EP1351766B1 - Device and method for dosing small amounts of liquid - Google Patents
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- EP1351766B1 EP1351766B1 EP02702254A EP02702254A EP1351766B1 EP 1351766 B1 EP1351766 B1 EP 1351766B1 EP 02702254 A EP02702254 A EP 02702254A EP 02702254 A EP02702254 A EP 02702254A EP 1351766 B1 EP1351766 B1 EP 1351766B1
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Definitions
- the present invention relates to devices and method for dosing small amounts of liquid, and in particular to such devices and methods which for simultaneous, precise dosing of small or smallest amounts of liquid from several parallel channels are suitable.
- the precise dosage of fluid quantities is among other things in pharmaceutical and biotechnology research, For example, genomics, the high-throughput screening, combinatorial chemistry and the like, from significant importance. Such a dosage is for example necessary to use so-called microtiter plates (in English well-plate) with reagents.
- microtiter plates in English well-plate
- reagents for example necessary to use so-called microtiter plates (in English well-plate) with reagents.
- microtiter plates in English well-plate
- Devices and methods are known, of which the most common Air cushion pipettes, piston displacement pipettes with Valve control, piezoelectric pipettes and needle pipettes are.
- the devices mentioned are single-channel designed. You can partly but also in the grid too be arranged parallel channels.
- the highest reached Degree of parallelization currently stands at 384 channels some commercially available dosing volume devices above 0.5 ⁇ l.
- Known microdosing devices are disclosed in DE-A-19706513 and DE-A-19802368. These known devices are based on a functional principle in which a Acceleration to a liquid to be dosed within a pressure chamber is applied by a displacer.
- the pressure chamber has a fluid connection to an outlet opening and to a fluid reservoir.
- Actuating the displacement in these known devices a movement of the liquid through both the outlet opening as well as back into the reservoir.
- From DE-A-19913076 is a microdosing device known, through which a plurality of microdroplets on a Substrate can be applied, where there is an entire dosing is applied with an acceleration.
- This acceleration of the entire dosing head is inertia a relative acceleration between contained Fluid and dosing reached such that droplets ejected from respective nozzle openings of the dosing become.
- WO 00/62932 discloses methods and devices for metered dispensing of the smallest quantities of liquid, where discharge amounts in a range of 0.1 nl to 100 ul are called.
- capillary used to the at least one gas line connected via an outlet point is.
- a gas shock in the Gas line introduced so that in the capillary located between the opening point and the outlet opening Amount of liquid dosed out of the outlet opening becomes.
- This document also mentions the possibility the creation of a pipetting array using a Plurality of metering devices as described above are. Also in the dosing devices described in this document there is a reflux in the reservoir or in worst case may be air bubbles in the reservoir line ascend and clog those.
- a plate which has a plurality has the same penetrating recesses.
- the recesses have to a surface of the plate towards a large opening and to the opposite surface towards a small nozzle opening.
- Another metering device is known from WO 99/36176, the one liquid reservoir and one with the Liquid reservoir fluidly connected channel has.
- opposite channel walls of the channel are Formed openings, so that by applying a pressure on one of the openings located between the openings Liquid can be dispensed.
- US-A-5943079 discloses an ink jet printhead known, in which in a printhead a nozzle, a reservoir area and a nozzle connecting the reservoir and the reservoir area Cavity are structured. Adjacent to the Cavity is provided a piezoelectric plate, wherein by applying a pressure signal, a vibrating part of the piezoelectric Plate can be vibrated, so that a pressure wave occurs in the cavity. If the Pressure wave reaches a nozzle opening of the nozzle is thereby causes an ink ejection.
- the reservoir area is further by a membrane-like structure of a damping chamber separated, which has a vent.
- the object of the present invention is to devices and method for dosing small amounts of liquid to create a simple structure of a Microdosing device and also a simultaneous, precise dosage of small amounts of liquid allow multiple parallel channels.
- the operating principle of the microdosing device according to the invention and the dosing method of the invention small amounts of liquid is based on two points, for a simultaneous application of reservoir and Nozzle or nozzle channel with a force, so that a substantially the same pressure on them, and on the other hand a sufficient separation of the reservoir and the nozzle from each other through the connecting channel.
- Such Separation is more effective the higher the fluidic Resistance of the connection channel in relation to the fluidic Resistance of the nozzle channel is. Due to the fluidic Separation according to the invention is the maximum in the nozzle contained volumes, wherein after the dosing this volume of dosing automatically stops.
- the reservoir, the nozzle and the connecting channel are according to the invention preferably formed in a dosing head, wherein such a dosing preferably a plurality of Reservoirs, nozzles and connecting channels may have.
- a driving force on the entire imprinted liquid contained in the dosing head i. either the reservoir as well as the nozzle will be with the force applied. Therefore, and because of the fact that the pressure gradient via the connecting line is negligible, takes place According to the invention, no backflow into the reservoir.
- Both the reservoirs and the jets are in a grid arranged in the format of a microtiter plate equivalent. Furthermore, the reservoirs and the nozzles be arranged in a different grid, so that by a dosing a format conversion between the format of the reservoirs and that of the recipient Container, usually a microtiter plate, takes place.
- the used in the microdosing device according to the invention Dosing head can in a conventional known manner manufactured using micromechanical methods be made of, for example, silicon or plastic, for example, using an injection molding technique.
- the drive means from a pneumatic or hydraulic Drive unit having a pressure chamber, the fast with a gas or a liquid as a buffer medium can be filled to the required force to apply the reservoirs and nozzles.
- the reservoirs and the discharge end of the nozzles opposite end thereof formed in a surface of the dosing are preferably the reservoirs and the the discharge end of the nozzles opposite end thereof formed in a surface of the dosing, so that the entire first side of the dosing head or dosing head substrate can be charged with the driving force, only those in the nozzle, i. the nozzle channel and the nozzle opening, contained liquid is discharged and the metering process stops automatically as soon as it contains Liquid was discharged.
- This principle allows it, on a spatial separation of the areas in which the nozzles or reservoirs are arranged to dispense, resulting in significantly higher integration densities can be considered as having devices that are driving Force only on the back nozzle areas, not however acts on the reservoirs.
- the present invention thus provides devices and Processes with which liquids highly parallel, for example can be dispensed into a microtiter plate. Consequently the microdosing device according to the invention has a simple structure and still allows exact dosage, even in the realization of a highly integrated Dosing in which, for example, using 1536 nozzles should be dosed in parallel. According to the invention can such an exact dosage without the use of active or passive valves, as according to the state of Technique to be used partially, as both reservoir as well as nozzles are subjected to the force and the connection channel between them accordingly is designed.
- the present invention thus constitutes an essential one Improvement of dosing technology in the nanoliter range, the one highly parallel and therefore much faster metering of reagents in microtiter plates.
- the present invention allows a high degree of parallelization and integration density, for example 96, 384, 1536 or more doses simultaneously at a Pitch of 9.0 mm, 4.5 mm, 2.25 mm or less performed can be.
- the present allows Invention also adapt to formats outside the standard for microtiter plates.
- the present invention an extremely high accuracy of the dosage, the error in the dosing volume at typical Dosage amounts from 50 nl to 100 nl less than 5 nl.
- the non-contact delivery in the free jet is also a Carryover of media excluded.
- the device reformatations are carried out in parallel, for example, from a 384 format to a 1536 format.
- the present invention allows storage of Media in the dosing head, so that the step of the transfer from the storage unit that currently is typically a 96-well microtiter plate, for Dosing machines, which are currently arranged in parallel Air cushion pipettes or the like is, saved can be.
- dosed Volume largely independent of the physical Properties of the fluids used.
- the present Invention also enables the construction of a microdosing device, in which the dosing easily exchanged is, so that the drive means, in the Usually more complicated than the dosing itself, for a Variety of different dosing heads are used can. This is particularly advantageous that the entire first surface of the dosing head with the force is applied, so that here also at different Arrangement of reservoirs and nozzles in different Dosing heads no adjustment is necessary.
- microtiter plates comprise, as stated above, a variety of reservoirs, such as 96, 384, 1536 or more, where the pitches of the reservoirs corresponding to 9 mm, 4.5 mm, 2.25 mm, etc.
- the volume of the Reservoirs approximately 100 ⁇ l, 20 ⁇ l, 4 ⁇ l, etc. In these reservoirs become chemical or biochemical reactions carried out and analyzed the reaction products.
