EP1351766A2 - Vorrichtung und verfahren zum dosieren kleiner flüssigkeitsmengen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum dosieren kleiner flüssigkeitsmengen

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EP1351766A2
EP1351766A2 EP02702254A EP02702254A EP1351766A2 EP 1351766 A2 EP1351766 A2 EP 1351766A2 EP 02702254 A EP02702254 A EP 02702254A EP 02702254 A EP02702254 A EP 02702254A EP 1351766 A2 EP1351766 A2 EP 1351766A2
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EP
European Patent Office
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nozzle
liquid
media
media reservoir
connecting channel
Prior art date
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EP02702254A
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EP1351766B1 (de
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Roland Zengerle
Peter Koltay
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Original Assignee
Individual
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Publication of EP1351766B1 publication Critical patent/EP1351766B1/de
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    • B01L3/02—Burettes; Pipettes
    • B01L3/0241—Drop counters; Drop formers
    • B01L3/0268—Drop counters; Drop formers using pulse dispensing or spraying, eg. inkjet type, piezo actuated ejection of droplets from capillaries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816—Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2300/0864—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices comprising only one inlet and multiple receiving wells, e.g. for separation, splitting
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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0475—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure
    • B01L2400/0487—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/25—Chemistry: analytical and immunological testing including sample preparation
    • Y10T436/2575—Volumetric liquid transfer

Definitions

  • the present invention relates to devices and methods for dosing small amounts of liquid, and in particular to those devices and methods which are suitable for simultaneous, precise dosing of small or smallest amounts of liquid from a plurality of parallel channels.
  • Known microdosing devices are described in DE-A-19706513 and DE-A-19802368. These known devices are based on a functional principle in which an accelerator is applied to a liquid to be metered within a pressure chamber by a displacer.
  • the pressure chamber has a fluid connection to an outlet opening and to a fluid reservoir.
  • the displacement is actuated in these known devices, the liquid moves back both through the outlet opening and into the reservoir.
  • a microdosing device by means of which a plurality of microdroplets can be applied to a substrate, an acceleration being applied to an entire dosing head there.
  • This acceleration of the entire dosing head results in a relative acceleration between the contained fluid and dosing head due to the inertia, such that droplets are expelled from the respective nozzle openings of the dosing head.
  • WO 00/62932 discloses methods and devices for the metered dispensing of very small quantities of liquid, where discharge quantities in a range from 0.1 nl to 100 ⁇ l are mentioned.
  • a capillary provided with an outlet opening is used, to which at least one gas line connects via a discharge point. closed is.
  • a gas surge is introduced into the gas line via the capillary, so that a quantity of liquid located in the capillary section between the mouth and the outlet opening is metered out of the outlet opening.
  • This document also mentions the possibility of creating a pipetting array using a plurality of metering devices as described above. Even with the dosing devices described in this document, there is a backflow into the reservoir or, in the worst case, air bubbles can rise into the reservoir line and block it.
  • micropumps pen for Mikrotropfeninjektoren known in which varied by a drivable by means of a piezoelectric flexural transducer membrane, the volume of a pumping chamber An inlet opening and an outlet opening of the pump chamber are provided A pumping action can be achieved when the membrane is actuated either by providing a check valve to the inlet opening and the outlet opening or by providing a buffer adjacent to the pump chamber.
  • a bidirectional dynamic micropump which has a pump chamber as well as an inlet and an outlet for the pump chamber with different flow resistances.
  • a membrane borders on the pump chamber, the delivery direction of the micropump being controllable by suitable shaping of the actuation pulse for the membrane.
  • a plate is known from WO 97/15314, which has a plurality of recesses penetrating the same. The recesses have a large opening towards one surface of the plate and a small nozzle opening towards the opposite surface. By applying pressure to the large opening, a jet of liquid can be expelled through the small nozzle opening.
  • Another dosing device is known from WO 99/36176, which has a liquid reservoir and a channel fluidly connected to the liquid reservoir. Openings are formed in opposite channel walls of the channel, so that the liquid located between the openings can be metered out by exerting pressure on one of the openings.
  • the object of the present invention is to provide devices and methods for metering small amounts of liquid, which allow a simple construction of a microdosing device and furthermore enable simultaneous, precise metering of small amounts of liquid from several parallel channels.
  • microdosing device according to claim 1 and a method for dosing small amounts of liquid according to claim 12.
  • the present invention provides a microdosing device with the following features:
  • a media reservoir for containing a liquid to be dosed
  • a nozzle which is connected to the media reservoir via a connecting channel and can be filled with the liquid to be metered via the connecting channel; and a drive device for applying a force to a liquid in the media reservoir and the nozzle when the same is actuated such that an essentially identical pressure is exerted on the liquid in the media reservoir and the liquid in the nozzle,
  • flow resistances of the connecting channel and the nozzle are designed such that when the drive device is actuated, a volume flow in the connecting channel is small compared to a volume flow in the nozzle which causes the liquid to be metered to be ejected from an ejection opening of the nozzle.
  • the present invention further provides a method for dosing small amounts of liquid, comprising the following steps:
  • the volume flow in the connection channel is small compared to the volume flow of the liquid in the nozzle, to thereby discharge a quantity of the liquid to be dosed from a discharge opening of the nozzles.
  • the principle of operation of the microdosing device according to the invention and the method according to the invention for dosing small amounts of liquid is based on two points: one is the simultaneous application of a force to the reservoir and nozzle or nozzle channel so that an essentially equal pressure acts on them, and secondly an adequate separation of the reservoir and the nozzle from one another by the connecting channel. Such a separation is all the more effective the higher the fluidic resistance of the connecting channel in relation to the fluidic resistance of the nozzle channel. Due to the fluidic separation, according to the invention, the maximum volume in the nozzle is dosed, the dosing process automatically stopping after this volume has been dosed out.
  • the reservoir, the nozzle and the connecting channel are preferably formed in a dosing head, such a dosing head preferably being able to have a plurality of reservoirs, nozzles and connecting channels.
  • a driving force is applied to the entire liquid contained in the dosing head, i.e. both the reservoir and the nozzle are energized. Therefore, and because the pressure gradient across the connecting line is negligible, there is no backflow into the reservoir according to the invention.
  • both the reservoirs and the nozzles are arranged in a grid which corresponds to the format of a microtiter plate. Furthermore, the reservoirs and the nozzles can be arranged in a different grid, so that a format conversion takes place between the format of the reservoirs and that of the receiving container, usually a microtiter plate, by means of a metering process.
  • the dosing head used in the microdosing device according to the invention can be manufactured in a conventionally known manner using micromechanical methods, for example made of silicon or plastic, for example using injection molding technology. technology.
  • the drive device consists of a pneumatic or hydraulic drive unit which has a pressure chamber which can be quickly filled with a gas or a liquid as a buffer medium in order to apply the required force to the reservoirs and nozzles.
  • the reservoirs and the end thereof opposite the ejection end of the nozzles are preferably formed in a surface of the dosing head, so that the entire first side of the dosing head or dosing head substrate can be acted upon by the driving force, only those in the nozzle, i.e. liquid contained in the nozzle channel and the nozzle opening is dispensed and the dosing process stops automatically as soon as the liquid contained therein has been dispensed.
  • This principle makes it possible to dispense with a spatial separation of the areas in which the nozzles or reservoirs are arranged, as a result of which much higher integration densities can be achieved than with devices in which the driving force is only on the rear nozzle areas, but not affects the reservoirs.
  • the present invention thus creates devices and methods with which liquids can be dispensed in a highly parallel manner, for example into a microtiter plate.
  • the microdosing device according to the invention thus has a simple structure and nevertheless enables exact dosing, even when implementing a highly integrated dosing system in which dosing is to be carried out in parallel, for example, using 1536 nozzles.
  • such an exact metering can take place without the use of active or passive valves, such as are partially used according to the prior art, since both the reservoir and the nozzles are acted upon by the force and the connecting channel between them is designed accordingly.
  • the present invention thus represents a significant improvement in the dosing technology in the nanoliter range, which enables highly parallel and thus significantly faster dosing of reagents in microtiter plates.
  • the present invention allows a high degree of parallelization and integration density, with, for example, 96, 384, 1536 or more doses being carried out simultaneously with a grid dimension of 9.0 mm, 4.5 mm, 2.25 mm or below can.
  • the present invention also allows adaptation to formats outside the standard for microtiter plates.
  • the present invention enables extremely high dosing accuracy, the error in the dosing volume being below 5 nl for typical dosing quantities of 50 nl to 100 nl.
  • the contactless delivery in the open beam also prevents the spread of media.
  • reformatting can be carried out in parallel, for example from a 384 format to a 1536 format.
  • the present invention allows media to be stored in the dosing head, so that the step of transferring from the storage unit, which is currently typically a 96-well microtiter plate, to the automatic dosing device, which is currently parallel air-cushion pipettes or the like acts, can be saved.
  • the metered volume is largely independent of the physical properties of the liquids used.
  • the present invention further enables the construction of a microdosing device in which the dosing head can be replaced easily, so that the drive device, which is generally more complex than the dosing head itself, can be used for a large number of different dosing heads. It is particularly advantageous here that the entire first surface of the dosing head with the force is applied, so that no adaptation is necessary here even with different arrangement of reservoirs and nozzles in different dosing heads.
  • the present invention is therefore particularly suitable for dispensing precise quantities of liquids in microtiter plates which have a standardized external dimension and a large number of reservoirs arranged next to one another.
  • Such microtiter plates as explained above, comprise a multiplicity of reservoirs, for example 96, 384, 1536 or more, the spacing between the reservoirs correspondingly being 9 mm, 4.5 mm, 2.25 mm, etc.
  • the volume of the reservoirs is approximately 100 ⁇ l, 20 ⁇ l, 4 ⁇ l, etc.
  • Chemical or biochemical reactions are carried out in these reservoirs and the reaction products are analyzed.
  • the possibility of precisely filling microtiter plates with predetermined amounts of liquid is therefore an essential prerequisite for carrying out quantitative analyzes using the smallest amounts of liquid, the present invention advantageously offering precisely this possibility.
  • FIG. 1 shows a schematic view, partly in cross section, of a microdosing device according to the invention
  • FIG. 2 shows a network model of the microdosing device shown in FIG. 1;
  • FIG. 3A shows a generalized network model for the metering system according to the invention, and FIG. 3B shows a network model for a known microdosing system;
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a microdosing device according to the invention
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a further exemplary embodiment of a microdosing device according to the invention.
  • FIG. 6 and 7 are top views of dosing heads which can be used in a microdosing device according to the invention.
  • 9A to 9D are schematic representations which show different designs of the connecting channel in the case of microdosing devices according to the invention.
  • 10A to 10D are schematic top views of dosing head substrates or portions thereof that can be used in microdosing devices according to the invention.
  • 11A and 11B are schematic cross-sectional views for illustrating a drive device that can be used according to the invention.
  • the microdosing device further comprises a drive device which, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, has a pressure chamber 12, a housing 13 for the pressure chamber 12 and a device 14 for pressurizing the pressure chamber.
  • the device 14 can be a conventional pump or a compressed air valve with a corresponding feed line to the pressure chamber 12.
  • a venting device 16 is provided for venting the pressure chamber 12.
  • the pressure generating device 14 and the venting device 16 are connected to a control device 18, which controls the same in order to eject droplets from the nozzle 6.
  • the nozzle 6 shown there has a nozzle channel 20 and a nozzle opening 22, the nozzle channel 20 having a larger cross section than the nozzle opening 22.
  • the opening of the nozzle channel opposite the nozzle opening 22 can be referred to as the actuation opening.
  • the nozzle opening 22 is dimensioned such that the surface tension of the liquid at the nozzle opening 22 prevents it from running out in the idle state.
  • the nozzle channel 20 is designed so that it is completely filled with fluid due to the capillary force.
  • the media reservoir 4 is arranged on a first side of the dosing head 2, i.e. formed in a first surface thereof, whereas the liquid is dispensed through the nozzle opening 22 on the opposite second side of the dosing head.
  • the unit referred to herein as the nozzle is formed by the nozzle channel 20 and the nozzle ejection opening 22 and represents a fluid connection between the first surface 2 and the second opposite surface 26 of the dosing head 2.
  • the connection channel 10 connects the media reservoir 4 and the nozzle 6 In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, at a mouth section 28 in the lower region of the nozzle channel 20.
  • FIG. 2 shows a network model of the dosing head shown in FIG. 1, with P A denoting the pressure difference between the top 24 and bottom 26 of the dosing head 2, which is generated by the force applied by means of the drive device 12, 13, 14.
  • the resistance R 2 represents the flow resistance of the connecting channel 10.
