventilkammer Flüssigkeit in den Auslass eintreten und deren Freistrahlabgabe durch die Abgabedüse erfolgen kann.
  • Weitere Einzelheiten und bevorzugte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsbeispiele veranschaulichen. Es zeigen:
  • 1 eine Perspektivdarstellung einer einzelnen Mikroabgabevorrichtung;
  • 2 einen Schnitt entlang der Ebene, die durch die Linie A-A in 1 festgelegt ist;
  • 3 eine Perspektivdarstellung einer Einheit mit acht identischen, in Reihe angeordneten Mikroabgabevorrichtungen;
  • 4 ein System aus vier nebeneinander angeordneten Einheiten der in 3 gezeigten Art;
  • 5 eine Perspektivdarstellung eines Membranelementes von oben (5a), von unten (5b) und im Schnitt (5c) entlang der Linie B-B;
  • 6 eine Perspektivdarstellung der Abgabedüse von oben (6a), von unten (6b) und im Schnitt (6c) entlang der Linie C-C.
  • Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, weist eine rechteckige Grundplatte 1 eine Mittelbohrung 2 auf. Ein Abgabedüsenelement 3 weist einen rechteckigen oberen Teil 4 mit einer ebenen Oberseite 5 und einer ebenfalls ebenen Unterseite 6 und einen zylindrischen unteren Teil 7 mit einer Erweiterung 8 auf, die in Form eines Kapillarrohrs ausgebildet ist. Eine Bohrung 9, die von der Oberseite 5 durch das gesamte Element hindurch läuft, führt in das untere Ende der Erweiterung 8. Die Erweiterung 8 ist mit einer auswechselbaren, elastischen Abgabedüse 10 mit einem Kapillarkanal versehen.
  • Das Abgabedüsenelement 3 liegt mit seiner Unterseite 6 auf der Grundplatte auf, und der untere Teil 7 der Erweiterung 8 läuft durch die Bohrung 2 hindurch.
  • Wie in 6 gezeigt, besteht die Abgabedüse 10 aus einem zylindrischen Teil 40 und einem konischen Teil 41, die beide mit einer Mittelbohrung 42, 43 versehen sind. Die Mittelbohrung 42 im zylindrischen Teil weist einen solchen Durchmesser auf, dass die Abgabedüse auf das Kapillarrohr 8 geschoben werden kann. Im konischen Teil verjüngt sich die Mittelbohrung 43 von einem Durchmesser aus, welcher der Bohrung 9 entspricht.
  • Die Abgabedüse ist aus einem inerten, hydrophoben Elastomer gefertigt. Die elastischen Eigenschaften verhindern, dass die Düse verstopft, und erleichtern deren Reinigung, ohne sich nachteilig auf die Freistrahl-Abgabe der geringen Flüssigkeitsvolumina auszuwirken. Zudem ist die elastische Abgabedüse deutlich weniger anfällig für mechanische Beschädigung als Abgabedüsen nach dem Stand der Technik, die aus Glas oder anderen harten Materialien gefertigt sind.
  • Vorteilhafterweise sind aus Fertigungs- und Handhabungsgründen mehrere oder alle Abgabedüsen für eine Abgabeleitung oder eine Abgabeanordnung miteinander verbunden, um eine Einheit zu bilden.
  • Wie in 5 näher gezeigt, ist ein Membranelement 11 im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und weist im Wesentlichen identische Abmessungen wie das Abgabedüsenelement 3 auf. In seiner Unterseite weist das Membranelement eine konzentrische, ringförmige Ausnehmung 12 und zwei Kanäle 13 auf, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und die ringförmige Ausnehmung mit Exzenterbohrungen 14 verbinden, die weiter außen in paralleler Beziehung zur Achse durch das Membranelement 11 hindurch laufen. Die Mitte, die von der Ausnehmung 12 umgeben ist, wird durch einen Kegelstumpf 15 gebildet. Das Membranelement 11 liegt mit seiner Unterseite auf der Oberseite des Abgabedüsenelementes auf. In dieser Position bilden die ringförmige Ausnehmung 12 und die Kanäle 13 um den Kegelstumpf 15 herum eine Kammer 16, deren ebene Unterseite die Bohrung 9 überdeckt. Die Kammer 16 wird als Ventilkammer bezeichnet.
