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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vorrichtung zum Ablagern
kleiner Tröpfchen von
Flüssigkeit.
Insbesondere findet die Erfindung Anwendung auf die Art der Vorrichtung,
wie sie zum Beispiel in der der Packard Instrument Company zugeteilten
PCT-Offenlegung
WO-98/45205 erörtert wird,
die Einrichtungen beschreibt, die in der Lage sind, eine Flüssigkeit
anzusaugen und sie in Tröpfchen
abzugeben, die ein Volumen im Bereich von 5 bis 500 Picolitern aufweisen.
Solche kleinen Tröpfchen
werden von der Spitze einer Kapillare ausgestoßen, indem ein Spannungsimpuls
an einen piezoelektrischen Wandler angelegt wird, der die Kapillare umschließt, wobei
eine Kraft erzeugt wird, die ausreichend ist, um ein kleines Tröpfchen oder
eine Serie kleiner Tröpfchen
mit einem Durchmesser abzugeben, der dem der Öffnung der Kapillare ähnlich ist. Obwohl
es verschiedene Endanwendungen für
eine solche Einrichtung gibt, ist sie in Verbindung mit einer chemischen
und biologischen Analyse auf Mikroebene besonders nützlich.
Die offengelegte PCT-Patentanmeldung empfiehlt eine Einrichtung
zum Reinigen der Spitze solcher Kapillaren, die leicht verstopfen können. Die
vorliegende Erfindung löst
eine weiteres Problem, dem die Einrichtung unterliegen kann, nämlich der
Beschädigung
der Kapillaren während
des Einsatzes der Vorrichtung. Darüber hinaus findet die Erfindung
Anwendung auf das Erfassen der Position einer festen oder flüssigen Fläche.
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Bei
einem typischen Betrieb wird die Spitze einer Kapillare in Kontakt
mit einer Flüssigkeit
in einem Behälter
gebracht, und die Flüssigkeit
wird angesaugt, wonach die Kapillare zu einer anderen Position bewegt
wird, wo die Flüssigkeit
wie gewünscht in
einem oder mehreren Tröpfchen
abgegeben wird. Daraufhin kann die Kapillare an eine andere Position, wo
zusätzliche
Tröpfchen
abgegeben werden, oder zu einer Waschstation, wo die Kapillare gereinigt wird,
bewegt werden, bevor sie für
das Ansaugen und Abgeben einer weiteren Flüssigkeitsprobe eingesetzt wird.
Es ist außerdem
möglich,
die Kapillare in einer Position zu belassen und die Behälter oder die
Flächen,
die die Flüssigkeitströpfchen aufnehmen,
unter die Kapillare zu bewegen. Im Allgemeinen erfordern solche
Abläufe,
dass die Kapillare senkrecht nach unten bewegt wird, so dass die
Spitze nahe an den Boden des Probenbehälters oder der Probenfläche gebracht
wird, und sie daraufhin nach oben bewegt wird, so dass der Probenbehälter oder die
-fläche
gegen andere ausgetauscht werden können. Die Kapillaren bestehen
im Allgemeinen aus Glas und brechen leicht, wenn sie mit einem Probenbehälter oder
einer Probenfläche
in Kontakt kommen. Hierdurch wird nicht nur der ausgeführte Prozess
unterbrochen, sondern es ist kostspielig, die Kapillaren und die
zugehörigen
piezoelektrischen Wandler zu ersetzen. Das Bruchproblem wird vervielfacht,
wenn die Zahl der Kapillaren erhöht
oder die Größe der zugehörigen Probenbehälter und
-flächen relativ
zu der Größe der Kapillaren
verringert wird.
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Für die meisten
praktischen Anwendungen dieser Technologie muss der Prozess automatisiert werden.
Es ist zu erkennen, dass, wenn die Spitze einer Kapillare auf bis
zu ungefähr
0,4 mm an den Boden eines Probenbehälters oder an eine weitere
Fläche
herangebracht wird, das manuelle Positionieren der Spitze schwierig
ist und leicht eine Beschädigung der
Spitzen auftreten kann. Wenn mehrere Kapillaren eingesetzt werden,
könnte
die Beschädigung
möglicherweise
sehr groß sein.
Kleine Fehler beim Positionieren der Probenbehälter oder von Tröpfchen aufnehmenden
Flächen
können
dazu führen,
dass eine Kapillare unbeabsichtigt in Kontakt mit der Wand des Probenbehälters oder
der Probenfläche
kommt und zerbricht. Dies kann aus Fehlern in der Programmierung
resultieren, aber selbst wenn der Bediener einer solchen Einrichtung
die Bewegung der Kapillaren für die
erforderlichen Bewegungen in drei Dimensionen korrekt programmiert
hat, können
immer noch Fehler beim Positionieren der Probenbehälter oder
-flächen zu
teuren Beschädigungen
an den Kapillaren führen.
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Häufig wird
die Mikroabgabevorrichtung zum Ansaugen von Proben von einer Mikroplatte
eingesetzt, die eine Anordnung von kleinen Vertiefungen aufweist,
in denen sich Flüssigkeit
befindet. Ein verbreitetes Format ist eine Platte mit 96 Vertiefungen (96-Well-Plate), die
ungefähr
80 mal 120 mm misst und runde Probenvertiefungen aufweist, die einen Durchmesser
von ungefähr
6,5 mm haben. In letzter Zeit sind jedoch Platten mit 384 und 1.536
Vertiefungen erhältlich.