  • the flow resistance Rn is assigned to the section of the nozzle channel between the first side 24 of the dosing head 2 and the point at which the connecting channel 10 opens.
  • the flow resistance R 12 of the nozzle channel is assigned to the section between the point at which the connecting channel 10 opens into the nozzle channel 20 and the nozzle opening 22.
  • the flow resistance R 13 is assigned to the nozzle outlet opening 22 itself.
  • 2 shows the fluidic connection of the flow resistances explained above and the connection of the same with the reservoir 4 and the pressure P A generated.
  • the fluidic shown results Network model that behaves similarly to a corresponding electrical network.
  • the flow resistances of the connecting duct 10 and the nozzle i.e. of the nozzle channel 20 and the nozzle opening 22, such that when a liquid 8 in the media reservoir and the nozzle is acted upon with such a force that an essentially identical pressure is exerted on the liquid in the media reservoir and the liquid in the nozzle Volume flow in the connecting channel 10 is small compared to a volume flow in the nozzle 6.
  • the metered volume depends on the ratio of the two resistors. If you choose R 2 / Rn «10, the metered volume corresponds to the liquid volume contained in the nozzle with a systematic deviation of a maximum of 10%. This deviation is due to the fact that, owing to the pressure drop across the flow resistance Rn at the junction parts of the connecting channel into the nozzle, the pressure is lower than on the upper side, ie the first side, of the dosing head or in the reservoir. This creates a pressure difference across the connection channel, the size of which depends on the ratio of the flow resistances R 2 and Rn, this pressure difference inducing an additional volume flow in the connection channel in the direction of the nozzle opening.
  • This volume flow or flow also contributes to the metered volume.
  • the exact amount of this systematic deviation depends on the details of the specific design of the connecting duct and nozzle duct.
  • the deviation can be minimized by clever, geometrical design of the channels, particularly at their junction parts.
  • the proportion of this induced flow in the total flow through the nozzle or the nozzle opening can be estimated independently of these geometric details with the value Rn / R 2 upwards. Due to the additional flow through the connecting channel, the dosing volume increases to a maximum of (1 + Rn / R 2 ) times the volume of the nozzle channel.
  • the process described above is reproducible and the ratio of the flow resistances does not depend on the media properties of the fluid, the accuracy and functionality of the metering device is not affected.
  • the exact ratio of the flow resistances is therefore not essential as long as Rn ⁇ R 2 .
  • the ratio of the flow resistances causes a systematic error which can be compensated for in the manufacture of the metering devices.
  • it does not cause a statistical error that would affect the reproducibility of the metering device.
  • it may be desirable in practice to determine the dosing volume as precisely as possible by the volume contained in the nozzle. In this case, it is favorable to choose Rn / R 2 as small as possible or R 2 / Rn as large as possible, for example R 2 / Rn> 100. This leads to an excellent fluidic decoupling of nozzle and reservoir during a metering process and the metered volume corresponds to the nozzle volume with a maximum deviation of 1%.
  • FIG. 3A shows a generalized network model which shows a microdosing device according to the invention
  • the resistance R ⁇ represents the fluidic resistance of the connecting channel between the nozzle and the reservoir
  • the flow resistance R D represents the flow resistance of the entire nozzle consisting of the Represents the resistance of the nozzle channel and the resistance of the nozzle opening.
  • P A in turn denotes the static or dynamic pressure generated by the respective drive unit.
  • the resistance R ⁇ must be chosen large in comparison to the flow resistance R D.
  • the ratio of the flow resistances to be selected in the individual case depends on of the liquid which is to be metered, again it being noted that the greater the difference in resistance, the greater the range of liquids which can be metered with the same metering device.
  • the dosing head 2 which as a rule has a plurality of reservoirs and nozzles, only one reservoir 4 and one nozzle 6 being shown in FIG. 1 because of the section by section, is first filled with the liquid or liquids to be dosed. This is done, for example, by filling the liquids into the reservoir or reservoirs 4 using commercially available pipetting machines.
  • the remaining lines in the dosing head, ie the connecting channel 10, the nozzle channel 20 and the nozzle opening 22, are filled by capillary forces from the media reservoirs in question.
  • the nozzle and nozzle opening 22 are dimensioned such that the liquid emerges from the nozzle is prevented both on the side 24 and on the side 26 by the surface tension of the same in the idle state.
  • the volume of the nozzle 6 is essentially determined by the larger bore is, whereas the flow resistance of the nozzle is essentially defined by the smaller bore.
  • This subdivision of the nozzle into two areas of different diameters is not absolutely necessary for the functioning of the dosing device according to the invention, but it facilitates the design of the dosing head by making it possible to set the desired dosing quantity, regardless of the retention capacity of the nozzle opening 22 against a hydrostatic pressure in the liquid that can occur during handling and transport.
  • the dosing head 2 is connected to a drive unit, as shown schematically in FIG. 1 by the elements identified by the reference numerals 12 and 14.
  • a drive unit as shown schematically in FIG. 1 by the elements identified by the reference numerals 12 and 14.
  • an overpressure is then generated in the pressure chamber 12, which acts uniformly on the entire first side of the dosing head, that is to say the media reservoir 4 and the nozzle 6 are imprinted from the first side substantially the same pressure is applied.
  • This overpressure prevailing in the pressure chamber 12 exerts a force on the liquid 8 in the dosing head 2.
  • the liquid in the connecting channel remains essentially at rest, while liquid is expelled from the nozzle channel 20 through the nozzle opening 22.
  • the entire amount of liquid in the nozzle can be dispensed through the nozzle opening 22 without the liquid in the connecting channel moving.
  • the metered amount of liquid is thus precisely determined by the geometry of the nozzle.
  • the dosing of the liquid stops automatically when the nozzle is completely empty.
  • a fluid volume which corresponds to the total volume of the nozzle 6, can be metered out of the nozzle opening 6, as described.
  • the starting state after switching off the drive device can alternatively be restored in two ways.
  • the pressure chamber can be vented, for example through the valve 16 shown in FIG. 1.
  • the pressure generating device can be designed using so-called 3/2-way pneumatic valves in order to actively vent the pressure chamber by switching the valves enable.
  • a ventilation device is not provided, or the drive unit uses pure switching valves, i.e. 2/2-way pneumatic valves, after switching off the pressure supply, the excess pressure can be reduced by a gas flow through the nozzles.
  • the connecting channel 10 and the nozzle 6 fill, i.e. the nozzle channel 20 and the nozzle opening 22 of the same, due to the capillary forces, again from the media reservoir connected to the same, whereupon a new dosing process can be carried out.
  • the microdosing device in order to achieve a clean tearing off of the emerging liquid column at the nozzle opening, it is advantageous to generate a sufficiently high pressure amplitude in the pressure chamber, whose change over time should also advantageously take place within a very short time, so that high dynamics the pressure change is reached.
  • the liquid ejection is completed within a short time, for example 10 milliseconds, while the fluid lines for the refilling by capillary forces are designed in such a way that this process proceeds much more slowly, for example within 100 milliseconds. This means that both effects overlap only marginally. Lich and the precision of the dosing volume is not distorted by the capillary refilling.
  • microdosing device according to the present invention and the mode of operation thereof have been described in general terms, exemplary embodiments and special configurations thereof will be discussed in more detail below.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a microdosing device according to the invention, which is suitable for the simultaneous application of microdroplets to corresponding locations 30 of a microtiter plate 32, which may have a conventional grid of reservoirs 30.
  • the dosing head 2 of the microdosing device has a plurality of media reservoirs 4 in the top 24 thereof.
  • the microdosing device shown in FIG. 4 comprises a drive device 40, which may have a structure, for example, as will be explained below with reference to FIG. 5.
  • a plurality of microdroplets can be applied simultaneously to a microtiter plate 32, for example, by simultaneously actuating a plurality of fluid reservoirs 4 with associated nozzles by means of the drive device 40.
  • the dosing head 2 can preferably be exchanged simply and automatically, so that 40 different dosing heads or dosing head substrates can be used together with the same drive device, as long as the outer dimensions of the same or the drive device device is designed to interact with dosing head substrates of different external dimensions.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a microdosing device according to the invention with a plurality of media reservoirs 4, nozzles 6 and connecting channels 10, which are formed in a dosing head substrate 2.
  • the drive device in turn comprises a pressure chamber 12 with a corresponding housing 13.
  • the housing can be designed in a suitable manner in order to enable attachment to the dosing head substrate 2 or to enable the use of an exchangeable dosing head 2.
  • a diffuser 40 is provided in the pressure chamber 12 and serves to ensure a uniform distribution of the pressure over all reservoirs 4 and nozzles 6.
  • the pneumatic implementation of the drive unit shown here also includes fast-switching valves 42 and compressed air supply lines 4.4.
  • the fast-switching valves 42 can generate high pressure with high dynamics, through which a driving force is transmitted to the liquids in the dosing head, i.e. simultaneously on the liquids in the media reservoirs 4 and the nozzles 6.
  • FIG. 6 shows a top view of a section of a dosing head which can be used for a parallel delivery of reagents into a 1536 microtiter plate, 24 media reservoirs 4, connecting channels 10 and associated nozzles 6 being shown.
  • the connection channels 10a have a shape, as will be explained below with reference to FIG. 9A. It is clear that, according to the invention, a microdosing head can have almost any number of media reservoirs and nozzles, an exemplary metering head with 96 media reservoirs and associated nozzles with exemplary dimensions being shown in FIG. 7.
  • a media reservoir does not have to be assigned to each nozzle, but there is essentially freedom of choice in that one or more media reservoirs can be provided which can be connected to one or more nozzles, a respective one
  • the media reservoir can be connected to a nozzle via a plurality of connecting lines
  • a media reservoir can be connected to a plurality of nozzles via a plurality of connecting lines
  • a nozzle can be connected to a plurality of media reservoirs via a plurality of connecting lines, as will be explained in more detail later with reference to FIGS. 10A to 10D.
  • both the reservoirs and the nozzles can be arranged in a different grid in the microdosing device according to the invention, so that the metering process results in a format change between the format of the reservoirs and that of the receiving container.
  • a conventional pipetting device can be used to fill a microtiter plate, even if the pipetting device has a different grid dimension than the microtiter plate to be filled.
  • FIGS. 8A to 8D exemplary embodiments of nozzles formed in the dosing head of a microdosing device according to the invention will now be explained.
  • the simplest embodiment of a nozzle 6a is shown in FIG. 8A, the entire nozzle consisting of a single channel with a constant diameter.
  • the resistances Rn and R i2 which were explained above with reference to FIG. 2, can be influenced within certain limits become.
  • the nozzle 6 shown in FIG. 8B corresponds to the nozzle explained above with reference to FIG.
  • FIG. 8C shows a nozzle 6b which is divided into three sections. Such a subdivision can be advantageous under certain circumstances if not only the dosing volume but also the shape and / or dynamics of the ejected jet are important.
  • FIG. 8D shows a conical nozzle 6c.
  • the nozzle ejection opening as well as the opening opposite it and the nozzle channel connecting the openings not in a circular manner but in any shape.
  • the diameter of the nozzle channel can vary depending on the depth in a different way than shown in FIGS. 8B to 8D.
  • FIGS. 9A to 9D Various design options for the connecting channel, which connects the inner reservoirs and nozzles, are shown in FIGS. 9A to 9D.
  • the connection channel can be adapted both in terms of its course and in terms of its diameter.
  • 9A shows a channel 10a which is open towards the top of the dosing head.
  • Such a channel is used in the embodiments of a dosing head shown in FIGS. 6 and 7.
  • This possibility of designing the channel also enables the microdosing device to be operated according to the principle described and has advantages. obviously a simple production and the advantage that gas inclusions in the connecting channel can escape very easily.
  • a circular reservoir 4 is connected to the nozzle 6 by a rectangular connection channel 10a, the reservoir and the connection channel having the same depth in order to ensure that the reservoir is emptied to the bottom.
  • FIG. 9B shows a sectional view of a dosing head substrate in the plane of the substrate.
  • a media reservoir 4 and a nozzle 6 can be seen, which are connected to one another via a curved channel 10B.
  • other, arbitrary courses are possible, wherein in particular meandering courses can be used in order to realize an increase in the flow resistance between the media reservoir and the nozzle.
  • the connecting channel between the media reservoir and the nozzle can furthermore have any cross-sections and does not necessarily have to be rectangular.
  • the cross section can widen or narrow in the course of the channel, it being also possible for two or more connecting channels to be arranged between the same reservoir and the same nozzle, for example.
  • FIG. 9C Such an embodiment is shown in FIG. 9C, in which the channel is formed by three subchannels 10c.
