EP3485974B2 - Mikrodosiereinrichtung zur dosierung von kleinsten fluidproben - Google Patents

Mikrodosiereinrichtung zur dosierung von kleinsten fluidproben Download PDF

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EP3485974B2
EP3485974B2 EP17202368.1A EP17202368A EP3485974B2 EP 3485974 B2 EP3485974 B2 EP 3485974B2 EP 17202368 A EP17202368 A EP 17202368A EP 3485974 B2 EP3485974 B2 EP 3485974B2
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EP
European Patent Office
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air duct
air
microdosing
valve
volume
Prior art date
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EP17202368.1A
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EP3485974B1 (de
EP3485974A1 (de
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Peter Molitor
Hinnerk Oßmer
Marcel GÜLTIG
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Eppendorf SE
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Eppendorf SE
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Publication date
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Priority to PCT/EP2018/081558 priority patent/WO2019096993A1/de
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    • B01L3/02—Burettes; Pipettes
    • B01L3/0241—Drop counters; Drop formers
    • B01L3/0268—Drop counters; Drop formers using pulse dispensing or spraying, eg. inkjet type, piezo actuated ejection of droplets from capillaries

Definitions

  • Examples of handheld, electronic pipetting devices or pipettes are the Eppendorf Xplorer ® and the Eppendorf Xplorer ® plus from Eppendorf AG, Germany, Hamburg; examples of handheld, electronic dispensers are the Multipette ® E3 and Multipette ® E3x from Eppendorf AG, Germany, Hamburg.
  • These devices like the pipetting device according to the present invention, are operated electrically in that the pipetting movable part, in particular the piston, is moved by an electric motor device of the pipetting device.
  • An example of an automatic pipetting device is the Eppendorf epMotion ® .
  • Pipetting devices are used for dosing and thus for the precise measurement of liquid volumes.
  • systematic and random dosing errors can increase considerably. Details on the usual procedure for determining errors and dosing small volumes, in particular by dispensing from the wall of the container, can be found in DIN EN ISO 8655.
  • dispensing using the free jet method in which the fluid sample leaves the pipetting container as a jet or free drop - also known as a jet - the smallest volumes between 0.1 ⁇ l and 1.0 ⁇ l, preferably summarized here under the term "microvolumes”, can no longer be dosed sufficiently safely with conventional pipetting devices. Various physical influences are responsible for this.
  • the EP0119573A1 describes a dispenser for dispensing microdroplets of a laboratory sample.
  • a sample chamber formed as an elastic tube with a nearby outlet opening has an elastic section that is compressed by the actuation of an electromagnetically driven anchor bolt. The resulting pressure wave acts in the direction of the outlet opening and causes the ejection of a microdroplet.
  • the EP0876219B1 describes a pipetting device that has a dispenser tip and, connected to it via a fluid channel, a piston displacer with a valve, by means of which larger volumes can be pipetted, i.e. sucked in and dispensed, through the pipette tip.
  • a pulse generator is arranged between the pipette tip and the piston displacer, which applies a pulse to the liquid in the fluid channel in order to eject a small drop of a defined size from the pipette tip.
  • the pulse generator can be an electromagnetic actuator or a piezo element, or can have an ultrasound or heat source.
  • the EP1206966B1 describes a pipetting device for optionally dispensing larger volumes or very small volumes for life science.
  • a cylinder piston closure that can be moved using a spindle drive is fitted with a pulse generator, in this case a piezo element, in a piston chamber.
  • the pulse generator is arranged as part of the cylinder piston between the cylinder piston closure and the piston rod. Drops in the submicroliter range are dispensed in precise doses by the piezo-controlled, abrupt stopping of the piston.
  • the EP1654068B1 describes a microdosing device with an elastically deformable fluid line that connects a liquid reservoir with an outlet opening of the fluid line.
  • a displacer driven by a piezo actuator is arranged along a section of the fluid line, the longitudinal position and stroke of which when pressed onto the fluid line defines the volume of liquid to be dispensed. This leaves the outlet opening as a free-flying droplet or as a free-flying jet.
  • the WO99/37400 A1 describes a dosing device for the nanoliter to microliter range with a pressure chamber that is delimited by a displacer, which can be filled via an inlet connected to a liquid reservoir and which can be emptied via an outlet, whereby the liquid volume released in the free jet is dosed via the voltage-controlled deflection of the displacer by a piezo actuator.
  • a similar dosing device is also used by WO99/10099 A1 .
  • the DE 197 37 173 B4 describes how to manufacture such a free jet dosing device as a microsystem technology dosing element.
  • EP 1 488 106 B1 describes a dosing module with a dosing chamber, actuator and actuator membrane, which hits a chamber wall to generate a free jet.
  • the invention further relates to a pipetting device with a microdosing device according to the invention for generating a microdosing volume of a fluid sample in the form of a micro free jet, comprising an air chamber, a displacement element, in particular a piston element, which is designed to deflect between a first position and a second position and to displace a microvolume of the air chamber, wherein the pipetting device preferably has a shape memory material actuator, which is arranged in particular for deflecting the displacement element, wherein the pipetting device has a piston drive, in particular an electric motor, which drives the piston element, wherein the air chamber forms the piston chamber for receiving the piston arranged movably within the piston chamber, so that in particular the piston and piston chamber work in the manner of a conventional piston stroke pipette or in the manner of a conventional dispenser.
  • the electrical interface can be designed to send and/or receive electrical signals, in particular data.
  • the signal exchange can take place via a wired or wireless connection device.
  • an internal control device can be connected or is temporarily connected to the device, in particular the pipetting device, via an electrical interface by means of a connection device, this device is referred to as an external device.
  • the method for dispensing the fluid sample preferably provides for at least one of the following steps, in particular in this order: that the displacement element is in the second position and that the first and second valves are closed (initial situation); that the displacement element is moved to the first position while the valves are closed, whereby the air volume in the air chamber and in the first air channel section is compressed so that the overpressure is generated; that the first valve is opened after the displacement element has reached the first position - as a result, the compressed air immediately relaxes and accelerates the fluid sample at maximum speed.
  • the fluid sample with the desired microdosage volume exits the opening of the fluid transfer container.
  • the step of carrying out an overstroke of the displacement element is also provided in order to carry out a "blowout" of the entire remainder of the fluid sample possibly still contained in the fluid transfer container. This is done by further moving (in the same direction of the displacement element that corresponds to the direction of movement from the second to the first position) the displacement element from the first position to another dispensing position.
  • the overstroke can also be carried out at the same time as the first dispensing step, which causes a further (higher) acceleration of the fluid sample.
  • the total volume includes the dosing volume and an additional volume.
  • the additional volume can be used to provide a residual volume or a discard volume.
  • the residual volume remains in the fluid transfer container after all partial volumes have been dispensed and ensures that at least the desired partial volume is available for the last dispensing step.
  • the discard stroke is used to generate a first dispensing quantity according to the discard stroke before the partial volumes are dispensed according to the free jet principle, so that the meniscus of the fluid sample at the dispensing opening of the fluid transfer container is defined in the same way in all subsequent steps - the meniscus can be different during the first dispensing, i.e. directly after collection, than after a break according to the free jet principle.
  • the second position of the displacement element is set in particular according to the total volume.
  • the microdosing device has a cable connection 50, which is in particular part of the system 400, through which the valves 31, 32 are each connected to the electrical control device of the pipetting device and can thus be controlled by it.
  • the pipetting device (not shown in full) has an air chamber that is connected to the first opening via the connecting section 200, a displacement element that is designed to displace a microvolume (V) of the air chamber, and a drive to drive the deflection of the displacement element, whereby the overpressure in the first air channel section can be generated in the first state of the first valve.
  • the microvolume V is here identical to the microdosing volume to be dispensed during a pipetting process.
  • the displacement element of the pipetting device is a piston element that is designed to displace microvolumes and volumes greater than 2 ⁇ l, and in particular less than or equal to 100 ⁇ l, which can be selected by the user.
  • the first opening 21 of the microdosing device 1 can be connected to the working cone 201 of the pipetting device via a plug/clamp connection, so that the desired overpressure can be set in the first air channel section 11 by means of the pipetting device.
  • the electrical control device in particular an electrical control device of the microdosing device, is designed to control the first valve 31 so that the passage opening 14 is closed by means of the first Valve 31 is suddenly opened, whereby, due to the pressure equalization between the first 11 and second air channel section 12, a micro air volume exits the first air channel section 11 and a micro air volume (V) leaves the air channel 10 through the second opening 22, so that a micro dosing volume of the fluid sample held in the fluid transfer container 99, determined by the micro air volume (V), is displaced and released from the fluid transfer container into the outside space in the form of a micro free jet.
  • the first air duct section 11 has a closable third opening 23 which connects the first air duct section 11 to the outside space, and a controllable second valve 32 which is designed to keep the third opening 23 of the air duct 10 optionally closed in a first state in order to enable the overpressure in the first air duct section 11 with respect to the second air duct section, or to keep it open in a second state and to enable a change from the first to the second state to bring about a pressure equalization in the first air duct section 11 with the outside space.
  • the shape memory material actuator is an alloy based on TiNiCu, which is even more fatigue-resistant than conventional NiTi and thus offers advantageous long-term stability and reliability of the shape memory material actuator.
  • the phase transition or switching temperatures of the material are determined using differential scanning calorimetry (DSC), see diagram of the Fig.6 . In this measurement, the phase transition that is important for the actuation appears as a peak. From the diagram, it can be seen that in order to switch the actuator, the temperature of the actuator must be increased to at least 67 °C; in order to reset it, the temperature must be reduced to a maximum of 50 °C.
  • the shape memory material actuator is in the martensite phase in particular and can be (apparently) plastically deformed by even small forces.
  • the shape memory material actuator is in the Fig. 3a shown first position of the movable element.
  • the shape memory material actuator can be arranged in the first position in particular so that it is under mechanical tension. However, it can also be relaxed.
  • the critical temperatures of the shape memory material actuator are adjustable by passing an electric current I through the shape memory material actuator.
  • a voltage supply is provided with which a circuit leading through the shape memory material actuator can be closed optionally for heating ( Fig. 3b ) or to cool the shape memory material actuator ( Fig. 3a ).
  • a ball 83b' or a holding element 85a' is inserted between the movable element and the actuator, which centers itself under the X-shaped, pocket-like curved actuator device 85.
  • the Figures 3a and 3b show the X-shaped, pocket-like actuator device 85, wherein in Fig. 3a a first position is shown in which the movable element is held in the first position by the return element, e.g. a spring, and wherein in Fig. 3b the second position is shown in which the actuator device 85 was activated and the movable element was deflected to the second position into the stop.
  • the actuator device 85 has two shape memory material actuators based on a NiCuTi alloy, namely two elongated, web-shaped shape memory material actuators made from sputtered film, which are arranged crossing each other, i.e. in an X-shape, centrally above the ball of the movable element 83'.
  • film-based actuators enables the forces and travel distances to be adjusted by adapting the two-dimensional geometry.
  • the surface which is very large in relation to the volume, is retained and ensures rapid heat dissipation or resetting of the actuator in the de-energized state.
  • the ends of the shape memory material actuators are connected to the base body 86, 40 or to the circuit board of the microdosing device 80 at the two coupling points 88 ( Fig. 3a ).
  • the shape memory material actuators are tensioned above the support point in such a way that the intersection point 85a forms a bending point of the shape memory material actuator.
  • a shell-like region of the actuator device is formed, through which the actuator device centers itself above the support point and generates a force directed downwards precisely along the linear movement direction between the first and second position, which results in a correspondingly precise deflection.
  • the two shape memory material actuators can be coupled by a connecting member (not shown). While in Fig. 3a to 3c the movable element 83' is constructed from cuboid-shaped sections, it can also be shaped differently, in particular with cylindrical sections, as well as with a ball as a support surface for the actuator device 85.
  • the supply voltage is set to 4 V
  • the duration of the initial voltage pulse is set to 10 ms
  • the pulse width modulation is set to a duty cycle of 1/128, for example.
  • the actual switching time is determined, for example, by observing the actuator (or the ball underneath) with a high-speed camera.
  • a shape memory material actuator in particular requires less than 2 ms to cover the stroke.
  • the force-deflection characteristics of the SMA actuators can be determined using a tensile testing machine.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Mikrodosiereinrichtung zur dosierten Abgabe und/oder Aufnahme von Fluidproben im Mikrovolumenbereich, einem System aus einer solchen Mikrodosiereinrichtung mit einer Pipettiervorrichtung und einem Verfahren zur dosierten Abgabe und/oder Aufnahme von Fluidproben im Mikrovolumenbereich.
  • Pipettiervorrichtungen sind handgehaltene oder automatisierte Laborgeräte, die üblicherweise in medizinischen, biologischen, biochemischen, chemischen und anderen Laboratorien verwendet werden. Sie dienen im Labor der präzisen Dosierung sowie dem Transport von fluiden Proben mit kleinen Volumina und dem Transfer solcher Volumina zwischen unterschiedlichen Probenbehältnissen. Bei Pipettiervorrichtungen werden z.B. flüssige Proben mittels Unterdruck in Pipettenbehälter, z.B. Pipettenspitzen, eingesaugt, dort gelagert, und am Zielort wieder aus diesen abgegeben.