Diese haben den Vorteil, dass das Volumen der Flüssigkeiten, das zum Füllen einer
Vertiefung erforderlich ist, weiter verringert wird. Diese neueren
Platten haben jedoch den Nachteil, dass sie Probenvertiefungen aufweisen,
die erheblich kleiner sind als diejenigen in den 96-Well-Plates.
Zum Beispiel weist eine 384-Well-Plate quadratische Vertiefungen
mit einer Seitenlänge
von jeweils nur 3,6 mm auf, während
eine 1.536-Well-Plate quadratische Vertiefungen mit einer Seitenlänge von
jeweils weniger als 1,5 mm aufweist. Wenn man berücksichtigt, dass
das Außenmaß einer
typischen Kapillare nur ungefähr
1 mm beträgt,
wird deutlich, dass nur sehr wenig Raum für Fehler bei der Programmierung
der drei-dimensionalen Bewegung der Kapillaren oder beim Positionieren
der Probenbehälter
oder -flächen besteht.
Daher haben sich die Erfinder dieser Erfindung dem Problem gewidmet,
die Kontaktmöglichkeiten
zwischen den Kapillaren und den Probenbehältern oder -flächen zu
vermeiden oder zumindest zu minimieren, so dass die Vorrichtung
zur Abgabe von Mikrotropfen mit geringen oder ohne aus Beschädigungen
an den empfindlichen Kapillaren resultierenden Ausfallzeiten eingesetzt
werden kann. Ihre Lösung
des Problems wird unten genau beschrieben. Unter einem breiten Aspekt
umfasst ihre Erfindung das Einsetzen der Kapillare mit ihrem piezoelektrischen
Wandler zum Erfassen eines Kontakts mit den festen Flächen wie
zum Beispiel Probenvertiefungen oder Tröpfchen aufnehmenden Flächen und
das Ergreifen von Korrekturmaßnahmen
zum Verhindern oder zumindest Beschränken von Beschädigungen an
den Kapillaren. Die Erfindung kann darüber hinaus angewandt werden,
um die Position einer festen oder einer flüssigen Fläche zu erfassen.
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US-4.912.976 legt ein Flüssigkeitsstand-Messsystem
offen, das einen Messfühler
und ein reaktives Element umfasst, dass von dem Messfühler getragen
wird. Das reaktive Element bildet einen Abschnitt eines abgestimmten
Kreises in einem spannungsgesteuerten Oszillator. Die Ausgabe des spannungsgesteuerten
Oszillators wird mit einem Referenzsignal mit fester Frequenz verglichen,
und ein Frequenz-/Phasen-Detektor
erzeugt ein Signal, das auf jeglichen Unterschied hinweist. Die
Ausgabe des Frequenz-/Phasen-Detektors wird an den spannungsgesteuerten
Oszillator angelegt, um die Ausgangsfrequenz des Oszillators auf
der Frequenz des Referenzsignals zu halten. Die Ausgabe des Frequenz-/Phasen-Detektors
wird darüber
hinaus differenziert, um einen Impuls zu entwickeln, wenn das Ausgabesignal
des Frequenz-/Phasen-Detektors schnell variiert, wodurch ein Anfangskontakt
zwischen dem Messfühler
und der Fläche
einer in einem Behälter
enthaltenen Flüssigkeit
angezeigt wird.
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US-4.715.413 legt eine Vorrichtung
zum Manipulieren kleiner Flüssigkeitsmengen
offen, die zumindest ein Reagenzglas zum Aufnehmen der Flüssigkeitsmenge,
eine Kanüle,
die in ein Gefäß eingeführt werden
kann, und eine Steueranordnung zum Steuern des Systemgefäßes und
der Kanüle
in Beziehung aufeinander in einer solchen Weise, dass die Kanüle an den
Boden des Gefäßes herangebracht wird,
umfasst. Die Kanüle
ist mit einer Aufhängungsstruktur
ausgestattet, die mit einer mechanischen oder elektronischen Sensoranordnung
verbunden ist, die einen Druck registriert, der axial auf das Ende
der Kanüle
einwirkt. Wenn ein Druck erfasst wird, unterbricht die Steueranordnung
das weitere Einführen der
Kanüle
in das Gefäß.
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EP-0.508.531 legt ein Verfahren
zum Abgeben von Flüssigkeit
in einen Behälter
offen, das die Position des Bodens des Behälters erfasst, indem zunächst die
Abgabeöffnung
gegen den Boden des Behälters
abgedichtet wird, die Flüssigkeit
in der Öffnung
unter Druck gesetzt wird und daraufhin die Öffnung gelöst wird, bis das Freigeben
der Lösung
aus der Öffnung
erfasst wird.
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US-5.554.811 legt ein Probenentnahmesystem
offen, das auf einen automatischen chemischen Analysator zur Probenentnahme
durch Ansaugen und Ablaufenlassen von Flüssigkeit wie zum Beispiel Proben
und Reagenzien anwendbar ist. Das Probenentnahmesystem umfasst eine
Pumpe, die über
einen Behälter
verfügt,
in der ein innerer Raum mit einem bestimmten Volumen gebildet wird,
und ein Steuerelement, das so in dem inneren Raum angeordnet ist,
dass es eine Pumpkammer darin bildet. Das Steuerelement umfasst
eine Grundplatte mit beiden Seiten daran und ein Piezo-Element,
das an der Grundplatte befestigt ist. Des Weiteren wird ein Röhrchen,
dessen eines Ende mit der Pumpkammer verbunden ist, eine Düse, die
mit einem weiteren Ende des Röhrchens
verbunden ist, und ein Element zum Steuern einer Steuerspannung,
die an das Piezo-Element angelegt wird, bereitgestellt. Das Piezo-Element
kann aus zwei piezoelektrischen Platten bestehen, die jeweils an
beiden Seiten der Grundplatte befestigt sind. Ein piezoelektrischer
Sensor ist an der Grundplatte angebracht, um eine Verformung des
Steuerelements, einen Flüssigkeitsstand
von Proben und Reagenzien und fehlerhafte Abläufe wie zum Beispiel Luftabsaugung
oder Blockierungen zu erfassen.
