EP2623203B1 - Capillary dispenser - Google Patents
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Description
Einen Dispenser zum Dispensieren winziger Volumina mit Kapillaren auszustatten, mit denen eine zu dispensierende Flüssigkeit über den Kapillareffekt aufgenommen wird, ist aus der Patentschrift
Ein hier beschriebener Dispenser besteht aus einer Mehrzahl von beidseitig offenen Kapillaren, einer Druckluftversorgung, einem Ventil zum Schalten der Druckluft, einer Druckkammer bestehend aus einem Oberteil mit Drucklufteinlass und einem Unterteil, in dem die Kapillaren gehalten werden. Ober- und Unterteil der Druckkammer sind gegeneinander abgedichtet, so dass bei Druckluftbeaufschlagung der Druckkammer die Druckluft gleichmäßig auf die Kapillaren verteilt wird und die sich in den Kapillaren befindliche Flüssigkeit ausgestoßen wird.A dispenser described here consists of a plurality of capillaries which are open on both sides, a compressed air supply, a valve for switching the compressed air, a pressure chamber consisting of an upper part with compressed air inlet and a lower part in which the capillaries are held. Upper and lower part of the pressure chamber are sealed against each other, so that when compressed air is applied to the pressure chamber, the compressed air is evenly distributed to the capillaries and the fluid located in the capillaries is ejected.
Wesentlicher Nachteil an einem solchen Kapillardispenser ist, dass die Kapillaren parallel über eine gemeinsame Druckversorgung entleert werden. Um sicher alle Kapillaren vollständig zu entleeren, ist es notwendig, mit einem hohen Druck zu arbeiten, da bereits geleerte Kapillaren als "Kurzschluss" fungieren und die Druckluft über diese mit einem relativ geringen Widerstand entweichen kann. Typische Betriebsdrücke sind hierbei 15-25 psi bzw.1,0 - 1,7 Bar.The main disadvantage of such a capillary dispenser is that the capillaries are emptied in parallel via a common pressure supply. In order to completely empty all capillaries, it is necessary to work with a high pressure, as already emptied capillaries act as a "short circuit" and the compressed air can escape through them with a relatively low resistance. Typical operating pressures are 15-25 psi and 1.0 - 1.7 bar, respectively.
Die nachströmende Luft verlässt die Kapillaren hierbei mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde und das ausgestoßene Luftvolumen kann, abhängig von der Größe der Druckkammer, des angelegten Drucks und der Anzahl der Kapillaren einige Milliliter betragen. Diese Tatsache schränkt den Nutzen der Technologie erheblich ein.The inflowing air leaves the capillaries at a speed of several meters per second and the expelled air volume can be a few milliliters, depending on the size of the pressure chamber, the applied pressure and the number of capillaries. This fact significantly limits the benefits of the technology.
Eine Abgabe von diskreten Tropfen auf eine "glatte" Oberfläche, wie z. B. eines Objektträgers, ist nur schwer oder gar nicht möglich, da die nachströmende Luft den Tropfen zerteilt und über die Fläche verteilt. Daher kommt nur noch die Abgabe in Vertiefungen (Wells) von sogenannten Mikrotiterplatten infrage. Aber auch hier gibt es Einschränkungen; so ist eine Abgabe nur in leere Wells möglich, da es beim Auftreffen von nachströmender Luft in bereits mit einer Flüssigkeit befüllte Wells zur Spritzerbildung kommen kann, was zu einem sogenannten Übersprechen, auch Überkreuzkontamination genannt, zwischen den einzelnen Wells führt.A release of discrete drops on a "smooth" surface, such. B. a slide, is difficult or impossible, since the inflowing air divides the droplets and distributed over the surface. Therefore, only the delivery in wells (wells) of so-called microtiter plates comes into question. But here too there are restrictions; Thus, a release only in empty wells is possible because it can come on the arrival of inflowing air in already filled with a liquid wells to spatter, which leads to a so-called crosstalk, also called cross-contamination, between the individual wells.
Derartige Kapillardispenser sind daher rein auf die Flüssigkeitsabgabe in leere Wells ausgelegt. Damit ist jedoch das Problem einer Überkreuzkontamination nicht vollständig gelöst. Die Kapillaren werden nie auf Anhieb komplett entleert. Beim Ausstoß der Flüssigkeit bleibt ein Flüssigkeitsfilm auf der Kapillarinnenseite zurück der sich durch Schwerkraft und nachströmende Luft langsam zum Kapillarende bewegt. Hier wird er aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit der Luft zu einem Aerosol verstäubt. Auch dieses Aerosol kann als Überkreuzkontamination, aufgrund der enthaltenen hohen Konzentration aktiver Substanz bzw. mit hinreichend sensiblen Messsystemen nachgewiesen werden.Such capillary dispensers are therefore designed purely for the delivery of liquid into empty wells. However, this does not completely solve the problem of cross contamination. The capillaries are never completely emptied immediately. When the liquid is ejected, a film of liquid remains on the inside of the capillary, which moves slowly towards the end of the capillary by gravity and inflowing air. Here it is dusted due to the high flow velocity of the air to form an aerosol. Also, this aerosol can be detected as cross-contamination, due to the high concentration of active substance contained or with sufficiently sensitive measuring systems.
Auf dem Gebiet von Liquide-Handling-Systemen sind sogenannte Luftpolsterpipetten bekannt, die unter Verwendung einer Kolben-Zylinder-Einheit in und aus einer damit verbundenen Pipettenspitze Flüssigkeit aufnehmen und abgeben können.In the field of liquid handling systems, so-called bubble wrap pipettes are known that can pick up and deliver liquid into and out of an associated pipette tip using a piston-cylinder unit.
