EP2191135A1 - Micrometering system - Google Patents

Micrometering system

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Publication number
EP2191135A1
EP2191135A1 EP08804174A EP08804174A EP2191135A1 EP 2191135 A1 EP2191135 A1 EP 2191135A1 EP 08804174 A EP08804174 A EP 08804174A EP 08804174 A EP08804174 A EP 08804174A EP 2191135 A1 EP2191135 A1 EP 2191135A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
dosing
pump
micropump
measuring
metering
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08804174A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gernot Heuser
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP2191135A1 publication Critical patent/EP2191135A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04Pumps having electric drive
    • F04B43/043Micropumps
    • F04B43/046Micropumps with piezoelectric drive
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/003Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by piezoelectric means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006Micropumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06Control using electricity
    • F04B49/065Control using electricity and making use of computers

Definitions

  • the invention relates to a metering system with at least one micropump, a method for operating a metering system with a calibration unit and the use of a micropump, in particular in a metering system.
  • Micromembrane pumps are widely used which have, for example, an electromagnetic, piezoelectric, thermal or electrostatic drive.
  • the pump bodies are made e.g. made of silicon or plastic.
  • Micropumps in particular micromembrane pumps, and their construction and operation are e.g. in DE 19719862 A1, DE 19720482 C5 and DE 10360709 A1.
  • micromembrane pumps are operated unidirectionally.
  • the delivery rate differs greatly from micropump to micropump.
  • metering systems For filling of microtiter plates with samples or for the metering of samples in the chambers (wells or wells) of microtiter plates multiple Kolbenhubpipetten are in use.
  • Other metering systems use conventional pumps, e.g. Peristaltic pumps, which are removed from the dosing site and the samples are supplied via hoses to the wells of the microtiter plates. As a rule, the hoses are arranged in a row. Micropumps are not used for such dosing systems so far.
  • the object of the invention is to provide an alternative dosing system for precise doses of a medium. Another object is to provide an alternative metering system with multiple metering devices.
  • the problem is solved by the subject matter of the independent claims.
  • the metering system according to the invention contains at least one
  • the micropump, the micropump or micropumps of the metering system are generally arranged in the region or in the vicinity of the outlet for the medium to be metered, that is to say in the case of metering in the vicinity of the metering location.
  • the metering system preferably contains at least one bidirectionally operating micropump.
  • the micropump is usually part of a dosing unit.
  • two unidirectionally operating micropumps can be connected in such a way that bidirectional operation results.
  • the micropump is advantageously associated with at least one active intake valve and at least one active exhaust valve, or it includes at least one intake valve (input valve, valve at the input of the pump) and at least one exhaust valve (output valve, valve at the output of the pump) providing bidirectional operation allow the micropump.
  • the micropump is thus designed for bi-directional delivery of a pumping medium (medium to be delivered, liquid and / or gas).
  • the micropump is connected or equipped with a control unit.
  • the micropump is preferably a piezoelectric micromembrane pump.
  • the valves are preferably microvalves.
  • the pump preferably includes piezoelectric micro-diaphragm valves.
  • a bidirectional promotion of the pumping medium can be alternatively to the use of a bidirectionally operable micropump by an arrangement of two counter-connected unidirectional operating micropumps, which usually have passive valves (eg check valves) realize.
  • the desired conveying direction in the dosing unit is set and controlled by valves.
  • This means that unidirectionally operating micropumps with opposite direction of conveyance are alternatively used with the help of valves in the line path.
  • This variant of a bidirectionally operable dosing unit is less preferred than the use of bidirectionally operable micropumps.
  • the invention thus relates to a metering system with one or more metering units, which are bidirectionally operable.
  • the metering units are independently operable in a metering system.
  • the micropump is hereinafter referred to as a pump.
  • a pump micro diaphragm pumps are preferably used. However, it is also possible to use piston stroke pumps, gear pumps or other types of pumps available on the microscale.
  • two or more micropumps can be interconnected in a metering unit.
  • two or more micropumps are operated in parallel in a variant of the dosing unit.
  • the pump will be described using the example of a micro-diaphragm pump.
  • the pump has a base body with an input path or
  • Input channel and an output path or output channel In or on the base body, a conveyor or a moving element is arranged.
  • In the input channel is at least one input valve and in the output channel is arranged at least one output valve usually.
  • the main body of the pump is preferably made of one or more materials which are chemically resistant and biochemically and microbiologically inert.
  • materials are e.g. suitable plastics, ceramics, glass.
  • plastics in particular thermoplastics such as polycarbonate, polypropylene, PET, PBT, PPS, polyphenylsulfone, polyimide, PFA.
  • the main body of the pump is e.g. from a top and a
  • the main body contains at least one inlet valve and at least one outlet valve. These valves are included a diaphragm pump, for example, arranged in the region of the pump diaphragm or outside the region of the pump diaphragm.
  • Input valve and output valve are preferably active valves.
  • Active valves are valves that can be opened or closed by means of a control or a control signal.
  • controllable or switchable valves are, for example, solenoid valves, pneumatic or hydraulic valves, e.g. Diaphragm valves.
  • Piezoelectric micro-diaphragm valves have a piezoactuator coupled to a valve membrane, with which a channel or a conduit path is e.g. can be closed by a valve seat.
  • Active microvalves are e.g. in DE 19719862 A1, to which reference is hereby made.
  • input valve and output valve of a micropump are coupled.
  • input valve and output valve form a tandem valve in which the valves are alternately opened and closed. This is achieved, for example, by a rocking mechanism on valve bodies or valve flaps.
  • a coupling of the Ventiantriebes with the pump drive is advantageous.
  • the piezoelectric actuator of a piezo-membrane pump can also serve as a drive of input valve and output valve.
  • a bidirectional operation of the pump can also be constructed with passive micro-valves, for example by rotatably arranged check valves. That is, the pump's direction of flow can be adjusted by turning it through 180 ° of a check valve at the inlet and a check valve at the outlet of the pump.
  • the invention thus relates to a rotatable microvalve, in particular a rotatable check valve in micro construction.
  • rotatable valves can be mechanically coupled.
  • rotatable valves at the input and output of a pump may be mechanically coupled, such as via a common axis of rotation.
  • the direction of passage at the inlet and outlet of a pump can also by replacing the check valve by a counter-rotating Check valve to be changed.
  • slide which carries two juxtaposed counter-rotating check valves
  • the forward direction at the input or output of the pump can be changed.
  • slides can be mechanically coupled (eg slide at input and output of one pump or slide of several pumps at input or output of the pump).
  • the rotatable valves and the slides are moved, for example, by means of an electric motor or an electromagnet, which are usually controlled.
  • the pump is usually self-priming.
  • the pump is in
  • the pump is preferably controlled via a feedback such that a predetermined volume (setpoint), for example in the range of 10 to 1000 microliters, preferably 20 to 500 microliters, in particular 20 to 200 microliters, with high precision, generally with a Deviation from the setpoint of less than a microliter, is dosed.
  • setpoint for example in the range of 10 to 1000 microliters, preferably 20 to 500 microliters, in particular 20 to 200 microliters, with high precision, generally with a Deviation from the setpoint of less than a microliter.
  • the precision of the pump with calibration unit is independent in particular of the temperature, the viscosity and the surface tension of the medium to be metered.
  • a preferred embodiment of the dosing or the dosing unit contains at least one micro-diaphragm pump with piezoelectric drive having at least one active pump inlet valve and at least one active Pumpenauslouventil.
  • the dosing unit in a dosing system advantageously contains a calibration unit.
  • a metering system with a plurality of metering units, in particular a metering system for multiple, row-by-row or areal metering of samples or reagents or sample application.
  • the dosing system is particularly advantageous for sample or reagent dosing in so-called microtiter plates, arrangements of reaction vessels, sample containers, sample vessels, tubes, with flat carriers (with or without wells for a sample or reagent house; eg sample or reagent chip) or similar dosing tasks.
  • Very advantageous are dosing systems with a number of dosing units, which corresponds to the number of doses or dosing points.
  • the metering units of the metering system are arranged corresponding to the wells for receiving samples (wells or wells) of a microtiter plate.
  • the metering units of the metering system form, for example, an array (arrangement of rows).
  • a dosing unit typically comprises a sample feed (supply line, for example hose or channel) to the pump, a pump and a dosing line or discharge line.
  • the pump is equipped with a calibration unit.
  • the calibration unit is located directly at the pump outlet and leads directly to the outlet.
  • the discharge line or output channel of the pump and calibration unit are disconnected.
  • the calibration unit can be arranged for example in an additional, closable by a valve line at the pump outlet, which does not lead to the dosing but to a storage or waste container. It is possible to use a calibration unit for a plurality of metering units (less preferred).
  • the calibration unit comprises a measuring section with at least two measuring points, preferably three measuring points. At the measuring points are usually sensors.
  • the measuring section is a section of a conduit path with precise dimensions, for example a section of a channel or a capillary.
  • the measuring section has a defined and previously known volume.
  • the measuring path is used to detect the velocity of a volume element of the pumping medium during operation of the pump or the determination of the delivery rate of the pump under the given conditions.
  • the time at which the front of the pumping medium end of a liquid column, meniscus of the liquid
  • reaches the measuring points is generally measured. This is detected for example by means of light barriers at the measuring points.
  • the line path at the measuring section there are windows in the line path at the measuring section or it will be Cable path with transparent walls used.
  • Other sensors include conductivity probes, capacitance sensors or electrochemical sensors.
  • the determined measured values are evaluated in one unit.
  • an actual value eg, actual value of the delivery rate per unit time
  • the control unit regulates the power of the pump so that the setpoint is reached.
  • a measuring signal of the testing device is used to control or control the dosing process. For example, upon detection of foreign bodies or bubbles in a liquid to be dispensed, an alarm is triggered or a special control process is initiated at the affected dosing unit.
  • the surface of the conduit path and the pump in particular the inner surface and the surfaces which come into contact with the pumping medium, is advantageously modified.
  • Surface modification in the dosing system serves to reduce friction, improve cleanability and improve dosing.
  • the surface of the conduit path for the medium to be metered eg capillary made of plastic or glass
  • the surface is rendered hydrophobic, for example by a coating, in particular a fluorosilane coating.
  • a modification of the surface by creating or applying a surface structure having liquid-repellent properties, in particular a nanostructured surface, for example a surface with so-called lotus effect.
  • a surface modification by combined creation of a hydrophobic and nanostructured surface.
  • the detachment of a liquid drop at the end of a metering operation is advantageously assisted by a shaker, vibrator or mechanical means (e.g., beater).
  • the devices can be arranged in the area of the outgoing line or capillary.
  • Very vorteihaft is a version that shakes the whole dosing, vibrating or vibrated.
  • a preferably controllable vibrator for a temporary use is mounted on or in the dosing.
  • the delivery rate of a micropump with piezo drive can be adjusted by setting suitable parameters such as frequency, amplitude and shape (sine, rectangle, triangle, etc.) of the control signal or the voltage for the pump drive.
  • suitable parameters such as frequency, amplitude and shape (sine, rectangle, triangle, etc.) of the control signal or the voltage for the pump drive.
  • the adjustment of the delivery rate by means of a control and regulation is advantageously carried out during the metering operation.
  • the calibration unit is preferably arranged at the outlet of the pump.
  • the miniaturization of the pump allows the pump to be brought directly into the vicinity of the dosing and the way from the pump outlet to the output of the dosing unit can be made very small.
  • the preferred metering with at least one metering unit with at least one micropump and immediately subsequent calibration, in particular the Meßkapillare at the output of the medium to be dispensed, allows a minimization of the path for the medium to be metered and thus a reduction of the dead volume and the total volume of the metering in the dosing system. It can thereby the required minimum amount of the metered medium and the amount for the ongoing operation of the dosage can be significantly reduced, so the yield in the dosage can be increased, which is particularly interesting in the dosage of expensive reagents. Dosing errors and hose-related errors in the Dosages that are common in conventional dosing systems with long hoses do not occur.
  • the dosing system according to the invention is characterized by a high precision and reproducibility in the dosage.
  • several dosing units are arranged in one row or in several rows (array). This is advantageously done on a common carrier.
  • the microstructure allows the construction of a dosing head with a large number of independent dosing units in the smallest of spaces.
  • Dosing are used very advantageous in the dosing of liquids in microtiter plates.
  • the preferred dosing head for microtiter plates contains a dosing unit for each well of the microtiter plate.
  • the metering units are also suitable for suction of media, in particular liquids.
  • the dosing system can therefore be used advantageously for the filling and emptying of sample containers, in particular microtiter plates.
  • Fig. 1a highly simplified schematic of a piezoelectric
  • FIG. 1 b schematic representation of the pump of Fig. 1a during the suction of the medium (view in cross section),
  • FIG. 1c schematic representation of the pump of FIG. 1a during the ejection of the medium (view in cross section)
  • FIG. 2a is a simplified schematic diagram of a piezoelectric micromembrane pump in cross section with alternative arrangement of the valves,
  • FIG. 2b shows a schematic representation of the pump of FIG. 2a during the aspiration of the medium (view in cross section), FIG.
  • FIG. 2c schematic representation of the pump of FIG. 2a during the ejection of the medium (view in cross section)
  • FIG. 3 schematic representation of a metering unit with micropump and measuring capillary (view in cross section)
  • Fig. 4 schematic representation of a microvalve with slide
  • Fig. 5 schematic representation of a microvalve with rotatable core
  • Fig. 6 schematic representation of a micropump with slide
  • Fig. 7 schematic representation of a microvalve with valve flap
  • Fig. 8 schematic Illustration of a rotatable unidirectional micropump for bidirectional operation
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a microvalve with a rotatable non-return valve
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a metering system (metering head) with metering units with common base body and coupled valves of the metering units,
  • FIG. 11 schematic of a dosing head in section
  • FIG. 12 schematic of a dosing system for microtiter plates with obliquely arranged micropumps
  • FIG. 12 schematic of a dosing system for microtiter plates with obliquely arranged micropumps
  • Fig. 13 Schematic of a dosing system for microtiter plates with straight micropumps.
  • the piezoelectric diaphragm pump 1 shown in FIG. 1 a has a base body or housing 2 with a housing lower part 2 b and an upper housing part 2 a, an input channel 8, an output channel 11, pump inlet valve 6 and pump outlet valve 7, a pump membrane 4 and a piezoceramic disk 3 (piezoelectric actuator). on.
  • the micropump is similar in construction to the micropump described in DE 19720482 C5, to which reference is made, but differs in the type of valves used 6 and 7 and in the mode of operation. The illustration of the valves is greatly simplified and only symbolic.
  • the valves are active valves (microvalves), for example micromembrane valves, in particular magnetic, pneumatic, hydraulic or preferably piezoelectrically adjustable valves.
  • the main body 2 is usually made of one or more inert thermoplastics, such as polyphenylsulfone (PPSU).
  • PPSU polyphenylsulfone
  • the pump diaphragm consists for example of glass, ceramic or plastic.
