EP3573758A1 - Pipetting device for pulsed pipetting with a pipetting piston movement regulated on the basis of a determination of the working gas pressure - Google Patents

Pipetting device for pulsed pipetting with a pipetting piston movement regulated on the basis of a determination of the working gas pressure

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Publication number
EP3573758A1
EP3573758A1 EP18701033.5A EP18701033A EP3573758A1 EP 3573758 A1 EP3573758 A1 EP 3573758A1 EP 18701033 A EP18701033 A EP 18701033A EP 3573758 A1 EP3573758 A1 EP 3573758A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pipetting
pressure
piston
working gas
pulse
Prior art date
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Granted
Application number
EP18701033.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP3573758B1 (en
Inventor
Hanspeter Romer
Reto Ettinger
Fridolin GYSEL
Jürg RAST
Jonas HILTI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamilton Bonaduz AG
Original Assignee
Hamilton Bonaduz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamilton Bonaduz AG filed Critical Hamilton Bonaduz AG
Publication of EP3573758A1 publication Critical patent/EP3573758A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3573758B1 publication Critical patent/EP3573758B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/02Burettes; Pipettes
    • B01L3/0241Drop counters; Drop formers
    • B01L3/0268Drop counters; Drop formers using pulse dispensing or spraying, eg. inkjet type, piezo actuated ejection of droplets from capillaries
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/14Process control and prevention of errors
    • B01L2200/143Quality control, feedback systems
    • B01L2200/146Employing pressure sensors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0475Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure
    • B01L2400/0478Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure pistons

Definitions

  • the present invention relates to a pipetting device for pulsed pipetting of dosing liquids in small dosing volumes of less than 2 ⁇ mediating a pressure-variable working gas.
  • the movement drive can be controlled in a targeted manner in order to move the pipetting piston in the desired manner by corresponding activation of the movement drive and, in turn, to change the pressure of the working gas in the desired manner.
  • a pulse-like dispensation in the sense of the present invention is known from US 2001/0016358 A1. There, however, no overpressure pulse is imparted by a working gas, but a physical impact is directly emitted by the piezoactuator onto the meniscus of the dosing liquid provided in the pipetting device and thereby closer to the opposite longitudinal end of the provided dosing liquid column from the pipetting opening Meniscus thrown off a drop.
  • a pipetting device which is able to pipette as hygienic as possible and in small doses as highly accurate as possible.
  • a pipetting device of the type mentioned which comprises:
  • a pipetting tip which provides a receiving space filled at least partially with working gas, which communicates with the pipetting pressure channel and which is accessible through a Pipettiero réelle so that by changing the pressure of the working gas in the receiving space through the Pipettiero réelle through the amount of in the receiving space absorbed dosing liquid is changeable
  • a pipetting piston movably received in the pipetting channel along the pipetting channel for changing the pressure of the working gas
  • a pressure sensor for detecting the pressure of the working gas and for outputting a pressure signal indicative of the pressure of the working gas to the control device
  • control device is adapted to the movement drive, for generating a - with respect to a reference pressure in the pipetting at which no fluid passes through the Pipettiero réelle - pressure pulse in the working gas pipetting channel with a pulse duration of not more than 40 ms such based on that of the pressure sensor to trigger the output pressure signal that the pressure of the working gas during the pulse follows a predetermined working gas target Druckimpuls- course.
  • the duration of the pressure pulse is the time interval between leaving a reference pressure, wherein in the pipetting tip any existing dosing liquid is kept substantially motionless and in which no fluid, so neither gas nor liquid, flows through the pipetting, and the renewed permanent return to this.
  • the pressure pulse may preferably comprise an overpressure portion and a negative pressure portion.
  • the overpressure component precedes the negative pressure component in the pressure pulse in time. Since in reality due to the pressure-based control of the piston moving pressure oscillations are to be expected in the working gas, the working gas target pressure pulse course is to use in case of doubt for determining the pressure pulse duration. The latter is exempt from over- and under-swinging of the working gas pressure due to regulation and the quality of the regulation.
  • Pulse-like dispensing refers to a dispensing deviating from the conventional pipetting operation.
  • a pressure shock from the working gas is exerted on the side facing away from a metering orifice of the dosing liquid quantity received in a pipetting device by the overpressure pulse of the working gas.
  • This pressure blow propagates through the incompressible Dosiernachkeitsmenge to one of the pipetting more near meniscus of the recorded Dosierillonkeitsmenge and there leads to the centrifuging of a Dosier crampkeitstropfens.
  • the centrifuging of the Dosierrough keitstropfens can by a whip-like piston movement, in which a strongly accelerated piston movement in the dispensing a once again strongly accelerated piston movement in the direction of aspiration following immediately in time, defined triggered.
  • the resulting negative pressure component in the pressure pulse course of the working gas is smaller in magnitude and no longer in time, preferably even shorter than the previous excess pressure component.
  • very small amounts of liquid of less than 2 ⁇ or preferably less than 600 nl can be metered with high repeat accuracy and even aliquoted, so dispensed repeatedly from a larger volume in the receiving space of the pipetting tip Dosierteilkeitsmenge, without dispensing between individual dispensing liquid to aspirate.
  • the dosing liquid taken in by the pipetting device is increased by increasing the flow rate Pushed out in the working gas until either a drop from the pipetting orifice dissolves gravity driven or it is metered through the pipetting dosing liquid to a wetted by the dosing liquid substrate or in an existing liquid from which or from which the pipetting opening is lifted after delivery of the predetermined dosage.
  • dosing liquid moves only so long in the dispensing direction through the pipetting, as long as the pipetting in a dispensation sense (increasing the pressure in the working gas) is moved.
  • the pulse-like dispensing on which the present invention is based is asynchronous, ie to a pulse-like, sudden generation of an overpressure pulse in the working gas, the drop of the dosing liquid is usually thrown off only from the recorded Dosier crampkeitsmenge, while the pressure pulse is at least subsiding or even subsided.
  • the dispensing of Dosierillonkeitstropfens thus does not occur synchronously with a movement of the pipetting.
  • the dosing liquid drops moves in the dispensing direction during pulse-like dispensing, while the pipetting piston moves in the sense of aspiration (reducing the pressure in the working gas) or already stops again.
  • the quantities of liquid to be dispensed are usually delivered as drops, with an acceleration from the quantity of metering liquid received in the pipetting device, which is added to the gravitational force in the direction of gravity when dispensed. This means that the metering liquid droplets detached from the added metering liquid quantity during pulsed dispensing by the pipetting device move faster from the pipetting device when dispensed in the direction of gravity action than merely in free fall.
  • the demolition of the dosing liquid to be dispensed is effected by the pipetting tip by utilizing inertial forces.
  • the piston is moved for a predetermined time in the dispensing direction and, if a demolition of out of the pipette tip out addition dosing is desired as possible stopped abruptly.
  • the mass inertia of the already displaced metering liquid which is still in the dispensing movement due to the past piston movement, then leads to constriction of the metering liquid at the pipeline opening and finally to its demolition.
  • the relationship between piston movement and dosing liquid displaced by means of the working gas is usually determined empirically for different liquid classes and is stored in a data memory of the pipetting device.
  • the volume swept by the metering-side piston surface during the movement of the piston in the pipetting direction generally exceeds the actual pipetted volume of the dosing liquid by no more than 5 %.
  • the ratio of pipetting volume to actually pipetted metering liquid volume is therefore usually not greater than 1.05.
  • Dispensers receive the dispensing liquid to be dispensed usually via feed channels from a supply, which is in flow communication with a variable by the piston metering chamber of the dispenser.
  • pipetting devices in which the dosing-side end surface of the piston is in direct contact with the dosing liquid to be pipetted. There is then no working gas between the piston and the dosing liquid.
  • the pipetting type of generic pipetting devices with a working gas between the piston and the dosing liquid is referred to in the art as "Air Displacement", although the working gas does not necessarily have to be air, but also an inert gas or a quasi-inert gas, such as nitrogen, can be.
  • the pipetting piston is permanently and completely separated from the dosing liquid by a gas column, in particular by an air column.
  • the present pipetting device according to the invention should also be distinguished from those which use a column of a system liquid as a piston.
  • system fluids pose a certain degree of contamination risk, since it can sometimes not be ruled out that system fluid, that is to say a part of a liquid piston, passes into the dosing liquid to be pipetted.
  • the piston of the pipetting device of the present invention is at least partially, preferably completely formed as a solid to avoid a risk of contamination.
  • at least the metering-side end face of the piston facing the metering liquid is designed as a solid body in order to prevent a transfer of liquid to liquid.
  • the pipetting device can have a permanently installed pipetting channel with a pipetting tip with pipetting opening formed on the end of the pipetting channel.
  • the pipetting device is designed to detachably connect replaceable pipetting tips to the pipetting channel.
  • the pipetting device has a coupling formation interspersed by the pipetting channel for the temporary coupling of a pipetting tip. If a pipette tip is coupled to the coupling formation, the pipette tip lengthens the device-specific pipetting channel and is temporarily, ie during the duration of its coupling, part of the pipetting channel of the pipetting device.
  • the pipetting tip is preferably a so-called "disposable", ie a disposable or disposable pipetting tip, which is disposed of after a single dispensing or aliquoting.
  • the pipetting device is not only designed for pulse-like dispensing, but also for conventional aspiration, so that the provision of dosing liquid in the pipetting device, in particular in a pipette tip picked up by quasi-synchronous aspiration of dosing liquid through the pipetting of the pipetting into a receiving space the pipetting device can be done.
  • the pipetting device is designed both for pulse-like dispensing in asynchronous operation as well as for conventional dispensing in quasi-synchronous operation, so that with the inventive pipetting small Dosiersammlungkeitsmengen of less than 2 ⁇ , approximately down to several tens of nano-, as well as large Liquid quantities of several hundred microliters are dispensed repeatable.
  • the changeover between asynchronous and quasi-synchronous operation is very simple by means of selection or / and adjustment of appropriate working gas desired pressure profiles by the control device.
  • the control device can moreover be designed to regulate the piston position only in pulsed pipetting operation in accordance with the pressure signal output by the pressure sensor by corresponding activation of the movement drive.
  • the control device can actuate the motion drive position-dependently in response to a signal indicative of the position of the pipetting piston of at least one position sensor, thus regulating the piston position.
  • a signal indicative of the position of the pipetting piston of at least one position sensor thus regulating the piston position.
  • control device for realizing a quasi-synchronous pipetting operation may be designed to move the piston for pipetting a predetermined single metering volume of more than 2 ⁇ at a tip speed of not more than 1000 ⁇ / s.
  • the dosing liquid follows the piston in a rectilinear motion, if necessary with a slight time offset.
  • the pipetting volume swept by the piston essentially corresponds to the actually pipetted dosing liquid volume.
  • the piston sizes mentioned below in the present application indicated by the piston area.
  • one and the same pipetting device according to the invention can be adapted to a selectable single-dose in a Dosiervolumen Scheme from 100 nl to 100 ⁇ , preferably 100 nl to 1000 ⁇ with a volume deviation of not more than 2% based on the predetermined single dosing volume as a nominal volume to reproducibly pipette.
  • the pipetting device according to the invention is able to pipette 10000 times the minimum pipetting volume as the maximum pipetting volume. It should of course not be ruled out that, for example, the mentioned lower limit of 100 nl can still be reached. In any case, the functionality of the pipetting device is guaranteed for the said pipetting volume ranges.
  • the pipetting device has a detachable pipetting tip, with a coupling counter-formation for releasably coupling engagement with the coupling formation and with a pipetting opening as passage for dosing liquid during an aspiration operation and during a dispensing operation.
  • the dosing liquid is if necessary after an aspiration process, provided in the pipette tip.
  • the aspiration process is not pulsed, but as a quasi-synchronous aspiration, ie the generation of an aspirating negative pressure in the working gas and a consequent inflow of dosing liquid through the pipetting opening into the pipetting or in the pipette tip overlap for the most part in time.
  • a standard pipetting tip can be used with a nominal pipetting space volume which is substantially larger than the dosing liquid dose dispensed in a single pulse-like dispensing operation.
  • the nominal volume of the pipetting tip or nominal volume of the pipetting tip is preferably more than 80 times, more preferably more than 300 times, most preferably more than 500 times the minimum possible volume of a single liquid-like dispensed or dispensed liquid dose.
  • a standard pipetting tip with a nominal capacity of 300 ⁇ was temporarily coupled to a pipetting device.
  • a dosing liquid such as glycerol.
  • a gas volume of 4 to 5 ⁇ was provided between the pipetting-opening, discharging meniscus and the pipetting opening, which is advantageous, but not absolutely necessary.
  • glycerol was aliquoted as dosing liquid with a single dosing volume of 448 ml 20 times in succession, the individual dispensed dosing volumes differing by no more than 2.96%.
  • the 40 ⁇ reservoir provided by the petting device is highly unusual.
  • the pipetting piston is a magnetic piston with at least one permanent magnet and that the movement drive has electrically energizable coils.
  • the control device can then be designed to control the supply of the coils with electrical energy.
  • the magnetic piston is preferably a solid-state piston with preferably a plurality of solid-state permanent magnets, which are preferably sufficiently sealed at its longitudinal end in relation to the pipetting channel movably receiving the piston, for example by means of corresponding caps.
  • a magnetic piston which can be driven by an electromagnetic field in the manner of a linear motor enables highly dynamic whip-like movement processes of the piston in the pipetting channel and thereby the generation of very short overpressure pulses which can be abruptly stopped by equally short vacuum pulses.
  • the above-mentioned generation of a negative pressure then comprises a displacement of the magnetic piston in a first direction, typically in a direction away from the pipetting opening.
  • the generation of the excess pressure component in the pressure pulse comprises a displacement of the piston in one of the first opposite second direction.
  • the pipetting device may have, in addition to the above-mentioned pressure sensor, at least one position sensor, which detects the position of the pipetting piston and outputs a position signal indicating the detected piston position to the control valve. direction is formed.
  • the pipetting piston is a magnetic piston
  • the at least one position sensor preferably a plurality of Hall sensors arranged along the pipetting channel may be used. However, other position sensors can also be used.
  • the control device can for high-precision pulse-like change in the pressure of the working gas during a pipetting process, the supply of the coils with electrical energy in the form of a control depending on a detected current state of supply of the coils with electrical energy, depending on the pos sitionssignal the at least one position sensor and depending on the pressure signal of the pressure sensor control.
  • the control device comprises a cascaded control loop structure with at least three control loops. According to an innermost control circuit of the cascaded loop structure, the control device regulates an electric voltage applied to the coils in accordance with a difference between a target current value and a detected current value of a current flowing in the coils.
  • the control device is further adapted to the target current value of the current flowing in the coils current in a more remote control loop of the cascaded control loop structure in accordance with a difference between a desired position value and an indicated by the position signal actual position value of the To determine pipetting.
  • the control device is further configured to determine the nominal position value of the pipetting piston in an even more external control circuit of the cascaded control loop structure in accordance with a difference between a desired pressure value and an actual pressure value of the pressure of the working gas indicated by the pressure signal.
  • the cascaded control of the piston movement moreover, several disturbances can be compensated quickly and safely: the utmost in accordance with a difference between the target and actual working gas pressure operating loop can unpredictable and different for different pipetting devices and operations individually different leaks in the pipetting and the pipette tip compensate, for example, leaks on a piston seal and / or on a coupling of a releasably coupled pipette tip.
  • the mean in accordance with a difference between the target and actual position of the pipetting a coil target current value determining control loop can compensate for unpredictable and different for different pipetting devices and operations individually different frictional influences, such as friction between piston seal and Pipettierkanalzylinder.
  • the innermost in accordance with a difference between the setpoint and actual current value of the current flowing in the coil current determining a setpoint voltage control loop can compensate for unpredictable and different for different pipetting devices and operations individually variations of coil resistances and Spuleninduktditeen.
  • control device comprises a data memory, in which at least an idealized working gas desired pressure pulse course, for a pilot control the at least one idealized working gas desired pressure pulse course causing idealized Pipettkolben-desired position course and an idealized nominal coil set current profile which effects the idealized pipetting piston nominal position profile is stored.
  • the control device is preferably designed for precontrol of the control circuits in the cascaded control loop structure in accordance with the parameters working gas pressure, pipetting piston position and coil current.
  • the idealized courses can be determined empirically for different liquids or liquid classes.
  • the course is a chronological sequence of at least three parameter values.
  • the curve may also contain differences (delta values) to those parameter values that apply to the above-mentioned reference state. As a result, the idealized curves can be meteorologically compensated.
  • the pipetting tip Due to the physical effects of the pulse-like pipetting, the pipetting tip is not completely emptied during pulse-like dispensing. It remains dosing liquid even after the pulse-like dispensing process in the receiving space of the pipette tip. Preference is therefore given to a pulse-like dispensing of dosing liquid from a dosing liquid absorbed in the receiving space of the pipetting tip, whose volume is at least five times greater than the volume of dosing liquid to be dispensed in pulses.
  • the pipetting device is designed for pulse-like dispensing in the jet mode, in which the dispensed liquid volume travels a distance in free flight between the dispensing metering liquid quantity in the pipetting tip and a dispensing target.
  • the whip-like movability of the piston typical for pulse-like pipetting is preferably realized by the control device being designed to operate the motion drive in such a way as to dispense a predetermined single dosing volume of less than 2 ⁇ .
  • the piston is moved in the direction of dispensing and its dispensing end surface sweeps over a dispensing volume which is not larger than the single dispensing volume by not less than 1.4 times, and that the piston is then in one of the dispensing positions.
  • Pensationscardi opposite Aspirationshchtung is moved while its dosing-side end surface covers an aspiration volume, the working gas target pressure pulse course for not more than 40 ms, preferably not more than 30 ms, from the starting and / or the final pressure level deviating pressure values.
  • the movement of the piston can be detected from any reference point on the piston, for example on the basis of the dosing-side piston surface.
  • the effect of the motion sequence of the piston proposed by the invention on the dosing liquid is not yet fully understood.
  • an explanatory model assumes that with the pulse-like movement of the piston in the direction of pipetting, preferably the dispensing direction, the excitation or breakaway energy is transferred to the dosing liquid to be pipetted, which is necessary, more than the predetermined individual dosing volume to be pipetted to initiate their movement in the desired dispensing direction against inertial forces, surface tension, adhesion and cohesion of the dosing liquid.
  • the volume swept by the piston, or its dosing-side end surface is the area of the projection of the dosing-side end surface on a projection plane orthogonal to the channel path multiplied by the piston stroke. Since preferably at least the meter-side end face of the piston is formed as a solid, this assumption is realistic.
  • the term "dispensing direction” denotes a direction of movement of the piston which causes a discharge of dosing liquid out of the dosing liquid receiving space of the pipetting tip.
  • Aspirationscardi a direction of movement of the piston is referred to, which causes a suction of dosing into the dosing liquid receiving space of the pipette tip.
  • a single metering volume is always predetermined when the dispensing process takes place with the aim of dispensing a specific known metering volume.
  • the individual dosing volume can be predetermined by manual input at the pipetting device or by data transmission to the pipetting device or by calculation from manually entered data and / or from data stored in a memory device for the pipetting device.
  • the dispensing volume initially swept by the dosing-side end surface of the piston can not only depend on the predetermined single dosing volume in addition depend on parameters of each dosing liquid to be pipetted and / or on the volume of the working gas between dosing-side piston surface and dosing.
  • the greater the viscosity of the dosing liquid (measured at room temperature of 20 ° C. at an atmospheric pressure of 1013.25 hPa by means of a rotational viscometer), the greater the ratio of dispensing volume to single dosing volume.
  • the larger the volume of working gas the greater the ratio of dispensing volume to single dose volume.
  • the working gas volume is between 180 ⁇ and 1000 ⁇ , more preferably between 200 ⁇ and 800 ⁇ .
  • the dispensing volume may not be less than 1.4 times the single-dose volume. However, it can also be significantly larger than 1, 4 times the Einzeldosiervolumens. Thus, for example, it can be five times the single metering volume if a low excitation energy is sufficient to accelerate the metering liquid for flowing through the generally narrow pipetting opening. Dosing liquids less readily excitable for movement can be excited to move with a piston movement in the dispensing direction and a dispensing volume swept thereby by the dosing-side end surface of not less than ten times the single dosing volume.
  • the piston movement is preferably carried out with a high maximum volume velocity than the volume swept over by the dosing-side end surface per unit time, the repeatability of the pipetting of very small single dosing volumes of less than 2 ⁇ increases with increasing dispensing volume. Therefore, the dispensing volume may preferably be not less than twenty-five times the single-dose volume.
  • these are liquids having a viscosity in the range from 0.8 to 10 mPas, measured at room temperature of 20 ° C. at an atmospheric pressure of 1013, for the purposes of the present application.
  • An upper limit of the dispensing volume represents a dispensing volume in which more than the single dispensing volume is moved through the pipetting opening due to the large time required for the piston to sweep the dispensing volume with its meter-side end face. Tests have shown that dispensing volumes of more than 500 times the single dosing volume do not allow meaningful dispensing of dosing volumes of less than 2 ⁇ .
  • the amount of the maximum pressure difference to the reference pressure at which no fluid flows through the pipetting orifice during the phase of the overpressure portion is preferably less than 50,000 Pa, more preferably less than 25,000 Pa, and most preferably less than 10,000 Pa. These values apply to a variety of different liquids and liquid funds.
  • the amount of the maximum pressure difference to the reference pressure in the overpressure phase is preferably less than 2200 Pa and more preferably none than 1 .800 Pa.
  • the amount of the maximum pressure difference to the reference pressure during the phase of the overpressure portion is greater than 500 Pa, preferably greater than 600 Pa.
  • the amount of the maximum pressure difference from the reference pressure at which no fluid flows through the pipetting orifice during the negative pressure portion phase is preferably less than 30,000 Pa, more preferably less than 15,000 Pa, and most preferably less than 7,500 Pa.
  • the amount of the maximum pressure difference to the reference pressure during the phase of the negative pressure portion is greater than 200 Pa, preferably greater than 400 Pa.
  • the occurring during a dispensing pressure pulse maximum pressure difference values with respect to the reference pressure from which the pressure pulse emanates depends on a not yet final determined plurality of parameters such. B. to be dispensed single-dose volume, and the liquid which is characterized by density, viscosity and surface tension.
  • the aspiration volume swept by the piston during its movement may be equal to the volume dispensed even when aliquoting. However, then, as the number of dispensing operations in the aliquoting operation increases, the meniscus nearer to the pipetting orifice can move ever further into a dispensing liquid receiving space of the pipetting device, which can impair the accuracy of further dispensing processes.
  • the aspiration volume around the single dosing volume may be smaller than the dispensing volume.
  • the aspiration volume can thus be much larger than the single dosing according to the above information.
  • the piston can also initially be returned to its initial position of the piston in the direction of aspiration towards the end of the generation of the overpressure pulse, and then readjusted in the dispensing direction by the single dosing volume.
  • the tracking movement can then take place considerably more slowly than the piston movement during the pulse-like dispensing process and no longer counts as a dispensing process itself.
  • the correct dispensing and aspiration volume to be swept by the piston for a dispensing process for dispensing small quantities of dosing liquid can be determined simply by tests for a given single dosing volume.
  • an asynchronous pipetting operation is used according to the present invention in which a significant portion of the piston movement does not correlate with the movement of the dosing liquid. While in the previously described quasi-synchronous pipetting operation there is only a slight time offset between movements of piston and dosing liquid in the same direction, in the present case described asynchronous pipetting operation in one and the same time or in one and the same period mutually oppositely directed movements of the piston and Dosing liquid occur or it can only begin a movement of dosing liquid through the pipetting after the piston has completed its movement in Aspira- tion direction and has come to a standstill again.
  • the pipetting device according to the invention is due to its preferred design with permanent magnetic piston in addition to the conventional quasi-synonymous trained chronological Dispensations réelle and conventional quasi-synchronous aspiration.
  • the single dosing volume of dosing liquid begins to move through the pipetting opening, however, it is common to most dispensing operations that during dispensation the piston is driven to reverse the direction of movement and, as a rule, the direction of movement of the piston is actually reversed before the predetermined volume of liquid has detached from the pipetting opening.
  • the whip-like movability of the plunger-type pipetting piston can be effected by the moving drive comprising a linear motor and the controller and the agitation driver for pipetting a predetermined single metering volume of less than 2 ⁇ are designed to tip the plunger at a tip speed of at least 5000 ⁇ / s, preferably of at least 10000 ⁇ / s, and of not more than 25000 ⁇ / s to move.
  • the volumetric velocity of the piston that is, the volume swept by the dosing-side end surface of the piston per unit time, is of more importance for pulse-like pipetting than the linear velocity of movement of the piston or a piston rod.
  • a smaller stroke is sufficient for pistons with a larger piston area in order to cover the same volume for which a piston with a smaller piston area requires a larger stroke.
  • the present invention preferably relates to pipetting devices whose pistons have a piston area of between 3 and 80 mm 2 , that is to say which in the case of a circular piston area has a diameter of between 2 and approximately 10 mm. sen.
  • the present invention particularly preferably relates to pipetting devices whose pistons have a piston area of between 3 and 20 mm 2 , which in the case of a circular piston area has a diameter of between 2 and approximately 5 mm corresponds.
  • the pipetting device has a plurality of pipetting channels, of which in each case a pipetting piston formed as described above is movably received along the pipetting channel axis.
  • each pipetting channel can each have a coil arrangement that can be energized by the control device, which forms a linear motor for driving the pipetting piston with the magnetic pipetting piston.
  • the piston needs for its movement in the dispensing direction and then in Aspira- tion direction of the location of the halfway distance, which is half the distance between the starting point of the pipetting and its first reversal dead center in a whip-like pipetting for generating a pressure pulse in the working gas, until this half-distance is reached again less than 30 ms, preferential less than 20 ms, most preferably less than 16 ms. Even motion times in the single-digit millisecond range are conceivable.
  • a complete piston movement in the dispensing and Aspirationseuros with which a single-dosing volume of 950 nl of an aqueous dosing at a swept by the dosing end surface dispensing volume of 30 ⁇ and a swept aspiration volume of 29.05 ⁇ can with a piston with a circular piston surface and a Diameter of 4.3 mm easily expire in about 15 ms.
  • the kinematic aspect of the whip-like piston movement is based not only on the achievable maximum piston speed, but also on the time required for the motion drive to accelerate the piston to the desired piston speed and / or decelerate from the desired piston speed.
  • the control device and the movement drive are adapted to the piston with an acceleration of at least 2 x 10 6 ⁇ / s 2 , preferably of at least 6 x 10 6 ⁇ / s 2 particularly preferably even of at least 8 x 10 6 ⁇ / s 2 and not more than 1 x 10 8 ⁇ / s 2 to accelerate movement along the channel path and / or delay.
  • the pipetting of dosing liquids, in particular of aqueous dosing liquids, with the pipetting devices proposed here according to the invention is independent of the particular pipetting tip used.
  • the same pipetting result can always be achieved repeatably for one and the same dosing liquid on one and the same pipetting device with different pipetting tips.
  • the pipetting result is independent of the nominal receiving volume of the respective pipetting tip coupled to the pipetting device.
  • the pipetting result achievable with a set of pipetting parameters is all the better between pipetting tips having different nominal receiving space volumes. be transferred, if the pipetting tips have the same Pipettiero réelleen and the same dead volumes.
  • FIG. 1 shows a pipetting device according to the invention in which a pulse-like dispensing method according to the invention takes place immediately after the aspiration of a predetermined amount of dosing liquid
  • FIG. 2a shows the pipetting device of FIG. 1 after generation of a first negative pressure in the working gas, based on the holding reference pressure of FIG. 1, for forming a gas volume between pipetting opening and aspirated dosing liquid;
  • FIG. 2b shows the pipetting device of FIG. 2a after increasing the pressure of the working gas between pipetting piston and aspirated dosing liquid, in order to shift the meniscus closer to the pipetting opening to the pipetting opening;
  • FIG. 2c shows the pipetting device of FIG. 2b after generation of a second negative pressure in the working gas, based on the holding reference pressure of FIG. 1, for forming a gas volume between pipetting opening and aspirated dosing liquid;
  • FIG. 3 a shows the pipetting device of FIG. 2 c, which is shown repeatedly for the sake of clarity on the third figure sheet,
  • FIG. 3b shows the pipetting device of FIG. 3a during the sudden generation of a pressure pulse
  • FIG. 3c shows the pipetting device of FIG. 3b after completing the whip-like piston movement for dispensing a single dispensing volume of 500 nl, a roughly schematic course of the volume swept by the pipetting piston in the pulse-like exemplary dispensing of approximately 1 .mu. ⁇ dosing liquid;
  • FIG. 5 shows an exemplary control structure, such as the control device of the pipetting device according to the invention for controlling the movement of the
  • FIG. 6 is an exemplary diagram of a working gas desired pressure pulse course and a working gas-actual pressure pulse course for a pulse-like dispensation of a dosing liquid volume of 500 nl,
  • FIG. 7 shows an example diagram of a desired working gas pressure pulse course and a working gas-actual pressure pulse course for a pulse-like dispensing of a dosing liquid volume of 1 ⁇ and
  • FIG. 8 shows an example diagram of a desired working gas pressure pulse course and a working gas-actual pressure pulse course for a pulse-like dispensing of a dosing liquid volume of 1.5 ⁇ .