  • Zu den handgehaltenen Pipettiervorrichtungen gehören z.B. handgehaltene Pipetten und Repetierpipetten, wobei letztere auch als Dispenser bezeichnet werden. Unter einer Pipette wird ein Gerät verstanden, bei dem mittels einer Bewegungseinrichtung, die dem Gerät zugeordnet ist und die insbesondere einen Kolben aufweisen kann, eine zu pipettierende Probe in einen mit der Pipette lösbar verbundenen Pipettierbehälter, insbesondere eine Pipettenspitze, eingesaugt werden kann. Bei einer Luftpolsterpipette ist der Kolben dem Gerät zugeordnet und zwischen der zu pipettierenden Probe und dem Kolbenende befindet sich als druckübertragendes Fluid ein Luftpolster, das beim Aufnehmen der Probe in den Pipettierbehälter unter einem Unterdruck steht, durch den die Probe in den Pipettierbehälter gesaugt wird und/oder im Pipettierbehälter gehalten wird. Unter einem Dispenser wird ein Gerät verstanden, bei dem mittels einer Bewegungseinrichtung, die insbesondere einen Kolben aufweisen kann, ein zu pipettierendes Volumen eines flüssigen Fluids in einen mit dem Dispenser verbundenen Pipettierbehälter, insbesondere eine nach dem Spritzenprinzip ausgestaltete Dispenserspitze, eingesaugt werden kann, wobei die Bewegungseinrichtung zumindest teilweise dem Pipettierbehälter zugeordnet ist, indem z.B. der Kolben im Pipettierbehälter angeordnet ist. Beim Dispenser befindet sich das Kolbenende sehr nahe an der zu pipettierenden Fluidprobe oder in Kontakt mit dieser, weshalb man den Dispenser auch als Direktverdrängerpipette bezeichnet. Pipettiervorrichtungen mit einem als Kolben ausgebildeten Verdrängungselement werden auch als Kolbenhubpipetten bezeichnet.
  • Pipettenspitzen oder Dispenserspitzen bestehen insbesondere aus Kunststoff und können als Einmalartikel nach Gebrauch weggeworfen bzw. durch eine frische Pipettenspitze oder Dispenserspitze ersetzt werden. Sie können aber auch aus Metall oder Glas bestehen oder solches Material aufweisen. Pipettenspitzen oder Dispenserspitze werden in verschiedenen Größen für Dosierungen in verschiedenen Volumenbereichen zur Verfügung gestellt.
  • Bei einer Pipettiervorrichtung kann die durch eine einzelne Betätigung abgegebene Probenmenge der in das Gerät aufgesaugten Probenmenge entsprechen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine mehreren Abgabemengen entsprechende aufgenommene Probenmenge schrittweise wieder abgegeben wird. Zudem wird zwischen Einkanal-Pipettiervorrichtungen und Mehrkanal-Pipettiervorrichtungen unterschieden, wobei Einkanal-Pipettiervorrichtungen nur einen einzigen Abgabe-/Aufnahmekanal enthalten und Mehrkanal-Pipettiervorrichtungen mehrere Abgabe-/Aufnahmekanäle enthalten, die insbesondere das parallele Abgeben oder Aufnehmen mehrerer Proben erlauben.
  • Beispiele für handgehaltene, elektronische Pipettiervorrichtungen bzw. Pipetten sind die Eppendorf Xplorer® und die Eppendorf Xplorer® plus der Eppendorf AG, Deutschland, Hamburg; Beispiele für handgehaltene, elektronische Dispenser sind die Multipette® E3 und Multipette® E3x der Eppendorf AG, Deutschland, Hamburg. Diese Geräte werden, wie auch die Pipettiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, elektrisch betrieben, indem das pipettierende bewegbare Teil, insbesondere der Kolben, durch eine elektrische Motoreinrichtung der Pipettiervorrichtung bewegt wird. Ein Beispiel für einen Pipettierautomaten ist die Eppendorf epMotion®.
  • Pipettiervorrichtungen dienen der Dosierung und somit der präzisen Abmessung von Flüssigkeitsvolumina. Beim Dosieren sehr kleiner Flüssigkeitsmengen mit Hilfe einer Kolbenhubpipette können die systematischen und zufälligen Fehler der Dosierung beträchtlich anwachsen. Details zum üblichen Vorgehen bei der Fehlerbestimmung und bei der Dosierung kleiner Volumina, insbesondere durch Wandabgabe im Behälter, finden sich in der DIN EN ISO 8655. Bei der Abgabe nach der Freistrahlmethode, bei der die Fluidprobe als Strahl oder freier Tropfen -auch bezeichnet als Jet- den Pipettierbehälter verlässt, können kleinste Volumina zwischen 0,1 µl und 1,0 µl, vorliegend vorzugsweise zusammengefasst unter dem Begriff "Mikrovolumina", mit herkömmlichen Pipettiervorrichtungen nicht mehr ausreichend sicher dosiert werden. Hierfür sind verschiedene physikalische Einflüsse verantwortlich. Zu diesen Einflüssen gehören unter anderem die Bildung von Satellitentropfen durch Reflexion des abgegebenen Volumens an der Flüssigkeitsoberfläche, an der sie auftreffen; der unvollständige Ausstoß des in der Pipettenspitze befindlichen Volumens; die geometrischen Verhältnisse innerhalb der Pipettenspitze; die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Pipettenspitze und das damit verbundene Benetzungsverhalten bzw. das Auftreten von Kapillarkräften; die elektrostatische Aufladung der Pipettenspitze; eine zu geringe Strömungsgeschwindigkeit bzw. kinetische Energie der Fluidprobe an der Austrittsöffnung der Pipettenspitze. Die Abgabe kleinster Volumina wird zudem dadurch erschwert, dass das Gesamtluftvolumen zwischen Kolben und Probenflüssigkeit als dämpfendes Element hinter dem auszustoßenden Volumen liegt und der effizienten Abgabe eines Freistrahls entgegenwirkt.
  • Um auch Fluidproben mit geringem Volumen im Freistrahl dosiert abgeben zu können, wurden im Stand der Technik verschiedene Ansätze verfolgt.
  • Die US9221046B2 beschreibt eine Pipette, die einen in Längsrichtung segmentierten Zylinderkolben mit Segmenten unterschiedlichen Durchmessers und einen Kolben mit entsprechend in Längsrichtung verteilten, unterschiedlich dimensionierten Verschlusselementen aufweist. Durch die unterschiedlichen Durchmesser können größere Volumen und kleinere Volumen präzise abgegeben bzw. aufgenommen werden. Durch eine geeignete Ausgestaltung wird von dieser Pipette ein an der Auslassöffnung haftender Tropfen ruckartig per "Blowout" abgegeben.
  • Die EP0119573A1 beschreibt einen Dispenser zur Abgabe von Mikrotropfen einer Laborprobe. Eine als elastisches Rohr gebildete Probenkammer mit einer nahe gelegenen Auslassöffnung weist einen elastischen Abschnitt auf, der durch die Aktuierung eines elektromagnetisch angetriebenen Ankerbolzens komprimiert wird. Die resultierende Druckwelle wirkt in Richtung der Auslassöffnung und bewirkt den Auswurf eines Mikrotropfens.
  • Die EP0876219B1 beschreibt einen Pipettierapparat, der eine Dispenserspitze und, mit dieser über einen Fluidkanal verbunden, einen mit Ventil versehenen Kolbenverdränger aufweist, mittels dem duch die Pipettenspitze größere Volumina pipettierbar, also ansaugbar und abgebbar sind. Zwischen der Pipettenspitze und dem Kolbenverdränger ist ein Impulsgenerator angeordnet, der auf die Flüssigkeit im Fluidkanal einen Impuls ausübt, um einen kleinen Tropfen definierter Größe aus der Pipettenspitze auszuwerfen. Der Impulsgenerator kann ein elektromagnetischer Aktuator oder ein Piezoelement sein oder kann eine Ultraschall- oder Wärmequelle aufweisen.
  • Die EP1206966B1 beschreibt einen Pipettierapparat zur wahlweisen Abgabe größerer Volumina oder kleinster Volumina für die Life-Science. Hierbei wird ein mittels Spindelantrieb bewegbarer Zylinderkolbenverschluss in einer Kolbenkammer mit einem Impulsgenerator, hier ein Piezoelement, versehen. Der Impulsgenerator als Teil des Zylinderkolbens zwischen dem Zylinderkolbenverschluss und der Kolbenstange angeordnet. Tropfen im Submikroliterbereich werden durch das piezogesteuerte, abrupte Stoppen des Kolbens genau dosiert abgegeben.
  • Die EP1654068B1 beschreibt eine Mikrodosiervorrichtung mit einer elastisch verformbaren Fluidleitung, die ein Flüssigkeitsreservoir mit einer Auslassöffnung der Fluidleitung verbindet. Entlang einer Strecke der Fluidleitung ist ein von einem Piezoaktor angetriebener Verdränger angeordnet, dessen Längsposition und dessen Hub beim Pressen auf die Fluidleitung das abzugebende Flüssigkeitsvolumen definiert. Dieses verlässt die Auslassöffnung als freifliegendes Tröpfchen oder als freifliegender Strahl.
  • Die WO2013167594A1 beschreibt eine Dispensieranordnung zum Dispensieren von Laborproben, mit einem als Flüssigkeitsreservoir dienenden Kolbenverdränger zur Abgabe und Aufnahme von Flüssigkeit mittels einer Kolbenbewegung. Ein verjüngter Auslassbereich der Kolbenkammer ist durch einen Impulsgenerator anregbar, der piezoelektrisch, pneumatisch, elektromagnetisch oder mittels Ultraschall antreibbar sein kann. Unter Berücksichtigung der mittels eines Sensors gemessenen Flüssigkeitsmeniskus an der Auslassöffnung wird mittels Impuls ein Tropfen mit dem gewünschten Volumen von der Auslassöffnung gelöst.
  • Die WO 99/37400 A1 beschreibt eine Dosiervorrichtung für den Nanoliter- bis Mikroliterbereich mit einer Druckkammer, die von einem Verdränger begrenzt ist, die über einen mit einem Flüssigkeitsreservoir verbundenen Einlass befüllbar ist und die über einen Auslass entleerbar ist, wobei das im Freistrahl abgegebene Flüssigkeitsvolumen über die spannungsgesteuerte Auslenkung des Verdrängers durch einen Piezoaktor dosiert wird. Einen ähnlichen Dosierer verwendet auch die WO 99/10099 A1 . Die DE 197 37 173 B4 beschreibt, einen solchen Freistrahldosierer als mikrosystemtechnisches Dosierelement zu fertigen. EP 1 488 106 B1 beschreibt ein Dosiermodul mit Dosierkammer, Aktor und Aktormembran, die zur Erzeugung eines Freistrahls an einer Kammerwand auftrifft.
  • DE 100 22 398 B4 beschreibt ein Mikrodosiersystem, bei dem ein Freistrahl mittels eines Gasdruckstoßes erzeugt und die Größe des abgegebenen Dosiervolumens durch Gasdruckmessungen reguliert wird.
  • Die genannten Ansätze weisen jeweils bestimmte Nachteile auf und sind insbesondere entweder aufwändig oder voluminös bzw. unflexibel betreffend der Integration in bestehende Laborgeräte, oder zu unpräzise zur Erzeugung der gewünschten Mikrodosiervolumina.
  • DE 10 2007 010 412 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Dosieren von Flüssigkeiten in gasgefüllte Räume, bei der nach dem Direktverdrängerprinzip ein unter Druck stehender elastischer Flüssigkeitsspeicher unter Herausdrücken eines definierten Flüssigkeitsvolumens entspannt werden kann. DE 10 2012 209 314 A1 beschreibt unter anderem Vorrichtungen zur Abgabe eines Flüssigkeitsvolumens im Mikroliterbereich per Freistrahl, das eine druckabhängig elektronisch gesteuerte Probenabgabe verwendet. EP 2 412 439 A1 beschreibt eine Pipettiervorrichtung zur Dispensation durch Erhöhung des Drucks eines Arbeitsfluids, umfassend eine Druckveränderungsvorrichtung zur Veränderung des Drucks des Arbeitsfluids in einem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum zu verändern, wobei sich die Druckänderung im Arbeitsfluid nicht schlagartig, sondern nur allmählich in den Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum fortsetzt.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine effizient gestaltete Mikrodosiereinrichtung zum präzisen Erzeugen eines Mikrodosiervolumens einer Fluidprobe in Form eines Mikrofreistrahls bereitzustellen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Mikrodosiereinrichtung gemäß Anspruch 1, das System gemäß Anspruch 9 und das Verfahren gemäß Anspruch 12. Bevorzugte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstände der Unteransprüche.
  • Durch das schlagartige Öffnen des ersten Ventils wird eine sehr effiziente Beschleunigung eines Mikroluftvolumens aus dem ersten Luftkanalabschnitt heraus in den zweiten Luftkanalabschnitt bewirkt, was wiederum effiziente Beschleunigung eines Mikroluftvolumens aus dem zweiten Luftkanalabschnitt und der zweiten Öffnung heraus bewirkt. Auf diese Weise ist die Mikrodosiereinrichtung besonders geeignet zur Erzeugung eines Mikrofludijets, vorliegend auch bezeichnet als Mikrofreistrahl. Ein Mikrofreistrahl ist ein Fluidvolumen im Mikroliterbereich oder Submikroliterbereich, das als Strahl oder freier Tropfen -auch bezeichnet als Jet- die Auslassöffnung eines Fluidkanals oder Fluidtransferbehälters verlässt. Die Dosierung ist insbesondere unabhängig vom Vorgang der Herstellung eines Überdrucks im ersten Luftkanalabschnitt. Da das aus dem ersten Luftkanalabschnitt austretende Mikroluftvolumen die Größe des abgegebenen Mikrodosiervolumens bestimmt, ist ein präzise Dosierung im Mikrovolumenbereich möglich.