- the possibility for precise filling of microtiter plates with given quantities of liquid is therefore an indispensable Prerequisite for carrying out quantitative analyzes when using the smallest amounts of liquid, the present Invention just this option advantageous offers.
- microtiter plate In addition to the precise filling of the microtiter plate is also a fast, preferably simultaneous metered addition of reagents in all reservoirs of interest, as in general a high number of reactions in a microtiter plate be carried out simultaneously. It is advantageous when the entire process of filling and analysis The results can be automated so that per day several hundred microtiter plates can be processed and carried out a few thousand to one hundred thousand reactions can be.
- the present Invention due to their property of massively parallel and high-precision dosing of smallest fluid quantities in a special way, especially for the delivery of a Variety of different liquids in the different Reservoir of a microtiter plate.
- FIG. 1 shows a detail of a dosing head 2, the part of an embodiment of an inventive Microdosing is.
- the microdosing device further comprises a drive device, which in the in Fig. 1 illustrated embodiment, a pressure chamber 12, a housing 13 for the pressure chamber 12 and a device 14 for pressurizing the pressure chamber having.
- the device 14 may be a conventional pump or a compressed air valve with a corresponding supply line be to the pressure chamber 12.
- a vent 16 for Venting the pressure chamber 12 is provided.
- the pressure generating device 14 and the vent 16 are connected to a control device 18 which controls the same, to eject droplets from the nozzle 6.
- the nozzle shown there 6 a nozzle channel 20 and a nozzle opening 22, wherein the nozzle channel 20 has a larger cross section than the Nozzle opening 22 has.
- the nozzle opening 22 opposite Opening of the nozzle channel can as an operating opening be designated.
- the nozzle opening 22 is dimensioned in such a way that the surface tension of the liquid the nozzle opening 22 a leakage of the same in the idle state prevented.
- the nozzle channel 20 is designed so that he completely filled with fluid due to the capillary force is.
- the media reservoir 4 is on a first one Side of the dosing head 2, i. in a first Surface of the same formed, whereas the liquid delivery through the nozzle opening 22 on the opposite second side of the dosing.
- the herein as a nozzle designated unit is through the nozzle channel 20 and the Düsenausdorf réelle 22 formed and provides a fluid Connection between the first surface 24 and the second opposite surface 26 of the dosing 2.
- the connecting channel 10 connects the media reservoir 4 and the nozzle 6 in the embodiment shown in Fig. 1 at an orifice portion 28 in the lower region of the nozzle channel 20th
- FIG. 2 shows a network model of the dosing head shown in FIG. 1, where P A denotes the pressure difference between the upper side 24 and lower side 26 of the dosing head 2, which is generated by the force applied by the drive device 12, 13, 14. 2, the resistance R 2 represents the flow resistance of the connecting channel 10.
- P A denotes the pressure difference between the upper side 24 and lower side 26 of the dosing head 2, which is generated by the force applied by the drive device 12, 13, 14. 2
- the resistance R 2 represents the flow resistance of the connecting channel 10.
- he nozzle channel (22) can be divided into three sections, each of which a flow resistance can be assigned.
- the flow resistance R 11 is assigned to the section of the nozzle channel between the first side 24 of the dosing head 2 and the point of the junction of the connecting channel 10.
- the flow resistance R 12 of the nozzle channel is assigned to the portion between the point of the junction of the connecting channel 10 in the nozzle channel 20 and the nozzle opening 22.
- the flow resistance of the connecting channel 10 and the nozzle i. of the nozzle channel 20 and the nozzle opening 22, designed such that upon application one located in the media reservoir and the nozzle Liquid 8 with such a force that a substantially identical pressure on those in the media reservoir and the In the nozzle located liquid is applied, a volume flow in the connection channel 10 small compared to a volume flow in the nozzle 6 is.
- an exact dosage can be achieved if the flow resistance R 2 of the connection channel is made significantly larger than the total resistance of the nozzle channel.
- the connecting channel 10 at a distance from the first side 24 opens into the nozzle channel 20 so that a resistance R 11 can be defined already fulfilling the condition R 2 >> R 11 leads to a sufficiently good result.
- the greater the difference in resistance the greater the bandwidth of the different liquids which can be metered with sufficient accuracy using a corresponding metering device.
- the metered volume depends on the ratio of the two resistors. If one selects R 2 / R 11 ⁇ 10, then the dosed volume corresponds to the liquid volume contained in the nozzle with a systematic deviation of maximally 10%. This deviation is due to the fact that due to the pressure drop across the flow resistance R 11 at the junction of the connecting channel in the nozzle, a lower pressure prevails than on the top, ie the first side of the dosing or in the reservoir. This results in a pressure difference across the connecting channel, the size of which depends on the ratio of the flow resistances R 2 and R 11 , wherein an additional volume flow in the connecting channel is induced in the direction of the nozzle opening by this pressure difference.
- This volume flow or flow also contributes to the metered volume.
- the exact height of this systematic deviation depends on the details of the specific design of the connecting channel and nozzle channel. The deviation can be minimized by skillful, geometric design of the channels, in particular at their confluence. However, 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 R 11 / R 2 upwards. Due to the additional flow through the connecting channel, the dosing volume thus increases to a maximum of the (1 + R 11 / R 2 ) times the volume of the nozzle channel.
- the ratio of the flow resistances does not depend on the fluid's fluid properties, the accuracy and serviceability of the metering device is not affected.
- the exact ratio of the flow resistances is therefore not essential as long as R 11 ⁇ R 2 .
- the ratio of the flow resistances causes a systematic error, which can be compensated in the preparation of the metering devices.
- it does not cause a statistical error that would affect the reproducibility of the metering device.
- R 11 / R 2 as small as possible or R 2 / R 11 as large as possible, for example R 2 / R 11 > 100. This leads to excellent fluidic decoupling of nozzle and reservoir during a dosing process and the metered volume corresponds to the nozzle volume with a maximum deviation of 1%.
- FIG. 3A shows a generalized network model showing a microdosing device according to the invention, wherein in FIG. 3A the resistance R K represents the fluidic resistance of the connection channel between nozzle and reservoir, while the flow resistance R D represents the flow resistance of the entire nozzle consisting of the Resistance of the nozzle channel and the resistance of the nozzle opening represents.
- P A denotes the static or dynamic pressure generated by the respective drive unit.
- the resistance R K is to be chosen large in comparison to the flow resistance R D.
- the ratio of flow resistances to be chosen on an individual basis depends on the liquid to be dosed, again finding that the greater the difference in resistance, the greater the range of liquids that can be dosed with the same dosing device ,
- the present invention ensures that there is no backflow through the communication passage.
- Such reflux is the case with known metering systems, as described, for example, in the abovementioned publications DE-A-19706513, DE-A-19802368 or WO 00/62932.
- a network model as it applies to the metering devices shown in the above references is shown in Figure 3B. It can be seen that there is a backflow into the reservoir in any case at a pressurization PA, wherein the ratio of metered liquid flows back to the liquid flowing back into the reservoir of the ratio of the flow resistance R D and R K.
- the dosing head 2 which is usually a plurality of Reservoirs and nozzles, wherein in Fig. 1 because of sectional representation only a reservoir 4 and a nozzle 6 are shown, is first with the or filled with the liquids to be dispensed. This happens, by using, for example, commercially available pipetting machines the fluids in the reservoir (s) 4 are filled.
- the nozzle and nozzle opening 22 is dimensioned such that leakage of the liquid from the nozzle both on page 24 and on page 26 through the Surface tension of the same at rest prevented is.
- the dosing is 2 with a Drive unit connected, as shown in Fig. 1 schematically by the elements designated by the reference numerals 12 and 14 is shown.
- a Drive unit connected, as shown in Fig. 1 schematically by the elements designated by the reference numerals 12 and 14 is shown.
- the pressure generator 14 for example by opening corresponding Pneumatic valves, then in the pressure chamber 12th produces an overpressure that is even on the entire first Side of the dosing acts, i. the media reservoir 4 and the nozzle 6 are from the first side with a in essentially the same pressure applied.
- the pressure chamber 12 prevailing overpressure is on the Liquid 8 in the dosing 2 exerted a force.
- the liquid begins to flow out through the nozzle opening 22.