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US-4.864.856 legt ein Flüssigkeitsstand-Erfassungssystem
offen, das eine Rüttelvorrichtung zum
Rütteln
eines Probengefäßes, das
eine Probenlösung
enthält,
und ein Piezo-Element, das auf einem Saugelement bereitgestellt
wird, das eine (Öffnung zum
Ansaugen der Probenlösung
aufweist, umfasst. Änderungen
in der Ausgangsspannung des Piezo-Elements werden ausgelesen, während das
Saugelement senkrecht bewegt wird, es wird ein Kontakt des unteren
Endes des Saugelements mit der Probenlösung auf Basis der Änderungen
in der Ausgangsspannung erfasst, und der Flüssigkeitsstand der Probenlösung wird
erfasst. Alternativ umfasst das Flüssigkeitsstand-Erfassungssystem
eine Erschütterung übertragende
Platte zum Halten eines Düsenelements
an einem Saugelement, eine Rüttelvorrichtung
zum Rütteln
des Düsenelements
bei einer vorgegebenen Frequenz, eine Frequenz-Steuerschaltung zum Ändern der
Frequenz der Erschütterung
und einen Detektor zum Erfassen von Extremwerten der Ausgangsspannung
der Rüttelvorrichtung,
die Änderungen
in der Frequenz entsprechen. Der Flüssigkeitsstand wird auf Basis
von Änderungen
in den Extremwerten erfasst.
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Übersicht über die Erfindung
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Unter
einem Aspekt ist die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen, wann
eine Kapillare zum Abgeben von Flüssigkeiten durch die Wirkung
eines piezoelektrischen Wandlers in Kontakt mit einer Fläche kommt.
Die elektrische Spannung, die durch den piezoelektrischen Wandler
in Reaktion auf einen solchen Kontakt erzeugt wird, wird erfasst,
und es kann eine Korrekturmaßnahme
ergriffen werden, um den Bruch der Kapillare zu vermeiden. Unter
einem verwandten Aspekt wird die Änderung der elektrischen Spannung,
die erzeugt wird, wenn die Kapillare eine Fläche berührt, verwendet, um die Position
einer entweder flüssigen
oder festen Fläche
zu ermitteln.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen, wann eine Kapillare
zum Abgeben von Flüssigkeiten
durch die Wirkung eines piezoelektrischen Wandlers in Kontakt mit
eine Fläche
kommt, bei dem der piezoelektrische Wandler, der die Kapillare umschließt, bei
ihrer Resonanzfrequenz mit einer niedrigen oszillierenden Spannung
angetrieben wird, um ein Signal herzustellen, das der Kapillare
entspricht, und ein invertiertes Signal phasengleich mit dem Signal
der Kapillare als Bezugsgröße erzeugt
wird. Wenn die Kapillare mit einer Fläche in Kontakt kommt, wird
die Phasenverschiebung des Kapillarensignals relativ zu dem Referenzsignal
erfasst und löst
eine Korrekturmaßnahme aus.
Unter einem verwandten Aspekt wird die eben beschriebene Phasenverschiebung
eingesetzt, um die Position einer entweder flüssigen oder festen Fläche zu ermitteln.
Die Phasenverschiebung kann bevorzugt durch Summieren der Spannungspotentiale und
Erfassen der Spannungsänderung
leicht erfasst werden.
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Unter
einem weiteren Aspekt ist die Erfindung eine Vorrichtung zum Abgeben
von Mikrotropfen von Flüssigkeit
durch die Wirkung eines piezoelektrischen Wandlers, bei der der
Wandler eingesetzt wird, um den Kontakt mit einer festen Fläche durch die Kapillare
zu erfassen, die zum Abgeben der Mikrotropfen eingesetzt wird, und
um Beschädigungen an
der Kapillare zu verhindern, oder alternativ, um die Position einer
entweder flüssigen
oder festen Fläche zu
ermitteln. Bei einer Ausführungsform
wird die Spannung, die erzeugt wird, wenn Kontakt mit einer Fläche hergestellt
wird, zum Erfassen des Kontakts eingesetzt. Bei einer weiteren Ausführungsform
wird die Kapillare bei ihrer Resonanzfrequenz angetrieben, um ein
Kapillarensignal herzustellen, das mit einem invertierten Signal
als Bezugsgröße verglichen wird,
und es wird die aus dem Kontakt der Kapillare resultierende Phasenverschiebung
zwischen den Signalen erfasst. Die Phasenverschiebung wird bevorzugt
durch Summieren der Spannungspotentiale und Erfassen der Spannungsänderung
erfasst.
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Unter
einem noch weiteren Aspekt ist die Erfindung die Verbesserung einer
Kapillare, die mit einem piezoelektrischen Wandler zum Ausstoßen von kleinen
Tröpfchen
von Flüssigkeit
aus der Spitze der Kapillare ausgestattet ist, wenn eine Spannung
an den piezoelektrischen Wandler angelegt wird, und bei der der
Wandler eingesetzt wird, um einen Kontakt mit einer Fläche zu erfassen.