  • the channel does not have to run parallel to the surface of the dosing head, but can have an arbitrary course within the dosing head, an obliquely running channel 10d being shown in FIG. 9D.
  • the channel it should only be noted that it does not establish a direct connection to the underside of the dosing head, but only via the nozzle.
  • the flow resistance of the connecting channel may be greater than the flow resistance of the nozzle.
  • 10A to 10D show different possibilities for arranging the fluidic components, media reservoir, connecting channel and nozzle in the dosing head of the microdosing device according to the invention.
  • elements for example media reservoirs, installed in a dosing head have to have the same dimension.
  • nozzles that contain different volumes can be accommodated on the same dosing head.
  • 10A schematically shows a dosing head section in which a media reservoir 4 is connected to four nozzles 6 via four connecting channels 10.
  • 10B two media reservoirs 4 are each connected to a nozzle 6 via a connecting channel 10.
  • an arrangement is also possible in which all nozzles 6 are filled from a single reservoir 4a, as shown in FIG. IOC.
  • the format can be changed by the dosing head. This means that the distance between the nozzles and the distance between the reservoirs can be different.
  • FIG. 10D An example of such an arrangement with wide distances between reservoirs 4 and narrow distances between nozzles 6 is shown in FIG. 10D, in which example each nozzle 6 is connected via a connection dungskanal 10 is connected to an associated media reservoir 4.
  • FIGS. 11A and 11B show an alternative embodiment of a drive device that can be used according to the invention.
  • the dosing head has the structure described above with reference to FIG. 9A with regard to media reservoir 4, channel 10a and nozzle 6.
  • the force required for metering is now exerted by means of a system liquid 46 on the liquid to be metered located in the media reservoir 4 and the nozzle 6.
  • the system liquid 46 must not be miscible with the liquid to be dosed and must have a negative surface energy on the surface of the dosing head, ie it must not be drawn into the nozzle by capillary forces. As shown in FIGS.
  • a piston 48 is provided to exert a force on the system liquid 46 in the direction of arrow 50.
  • any other displacer can be provided, by means of which such a force can be exerted on the media reservoir and nozzle that an essentially identical pressure state is generated therein. The force is exerted on the liquid to be dosed via the system liquid 46, whereupon the dosing process takes place.
  • FIG. 11B shows the microdosing device after the desired amount of liquid has been ejected, this amount of liquid being determined by the displaced volume.
  • the system liquid 46 does not penetrate into the nozzle opening 22 nor is it drawn into it by capillary forces.
  • the displacer or piston 48 is returned to the starting position, the hydrophobic system liquid 46 being expelled again by capillary forces the nozzle is displaced. This restores the original state as shown in Fig. ILA.
  • the metered volume is determined by the volume of the nozzle, either only the nozzle channel or the nozzle channel and the nozzle opening, and is essentially independent of the fluid properties.
  • the present invention enables the exact delivery of, for example, approximately 50 nl in a single metering operation with a suitable design of the channels and openings.
  • the force required to operate the microdosing device can be applied by electromagnetic means if the liquid to be dosed has an electrical charge or a sufficient dipole moment.
  • a force can be exerted on the fluid in the direction of the microtiter plate by applying suitable electromagnetic fields between the dosing head and the receptacle, ie generally the microtiter plate. terplatte are exercised.
  • the dosing process begins as soon as the electromagnetic force overcomes the surface forces at the nozzle opening.
  • the several reservoirs of the dosing head used according to the invention can be filled with identical or different liquids, so that the same or different liquids can be dispensed simultaneously.
  • the dosing heads used according to the invention can be produced using any conventional method.
  • the dosing head can be made micromechanically from silicon.
  • other known processes such as micro injection molding, hot stamping or processes in which individual layers are glued or laminated, can be used.
  • the dosing device according to the invention can either be operated as a dosing device for dispensing a quantity of liquid predefined by the geometric volume of the nozzle channel, or as a device with a smaller but variable volume.
  • the driving force acting on the liquid is maintained until the entire amount of liquid contained in the nozzle is expelled through the nozzle opening.
  • the metering stops automatically, since no liquid is supplied through the connecting channel due to the disappearing pressure gradient.
  • the driving force impressed by the drive device is switched off before the liquid is completely expelled from the nozzle.
  • the metered amount of fluid can thus be controlled either by the design, namely by the volume in the nozzle, or by the duration and the course of the driving force applied by the drive unit.
  • the metered amount of liquid is essentially independent of the physical properties. th of the liquid, such as viscosity and surface tension.
  • the metered volume is influenced by these parameters. It is therefore advisable to carry out a calibration in the latter case in order to achieve an exact dosage, since the dosage of different liquids with different viscosities takes different times.

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Description

Vorrichtung und Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssig- keitsmengen
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen, und insbesondere auf solche Vorrichtungen und Verfahren, die zur gleichzeitigen, präzisen Dosierung von kleinen bzw. kleinsten Flüssigkeitsmengen aus mehreren parallelen Kanälen geeignet sind.
Die präzise Dosierung von Flüssigkeitsmengen ist unter an- dere in der pharmazeutischen und biotechnologischen Forschung, beispielsweise der Genomik, dem High-Throughput- Screening, der kombinatorischen Chemie und dergleichen, von erheblicher Bedeutung. Eine solche Dosierung ist beispielsweise notwendig, um sogenannte Mikrotiterplatten (im Engli- sehen well-plate) mit Reagenzien zu befüllen. Um eine derartige Befüllung zu realisieren, sind derzeit unterschiedliche Geräte und Verfahren bekannt, von denen die gebräuchlichsten Luftpolsterpipetten, Kolbenverdrängerpipetten mit Ventilsteuerung, piezoelektrische Pipetten und Nadelpipet- ten sind. Typischerweise sind die genannten Geräte einkana- lig ausgelegt. Sie können zum Teil aber auch im Raster zu parallelen Kanälen angeordnet werden. Der höchste erreichte Grad der Parallelisierung beträgt derzeit 384 Kanäle bei einigen kommerziell erhältlichen Geräten für Dosiervolumina oberhalb von 0,5 μl .
Bei Anwendung der oben genannten Prinzipien bzw. Vorrichtungen zur Befüllung von Mikrotiterplatten treten aber häufig eine oder mehrere der im folgenden genannten Schwierig- keiten auf. Meist können Dosiervolumina, die kleiner als 500 nl sind, nicht abgegeben werden. Dies trifft insbesondere , auf Luftpolsterpipetten zu. Darüber hinaus ist die Genauigkeit bei allen erhältlichen Geräten im unteren Do- sierbereich nur ungenügend, wobei der Fehler typischerweise über 10% liegt. Ferner kann mit den gängigen Geräten eine hohe Integrationsdichte, beispielsweise Rastermaße von weniger als 4,5 mm, aufgrund der Bauform nicht erreicht wer- den, so daß teilweise eine serielle Bearbeitung erfolgen muß. Lediglich mit Nadelpipetten können auch Rastermaße von 2,25 mm erreicht werden. Falls die Dosierung nicht im Freistrahl erfolgt, wie z.B. bei Nadelpipetten, können Verschleppungen bzw. Querkontaminationen der zu dosierenden Flüssigkeiten auftreten.
Bekannte Mikrodosiervorrichtungen sind in der DE-A-19706513 und der DE-A-19802368 beschrieben. Diese bekannten Vorrichtungen basieren auf einem Funktionsprinzip, bei dem eine Beschleunigung auf eine zu dosierende Flüssigkeit innerhalb einer Druckkammer durch einen Verdränger aufgebracht wird. Die Druckkammer weist eine Fluidverbindung zu einer Auslaßöffnung und zu einem Fluidreservoir auf. Somit folgt beim Betätigen des Verdrängens bei diesen bekannten Vorrichtun- gen eine Bewegung der Flüssigkeit sowohl durch die Auslaßöffnung als auch in das Reservoir zurück.
Aus der DE-A-19913076 ist eine Mikrodosierungsvorrichtung bekannt, durch die eine Mehrzahl von Mikrotröpfchen auf ein Substrat aufbringbar ist, wobei dort ein gesamter Dosierkopf mit einer Beschleunigung beaufschlagt wird. Durch diese Beschleunigung des gesamten Dosierkopfs wird trägheitsbedingt eine Relativbeschleunigung zwischen enthaltenem Fluid und Dosierkopf erreicht, derart, daß Tröpfchen aus jeweiligen Düsenöffnungen des Dosierkopfs ausgestoßen werden.
Schließlich offenbart die WO 00/62932 Verfahren und Vorrichtungen zur dosierten Ausgabe kleinster Flüssigkeitsmen- gen, wobei dort Ausstoßmengen in einem Bereich von 0,1 nl bis 100 μl genannt sind. Gemäß dieser Schrift wird eine mit einer Austrittsöffnung versehene Kapillare verwendet, an die mindestens eine Gasleitung über eine Mündungsstelle an- geschlossen ist. Über die Kapillare wird ein Gasstoß in die Gasleitung eingeleitet, so daß eine sich in dem Kapillarabschnitt zwischen Mündungsstelle und Austrittsöffnung befindliche Flüssigkeitsmenge aus der Austrittsöffnung ausdo- siert wird. Diese Schrift erwähnt ferner die Möglichkeit der Erzeugung eines Pipettierarrays unter Verwendung einer Mehrzahl von Dosiervorrichtungen wie sie oben beschrieben sind. Auch bei den in dieser Schrift beschriebenen Dosiervorrichtungen erfolgt ein Rückfluß in das Reservoir bzw. im ungünstigsten Fall können Luftblasen in die Reservoirleitung aufsteigen und diese verstopfen.
Aus den oben genannten Nachteilen resultiert die Tatsache, daß die Dauer der Befüllung einer Mikrotiterplatte im all- gemeinen für den gewünschten Durchsatz als zu hoch angesehen wird. Dadurch ergeben sich zum einen hohe Kosten und zum anderen teilweise auch Schwierigkeiten bei der Analyse der Reaktionsprodukte, falls die Reaktionen in den einzelnen Reservoirs der Mikrotiterplatte zeitversetzt starten.
Bei R. Zengerle, „Mikrosysteme - Chancen für die Dosiertechnik'", wägen + dosieren 1/1996, S. 10-15, sind Mikropum- pen für Mikrotropfeninjektoren bekannt, bei denen durch eine mittels eines Piezobiegewandlers antreibbare Membran das Volumen einer Pumpkammer veränderbar ist. Eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung der Pumpkammer sind vorgesehen. Eine Pumpwirkung kann bei Betätigen der Membran erreicht werden, indem entweder die Einlassöffnung und die Auslassöffnung mit einem Rückschlagventil versehen sind oder indem ein Puffer angrenzend an die Pumpkammer vorgesehen ist.
Aus der DE 19648694 CI ist eine bidirektionale dynamische Mikropumpe bekannt, die eine Pumpkammer sowie einen Zulauf und einen Ablauf für die Pumpkammer mit unterschiedlichen Strömungswiderständen aufweist. An die Pumpkammer grenzt eine Membran, wobei durch geeignete Formgebung des Ansteuerpulses für die Membran die Förderrichtung der Mikropumpe steuerbar ist. Aus der WO 97/15314 ist eine Platte bekannt, die eine Vielzahl von dieselbe durchdringenden Ausnehmungen aufweist. Die Ausnehmungen besitzen zu einer Oberfläche der Platte hin ein große Öffnung und zu der gegenüberliegenden Oberfläche hin eine kleine Düsenöffnung. Durch Ausüben eines Drucks auf die große Öffnung kann ein Flüssigkeitsstrahl durch die kleine Düsenöffnung ausgestoßen werden.