- An afterglow of liquid from the reservoir 4 is hereby largely prevented, provided that the pressure difference between the two ends of the connecting channel 10 negligible or reproducible, which is the case when the Flow resistance of the connecting channel 10 and the nozzle channel designed according to the above explanations are.
- the amount is a fluid flowing from the reservoir reproducible, even if the ratio of flow resistance of connecting duct and nozzle not big enough is to substantially prevent such after-flow.
- the liquid in the connecting channel remains substantially at rest, while liquid is ejected from the nozzle channel 20 through the nozzle opening 22.
- the whole in the nozzle amount of liquid through the nozzle opening 22nd are discharged, without that in the connecting channel moving liquid moves.
- the metered Liquid quantity determined exactly by the geometry of the nozzle. The dosage of the liquid stops from even if the nozzle is completely empty.
- a fluid volume equal to the total volume of the nozzle 6, are metered out of the nozzle opening 6.
- the initial state after switching off the drive device alternatively restored by two options become.
- a venting of the pressure chamber take place, for example, by that shown in Fig. 1 Valve 16.
- the pressure generating device using so-called 3/2-way pneumatic valves be designed to actively aerate to allow the pressure chamber by switching the valves.
- the drive unit is pure switching valves, i. 2/2-way pneumatic valves, may be after switching off the pressure supply the overpressure caused by a gas flow through the Remove the nozzles.
- the nozzle opening In the microdosing device according to the invention, it is to a clean break of the exiting liquid column the nozzle opening to achieve, advantageously, a sufficient to generate high pressure amplitude in the pressure chamber whose temporal change beyond beneficial within should be done in a very short time, so that a high dynamic the pressure change is achieved. Furthermore, it is in the design the dosing head and the drive unit favorable, when the liquid discharge within a short time, for example 10 milliseconds, completed while the fluid lines for the refills by capillary forces be designed so that this process very much slower, for example within 100 milliseconds. Thus, both effects are superimposed only insignificantly and the precision of the dosing volume is determined by the Capillary refilling not falsified.
- Fig. 4 is a schematic representation of an inventive Microdosing shown to the simultaneous application of microdroplets to appropriate Places 30 of a microtiter plate 32, which is a conventional Grid of reservoirs 30 may have, suitable is.
- the dosing head 2 the microdosing in the top 24 thereof a plurality of media reservoirs 4.
- the in Fig. 4 shown microdosing a drive device 40 for example, have a structure can, as explained below with reference to FIG. 5 becomes.
- Fig. 4 can simultaneously a plurality of microdroplets, for example be applied to a microtiter plate 32 by at the same time a plurality by means of the drive means 40 actuated by fluid reservoirs 4 with associated nozzles become.
- the dosing 2 preferably easily and automatically exchangeable, so that together with the same drive means 40 different dosing heads or dosing head substrates can be used as long as the outside dimensions the same match or the drive device is designed to be different with dosing head substrates Exterior dimensions cooperate.
- Fig. 5 is a cross-sectional view of an inventive Microdosing device with a plurality of media reservoirs 4, nozzles 6 and connecting channels 10, which in one Dosierkopfsubstrat 2 are formed shown.
- the drive device in turn includes a pressure chamber 12 with a corresponding housing 13.
- the housing can in suitable Be configured to attach to the To enable dosing head substrate 2, or the use allow a replaceable dosing 2.
- a diffuser 40 is provided for securing a uniform distribution of pressure over all reservoirs 4 and nozzles 6 are used.
- the one shown here pneumatic realization of the drive unit further comprises fast switching valves 42 and compressed air supply lines 44.
- Valves 42 are produced with high dynamics overpressure, through which a driving force on the fluids in is transferred to the dosing head, i. at the same time on the located in the media reservoirs 4 and the nozzles 6 Liquids.
- FIG. 6 is a plan view of a section of a dosing head, for parallel delivery of reagents in a 1536 microtiter plate can be used, shown wherein 24 media reservoirs 4, connection channels 10 and associated nozzles 6 are shown.
- the connection channels 10a has a shape as referred to below is explained on Fig. 9A.
- each one nozzle must be assigned a media reservoir, but here essentially freedom of choice exists that one or more media reservoirs provided can be connected to one or more nozzles can be, with a respective media reservoir over several Connecting lines to be connected to a nozzle can, a media reservoir over several connecting lines can be connected to multiple nozzles, and a nozzle over several connecting lines with several media reservoirs may be connected, as later with reference to FIGS. 10A to 10D will be explained in more detail.
- both the reservoirs as well as the nozzles arranged in a different grid be, so that by the dosing a format conversion between the format of the reservoirs and that of the receiving container takes place.
- This can be a conventional Pipetting device for filling a microtiter plate be used even if the pipetting device a different grid than the microtiter plate to be filled having.
- 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, where the entire nozzle consists of a single channel of constant diameter.
- the resistors R 11 and R 12 which have been explained above with reference to FIG. 2, can be influenced within certain limits ,
- the nozzle 6 shown in Fig. 8B corresponds to the above with reference 1 illustrated nozzle, wherein by the subdivision the nozzle 6 in two sections different Diameter above or below the confluence point of the connection channel 10 due to the use of two Diameter and two lengths reached a variability which is a separate sizing of volume, flow resistance and holding capacity of the nozzle easier.
- a nozzle 6b is shown, which is divided into three sections is divided. Such a subdivision may under circumstances be advantageous if not only the dosing volume, but also the shape and / or dynamics of the ejected Beam are of importance.
- Fig. 8D shows a conical nozzle 6c.
- the diameter of the nozzle channel may be different than vary as a function of depth in FIGS. 8B to 8D.
- FIG. 9A shows a channel 10a which is at the top of the Dosing head is open.
- FIGS. 6 and 7 show embodiments of a dosing head used.
- This possibility of channel design allows also the operation of the microdosing according to the described principle and has advantages in terms a simple production and the advantage that Gas inclusions easily escape in the connecting channel can.
- 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 to recognize the over a curved channel 10B are interconnected.
- any gradients possible, where in particular meandering courses are used can increase the flow resistance between Media reservoir and nozzle to realize.
- the connecting channel between the media reservoir and nozzle can furthermore have any cross sections and does not necessarily have be rectangular.
- the Expand or contract the cross-section in the course of the channel also including, for example, two or more connection channels arranged between the same reservoir and the same nozzle could be.
- Fig. 9C Such a configuration is shown in Fig. 9C, at the channel is formed by three subchannels 10c. About that In addition, the channel does not have to be parallel to the surface of the Dosing head run, but can within the dosing have any course, with an oblique extending channel 10d is shown in Fig. 9D. Regarding of the channel is only to be noted that the same no establishes a direct connection to the bottom of the dosing head, but only over the nozzle. In addition, must the flow resistance of the connecting channel be greater as the flow resistance of the nozzle.
- Figs. 10A to 10D are different possibilities for arranging the fluidic components of the media reservoir, Connecting channel and nozzle in the dosing of the invention Microdosing represented.
- First is determine that not all mounted in a dosing Elements, such as media reservoirs, that must have the same dimension. The same applies to the Connecting channels and nozzles.
- nozzles that contain different volumes on the same dosing head be housed.
- Fig. 10A shows schematically a Dosierkopfab mustard, at a media reservoir 4 via four connecting channels 10th is connected to four nozzles 6.
- Fig. 10B there are two Media reservoir 4 via a respective connecting channel 10th connected to a nozzle 6.
- Fig. 10C an arrangement possible, in which all nozzles 6 from a single reservoir 4a, as shown in Fig. 10C.
- each nozzle 6 is connected via a connection channel 10 connected to an associated media reservoir 4 is.
- a drive device used in the invention can be represented.
- a piston 48 is provided to force in the direction of arrow 50 on the System liquid 46 exercise.
- any one Other displacer be provided by the one such force on media reservoir and nozzle is exercisable that in them a substantially identical pressure condition is produced.
- About the system fluid 46 is the force exerted on the liquid to be dosed, whereupon the Dosing takes place.
- Fig. 11B is the microdosing device after the discharge of the desired amount of liquid represented, wherein this amount of liquid through the displaced volume is determined.
- the system liquid 46 does not penetrate into the nozzle opening 22 and is not affected by capillary forces in pulled the same.