Bei einer Ausführungsform
erzeugt der Kontakt mit einer Fläche
eine Spannung aus der an den Wandler durch den Kontakt mit einer
Fläche
angelegten Kraft. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Kapillare
bei ihrer Resonanzfrequenz angetrieben, um ein Kapillarensignal
herzustellen, das mit einem invertierten Referenzsignal verglichen
wird, und es wird die aus einem Kontakt erzeugte Phasenverschiebung
zwischen den Signalen erfasst. Es können Korrekturmaßnahmen ergriffen
werden, indem üblicherweise
die Bewegung der Kapillare unterbrochen wird, um eine Beschädigung der
Kapillare zu verhindern. Alternativ kann das Verfahren eingesetzt
werden, um die Position einer festen oder flüssigen Fläche zu ermitteln.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Graph der Spannung, die erzeugt wird, wenn eine Kapillare in
senkrechter Richtung (Z) auf eine feste Fläche trifft.
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2 ist
ein Graph der Spannung, die erzeugt wird, wenn eine Kapillare in
der waagerechten (X-Y-)Ebene auf eine feste Fläche trifft.
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3 ist
ein Graph der Spannung, die bei einer zweiten Art von Kontakt einer
Kapillare mit einer festen Fläche
in der waagerechten (X-Y-)Ebene erzeugt wird.
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4 stellt
einen Graph der ungefilterten Spannung dar, die durch den Hub erzeugt
wird, wenn die Kapillare in Kontakt mit einer festen Fläche kommt,
zuzüglich
einer Überlagerung
der verstärkten Spannung,
die durch den Kontakt der Kapillare erzeugt wird. Das weiße Rauschen
ist nicht gefiltert worden.
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5 stellt
ein Blockschaltbild der Steuersysteme dar, die eingesetzt werden,
um die Mikroabgabevorrichtung zu betreiben und um den Bruch der Kapillare
zu verhindern.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen Mikroabgabevorrichtung
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Wie
oben erwähnt,
hat die Erfindung besondere Relevanz für eine Vorrichtung, die zum
Abgeben sehr kleiner Tropfen von Flüssigkeit eingesetzt wird, wie
zum Beispiel diejenigen, die in der PCT-Offenlegung
WO-98/45205 durch die Packard Instrument Company
genau beschrieben werden. Die Systeme zur Abgabe von Mikrotropfen
werden hier kurz beschrieben. Für
weitere Einzelheiten kann Bezug auf die offengelegte Patentanmeldung
genommen werden. Die Erfindung ist nicht auf die dort beschriebenen
spezifischen Geräte
beschränkt,
sondern kann auf andere Geräte
angewandt werden, die piezoelektrische Wandler einsetzen, um Tropfen
von Flüssigkeit
abzugeben.
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Es
werden zwei Arten von Systemen zur Abgabe von Flüssigkeiten in
WO-98/45205 beschrieben, die beide
ein Kapillarröhrchen
einsetzen, das in einer kleineren Abgabespitze endet, die einen
Innendurchmesser von ungefähr
25 bis 100 Mikrometer aufweist, und die in der Lage sind, Tropfen
von Flüssigkeit
abzugeben, die ein Volumen von ungefähr 5 bis 500 Picolitern aufweisen.
Durch Umschließen
des Kapillarröhrchens
mit einem piezoelektrischen Wandler ist es möglich, einen Spannungsimpuls, zum
Beispiel zwischen ungefähr
40 und 300 Volt, an den Wandler anzulegen, der mechanisch verformt wird,
wobei die Kapillare zusammengedrückt
wird und einen Tropfen Flüssigkeit
ausstößt. Wenn
die Spannung über
einen sehr kurzen Zeitraum angelegt wird, wird ein einzelner Tropfen
ausgestoßen.
Wenn die Spannung mit einer Frequenz von bis zu ungefähr 1.000
Hz angelegt wird, kann eine Serie von Tröpfchen ausgestoßen werden,
um das Flüssigkeitsvolumen
bereitzustellen, das abgegeben werden soll.
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Die
offengelegte Patentanmeldung beschreibt im Allgemeinen den Betrieb
eines Robotersystems, das die Mikrotropfen abgebende Kapillarspitze über einer
Probenflüssigkeit
in ihrem Behälter positioniert,
wobei eine solche Mikroplatte in 5 der Anmeldung
abgebildet ist. Die Spitze wird bewegt, bis sie Kontakt mit der
Oberfläche
der Flüssigkeit
in dem Behälter
herstellt, wobei der Kontakt durch ein kapazitives Flüssigkeitsstand-Messsystem erfasst
werden kann, so dass die Bewegung der Kapillare unterbrochen und
die Flüssigkeit
in die Kapillare aufgesaugt wird. Daraufhin kann die Kapillare an eine
andere Position bewegt und die aufgesaugte Flüssigkeit wie gewünscht abgegeben
werden. Die offengelegte Patentanmeldung beschreibt darüber hinaus
ein optisches Verfahren zum Positionieren der Kapillarspitze innerhalb
jeder Vertiefung einer Mikroplatte.
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Während die
Beschreibung hierin sich grundsätzlich
mit einer Vorrichtung befasst, in der die Kapillare von einer Position
zum Ansaugen einer Flüssigkeit
und zu einer zweiten Position zum Abgeben von Mikrotropfen der Flüssigkeit
bewegt wird, sollte es selbstverständlich sein, dass die entgegengesetzte
Anordnung möglich
ist und unter Umständen
für eine
gewerbliche Anwendung in großem
Umfang bevorzugt wird. Das heißt,
in der einfachsten Form wird eine einzelne Kapillare auf einem beweglichen
Träger
angebracht und waagerecht in der X-Y-Ebene und senkrecht in der
Z-Richtung in eine erste Position bewegt, wie zum Beispiel zu einer
Vertiefung einer Mikroplatte, um eine Flüssigkeit aufzusaugen, und wird
daraufhin zu einer zweiten Position bewegt, wie zum Beispiel zu
einer planen Fläche,
auf die Mikrotropfen der Flüssigkeit
abgegeben werden. Auf diese Weise bewegt sich die Kapillare, während die
Flüssigkeitsbehälter, z.