  • Das in der Mikrodosiereinrichtung bewegte Mikroluftvolumen liegt vorzugsweise im Submikroliterbereich, also kleiner als 1 µl. Dementsprechend liegt das von der Mikrodosiereinrichtung abgegebenen Mikrodosiervolumens im Submikroliterbereich. Das als Freistrahl von einer Mikrodosiereinrichtung erzeugte Mikrodosiervolumen entspricht vorzugsweise im Wesentlichen dem -insbesondere von einem Verdrängungselement verdrängten- Mikroluftvolumen, insbesondere ist das Mikrodosiervolumen im Betrag identisch zu dem Mikroluftvolumen. Insbesondere durch wiederholte Abgabe eines Mikrodosiervolumens kann ein durch die sukzessive abgegebenen Mikrodosiervolumina gebildetes Gesamtabgabevolumen auch größer als 1 µl sein, und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 µl bis 10,0 µl, insbesondere 0,1 µl bis 5,0 µl, insbesondere 0,1 µl bis 2,5 µl, insbesondere 0,1 µl bis 1,5 µl.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zur Erzeugung des Überdrucks im ersten Luftkanalabschnitt vorgesehen: eine Luftkammer, die mit der ersten Öffnung verbindbar ist oder verbunden ist, ein Verdrängungselement, das zur Verdrängung eines Mikrovolumens (V) der Luftkammer eingerichtet ist, und ein Antrieb, um die Auslenkung des Verdrängungselements anzutreiben, wodurch im ersten Zustand des ersten Ventils der Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt erzeugbar ist. Diese Komponenten können Bestandteil der Mikrodosiereinrichtung sein, oder können Bestandteile einer externen Vorrichtung sein, insbesondere einer externen Pipettiervorrichtung, deren Arbeitskonus mit der ersten Öffnung luftdicht verbindbar ist, so dass mittels der externen Pipettiervorrichtung im ersten Zustand des ersten Ventils der Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt erzeugbar ist. Da das Mikroluftvolumen (V) durch das vom Verdrängungselement bestimmte Volumen genau festgelegt wird, sind insbesondere keine Drucksensoren in der Luftkammer oder im ersten Luftkanalabschnitt erforderlich, um eine präzise Dosierung zu erreichen.
  • Die Pipettiervorrichtung ist vorzugsweise eine -nach dem Luftpolsterprinzip arbeitende-Luftpolsterpipette, insbesondere eine kommerziell erhältliche Pipette oder ein Dispenser, die/der insbesondere zur Steuerung der Mikrodosiereinrichtung angepasst sein kann. Beispiele für derartige kommerziell erhältliche Pipettiervorrichtungen wurden oben genannt. Die Steuerung der Mikrodosiereinrichtung kann aber auch zumindest teilweise oder vollständig in der Mikrodosiereinrichtung angeordnet sein. Sie ist vorliegend eine elektrische Steuereinrichtung der Mikrodosiereinrichtung. Durch Kombination mit einer herkömmlichen Pipette ist die Mikrodosiereinrichtung besonders flexibel einsetzbar.
  • Vorzugsweise ist die Mikrodosiereinrichtung als Modul ausgebildet. Dazu weist die Mikrodosiereinrichtung vorzugsweise einen Verbindungsabschnitt auf, der mit einem korrespondierenden Verbindungsabschnitt einer externen Pipettiervorrichtung verbindbar -und wieder- lösbar ist. Dieser Verbindung ist vorzugsweise eine formschlüssige Steckund Klemmverbindung, bei der insbesondere der Arbeitskonus einer Pipettiervorrichtung in einen passenden Aufnahmeabschnitt der Mikrodosiereinrichtung eingesteckt wird. Die Steuerung der Mikrodosiereinrichtung kann in diesem Fall über einen Datenaustausch der Mikrodosiereinrichtung mit der Pipettiervorrichtung erfolgen, insbesondere über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung mit der Pipettiervorrichtung. Die Steuerung kann aber auch unabhängig von der Pipettiervorrichtung erfolgen, und kann insbesondere in die Mikrodosiereinrichtung integriert sein, und kann teilweise manuell steuerbar sein.
  • Das Verdrängungselement ist vorzugsweise ein Kolbenelement, insbesondere ein Kolbenelement einer kommerziell erhältlichen Pipettiervorrichtung. Das Kolbenelement ist vorzugsweise zur Verdrängung von Mikroluftvolumina und von Makroluftvolumina eingerichtet. Ein Makroluftvolumen ist größer als das Mikroluftvolumen. Ein Makroluftvolumen ist insbesondere ein solches Luftvolumen, das typischerweise mit herkömmlichen kommerziell erhältlichen Pipettiervorrichtungen pipettierbar ist. Ein Makroluftvolumen kann demnach insbesondere ein Luftvolumen größer als 2 µl sein, insbesondere kleiner oder gleich 10µl, 50µl, 100µl, 300µl oder 500µl.Vorzugsweise ist die Mikrodosiereinrichtung, oder eine Pipettiervorrichtung, die das Verdrängungselement, insbesondere das Kolbenelement, aufweist, bzw. das Verdrängungselement dazu eingerichtet, im ersten Zustand des ersten Ventils das Mikroluftvolumen (V) zu verdrängen und insbesondere auch dazu eingerichtet, im zweiten Zustand des ersten Ventils ein Makroluftvolumen zu verdrängen.
  • Die Mikrodosiereinrichtung, und/oder eine mit der ersten Öffnung verbindbare Pipettiervorrichtung, ist vorzugsweise dazu eingerichtet, dass das vom Verdrängungselement zu verdrängende Mikroluftvolumen vom Benutzer auswählbar ist, insbesondere mittels einer Benutzerschnittstelleneinrichtung, die Bestandteil der Mikrodosiereinrichtung oder der Pipettiervorrichtung sein kann.
  • Die erste Öffnung der Mikrodosiereinrichtung ist vorzugsweise mit dem Arbeitskonus einer Pipettiervorrichtung so verbindbar, dass -mittels des Verdrängungselements bzw. mittels der Pipettiervorrichtung- im ersten Luftkanalabschnitt der gewünschte Überdruck einstellbar ist. Dazu kann die Mikrodosiereinrichtung einen Öffnungsabschnitt aufweisen, der die erste Öffnung beinhaltet. Der Öffnungsabschnitt der Mikrodosiereinrichtung kann luftdicht mit einem Öffnungsabschnitt der Luftkammer verbindbar sein, z.B. durch eine formschlüssige Klemmverbindung. Der Öffnungsabschnitt der Luftkammer kann ein Arbeitskonus der Pipettiervorrichtung sein.
  • Vorzugsweise weist der erste Luftkanalabschnitt eine verschliessbare dritte Öffnung auf, die den ersten Luftkanalabschnitt mit dem Außenraum verbindet, und insbesondere ein steuerbares zweites Ventil auf, das dazu eingerichtet ist, die dritte Öffnung des Luftkanals wahlweise, in einem ersten Zustand, geschlossen zu halten, um den Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt gegenüber dem zweiten Luftkanalabschnitt zu ermöglichen, oder, in einem zweiten Zustand, geöffnet zu halten, sowie einen Wechsel vom ersten in den zweiten Zustand zur Herbeiführung eines Druckausgleichs im ersten Luftkanalabschnitt zum Außenraum zu ermöglichen.
  • Das erste Ventil, insbesondere auch das zweite Ventil oder mindestens ein weiteres Ventil der Mikrodosiereinrichtung oder des Systems weist jeweils vorzugsweise auf: einen Ventilkörper, an dem ein Ventilstößel beweglich angeordnet ist, der mittels mindestens eines FGL-Aktuators des Ventils auslenkbar ist. Der Ventilstößel ist in seinem ersten Zustand insbesondere durch ein Federelement vorgespannt und schließt eine Durchlassöffnung, und ist in seinem zweiten Zustand insbesondere ausgelenkt, wodurch die Durchlassöffnung geöffnet ist. Durch die elektrische Aktivierbarkeit des FGL-Aktuators ist das Ventil steuerbar. Weitere Details des erfindungsgemäßen Ventils können aus der Beschreibung der erfindungsgemäßen Mikrodosiereinrichtung und deren bevorzugten Ausgestaltungen abgeleitet werden.
  • Das erste Ventil weist einen elektrisch steuerbaren Aktuator auf. Das Ventil, insbesondere der Aktuator, ist für ein schlagartiges Öffnen eingerichtet. Der Aktuator ist ein Formgedächtnislegierungs(FGL)-Aktuator.
  • Der Erfindung liegen bezüglich dieser Mikrodosiereinrichtung insbesondere Resultate von Messungen an Ventilen mit Aktuatoren aus einer Formgedächtnislegierung zugrunde, die zeigen, dass sich bereits mit sehr kompakt ausgebildeten Formgedächtnismaterial-Aktuatoren sehr präzise und effizient eine Ventilöffnung und damit eine Probenabgabe nach dem Freistrahlprinzip verwirklichen lässt. Formgedächtnislegierungen (FGL) zeigen aufgrund eines Phasenübergangs ein spezielles Verhalten, das als Formgedächtniseffekt bekannt ist. Unterhalb einer materialspezifischen kritischen Temperatur befindet sich ein FGL-Bauteil insbesondere in der Martensit-Phase und lässt sich bereits durch geringe Kräfte (scheinbar) plastisch verformen. Beim Aufheizen auf eine weitere kritische Temperatur wird jedoch innerhalb von Millisekunden die ursprüngliche Bauteilgestalt wiederhergestellt, das Material verhält sich dann wie ein gewöhnliches Metall entsprechend dem Hookschen Gesetz. Von den Erfindern wurde festgestellt, dass sich solche Formgedächtnismaterial-Bauteile aufgrund der mit diesen Bauteilen realisierbaren Kraft-Auslenkungs-Kennlinien besonders zur Erzeugung eines Mikrofluidfreistrahls eignen. Bevorzugte Ausgestaltungen eines Formgedächtnismaterial-Aktuators werden nachfolgend noch beschrieben.
  • Ein Aktuator der Mikrodosiereinrichtung ist ein Formgedächtnismaterial-Aktuator.
  • Für die Aktuierung werden im Rahmen dieser Erfindung Aktuatoren verwendet, die zumindest abschnittsweise oder vollständig aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) bestehen oder diese aufweisen. Diese werden als Formgedächtnismaterial-Aktuatoren oder FGL-Aktuatoren bezeichnet. Im Vergleich zu anderen Aktuatoren besitzen FGL-Aktuatoren eine besonders hohe Energiedichte, so dass bereits sehr kompakte Aktuatoren zum Antrieb der hier definierten Mikrodosiereinrichtungen geeignet sind. Ein weiterer entscheidender Vorteil beim Einsatz der FGL-Aktuatoren, insbesondere gegenüber piezoelektrischen Aktuatoren ist, dass der Betrieb der FGL-Aktuatoren bei einer relativ geringen Spannung erfolgen kann, die insbesonder zwischen 3 V und 10 V, insbesondere bei 5 V liegt. Die erforderlichen Spannungsquellen sind kompakt, so dass sich die vorliegenden Mikrodosiereinrichtungen insbesondere für die Konstruktion portabler Dosiervorrichtungen, insbesondere Pipettiervorrichtungen und Mikrodosiervorrichtungen eignen.
  • Vorzugsweise weist der Formgedächtnismaterial-Aktuator eine NiTi-Legierung auf oder besteht aus dieser. Eine NiTi-Legierung (auch bekannt unter dem Handelsnamen Nitinol) ist insbesondere biokompatibel. Sie ermöglicht Formänderungen von insbesondere bis zu 8%, wodurch sich insbesondere in effizienter Weise Mikrodosierkammern mit verdrängten Mikrovolumina im Mikroliterbereich und im Submikroliterbereich erzeugen lassen. Besonders bevorzugt weist der Formgedächtnismaterial-Aktuator eine Legierung auf der Basis von TiNiCu auf. Diese ist im Vergleich zum herkömmlichen NiTi besonders ermüdungsresistent und garantiert deshalb insbesondere eine hohe Zuverlässigkeit der Mikrodosiereinrichtung über deren gesamte Lebensdauer. Die Phasenübergangs- oder Schalttemperaturen des Materials lassen sich mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (engl. DSC) bestimmen, siehe Figur 6. In dieser Messung erscheint der für die Aktuierung wichtige Phasenübergang als Peak. Aus dem Diagramm lässt sich entnehmen, dass für ein Schalten eines NiTi-Aktuators die Temperatur auf mindestens 67 °C erhöht werden muss; für das Zurückstellen muss die Temperatur wiederum auf höchstens 50 °C gesenkt werden.
  • Vorzugsweise werden Film-basierte FGL-Aktuatoren verwendet. Die FGL liegt dabei als Film vor, der eine Dicke zwischen 5 µm und 50 µm, insbesondere zwischen 10 und 30 µm, insbesondere ca. 20 µm aufweist. Diese ermöglicht ein Einstellen der Kräfte und Stellwege durch Anpassung der zweidimensionalen Geometrie. Die im Verhältnis zum Volumen sehr große Oberfläche bleibt dabei erhalten und sorgt für eine schnelle Wärmeabgabe bzw. Rückstellung des FGL-Aktuators im stromlosen Zustand.