Eine weitere Dosiervorrichtung ist aus der WO 99/36176 bekannt, die ein Flüssigkeitsreservoir und einen mit dem Flüssigkeitsreservoir fluidmäßig verbundenen Kanal aufweist. In gegenüberliegenden Kanalwänden des Kanals sind Öffnungen gebildet, so daß durch das Ausüben eines Drucks auf eine der Öffnungen die zwischen den Öffnungen befindliche Flüssigkeit ausdosiert werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vorrichtungen und Verfahren zur Dosierung kleiner Flüssig- keitsmengen zu schaffen, die einen einfachen Aufbau einer Mikrodosiervorrichtung ermöglichen und ferner eine gleichzeitige, präzise Dosierung von kleinen Flüssigkeitsmengen aus mehreren parallelen Kanälen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen nach Anspruch 12 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Mikrodosiervorrich- tung mit folgenden Merkmalen:
einem Medienreservoir zum Enthalten einer zu dosierenden Flüssigkeit;
einer Düse, die über einen Verbindungskanal mit dem Medienreservoir verbunden ist und über den Verbindungskanal mit der zu dosierenden Flüssigkeit befullbar ist; und einer Antriebseinrichtung zum Beaufschlagen einer in dem Medienreservoir und der Düse befindlichen Flüssigkeit mit einer solchen Kraft bei einer Betätigung derselben, daß ein im wesentlichen identischer Druck auf die im Medienreser- voir und die in der Düse befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird,
wobei Strömungswiderstände des Verbindungskanals und der Düse derart ausgeführt sind, daß bei einer Betätigung der Antriebseinrichtung ein Volumenstrom in dem Verbindungskanal klein im Vergleich zu einem Volumenstrom in der Düse, der einen Ausstoß der zu dosierenden Flüssigkeit aus einer Ausstoßöffnung der Düse bewirkt, ist.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen, mit folgenden Schritten:
Befüllen zumindest einer Düse über einen Verbindungskanal, der die Düse mit einem Medienreservoir fluidmäßig verbindet, mit einer zu dosierenden Flüssigkeit aus dem Medienreservoir;
Beaufschlagen der in dem Medienreservoir und der Düse be- findlichen Flüssigkeit mit einer solchen Kraft, daß ein im wesentlichen identischer Druck auf die im Medienreservoir und in der Düse befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird,
so daß aufgrund der Ausführung von Strömungswiderständen des Verbindungskanals und der Düse der Volumenstrom in dem Verbindungskanal klein im Vergleich zum Volumenstrom der Flüssigkeit in der Düse ist, um dadurch eine Menge der zu dosierenden Flüssigkeit aus einer Ausstoßöffnung der Düsen auszustoßen.
Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen basiert auf zwei Punkten, zum einen dem gleichzeitigen Beaufschlagen von Reservoir und Düse bzw. Düsenkanal mit einer Kraft, so daß ein im wesentlichen gleicher Druck auf dieselben einwirkt, und zum anderen einer hinreichenden Trennung des Reservoirs und der Dü- se voneinander durch den Verbindungskanal . Eine solche Trennung ist um so wirkungsvoller, je höher der fluidische Widerstand des Verbindungskanals in Relation zum fluidi- schen Widerstand des Düsenkanals ist. Aufgrund der fluidi- schen Trennung wird erfindungsgemäß maximal das in der Düse befindliche Volumen dosiert, wobei nach der Ausdosierung dieses Volumens der Dosiervorgang automatisch stoppt.
Das Reservoir, die Düse und der Verbindungskanal sind erfindungsgemäß vorzugsweise in einem Dosierkopf gebildet, wobei ein solcher Dosierkopf vorzugsweise eine Mehrzahl von Reservoiren, Düsen und Verbindungskanälen aufweisen kann. Um einen Tropfenausstoß aus der Düsenöffnung oder den Düsenöffnungen der einen oder mehreren Düsen zu bewirken, wird erfindungsgemäß eine treibende Kraft auf die gesamte im Dosierkopf enthaltene Flüssigkeit aufgeprägt, d.h. sowohl das Reservoir als auch die Düse werden mit der Kraft beaufschlagt. Daher und aufgrund dessen, daß der Druckgradient über die Verbindungsleitung vernachlässigbar ist, erfolgt erfindungsgemäß keine Rückströmung in das Reservoir.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind sowohl die Reservoire als auch die Düsen in einem Raster angeordnet, das dem Format einer Mikrotiterplatte entspricht. Ferner können die Reservoire und die Dü- sen in einem unterschiedlichen Raster angeordnet sein, so daß durch einen Dosiervorgang eine Formatumwandlung zwischen dem Format der Reservoire und dem des aufnehmenden Behältnisses, in der Regel eine Mikrotiterplatte, erfolgt. Der bei der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ver- wendete Dosierkopf kann auf eine herkömmliche bekannte Weise unter Verwendung von mikromechanischen Verfahren gefertigt werden, beispielsweise aus Silizium oder aus Kunststoff, beispielsweise unter Verwendung einer Spritzgußtech- nik. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen besteht die Antriebseinrichtung aus einer pneumatischen bzw. hydraulischen Antriebseinheit, die eine Druckkammer aufweist, die schnell mit einem Gas oder einer Flüssigkeit als Pufferme- dium befüllt werden kann, um die erforderliche Kraft auf die Reservoire und Düsen aufzubringen.
Erfindungsgemäß sind vorzugsweise die Reservoire und das dem Ausstoßende der Düsen gegenüberliegende Ende derselben in einer Oberfläche des Dosierkopfes gebildet, so daß die gesamte erste Seite des Dosierkopfs bzw. Dosie köpfSubstrats mit der treibenden Kraft beaufschlagt werden kann, wobei lediglich die in der Düse, d.h. dem Düsenkanal und der Düsenöffnung, enthaltene Flüssigkeit abgegeben wird und der Dosiervorgang von selbst stoppt, sobald die darin enthaltene Flüssigkeit abgegeben wurde. Dieses Prinzip ermöglicht es, auf eine räumliche Trennung der Bereiche in denen die Düsen bzw. Reservoire angeordnet sind, zu verzichten, wodurch wesentlich höhere Integrationsdichten erreicht wer- den können als mit Vorrichtungen, bei denen die treibende Kraft nur auf die rückseitigen Düsenbereiche, nicht jedoch auf die Reservoire wirkt.
Die vorliegende Erfindung schafft somit Vorrichtungen und Verfahren, mit denen Flüssigkeiten hochparallel beispielsweise in eine Mikrotiterplatte abgegeben werden können. Somit besitzt die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung eine einfache Struktur und ermöglicht dennoch eine exakte Dosierung, selbst bei der Realisierung eines hochintegrierten Dosiersystems, bei dem beispielsweise unter Verwendung von 1536 Düsen parallel dosiert werden soll. Erfindungsgemäß kann eine solche exakte Dosierung ohne Verwendung von aktiven oder passiven Ventilen, wie sie gemäß dem Stand der Technik teilweise verwendet werden, erfolgen, da sowohl Re- servoir als auch Düsen mit der Kraft beaufschlagt werden und der Verbindungskanal zwischen denselben entsprechend ausgelegt ist. Die vorliegende Erfindung stellt somit eine wesentliche Verbesserung der Dosiertechnologie im Nanoliterbereich dar, die eine hochparallele und damit deutlich schnellere Zudo- sierung von Reagenzien in Mikrotiterplatten ermöglicht. Da- bei erlaubt die vorliegende Erfindung ein hohes Maß an Par- allelisierung und Integrationsdichte, wobei beispielsweise 96, 384, 1536 oder mehr Dosierungen gleichzeitig bei einem Rastermaß von 9,0 mm, 4,5 mm, 2,25 mm oder darunter durchgeführt werden können. Darüber hinaus erlaubt die vorlie- gende Erfindung auch eine Anpassung an Formate außerhalb des Standards für Mikrotiterplatten. Daneben ermöglicht die vorliegende Erfindung eine extrem hohe Genauigkeit der Dosierung, wobei der Fehler im Dosiervolumen bei typischen Dosiermengen von 50 nl bis 100 nl unter 5 nl liegt. Durch die berührungslose Abgabe im Freistrahl ist ferner eine Verschleppung von Medien ausgeschlossen. Wie bereits angesprochen wurde, können bei einer entsprechenden Auslegung der Vorrichtung Reformatierungen parallel durchgeführt werden, beispielsweise von einem 384-er von Format auf ein 1536-er Format.
Ferner erlaubt die vorliegende Erfindung eine Lagerung von Medien im Dosierkopf, so daß der Arbeitsschritt des Transfers von der Aufbewahrungseinheit, bei der es sich derzeit typischerweise um eine 96-er Mikrotiterplatte handelt, zum Dosierautomaten, bei dem es sich derzeit um parallel angeordnete Luftpolsterpipetten oder ähnliches handelt, eingespart werden kann. Schließlich ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren das do- sierte Volumen weitgehend unabhängig von den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Flüssigkeiten. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner den Aufbau einer Mikrodosiervorrichtung, bei der der Dosierkopf ohne weiteres austauschbar ist, so daß die Antriebseinrichtung, die in der Regel aufwendiger ist als der Dosierkopf selbst, für eine Vielzahl von unterschiedlichen Dosierköpfen verwendet werden kann. Hierbei ist insbesondere auch von Vorteil, daß die gesamte erste Oberfläche des Dosierkopfs mit der Kraft beaufschlagt wird, so daß hier auch bei unterschiedlicher Anordnung von Reservoiren und Düsen in unterschiedlichen Dosierköpfen keine Anpassung notwendig ist.
Die vorliegende Erfindung eignet sich somit insbesondere, um präzise Mengen von Flüssigkeiten in Mikrotiterplatten, die eine standardisierte Außenabmessung und eine große Anzahl von nebeneinander angeordneten Reservoiren besitzen, abzugeben. Solche Mikrotiterplatten umfassen, wie oben aus- geführt, eine Vielzahl von Reservoiren, beispielsweise 96, 384, 1536 oder mehr, wobei die Rasterabstände der Reservoire zueinander entsprechend 9 mm, 4,5 mm, 2,25 mm, usw. betragen. Je nach Integrationsdichte beträgt das Volumen der Reservoire ca. 100 μl, 20 μl, 4 μl, usw.. In diesen Reser- voiren werden chemische bzw. biochemische Reaktionen durchgeführt und die Reaktionsprodukte analysiert. Die Möglichkeit zur präzisen Befüllung von Mikrotiterplatten mit vorgegebenen Flüssigkeitsmengen ist deshalb eine unabdingbare Voraussetzung zur Durchführung quantitativer Analysen bei Verwendung kleinster Flüssigkeitsmengen, wobei die vorliegende Erfindung gerade diese Möglichkeit vorteilhaft bietet.
Neben der präzisen Befüllung der Mikrotiterplatte ist fer- ner eine schnelle, vorzugsweise gleichzeitige Zudosierung von Reagenzien in alle Reservoire von Interesse, da im allgemeine eine hohe Zahl von Reaktionen in einer Mikrotiterplatte gleichzeitig durchgeführt werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der gesamte Ablauf der Befüllung und Analyse der Ergebnisse automatisiert werden kann, so daß pro Tag mehrere hundert Mikrotiterplatten bearbeitet werden können und einige tausend bis einhunderttausend Reaktionen durchgeführt werden können. Zu diesem Zweck ist die vorliegende Erfindung aufgrund ihrer Eigenschaft der massiv parallelen und hochpräzisen Dosierung von kleinsten Flüssigkeitsmengen in besonderer Weise geeignet, vor allem auch zur Abgabe einer Vielzahl unterschiedlicher Flüssigkeiten in die verschiedenen Reservoire einer Mikrotiterplatte. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung;
Fig. 2 ein Netzwerkmodell der in Fig. 1 gezeigten Mikrodosiervorrichtung;
Fig. 3A ein verallgemeinertes Netzwerkmodell für das erfindungsgemäße Dosiersystem und Fig. 3B ein Netz- werkmodell für ein bekanntes Mikrodosiersystem;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung;
Fig. 5 eine Querschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung;
Fig. 6 und 7 Draufsichten von Dosierköpfen, die bei einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung verwendbar sind;
Fig. 8A bis 8D Querschnittansichten, die unterschiedliche Gestaltungen für Düsen bei der erfindungsgemäßen
Mikrodosiervorrichtung zeigen;
Fig. 9A bis 9D schematische Darstellungen, die unterschiedliche Gestaltungen des Verbindungskanals bei erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtungen zeigen; Fig. 10A bis 10D schematische Draufsichten auf bei erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtungen verwendbare DosierkopfSubstrate bzw. Abschnitte derselben; und
Fig. 11A und 11B schematische Querschnittansichten zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäß verwendbaren Antriebseinrichtung.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Dosierkopfs 2 gezeigt, der Teil eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ist. In dem Dosierkopf 2 sind ein Medienreservoir 4 und eine Düse 6 gebildet, die mit einer zu dosierenden Flüssigkeit 8 befüllt sind. Das Medienreser- voir 4 und die Düse 6 sind über einen Verbindungskanal 10 miteinander fluidmäßig verbunden. Die Mikrodosiervorrichtung umfaßt ferner eine Antriebseinrichtung, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Druckkammer 12, ein Gehäuse 13 für die Druckkammer 12 und eine Einrich- tung 14 zum Beaufschlagen der Druckkammer mit einem Druck aufweist. Die Einrichtung 14 kann eine herkömmliche Pumpe oder ein Druckluftventil mit einer entsprechenden Zuleitung zu der Druckkammer 12 sein. Ferner ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Entlüftungseinrichtung 16 zum Entlüften der Druckkammer 12 vorgesehen. Die Druckerzeugungseinrichtung 14 und die Entlüftungseinrichtung 16 sind mit einer Steuereinrichtung 18 verbunden, die dieselben ansteuert, um Tröpfchen aus der Düse 6 auszustoßen.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, weist die dort dargestellte Düse 6 einen Düsenkanal 20 und eine Düsenöffnung 22 auf, wobei der Düsenkanal 20 einen größeren Querschnitt als die Düsenöffnung 22 besitzt. Die der Düsenöffnung 22 gegenüberliegende Öffnung des Düsenkanals kann als Betätigungsöff- nung bezeichnet werden. Die Düsenöffnung 22 ist derart dimensioniert, daß die Oberflächenspannung der Flüssigkeit an der Düsenöffnung 22 ein Auslaufen derselben im Ruhezustand verhindert. Der Düsenkanal 20 ist so ausgeführt, daß er aufgrund der Kapillarkraft vollständig mit Fluid gefüllt ist.