  • a pipetting device is designated generally by 10.
  • This comprises a pipetting channel 1 1, comprising a cylinder 12 which extends along a channel path K designed as a straight-line channel axis.
  • a piston 14 along the channel path K is borrowed borrowed.
  • the piston 14 comprises two end caps 16 (for reasons of clarity, only the lower one is provided with reference numerals in FIGS. 1 to 3 c), between which Chen a plurality of permanent magnets 18 (in the present example, three permanent magnets 18) are added.
  • the permanent magnets 18 are polarized along the channel axis K to obtain a separating magnetic field along the channel path K and are arranged in pairs with poles of the same name facing each other. This arrangement results in a magnetic field emanating from the piston 14, which is substantially uniform around the channel axis K, ie substantially rotationally symmetrical with respect to the channel axis K and which has a high gradient of the magnetic field strength along the channel axis K, so that unlike polarization zones are separated along the channel path K alternately alternate.
  • the end caps 16 are preferably formed from low-friction material comprising graphite or mica, as is known, for example, from commercially available caps from Airpot Corporation of Norwalk, Connecticut, (US).
  • the pipetting channel 1 1 preferably comprises a cylinder 12 made of glass, so that during a movement of the piston 14 along the channel axis K the material comprising graphite or mica slides on a glass surface with extremely low friction ,
  • the piston 14 thus forms a rotor of a linear motor 20, the stator of the pipetting channel 1 1 surrounding coils 22 (only four coils are exemplified here) is formed.
  • FIGS. 1 to 3c merely show a roughly schematic longitudinal section of a pipetting device 10 according to the invention, which by no means is to be understood to scale.
  • multiples of components are represented by any number of components, such as three permanent magnets 18 and four coils 22.
  • both the number of permanent magnets 18 and the number of coils 22 may be larger or smaller than the number shown.
  • the linear motor 20, more precisely its coils 22, are controlled via a control device 24, which is connected to the coils 22 in signal transmission terms.
  • the signal also includes the transmission of electrical current to energize the coils and thus to generate a magnetic field through them.
  • a pipetting tip 26 is releasably attached in a manner known per se.
  • the connection of the pipette tip 26 with the metering-side longitudinal end 12a of the cylinder 12 is likewise only shown roughly schematically.
  • the pipette tip 26 defines a pipetting space 28 in its interior, which is accessible at the coupling-remote longitudinal end 26a exclusively by a pipetting opening 30.
  • the pipette tip 26 extends the pipetting channel 1 1 during its coupling to the cylinder 12 to the pipetting 30th
  • the working gas 34 is arranged even with completely empty pipette tip 26 between the piston 14 and a dosing liquid 32, since the pipetting tip 26 is dipped for aspiration of dosing liquid 32 into a corresponding Dosier Wegkeitsvorrat, so that in this state, at least at the pipetting 30 a meniscus of the dosing liquid 32 is present is.
  • working gas 34 is in permanently relevant to a pipetting process state of the pipetting device 10 completely between the piston 14 and a dosing liquid 32 and separates them from each other.
  • the working gas 34 is located between a dosing-side end face 14a of the piston 14, which in the present example is formed by an end face of the end cap 16 pointing in the axial direction with respect to the channel path K to the dosing opening 30 and a meniscus 32a remote from the pipetting opening in the pipetting space 28 taken as a liquid column dosing liquid 32nd
  • a pressure sensor 38 can detect the pressure in the interior of the pipetting channel 11, to which the pressure communicating receiving space 28 belongs, ie the pressure of the working gas 34 between the dosing liquid 32 and the dosing-side end face 14a of the piston 14, and via a signal line transmitted to the controller 24.
  • sufficiently fast pressure sensors 38 such as the Honeywell sensor TBPDANS001 PGUCV
  • the position sensor arrangement 39 for detecting the piston position is provided on the pipetting channel 11 and is connected to the control device 24 in terms of signal transmission.
  • the control device 24 energizes the coils 22 in such a way that the pipetting piston 14 is generated in the manner of generating a (FIG. first) negative pressure in the working gas 34 is moved, that means away from the pipetting opening 30.
  • This negative pressure is not generated in a pulse-like manner, but with piston accelerations and speeds which ensure a quasi-synchronous displacement of the dosing liquid quantity 32 received in the receiving space 28.
  • the metering liquid quantity 32 provided in the pipetting device 10, more precisely in the pipetting receiving space 28 of the pipetting tip 26, is displaced along the channel axis K away from the pipetting opening 30 into the pipetting device 10, more precisely into the pipetting tip 26.
  • the dosing liquid 32 provided is limited to the pipetting piston 14 through a meniscus 32a which lies further away from the pipetting opening 30 and is bounded toward the pipetting opening 30 by a meniscus 32b nearer the opening of the pipetting opening.
  • a gas volume 35 is formed between the pipetting opening 30 and the meniscus 32b near the pipetting opening.
  • the gas volume 35 is preferably 4 to 10 ⁇ , particularly preferably 4 to 6 ⁇ immediately before triggering the pulse-like dispensing overpressure pulse.
  • the meniscus 32b present after aspiration with undefined shape, in particular undefined curvature, receives a more defined shape.
  • the shape of the pipetting-open-close meniscus 32b is not completely defined after the generation of the gas volume 35 according to FIG. 2a, its shape varies only to a slight extent by a conventionally expected shape.
  • the shape of the pipetting-closer meniscus 32b depends, for example, on the surface tension of the dosing liquid 32, on its density, on its viscosity and on the wettability of the wall of the pipetting tip 26.
  • the control device 24 can move the spools 22 to move the pipetting piston 14 in FIG To drive sense of an increase in pressure in the working gas 34, ie the pipetting piston 14 in the direction of Pipettiero réelle 30 towards shift.
  • the dosing liquid 32 provided in the pipetting tip 26 is displaced back toward the pipetting opening 30, but not beyond.
  • the gas volume 35 between Pipettiero réelle 30 and pipettierö réelles- closer meniscus 32b is thereby less or even disappears completely.
  • This change in the working gas pressure is not pulse-like, but according to conventional, quasi-synchronous operation.
  • the controller 24 may again drive the spools 22 to move the pipetting piston 14 to reduce the pressure of the working gas 34, ie, move away from the pipetting orifice 30 in an aspiration sense, again causing a gas volume 35 between the pipetting orifice 30 and the meniscus 32b closer to the pipetting orifice Dosing liquid 32 is formed or / and increased. This also happens in conventional quasi-synchronous pipetting operation. As a result of the reciprocating movement of the dosing liquid 32 in the pipette tip 26, as shown in FIGS.
  • an identically shaped meniscus 32 b is formed for one and the same dosing liquid 32 at the end of the generation of the second negative pressure according to FIG. which is advantageous for the subsequent pulse-like dispensing operation, as illustrated and described in FIGS. 3a to 3c.
  • the advantage lies in the reduction of the minimum dispensable amount of liquid and the achievable repeatability of the same when aliquoting.
  • FIG. 3a shows the pipetting device 10 of FIG. 2c on a separate sheet of figures in order to be better able to compare the comparison of the different states of the pipetting device 10 immediately before and during the generation of a pressure pulse.
  • Central point of the inventive idea of the present application is a whip-like movement of the piston 14. This whip-like movement is expressed in several forms. Due to the provided preferred linear motor 20, the piston 14 can be moved with enormous dynamics of movement along the channel axis K. To dispense a small amount of liquid, about 500 nl of the dosing liquid 32, the piston 14 is first accelerated and moved rapidly in the sense of generating a pressure increase in the working gas 34 (here: dispensing direction) to the dosing 30.
  • the working gas 34 here: dispensing direction
  • the control device 24 controls the coils 22 of the linear motor 20 in accordance with a detection result of the pressure sensor 38 such that the piston 14 generates a pressure pulse in the working gas 34, which follows a predetermined in a data memory of the control device 24 working gas target pressure pulse course.
  • the piston 14 carries out a stroke P of such a size that the metering-side end face 14a of the piston 14 sweeps along the stroke P by a multiple, say 40 times, of the predetermined single metering volume 36 (see FIG. 3c).
  • the piston is then in the position shown in FIG. 3b at the bottom dead center of its movement in the dispensing direction, whereupon the piston 14 is driven to an opposite movement in the aspiration direction, ie in the sense of a reduction of the pressure of the working gas 34 (see arrow G) ,
  • the movement of the piston 14 is controlled in accordance with a detection result of the pressure sensor 38 such that the pressure caused by the piston movement of the working gas 34 follows a predetermined in a data memory of the control device 24 working gas target pressure pulse course.
  • the initial impulse or whip-like movement of the piston 14 in the dispensing direction lasts less than 10 ms in the present example.
  • the pipette-open-close meniscus 32b is shown in a drop-preparatory form.
  • the shape of the meniscus 32b is chosen for purposes of illustration only. clearly indicate that delivery of a dosing liquid drop 36 (see Fig. 3c) is imminent.
  • the pipetting-opening-remote meniscus 32a is shown concavely curved in order to illustrate the effect of the overpressure pulse on the dosing liquid 32.
  • the piston is moved in the dispensing direction approximately at a maximum speed of approximately 10,000 ⁇ / s and accelerated and decelerated with an acceleration of up to 8 ⁇ 10 6 ⁇ / s 2 .
  • the maximum speed only occurs for a short time. This means that the piston in the said case in which its dosing-side end face 14a in the course of the dispensing movement sweeps over a volume of about 40 times the single dosing volume 36, ie about 20 ⁇ , for this dispensing movement about 6 to 8 ms needed.
  • the metering liquid 32 is too slow here to follow this piston movement. Instead, the piston 14 transmits a pressure pulse across the working gas 34 to the metering liquid 32 in the pipette tip 26.
  • the piston 14 is accelerated as soon as possible back into the aspiration, wherein the movement stroke G in aspiration in the present case is so far less than the stroke P of the movement in the dispensing, that the end-side piston surface 14a in the course of movement Aspiration in the direction of aspiration overflows, which is lower by the single metering volume 36 than the swept dispensing volume.
  • the aspiration volume can also be just as large as the dispensing volume.
  • an aspiration volume reduced by the single dosing volume has the advantage that the position of the pipetting-closer meniscus does not change after pipetting, which is advantageous, above all, in the aliquoting mode.
  • the dosage-side end surface 14a is a resultant stroke H away from the initial position of FIG. 3a, in the illustrated example the piston area of the piston 14 multiplied by the resulting stroke H. the single metering volume 36 corresponds.
  • the movement in the direction of aspiration in the context of the pulse-like dispensation runs at the said maximum speed, so that this movement also takes about 6 to 8 ms.
  • the pipetting tip 26 may have a nominal pipetting volume substantially exceeding the single metering volume, approximately 200-400 ⁇ , preferably 300 ⁇ .
  • the movement of the piston 14 in the direction of aspiration in turn proceeds so fast that a pressure reduction pulse is transmitted from the dosing-side end face 14a to the dosing liquid 32 in the pipetting chamber 28.
  • the pressure increase pulse of the piston movement in the dispensing direction forms the steep rising edge of a pressure pulse whose steep falling edge of the pressure reduction pulse of the piston movement forms in the direction of aspiration.
  • the faster the individual piston movement takes place the steeper the flank of the pressure change pulse associated with it.
  • the two pressure change pulses acting in opposite senses can thus define a "hard” pressure pulse with steep flanks. The impact of the thus formed "hard” pressure pulse leads to the extremely precise reproducible dispensing result.
  • the piston is moved by the control device 24 by applying a corresponding voltage to the coils 22 controlled such that the pressure of the working gas during the pressure pulse a predetermined working gas target pressure pulse follows , Taking into account position detection signals of the position sensor arrangement 39, the pipetting piston 14 can be brought into a defined end position at the end of the dispensing process.
  • the dispensing process presented here is independent of the size of the selected pipette tip 26.
  • the same piston movement described above would lead to exactly the same result even with a significantly smaller pipetting tip of about a nominal pipetting volume of 50 ⁇ , provided the same working gas and same dosing liquid will continue to be used with unchanged dispensing parameters.
  • the present pipetting device according to the invention and the presented pulse-like dispensing method are eminently suitable for aliquoting liquids from even large amounts of dosing liquid 32 received in pipette tips 26. Even over many aliquoting cycles, the dispensing behavior of the pipetting device 10 changes under otherwise identical conditions Not.
  • the dispensing behavior of the pipetting device 10 according to the invention is thus independent of the degree of filling of a coupled to the cylinder 12 pipetting tip 26, as long as it is sufficiently filled for a pulse-like dispensing.
  • the piston movement may not be perfectly accurate due to the inertia of the motion-based control signal.
  • the decisive factors are the control signals that form the basis of the movement, which are the image of a desired movement.
  • FIG. 4 is a roughly schematic and merely exemplified a time course 42 of the movement of the piston 14 (dashed line) shown schematically, as they could be present in a Dispensationsvorgang of Figures 3a to 3c.
  • the current piston position at the beginning of the dispensing process ie the piston position shown in FIG. 3a, is selected as the zero point line in FIG.
  • the abscissa of the representation of Figure 4 shows the time in milliseconds, with a screening of 10 ms is selected.
  • the ordinate shows the volume in microliters, and with respect to the time-of-place curve 42 of the piston 14, the volume of the ordinate axis indicates the volume swept by the metering-side end surface 14a of the piston 14.
  • the locations of the so-called "halfway distance" of the piston 14 between its start position at 0 ⁇ and its reversal point of the direction of movement at about -22.5 ⁇ are designated.
  • the halfway distance is therefore approximately at -1 1, 25 ⁇ .
  • the time integral of the time-place curve of the piston 14 - represented approximately by the time-place curve of the dosing-side piston surface 14a as a reference point of the piston 14 - between the passage through the location of the half-distance in the dispensing movement and the re-passage through this location during its movement in aspiration direction is a measure of the actually metered with the piston movement impulsively single-dosing volume 36.
  • a surface formed by this integral is hatched as area 50 in FIG.
  • the relationship between the surface area of the surface 50 and the actually pipetted individual dosing volume 36 can be determined empirically for different liquid classes and stored in a data memory of the pipetting device 10.
  • FIG. 5 shows a roughly schematic representation of a control structure 52, as may be used in the control device 24.
  • the control structure 52 is a cascaded control structure having an outermost control circuit 54, a middle control circuit 56, and an innermost control circuit 58.
  • a working gas desired pressure pulse course 60 is stored which stores desired values of the pressure in the working gas as a function of time for a pulse-like dispensing process for dispensing a predetermined volume of liquid.
  • a plurality of desired working gas pressure pulse waveforms may be stored in the data memory of the controller 24, multi-dimensionally ordered for different classes of fluids and within different fluid classes for different metered fluid volumes.
  • control device 24 selects the dosing fluid level indicated also by manual data entry or automated data transfer. Sized liquid amount of true idealized working gas target pressure pulse path 60 and supplies it to an outermost comparator 62.
  • the extreme comparator 62 is also supplied with a detection signal from the pressure sensor 38, so that the comparator 62 determines the difference between the working gas target pressure value valid for the detection time and the actual working gas pressure detected by the pressure sensor 38 and outputs it to a first controller 64 can.
  • the first controller 64 is advantageously a PID controller, which transmits the determined pressure difference for each detection time point into a desired value for the position of the pipetting piston 14 due to the transfer functions stored in it. This position setpoint of the first controller 64 of the outermost control circuit 54 is supplied to a second comparison 66.
  • the second comparator 66 is likewise supplied with the detection result of the position sensor arrangement 39 and thus with the actual position of the pipetting piston 14.
  • the second comparator 66 thus outputs a pipetting piston position difference value, which is a measure of the difference between the calculated pipetting piston setpoint position and the detected pipetting piston actual position for each detection instant.
  • an idealized pipetting piston desired position profile 68 is stored in the data memory of the control device 24, which results from the empirically determined working gas desired pressure pulse course 60.
  • the idealized value of the pipetting piston position according to the idealized profile 68, which is valid for the respective detection time, is likewise supplied to the second comparator 66 by means of the pilot control known per se.
  • a value representing the difference between the pipetting piston setpoint position and the pipetting piston actual position is supplied by the second comparator 66 to the second or middle controller 70, which advantageously again takes the form of a PID controller is. Its transfer function determines from the difference value representing the difference between the setpoint and actual positions of the pipetting piston 14 a desired value for the current flowing in the coils 22 of the movement drive 20 at the time of detection. This current setpoint is fed to a third comparator 72. The third comparator 72 is also supplied with the actual current value at the time of detection, which is readily determinable at the coils 22 in a manner known per se.
  • the third comparator 72 thus determines a value representing the difference between the current setpoint and the current actual value at the time of detection and supplies this to the third or innermost regulator 74.
  • the third or innermost controller 74 has a PI control behavior.
  • an idealized coil nominal current value profile 76 is stored, which results from the idealized working gas desired pressure pulse course 60 or / and the idealized pipetting piston desired position profile 68.
  • the idealized coil set current value valid for the respective detection time is supplied to the third comparator 72 by way of a known pilot control from the idealized desired coil current value profile 76 in order to obtain the fastest possible control of the movement of the pipetting piston 14 in that the pressure profile generated in the working gas 34 by the movement of the pipetting piston 14 coincides as exactly as possible with the desired working gas pressure pulse course 60 selected for the respective pipetting operation.
  • the transfer function of the third or innermost regulator 74 determines, from the input value representing the difference between the current reference value and the actual current value at the time of acquisition, a coil desired voltage value at the detection time point which is applied to the coils 22 ,
  • the control loop structure 52 may be separate for each phase of the coils 22.
  • the coil voltage in the data memory of the control device 24 is also subject to an idealized desired coil voltage curve 78, which is derived from the idealized desired working pressure pulse course 60 or / and the idealized Pipettierkolben target position profile 68 and / or the idealized coil nominal current value curve results.
  • a fourth comparator 80 is shown to indicate the feedforward control of the coil voltage by means of the idealized coil desired voltage waveform.
  • the pipetting piston 14 can be moved so accurately by applying a detected working gas pressure, the detected pipetting piston position and the detected coil current in the range of a few milliseconds that the pressure curve in the working gas substantially follows a predetermined pressure pulse course ,
  • FIGS. 6 to 8 working gas setpoint pressure pulse profiles and working gas actual pressure pulse curves are plotted for different dosing liquid quantities 36 to be dispensed in a pulse-like manner.
  • the abscissa of the graphs of FIGS. 6 to 18 shows the time in seconds, wherein in each of FIGS. 6 to 8 a period of 5 to 10th of a second is shown.
  • the ordinate of the graphs of Figs. 6 to 8 indicates a pressure difference from a reference pressure in Pascal.
  • the reference pressure is the pressure which prevails when the pipetting piston is stationary in the pipetting channel, with no fluid passing through the pipetting opening at the reference pressure.
  • FIGS. 6 to 8 the desired working gas pressure pulse course is plotted in dashed lines and designated by the reference symbols 61 (FIG. 6), 63 (FIG. 7) and 65 (FIG. 8).
  • the working gas-actual pressure pulse course is recorded by a solid line and denoted by reference symbols 71 (FIG. 6), 73 (FIG. 7) and 75 (FIG. 8).
  • FIG. 6 shows the pressure pulse courses 61 and 71 for a dosing liquid volume of 500 nl to be dispensed in a pulse-like manner.
  • the pressure of the working gas 34 begins to increase until it reaches its maximum value at about 9 ms and drops due to a reversal of the motion of the pipetting piston, which is then moved in the aspiration direction.
  • the pressure of the working gas 34 reaches its original value approximately between 12 and 13 ms, but continues to fall until it reaches its maximum setpoint negative pressure in the range between 13 and 14 ms. From then on, the pipetting piston is again moved in the dispensing direction in order to return the working gas pressure to its original value until the time of approximately 20 ms.
  • the target pressure pulse thus lasts from about 5 ms to the time 20 ms and thus extends over 15 ms.
  • the pressure of the working gas 34 follows the working gas desired pressure pulse course very well.
  • the actual pressure of the working gas 34 oscillates a little by the desired working gas pressure.
  • the separation of the dosing liquid droplet takes place in the falling pressure flank between the maximum overpressure and the maximum negative pressure. This also applies to the dispensations of FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 7 essentially shows the desired working gas pressure pulse course 63 and the working gas actual pressure pulse course 73 for a dosing liquid volume of 1 ⁇ to be dispensed in a pulse-like manner.
  • the ideal pressure pulse for this dispensing process lasts about 19 ms, namely from about 4 ms to about 23 ms.
  • the Working gas setpoint pressure pulse course for the dispensation initially a positive pressure portion, such as between the times 4 ms and 15 ms, and has a negative pressure portion, namely in the range of 15 ms to 23 ms.
  • FIG. 8 shows the working gas desired pressure pulse course 65 and the working gas actual pressure pulse course 75 for a pulse-like dispensing of a dosing liquid drop of 1.5 ⁇ .
  • the pressure of the working gas 34 begins to increase at about 4 ms, rises steeply to about 8 ms, and then flattens from about 8 ms to 21.5 ms. Subsequently, the desired working gas pressure pulse drops until approximately 27 ms, where it reaches its maximum negative pressure. From there it rises again to its reference pressure until the time of about 32.5 ms. Ideally, the entire pressure impulse for the pulse-like dispensing of 1, 5 ⁇ of the dispensed dosing liquid does not last even 30 ms.

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Abstract

The invention relates to pipetting device (10) for the pulsed pipetting of dosing liquids in small dose volumes of less than 2 μΙ, wherein the pipetting device (10) comprises: a pipetting channel (11) at least partially filled with working gas (34), a pipetting tip (26), which is accessible through a pipetting opening (30), such that the volume of dosing liquid drawn into the receiving chamber through the pipetting opening (30) can be varied by means of a change in the pressure of the working gas in the receiving chamber, a pipetting piston (14) for changing the pressure of the working gas (34) and accommodated in the pipetting channel so as to be capable of movement along the pipetting channel (11), a motion drive (20) to drive the pipetting piston (14) for movement along the pipetting channel (11), a control device (24) for controlling the motion drive (20), and a pressure sensor (38) for determining the pressure of the working gas, wherein the control device (24) is designed to control the motion drive (20) in order to generate a pressure pulse in the pipetting channel (11) with a pulse duration of no longer than 40 ms on the basis of the pressure signal output by the pressure sensor (38) in such a manner that the pressure of the working gas (34) during the pulse follows a predefined working gas target pressure pulse characteristic.

Description

Pipettiervorrichtung zur impulsartigen Pipettierung mit einer basierend auf einer Erfassung des Arbeitsgasdrucks geregelten Pipettierkolbenbewegung  A pipetting device for pulse-like pipetting with a pipetting piston movement regulated on the basis of a detection of the working gas pressure
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pipettiervorrichtung zum impulsartigen Pipet- tieren von Dosierflüssigkeiten in kleinen Dosiervolumina von weniger als 2 μΙ unter Vermittlung eines druckveränderlichen Arbeitsgases. The present invention relates to a pipetting device for pulsed pipetting of dosing liquids in small dosing volumes of less than 2 μΙ mediating a pressure-variable working gas.
Durch die Steuervorrichtung ist der Bewegungsantrieb gezielt ansteuerbar, um durch entsprechende Ansteuerung des Bewegungsantriebs den Pipettierkolben in ge- wünschter Weise zu bewegen und um dadurch wiederum den Druck des Arbeitsgases in gewünschter Weise zu verändern. By means of the control device, the movement drive can be controlled in a targeted manner in order to move the pipetting piston in the desired manner by corresponding activation of the movement drive and, in turn, to change the pressure of the working gas in the desired manner.
Eine impulsartige Dispensation im Sinne der vorliegenden Erfindung ist bekannt aus der US 2001/0016358 A1 . Dort wird jedoch kein Überdruckimpuls durch ein Arbeits- gas vermittelt, sondern es wird durch einen Piezoaktuator unmittelbar ein körperlicher Schlag auf den der Pipettieröffnung ferner liegenden Meniskus der in der Pipettiervorrichtung bereitgestellten Dosierflüssigkeit abgegeben und dadurch am entgegengesetzten Längsende der bereitgestellten Dosierflüssigkeitssäule von dem der Pipettieröffnung näher gelegenen Meniskus ein Tropfen abgeschleudert. A pulse-like dispensation in the sense of the present invention is known from US 2001/0016358 A1. There, however, no overpressure pulse is imparted by a working gas, but a physical impact is directly emitted by the piezoactuator onto the meniscus of the dosing liquid provided in the pipetting device and thereby closer to the opposite longitudinal end of the provided dosing liquid column from the pipetting opening Meniscus thrown off a drop.
Die Nachteile dieses bekannten Verfahrens liegen auf der Hand: Aufgrund des Kontakts des Piezoaktuators mit der Dosierflüssigkeit ist ein erhöhtes Kontaminationsrisiko gegeben. Eine impulsartig pipettierende Pipettiervorrichtung ist in der zum Zeitpunkt der Anmeldung der vorliegenden Erfindung unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2015 214 566.2 beschrieben. The disadvantages of this known method are obvious: Due to the contact of the piezo actuator with the dosing liquid, an increased risk of contamination is given. A pulse-pipetting pipetting device is described in German Patent Application 10 2015 214 566.2, unpublished at the time of application of the present invention.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pipettiervorrichtung anzugeben, welche in der Lage ist, sowohl möglichst hygienisch als auch in kleinen Dosiermengen möglichst hochgenau zu pipettieren. Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Pipettier- vorrichtung der eingangs genannten Art, welche umfasst: It is an object of the present invention to provide a pipetting device which is able to pipette as hygienic as possible and in small doses as highly accurate as possible. This object is achieved according to the present invention by a pipetting device of the type mentioned, which comprises:
einen wenigstens teilweise mit Arbeitsgas gefüllten Pipettierkanal,  an at least partially filled with working gas pipetting channel,
- eine Pipettierspitze, welche einen wenigstens teilweise mit Arbeitsgas gefüllten Aufnahmeraum bereitstellt, der mit dem Pipettierkanal Druck kommunizierend in Verbindung steht und welcher durch eine Pipettieroffnung zugänglich ist, so dass mittels Veränderung des Drucks des Arbeitsgases im Aufnahmeraum durch die Pipettieroffnung hindurch die Menge an im Aufnahmeraum aufgenommener Dosierflüssigkeit veränderbar ist,  a pipetting tip which provides a receiving space filled at least partially with working gas, which communicates with the pipetting pressure channel and which is accessible through a Pipettieroffnung so that by changing the pressure of the working gas in the receiving space through the Pipettieroffnung through the amount of in the receiving space absorbed dosing liquid is changeable,
einen längs des Pipettierkanals beweglich im Pipettierkanal aufgenommenen Pipettierkolben zur Veränderung des Drucks des Arbeitsgases,  a pipetting piston movably received in the pipetting channel along the pipetting channel for changing the pressure of the working gas,
einen Bewegungsantrieb, um den Pipettierkolben zur Bewegung längs des Pipettierkanals anzutreiben,  a movement drive to drive the pipetting piston for movement along the pipetting channel,
- eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Bewegungsantriebs, und  - A control device for controlling the movement drive, and
einen Drucksensor zur Erfassung des Drucks des Arbeitsgases und zur Ausgabe eines Drucksignals, welches den Druck des Arbeitsgases anzeigt, an die Steuervorrichtung,  a pressure sensor for detecting the pressure of the working gas and for outputting a pressure signal indicative of the pressure of the working gas to the control device,
wobei die Steuervorrichtung dazu ausgebildet ist, den Bewegungsantrieb, zur Erzeu- gung eines - bezogen auf einen Bezugsdruck im Pipettierkanal bei welchem kein Fluid durch die Pipettieroffnung hindurchtritt - Druckimpulses im Arbeitsgas Pipettierkanal mit einer Impulsdauer von nicht mehr als 40 ms derart auf Grundlage des vom Drucksensor ausgegebenen Drucksignals anzusteuern, dass der Druck des Arbeitsgases während des Impulses einem vorgegebenen Arbeitsgas-Soll-Druckimpuls- verlauf folgt. wherein the control device is adapted to the movement drive, for generating a - with respect to a reference pressure in the pipetting at which no fluid passes through the Pipettieroffnung - pressure pulse in the working gas pipetting channel with a pulse duration of not more than 40 ms such based on that of the pressure sensor to trigger the output pressure signal that the pressure of the working gas during the pulse follows a predetermined working gas target Druckimpuls- course.