  • Vorzugsweise ist ein FGL-Aktuator in langgestreckter Form, insbesondere drahtförmig oder stegförmig, und insbesondere aus einem FGL-Film gefertigt, ausgebildet. Die Enden des FGL-Aktuators werden elektrisch kontaktiert. Ein FGL-Aktuator wird vorzugsweise so am Ventil angeordnet, dass die Belastung des FGL-Aktuators im Wesentlichen eine Zugbelastung ist. Ein langgestreckter FGL-Aktuator kann in der nicht-aktivierten Form in einer gekrümmten Geometrie angeordnet werden. Die aktivierte Form kann eine weniger gekrümmte Form oder eine gerade Ausrichtung aufweisen, insbesondere kann der langgestreckte FGL-Aktuator in der aktivierten, geraden Form eine geringere Länge aufweisen als in der nicht aktivierten, stärker gekrümmten Form. Durch die Kontraktion bei Aktivierung kann eine Kraft auf einen Ventilstößel ausgeübt werden, wenn die Enden des Aktuators an einem Basiskörper des Ventils verankert sind. Der FGL-Aktuator wird vorzugsweise so angeordnet, dass der Krümmungsradius stets mindestens dem 50-fachen des Durchmessers senkrecht zur Längsrichtung des langgestreckten Aktuators entspricht, um das Risiko einer Beschädigung des FGL-Aktuators zu reduzieren. Der Durchmesser bzw. die benötigte Stegbreite eines stegförmigen FGL-Aktuators wird vorzugsweise auf den Bedarf an Stellkraft angepasst, der für die Realisierung des gewünschten Ventils erforderlich ist. Kraft-Auslenkungs-Kennlinien von FGL-Aktuatoren sind mittels einer Zugprüfmaschine bestimmbar. Der FGL-Aktuator kann insbesondere auch als Feder geformt sein, insbesondere Schrauben-, Spiral- oder Biegefeder. Eine solche Feder kann in der ersten Position entspannt sein und in der zweiten Position gespannt sein.
  • Das Ventil kann mehr als einen Aktuator aufweisen, insbesondere mindestens zwei Aktuatoren, die zur Auslenkung eines Ventilstößels angeordnet sind. Insbesondere können zwei FGL-Aktuatoren verwendet werden.
  • Mittels des mindestens einen Aktuators bzw. der Aktuatoreinrichtung wird die Auslenkung des Ventilstößels aus einer ersten in eine zweite Position bewirkt, wobei das Ventil in der zweiten Position geöffnet ist, also die Durchlassöffnung des Luftkanals öffnet.
  • Vorzugsweise weist das Ventil eine Aktuatoreinrichtung auf. Diese weist vorzugsweise einen oder mehrere Aktuatoren auf, darunter jedenfalls einen FGL-Aktuator, insbesondere genau zwei Aktuatoren oder mehr als zwei Aktuatoren, insbesondere FGL-Aktuatoren. Vorzugsweise werden zwei langgestreckte, insbesondere stegförmige, vorzugsweise auf Film-Basis hergestellte FGL-Aktuatoren einander überkreuzend, also kreuzförmig bzw. X-förmig, oberhalb eines Verdrängungselements angeordnet. Die Kreuzungsstelle der FGL-Aktuatoren ist vorzugsweise zentral oberhalb eines Auflageabschnitts des Ventilstößels angeordnet, wobei die Enden der FGL-Aktuatoren an einem Basiskörper des Ventils verankert sind. Die FGL-Aktuatoren sind vorzugsweise oberhalb der Auflagestelle so gespannt, dass die Kreuzungsstelle jeweils eine Krümmungsstelle des FGL-Aktuators bildet. Dadurch wird, wie in den Figuren 3a, 3b und 3c beispielhaft dargestellt ist, ein schalenartiger Bereich der Aktuatoranordnung gebildet, durch die sich die Aktuatoranordnung oberhalb der Auflagestelle zentriert und eine präzise entlang der linearen Bewegungsrichtung zwischen der ersten und zweiten Position nach unten gerichtete Kraft erzeugt, die eine entsprechend präzise Auslenkung des Ventilstößels zur Folge hat.
  • Falls mehrere FGL-Aktuatoren vorgesehen sind, können diese durch ein Verbindungsglied gekoppelt sein. Dadurch wird die Auslenkung der Aktuatoren weiter synchronisiert und der Kraftvektor der so gebildeten Aktuatoreinrichtung wird beeinflusst. Bei einer X-förmigen Anordnung kann ein Verbindungsglied an der Kreuzungsstelle vorgesehen sein; dadurch wird der bei Kontraktion der FGL-Aktuatoren senkrecht nach unten wirkende Kraftvektor ausgerichtet, und die FGL-Aktuatoren werden an der Kreuzungsstelle in Position gehalten. Das Verbindungsglied kann auch so gestaltet sein, dass die FGL-Aktuatoren einander nicht mechanisch kontaktieren und insbesondere durch das Verbindungsglied elektrisch voneinander isoliert sind.
  • Vorzugsweise weist die Aktuatoreinrichtung mindestens ein Kopplungselement auf, um den FGL-Aktuator mit dem Ventilstößel und/oder einem Basiskörper des Ventils zu verbinden. Der Ventilstößel ist gegenüber dem Basiskörper insbesondere beweglich angeordnet. Ein FGL-Aktuator kann durch eine oder mehrere Verbindungseinrichtungen mit dem Basiskörper verbunden sein. Insbesondere kann ein FGL-Aktuator mit dem Basiskörper oder mit einem am Basiskörper befestigten Bauteil, z.B. einer Platine des Ventils, stoffschlüssig verbunden sein, insbesondere verlötet sein. Ein FGL-Aktuator ist vorzugsweise gegenüber dem Basiskörper und vorzugsweise gegenüber anderen FGL-Aktuatoren und anderen Teilen elektrisch isoliert, während vorzugsweise seine Enden mit einer Spannungsquelle verbunden bzw. verbindbar sind.
  • Die lineare Bewegung des Ventilstößels erfolgt vorzugsweise so, dass der Ventilstößel bei seiner Auslenkung von der ersten in die zweite Position von der Durchlassöffnung weg bewegt wird, und umgekehrt, bei der Rückbewegung in die erste Position in Richtung der Durchlassöffnung bewegt wird.
  • Die Mikrodosiereinrichtung bzw. ein Ventil, insbesondere das erste und/oder das zweite Ventil, weist vorzugsweise einen Basiskörper auf. Der Basiskörper ist vorzugsweise integral gebildet, kann aber auch mehrteilig ausgebildet sein. Er besteht vorzugsweise aus Metall, Kunststoff oder Keramik, oder weist solche Werkstoffe auf. Der Basiskörper bildet insbesondere den Luftkanal aus. Es ist auch bevorzugt, dass der Luftkanal durch mindestens ein rohrförmiges Bauteil gebildet ist. Vorzugsweise weist das Ventil eine Membran auf, die im ersten Zustand des Ventils von einem Ventilstößel ausgelenkt ist und die Durchlassöffnung luftdicht verschließt, um die Ausbildung des Überdrucks in dem ersten Luftkanalabschnitt gegenüber dem zweiten Luftkanalabschnitt zu ermöglichen.
  • Der Basiskörper kann ein erstes Teil aufweisen, das den Luftkanal bildet. Ein zweites Teil des Basiskörpers kann vorgesehen sein, um mit dem ersten Teil verbunden zu werden. Der zweite Teil kann insbesondere mindestens einen Führungsabschnitt oder Führungskanal aufweisen, um den Ventilstößel bei der Auslenkung zu führen und an einer Längsrichtung des Ventils des Ventils auszurichten. Zwischen dem ersten und zweiten Teil kann die Membran angeordnet werden, insbesondere befestigt werden, insbesondere durch Klemmen zwischen dem ersten und zweiten Teil befestigt werden. Die Membran kann insbesondere die Durchgangsöffnung abdichten und/oder kann insbesondere als Rückstellelement für das Rückstellen des Ventilstößels von der zweiten in die erste Position dienen. Das zweite Teil, oder eine darauf angeordnete Platine, kann insbesondere als Träger für die Aktuatoreinrichtung bzw. den einen oder die mehreren Aktuatoren eingerichtet sein, die insbesondere am zweiten Teil oder der Platine verankert sein können.
  • Der Ventilstößel ist insbesondere ein Kolben-artiges Teil. Die Form des Ventilstößels ist vorzugsweise an seine Auslenkung mithilfe einer Führungseinrichtung angepasst. Insbesondere kann der Ventilstößel zylinderförmig sein oder einen oder mehrere zylinderförmige Abschnitte aufweisen.
  • Vorzugsweise weist das Ventil eine Membran auf. Eine als Dichtungselement und/oder als Rückstellelement dienende Membran besteht vorzugsweise aus Polydimethylsiloxan (PDMS), insbesondere flexiblen oder hochflexiblem PDMS oder Silikon, oder weist solches Material auf. Die Dicke der Membran beträgt vorzugsweise zwischen 50 µm und 500 µm, vorzugsweise zwischen 100 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 150 µm und 250 µm, und vorzugsweise etwa 200 µm.
  • Vorzugsweise weist das Ventil ein Rückstellelement auf, das elastisch verformbar ist und das durch die Auslenkung gespannt wird, und mit dem auf den Ventilstößel eine Rückstellkraft ausübbar ist, um diesen nach der Auslenkung von der ersten Position in die zweite Position zurückzustellen. Insbesondere kann eine als Dichtungselement dienende Membran auch als Rückstellelement dienen. Vorzugsweise ist das Rückstellelement eine Feder, die zwischen Basiskörper und Ventilstößel angeordnet ist. Ferner kann das Rückstellelement ein Aktuator sein, der insbesondere von der elektrischen Steuereinrichtung angesteuert wird. Ein elastisch verformbares Bauteil, insbesondere eine Feder, kann auch als Antriebselement der Auslenkung angeordnet werden, das vom Aktuator gespannt wird - in diesem Fall wird die Durchlassöffnung z.B, durch Lösen einer Rastverbindung, die den Ventilstößel in der ersten Position hält, geöffnet.
  • Vorzugsweise weist die Mikrodosiereinrichtung die dritte Öffnung auf, die insbesondere als ein verschließbarer Bypasskanal ausgebildet sein kann, der im geöffneten Zustand den ersten Luftkanalabschnitt mit dem Außenraum verbindet, insbesondere dem Umgebungsdruck. Die dritte Öffnung bzw. der Bypasskanal dient insbesondere zum Ventilieren des ersten Luftkanalabschnitts bzw. zum Druckausgleich des mit dem Bypasskanal fluidisch verbundenen bzw. wahlweise verbindbaren ersten Luftkanalabschnitts.
  • In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die Mikrodosiereinrichtung zur wiederholten Abgabe eines Mikrodosiervolumens einer Fluidprobe eingerichtet. Die Mikrodosiereinrichtung kann so als Dispensiervorrichtung bzw. in einem Dispensiermodus betrieben werden. Ein erfindungsgemäßes System weist insbesondere eine erfindungsgemäße Mikrodosiereinrichtung und eine Pipettiervorrichtung auf, und/oder mindestens ein Gerät, mittels dessen Steuereinrichtung die Mikrodosiereinrichtung, insbesondere deren erstes und/oder zweites Ventil steuerbar sind.
  • In bevorzugten Ausführungsformen ist eine erfindungsgemäße Mikrodosiereinrichtung auch zur Aufnahme einer Fluidprobe eingerichtet, indem eine Fluidprobe im zweiten Zustand des ersten Ventils -und falls vorgesehen: im ersten Zustand des zweiten Ventilsdurch das Verdrängungselement in den Fluidtransferbehälter angesaugt wird.
  • Vorzugsweise ist die Mikrodosiereinrichtung als eine Pipettiereinrichtung ausgebildet, mit der über den Fluidkanal eine Fluidprobe ansaugbar und abgebbar ist. Das Ansaugen kann durch ein (herkömmliches) Kolbenelement einer handgehaltenen Kolbenhubpipette bzw. Luftpolsterpipette oder eines Dispensers erfolgen. Vorzugsweise ist die Mikrodosiereinrichtung dazu ausgebildet, dass das Verdrängungselement wahlweise ein Mikroluftvolumen ansaugt oder verdrängt.