  • Die Oberseite des Membranelementes weist manschettenförmige Dichtlippen 17 auf, welche die Bohrungen 14 umgeben, und eine Mittelverdickung 18, die axial nach oben gerichtet ist, und in die eine lang gestreckte, zylindrische, axial angeordnete Erweiterung 19 aus Metall gegossen ist. Eine Dichtscheibe 20, die aus einem Elastomer gefertigt ist, schließt sich an das Membranelement 11 seitens dessen Oberseite an. Die Dichtscheibe weist eine rechteckige Form mit im Wesentlichen der gleichen Größe wie die Grundplatte 1 auf und ist mit Bohrungen zur Aufnahme der Dichtlippen 17 und mit einer Mittelbohrung, die etwa dem Außendurchmesser der ringförmigen Ausnehmung in der Unterseite des Membranelementes entspricht, versehen.
  • Ein sich an die Dichtscheibe 20 anschließender Block 22 dient zur Aufnahme der Zuführleitungen und der Betätigungsvorrichtung für das Ventil. Der Block weist zwei Bohrungen 23, 25 auf, die konzentrisch zu den Exzenterbohrungen 14 des Membranelementes 11 und zu den entsprechenden Bohrungen der Dichtscheibe 20 ausgebildet sind, und durch die zwei Zuführkapillaren 24, 26 verlaufen, die beide mit ihrem unteren Ende in die von den Dichtlippen 17 umgebenen Exzenterbohrungen 14 führen und damit mit der Kammer 16 in Verbindung stehen.
  • In ihrem unteren Teil haben die Exzenterbohrungen 23, 25 im Block 22 einen aufgeweiteten Durchmesser, um die Dichtlippen 17 aufzunehmen. Der verbleibende Teil der Bohrungen ist an die Kapillaren 24, 26 angepasst.
  • Eine Mittelbohrung 27 im Block 22 hat einen schmaleren Mittelbereich, der mit einem Schraubgewinde 28 versehen ist, und Bereiche, die sich nach oben und nach unten hin aufweiten. Nach unten ist eine zweistufige Aufweitung vorgesehen, deren unterer Durchmesser wiederum dem Außendurchmesser der ringförmigen Ausnehmung im Membranelement entspricht. Diese aufgeweiteten Durchmesser bilden eine Kammer 29 über dem Membranelement 11 um die Verdickung 18 herum, wobei die Kammer 29 auf der Antriebsseite des Membranelementes liegt und daher als Antriebskammer bezeichnet wird. Die Antriebskammer ist von der Ventilkammer 16 durch die dünne Zone des Membranelementes im Bereich der Ausnehmung 12 getrennt, wobei diese Zone somit eine Membran bildet.
  • Das im Wesentlichen rohrförmige Gehäuse 21 eines Antriebselementes 30 für das Ventil sitzt in der Mittelbohrung 27. Als Antriebselement wird ein bekannter elektromagnetischer Antrieb verwendet. Das Gehäuse 21 weist in seinem Mittelbereich eine Verdickung mit einem geeigneten Außenschraubgewinde zum Einschrauben in das Schraubgewinde 28 der Bohrung auf. Eine Umfangsnut 31 zur Aufnahme eines O-Rings 32 ist ebenfalls im verdickten Bereich vorgesehen und dichtet die Bohrung 27 und damit die Kammer 29 nach außen ab.