Wie gezeigt ist, ist das Medienreservoir 4 auf einer ersten Seite des Dosierkopfs 2 angeordnet, d.h. in einer ersten Oberfläche desselben gebildet, wogegen die Flüssigkeitsabgabe durch die Düsenöffnung 22 auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Dosierkopfs erfolgt. Die hierin als Düse bezeichnete Einheit ist durch den Düsenkanal 20 und die Dü- senausstoßöffnung 22 gebildet und stellt eine fluidmäßige Verbindung zwischen der ersten Oberfläche 2 und der zweiten gegenüberliegenden Oberfläche 26 des Dosierkopfs 2 dar. Der Verbindungskanal 10 verbindet das Medienreservoir 4 und die Düse 6 bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel an einem Einmündungsabschnitt 28 im unteren Bereich des Düsenkanals 20.
Fig. 2 zeigt ein Netzwerkmodell des in Fig. 1 gezeigten Dosierkopfs, wobei mit PA die Druckdifferenz zwischen der Oberseite 24 und Unterseite 26 des Dosierkopfs 2 bezeichnet ist, die durch die mittels der Antriebseinrichtung 12, 13, 14 aufgebrachte Kraft erzeugt wird. In Fig. 2 stellt der Widerstand R2 den Strömungswiderstand des Verbindungskanals 10 dar. Durch die Einmündung des Verbindungskanals 28 in den Düsenkanal 22 läßt sich er Düsenkanal (22) in drei Teilabschnitte unterteilen, denen jeweils ein Strömungswiderstand zugeordnet werden kann. Der Strömungswiderstand Rn ist dem Abschnitt des Düsenkanals zwischen der ersten Seite 24 des Dosierkopfs 2 und dem Punkt der Einmündung des Verbindungskanals 10 zugeordnet. Der Strömungswiderstand R12 des Düsenkanals ist dem Teilstück zwischen dem Punkt der Einmündung des Verbindungskanals 10 in den Düsenkanal 20 und der Düsenöffnung 22 zugeordnet. Schließlich ist der Strömungswiderstand R13 der Düsenaustrittsöffnung 22 selbst zugeordnet. In Fig. 2 ist die fluidische Verschaltung der oben erläuterten Strömungswiderstände sowie die Verschaltung derselben mit dem Reservoir 4 sowie der erzeugte Druck PA dargestellt. Es ergibt sich das dargestellte fluidische Netzwerkmodell, das sich ähnlich wie ein entsprechendes elektrisches Netzwerk verhält.
Erfindungsgemäß sind nun die Strömungswiderstände des Ver- bindungskanals 10 und der Düse, d.h. des Düsenkanals 20 und der Düsenöffnung 22, derart ausgeführt, daß bei Beaufschlagung einer in dem Medienreservoir und der Düse befindlichen Flüssigkeit 8 mit einer solchen Kraft, daß ein im wesentlichen identischer Druck auf die im Medienreservoir und die in der Düse befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird, ein Volumenstrom in dem Verbindungskanal 10 klein im Vergleich zu einem Volumenstrom in der Düse 6 ist.
Diese Situation kann erreicht werden, wenn der Strömungswi- derstand R2 des Verbindungskanals 10 groß gegenüber dem Strömungswiderstand des Düsenkanals zwischen der ersten Seite 24 und der zweiten Seite 26 des Dosierkopfs 2, d.h. Rn + Rχ2 + Rι3 ist. Ferner kann bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine hinreichend gute Dosierqualität bereits erreicht werden, wenn die Bedingung R2 » Rn erfüllt ist. Zur Veranschaulichung wird wiederum auf Fig. 2 verwiesen, die das entsprechende fluidische Netzwerk darstellt. Die Bedingung R2 » Rn führt dazu, daß trotz einer Beaufschlagung der gesamten ersten Seite 24 des Dosierkopfs 2 mit einem pneumatischen Druck, beispielsweise durch die oben beschriebene Antriebseinrichtung 12, 14, die über den Verbindungskanal 10 anliegende Druckdifferenz vernachlässigbar ist. Die Bewegung der Flüssigkeit im Verbindungska- nal ist dadurch ebenfalls vernachlässigbar. Die Druckdiffe- renz zwischen der ersten und der zweiten Seite des Dosierkopfs führt also lediglich dazu, daß die in der Düse 6 befindliche Flüssigkeitsmenge durch die Düsenöffnung 22 nach außen abgegeben wird.
Wie oben erwähnt wurde, kann eine exakte Dosierung erreicht werden, wenn der Strömungswiderstand R2 des Verbindungskanals deutlich größer ausgelegt wird als der Gesamtwiderstand des Düsenkanals. In solchen Fällen, bei denen der Verbindungskanal 10 beabstandet von der ersten Seite 24 in den Düsenkanal 20 mündet, so daß ein Widerstand Rn definiert werden kann, führt bereits die Erfüllung der Bedingung R2 » Rn zu einem ausreichend guten Ergebnis. Hierbei ist hinsichtlich der Auslegung der Widerstände Rn und R2 zu beachten, daß je größer der Widerstandsunterschied ist, desto größer die Bandbreite der unterschiedlichen Flüssigkeiten ist, die mit einer ausreichenden Genauigkeit unter Verwendung einer entsprechenden Dosiervorrichtung dosiert wer- den können.
Hinsichtlich der Auslegung der Widerstände Rn und R2 ist zu beachten, daß das dosierte Volumen von dem Verhältnis der beiden Widerstände abhängt. Wählt man R2/Rn « 10, so ent- spricht das dosierte Volumen dem in der Düse enthaltenen Flüssigkeitsvolumen mit einer systematischen Abweichung von maximal 10%. Diese Abweichung kommt dadurch zustande, daß aufgrund des Druckabfalls über den Strömungswiderstand Rn an der Einmündungssteile des Verbindungskanals in die Düse ein niedrigerer Druck herrscht als auf der Oberseite, d.h. der ersten Seite, des Dosierkopfs bzw. im Reservoir. Dadurch entsteht eine Druckdifferenz über den Verbindungska- nal, deren Größe von dem Verhältnis der Strömungswiderstände R2 und Rn abhängt, wobei durch diese Druckdifferenz ein zusätzlicher Volumenstrom in dem Verbindungskanal in Richtung Düsenöffnung induziert wird. Dieser Volumenstrom bzw. Fluß trägt ebenfalls zu dem dosierten Volumen bei. Die exakte Höhe dieser systematischen Abweichung hängt von den Details der konkreten Ausgestaltung von Verbindungskanal und Düsenkanal ab. Die Abweichung kann durch geschickte, geometrische Ausführung der Kanäle insbesondere an deren Einmündungssteile minimiert werden. Der Anteil dieses induzierten Flusses am Gesamtfluß durch die Düse bzw. die Düsenöffnung kann aber unabhängig von diesen geometrischen Details mit dem Wert Rn/R2 nach oben abgeschätzt werden. Aufgrund des zusätzlichen Flusses durch den Verbindungskanal wächst das Dosiervolumen also maximal auf das (1+Rn/R2) -fache des Volumen des Düsenkanals an. Da der oben beschriebene Vorgang jedoch reproduzierbar ist und das Verhältnis der Strömungswiderstände nicht von den Medieneigenschaften des Fluids abhängt, wird die Genauig- keit und Funktionstüchtigkeit der Dosiervorrichtung hierdurch nicht beeinträchtigt. Das exakte Verhältnis der Strömungswiderstände ist also nicht wesentlich, solange Rn < R2 gilt. Zusammenfassend ist festzustellen, daß das Verhältnis der Strömungswiderstände einen systematischen Fehler verur- sacht, der sich bei der Herstellung der Dosiervorrichtungen kompensieren läßt. Er verursacht dagegen keinen statistischen Fehler, der die Reproduzierbarkeit der Dosiervorrichtung beeinflussen würde. Hinsichtlich einer einfachen und genauen Auslegung der Dosiervorrichtung kann es in der Pra- xis wünschenswert sein, das Dosiervolumen möglichst genau durch das in der Düse enthaltene Volumen festzulegen. In diesem Fall ist es günstig, Rn/R2 möglichst klein bzw. R2/Rn möglichst groß zu wählen, beispielsweise R2/Rn > 100. Dies führt zu einer hervorragenden fluidischen Entkopplung von Düse und Reservoir während eines Dosiervorgangs und das dosierte Volumen entspricht mit einer maximalen Abweichung von 1% dem Düsenvolumen.
In Fig. 3A ist ein verallgemeinertes Netzwerkmodell, das eine erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung zeigt, dargestellt, wobei in Fig. 3A der Widerstand Rκ den fluidischen Widerstand des Verbindungskanals zwischen Düse und Reservoir darstellt, während der Strömungswiderstand RD den Strömungswiderstand der gesamten Düse bestehend aus dem Wi- derstand des Düsenkanals und dem Widerstand der Düsenöffnung darstellt. PA bezeichnet wiederum den durch die jeweilige Antriebseinheit erzeugten statischen bzw. dynamischen Druck. Um zu erreichen, daß bei dem Netzwerkmodell in Fig. 3A ein Volumenstrom der Flüssigkeit im Verbindungskanal ge- genüber dem Volumenstrom der Flüssigkeit im Düsenkanal vernachlässigbar ist, ist der Widerstand Rκ groß im Vergleich zu dem Strömungswiderstand RD zu wählen. Das im Einzelfall zu wählende Verhältnis der Strömungswiderstände hängt von der Flüssigkeit, die dosiert werden soll, ab, wobei wiederum festzustellen ist, daß die Bandbreite der Flüssigkeiten, die mit der gleichen Dosiervorrichtung dosiert werden können, um so größer ist, je größer der Widerstandsunterschied ist.
In jedem Fall ist durch die Beaufschlagung von Reservoir und Düse mit einer solchen Kraft, daß ein im wesentlichen identischer Druck auf die Flüssigkeit in Reservoir und Düse ausgeübt wird, erfindungsgemäß sichergestellt, daß kein Rückfluß durch den Verbindungskanal stattfindet. Ein solcher Rückfluß ist bei bekannten Dosiersystemen, wie sie beispielsweise in den oben genannten Veröffentlichungen DE- A-19706513, DE-A-19802368 oder WO 00/62932 beschrieben sind, der Fall. Zu Vergleichszwecken ist ein Netzwerkmodell, wie es für die in den oben genannten Schriften gezeigten Dosiervorrichtungen gilt, in Fig. 3B dargestellt. Es ist zu erkennen, daß dort bei einer Druckbeaufschlagung PA ein Rückfluß in das Reservoir in jedem Fall stattfindet, wobei das Verhältnis von dosierter Flüssigkeit zu in das Reservoir zurückfließender Flüssigkeit von dem Verhältnis der Strömungswiderstände RD und Rκ abhängt.