  • the piezoelectric actuator 3 is fixed on the pump diaphragm 4. By deformation of the piezoelectric actuator 3, the pump diaphragm 4 is deflected, whereby an enlargement or reduction of the pump chamber volume is generated. In the position shown of piezoelectric actuator 3 and pump diaphragm 4 (fitting the base body 2), the pump chamber volume is reduced to a minimum.
  • the channels 8, 9, 10 and 11 serve as a path for the pumping medium.
  • Upper housing part 2a and lower housing part 2b are connected for example by gluing, welding or screwing
  • FIG. 1 b suction phase
  • FIG. 1c Fig. 1 c
  • the suction phase FIG. 1 b
  • the ejection phase FIG. 1 c
  • the curvature of the piezoactuator 3 is reduced. He moves to the top of the upper housing part 2a, whereby the pump chamber volume 5 is reduced. In this case, the controlled input valve 6 is closed and the controlled output valve 7 is opened.
  • Figs. 2a-c are analogous to Figs. 1a-c and differ in the
  • valves 6 and 7 next piezoelectric actuator 3 / pump diaphragm 4 are arranged in the upper housing part 2a, as well as the channels 8, 9, 10 and 11.
  • the valves 6 and 7 next piezoelectric actuator 3 / pump diaphragm 4 are arranged in the upper housing part 2a, as well as the channels 8, 9, 10 and 11.
  • Upper housing part 2a with the functional elements 3-11 could be arranged as a module one or more times on one or both sides of the lower housing part 2a, which now acts as a carrier. This enables space-saving multipump systems with one or two rows of pumps on one carrier. By combining several such carriers with rows of pumps, it is possible to realize arrays (series of rows) of pumps.
  • FIG. 3 shows a simplified example of a
  • Dosing unit (view in cross section).
  • the dosing unit comprises a conduit 16 (e.g., duct, tube, capillary, tube) for supplying the pumping medium to the pump 1 and a conduit 12 located at the outlet of the pump 1.
  • conduit 16 e.g., duct, tube, capillary, tube
  • conduit 12 located at the outlet of the pump 1.
  • line 12 is contained as a separate part (for example capillary with measuring points 13, 14, 15 or sensors) or integrated a calibration device or calibration unit.
  • the pumping medium exits at the line end 17.
  • the line end 17 is preferably part of a measuring capillary or a measuring channel 12.
  • the preferred method for calibrating the pump 1 will be explained with reference to FIG.
  • the calibration procedure requires a bi-directional pump.
  • the calibration takes place during the operation of a metering unit with the pumping medium to be metered and is preferably automated.
  • the calibration is a route with defined dimensions in a line 12, which is preferably arranged at the output of the pump 1.
  • a measuring path is advantageously a capillary (eg glass or plastic) used.
  • the capillary extends advantageously over the entire or almost entire conduction path 12.
  • the measuring section must be emptied of the pumping medium, usually a liquid, in particular an aqueous sample with organic constituents, up to the measuring point 14.
  • the pumping medium usually a liquid, in particular an aqueous sample with organic constituents
  • This emptied state of the line 12 is either already (eg at the beginning with deflated dosing unit) or is achieved by means of the pump 1 and corresponding control of the valves 6, 7 by conveying the pumping medium to the measuring point 14.
  • the actual measuring path for calibration is between the measuring points 14 and 15. After the pumping medium was brought in front of the measuring point 14 in a first step, the pump 1 is put into operation in a second step.
  • This operating state of the pump 1 corresponds to the operation during the dosing process.
  • the pump 1 is usually stopped.
  • the times of passage of the pumping medium or the pumping medium front (usually a liquid meniscus in the capillary) at the measuring points 14 and 15 are detected. This is done, for example, using sensors such as photoelectric sensors, conductivity sensors or capacitance sensors.
  • the delivery rate or the delivery volume per unit time and thus the pump delivery rate is determined by an evaluation unit which is part of a control unit, for example. This evaluation provides an actual value for the pump power.
  • the determined actual value is compared in a control unit with a desired value in accordance with the desired metering quantity or the desired metering volume and the pump power is adjusted by the controller.
  • the pump power is adjusted by the controller.
  • the piezo diaphragm pump used, for example by adaptation of frequency, amplitude and / or waveform such as sine, square, triangular shape of the voltage to supply the piezoelectric actuator the pump.
  • the pump is optimally adjusted to the medium to be dosed.
  • the pump or the precision of the pump is thus independent of the temperature, the viscosity and / or the surface tension of the pumping medium.
  • the metering of a medium such as a liquid is done with the help of the calibration with high precision.
  • Calibration based on bi-directional operation of the pump provides greater precision of fluid metering than with a unidirectional pump.
  • the bidirectionality of the pump allows retraction of the pumping medium from the discharge end 17 after each metering step, whereby dripping of the pumping medium can be prevented very effectively. For this purpose, a slight withdrawal of the pumping medium from the outlet end 17 is generally sufficient.
  • the pumps can be automatically cleaned by backwashing.
  • Dosage units e.g. combined in a dosing head.
  • the pumps are thus set or maintained during the metering operation to a uniform setpoint. This compensates for the usual deviations in the operating characteristics of the piezo actuators of the pumps.
  • a device or a sensor for the detection of foreign bodies or bubbles in the pumping medium is advantageously arranged in the region of the calibration unit on the line 12 or integrated in the calibration unit.
  • one or more measuring points 13, 14, 15 of the calibration unit are also used for the detection of foreign bodies or bubbles.
  • the calibration unit with at the measuring points 13, 14, 15 arranged
  • Sensors can thus be used not only for calibrating the flow rate of the pump 1, independent of external parameters such as temperature and independent of the properties of the pumped medium, but also for monitoring or monitoring the flow of the pumping medium.
  • Length and lumen of the capillary preferably used in the region of the measuring section with the measuring points 13, 14, 15 are designed for the requirements of precision and delivery volume range.
  • the output line 12 is usually short. Typically, the length of the exit conduit 12 is less than 10 cm, typically less than 5 cm. The length depends essentially on the length of the measuring section of the calibration unit, which depends on the desired measurement accuracy.
  • the surfaces of the conduits 12, 16, the pump 1 and the outlet 17 which come into contact with the pumping medium are preferably surface-modified, e.g. hydrophobized and / or nanostructured (especially surface with lotus effect). This has advantages for the promotion of the pumping medium, for the cleaning of the dosing unit and the droplet detachment at the outlet opening 17 during the metering.
  • the detachment of liquid droplets at the outlet opening 17 is advantageously assisted by a device which causes the end of the line 12 to vibrate, leads to an abrupt rash of the line end or abuts the line end.
  • the precision of the dosage can be increased by means of such a device.
  • FIG. 4 is an example of serving as a valve shifter (slide 18 with passage openings 20, 20 ') in cross section.
  • a movable slide 18 with one or two or more passage openings 20, 20 ' serves to one or two or more lines 8, 8' (eg pump channels) to close or open, depending on the position of the slide 18.
  • the Conduits 8 and 8 'in a coupled manner with the aid of the slide 18 is closed or opened.
  • the passage in conduit 8 eg, pump input port
  • the passage in conduit 8 '(eg, pump exit port) is released.
  • the passage in the conduit 8 can be opened while the passage in the conduit 8 'is closed.
  • the slider 18 is usually by a drive (eg electric motor or Electromagnet) adjusted. This is preferably done by means of a controller. Particularly advantageous is a coupling of the slider 18 (when used as opening and closing mechanism of the pump inlet channel and pump outlet channel) with the piezoelectric actuator of the pump 1 as a drive. This allows the valve functions at the pump inlet and pump outlet to be directly synchronized with the pumping process. This is shown using the example of FIG. 6.
  • a drive eg electric motor or Electromagnet
  • Fig. 5 shows a microvalve with a rotatable core 19 with a
  • a pump 1 with slide 18 (suction) is shown.
  • an enlarged pump chamber volume 5 wherein at the position of the slide 18, the channels 8 and 9 are connected to the input of the pump 1 and the passage between the channels 10 and 11 at the output the pump 1 is interrupted.
  • the flow direction of the pumping medium is represented by an arrow in the input channel 8.
  • the slide 18 is brought into a position in which the channel 9 is closed and the channel 10 is open.
  • the adjustment of the slider 18 is coupled to the deflection of the piezoelectric actuator 3.
  • the entire, correspondingly adapted housing lower part 2b is moved to alternately close or open the pump inlet channel 8, 9 and pump outlet channel 10, 11.
  • valve flap 21 is adjusted between the line paths 8, 8 '.
  • Various switching states are shown in the left and right part of the figure.
  • the valve flap 21 is e.g. Magnetically or adjusted by means of a drive.
  • Fig. 8 shows a simplified representation of the structure of a bidirectionally operating micropump by rotation of a unidirectional operating Micropump 1 with the passive valves 6 and 7, wherein the position of the valves with respect to the connecting lines 12 and 16 is reversed. Shown are the switching states a and b, which merge by rotation of the pump 1 by 180 ° into each other.
  • a sliding device as an alternative to the rotation of the pump is also possible.
  • a rotating device 19 is shown with integrated check valve 6 in the line 8 in the switching states a and b.
  • the rotating device 19 is, for example, a rotary core with a passage in which a check valve 6 is arranged.
  • the check valve 6 is reversed in the line 8.
  • the rotation of the rotator 19 is e.g. with the usual drives and is usually controlled.
  • Fig. 10 shows as an example a metering system 22 with the pumps 1, V, 1 "and 1" '.
  • a slider 18 is provided with through holes having check valves with changing passage direction. Depending on the position of the slide, a certain forward direction is set at the pump inputs to the supply lines 16.
  • a rotating device 19 with check valves ensures at the pump outputs to the lines 12 for a particular forward direction.
  • turning device 19 and sliding device 18 are shown united. This is for explanation. In practice, the metering system 22 will only have one way of adjusting the direction of passage at the pump inlet and pump outlet.
  • FIGS. 4 to 10 illustrate that multiple valves may be coupled. They can be connected to each other in such a way that only one drive is necessary.
  • inlet and outlet valves are alternately open or closed for a pump, this can be represented by a shuttle valve which is controlled pneumatically, mechanically, electromechanically, by a separate piezoactuator or by the pump drive.
  • the shuttle valve can be switched linearly (FIG. 4), by rotation (FIG. 5) or by folding over (FIG. 7).
  • outlet and inlet immediately next to each other is particularly favorable for the application of a shuttle valve while saving space.
  • Valves whose pump body (with the valves) is rotatably mounted. As a result, the pumping direction is also reversible (FIG. 8).
  • Multi-way cock multiple inlet and / or outlet channels interconnect.
  • Fig. 11 shows a metering system 22 with two metering units, each with a pump 1, the supply line 16, an active input valve 6, an active output valve 7, a control electronics 24 for valves and pump drive, power supply 25, a control line 26, a light guide 27 and 28 and a calibration unit with the measuring points 13, 14, 15 on the output line 12.
  • a measuring path is preferably a capillary or a part of a capillary. With an inner diameter of 0.2mm and a length of 20mm results in a test volume of 2.5 ⁇ l. The delivery rate of the pump 1 results from the determined time duration, which is needed to fill the test volume. Depending on the power of the pump and the desired precision, the length of the test track or the test volume can be adjusted.
  • the capillary is used as output line 12. That is, the capillary is connected directly to the pump outlet.
  • the length of the capillary from the pump outlet to the outlet opening 17 is generally in the range of 10 to 40 mm, in particular in the range of 20 to 30 mm.
  • the optical fiber 27 serve as a light transmitter and the optical fiber 28 as a receiver.
  • a portion of the light guides 27 and 28 is arranged along the capillary or the measuring path on opposite sides of the transparent capillary. Both light guides 27, 28 carry notches or openings at the measuring points 13, 14, 15.
  • In the Optical fiber 27 is fed, for example, white light.
  • the optical waveguide 28 which, like the transmitting optical waveguide 27, carries corresponding filters at the measuring points, serves as a receiver and is connected to a light sensor.
  • the measuring arrangement of the calibration unit in the form of light barriers can be built in this way space saving. Alternatively, individual miniaturized light barriers can be used at the measuring points 13, 14, 15.
  • the calibration is preferably carried out automatically, for example with the aid of a controller for the dosing unit.
  • An exchangeable connection plate 23 allows easy replacement of the dosing head 22.
  • the pumps 1 e.g. have a common pump body or are arranged as individual pumps on a support.
  • the arrows marked a and b indicate a cut surface, as shown in the following figures.
  • the preferred dosing head 22 is designed for 96-well microtiter plates.
  • a dosing head for larger microtiter plates e.g., 384, 1536, 6144 wells or wells
  • the dosing head is suitable for all microtiter plates with fewer wells than those for which the dosing head is designed.
  • the dosing head integrates micropumps into a unit on the surface of a microtiter plate (eg 8.5x12.5 cm).
  • the pumps are advantageously arranged in layers in diagonal-vertical planes (see FIG. 12).
  • the pumps are sufficient in the version described here a width of about 13mm.
  • the pump housings are manufactured inexpensively, for example, in injection molding technology from plastic and assembled in layers. Membranes, capillaries, optics and electrical connections are inserted in the individual levels, as far as they are not already part of the molded part.
  • the finished dosing head housing is connected via a plug connection with the control and evaluation electronics.
  • Supply line (s) for the pumped medium are connected via an exchangeable plate 23 with the dosing head 22, so that in the preferred Dosing head 22 either 1 to 96 different media can be dosed or promoted at the same time.
  • the dosing head 22 can operate each dosing unit separately with a separate medium and its own delivery volume.
  • the pumps 1 in the dosing head 22 are located directly above the microtiter plate 29 to be filled.
  • the pumps 1 are ideally arranged at the same height. This can be deviated from lack of space.
  • the dosing head 22 itself can be positioned above the microtiter plate as desired (3-axis controllable mount). It is also possible that the dosing head with the cannulas (lines 12) dips into the wells 30 of the microtiter plate 29 or moves synchronously to the filling level.
  • the dosing head 22 is used for coating microtiter plates 29. Simplified, to coat a microtiter plate 29, the cavities 29 are filled with a solution containing the chemical for a coating. After an incubation period, during which the chemical docks to the plate surface, the supernatant, the solvent, is removed. This can be realized with the dispensing head (dosing head 22) without retooling by dipping the dosing head 22 with the cannulas (lines 12) into the wells 30 after the precise dosing and sucks the solvent.
  • the dosing head 22 is used here for filling and emptying of microtiter plates.
  • a complete Dispensier réelle (Dispensiermodul) carries the dosing head 22, the interface to the controller, a reading station to uniquely identify the microtiter plate, the air-conditioned master chamber with swivel table, supply of cleaning solutions and a vessel for spent rinse solution. All processes are monitored by sensors, the filling of the microtiter plate is carried out according to predetermined parameters automatically with a performance of about 2000 microtiter plates per hour (1 OO ⁇ l water per well). This is followed by automatic cleaning of the wetted parts.
  • Fig. 12 shows the arrangement of individual micropumps 1 over one
  • FIG. 13 shows a corresponding metering system with micropumps 1 arranged just in relation to the edges of the microtiter plate 29.
  • FIGS. 12 and 13 illustrate that the metering system or the metering head with the metering units can be adapted to the dimensions of the microtiter plate and has a base surface comparable in size.