B. eine Probenvertiefung oder die Oberfläche, die die Mikrotropfen aufnimmt, feststehend
sind. Alternativ könnte
die Kapillare feststehend sein, und der Behälter und die Fläche könnten unter
der Kapillare bewegt werden, die nur in die senkrechte Richtung
(Z) bewegt wird. Eine solche alternative Anordnung kann insbesondere
bevorzugt werden, wenn mehrere Kapillaren in einer Matrix angebracht
sind und es bequemer ist, die Behälter, Probenplatten und -flächen zu
bewegen als die Matrix der Kapillaren zu bewegen. Es ist selbstverständlich möglich, eine
Vorrichtung einzusetzen, die in der Lage ist, jede der Kapillaren,
der Behälter,
der Probenplatten und der Flächen
unabhängig
voneinander zu bewegen, um eine maximale Flexibilität des Betriebs
zu erreichen. Jede Ausführungsform
unterliegt der oben erörterten
Schwierigkeiten, da Bewegung unabhängig davon, welche Ausführungsform
eingesetzt wird, die Kapillare in Kontakt mit einem Behälter oder
einer Fläche
bringen kann, was zu einer Beschädigung
der Kapillare führen
kann.
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In
der Praxis ist es nicht wünschenswert,
solche Bewegungen manuell mithilfe visueller Beobachtung durch den
Bediener auszuführen.
Um Genauigkeit bei den sich wiederholenden Schritt des Ansaugen
und Abgebens von Flüssigkeiten
sicherzustellen, wird im Allgemeinen eine Rechnersteuerung der Bewegungen
der Kapillaren bereitgestellt. Der Bediener der Vorrichtung weist
den Rechner an, eine Reihe von Bewegungen auszuführen, die dazu bestimmt ist,
Flüssigkeit
von einem Behälter
zu überführen und sie
in einen zweiten Behälter
oder auf eine Fläche wie
zum Beispiel einen Glas-Objektträger
abzugeben. Zum Beispiel könnte
eine Kapillare angewiesen werden, sich zunächst zu einer Flüssigkeit
enthaltenden Vertiefung zu bewegen, eine vorgegebene Menge der Flüssigkeit
aufzusaugen, sich zu einer vorgegebenen Position über einem
Glas-Objektträger
zu bewegen und dort einen einzelnen Tropfen der Flüssigkeit
abzugeben, sich daraufhin zu anderen Position über demselben Objektträger zu bewegen
und zusätzliche
Tropfen von Flüssigkeit
abzugeben. Nach dem Abgeben der gewünschten Flüssigkeitsmenge könnte die
Kapillarspitze angewiesen werden, sich zu einer weiteren Position
zu bewegen, wo sie gewaschen würde,
bevor der Zyklus wiederholt wird. Es ist zu erkennen, dass eine
solche Abfolge von Bewegungen in drei Dimensionen stattfindet, die üblicherweise
als X und Y zum Definieren der Position in einer waagerechten Ebene
und Z zum Definieren der Position in der senkrechten Richtung bezeichnet
werden. Da die Kapillaren sehr klein sind, ist zu erkennen, dass
sie leicht beschädigt
werden können,
wenn sie bei ihren Bewegungen in die Richtungen X, Y und Z in Kontakt
mit einem Hindernis wie zum Beispiel der Vertiefung einer Mikroplatte
oder der Fläche
eines Glas-Objektträgers
kommen. Während
man annehmen könnte,
dass die Rechnersteuerung die Sorge über solche Kontakte beseitigt,
können
Fehler auftreten, die zu einer Beschädigung der Kapillaren führen. Diese
Fehler gehören
im Allgemeinen zu zwei Arten, wobei es sich bei der ersten um Fehler
bei der Programmierung der Rechnersteuerung und bei der zweiten
um Fehler bei der Positionierung der Behälter oder Objektträger handelt.
Die Erfinder dieser Erfindung können
Fehler, die durch andere gemacht werden, nicht verhindern, aber
sie haben ein Verfahren zum Begrenzen oder Verhindern von Beschädigungen
an den Kapillaren entwickelt, die anderenfalls auftreten könnten.