Durch die Ausbildung zum Pipettieren im sogenannten "Air-Displacement"-Verfahren, bei welchem mit dem Pipettierkolben der Druck eines zwischen Pipettierkolben und Dosierflüssigkeit vorhandenen Arbeitsgases verändert wird, um Dosierflüssigkeit durch die Pipettieroffnung hindurch zu dispensieren oder zu aspirieren, kommt es mit Ausnahme der unvermeidlichen Pipettierspitze zu keinem Kontakt zwischen einem Bauteil oder Bauteilabschnitt der Pipettiervorrichtung und der Dosierflüssigkeit. Überraschend hat es sich außerdem herausgestellt, dass die Regelung der Kolbenbewegung zur Erzeugung eines Druckimpulses im Arbeitsgas nach Maßgabe des Arbeitsgasdrucks selbst für sehr kurze Druckimpulse von weniger als 40 ms möglich ist. Durch die auf dem Druck im Arbeitsgas basierende Regelung der Kolbenbewe- gung durch die Steuervorrichtung können Leckageeffekte im Pipettierkanal kompensiert werden, welche selbst in der kurzen Zeitdauer des Druckimpulses auftreten können. Damit ist ein hochgenaues Pipettieren selbst kleinster Dosierflüssig keits- mengen im Sub-Mikroliter-Bereich möglich. Einen wesentlichen Beitrag zur Arbeitsgasdruck-basierten Regelung der Kolbenbewegung geht auf die Entwicklung schnell arbeitender hochauflösender Drucksensoren zurück. Ein zum Anmeldezeitpunkt verfügbarer Drucksensor, der ausreichend leistungsfähig ist, ist der Drucksensor "TBPDANS001 PGUCV" der Fa. Honeywell. Due to the design for pipetting in the so-called "Air Displacement" method, in which the pressure of a pipetting piston and dosing liquid existing working gas is changed to dispensing dosing liquid through the Pipettieroffnung or aspirate, it comes with the exception of the inevitable Pipette tip to no contact between a component or component portion of the pipetting device and the dosing liquid. Surprisingly, it has also been found that the control of the piston movement for generating a pressure pulse in the working gas in accordance with the working gas pressure is possible even for very short pressure pulses of less than 40 ms. By regulating the piston movement by the control device based on the pressure in the working gas, it is possible to compensate for leakage effects in the pipetting channel which can occur even in the short duration of the pressure pulse. This enables highly accurate pipetting of even the smallest dosing liquid quantities in the sub-microliter range. A significant contribution to the working gas pressure-based control of the piston movement goes back to the development of high-speed, high-speed pressure sensors. A pressure sensor available at the time of registration, which is sufficiently powerful, is the pressure sensor "TBPDANS001 PGUCV" from Honeywell.
Dabei ist in der vorliegenden Anmeldung mit einem "Druckimpuls" bzw. einer "impulsartigen" Pipettierung ein eine Dosierflüssigkeitsaufnahme (Aspiration) in die Pipettierspitze oder eine Dosierflüssigkeitsabgabe (Dispensation) aus dieser bewirkender Druckimpuls im Arbeitsgas mit einer gesamten Impulsdauer von nicht mehr als 40 ms bezeichnet. Die Dauer des Druckimpulses ist dabei die Zeitspanne zwischen dem Verlassen eines Bezugsdrucks, bei welchem in der Pipettierspitze etwaig vorhandene Dosierflüssigkeit im Wesentlichen bewegungslos gehalten wird und bei welchem kein Fluid, also weder Gas noch Flüssigkeit, durch die Pipettieröffnung hindurchströmt, und der erneuten dauerhaften Rückkehr zu diesem. Here, in the present application with a "pressure pulse" or a "pulse-like" pipetting a Dosierflüssigkeitsaufnahme (aspiration) in the pipette tip or a Dosierflüssigkeitsabgabe (Dispensation) from this effecting pressure pulse in the working gas with a total pulse duration of not more than 40 ms , The duration of the pressure pulse is the time interval between leaving a reference pressure, wherein in the pipetting tip any existing dosing liquid is kept substantially motionless and in which no fluid, so neither gas nor liquid, flows through the pipetting, and the renewed permanent return to this.
Um ein kleines Dosiervolumen an Dosierflüssigkeit in einem einzigen zusammenhängenden Tropfen definiert zu pipettieren, insbesondere beim Dispensieren abzulösen, kann der Druckimpuls bevorzugt einen Überdruckanteil und einen Unterdruckanteil umfassen. Bei dem in der Praxis wesentlich bedeutenderen impulsartigen Dis- pensieren geht der Überdruckanteil dem Unterdruckanteil im Druckimpuls zeitlich voraus. Da in der Realität aufgrund der druckbasierten Regelung der Kolben beweg ung Druckschwingungen im Arbeitsgas zu erwarten sind, ist im Zweifelsfall zur Bestimmung der Druckimpulsdauer der Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf heranzuziehen. Dieser ist nämlich von regelungsbedingten und von der Güte der Regelung abhängi- gen Über- und Unterschwingern des Arbeitsgasdrucks frei. In order to pipette a small dosing volume of dosing liquid in a single contiguous droplet in a defined manner, in particular to detach it during dispensing, the pressure pulse may preferably comprise an overpressure portion and a negative pressure portion. In the pulse-like dispensing system, which is significantly more important in practice, the overpressure component precedes the negative pressure component in the pressure pulse in time. Since in reality due to the pressure-based control of the piston moving pressure oscillations are to be expected in the working gas, the working gas target pressure pulse course is to use in case of doubt for determining the pressure pulse duration. The latter is exempt from over- and under-swinging of the working gas pressure due to regulation and the quality of the regulation.
Sowohl der Überdruckanteil als auch der Unterdruckanteil liegen innerhalb des angegebenen Zeitfensters von maximal 40 ms. Mit "impulsartiger" Dispensation ist eine vom herkömmlichen bekannten Pipettierbe- trieb abweichende Dispensation bezeichnet. Bei der impulsartigen Dispensation wird durch den Überdruckimpuls des Arbeitsgases ein Druckschlag vom Arbeitsgas auf die von einer Dosieröffnung abgewandte Seite der in einer Pipettiervorrichtung aufgenommenen Dosierflüssigkeitsmenge ausgeübt. Dieser Druckschlag pflanzt sich durch die inkompressible Dosierflüssigkeitsmenge bis zu einem der Pipettieröffnung näher gelegenen Meniskus der aufgenommenen Dosierflüssigkeitsmenge fort und führt dort zum Abschleudern eines Dosierflüssigkeitstropfens. Das Abschleudern des Dosierflüssig keitstropfens kann durch eine peitschenartige Kolbenbewegung, bei welcher einer stark beschleunigten Kolbenbewegung in Dispensationsrichtung eine wiederum stark beschleunigte Kolben beweg ung in Aspirationsrichtung zeitlich unmittelbar folgt, definiert ausgelöst werden. Der so entstehende Unterdruckanteil im Druckimpulsverlauf des Arbeitsgases ist dabei betragsmäßig kleiner und zeitlich nicht länger, bevorzugt sogar kürzer als der vorausgehende Überdruckanteil. Auf diese Art und Weise lassen sich sehr kleine Flüssigkeitsmengen von weniger als 2 μΙ bzw. bevorzugt von weniger als 600 nl mit hoher Wiederholgenauigkeit dosieren und sogar aliquotieren, also wiederholt aus einer volumenmäßig größeren im Aufnahmeraum der Pipettierspitze aufgenommenen Dosierflüssigkeitsmenge dispensieren, ohne zwischen einzelnen Dispensationsvorgängen Dosierflüssigkeit zu aspirie- ren. Both the overpressure component and the negative pressure component are within the specified time window of a maximum of 40 ms. "Pulse-like" dispensing refers to a dispensing deviating from the conventional pipetting operation. In the pulse-like dispensation, a pressure shock from the working gas is exerted on the side facing away from a metering orifice of the dosing liquid quantity received in a pipetting device by the overpressure pulse of the working gas. This pressure blow propagates through the incompressible Dosierflüssigkeitsmenge to one of the pipetting more near meniscus of the recorded Dosierflüssigkeitsmenge and there leads to the centrifuging of a Dosierflüssigkeitstropfens. The centrifuging of the Dosierflüssig keitstropfens can by a whip-like piston movement, in which a strongly accelerated piston movement in the dispensing a once again strongly accelerated piston movement in the direction of aspiration following immediately in time, defined triggered. The resulting negative pressure component in the pressure pulse course of the working gas is smaller in magnitude and no longer in time, preferably even shorter than the previous excess pressure component. In this way, very small amounts of liquid of less than 2 μΙ or preferably less than 600 nl can be metered with high repeat accuracy and even aliquoted, so dispensed repeatedly from a larger volume in the receiving space of the pipetting tip Dosierflüssigkeitsmenge, without dispensing between individual dispensing liquid to aspirate.
Im Gegensatz zur impulsartigen Dispensation wird bei herkömmlichem Dispensieren die mit der Pipettiervorrichtung aufgenommene Dosierflüssigkeit durch Erhöhung des Drucks im Arbeitsgas ausgeschoben, bis sich entweder ein Tropfen von der Pipettier- öffnung schwerkraftgetrieben ablöst oder es wird durch die Pipettieröffnung hindurch Dosierflüssigkeit auf ein von der Dosierflüssigkeit benetztes Substrat oder in eine bereits vorhandene Flüssigkeit dosiert, von welchem bzw. von welcher die Pipettier- Öffnung nach Abgabe der vorbestimmten Dosiermenge abgehoben wird. Beim herkömmlichen quasi-synchronen Dispensieren bewegt sich üblicherweise Dosierflüssigkeit nur solange in Dispensationsrichtung durch die Pipettieröffnung, solange auch der Pipettierkolben in einem Dispensationssinn (den Druck im Arbeitsgas erhöhend) bewegt wird. In contrast to pulse-like dispensing, in conventional dispensing, the dosing liquid taken in by the pipetting device is increased by increasing the flow rate Pushed out in the working gas until either a drop from the pipetting orifice dissolves gravity driven or it is metered through the pipetting dosing liquid to a wetted by the dosing liquid substrate or in an existing liquid from which or from which the pipetting opening is lifted after delivery of the predetermined dosage. In conventional quasi-synchronous dispensing usually dosing liquid moves only so long in the dispensing direction through the pipetting, as long as the pipetting in a dispensation sense (increasing the pressure in the working gas) is moved.
Während also beim herkömmlichen Dispensieren die Druckänderung im Arbeitsgas, und somit die Bewegung eines Pipettierkolbens, synchron oder quasi-synchron mit der Abgabe von Dosierflüssigkeit durch eine Pipettieröffnung der Pipettiervorrichtung erfolgt, ist die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende impulsartige Dispen- sation diesbezüglich asynchron, d. h. auf eine impulsartige, schlagartige Erzeugung eines Überdruckimpulses im Arbeitsgas wird der Tropfen der Dosierflüssigkeit in der Regel erst von der aufgenommenen Dosierflüssigkeitsmenge abgeschleudert, während der Überdruckimpuls wenigstens im Abklingen begriffen ist oder sogar abgeklungen ist. Die Abgabe des Dosierflüssigkeitstropfens erfolgt somit nicht synchron mit einer Bewegung des Pipettierkolbens. Der Dosierflüssigkeitstropfen bewegt sich beim impulsartigen Dispensieren in Dispensationsrichtung, während sich der Pipettierkolben im Sinne einer Aspiration (den Druck im Arbeitsgas verringernd) bewegt oder bereits wieder stillsteht. Bei der impulsartigen Dispensation werden die zu dosierenden Flüssigkeitsmengen als Tropfen in der Regel mit einer Beschleunigung von der in der Pipettiervorrichtung aufgenommenen Dosierflüssigkeitsmenge abgegeben, die bei Dispensation in Wirkungsrichtung der Schwerkraft zur Erdbeschleunigung hinzutritt. Dies bedeutet: die bei impulsartiger Dispensation durch die Pipettiervorrichtung von der aufgenomme- nen Dosierflüssigkeitsmenge abgelösten Dosierflüssigkeitstropfen bewegen sich bei Dispensation in Schwerkraftwirkungsrichtung schneller als lediglich im freien Fall von der Pipettiervorrichtung weg. Große Mengen an Dosierflüssigkeit, also Mengen von mehr als 2 μΙ, werden in der Regel in einem synchronen Betriebsmodus der Pipettiervorrichtung pipettiert, in welchem die Dosierflüssigkeit in der Pipettierspitze, genauer ihr zum Kolben hinweisender Meniskus, der Bewegung der dosierseitigen Endfläche des Kolbens synchron folgt. Dies bedeutet, dass sich der Meniskus dann, wenn der Kolben in einer Dispen- sationsrichtung als einer Pipettierrichtung bewegt wird, gemeinsam mit der dosierseitigen Endfläche des Kolbens in Dispensationsrichtung bewegt, und sich dann, wenn der Kolben in einer Aspirationsrichtung als einer Pipettierrichtung bewegt wird, gemeinsam mit der dosierseitigen Endfläche des Kolbens in Aspirationsrichtung bewegt. Es kann zu einem geringfügigen zeitlichen Versatz zwischen der Bewegung der dosierseitigen Endfläche des Kolbens und dem Meniskus der Dosierflüssigkeit kommen, da das zwischen dem Kolben und der Dosierflüssigkeit vorhandene Arbeitsgas zunächst zur Überwindung von Reibungs-, Kapillar-, Adhäsions-, Kohä- sions- oder/und Oberflächeneffekten erst durch die Kolben beweg ung auf ein Druck- niveau gebracht werden muss, auf welchem der gewünschte Pipettiervorgang ablaufen kann. Dies ist beim Aspirieren ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck, sodass Dosierflüssigkeit getrieben durch den Differenzdruck zwischen dem Druck des Arbeitsgases und dem Umgebungsdruck von einem Dosierflüssigkeitsvorrat, in welchen die Pipettieroffnung der Pipettierspitze eingetaucht ist, in die Pipettierspitze einströmt. Dies ist beim Dispensieren ein Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck, sodass in der Pipettierspitze aufgenommene Dosierflüssigkeit getrieben vom Differenzdruck zwischen dem Druck des Arbeitsgases und dem Umgebungsdruck durch die Pipettieroffnung der Pipettierspitze austritt. Das kompressible Arbeitsgas wirkt somit wie eine Gasfeder. Aufgrund des geringen, aber vorhandenen zeitlichen Versatzes zwischen der Kolben beweg ung und der Bewegung des Meniskus der Dosierflüssigkeit in der Pipettierspitze wird das herkömmliche Pipettieren von Dosierflüssigkeit nachfolgend als quasi-synchroner Betriebsmodus bezeichnet. Thus, while in conventional dispensing, the pressure change in the working gas, and thus the movement of a pipetting, synchronously or quasi-synchronously with the dispensing of dosing liquid through a pipetting of the pipetting, the pulse-like dispensing on which the present invention is based is asynchronous, ie to a pulse-like, sudden generation of an overpressure pulse in the working gas, the drop of the dosing liquid is usually thrown off only from the recorded Dosierflüssigkeitsmenge, while the pressure pulse is at least subsiding or even subsided. The dispensing of Dosierflüssigkeitstropfens thus does not occur synchronously with a movement of the pipetting. The dosing liquid drops moves in the dispensing direction during pulse-like dispensing, while the pipetting piston moves in the sense of aspiration (reducing the pressure in the working gas) or already stops again. In the pulse-like dispensation, the quantities of liquid to be dispensed are usually delivered as drops, with an acceleration from the quantity of metering liquid received in the pipetting device, which is added to the gravitational force in the direction of gravity when dispensed. This means that the metering liquid droplets detached from the added metering liquid quantity during pulsed dispensing by the pipetting device move faster from the pipetting device when dispensed in the direction of gravity action than merely in free fall. Large amounts of dosing liquid, ie amounts of more than 2 μΙ, are usually pipetted in a synchronous operating mode of the pipetting device, in which the dosing liquid in the pipette tip, more precisely its meniscus pointing to the piston, follows the movement of the dosing-side end surface of the piston synchronously. That is, when the piston is moved in a dispensing direction as a pipetting direction, the meniscus moves in the dispensing direction together with the meter-side end surface of the piston, and when the piston is moved in an aspiration direction as a pipetting direction, moved together with the dosing-side end face of the piston in Aspirationsrichtung. There may be a slight time lag between the movement of the dosing-side end face of the piston and the meniscus of the dosing liquid, since the working gas present between the piston and the dosing liquid initially to overcome friction, capillary, adhesion, cohesion or / and surface effects only by the piston movement must be brought to a pressure level on which the desired pipetting process can proceed. When aspirating, this is a negative pressure relative to the ambient pressure, so that dosing liquid, driven by the differential pressure between the pressure of the working gas and the ambient pressure, flows into the pipette tip from a dosing liquid reservoir in which the pipette opening of the pipetting tip is immersed. When dispensing, this is an overpressure relative to the ambient pressure, so that dosing liquid taken up in the pipetting tip, driven by the differential pressure between the pressure of the working gas and the ambient pressure, exits through the pipetting opening of the pipetting tip. The compressible working gas thus acts like a gas spring. Due to the small but present time offset between the piston movement and the movement of the meniscus of the dosing liquid in the pipette tip, the conventional pipetting of dosing liquid is referred to below as a quasi-synchronous mode of operation.
Beim herkömmlichen Dispensieren bei quasi-synchroner Bewegung von Kolben und Dosierflüssigkeit, wird der Abriss der zu dispensierenden Dosierflüssigkeit von der Pipettierspitze unter Ausnutzung von Trägheitskräften bewirkt. Der Kolben wird eine vorbestimmte Zeit in Dispensationsrichtung bewegt und dann, wenn ein Abriss von aus der Pipettierspitze hinaus verdrängter Dosierflüssigkeit gewünscht ist, möglichst schlagartig angehalten. Die Massenträgheit der bereits verdrängten Dosierflüssigkeit, die sich aufgrund der vergangenen Kolbenbewegung noch in der Dispensations- bewegung befindet, führt dann zum Abschnüren der Dosierflüssigkeit an der Pipet- tieröffnung und schließlich zum Abriss derselben. Der Zusammenhang zwischen Kolbenbewegung und unter Vermittlung des Arbeitsgases verdrängter Dosierflüssigkeit wird üblicherweise empirisch für verschiedene Flüssigkeitsklassen ermittelt und ist in einem Datenspeicher der Pipettiervorrichtung gespeichert. Bei diesem quasisynchronen Betriebsmodus übersteigt das von der dosierseitigen Kolbenfläche während der Bewegung des Kolbens in Pipettierrichtung überstrichene Volumen (allge- mein Pipettiervolumen oder abhängig von der Bewegungsrichtung des Kolbens Aspirationsvolumen bzw. Dispensationsvolumen) das tatsächlich pipettierte Volumen der Dosierflüssigkeit in der Regel um nicht mehr als 5 %. Das Verhältnis von Pipettiervolumen zu tatsächlich pipettiertem Dosierflüssigkeitsvolumen ist folglich in der Regel nicht größer als 1 ,05. In conventional dispensing with quasi-synchronous movement of piston and dosing liquid, the demolition of the dosing liquid to be dispensed is effected by the pipetting tip by utilizing inertial forces. The piston is moved for a predetermined time in the dispensing direction and, if a demolition of out of the pipette tip out addition dosing is desired as possible stopped abruptly. The mass inertia of the already displaced metering liquid, which is still in the dispensing movement due to the past piston movement, then leads to constriction of the metering liquid at the pipeline opening and finally to its demolition. The relationship between piston movement and dosing liquid displaced by means of the working gas is usually determined empirically for different liquid classes and is stored in a data memory of the pipetting device. In this quasi-synchronous operating mode, the volume swept by the metering-side piston surface during the movement of the piston in the pipetting direction (general pipetting volume or, depending on the direction of movement of the piston, aspiration volume or dispensing volume) generally exceeds the actual pipetted volume of the dosing liquid by no more than 5 %. The ratio of pipetting volume to actually pipetted metering liquid volume is therefore usually not greater than 1.05.
Durch den trägheitsinduzierten Flüssigkeitsabriss an der Pipettieröffnung bleibt mitunter Dosierflüssigkeit unerwünschterweise außen an der Pipettierspitze im Bereich der Pipettieröffnung haften. Um zu vermeiden, dass diese anhaftende Flüssigkeitsmenge ganz oder teilweise unkontrolliert abtropft, wird der Kolben nach dem Flüssig- keitsabriss ein kleines Stück in Aspirationsrichtung bewegt, um die außen anhaftende Dosierflüssigkeit durch die Pipettieröffnung zurück in die Pipettierspitze zu saugen. Due to the inertia-induced liquid separation at the pipetting opening, dosing liquid sometimes adversely adheres to the outside of the pipetting tip in the region of the pipetting opening. In order to avoid that this adhering liquid quantity drips completely or partially uncontrolled, the piston is moved a small distance in the direction of aspiration after the liquid is torn off in order to suck the externally adhering dosing liquid back into the pipetting tip through the pipetting opening.
Diese Dispensation von Dosierflüssigkeit unter Ausnutzung von Trägheitskräften funktioniert abhängig von der jeweiligen Dosierflüssigkeit nicht mehr sicher für Einzel-Dosiervolumina von weniger als 3 bis 5 μΙ, da dann aufgrund der geringen Masse die erzielbaren Trägheitskräfte andere Krafteinflüsse, insbesondere aufgrund von Oberflächenspannung, nicht mehr ausreichend sicher überwinden können, um ein sicheres, wiederholbares Ablösen derart kleiner Dosierflüssigkeitsmengen gewähr- leisten zu können. This dispensing of dosing using inertial forces no longer works depending on the particular dosing liquid for individual dosing volumes of less than 3 to 5 μΙ, since then due to the low mass of the achievable inertial forces other forces, especially due to surface tension, no longer sufficiently safe can overcome in order to ensure a safe, repeatable detachment of such small Dosierflüssigkeitsmengen can.
Von den vorliegend beschriebenen Pipettiervorrichtungen zu unterscheiden sind die sogenannten "Dispensierer" oder "Dispenser", die in der Regel Dosierflüssigkeiten ausschließlich dispensieren, jedoch nicht aspirieren können. Dispenser erhalten die zu dispensierende Dosierflüssigkeit in der Regel über Zuführkanäle aus einem Vorrat, welcher mit einem durch den Kolben veränderlichen Dosierraum des Dispensers in Strömungsverbindung steht. To be distinguished from the pipetting devices described here are the so-called "dispensers" or "dispensers", which as a rule are dosing liquids dispensing only, but not aspirating. Dispensers receive the dispensing liquid to be dispensed usually via feed channels from a supply, which is in flow communication with a variable by the piston metering chamber of the dispenser.
Von den zuvor genannten Pipettiervorrichtungen weiter zu unterscheiden sind Pipettiervorrichtungen, bei welchen die dosierseitige Endfläche des Kolbens unmittelbar in Kontakt mit der zu pipettieren Dosierflüssigkeit steht. Es befindet sich dann zwischen dem Kolben und der Dosierflüssigkeit kein Arbeitsgas. Further distinguishable from the aforementioned pipetting devices are pipetting devices in which the dosing-side end surface of the piston is in direct contact with the dosing liquid to be pipetted. There is then no working gas between the piston and the dosing liquid.
Wegen der unmittelbaren Bewegungskopplung von Kolben und Dosierflüssigkeit in derartigen arbeitsgasfreien Pipettiervorrichtungen bezeichnet man deren Pipettierart in der Fachwelt mit dem englischen Begriff "Positive Displacement". Das Weglassen von kompressiblem im Arbeitsgas erhöht zwar die theoretisch erzielbare Pipettier- genauigkeit, führt jedoch in der Praxis zu Schwierigkeiten an anderer Stelle. Zum einen lässt sich ein Gaseinschluss im Pipettiervolumen beim Aspirieren nicht vollkommen sicher ausschließen, sodass auch beim Positive-Displacement-Pipettieren Gas- bzw. Luftblasen in der aspirierten Dosierflüssigkeit auftreten können, was sich nachteilig auf die erreichbare Pipettiergenauigkeit auswirkt. Zum anderen ist die beim Positive-Displacement-Pipettieren erzielbare Pipettiergenauigkeit dann, wenn die Dosierflüssigkeit zur Schaumbildung neigt, äußerst gering. Außerdem muss wegen der Benetzung des Pipettierkolbens durch die Dosierflüssigkeit dann, wenn die zu pipettierende Dosierflüssigkeit gewechselt werden soll, nicht nur eine Pipettierspitze, sondern mit dieser auch der Pipettierkolben gewechselt werden, was einen erheb- liehen Montageaufwand und daraus folgend erhebliche Kosten bedeutet. Because of the direct coupling of movement of piston and dosing liquid in such working gas-free pipetting called their type of pipetting in the art with the English term "positive displacement". Although the omission of compressible in the working gas increases the theoretically achievable pipetting accuracy, in practice it leads to difficulties elsewhere. On the one hand, gas inclusion in the pipetting volume during aspiration can not be excluded completely reliably, so that gas or air bubbles can also occur in the aspirated dosing liquid during positive displacement pipetting, which adversely affects the achievable pipetting accuracy. On the other hand, the pipetting accuracy achievable in positive displacement pipetting is extremely low if the dosing liquid tends to foam. In addition, because of the wetting of the pipetting by the dosing liquid then when the dosing liquid to be pipetted is to be changed, not only a pipette tip, but with this also the pipetting are changed, which means a considerable borrowing assembly costs and consequently significant costs.
Im Gegensatz dazu wird die Pipettierart von gattungsgemäßen Pipettiervorrichtungen mit einem Arbeitsgas zwischen dem Kolben und der Dosierflüssigkeit in der Fachwelt als "Air Displacement" bezeichnet, wenngleich das Arbeitsgas nicht notwendiger- weise Luft sein muss, sondern auch ein Inertgas oder ein quasi-inertes Gas, wie etwa Stickstoff, sein kann. Bei dieser Pipettierart ist der Pipettierkolben von der Dosierflüssigkeit durch eine Gas-, insbesondere durch eine Luftsäule dauerhaft und vollständig getrennt. Zu unterscheiden ist die vorliegende erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung auch von solchen, die eine Säule einer Systemflüssigkeit als Kolben verwenden. Von derartigen Systemflüssigkeiten geht ein gewisses Maß an Kontaminationsrisiko aus, da bisweilen nicht ausgeschlossen werden kann, dass Systemflüssigkeit, also ein Teil eines gleichsam flüssigen Kolbens, in die zu pipettierende Dosierflüssigkeit gelangt. Der Kolben der Pipettiervorrichtung der vorliegenden Erfindung ist wenigstens abschnittsweise, zur Vermeidung eines Kontaminationsrisikos bevorzugt vollständig als Festkörper ausgebildet. Bei nur abschnittsweiser Ausbildung als Festkörper ist we- nigstens die zur Dosierflüssigkeit hinweisende dosierseitige Endfläche des Kolbens als Festkörper ausgebildet, um eine Übertragung von Flüssigkeit zu Flüssigkeit zu verhindern. In contrast, the pipetting type of generic pipetting devices with a working gas between the piston and the dosing liquid is referred to in the art as "Air Displacement", although the working gas does not necessarily have to be air, but also an inert gas or a quasi-inert gas, such as nitrogen, can be. In this type of pipetting, the pipetting piston is permanently and completely separated from the dosing liquid by a gas column, in particular by an air column. The present pipetting device according to the invention should also be distinguished from those which use a column of a system liquid as a piston. Such system fluids pose a certain degree of contamination risk, since it can sometimes not be ruled out that system fluid, that is to say a part of a liquid piston, passes into the dosing liquid to be pipetted. The piston of the pipetting device of the present invention is at least partially, preferably completely formed as a solid to avoid a risk of contamination. In the case of only a partial formation as a solid body, at least the metering-side end face of the piston facing the metering liquid is designed as a solid body in order to prevent a transfer of liquid to liquid.