Die Pipettenspitze ist hierbei an einer Öffnung in einer Stirnseite des Innenzylinders befestigt. Der Kolben ist innerhalb des Innenzylinders auf einer gemeinsamen Achse beweglich angeordnet und gegenüber diesem abgedichtet. Durch ein Heben oder Senken des Kolbens innerhalb des Innenzylinders wird das mit der Pipettenspitze verbundene freie Volumen des Innenzylinders verringert oder vergrößert, womit über die Pipettenspitze eine Flüssigkeit entsprechend der Volumenänderung aufgenommen oder abgegeben werden kann.The pipette tip is in this case attached to an opening in an end face of the inner cylinder. The piston is movably disposed within the inner cylinder on a common axis and sealed with respect to this. By raising or lowering the piston inside the inner cylinder, the free volume of the inner cylinder connected to the pipette tip is reduced or increased, whereby a liquid corresponding to the volume change can be picked up or dispensed via the pipette tip.
Würde man anstelle einer Pipettenspitze eine Kapillare anbringen, so würde diese sich, da das freie Volumen des Innenzylinders zum Volumen der Kapillare verhältnismäßig groß ist, bereits aufgrund des Kapillareffektes beim Eintauchen in eine Flüssigkeit selbstständig befüllen. Es wäre also nicht erforderlich, den Kolben im Innenzylinder anzuheben, um über die Kapillare Flüssigkeit aufzunehmen.If, instead of a pipette tip, a capillary were to be attached, this would, since the free volume of the inner cylinder is relatively large relative to the volume of the capillary, be self-filled due to the capillary effect when immersed in a liquid. It would therefore not be necessary to raise the piston in the inner cylinder in order to take up liquid via the capillary.
Die Entleerung der Kapillare könnte allerdings nach dem Prinzip der Luftverdrängung erfolgen, indem durch Absenkung des Kolbens im Innenzylinder das freie Zylindervolumen verkleinert und damit die darin befindliche Luft über die Kapillare herausgedrückt wird.The emptying of the capillary could, however, be carried out according to the principle of air displacement by decreasing the piston in the inner cylinder reduces the free cylinder volume and thus the air therein is pushed out through the capillary.
Wenn für jede einzelne Kapillare ein Kolben vorgesehen wird, könnte die Luftverdrängung sehr fein dosiert werden. Dies ermöglicht die Ausbildung eines Tropfens am freien Kapillarende, der gezielt durch Kontakt mit beispielsweise einem Objektträger abgesetzt werden kann.If a piston is provided for each capillary, the air displacement could be very finely dosed. This allows the training of a Drop at the free end of the capillary, which can be selectively discontinued by contact with, for example, a slide.
Sind die Beschleunigung und die erreichbare Geschwindigkeit des Kolbens groß genug, kann auch kontaktfrei d.h. ein frei fliegender Tropfen / Flüssigkeitsstrahl abgegeben werden. Der hierbei für eine einzelne Kapillare erforderliche Druck ist geringer als beim gemeinsamen Ausblasen aller Kapillaren, da der Druck nicht so überdimensioniert werden muss, wie das aufgrund von möglichen "Kurzschlüssen", wie sie in der Beschreibung des Standes der Technik erläutert wurden, notwendig ist.If the acceleration and the achievable speed of the piston are high enough, then contactless, i.e. a freely flying drop / liquid jet are discharged. The pressure required in this case for a single capillary is lower than for the common blowing out of all capillaries, since the pressure does not have to be oversized, as is necessary because of possible "short circuits", as explained in the description of the prior art.
Das vom Kolben verdrängte freie Volumen des Innenzylinders und somit die aus den Kapillaren nachströmende Luft war in Versuchen kleiner 50 µl und ist somit um den Faktor 20 bis 200 geringer als mit einem Kapillardispenser bei dem alle Kapillaren mit einer Druckkammer in Verbindung stehen.The displaced by the piston free volume of the inner cylinder and thus the nachströmende from the capillary air was less than 50 ul in experiments and is thus by a factor of 20 to 200 less than with a capillary dispenser in which all capillaries are in communication with a pressure chamber.
Dieses geringere ausgegebene Luftvolumen, bei gleichzeitig geringerem Druck und damit geringerer Abgabegeschwindigkeit ermöglicht sowohl das Dispensieren auf glatte Oberflächen als auch in bereits eine Flüssigkeit enthaltende Gefäße, wie Wells einer Mikrotiterplatte. Auch eine Aerosolbildung wird hierdurch weitestgehend vermieden.This lower volume of air dispensed, with lower pressure and thus lower delivery rate allows both the dispensing on smooth surfaces and in vessels already containing a liquid, such as wells of a microtiter plate. An aerosol formation is thereby avoided as far as possible.
Bei den genannten Vorteilen scheint die Verwendung von Kolben-Zylinder-Einheiten, die jeweils mit einer Kapillare in Verbindung stehen, dem Fachmann förmlich nahegelegt zu sein. Die Nachteile, die sich in Verbindung mit einer Kapillare anstelle einer Pipette ergeben, führen ihn jedoch von dieser Idee weg.With the mentioned advantages, the use of piston-cylinder units, which are in each case associated with a capillary, seems to be formally suggested to the person skilled in the art. However, the disadvantages associated with having a capillary instead of a pipette lead him away from this idea.
Nach jeder Abgabe muss der Kolben vor einer erneuten Abgabe, unter Vermeidung einer ungewollten Flüssigkeitsaufnahme, wieder in die Ausgangsposition zurückgefahren werden.After each delivery, the piston must be returned to its original position before re-dispensing, avoiding unwanted fluid intake.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Kapillardispenser zu finden, der wenigstens eine Kolben-Zylinder-Einheit aufweist und bei dem eine unbeabsichtigte Aufnahme von Flüssigkeit durch konstruktive Maßnahmen sicher vermieden wird.It is the object of the invention to find a capillary dispenser having at least one piston-cylinder unit and in which an inadvertent uptake of liquid is safely avoided by design measures.