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Die
Art des Problems ist leichter zu verstehen, wenn die Abmessungen
der Kapillare und der zugehörigen
Behälter
und Flächen
und der Abstand zwischen ihnen berücksichtigt werden. Die übliche Kapillare
weist einen Innendurchmesser von ungefähr 300–800 Mikrometern und einen
Außendurchmesser
von ungefähr
500–1.000
Mikrometern (0,5–1 mm)
auf. An der Spitze ist der Außendurchmesser der
Kapillare auf ungefähr
100 Mikrometer verringert, und die abgegebenen Tröpfchen sind
sogar noch kleiner. Die Kapillare mit dem Außendurchmesser von 0,5–1 mm wird
in die Vertiefung einer Mikroplatte eingeführt, die einen Durchmesser
von nicht mehr als 6 mm aufweist und häufig nur 2,6 mm2 groß ist. Bei einer
1.536-Well-Platte ist die Vertiefung häufig nur 1,5 mm2 groß. Die Kapillarspitze
kann sich dem Boden der Vertiefung auf bis zu ungefähr 0,4 mm
oder 400 Mikrometer nähern,
oder sie kann sich bis zu einer ähnlichen
Distanz einem Glas-Objektträger
nähern,
auf den sie einen einzelnen Tropfen abgeben soll. Beim Positionieren
der Kapillare besteht ein sehr geringer Spielraum für Fehler,
und die Erfahrung hat gezeigt, dass Beschädigungen an der Kapillare häufig genug
auftreten, um ein erhebliches Problem darzustellen. Da die Kapillaren
sehr klein sind und im Allgemeinen aus Glas bestehen, bedarf es
nur einer geringen Belastung, um sie zu zerbrechen. Folglich muss
jeglicher Kontakt zwischen einer Kapillare und jeglicher festen
Fläche,
der zum Zerbrechen führen könnte, schnell
erfasst werden, und es müssen
unverzügliche
Korrekturmaßnahmen
ergriffen werden.
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Während sich
die obige Erörterung
mit der Bewegung einer einzelnen Kapillare befasste, ist es bei
der gewerblichen Anwendung des Verfahrens zur Abgabe von Mikrotropfen
in großem
Umfang wahrscheinlich, dass viele abgebende Kapillaren gleichzeitig
in Betrieb sind. Zum Beispiel vier bis zu einer Anzahl, die der
Anzahl der Behälter
gleichkommt, von denen Flüssigkeit
angesaugt werden soll. Daher könnten
durch einen Positionierungsfehler von den zahlreichen Kapillaren
potenziell alle gleichzeitig zerbrochen werden. Da sie alle kostspielig
sind, muss das gleichzeitige Zerbrechen vieler vermieden werden,
wie es mit der vorliegenden Erfindung möglich ist.
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Erfassen und Vermeiden von
Beschädigungen
an den Kapillarspitzen
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Jede
Kapillare gibt einen oder mehrere Tropfen ab, wenn ein piezoelektrischer
Wandler, der die Kapillare umschließt, durch Anlegen eines kurzen Spannungsimpulses
aktiviert wird, wodurch das Kapillarröhrchen zusammengedrückt wird
und einen Tropfen für
jeden Impuls ausstößt. Der
piezoelektrische Wandler kann auch umgekehrt arbeiten, das heißt, er kann
eine elektrische Spannung erzeugen, wenn er mechanisch belastet
wird. Dieses Prinzip wird für
Anwendungen wie zum Beispiel Plattenspieler, Feuerzeuge, Anzünder für Grillgeräte und einige Mikrofone
und Lautsprecher eingesetzt. Die durch einen piezoelektrischen Wandler
erzeugte Spannung steht in Zusammenhang mit der auf den Wandler
angewandten Kraft. Bei der vorliegenden Erfindung sind die erzeugten
und erfassten Spannungen im Allgemeinen recht klein im Vergleich
zu der Spannung, die zum Zusammendrücken des Kapillarröhrchens und
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitströpfchens eingesetzt
wird, z. B. ungefähr
40 bis 300 Volt. Während
möglicherweise
zu erwarten ist, dass eine Kapillare mit einem piezoelektrischen
Wandler eine Spannung erzeugen könnte,
wenn die Spitze mit einer festen Fläche in Kontakt kommt, ist folglich
nicht evident, dass die Spannung von dem weißen „Rauschen", das aus in keinem Zusammenhang stehenden
Quellen resultiert, unterschieden werden könnte, so dass es eingesetzt
werden kann, um das Zerbrechen der Spitze zu vermeiden oder um die
Position einer Fläche
zu ermitteln. Die Erfinder dieser Erfindung haben festgestellt,
dass dies mit den zu beschreibenden Verfahren und Vorrichtungen
möglich
ist.
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Wenn
der piezoelektrische Wandler mechanisch so verformt wird, dass er
die Kapillare zusammendrückt
und ein Flüssigkeitströpfchen abgibt,
wird, wie oben erörtert,
eine relativ hohe Spannung eingesetzt. Wenn eine Kapillare während des
Betriebs der Vorrichtung zur Abgabe von Mikrotropfen eine feste Fläche berührt, wird
demgegenüber üblicherweise eine
sehr kleine Spannung von zumindest 10 Millivolt (0,01 Volt) erzeugt.
Gleichzeitig erzeugt die Kapillare fortlaufend ein „Rauschen", das heißt, eine
Spannung, die durch den Wandler aus mechanischen Kräften erzeugt
wird, die durch die Bewegung der Kapillare, das Antreiben von Motoren,
externe Erschütterungen
und dergleichen eingebracht werden. Wenn man die Spannung misst,
die durch den piezoelektrischen Wandler erzeugt wird, während er
keine Tröpfchen
abgibt, stellt sich folglich heraus, dass immer eine unregelmäßige Rauschspannung
erzeugt wird, üblicherweise
in einer ähnlichen
Größenordnung
wie die durch den Kontakt mit einer Fläche erzeugte Spannung. Ein
solches Rauschen wäre
normalerweise nicht von Bedeutung und wäre klein genug, um keine erheblichen
Auswirkungen auf das Abgeben von Tröpfchen zu haben. Es ist jedoch
so groß,
dass es die durch den Kontakt der Kapillare mit einer festen Fläche erzeugte
Spannung maskieren kann, insbesondere wenn der Kontakt langsam erfolgt,
was häufig
der Fall ist, wenn der Kontakt auf der X-Y-Ebene (der waagerechten
Ebene) auftritt. Ein senkrechter Kontakt in der Z-Richtung erzeugt
häufig
eine deutlichere Reaktion. Beispiele solcher Kontakte zwischen einer
Kapillare und der Wand eines Behälters und
zwischen der Spitze der Kapillare auf der waagerechten Ebene und
einer festen Fläche
in der Z-Richtung werden in den Abbildungen dargestellt.