  • Eine zylindrische Scheibe 39 ist in den unteren Teil der Mittelbohrung 27 gedrückt. Von der Unterseite der Scheibe 39 bis zur Oberseite des Membranelementes erstreckt sich eine Spiralfeder 33. Im eingebauten Zustand ist die Feder 33 so gespannt, dass sie den Kegelstumpf 15 der Membran 11 auf die Oberseite 5 des Abgabendüsenelementes 3 drückt.
  • Von der Außenseite des Blocks 22 führt eine Bohrung 34 zur Kammer 29.
  • Während des Betriebes fließt eine abzugebende flüssige Substanz durch die Kapillare 26 in die Kammer 16 und über die Kapillare 24 aus der Kammer heraus. Die Kammer 16 ist daher ständig mit der flüssigen Substanz gefüllt. Um durch die Abgabedüse 10 ein spezifisches Volumen abzugeben, wird die Membran mittels ihrer Erweiterung 19 durch die Wirkung eines elektrischen Pulses auf den elektromagnetischen Antrieb kurz nach oben gezogen und damit die Bohrung 9 im Abgabendüsenelement 3 freigelegt. Die Substanz kann während dieses Öffnens der Bohrung 9 ausströmen. Wenn der elektromagnetische Antrieb die Membran wieder freigibt, bewegt sich diese aufgrund der Feder und ihrer eigenen Elastizität nach unten und verschließt die Bohrung. Das ausströmende Volumen ist linear von der Dauer des Öffnens der Bohrung abhängig. Durch Verändern der Dauer des elektrischen Pulses ist es möglich, die Ventilöffnungszeit zu verändern und die abgegebene Menge auf einen vorbestimmten Wert einzustellen.
  • Die Membranbewegung erfolgt außerordentlich schnell, so dass die Öffnungs- und Schließvorgänge sehr kurz sind. Dies führt zu einer sehr hohen Präzision bei der Abgabe.
  • Die im Block 22 bis zur Kammer 29 über der Membran 11 verlaufende Bohrung 34 ermöglicht es, diese Kammer einem Arbeitsdruck auszusetzen, der an den Druck in der Kammer 16 angepasst ist. Dadurch können die Relativdrücke zwischen der Kammer 29 und der Kammer 16 und ihre Differenz zum atmosphärischen Außendruck frei gewählt werden. Beispielsweise wird die Membran 11 im Falle eines Überdrucks von 1 Bar in den Kammern 16 und 29 entlastet, so dass äußerst kurze Öffnungs- und Verschlusszeiten zusammen mit einer hohen Abgabepräzision für kleine abgegebene Mengen erhalten werden.
  • Die Doppelzuführung zur Kammer 16 ermöglicht, dass das Ventil ohne Betätigung des Antriebs belüftet und gespült wird. Die Reagenzien, die über die Kapillare 26 zugeführt werden, können beim Entleeren des Ventils über die Kapillare 24 auch zurückgewonnen werden.
  • Die örtliche Trennung der elektromechanischen Teile 19, 21, 30, 33 von den Fluidsystemen, die aus den Kapillaren 24, 26 und der Kammer 16 bestehen, verhindert, dass die Flüssigkeit durch die Abwärme des elektromechanischen Antriebs 30 erwärmt wird, sowie eine Kontamination der Flüssigkeit und jedwede Korrosion der elektromechanischen Teile durch korrosive Flüssigkeiten.
  • Wie in 3 gezeigt, können mehrere Mikroabgabeventile, im vorliegenden Fall acht, in Reihe angeordnet sein. Zu diesem Zweck werden die Grundplatte 35, das Abgabedüsenelement 36 und der Block 37 entsprechend verlängert und mit der entsprechenden Anzahl Bohrungen versehen. Die Membranelemente können dazwischen einzeln angeordnet sein. Alternativ dazu kann ein Mehrfach-Membranelement vorgesehen sein. Die Zuführbohrung 38 für den Arbeitsdruck ist mit allen Kammern im gesamten Block verbunden. Die Abstände zwischen den Bohrungen in der Grundplatte und dem Block entsprechen dem für herkömmliche Mikrotiterplatten verwendeten Modul.