Der Kapillardispenser soll vorteilhaft mit nur geringen konstruktiven Änderungen modifizierbar sein, um ihn wahlweise für eine kontaktfreie Abgabe auch in Flüssigkeiten oder eine Abgabe unter Kontakt der Kapillare zu optimieren.The capillary dispenser should advantageously be modifiable with only minor structural changes in order to optimize it either for a non-contact delivery in liquids or a delivery under contact of the capillary.
Vorteilhaft sollen die Kapillaren mit hoher Wiederholrate schnell austauschbar sein. Diese Aufgabe wird für einen Kapillardispenser mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageously, the capillaries should be quickly exchangeable at a high repetition rate. This object is achieved for a capillary dispenser with the features of
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter zu Hilfenahme einer Zeichnung näher erläutert werden. Hierzu zeigen:
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Fig. 1 a eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe eines Kapillardispensers -
Fig. 1b eine Detailansicht der Baugruppe nachFig. 1 a -
Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Baugruppe nachFig. 1a -
Fig. 3a eine Kolben-Zylinder-Einheit 17 mit einer ersten Ausführung einer Kolbendichtung mittels einerKolbendichtplatte 6 in einer oberen Endlage derKolbenbaugruppe 15 -
Fig. 3b die Kolben-Zylinder-Einheit gemäßFig. 3a in einer unteren Endlage derKolbenbaugruppe 15 -
Fig. 4a ein Teil einer Kolben-Zylinder-Einheit 17 mit einer zweiten Ausführung einer Kolbendichtung mittels einerKugel 12 in einer oberen Endlage derKolbenbaugruppe 15 -
Fig. 4b ein Teil einer Kolben-Zylinder-Einheit 17 mit einer zweiten Ausführung einer Kolbendichtung mittels einerKugel 12 in einer unteren Endlage derKolbenbaugruppe 15 -
Fig. 5 eine Kolben-Zylinder-Einheit 17 mit einemVentil 14
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Fig. 1 a is a perspective view of an assembly of a capillary dispenser -
Fig. 1b a detailed view of the module afterFig. 1 a -
Fig. 2 a sectional view of the module afterFig. 1a -
Fig. 3a a piston-cylinder unit 17 with a first embodiment of a piston seal by means of apiston sealing plate 6 in an upper end position of the piston assembly 15th -
Fig. 3b the piston-cylinder unit according toFig. 3a in a lower end position of the piston assembly 15th -
Fig. 4a a part of a piston-cylinder unit 17 with a second embodiment of a piston seal by means of aball 12 in an upper end position of the piston assembly 15th -
Fig. 4b a part of a piston-cylinder unit 17 with a second embodiment of a piston seal by means of aball 12 in a lower end position of the piston assembly 15th -
Fig. 5 a piston-cylinder unit 17 with a valve 14th
Grundsätzlich kann ein erfindungsgemäßer Kapillardispenser mit nur einer Kapillare, mehreren Kapillaren in einer Reihe oder mehreren Kapillaren in einer Matrix angeordnet, ausgestattet sein. Die Kapillaren können jeweils einer Kolben-Zylinder-Einheit zugeordnet sein oder aber mehrere Kapillaren sind mit einem gemeinsamen Zylinder verbunden und damit einer gemeinsamen Kolben-Zylinder-Einheit 17 zugeordnet.In principle, a capillary dispenser according to the invention can be equipped with only one capillary, several capillaries in a row or several capillaries in a matrix. The capillaries can each be assigned to a piston-cylinder unit or a plurality of capillaries are connected to a common cylinder and thus associated with a common piston-
Da ein Kapillardispenser grundsätzlich so aufgestellt wird, dass er in Richtung der Erdanziehungskraft dispensiert, sind bei den nachfolgenden Erläuterungen Angaben wie "oben" oder "unten" eindeutig. Sie sollen auch so verstanden werden, wenn ein Kapillardispenser nicht in lotrechte Richtung wirkend bedient wird, wofür es insbesondere für Kapillardispenser mit nur einer Kapillare Anwendungen gibt.Since a capillary dispenser is basically installed so that it dispenses in the direction of gravitational force, the following explanations are given as "above" or "below" clearly. They should also be understood as if a capillary dispenser is not operated in a vertical direction, for which there are applications especially for capillary dispensers with only one capillary.
