DE69222889T2

DE69222889T2 - Verfahren zum Ansaugen und Ausgeben einer Flüssigkeit unter Verwendung einer Selbstreinigenden Pipettspitze.

Info

Publication number: DE69222889T2
Application number: DE69222889T
Authority: DE
Inventors: Richard Lewis Columbus; John Harvey Palmer
Original assignee: Johnson and Johnson Clinical Diagnostics Inc
Current assignee: Ortho Clinical Diagnostics Inc
Priority date: 1991-06-19
Filing date: 1992-06-16
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2012-06-17
Also published as: HK1003428A1; EP0519390A3; JPH05168954A; IE921992A1; EP0519390A2; DE69222889D1; US5159842A; KR930000162A; EP0519390B1; CA2060014A1

Description

Die Erfindung betrifft Pipettenspitzen mit selbstreinigender Beschaffenheit.
Zum Ansaugen und Ausgeben verwendete Pipettenspitzen müssen die angesaugte Flüssigkeit empfangen und aufnehmen und anschließend die Flüssigkeit ausgeben, ohne die ausgegebene Menge in ungünstiger Weise zu verändern. Der Hauptfaktor, der den letztgenannten Vorgang stört, besteht in einem Flüssigkeitsfilm, der nach dem Ansaugen auf der Außenseite der Spitze zurückbleibt. Dieser Film fällt bei den meisten Pipettenspitzen unter Einwirkung der Schwerkraft auf die Pipettenöffnung, wo er sich in Form eines Tropfens oder von Tröpfchen sammelt, die sich dann mit der auszugebenden Menge vereinigen. Diese zusätzliche Menge stört aufgrund der Tatsache, daß darüber keine Vorhersagen getroffen werden können, die Genauigkeit der Ausgabe.
Eine Lösung für dieses Problem wird durch die Pipette des US-Patents 4 347 875 bereitgestellt. Diese Spitze zeigt eine scharfe, winkelförmige Zunahme des Radius der äußeren Oberfläche, wobei dieser Radius ausreicht, Flüssigkeit, die sich unterhalb dieser Zunahme befindet, von der Ausgabeöffnung abzuziehen. Obgleich diese Form sehr wirksam ist, unterliegt sie insofern Beschränkungen, als a) sie nur dann wirksam ist, wenn sie sich in einem bestimmten Abstand von der Spitzenöffnung befindet, und b) sie nicht so verallgemeinert worden ist, daß sie die gesamte Klasse von Oberflächen oder Oberflächen mit einer allmählichen Veränderung der Krümmung anstelle einer scharfen Veränderung abdeckt.
Daher bestand vor Realisation der vorliegenden Erfindung das Problem darin, das Phänomen so zu verallgemeinern, daß graduelle Kurvenformen angewandt werden können.
Die DD-Veröffentlichung 207154 beschreibt eine Pipettenspitze, die anscheinend dieses Ziel erreicht, wenngleich unbeabsichtigt. Jedoch ist auch diese Pipettenspitze noch nicht zufriedenstellend, wie nachstehend dargelegt wird.
Die Aufgabe wird durch eine selbstreinigende Pipettenspitze, die sich zum Ansaugen und Ausgeben einer Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung und einer Massendichte eignet, gelöst, wobei die Pipettenspitze folgendes umfaßt:
eine Wand, die so geformt ist, daß sie eine begrenzende Kammer um eine Symmetrieachse definiert;
eine Einrichtung in der Wand, die eine mit der Kammer in Fluidverbindung stehende Öffnung definiert, wobei die Einrichtung eine Endfläche der Wand mit einer im allgemeinen kreisförmigen, um die Achse zentrierten Gestalt mit einem Radius R&sub0; umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß R&sub0; die folgende Gleichung erfüllt:
(I) R&sub0; < ( / g)1/2 worin
= Oberflächenspannung der Flüssigkeit, = Massendichte der Flüssigkeit und g = Gravitationskonstante von 980 cm/sec²,