- the metered volume from the volume of the nozzle either only the nozzle channel or the nozzle channel and the nozzle opening, determined and is essentially independent of the Fluid properties.
- the present invention allows the exact delivery of, for example, about 50 nl in one single dosing with a suitable design of the channels and openings.
- the several Reservoirs of the dosing head used in the invention filled with identical or different liquids can be so that the simultaneous delivery of the same or different liquids is possible.
- the dosing heads used according to the invention produced by any conventional method can be.
- the dosing head micromechanical be made of silicon.
- the dosing head micromechanical be made of silicon.
- other known methods such as micro injection molding, hot stamping or those methods where individual layers are glued or laminated, in question.
- the metering device according to the invention can be used either as a metering device for the delivery of a through the geometric Volume of the nozzle channel predefined amount of liquid operated, or as a device with a smaller, but variable volume.
- the driving force which acts on the liquid, so long maintained until the entire contained in the nozzle Amount of liquid is ejected through the nozzle opening.
- the dosage stops in this case by itself, because due the vanishing pressure gradient across the connection channel no liquid is supplied.
- driving Force off before the liquid from the nozzle completely ejected.
- the metered amount of fluid can therefore either by the design, namely by the volume in the nozzle, or by the duration and the course of the drive unit be applied applied driving force.
- the metered amount of liquid in essential regardless of the physical properties the liquid, e.g. Viscosity and surface tension.
- the metered volume of affected by these parameters It is therefore recommended in the last case to perform a calibration to to achieve an exact dosage, since the dosage of different liquids with different viscosities takes different lengths.
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Abstract
Description
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.The present invention relates to devices and method for dosing small amounts of liquid, and in particular to such devices and methods which for simultaneous, precise dosing of small or smallest amounts of liquid from several parallel channels are suitable.
Die präzise Dosierung von Flüssigkeitsmengen ist unter anderem 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 Englischen 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 Nadelpipetten sind. Typischerweise sind die genannten Geräte einkanalig 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.The precise dosage of fluid quantities is among other things in pharmaceutical and biotechnology research, For example, genomics, the high-throughput screening, combinatorial chemistry and the like, from significant importance. Such a dosage is for example necessary to use so-called microtiter plates (in English well-plate) with reagents. To such a Filling are currently different Devices and methods are known, of which the most common Air cushion pipettes, piston displacement pipettes with Valve control, piezoelectric pipettes and needle pipettes are. Typically, the devices mentioned are single-channel designed. You can partly but also in the grid too be arranged parallel channels. The highest reached Degree of parallelization currently stands at 384 channels some commercially available dosing volume devices above 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 Schwierigkeiten 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 Dosierbereich 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 werden, 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.When applying the above principles or devices for filling of microtiter plates but often occur one or more of the difficulties mentioned below on. Usually dosing volumes smaller than 500 nl are not delivered. This is especially true on air cushion pipettes too. In addition, the Accuracy of all available devices in the lower dosing range only insufficient, the error typically over 10%. Furthermore, with the common devices a high integration density, for example grid dimensions of less than 4.5 mm, can not be achieved due to the design, so that sometimes a serial processing done got to. Only with needle pipettes can also grid dimensions of 2.25 mm can be achieved. If the dosage is not in free jet takes place, e.g. with needle pipettes, can carryover or cross-contamination of the metered Liquids occur.
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 Vorrichtungen eine Bewegung der Flüssigkeit sowohl durch die Auslaßöffnung als auch in das Reservoir zurück.Known microdosing devices are disclosed in DE-A-19706513 and DE-A-19802368. These known devices are based on a functional principle in which a Acceleration to a liquid to be dosed within a pressure chamber is applied by a displacer. The pressure chamber has a fluid connection to an outlet opening and to a fluid reservoir. Thus follows at Actuating the displacement in these known devices a movement of the liquid through both the outlet opening as well as back into the reservoir.
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.From DE-A-19913076 is a microdosing device known, through which a plurality of microdroplets on a Substrate can be applied, where there is an entire dosing is applied with an acceleration. By This acceleration of the entire dosing head is inertia a relative acceleration between contained Fluid and dosing reached such that droplets ejected from respective nozzle openings of the dosing become.
Schließlich offenbart die WO 00/62932 Verfahren und Vorrichtungen zur dosierten Ausgabe kleinster Flüssigkeitsmengen, 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 angeschlossen 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 ausdosiert 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.Finally, WO 00/62932 discloses methods and devices for metered dispensing of the smallest quantities of liquid, where discharge amounts in a range of 0.1 nl to 100 ul are called. According to this document is one with an outlet opening capillary used to the at least one gas line connected via an outlet point is. About the capillary is a gas shock in the Gas line introduced so that in the capillary located between the opening point and the outlet opening Amount of liquid dosed out of the outlet opening becomes. This document also mentions the possibility the creation of a pipetting array using a Plurality of metering devices as described above are. Also in the dosing devices described in this document there is a reflux in the reservoir or in worst case may be air bubbles in the reservoir line ascend and clog those.
Aus den oben genannten Nachteilen resultiert die Tatsache, daß die Dauer der Befüllung einer Mikrotiterplatte im allgemeinen 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.From the above disadvantages results the fact that the duration of filling a microtiter plate in general considered too high for the desired throughput becomes. This results in a high cost and partly also difficulties in the analysis the reaction products, if the reactions in the individual Start reservoirs of the microtiter plate with a time delay.
Bei R. Zengerle, "Mikrosysteme - Chancen für die Dosiertechnik", wägen + dosieren 1/1996, S. 10-15, sind Mikropumpen 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.R. Zengerle, "Microsystems - Opportunities for Dosing Technology", Weighing + dosing 1/1996, pp. 10-15, are micropumps Known for Mikrotropfeninjektoren, in which by a by means of a piezo bending transducer driven membrane the Volume of a pumping chamber is changeable. An inlet opening and an outlet opening of the pumping chamber are provided. A pumping action can be achieved when the membrane is actuated be by either the inlet opening and the outlet opening are provided with a check valve or by a buffer is provided adjacent to the pumping chamber.
Aus der DE 19648694 C1 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. From DE 19648694 C1 is a bidirectional dynamic Micropump known that has a pumping chamber and an inlet and a drain for the pumping chamber with different Has flow resistance. Adjacent to the pumping chamber a membrane, wherein by suitable shaping of the drive pulse for the membrane, the conveying direction of the micropump is controllable.
Aus der WO 97/15394 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.From WO 97/15394 a plate is known which has a plurality has the same penetrating recesses. The recesses have to a surface of the plate towards a large opening and to the opposite surface towards a small nozzle opening. By exercising a Pressure on the large opening can create a liquid jet be ejected through the small nozzle opening.
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.Another metering device is known from WO 99/36176, the one liquid reservoir and one with the Liquid reservoir fluidly connected channel has. In opposite channel walls of the channel are Formed openings, so that by applying a pressure on one of the openings located between the openings Liquid can be dispensed.