  • Eine erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung, insbesondere eine mit der Mikrodosiereinrichtung versehene kommerzielle Pipettiervorrichtung, zur dosierten Aufnahme und Abgabe von Fluidproben, weist vorzugsweise auf: eine Kolbenkammer, die die Luftkammer bildet, einen in der Kolbenkammer angeordneten, beweglichen Kolben, der das Verdrängungselement bildet, zum Ansaugen von Luft in die Kolbenkammer und zur Abgabe der Luft aus der Kolbenkammer, einen Pipettierkanal, der die Kolbenkammer mit dem Außenraum der Kolbenkammer verbindet. Erfindungsgemäß ist eine derartige Pipettiervorrichtung versehen mit einer erfindungsgemäßen Mikrodosiereinrichtung, deren erste Öffnung mit der Kolbenkammer und/oder dem Pipettierkanal verbindbar ist, so dass von der Pipettiervorrichtung mittels der Mikrodosiereinrichtung ein Mikrodosiervolumen einer Fluidprobe dosierbar und in Form eines Mikrofluidjets über den Pipettierkanal an den Außenraum abgebbar ist.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Pipettiervorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Mikrodosiereinrichtung zum Erzeugen eines Mikrodosiervolumens einer Fluidprobe in Form eines Mikrofreistrahls, aufweisend eine Luftkammer, ein Verdrängungselement, insbesondere ein Kolbenelement, das zur Auslenkung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position und zum Verdrängen eines Mikrovolumens der Luftkammer eingerichtet ist, wobei die Pipettiervorrichtung vorzugsweise einen Formgedächtnismaterial-Aktuator aufweist, der insbesondere zur Auslenkung des Verdrängungselements angeordnet ist, wobei die Pipettiervorrichtung einen Kolbenantrieb aufweist, insbesondere einen elektrischen Motor, der das Kolbenelement antreibt, wobei die Luftkammer die Kolbenkammer zur Aufnahme des innerhalb der Kolbenkammer beweglich angeordneten Kolbens bildet, so dass insbesondere Kolben und Kolbenkammer nach Art einer konventionellen Kolbenhubpipette oder nach Art eines konventionellen Dispensers arbeiten. Das mittels FGL-Aktuator betriebene erste Ventil erlaubt hier in Kombination mit dem Kolbenantrieb wahlweise eine sehr genaue Mikrodosierung oder eine Dosierung größerer Volumina, wodurch die Pipettiervorrichtung flexibel einsetzbar ist. Wird der Formgedächtnismaterial-Aktuator vorgesehen, kann die Pipettiervorrichtung dazu eingerichtet sein, die Aufnahme und/oder Kompression von Mikrovolumina mittels einer durch den FGL-Aktuator bewirkten Bewegung des Verdrängungselements durchzuführen. Alternativ oder zusätzlich kann die Aufnahme und/oder Kompression der Mikrovolumina durch den Kolbenantrieb bewirkt werden. Im zweiten, geöffneten Zustand des ersten Ventils kann das Pipettieren von insbesondere größeren Volumina (größer gleich 2 µm) mittels des Kolbenantriebs erfolgen, also durch konventionelle Mittel bewirkt werden.
  • Das Verdrängungselement kann insbesondere mittels eines FGL-Aktuators angetrieben sein, der Bestandteil der Mikrodosiereinrichtung oder der Pipettiervorrichtung sein kann.
  • Eine typische Verwendung der Mikrodosiereinrichtung liegt in der Dosierung von biologischen, biochemischen, chemischen oder medizinischen Fluidproben in einem Labor.
  • Die Mikrodosiereinrichtung, oder die Mikrodosiervorrichtung oder die Pipettiervorrichtung, die eine Mikrodosiereinrichtung aufweist, oder ein externes Gerät weist eine elektrische Steuereinrichtung auf, um das mindestens eine steuerbare Ventil, insbesondere das erste Ventil, das einen FGL-Aktuator aufweist, und/oder das zweite Ventil, insbesondere einen Aktuator bzw. diesen FGL-Aktuator zu steuern. Es handelt sich insbesondere um eine interne Steuereinrichtung, wenn diese nicht in einem externen Gerät angeordnet ist. Die Mikrodosiereinrichtung weist vorzugsweise eine elektrische Spannungsquelle, insbesondere eine Batterie auf, um den Aktuator bzw. den FGL-Aktuator mit Energie zu versorgen. Alternativ oder zusätzlich ist eine Schnittstelle zum Anschluss einer externen Spannungsquelle vorgesehen. Ein externes Gerät oder externes Teil ist kein Bestandteil der Mikrodosiereinrichtung und kann insbesondere durch eine Verbindungseinrichtung, z.B. Kabel, mit der Mikrodosiereinrichtung verbindbar oder verbunden sein. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, das mindestens eine Ventil zu steuern, insbesondere um die Auslenkung des Ventilstößels von der ersten Position in die zweite Position zu bewirken. Sie kann zusätzlich oder alternativ auch dazu eingerichtet sein, die Auslenkung des Verdrängungselements zu steuern. Dabei ist die Steuereinrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet, dass der Aktuator eine Kraft auf den Ventilstößel ausübt, die diesen von der ersten Position in die zweite Position bewegt, insbesondere schlagartig beschleunigt. Vorzugsweise wird der Aktuator von der Steuereinrichtung so gesteuert, dass der Aktuator eine Kraft auf den Ventilstößel auch dann ausübt, nachdem der Ventilstößel die zweite Position erreicht hat, insbesondere an einem Anschlag des Basiskörpers des Ventils anschlägt.
  • Alternativ kann die Mikrodosiereinrichtung ein elastisch verformbares Antriebselement aufweisen, insbesondere eine Feder, das durch den Aktuator gespannt wird, insbesondere elastisch komprimiert oder expandiert wird, und das durch seine Entspannung die Kraft auf den Ventilstößel ausübt, die diesen von der ersten Position in die zweite Position bewegt. Dabei kann der Ventilstößel in der zweiten Position durch eine Fixierungseinrichtung lösbar fixiert sein, insbesondere verrastet sein. Es kann eine Auslöseeinrichtung vorgesehen sein, um die Fixierung zu lösen, damit das Antriebselement die Auslenkung durchführt.
  • Die Steuereinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, die Auslenkung eines FGL-Aktuators von der ersten in die zweite Position zu steuern. Dazu ist der FGL-Aktuator insbesondere an einer ersten Kontaktstelle und einer zweiten Kontaktstelle elektrisch kontaktiert, um bei Anliegen einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Kontaktstellen von einem Strom durchflossen zu werden, der den FGL-Aktuator erwärmt, um durch den Formgedächtniseffekt (FGE) die Auslenkung zu bewirken. Die Steuereinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, um den zeitlichen Verlauf und die Amplitude der am FGL-Aktuator angelegten Spannung vorzugeben. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den FGL-Aktuator mit einem sehr kurzen Spannungs- bzw. Stromimpuls zu aktivieren. Die Zeitspanne beträgt vorzugsweise einige 10 Millisekunden (ms), vorzugsweise 1 ms bis 100 ms, vorzugsweise 10 ms bis 100 ms, insbesondere etwa 10 ms. Dadurch wird ein schnelles Auslenken des FGL-Aktuators erreicht. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den FGL-Aktuator, insbesondere nach einer Zeitspanne des Aktivierens, durch eine Pulsweitenmodulation anzusteuern. Dies erfolgt insbesondere so, dass die effektive Spannung soweit gedrosselt wird, dass die Schaltposition bzw. die mechanische Spannung des FGL-Aktuators gerade gehalten werden kann.
  • Die Steuereinrichtung weist insbesondere eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung auf, insbesondere eine CPU oder einen Mikroprozessor. Die Steuereinrichtung kann programmgesteuert sein, insbesondere mittels Programmparameter, die Zeitpunkt und/oder Art der Auslenkung des Verdrängungselements der Mikrodosiereinrichtung festlegen. Es ist aber auch möglich, die Steuerung der Mikrodosiereinrichtung durch analogelektronische Ansteuerung des Aktuators zu realisieren, also ohne eine Datenverarbeitungseinrichtung.
  • Die Mikrodosiereinrichtung, oder die Mikrodosiervorrichtung oder die Pipettiervorrichtung, die eine Mikrodosiereinrichtung aufweist, oder ein externes Gerät, weist vorzugsweise eine Benutzerschnittstelleneinrichtung auf, mit der ein Benutzer die elektrische Steuereinrichtung steuert, insbesondere indem er die zur Steuerung der Mikrodosiereinrichtung verwendeten, insbesondere Steuersignale erzeugenden, Programmparameter durch Benutzereingaben beeinflusst oder indem er, im Fall einer analogelektronischen Steuerung, die Abgabe oder Aufnahme des gewünschten Mikrodosiervolumens und die Erzeugung der Steuersignale auslöst, die den Aktuator des mindestens einen Ventils aktivieren und/oder deaktivieren. Die Benutzerschnittstelleneinrichtung kann jeweils einen oder mehrere elektrische Schalter, Knöpfe und/oder Sensoren aufweisen, und kann Ausgabeeinrichtungen, z.B. Anzeigen, insbesondere ein Display aufweisen.
  • Die Steuereinrichtung kann mindestens eine elektrische Schnittstelle aufweisen, mit der Steuersignale austauschbar sind, insbesondere mit einem externen Gerät austauschbar sind. Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, von einem externen Gerät gesteuert zu werden, so dass die Steuereinrichtung, und damit die Mikrodosiereinrichtung oder Mikrodosiervorrichtung von einem externen Gerät mittels der elektrischen Schnittstelle steuerbar ist. Die Steuereinrichtung kann insbesondere als Steuerungsschnittstelle zwischen der Steuereinrichtung eines externen Geräts und mindestens einer Mikrodosiereinrichtung bzw. einer Mikrodosiervorrichtung ausgebildet sein. Die Steuerungsschnittstelle kann eine elektrische Schaltung aufweisen, um mindestens einen Aktuator der aus mindestens einer Mikrodosiereinrichtung in Abhängigkeit von einem Steuersignal mit Spannung zu beaufschlagen. Das Steuersignal kann dabei von einer internen Steuereinrichtung oder einer externen Steuereinrichtung erzeugt werden. Die Spannungsversorgung für mindestens einen Aktuator aus mindestens einer Mikrodosiereinrichtung kann in die Steuereinrichtung integriert sein oder kann über die mindestens eine elektrische Schnittstelle realisiert werden.
  • Die elektrische Schnittstelle kann zum Senden und/oder Empfangen von elektrischen Signalen, insbesondere von Daten, ausgebildet sein. Der Signalaustausch kann über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindungseinrichtung erfolgen. Insbesondere wenn eine interne Steuereinrichtung über eine elektrische Schnittstelle mit dem Gerät, insbesondere der Pipettiervorrichtung, mittels einer Verbindungseinrichtung verbindbar oder temporär verbunden ist, so wird dieses Gerät als externes Gerät bezeichnet.
  • Das externe Gerät kann eine Pipettiervorrichtung sein, insbesondere eine portable, handgehaltene Pipettiervorrichtung bzw. eine handgehaltene Pipette oder ein handgehaltener Dispenser. Falls die Mikrodosiereinrichtung in eine Piepttiervorrichtung integriert ist, wird die Pipettiervorrichtung nicht als externes Gerät bezeichnet. Die Mikrodosiereinrichtung oder eine Mikrodosiervorrichtung kann ein eigenständiges bzw. autonom arbeitendes Gerät sein, das grundsätzlich ohne Vermittlung eines externen Gerätes betrieben werden kann. Die Mikrodosiereinrichtung kann aber auch als Modul eines externen Gerätes ausgebildet sein. Das Modul ist ein wahlweise mit dem externen Gerät verbindbares, eigenständiges Zubehörteil. Das Modul kann sich dadurch auszeichnen, dass es -insbesondere ausschließlich- in Abhängigkeit vom externen Gerät betrieben wird bzw. betreibbar ist, indem insbesondere eine Steuereinrichtung des externen Geräts die Auslenkung mindestens eines Verdrängungselementes mindestens einer Mikrodosiereinrichtung steuert.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Erzeugen eines Mikrodosiervolumens einer Fluidprobe in Form eines Mikrofreistrahls, beinhaltend eine erfindungsgemäße Mikrodosiereinrichtung und eine konventionelle oder zur Steuerung der Mikrodosiereinrichtung eingerichtete Pipettiervorrichtung, die dazu dient, diesen Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt zu erzeugen, wobei die erste Öffnung der Mikrodosiereinrichtung mit einer Luftkammer der Pipettiervorrichtung verbindbar ist oder verbunden ist, die zudem aufweist: ein Verdrängungselement, das zur Verdrängung eines Mikrovolumens (V) der Luftkammer eingerichtet ist, und einen Antrieb, um die Auslenkung des Verdrängungselements anzutreiben, wodurch im ersten Zustand des ersten Ventils der Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt erzeugbar ist.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines Mikrodosiervolumens einer Fluidprobe in Form eines Mikrofreistrahls mittels einer Mikrodosiereinrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Mikrodosiereinrichtung, aufweisend den Schritt (Abgabeschritt), dass das erste Ventil so gesteuert wird, dass die Durchlassöffnung mittels des ersten Ventils schlagartig geöffnet wird, wodurch, bedingt durch den Druckausgleich zwischen dem ersten und zweiten Luftkanalabschnitt, ein Mikroluftvolumen aus dem ersten Luftkanalabschnitt austritt und ein Mikroluftvolumen (V) den Luftkanal durch die zweite Öffnung verlässt, so dass ein durch das Mikrovolumen (V) bestimmtes Mikrodosiervolumen der im Fluidtransferbehälter gehaltenen Fluidprobe verdrängt wird und in Form eines Mikrofreistrahls aus dem Fluidtransferbehälter in den Außenraum abgegeben wird.
  • Vorzugsweise weist das Verfahren die Schritte auf, dass mittels einer Pipettiervorrichtung, die eine mit der ersten Öffnung verbundene Luftkammer und ein Verdrängungselement aufweist, durch Verdrängung eines Mikrovolumens (V) in der Luftkammer ein Überdruck in dem ersten Luftkanalabschnitt hergestellt wird, bevor der Abgabeschritt erfolgt.