Wenn nachfolgend der Aufbau und die Wirkungsweise eines Kapillardispensers anhand von einer Kolben-Zylinder-Einheit 17 beschrieben wird, so treffen die Aussagen hierzu jeweils auf alle Koben-Zylinder-Einheiten des Kapillardispensers zu.If the structure and mode of operation of a capillary dispenser is described below on the basis of a piston-
Grundsätzlich weist ein erfindungsgemäßer Kapillardispenser wenigstens eine Kolben-Zylinder-Einheit 17 auf, die aus einer Zylinderbaugruppe 16 mit einem Innenzylinder 1.1 und einer Kolbenbaugruppe 15, mit einem Kolben 5 besteht. Der Innenzylinder 1.1 und der Kolben 5 sind zueinander koaxial auf einer Achse A angeordnet, wobei der Kolben 5 gegenüber dem Innenzylinder 1.1 abgedichtet, innerhalb diesem, entlang der Achse A um einen Hubweg beweglich ist. Die Bewegung kann grundsätzlich manuell eingeleitet werden, wird aber, insbesondere, wenn der Kapillardispenser eine größere Anzahl von Kapillaren 8 aufweist, motorisch gesteuert, wozu der Kapillardispenser einen Antrieb und eine Steuerung aufweist.In principle, a capillary dispenser according to the invention has at least one piston-
Es ist erfindungswesentlich, dass der Kolben 5 ein Hohlkolben ist, der zu Beginn seiner Bewegung zur oberen Endlage der Kolbenbaugruppe 15 hin geöffnet wird und dann über die Länge des Hubweges beidseitig geöffnet bleibt.It is essential to the invention that the
Während der Bewegung zu einer unteren Endlage der Kolbenbaugruppe 15 hin, wird der Kolben 5 zu Beginn einseitig verschlossen und bleibt einseitig verschlossen über die gesamte Länge des Hubweges. Die untere und die obere Endlagen der Kolbenbaugruppe 15 begrenzen den Hubweg. Der Innenzylinder 1.1 steht mit wenigstens einer Kapillare 8 pneumatisch in Verbindung.During the movement towards a lower end position of the
Dadurch, dass der Kolben 5 während seiner Bewegung zur oberen Endlage der Kolbenbaugruppe 15 hin geöffnet ist und die Kolben-Zylinder-Einheit 17 damit ein offenes System darstellt, verändern sich die Druckverhältnisse an dem mit dem Innenzylinder 1.1 in Verbindung stehenden Ende der wenigstens einen Kapillare 8 nicht, während der Kolben 5 zu der oberen Endlage der Kolbenbaugruppe 15 hin bewegt wird. Diese Bewegung hat damit keinen Einfluss auf die an der Kapillare 8 anliegenden Druckverhältnisse. Das heißt die Kapillare 8 könnte bereits befüllt sein oder sich zeitgleich, sofern sie mit ihrem anderen (nachfolgend freies Ende genannt) mit einer Flüssigkeit in Kontakt steht, ausschließlich über den Kapillareffekt befüllen.Characterized in that the
Während der Bewegung des Kolbens 5 zur unteren Endlage der Kolbenbaugruppe 15 hin, ist er geschlossen und die Kolben-Zylinder-Einheit 17 stellt damit ein geschlossenes System dar. Die sich in der Kolben-Zylinder-Einheit 17 befindende Luft wird komprimiert, womit sich der Druck an dem mit dem Innenzylinder 1.1 in Verbindung stehenden Ende der wenigstens einen Kapillare 8 stetig erhöht, während der Kolben 5 zur unteren Endlage der Kolbenbaugruppe 15 hin bewegt wird. Die Luft entweicht über die wenigstens eine Kapillare 8, womit eine sich darin befindende Flüssigkeit ausgeblasen wird.During the movement of the
Da der Kolben 5 nach jeder Entleerung der Kapillare 8 geöffnet werden muss (Entlüftung), das heißt die Kolbenbaugruppe 15 muss wenigstens einen kleinen Teil des Hubweges in Richtung der oberen Endlage der Kolbenbaugruppe 15 bewegt werden, ist es vorteilhaft, wenn der Kolben 5 und der Innenzylinder 1.1 über ihre Länge und ihren Querschnitt so dimensioniert sind, dass der Hubweg gerade für eine Entleerung der Kapillare 8 reicht. So wird jeweils mit der Entleerung und der Entlüftung der vollständige Hubweg ausgeschöpft und der Innenzylinder1.1 und der Kolben 5 können so klein wie möglich dimensioniert werden.Since the
Es ist dem Fachmann klar, dass die Dimensionierung auch so erfolgen kann, dass ein Hubweg ausreichend ist, um die Kapillare 8 mehrfach zu entleeren. Zur Entlüftung und Wiederbefüllung der Kapillare 8 wird dann in Richtung der oberen Endlage der Kolbenbaugruppe 15 hin die Kolbenbaugruppe 15 nur wenig angehoben, dass sich die Kapillare 8 öffnet.It is clear to the person skilled in the art that the dimensioning can also be carried out in such a way that a stroke is sufficient to repeatedly empty the
Da der Druck im Innenzylinder 1.1 nicht schlagartig ansteigt und auch nur verhältnismäßig gering ist, kann die Flüssigkeit auch in ein Gefäß abgegeben werden, in dem sich bereits eine Flüssigkeit befindet, ohne dass es dadurch zu einem sogenannten Übersprechen kommt, wie es in der Beschreibung des Standes der Technik beschrieben wurde. Eine pulsartige Abgabe ist möglich, wenn in die Verbindung zwischen dem Innenzylinder 1.1 und der Kapillare 8 ein Ventil 14 vorgesehen wird.Since the pressure in the inner cylinder 1.1 does not rise abruptly and is also relatively low, the liquid can also be dispensed into a vessel in which there is already a liquid, without resulting in a so-called crosstalk, as described in the description of Prior art has been described. Pulse-like delivery is possible if a
Grundsätzlich ist es für die Wirkungsweise der Kolben-Zylinder-Einheit 17 unerheblich wo der Kolben 5 verschlossen wird. Das kann theoretisch an dem unteren im Innenzylinder 1.1 geführten Ende, irgendwo innerhalb oder bevorzugt am oberen Ende des Kolbens 5 erfolgen.Basically, it is irrelevant for the operation of the piston-