Beim impulsartigen Dispensieren von kleinen Dosierflüssigkeitsdosen können abhän- gig von der gewählten Dosierflüssigkeit, beispielsweise abhängig von deren Viskosität, Dichte oder/und Oberflächenspannung sowie weiter abhängig von den Parametern des Überdruckimpulses und gegebenenfalls des anschließenden Unterdruckimpulses unerwünschte Begleiterscheinungen auftreten. Beispielsweise kann statt lediglich eines einzigen gewünschten Dosiertropfens am abgebenden pipettieröff- nungsnäheren Meniskus eine Vernebelung von Dosierflüssigkeit bzw. eine Abgabe von Dosierflüssigkeit durch einen von unerwünschten Satellitentropfen begleiteten Dosiertropfen auftreten, was mit einer unerwünschten Verminderung der erzielbaren Dosiermengengenauigkeit verbunden ist. Als Dispensation im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird daher die spritz- und vernebelungsfreie Abgabe der Dosierflüssigkeit in einem Tropfen verstanden. In the pulse-like dispensing of small Dosierflüssigkeitsdosen depending on the selected dosing, for example, depending on their viscosity, density and / or surface tension and further depending on the parameters of the pressure pulse and possibly the subsequent negative pressure undesirable side effects occur. For example, instead of merely a single desired dosing drop at the dispensing-near meniscus dispensing the nebulization of dosing liquid or a dispensing of dosing liquid by a dosing droplets accompanied by unwanted satellite drops, which is associated with an undesirable reduction of the achievable dosing quantity accuracy. Dispensing within the meaning of the present application is therefore understood to mean the dispensing of the dosing liquid in a single drop without the need for spraying and nebulization.
Grundsätzlich kann die Pipettiervorrichtung einen fest installierten Pipettierkanal mit endseitig am Pipettierkanal ausgebildeter Pipettierspitze mit Pipettieröffnung auf- weisen. Dies ist jedoch aus hygienischen Erwägungen weniger vorteilhaft. Bevorzugt ist die Pipettiervorrichtung dazu ausgebildet, wechselbare Pipettierspitzen lösbar an den Pipettierkanal anzukoppeln. Dementsprechend ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Pipettiervorrichtung eine vom Pipettierkanal durchsetzte Kopplungsformation zur vorübergehenden An- kopplung einer Pipettierspitze aufweist. Ist eine Pipettierspitze an die Kopplungsformation angekoppelt, verlängert die Pipettierspitze den vorrichtungseigenen Pipettierkanal und ist vorübergehend, also während der Dauer ihrer Ankopplung, Teil des Pipettierkanals der Pipettiervorrichtung. Die Pipettierspitze ist vorzugsweise ein sogenanntes "disposable", also eine Einweg- bzw. Wegwerf-Pipettierspitze, welche nach einmaligem Dispensieren oder Aliquotieren entsorgt wird. In principle, the pipetting device can have a permanently installed pipetting channel with a pipetting tip with pipetting opening formed on the end of the pipetting channel. However, this is less advantageous for hygienic reasons. Preferably, the pipetting device is designed to detachably connect replaceable pipetting tips to the pipetting channel. Accordingly, it is provided according to an advantageous development of the present invention that the pipetting device has a coupling formation interspersed by the pipetting channel for the temporary coupling of a pipetting tip. If a pipette tip is coupled to the coupling formation, the pipette tip lengthens the device-specific pipetting channel and is temporarily, ie during the duration of its coupling, part of the pipetting channel of the pipetting device. The pipetting tip is preferably a so-called "disposable", ie a disposable or disposable pipetting tip, which is disposed of after a single dispensing or aliquoting.
Bevorzugt ist die Pipettiervorrichtung nicht nur zur impulsartigen Dispensation aus- gebildet, sondern auch zur herkömmlichen Aspiration, sodass die Bereitstellung von Dosierflüssigkeit in der Pipettiervorrichtung, insbesondere in einer daran aufgenommenen Pipettierspitze durch quasi-synchrone Aspiration von Dosierflüssigkeit durch die Pipettieroffnung der Pipettiervorrichtung hindurch in einen Aufnahmeraum der Pipettiervorrichtung erfolgen kann. Preferably, the pipetting device is not only designed for pulse-like dispensing, but also for conventional aspiration, so that the provision of dosing liquid in the pipetting device, in particular in a pipette tip picked up by quasi-synchronous aspiration of dosing liquid through the pipetting of the pipetting into a receiving space the pipetting device can be done.
Bevorzugt ist die Pipettiervorrichtung sowohl zur impulsartigen Dispensation im asynchronen Betrieb wie auch zur herkömmlichen Dispensation im quasi-synchronen Betrieb ausgebildet, so dass mit der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung kleine Dosierflüssigkeitsmengen von weniger als 2 μΙ, etwa bis hinab zu einigen zehn Nano- litern, ebenso wie große Flüssigkeitsmengen von mehreren hundert Mikrolitern wiederholgenau dispensierbar sind. Die Umstellung zwischen asynchronem und quasisynchronem Betrieb erfolgt sehr einfach mittels Auswahl oder/und Einstellung entsprechender Arbeitsgas-Soll-Druckprofile durch die Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung kann überdies dazu ausgebildet sein, nur im impulsartigen Pipettier- betrieb die Kolbenposition nach Maßgabe des vom Drucksensor ausgegebenen Drucksignals durch entsprechende Ansteuerung des Bewegungsantriebs zu regeln. Im herkömmlichen Pipettierbetrieb kann die Steuervorrichtung wegen der engen Korrelation von vom Kolben überstrichenem Volumen zu dispensiertem oder aspiriertem Volumen den Bewegungsantrieb allein positionsabhängig nach Maßgabe eines die Position des Pipettierkolbens anzeigenden Signals wenigstens eines Positionssensors ansteuern und so die Kolbenposition regeln. Bei ausreichend langsamer Kolbenbeschleunigung und Kolbenbewegung erfolgt die Dispensation, wie auch die Aspiration, quasi-synchron. Die durch die Steuervorrichtung am Bewegungsantrieb für eine gewünschte Kolbenbeschleunigung oder/und Kolbengeschwindigkeit einzustellenden Werte können ohne großen Aufwand für unterschiedliche Flüssigkeitsklassen durch Versuche ermittelt werden. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zur Realisierung eines quasi-synchronen Pipettierbetriebs dazu ausgebildet sein, den Kolben zur Pipettierung eines vorbestimmten Einzel-Dosiervolumens von mehr als 2 μΙ mit einer Spitzengeschwindigkeit von nicht mehr als 1000 μΙ/s zu bewegen. Bei der angegebenen maximalen Geschwindigkeit des Kolbens von nicht mehr als 1000 μΙ/s folgt die Dosierflüssigkeit - gegebenenfalls mit geringem zeitlichen Versatz - in gleichgerichteter Bewegung dem Kolben. Das vom Kolben überstrichene Pipettiervolumen entspricht im Wesentlichen dem tatsächlich pipettierten Dosierflüssigkeitsvolumen. Wiederum gelten bevorzugt die in der vorliegenden Anmeldung unten genannten Kolbengrößen, angegeben durch die Kolbenfläche. Preferably, the pipetting device is designed both for pulse-like dispensing in asynchronous operation as well as for conventional dispensing in quasi-synchronous operation, so that with the inventive pipetting small Dosierflüssigkeitsmengen of less than 2 μΙ, approximately down to several tens of nano-, as well as large Liquid quantities of several hundred microliters are dispensed repeatable. The changeover between asynchronous and quasi-synchronous operation is very simple by means of selection or / and adjustment of appropriate working gas desired pressure profiles by the control device. The control device can moreover be designed to regulate the piston position only in pulsed pipetting operation in accordance with the pressure signal output by the pressure sensor by corresponding activation of the movement drive. In conventional pipetting operation, because of the close correlation of volume swept from the piston to dispensed or aspirated volume, the control device can actuate the motion drive position-dependently in response to a signal indicative of the position of the pipetting piston of at least one position sensor, thus regulating the piston position. With sufficiently slow piston acceleration and piston movement, the dispensation, as well as the aspiration, quasi-synchronous. The by the control device on the motion drive Values to be set for a desired piston acceleration and / or piston speed can be determined by experiments with little effort for different fluid classes. For example, the control device for realizing a quasi-synchronous pipetting operation may be designed to move the piston for pipetting a predetermined single metering volume of more than 2 μΙ at a tip speed of not more than 1000 μΙ / s. At the specified maximum speed of the piston of not more than 1000 μΙ / s, the dosing liquid follows the piston in a rectilinear motion, if necessary with a slight time offset. The pipetting volume swept by the piston essentially corresponds to the actually pipetted dosing liquid volume. Again, preferably the piston sizes mentioned below in the present application, indicated by the piston area.
Mit der Möglichkeit, die erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung sowohl im synchronen bzw. quasi-synchronen wie auch im asynchronen Pipettierbetrieb zu betreiben, kann ein und dieselbe erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung dazu ausgebildet sein, ein auswählbares Einzel-Dosiervolumen in einem Dosiervolumenbereich von 100 nl bis 100 μΙ, vorzugsweise von 100 nl bis 1000 μΙ mit einer Volumenabweichung von nicht mehr als 2 % bezogen auf das vorbestimmte Einzel-Dosiervolumen als Nenn- Volumen reproduzierbar zu pipettieren. Somit ist die erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung in der Lage, als maximales Pipettiervolumen das 10000-fache des minimalen Pipettiervolumens zu pipettieren. Dabei soll selbstverständlich nicht ausge- schlössen sein, dass beispielsweise die genannte Untergrenze von 100 nl noch unterschritten werden kann. Für die genannten Pipettiervolumen-Bereiche ist die Funktionalität der Pipettiervorrichtung jedenfalls gewährleistet. With the possibility of operating the pipetting device according to the invention both in synchronous or quasi-synchronous as well as in asynchronous pipetting operation, one and the same pipetting device according to the invention can be adapted to a selectable single-dose in a Dosiervolumenbereich from 100 nl to 100 μΙ, preferably 100 nl to 1000 μΙ with a volume deviation of not more than 2% based on the predetermined single dosing volume as a nominal volume to reproducibly pipette. Thus, the pipetting device according to the invention is able to pipette 10000 times the minimum pipetting volume as the maximum pipetting volume. It should of course not be ruled out that, for example, the mentioned lower limit of 100 nl can still be reached. In any case, the functionality of the pipetting device is guaranteed for the said pipetting volume ranges.
Aus den genannten Gründen ist es vorteilhaft, wenn die Pipettiervorrichtung eine lösbare Pipettierspitze aufweist, mit einer Kopplungsgegenformation zum lösbaren Kopplungseingriff mit der Kopplungsformation und mit einer Pipettieröffnung als Durchlassöffnung für Dosierflüssigkeit während eines Aspirationsvorgangs und während eines Dispensationsvorgangs. In diesem Falle ist die Dosierflüssigkeit, gegebe- nenfalls nach einem Aspirationsvorgang, in der Pipettierspitze bereitgestellt. Der Aspirationsvorgang erfolgt nicht impulsartig, sondern als quasi-synchroner Aspirationsvorgang, d. h. die Erzeugung eines aspirierenden Unterdrucks im Arbeitsgas und ein dadurch bedingtes Einströmen von Dosierflüssigkeit durch die Pipettier- Öffnung hindurch in die Pipettiervorrichtung bzw. in die Pipettierspitze überlappen sich größtenteils zeitlich. For the reasons mentioned, it is advantageous if the pipetting device has a detachable pipetting tip, with a coupling counter-formation for releasably coupling engagement with the coupling formation and with a pipetting opening as passage for dosing liquid during an aspiration operation and during a dispensing operation. In this case, the dosing liquid is if necessary after an aspiration process, provided in the pipette tip. The aspiration process is not pulsed, but as a quasi-synchronous aspiration, ie the generation of an aspirating negative pressure in the working gas and a consequent inflow of dosing liquid through the pipetting opening into the pipetting or in the pipette tip overlap for the most part in time.
Einer der großen Vorteile der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung ebenso wie des erfindungsgemäßen Dispensationsverfahrens liegt darin, dass eine standard- mäßige Pipettierspitze verwendet werden kann mit einem Nenn-Pipettierraumvolu- men, welches wesentlich größer ist als die bei einem einzigen impulsartigen Dispen- sationsvorgang abgegebene Dosierflüssigkeitsdosis. Bevorzugt ist das Nenn-Aufnah- mevolumen bzw. Nenn-Pipettierraumvolumen der Pipettierspitze mehr als 80 mal, besonders bevorzugt mehr als 300 mal, höchst bevorzugt mehr als 500 mal so groß wie das minimal mögliche Volumen einer einzigen impulsartig dispensierten oder dispensierbaren Flüssigkeitsdosis. Dadurch können Aliquotiervorgänge mit zahlreichen aufeinanderfolgenden impulsartigen Dispensationen bei gleichzeitig sehr hoher Wiederholgenauigkeit des Dosisvolumens ohne zwischenzeitliches Aspirieren realisiert werden. One of the great advantages of the pipetting device according to the invention as well as of the dispensing method according to the invention is that a standard pipetting tip can be used with a nominal pipetting space volume which is substantially larger than the dosing liquid dose dispensed in a single pulse-like dispensing operation. The nominal volume of the pipetting tip or nominal volume of the pipetting tip is preferably more than 80 times, more preferably more than 300 times, most preferably more than 500 times the minimum possible volume of a single liquid-like dispensed or dispensed liquid dose. As a result, aliquoting operations with numerous successive pulse-like dispensations can be realized with simultaneously very high repeatability of the dose volume without intermediate aspiration.
Beispielsweise wurde in einem Versuch eine Standard-Pipettierspitze mit einem Nenn-Aufnahmevolumen von 300 μΙ an eine Pipettiervorrichtung vorübergehend angekoppelt. In diese Pipettierspitze wurden 40 μΙ einer Dosierflüssigkeit aspiriert, beispielsweise Glycerin. Zwischen dem pipettieröffnungsnäheren, abgebenden Menis- kus und der Pipettieröffnung wurde ein Gasvolumen von 4 bis 5 μΙ vorgesehen, was vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich ist. In dieser Konstellation wurde Glycerin als Dosierflüssigkeit mit einem Einzel-Dosiervolumen von 448 ml 20 mal hintereinander aliquotiert, wobei sich die einzelnen abgegebenen Dosiervolumina um nicht mehr als 2,96 % unterschieden. For example, in one experiment, a standard pipetting tip with a nominal capacity of 300 μΙ was temporarily coupled to a pipetting device. In this pipette tip 40 μΙ aspirated a dosing liquid, such as glycerol. A gas volume of 4 to 5 μΙ was provided between the pipetting-opening, discharging meniscus and the pipetting opening, which is advantageous, but not absolutely necessary. In this constellation, glycerol was aliquoted as dosing liquid with a single dosing volume of 448 ml 20 times in succession, the individual dispensed dosing volumes differing by no more than 2.96%.
Die mehrfache Abgabe von Glycerin als vergleichsweise hochviskose Flüssigkeit mit einem reproduzierbaren Dosiervolumen von weniger als 450 nl aus einem in der Pi- pettiervorrichtung bereitgestellten Reservoir von 40 μΙ ist in höchstem Maße ungewöhnlich. The multiple release of glycerine as a comparatively high-viscosity liquid with a reproducible dosing volume of less than 450 nl from one in the Pi- The 40 μΙ reservoir provided by the petting device is highly unusual.
Konstruktiv ist die Erzielung impulsartiger Druckänderungen im Arbeitsgas dadurch in einfacher und hochgenauer Weise möglich, dass der Pipettierkolben ein magnetischer Kolben mit wenigstens einem Permanentmagneten ist und dass der Bewegungsantrieb elektrisch bestrombare Spulen aufweist. Die Steuervorrichtung kann dann dazu ausgebildet sein, die Versorgung der Spulen mit elektrischer Energie zu steuern. Der magnetische Kolben ist bevorzugt ein Festkörperkolben mit bevorzugt einer Mehrzahl von Festkörper-Permanentmagneten, welche bevorzugt an ihrem Längsende gegenüber dem den Kolben beweglich aufnehmenden Pipettierkanal ausreichend abgedichtet sind, beispielsweise durch entsprechende Kappen. Die Bereitstellung eines durch ein elektromagnetisches Feld in der Art eines Linearmotors antreibbaren magnetischen Kolbens ermöglicht hochdynamische peitschenhieb- artiger Bewegungsvorgänge des Kolbens im Pipettierkanal und dadurch die Erzeugung zeitlich sehr kurzer Überdruckimpulse, welche durch ebenso zeitlich kurze Unterdruckimpulse in ihrer Wirkung schlagartig gestoppt werden können. Constructively, the achievement of pulsed pressure changes in the working gas is thereby possible in a simple and highly accurate manner, that the pipetting piston is a magnetic piston with at least one permanent magnet and that the movement drive has electrically energizable coils. The control device can then be designed to control the supply of the coils with electrical energy. The magnetic piston is preferably a solid-state piston with preferably a plurality of solid-state permanent magnets, which are preferably sufficiently sealed at its longitudinal end in relation to the pipetting channel movably receiving the piston, for example by means of corresponding caps. The provision of a magnetic piston which can be driven by an electromagnetic field in the manner of a linear motor enables highly dynamic whip-like movement processes of the piston in the pipetting channel and thereby the generation of very short overpressure pulses which can be abruptly stopped by equally short vacuum pulses.
Die oben genannte Erzeugung eines Unterdrucks umfasst dann eine Verlagerung des magnetischen Kolbens in eine erste Richtung, in der Regel in eine Richtung weg von der Pipettieröffnung. The above-mentioned generation of a negative pressure then comprises a displacement of the magnetic piston in a first direction, typically in a direction away from the pipetting opening.
Ebenso umfasst die Erzeugung des Überdruckanteils im Druckimpuls eine Verlagerung des Kolbens in eine der ersten entgegengesetzte zweite Richtung. Likewise, the generation of the excess pressure component in the pressure pulse comprises a displacement of the piston in one of the first opposite second direction.
Bevorzugt befindet sich zwischen dem Pipettierkolben und der im Pipettierkanal bereitgestellten Dosierflüssigkeitsmenge nur das Arbeitsgas und kein weiteres Sys- temfluid oder Dosierfluid. Zur Erhöhung der erreichbaren Dosiergenauigkeit kann die Pipettiervorrichtung zusätzlich zum oben genannten Drucksensor wenigstens einen Positionssensensor aufweisen, welcher zur Erfassung der Position des Pipettierkolbens und zur Ausgabe eines die erfasste Kolbenposition anzeigenden Positionssignals an die Steuervor- richtung ausgebildet ist. Wenn der Pipettierkolben ein magnetischer Kolben ist, kann als der wenigstens eine Positionssensor bevorzugt eine Mehrzahl von Hallsensoren verwendet werden, welche längs des Pipettierkanals angeordnet sind. Es sind jedoch auch andere Positionssensoren einsetzbar. Preferably, only the working gas and no further system fluid or dosing fluid are located between the pipetting piston and the metering liquid quantity provided in the pipetting channel. To increase the achievable dosing accuracy, the pipetting device may have, in addition to the above-mentioned pressure sensor, at least one position sensor, which detects the position of the pipetting piston and outputs a position signal indicating the detected piston position to the control valve. direction is formed. When the pipetting piston is a magnetic piston, as the at least one position sensor, preferably a plurality of Hall sensors arranged along the pipetting channel may be used. However, other position sensors can also be used.
Die Steuervorrichtung kann zur hochgenauen impulsartigen Veränderung des Drucks des Arbeitsgases während eines Pipettiervorgangs die Versorgung der Spulen mit elektrischer Energie in Form einer Regelung abhängig von einem erfassten aktuellen Zustand der Versorgung der Spulen mit elektrischer Energie, abhängig von dem Po- sitionssignal des wenigstens einen Positionssensors und abhängig von dem Drucksignal des Drucksensors steuern. Durch Veränderung der Versorgung der Spulen mit elektrischer Energie zur Veränderung der Kolbenposition und damit zusammenhängend zur Veränderung des Drucks des Arbeitsgases unter Berücksichtigung wenigstens der oben genannten drei Parameter kann der Druck des Arbeitsgases nicht nur genau, sondern auch schnell einem Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf folgend verändert werden. The control device can for high-precision pulse-like change in the pressure of the working gas during a pipetting process, the supply of the coils with electrical energy in the form of a control depending on a detected current state of supply of the coils with electrical energy, depending on the pos sitionssignal the at least one position sensor and depending on the pressure signal of the pressure sensor control. By changing the supply of the coils with electrical energy for changing the piston position and, consequently, changing the pressure of the working gas taking into account at least the above three parameters, the pressure of the working gas can not only accurately but also rapidly change following a working gas target pressure pulse course become.
Dabei ist die eingangs angegebene Druckimpulsdauer von 40 ms nur eine Obergrenze. Die Dauer kann auch erheblich kürzer sein als 40 ms, etwa 15 ms, 10 ms, 5 ms, oder sogar nur 1 ms - abhängig von der gewünschten zu dosierenden Menge. Zur Erzielung der gewünschten hohen Dosiergenauigkeit in der erforderlich kurzen Zeit, die für eine impulsartige Veränderung des Drucks des Arbeitsgases zur Verfügung steht, umfasst die Steuervorrichtung gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung eine kaskadierte Regelkreisstruktur mit wenig- stens drei Regelkreisen. Gemäß einem innersten Regelkreis der kaskadierten Regelkreisstruktur regelt die Steuervorrichtung eine an den Spulen angelegte elektrische Spannung nach Maßgabe eines Unterschieds zwischen einem Soll-Stromwert und einem erfassten Stromwert eines in den Spulen fließenden Stroms. Die Steuervorrichtung ist weiter dazu ausgebildet, den Soll -Strom wert des in den Spulen fließenden Stroms in einem weiter außen gelegenen Regelkreis der kaskadierten Regelkreisstruktur nach Maßgabe eines Unterschieds zwischen einem Soll- Positionswert und einem durch das Positionssignal angezeigten Ist-Positionswert des Pipettierkolbens zu ermitteln. Die Steuervorrichtung ist ferner dazu ausgebildet, den Soll-Positionswert des Pipettierkolbens in einem noch weiter außen liegenden Regelkreis der kaskadierten Regelkreisstruktur nach Maßgabe eines Unterschieds zwischen einem Soll-Druckwert und einem durch das Drucksignal angezeigten Ist- Druckwert des Drucks des Arbeitsgases zu ermitteln. The pressure pulse duration of 40 ms specified at the beginning is only an upper limit. The duration can also be significantly shorter than 40 ms, about 15 ms, 10 ms, 5 ms, or even just 1 ms - depending on the desired amount to be dosed. In order to achieve the desired high dosing accuracy in the required short time, which is available for a pulse-like change in the pressure of the working gas, the control device according to a particularly advantageous embodiment of the present invention comprises a cascaded control loop structure with at least three control loops. According to an innermost control circuit of the cascaded loop structure, the control device regulates an electric voltage applied to the coils in accordance with a difference between a target current value and a detected current value of a current flowing in the coils. The control device is further adapted to the target current value of the current flowing in the coils current in a more remote control loop of the cascaded control loop structure in accordance with a difference between a desired position value and an indicated by the position signal actual position value of the To determine pipetting. The control device is further configured to determine the nominal position value of the pipetting piston in an even more external control circuit of the cascaded control loop structure in accordance with a difference between a desired pressure value and an actual pressure value of the pressure of the working gas indicated by the pressure signal.
Durch die kaskadierte Regelung der Kolbenbewegung können überdies mehrere Störgrößen schnell und sicher kompensiert werden: der äußerste nach Maßgabe eines Unterschieds zwischen Soll- und Ist-Arbeitsgasdruck arbeitende Regelkreis kann unvorhersagbare und für unterschiedliche Pipettiervorrichtungen und Betriebsvorgänge individuell verschiedene Leckagen im Pipettierkanal und an der Pipettier- spitze ausgleichen, etwa Leckagen an einer Kolbendichtung oder/und an einer Kopplung einer lösbar angekoppelten Pipettierspitze. Der mittlere nach Maßgabe eines Unterschieds zwischen Soll- und Ist-Position des Pipettierkolbens einen Spulen-Soll-Stromwert ermittelnde Regelkreis kann unvorhersagbare und für unterschiedliche Pipettiervorrichtungen und Betriebsvorgänge individuell verschiedene Reibungseinflüsse ausgleichen, etwa Reibung zwischen Kolbendichtung und Pipettierkanalzylinder. The cascaded control of the piston movement moreover, several disturbances can be compensated quickly and safely: the utmost in accordance with a difference between the target and actual working gas pressure operating loop can unpredictable and different for different pipetting devices and operations individually different leaks in the pipetting and the pipette tip compensate, for example, leaks on a piston seal and / or on a coupling of a releasably coupled pipette tip. The mean in accordance with a difference between the target and actual position of the pipetting a coil target current value determining control loop can compensate for unpredictable and different for different pipetting devices and operations individually different frictional influences, such as friction between piston seal and Pipettierkanalzylinder.
Der innerste nach Maßgabe eines Unterschieds zwischen Soll- und Ist-Stromwert des in den Spulen fließenden Stroms einen Soll-Spannungswert ermittelnde Regelkreis kann unvorhersagbare und für unterschiedliche Pipettiervorrichtungen und Betriebsvorgänge individuell verschiedene Schwankungen von Spulenwiderständen und Spuleninduktivitäten ausgleichen. The innermost in accordance with a difference between the setpoint and actual current value of the current flowing in the coil current determining a setpoint voltage control loop can compensate for unpredictable and different for different pipetting devices and operations individually variations of coil resistances and Spuleninduktivitäten.
Zur hochgenauen und hochschnellen Veränderung des Arbeitsgasdrucks bei besonders kurzen Druckimpulsen, etwa im einstelligen Millisekundenbereich, - aber nicht nur dort - ist es weiter vorteilhaft, wenn die Steuervorrichtung einen Datenspeicher umfasst, in welchem für eine Vorsteuerung wenigstens ein idealisierter Arbeitsgas- Soll-Druckimpulsverlauf, ein den wenigstens einen idealisierten Arbeitsgas-Soll- Druckimpulsverlauf bewirkender idealisierter Pipettierkolben-Soll-Positionsverlauf und ein den idealisierten Pipettierkolben-Soll-Positionsverlauf bewirkender idealisierter Spulen-Soll-Stromverlauf gespeichert ist. For high-precision and high-speed change of the working gas pressure with particularly short pressure pulses, such as in the single-digit millisecond range, but not only there, it is also advantageous if the control device comprises a data memory, in which at least an idealized working gas desired pressure pulse course, for a pilot control the at least one idealized working gas desired pressure pulse course causing idealized Pipettkolben-desired position course and an idealized nominal coil set current profile which effects the idealized pipetting piston nominal position profile is stored.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung zur Vorsteuerung der Regelkreise in der kaska- dierten Regelkreisstruktur nach Maßgabe der Parameter Arbeitsgasdruck, Pipettier- kolben-Position und Spulenstrom ausgebildet. Die idealisierten Verläufe können für unterschiedliche Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsklassen empirisch ermittelt werden. Als Verlauf gilt eine zeitliche Abfolge von wenigstens drei Parameterwerten. Anstelle absoluter Parameterwerte kann der Verlauf auch Unterschiedswerte (Delta-Werte) zu jenen Parameterwerten enthalten, die für den oben genannten Bezugszustand gelten. Dadurch können die idealisierten Verläufe meteorologisch kompensiert sein. The control device is preferably designed for precontrol of the control circuits in the cascaded control loop structure in accordance with the parameters working gas pressure, pipetting piston position and coil current. The idealized courses can be determined empirically for different liquids or liquid classes. The course is a chronological sequence of at least three parameter values. Instead of absolute parameter values, the curve may also contain differences (delta values) to those parameter values that apply to the above-mentioned reference state. As a result, the idealized curves can be meteorologically compensated.
Aufgrund der bei der impulsartigen Pipettierung einschlägigen physikalischen Effekte wird die Pipettierspitze bei einer impulsartigen Dispensation nicht vollständig entleert. Es verbleibt Dosierflüssigkeit auch nach dem impulsartigen Dispensationsvorgang im Aufnahmeraum der Pipettierspitze. Bevorzugt erfolgt daher eine impulsartige Dispensation von Dosierflüssigkeit aus einer im Aufnahmeraum der Pipettierspitze aufgenommenen Dosierflüssigkeitsmenge, deren Volumen um wenigstens das Fünffache größer ist als das Volumen der impulsartig zu dispensierenden Dosierflüssigkeit. Due to the physical effects of the pulse-like pipetting, the pipetting tip is not completely emptied during pulse-like dispensing. It remains dosing liquid even after the pulse-like dispensing process in the receiving space of the pipette tip. Preference is therefore given to a pulse-like dispensing of dosing liquid from a dosing liquid absorbed in the receiving space of the pipetting tip, whose volume is at least five times greater than the volume of dosing liquid to be dispensed in pulses.