  • the micropumps 1 are used very close to the microtiter plate 29.

Abstract

The invention relates to a metering system 22 having at least one bidirectionally operating micropump 1 or an arrangement having at least one micropump 1 allowing a bidirectional pump operation, used for filling and emptying microtiter plates. Each micropump 1 is advantageously associated with a calibration unit.

Description

Beschreibung description
Mikrodosiersystemmicro-dosing system
[0001] Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem mit mindestens einer Mikropumpe, ein Verfahren zum Betrieb eines Dosiersystems mit einer Kalibriereinheit und die Verwendung einer Mikropumpe insbesondere in einem Dosiersystem.The invention relates to a metering system with at least one micropump, a method for operating a metering system with a calibration unit and the use of a micropump, in particular in a metering system.
[0002] Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Mikropumpen. Verbreitet sind Mikromembranpumpen, die beispielsweise einen elektromagnetischen, piezoelektrischen, thermischen oder elektrostatischen Antrieb aufweisen. Die Pumpenkörper bestehen z.B. aus Silizium oder Kunststoff.There is a large number of different micropumps. Micromembrane pumps are widely used which have, for example, an electromagnetic, piezoelectric, thermal or electrostatic drive. The pump bodies are made e.g. made of silicon or plastic.
[0003] Mikropumpen, insbesondere Mikromembranpumpen, und deren Aufbau und Funktionsweise werden z.B. in der DE 19719862 A1 , DE 19720482 C5 und DE 10360709 A1 beschrieben.Micropumps, in particular micromembrane pumps, and their construction and operation are e.g. in DE 19719862 A1, DE 19720482 C5 and DE 10360709 A1.
[0004] Es gibt verschiedene Varianten von piezoelektrisch angetriebenen Mikromembranpumpen, die mit aktiven Ventilen, mit passiven Rückschlagventilen oder ventillos arbeiten.There are several variants of piezoelectrically driven micromembrane pumps that work with active valves, with passive check valves or valveless.
[0005] Die bekannten Mikromembranpumpen werden unidirektional betrieben. Die Förderleistung unterscheidet sich von Mikropumpe zu Mikropumpe sehr stark.The known micromembrane pumps are operated unidirectionally. The delivery rate differs greatly from micropump to micropump.
[0006] Zur Befüllung von Mikrotiterplatten mit Proben bzw. zur Dosierung von Proben in die Kammern (Wells oder Kavitäten) von Mikrotiterplatten sind multiple Kolbenhubpipetten gebräuchlich. Andere Dosiersysteme verwenden übliche Pumpen, z.B. peristaltische Pumpen, die vom Dosierort entfernt sind und die Proben über Schläuche den Kavitäten der Mikrotiterplatten zugeführt werden. In der Regel sind die Schläuche in einer Reihe angeordnet. Mikropumpen werden bisher für solche Dosiersysteme nicht eingesetzt.For filling of microtiter plates with samples or for the metering of samples in the chambers (wells or wells) of microtiter plates multiple Kolbenhubpipetten are in use. Other metering systems use conventional pumps, e.g. Peristaltic pumps, which are removed from the dosing site and the samples are supplied via hoses to the wells of the microtiter plates. As a rule, the hoses are arranged in a row. Micropumps are not used for such dosing systems so far.
[0007] Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines alternativen Dosiersystems für präzise Dosierungen eines Mediums. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein alternatives Dosiersystem mit mehreren Dosiereinrichtungen bereit zu stellen.The object of the invention is to provide an alternative dosing system for precise doses of a medium. Another object is to provide an alternative metering system with multiple metering devices.
[0008] Gelöst wurde die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. [0009] Das Dosiersystem gemäß der Erfindung enthält mindestens eineThe problem is solved by the subject matter of the independent claims. The metering system according to the invention contains at least one
Mikropumpe, Die Mikropumpe oder Mikropumpen des Dosiersystems sind im Allgemeinen im Bereich oder in der Nähe der Austrittsöffnung für das zu dosierende Medium, also bei der Dosierung in der Nähe des Dosierortes, angeordnet. Das Dosiersystem enthält vorzugsweise mindestens eine bidirektional arbeitende Mikropumpe. Die Mikropumpe ist in der Regel Teil einer Dosiereinheit. Alternativ zur bidirektional arbeitenden Mikropumpe können zwei unidirektional arbeitende Mikropumpen so verschaltet werden, dass sich ein bidirektionaler Betrieb ergibt.The micropump, the micropump or micropumps of the metering system are generally arranged in the region or in the vicinity of the outlet for the medium to be metered, that is to say in the case of metering in the vicinity of the metering location. The metering system preferably contains at least one bidirectionally operating micropump. The micropump is usually part of a dosing unit. As an alternative to the bidirectionally operating micropump, two unidirectionally operating micropumps can be connected in such a way that bidirectional operation results.
[0010] Der Mikropumpe ist vorteilhaft mindestens ein aktives Einlaßventil und mindestens ein aktives Auslaßventil zugeordnet oder sie enthält mindestens ein Einlaßventil (Eingangsventil, Ventil am Eingang der Pumpe) und mindestens ein Auslaßventil (Ausgangsventil, Ventil am Ausgang der Pumpe), die einen bidirektionalen Betrieb der Mikropumpe erlauben. Die Mikropumpe ist damit für eine bidirektionale Förderung eines Pumpmediums (zu förderndes Medium; Flüssigkeit und/oder Gas) ausgelegt. Vorteilhaft ist die Mikropumpe mit einer Steuereinheit verbunden oder ausgestattet. Die Mikropumpe ist vorzugsweise eine piezoelektrische Mikromembranpumpe. Die Ventile sind vorzugsweise Mikroventile. Die Pumpe enthält vorzugsweise piezoelektrische Mikromembranventile.The micropump is advantageously associated with at least one active intake valve and at least one active exhaust valve, or it includes at least one intake valve (input valve, valve at the input of the pump) and at least one exhaust valve (output valve, valve at the output of the pump) providing bidirectional operation allow the micropump. The micropump is thus designed for bi-directional delivery of a pumping medium (medium to be delivered, liquid and / or gas). Advantageously, the micropump is connected or equipped with a control unit. The micropump is preferably a piezoelectric micromembrane pump. The valves are preferably microvalves. The pump preferably includes piezoelectric micro-diaphragm valves.
[0011] Eine bidirektionale Förderung des Pumpmediums läßt sich alternativ zu dem Einsatz einer bidirektional betreibbaren Mikropumpe durch eine Anordnung zweier gegenläufig verschalteter unidirektional arbeitender Mikropumpen, die gewöhnlich passive Ventile (z.B. Rückschlagventile) aufweisen, realisieren. Die gewünschte Förderrichtung in der Dosiereinheit wird dabei über Ventile eingestellt und gesteuert. Das heißt unidirektional arbeitende Mikropumpen mit gegenläufiger Förderrichtung werden mit Hilfe von Ventilen im Leitungsweg alternativ eingesetzt. Diese Variante einer bidirektional betreibbaren Dosiereinheit ist gegenüber dem Einsatz von bidirektional betreibbaren Mikropumpen weniger bevorzugt. [0012] Gegenstand der Erfindung ist somit ein Dosiersystem mit einer oder mehreren Dosiereinheiten, die bidirektional betreibbar sind. Vorzugsweise sind die Dosiereinheiten in einem Dosiersystem unabhängig betreibbar.A bidirectional promotion of the pumping medium can be alternatively to the use of a bidirectionally operable micropump by an arrangement of two counter-connected unidirectional operating micropumps, which usually have passive valves (eg check valves) realize. The desired conveying direction in the dosing unit is set and controlled by valves. This means that unidirectionally operating micropumps with opposite direction of conveyance are alternatively used with the help of valves in the line path. This variant of a bidirectionally operable dosing unit is less preferred than the use of bidirectionally operable micropumps. The invention thus relates to a metering system with one or more metering units, which are bidirectionally operable. Preferably, the metering units are independently operable in a metering system.
[0013] Der prinzipielle Aufbau einer piezoelektrischen Mikromembranpumpe, allerdings mit passiven Ventilen für unidirektionalen Betrieb, ist in der DE 19719862 A1 beschrieben, worauf hiermit Bezug genommen wird.The basic structure of a piezoelectric micromembrane pump, but with passive valves for unidirectional operation, is described in DE 19719862 A1, to which reference is hereby made.
[0014] Die Mikropumpe wird im Folgenden als Pumpe bezeichnet.The micropump is hereinafter referred to as a pump.
[0015] Als Pumpe werden vorzugsweise Mikromembranpumpen eingesetzt. Es können aber auch Kolbenhubpumpen, Zahnradpumpen oder andere im Mikromaßstab verfügbare Pumpentypen eingesetzt werden.As a pump micro diaphragm pumps are preferably used. However, it is also possible to use piston stroke pumps, gear pumps or other types of pumps available on the microscale.
[0016] Zur Erhöhung der Förderleistung können zwei oder mehrere Mikropumpen in einer Dosiereinheit zusammengeschaltet werden. Beispielsweise werden zwei oder mehrere Mikropumpen in einer Variante der Dosiereinheit parallel betrieben.To increase the delivery rate, two or more micropumps can be interconnected in a metering unit. For example, two or more micropumps are operated in parallel in a variant of the dosing unit.
[0017] Die Pumpe wird am Beispiel einer Mikromembranpumpe beschrieben.The pump will be described using the example of a micro-diaphragm pump.
[0018] Die Pumpe weist einen Grundkörper mit einem Eingangsweg oderThe pump has a base body with an input path or
Eingangskanal und einem Ausgangsweg oder Ausgangskanal auf. Im oder am Grundkörper ist eine Fördereinrichtung oder ein Bewegungselement angeordnet. In dem Eingangskanal ist mindestens ein Eingangsventil und in dem Ausgangskanal ist in der Regel mindestens ein Ausgangsventil angeordnet.Input channel and an output path or output channel. In or on the base body, a conveyor or a moving element is arranged. In the input channel is at least one input valve and in the output channel is arranged at least one output valve usually.
[0019] Der Grundkörper der Pumpe ist vorzugsweise aus einem oder mehreren Materialien, die chemisch resistent und biochemisch und mikrobiologisch inert sind. Solche Materialien sind z.B. geeignete Kunststoffe, Keramik, Glas. Verwendet werden vorteilhaft Kunststoffe, insbesondere thermoplastische Kunststoffe wie Polycarbonat, Polypropylen, PET, PBT, PPS, Polyphenylsulfon, Polyimid, PFA.The main body of the pump is preferably made of one or more materials which are chemically resistant and biochemically and microbiologically inert. Such materials are e.g. suitable plastics, ceramics, glass. It is advantageous to use plastics, in particular thermoplastics such as polycarbonate, polypropylene, PET, PBT, PPS, polyphenylsulfone, polyimide, PFA.
[0020] Der Grundkörper der Pumpe ist z.B. aus einem Oberteil und einemThe main body of the pump is e.g. from a top and a
Unterteil aufgebaut, z.B. eine obere und untere Platte, die Kanäle für das zu dosierende Medium (Pumpmedium) und als Träger für Funktionselemente wie Pumpenmembran und Bewegungselement (z.B. Piezoaktor). In der Regel enthält der Grundkörper mindestens ein Einlaßventil und mindestens ein Auslaßventil. Diese Ventile werden bei einer Membran pumpe z.B. im Bereich der Pumpenmembran oder außerhalb des Bereiches der Pumpenmembran angeordnet.Lower part constructed, for example, an upper and lower plate, the channels for the medium to be metered (pumping medium) and as a support for functional elements such as pump diaphragm and moving element (eg piezoelectric actuator). As a rule, the main body contains at least one inlet valve and at least one outlet valve. These valves are included a diaphragm pump, for example, arranged in the region of the pump diaphragm or outside the region of the pump diaphragm.
[0021] Eingangsventil und Ausgangsventil sind vorzugsweise aktive Ventile. Aktive Ventile sind Ventile, die anhand einer Steuerung oder eines Steuersignales geöffnet oder geschlossen werden können. Solche ansteuerbaren oder schaltbaren Ventile sind beispielsweise Magnetventile, pneumatische oder hydraulische Ventile, z.B. Membranventile.Input valve and output valve are preferably active valves. Active valves are valves that can be opened or closed by means of a control or a control signal. Such controllable or switchable valves are, for example, solenoid valves, pneumatic or hydraulic valves, e.g. Diaphragm valves.
[0022] Piezoelektrische Mikromembranventile weisen einen Piezoaktor auf der an eine Ventilmembran gekoppelt ist, mit der ein Kanal oder ein Leitungsweg z.B. über einen Ventilsitz geschlossen werden kann. Aktive Mikroventile sind z.B. in der DE 19719862 A1 beschrieben, worauf hiermit Bezug genommen wird.Piezoelectric micro-diaphragm valves have a piezoactuator coupled to a valve membrane, with which a channel or a conduit path is e.g. can be closed by a valve seat. Active microvalves are e.g. in DE 19719862 A1, to which reference is hereby made.
[0023] Vorteilhaft sind Eingangsventil und Ausgangsventil einer Mikropumpe gekoppelt. Insbesondere bilden Eingangsventil und Ausgangsventil ein Tandem-Ventil, bei dem die Ventile wechselweise geöffnet und geschlossen werden. Dies wird beispielsweise durch einen Wipp- Mechanismus an Ventilkörpern oder Ventilklappen erreicht. Ferner ist eine Kopplung des Ventiantriebes mit dem Pumpenantrieb vorteilhaft. Z.B. kann der Piezoaktor einer Piezomembranpumpe auch als Antrieb von Eingangsventil und Ausgangsventil dienen.Advantageously, input valve and output valve of a micropump are coupled. In particular, input valve and output valve form a tandem valve in which the valves are alternately opened and closed. This is achieved, for example, by a rocking mechanism on valve bodies or valve flaps. Furthermore, a coupling of the Ventiantriebes with the pump drive is advantageous. For example, The piezoelectric actuator of a piezo-membrane pump can also serve as a drive of input valve and output valve.