Wiederum bezugnehmend auf Fig. 1 wird nun ein Dosiervorgang der dort gezeigten Mikrodosiervorrichtung näher beschrieben. Der Dosierkopf 2, der in der Regel eine Mehrzahl von Reservoiren und Düsen aufweist, wobei in Fig. 1 wegen der abschnittsweisen Darstellung lediglich ein Reservoir 4 und eine Düse 6 dargestellt sind, wird zunächst mit der bzw. den zu dosierenden Flüssigkeiten befüllt. Dies geschieht, indem beispielsweise unter Verwendung handelsüblicher Pi- pettierautomaten die Flüssigkeiten in das oder die Reservoire 4 eingefüllt werden. Die Befüllung der restlichen Leitungen im Dosierkopf, d.h. des Verbindungskanals 10, des Düsenkanals 20 und der Düsenöffnung 22, erfolgt über Kapillarkräfte aus den betreffenden Medienreservoiren. Wie oben erwähnt wurde, ist die Düse und Düsenöffnung 22 derart dimensioniert, daß ein Austreten der Flüssigkeit aus der Düse sowohl auf der Seite 24 als auch auf der Seite 26 durch die Oberflächenspannung derselben im Ruhezustand verhindert ist.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Düse 6 eine größere zylindrische Öffnung als Düsenkanal 20 oberhalb einer kleinen zylinderförmigen Öffnung als Düsenöffnung 22 aufweist, das Volumen der Düse 6 im wesentlichen durch die größere Bohrung bestimmt ist, wogegen der Strömungswiderstand der Düse im wesentlichen durch die kleinere Bohrung definiert ist. Diese Unterteilung der Düse in zwei Bereiche unterschiedlichen Durchmessers ist für das Funktionieren der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung nicht zwingend not- wendig, erleichtert aber die Auslegung des Dosierkopfs, indem eine Einstellung der gewünschten Dosiermenge möglich wird, unabhängig von dem Rückhaltevermögen der Düsenöffnung 22 gegenüber einem hydrostatischen Druck in der Flüssigkeit, der bei der Handhabung und beim Transport auftreten kann .
Nach der vollständigen Befüllung der Düse, was bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durch Kapillarkräfte erfolgt, wird der Dosierkopf 2 mit ei- ner Antriebseinheit verbunden, wie in Fig. 1 schematisch durch die mit dem Bezugszeichen 12 und 14 bezeichneten Elemente dargestellt ist. Unter Verwendung der Druckerzeugungseinrichtung 14, beispielsweise durch Öffnen entsprechender Pneumatikventile, wird dann in der Druckkammer 12 ein Überdruck erzeugt, der gleichmäßig auf die gesamte erste Seite des Dosierkopfs wirkt, d.h. das Medienreservoir 4 und die Düse 6 werden von der ersten Seite her mit einem im wesentlichen gleichen Druck beaufschlagt. Durch diesen in der Druckkammer 12 herrschenden Überdruck wird auf die Flüssigkeit 8 im Dosierkopf 2 eine Kraft ausgeübt. Sobald die auf die Flüssigkeit in der Düsenöffnung 22 wirkende Kraft groß genug ist, um die Oberflächenkräfte der Flüssigkeit an der Düsenöffnung zu überwinden, beginnt die Flüs- sigkeit durch die Düsenöffnung 22 auszuströmen. Ein Nachströmen von Flüssigkeit aus dem Reservoir 4 wird hierbei weitestgehend verhindert, sofern die Druckdifferenz zwischen den beiden Enden des Verbindungskanals 10 vernachläs- sigbar bzw. reproduzierbar ist, was der Fall ist, wenn der Strömungswiderstand des Verbindungskanals 10 und des Düsenkanals entsprechend den obigen Erläuterungen ausgelegt sind. In jedem Fall ist, wie oben dargelegt wurde, die Menge einer aus dem Reservoir nachströmenden Flüssigkeit re- produzierbar, auch wenn das Verhältnis der Strömungswiderstände von Verbindungskanal und Düse nicht ausreichend groß ist, um ein solches Nachströmen im wesentlichen zu verhindern.
Ist der Strömungswiderstand des Verbindungskanals ausreichend hoch, im Vergleich zum Strömungswiderstand der Düse bzw. im Vergleich zum Widerstand Rn, so bleibt die Flüssigkeit im Verbindungskanal im wesentlichen in Ruhe, während Flüssigkeit aus dem Düsenkanal 20 durch die Düsenöff- nung 22 ausgestoßen wird.
Bei einem solchen Dosiervorgang kann die gesamte in der Düse befindliche Flüssigkeitsmenge durch die Düsenöffnung 22 abgegeben werden, ohne daß sich die in dem Verbindungskanal befindliche Flüssigkeit bewegt. Somit ist die dosierte Flüssigkeitsmenge durch die Geometrie der Düse exakt bestimmt. Die Dosierung der Flüssigkeit stoppt dabei von selbst, wenn die Düse vollständig entleert ist.
Durch das Betätigen der Antriebsvorrichtung kann, wie beschrieben, ein Fluidvolumen, das dem Gesamtvolumen der Düse 6 entspricht, aus der Düsenöffnung 6 ausdosiert werden. Jedoch ist es auch möglich, lediglich einen Teil der in der Düse befindlichen und durch die Geometrie der Düse defi- nierten Flüssigkeitsmenge durch die Düsenöffnung auszustoßen, während die in dem Verbindungskanal befindliche Flüssigkeit nicht oder nur unwesentlich bewegt wird. Nachdem die Düse vollständig oder teilweise entleert ist, kann der Ausgangszustand nach Abschalten der Antriebseinrichtung alternativ durch zwei Möglichkeiten wieder hergestellt werden. Zum einen kann eine Entlüftung der Druckkam- mer erfolgen, beispielsweise durch das in Fig. 1 dargestellte Ventil 16. Andernfalls kann die Druckerzeugungseinrichtung unter Verwendung sogenannter 3/2-Wege- Pneumatikventile ausgelegt sein, um ein aktives Belüften der Druckkammer durch Umschalten der Ventile zu ermögli- chen.
Ist eine Entlüftungseinrichtung nicht vorgesehen, bzw. verwendet die Antriebseinheit reine Schaltventile, d.h. 2/2- Wege-Pneumatikventile, kann sich nach Abschalten der Druck- Versorgung der Überdruck durch eine Gasströmung durch die Düsen abbauen.
Ist der Überdruck in der Druckkammer 12 hinreichend abgebaut, so befüllen sich der Verbindungskanal 10 und die Düse 6, d.h. der Düsenkanal 20 und die Düsenöffnung 22 derselben, aufgrund der Kapillarkräfte wieder aus dem mit demselben verbunden Medienreservoir, woraufhin ein erneuter Dosiervorgang durchgeführt werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ist es, um einen sauberen Abriß der austretenden Flüssigkeitssäule an der Düsenöffnung zu erreichen, vorteilhaft, eine genügend hohe Druckamplitude in der Druckkammer zu erzeugen, deren zeitliche Änderung darüber hinaus vorteilhaft innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgen soll, so daß eine hohe Dynamik der Druckänderung erreicht wird. Ferner ist es bei der Auslegung des Dosierkopfs und der Antriebseinheit günstig, wenn der Flüssigkeitsausstoß innerhalb kurzer Zeit, beispielsweise 10 Millisekunden, abgeschlossen ist, während die Fluidleitungen für die Wiederbefüllungen durch Kapillarkräfte so ausgelegt werden, daß dieser Prozeß sehr viel langsamer abläuft, beispielsweise innerhalb von 100 Millisekunden. Damit überlagern sich beide Effekte nur unwesent- lich und die Präzision des Dosiervolumens wird durch die kapillare Wiederbefüllung nicht verfälscht.
Nachdem nunmehr eine Mikrodosiervorrichtung gemäß der vor- liegenden Erfindung sowie die Funktionsweise derselben allgemein beschrieben wurden, wird im folgenden auf Ausführungsbeispiele und besondere Ausgestaltungen derselben näher eingegangen.
In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung gezeigt, die zum gleichzeitigen Aufbringen von Mikrotröpfchen an entsprechenden Orten 30 einer Mikrotiterplatte 32, die ein herkömmliches Raster von Reservoiren 30 besitzen kann, geeig- net ist. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, weist der Dosierkopf 2 der Mikrodosiervorrichtung in der Oberseite 24 desselben eine Mehrzahl von Medienreservoiren 4 auf. An dieser Stelle sei angemerkt, daß in Fig. 4 lediglich die in der Oberseite 24 gebildeten Medienreservoire 4, nicht jedoch die jeweils zugeordneten, ebenfalls in der Oberseite 24 gebildeten Enden der Düsen dargestellt sind. Schließlich umfaßt die in Fig. 4 gezeigte Mikrodosiervorrichtung einen Antriebseinrichtung 40, die beispielsweise einen Aufbau aufweisen kann, wie er nachfolgend bezugnehmend auf Fig. 5 erläutert wird.
Mit dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kann gleichzeitig eine Mehrzahl von Mikrotröpfchen beispielsweise auf eine Mikrotiterplatte 32 aufgebracht werden, indem mittels der Antriebseinrichtung 40 gleichzeitig eine Mehrzahl von Fluidreservoiren 4 mit zugeordneten Düsen betätigt werden. Ferner ist, wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, der Dosierkopf 2 vorzugsweise einfach und automatisiert austauschbar, so daß zusammen mit der gleichen Antriebsein- richtung 40 unterschiedliche Dosierköpfe bzw. Dosierkopfsubstrate verwendet werden können, so lange die Außenabmessungen derselben übereinstimmen oder die Antriebseinrich- tung ausgelegt ist, um mit Dosierkopfsubstraten unterschiedlicher Außenabmessungen zusammenwirken zu können.
In Fig. 5 ist eine Querschnittansicht einer erfindungsgemä- ßen Mikrodosiervorrichtung mit einer Mehrzahl von Medienreservoiren 4, Düsen 6 und Verbindungskanälen 10, die in einem DosierkopfSubstrat 2 gebildet sind, gezeigt. Die Antriebseinrichtung umfaßt wiederum eine Druckkammer 12 mit einem entsprechenden Gehäuse 13. Das Gehäuse kann in geeig- neter Weise ausgestaltet sein, um eine Anbringung an dem DosierkopfSubstrat 2 zu ermöglichen, bzw. um die Verwendung eines austauschbaren Dosierkopfs 2 zu ermöglichen. In der Druckkammer 12 ist ein Diffusor 40 vorgesehen, der zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung des Drucks über sämtliche Reservoire 4 und Düsen 6 dient. Die hier gezeigte pneumatische Realisierung der Antriebseinheit umfaßt ferner schnell schaltende Ventile 42 und Druckluftzuleitungen 4.4 .
In der Druckkammer 12 kann durch die schnell schaltenden Ventile 42 mit hoher Dynamik ein Überdruck erzeugt werden, durch welchen eine treibende Kraft auf die Flüssigkeiten in dem Dosierkopf übertragen wird, d.h. gleichzeitig auf die in den Medienreservoiren 4 und den Düsen 6 befindlichen Flüssigkeiten .
In Fig. 6 ist eine Draufsicht eines Ausschnitts eines Dosierkopfs, der für eine parallele Abgabe von Reagenzien in eine 1536-er Mikrotiterplatte verwendet werden kann, gezeigt, wobei 24 Medienreservoire 4, Verbindungskanäle 10 und zugehörige Düsen 6 dargestellt sind. Um eine Dosierung in eine 1536-er Mikrotiterplatte zu ermöglichen, sind bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Dosierkopfsubstrats sowohl die Reservoire 4 als auch die Düsen 6 mit einem Rastermaß von a = 2,25 mm, d.h. in einem Raster von 2,25 x 2,25 mm, angeordnet. Ferner weisen die Verbindungskanäle 10a eine Form auf, wie sie nachfolgend bezugnehmend auf Fig. 9A erläutert wird. Es ist klar, daß erfindungsgemäß ein Mikrodosierkopf eine nahezu beliebige Anzahl von Medienreservoiren und Düsen aufweisen kann, wobei in Fig. 7 ein beispielhafter Dosierkopf mit 96 Medienreservoiren und zugeordneten Düsen mit beispielhaften Bemaßungen dargestellt ist.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß erfindungsgemäß nicht jeweils einer Düse ein Medienreservoir zugeordnet sein muß, sondern hier im wesentlichen Wahlfreiheit dahingehend be- steht, daß ein oder mehrere Medienreservoire vorgesehen sein können, die mit einer oder mehreren Düsen verbunden sein können, wobei ein jeweiliges Medienreservoir über mehrere Verbindungsleitungen mit einer Düse verbunden sein kann, ein Medienreservoir über mehrere Verbindungsleitungen mit mehreren Düsen verbunden sein kann, und eine Düse über mehrere Verbindungsleitungen mit mehreren Medienreservoiren verbunden sein können, wie später bezugnehmend auf die Fig. 10A bis 10D näher erläutert wird. Ferner können bei der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung sowohl die Reservoi- re als auch die Düsen in einem unterschiedlichen Raster angeordnet sein, so daß durch den Dosiervorgang eine Formatwandlung zwischen dem Format der Reservoire und dem des aufnehmenden Behältnisses erfolgt. Dadurch kann eine herkömmliche Pipettiereinrichtung zum Befüllen einer Mikroti- terplatte verwendet werden, selbst wenn die Pipettiereinrichtung ein anderes Rastermaß als die zu befüllende Mikrotiterplatte aufweist.