wobei sich die äußere Gestalt der Wand in ihrem Verlauf von der Endfläche über eine Strecke, die mindestens R&sub0; übersteigt, konstant so verändert, daß die Veränderungsrate des Abstands z der Kurve entlang der Achse von der Endfläche in bezug zur Veränderungsrate des Abstands r der Kurve von der Achse der nachstehenden Gleichung folgt:
(II) dz/dr ( ²/( gr²)²-1)1/2
worin dz/dr die Ableitung von z nach r ist, d.h. die lokale Neigung der Außenfläche.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ansaugen und Ausgeben einer Flüssigkeit unter Verwendung einer derartigen Pipettenspitze sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Pipettenspitze gemäß den Ansprüchen.
Demgemäß besteht ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung darin, daß Pipettenspitzen mit einer Familie von Formen bereitgestellt werden, die gewährleisten, daß die nach dem Ansaugen an den Außenwänden verbleibende Flüssigkeit nicht in Richtung zur Öffnung fällt und die Flüssigkeitsausgabe stört.
Ein damit in Zusammenhang stehendes vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Formen so gekrümmt sind, daß sie in der Kurve keinen scharfen Bruch aufweisen.
Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung.
Fig. 1 ist eine Darstellung der Form der Außenwand sowohl einer erfindungsgemäß konstruierten Spitze als auch einer herkömmlichen Spitze;
Fig. 2 ist eine ähnliche Darstellung einer weiteren und zweckmäßigeren Spitze, die erfindungsgemäß konstruiert ist; und
Fig. 3 ist eine Darstellung ähnlich der von Fig. 1, die einige weitere, erfindungsgemäß konstruierte Spitzenformen erläutert, die im Gegensatz zu einer Spitze gemäß der Beschreibung in der vorstehenden DD-Veröffentlichung stehen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, wobei eine Einweg-Pipettenspitze zum Ansaugen und Ausgeben von biologischen Flüssigkeiten in und aus einer Öffnung, die um die Symmetrieachse der Spitze zentriert ist, verwendet wird. Ferner ist sie unabhängig von der handzuhabenden Flüssigkeit und unabhängig von der Anordnung der Öffnung relativ zur Achse anwendbar, d. h. die Öffnung kann auch außerhalb des Zentrums liegen. Ferner eignet sich die Erfindung für Einwegspitzen oder für dauerhaft verwendete Spitzen.
Gemäß Fig. 1 sind sämtliche Pipettenspitzen, einschließlich die erfindungsgemäße Spitze 10, mit einer Seitenwand 12 versehen, die so geformt ist, daß sie eine Begrenzungs- oder Lagerkammer 14 bereitstellt, die in Fluidverbindung mit einer sich von der Wand 12 aus erstreckenden Endfläche 16 verbunden ist, wobei die Endfläche 16 so konstruiert ist, daß sie eine den Zugang zur Kammer ermöglichende Öffnung 18 bereitstellt. Die Außenfläche 20 der Wand 12 wird in unerwünschter Weise benetzt, wenn die Spitze in einen Flüssigkeitskörper zum Ansaugen eingeführt wird. Zweckmäßigerweise ist die Wand 12 so geformt, daß sie eine Symmetrieachse 22 einhüllt, um die die Öffnung 18 zentriert sein kann (wie abgebildet) oder nicht.
Die Fläche 16 weist einen Außenradius R&sub0; auf, unter der Annahme, daß die Kante 24 der Fläche 16 kreisförmig ist (die übliche Konfiguration). Wie in Fig. 1 gezeigt, beträgt dieser Radius 1,5 mm.
Durch flüssigkeitsmechanische Überlegungen kann gezeigt werden, daß die Oberflächenspannung und die Schwerkraft dazu führen, daß in dem Bestreben, daß eine Flüssigkeit auf der Oberfläche 20 verbleibt und ungeachtet der Schwerkraft nicht nach unten fällt, der Wert von R&sub0; und die Veränderung der Steigung der Wandoberfläche 40 kritische Parameter darstellen. Die Erfindung beruht auf der erstmaligen Anwendung dieser kritischen Werte auf die Form der äußeren Oberfläche der Pipettenspitzen, um zu gewährleisten, daß die Flüssigkeit sich tatsächlich der Schwerkraft widersetzt.