Vorzugsweise erfolgt der Verschluss mittels einer Kolbendichtung. Entweder der Kolben 5 wird unmittelbar mit einer am oberen Ende ausgebildeten Stirnfläche, die Vorteilhast abgerundet ausgebildet ist, an die Kolbendichtung angelegt, oder dessen Abdichtung erfolgt mittelbar, indem ein um das Ende des Kolbens 5 vorgesehener, zu dessen Umfang abgedichteter Kolbenkopf 5.1 an die Kolbendichtung angelegt wird. Letztgenanntes hat den Vorteil, dass über die Dimensionierung des Kolbenkopfes 5.1 eine breitere Anlagefläche geschaffen werden kann. Die Kolbendichtung kann bevorzugt als eine Kolbendichtplatte 6, aus einem elastischen Material, z. B. einem Elastomer, ausgeführt sein. Die Abdichtung aller Kolben 5 erfolgt dann vorteilhaft mit einer gleichen Kolbendichtplatte 6. Stattdessen können als Kolbendichtung auch einzelne Konen oder Kugeln 12 Verwendung finden. Diese Konen oder Kugeln 12 können z. B. aus Glas, Keramik oder ebenfalls bevorzugt aus einem elastischen Material sein. Mittels des Kolbenkopfes 5.1 hängt der Kolben 5 in der Kolbenbaugruppe 15.The closure preferably takes place by means of a piston seal. Either the
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele beschrieben die sich durch unterschiedliche konstruktive Ausführungen verschiedener Bauteile, wie Kopfdichtung, Kolbenkopf 5.1, Ventil 14 und Kapillarhalter 7 unterscheiden. Die unterschiedlichen Ausführungen für die unterschiedlichen Bauteile sind untereinander kombinierbar, auch wenn hier nicht jede der möglichen Kombinationen ausdrücklich erwähnt wird.Hereinafter, some embodiments are described which differ by different structural embodiments of various components, such as head gasket, piston head 5.1,
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel, welches den Anforderungen an die Präzision und Schnelligkeit der Abgabe von kleinsten Volumina am besten gerecht wird, ist ein Kapillardispenser mit einer Vielzahl von Kapillaren 8, die in einer Matrix entsprechend den Wells handelsüblicher Mikrotiterplatten zueinander angeordnet sind und pro Kapillare 8 eine Kolben-Zylinder-Einheit 17 vorhanden ist.An advantageous embodiment which best meets the requirements for the precision and speed of dispensing of smallest volumes is a capillary dispenser with a multiplicity of
Ein solcher Kapillardispenser soll in einem ersten Ausführungsbeispiel anhand der
Der in
Pro Kapillare 8 ist eine Kolben-Zylinder-Einheit 17 vorgesehen, die jeweils auf einer Achse A angeordnet ist. In
Die in der Trägerplatte 1 dargestellten Aussparungen sind für die - für einen automatischen Betrieb notwendigen Baugruppen, wie Steuerbaugruppe - Motor und Getriebe vorgesehen. Die Trägerplatte 1 bildet gleichzeitig die Unterseite eines hier nicht dargestellten Gehäuses.The recesses shown in the
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Kolben-Zylinder-Einheiten 17 sind als Schnittdarstellungen in den
Eine erste Ausführung einer Kolben-Zylinder-Einheit 17 ist in den
Die Kolben-Zylinder-Einheit 17 umfasst im Wesentlichen einen Innenzylinder 1.1 und einen in diesem konzentrisch auf einer gemeinsamen Achse A mit dem Innenzylinder 1.1 angeordneten Kolben 5. Ebenfalls auf der Achse A angeordnet, ist eine Kapillare 8, die mit dem Innenzylinder 1.1 pneumatisch in Verbindung steht. Der Kolben 5 ist ein beidseitig offener Hohlkolben, der einseitig verschließbar ist.The piston-
Der Innenzylinder 1.1 einer Kolben-Zylinder-Einheit 17 wird von einer Durchgangsbohrung in der Trägerplatte 1 gebildet. Sie kann, wie dargestellt, eine abgestufte Bohrung sein, umfassend einen Abschnitt mit einem größeren Innendurchmesser, in dem der Kolben 5 läuft und einen Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser, um einen Kanal zu bilden, dessen Durchmesser größer dem Durchmesser der Kapillare 8, aber kleiner dem Durchmesser eines am Kapillarhalter 7 ausgebildeten Spitzenbundes 7.2 ist. Die Länge des Abschnittes in dem der Kolben 5 läuft, ist in Abhängigkeit vom Hubweg und dem axialen Spiel, welches der Kolbenkopf 5.1 in einer Ausnehmung 3.1 der Kolbenplatte 3 hat, gewählt, welche in Verbindung mit dem Durchmesser des Kolbens 5, das maximale Abgabevolumen bestimmt. Je kleiner das Raster ist, in welchem die Kapillaren 8 angeordnet sind, um so kleiner müssen die Durchmesser der Innenzylinder 1.1 zwangsläufig dimensioniert werden und um so größer muss folglich die Länge des Abschnittes sein in dem der Kolben 5 läuft.The inner cylinder 1.1 of a piston-
Zur Abdichtung des Kolbens 5 gegenüber dem Innenzylinder 1.1 ist zwischen der Andruckplatte 2 und der Trägerplatte 1 eine den Kolben 5 dicht umschließende Dichthülse 11 vorgesehen.For sealing the
Die Trägerplatte 1 mit den in einer matrixförmigen Anordnung ausgebildeten Innenzylindern 1.1, die Andruckplatte 2 mit Durchgangsbohrungen in einer gleichen Anordnung wie die Innenzylinder 1.1 und eine entsprechende Anzahl von Dichthülsen 11 bilden gemeinsam eine gleiche Anzahl von Zylinderbaugruppen 16, wie Kapillaren 8 vorhanden sind.The