Die Pipettiervorrichtung ist zur impulsartigen Dispensation im Jet-Modus ausgebildet, in welchem das dispensierte Flüssigkeitsvolumen zwischen der abgebenden Dosierflüssigkeitsmenge in der Pipettierspitze und einem Dispensationsziel eine Strecke im freien Flug zurücklegt. The pipetting device is designed for pulse-like dispensing in the jet mode, in which the dispensed liquid volume travels a distance in free flight between the dispensing metering liquid quantity in the pipetting tip and a dispensing target.
Bei der bevorzugten Verwendung einer Druckveränderungsvorrichtung mit Pipettier- kolben wird die für eine impulsartige Pipettierung typische peitschenartige Bewegbarkeit des Kolbens bevorzugt dadurch realisiert, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, zur Dispensation eines vorbestimmten Einzel-Dosiervolumens von weniger als 2 μΙ den Bewegungsantrieb derart zu betreiben, dass der Kolben in Dis- pensationsrichtung bewegt wird und dabei seine dosierseitige Endfläche ein Dispen- sationsvolumen überstreicht, welches um nicht weniger als das 1 ,4-fache größer als das Einzel-Dosiervolumen ist, und dass der Kolben anschließend in einer der Dis- pensationsrichtung entgegengesetzten Aspirationshchtung bewegt wird und dabei seine dosierseitige Endfläche ein Aspirationsvolumen überstreicht, wobei der Ar- beitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf für nicht mehr als 40 ms, vorzugsweise nicht mehr als 30 ms, von dem Start- oder/und dem Enddruckniveau abweichenden Druckwerte aufweist. In the preferred use of a pressure-changing device with pipetting piston, the whip-like movability of the piston typical for pulse-like pipetting is preferably realized by the control device being designed to operate the motion drive in such a way as to dispense a predetermined single dosing volume of less than 2 μΙ. the piston is moved in the direction of dispensing and its dispensing end surface sweeps over a dispensing volume which is not larger than the single dispensing volume by not less than 1.4 times, and that the piston is then in one of the dispensing positions. Pensationsrichtung opposite Aspirationshchtung is moved while its dosing-side end surface covers an aspiration volume, the working gas target pressure pulse course for not more than 40 ms, preferably not more than 30 ms, from the starting and / or the final pressure level deviating pressure values.
Die Bewegung des Kolbens kann anhand eines beliebigen Bezugspunktes am Kolben erfasst werden, etwa anhand der dosierseitigen Kolbenfläche. Die Wirkung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bewegungsablaufs des Kolbens auf die Dosierflüssigkeit ist noch nicht vollständig geklärt. Ein Erklärungsmodell geht jedoch davon aus, dass mit der impulsartigen Bewegung des Kolbens in Pipet- tierrichtung, vorzugsweise Dispensationsrichtung, um mehr als das zu pipettierende vorbestimmte Einzel-Dosiervolumen die Anregungs- oder Losbrech-Energie auf die zu pipettierende Dosierflüssigkeit übertragen wird, die notwendig ist, um gegen Trägheitskräfte, Oberflächenspannung, Adhäsion und Kohäsion der Dosierflüssigkeit deren Bewegung in die gewünschte Dispensationsrichtung einzuleiten. The movement of the piston can be detected from any reference point on the piston, for example on the basis of the dosing-side piston surface. The effect of the motion sequence of the piston proposed by the invention on the dosing liquid is not yet fully understood. However, an explanatory model assumes that with the pulse-like movement of the piston in the direction of pipetting, preferably the dispensing direction, the excitation or breakaway energy is transferred to the dosing liquid to be pipetted, which is necessary, more than the predetermined individual dosing volume to be pipetted to initiate their movement in the desired dispensing direction against inertial forces, surface tension, adhesion and cohesion of the dosing liquid.
Mit der Bewegung des Kolbens in die der Pipettierrichtung, vorzugsweise Dispensa- tionsrichtung, entgegengesetzten Gegenpipettierrichtung, vorzugsweise Aspirationsrichtung, bei welcher der Kolben erneut ein Volumen, in der Regel ein anderes, vorzugsweise wiederum größeres Volumen als das eigentlich zu pipettierende Einzel- Dosiervolumen, überstreicht, wird die zuvor angeregte Pipettierbewegung, vorzugsweise Dispensationsbewegung, der Dosierflüssigkeit wieder "entregt". With the movement of the piston in the pipetting direction, preferably dispensing direction, opposite Gegenpipettierrichtung, preferably Aspirationsrichtung in which the piston again a volume, usually another, preferably in turn larger volume than the actually pipetted single dosing, passes over, the previously excited pipetting movement, preferably dispensing movement, of the dosing liquid is again "de-energized".
Es wird somit ein sehr kurzer, scharfer Druckimpuls vorgegebenen Verlaufs vom Kolben über das Arbeitsgas auf die Dosierflüssigkeit übertragen. Wie exakt der Ar- beitsgas-lst-Druckimpulsverlauf dem Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf folgt, hängt von der Güte der Regelung ab. Gute Ergebnisse wurden hierbei selbst für kurze Druckimpulse mit der oben genannten kaskadierten Regelung auf Grundlage mehrerer Parameter mit Vorsteuerung der Parameter erzielt. Überraschenderweise können die vom Kolben bei seiner Bewegung überstrichenen Volumina: Dispensationsvolumen und Aspirationsvolumen, gleich groß sein. Der Kolben kann sich daher am Ende des Dispensationsvorgangs wieder in der Startstellung befinden. Trotzdem wird ein Einzel-Dosiervolumen pipettiert. It is thus transmitted a very short, sharp pressure pulse predetermined course of the piston on the working gas to the dosing. How exactly the working gas actual pressure pulse course follows the desired working gas pressure pulse course depends on the quality of the control. Good results were obtained even for short pressure pulses with the cascaded control mentioned above based on several parameters with pre-control of the parameters. Surprisingly, the volumes swept by the piston during its movement: dispensing volume and aspiration volume can be the same. The piston can therefore be in the starting position again at the end of the dispensing process. Nevertheless, a single dosing volume is pipetted.
Es kommt gemäß der vorliegenden Erfindung daher nicht auf ein "Verlagerungssaldo" des Kolbens an. Versuche haben vielmehr gezeigt, dass das tatsächlich dispensierte Dosierflüssigkeitsvolumen von der nach der Zeit integrierten Kolben-Sollbewegung abhängt. Therefore, according to the present invention, it does not depend on a "displacement balance" of the piston. Rather, tests have shown that the actually dispensed dosing liquid volume depends on the piston-set movement integrated over time.
Das vom Kolben, bzw. von seiner dosierseitigen Endfläche, überstrichene Volumen ist dabei unter der vernünftigen Voraussetzung, dass sich die Gestalt der Endfläche während des Pipettierens nicht ändert, der Flächeninhalt der Projektion der dosierseitigen Endfläche auf eine zur Kanalbahn orthogonale Projektionsebene multipliziert mit dem Kolbenhub. Da bevorzugt wenigstens die dosierseitige Endfläche des Kolbens als Festkörper ausgebildet ist, ist diese Annahme realistisch. Under the reasonable assumption that the shape of the end surface does not change during pipetting, the volume swept by the piston, or its dosing-side end surface, is the area of the projection of the dosing-side end surface on a projection plane orthogonal to the channel path multiplied by the piston stroke. Since preferably at least the meter-side end face of the piston is formed as a solid, this assumption is realistic.
Mit "Dispensationsrichtung" ist eine Bewegungsrichtung des Kolbens bezeichnet, welche ein Ausschieben von Dosierflüssigkeit aus dem Dosierflüssigkeits-Aufnahme- räum der Pipettierspitze bewirkt. Mit "Aspirationsrichtung" ist eine Bewegungsrichtung des Kolbens bezeichnet, welche ein Einsaugen von Dosierflüssigkeit in den Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum der Pipettierspitze bewirkt. The term "dispensing direction" denotes a direction of movement of the piston which causes a discharge of dosing liquid out of the dosing liquid receiving space of the pipetting tip. By "Aspirationsrichtung" a direction of movement of the piston is referred to, which causes a suction of dosing into the dosing liquid receiving space of the pipette tip.
Ein Einzel-Dosiervolumen ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung immer dann vor- bestimmt, wenn der Dispensationsvorgang mit dem Ziel ein konkretes bekanntes Dosiervolumen zu dispensieren, abläuft. Das Einzel-Dosiervolumen kann durch manuelle Eingabe an der Pipettiervorrichtung oder durch Datenübertragung an die Pipettiervorrichtung oder durch Berechnung aus manuell eingegebenen oder/und aus in einer Speichervorrichtung hinterlegten Daten für die Pipettiervorrichtung vorbe- stimmt sein. For the purposes of the present application, a single metering volume is always predetermined when the dispensing process takes place with the aim of dispensing a specific known metering volume. The individual dosing volume can be predetermined by manual input at the pipetting device or by data transmission to the pipetting device or by calculation from manually entered data and / or from data stored in a memory device for the pipetting device.
Das von der dosierseitigen Endfläche des Kolbens zunächst überstrichene Dispensationsvolumen kann nicht nur von dem vorbestimmten Einzel-Dosiervolumen, sondern zusätzlich von Parametern der jeweils zu pipettierenden Dosierflüssigkeit oder/und von dem Volumen des Arbeitsgases zwischen dosierseitiger Kolbenfläche und Dosierflüssigkeit abhängen. Grundsätzlich gilt: je größer die Viskosität der Dosierflüssigkeit (gemessen bei Raumtemperatur von 20 °C bei einem Atmosphärendruck von 1013,25 hPa mittels eines Rotationsviskosimeters) ist, desto größer ist das Verhältnis von Dispensationsvolumen zu Einzeldosiervolumen. Ebenso gilt: je größer das Volumen des Arbeitsgases ist, desto größer ist das Verhältnis von Dispensationsvolumen zu Einzeldosiervolumen. Bei den bevorzugten wechselbaren Pipettier- spitzen kann üblicherweise ein bauartbedingtes Arbeitsgasvolumen zwischen Kolben und Dosiervolumen von 100 μΙ nicht unterschritten und von 3000 μΙ nicht überschritten werden. Bevorzugt liegt das Arbeitsgasvolumen zwischen 180 μΙ und 1000 μΙ, besonders bevorzugt zwischen 200 μΙ und 800 μΙ. The dispensing volume initially swept by the dosing-side end surface of the piston can not only depend on the predetermined single dosing volume in addition depend on parameters of each dosing liquid to be pipetted and / or on the volume of the working gas between dosing-side piston surface and dosing. In principle, the greater the viscosity of the dosing liquid (measured at room temperature of 20 ° C. at an atmospheric pressure of 1013.25 hPa by means of a rotational viscometer), the greater the ratio of dispensing volume to single dosing volume. Likewise, the larger the volume of working gas, the greater the ratio of dispensing volume to single dose volume. In the case of the preferred replaceable pipetting tips, it is usually possible for a design-related working gas volume between the piston and the metering volume of 100 μΙ not to be fallen below and not to exceed 3000 μΙ. Preferably, the working gas volume is between 180 μΙ and 1000 μΙ, more preferably between 200 μΙ and 800 μΙ.
So kann beispielsweise das Dispensationsvolumen nicht weniger als das 1 ,4-fache des Einzeldosiervolumens betragen. Es kann jedoch auch deutlich größer als das 1 ,4-fache des Einzeldosiervolumens sein. So kann es beispielsweise das Fünffache des Einzeldosiervolumens betragen, wenn eine niedrige Anregungsenergie ausreicht, die Dosierflüssigkeit zum Fließen durch die in der Regel enge Pipettieröffnung zu beschleunigen. Weniger gut zur Bewegung anregbare Dosierflüssigkeiten können mit einer Kolben beweg ung in Dispensationsrichtung und einem dabei von der dosier- seitigen Endfläche überstrichenen Dispensationsvolumen von nicht weniger als dem Zehnfachen des Einzel-Dosiervolumens zur Bewegung angeregt werden. Da die Kolbenbewegung bevorzugt mit hoher maximaler Volumengeschwindigkeit als dem pro Zeiteinheit von der dosierseitigen Endfläche überstrichenen Volumen ausgeführt wird, steigt mit zunehmendem Dispensationsvolumen die Wiederholgenauigkeit der Pipettierung sehr kleiner Einzel-Dosiervolumina von weniger als 2 μΙ. Daher kann das Dispensationsvolumen bevorzugt nicht weniger als das Fünfundzwanzigfache des Einzel-Dosiervolumens betragen. Versuche haben gezeigt, dass besonders für die häufig zu pipettierende Klasse von wässrigen Flüssigkeiten - das sind im Sinne der vorliegenden Anmeldung Flüssigkeiten mit einer Viskosität im Bereich von 0,8 bis 10 mPas, gemessen bei Raumtemperatur von 20 °C bei einem Atmosphärendruck von 1013,25 hPa mittels eines Rota- tionsviskosimeters - ein Dispensationsvolumen von zwischen dem Zehnfachen und dem Sechzigfachen, bevorzugt von zwischen dem Zehnfachen und dem Fünfundzwanzigfachen, des Einzel-Dosiervolumens zu hervorragenden Dosierergebnissen führt. Ein Dispensationsvolumen von zwischen dem Zehnfachen und dem Fünfund- zwanzigfachen des Einzel-Dosiervolumens liefert auch für Dosierflüssigkeiten außerhalb des oben genannten Viskositätsbereichs hervorragende Dosierergebnisse. For example, the dispensing volume may not be less than 1.4 times the single-dose volume. However, it can also be significantly larger than 1, 4 times the Einzeldosiervolumens. Thus, for example, it can be five times the single metering volume if a low excitation energy is sufficient to accelerate the metering liquid for flowing through the generally narrow pipetting opening. Dosing liquids less readily excitable for movement can be excited to move with a piston movement in the dispensing direction and a dispensing volume swept thereby by the dosing-side end surface of not less than ten times the single dosing volume. Since the piston movement is preferably carried out with a high maximum volume velocity than the volume swept over by the dosing-side end surface per unit time, the repeatability of the pipetting of very small single dosing volumes of less than 2 μΙ increases with increasing dispensing volume. Therefore, the dispensing volume may preferably be not less than twenty-five times the single-dose volume. Experiments have shown that, especially for the class of aqueous liquids to be pipetted frequently, these are liquids having a viscosity in the range from 0.8 to 10 mPas, measured at room temperature of 20 ° C. at an atmospheric pressure of 1013, for the purposes of the present application. 25 hPa by means of a Rota tion viscosimeter - a dispensing volume of between ten and sixty times, preferably between ten and twenty-five times, the single dosing volume results in excellent dosing results. A dispensing volume of between ten and twenty-five times the single dosing volume provides excellent dosing results even for dosing liquids outside the above-mentioned viscosity range.
Eine Obergrenze des Dispensationsvolumen stellt ein Dispensationsvolumen dar, bei welchem aufgrund der großen Zeitdauer, die der Kolben benötigt, um mit seiner dosierseitigen Endfläche das Dispensationsvolumen zu überstreichen, mehr als das Einzel-Dosiervolumen durch die Pipettieroffnung hindurch bewegt wird. Tests haben gezeigt, dass Dispensationsvolumina mit mehr als dem 500-fachen des Einzel- Dosiervolumens kein sinnvolles Dispensieren mehr von Dosiervolumina mit weniger als 2 μΙ gestatten. An upper limit of the dispensing volume represents a dispensing volume in which more than the single dispensing volume is moved through the pipetting opening due to the large time required for the piston to sweep the dispensing volume with its meter-side end face. Tests have shown that dispensing volumes of more than 500 times the single dosing volume do not allow meaningful dispensing of dosing volumes of less than 2 μΙ.
Der Betrag der maximalen Druckdifferenz zum Bezugsdruck, bei welchem kein Fluid durch die Pipettieroffnung hindurchströmt, während der Phase des Überdruckanteils ist vorzugsweise kleiner als 50.000 Pa, besonders bevorzugt kleiner als 25.000 Pa und höchst bevorzugt kleiner als 10.000 Pa. Diese Werte gelten für eine Vielzahl von unterschiedlichen Flüssigkeiten und Flüssigkeitskassen. Für die besonders relevante Klasse der wässrigen Flüssigkeiten, wie sie in dieser Anmeldung definiert ist, ist der Betrag der maximalen Druckdifferenz zum Bezugsdruck in der Überdruckphase bevorzugt kleiner als 2.200 Pa und besonders bevorzugt keiner als 1 .800 Pa. Bevorzugt ist der Betrag der maximalen Druckdifferenz zum Bezugsdruck während der Phase des Überdruckanteils größer als 500 Pa, vorzugsweise größer als 600 Pa. The amount of the maximum pressure difference to the reference pressure at which no fluid flows through the pipetting orifice during the phase of the overpressure portion is preferably less than 50,000 Pa, more preferably less than 25,000 Pa, and most preferably less than 10,000 Pa. These values apply to a variety of different liquids and liquid funds. For the particularly relevant class of aqueous liquids, as defined in this application, the amount of the maximum pressure difference to the reference pressure in the overpressure phase is preferably less than 2200 Pa and more preferably none than 1 .800 Pa. Preferably, the amount of the maximum pressure difference to the reference pressure during the phase of the overpressure portion is greater than 500 Pa, preferably greater than 600 Pa.
Der Betrag der maximalen Druckdifferenz zum Bezugsdruck, bei welchem kein Fluid durch die Pipettieroffnung hindurchströmt, während der Phase des Unterdruckanteils ist vorzugsweise kleiner als 30.000 Pa, besonders bevorzugt kleiner als 15.000 Pa und höchst bevorzugt kleiner als 7.500 Pa. Bevorzugt ist der Betrag der maximalen Druckdifferenz zum Bezugsdruck während der Phase des Unterdruckanteils größer als 200 Pa, vorzugsweise größer als 400 Pa. Die während eines dispensierenden Druckimpulses auftretenden maximalen Druckdifferenzwerte bezüglich des Bezugsdrucks, von welchem der Druckimpuls ausgeht, hängt von einer noch nicht abschließend bestimmten Mehrzahl von Parametern ab, wie z. B. dem zu dispensierenden Einzel-Dosiervolumen, und der Flüssigkeit, welche durch Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung charakterisierbar ist. Es zeichnet sich beispielsweise ab, dass für ein und dieselbe Flüssigkeit sowohl der Betrag der maximalen Druckdifferenz zum Bezugsdruck in der Überdruckphase als auch der Betrag der maximalen Druckdifferenz zum Bezugsdruck in der Unterdruckphase mit zunehmendem Einzel-Dosiervolumen abnehmen. Es sei an dieser Stelle klargestellt, dass die erfindungsgemäß ausgebildete Pipettier- vorrichtung trotz der zuvor beschriebenen großen Kolbenbewegung beim Dispensieren nur das vorbestimmte Einzel-Dosiervolumen an Dosierflüssigkeit durch ihre Pipettieröffnung hindurch bewegt. Es findet keine Überdosierung bzw. Überdispen- sation mit anschließender Korrektur in Aspirationsrichtung statt. Dosierflüssigkeit wird während eines Dispensationsvorgangs erfindungsgemäß nur in die gewünschte Dis- pensationsrichtung bewegt. Ein Dispensationsvorgang im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist abgeschlossen, wenn die Kolben beweg ung in Aspirationsrichtung endet. Das vom Kolben während seiner Bewegung überstrichene Aspirationsvolumen kann sogar beim Aliquotieren gleich dem Dispensationsvolumen sein. Allerdings kann dann mit zunehmender Anzahl von Dispensationsvorgängen im Aliquotierbetrieb der pipettieröffnungsnähere Meniskus immer weiter in einen Dosierflüssigkeitsaufnahme- raum der Pipettiervorrichtung wandern, was die Genauigkeit weiterer Dispensations- Vorgänge beeinträchtigen kann. The amount of the maximum pressure difference from the reference pressure at which no fluid flows through the pipetting orifice during the negative pressure portion phase is preferably less than 30,000 Pa, more preferably less than 15,000 Pa, and most preferably less than 7,500 Pa. Preferably, the amount of the maximum pressure difference to the reference pressure during the phase of the negative pressure portion is greater than 200 Pa, preferably greater than 400 Pa. The occurring during a dispensing pressure pulse maximum pressure difference values with respect to the reference pressure from which the pressure pulse emanates depends on a not yet final determined plurality of parameters such. B. to be dispensed single-dose volume, and the liquid which is characterized by density, viscosity and surface tension. It is apparent, for example, that for one and the same fluid both the amount of the maximum pressure difference to the reference pressure in the overpressure phase and the amount of the maximum pressure difference to the reference pressure in the negative pressure phase decrease with increasing single metering volume. It should be made clear at this point that, in spite of the above-described large piston movement during dispensing, the pipetting device designed according to the invention moves only the predetermined single metering volume of metering liquid through its pipetting opening. There is no overdosage or overdiscentration with subsequent correction in aspiration direction. Dosing liquid is moved according to the invention during a Dispensationsvorgangs pensationsrichtung only in the desired direction. A dispensing operation in the sense of the present application is completed when the piston movement ends in the direction of aspiration. The aspiration volume swept by the piston during its movement may be equal to the volume dispensed even when aliquoting. However, then, as the number of dispensing operations in the aliquoting operation increases, the meniscus nearer to the pipetting orifice can move ever further into a dispensing liquid receiving space of the pipetting device, which can impair the accuracy of further dispensing processes.
Daher kann das Aspirationsvolumen um das Einzel-Dosiervolumen kleiner sein als das Dispensationsvolumen. Somit kann sichergestellt werden, dass der pipettieröff- nungsnähere Meniskus der aufgenommenen Dosierflüssigkeit trotz mehrerer durchgeführter Dispensationsvorgänge in einem möglichst konstanten Ort verbleibt. Auch das Aspirationsvolumen kann somit gemäß der zuvor gemachten Angaben wesentlich größer als das Einzel-Dosiervolumen sein. Therefore, the aspiration volume around the single dosing volume may be smaller than the dispensing volume. Thus, it can be ensured that the pipetting nearer meniscus of recorded dosing remains despite several performed dispensing in a constant as possible place. Also, the aspiration volume can thus be much larger than the single dosing according to the above information.
Es kann jedoch auch zunächst der Kolben gegen Ende der Erzeugung des Überdruckimpulses in Aspirationsrichtung in seine Kolben-Startstellung zu Beginn des Dispensationsvorgangs zurückverstellt werden und dann wieder in Dispensations- richtung um das Einzel-Dosiervolumen nachgeführt werden. Die Nachführbewegung kann dann erheblich langsamer ablaufen als die Kolben beweg ung während des impulsartigen Dispensationsvorgangs und zählt nicht mehr zum Dispensationsvor- gang selbst. However, at the beginning of the dispensing process, the piston can also initially be returned to its initial position of the piston in the direction of aspiration towards the end of the generation of the overpressure pulse, and then readjusted in the dispensing direction by the single dosing volume. The tracking movement can then take place considerably more slowly than the piston movement during the pulse-like dispensing process and no longer counts as a dispensing process itself.
Das für einen Dispensationsvorgang zur Dispensation kleiner Dosierflüssigkeitsmen- gen korrekte vom Kolben zu überstreichende Dispensations- und Aspirationsvolumen kann bei vorgegebenem Einzel-Dosiervolumen einfach durch Versuche ermittelt werden. The correct dispensing and aspiration volume to be swept by the piston for a dispensing process for dispensing small quantities of dosing liquid can be determined simply by tests for a given single dosing volume.
Somit wird gemäß vorliegender Erfindung im Gegensatz zu dem zuvor im Zusam- menhang mit dem Stand der Technik beschriebenen quasi-synchronen Pipettier- betrieb ein asynchroner Pipettierbetrieb genutzt, bei welchem ein signifikanter Abschnitt der Kolbenbewegung nicht mit der Bewegung der Dosierflüssigkeit korreliert. Während es bei dem zuvor beschriebenen quasi-synchronen Pipettierbetrieb lediglich einen geringen zeitlichen Versatz zwischen gleichsinnigen Bewegungen von Kolben und Dosierflüssigkeit gibt, können bei dem vorliegend beschriebenen asynchronen Pipettierbetrieb in ein und demselben Zeitpunkt bzw. in ein und derselben Zeitspanne zueinander entgegengesetzt gerichtete Bewegungen von Kolben und Dosierflüssigkeit auftreten oder es kann eine Bewegung von Dosierflüssigkeit durch die Pipettieröffnung erst einsetzen, nachdem der Kolben seine Bewegung in Aspira- tionsrichtung abgeschlossen hat und wieder zum Stillstand gekommen ist. Die erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung ist jedoch aufgrund ihrer bevorzugten Bauart mit permanentmagnetischem Kolben zusätzlich auch zum herkömmlichen quasi-syn- chronen Dispensationsbetrieb und zum herkömmlichen quasi-synchronen Aspirationsbetrieb ausgebildet. Thus, in contrast to the quasi-synchronous pipetting operation described above in connection with the prior art, an asynchronous pipetting operation is used according to the present invention in which a significant portion of the piston movement does not correlate with the movement of the dosing liquid. While in the previously described quasi-synchronous pipetting operation there is only a slight time offset between movements of piston and dosing liquid in the same direction, in the present case described asynchronous pipetting operation in one and the same time or in one and the same period mutually oppositely directed movements of the piston and Dosing liquid occur or it can only begin a movement of dosing liquid through the pipetting after the piston has completed its movement in Aspira- tion direction and has come to a standstill again. However, the pipetting device according to the invention is due to its preferred design with permanent magnetic piston in addition to the conventional quasi-synonymous trained chronological Dispensationsbetrieb and conventional quasi-synchronous aspiration.
Unabhängig davon, wann bei einem Dispensationsvorgang das Einzel-Dosiervolu- men an Dosierflüssigkeit sich durch die Pipettieröffnung hindurchzubewegen beginnt, ist jedoch den meisten Dispensationsvorgängen gemein, dass bei der Dispensation der Kolben zur Bewegungsrichtungsumkehr angesteuert wird und in der Regel die Bewegungsrichtung des Kolbens tatsächlich umgekehrt wird, bevor sich das vorbestimmte Flüssigkeitsvolumen von der Pipettieröffnung abgelöst hat. Regardless of when in a dispensing process, the single dosing volume of dosing liquid begins to move through the pipetting opening, however, it is common to most dispensing operations that during dispensation the piston is driven to reverse the direction of movement and, as a rule, the direction of movement of the piston is actually reversed before the predetermined volume of liquid has detached from the pipetting opening.
Folglich kann die peitschenartige Bewegbarkeit des Kolbens zur impulsartigen Pipettierung dadurch bewirkt werden, dass der Bewegungsantrieb einen Linearmotor um- fasst und dass die Steuereinrichtung und der Bewegungsantrieb zur Pipettierung eines vorbestimmten Einzel-Dosiervolumens von weniger als 2 μΙ dazu ausgebildet sind, den Kolben mit einer Spitzengeschwindigkeit von wenigstens 5000 μΙ/s, bevorzugt von wenigstens 10000 μΙ/s, und von nicht mehr als 25000 μΙ/s zu bewegen. Thus, the whip-like movability of the plunger-type pipetting piston can be effected by the moving drive comprising a linear motor and the controller and the agitation driver for pipetting a predetermined single metering volume of less than 2 μΙ are designed to tip the plunger at a tip speed of at least 5000 μΙ / s, preferably of at least 10000 μΙ / s, and of not more than 25000 μΙ / s to move.
Die Volumengeschwindigkeit des Kolbens, also das von der dosierseitigen Endfläche des Kolbens pro Zeiteinheit überstrichene Volumen, ist für das impulsartige Pipettie- ren von größerer Bedeutung als die lineare Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens oder einer Kolbenstange. Zwar reicht bei Kolben mit größerer Kolbenfläche ein geringerer Hub aus, um das gleiche Volumen zu überstreichen, für das ein Kolben mit geringerer Kolbenfläche einen größeren Hub benötigt. Somit könnte zur Realisierung zunehmender Volumengeschwindigkeiten einfach ein Kolben mit größerer Kol- benfläche längs der Kanalbahn bewegt werden als ein Kolben mit kleinerer Kolbenfläche. Allerdings steigt die für eine Bewegungseinleitung des Kolbens notwendige Losbrech -Kraft, etwa zur Überwindung der Haftreibung, mit der Kolbengröße erheblich an, sodass Kolben mit zunehmend großer Kolbenfläche für die Dispensation von Einzel-Dosiervolumina von weniger als 2 μΙ zunehmend schlechter steuerbar sind. The volumetric velocity of the piston, that is, the volume swept by the dosing-side end surface of the piston per unit time, is of more importance for pulse-like pipetting than the linear velocity of movement of the piston or a piston rod. Although a smaller stroke is sufficient for pistons with a larger piston area in order to cover the same volume for which a piston with a smaller piston area requires a larger stroke. Thus, to realize increasing volumetric velocities, it would simply be possible to move a piston with a larger piston surface along the channel path than a piston with a smaller piston surface. However, the necessary for a movement initiation of the piston Losbrech force, such as to overcome the static friction, increases significantly with the piston size, so that pistons are increasingly difficult to control with increasingly large piston area for the dispensing of individual dosing volumes of less than 2 μΙ.