Ferner ist aus der US-A-5943079 ein Tintenstrahldruckkopf bekannt, bei dem in einem Druckkopf eine Düse, ein Reservoirbereich und ein die Düse und den Reservoirbereich verbindender Hohlraum strukturiert sind. Angrenzend an den Hohlraum ist eine piezoelektrische Platte vorgesehen, wobei durch Anlegen eines Drucksignals ein Schwingteil der piezoelektrischen Platte in Schwingungen versetzt werden kann, so dass in dem Hohlraum eine Druckwelle auftritt. Wenn die Druckwelle eine Düsenöffnung der Düse erreicht, wird dadurch ein Tintenausstoß bewirkt. Der Reservoirbereich ist ferner durch eine membranartige Struktur von einer Dämpfungskammer getrennt, die eine Entlüftungsöffnung aufweist.Further, US-A-5943079 discloses an ink jet printhead known, in which in a printhead a nozzle, a reservoir area and a nozzle connecting the reservoir and the reservoir area Cavity are structured. Adjacent to the Cavity is provided a piezoelectric plate, wherein by applying a pressure signal, a vibrating part of the piezoelectric Plate can be vibrated, so that a pressure wave occurs in the cavity. If the Pressure wave reaches a nozzle opening of the nozzle is thereby causes an ink ejection. The reservoir area is further by a membrane-like structure of a damping chamber separated, which has a vent.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vorrichtungen und Verfahren zur Dosierung kleiner Flüssigkeitsmengen zu schaffen, die einen einfachen Aufbau einer Mikrodosiervorrichtung ermöglichen und ferner eine gleichzeitige, präzise Dosierung von kleinen Flüssigkeitsmengen aus mehreren parallelen Kanälen ermöglichen. The object of the present invention is to devices and method for dosing small amounts of liquid to create a simple structure of a Microdosing device and also a simultaneous, precise dosage of small amounts of liquid allow multiple parallel channels.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikrodosiervorrichtung nach
Anspruch 1 und ein Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen
nach Anspruch 10 gelöst.This object is achieved by a microdosing device
Claim 1 and a method for dosing small amounts of liquid
solved according to
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 Düse voneinander durch den Verbindungskanal. Eine solche Trennung ist um so wirkungsvoller, je höher der fluidische Widerstand des Verbindungskanals in Relation zum fluidischen Widerstand des Düsenkanals ist. Aufgrund der fluidischen Trennung wird erfindungsgemäß maximal das in der Düse befindliche Volumen dosiert, wobei nach der Ausdosierung dieses Volumens der Dosiervorgang automatisch stoppt.The operating principle of the microdosing device according to the invention and the dosing method of the invention small amounts of liquid is based on two points, for a simultaneous application of reservoir and Nozzle or nozzle channel with a force, so that a substantially the same pressure on them, and on the other hand a sufficient separation of the reservoir and the nozzle from each other through the connecting channel. Such Separation is more effective the higher the fluidic Resistance of the connection channel in relation to the fluidic Resistance of the nozzle channel is. Due to the fluidic Separation according to the invention is the maximum in the nozzle contained volumes, wherein after the dosing this volume of dosing automatically stops.
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.The reservoir, the nozzle and the connecting channel are according to the invention preferably formed in a dosing head, wherein such a dosing preferably a plurality of Reservoirs, nozzles and connecting channels may have. To a drop ejection from the nozzle opening or the nozzle openings to cause one or more nozzles is inventively a driving force on the entire imprinted liquid contained in the dosing head, i. either the reservoir as well as the nozzle will be with the force applied. Therefore, and because of the fact that the pressure gradient via the connecting line is negligible, takes place According to the invention, no backflow into the 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 Düsen 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 verwendete Dosierkopf kann auf eine herkömmliche bekannte Weise unter Verwendung von mikromechanischen Verfahren gefertigt werden, beispielsweise aus Silizium oder aus Kunststoff, beispielsweise unter Verwendung einer Spritzgußtechnik. 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 Puffermedium befüllt werden kann, um die erforderliche Kraft auf die Reservoire und Düsen aufzubringen.In preferred embodiments of the present invention Both the reservoirs and the jets are in a grid arranged in the format of a microtiter plate equivalent. Furthermore, the reservoirs and the nozzles be arranged in a different grid, so that by a dosing a format conversion between the format of the reservoirs and that of the recipient Container, usually a microtiter plate, takes place. The used in the microdosing device according to the invention Dosing head can in a conventional known manner manufactured using micromechanical methods be made of, for example, silicon or plastic, for example, using an injection molding technique. In preferred embodiments, the drive means from a pneumatic or hydraulic Drive unit having a pressure chamber, the fast with a gas or a liquid as a buffer medium can be filled to the required force to apply the reservoirs and nozzles.
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. Dosierkopfsubstrats 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 werden können als mit Vorrichtungen, bei denen die treibende Kraft nur auf die rückseitigen Düsenbereiche, nicht jedoch auf die Reservoire wirkt.According to the invention are preferably the reservoirs and the the discharge end of the nozzles opposite end thereof formed in a surface of the dosing, so that the entire first side of the dosing head or dosing head substrate can be charged with the driving force, only those in the nozzle, i. the nozzle channel and the nozzle opening, contained liquid is discharged and the metering process stops automatically as soon as it contains Liquid was discharged. This principle allows it, on a spatial separation of the areas in which the nozzles or reservoirs are arranged to dispense, resulting in significantly higher integration densities can be considered as having devices that are driving Force only on the back nozzle areas, not however acts on the reservoirs.
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 Reservoir als auch Düsen mit der Kraft beaufschlagt werden und der Verbindungskanal zwischen denselben entsprechend ausgelegt ist. The present invention thus provides devices and Processes with which liquids highly parallel, for example can be dispensed into a microtiter plate. Consequently the microdosing device according to the invention has a simple structure and still allows exact dosage, even in the realization of a highly integrated Dosing in which, for example, using 1536 nozzles should be dosed in parallel. According to the invention can such an exact dosage without the use of active or passive valves, as according to the state of Technique to be used partially, as both reservoir as well as nozzles are subjected to the force and the connection channel between them accordingly is designed.
Die vorliegende Erfindung stellt somit eine wesentliche Verbesserung der Dosiertechnologie im Nanoliterbereich dar, die eine hochparallele und damit deutlich schnellere Zudosierung von Reagenzien in Mikrotiterplatten ermöglicht. Dabei erlaubt die vorliegende Erfindung ein hohes Maß an Parallelisierung 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 vorliegende 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.The present invention thus constitutes an essential one Improvement of dosing technology in the nanoliter range, the one highly parallel and therefore much faster metering of reagents in microtiter plates. there The present invention allows a high degree of parallelization and integration density, for example 96, 384, 1536 or more doses simultaneously at a Pitch of 9.0 mm, 4.5 mm, 2.25 mm or less performed can be. In addition, the present allows Invention also adapt to formats outside the standard for microtiter plates. In addition, the present invention an extremely high accuracy of the dosage, the error in the dosing volume at typical Dosage amounts from 50 nl to 100 nl less than 5 nl. By the non-contact delivery in the free jet is also a Carryover of media excluded. As already mentioned could, with an appropriate interpretation the device reformatations are carried out in parallel, for example, from a 384 format to a 1536 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 dosierte 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.Furthermore, the present invention allows storage of Media in the dosing head, so that the step of the transfer from the storage unit that currently is typically a 96-well microtiter plate, for Dosing machines, which are currently arranged in parallel Air cushion pipettes or the like is, saved can be. Finally, in the inventive Device and the method according to the invention dosed Volume largely independent of the physical Properties of the fluids used. The present Invention also enables the construction of a microdosing device, in which the dosing easily exchanged is, so that the drive means, in the Usually more complicated than the dosing itself, for a Variety of different dosing heads are used can. This is particularly advantageous that the entire first surface of the dosing head with the force is applied, so that here also at different Arrangement of reservoirs and nozzles in different Dosing heads no adjustment is necessary.
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 ausgeführt, 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 Reservoiren 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.The present invention is thus particularly suitable to get accurate quantities of fluids in microtiter plates, the one standardized outside dimension and a large number have juxtaposed reservoirs, leave. Such microtiter plates comprise, as stated above, a variety of reservoirs, such as 96, 384, 1536 or more, where the pitches of the reservoirs corresponding to 9 mm, 4.5 mm, 2.25 mm, etc. Depending on the density of integration, the volume of the Reservoirs approximately 100 μl, 20 μl, 4 μl, etc. In these reservoirs become chemical or biochemical reactions carried out and analyzed the reaction products. The possibility for precise filling of microtiter plates with given quantities of liquid is therefore an indispensable Prerequisite for carrying out quantitative analyzes when using the smallest amounts of liquid, the present Invention just this option advantageous offers.
Neben der präzisen Befüllung der Mikrotiterplatte ist ferner 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. In addition to the precise filling of the microtiter plate is also a fast, preferably simultaneous metered addition of reagents in all reservoirs of interest, as in general a high number of reactions in a microtiter plate be carried out simultaneously. It is advantageous when the entire process of filling and analysis The results can be automated so that per day several hundred microtiter plates can be processed and carried out a few thousand to one hundred thousand reactions can be. For this purpose, the present Invention due to their property of massively parallel and high-precision dosing of smallest fluid quantities in a special way, especially for the delivery of a Variety of different liquids in the different Reservoir of a microtiter plate.
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 Netzwerkmodell 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.