Der Kolben 5 einer Kolben-Zylinder-Einheit 17 ist ein Hohlkolben an dessen oberen Ende ein Kolbenkopf 5.1 angebracht oder ausgebildet ist. Der Kolbenkopf 5.1 umschließt das obere Ende des Kolbens 5 wie eine Manschette und weist zwei senkrecht zur Achse A verlaufende Stirnflächen 5.1.1 und 5.1.2 auf. Über die untere Stirnfläche 5.1.1 kann der Kolbenkopf 5.1 in einer Ausnehmung 3.1 der Kolbenhalteplatte 3 aufliegen, welche tiefer als die Höhe des Kolbenkopfes 5.1 ist. Damit hat der Kolbenkopf 5.1 in Richtung der Achse A ein axiales Spiel gleich der Differenz zwischen Höhe des Kolbenkopfes 5.1 und Tiefe der Ausnehmung 3.1. Die obere Stirnfläche 5.1.2 ragt über das obere Ende des Kolbens 5 hinaus, womit es an die als Kolbendichtplatte 6 ausgeführte Kolbendichtung angelegt werden kann.The
Grundsätzlich kann das obere Ende des Kolbens 5 auch über die obere Stirnfläche 5.1.2 hinausragen, womit das obere Ende des Kolbens 5 an die Kolbendichtplatte 6 angelegt werden kann.In principle, the upper end of the
Wie aus
Die Kolbenhalteplatte 3 und die Anschlagplatte 4 sind gemeinsam entlang der Achse A gegenüber der feststehenden Trägerplatte 1 beweglich, womit der Kolben 5 im Innenzylinder 1.1 entsprechend der Länge des Hubweges angehoben und abgesenkt werden kann.The
Die Kolbenhalteplatte 3, die Kolbendichtplatte 6, die Anschlagplatte 4 sowie die Kolben 5 mit dem jeweils an ihm vorgesehen Kolbenkopf 5.1 bilden gemeinsam eine gleiche Anzahl von Kolbenbaugruppen 15, wie Kapillaren 8 vorhanden sind.The
Die einer Kolben-Zylinder-Einheit 17 zugeordnete Kapillare 8 ist mit dem Innenzylinder 1.1 pneumatisch verbunden. Grundsätzlich kommt hier jede Art von Verbindung infrage, welche eine gegenüber der Umgebung abdichtende Verbindung darstellt.The
Um eine matrixförmige Anordnung von Kapillaren 8 mit einem Kapillardispenser zu verbinden, werden die Kapillaren 8 in einem Magazin 9 mit den entsprechenden Rasterabständen zueinander eingebracht und das Magazin 9 über die Dichtmatte 10 mittelbar kraftschlüssig an der Trägerplatte 1 zur Anlage gebracht. Im nachfolgenden soll der Begriff Magazin 9 für eine Planplatte stehen, in welcher die Kapillaren 8 angeordnet sind, unabhängig davon wie sie in der Platte gehalten werden und ob sie in der Platte lösbar bzw. nicht lösbar befestigt oder unbefestigt gehalten werden.In order to connect a matrix-like arrangement of
In einem weniger vorteilhaften Ausführungsbeispiel können die Kapillaren 8 z. B. fest in ein Magazin 9 eingelassen sein. Nachteilig ist hier, dass beschädigte, abgebrochene oder verstopfte Kapillaren 8 nicht getauscht werden können, was gegebenenfalls den Austausch des gesamten Magazins 9 erforderlich macht.In a less advantageous embodiment, the capillaries 8 z. B. be embedded in a
Die Kapillaren 8 können stattdessen auch einzeln in Schäften, z. B. aus Kunststoff gefasst sein und über eine am Schaft vorgesehene lösbare Schraub-, Klemm- oder Steckverbindung in einem Magazin 9 lösbar fixiert sein. Der ersichtliche Vorteil zur vorgenannten Lösung besteht darin, dass die Kapillaren 8 mit Schäften, die form- und/ oder kraftschlüssig mit dem Magazin 9 verbunden werden, einzeln und einfach zu ersetzen sind. Der Nachteil ist, dass solche Verbindungen nicht beliebig oft gelöst werden können ohne zu verschleißen und die Anzugskraft zum Befestigen der Verbindung, darf weder zu groß, noch zu klein sein, um einerseits den Schaft nicht zu beschädigen und andererseits einen festen Sitz zu gewährleisten.The
Als vorteilhafte Lösung zum Fassen der Kapillaren 8 wird vorgeschlagen diese jeweils in eine Kapillarhalterung 7 einzubringen, die wie eine Pipettenspitze ausgeführt ist und in den
Die Kapillarhalterungen 7 können mit ihrem Spitzenteil 7.1 in dafür vorgesehene Löcher in ein Magazin 9 eingeführt werden, bis die hintere Stirnseite des Spitzenbundes 7.2 zur Auflage auf dem Magazin 9 kommt und die Kapillarhalterung 7 mit einem minimalen radialen Spiel im Magazin 9 hängt. Um die Kapillarhalterungen 7 und damit die Kapillaren 8 auszutauschen, muss keine Verbindung gelöst werden, sondern die Kapillarhalterung 7 wird lediglich durch ein widerstandsfreies Anheben aus dem Magazin 9 herausgezogen, weshalb der Austausch zu keiner mechanischen Belastung der Kapillarhalterung 7 und damit zu keinem durch den Austausch begründeten Verschleiß führt.The
Die Kapillare 8 ist am vorderen Ende der Kapillarhalterung 7, wenigstens geringfügig aus dieser herausragend, befestigt. Sie kann z. B. eingeklebt oder eingepresst sein. Die Kapillarhalterung 7 kann vorteilhaft auch als monolithisches Spritzgussteil mit der Kapillare 8 als Einlegeteil hergestellt sein.The
Das Magazin 9 ist an der Trägerplatte 1 positionier- und befestigbar und zwar so, dass die vorderen Stirnseiten der Spitzenbunde 7.2 kraftschlüssig an die Dichtmatte 10 angelegt sind.The
Die Kapillaren 8 sind vorzugsweise aus Glas, können aber auch aus anderen Materialien wie bspw. Kunststoff oder Keramik bestehen, wobei gewährleistet sein muss, dass die kapillare Steighöhe der zu dispensierenden Flüssigkeit ausreicht, um die Kapillare 8 vollständig zu befüllen. Die kapillare Steighöhe h lässt sich durch folgende Formel berechnen:
Die Kapillaren 8 haben vorzugsweise eine hydrophobe Außenbeschichtung, um ein Anhaften der Flüssigkeit beim Herausheben aus der Flüssigkeit weitmöglichst zu verhindern sowie das Hochkriechen von Flüssigkeit an der Außenseite der Kapillare 8 bei Ausbildung eines Tropfens am Kapillarende zu unterdrücken. Besonders vorteilhaft ist eine Beschichtung aus Fluorpolymer.The