Zunächst kann bezüglich R&sub0; gezeigt werden, daß es eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung ist, daß die Gleichung (0) gilt:
(0) NB = gR&sub0;2/ muß < 1,0 sein,
wobei NB = die Bindungszahl (Bond number), = Massendichte der Flüssigkeit, g = Gravitationsbeschleunigung und = Oberflächenspannung der Flüssigkeit auf der Außenfläche 20. Dies bedeutet wiederum, daß
(1) R&sub0; < ( / g)1/2, nur um die Stufe einzustellen, um mögliche, geeignete Steigungen zu erreichen.
Ferner kann unter der Annahme, daß R&sub0; die Bedingungen der Gleichung (1) erfüllt, gezeigt werden, daß dann, wenn die Veränderungsrate des Abstands z der Oberfläche 20 vertikal entlang der Achse 22 in bezug zur Veränderungsrate des Abstands r der Oberfläche 20 in Richtung der r-Achse von der Achse 22 folgende Gleichung erfüllt:
(2) dz/dr < ( ²/( gr²)² - 1)1/2
an jedem einzelnen Punkt entlang der Oberfläche 20 bis zu einem Abstand z' (von der Fläche 16) der mindestens den Wert von R&sub0; erreicht, diese Oberfläche 20 Flüssigkeit von der Oberfläche 16 wegzieht.
Bei der Oberfläche 20 von Fig. 1 handelt es sich um eine Oberfläche mit einer sich konstant verändernden Kurve, die sich von der Fläche 16 zur Kante 30 mit dem Abstand z' (2 mm) erstreckt, was den R&sub0;-Wert von 1,5 mm übersteigt. Dabei handelt es sich um die Form, bei der die Flüssigkeit gerade auf der Oberfläche 20 bleibt und weder auf dieser Oberfläche nach oben kriecht noch nach unten auf die Fläche 16 fällt, und zwar für Werte von = 70 dyn/cm oder allgemeiner für NB (vorstehend definiert) = 0,3.
Hätte die Oberfläche 20 die Form der gestrichelt dargestellten Oberfläche 40, so würde diese Oberfläche 40 die Oberflächenspannung in der Weise begünstigen, daß die Flüssigkeit auf der Oberfläche 40 nach oben von der Endfläche 16 weg steigen würde.
Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der gestrichelt dargestellten Kurve 140 (die zusätzliche Ziffer wird zur Bezeichnung von Vergleichsbeispielen verwendet) um eine nichtfunktionsfähige Form, da für den gleichen Wert von R&sub0; die Oberfläche 140 ins Innere der Hülloberfläche 20 fällt. Eine derartige Form ist nicht funktionsfähig, da dabei die Schwerkraft vorherrscht, was auf das große Verhältnis von dz/dr zurückzuführen ist, das den Wert ( ² /( gr²)² - 1)1/2 übersteigt, wie auch aus der im wesentlichen vertikalen Steigung dieser Oberfläche ersichtlich ist. Jegliche Flüssigkeit auf dieser Oberfläche fällt notgedrungen auf die Oberfläche 16, wo sie die Ausgabevorgänge stört. Gleichzeitig handelt es sich bei der Kurve 140 um die Standardform von beliebigen herkömmlichen Augen-Tropfpipetten, die in Drogerien erhältlich sind. (Die abgerundete Kante 142 der Tropfpipette kann unberücksichtigt bleiben, da jegliche äußere Flüssigkeit, die auf diese Kante fällt, notwendigerweise. den Ausgabevorgang stört.)