Die vorliegende Erfindung betrifft bevorzugt Pipettiervorrichtungen, deren Kolben eine Kolbenfläche von zwischen 3 und 80 mm2 aufweisen, also welche bei kreisförmiger Kolbenfläche einen Durchmesser von zwischen 2 und etwa 10 mm aufwei- sen. Um mehrere Pipettierkanäle in einem zeilen- und spaltenförmigen Raster mit möglichst geringer Rasterweite anordnen zu können, betrifft die vorliegende Erfindung besonders bevorzugt Pipettiervorrichtungen, deren Kolben eine Kolbenfläche von zwischen 3 und 20 mm2 aufweisen, was bei kreisförmiger Kolbenfläche einem Durchmesser von zwischen 2 und etwa 5 mm entspricht. The present invention preferably relates to pipetting devices whose pistons have a piston area of between 3 and 80 mm 2 , that is to say which in the case of a circular piston area has a diameter of between 2 and approximately 10 mm. sen. In order to be able to arrange a plurality of pipetting channels in a row and column-shaped grid with the smallest possible screen width, the present invention particularly preferably relates to pipetting devices whose pistons have a piston area of between 3 and 20 mm 2 , which in the case of a circular piston area has a diameter of between 2 and approximately 5 mm corresponds.
Bevorzugt weist die Pipettiervorrichtung eine Mehrzahl von Pipettierkanälen auf, von welchen in jedem ein wie oben beschrieben ausgebildeter Pipettierkolben längs der Pipettierkanalachse bewegbar aufgenommen ist. Weiter kann jeder Pipettierkanal je eine von der Steuervorrichtung bestrombare Spulenanordnung aufweisen, die mit dem magnetischen Pipettierkolben einen Linearmotor zum Antrieb des Pipettierkolbens bildet. Preferably, the pipetting device has a plurality of pipetting channels, of which in each case a pipetting piston formed as described above is movably received along the pipetting channel axis. Furthermore, each pipetting channel can each have a coil arrangement that can be energized by the control device, which forms a linear motor for driving the pipetting piston with the magnetic pipetting piston.
Beim Dispensieren mit zu hohen maximalen Kolbengeschwindigkeiten von beispiels- weise mehr als 25000 μΙ/s kommt es zwar immer noch zu einer Flüssigkeitsbewegung aus einem Dosierflüssigkeits-Aufnahmeraum hinaus, jedoch wird dann das Einzel-Dosiervolumen in der Regel in mehrere Teilvolumina zersprengt oder zerstäubt abgegeben, was für hochgenaues Dispensieren der hier diskutierten kleinen Einzel-Dosiervolumina von weniger als 2 μΙ inakzeptabel ist. Grundsätzlich kann fest- gestellt werden, dass mit zunehmender Kolbengeschwindigkeit oder/und Kolbenbeschleunigung die Neigung steigt, die vorbestimmte Dosierflüssigkeitsmenge unerwünschterweise in mehreren Teilmengen zu pipettieren. Nach derzeitigem Kenntnisstand werden zumindest für wässrige Dosierflüssigkeiten, wie sie oben definiert sind, bei maximalen Kolbengeschwindigkeiten von etwa 10.000 μΙ/s hinsichtlich Genauig- keit und Wiederholbarkeit der pipettierten Flüssigkeitsmenge ganz hervorragende Ergebnisse erzielt. While dispensing at too high maximum piston speeds of, for example, more than 25,000 μΙ / s, there is still fluid movement out of a dosing liquid receiving space, however, the individual dosing volume is then generally dispersed or atomized into a plurality of partial volumes. which is unacceptable for highly accurate dispensing of the small single-dose volumes discussed here of less than 2 μΙ. In principle, it can be stated that as the piston speed and / or piston acceleration increase, the tendency increases to undesirably pipette the predetermined dosing liquid quantity in several sub-quantities. According to the current state of knowledge, at least for aqueous metering liquids, as defined above, very excellent results are achieved at maximum piston speeds of about 10,000 μΙ / s in terms of accuracy and repeatability of the pipetted liquid quantity.
Um einen Eindruck von der Kolbengeschwindigkeit zu geben: Bevorzugt benötigt der Kolben für seine Bewegung in Dispensationsrichtung und anschließend in Aspira- tionsrichtung von dem Ort der Halbwegsweite, das ist die halbe Strecke zwischen dem Ausgangsort des Pipettierkolbens und seinem ersten Umkehr-Totpunkt bei einer peitschenartigen Pipettierbewegung zur Erzeugung eines Druckimpulses im Arbeitsgas, bis zum erneuten Erreichen dieser Halbwegsweite weniger als 30 ms, Vorzugs- weise weniger als 20 ms, höchst bevorzugt sogar weniger als 16 ms. Es sind sogar Bewegungszeiten im einstelligen Millisekundenbereich denkbar. To give an impression of the piston speed: Preferably, the piston needs for its movement in the dispensing direction and then in Aspira- tion direction of the location of the halfway distance, which is half the distance between the starting point of the pipetting and its first reversal dead center in a whip-like pipetting for generating a pressure pulse in the working gas, until this half-distance is reached again less than 30 ms, preferential less than 20 ms, most preferably less than 16 ms. Even motion times in the single-digit millisecond range are conceivable.
Eine vollständige Kolbenbewegung in Dispensations- und Aspirationsrichtung, mit welcher ein Einzel-Dosiervolumen von 950 nl einer wässrigen Dosierflüssigkeit bei einem von der dosierseitigen Endfläche überstrichenen Dispensationsvolumen von 30 μΙ und einem überstrichenen Aspirationsvolumen von 29,05 μΙ kann mit einem Kolben mit kreisförmiger Kolbenfläche und einem Durchmesser von 4,3 mm problemlos in etwa 15 ms ablaufen. A complete piston movement in the dispensing and Aspirationsrichtung, with which a single-dosing volume of 950 nl of an aqueous dosing at a swept by the dosing end surface dispensing volume of 30 μΙ and a swept aspiration volume of 29.05 μΙ can with a piston with a circular piston surface and a Diameter of 4.3 mm easily expire in about 15 ms.
Der kinematische Aspekt der peitschenartigen Kolbenbewegung beruht jedoch nicht nur auf der erzielbaren maximalen Kolbengeschwindigkeit, sondern auch auf der Zeitspanne, die der Bewegungsantrieb benötigt, den Kolben auf die gewünschte Kolbengeschwindigkeit zu beschleunigen oder/und ausgehend von der gewünschten Kolbengeschwindigkeit abzubremsen. Bevorzugt sind daher die Steuereinrichtung und der Bewegungsantrieb dazu ausgebildet, den Kolben mit einer Beschleunigung von wenigstens 2 x 106 μΙ/s2, bevorzugt von wenigstens 6 x 106 μΙ/s2 besonders bevorzugt sogar von wenigstens 8 x 106 μΙ/s2 und von nicht mehr als 1 x 108 μΙ/s2 zur Bewegung längs der Kanalbahn zu beschleunigen oder/und zu verzögern. Es gelten die oben gemachten Angaben zur bevorzugten Kolbengröße, angegeben als Kolbenfläche. However, the kinematic aspect of the whip-like piston movement is based not only on the achievable maximum piston speed, but also on the time required for the motion drive to accelerate the piston to the desired piston speed and / or decelerate from the desired piston speed. Preferably, therefore, the control device and the movement drive are adapted to the piston with an acceleration of at least 2 x 10 6 μΙ / s 2 , preferably of at least 6 x 10 6 μΙ / s 2 particularly preferably even of at least 8 x 10 6 μΙ / s 2 and not more than 1 x 10 8 μΙ / s 2 to accelerate movement along the channel path and / or delay. The information given above on the preferred piston size, stated as piston area, applies.
Völlig überraschend hat sich weiter gezeigt, dass das Pipettieren von Dosierflüssigkeiten, insbesondere von wässrigen Dosierflüssigkeiten, mit den hier vorgeschla- genen erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtungen unabhängig von der jeweils verwendeten Pipettierspitze ist. Mit gleichen Pipettierparametern kann für ein und dieselbe Dosierflüssigkeit an ein und derselben Pipettiervorrichtung mit unterschiedlichen Pipettierspitzen stets das gleiche Pipettierergebnis wiederholbar erzielt werden. Insbesondere ist das Pipettierergebnis unabhängig von dem Nenn-Aufnahme- raumvolumen der jeweils an die Pipettiervorrichtung angekoppelten Pipettierspitze. Das mit einem Satz von Pipettierparametern erzielbare Pipettierergebnis ist umso besser zwischen Pipettierspitzen mit unterschiedlichem Nenn-Aufnahmeraumvolu- men übertragen werden, wenn die Pipettierspitzen gleiche Pipettieroffnungen und gleiche Totvolumina aufweisen. Surprisingly, it has further been shown that the pipetting of dosing liquids, in particular of aqueous dosing liquids, with the pipetting devices proposed here according to the invention is independent of the particular pipetting tip used. With the same pipetting parameters, the same pipetting result can always be achieved repeatably for one and the same dosing liquid on one and the same pipetting device with different pipetting tips. In particular, the pipetting result is independent of the nominal receiving volume of the respective pipetting tip coupled to the pipetting device. The pipetting result achievable with a set of pipetting parameters is all the better between pipetting tips having different nominal receiving space volumes. be transferred, if the pipetting tips have the same Pipettieroffnungen and the same dead volumes.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es stellt dar: The present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Pipettiervornchtung, in welcher ein erfindungsge- mäßes impulsartiges Dispensationsverfahren abläuft, unmittelbar nach der Aspiration einer vorbestimmten Menge an Dosierflüssigkeit, FIG. 1 shows a pipetting device according to the invention in which a pulse-like dispensing method according to the invention takes place immediately after the aspiration of a predetermined amount of dosing liquid,
Figur 2a die Pipettiervornchtung von Figur 1 nach Erzeugung eines ersten Unterdrucks im Arbeitsgas bezogen auf den Haltebezugsdruck von Fig. 1 , zur Bildung eines Gasvolumens zwischen Pipettieröffnung und aspirierter Dosierflüssigkeit, FIG. 2a shows the pipetting device of FIG. 1 after generation of a first negative pressure in the working gas, based on the holding reference pressure of FIG. 1, for forming a gas volume between pipetting opening and aspirated dosing liquid;
Figur 2b die Pipettiervornchtung der Figur 2a nach Erhöhung des Drucks des Arbeitsgases zwischen Pipettierkolben und aspirierter Dosierflüssigkeit, zur Verlagerung des pipettieröffnungsnäheren Meniskus zur Pipettieröffnung hin, FIG. 2b shows the pipetting device of FIG. 2a after increasing the pressure of the working gas between pipetting piston and aspirated dosing liquid, in order to shift the meniscus closer to the pipetting opening to the pipetting opening;
Figur 2c die Pipettiervornchtung der Figur 2b nach Erzeugung eines zweiten Unterdrucks im Arbeitsgas bezogen auf den Haltebezugsdruck von Fig. 1 , zur Bildung eines Gasvolumens zwischen Pipettieröffnung und aspirierter Dosierflüssigkeit, FIG. 2c shows the pipetting device of FIG. 2b after generation of a second negative pressure in the working gas, based on the holding reference pressure of FIG. 1, for forming a gas volume between pipetting opening and aspirated dosing liquid;
Figur 3a die Pipettiervornchtung von Figur 2c, die nur der Übersichtlichkeit halber auf dem dritten Figurenblatt wiederholt dargestellt ist, FIG. 3 a shows the pipetting device of FIG. 2 c, which is shown repeatedly for the sake of clarity on the third figure sheet,
Figur 3b die Pipettiervornchtung von Figur 3a während der schlagartigen Erzeugung eines Druckimpulses, Figur 3c die Pipettiervorrichtung von Figur 3b nach Vollendung der peitschenartigen Kolbenbewegung zur Dispensation eines Einzel-Dosiervolumens von 500 nl, ein grobschematischer Verlauf des vom Pipettierkolben überstrichenen Volumens bei der impulsartigen beispielhaften Dispensation von etwa 1 μΙ Dosierflüssigkeit, FIG. 3b shows the pipetting device of FIG. 3a during the sudden generation of a pressure pulse, FIG. 3c shows the pipetting device of FIG. 3b after completing the whip-like piston movement for dispensing a single dispensing volume of 500 nl, a roughly schematic course of the volume swept by the pipetting piston in the pulse-like exemplary dispensing of approximately 1 .mu.Ι dosing liquid;
Fig. 5 eine beispielhafte Regelungsstruktur, wie sie die Steuervorrichtung der er- findungsgemäßen Pipettiervorrichtung zur Steuerung der Bewegung des5 shows an exemplary control structure, such as the control device of the pipetting device according to the invention for controlling the movement of the
Pipettierkolbens abhängig von einem erfassten Druck des Arbeitsgases verwendet, Used pipetting piston depending on a detected pressure of the working gas
Fig. 6 ein beispielhaftes Diagramm eines Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlaufs und eines Arbeitsgas-Ist-Druckimpulsverlaufs für eine impulsartige Dispensation eines Dosierflüssigkeitsvolumens von 500 nl, 6 is an exemplary diagram of a working gas desired pressure pulse course and a working gas-actual pressure pulse course for a pulse-like dispensation of a dosing liquid volume of 500 nl,
Fig. 7 ein beispielhaftes Diagramm eines Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlaufs und eines Arbeitsgas-Ist-Druckimpulsverlaufs für eine impulsartige Dispensation eines Dosierflüssigkeitsvolumens von 1 μΙ und 7 shows an example diagram of a desired working gas pressure pulse course and a working gas-actual pressure pulse course for a pulse-like dispensing of a dosing liquid volume of 1 μΙ and
Fig. 8 ein beispielhaftes Diagramm eines Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlaufs und eines Arbeitsgas-Ist-Druckimpulsverlaufs für eine impulsartige Dispensation eines Dosierflüssigkeitsvolumens von 1 ,5 μΙ. 8 shows an example diagram of a desired working gas pressure pulse course and a working gas-actual pressure pulse course for a pulse-like dispensing of a dosing liquid volume of 1.5 μΙ.
In den Figuren 1 bis 3c ist eine erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung allgemein mit 10 bezeichnet. Diese umfasst einen Pipettierkanal 1 1 , umfassend einen Zylinder 12, welcher sich längs einer als geradlinige Kanalachse ausgestalteten Kanalbahn K erstreckt. In diesem Pipettierkanal 1 1 ist ein Kolben 14 längs der Kanalbahn K beweg- lieh aufgenommen. In FIGS. 1 to 3c, a pipetting device according to the invention is designated generally by 10. This comprises a pipetting channel 1 1, comprising a cylinder 12 which extends along a channel path K designed as a straight-line channel axis. In this pipetting channel 1 1, a piston 14 along the channel path K is borrowed borrowed.
Der Kolben 14 umfasst zwei Endkappen 16 (aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur die untere in den Figuren 1 bis 3c mit Bezugszeichen versehen), zwischen wel- chen eine Mehrzahl von Permanentmagneten 18 (im vorliegenden Beispiel drei Permanentmagnete 18) aufgenommen sind. Die Permanentmagnete 18 sind zur Erzielung eines längs der Kanalbahn K trennscharfen Magnetfelds längs der Kanalachse K polarisiert und paarweise mit aufeinander zuweisenden gleichnamigen Polen an- geordnet. Aus dieser Anordnung resultiert ein vom Kolben 14 ausgehendes Magnetfeld, welches um die Kanalachse K weitestgehend gleichförmig, also im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der Kanalachse K ist und welches längs der Kanalachse K einen hohen Gradienten der magnetischen Feldstärke aufweist, sodass sich ungleichnamige Polarisierungszonen trennscharf längs der Kanalbahn K alternierend abwechseln. Damit kann beispielsweise durch Hall-Sensoren einer Positionssensoranordnung 39 eine hohe Positionsauflösung bei der Positionserfassung des Kolbens 14 längs der Kanalachse K erreicht werden und es kann eine sehr effiziente Ankopplung eines äußeren Magnetfelds an den Kolben 14 erreicht werden. Die Endkappen 16 sind bevorzugt aus reibungsarmem, Graphit oder Glimmer umfassenden Material gebildet, wie es beispielsweise von kommerziell erhältlichen Kappen der Fa. Airpot Corporation in Norwalk, Connecticut, (US) bekannt ist. Um die von diesem Material bereitgestellte geringe Reibung möglichst vollständig ausschöpfen zu können, umfasst der Pipettierkanal 1 1 bevorzugt einen Zylinder 12 aus Glas, so dass bei einer Bewegung des Kolbens 14 längs der Kanalachse K das Graphit oder Glimmer umfassende Material äußerst reibungsarm an einer Glasfläche gleitet. The piston 14 comprises two end caps 16 (for reasons of clarity, only the lower one is provided with reference numerals in FIGS. 1 to 3 c), between which Chen a plurality of permanent magnets 18 (in the present example, three permanent magnets 18) are added. The permanent magnets 18 are polarized along the channel axis K to obtain a separating magnetic field along the channel path K and are arranged in pairs with poles of the same name facing each other. This arrangement results in a magnetic field emanating from the piston 14, which is substantially uniform around the channel axis K, ie substantially rotationally symmetrical with respect to the channel axis K and which has a high gradient of the magnetic field strength along the channel axis K, so that unlike polarization zones are separated along the channel path K alternately alternate. Thus, for example, by Hall sensors of a position sensor arrangement 39, a high position resolution in the position detection of the piston 14 along the channel axis K can be achieved and it can be a very efficient coupling of an external magnetic field to the piston 14 can be achieved. The end caps 16 are preferably formed from low-friction material comprising graphite or mica, as is known, for example, from commercially available caps from Airpot Corporation of Norwalk, Connecticut, (US). To be able to exploit the low friction provided by this material as fully as possible, the pipetting channel 1 1 preferably comprises a cylinder 12 made of glass, so that during a movement of the piston 14 along the channel axis K the material comprising graphite or mica slides on a glass surface with extremely low friction ,
Der Kolben 14 bildet somit einen Läufer eines Linearmotors 20, dessen Stator von den Pipettierkanal 1 1 umgebenden Spulen 22 (hier sind beispielhaft lediglich vier Spulen dargestellt) gebildet ist. The piston 14 thus forms a rotor of a linear motor 20, the stator of the pipetting channel 1 1 surrounding coils 22 (only four coils are exemplified here) is formed.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Figuren 1 bis 3c lediglich eine grobschematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Pipettiervor- richtung 10 zeigt, die keinesfalls maßstäblich zu verstehen ist. Weiterhin sind Mehr- zahlen von Bauteilen durch eine beliebige Bauteilanzahl, wie etwa drei Permanentmagnete 18 und vier Spulen 22, dargestellt. Tatsächlich kann sowohl die Anzahl der Permanentmagnete 18 wie auch die Anzahl der Spulen 22 größer oder auch kleiner als die dargestellte Anzahl sein. Der Linearmotor 20, genauer seine Spulen 22, werden über eine Steuervorrichtung 24 angesteuert, die signalübertragungsmäßig mit den Spulen 22 verbunden ist. Als Signal gilt auch die Übertragung elektrischen Stroms zur Bestromung der Spulen und damit zur Erzeugung eines Magnetfelds durch diese. It should be expressly understood that FIGS. 1 to 3c merely show a roughly schematic longitudinal section of a pipetting device 10 according to the invention, which by no means is to be understood to scale. Furthermore, multiples of components are represented by any number of components, such as three permanent magnets 18 and four coils 22. In fact, both the number of permanent magnets 18 and the number of coils 22 may be larger or smaller than the number shown. The linear motor 20, more precisely its coils 22, are controlled via a control device 24, which is connected to the coils 22 in signal transmission terms. The signal also includes the transmission of electrical current to energize the coils and thus to generate a magnetic field through them.
An dem dosierseitigen Ende 12a des Zylinders 12 ist in an sich bekannter Weise lösbar eine Pipettierspitze 26 angebracht. Die Verbindung der Pipettierspitze 26 mit dem dosierseitigen Längsende 12a des Zylinders 12 ist ebenfalls lediglich grob- schematisch dargestellt. At the metering-side end 12a of the cylinder 12, a pipetting tip 26 is releasably attached in a manner known per se. The connection of the pipette tip 26 with the metering-side longitudinal end 12a of the cylinder 12 is likewise only shown roughly schematically.
Die Pipettierspitze 26 definiert einen Pipettierraum 28 in ihrem Inneren, welcher am kopplungsfernen Längsende 26a ausschließlich durch eine Pipettieröffnung 30 zugänglich ist. Die Pipettierspitze 26 verlängert den Pipettierkanal 1 1 während ihrer Ankopplung an den Zylinder 12 bis zur Pipettieröffnung 30. The pipette tip 26 defines a pipetting space 28 in its interior, which is accessible at the coupling-remote longitudinal end 26a exclusively by a pipetting opening 30. The pipette tip 26 extends the pipetting channel 1 1 during its coupling to the cylinder 12 to the pipetting 30th
In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel der Pipettiervorrichtung 10 unmittelbar nach Abschluss eines konventionellen Aspirationsvorgangs im quasi-synchronen Pipettier- betrieb durch dieselbe Pipettiervorrichtung 10 ist im Pipettierraum 28 - und damit in der Pipettiervorrichtung 10 - eine Menge an Dosierflüssigkeit 32 aufgenommen. In the example of the pipetting device 10 shown in FIG. 1 immediately after completion of a conventional aspiration operation in quasi-synchronous pipetting operation by the same pipetting device 10, a quantity of dosing liquid 32 is received in the pipetting space 28 - and thus in the pipetting device 10.
Zwischen dem Kolben 14 und der Dosierflüssigkeit 32 befindet sich dauerhaft Arbeitsgas 34, welches als Kraftvermittler zwischen dem Kolben 14 und der Dosierflüssigkeit 32 dient. Bevorzugt befindet sich zwischen dem Kolben 14 und der Dosier- flüssigkeit 32 nur das Arbeitsgas 34, gegebenenfalls in seiner chemischen Zusammensetzung in vernachlässigbarer Weise verändert durch die Aufnahme flüchtiger Bestandteile aus der Dosierflüssigkeit 32. Between the piston 14 and the metering liquid 32 is permanently working gas 34, which serves as a force transmitter between the piston 14 and the metering liquid 32. Preferably, between the piston 14 and the dosing liquid 32, only the working gas 34, optionally in its chemical composition, is negligibly changed by the absorption of volatile constituents from the dosing liquid 32.
Das Arbeitsgas 34 ist auch bei völlig entleerter Pipettierspitze 26 zwischen Kolben 14 und einer Dosierflüssigkeit 32 angeordnet, da die Pipettierspitze 26 zur Aspiration von Dosierflüssigkeit 32 in einen entsprechenden Dosierflüssigkeitsvorrat eingetaucht wird, sodass in diesem Zustand wenigstens an der Pipettieröffnung 30 ein Meniskus der Dosierflüssigkeit 32 vorhanden ist. Somit befindet sich Arbeitsgas 34 in jedem für einen Pipettiervorgang relevanten Zustand der Pipettiervorrichtung 10 dauerhaft vollständig zwischen dem Kolben 14 und einer Dosierflüssigkeit 32 und trennt diese voneinander. Genauer befindet sich das Arbeitsgas 34 zwischen einer dosierseitigen Endfläche 14a des Kolbens 14, welche im vorliegenden Beispiel durch eine in axialer Richtung - bezogen auf die Kanalbahn K - zur Dosieröffnung 30 hin weisende Endfläche der Endkappe 16 gebildet ist und einem pipettieröffnungsferneren Meniskus 32a der im Pipettierraum 28 als Flüssigkeitssäule aufgenommenen Dosierflüssigkeit 32. The working gas 34 is arranged even with completely empty pipette tip 26 between the piston 14 and a dosing liquid 32, since the pipetting tip 26 is dipped for aspiration of dosing liquid 32 into a corresponding Dosierflüssigkeitsvorrat, so that in this state, at least at the pipetting 30 a meniscus of the dosing liquid 32 is present is. Thus, working gas 34 is in permanently relevant to a pipetting process state of the pipetting device 10 completely between the piston 14 and a dosing liquid 32 and separates them from each other. More specifically, the working gas 34 is located between a dosing-side end face 14a of the piston 14, which in the present example is formed by an end face of the end cap 16 pointing in the axial direction with respect to the channel path K to the dosing opening 30 and a meniscus 32a remote from the pipetting opening in the pipetting space 28 taken as a liquid column dosing liquid 32nd
Ein Drucksensor 38 kann den Druck im Inneren des Pipettierkanals 1 1 , zu dem auch der Druck kommunizierend in Verbindung stehende Aufnahmeraum 28 gehört, also den Druck des Arbeitsgases 34 zwischen der Dosierflüssigkeit 32 und der dosierseitigen Endfläche 14a des Kolbens 14, erfassen und über eine Signalleitung an die Steuereinrichtung 24 übertragen. Somit ist bei der Verwendung ausreichend schneller Drucksensoren 38, etwa des Sensors TBPDANS001 PGUCV von Honeywell, eine vom Druck des Arbeitsgases 34 abhängige Bewegungsregelung des Kolbens zur Ausführung einer wie oben vorgestellten peitschenartigen Kolbenbewegung möglich. Die Positionssensoranordnung 39 zur Erfassung der Kolbenposition ist am Pipettier- kanal 1 1 vorgesehen und signalübertragungsmäßig mit der Steuervorrichtung 24 verbunden. A pressure sensor 38 can detect the pressure in the interior of the pipetting channel 11, to which the pressure communicating receiving space 28 belongs, ie the pressure of the working gas 34 between the dosing liquid 32 and the dosing-side end face 14a of the piston 14, and via a signal line transmitted to the controller 24. Thus, when using sufficiently fast pressure sensors 38, such as the Honeywell sensor TBPDANS001 PGUCV, a movement control of the piston dependent on the pressure of the working gas 34 is possible for carrying out a whip-like piston movement as presented above. The position sensor arrangement 39 for detecting the piston position is provided on the pipetting channel 11 and is connected to the control device 24 in terms of signal transmission.
Ausgehend von dem in Figur 1 gezeigten Zustand wird nachfolgend eine Vorberei- tung für einen impulsartigen Dispensationsvorgang der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung 10 sowie der impulsartige Dispensationsvorgang selbst beschrieben: Starting from the state shown in FIG. 1, a preparation for a pulse-like dispensing process of the pipetting device 10 according to the invention and the pulse-like dispensing process itself are described below:
Mit Verweis auf die Figuren 2a bis 2c wird eine Vorbereitung der Pipettiervorrichtung 10 beschrieben, mit welcher die Genauigkeit des impulsartigen Dispensationsvor- gangs, welcher in den Figuren 3b und 3c dargestellt ist, erheblich erhöht werden kann. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass geringere minimale Dispensationsdosen mit hoher Wiederholgenauigkeit abgegeben werden können als ohne entsprechende Vorbereitung. Ausgehend von dem Zustand der Pipettiervorrichtung 10 unmittelbar nach Aspiration der vorbestimmten Dosierflüssigkeitsmenge 32 in die Pipettierspitze 26 im herkömmlichen quasi-synchronen Pipettierbetrieb (s. Fig. 1 ) bestromt die Steuervorrichtung 24 die Spulen 22 derart, dass der Pipettierkolben 14 im Sinne einer Erzeugung eines (ersten) Unterdrucks im Arbeitsgas 34 bewegt wird, das bedeutet von der Pipettieroffnung 30 weg. Dieser Unterdruck wird nicht impulsartig erzeugt, sondern mit Kolbenbeschleunigungen und -geschwindigkeiten, die für eine quasi-synchrone Verlagerung der im Aufnahmeraum 28 aufgenommenen Dosierflüssigkeitsmenge 32 sorgen. With reference to FIGS. 2a to 2c, a preparation of the pipetting device 10 is described, with which the accuracy of the pulse-like dispensing process illustrated in FIGS. 3b and 3c can be considerably increased. This essentially means that lower minimal dispensing doses can be delivered with high repeat accuracy than without appropriate preparation. Starting from the state of the pipetting device 10 immediately after aspiration of the predetermined metering liquid quantity 32 into the pipetting tip 26 in the conventional quasi-synchronous pipetting operation (see FIG. 1), the control device 24 energizes the coils 22 in such a way that the pipetting piston 14 is generated in the manner of generating a (FIG. first) negative pressure in the working gas 34 is moved, that means away from the pipetting opening 30. This negative pressure is not generated in a pulse-like manner, but with piston accelerations and speeds which ensure a quasi-synchronous displacement of the dosing liquid quantity 32 received in the receiving space 28.