[0024] Ein bidirektionaler Betrieb der Pumpe läßt sich auch mit passiven Mikroventilen aufbauen, beispielsweise durch drehbar angeordnete Rückschlagventile. Das heißt die Förderrichtung der Pumpe kann durch Drehung um 180° eines Rückschlagventiles an Eingang und eines Rückschlagventiles am Ausgang der Pumpe verstellt werden. Gegenstand der Erfindung ist somit ein drehbares Mikroventil, insbesonderes ein drehbares Rückschlagventil in Mikrobauweise. Vorteilhaft können drehbare Ventile mechanisch gekoppelt sein. Beispielsweise können drehbare Ventile am Eingang und Ausgang einer Pumpe mechanisch gekoppelt sein, etwa über eine gemeinsame Drehachse. Die Durchlaßrichtung an Eingang und Ausgang einer Pumpe kann auch durch Austausch des Rückschlagventils durch ein gegenläufig arbeitendes Rückschlagventil verändert werden. Beispielsweise kann mit einer Art Schieber, der zwei nebeneinander angeordnete gegenläufig arbeitende Rückschlagventile trägt, durch Änderung der Position des Schiebers die Durchlaßrichtung am Eingang oder Ausgang der Pumpe geändert werden. Mehrere Schieber können mechanisch gekoppelt sein (z.B. Schieber an Eingang und Ausgang einer Pumpe oder Schieber mehrerer Pumpen an Eingang oder Ausgang der Pumpe). Die drehbaren Ventile und die Schieber werden z.B. mit Hilfe eines Elektromotors oder eines Elektromagnetes bewegt, die in der Regel gesteuert werden.A bidirectional operation of the pump can also be constructed with passive micro-valves, for example by rotatably arranged check valves. That is, the pump's direction of flow can be adjusted by turning it through 180 ° of a check valve at the inlet and a check valve at the outlet of the pump. The invention thus relates to a rotatable microvalve, in particular a rotatable check valve in micro construction. Advantageously, rotatable valves can be mechanically coupled. For example, rotatable valves at the input and output of a pump may be mechanically coupled, such as via a common axis of rotation. The direction of passage at the inlet and outlet of a pump can also by replacing the check valve by a counter-rotating Check valve to be changed. For example, with a kind of slide, which carries two juxtaposed counter-rotating check valves, by changing the position of the slide, the forward direction at the input or output of the pump can be changed. Several slides can be mechanically coupled (eg slide at input and output of one pump or slide of several pumps at input or output of the pump). The rotatable valves and the slides are moved, for example, by means of an electric motor or an electromagnet, which are usually controlled.
[0025] Die Pumpe ist in der Regel selbstansaugend. Die Pumpe ist imThe pump is usually self-priming. The pump is in
Allgemeinen zur Förderung von Flüssigkeiten und Gasen geeignet.Generally suitable for the conveyance of liquids and gases.
[0026] Die Pumpe wird vorzugsweise über eine Rückkopplung derart gesteuert, dass ein vorgegebenes Volumen (Sollwert), beispielsweise im Bereich von 10 bis 1000 Mikroliter, vorzugsweise 20 bis 500 Mikroliter, insbesondere 20 bis 200 Mikroliter, mit hoher Präzision, im allgemeinen mit einer Abweichung vom Sollwert von weniger als einem Mikroliter, dosiert wird. Dies wird durch den Einsatz einer Kalibriereinheit und einer Steuer- und Regeleinheit erreicht, die noch erläutert werden.The pump is preferably controlled via a feedback such that a predetermined volume (setpoint), for example in the range of 10 to 1000 microliters, preferably 20 to 500 microliters, in particular 20 to 200 microliters, with high precision, generally with a Deviation from the setpoint of less than a microliter, is dosed. This is achieved by the use of a calibration unit and a control unit, which will be explained.
[0027] Die Präzision der Pumpe mit Kalibriereinheit ist unabhängig insbesondere von der Temperatur, der Viskosität und der Oberflächenspannung des zu dosierenden Mediums.The precision of the pump with calibration unit is independent in particular of the temperature, the viscosity and the surface tension of the medium to be metered.
[0028] Eine bevorzugte Ausführung des Dosiersystems bzw. der Dosiereinheit enthält mindestens eine Mikromembranpumpe mit piezoelektrischem Antrieb, die mindestens ein aktives Pumpeneinlaßventil und mindestens ein aktives Pumpenauslaßventil aufweist. Die Dosiereinheit in einem Dosiersystem enthält vorteilhaft eine Kalibriereinheit.A preferred embodiment of the dosing or the dosing unit contains at least one micro-diaphragm pump with piezoelectric drive having at least one active pump inlet valve and at least one active Pumpenauslaßventil. The dosing unit in a dosing system advantageously contains a calibration unit.
[0029] Bevorzugt ist ein Dosiersystem mit mehreren Dosiereinheiten, insbesondere ein Dosiersystem für mehrfache, reihenweise oder flächenhafte Dosierungen von Proben oder Reagenzien oder Probenauftrag. Das Dosiersystem ist besonders vorteilhaft zur Probenoder Reagenzdosierung bei so genannten Mikrotiterplatten, Anordnungen von Reaktionsgefäßen, Probenbehältern, Probengefäßen, Röhrchen, bei flachen Trägern (mit oder ohne Vertiefungen für eine Proben- oder Reagenzaufnahme; z.B. Proben- oder Reagenz-Chip) oder ähnlichen Dosieraufgaben. Sehr vorteilhaft sind Dosiersysteme mit einer Anzahl von Dosiereinheiten, die der Anzahl der Dosierungen oder Dosierpunkte entspricht. Beispielsweise sind die Dosiereinheiten des Dosiersystems entsprechend den Vertiefungen zur Aufnahme von Proben (Kavitäten oder Wells) einer Mikrotiterplatte angeordnet. Die Dosiereinheiten des Dosiersystems bilden z.B. ein Array (Anordnung von Reihen).Preference is given to a metering system with a plurality of metering units, in particular a metering system for multiple, row-by-row or areal metering of samples or reagents or sample application. The dosing system is particularly advantageous for sample or reagent dosing in so-called microtiter plates, arrangements of reaction vessels, sample containers, sample vessels, tubes, with flat carriers (with or without wells for a sample or reagent house; eg sample or reagent chip) or similar dosing tasks. Very advantageous are dosing systems with a number of dosing units, which corresponds to the number of doses or dosing points. For example, the metering units of the metering system are arranged corresponding to the wells for receiving samples (wells or wells) of a microtiter plate. The metering units of the metering system form, for example, an array (arrangement of rows).
[0030] Eine Dosiereinheit umfasst in der Regel eine Probenzuführung (Zuleitung, z.B. Schlauch oder Kanal) zur Pumpe, eine Pumpe und eine Dosierleitung oder Abgabeleitung. Vorteilhaft ist die Pumpe mit einer Kalibriereinheit ausgestattet. Typischerweise ist die Kalibriereinheit direkt am Pumpenausgang angeordnet und führt direkt zur Austrittsöffnung. Bei einer alternativen Bauweise sind Austrittsleitung oder Ausgangskanal der Pumpe und Kalibriereinheit getrennt. Die Kalibriereinheit kann beispielsweise in einer zusätzlichen, mittels eines Ventils verschließbaren Leitung am Pumpenausgang angeordnet werden, die nicht zum Dosierort sondern zu einem Vorrats- oder Abfallbehälter führt. Es kann eine Kalibriereinheit für mehrere Dosiereinheiten eingesetzt werden (weniger bevorzugt).A dosing unit typically comprises a sample feed (supply line, for example hose or channel) to the pump, a pump and a dosing line or discharge line. Advantageously, the pump is equipped with a calibration unit. Typically, the calibration unit is located directly at the pump outlet and leads directly to the outlet. In an alternative design, the discharge line or output channel of the pump and calibration unit are disconnected. The calibration unit can be arranged for example in an additional, closable by a valve line at the pump outlet, which does not lead to the dosing but to a storage or waste container. It is possible to use a calibration unit for a plurality of metering units (less preferred).
[0031] Die Kalibriereinheit umfaßt eine Meßstrecke mit mindestens zwei Meßpunkten, vorzugsweise drei Meßpunkten. An den Meßpunkten befinden sich in der Regel Sensoren. Die Meßstrecke ist ein Abschnitt eines Leitungsweges mit präzisen Abmessungen, beispielsweise ein Abschnitt eines Kanals oder einer Kapillare. Die Meßstrecke hat ein definiertes und vorbekanntes Volumen. Die Meßstrecke dient zur Erfassung der Geschwindigkeit eines Volumenelementes des Pumpmediums bei Betrieb der Pumpe bzw. der Bestimmung der Förderleistung der Pumpe unter den gegebenen Bedingungen. Gemessen werden bei einer Flüssigkeit als Pumpmedium in der Regel der Zeitpunkt, in dem die Front des Pumpmediums (Ende einer Flüssigkeitssäule, Meniskus der Flüssigkeit) die Meßpunkte erreicht. Dies wird beispielsweise mittels Lichtschranken an den Meßpunkten erfaßt. Dazu befinden sich an der Meßstrecke Fenster im Leitungsweg oder es wird ein Leitungsweg mit transparenten Wandungen eingesetzt. Andere Sensoren sind Leitfähigkeitsfühler, Kapazitätssensoren oder elektrochemische Sensoren. Die ermittelten Meßwerte werden in einer Einheit ausgewertet. Dabei wird ein Istwert (z.B. Istwert der Fördermenge pro Zeiteinheit) bestimmt, der in einer Steuereinheit mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird. Von der Steuereinheit wird die Leistung der Pumpe so geregelt, dass der Sollwert erreicht wird.The calibration unit comprises a measuring section with at least two measuring points, preferably three measuring points. At the measuring points are usually sensors. The measuring section is a section of a conduit path with precise dimensions, for example a section of a channel or a capillary. The measuring section has a defined and previously known volume. The measuring path is used to detect the velocity of a volume element of the pumping medium during operation of the pump or the determination of the delivery rate of the pump under the given conditions. In the case of a liquid as pump medium, the time at which the front of the pumping medium (end of a liquid column, meniscus of the liquid) reaches the measuring points is generally measured. This is detected for example by means of light barriers at the measuring points. For this purpose, there are windows in the line path at the measuring section or it will be Cable path with transparent walls used. Other sensors include conductivity probes, capacitance sensors or electrochemical sensors. The determined measured values are evaluated in one unit. In this case, an actual value (eg, actual value of the delivery rate per unit time) is determined, which is compared in a control unit with a predetermined desired value. The control unit regulates the power of the pump so that the setpoint is reached.
[0032] Im Leitungsweg sind vorteilhaft eine oder mehrere Vorrichtungen zur Detektion von Fremdkörpern im Pumpmedium oder Bläschen in einem flüssigen Pumpmedien. Diese Detektionseinheiten sind vorzugsweise an Kapillaren angeordnet, z.B. Lichtschranken, Lichtsensoren oder Leitfähigkeitsfühler. Diese Prüfvorrichtungen sind besonders vorteilhaft in der Kalibriereinheit einer Dosiereinheit integriert. Vorteilhaft wird ein Meßsignal der Prüfvorrichtung zur Steuerung oder zur Kontrolle des Dosiervorganges genutzt. Beispielsweise wird bei Detektion von Fremdkörpern oder Bläschen in einer zu dosierenden Flüssigkeit ein Alarm ausgelöst oder ein besonderer Steuervorgang bei der betroffenen Dosiereinheit eingeleitet.In the conduction path are advantageously one or more devices for the detection of foreign bodies in the pumping medium or bubbles in a liquid pumping media. These detection units are preferably arranged on capillaries, e.g. Photocells, light sensors or conductivity sensors. These test devices are particularly advantageously integrated in the calibration unit of a dosing unit. Advantageously, a measuring signal of the testing device is used to control or control the dosing process. For example, upon detection of foreign bodies or bubbles in a liquid to be dispensed, an alarm is triggered or a special control process is initiated at the affected dosing unit.
[0033] Die Oberfläche des Leitungsweges und der Pumpe, insbesondere die innere Oberfläche und die Oberflächen, die mit dem Pumpmedium in Kontakt kommen, ist vorteilhaft modifiziert. Die Oberflächenmodifizierung im Dosiersystem dient zur Verminderung der Reibung, der besseren Reinigbarkeit und zur Verbesserung der Dosierung. Insbesondere im Bereich der Austrittsöffnung ist die Oberfläche des Leitungsweges für das zu dosierende Medium (z.B. Kapillare aus Kunststoff oder Glas) modifiziert, z.B. beschichtet oder oberflächenmodifiziert, so dass eine Flüssigkeit abperlt und Tropfen an der Austrittsöffnung abgestoßen werden. Dies erhöht die Präzision der Dosierung. Die Oberfläche wird beispielsweise durch eine Beschichtung, insbesondere eine Fluorsilan- Beschichtung, hydrophob gemacht. Vorteilhaft ist ebenso eine Modifizierung der Oberfläche durch Schaffung oder Anbringung einer Oberflächenstruktur, die flüssigkeitsabweisende Eigenschaften hat, insbesondere eine nanostrukturierte Oberfläche, z.B. eine Oberfläche mit so genanntem Lotus-Effekt. Besonders vorteilhaft ist eine Oberflächenmodifizierung durch kombinierte Schaffung einer hydrophoben und nanostrukturierten Oberfläche.The surface of the conduit path and the pump, in particular the inner surface and the surfaces which come into contact with the pumping medium, is advantageously modified. Surface modification in the dosing system serves to reduce friction, improve cleanability and improve dosing. In particular in the region of the outlet opening, the surface of the conduit path for the medium to be metered (eg capillary made of plastic or glass) is modified, for example coated or surface-modified, so that a liquid bubbles off and drops are repelled at the outlet opening. This increases the precision of the dosage. The surface is rendered hydrophobic, for example by a coating, in particular a fluorosilane coating. Also advantageous is a modification of the surface by creating or applying a surface structure having liquid-repellent properties, in particular a nanostructured surface, for example a surface with so-called lotus effect. Particularly advantageous is a surface modification by combined creation of a hydrophobic and nanostructured surface.
[0034] Die Ablösung eines Flüssigkeitstropfens am Ende eines Dosiervorganges wird vorteilhaft durch eine Rüttel-, Vibriereinrichtung oder einer mechanischen Einrichtung (z.B. Schlageinrichtung) unterstützt. Die Einrichtungen können im Bereich der ausgehenden Leitung oder Kapillare angeordnet werden. Sehr vorteihaft ist eine Ausführung, die den ganzen Dosierkopf rüttelt, zum Vibrieren bringt oder in Schwingung versetzt. Beispielsweise wird ein vorzugsweise steuerbarer Vibrator für einen zeitlich begrenzten Einsatz am oder im Dosierkopf angebracht.The detachment of a liquid drop at the end of a metering operation is advantageously assisted by a shaker, vibrator or mechanical means (e.g., beater). The devices can be arranged in the area of the outgoing line or capillary. Very vorteihaft is a version that shakes the whole dosing, vibrating or vibrated. For example, a preferably controllable vibrator for a temporary use is mounted on or in the dosing.
[0035] Die Förderleistung einer Mikropumpe mit Piezoantrieb läßt sich über Einstellung geeigneter Parameter wie Frequenz, Amplitude und Form (Sinus, Rechteck, Dreieck etc.) des Steuersignales bzw. der Spannung für den Pumpenantrieb anpassen. Die Einstellung der Förderleistung mit Hilfe einer Steuerung und Regelung erfolgt vorteilhaft während des Dosierbetriebes.The delivery rate of a micropump with piezo drive can be adjusted by setting suitable parameters such as frequency, amplitude and shape (sine, rectangle, triangle, etc.) of the control signal or the voltage for the pump drive. The adjustment of the delivery rate by means of a control and regulation is advantageously carried out during the metering operation.
[0036] Die Kalibriereinheit wird vorzugsweise am Ausgang der Pumpe angeordnet.The calibration unit is preferably arranged at the outlet of the pump.