- Fig. 1
- a schematic view, partially in cross section, of a microdosing device according to the invention;
- Fig. 2
- a network model of the Mikrodosiervorrichtung shown in Figure 1;
- Fig. 3A
- a generalized network model for the dosing system according to the invention; and FIG. 3B a network model for a known microdosing system;
- Fig. 4
- a schematic representation of an embodiment of a microdosing device according to the invention;
- Fig. 5
- a cross-sectional view of another embodiment of a microdosing device according to the invention;
- Fig. 6
- and Fig. 7 are plan views of dosing heads usable in a microdosing apparatus according to the present invention;
- 8A to 8D
- Cross-sectional views showing different designs for nozzles in the microdosing device according to the invention;
- Figs. 9A to 9D
- schematic representations showing different configurations of the connection channel in Mikrodosiervorrichtungen invention;
- 10A to 10D
- schematic plan views of applicable in microdosing invention Dosierkopfsubstrate or sections thereof; and
- Figs. 11A and 11B
- schematic cross-sectional views for illustrating a usable according to the invention drive device.
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 Medienreservoir
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 Einrichtung
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.FIG. 1 shows a detail of a
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 Betätigungsöffnung
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.As can be seen in Fig. 1, the nozzle shown there
6 a
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 Düsenausstoßöffnung
22 gebildet und stellt eine fluidmäßige
Verbindung zwischen der ersten Oberfläche 24 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.As shown, the
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
R11 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.FIG. 2 shows a network model of the dosing head shown in FIG. 1, where P A denotes the pressure difference between the
Erfindungsgemäß sind nun die Strömungswiderstände des Verbindungskanals
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.According to the invention, the flow resistance of the connecting
Diese Situation kann erreicht werden, wenn der Strömungswiderstand
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.
R11 + R12 + R13 ist. Ferner kann bei dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel eine hinreichend gute Dosierqualität
bereits erreicht werden, wenn die Bedingung R2 >> R11 erfüllt
ist. Zur Veranschaulichung wird wiederum auf Fig. 2
verwiesen, die das entsprechende fluidische Netzwerk darstellt.
Die Bedingung R2 >> R11 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 Verbindungskanal
ist dadurch ebenfalls vernachlässigbar. Die Druckdifferenz
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.This situation can be achieved if the flow resistance R 2 of the
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 R11 definiert
werden kann, führt bereits die Erfüllung der Bedingung
R2 >> R11 zu einem ausreichend guten Ergebnis. Hierbei
ist hinsichtlich der Auslegung der Widerstände R11 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 werden
können.As mentioned above, an exact dosage can be achieved if the flow resistance R 2 of the connection channel is made significantly larger than the total resistance of the nozzle channel. In such cases, in which the connecting
Hinsichtlich der Auslegung der Widerstände R11 und R2 ist zu beachten, daß das dosierte Volumen von dem Verhältnis der beiden Widerstände abhängt. Wählt man R2/R11 ≈ 10, so entspricht 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 R11 an der Einmündungsstelle 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 Verbindungskanal, deren Größe von dem Verhältnis der Strömungswiderstände R2 und R11 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 Einmündungsstelle 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 R11/R2 nach oben abgeschätzt werden. Aufgrund des zusätzlichen Flusses durch den Verbindungskanal wächst das Dosiervolumen also maximal auf das (1+R11/R2)-fache des Volumen des Düsenkanals an. With regard to the design of the resistors R 11 and R 2 , it should be noted that the metered volume depends on the ratio of the two resistors. If one selects R 2 / R 11 ≈ 10, then the dosed volume corresponds to the liquid volume contained in the nozzle with a systematic deviation of maximally 10%. This deviation is due to the fact that due to the pressure drop across the flow resistance R 11 at the junction of the connecting channel in the nozzle, a lower pressure prevails than on the top, ie the first side of the dosing or in the reservoir. This results in a pressure difference across the connecting channel, the size of which depends on the ratio of the flow resistances R 2 and R 11 , wherein an additional volume flow in the connecting channel is induced in the direction of the nozzle opening by this pressure difference. This volume flow or flow also contributes to the metered volume. The exact height of this systematic deviation depends on the details of the specific design of the connecting channel and nozzle channel. The deviation can be minimized by skillful, geometric design of the channels, in particular at their confluence. However, 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 R 11 / R 2 upwards. Due to the additional flow through the connecting channel, the dosing volume thus increases to a maximum of the (1 + R 11 / R 2 ) times the volume of the nozzle channel.
Da der oben beschriebene Vorgang jedoch reproduzierbar ist und das Verhältnis der Strömungswiderstände nicht von den Medieneigenschaften des Fluids abhängt, wird die Genauigkeit und Funktionstüchtigkeit der Dosiervorrichtung hierdurch nicht beeinträchtigt. Das exakte Verhältnis der Strömungswiderstände ist also nicht wesentlich, solange R11 < R2 gilt. Zusammenfassend ist festzustellen, daß das Verhältnis der Strömungswiderstände einen systematischen Fehler verursacht, 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 Praxis wünschenswert sein, das Dosiervolumen möglichst genau durch das in der Düse enthaltene Volumen festzulegen. In diesem Fall ist es günstig, R11/R2 möglichst klein bzw. R2/R11 möglichst groß zu wählen, beispielsweise R2/R11 > 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.However, since the above-described operation is reproducible and the ratio of the flow resistances does not depend on the fluid's fluid properties, the accuracy and serviceability of the metering device is not affected. The exact ratio of the flow resistances is therefore not essential as long as R 11 <R 2 . In summary, it should be noted that the ratio of the flow resistances causes a systematic error, which can be compensated in the preparation of the metering devices. On the other hand, it does not cause a statistical error that would affect the reproducibility of the metering device. With regard to a simple and accurate design of the metering device, it may be desirable in practice to set the metering volume as accurately as possible by the volume contained in the nozzle. In this case, it is favorable to choose R 11 / R 2 as small as possible or R 2 / R 11 as large as possible, for example R 2 / R 11 > 100. This leads to excellent fluidic decoupling of nozzle and reservoir during a dosing process and the metered volume corresponds to the nozzle volume with a maximum deviation of 1%.
In Fig. 3A ist ein verallgemeinertes Netzwerkmodell, das eine erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung zeigt, dargestellt, wobei in Fig. 3A der Widerstand RK den fluidischen Widerstand des Verbindungskanals zwischen Düse und Reservoir darstellt, während der Strömungswiderstand RD den Strömungswiderstand der gesamten Düse bestehend aus dem Widerstand 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 gegenüber dem Volumenstrom der Flüssigkeit im Düsenkanal vernachlässigbar ist, ist der Widerstand RK 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.FIG. 3A shows a generalized network model showing a microdosing device according to the invention, wherein in FIG. 3A the resistance R K represents the fluidic resistance of the connection channel between nozzle and reservoir, while the flow resistance R D represents the flow resistance of the entire nozzle consisting of the Resistance of the nozzle channel and the resistance of the nozzle opening represents. In turn, P A denotes the static or dynamic pressure generated by the respective drive unit. In order to achieve that in the network model in FIG. 3A, a volume flow of the liquid in the connecting channel is negligible compared with the volume flow of the liquid in the nozzle channel, the resistance R K is to be chosen large in comparison to the flow resistance R D. The ratio of flow resistances to be chosen on an individual basis depends on the liquid to be dosed, again finding that the greater the difference in resistance, the greater the range of liquids that can be dosed with the same dosing device ,
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 RK abhängt.In any event, by loading the reservoir and nozzle with such a force as to exert substantially identical pressure on the liquid in the reservoir and nozzle, the present invention ensures that there is no backflow through the communication passage. Such reflux is the case with known metering systems, as described, for example, in the abovementioned publications DE-A-19706513, DE-A-19802368 or WO 00/62932. For purposes of comparison, a network model as it applies to the metering devices shown in the above references is shown in Figure 3B. It can be seen that there is a backflow into the reservoir in any case at a pressurization PA, wherein the ratio of metered liquid flows back to the liquid flowing back into the reservoir of the ratio of the flow resistance R D and R K.
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 Pipettierautomaten
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.Referring again to Fig. 1, a dosing operation will now be described
the microdosing device shown there described in more detail.