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In 1 erfolgte
ein „harter" Kontakt zwischen
einer Kapillare und einer festen Fläche in der Z-Richtung (der
senkrechten Richtung). Die Bezugsspannung wird als Bezugsvorspannung
von zwei Volt dargestellt. Wenn die Kapillare eine Fläche berührt, wird
durch die Belastung in dem piezoelektrischen Wandler eine Spannungsänderung
erzeugt (A1). Die tatsächliche
Spannung ist verstärkt
worden, um die Änderung
gegenüber
der Bezugsvorspannung von 2 Volt darzustellen.
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A2
zeigt die Spannung von ungefähr
4,5–5 Volt,
die zum Ermitteln einer Null-Linie eingesetzt wird, um zu bestimmen,
ob ein Kontakt stattgefunden hat. Wenn der durch den Kontakt einer
Kapillare verursachte Spannungsanstieg die Schaltschwelle erreicht,
wird die Schaltspannung auf null gesenkt, was das Motorsteuermodul
(siehe 5) veranlasst, die Bewegung der Kapillare zu unterbrechen,
um einen Bruch zu vermeiden. Die Korrekturmaßnahme fand innerhalb von 2
Millisekunden, nachdem der Spannungsanstieg begann, statt, wie durch
den Spannungsabfall von 4,5–5
Volt auf null beim Öffnen
des Steuerschalters dargestellt wird.
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2 stellt
das Ergebnis dar, wenn sich eine Kapillare mit 7,5 Zoll/Sekunde
(190 mm/Sekunde) waagerecht bewegt und mit der Wand einer Zelle
in einer Probenplatte in Kontakt kommt. Wie in 1 ist die
Bezugsspannung als eine nominale Vorspannung von zwei Volt dargestellt
worden. Als die Kapillare die Zellenwand berührte, wurde eine Spannungsänderung
erzeugt und in ungefähr
einer Millisekunde erfasst, wie auf der horizontalen Skala zu sehen
ist, wodurch eine Korrekturmaßnahme
ausgelöst
wurde. Bei dieser Gelegenheit war der Spannungshub negativ statt
positiv wie in 1. Abhängig von der Richtung, in der
die Belastung auf den piezoelektrischen Wandler einwirkt, können entweder
negative oder positive Hübe
auftreten.
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In 3 erfolgte
ein „weicher" Kontakt zwischen
einer Kapillare, die sich mit 7,5 Zoll/Sekunde (190 mm/Sekunde)
bewegt, und einer festen Fläche in
der X-Y-Ebene. Der Spannungshub fiel langsamer aus als in 2,
das Ergebnis war jedoch ähnlich. Der
Spannungshub wurde innerhalb von ungefähr 7 Millisekunden in A1 erfasst,
und es wurde eine Korrekturmaßnahme
ergriffen, wie durch den durch den Schaltkreis ausgelösten Spannungsabfall
auf null dargestellt (A2).
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4 stellt
die „Roh"-Spannung (A1) dar,
die mit einer Kapillare verknüpft
ist, wenn diese bewegt wird, jedoch keine Tröpfchen abgibt. Der Umfang für diese
Daten beträgt
50 Millivolt pro Unterteilung, wodurch angezeigt wird, dass das
weiße
Rauschen üblicherweise
weniger als ±50
Millivolt beträgt.
Die Spannung, die tatsächlich
erzeugt wird, wenn eine Kapillare mit einer festen Fläche in Kontakt
kommt, ist ebenfalls klein, auf dieser Abbildung bis zu ungefähr 75 Millivolt.
Der relativ kleine Spannungshub wird verstärkt, um ein Signal bereitzustellen,
das erfasst wird, wie in den vorhergehenden Abbildungen dargestellt.
Diese Abbildung erläutert
die Beziehung zwischen der tatsächlichen
Spannung und dem verstärkten
Signal. Das „Rauschen" wird gleichmäßig um die
Nullspannung verteilt und ausgefiltert. Nur der durch den Kontakt
der Kapillare mit einer festen Fläche verursachte Hub wird verstärkt (A2).
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5 ist
ein Blockschaltbild, das die zum Positionieren der Kapillaren eingesetzten
Steuerelemente darstellt. Das „Spitzen-Detektorsystem" empfängt die
durch eine Kapillare erzeugte Spannung, unterscheidet zwischen „Rauschen" und einer durch den
piezoelektrischen Wandler erzeugten Spannung, wenn die Kapillare
mit einer festen Fläche
in Kontakt kommt, und sendet ein Signal an das Motorsteuermodul,
um die Bewegung der Kapillare zu unterbrechen. Wenn kein Spannungshub
erfasst wird, signalisiert das Spitzen-Detektorsystem dem Motorsteuermodul,
sein normales Programm fortzusetzen.