[0037] Die Miniaturisierung der Pumpe (Mikrobauweise der Pumpe) ermöglicht, dass die Pumpe unmittelbar in die Nähe des Dosierortes gebracht und der Weg vom Pumpenausgang bis zum Ausgang der Dosiereinheit sehr klein ausgeführt werden kann. Das bevorzugte Dosiersystem mit mindestens einer Dosiereinheit mit mindestens einer Mikropumpe und unmittelbar anschließender Kalibriereinheit, insbesondere der Meßkapillare, an deren Ausgang das zu dosierende Medium austritt, erlaubt eine Minimierung des Weges für das zu dosierende Medium und damit eine Verminderung des Totvolumens und des Gesamtvolumens des Dosierweges im Dosiersystem. Es kann dadurch die erforderliche Mindestmenge des dosierten Mediums und die Menge für den laufenden Betrieb der Dosierung deutlich reduziert werden, also die Ausbeute bei der Dosierung erhöht werden, was insbesondere bei der Dosierung teurer Reagenzien interessant ist. Dosierfehler und schlauchbedingte Fehler bei der Dosierung, die bei konventionellen Dosiersystemen mit langen Schläuchen üblich sind, treten nicht auf. Das Dosiersystem gemäß der Erfindung zeichnet sich durch eine hohe Präzision und Reproduzierbarkeit bei der Dosierung aus.The miniaturization of the pump (micro construction of the pump) allows the pump to be brought directly into the vicinity of the dosing and the way from the pump outlet to the output of the dosing unit can be made very small. The preferred metering with at least one metering unit with at least one micropump and immediately subsequent calibration, in particular the Meßkapillare at the output of the medium to be dispensed, allows a minimization of the path for the medium to be metered and thus a reduction of the dead volume and the total volume of the metering in the dosing system. It can thereby the required minimum amount of the metered medium and the amount for the ongoing operation of the dosage can be significantly reduced, so the yield in the dosage can be increased, which is particularly interesting in the dosage of expensive reagents. Dosing errors and hose-related errors in the Dosages that are common in conventional dosing systems with long hoses do not occur. The dosing system according to the invention is characterized by a high precision and reproducibility in the dosage.
[0038] Vorteilhaft werden mehrere Dosiereinheiten in einer Reihe oder in mehreren Reihen (Array) angeordnet. Dies erfolgt vorteilhaft auf einem gemeinsamen Träger. Die Mikrobauweise erlaubt den Aufbau eines Dosierkopfes mit einer Vielzahl unabhängiger Dosiereinheiten auf engstem Raum.Advantageously, several dosing units are arranged in one row or in several rows (array). This is advantageously done on a common carrier. The microstructure allows the construction of a dosing head with a large number of independent dosing units in the smallest of spaces.
[0039] Die Dosiereinheiten und das aus Dosiereinheiten aufgebauteThe metering units and the built up from metering units
Dosiersystem (Dosierkopf) werden sehr vorteilhaft bei der Dosierung von Flüssigkeiten in Mikrotiterplatten eingesetzt. Der bevorzugte Dosierkopf für Mikrotiterplatten enthält für jede Kavität der Mikrotiterplatte eine Dosiereinheit.Dosing (dosing) are used very advantageous in the dosing of liquids in microtiter plates. The preferred dosing head for microtiter plates contains a dosing unit for each well of the microtiter plate.
[0040] Aufgrund der bidirektional arbeitenden Pumpe (Pumpe mit reversierender Förderrichtung) sind die Dosiereinheiten auch zum Absaugen von Medien, insbesondere Flüssigkeiten, geeignet. Das Dosiersystem kann daher vorteilhaft für die Befüllung und auch Entleerung von Probenbehältern, insbesondere Mikrotiterplatten, eingesetzt werden.Due to the bidirectionally operating pump (pump with reversing conveying direction), the metering units are also suitable for suction of media, in particular liquids. The dosing system can therefore be used advantageously for the filling and emptying of sample containers, in particular microtiter plates.
[0041] Pumpen oder Pumpenanordnungen mit reversierender Förderrichtung sind in Dosiersystemen vorteilhaftPumps or pump arrangements with reversing conveying direction are advantageous in metering systems
[0042] a) um mit Preflow einen sauberen kontrollierten Mediumabriss ohne Nachtropfen zu gewährleisten, b) um Pumpen und evtl. Schläuche zu reinigen/spülen, c) um über eine Kapillare den Flow der Pumpe zu kalibrieren und d) um Mikrotiterplatten entleeren und befüllen zu können.A) to ensure a clean controlled media breakage without dripping with Preflow, b) to clean / rinse pumps and possibly hoses, c) to calibrate the flow of the pump via a capillary and d) emptying and filling microtiter plates to be able to.
[0043] Die Erfindung wird anhand von Beispielen in der Zeichnung erläutert.The invention will be explained by way of examples in the drawing.
[0044] Es zeigen:[0044] In the drawings:
Fig. 1a: stark vereinfachtes Schema einer piezoelektrischenFig. 1a: highly simplified schematic of a piezoelectric
Mikromembranpumpe im Querschnitt,Micro diaphragm pump in cross section,
Fig. 1 b: schematische Darstellung der Pumpe von Fig. 1a beim Ansaugen des Mediums (Ansicht im Querschnitt),1 b: schematic representation of the pump of Fig. 1a during the suction of the medium (view in cross section),
Fig. 1c: schematische Darstellung der Pumpe von Fig. 1a beim Ausstoßen des Mediums (Ansicht im Querschnitt), Fig. 2a: stark vereinfachtes Schema einer piezoelektrischen Mikromembranpumpe im Querschnitt mit alternativer Anordnung der Ventile,1c: schematic representation of the pump of FIG. 1a during the ejection of the medium (view in cross section), FIG. 2a is a simplified schematic diagram of a piezoelectric micromembrane pump in cross section with alternative arrangement of the valves,
Fig. 2b: schematische Darstellung der Pumpe von Fig. 2a beim Ansaugen des Mediums (Ansicht im Querschnitt),FIG. 2b shows a schematic representation of the pump of FIG. 2a during the aspiration of the medium (view in cross section), FIG.
Fig. 2c: schematische Darstellung der Pumpe von Fig. 2a beim Ausstoßen des Mediums (Ansicht im Querschnitt), Fig. 3: schematische Darstellung einer Dosiereinheit mit Mikropumpe und Meßkapillare (Ansicht im Querschnitt),2c: schematic representation of the pump of FIG. 2a during the ejection of the medium (view in cross section), FIG. 3: schematic representation of a metering unit with micropump and measuring capillary (view in cross section),
Fig. 4: schematische Darstellung eines Mikroventils mit Schieber, Fig. 5: schematische Darstellung eines Mikroventils mit drehbarem Kern, Fig. 6: schematische Darstellung einer Mikropumpe mit Schieber, Fig. 7: schematische Darstellung eines Mikroventils mit Ventilklappe, Fig. 8: schematische Darstellung einer drehbaren unidirektionalen Mikropumpe für bidirektionalen Betrieb,Fig. 4: schematic representation of a microvalve with slide, Fig. 5: schematic representation of a microvalve with rotatable core, Fig. 6: schematic representation of a micropump with slide, Fig. 7: schematic representation of a microvalve with valve flap, Fig. 8: schematic Illustration of a rotatable unidirectional micropump for bidirectional operation,
Fig. 9: schematische Darstellung eines Mikroventils mit drehbarem Rückschlagventil,9 shows a schematic representation of a microvalve with a rotatable non-return valve,
Fig. 10: schematische Darstellung eines Dosiersystems (Dosierkopf) mit Dosiereinheiten mit gemeinsamen Grundkörper und gekoppelten Ventilen der Dosiereinheiten,10 shows a schematic representation of a metering system (metering head) with metering units with common base body and coupled valves of the metering units,
Fig. 11 : Schema eines Dosierkopfes im Schnitt, Fig. 12: Schema eines Dosiersystems für Mikrotiterplatten mit schräg angeordneten Mikropumpen,11: schematic of a dosing head in section, FIG. 12: schematic of a dosing system for microtiter plates with obliquely arranged micropumps, FIG.
Fig. 13: Schema eines Dosiersystems für Mikrotiterplatten mit gerade angeordneten Mikropumpen. Die in Fig. 1a gezeigte piezoelektrische Membranpumpe 1 weist einen Grundkörper oder Gehäuse 2 mit einem Gehäuseunterteil 2b und einem Gehäuseoberteil 2a, einen Eingangskanal 8, einen Ausgangskanal 11 , Pumpeneingangsventil 6 und Pumpenausgangsventil 7, eine Pumpenmembran 4 und eine Piezokeramik-Scheibe 3 (Piezoaktor) auf. Die Mikropumpe ähnelt im Aufbau der in der DE 19720482 C5 beschriebenen Mikropumpe, worauf hiermit Bezug genommen wird, unterscheidet sich aber in der Art der eingesetzten Ventile 6 und 7 und in der Betriebsweise. Die Abbildung der Ventile ist stark vereinfacht und nur symbolisch. Bei den Ventilen handelt es sich um aktive Ventile (Mikroventile), beispielsweise Mikromembranventile, insbesondere magnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder vorzugsweise piezoelektrisch verstellbare Ventile. Der Grundkörper 2 besteht in der Regel aus einem oder mehreren inerten thermoplastischen Kunststoffen, z.B. Polyphenylsulfon (PPSU). Die Pumpenmembran besteht beispielsweise aus Glas, Keramik oder Kunststoff. Der Piezoaktor 3 ist auf der Pumpenmembran 4 fixiert. Durch Verformung des Piezoaktors 3 wird die Pumpenmembran 4 ausgelenkt, wodurch eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Pumpenkammervolumens erzeugt wird. In der gezeigten Position von Piezoaktor 3 und Pumpenmembran 4 (am Grundkörper 2 anliegend) ist das Pumpenkammervolumen auf ein Minimum reduziert. Die Kanäle 8, 9, 10 und 11 dienen als Weg für das Pumpmedium. Gehäuseoberteil 2a und Gehäuseunterteil 2b werden z.B. durch Verkleben, Verschweißen oder Verschrauben verbunden.Fig. 13: Schematic of a dosing system for microtiter plates with straight micropumps. The piezoelectric diaphragm pump 1 shown in FIG. 1 a has a base body or housing 2 with a housing lower part 2 b and an upper housing part 2 a, an input channel 8, an output channel 11, pump inlet valve 6 and pump outlet valve 7, a pump membrane 4 and a piezoceramic disk 3 (piezoelectric actuator). on. The micropump is similar in construction to the micropump described in DE 19720482 C5, to which reference is made, but differs in the type of valves used 6 and 7 and in the mode of operation. The illustration of the valves is greatly simplified and only symbolic. The valves are active valves (microvalves), for example micromembrane valves, in particular magnetic, pneumatic, hydraulic or preferably piezoelectrically adjustable valves. The main body 2 is usually made of one or more inert thermoplastics, such as polyphenylsulfone (PPSU). The pump diaphragm consists for example of glass, ceramic or plastic. The piezoelectric actuator 3 is fixed on the pump diaphragm 4. By deformation of the piezoelectric actuator 3, the pump diaphragm 4 is deflected, whereby an enlargement or reduction of the pump chamber volume is generated. In the position shown of piezoelectric actuator 3 and pump diaphragm 4 (fitting the base body 2), the pump chamber volume is reduced to a minimum. The channels 8, 9, 10 and 11 serve as a path for the pumping medium. Upper housing part 2a and lower housing part 2b are connected for example by gluing, welding or screwing.
[0046] Die Funktionsweise der Pumpe wird in Fig. 1 b (Ansaugphase) und Fig. 1c dargestellt. In der Ansaugphase (Fig. 1b) entsteht durch Krümmung des Piezoaktors 3 zwischen Gehäuseoberteil 2a und Pumpenmembran 4 ein vergrößertes Pumpenkammervolumen 5, wobei das gesteuerte Eingangsventil 6 geöffnet und das gesteuerte Ausgangsventil 7 geschlossen. Die Fließrichtung des Pumpmediums wird durch einen Pfeil in dem Eingangskanal 8 dargestellt. In der Ausstoßphase (Fig. 1c) wird die Krümmung des Piezoaktors 3 verringert. Er bewegt sich zur Oberseite des oberen Gehäuseteiles 2a, wodurch das Pumpenkammervolumen 5 verringert wird. Dabei ist das gesteuerte Eingangsventil 6 geschlossen und das gesteuerte Ausgangsventil 7 geöffnet.The operation of the pump is shown in Fig. 1 b (suction phase) and Fig. 1c. In the suction phase (FIG. 1 b), an enlarged pump chamber volume 5 is created by curvature of the piezoactuator 3 between the upper housing part 2 a and pump diaphragm 4, the controlled inlet valve 6 being opened and the controlled output valve 7 being closed. The flow direction of the pumping medium is represented by an arrow in the input channel 8. In the ejection phase (FIG. 1 c), the curvature of the piezoactuator 3 is reduced. He moves to the top of the upper housing part 2a, whereby the pump chamber volume 5 is reduced. In this case, the controlled input valve 6 is closed and the controlled output valve 7 is opened.
[0047] Durch entsprechende Ansteuerung von Piezoaktor 3 und den aktivenBy appropriate control of piezoelectric actuator 3 and the active
Ventilen 6 und 7 wird der Pumpvorgang ausgeführt. Die Pumpe kann das Pumpmedium aufgrund des Einsatzes der aktiven Ventile bidirektional fördern. Dies ist für die Arbeit der Dosiereinheit bzw. des Dosiersystems von grundlegender Bedeutung. [0048] Fig. 2a-c sind analog zu Fig. 1a-c und unterscheiden sich in derValves 6 and 7, the pumping operation is carried out. The pump can bidirectionally promote the pumping medium due to the use of the active valves. This is of fundamental importance for the work of the dosing unit or dosing system. Figs. 2a-c are analogous to Figs. 1a-c and differ in the
Anordnung der aktiven Ventile 6 und 7. In Fig. 2a-c sind die Ventile 6 und 7 neben Piezoaktor 3/Pumpenmembran 4 in dem Gehäuseoberteil 2a angeordnet, ebenso wie die Kanäle 8, 9, 10 und 11. Dadurch wird nur noch eine einfache Deckplatte mit gegebenenfalls geringfügigen Anpassungen als Gehäuseunterteil 2b benötigt.Arrangement of the active valves 6 and 7. In Fig. 2a-c, the valves 6 and 7 next piezoelectric actuator 3 / pump diaphragm 4 are arranged in the upper housing part 2a, as well as the channels 8, 9, 10 and 11. Thus, only a simple Cover plate with possibly minor adjustments as housing base 2b needed.
[0049] Gehäuseoberteil 2a mit den Funktionselementen 3-11 könnte als Modul ein oder mehrfach auf einer oder beiden Seiten des Gehäuseunterteiles 2a, das nun als Träger fungiert, angeordnet werden. Damit werden platzsparende Multipumpensysteme mit einer oder zwei Reihen von Pumpen auf einem Träger möglich. Durch Kombination mehrerer solcher Träger mit Reihen von Pumpen können Arrays (Anreihung von Reihen) von Pumpen realisiert werden.Upper housing part 2a with the functional elements 3-11 could be arranged as a module one or more times on one or both sides of the lower housing part 2a, which now acts as a carrier. This enables space-saving multipump systems with one or two rows of pumps on one carrier. By combining several such carriers with rows of pumps, it is possible to realize arrays (series of rows) of pumps.