Dadurch wird die in der Pipettiervorrichtung 10, genauer im Pipettieraufnahmeraum 28 der Pipettierspitze 26 bereitgestellte Dosierflüssigkeitsmenge 32 längs der Kanalachse K von der Pipettieroffnung 30 weg in die Pipettiervorrichtung 10, genauer in die Pipettierspitze 26, hinein verlagert. Die bereitgestellte Dosierflüssigkeit 32 ist zum Pipettierkolben 14 hin durch einen der Pipettieroffnung 30 ferner liegenden Meniskus 32a begrenzt und ist zur Pipettieroffnung 30 hin durch einen pipettieröffnungs- näheren Meniskus 32b begrenzt. Durch die Verlagerung der Dosierflüssigkeit 32 von der Pipettieroffnung 30 weg bildet sich zwischen der Pipettieroffnung 30 und dem pipettieröffnungsnäheren Meniskus 32b ein Gasvolumen 35. As a result, the metering liquid quantity 32 provided in the pipetting device 10, more precisely in the pipetting receiving space 28 of the pipetting tip 26, is displaced along the channel axis K away from the pipetting opening 30 into the pipetting device 10, more precisely into the pipetting tip 26. The dosing liquid 32 provided is limited to the pipetting piston 14 through a meniscus 32a which lies further away from the pipetting opening 30 and is bounded toward the pipetting opening 30 by a meniscus 32b nearer the opening of the pipetting opening. As a result of the displacement of the dosing liquid 32 away from the pipetting opening 30, a gas volume 35 is formed between the pipetting opening 30 and the meniscus 32b near the pipetting opening.
Bei einer beispielhaft aufgenommenen Dosierflüssigkeitsmenge 32 von 40 μΙ beträgt das Gasvolumen 35 unmittelbar vor Auslösen des impulsartig dispensierenden Überdruckimpulses bevorzugt 4 bis 10 μΙ, besonders bevorzugt 4 bis 6 μΙ. Durch die Verlagerung des pipettieröffnungsnäheren und daher den späteren Dosiertropfen 36 abgebenden Meniskus 32b von der Pipettieroffnung 30 weg erhält der nach dem Aspirieren mit Undefinierter Gestalt, insbesondere Undefinierter Wölbung, an der Pipettieroffnung 30 vorliegende Meniskus 32b eine stärker definierte Gestalt. Wenngleich nach dem Erzeugen des Gasvolumens 35 gemäß Figur 2a die Gestalt des pipettieröffnungsnäheren Meniskus 32b nicht vollständig definiert ist, so schwankt dessen Gestalt jedoch in nur geringem Maße um eine üblicherweise zu erwartende Gestalt. Die Gestalt des pipettieröffnungsnäheren Meniskus 32b ist beispielsweise abhängig von der Oberflächenspannung der Dosierflüssigkeit 32, von deren Dichte, von deren Viskosität und von der Benetzbarkeit der Wandung der Pipettierspitze 26. Gemäß Figur 2b kann die Steuervorrichtung 24 die Spulen 22 anschließend zur Bewegung des Pipettierkolbens 14 im Sinne einer Druckerhöhung im Arbeitsgas 34 antreiben, d. h. den Pipettierkolben 14 in Richtung zur Pipettieroffnung 30 hin verlagern. Dadurch wird die in der Pipettierspitze 26 bereitgestellte Dosierflüssigkeit 32 wieder zurück in Richtung zur Pipettieroffnung 30 hin verlagert, jedoch nicht darüber hinaus. Das Gasvolumen 35 zwischen Pipettieroffnung 30 und pipettieröffnungs- näherem Meniskus 32b wird dadurch geringer oder verschwindet sogar ganz. Auch diese Veränderung des Arbeitsgasdrucks erfolgt nicht impulsartig, sondern gemäß herkömmlichem, quasi-synchronen Betrieb. Weiter kann die Steuervorrichtung 24 erneut die Spulen 22 zur Bewegung des Pipettierkolbens 14 im Sinne einer Verringerung des Drucks des Arbeitsgases 34 antreiben, d. h. in einem Aspirationssinn von der Pipettieroffnung 30 weg, wodurch erneut ein Gasvolumen 35 zwischen der Pipettieroffnung 30 und dem pipettieröffnungsnäheren Meniskus 32b der Dosierflüssigkeit 32 gebildet oder/und vergrößert wird. Auch dies geschieht in herkömmlichem quasi-synchronen Pipettierbetrieb. Durch die Hin- und Herbewegung der Dosierflüssigkeit 32 in der Pipettierspitze 26, wie sie in den Figuren 2a bis 2c dargestellt ist, wird für ein und dieselbe Dosierflüssigkeit 32 am Ende des Erzeugens des zweiten Unterdrucks gemäß Figur 2c ein stets gleich gestalteter Meniskus 32b gebildet, was für den anschließenden impulsartigen Dis- pensationsvorgang, wie er in den Figuren 3a bis 3c dargestellt und beschrieben ist, von Vorteil ist. Der Vorteil liegt in der Verringerung der minimal dispensierbaren Flüssigkeitsmenge und die erreichbare Wiederholbarkeit derselben beim Aliquotieren. In an exemplary recorded Dosierflüssigkeitsmenge 32 of 40 μΙ, the gas volume 35 is preferably 4 to 10 μΙ, particularly preferably 4 to 6 μΙ immediately before triggering the pulse-like dispensing overpressure pulse. As a result of the displacement of the meniscus 32b, which is closer to the pipetting opening and therefore discharges the subsequent metering drop 36, away from the pipetting opening 30, the meniscus 32b present after aspiration with undefined shape, in particular undefined curvature, receives a more defined shape. Although the shape of the pipetting-open-close meniscus 32b is not completely defined after the generation of the gas volume 35 according to FIG. 2a, its shape varies only to a slight extent by a conventionally expected shape. The shape of the pipetting-closer meniscus 32b depends, for example, on the surface tension of the dosing liquid 32, on its density, on its viscosity and on the wettability of the wall of the pipetting tip 26. According to FIG. 2b, the control device 24 can move the spools 22 to move the pipetting piston 14 in FIG To drive sense of an increase in pressure in the working gas 34, ie the pipetting piston 14 in the direction of Pipettieroffnung 30 towards shift. As a result, the dosing liquid 32 provided in the pipetting tip 26 is displaced back toward the pipetting opening 30, but not beyond. The gas volume 35 between Pipettieroffnung 30 and pipettieröffnungs- closer meniscus 32b is thereby less or even disappears completely. This change in the working gas pressure is not pulse-like, but according to conventional, quasi-synchronous operation. Further, the controller 24 may again drive the spools 22 to move the pipetting piston 14 to reduce the pressure of the working gas 34, ie, move away from the pipetting orifice 30 in an aspiration sense, again causing a gas volume 35 between the pipetting orifice 30 and the meniscus 32b closer to the pipetting orifice Dosing liquid 32 is formed or / and increased. This also happens in conventional quasi-synchronous pipetting operation. As a result of the reciprocating movement of the dosing liquid 32 in the pipette tip 26, as shown in FIGS. 2 a to 2 c, an identically shaped meniscus 32 b is formed for one and the same dosing liquid 32 at the end of the generation of the second negative pressure according to FIG. which is advantageous for the subsequent pulse-like dispensing operation, as illustrated and described in FIGS. 3a to 3c. The advantage lies in the reduction of the minimum dispensable amount of liquid and the achievable repeatability of the same when aliquoting.
Die Figur 3a stellt die Pipettiervorrichtung 10 von Figur 2c auf gesonderten Figuren- blatt dar, um den Vergleich der unterschiedlichen Zustände der Pipettiervorrichtung 10 unmittelbar vor und während der Erzeugung eines Druckimpulses besser vergleichen zu können. Zentraler Punkt der erfinderischen Idee der vorliegenden Anmeldung ist eine peitschenartige Bewegung des Kolbens 14. Diese peitschenartige Bewegung kommt in mehrerlei Ausprägungen zum Ausdruck. Aufgrund des bereitgestellten bevorzugten Linearmotors 20 kann der Kolben 14 mit enormer Bewegungsdynamik längs der Kanalachse K bewegt werden. Zur Dispensation einer kleinen Flüssigkeitsmenge, etwa 500 nl der Dosierflüssigkeit 32, wird der Kolben 14 zunächst schnell im Sinne einer Erzeugung einer Druckerhöhung im Arbeitsgas 34 (hier: Dispensationsrichtung) zur Dosieröffnung 30 hin beschleunigt und bewegt. Die Steuervorrichtung 24 steuert die Spulen 22 des Linearmotors 20 nach Maßgabe eines Erfassungsergebnisses des Drucksensors 38 derart an, dass der Kolben 14 einen Druckimpuls im Arbeitsgas 34 erzeugt, welcher einem in einem Datenspeicher der Steuervorrichtung 24 vorgegebenen Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf folgt. Dabei führt der Kolben 14 einen so großen Hub P aus, dass die dosier- seitige Endfläche 14a des Kolbens 14 längs des Hubs P ein Vielfaches, etwa das 40- fache, des vorbestimmten Einzel-Dosiervolumens 36 (siehe Figur 3c) überstreicht. Der Kolben befindet sich dann in der in Figur 3b gezeigten Stellung am unteren Totpunkt seiner Bewegung in Dispensationsrichtung, woraufhin der Kolben 14 zu einer entgegengesetzten Bewegung in Aspirationsrichtung, also im Sinne einer Verringe- rung des Drucks des Arbeitsgases 34 (siehe Pfeil G) angetrieben wird. FIG. 3a shows the pipetting device 10 of FIG. 2c on a separate sheet of figures in order to be better able to compare the comparison of the different states of the pipetting device 10 immediately before and during the generation of a pressure pulse. Central point of the inventive idea of the present application is a whip-like movement of the piston 14. This whip-like movement is expressed in several forms. Due to the provided preferred linear motor 20, the piston 14 can be moved with enormous dynamics of movement along the channel axis K. To dispense a small amount of liquid, about 500 nl of the dosing liquid 32, the piston 14 is first accelerated and moved rapidly in the sense of generating a pressure increase in the working gas 34 (here: dispensing direction) to the dosing 30. The control device 24 controls the coils 22 of the linear motor 20 in accordance with a detection result of the pressure sensor 38 such that the piston 14 generates a pressure pulse in the working gas 34, which follows a predetermined in a data memory of the control device 24 working gas target pressure pulse course. The piston 14 carries out a stroke P of such a size that the metering-side end face 14a of the piston 14 sweeps along the stroke P by a multiple, say 40 times, of the predetermined single metering volume 36 (see FIG. 3c). The piston is then in the position shown in FIG. 3b at the bottom dead center of its movement in the dispensing direction, whereupon the piston 14 is driven to an opposite movement in the aspiration direction, ie in the sense of a reduction of the pressure of the working gas 34 (see arrow G) ,
Auch in diesem Abschnitt der Kolbenbewegung in Aspirationsrichtung wird die Bewegung des Kolbens 14 nach Maßgabe eines Erfassungsergebnisses des Drucksensors 38 derart gesteuert, dass der durch die Kolbenbewegung bewirkte Druck des Arbeitsgases 34 einem in einem Datenspeicher der Steuervorrichtung 24 vorgegebenen Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf folgt. Also in this section of the piston movement in Aspirationsrichtung the movement of the piston 14 is controlled in accordance with a detection result of the pressure sensor 38 such that the pressure caused by the piston movement of the working gas 34 follows a predetermined in a data memory of the control device 24 working gas target pressure pulse course.
Die anfängliche impuls- oder peitschenartige Bewegung des Kolbens 14 in Dispensationsrichtung dauert im vorliegenden Beispiel weniger als 10 ms. Wenn der Kolben 14 seinen unteren Totpunkt erreicht, hat sich üblicherweise noch kein Teil der Dosierflüssigkeit 32 von der Pipettierspitze 26 gelöst. Der pipettieröffnungsnähere Meniskus 32b ist in einer eine Tropfenabgabe vorbereitenden Gestalt dargestellt. Die Gestalt des Meniskus 32b ist lediglich zu Illustrationszwecken gewählt, um zu ver- deutlichen, dass eine Abgabe eines Dosierflüssigkeitstropfens 36 (s. Fig. 3c) bevorsteht. Der pipettieröffnungsfernere Meniskus 32a ist konkav gekrümmt dargestellt, um die Wirkung des Überdruckimpulses auf die Dosierflüssigkeit 32 darzustellen. Der Kolben wird in Dispensationsrichtung etwa mit einer maximalen Geschwindigkeit von etwa 10.000 μΙ/s bewegt und hierzu mit einer Beschleunigung von bis zu 8 x 106 μΙ/s2 beschleunigt und wieder verzögert. Die maximale Geschwindigkeit tritt allerdings nur kurzzeitig auf. Dies bedeutet, dass der Kolben in dem genannten Fall, in dem seine dosierseitige Endfläche 14a im Verlauf der Dispensationsbewegung ein Volumen von etwa dem 40-fachen des Einzel-Dosiervolumens 36, also etwa 20 μΙ, überstreicht, für diese Dispensationsbewegung etwa 6 bis 8 ms benötigt. The initial impulse or whip-like movement of the piston 14 in the dispensing direction lasts less than 10 ms in the present example. When the piston 14 reaches its bottom dead center, usually no part of the dosing liquid 32 has yet detached from the pipetting tip 26. The pipette-open-close meniscus 32b is shown in a drop-preparatory form. The shape of the meniscus 32b is chosen for purposes of illustration only. clearly indicate that delivery of a dosing liquid drop 36 (see Fig. 3c) is imminent. The pipetting-opening-remote meniscus 32a is shown concavely curved in order to illustrate the effect of the overpressure pulse on the dosing liquid 32. The piston is moved in the dispensing direction approximately at a maximum speed of approximately 10,000 μΙ / s and accelerated and decelerated with an acceleration of up to 8 × 10 6 μΙ / s 2 . However, the maximum speed only occurs for a short time. This means that the piston in the said case in which its dosing-side end face 14a in the course of the dispensing movement sweeps over a volume of about 40 times the single dosing volume 36, ie about 20 μΙ, for this dispensing movement about 6 to 8 ms needed.
Die Dosierflüssigkeit 32 ist hier zu träge, um dieser Kolbenbewegung zu folgen. Stattdessen wird vom Kolben 14 ein Druckimpuls über das Arbeitsgas 34 hinweg zur Dosierflüssigkeit 32 in der Pipettierspitze 26 übertragen. Ausgehend von der in Figur 3b gezeigten Darstellung wird nun der Kolben 14 möglichst sofort zurück in Aspirationsrichtung beschleunigt, wobei der Bewegungshub G in Aspirationsrichtung im vorliegenden Fall insoweit geringer ist als der Hub P der Bewegung in Dispensationsrichtung, dass die endseitige Kolbenfläche 14a im Verlauf der Bewegung in Aspira- tionsrichtung ein Aspirationsvolumen überstreicht, welches um das Einzel-Dosiervolumen 36 geringer ist als das überstrichene Dispensationsvolumen. The metering liquid 32 is too slow here to follow this piston movement. Instead, the piston 14 transmits a pressure pulse across the working gas 34 to the metering liquid 32 in the pipette tip 26. Starting from the representation shown in Figure 3b, the piston 14 is accelerated as soon as possible back into the aspiration, wherein the movement stroke G in aspiration in the present case is so far less than the stroke P of the movement in the dispensing, that the end-side piston surface 14a in the course of movement Aspiration in the direction of aspiration overflows, which is lower by the single metering volume 36 than the swept dispensing volume.
Dies muss allerdings nicht so sein. Das Aspirationsvolumen kann auch genauso groß sein wie das Dispensationsvolumen. Ein um das Einzel-Dosiervolumen 36 reduzier- tes Aspirationsvolumen hat jedoch den Vorteil, dass sich die Lage des pipettieröff- nungsnäheren Meniskus nach dem Pipettieren nicht ändert, was vor allem im Aliquotierbetrieb vorteilhaft ist. However, this does not have to be the case. The aspiration volume can also be just as large as the dispensing volume. However, an aspiration volume reduced by the single dosing volume has the advantage that the position of the pipetting-closer meniscus does not change after pipetting, which is advantageous, above all, in the aliquoting mode.
In der In Figur 3c gezeigten Endstellung der Pipettiervorrichtung 10 nach dem Ende des impulsartigen Dispensationsvorgangs befindet sich die dosierseitige Endfläche 14a um einen resultierenden Hub H von der Ausgangsstellung der Figur 3a entfernt, wobei im dargestellten Beispiel die Kolbenfläche des Kolbens 14 multipliziert mit dem resultierenden Hub H dem Einzel-Dosiervolumen 36 entspricht. Auch die Bewegung in Aspirationsrichtung im Rahmen der impulsartigen Dispensation läuft mit der genannten maximalen Geschwindigkeit ab, sodass auch diese Bewegung etwa 6 bis 8 ms benötigt. Mit zusätzlichen Verweilzeiten am unteren Tot- punkt, welche durch Überwinden der Haftreibungsgrenze entstehen können, sowie unter Einbeziehung von etwaig auftretenden Bewegungsüberschwingern des Kolbens 14 um seine Soll-Position erfolgt die gesamte Kolbenbewegung bis zum Erreichen der Endstellung, wie sie in Figur 3c gezeigt ist, in etwa 14 bis 30 ms. Erst nach der Umkehr der Kolbenbewegung von der Dispensationsrichtung in die Aspirationsrichtung wird ein definiertes Einzel-Dosiervolumen 36 in Form eines Tropfens von der Pipettieroffnung 30 weggeschleudert. Dieser Tropfen bewegt sich längs der verlängert gedachten Kanalbahn K zu einem unter der Pipettieroffnung 30 platzierten Dosierziel, etwa einem Behälter oder einem Well. Der pipettieröffnungsnähe- re Meniskus 32b kann nach dem Abschleudern des Dosierflüssigkeitstropfens 36 noch kurzzeitig nachschwingen. In the end position of the pipetting device 10 shown in FIG. 3c after the end of the pulse-like dispensing process, the dosage-side end surface 14a is a resultant stroke H away from the initial position of FIG. 3a, in the illustrated example the piston area of the piston 14 multiplied by the resulting stroke H. the single metering volume 36 corresponds. The movement in the direction of aspiration in the context of the pulse-like dispensation runs at the said maximum speed, so that this movement also takes about 6 to 8 ms. With additional dwell times at the bottom dead center, which can arise by overcoming the static friction limit, as well as possibly occurring movement overshoots of the piston 14 about its desired position, the entire piston movement takes place until reaching the end position, as shown in Figure 3c, in about 14 to 30 ms. Only after the reversal of the piston movement from the dispensing direction in the aspiration direction is a defined single metering volume 36 in the form of a drop ejected from the pipetting opening 30. This droplet moves along the extended imaginary channel path K to a metering target placed below the pipetting opening 30, for example a container or a well. The meniscus 32b nearer to the opening of the pipetting opening 36 can still vibrate for a short time after the dosing liquid drop 36 has been spun off.
Die Pipettierspitze 26 kann ein das Einzel-Dosiervolumen wesentlich übersteigendes Nenn-Pipettierraumvolumen aufweisen, etwa 200 - 400 μΙ, bevorzugt 300 μΙ. The pipetting tip 26 may have a nominal pipetting volume substantially exceeding the single metering volume, approximately 200-400 μΙ, preferably 300 μΙ.
Die Bewegung des Kolbens 14 in Aspirationsrichtung verläuft wiederum so schnell, dass von der dosierseitigen Endfläche 14a zur Dosierflüssigkeit 32 im Pipettierraum 28 ein Druckverringerungsimpuls übertragen wird. Der Druckerhöhungsimpuls der Kolbenbewegung in Dispensationsrichtung bildet die steile steigende Flanke eines Druckimpulses, dessen steile fallende Flanke der Druckverringerungspuls der Kolben beweg ung in Aspirationsrichtung bildet. Je schneller die einzelne Kolbenbewegung abläuft, desto steiler ist die Flanke des ihr zugeordneten Druckveränderungspulses. Die beiden in entgegengesetzten Sinnen wirkenden Druckveränderungspulse können so einen "harten" Druckimpuls mit steilen Flanken definieren. Das Auftreffen des so gebildeten "harten" Druckimpulses führt zu dem äußerst präzise wiederholbaren Dispensationsergebnis. The movement of the piston 14 in the direction of aspiration in turn proceeds so fast that a pressure reduction pulse is transmitted from the dosing-side end face 14a to the dosing liquid 32 in the pipetting chamber 28. The pressure increase pulse of the piston movement in the dispensing direction forms the steep rising edge of a pressure pulse whose steep falling edge of the pressure reduction pulse of the piston movement forms in the direction of aspiration. The faster the individual piston movement takes place, the steeper the flank of the pressure change pulse associated with it. The two pressure change pulses acting in opposite senses can thus define a "hard" pressure pulse with steep flanks. The impact of the thus formed "hard" pressure pulse leads to the extremely precise reproducible dispensing result.
Während der gesamten Kolbenbewegung zur Erzeugung des Druckimpulses mit Überdruckanteil und mit Unterdruckanteil wird die Kolben beweg ung von der Steuervorrichtung 24 durch entsprechendes Anlegen einer Spannung an die Spulen 22 derart gesteuert, dass der Druck des Arbeitsgases während des Druckimpulses einem vorgegebenen Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf folgt. Unter Berücksichtigung von Positionserfassungssignalen der Positionssensoranordnung 39 kann der Pipettierkolben 14 am Ende des Dispensationsvorgangs in eine definierte Endstellung verbracht werden. During the entire piston movement to generate the pressure pulse with excess pressure and negative pressure portion, the piston is moved by the control device 24 by applying a corresponding voltage to the coils 22 controlled such that the pressure of the working gas during the pressure pulse a predetermined working gas target pressure pulse follows , Taking into account position detection signals of the position sensor arrangement 39, the pipetting piston 14 can be brought into a defined end position at the end of the dispensing process.
Überraschenderweise ist der hier vorgestellte Dispensationsvorgang unabhängig von der Größe der gewählten Pipettierspitze 26. Die gleiche oben beschriebene Kolbenbewegung würde auch bei einer deutlich kleineren Pipettierspitze von etwa einem Nenn-Pipettierraumvolumen von 50 μΙ zu exakt dem gleichen Ergebnis führen, vorausgesetzt, das gleiche Arbeitsgas und die gleiche Dosierflüssigkeit werden weiterhin bei unveränderten Dispensationsparametern verwendet. Surprisingly, the dispensing process presented here is independent of the size of the selected pipette tip 26. The same piston movement described above would lead to exactly the same result even with a significantly smaller pipetting tip of about a nominal pipetting volume of 50 μΙ, provided the same working gas and same dosing liquid will continue to be used with unchanged dispensing parameters.
Somit eignen sich die vorliegende erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung und das vorgestellte erfindungsgemäße impulsartige Dispensationsverfahren hervorragend zum Aliquotieren von Flüssigkeiten aus selbst großen in Pipettierspitzen 26 aufgenommenen Vorräten von Dosierflüssigkeit 32. Auch über viele Aliquotier-Zyklen hin- weg ändert sich das Dispensationsverhalten der Pipettiervorrichtung 10 bei sonst gleichen Bedingungen nicht. Das Dispensationsverhalten der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung 10 ist somit auch unabhängig vom Füllungsgrad einer an den Zylinder 12 angekoppelten Pipettierspitze 26, solange diese für ein impulsartiges Dispensieren ausreichend gefüllt ist. Thus, the present pipetting device according to the invention and the presented pulse-like dispensing method are eminently suitable for aliquoting liquids from even large amounts of dosing liquid 32 received in pipette tips 26. Even over many aliquoting cycles, the dispensing behavior of the pipetting device 10 changes under otherwise identical conditions Not. The dispensing behavior of the pipetting device 10 according to the invention is thus independent of the degree of filling of a coupled to the cylinder 12 pipetting tip 26, as long as it is sufficiently filled for a pulse-like dispensing.
Die Kolbenbewegung kann aufgrund der Massenträgheit dem die Bewegung begründenden Steuersignal möglicherweise nicht vollkommen exakt folgen. An Stellen großer dynamischer Kräfte - namentlich bei der Umkehr der Bewegungsrichtung von der Dispensationsnchtung in die Aspirationsrichtung, aber auch beim Anhalten des Kolbens - kann der Kolben zum Überschwingen um die Soll-Position herum neigen. Entscheidend sollen daher im Zweifel die die Bewegung begründenden Steuersignale sein, die Abbild einer Soll-Bewegung sind. The piston movement may not be perfectly accurate due to the inertia of the motion-based control signal. In places of great dynamic forces - especially in the reversal of the direction of movement of the Dispensationsnchtung in the Aspirationsrichtung, but also when stopping the piston - the piston may tend to overshoot to the desired position around. In case of doubt, therefore, the decisive factors are the control signals that form the basis of the movement, which are the image of a desired movement.
Es sei ausdrücklich angemerkt, dass eine impulsartige Dispensation auch ausgehend vom Zustand gemäß Figur 1 erfolgen kann, d. h. ohne vorherige Bildung des pipettieröffnungsnahen Gasvolumens 35. In Figur 4 ist grobschematisch und lediglich beispielhaft ein zeitlicher Verlauf 42 der Bewegung des Kolbens 14 (gestrichelte Linie) schematisiert dargestellt, wie sie bei einem Dispensationsvorgang der Figuren 3a bis 3c vorliegen könnten. It should be expressly noted that a pulse-like dispensation can also take place starting from the state according to FIG. H. without prior formation of the pipettieröffnungsnahen gas volume 35. In Figure 4 is a roughly schematic and merely exemplified a time course 42 of the movement of the piston 14 (dashed line) shown schematically, as they could be present in a Dispensationsvorgang of Figures 3a to 3c.
Die aktuelle Kolbenstellung zu Beginn des Dispensationsvorgangs, also die in Figur 3a gezeigte Kolbenstellung, ist in Figur 4 als Nullpunktlinie gewählt. The current piston position at the beginning of the dispensing process, ie the piston position shown in FIG. 3a, is selected as the zero point line in FIG.
Die Abszisse der Darstellung von Figur 4 zeigt die Zeit in Millisekunden, wobei eine Rasterung von jeweils 10 ms gewählt ist. Die Ordinate zeigt das Volumen in Mikroliter, wobei in Bezug auf die Ort-Zeit-Kurve 42 des Kolbens 14 das Volumen der Ordinatenachse das von der dosierseitigen Endfläche 14a des Kolbens 14 überstrichene Volumen angibt. The abscissa of the representation of Figure 4 shows the time in milliseconds, with a screening of 10 ms is selected. The ordinate shows the volume in microliters, and with respect to the time-of-place curve 42 of the piston 14, the volume of the ordinate axis indicates the volume swept by the metering-side end surface 14a of the piston 14.
Mit 46 und 48 sind die Orte der sogenannten "Halbwegsweite" des Kolbens 14 zwi- sehen seiner Startstellung bei 0 μΙ und seinem Umkehrpunkt der Bewegungsrichtung bei etwa -22,5 μΙ bezeichnet. Die Halbwegsweite liegt daher bei etwa bei -1 1 ,25 μΙ. With 46 and 48, the locations of the so-called "halfway distance" of the piston 14 between its start position at 0 μΙ and its reversal point of the direction of movement at about -22.5 μΙ are designated. The halfway distance is therefore approximately at -1 1, 25 μΙ.