Vorteilhaft werden die Kapillaren 8, bzw. deren freie Enden, möglichst dünnwandig ausgeführt, um die Stirnfläche am Kapillarende zu minimieren und hierdurch das Haftvermögen von Flüssigkeit an der Stirnfläche zu minimieren.Advantageously, the
Nachfolgend wird die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Kapillardispensers anhand der Funktion einer Kolben-Zylinder-Einheit 17, wie sie in den
Zu Beginn des Dispensiervorganges befindet sich die Kolbenbaugruppe 15 in einer oberen Endlage, wie in
Da sich die Kapillare 8 durch ihre Kapillarwirkung über das Eintauchen ihres freien Endes selbstständig befüllt, solange das andere Ende offen ist und ein im wesentlichen gleicher Umgebungsdruck anliegt wie an dem freien Ende, kann die Kapillare 8 bereits befüllt sein oder jetzt durch Eintauchen in eine Flüssigkeit befüllt werden. Dazu wird vorzugsweise ein mit der Flüssigkeit befülltes Gefäß zu den Kapillaren 8 hin angehoben.Since the
Zum Dispensieren muss im Innenzylinder 1.1 ein Druck aufgebaut werden, was voraussetzt, dass der Innenzylinder 1.1 verschlossen und das freie Volumen in ihm anschließend verringert wird, um die Flüssigkeit aus der Kapillare 8 auszustoßen. Das Verschließen des Innenzylinders 1.1 erfolgt mittelbar über das einseitige Verschließen des Kolbens 5 indem die Kolbenbaugruppe 15 abgesenkt wird. Nach einem Weg gleich dem axialen Spiel des Kolbenkopfes 5.1 wird der Kolbenkopf 5.1 mittelbar über die Kolbendichtplatte 6 an die Anschlagplatte 4 gedrückt und verschlossen. Die Kolben-Zylinder-Einheit 17 ist damit gegenüber der Umgebung abgedichtet und es wird bei einem weiteren Absenken der Kolbenbaugruppe 15 und damit des Kolbens 5 ein Druck zum Dispensieren der Flüssigkeit aus den Kapillaren 8 aufgebaut, bis dieser ausreichend ist, um die Flüssigkeit auszustoßen. Siehe hierzu
Nach der vollständigen Abgabe der Flüssigkeit wird der Kolben 5 über ein Anheben der Kolbenbaugruppe 15 wieder in seine obere Endlage gebracht, wobei sich der Kolben 5 wieder öffnet, sodass sich im Innenzylinder 1.1 wieder der Umgebungsdruck einstellt. Dabei oder anschließend kann über die Kapillare 8 erneut Flüssigkeit aufgenommen werden, wobei die Aufnahme nicht durch ein Ansaugen, sondern ausschließlich durch den Kapillareffekt bewirkt wird. Die beschriebene Arbeitsweise erfolgt für alle Kolben-Zylinder-Einheiten 17 des Kapillardispensers synchron.After the complete dispensing of the liquid, the
In einem zweiten Ausführungsbeispiel soll der Kapillardispenser ein ganzzahliges Vielfaches von Kapillaren 8 aufweisen als Kolben-Zylinder-Einheiten 17, wie sie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, vorhanden sind.In a second exemplary embodiment, the capillary dispenser should have an integer multiple of
Hierbei sind mit jedem Innenzylinder 1.1 eine Anzahl von Kapillaren 8 verbunden, welche dem Vielfachen der Kolben-Zylinder-Einheiten 17 entspricht. Mit zunehmender Anzahl der über eine Kolben-Zylinder-Einheit 17 zu entleerenden Kapillaren 8, muss ein größerer Druck im Innenzylinder 1.1 aufgebaut werden.Here, a number of
Anstelle einer Kolbendichtplatte 6 als Kolbendichtung für alle Kolben-Zylinder-Einheiten 17, kann auch pro Kolben-Zylinder-Einheit 17 z. B. eine Kugel 12 zur Abdichtung des Kolbens 5 verwendet werden, die in einer zusätzlichen Hilfsplatte 13 in einer Vertiefung 13.1 eingelegt ist.Instead of a
In den
Gleich dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt der Kolbenkopf 5.1 in der unteren Endlage der Kolbenkopfbaugruppe 15 in der Ausnehmung 3.1 auf deren Boden an und der Kolben 5 ist geöffnet.Like the previously described embodiment, the piston head is 5.1 in the lower end position of the
In der oberen Endlage der Kolbenbaugruppe 15 ist das obere Ende des Kolbens 5 direkt an die Kugel 12 angelegt und der Kolben 5 ist verschlossen. Die Kugel 12 kann aus einem Elastomer gefertigt sein bzw. aus Glas, Metall oder Keramik mit einer hochpräzisen Oberfläche. Im Falle einer nicht elastischen Kugel 12 ist das obere Ende des Kolbens 5, mit einer Stirnfläche gefertigt, die einen Krümmungsradius gleich dem Kugelradius aufweist. Die Kugeln 12 sind jeweils oberhalb der einzelnen Kolben 5 in einer Hilfsplatte 13 in dafür vorgesehenen Vertiefungen 13.1 gelegt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind in der Kolbenhalteplatte 3 Rillen 3.2 vorgesehen. Sie können entsprechend auch in der angrenzenden Seite der Hilfsplatte 13 eingebracht sein.In the upper end position of the
Ein weiteres Ausführungsbeispiel soll anhand von
Für das kontaktfreie Dispensieren ist, wie in der Beschreibung des Standes der Technik bereits erläutert, eine hohe Kolbenbeschleunigung/-geschwindigkeit vonnöten, um den zum Dispensieren nötigen Druck entsprechend schnell aufzubauen. Dies könnte durch einen großen Kolbendurchmesser erreicht werden. Dafür ist allerdings der Bauraum, sofern jedem Innenzylinder 1.1 nur eine Kapillare 8 zugeordnet wird, durch das Raster der Kapillaren 8, welches auf das Raster der Wells der Zielplatten (96er Platte = 9 mm; 384er Platte = 4,5 mm; 1536er Platte = 2,25 mm) angepasst ist, begrenzt.For non-contact dispensing, as already explained in the description of the prior art, a high piston acceleration / speed is required in order to build up the pressure required for dispensing correspondingly quickly. This could be achieved by a large piston diameter. For this, however, the installation space, if only one