[0050] Das Schema in Fig. 3 zeigt stark vereinfacht ein Beispiel einerThe diagram in Fig. 3 shows a simplified example of a
Dosiereinheit (Ansicht im Querschnitt). Die Dosiereinheit weist eine Leitung 16 (z.B. Kanal, Schlauch, Kapillare, Rohr) für die Zuführung des Pumpmediums zur Pumpe 1 und eine Leitung 12, die am Ausgang der Pumpe 1 angeordnet ist. In der Leitung 12 ist als separates Teil (z.B. Kapillare mit Messpunkten 13, 14, 15 bzw. Sensoren) oder integriert eine Kalibriereinrichtung oder Kalibriereinheit enthalten. Das Pumpmedium tritt am Leitungsende 17 aus. Das Leitungsende 17 ist vorzugsweise Teil einer Meßkapillare oder eines Meßkanals 12.Dosing unit (view in cross section). The dosing unit comprises a conduit 16 (e.g., duct, tube, capillary, tube) for supplying the pumping medium to the pump 1 and a conduit 12 located at the outlet of the pump 1. In line 12 is contained as a separate part (for example capillary with measuring points 13, 14, 15 or sensors) or integrated a calibration device or calibration unit. The pumping medium exits at the line end 17. The line end 17 is preferably part of a measuring capillary or a measuring channel 12.
[0051] Anhand von Fig. 3 wird das bevorzugte Verfahren zur Kalibrierung der Pumpe 1 erläutert. Das Kalibrierverfahren erfordert eine bidirektional arbeitende Pumpe. Die Kalibrierung erfolgt während des Betriebes einer Dosiereinheit mit dem zu dosierenden Pumpmedium und ist vorzugsweise automatisiert. Der Kalibrierung dient eine Strecke mit definierten Dimensionen in einem Leitungsweg 12, der vorzugsweise am Ausgang der Pumpe 1 angeordnet ist. Als Meßstrecke wird vorteilhaft eine Kapillare (z.B. aus Glas oder Kunststoff) eingesetzt. Die Kapillare erstreckt sich vorteilhaft über den gesamten oder nahezu gesamten Leitungsweg 12. Bei der bevorzugten Ausführung der Kalibriereinheit befinden sich 3 Meßpunkte 13, 14 und 15 an der Meßstrecke. An den Meßpunkten werden Meßwerte erfaßt, die angeben, ob sich Pumpmedium an dem jeweiligen Meßpunkt befindet. Zur Durchführung der Kalibrierung muß die Meßstrecke bis vor den Meßpunkt 14 von dem Pumpmedium, in der Regel eine Flüssigkeit, insbesondere eine wäßrige Probe mit organischen Bestandteilen, entleert sein. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich ein Gas, z.B. Luft, in dem Raum der Leitung 12 von vor dem Meßpunkt 14 bis nach dem Meßpunkt 15, in der Regel bis zum Leitungsende 17. Dieser geleerte Zustand der Leitung 12 liegt entweder bereits vor (z.B. bei Beginn mit entleerter Dosiereinheit) oder wird mit Hilfe der Pumpe 1 und entsprechender Ansteuerung der Ventile 6, 7 durch Förderung des Pumpmediums bis vor den Meßpunkt 14 erreicht. Die eigentliche Meßstrecke für das Kalibrieren liegt zwischen den Meßpunkten 14 und 15. Nachdem in einem ersten Schritt das Pumpmedium vor den Meßpunkt 14 gebracht wurde, wird in einem zweiten Schritt die Pumpe 1 in Betrieb gesetzt. Dieser Betriebszustand der Pumpe 1 entspricht dem Betrieb während des Dosiervorganges. Nach Überschreiten der Pumpmediumfront von Meßpunkt 15 wird die Pumpe 1 in der Regel gestoppt. Die Zeiten der Passage des Pumpmediums bzw. der Pumpmediumfront (in der Regel ein Flüssigkeitsmeniskus in der Kapillare) an den Meßpunkten 14 und 15 werden erfaßt. Dies erfolgt z.B. anhand von Sensoren wie Lichtschranken, Leitfähigkeitssensoren oder Kapazitätssensoren. Mit Hilfe des definierten inneren Volumens der Kapillare zwischen den Meßpunkten 14 und 15 und den erfassten Zeitwerten wird die Fördermenge oder das Fördervolumen pro Zeiteinheit und damit die Pumpenförderleistung von einer Auswertungseinheit ermittelt, die z.B. Teil einer Steuereinheit ist. Diese Auswertung liefert einen Istwert für die Pumpenleistung. Der ermittelte Istwert wird in einer Steuereinheit mit einem Sollwert entsprechend der gewünschten Dosiermenge bzw. des gewünschten Dosiervolumens verglichen und die Pumpenleistung durch die Steuerung angepasst. (Veränderung der Ansteuerung der eingesetzten Piezomembranpumpe, z.B. durch Anpassung von Frequenz, Amplitude und/oder Wellenform wie Sinus-, Rechteck-, Dreieck-Form der Spannung zur Versorgung des Piezoaktors der Pumpe). Durch diesen Kalibrier- und Anpassungsschritt, der gegebenenfalls ein- oder mehrfach wiederholt wird, wird die Pumpe optimal auf das zu dosierende Medium eingestellt. Die Pumpe bzw. die Präzision der Pumpe ist damit unabhängig von der Temperatur, der Viskosität und/oder der Oberflächenspannung des Pumpmediums. Die Dosierung eines Mediums wie einer Flüssigkeit erfolgt mit Hilfe der Kalibrierung mit hoher Präzision. Die Kalibrierung auf Grundlage des bidirektionalen Betriebes der Pumpe sorgt für eine höhere Präzision der Dosierung eines Mediums als bei einer unidirektional arbeitenden Pumpe. Außerdem erlaubt die Bidirektionalität der Pumpe ein Zurückziehen des Pumpmediums vom Austrittsende 17 nach jedem Dosierschritt, wodurch ein Nachtropfen des Pumpmediums sehr effektiv verhindert werden kann. Dazu genügt in der Regel ein geringfügiges Zurückziehen des Pumpmediums vom Austrittsende 17. Desweiteren können die Pumpen durch Rückspülen automatisiert gereinigt werden.The preferred method for calibrating the pump 1 will be explained with reference to FIG. The calibration procedure requires a bi-directional pump. The calibration takes place during the operation of a metering unit with the pumping medium to be metered and is preferably automated. The calibration is a route with defined dimensions in a line 12, which is preferably arranged at the output of the pump 1. As a measuring path is advantageously a capillary (eg glass or plastic) used. The capillary extends advantageously over the entire or almost entire conduction path 12. In the preferred embodiment of the calibration unit, there are 3 measuring points 13, 14 and 15 at the measuring path. At the measuring points measured values are detected which indicate whether pumping medium is at the respective measuring point. To carry out the calibration, the measuring section must be emptied of the pumping medium, usually a liquid, in particular an aqueous sample with organic constituents, up to the measuring point 14. At this time, there is a gas, eg air, in the space of the line 12 from before the measuring point 14 to after the measuring point 15, usually up to the line end 17. This emptied state of the line 12 is either already (eg at the beginning with deflated dosing unit) or is achieved by means of the pump 1 and corresponding control of the valves 6, 7 by conveying the pumping medium to the measuring point 14. The actual measuring path for calibration is between the measuring points 14 and 15. After the pumping medium was brought in front of the measuring point 14 in a first step, the pump 1 is put into operation in a second step. This operating state of the pump 1 corresponds to the operation during the dosing process. After exceeding the pumping medium front of measuring point 15, the pump 1 is usually stopped. The times of passage of the pumping medium or the pumping medium front (usually a liquid meniscus in the capillary) at the measuring points 14 and 15 are detected. This is done, for example, using sensors such as photoelectric sensors, conductivity sensors or capacitance sensors. With the help of the defined inner volume of the capillary between the measuring points 14 and 15 and the detected time values, the delivery rate or the delivery volume per unit time and thus the pump delivery rate is determined by an evaluation unit which is part of a control unit, for example. This evaluation provides an actual value for the pump power. The determined actual value is compared in a control unit with a desired value in accordance with the desired metering quantity or the desired metering volume and the pump power is adjusted by the controller. (Change in the control of the piezo diaphragm pump used, for example by adaptation of frequency, amplitude and / or waveform such as sine, square, triangular shape of the voltage to supply the piezoelectric actuator the pump). Through this calibration and adaptation step, which is optionally repeated one or more times, the pump is optimally adjusted to the medium to be dosed. The pump or the precision of the pump is thus independent of the temperature, the viscosity and / or the surface tension of the pumping medium. The metering of a medium such as a liquid is done with the help of the calibration with high precision. Calibration based on bi-directional operation of the pump provides greater precision of fluid metering than with a unidirectional pump. In addition, the bidirectionality of the pump allows retraction of the pumping medium from the discharge end 17 after each metering step, whereby dripping of the pumping medium can be prevented very effectively. For this purpose, a slight withdrawal of the pumping medium from the outlet end 17 is generally sufficient. Furthermore, the pumps can be automatically cleaned by backwashing.
[0053] Die Kalibrierung der Pumpe ist besonders vorteilhaft, wenn mehrereThe calibration of the pump is particularly advantageous when several
Dosiereinheiten z.B. in einem Dosierkopf kombiniert werden. Die Pumpen werden so während des Dosierbetriebes auf einen einheitlichen Sollwert eingestellt oder gehalten. Damit werden übliche Abweichungen bei der Betriebscharakteristik der Piezoaktoren der Pumpen ausgeglichen.Dosage units e.g. combined in a dosing head. The pumps are thus set or maintained during the metering operation to a uniform setpoint. This compensates for the usual deviations in the operating characteristics of the piezo actuators of the pumps.
[0054] Eine Vorrichtung oder ein Sensor zur Detektion von Fremdkörpern oder Bläschen im Pumpmedium wird vorteilhaft im Bereich der Kalibriereinheit an der Leitung 12 angeordnet oder in der Kalibriereinheit integriert. Besonders vorteilhaft werden ein oder mehrere Meßpunkte 13, 14, 15 der Kalibriereinheit auch für eine Detektion von Fremdkörpern oder Bläschen genutzt.A device or a sensor for the detection of foreign bodies or bubbles in the pumping medium is advantageously arranged in the region of the calibration unit on the line 12 or integrated in the calibration unit. Particularly advantageously, one or more measuring points 13, 14, 15 of the calibration unit are also used for the detection of foreign bodies or bubbles.
[0055] Die Kalibriereinheit mit an den Meßpunkte 13, 14, 15 angeordnetenThe calibration unit with at the measuring points 13, 14, 15 arranged
Sensoren kann somit nicht nur zur Kalibrierung der Flowrate der Pumpe 1 , unabhängig von äußeren Parametern wie Temperatur und unabhängig von den Eigenschaften des geförderten Mediums, genutzt werden, sondern auch zur Überwachung oder Monitoring des Flusses des Pumpmediums. [0056] Länge und Lumen der vorzugsweise im Bereich der Meßstrecke mit den Meßpunkten 13, 14, 15 eingesetzten Kapillare werden für die Anforderungen an Präzision und Fördervolumenbereich ausgelegt.Sensors can thus be used not only for calibrating the flow rate of the pump 1, independent of external parameters such as temperature and independent of the properties of the pumped medium, but also for monitoring or monitoring the flow of the pumping medium. Length and lumen of the capillary preferably used in the region of the measuring section with the measuring points 13, 14, 15 are designed for the requirements of precision and delivery volume range.
[0057] Die Ausgangsleitung 12 ist in der Regel kurz. Üblicherweise beträgt die Länge der Ausgangsleitung 12 weniger als 10 cm, typisch weniger als 5 cm. Die Länge hängt im Wesentlichen von der Länge der Meßstrecke der Kalibriereinheit ab, welche von der gewünschten Meßgenauigkeit abhängt.The output line 12 is usually short. Typically, the length of the exit conduit 12 is less than 10 cm, typically less than 5 cm. The length depends essentially on the length of the measuring section of the calibration unit, which depends on the desired measurement accuracy.
[0058] Die mit dem Pumpmedium in Berührung kommenden Oberflächen der Leitungen 12, 16, der Pumpe 1 und der Austrittsöffnung 17 sind vorzugsweise oberflächenmodifiziert, z.B. hydrophobisiert und/oder nanostrukturiert (insbesondere Oberfläche mit Lotus-Effekt). Dies hat Vorteile für die Förderung des Pumpmediums, für die Reinigung der Dosiereinheit und der Tropfenablösung an der Austrittsöffnung 17 während der Dosierung.The surfaces of the conduits 12, 16, the pump 1 and the outlet 17 which come into contact with the pumping medium are preferably surface-modified, e.g. hydrophobized and / or nanostructured (especially surface with lotus effect). This has advantages for the promotion of the pumping medium, for the cleaning of the dosing unit and the droplet detachment at the outlet opening 17 during the metering.
[0059] Die Ablösung von Flüssigkeitstropfen an der Austrittsöffnung 17 wird vorteilhaft durch eine Einrichtung unterstützt, die das Ende der Leitung 12 in Schwingung versetzt, zu einem abrupten Ausschlag des Leitungsendes führt oder das Leitungsende anschlägt. Die Präzision der Dosierung kann mit Hilfe einer solchen Einrichtung erhöht werden.The detachment of liquid droplets at the outlet opening 17 is advantageously assisted by a device which causes the end of the line 12 to vibrate, leads to an abrupt rash of the line end or abuts the line end. The precision of the dosage can be increased by means of such a device.
[0060] In Fig. 4 ist ein Beispiel einer als Ventil dienenden Schiebeeinrichtung (Schieber 18 mit Durchlaßöffnungen 20, 20') im Querschnitt. Ein beweglicher Schieber 18 mit einer oder zwei oder mehreren Durchlaßöffnungen 20, 20' dient dazu einen, zwei oder mehrere Leitungswege 8, 8' (z.B. Pumpenkanäle) zu schließen oder zu öffnen, je nach Position des Schiebers 18. In dem gezeigten Beispiel werden die Leitungswege 8 und 8' in gekoppelter Weise mit Hilfe des Schiebers 18 verschlossen oder geöffnet. In der gezeigten Stellung des Schiebers 18 ist der Durchgang in Leitungsweg 8 (z.B. Pumpeneingangskanal) verschlossen, während der Durchgang in Leitungsweg 8' (z.B. Pumpenausgangskanal) freigegeben ist. Durch Verschiebung des Schiebers 18 kann der Durchgang in Leitungsweg 8 geöffnet werden, während der Durchgang in Leitungsweg 8' geschlossen ist. Der Schieber 18 wird gewöhnlich durch einen Antrieb (z.B. Elektromotor oder Elektromagnet) verstellt. Dies erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Steuerung. Besonders vorteilhaft ist eine Kopplung des Schiebers 18 (bei Einsatz als Öffnungs- und Schließmechanismus des Pumpeneingangskanals und Pumpenausgangskanals) mit dem Piezoaktor der Pumpe 1 als Antrieb. Es können so die Ventilfunktionen an Pumpeneingang und Pumpenausgang mit dem Pumpvorgang direkt synchronisiert werden. Dies wird am Beispiel von Fig. 6 gezeigt.In Fig. 4 is an example of serving as a valve shifter (slide 18 with passage openings 20, 20 ') in cross section. A movable slide 18 with one or two or more passage openings 20, 20 'serves to one or two or more lines 8, 8' (eg pump channels) to close or open, depending on the position of the slide 18. In the example shown, the Conduits 8 and 8 'in a coupled manner with the aid of the slide 18 is closed or opened. In the illustrated position of the spool 18, the passage in conduit 8 (eg, pump input port) is closed, while the passage in conduit 8 '(eg, pump exit port) is released. By moving the slider 18, the passage in the conduit 8 can be opened while the passage in the conduit 8 'is closed. The slider 18 is usually by a drive (eg electric motor or Electromagnet) adjusted. This is preferably done by means of a controller. Particularly advantageous is a coupling of the slider 18 (when used as opening and closing mechanism of the pump inlet channel and pump outlet channel) with the piezoelectric actuator of the pump 1 as a drive. This allows the valve functions at the pump inlet and pump outlet to be directly synchronized with the pumping process. This is shown using the example of FIG. 6.