  • Das Verfahren kann Schritte beinhalten, die einem Pipettiervorgang realisieren, d.h. der Abgabe des zuvor aufgenommenen Volumens der Fluidprobe. Das Verfahren kann auch Schritte beinhalten, die einen Dispensiervorgang realisieren, d.h. der schrittweisen Abgabe von Teilvolumina des zuvor aufgenommenen Volumens der Fluidprobe.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere bei einer Mikrodosiereinrichtung angewandt, die eine Luftkammer aufweist, die mit der ersten Öffnung verbunden ist, ein Verdrängungselement, das zur Verdrängung eines Mikrovolumens (V) der Luftkammer eingerichtet ist, und einen Antrieb, um die Auslenkung des Verdrängungselements anzutreiben, wodurch im ersten Zustand des ersten Ventils der Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt erzeugbar ist.
  • Das Verfahren wird besondere bei einer Mikrodosiereinrichtung angewandt, bei der der erste Luftkanalabschnitt eine verschließbare dritte Öffnung aufweist, die den ersten Luftkanalabschnitt mit dem Außenraum verbindet, und ein steuerbares zweites Ventil aufweist, das dazu eingerichtet ist, die dritte Öffnung des Luftkanals wahlweise, in einem ersten Zustand, geschlossen zu halten, um den Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt gegenüber dem zweiten Luftkanalabschnitt zu ermöglichen, oder, in einem zweiten Zustand, geöffnet zu halten, sowie einen Wechsel vom ersten in den zweiten Zustand zur Herbeiführung eines Druckausgleichs im ersten Luftkanalabschnitt zum Außenraum zu ermöglichen.
  • Das Verfahren weist vorzugsweise den Schritt auf, dass ein Fluidprobe, insbesondere eine Flüssigkeit, z.B. eine flüssige Laborprobe, in einen mit der Mikrodosiereinrichtung verbundenen Fluidtransferbehälter, z.B. eine Pipettenspitze, aufgenommen wird. Zur Aufnahme der Fluidprobe wird das Verdrängungselement, insbesondere ein Kolbenelement, von einer ersten in eine zweite Position bewegt.
  • Bei einem Pipettiervorgang sieht das Verfahren zur Aufnahme der Fluidprobe durch Ansaugen vorzugsweise mindestens einen der nachfolgend genannten Schritte vor, insbesondere in dieser Reihenfolge: dass das erste und das zweite Ventil geschlossen sind und das Verdrängungselement in der ersten Position ist; dass das erste Ventil geöffnet wird, um die Durchlassöffnung zu öffnen; dass das Verdrängungselement von der ersten in die zweite Position bewegt wird; dass das erste Ventil und damit die Durchlassöffnung wieder geschlossen wird. Die Fluidprobe, insbesondere mit dem gewünschten Mikrodosiervolumen, ist nun im Fluidtransferbehälter und wird dort durch den leichten Unterdruck/Kapillarkräfte in üblicher Weise gehalten.
  • Das Verfahren zur Abgabe der Fluidprobe sieht vorzugsweise mindestens einen der nachfolgend genannten Schritte vor, insbesondere in dieser Reihenfolge: dass das Verdrängungselement sich in der zweiten Position befindet und dass das erste und das zweite Ventil geschlossen sind (Ausgangssituation); dass das Verdrängungselement in die erste Position bewegt wird, während die Ventile geschlossen sind, wodurch das Luftvolumen in Luftkammer und im ersten Luftkanalabschnitt komprimiert wird, so dass der Überdruck erzeugt wird; dass das erste Ventil geöffnet wird, nachdem das Verdrängungselement die erste Position erreicht hat - dadurch entspannt sich die komprimierte Luft sofort und beschleunigt die Fluidprobe mit maximaler Geschwindigkeit. Die Fluidprobe mit dem gewünschten Mikrodosiervolumen tritt aus der Öffnung des Fluidtransferbehälters aus. Vorzugsweise ist auch der Schritt vorgesehen, einen Überhub des Verdrängungselements durchzuführen, um einen "Blowout" des gesamten Restes der im Fluidtransferbehälter eventuell noch enthaltenen Fluidprobe durchzuführen. Dies erfolgt durch weiteres Bewegen (in derselben Richtung des Verdrängungselements, die der Richtung der Bewegung von der zweiten in die erste Position entspricht) des Verdrängungselements aus der ersten Position in eine weitere Abgabe-Position. Alternativ kann der Überhub auch gleich mit dem erstgenannten Abgabeschritt durchgeführt werden, dies bewirkt eine weitere (höhere) Beschleunigung der Fluidprobe.
  • Bei einem Dispensiervorgang sieht das Verfahren zur Aufnahme der Fluidprobe durch Ansaugen vorzugsweise mindestens einen der nachfolgend genannten Schritte vor, insbesondere in dieser Reihenfolge: dass das erste und das zweite Ventil geschlossen sind und das Verdrängungselement in der ersten Position ist; dass das erste Ventil geöffnet wird, um die Durchlassöffnung zu öffnen; dass das Verdrängungselement von der ersten in die zweite Position bewegt wird; dass das erste Ventil und damit die Durchlassöffnung wieder geschlossen wird. Die Fluidprobe, insbesondere mit dem gewünschten Gesamtvolumen, ist nun im Fluidtransferbehälter und wird dort durch den leichten Unterdruck/Kapillarkräfte in üblicher Weise gehalten.
  • Das Gesamtvolumen beinhaltet das Dosiervolumen und ein Zusatzvolumen. Mittels des Zusatzvolumens kann ein Restvolumen oder ein Verwerfvolumen vorgesehen werden. Das Restvolumen verbleibt nach Abgabe aller Teilvolumina im Fluidtransferbehälter und stellt sicher, dass auch für den letzten Abgabeschritt mindestens das gewünschte Teilvolumen verfügbar ist. Der Verwerfhub dient dazu, vor der Abgabe der Teilvolumina nach dem Freistrahlprinzip eine erste Abgabemenge gemäß Verwerfhub zu erzeugen, so dass der Meniskus der Fluidprobe an der Abgabeöffnung des Fluidtransferbehälters bei allen darauffolgenden Schritten in gleicher Weise definiert ist-der Meniskus kann bei der ersten Abgabe, also direkt nach der Aufnahme, anders sein als nach einem Abriss gemäß Freistrahlprinzip. Die zweite Position des Verdrängungselements wird insbesondere dem Gesamtvolumen entsprechend eingestellt.
  • Beim Dispensiervorgang sieht das Verfahren zur Abgabe der Fluidprobe ohne Vorsehen eines Verwerfhubes vorzugsweise mindestens einen der nachfolgend genannten Schritte vor, insbesondere in dieser Reihenfolge: dass das Verdrängungselement sich in der zweiten Position befindet und dass das erste und das zweite Ventil geschlossen sind (Ausgangssituation); dass das zweite Ventil geöffnet wird, wodurch der erste Luftkanalabschnitt ventiliert wird; dass das Verdrängungselement um die Strecke des Zusatzhubes in Richtung der ersten Position bewegt wird, wodurch insbesondere ein mögliches Spiel der Antriebsmechanik kompensiert wird, die das Verdrängungselement antreibt; dass das zweite Ventil wieder geschlossen wird; dass das Verdrängungselement um die Strecke eines gewünschten Teilvolumens in Richtung der ersten Position zu einer Zwischenposition bewegt wird, dadurch wird die Luft im ersten Luftkanalabschnitt komprimiert, so dass der Überdruck erzeugt wird; dass das erste Ventil geöffnet wird, nachdem das Verdrängungselement die Zwischenposition erreicht hat - dadurch entspannt sich die komprimierte Luft sofort und beschleunigt die Fluidprobe mit maximaler Geschwindigkeit, die Fluidprobe mit dem gewünschten Mikrodosier-Teilvolumen tritt hierbei aus der Öffnung des Fluidtransferbehälters aus und das erste Ventil wird dann wieder geschlossen (Abgabe des Teilvolumens); dass der letztgenannte Schritt der Abgabe des Teilvolumens in gewünschter Weise wiederholt wird, beim letzten Abgabeschritt kann sich das Verdrängungselement in der ersten Position befinden. Vorzugsweise ist auch der Schritt vorgesehen, einen Überhub des Verdrängungselements durchzuführen, um einen "Blowout" des gesamten Restvolumens der im Fluidtransferbehälter eventuell noch enthaltenen Fluidprobe durchzuführen. Dies erfolgt durch weiteres Bewegen (in derselben Richtung des Verdrängungselements, die der Richtung der Bewegung von der zweiten in die erste Position entspricht) des Verdrängungselements aus der ersten Position in eine weitere Abgabe-Position.
  • Beim Dispensiervorgang sieht das Verfahren zur Abgabe der Fluidprobe mit Vorsehen eines Verwerfhubes vorzugsweise mindestens einen der nachfolgend genannten Schritte vor, insbesondere in dieser Reihenfolge: dass das Verdrängungselement sich in der zweiten Position befindet und dass das erste und das zweite Ventil geschlossen sind (Ausgangssituation); dass das Verdrängungselement um die Strecke des Zusatzhubes in Richtung der ersten Position bis zu einer Ausgangsposition bewegt wird, dadurch wird die Luft im ersten Luftkanalabschnitt komprimiert, so dass der Überdruck erzeugt wird, und es wird insbesondere ein mögliches Spiel der Antriebsmechanik kompensiert, die das Verdrängungselement antreibt; dass das erste Ventil geöffnet wird, nachdem das Verdrängungselement die Ausgangsposition erreicht hat - dadurch entspannt sich die komprimierte Luft sofort und beschleunigt die Fluidprobe mit maximaler Geschwindigkeit, der Verwerfhub verlässt nach dem Freistrahlprinzip den Fluidtransferbehälter und der Meniskus an dessen Abgabeöffnung wird definiert; dass das erste Ventil wieder geschlossen wird; dass das Verdrängungselement um die Strecke eines gewünschten Teilvolumens in Richtung der ersten Position zu einer Zwischenposition bewegt wird, dadurch wird die Luft im ersten Luftkanalabschnitt komprimiert, so dass der Überdruck erzeugt wird; dass das erste Ventil geöffnet wird, nachdem das Verdrängungselement die Zwischenposition erreicht hat - dadurch entspannt sich die komprimierte Luft sofort und beschleunigt die Fluidprobe mit maximaler Geschwindigkeit, die Fluidprobe mit dem gewünschten Mikrodosier-Teilvolumen tritt hierbei aus der Öffnung des Fluidtransferbehälters aus und das erste Ventil wird dann wieder geschlossen (Abgabe des Teilvolumens); dass der letztgenannte Schritt der Abgabe des Teilvolumens in gewünschter Weise wiederholt wird, beim letzten Abgabeschritt kann sich das Verdrängungselement in der ersten Position befinden. Vorzugsweise ist auch der Schritt vorgesehen, einen Überhub des Verdrängungselements durchzuführen, um die Abgabe des letzten Teilvolumens schrittgleich mit dem "Blowout" eines möglichen geringen Restvolumens der im Fluidtransferbehälter eventuell noch enthaltenen Fluidprobe durchzuführen. Dies erfolgt durch weiteres Bewegen (in derselben Richtung des Verdrängungselements, die der Richtung der Bewegung von der zweiten in die erste Position entspricht) des Verdrängungselements aus der ersten Position in eine weitere Abgabe-Position.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Mikrodosiereinrichtung, des Systems und des Verfahrens und weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Wesentlichen gleiche Bauteile.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1a zeigt in einer seitlichen Querschnittsansicht eine erfindungsgemäße Mikrodosiereinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
    • Fig. 1b zeigt in einer seitlichen Querschnittsansicht ein erfindungsgemäßes Ventil einer Mikrodosiereinrichtung wie in Fig. 1a gezeigt, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
    • Fig. 1c zeigt in einer seitlichen Querschnittsansicht ein zweites Ventil der Mikrodosiereinrichtung aus Fig. 1a.
    • Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Mikrodosiereinrichtung der Fig. 1a.
    • Fig. 3a zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine Aktuatoreinrichtung auf Basis einer Formgedächtnislegierung, in einer ersten nicht-ausgelenkten Position.
    • Fig. 3b zeigt die Aktuatoreinrichtung der Fig. 3a, in einer zweiten ausgelenkten Position.
    • Fig. 3c zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine weitere Aktuatoreinrichtung auf Basis einer Formgedächtnislegierung, in einer ersten nicht-ausgelenkten Position.
    • Fig. 4 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine Aktuatoreinrichtung der Fig. 3a mit angeschlossener elektrischer Steuereinrichtung.
    • Fig. 5 zeigt eine typische Kraft-Auslenkungs-Kennlinie eines FGL-Aktuators, der mit einer erfindungsgemäßen Mikrodosiereinrichtung in einem Ausführungsbeispiel verwendet wird.
    • Fig. 6 zeigt ein Diagramm des Ergebnisses einer Dynamischen Differenzkalorimetrie (engl. DSC) zur Bestimmung der Phasenübergangs- oder Schalttemperaturen eines in einer erfindungsgemäßen Mikrodosiereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendeten NiTi-Formgedächtnismaterials.