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Das
Schaubild stellt unter Auslassung des Spitzen-Detektorsystems den
allgemeinen Betrieb der Vorrichtung zur Abgabe von Mikrotropfen
dar. Es wird eine Kapillare (oder üblicherweise eher mehrere Kapillaren)
zu einer vorgegebenen Position bewegt, und ein oder mehrere Tropfen
werden durch Anlegen einer relativ hohen Spannung an den piezoelektrischen
Wandler, der die Kapillare umschließt, abgegeben. Daraufhin wird
die Kapillare durch das Positionierungssystem zu der nächsten vorgegebenen
Position bewegt, wie durch das Motorsteuermodul gesteuert, das durch
den Rechner angewiesen wird, der den Gesamtbetrieb der Vorrichtung
steuert. Der Rechner steuert das Anlegen der Abgabespannung an die
Kapillare und inaktiviert darüber
hinaus das Spitzen-Detektionssystem,
wenn die Spannung an den Wandler angelegt werden soll, oder bei
anderen Gelegenheiten wie zum Beispiel beim Ansaugen von Flüssigkeiten
oder der Reinigung der Kapillaren.
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Die
obige Erörterung
bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem die Spannung, die erzeugt
wird, wenn eine Kapillare mit einer festen Fläche in Kontakt kommt, von weißem „Rauschen" unterschieden und
dazu verwendet wird, die Relativbewegung der Kapillare und einer
Probenplatte oder -fläche,
mit der die Kapillare zusammen eingesetzt wird, zu unterbrechen.
Alternativ umfasst die Erfindung darüber hinaus ein Verfahren, bei
dem die Kapillare bei ihrer Resonanzfrequenz mit einer Spannung
gepulst wird, die nicht dazu führt,
dass Tröpfchen
ausgestoßen
werden. Es wird eine invertierte Phase als Referenzsignal bereitgestellt,
so dass die beiden Frequenzen phasengleich sind. Wenn die Kapillare
in Kontakt mit einer Fläche
kommt, wird die Resonanzfrequenz gegenüber der invertierten Resonanzfrequenz
phasenverschoben. Durch Messen der Phasenänderung relativ zu dem invertierten
Signal, das als Bezugsgröße verwendet
wird, wird ein Signal an das Motorsteuermodul in 5 zum
Unterbrechen der weiteren Bewegung gesendet.
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Die
Resonanzfrequenz kann für
jede Kapillare durch Erhöhen
der Frequenz der angelegten Spannung bis zum Erreichen der Resonanzfrequenz ermittelt
werden. Daraufhin wird bei einer bevorzugten Ausführungsform
ein invertiertes Signal bei den Resonanzbedingungen für die Kapillare
als Bezugsgröße erzeugt.
Die beiden sind phasengleich zueinander, solange die Kapillare keine
Fläche
berührt
und bei ihrer natürlichen
Resonanzfrequenz oszilliert. Wenn die Kapillare jedoch eine Fläche berührt, ist
die Oszillation der Kapillare nicht mehr phasengleich mit dem invertierten
Signal, das als Bezugsgröße erzeugt
worden ist. Obwohl die resultierende Spannungsänderung klein ist, ist die
Phasenverschiebung groß.
Ein Verfahren zum Erfassen dieser Phasenverschiebung ist, das Referenzsignal
mit dem Signal von der Kapillare zu summieren. Üblicherweise heben sich die
Signale in der Summe gegenseitig auf und resultieren in einem Nullspannungswert.
Wenn sich die Phase der Kapillare nur geringfügig ändert, ist die Summe der Signale
nicht mehr null. Die Spannungsänderung
wird als die Folge davon betrachtet, dass die Kapillare eine Fläche berührt, woraufhin
ein Signal an die Motorsteuereinheit in ähnlicher Weise, wie für die erste
Ausführungsform
beschrieben, die Bewegung der Kapillare unterbricht.
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Erfassen der Position von
Flächen
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Obwohl
ein besonderer Wert der Erfindung darin besteht, dass das Zerbrechen
von Kapillaren während
des Betriebs einer Vorrichtung zum Abgeben von Mikrotropfen vermieden
wird, kann sie darüber
hinaus zum Erfassen der Position von Flächen eingesetzt werden. Bei
einigen Anwendungen ist es zum Beispiel erforderlich, Tröpfchen genau
auf der Fläche
eines flachen Objektträgers
zu positionieren. Da sich die Kapillarspitze vor dem Abgeben eines Tröpfchen der
Fläche
stark annähert,
ist es wichtig zu wissen, wo sich die Fläche befindet. Wie zuvor bemerkt,
kann der Annäherungsabstand
ungefähr
0,4 mm betragen. Wo mehrere Tröpfchen
schnell abgegeben werden müssen
und jedes an einer anderen Position auf einem Objektträger abgegeben
werden muss, ist es wichtig zu wissen, wo die Fläche positioniert ist. Die Erfindung
kann eingesetzt werden, um die Fläche eines Objektträgers durch
die Spannungsänderung,
die entsteht, wenn ein Kontakt hergestellt wird, oder durch die
Spannung, die aus der Phasenverschiebung im Vergleich zu einer invertierten
Bezugsgröße resultiert,
wie in der zweiten Ausführungsform,
zu lokalisieren. Bei dieser Verwendung würde keine weitere Bewegung
in Richtung auf die Fläche erfolgen,
sondern die Motorsteuereinheit könnte
angewiesen werden, die Position der Fläche für ein nachfolgendes Abgeben
von Tröpfchen
zu vermerken und mit dem normalen Abgabeprogramm fortzufahren.
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Dasselbe
allgemeine Verfahren kann eingesetzt werden, um die Position einer
flüssigen
Fläche zu
erfassen, bei der es sich um eine Flüssigkeit in einer Probenvertiefung
oder in einem Behälter
handeln kann, aus dem Flüssigkeit
angesaugt werden soll. Es wird angenommen, dass das Verfahren der
beschriebenen zweiten Ausführungsform
besonders nützlich für das Lokalisieren
der Position von flüssigen
Flächen
ist.