[0061] Fig. 5 zeigt ein Mikroventil mit drehbarem Kern 19 mit einerFig. 5 shows a microvalve with a rotatable core 19 with a
Durchgangsöffnung (Querschnitt). Der Durchfluß in den Leitungswegen 8, 8' wird durch Drehung des Drehteiles 19, das eine durchgehende Öffnung aufweist, eingestellt. Je nach Drehung des Drehteiles 19 werden unterschiedliche Teile der Leitungswege 8, 8' mit einander verbunden.Through hole (cross section). The flow in the conduit paths 8, 8 'is adjusted by rotation of the rotary member 19, which has a through opening. Depending on the rotation of the rotary member 19 different parts of the line paths 8, 8 'connected to each other.
[0062] In Fig. 6 ist eine Pumpe 1 mit Schieber 18 (Ansaugphase) dargestellt. In der Ansaugphase entsteht durch Krümmung des Piezoaktors 3 zwischen Gehäuseoberteil 2a und Pumpenmembran 4 ein vergrößertes Pumpenkammervolumen 5, wobei bei der Stellung des Schiebers 18 die Kanäle 8 und 9 am Eingang der Pumpe 1 verbunden sind und der Durchgang zwischen den Kanälen 10 und 11 am Ausgang der Pumpe 1 unterbrochen ist. Die Fließrichtung des Pumpmediums wird durch einen Pfeil in dem Eingangskanal 8 dargestellt. In der Ausstoßphase wird der Schieber 18 in eine Stellung gebracht, in der der Kanal 9 verschlossen und der Kanal 10 offen ist. Vorteilhaft wird die Verstellung des Schiebers 18 mit der Auslenkung des Piezoaktors 3 gekoppelt. In einer anderen Variante wird statt eines Schiebers das gesamte, entsprechend angepaßte Gehäuseunterteil 2b verschoben, um Pumpeneingangkanal 8, 9 und Pumpenausgangskanal 10, 11 wechselweise zu schließen oder zu öffnen.In Fig. 6, a pump 1 with slide 18 (suction) is shown. In the suction caused by curvature of the piezoelectric actuator 3 between the upper housing part 2a and pump diaphragm 4 an enlarged pump chamber volume 5, wherein at the position of the slide 18, the channels 8 and 9 are connected to the input of the pump 1 and the passage between the channels 10 and 11 at the output the pump 1 is interrupted. The flow direction of the pumping medium is represented by an arrow in the input channel 8. In the ejection phase, the slide 18 is brought into a position in which the channel 9 is closed and the channel 10 is open. Advantageously, the adjustment of the slider 18 is coupled to the deflection of the piezoelectric actuator 3. In another variant, instead of a slide, the entire, correspondingly adapted housing lower part 2b is moved to alternately close or open the pump inlet channel 8, 9 and pump outlet channel 10, 11.
[0063] In Fig. 7 wird ein Beispiel eines Ventiles mit Ventilklappe 21 gezeigt. Die Ventilklappe 21 wird zwischen den Leitungswegen 8, 8' verstellt. Verschiedene Schaltzustände werden in dem linken und rechten Teil der Abbildung dargestellt. Die Ventilklappe 21 wird z.B. magnetisch oder mit Hilfe eines Antriebes verstellt.In Fig. 7, an example of a valve with valve flap 21 is shown. The valve flap 21 is adjusted between the line paths 8, 8 '. Various switching states are shown in the left and right part of the figure. The valve flap 21 is e.g. Magnetically or adjusted by means of a drive.
[0064] Fig. 8 zeigt in vereinfachter Darstellung den Aufbau einer bidirektional arbeitenden Mikropumpe durch Drehung einer unidirektional arbeitenden Mikropumpe 1 mit den passiven Ventilen 6 und 7, wobei die Stellung der Ventile gegenüber den Anschlußleitungen 12 und 16 vertauscht wird. Gezeigt sind die Schaltzustände a und b, die durch Drehung der Pumpe 1 um 180° in einander übergehen.Fig. 8 shows a simplified representation of the structure of a bidirectionally operating micropump by rotation of a unidirectional operating Micropump 1 with the passive valves 6 and 7, wherein the position of the valves with respect to the connecting lines 12 and 16 is reversed. Shown are the switching states a and b, which merge by rotation of the pump 1 by 180 ° into each other.
[0065] Eine Schiebeeinrichtung als Alternative zur Drehung der Pumpe ist auch möglich.A sliding device as an alternative to the rotation of the pump is also possible.
[0066] In Fig. 9 wird eine Dreheinrichtung 19 mit integriertem Rückschlagventil 6 im Leitungsweg 8 in den Schaltzuständen a und b gezeigt. Die Dreheinrichtung 19 ist beispielsweise ein Drehkern mit einem Durchgangskanal, in dem ein Rückschlagventil 6 angeordnet ist. Durch Drehung des Drehkernes 19 um die gestrichelt gezeichnete Drehachse um 180° wird das Rückschlagventil 6 im Leitungsweg 8 umgedreht. Die Drehung der Dreheinrichtung 19 erfolgt z.B. mit den üblichen Antrieben und ist in der Regel gesteuert.In Fig. 9, a rotating device 19 is shown with integrated check valve 6 in the line 8 in the switching states a and b. The rotating device 19 is, for example, a rotary core with a passage in which a check valve 6 is arranged. By rotation of the rotary core 19 about the dashed axis of rotation by 180 °, the check valve 6 is reversed in the line 8. The rotation of the rotator 19 is e.g. with the usual drives and is usually controlled.
[0067] Fig. 10 zeigt als Beispiel ein Dosiersystem 22 mit den Pumpen 1 , V, 1" und 1"'. Ein Schieber 18 ist mit Durchgangsöffnungen versehen, die Rückschlagventile mit wechselnder Durchlaßrichtung aufweisen. Je nach Stellung des Schiebers wird an den Pumpeneingängen an den Zuleitungen 16 eine bestimmte Durchlaßrichtung eingestellt. Eine Dreheinrichtung 19 mit Rückschlagventilen sorgt an den Pumpenausgängen zu den Leitungen 12 für eine bestimmte Durchlaßrichtung.Fig. 10 shows as an example a metering system 22 with the pumps 1, V, 1 "and 1" '. A slider 18 is provided with through holes having check valves with changing passage direction. Depending on the position of the slide, a certain forward direction is set at the pump inputs to the supply lines 16. A rotating device 19 with check valves ensures at the pump outputs to the lines 12 for a particular forward direction.
[0068] In dem Beispiel sind Dreheinrichtung 19 und Schiebeeinrichtung 18 vereint dargestellt. Das dient der Erläuterung. In der Praxis wird das Dosiersystem 22 nur eine Art der Verstellung der Durchlaßrichtung an Pumpeneingang und Pumpenausgang aufweisen.In the example, turning device 19 and sliding device 18 are shown united. This is for explanation. In practice, the metering system 22 will only have one way of adjusting the direction of passage at the pump inlet and pump outlet.
[0069] Fig. 4 bis 10 veranschaulichen, dass mehrere Ventile gekoppelt sein können. Sie können derart miteinander verbunden sein, dass nur ein Antrieb notwendig ist.Figures 4 to 10 illustrate that multiple valves may be coupled. They can be connected to each other in such a way that only one drive is necessary.
[0070] Da für eine Pumpe Ein- und Auslassventil im Wechsel geöffnet bzw. geschlossen sind, kann dies mit einem Wechselventil dargestellt werden, das pneumatisch, mechanisch, elektromechanisch, durch einen separaten Piezoaktor oder über den Pumpenantrieb gesteuert wird. [0071] Das Wechselventil kann linear (Fig. 4), durch Drehung (Fig. 5) oder durch Umklappen (Fig. 7) geschaltet werden.Since inlet and outlet valves are alternately open or closed for a pump, this can be represented by a shuttle valve which is controlled pneumatically, mechanically, electromechanically, by a separate piezoactuator or by the pump drive. The shuttle valve can be switched linearly (FIG. 4), by rotation (FIG. 5) or by folding over (FIG. 7).
[0072] Die Anordnung von Aus- und Einlass unmittelbar nebeneinander ist besonders günstig für die Anwendung eines Wechselventils bei gleichzeitiger Raumersparnis.The arrangement of outlet and inlet immediately next to each other is particularly favorable for the application of a shuttle valve while saving space.
[0073] Eine weitere Option ist die Verwendung einer Pumpe mit passivenAnother option is the use of a passive pump
Ventilen, deren Pumpenkörper (mit den Ventilen) drehbar angeordnet ist. Hierdurch ist die Pumprichtung ebenfalls umkehrbar (Fig. 8).Valves whose pump body (with the valves) is rotatably mounted. As a result, the pumping direction is also reversible (FIG. 8).
[0074] Allen Ventillösungen gemein ist die Option, analog eines Drei- oderCommon to all valve solutions is the option, analogous to a triple or
Mehrwegehahns, mehrere Ein- und/oder Auslasskanäle miteinander zu verschalten.Multi-way cock, multiple inlet and / or outlet channels interconnect.
[0075] Fig. 11 zeigt ein Dosiersystem 22 mit zwei Dosiereinheiten mit jeweils einer Pumpe 1 , der Zuleitung 16, einem aktiven Eingangsventil 6, einem aktiven Ausgangsventil 7, einer Steuerelektronik 24 für Ventile und Pumpenantrieb, Stromzuführung 25, einer Steuerleitung 26, einem Lichtleiter 27 und 28 und einer Kalibriereinheit mit den Meßpunkten 13, 14, 15 an der Ausgangsleitung 12. Als Meßstrecke dient vorzugsweise eine Kapillare oder ein Teil einer Kapillare. Bei einem inneren Durchmesser von 0,2mm und einer Länge von 20mm ergibt sich ein Testvolumen von 2,5μl. Die Förderleistung der Pumpe 1 ergibt sich aus der ermittelten Zeitdauer, die zur Füllung des Testvolumens benötigt wird. Je nach Leistung der Pumpe und der gewünschten Präzision kann die Länge der Teststrecke bzw. das Testvolumen angepaßt werden. Gut geeignet ist eine Glaskapillare. Vorteilhaft wird die Kapillare als Ausgangsleitung 12 eingesetzt. Das heißt, die Kapillare wird direkt mit dem Pumpenausgang verbundenen. Die Länge der Kapillare vom Pumpenausgang bis zur Austrittsöffnung 17 liegt in der Regel im Bereich von 10 bis 40 mm, insbesondere im Bereich von 20 bis 30 mm. Im gezeigten Beispiel dienen die Lichtleitfaser 27 als Lichtsender und die Lichtleitfaser 28 als Empfänger. Ein Abschnitt der Lichtleiter 27 und 28 wird entlang der Kapillare bzw. der Meßstrecke an gegenüberliegenden Seiten der transparenten Kapillare angeordnet. Beide Lichtleiter 27, 28 tragen Einkerbungen oder Öffnungen an den Meßpunkten 13, 14, 15. In die Lichtleitfaser 27 wird z.B. weißes Licht eingespeist. An den Öffnungen sind vorteilhaft Filter, die für verschiedene Wellenlängen des Lichts durchlässig sind (z.B. gelb, grün, rot) angebracht, beispielsweise eine Farbschicht. Der Lichtleiter 28, der wie der Sende-Lichtleiter 27 an den Meßpunkten entsprechende Filter trägt, dient als Empfänger und ist mit einem Lichtsensor verbunden. Die Meßanordnung der Kalibriereinheit in Form von Lichtschranken läßt sich auf diese Weise Platz sparend aufbauen. Alternativ können einzelne miniaturisierte Lichtschranken an den Meßpunkten 13, 14, 15 eingesetzt werden. Die Durchführung der Kalibrierung erfolgt vorzugsweise automatisch, z.B. mit Hilfe einer Steuerung für die Dosiereinheit.Fig. 11 shows a metering system 22 with two metering units, each with a pump 1, the supply line 16, an active input valve 6, an active output valve 7, a control electronics 24 for valves and pump drive, power supply 25, a control line 26, a light guide 27 and 28 and a calibration unit with the measuring points 13, 14, 15 on the output line 12. As a measuring path is preferably a capillary or a part of a capillary. With an inner diameter of 0.2mm and a length of 20mm results in a test volume of 2.5μl. The delivery rate of the pump 1 results from the determined time duration, which is needed to fill the test volume. Depending on the power of the pump and the desired precision, the length of the test track or the test volume can be adjusted. Well suited is a glass capillary. Advantageously, the capillary is used as output line 12. That is, the capillary is connected directly to the pump outlet. The length of the capillary from the pump outlet to the outlet opening 17 is generally in the range of 10 to 40 mm, in particular in the range of 20 to 30 mm. In the example shown, the optical fiber 27 serve as a light transmitter and the optical fiber 28 as a receiver. A portion of the light guides 27 and 28 is arranged along the capillary or the measuring path on opposite sides of the transparent capillary. Both light guides 27, 28 carry notches or openings at the measuring points 13, 14, 15. In the Optical fiber 27 is fed, for example, white light. At the openings are advantageous filters which are transparent to different wavelengths of light (eg yellow, green, red) attached, for example, a color layer. The optical waveguide 28, which, like the transmitting optical waveguide 27, carries corresponding filters at the measuring points, serves as a receiver and is connected to a light sensor. The measuring arrangement of the calibration unit in the form of light barriers can be built in this way space saving. Alternatively, individual miniaturized light barriers can be used at the measuring points 13, 14, 15. The calibration is preferably carried out automatically, for example with the aid of a controller for the dosing unit.