Obgleich die Form der Oberfläche 20 zur Erreichung des angegebenen Ziels geeignet ist, erstreckt sie sich doch nur 2 mm nach oben, eine Strecke, die kaum einen Fehler beim Einführen der Spitze in die Flüssigkeit zuläßt. Ferner liegt bei den bevorzugten Flüssigkeiten, nämlich biologischen Flüssigkeiten, der Wert zwischen 35 und 70 dyn/cm, beträgt der Wert 1,0 g/cm³ und variiert R&sub0; von 0,3 bis 2,5 mm. Somit ist die Form 40 nur für einen begrenzten Satz von diesen Flüssigkeiten geeignet, nämlich Flüssigkeiten, für deren Oberflächenspannung > 55 dyn/cm gilt. Für R&sub0; = 1,5 mm ist eine bevorzugtere Höhe für die Oberfläche 20 entlang der y- Achse so beschaffen, daß sie mindestens das 4-fache des Werts von R&sub0; beträgt, d. h. in diesem Fall ein Abstand von 6 mm. Um eine solche Höhe zu erreichen, ist es in der Praxis erforderlich, den Wert von R&sub0; zu verringern. Fig. 2 erläutert eine derartige Konstruktion für die Spitze 10. Teile, die den vorstehend beschriebenen Teilen ähnlich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei ihnen das Unterscheidungssuffix "A" zugefügt ist. Die Oberfläche 16A der Spitze 10A weist einen Radius R&sub0; von 0,38 mm auf, und zwar für ≥ 35 dyn/cm, NB ≤ 0,04. Die Höhe der Außenfläche 20A beträgt mehr als 7 mm und gewährleistet einen dz/dr-Wert, der genau dem Quadratwurzelwert der Gleichung (2) entspricht, für = 35 dyn/cm. Somit bleibt jegliche Flüssigkeit mit diesem Wert der Oberflächenspannung auf der Oberfläche 20A stehen, wobei sie weder steigt noch nach unten auf die Oberfläche 16A fällt. Ferner steigen Flüssigkeiten mit Werten der Oberflächenspannung von mehr als 35 dyn/cm auf der Oberfläche 20A nach oben weg von der Oberfläche 16A. Spitzen mit einer stumpferen Form, wie sie mit der Kurve 40A gestrichelt dargestellt ist, bewirken, daß die Flüssigkeit von der Oberfläche 16A weg steigt, selbst für Oberflächenspannungen entsprechend 35 dyn/cm, da die Oberfläche "außerhalb" der Oberfläche 20A für den gleichen Wert von R&sub0; fällt.
Fig. 3 erläutert weitere Beispiele für R&sub0; = 0,3 mm und ein Vergleichsbeispiel. Teile, die den vorstehend beschriebenen Teilen ähnlich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei das Unterscheidungssuffix "B" hinzugefügt ist. So weist die Spitze 10B einen R&sub0;-Wert für die Oberfläche 16B von 0,3 mm auf. Die Oberfläche 20B erstreckt sich über eine Höhe z', die 7 mm übersteigt. Wiederum weist sie die Form auf, die genau dem Quadratwurzelwert der Gleichung (2) für = 35 dyn/cm entspricht. (Dies ist der Minimalwert, der allgemein für biologische Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten, wie Blutserum, gilt.) Somit gewährleistet diese Form, daß eine Flüssigkeit auf der Oberfläche 20B an Ort und Stelle verbleibt und weder steigt noch fällt. Wenn, wie es wahrscheinlich ist, > 35 dyn/cm, so bewegt sich bei dieser Form die Flüssigkeit von der Oberfläche 16B weg (sie steigt an).
Wenn alternativ den Wert 35 dyn/cm hat, jedoch die Oberfläche die Form 40B aufweist, so steigt die Flüssigkeit ebenfalls von der Oberfläche 16B weg nach oben.
Als ein Vergleichsbeispiel weist die Oberfläche 140B die Form des bevorzugten Beispiels (Beispiel 1) der vorerwähnten DD-Veröffentlichung auf, wobei R&sub0; = 0,25 mm ("I.D. = 0,3 mm" bedeutet, daß der Innenradius 0,15 mm beträgt und zusammen mit einer Wanddicke von 0,1 mm einen Radius R&sub0; von 0,25 mm ergibt.)
Interessanterweise entspricht die Oberfläche 140B der vorliegenden Erfindung, jedoch nur vom Punkt A nach oben. Jegliche Flüssigkeit, die sich am Boden in einem Abstand von 3,5 mm von der Oberfläche 140B befindet, fällt auf die Oberfläche 15B. Da beim Ansaugen der Boden üblicherweise in einer Höhe von 4 mm benetzt wird, führt diese Form insgesamt zwangsweise zu einer Fehlfunktion.