Bezugnehmend auf die Fig. 8A bis 8D werden nun beispielhaf- te Ausgestaltungen von in dem Dosierkopf einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung gebildeten Düsen erläutert. Die einfachste Ausgestaltung einer Düse 6a ist in Fig. 8A gezeigt, wobei die gesamte Düse aus einem einzigen Kanal mit konstantem Durchmesser besteht. Bei dieser Düse 6a kön- nen, je nach dem, auf welcher Höhe der Verbindungskanal 10 in die Düse 6a mündet und wie er dimensioniert ist, die Widerstände Rn und Ri2, die oben bezugnehmend auf Fig. 2 erläutert wurden, in gewissen Grenzen beeinflußt werden. Die in Fig. 8B gezeigte Düse 6 entspricht der oben bezugnehmend auf Fig. 1 erläuterten Düse, wobei durch die Unterteilung der Düse 6 in zwei Abschnitte unterschiedlichen Durchmessers oberhalb bzw. unterhalb des Einmündungspunktes des Verbindungskanals 10 aufgrund der Verwendung zweier Durchmesser und zweier Längen eine Variabilität erreicht wird, die eine separate Dimensionierung von Volumen, Strömungswiderstand und Haltevermögen der Düse erleichtert.
In Fig. 8C ist eine Düse 6b gezeigt, die in drei Abschnitte unterteilt ist. Eine solche Unterteilung kann unter Umständen von Vorteil sein, wenn nicht nur das Dosiervolumen, sondern auch die Form und/oder Dynamik des ausgestoßenen Strahls von Bedeutung sind.
Schließlich zeigt Fig. 8D eine konisch ausgebildete Düse 6c.
Hinsichtlich der Ausgestaltung der Düse bleibt abschließend festzustellen, daß es möglich ist, sowohl die Düsenausstoß- Öffnung als auch die derselben gegenüberliegende Öffnung und den Düsenkanal, der die Öffnungen verbindet, nicht kreisrund, sondern in beliebiger Form zu gestalten. Daneben kann der Durchmesser des Düsenkanals in anderer Weise als in den Fig. 8B bis 8D gezeigt tiefenabhängig variieren.
Verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten für den Verbindungskanal, der Innenreservoire und Düsen verbindet, sind in den Fig. 9A bis 9D gezeigt. Je nach Anwendung kann der Verbindungskanal dabei sowohl hinsichtlich seines Verlaufs als auch hinsichtlich seines Durchmessers angepaßt werden. In Fig. 9A ist ein Kanal 10a gezeigt, der zur Oberseite des Dosierkopfs hin offen ist. Ein solcher Kanal ist bei den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen eines Dosierkopfs verwendet. Diese Möglichkeit der Kanalgestaltung ermöglicht ebenfalls den Betrieb der Mikrodosiervorrichtung nach dem geschilderten Prinzip und besitzt Vorteile hin- sichtlich einer einfachen Fertigung sowie den Vorteil, daß Gaseinschlüsse in dem Verbindungskanal sehr einfach entweichen können .
Bei dem gezeigten Beispiel ist ein kreisrundes Reservoir 4 durch einen rechteckigen Verbindungskanal 10a mit der Düse 6 verbunden, wobei das Reservoir und der Verbindungskanal dieselbe Tiefe aufweisen, um eine Entleerung des Reservoirs bis auf den Grund zu gewährleisten.
Fig. 9B zeigt eine Schnittansicht eines DosierkopfSubstrats in der Ebene des Substrats. In dem gezeigten Abschnitt ist ein Medienreservoir 4 und eine Düse 6 zu erkennen, die über einen geschwungenen Kanal 10B miteinander verbunden sind. Neben dem in Fig. 9B gezeigten, nicht-geradlinigen Verlauf des Kanals 10B sind andere, beliebige Verläufe möglich, wobei insbesondere meanderförmige Verläufe verwendet werden können, um eine Erhöhung des Strömungswiderstands zwischen Medienreservoir und Düse zu realisieren.
Der Verbindungskanal zwischen Medienreservoir und Düse kann ferner beliebige Querschnitte aufweisen und muß nicht notwendigerweise rechteckig sein. Schließlich kann sich der Querschnitt im Verlauf des Kanals erweitern oder verengen, wobei auch beispielsweise zwei oder mehr Verbindungskanäle zwischen demselben Reservoir und derselben Düse angeordnet sein können.
Eine derartige Ausgestaltung ist in Fig. 9C gezeigt, bei der der Kanal durch drei Teilkanäle 10c gebildet ist. Darüber hinaus muß der Kanal nicht parallel zur Oberfläche des Dosierkopfs verlaufen, sondern kann innerhalb des Dosierkopfs einen beliebigen Verlauf aufweisen, wobei ein schräg verlaufender Kanal lOd in Fig. 9D gezeigt ist. Hinsichtlich des Kanals ist lediglich zu beachten, daß derselbe keine direkte Verbindung zur Unterseite des Dosierkopfs herstellt, sondern lediglich über die Düse. Darüber hinaus muß der Strömungswiderstand des Verbindungskanals größer sein als der Strömungswiderstand der Düse.
In den Fig. 10A bis 10D sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Anordnung der fluidischen Komponenten Medienreservoir, Verbindungskanal und Düse in dem Dosierkopf der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung dargestellt. Zunächst ist festzustellen, daß nicht alle in einem Dosierkopf angebrachten Elemente, beispielsweise Medienreservoire, die gleiche Dimension aufweisen müssen. Selbiges gilt für die Verbindungskanäle und Düsen. Insbesondere können Düsen, die unterschiedliche Volumina beinhalten, auf dem gleichen Dosierkopf untergebracht sein. Des weiteren bestehen Gestaltungsmöglichkeiten dahingehend, daß die Anzahl der Düsen und Reservoire nicht gleich sein muß, sondern daß jeweils mehrere Düsen mit einem oder mehreren Reservoiren verbunden sein können oder daß mehrere Reservoire mit einer oder mehreren Düsen verbunden sein können.
Fig. 10A zeigt schematisch einen Dosierkopfabschnitt, bei dem ein Medienreservoir 4 über vier Verbindungskanäle 10 mit vier Düsen 6 verbunden ist. Gemäß Fig. 10B sind zwei Medienreservoire 4 über jeweils einen Verbindungskanal 10 mit einer Düse 6 verbunden. Bei diesem Beispiel ist ein Mi- sehen von aus den beiden Reservoiren stammenden Flüssigkeiten 4 vor einem jeweiligen Dosiervorgang innerhalb der Düse 6 möglich. Daneben ist in einem Extremfall auch eine Anordnung möglich, bei der alle Düsen 6 aus einem einzigen Reservoir 4a befüllt werden, wie in Fig. IOC gezeigt ist.
Unabhängig davon, ob die Anzahl der Düsen und Reservoire übereinstimmt, kann in jedem Fall durch den Dosierkopf eine Formatwandlung erfolgen. Dies bedeutet, daß der Abstand der Düsen zueinander und der Abstand der Reservoire zueinander unterschiedlich sein kann. Ein Beispiel einer solchen Anordnung mit breiten Abständen zwischen Reservoiren 4 und engen Abständen zwischen Düsen 6 ist in Fig. 10D gezeigt, wobei bei diesem Beispiel jede Düse 6 über einen Verbin- dungskanal 10 mit einem zugeordneten Medienreservoir 4 verbunden ist.
In den Fig. 11A und 11B ist eine alternative Ausführungs- form einer Antriebseinrichtung, die erfindungsgemäß verwendet werden kann, dargestellt.
Wie den in den Fig. 11A und 11B gezeigten schematischen Teilquerschnittansichten zu entnehmen ist, weist der Do- sierkopf den oben bezugnehmend auf Fig. 9A beschriebenen Aufbau hinsichtlich Medienreservoir 4, Kanal 10a und Düse 6 auf. Im Unterschied zu den bezugnehmend auf die Fig. 1 und 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen wird nun jedoch die zur Dosierung notwendige Kraft mittels einer Systemflüssig- keit 46 auf die in dem Medienreservoir 4 und der Düse 6 befindliche zu dosierende Flüssigkeit ausgeübt. Dabei darf die Systemflüssigkeit 46 mit der zu dosierenden Flüssigkeit nicht mischbar sein und muß an der Oberfläche des Dosierkopfs eine negative Oberflächenenergie besitzen, d.h. sie darf nicht durch Kapillarkräfte in die Düse gezogen werden. Wie in den Fig. ILA und 11B gezeigt ist, ist ein Kolben 48 vorgesehen, um in Richtung des Pfeils 50 eine Kraft auf die Systemflüssigkeit 46 auszuüben. Alternativ kann ein beliebiger anderen Verdränger vorgesehen sein, durch den eine solche Kraft auf Medienreservoir und Düse ausübbar ist, daß in denselben ein im wesentlichen identischer Druckzustand erzeugt wird. Über die Systemflüssigkeit 46 wird die Kraft auf die zu dosierende Flüssigkeit ausgeübt, woraufhin der Dosiervorgang stattfindet. In Fig. 11B ist die Mikrodosier- Vorrichtung nach dem Ausstoß der gewünschten Flüssigkeitsmenge dargestellt, wobei diese Flüssigkeitsmenge durch das verdrängte Volumen bestimmt ist. Wie in Fig. 11B zu sehen ist, dringt die Systemflüssigkeit 46 nicht in die Düsenöffnung 22 ein und wird auch nicht durch Kapillarkräfte in dieselbe gezogen. Im Anschluß an das Ausstoßen der gewünschten Flüssigkeitsmenge wird der Verdränger bzw. Kolben 48 in die Ausgangsposition zurückgebracht, wobei die hydrophobe Systemflüssigkeit 46 durch Kapillarkräfte wieder aus der Düse verdrängt wird. Dadurch wird der ursprüngliche Zustand, wie er in Fig. ILA gezeigt ist, wiederhergestellt.
Wie aus den obigen Erläuterungen klar wird, ist erfindungs- gemäß das dosierte Volumen vom Volumen der Düse, entweder nur dem Düsenkanal oder dem Düsenkanal und der Düsenöffnung, bestimmt und ist im wesentlichen unabhängig von den Fluideigenschaften. Dabei ermöglicht die vorliegende Erfindung die exakte Abgabe von zum Beispiel ca. 50 nl in einem einzigen Dosiervorgang bei geeigneter Auslegung der Kanäle und Öffnungen.
Obwohl oben bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert wurden, ist es klar, daß wei- tere Modifikationen und Änderungen derselben möglich sind. Beispielsweise können alternative Antriebseinrichtungen verwendet werden, um eine treibende Kraft auf die Flüssigkeit aufzuprägen. Neben dem beschriebenen Aufbringen eines homogenen, pneumatischen oder hydraulischen Drucks im Be- reich der ersten Seite des Druckkopfs kann auch ein Unterdruck an der zweiten Seite des Dosierkopfs angelegt werden, um die Flüssigkeit aus der Düsenöffnung zu saugen. Wiederum alternativ kann eine Volumenverdrängung von Flüssigkeit auf der ersten Oberfläche des Druckkopfs erfolgen, wobei ein Beispiel einer solchen Volumenverdrängung durch das bezugnehmend auf die Fig. ILA und 11B beschriebene Ausführungsbeispiel unter Verwendung der Systemflüssigkeit 46 ist. Ferner können elektrostatische oder elektromagnetische Kräfte, die direkt auf die Flüssigkeit wirken, oder auch beliebige andere Kräfte, die direkt oder indirekt auf die Flüssigkeit wirken, verwendet werden. Die zum Betrieb der Mikrodosiervorrichtung benötigte Kraft kann auf elektromagnetischen Wege aufgebracht werden, falls die zu dosierende Flüssigkeit eine elektrische Ladung oder ein ausreichendes Dipolmoment besitzt. In einem solchen Fall kann durch Anlegen geeigneter elektromagnetischer Felder zwischen Dosierkopf und Aufnahmegefäß, d.h. in der Regel der Mikrotiterplatte, eine Kraft auf das Fluid in Richtung der Mikroti- terplatte ausgeübt werden. Der Dosiervorgang beginnt dann, sobald die elektromagnetische Kraft die Oberflächenkräfte an der Düsenöffnung überwindet.
Es bedarf keiner gesonderten Erwähnung, daß die mehreren Reservoire des erfindungsgemäß verwendeten Dosierkopfs mit identischen oder unterschiedlichen Flüssigkeiten befüllt werden können, so daß die gleichzeitige Abgabe gleicher oder unterschiedlicher Flüssigkeiten möglich ist. Ferner ist klar, daß die erfindungsgemäß verwendeten Dosierköpfe mit Hilfe beliebiger herkömmlicher Verfahren hergestellt werden können. Beispielsweise kann der Dosierkopf mikromechanisch aus Silizium gefertigt werden. Alternativ kommen andere bekannte Verfahren, wie Mikrospritzguß, Heißprägen oder solche Verfahren, bei denen einzelne Schichten geklebt oder laminiert werden, in Frage.