The
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 notwendig,
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.It should be noted that in the one shown in FIG
Embodiment in which the
Nach der vollständigen Befüllung der Düse, was bei bevorzugten
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
durch Kapillarkräfte erfolgt, wird der Dosierkopf 2 mit einer
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 Flüssigkeit
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 vernachlässigbar
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 reproduzierbar,
auch wenn das Verhältnis der Strömungswiderstände
von Verbindungskanal und Düse nicht ausreichend groß
ist, um ein solches Nachströmen im wesentlichen zu verhindern.After complete filling of the nozzle, which is preferred
Embodiments of the present invention
By capillary forces, the dosing is 2 with a
Drive unit connected, as shown in Fig. 1 schematically
by the elements designated by the
Ist der Strömungswiderstand des Verbindungskanals ausreichend
hoch, im Vergleich zum Strömungswiderstand der Düse
bzw. im Vergleich zum Widerstand R11, so bleibt die Flüssigkeit
im Verbindungskanal im wesentlichen in Ruhe, während
Flüssigkeit aus dem Düsenkanal 20 durch die Düsenöffnung
22 ausgestoßen wird.If the flow resistance of the connecting channel is sufficiently high, compared to the flow resistance of the nozzle or compared to the resistor R 11 , the liquid in the connecting channel remains substantially at rest, while liquid is ejected from the
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.In such a dosing process, the whole in the nozzle amount of liquid through the nozzle opening 22nd are discharged, without that in the connecting channel moving liquid moves. Thus, the metered Liquid quantity determined exactly by the geometry of the nozzle. The dosage of the liquid stops from even if the nozzle is completely empty.
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 definierten
Flüssigkeitsmenge durch die Düsenöffnung auszustoßen,
während die in dem Verbindungskanal befindliche Flüssigkeit
nicht oder nur unwesentlich bewegt wird. By operating the drive device, as described,
a fluid volume equal to the total volume of the
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 Druckkammer
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 ermöglichen.After the nozzle is completely or partially emptied,
can the initial state after switching off the drive device
alternatively restored by two options
become. On the one hand, a venting of the pressure chamber
take place, for example, by that shown in Fig. 1
Ist eine Entlüftungseinrichtung nicht vorgesehen, bzw. verwendet die Antriebseinheit reine Schaltventile, d.h. 2/2-Wege-Pneumatikventile, kann sich nach Abschalten der Druckversorgung der Überdruck durch eine Gasströmung durch die Düsen abbauen.Is a venting device not provided or used the drive unit is pure switching valves, i. 2/2-way pneumatic valves, may be after switching off the pressure supply the overpressure caused by a gas flow through the Remove the nozzles.
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.Is the overpressure in the
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 unwesentlich und die Präzision des Dosiervolumens wird durch die kapillare Wiederbefüllung nicht verfälscht.In the microdosing device according to the invention, it is to a clean break of the exiting liquid column the nozzle opening to achieve, advantageously, a sufficient to generate high pressure amplitude in the pressure chamber whose temporal change beyond beneficial within should be done in a very short time, so that a high dynamic the pressure change is achieved. Furthermore, it is in the design the dosing head and the drive unit favorable, when the liquid discharge within a short time, for example 10 milliseconds, completed while the fluid lines for the refills by capillary forces be designed so that this process very much slower, for example within 100 milliseconds. Thus, both effects are superimposed only insignificantly and the precision of the dosing volume is determined by the Capillary refilling not falsified.
Nachdem nunmehr eine Mikrodosiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sowie die Funktionsweise derselben allgemein beschrieben wurden, wird im folgenden auf Ausführungsbeispiele und besondere Ausgestaltungen derselben näher eingegangen.Now having a micro-dosing device according to the present Invention and the operation of the same general In the following, embodiments will be described and specific embodiments thereof closer received.
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, geeignet
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.In Fig. 4 is a schematic representation of an inventive
Microdosing shown to the
simultaneous application of microdroplets to
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 Antriebseinrichtung
40 unterschiedliche Dosierköpfe bzw. Dosierkopfsubstrate
verwendet werden können, so lange die Außenabmessungen
derselben übereinstimmen oder die Antriebseinrichtung
ausgelegt ist, um mit Dosierkopfsubstraten unterschiedlicher
Außenabmessungen zusammenwirken zu können.With the embodiment shown in Fig. 4 can
simultaneously a plurality of microdroplets, for example
be applied to a
In Fig. 5 ist eine Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen
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 geeigneter
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 44.In Fig. 5 is a cross-sectional view of an inventive
Microdosing device with a plurality of
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 the
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. 6 is a plan view of a section of a dosing head,
for parallel delivery of reagents in
a 1536 microtiter plate can be used, shown
wherein 24
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.It is clear that according to the invention a micro-dosing a almost any number of media reservoirs and nozzles in FIG. 7, an exemplary dosing head with 96 media reservoirs and associated nozzles with exemplary dimensions is shown.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß erfindungsgemäß nicht jeweils einer Düse ein Medienreservoir zugeordnet sein muß, sondern hier im wesentlichen Wahlfreiheit dahingehend besteht, 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 Reservoire 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 Mikrotiterplatte verwendet werden, selbst wenn die Pipettiereinrichtung ein anderes Rastermaß als die zu befüllende Mikrotiterplatte aufweist.It should be noted that according to the invention not each one nozzle must be assigned a media reservoir, but here essentially freedom of choice exists that one or more media reservoirs provided can be connected to one or more nozzles can be, with a respective media reservoir over several Connecting lines to be connected to a nozzle can, a media reservoir over several connecting lines can be connected to multiple nozzles, and a nozzle over several connecting lines with several media reservoirs may be connected, as later with reference to FIGS. 10A to 10D will be explained in more detail. Furthermore, in the inventive Microdosing device both the reservoirs as well as the nozzles arranged in a different grid be, so that by the dosing a format conversion between the format of the reservoirs and that of the receiving container takes place. This can be a conventional Pipetting device for filling a microtiter plate be used even if the pipetting device a different grid than the microtiter plate to be filled having.
Bezugnehmend auf die Fig. 8A bis 8D werden nun beispielhafte
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 können,
je nach dem, auf welcher Höhe der Verbindungskanal 10
in die Düse 6a mündet und wie er dimensioniert ist, die Widerstände
R11 und R12, die oben bezugnehmend auf Fig. 2 erläutert
wurden, in gewissen Grenzen beeinflußt werden. With reference to 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
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.The
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.In Fig. 8C, a
Schließlich zeigt Fig. 8D eine konisch ausgebildete Düse
6c.Finally, Fig. 8D shows a
Hinsichtlich der Ausgestaltung der Düse bleibt abschließend festzustellen, daß es möglich ist, sowohl die Düsenausstoßöffnung 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.With regard to the design of the nozzle remains final determine that it is possible to have both the nozzle discharge opening as well as the same opposite opening and the nozzle channel connecting the openings not circular, but in any shape. Besides The diameter of the nozzle channel may be different than vary as a function of depth in FIGS. 8B to 8D.
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 hinsichtlich
einer einfachen Fertigung sowie den Vorteil, daß
Gaseinschlüsse in dem Verbindungskanal sehr einfach entweichen
können.Various design possibilities for the connecting channel,
the interior reservoirs and jets are in the
Figs. 9A to 9D are shown. Depending on the application, the connection channel
both in terms of its course as
also be adapted in terms of its diameter. In
FIG. 9A shows a
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.In the example shown, a
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.Fig. 9B shows a sectional view of a dosing head substrate
in the plane of the substrate. In the section shown is
a
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.The connecting channel between the media reservoir and nozzle can furthermore have any cross sections and does not necessarily have be rectangular. Finally, the Expand or contract the cross-section in the course of the channel, also including, for example, two or more connection channels arranged between the same reservoir and the same nozzle could be.
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 10d 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.Such a configuration is shown in Fig. 9C, at
the channel is formed by three
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.In Figs. 10A to 10D are different possibilities for arranging the fluidic components of the media reservoir, Connecting channel and nozzle in the dosing of the invention Microdosing represented. First is determine that not all mounted in a dosing Elements, such as media reservoirs, that must have the same dimension. The same applies to the Connecting channels and nozzles. In particular, nozzles that contain different volumes on the same dosing head be housed. Furthermore, there are design options in that the number of nozzles and reservoirs do not have to be the same, but that respectively several nozzles connected to one or more reservoirs or multiple reservoirs with one or more Nozzles can be connected.