[0076] Eine austauschbare Anschlußplatte 23 erlaubt einen einfachen Austausch des Dosierkopfes 22. Die Pumpen 1 z.B. haben einen gemeinsamen Pumpenkörper oder sind als einzelne Pumpen auf einem Träger angeordnet. Die mit a und b gekennzeichneten Pfeile zeigen eine Schnittfläche an, die in den folgenden Abbildungen angezeigt wird.An exchangeable connection plate 23 allows easy replacement of the dosing head 22. The pumps 1 e.g. have a common pump body or are arranged as individual pumps on a support. The arrows marked a and b indicate a cut surface, as shown in the following figures.
[0077] Der bevorzugte Dosierkopf 22 ist ausgelegt für Mikrotiterplatten mit 96 Kavitäten. Ein Dosierkopf für größere Mikrotiterplatten (z.B. 384, 1536, 6144 Kavitäten oder Wells) ist ohne weiteres aufbaubar. Der Dosierkopf ist geeignet für alle Mikrotiterplatten mit weniger Wells als die, für die der Dosierkopf ausgelegt ist.The preferred dosing head 22 is designed for 96-well microtiter plates. A dosing head for larger microtiter plates (e.g., 384, 1536, 6144 wells or wells) is readily constructable. The dosing head is suitable for all microtiter plates with fewer wells than those for which the dosing head is designed.
[0078] Der Dosierkopf integriert Mikropumpen zu einer Einheit auf der Fläche einer Mikrotiterplatte (z. B. 8,5x12,5cm). Dabei sind die Pumpen vorteilhaft in diagonal-senkrechten Ebenen schichtweise angeordnet (siehe Fig. 12). Den Pumpen genügt in der hier beschriebenen Version eine Breite von etwa 13mm. Die Pumpengehäuse werden z.B. in Spritzgusstechnik aus Kunststoff preiswert gefertigt und in Schichten zusammengefügt. Membranen, Kapillaren, Optik und elektrische Anschlüsse werden in die einzelnen Ebenen eingefügt, soweit sie nicht bereits Bestandteil des Formteils sind. Das fertige Dosierkopfgehäuse ist über eine Steckverbindung mit der Steuer- und Auswerteelektronik verbunden. Zuleitung(en) für das Fördermedium sind über eine austauschbare Platte 23 mit dem Dosierkopf 22 verbunden, so dass bei dem bevorzugten Dosierkopf 22 wahlweise 1 bis 96 verschiedene Medien zugleich dosiert oder gefördert werden können.The dosing head integrates micropumps into a unit on the surface of a microtiter plate (eg 8.5x12.5 cm). The pumps are advantageously arranged in layers in diagonal-vertical planes (see FIG. 12). The pumps are sufficient in the version described here a width of about 13mm. The pump housings are manufactured inexpensively, for example, in injection molding technology from plastic and assembled in layers. Membranes, capillaries, optics and electrical connections are inserted in the individual levels, as far as they are not already part of the molded part. The finished dosing head housing is connected via a plug connection with the control and evaluation electronics. Supply line (s) for the pumped medium are connected via an exchangeable plate 23 with the dosing head 22, so that in the preferred Dosing head 22 either 1 to 96 different media can be dosed or promoted at the same time.
[0079] Der Dosierkopf 22 kann jede Dosiereinheit separat mit gesondertem Medium und eigenem Fördervolumen betreiben.The dosing head 22 can operate each dosing unit separately with a separate medium and its own delivery volume.
[0080] Die Pumpen 1 im Dosierkopf 22 liegen unmittelbar über der zu befüllenden Mikrotiterplatte 29. Dabei sind die Pumpen 1 idealerweise in gleicher Höhe angeordnet. Hiervon kann aus Platzmangel abgewichen werden. Der Dosierkopf 22 selbst kann über der Mikrotiterplatte nach Wunsch positioniert werden (3-Achsen steuerbare Montierung). Ebenso ist es möglich, dass der Dosierkopf mit den Kanülen (Leitungen 12) in die Wells 30 der Mikrotiterplatte 29 eintaucht bzw. sich synchron zu der Füllhöhe bewegt.The pumps 1 in the dosing head 22 are located directly above the microtiter plate 29 to be filled. The pumps 1 are ideally arranged at the same height. This can be deviated from lack of space. The dosing head 22 itself can be positioned above the microtiter plate as desired (3-axis controllable mount). It is also possible that the dosing head with the cannulas (lines 12) dips into the wells 30 of the microtiter plate 29 or moves synchronously to the filling level.
[0081] Vorteilhaft wird der Dosierkopf 22 zum Beschichten von Mikrotiterplatten 29 eingesetzt. Vereinfacht werden zum Beschichten einer Mikrotiterplatte 29 die Kavitäten 29 mit einer Lösung, die die Chemikalie für eine Beschichtung enthält, befüllt. Nach einer Inkubationszeit, während der die Chemikalie an die Plattenoberfläche andockt, wird der Überstand, das Lösungsmittel, entfernt. Dies kann mit dem Dispensierkopf (Dosierkopf 22) ohne Umrüsten realisiert werden, indem nach dem präzisen Dosieren der Dosierkopf 22 mit den Kanülen (Leitungen 12) in die Wells 30 eintaucht und das Lösemittel absaugt. Der Dosierkopf 22 dient hier zum Befüllen und Entleeren von Mikrotiterplatten.Advantageously, the dosing head 22 is used for coating microtiter plates 29. Simplified, to coat a microtiter plate 29, the cavities 29 are filled with a solution containing the chemical for a coating. After an incubation period, during which the chemical docks to the plate surface, the supernatant, the solvent, is removed. This can be realized with the dispensing head (dosing head 22) without retooling by dipping the dosing head 22 with the cannulas (lines 12) into the wells 30 after the precise dosing and sucks the solvent. The dosing head 22 is used here for filling and emptying of microtiter plates.
[0082] Ein komplettes Dispensiergerät (Dispensiermodul) trägt den Dosierkopf 22, die Schnittstelle zur Steuerung, eine Lesestation um die Mikrotiterplatte eindeutig zu identifizieren, die klimatisierte Vorlagenkammer mit Schwenktisch, Vorrat an Reinigungslösungen und ein Gefäß für verbrauchte Spüllösung. Alle Prozesse werden durch Sensoren überwacht, das Befüllen der Mikrotiterplatte erfolgt nach vorbestimmten Parametern automatisch mit einer Performance von etwa 2000 Mikrotiterplatten pro Stunde (1 OOμl Wasser pro Well). Im Anschluss erfolgt eine automatische Reinigung der mediumberührten Teile.A complete Dispensiergerät (Dispensiermodul) carries the dosing head 22, the interface to the controller, a reading station to uniquely identify the microtiter plate, the air-conditioned master chamber with swivel table, supply of cleaning solutions and a vessel for spent rinse solution. All processes are monitored by sensors, the filling of the microtiter plate is carried out according to predetermined parameters automatically with a performance of about 2000 microtiter plates per hour (1 OOμl water per well). This is followed by automatic cleaning of the wetted parts.
[0083] Fig. 12 zeigt die Anordnung einzelner Mikropumpen 1 über einerFig. 12 shows the arrangement of individual micropumps 1 over one
Mikrotiterplatte 29. Jeder Kavität 30 (Vertiefung) der Mikrotiterplatte 29 ist eine Mikropumpe 1 zugeordnet. Die schräge oder diagonale Anordnung (bezogen auf die Ränder der Mikrotiterplatte 29) der Mikropumpen 1 ist besonders Platz sparend. In Fig. 13 ist ein entsprechendes Dosiersystem mit gerade (bezogen auf die Ränder der Mikrotiterplatte 29) angeordneten Mikropumpen 1 dargestellt. Fig. 12 und 13 verdeutlichen, dass das Dosiersystem bzw. der Dosierkopf mit den Dosiereinheiten den Abmessungen der Mikrotiterplatte anpaßbar ist und eine in der Größe vergleichbare Grundfläche aufweist. Die Mikropumpen 1 kommen sehr nahe zur Mikrotiterplatte 29 zum Einsatz. Microtiter plate 29. Each cavity is 30 (well) of the microtiter plate 29 associated with a micropump 1. The oblique or diagonal arrangement (relative to the edges of the microtiter plate 29) of the micropumps 1 is particularly space-saving. FIG. 13 shows a corresponding metering system with micropumps 1 arranged just in relation to the edges of the microtiter plate 29. FIGS. 12 and 13 illustrate that the metering system or the metering head with the metering units can be adapted to the dimensions of the microtiter plate and has a base surface comparable in size. The micropumps 1 are used very close to the microtiter plate 29.

Claims

Ansprüche claims
1. Dosiersystem (22) mit mindestens einer bidirektional betreibbaren Mikropumpe (1) oder einer Anordnung mit mindestens einer Mikropumpe (1), die einen bidirektionalen Pumpvorgang erlaubt, oder mindestens einer verdrehbar oder verschiebbar angeordneten unidirektional arbeitenden Mikropumpe (1) oder mit einem oder mehreren Paaren von gegenläufig verbundenen unidirektional arbeitenden Mikropumpen (1).1. dosing system (22) with at least one bidirectionally operable micropump (1) or an arrangement with at least one micropump (1), which allows a bidirectional pumping operation, or at least one rotatable or displaceably arranged unidirectionally operating micropump (1) or with one or more Pairing oppositely connected unidirectional micropumps (1).
2. Dosiersystem (22) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem (22) mehrere unabhängig von einander betreibbaren Dosiereinheiten aufweist oder mindestens eine Dosiereinheit mit einer Meßanordnung zur Kalibrierung der Mikropumpe (1) oder zur Überwachung des Pumpvorganges oder des Betriebes der Mikropumpe (1) oder mit einer Meßanordnung zur Erfassung von Meßwerten, die eine Eigenschaft oder einen Zustand des Pumpmediums betreffen, oder mit einer Meßanordnung zur Überwachung eines Dosiervorganges umfaßt.2. metering system (22) according to claim 1, characterized in that the metering system (22) has a plurality of independently operable metering units or at least one metering unit with a measuring arrangement for calibrating the micropump (1) or for monitoring the pumping operation or the operation of the micropump (1) or with a measuring arrangement for detecting measured values which relate to a property or a state of the pumping medium, or with a measuring arrangement for monitoring a dosing process.
3. Dosiersystem (22) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikropumpe (1) mindestens ein aktives Einlaßventil (6) und mindestens ein aktives Auslaßventil (7) oder eine Ventilanordnung für bidirektionalen Betrieb der Mikropumpe (1) oder eine Schiebeeinrichtung (18) oder Dreheinrichtung (19) zum Öffnen und Verschließen von Leitungswegen oder Kanälen (8, 9 und 10, 11) zugeordnet sind oder das Dosiersystem (22) gekoppelte Ventile (6, 7) an Eingang (8) und Ausgang (11) der Mikropumpe (1) oder gekoppelte Ventile (6, 7) von zwei oder mehreren Dosiereinheiten oder gekoppelte Ventil- und Mikropumpenantriebe aufweist.3. dosing system (22) according to claim 1 or 2, characterized in that the micropump (1) at least one active inlet valve (6) and at least one active outlet valve (7) or a valve arrangement for bidirectional operation of the micropump (1) or a sliding device (18) or rotating device (19) for opening and closing of conduit paths or channels (8, 9 and 10, 11) are associated or the dosing (22) coupled valves (6, 7) at input (8) and output (11) the micropump (1) or coupled valves (6, 7) of two or more dosing units or coupled valve and micropump drives.
4. Dosiersystem (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem (22) eine Kalibriereinheit enthält, die eine definierte Messtrecke oder einen definierten Messkanal oder eine Messtrecke oder einen Messkanal mit einer Meßeinrichtung aufweist. 4. dosing system (22) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the dosing system (22) includes a calibration unit having a defined measuring path or a defined measuring channel or a measuring path or a measuring channel with a measuring device.
5. Dosiersystem (22) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßeinrichtung mindestens zwei, vorzugsweise drei oder mehr Meßpunkte (13, 14, 15) mit mindestens einem Sensor enthält.5. dosing system (22) according to claim 4, characterized in that the measuring device contains at least two, preferably three or more measuring points (13, 14, 15) with at least one sensor.
6. Dosiersystem (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem (22) für jede Mikropumpe (1) eine Meßdatenerfassungs- und -auswertungseinheit oder das Dosiersystem (22) für jede Mikropumpe (1) eine Meßdatenerfassungs- und -auswertungseinheit und eine zentrale Steuereinheit aufweist.6. dosing system (22) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the metering system (22) for each micropump (1) a Meßdatenerfassungs- and -auswertungseinheit or the dosing (22) for each micropump (1) a Meßdatenerfassungsungs- and -auswertungseinheit and a central control unit.
7. Dosiersystem (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem (22) in einer oder mehreren Reihen angeordnete Dosiereinheiten enthält.7. dosing system (22) according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the dosing system (22) contains arranged in one or more rows of dosing units.
8. Dosiersystem (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem (22) einen Dosierkopf mit Rüttel-, Vibriereinrichtung oder einer mechanischen Einrichtung zur Tropfenablösung bei der Dosierung umfaßt.8. dosing system (22) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the dosing system (22) comprises a dosing with vibrating, vibrating or a mechanical device for droplet detachment in the dosage.
9. Verfahren zum Betrieb eines Dosiersystems (22) mit einer Kalibriereinheit, gekennzeichnet durch die Erfassung der Pumpencharakteristik durch Messung der Geschwindigkeit des Pumpmediums zwischen zwei Meßpunkten (14, 15), die einen oder mehrere Sensoren umfassen, in einer Meßstrecke wie einer Meßkapillare oder einem Meßkanal und automatischer Anpassung der Pumpenleistung an einen Sollwert aufgrund der erfaßten und ausgewerteten Meßwerte an den Meßpunkten.9. A method for operating a dosing system (22) with a calibration unit, characterized by the detection of the pump characteristic by measuring the velocity of the pumping medium between two measuring points (14, 15) comprising one or more sensors in a measuring path such as a Meßkapillare or a Measuring channel and automatic adjustment of the pump power to a setpoint based on the detected and evaluated measured values at the measuring points.
10. Verwendung einer oder mehrerer Mikropumpen (1) mit mindestens einem aktiven Einlaßventil (6) und mindestens einem aktiven Auslaßventil (7) oder einer geeigneten Ventilanordnung zur bidirektionalen Förderung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums oder mit einer Einrichtung zur Erzielung einer bidirektionalen Förderung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums in einem Dosier-, Auftragungs-, Beschichtungs-, Befüll- und/oder Entleer-System für Mikrotiterplatten (29), Proben- oder Reagenzgefäße, Proben- oder Reagenzbehälter, flache Träger für Proben- oder Reagenzien, Träger mit oder ohne Vertiefungen für Proben- oder Reagenzien, Chip-Karten oder sonstige Gebilde für die Proben- oder Reagenzaufnahme. 10. Use of one or more micropumps (1) with at least one active inlet valve (6) and at least one active outlet valve (7) or a suitable valve arrangement for bi-directional delivery of a liquid or gaseous medium or with a device for achieving bidirectional delivery of a liquid or gaseous medium in a metering, application, coating, filling and / or emptying system for microtiter plates (29), sample or reagent vials, sample or reagent vials, flat vials for sample or reagents, vials with or without vials for specimens or reagents, chip cards or other specimen or reagent receptacles.
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