  • 4 zeigt, wie mehrere Elemente in Reihe nebeneinander kombiniert werden können, um ein flaches System aus 32 Abgabeeinheiten zu bilden. Die einzelnen Elemente der Reihe weisen in diesem Fall jeweils einen Versatz von 2,25 mm in Längsrichtung auf. Die Modulabmessung beträgt 9 mm. Mit einem System dieser Art ist es möglich, Hoch-Integrationsplatten in einem Durchgang zu befüllen.
  • 1
    Grundplatte
    2
    Bohrung
    3
    Abgabendüsenelement
    4
    oberer Teil des Düsenelementes 3
    5
    ebene Oberseite des Düsenelementes 3
    6
    ebene Unterseite des Düsenelementes 3
    7
    zylindrischer unterer Teil 7 des Düsenelementes 3
    8
    Erweiterung/Kapillarrohr
    9
    Bohrung
    10
    auswechselbare, elastische Abgabedüse
    11
    Membranelement
    12
    konzentrische, ringförmige Ausnehmung 12 des Membranelementes 11
    13
    Kanal
    14
    Bohrung
    15
    Kegelstumpf
    16
    Ventilkammer
    17
    Dichtlippe
    18
    Mittelverdickung
    19
    Metallische Erweiterung
    20
    Dichtscheibe
    21
    rohrförmiges Gehäuse
    22
    Block
    23
    Bohrung
    24
    Zuführkapillare
    25
    Bohrung
    26
    Zuführkapillare
    27
    Bohrung
    28
    Schraubgewinde
    29
    Kammer
    30
    Antriebselement
    31
    Umfangsnut
    32
    O-Ring
    33
    Spiralfeder
    34
    Bohrung
    35
    Grundplatte
    36
    Abgabedüsenelement
    37
    Block
    38
    Zuführbohrung
    39
    zylindrische Scheibe
    40
    zylindrischer Teil der Düse 10
    41
    konischer Teil der Düse 10
    42
    Bohrung 42 des Teils 40
    43
    Bohrung des Teils 41

Claims (3)

  1. Mikroabgabesystem zur Freistrahl-Abgabe von Flüssigkeiten, mit einem Ventil, das eine Ventilkammer (16) aufweist, die durch eine undurchlässige, elastische Membran (11) begrenzt und mit der abzugebenden Flüssigkeit gefüllt ist, mit einer oder mehreren Flüssigkeitszuführleitungen (24, 26), die zur Ventilkammer (16) führt/führen, während ein durch die Membran in deren Ruhestellung von außen geschlossener Auslass von der Kammer zu einer Abgabedüse (10) führt, wobei auf der anderen Seite der Membran eine Antriebskammer (29) angeordnet ist, in der ein elektromechanischer Antrieb (30) vorgesehen ist, der mit der Membran zum Zweck eines kurzen Anhebens der Membran vom Auslass verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskammer druckdicht verschlossen ist, so dass sie einem Druck ausgesetzt werden kann, der sich vom atmosphärischen Druck unterscheidet, um diese Antriebskammer einem Arbeitsdruck auszusetzen, der an den Druck in der Ventilkammer (16) angepasst ist.
  2. Mikroabgabesystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Zuführleitungen (24, 26) zur Ventilkammer, welche die Entlüftung, Spülung und Rückgewinnung der abzugebenden Flüssigkeit ohne Betätigung des Antriebs gestatten.
  3. Mikroabgabesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabedüse (10) auswechselbar ist und aus einem inerten, hydrophoben Elastomer besteht.
DE60023629T 1999-11-09 2000-11-07 Mikrodosiersystem für die Freistrahldosierung von Flüssigkeiten Expired - Lifetime DE60023629T2 (de)

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