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 Mischen
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. 10C gezeigt ist.Fig. 10A shows schematically a Dosierkopfabschnitt, at
a
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 Verbindungskanal
10 mit einem zugeordneten Medienreservoir 4 verbunden
ist.Regardless of whether the number of nozzles and reservoirs
can in any case by the dosing a
Format conversion done. This means that the distance of
Nozzles to each other and the distance of the reservoirs to each other
can be different. An example of such an arrangement
with wide intervals between
In den Fig. 11A und 11B ist eine alternative Ausführungsform einer Antriebseinrichtung, die erfindungsgemäß verwendet werden kann, dargestellt.In Figs. 11A and 11B is an alternative embodiment a drive device used in the invention can be represented.
Wie den in den Fig. 11A und 11B gezeigten schematischen
Teilquerschnittansichten zu entnehmen ist, weist der Dosierkopf
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 Systemflüssigkeit
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. 11A 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 Mikrodosiervorrichtung
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. 11A gezeigt ist, wiederhergestellt.Like the schematic shown in Figs. 11A and 11B
Partial cross-sectional views can be seen, the dosing head
the one described above with reference to FIG. 9A
Construction with regard to
Wie aus den obigen Erläuterungen klar wird, ist erfindungsgemäß 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.As is clear from the above explanations, is according to the invention the metered volume from the volume of the nozzle, either only the nozzle channel or the nozzle channel and the nozzle opening, determined and is essentially independent of the Fluid properties. In this case, the present invention allows the exact delivery of, for example, about 50 nl in one single dosing with a suitable design of the channels and openings.
Obwohl oben bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung näher erläutert wurden, ist es klar, daß weitere
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 Bereich
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. 11A 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 Mikrotiterplatte
ausgeübt werden. Der Dosiervorgang beginnt dann,
sobald die elektromagnetische Kraft die Oberflächenkräfte
an der Düsenöffnung überwindet.Although above preferred embodiments of the present
Invention have been explained, it is clear that more
Modifications and changes are possible.
For example, alternative drive means
used to be a driving force on the liquid
impress. In addition to the described application of a
homogeneous, pneumatic or hydraulic pressure in the area
The first side of the printhead may also be under vacuum
be applied to the second side of the dosing head,
to suck the liquid out of the nozzle opening. In turn
alternatively, a volume displacement of liquid can occur
the first surface of the printhead, wherein a
Example of such volume displacement by referring
The embodiment described in FIGS. 11A and 11B
using the
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.It needs no special mention that the several Reservoirs of the dosing head used in the invention filled with identical or different liquids can be so that the simultaneous delivery of the same or different liquids is possible. Further it is clear that the dosing heads used according to the invention produced by any conventional method can be. For example, the dosing head micromechanical be made of silicon. Alternatively come other known methods, such as micro injection molding, hot stamping or those methods where individual layers are glued or laminated, in question.
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 Verbindungskanal keine Flüssigkeit nachgeliefert wird. Im zweiten Fall wird die durch die Antriebsvorrichtung aufgeprägte, treibende Kraft abgeschaltet, bevor die Flüssigkeit aus der Düse komplett ausgestoßen ist.The metering device according to the invention can be used either as a metering device for the delivery of a through the geometric Volume of the nozzle channel predefined amount of liquid operated, or as a device with a smaller, but variable volume. In the first case, the driving force, which acts on the liquid, so long maintained until the entire contained in the nozzle Amount of liquid is ejected through the nozzle opening. The dosage stops in this case by itself, because due the vanishing pressure gradient across the connection channel no liquid is supplied. In the second case is impressed by the drive device, driving Force off before the liquid from the nozzle completely ejected.
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 Eigenschaften 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.The metered amount of fluid can therefore either by the design, namely by the volume in the nozzle, or by the duration and the course of the drive unit be applied applied driving force. In the first case, the metered amount of liquid in essential regardless of the physical properties the liquid, e.g. Viscosity and surface tension. In the second case, the metered volume of affected by these parameters. It is therefore recommended in the last case to perform a calibration to to achieve an exact dosage, since the dosage of different liquids with different viscosities takes different lengths. These different Duration must be considered, if not the entire nozzle volume is being dosed while being subordinate Meaning is when the total nozzle volume is metered out is, so that the dosing stops by itself, as soon as the entire liquid corresponding to the predefined Volume was ejected.
Claims (15)
- Microdosage device comprising:a media reservoir (4) used for accommodating a liquid to be dosed (8), which has a media reservoir opening;a nozzle (6) with a nozzle channel (20) having an ejection opening (22) and an actuating opening, the nozzle (6) being connected via a connecting channel (10) to the media reservoir (4) and adapted to be filled via said connecting channel (10) with the liquid to be dosed (8); anda drive unit for concurrently applying, when actuated, via the media reservoir opening and the actuating opening, to a liquid (8) contained in the media reservoir (4) and in the nozzle (6) a force of such a nature that a substantially identical pressure will be exerted on said liquid contained in the media reservoir (4) and in the nozzle (6),
- Microdosage device according to claim 1, comprising a dosing head (2) in which the media reservoir (4) and the nozzle (6) are formed, wherein the actuating opening as well as the media reservoir opening are formed in the same surface (24) of the dosing head (2).
- Microdosage device according to claim 2, wherein the drive unit comprises a pressure generation means (12, 13, 14) for simultaneously applying a substantially uniform pressure to the media reservoir opening and the actuating opening.
- Microdosage device according to claim 3, wherein the drive unit is provided with a pressure chamber (12) which is adapted to be filled with a buffer medium, the buffer medium being adapted to be used for applying the pressure to the media reservoir opening and the actuating opening.
- Microdosage device according to one of the claims 1 to 4, which comprises multiple nozzles and one or a plurality of media reservoirs, wherein the drive unit is configured for actuating said multiple nozzles, and wherein each of said multiple nozzles is in fluid connection with one or a plurality of media reservoirs through one or a plurality of connecting channels.
- Microdosage device according to one of the claims 1 to 5, which comprises multiple media reservoirs (4) and one or a plurality of nozzles (6), wherein each media reservoir is in fluid connection with one or a plurality of nozzle openings through one or a plurality of connecting channels.
- Microdosage device according to claim 5 or 6, wherein said multiple nozzles (6) and/or said multiple reservoirs (4) are arranged in a raster which corresponds to the format of a well-plate (32).
- Microdosage device according to claim 7, wherein multiple media reservoirs (4) are arranged in a first raster, and wherein multiple nozzles (6) are arranged in a second raster, so that a change of format takes place between said media reservoirs and said nozzles.
- Microdosage device according to one of the claims 1 to 8, wherein the nozzle (6) and the connecting channel (10) are implemented such that the nozzle (6) will be filled from the media reservoir (4) via the connecting channel (10) due to capillary forces and without any actuation of the drive unit.
- Method for dosing small amounts of liquid, said method comprising the following steps:filling at least one nozzle (6) having a nozzle channel (20) with an ejection opening (22) and an actuating opening via a connecting channel (10) with a liquid to be dosed (8) from a media reservoir (4) having a media reservoir opening, said connecting channel (10) establishing a fluid connection between said nozzle and said media reservoir (4);concurrently applying, via the media reservoir opening and the actuating opening, to the liquid (8) contained in the media reservoir (4) and in the nozzle (6) a force of such a nature that a substantially identical pressure will be applied to the liquid (8) contained in the media reservoir (4) and in the nozzle (6),
- Method according to claim 10, wherein the step of filling comprises a step of filling the nozzle (6) on the basis of capillary forces in the connecting channel (10) and in the nozzle (6).
- Method according to claim 10 or 11, wherein the step of applying a force to the liquid contained in the media reservoir (4) and the nozzle (6) comprises the step of simultaneously applying a substantially identical pressure to the media reservoir opening and the actuation opening.
- Method according to claim 10 or 11, wherein the step of applying a force to the liquid contained in the media reservoir (4) and in the nozzle (6) comprises the step of causing a volume displacement at the media reservoir opening and the actuation opening.
- Method according to claim 10, or 11, wherein the step of applying a force to the liquid contained in the media reservoir (4) and in the nozzle (6) comprises the step of applying an electric or a magnetic field.
- Method according to one of the claims 10 to 14, wherein the step of filling comprises the step of filling multiple nozzles (6) with different liquids from multiple media reservoirs (4), and wherein the application step comprises the step of simultaneously applying a force to said multiple nozzles (6) and said multiple media reservoirs (4) so that different liquids will be ejected simultaneously through he nozzles (6).
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