Claims

1. Selbstreinigende Pipettenspitze, geeignet zur Verwendung zum Ansaugen und Ausgeben einer Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung und einer Massendichte , wobei die Pipettenspitze folgendes umfaßt:

eine Wand, die so geformt ist, daß sie eine begrenzende Kammer um eine Symmetrieachse definiert;

eine Einrichtung in der Wand, die eine mit der Kammer in Fluidverbindung stehende Öffnung definiert, wobei die Einrichtung eine Endfläche der Wand mit einer im allgemeinen kreisförmigen, um die Achse zentrierten Gestalt mit einem Radius R&sub0; umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß R&sub0; die folgende Gleichung erfüllt:

(I) R&sub0; < ( / g)1/2 worin

= Oberflächenspannung der Flüssigkeit, = Massendichte der Flüssigkeit und g = Gravitationskonstante von 980 cm/sec²,

wobei sich die äußere Gestalt der Wand in ihrem Verlauf von der Endfläche über eine Strecke, die mindestens R&sub0; übersteigt, konstant so verändert, daß die Veränderungsrate des Abstands z der Kurve entlang der Achse von der Endfläche in bezug zur Veränderungsrate des Abstands r der Kurve von der Achse der nachstehenden Gleichung folgt:

(II) dz/dr < ( ²/( gr²)²-1)1/2

worin dz/dr die Ableitung von z nach r ist, d.h. die lokale Neigung der Außenfläche.

2. Spitze nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit eine Oberflächenspannung aufweist, die von 35 bis 70 dyn/cm variiert, = 1,0 g/cm³ und R&sub0; von 0,3 mm bis 2,5 mm variiert.

3. Spitze nach Anspruch 1 oder 2, wobei die äußere Gestalt sich entsprechend einer durch die Gleichung (II) definierten Gestalt über einen Abstand erstreckt, der mindestens das 4-fache des Werts des Radius R&sub0; beträgt.

4. Verfahren zum Ansaugen und Ausgeben einer Flüssigkeit, unter Verwendung einer Pipettenspitze, die folgendes umfaßt:

(I) R&sub0; < ( / g)1/2 worin

(II) dz/dr < ( ²/( gr²)²-1)1/2

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Flüssigkeit eine Oberflächenspannung aufweist, die von 35 bis 70 dyn/cm variiert, = 110 g/cm³ und R&sub0; von 0,3 mm bis 2,5 mm variiert.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die äußere Gestalt sich entsprechend einer durch die Gleichung (II) definierten Gestalt über einen Abstand erstreckt, der mindestens das 4-fache des Werts des Radius R&sub0; beträgt.

7. Verfahren zur Herstellung einer selbstreinigenden Pipettenspitze zur Verwendung beim Ansaugen und Ausgeben einer Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung und einer Massendichte , wobei das Verfahren die Formung der Pipettenspitze mit folgenden Merkmalen umfaßt:

(I) R&sub0; < ( / g)1/2 worin

(II) dz/dr < ( ²/( gr²)²-1)1/2

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Flüssigkeit eine Oberflächenspannung aufweist, die von 35 bis 70 dyn/cm variiert, = 1,0 g/cm³ und R&sub0; von 0,3 mm bis 2,5 mm variiert.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die äußere Gestalt sich entsprechend einer durch die Gleichung (II) definierten Gestalt über einen Abstand erstreckt, der mindestens das 4-fache des Werts des Radius R&sub0; beträgt.