Um ohne hohe Beschleunigungen/Geschwindigkeiten auszukommen, kann auch ein Ventil 14 am unteren Ende des Innenzylinders 1.1 angebracht sein. Mit Hilfe des Ventils 14 ist es möglich, im Innenzylinder 1.1 mittels des Kolbens 5 den benötigten Druck zum Dispensieren aufzubauen und dann als Druckimpuls freizugeben. Hierfür kommen elektromagnetische Miniaturventile, aber auch passive Kugelrückschlagventile sowie sogenannte Durckbills oder Cross-slit-Valves aus einem Elastomer in Frage. Das Problem bei den passiven Ventilen ist, dass sie den Druck typischerweise nicht als Impuls freigeben, sondern sich beim Erreichen einer Schwelle langsam öffnen. Um auch mit den passiven Ventilen einen Druckimpuls zu erzeugen, wird vorgeschlagen das Ventil 14 so zu dimensionieren, dass es bei einem im Innenzylinder 1.1 maximal erzeugbaren Druck immer noch geschlossen ist und erst durch das Anlegen des Kolbens 5 mechanisch geöffnet wird, sodass der Druck schlagartig entweichen kann.In order to manage without high accelerations / speeds, a
- 11
- Trägerplattesupport plate
- 1.11.1
- Innenzylinderinner cylinder
- 22
- Andruckplatteplaten
- 33
- KolbenhalteplattePiston retaining plate
- 3.13.1
- Ausnehmungrecess
- 3.23.2
- Rillegroove
- 44
- Anschlagplattestop plate
- 55
- Kolbenpiston
- 5.15.1
- Kolbenkopfpiston head
- 5.1.15.1.1
- untere Stirnfläche des Kolbenkopfeslower end face of the piston head
- 5.1.25.1.2
- obere Stirnfläche des Kolbenkopfesupper end face of the piston head
- 66
- KolbendichtplattePiston sealing plate
- 77
- Kapillarhalterungcapillary holder
- 7.17.1
- Spitzenteiltop part
- 7.27.2
- Spitzenbundlace top
- 88th
- Kapillarecapillary
- 99
- Magazinmagazine
- 1010
- Dichtmattesealing mat
- 1111
- Dichthülsesealing sleeve
- 1212
- KugelBullet
- 1313
- Hilfsplatteauxiliary plate
- 13.113.1
- Vertiefungdeepening
- 1414
- VentilValve
- 1515
- Kolbenbaugruppepiston assembly
- 1616
- Zylinderbaugruppecylinder assembly
- 1717
- Kolben-Zylinder-EinheitPiston-cylinder unit
- AA
- Achseaxis
Claims (9)
- A capillary dispenser having at least one plunger-cylinder unit (17) consisting of a cylinder module (16) with an inner cylinder (1.1) and a plunger module (15) having a plunger (5) that are arranged together on an axis (A), wherein the inner cylinder (1.1) is pneumatically connected to at least one capillary (8), wherein the plunger (5) is sealed off with respect to the inner cylinder (1.1) and is configured as a hollow plunger that is open on both sides, the plunger (5) being movable in the inner cylinder (1.1) along the axis (A) between an upper end position and a lower end position of the plunger module (15), and wherein the plunger (5) is closable on one side, so as to close the plunger (5) on one side during the movement towards the lower end position of the plunger module (15).
- The capillary dispenser according to claim 1, characterized in that the at least one plunger module (15) is associated with a plunger seal against which an upper face of the plunger (5) is placed in a frictionally engaging manner, when the plunger module (15) is in its upper end position, so as to close the plunger (5), the plunger (5) having axial play in the direction of the axis (A) inside the plunger module (15).
- The capillary dispenser according to claim 1, characterized in that the at least one plunger module (15) is associated with a plunger seal, and the plunger (5) has a plunger head (5.1) that protrudes beyond an upper face of the plunger (5) and that is placed against the plunger seal in a frictionally engaging manner, when the plunger module (15) is in its upper end position, so as to close the plunger (5), the plunger (5) having axial play in the direction of the axis (A) inside the plunger module (15).
- The capillary dispenser according to claim 2 or 3, characterized in that the plunger seal is a ball (12) and the upper face of the plunger (5) is configured with a curvature radius that is equal to the radius of the ball (12).
- The capillary dispenser according to claim 2 or 3, characterized in that the plunger seal is a plunger sealing plate (6).
- The capillary dispenser according to claim 1, characterized in that the inner cylinder (1.1) is in communication with the capillary (8) via a valve (14).
- The capillary dispenser according to claim 1, characterized in that at least one capillary (8) is fitted into a capillary holder (7) that has the shape of a pipette tip.
- The capillary dispenser according to claim 1, characterized in that the capillary dispenser comprises a plurality of capillaries (8) and one capillary holder (7) in the shape of a pipette tip is present per capillary (8), the capillary (8) being firmly inserted into the capillary holder (7) with one free end protruding, and the capillary holders (7) are suspended in a cartridge (9).
- The capillary dispenser according to claim 1, characterized in that each inner cylinder (1.1) is in communication with several capillaries (8).
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