  • Figur 1a zeigt die Mikrodosiereinrichtung 1, verbunden auf der einen Seite mit einem Verbindungsabschnitt 100, der als Arbeitskonus dient und auf dem eine Pipettenspitze 99 aufgesteckt ist, und verbunden auf der anderen Seite mit einem Verbindungsabschnitt 200 einer konventionellen Pipette. Die Mikrodosiereinrichtung 1 dient dem Erzeugen eines Mikrodosiervolumens einer Fluidprobe in Form eines Mikrofreistrahls. Sie weist einen Luftkanal 10 auf, der eine Durchlassöffnung 14 aufweist, die einen ersten Luftkanalabschnitt 11 und einen zweiten Luftkanalabschnitt 12 des Luftkanals 10 verbindet. Der erste Luftkanalabschnitt 11 weist eine erste Öffnung 21 auf und der zweite Luftkanalabschnitt 12 weist eine zweite Öffnung 22 auf, mit welcher der die Fluidprobe enthaltende Fluidtransferbehälter 99 durch eine Steck-Klemmverbindung verbunden ist. Die Mikrodosiereinrichtung 1 weist ein steuerbares erstes Ventil 31 auf, das dazu eingerichtet ist, die Durchlassöffnung 14 des Luftkanals wahlweise, in einem ersten Zustand, geschlossen zu halten, um einen Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt 11 gegenüber dem zweiten Luftkanalabschnitt 12 zu ermöglichen, oder, in einem zweiten Zustand, geöffnet zu halten, sowie einen schlagartigen Wechsel vom ersten in den zweiten Zustand zu ermöglichen.
  • Die Mikrodosiereinrichtung 1 und die Pipettiervorrichtung (symbolisiert durch ihren Verbindungsabschnitt 200, 200', bildet ein erfindungsgemäßes System zum Erzeugen eines Mikrodosiervolumens einer Fluidprobe in Form eines Mikrofreistrahls.
  • Die Mikrodosiereinrichtung weist eine Kabelverbindung 50 auf, die insbesondere Bestandteil des Systems 400 ist, durch welche die Ventile 31, 32 jeweils mit der elektrischen Steuereinrichtung der Pipettiervorrichtung verbunden sind und dadurch von dieser steuerbar sind. Hier weist die Pipettiervorrichtung (nicht vollständig gezeigt) eine Luftkammer auf, die mit der ersten Öffnung über den Verbindungsabschnitt 200 verbunden ist, ein Verdrängungselement, das zur Verdrängung eines Mikrovolumens (V) der Luftkammer eingerichtet ist, und einen Antrieb, um die Auslenkung des Verdrängungselements anzutreiben, wodurch im ersten Zustand des ersten Ventils der Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt erzeugbar ist. Das Mikrovolumen V ist hier identisch mit dem bei einem Pipettiervorgang abzugebenden Mikrodosiervolumen. Das Verdrängungselement der Pipettiervorrichtung ist ein Kolbenelement, das zur vom Anwender auswählbaren Verdrängung von Mikrovolumina und von Volumina größer als 2 µl, und insbesondere kleiner oder gleich 100 µl eingerichtet ist. Die erste Öffnung 21 der Mikrodosiereinrichtung 1 ist mit dem Arbeitskonus 201 der Pipettiervorrichtung über eine Steck-/Klemmverbindung verbindbar, so dass mittels der Pipettiervorrichtung im ersten Luftkanalabschnitt 11 der gewünschte Überdruck einstellbar ist.
  • Die Mikrodosiereinrichtung 1 kann aber auch eine eigene Steuereinrichtung haben (nicht gezeigt), die unabhängig von der Steuereinrichtung der Pipettiervorrichtung arbeitet. In diesem Fall wird der Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt durch die Pipettiervorrichtung erzeugt, und der Anwender löst insbesondere die Öffnung des ersten Ventils manuell aus. Die Mikrodosiereinrichtung kann ferner auch so ausgebildet sein (nicht gezeigt), dass diese auch die Luftkammer, z.B. eine Kolbenkammer, das Verdrängungselement, z.B. ein Kolbenelement, und/oder den Antrieb mit optional Antriebsmechanik aufweist. Dadurch wird aus der Mikrodosiereinrichtung eine eigenständige Vorrichtung, die vollständig unabhängig von einer externen Pipettiervorrichtung betreibbar ist.
  • Die elektrische Steuereinrichtung, insbesondere eine elektrische Steuereinrichtung der Mikrodosiereinrichtung, ist dazu eingerichtet, das erste Ventil 31 so zu steuern, dass die Durchlassöffnung 14 mittels des ersten Ventils 31 schlagartig geöffnet wird, wodurch, bedingt durch den Druckausgleich zwischen dem ersten 11 und zweiten Luftkanalabschnitt 12, ein Mikroluftvolumen aus dem ersten Luftkanalabschnitt 11 austritt und ein Mikroluftvolumen (V) den Luftkanal 10 durch die zweite Öffnung 22 verlässt, so dass ein durch das Mikroluftvolumen (V) bestimmtes Mikrodosiervolumen der im Fluidtransferbehälter 99 gehaltenen Fluidprobe verdrängt wird und in Form eines Mikrofreistrahls aus dem Fluidtransferbehälter in den Außenraum abgegeben wird.
  • Der erste Luftkanalabschnitt 11 weist eine verschließbare dritte Öffnung 23 auf, die den ersten Luftkanalabschnitt 11 mit dem Außenraum verbindet, und ein steuerbares zweites Ventil 32, das dazu eingerichtet ist, die dritte Öffnung 23 des Luftkanals 10 wahlweise, in einem ersten Zustand, geschlossen zu halten, um den Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt 11 gegenüber dem zweiten Luftkanalabschnitt zu ermöglichen, oder, in einem zweiten Zustand, geöffnet zu halten, sowie einen Wechsel vom ersten in den zweiten Zustand zur Herbeiführung eines Druckausgleichs im ersten Luftkanalabschnitt 11 zum Außenraum zu ermöglichen.
  • Der Luftkanal 10 mit seinem ersten 11 und zweiten 12 Abschnitt ist in einem Basiskörper 40 der Mikrodosiereinrichtung 1 ausgebildet. Der Luftkanal 10 verläuft im Wesentlichen linear. Zur Realisierung der Durchlassöffnung 14 ist der Luftkanal in Höhe der Durchlassöffnung 14 durch eine Wand verschlossen. Durch einen Bypassabschnitt 15, der im Basiskörper ausgebildet ist, wird der erste Abschnitt 11 des Luftkanals 10 zur Durchlassöffnung 14 umgelenkt, von dort beginnt der zweite Luftkanalabschnitt 12, der über den Bypassabschnitt 15 wieder in den linear verlaufenden Bereich übergeht. Die Durchlassöffnung 14 ist durch die Membran 49 verschließbar, wenn diese durch den mittels der Feder gespannten Ventilstößel des ersten Ventils 31 gegen die Durchlassöffnung 14 gepresst wird. Zum Öffnen des Ventils wird der Ventilstößel mittels einer Aktuatoreinrichtung schlagartig ausgelenkt. Die Aktuatoreinrichtung weist zwei kreuzweise angeordnete FGL-Aktuatoren auf, deren Kreuzungspunkt oberhalb des Ventilstößels zentriert ist. Die Aktivierung dieser Aktuatoren mittels dem von der Steuereinrichtung gesteuertem Strom wird aufrecht erhalten, solange die Öffnung des Ventils gewünscht oder vorbestimmt ist.
  • Der Rahmen Y markiert das zweite Ventil 32, das dem Ventilieren des ersten Luftkanalabschnitts dient. In Fig. 1c ist ein Querschnitt durch ein Ventil gezeigt, dass wie das zweite Ventil 32 aufgebaut ist. In Fig. 1b ist ein Querschnitt durch ein Ventil gezeigt, dass wie das erste Ventil 31 aufgebaut ist.
  • Die Ventile 31, 32 weisen jeweils, wie anhand des Ventils 31 in Fig. 1b exemplarisch gezeigt ist, einen Ventilstößel 36a, eine Ventilfeder 36b und einem Klemmstift 36d auf. Der Klemmstift dient zur Vorspannungsjustage des Formgedächtnismaterial-Aktuators 36e. Die Ventilführung 37 ist in eine Aussparung des Basiskörpers eingepasst, zwischen Ventilführung 37 und Basiskörper ist die Membran 49 (36c) eingeklemmt, die als Verschlusselement für beide Ventile 31, 32 eingesetzt wird. Ein Deckelteil 42 deckt die Ventilführung 37 über dem Basiskörper 40 ab, ist an diesem befestigt und dient als Widerlager der Feder 36b, die zwischen Deckelteil und dem Flansch des Ventilstößels 36a eingespannt ist. Über dem Deckelteil ist die Platine 41 befestigt. Auf dieser sind die FGL-Aktuatoren durch Verlöten befestigt, um bei Kontraktion den Klemmstift 36d und den mit diesem verbundenen Ventilstößel 36a auszulenken, um das Ventil zu öffnen.
  • In der Figur 1b ist der erste, geschlossene Zustand des Ventils 31 zu sehen, bei dem die Durchlassöffnung 14 verschlossen ist. In der Figur 1c ist der geschlossene Zustand des zweiten Ventils 32 zu sehen, bei dem mittels der Membran 49 die dritte Öffnung 23, nämlich die Durchlassöffnung 23 verschlossen ist, die den mit der Umgebung verbundenen Bypasskanal 43 mit dem ersten Luftkanalabschnitt 11 verbindet.
  • Fig. 3a bis 3c zeigen exemplarisch, wie ein bewegliches Element, z.B. ein Verdrängungselement oder ähnlich auch ein Ventilstößel, ausgelenkt werden können.
  • Eine Kontraktion des Formgedächtnismaterial-Aktuator 85 führt dazu, siehe Fig. 3a und 3b, dass das bewegliche Element 83' in kürzester Zeit, also impulsartig bzw. schlagartig, von der ersten P1 in die zweite Position P2 bewegt wird.
  • Das Formgedächtnismaterial-Aktuator ist eine Legierung auf Basis von TiNiCu, die im Vergleich zum herkömmlichen NiTi noch ermüdungsresistenter ist und damit eine vorteilhafte Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit des Formgedächtnismaterial-Aktuators bietet. Die Phasenübergangs- oder Schalttemperaturen des Materials werden mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (engl. DSC) bestimmt, siehe Diagramm der Fig. 6. In dieser Messung erscheint der für die Aktuierung wichtige Phasenübergang als Peak. Aus dem Diagramm lässt sich entnehmen, dass für ein Schalten des Aktuators die Temperatur des Aktuators auf mindestens 67 °C erhöht werden muss; für das Zurückstellen muss die Temperatur wiederum auf höchstens 50 °C gesenkt werden. Unterhalb der materialspezifischen kritischen Temperatur 50 °C befindet sich der Formgedächtnismaterial-Aktuator insbesondere in der Martensit-Phase und lässt sich bereits durch geringe Kräfte (scheinbar) plastisch verformen. In diesem Zustand befindet sich der Formgedächtnismaterial-Aktuator in der in Fig. 3a gezeigten ersten Position des beweglichen Elements. Der Formgedächtnismaterial-Aktuator kann in der ersten Position insbesondere so angeordnet sein, dass er unter einer mechanischen Spannung steht. Er kann aber auch entspannt sein. Beim Aufheizen auf die weitere kritische Temperatur 67°C wird innerhalb von Millisekunden die ursprüngliche Bauteilgestalt wiederhergestellt, das Material verhält sich dann wie ein gewöhnliches Metall entsprechend dem Hookschen Gesetz. Die kritischen Temperaturen des Formgedächtnismaterial-Aktuators sind einstellbar, indem ein elektrischer Strom I das Formgedächtnismaterial-Aktuator durchfliesst. Dazu ist eine Spannungsversorgung vorgesehen, mit der sich ein durch den Formgedächtnismaterial-Aktuator führender Stromkreis wahlweise zum Aufheizen schließen lässt (Fig. 3b) oder zum Abkühlen des Formgedächtnismaterial-Aktuator öffnen lässt (Fig. 3a). Es wird zwischen beweglichem Element und Aktuator vorzugsweise eine Kugel 83b' oder ein Halterungselement 85a' eingesetzt, die/das sich unter dem X-förmigen, taschen-artig gekrümmten Aktuatoreinrichtung 85 selbst zentriert.
  • Die Figuren 3a und 3b zeigen die X-förmig angeordnete, taschen-artig gebildete Aktuatoreinrichtung 85, wobei in Fig. 3a eine erste Position gezeigt ist, in der das bewegliche Element vom Rückstellelement, also z.B. einer Feder, in der ersten Position gehalten wird, und wobei in Fig. 3b die zweite Position gezeigt ist, in der die Aktuatoreinrichtung 85 aktiviert wurde und das bewegliche Element ausgelenkt wurde bis zur zweiten Position in den Anschlag. Die Aktuatoreinrichtung 85 weist zwei Formgedächtnismaterial-Aktuatoren auf Basis einer NiCuTi-Legierung auf, nämlich zwei langgestreckte, stegförmige, auf Basis von gesputtertem Film hergestellte Formgedächtnismaterial-Aktuatoren, die einander überkreuzend, also X-förmig, zentral oberhalb der Kugel des beweglichen Elements 83' angeordnet sind. Die Verwendung Filmbasierter Aktuatoren ermöglicht ein Einstellen der Kräfte und Stellwege durch Anpassung der zweidimensionalen Geometrie. Die im Verhältnis zum Volumen sehr große Oberfläche bleibt dabei erhalten und sorgt für eine schnelle Wärmeabgabe bzw. Rückstellung des Aktuators im stromlosen Zustand.