Die erfindungsgemäß Dosiervorrichtung kann entweder als Dosiervorrichtung für die Abgabe einer durch das geometrische Volumen des Düsenkanals vordefinierten Flüssigkeitsmenge betrieben werden, oder aber als Vorrichtung mit einem kleineren, aber variablen Volumen. Im ersten Fall wird die treibende Kraft, welche auf die Flüssigkeit wirkt, so lange aufrecht erhalten, bis die gesamte in der Düse enthaltene Flüssigkeitsmenge durch die Düsenöffnung ausgestoßen ist. Die Dosierung stoppt in diesem Fall von selbst, da aufgrund des verschwindenden Druckgradienten über den Verbindungska- nal keine Flüssigkeit nachgeliefert wird. Im zweiten Fall wird die durch die Antriebsvorrichtung aufgeprägte, trei- bende Kraft abgeschaltet, bevor die Flüssigkeit aus der Düse komplett ausgestoßen ist.
Die dosierte Fluidmenge kann also entweder durch die Bauform, nämlich durch das in der Düse befindliche Volumen, oder durch die Dauer und den Verlauf der durch die Antriebseinheit aufgebrachten treibenden Kraft gesteuert werden. Im ersten Fall ist die dosierte Flüssigkeitsmenge im wesentlichen unabhängig von den physikalischen Eigenschaf- ten der Flüssigkeit, wie z.B. Viskosität und Oberflächenspannung. Im zweiten Fall wird das dosierte Volumen von diesen Parametern beeinflußt. Es empfiehlt sich deshalb, im zuletzt genannten Fall eine Kalibrierung durchzuführen, um eine genaue Dosierung zu erreichen, da die Dosierung von verschiedenen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositäten unterschiedlich lange dauert. Diese unterschiedliche Dauer muß berücksichtigt werden, wenn nicht das gesamte Düsenvolumen ausdosiert wird, während sie von untergeordneter Bedeutung ist, wenn das gesamte Düsenvolumen ausdosiert wird, so daß der Dosiervorgang von alleine stoppt, sobald die gesamte Flüssigkeit entsprechenden dem vordefinierten Volumen ausgestoßen wurde .

Claims

Patentansprüche
1. Mikrodosiervorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einem Medienreservoir (4) zum Enthalten einer zu dosierenden Flüssigkeit (8) ;
einer Düse (6) , die über einen Verbindungskanal (10) mit dem Medienreservoir (4) verbunden ist und über den Verbindungskanal (10) mit der zu dosierenden Flüssigkeit (8) befullbar ist; und
einer Antriebseinrichtung zum Beaufschlagen einer in dem Medienreservoir (4) und der Düse (6) befindlichen Flüssigkeit (8) mit einer solchen Kraft bei einer Betätigung derselben, daß ein im wesentlichen identischer Druck auf die im Medienreservoir (4) und in der Düse (6) befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird,
wobei Strömungswiderstände des Verbindungskanals (10) und der Düse (6) derart ausgeführt sind, daß bei einer Betätigung der Antriebseinrichtung ein Volumenstrom in dem Verbindungskanal (10) klein im Vergleich zu einem Volumenstrom in der Düse (6), der einen Ausstoß der zu dosierenden Flüssigkeit (8) aus einer Ausstoßöffnung (22) der Düse (6) bewirkt, ist.
2. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Strömungswiderstand des Verbindungskanals (10) größer ist als der Strömungswiderstand der Düse (6) .
3. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Düse (6) einen Düsenkanal (20) aufweist, in den der Verbindungskanal (10) mündet, wobei der Strömungswi- derstand des Verbindungskanals (10) größer ist als der Strömungswiderstand des Düsenkanals (20) zwischen dem Punkt, an dem der Verbindungskanal (10) in den Düsenkanal (20) mündet, und einem Punkt, an dem die Flüs- sigkeit in dem Düsenkanal (20) mit der Kraft beaufschlagt wird.
4. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die einen Dosierkopf (2) aufweist, in dem das Medienreservoir (4) und die Düse (6) gebildet sind, wobei die Düse (6) einen Düsenkanal (20) mit einer Ausstoßöffnung (22) und einer Betätigungsöffnung aufweist, wobei das Medienreservoir (4) eine Medienreservoiröff- nung aufweist und wobei die Betätigungsöffnung und die Medienreservoiröffnung in der gleichen Oberfläche (24) des Dosierkopfs (2) gebildet sind.
5. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Antriebseinrichtung eine Druckerzeugungseinrichtung
(12, 13, 14) zum gleichzeitigen Ausüben eines im wesentlichen gleichmäßigen Drucks auf die Medienreservoiröffnung und die Betätigungsöffnung aufweist.
6. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Antriebseinrichtung eine mit einem Puffermedium be- füllbare Druckkammer (12) aufweist, wobei über das Puffermedium der Druck auf die Medienreservoiröffnung und die Betätigungsöffnung ausübbar ist.
7. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die eine Mehrzahl von Düsen und ein oder mehrere Medienreservoire aufweist, wobei die Antriebseinrichtung zum Betätigen der Mehrzahl von Düsen ausgelegt ist, wobei die Mehrzahl von Düsen mit einem oder mehreren Medienreservoiren über jeweils einen oder mehrere Verbindungskanäle fluidmäßig verbunden ist.
8. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die eine Mehrzahl von Medienreservoiren (4) und eine oder mehrere Düsen (6) aufweist, wobei jedes Medienreservoir über jeweils einen oder mehrere Verbin- dungskanäle mit einer oder mehreren Düsenöffnungen fluidmäßig verbunden ist .
9. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Mehrzahl von Düsen (6) und/oder die Mehrzahl von
Reservoiren (4) in einem Raster angeordnet sind, das dem Format einer Mikrotiterplatte (32) entspricht.
10. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 9, bei der eine Mehrzahl von Medienreservoiren (4) in einem ersten Raster angeordnet ist, und bei der eine Mehrzahl von Düsen (6) in einem zweiten Raster angeordnet ist, so daß zwischen Medienreservoiren und Düsen eine Formatumwandlung stattfindet.
11. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Düse (6) und der Verbindungskanal (10) derart ausgelegt sind, daß ohne Betätigung der Antriebseinrichtung eine Befüllung der Düse (6) aufgrund von Kapillarkräften aus dem Medienreservoir (4) über den Verbindungskanal (10) stattfindet.
12. Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen, mit folgenden Schritten:
Befüllen zumindest einer Düse (6) über einen Verbindungskanal (10), der die Düse mit einem Medienreservoir (4) fluidmäßig verbindet, mit einer zu dosierenden Flüssigkeit (8) aus dem Medienreservoir (4) ;
Beaufschlagen der in dem Medienreservoir (4) und der Düse (6) befindlichen Flüssigkeit (8) mit einer solchen Kraft, daß ein im wesentlichen identischer Druck auf die im Medienreservoir (4) und in der Düse (6) be- findliche Flüssigkeit (8) ausgeübt wird,
so daß aufgrund einer Ausführung von Strömungswiderständen des Verbindungskanals (10) und der Düse (6) der Volumenstrom in dem Verbindungskanal (10) klein im
Vergleich zum Volumenstrom der Flüssigkeit in der Düse
(6) ist, um dadurch eine Menge der zu dosierenden
Flüssigkeit aus einer Ausstoßöffnung (22) der Düse auszustoßen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Befüllens einen Schritt des Befüllens der Düse (6) aufgrund von Kapillarkräften in dem Verbindungskanal (10) und der Düse (6) aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Schritt des Beaufschlagens der in dem Medienreservoir
(4) und der Düse (6) befindlichen Flüssigkeit mit ei- ner Kraft den Schritt des gleichzeitigen Anlegens eines im wesentlichen gleichen Drucks an Öffnungen des Medienreservoirs und der Düse aufweist.
15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Schritt des Beaufschlagens der in dem Medienreservoir
(4) und der Düse (6) befindlichen Flüssigkeit mit einer Kraft das Bewirken einer Volume Verdrängung an Öffnungen des Medienreservoirs und der Düse aufweist.
16. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Schritt des Beaufschlagens der in dem Medienreservoir (4) und der Düse (6) befindlichen Flüssigkeit mit einer Kraft das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes aufweist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem der Schritt des Befüllens das Befüllen einer Mehrzahl von Düsen (6) mit unterschiedlichen Flüssigkeiten aus einer Mehrzahl von Medienreservoiren (4) aufweist, und bei dem der Schritt des Beaufschlagens einen Schritt des Beaufschlagens der Mehrzahl von Düsen (6) und der Mehrzahl von Medienreservoiren (4) gleichzeitig mit der Kraft aufweist, so daß gleichzeitig unterschiedli- che Flüssigkeiten durch die Düsen (6) ausgestoßen werden.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10257004A1 (de) * 2002-12-06 2004-06-17 Steag Microparts Gmbh Vorrichtung zur parallelen Dosierung von Flüssigkeiten
US20050233472A1 (en) * 2003-09-19 2005-10-20 Kao H P Spotting high density plate using a banded format
US20050226771A1 (en) * 2003-09-19 2005-10-13 Lehto Dennis A High speed microplate transfer
DE102004006453B4 (de) * 2004-02-05 2007-03-29 Ing. Erich Pfeiffer Gmbh Dosiervorrichtung
DE102004006452B4 (de) 2004-02-05 2006-04-20 Ing. Erich Pfeiffer Gmbh Mikrodosiervorrichtung
EP1715954A1 (de) 2004-02-18 2006-11-02 Applera Corporation Mehrstufige biotests auf modularen mikrofluidanwendungsplattformen
DE102006047658B4 (de) * 2006-09-29 2009-03-19 Ing. Erich Pfeiffer Gmbh Mikrodosiervorrichtung für ein flüssiges Medium
DE102007023014A1 (de) * 2007-05-15 2008-11-27 Kba-Metronic Ag Verfahren und System zur Dosierung und zum Aufbringen einer Reagenzflüssigkeit
CN109991035B (zh) * 2017-12-29 2021-12-24 台达电子工业股份有限公司 微量取样装置
CN111617812B (zh) * 2019-10-17 2021-12-03 北京京东方健康科技有限公司 微流控基板及其流体驱动方法、微流控装置

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4537231A (en) * 1983-08-29 1985-08-27 Becton, Dickinson And Company Dispenser apparatus for simultaneously dispensing predetermined equal volumes of liquid including a disposable dispenser module
JPH04232752A (ja) * 1990-06-24 1992-08-21 Lexmark Internatl Inc インクジエツト・プリントヘツド及びインクジエツトのプリント方法
DE9011816U1 (de) * 1990-08-14 1990-10-18 Siemens AG, 8000 München Tintendruckkopf für Tintendruckeinrichtungen mit einer Rückflußbremse im Tintenversorgungssystem
US5593290A (en) * 1994-12-22 1997-01-14 Eastman Kodak Company Micro dispensing positive displacement pump
US5943079A (en) * 1995-11-20 1999-08-24 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Ink jet head
DE19648694C1 (de) * 1996-11-25 1998-04-30 Vermes Mikrotechnik Gmbh Bidirektionale dynamische Mikropumpe
DE19706513C2 (de) * 1997-02-19 1999-06-17 Hahn Schickard Ges Mikrodosiervorrichtung und Verfahren zum Betreiben derselben
US5957167A (en) * 1997-12-18 1999-09-28 Pharmacopeia, Inc. Article for dispensing small volumes of liquid
DE19802368C1 (de) * 1998-01-22 1999-08-05 Hahn Schickard Ges Mikrodosiervorrichtung
WO1999052625A2 (de) * 1998-04-09 1999-10-21 Institut für Diagnostikforschung GmbH an der Freien Universität Berlin Verfahren und vorrichtung zur anfertigung von synthese- oder analysereihen
DE19913076A1 (de) * 1999-03-23 2000-10-19 Hahn Schickard Ges Vorrichtung und Verfahren zum Aufbringen von Mikrotröpfchen auf ein Substrat
DE19917029C2 (de) 1999-04-15 2001-08-09 Inst Mikrotechnik Mainz Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur dosierten Ausgabe von Flüssigkeitsmengen im Bereich von 0,1 nl bis 100 mul
JP4399072B2 (ja) * 1999-12-03 2010-01-13 ノードソン株式会社 液状物の吐出装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO02057015A2 *

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