  • Die Enden der Formgedächtnismaterial-Aktuatoren sind am Basiskörper 86, 40 bzw. an der Platine der Mikrodosiereinrichtung 80 jeweils an den beiden Kopplungsstellen 88 (Fig. 3a) verankert. Die Formgedächtnismaterial-Aktuator sind oberhalb der Auflagestelle so gespannt, dass die Kreuzungsstelle 85a jeweils eine Krümmungsstelle des Formgedächtnismaterial-Aktuators bildet. Dadurch wird, wie in den Figuren 3a, 3b und 3c beispielhaft dargestellt ist, ein schalenartiger Bereich der Aktuatoreinrichtung gebildet, durch die sich die Aktuatoreinrichtung oberhalb der Auflagestelle zentriert und eine präzise entlang der linearen Bewegungsrichtung zwischen der ersten und zweiten Position nach unten gerichtete Kraft erzeugt, die eine entsprechend präzise Auslenkung zur Folge hat. Die zwei Formgedächtnismaterial-Aktuatoren können durch ein Verbindungsglied (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Während in Fig. 3a bis 3c das bewegliche Element 83' aus quaderförmigen Abschnitten aufgebaut ist, kann es auch anders geformt sein, insbesondere mit zylinderförmigen Abschnitten, sowie mit einer Kugel als Auflagefläche für die Aktuatoreinrichtung 85.
  • Die Membran 49 besteht aus hochflexiblem PDMS der Dicke 200 µm und ist im stromlosen Zustand der Formgedächtnismaterial-Aktuatoren vorausgelenkt, um die Ventilöffnung zu schließen.
  • Die Aktuatoren der Aktuatoreinrichtung 85 sind beispielsweise jeweils paarweise auf eine Trägerplatte bzw. Platine mit integrierten Leiterbahnen aufgebracht und elektrisch kontaktiert, siehe Fig. 3a, 3b. Die elektrische Ansteuerung der Formgedächtnismaterial-Aktuator erfolgt über eine elektrische Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Spannung gleichzeitig an beider Formgedächtnismaterial-Aktuatoren anzulegen und diese synchron zu kontrahieren. Beispielsweise werden über ein dreiadriges Kabel beide Aktuatoren an eine Stromquelle angeschlossen. Eine mittlere Ader dient dabei als gemeinsame Masse-Elektrode. Für ein möglichst schnelles Schalten werden die Aktuatoren im Betrieb mit einem sehr kurzen Spannungs- bzw. Stromimpuls aktiviert, der einige 10 ms dauert, und anschließend die effektive Spannung durch Pulsweitenmodulation soweit gedrosselt, dass die Schaltposition der Formgedächtnismaterial-Aktuatoren gerade gehalten werden kann.
  • Für ein möglichst schnelles Schalten der Formgedächtnismaterial-Aktuatoren werden die Versorgungsspannung auf 4 V, die Dauer des initialen Spannungspulses auf 10 ms, sowie die Pulsweitenmodulation beispielsweise auf einen Duty Cycle von 1/128 eingestellt. Die tatsächliche Schaltzeit wird z.B. durch Beobachtung des Aktors (bzw. der darunterliegenden Kugel) mit einer Hochgeschwindigkeitskamera bestimmt. Ein Formgedächtnismaterial-Aktuator benötigt insbesondere weniger als 2 ms für das Zurücklegen des Hubes. Die Kraft-Auslenkungs-Kennlinien der FGL-Aktuatoren lassen sich mittels einer Zugprüfmaschine bestimmen.
  • Die Steuerung dieser Verfahren zum Betreiben des Moduls 1 sind vorzugsweise durch eine in gewünschter Weise eingerichtete, insbesondere programmierte, elektrische Steuereinrichtung 350 implementiert (Fig. 4). Die Steuereinrichtung 350 kann Bestandteil des Moduls 1 sein. Alternativ kann die Steuereinrichtung 350 ein externes Gerät oder dessen Bestandteil sein. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 350 Bestandteil einer modifizierten Pipettiervorrichtung sein, insbesondere eine um die Steuereinrichtung 350 ergänzte konventionelle Pipettiervorrichtung.

Claims (15)

  1. Mikrodosiereinrichtung (1) zum Erzeugen eines Mikrodosiervolumens einer Fluidprobe in Form eines Mikrofreistrahls, aufweisend
    einen Luftkanal (10), der eine Durchlassöffnung (14) aufweist, die einen ersten Luftkanalabschnitt (11) und einen zweiten Luftkanalabschnitt (12) des Luftkanals verbindet, wobei der erste Luftkanalabschnitt (11) eine erste Öffnung (21) aufweist und der zweite Luftkanalabschnitt (12) eine zweite Öffnung (22) aufweist, mit der ein die Fluidprobe enthaltender Fluidtransferbehälter (99) verbindbar ist,
    ein steuerbares erstes Ventil (31), das dazu eingerichtet ist, die Durchlassöffnung (14) des Luftkanals (10) wahlweise, in einem ersten Zustand, geschlossen zu halten, um einen Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt (11) gegenüber dem zweiten Luftkanalabschnitt (12) zu ermöglichen, oder, in einem zweiten Zustand, geöffnet zu halten, sowie einen schlagartigen Wechsel vom ersten in den zweiten Zustand zu ermöglichen,
    eine elektrische Steuereinrichtung,
    wobei die elektrische Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, das erste Ventil (31) so zu steuern, dass die Durchlassöffnung (14) mittels des ersten Ventils schlagartig geöffnet wird, wodurch, bedingt durch den Druckausgleich zwischen dem ersten (11) und zweiten Luftkanalabschnitt (12), ein Mikroluftvolumen aus dem ersten Luftkanalabschnitt austritt und ein Mikroluftvolumen (V) den Luftkanal (10) durch die zweite Öffnung (22) verlässt, so dass ein durch das Mikroluftvolumen (V) bestimmtes Mikrodosiervolumen der im Fluidtransferbehälter (99) gehaltenen Fluidprobe verdrängt wird und in Form eines Mikrofreistrahls aus dem Fluidtransferbehälter in einen Außenraum abgegeben wird,
    wobei das erste Ventil einen Formgedächtnislegierungs(FGL)-Aktuator aufweist.
  2. Mikrodosiereinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Öffnung der Mikrodosiereinrichtung mit einer Luftkammer einer Pipettiervorrichtung verbindbar ist.
  3. Mikrodosiereinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Mikrodosiereinrichtung eine Luftkammer aufweist, die mit der ersten Öffnung verbunden ist, ein Verdrängungselement, das zur Verdrängung eines Mikrovolumens (V) der Luftkammer eingerichtet ist, und einen Antrieb, um die Auslenkung des Verdrängungselements anzutreiben, wodurch im ersten Zustand des ersten Ventils der Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt erzeugbar ist.
  4. Mikrodosiereinrichtung gemäß Anspruch 3, wobei das Verdrängungselement ein Kolbenelement ist, das dazu eingerichtet ist, im ersten Zustand des ersten Ventils (31) das Mikroluftvolumen (V) zu verdrängen und das dazu eingerichtet ist, im zweiten Zustand des ersten Ventils ein Makroluftvolumen zu verdrängen.
  5. Mikrodosiereinrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Öffnung der Mikrodosiereinrichtung mit dem Arbeitskonus einer Pipettiervorrichtung verbindbar ist, so dass mittels der Pipettiervorrichtung im ersten Luftkanalabschnitt der gewünschte Überdruck einstellbar ist.
  6. Mikrodosiereinrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Luftkanalabschnitt eine verschließbare dritte Öffnung (23) aufweist, die den ersten Luftkanalabschnitt mit dem Außenraum verbindet, und ein steuerbares zweites Ventil (32) aufweist, das dazu eingerichtet ist, die dritte Öffnung des Luftkanals wahlweise, in einem ersten Zustand, geschlossen zu halten, um den Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt gegenüber dem zweiten Luftkanalabschnitt zu ermöglichen, oder, in einem zweiten Zustand, geöffnet zu halten, sowie einen Wechsel vom ersten in den zweiten Zustand zur Herbeiführung eines Druckausgleichs im ersten Luftkanalabschnitt zum Außenraum zu ermöglichen.
  7. Mikrodosiereinrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Ventil einen FGL-Aktuator aufweist.
  8. Mikrodosiereinrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, die eine elektrische Steuereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, das erste Ventil (31) so zu steuern, dass die Durchlassöffnung (14) mittels des ersten Ventils schlagartig geöffnet wird, wodurch, bedingt durch den Druckausgleich zwischen dem ersten (11) und zweiten Luftkanalabschnitt (12), ein Mikroluftvolumen aus dem ersten Luftkanalabschnitt austritt und ein Mikroluftvolumen (V) den Luftkanal (10) durch die zweite Öffnung (22) verlässt, so dass ein durch das Mikroluftvolumen (V) bestimmtes Mikrodosiervolumen der im Fluidtransferbehälter (99) gehaltenen Fluidprobe verdrängt wird und in Form eines Mikrofreistrahls aus dem Fluidtransferbehälter in den Außenraum abgegeben wird.
  9. System (400) zum Erzeugen eines Mikrodosiervolumens einer Fluidprobe in Form eines Mikrofreistrahls, beinhaltend eine Mikrodosiereinrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche und eine Pipettiervorrichtung, die dazu dient, diesen Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt zu erzeugen, wobei die erste Öffnung der Mikrodosiereinrichtung mit einer Luftkammer der Pipettiervorrichtung verbindbar ist oder verbunden ist, die zudem aufweist: ein Verdrängungselement, das zur Verdrängung eines Mikrovolumens (V) der Luftkammer eingerichtet ist, und einen Antrieb, um die Auslenkung des Verdrängungselements anzutreiben, wodurch im ersten Zustand des ersten Ventils der Überdruck im ersten Luftkanalabschnitt erzeugbar ist.
  10. System gemäß Anspruch 9, wobei die Pipettiervorrichtung insbesondere eine kommerziell erhältliche Pipettiervorrichtung ist, wobei die Pipettiervorrichtung eine elektrische Steuereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, das erste Ventil (31) so zu steuern, dass die Durchlassöffnung (14) mittels des ersten Ventils schlagartig geöffnet wird, wodurch, bedingt durch den Druckausgleich zwischen dem ersten (11) und zweiten Luftkanalabschnitt (12), ein Mikroluftvolumen aus dem ersten Luftkanalabschnitt austritt und ein Mikroluftvolumen (V) den Luftkanal (10) durch die zweite Öffnung (22) verlässt, so dass ein durch das Mikroluftvolumen (V) bestimmtes Mikrodosiervolumen der im Fluidtransferbehälter (99) gehaltenen Fluidprobe verdrängt wird und in Form eines Mikrofreistrahls aus dem Fluidtransferbehälter in den Außenraum abgegeben wird.
  11. System gemäß Anspruch 9 oder 10, mit einer Kabelverbindung, welche die Mikrodosiereinrichtung mit einer elektrischen Steuereinrichtung der Pipettiervorrichtung verbindet, so dass das mindestens eine Ventil der Mikrodosiereinrichtung durch die elektrischen Steuereinrichtung steuerbar ist, insbesondere um das erste Ventil (31) so zu steuern, dass die Durchlassöffnung (14) mittels des ersten Ventils schlagartig geöffnet wird, wodurch, bedingt durch den Druckausgleich zwischen dem ersten (11) und zweiten Luftkanalabschnitt (12), ein Mikroluftvolumen aus dem ersten Luftkanalabschnitt austritt und ein Mikroluftvolumen (V) den Luftkanal (10) durch die zweite Öffnung (22) verlässt, so dass ein durch das Mikroluftvolumen (V) bestimmtes Mikrodosiervolumen der im Fluidtransferbehälter (99) gehaltenen Fluidprobe verdrängt wird und in Form eines Mikrofreistrahls aus dem Fluidtransferbehälter in den Außenraum abgegeben wird.
  12. Verfahren (500) zum Erzeugen eines Mikrodosiervolumens einer Fluidprobe in Form eines Mikrofreistrahls mittels einer Mikrodosiereinrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend den Schritt (Abgabeschritt), dass das erste Ventil so gesteuert wird, dass die Durchlassöffnung mittels des ersten Ventils schlagartig geöffnet wird, wodurch, bedingt durch den Druckausgleich zwischen dem ersten und zweiten Luftkanalabschnitt, ein Mikroluftvolumen aus dem ersten Luftkanalabschnitt austritt und ein Mikroluftvolumen (V) den Luftkanal durch die zweite Öffnung verlässt, so dass ein durch das Mikroluftvolumen (V) bestimmtes Mikrodosiervolumen der im Fluidtransferbehälter gehaltenen Fluidprobe verdrängt wird und in Form eines Mikrofreistrahls aus dem Fluidtransferbehälter in den Außenraum abgegeben wird.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 12, aufweisend die Schritte, dass mittels einer Pipettiervorrichtung, die eine mit der ersten Öffnung verbundene Luftkammer und ein Verdrängungselement aufweist, durch Verdrängung eines Mikrovolumens (V) in der Luftkammer ein Überdruck in dem ersten Luftkanalabschnitt hergestellt wird, bevor der Abgabeschritt erfolgt.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, aufweisend Schritte, die der Aufnahme und/oder Abgabe der Fluidprobe bei einem Pipettier- oder Dispensiervorgang dienen.
  15. Verwendung der Mikrodosiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, des Systems gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11 oder des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14 zur Erzeugung eines Mikrodosiervolumens einer Laborprobe im Freistrahl, insbesondere einer wässrigen Laborprobe, insbesondere einer biologischen, medizinischen, chemischen, biochemischen, pharmazeutischen oder forensischen Probe.
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