Das zeitliche Integral der Ort-Zeit-Kurve des Kolbens 14 - etwa repräsentiert durch die Ort-Zeit-Kurve der dosierseitigen Kolbenfläche 14a als einem Bezugspunkt des Kolbens 14 - zwischen dem Durchgang durch den Ort der Halbwegsweite bei der Bewegung in Dispensationsnchtung und dem erneuten Durchgang durch diesen Ort während seiner Bewegung in Aspirationsrichtung ist ein Maß für das mit der Kolbenbewegung tatsächlich impulsartig dispensierte Einzel-Dosiervolumen 36. Eine durch dieses Integral gebildete Fläche ist als Fläche 50 in Figur 4 schraffiert dargestellt. Der Zusammenhang zwischen dem Flächeninhalt der Fläche 50 und dem tatsächlich pipettierten Einzel-Dosiervolumen 36 lässt sich für unterschiedliche Flüssigkeitsklassen einfach empirisch ermitteln und in einem Datenspeicher der Pipettiervor- richtung 10 hinterlegen. The time integral of the time-place curve of the piston 14 - represented approximately by the time-place curve of the dosing-side piston surface 14a as a reference point of the piston 14 - between the passage through the location of the half-distance in the dispensing movement and the re-passage through this location during its movement in aspiration direction is a measure of the actually metered with the piston movement impulsively single-dosing volume 36. A surface formed by this integral is hatched as area 50 in FIG. The relationship between the surface area of the surface 50 and the actually pipetted individual dosing volume 36 can be determined empirically for different liquid classes and stored in a data memory of the pipetting device 10.
Somit lassen sich sehr kleine Einzel-Dosiervolumina 36 von 2 μΙ oder weniger in höchstem Maße wiederholgenau mit der gleichen Pipettiervorrichtung 10 impulsartig dispensieren, mit welcher auch große Pipettiervolumen von mehreren 100 μΙ in her- kömmlichem quasi-synchronen Pipettierbetrieb sowohl aspiriert als auch dispensiert werden können. Thus, very small individual metering volumes 36 of 2 .mu.Ι or less can be dispensed in a highly repetitive manner with the same pipetting apparatus 10, with which even large pipetting volumes of several 100 .mu.s can be aspirated and dispensed in conventional quasi-synchronous pipetting operation ,
In Figur 5 ist grobschematisch eine Regelungsstruktur 52 dargestellt, wie sie in der Steuervorrichtung 24 zur Anwendung kommen kann. FIG. 5 shows a roughly schematic representation of a control structure 52, as may be used in the control device 24.
Die Regelungsstruktur 52 ist eine kaskadierte Regelungsstruktur mit einem äußersten Regelkreis 54, einem mittleren Regelkreis 56 und einem innersten Regelkreis 58. The control structure 52 is a cascaded control structure having an outermost control circuit 54, a middle control circuit 56, and an innermost control circuit 58.
In einem Datenspeicher der Steuervorrichtung 24 ist ein Arbeitsgas-Soll-Druck- impulsverlauf 60 gespeichert, welcher Soll-Werte des Drucks im Arbeitsgas als Funktion der Zeit für einen impulsartigen Dispensationsvorgang zur Dispensation eines vorbestimmten Flüssigkeitsvolumens gespeichert. In a data memory of the control device 24, a working gas desired pressure pulse course 60 is stored which stores desired values of the pressure in the working gas as a function of time for a pulse-like dispensing process for dispensing a predetermined volume of liquid.
Tatsächlich kann in dem Datenspeicher der Steuervorrichtung 24 eine Mehrzahl von Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverläufen gespeichert sein, und zwar mehrdimensional geordnet für unterschiedliche Flüssigkeitsklassen und innerhalb der unterschiedlichen Flüssigkeitsklassen für unterschiedliche Dosierflüssigkeitsmengen. Indeed, a plurality of desired working gas pressure pulse waveforms may be stored in the data memory of the controller 24, multi-dimensionally ordered for different classes of fluids and within different fluid classes for different metered fluid volumes.
Abhängig von der durch manuelle Dateneingabe oder Datenübertragung von einer anderen Vorrichtung angezeigten benötigten Dosierflüssigkeitsmenge wählt die Steuervorrichtung 24 für die ebenfalls durch manuelle Dateneingabe oder automatisierte Datenübertragung angezeigte Flüssigkeitsklasse den für die angezeigte Do- sierflüssigkeitsmenge zutreffenden idealisierten Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf 60 aus und führt diesen einem äußersten Vergleicher 62 zu. Depending on the amount of dosing liquid required by manual data entry or data transfer from another device, the control device 24 selects the dosing fluid level indicated also by manual data entry or automated data transfer. Sized liquid amount of true idealized working gas target pressure pulse path 60 and supplies it to an outermost comparator 62.
Dem äußersten Vergleicher 62 wird ebenfalls ein Erfassungssignal des Druck- sensors 38 zugeführt, sodass der Vergleicher 62 für jeden Erfassungszeitpunkt den Unterschied zwischen dem für den Erfassungszeitpunkt geltenden Arbeitsgas- Solldruckwert und dem vom Drucksensor 38 erfassten Arbeitsgas-Istdruckwert ermitteln und an einen ersten Regler 64 ausgeben kann. Der erste Regler 64 ist vorteilhafterweise ein PID-Regler, welcher aufgrund der in ihm hinterlegten Übertragungsfunktionen den ermittelten Druckunterschied für jeden Erfassungszeitpunkt in einen Sollwert für die Position des Pipettierkolbens 14 überträgt. Dieser Positions-Sollwert des ersten Reglers 64 des äußersten Regelkreises 54 wird einem zweiten Vergleich 66 zugeführt. The extreme comparator 62 is also supplied with a detection signal from the pressure sensor 38, so that the comparator 62 determines the difference between the working gas target pressure value valid for the detection time and the actual working gas pressure detected by the pressure sensor 38 and outputs it to a first controller 64 can. The first controller 64 is advantageously a PID controller, which transmits the determined pressure difference for each detection time point into a desired value for the position of the pipetting piston 14 due to the transfer functions stored in it. This position setpoint of the first controller 64 of the outermost control circuit 54 is supplied to a second comparison 66.
Dem zweiten Vergleicher 66 wird ebenso das Erfassungsergebnis der Positionssensoranordnung 39 und damit die Istposition des Pipettierkolbens 14 zugeführt. Der zweite Vergleicher 66 gibt somit einen Unterschiedswert der Pipettierkolbenposition aus, welche ein Maß für den Unterschied zwischen der errechneten Pipettierkolben- Sollposition und der erfassten Pipettierkolben-Istposition für jeden Erfassungszeitpunkt ist. The second comparator 66 is likewise supplied with the detection result of the position sensor arrangement 39 and thus with the actual position of the pipetting piston 14. The second comparator 66 thus outputs a pipetting piston position difference value, which is a measure of the difference between the calculated pipetting piston setpoint position and the detected pipetting piston actual position for each detection instant.
Zur vorteilhaft schnellen Vorsteuerung der Bewegung des Pipettierkolbens 14 ist im Datenspeicher der Steuervorrichtung 24 ein idealisierter Pipettierkolben-Soll-Posi- tionsverlauf 68 hinterlegt, welcher sich aus dem empirisch ermittelten Arbeitsgas- Soll-Druckimpulsverlauf 60 ergibt. Der für den jeweiligen Erfassungszeitpunkt geltende idealisierte Wert der Pipettierkolbenposition gemäß dem idealisierten Verlauf 68 wird im Wege der an sich bekannten Vorsteuerung ebenfalls dem zweiten Vergleicher 66 zugeführt. For advantageously fast precontrol of the movement of the pipetting piston 14, an idealized pipetting piston desired position profile 68 is stored in the data memory of the control device 24, which results from the empirically determined working gas desired pressure pulse course 60. The idealized value of the pipetting piston position according to the idealized profile 68, which is valid for the respective detection time, is likewise supplied to the second comparator 66 by means of the pilot control known per se.
Ein den Unterschied zwischen Pipettierkolben-Sollposition und Pipettierkolben-Istposition repräsentierender Wert wird vom zweiten Vergleicher 66 dem zweiten oder mittleren Regler 70 zugeführt, welcher vorteilhaft wieder als PID-Regler ausgestaltet ist. Dessen Übertragungsfunktion ermittelt aus der den Unterschied zwischen Soll- und Istposition des Pipettierkolbens 14 repräsentierenden Unterschiedswert einen Sollwert für den in den Spulen 22 des Bewegungsantriebs 20 fließenden Strom zum Erfassungszeitpunkt. Dieser Strom -Sollwert wird einem dritten Vergleicher 72 zuge- führt. Dem dritten Vergleicher 72 wird außerdem der Strom-Istwert zum Erfassungszeitpunkt zugeführt, welcher ohne Weiteres an den Spulen 22 in an sich bekannter Weise ermittelbar ist. A value representing the difference between the pipetting piston setpoint position and the pipetting piston actual position is supplied by the second comparator 66 to the second or middle controller 70, which advantageously again takes the form of a PID controller is. Its transfer function determines from the difference value representing the difference between the setpoint and actual positions of the pipetting piston 14 a desired value for the current flowing in the coils 22 of the movement drive 20 at the time of detection. This current setpoint is fed to a third comparator 72. The third comparator 72 is also supplied with the actual current value at the time of detection, which is readily determinable at the coils 22 in a manner known per se.
Der dritte Vergleicher 72 ermittelt somit einen den Unterschied zwischen dem Strom- Sollwert und dem Strom-Istwert zum Erfassungszeitpunkt repräsentierenden Wert und führt diesen dem dritten bzw. innersten Regler 74 zu. Vorteilhafterweise weist der dritte bzw. innerste Regler 74 ein Pl-Regelverhalten auf. The third comparator 72 thus determines a value representing the difference between the current setpoint and the current actual value at the time of detection and supplies this to the third or innermost regulator 74. Advantageously, the third or innermost controller 74 has a PI control behavior.
Im Datenspeicher der Steuervorrichtung 24 ist ein idealisierter Spulen-Soll-Strom- wertverlauf 76 gespeichert, welcher sich aus dem idealisierten Arbeitsgas-Soll- Druckimpulsverlauf 60 oder/und dem idealisierten Pipettierkolben-Soll-Positionsver- lauf 68 ergibt. In the data memory of the control device 24, an idealized coil nominal current value profile 76 is stored, which results from the idealized working gas desired pressure pulse course 60 or / and the idealized pipetting piston desired position profile 68.
Der für den jeweiligen Erfassungszeitpunkt geltende idealisierte Spulen-Soll-Strom- wert wird dem dritten Vergleicher 72 im Wege einer an sich bekannten Vorsteuerung aus dem idealisierten Spulen-Soll-Stromwertverlauf 76 zugeführt, um eine möglichst schnelle Regelung der Bewegung des Pipettierkolbens 14 derart zu erhalten, dass der durch die Bewegung des Pipettierkolbens 14 erzeugte Druckverlauf im Arbeitsgas 34 möglichst genau mit dem für den jeweiligen Pipettiervorgang ausgewählten Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf 60 übereinstimmt. The idealized coil set current value valid for the respective detection time is supplied to the third comparator 72 by way of a known pilot control from the idealized desired coil current value profile 76 in order to obtain the fastest possible control of the movement of the pipetting piston 14 in that the pressure profile generated in the working gas 34 by the movement of the pipetting piston 14 coincides as exactly as possible with the desired working gas pressure pulse course 60 selected for the respective pipetting operation.
Die Übertragungsfunktion des dritten bzw. innersten Reglers 74 ermittelt aus dem vom dritten Vergleicher 72 erhaltenen, den Unterschied zwischen Strom -Sollwert und Strom-Istwert zum Erfassungszeitpunkt repräsentierenden Eingangswert einen Spu- len-Soll-Spannungswert zum Erfassungszeitpunkt, welcher an den Spulen 22 angelegt wird. The transfer function of the third or innermost regulator 74 determines, from the input value representing the difference between the current reference value and the actual current value at the time of acquisition, a coil desired voltage value at the detection time point which is applied to the coils 22 ,
Die Regelkreisstruktur 52 kann für jede Phase der Spulen 22 gesondert vorliegen. Wiederum ist zur Erzielung einer möglichst schnellen und hochgenauen Steuerung der Kolbenposition zur Vorsteuerung auch der Spulen-Spannung im Datenspeicher der Steuervorrichtung 24 ein idealisierter Spulen-Soll-Spannungsverlauf 78 hinter- legt, welcher sich aus dem idealisierten Arbeits-Soll-Druckimpulsverlauf 60 oder/und dem idealisierten Pipettierkolben-Soll-Positionsverlauf 68 oder/und dem idealisierten Spulen-Soll-Stromwertverlauf ergibt. The control loop structure 52 may be separate for each phase of the coils 22. Again, to achieve the fastest possible and highly accurate control of the piston position for precontrol, the coil voltage in the data memory of the control device 24 is also subject to an idealized desired coil voltage curve 78, which is derived from the idealized desired working pressure pulse course 60 or / and the idealized Pipettierkolben target position profile 68 and / or the idealized coil nominal current value curve results.
Ein vierter Vergleicher 80 ist dargestellt, um die Vorsteuerung der Spulenspannung mittels des idealisierten Spulen-Soll-Spannungsverlaufs anzuzeigen. A fourth comparator 80 is shown to indicate the feedforward control of the coil voltage by means of the idealized coil desired voltage waveform.
Mit der in Figur 5 gezeigten kaskadierten Regelstruktur kann der Pipettierkolben 14 durch Anlegen einer auf Grundlage des erfassten Arbeitsgasdrucks, der erfassten Pipettierkolbenposition und des erfassten Spulenstroms im Bereich einiger weniger Millisekunden so genau bewegt werden, dass der Druckverlauf im Arbeitsgas 34 einem vorgegebenen Druckimpulsverlauf im Wesentlichen folgt. With the cascaded control structure shown in FIG. 5, the pipetting piston 14 can be moved so accurately by applying a detected working gas pressure, the detected pipetting piston position and the detected coil current in the range of a few milliseconds that the pressure curve in the working gas substantially follows a predetermined pressure pulse course ,
In den Figuren 6 bis 8 sind Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverläufe und Arbeitsgas-Ist- Druckimpulsverläufe für unterschiedliche impulsartig zu dispensierende Dosierflüs- sigkeitsmengen 36 aufgetragen. Die Abszisse der Graphen der Figuren 6 bis 18 zeigt die Zeit in Sekunden, wobei in jeder der Figuren 6 bis 8 ein Zeitraum von 5 10Ostel Sekunden dargestellt ist. In FIGS. 6 to 8, working gas setpoint pressure pulse profiles and working gas actual pressure pulse curves are plotted for different dosing liquid quantities 36 to be dispensed in a pulse-like manner. The abscissa of the graphs of FIGS. 6 to 18 shows the time in seconds, wherein in each of FIGS. 6 to 8 a period of 5 to 10th of a second is shown.
Die Ordinate der Graphen von Figuren 6 bis 8 zeigt einen Druckunterschied zu einem Bezugsdruck bzw. Bezugshaltedruck in Pascal an. Der Bezugsdruck ist jener Druck, welcher bei stillstehendem Pipettierkolben im Pipettierkanal herrscht, wobei beim Bezugsdruck kein Fluid durch die Pipettieröffnung hindurchtritt. The ordinate of the graphs of Figs. 6 to 8 indicates a pressure difference from a reference pressure in Pascal. The reference pressure is the pressure which prevails when the pipetting piston is stationary in the pipetting channel, with no fluid passing through the pipetting opening at the reference pressure.
In den Figuren 6 bis 8 ist der Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf jeweils strichliniert aufgetragen und mit den Bezugszeichen 61 (Figur 6), 63 (Figur 7) und 65 (Figur 8) bezeichnet. Ebenso ist in den genannten Figuren der Arbeitsgas-Ist-Druckimpulsverlauf mit durchgezogener Linie aufgezeichnet und mit Bezugszeichen 71 (Figur 6), 73 (Figur 7) und 75 (Figur 8) bezeichnet. Figur 6 zeigt die Druckimpulsverläufe 61 und 71 für ein impulsartig zu dispensierendes Dosierflüssigkeitsvolumen von 500 nl. Bei etwa 5 ms beginnt der Druck des Arbeitsgases 34 anzusteigen, bis er etwa bei 9 ms seinen größten Wert erreicht und aufgrund einer Bewegungsumkehr des Pipettierkolbens, der dann in Aspirationsrichtung bewegt wird, abfällt. In FIGS. 6 to 8, the desired working gas pressure pulse course is plotted in dashed lines and designated by the reference symbols 61 (FIG. 6), 63 (FIG. 7) and 65 (FIG. 8). Likewise, in the cited figures, the working gas-actual pressure pulse course is recorded by a solid line and denoted by reference symbols 71 (FIG. 6), 73 (FIG. 7) and 75 (FIG. 8). FIG. 6 shows the pressure pulse courses 61 and 71 for a dosing liquid volume of 500 nl to be dispensed in a pulse-like manner. At about 5 ms, the pressure of the working gas 34 begins to increase until it reaches its maximum value at about 9 ms and drops due to a reversal of the motion of the pipetting piston, which is then moved in the aspiration direction.
Der Druck des Arbeitsgases 34 erreicht etwa zwischen 12 und 13 ms wieder seinen Ausgangswert, fällt jedoch weiter ab, bis er etwa im Bereich zwischen 13 und 14 ms seinen maximalen Soll-Unterdruck erreicht. Von da an wird der Pipettierkolben wieder in Dispensationsrichtung bewegt, um den Arbeitsgasdruck bis zur Zeit etwa von 20 ms auf seinen Ursprungswert zurückzuführen. The pressure of the working gas 34 reaches its original value approximately between 12 and 13 ms, but continues to fall until it reaches its maximum setpoint negative pressure in the range between 13 and 14 ms. From then on, the pipetting piston is again moved in the dispensing direction in order to return the working gas pressure to its original value until the time of approximately 20 ms.
Der Soll-Druckimpuls dauert somit von etwa 5 ms bis zum Zeitpunkt 20 ms und erstreckt sich somit über 15 ms. Im Überdruckanteil des Druckimpulses folgt der Druck des Arbeitsgases 34 dem Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf sehr gut. In der Phase des Abbaus des Unterdrucks, also in der Zeitspanne von etwa 13,5 bis 20 ms, schwingt der tatsächliche Druck des Arbeitsgases 34 ein wenig um den Soll-Arbeitsgasdruck. Die Ablösung des Dosierflüssigkeitstropfens erfolgt in der abfallenden Druckflanke zwischen dem maximalen Überdruck und dem maximalen Unterdruck. Dies gilt auch für die Dispensationen der Figuren 7 und 8. The target pressure pulse thus lasts from about 5 ms to the time 20 ms and thus extends over 15 ms. In the overpressure portion of the pressure pulse, the pressure of the working gas 34 follows the working gas desired pressure pulse course very well. In the phase of the reduction of the negative pressure, ie in the period of about 13.5 to 20 ms, the actual pressure of the working gas 34 oscillates a little by the desired working gas pressure. The separation of the dosing liquid droplet takes place in the falling pressure flank between the maximum overpressure and the maximum negative pressure. This also applies to the dispensations of FIGS. 7 and 8.
Die Figur 7 zeigt im Wesentlichen den Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf 63 und den Arbeitsgas-Ist-Druckimpulsverlauf 73 für ein impulsartig zu dispensierendes Dosierflüssigkeitsvolumen vom 1 μΙ. Ausweislich des Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlaufs 62 dauert der ideale Druckimpuls für diesen Dispensationsvorgang etwa 19 ms, nämlich von etwa dem Zeitpunkt 4 ms bis etwa 23 ms. Wiederum weist der Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf für die Dispensation zunächst einen Überdruckanteil auf, etwa zwischen den Zeitpunkten 4 ms und 15 ms, und weist einen Unterdruckanteil auf, nämlich etwa im Bereich von 15 ms bis 23 ms. In Figur 8 sind der Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf 65 und der Arbeitsgas-Ist- Druckimpulsverlauf 75 für eine impulsartige Dispensation eines Dosierflüssigkeits- tropfens von 1 ,5 μΙ aufgetragen. FIG. 7 essentially shows the desired working gas pressure pulse course 63 and the working gas actual pressure pulse course 73 for a dosing liquid volume of 1 μΙ to be dispensed in a pulse-like manner. As can be seen from the desired working gas pressure pulse curve 62, the ideal pressure pulse for this dispensing process lasts about 19 ms, namely from about 4 ms to about 23 ms. Again, the Working gas setpoint pressure pulse course for the dispensation initially a positive pressure portion, such as between the times 4 ms and 15 ms, and has a negative pressure portion, namely in the range of 15 ms to 23 ms. FIG. 8 shows the working gas desired pressure pulse course 65 and the working gas actual pressure pulse course 75 for a pulse-like dispensing of a dosing liquid drop of 1.5 μΙ.
Aufgrund der einsetzenden Bewegung des Pipettierkolbens beginnt der Druck des Arbeitsgases 34 etwa zum Zeitpunkt 4 ms anzusteigen, steigt bis etwa 8 ms steil an und steigt dann von etwa 8 ms bis 21 ,5 ms flach an. Anschließend fällt der Arbeitsgas-Soll-Druckimpuls bis etwa zum Zeitpunkt 27 ms ab, wo er seinen maximalen Unterdruck erreicht. Von dort an steigt er bis zum Zeitpunkt von etwa 32,5 ms wieder auf seinen Bezugsdruck an. Der gesamte Druckimpuls zur impulsartigen Dispensa- tion von 1 ,5 μΙ der dispensierten Dosierflüssigkeit dauert idealisiert nicht einmal 30 ms. Due to the onset of movement of the pipetting piston, the pressure of the working gas 34 begins to increase at about 4 ms, rises steeply to about 8 ms, and then flattens from about 8 ms to 21.5 ms. Subsequently, the desired working gas pressure pulse drops until approximately 27 ms, where it reaches its maximum negative pressure. From there it rises again to its reference pressure until the time of about 32.5 ms. Ideally, the entire pressure impulse for the pulse-like dispensing of 1, 5 μΙ of the dispensed dosing liquid does not last even 30 ms.
Die mit dem vorliegenden Regel verfahren erzielbaren Wiederholgenauigkeiten von dispensierten Dosierflüssigkeitsvolumina liegen im Bereich von unter 3 %. The achievable with this rule rule repeatability of dispensed dosing liquid volumes are in the range of less than 3%.

Claims

Ansprüche claims
Pipettiervornchtung (10) zum impulsartigen Pipettieren von Dosierflüssigkeiten in kleinen Dosiervolumina von weniger als 2 μΙ unter Vermittlung eines druckveränderlichen Arbeitsgases (34), wobei die Pipettiervornchtung (10) umfasst: einen wenigstens teilweise mit Arbeitsgas (34) gefüllten PipettierkanalPipetting device (10) for pulsed pipetting of dosing liquids in small dosing volumes of less than 2 μΙ mediated by a pressure-variable working gas (34), wherein the Pipettiervornchtung (10) comprises: at least partially filled with working gas (34) pipetting
(1 1 ). (1 1).
eine Pipettierspitze (26), welche einen wenigstens teilweise mit Arbeitsgas (34) gefüllten Aufnahmeraum (28) bereitstellt, der mit dem Pipettierkanal (1 1 ) Druck kommunizierend in Verbindung steht und welcher durch eine Pipettieröffnung (30) zugänglich ist, so dass mittels Veränderung des Drucks des Arbeitsgases im Aufnahmeraum durch die Pipettieröffnung (30) hindurch die Menge an im Aufnahmeraum aufgenommener Dosierflüssigkeit veränderbar ist,  a pipetting tip (26) which provides a receiving space (28) at least partially filled with working gas (34) which communicates with the pipetting channel (11) to communicate and which is accessible through a pipetting opening (30) so as to change the pressure of the working gas in the receiving space through the pipetting opening (30) through the amount of dosing liquid received in the receiving space is variable,
einen längs des Pipettierkanals (1 1 ) beweglich im Pipettierkanal aufgenommenen Pipettierkolben (14) zur Veränderung des Drucks des Arbeitsgases (34),  a pipetting piston (14) movably accommodated in the pipetting channel along the pipetting channel (11) for changing the pressure of the working gas (34),
einen Bewegungsantrieb (20), um den Pipettierkolben (14) zur Bewegung längs des Pipettierkanals (1 1 ) anzutreiben,  a movement drive (20) for driving the pipetting piston (14) for movement along the pipetting channel (1 1),
eine Steuervorrichtung (24) zur Ansteuerung des Bewegungsantriebs (20), und  a control device (24) for controlling the movement drive (20), and
einen Drucksensor (38) zur Erfassung des Drucks des Arbeitsgases und zur Ausgabe eines Drucksignals, welches den Druck des Arbeitsgases (34) anzeigt, an die Steuervorrichtung (24),  a pressure sensor (38) for detecting the pressure of the working gas and for outputting a pressure signal indicative of the pressure of the working gas (34) to the control device (24),
wobei die Steuervorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, den Bewegungsantrieb (20), zur Erzeugung eines - bezogen auf einen Bezugsdruck im Pipettierkanal (1 1 ) bei welchem kein Fluid durch die Pipettieröffnung hindurchtritt - Druckimpulses im Pipettierkanal (1 1 ) mit einer Impulsdauer von nicht mehr als 40 ms derart auf Grundlage des vom Drucksensor (38) ausgegebenen Drucksignals anzusteuern, dass der Druck des Arbeitsgases (34) während des Impulses einem vorgegebenen Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf folgt. Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 1 , wherein the control device (24) is adapted to the movement drive (20) for generating - with respect to a reference pressure in the pipetting (1 1) in which no fluid passes through the pipetting - pressure pulse in the pipetting channel (1 1) with a pulse duration of to control no more than 40 ms on the basis of the pressure signal (38) output by the pressure signal, that the pressure of the working gas (34) during the pulse follows a predetermined working gas target pressure pulse course. Pipetting device (10) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druckimpuls - bezogen auf den Bezugsdruck im Pipettierkanal (1 1 ) bei welchem kein Fluid durch die Pipettieröffnung hindurchtritt - einen Überdruck- und einen Unterdruckanteil aufweist. characterized in that the pressure pulse - based on the reference pressure in the pipetting channel (1 1) in which no fluid passes through the pipetting - has a positive pressure and a negative pressure component.
Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, Pipetting device (10) according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Pipettierkolben (14) ein magnetischer Kolben (14) mit wenigstens einem Permanentmagneten (18) ist und dass der Bewegungsantrieb (20) elektrisch bestrombare Spulen (22) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, die Versorgung der Spulen (22) mit elektrischer Energie zu steuern. characterized in that the pipetting piston (14) is a magnetic piston (14) with at least one permanent magnet (18) and that the movement drive (20) comprises electrically energizable coils (22), wherein the control device (24) is adapted to supply the coils (22) to control with electrical energy.
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Pipetting device (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Positionssensor aufweist, welcher zur Erfassung der Position des Pipettierkolbens (14) und zur Ausgabe eines die erfasste Kolbenposition anzeigenden Positionssignals an die Steuervorrichtung (24) ausgebildet ist. characterized in that it comprises at least one position sensor which is designed to detect the position of the pipetting piston (14) and to output a position signal indicating the detected piston position to the control device (24).
Pipettiervorrichtung (10) nach den Ansprüchen 3 und 4, Pipetting device (10) according to claims 3 and 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) die Versorgung der Spulen (22) mit elektrischer Energie abhängig von einem erfassten aktuellen Zustand der Versorgung der Spulen (22) mit elektrischer Energie, abhängig von dem Positionssignal und abhängig von dem Drucksignal steuert. characterized in that the control device (24) controls the supply of the coils (22) with electrical energy as a function of a detected current state of supply of the coils (22) with electrical energy, depending on the position signal and dependent on the pressure signal.
Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 5, Pipetting device (10) according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) eine kaskadierte Regelkreisstruktur (52) umfasst, gemäß dessen innerstem Regelkreis (58) die Steuervorrichtung (24) eine an den Spulen (22) angelegte elektrische Spannung nach Maßgabe eines Unterschieds zwischen einem Soll-Stromwert und einem erfassten Stromwert eines in den Spulen (22) fließenden Stroms regelt, wobei die Steuervorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, den Soll-Stromwert des in den Spulen (22) fließenden Stroms in einem äußeren Regelkreis (56) nach Maßgabe eines Unterschieds zwischen einem Soll-Positionswert und einem durch das Positionssignal angezeigten Ist-Positionswert des Pipettierkolbens (14) zu ermitteln, wobei die Steuervorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, den Soll-Positionswert des Pipettierkolbens (14) in einem noch weiter außen liegenden Regelkreis (54) nach Maßgabe eines Unterschieds zwischen einem Soll-Druckwert und einem durch das Drucksignal angezeigten Ist-Druckwert des Drucks des Arbeitsgases (34) zu ermitteln. characterized in that the control device (24) comprises a cascaded control loop structure (52) according to its innerstem control circuit (58), the control device (24) applied to the coils (22) electrical voltage in accordance with a difference between a desired current value and a sensed current value of a current flowing in the coils (22), wherein the control device (24) is adapted to the desired current value of the current flowing in the coils (22) in an outer loop (56) in accordance with a difference between a desired Position value and one Determining the actual position value of the pipetting piston (14) indicated by the position signal, wherein the control device (24) is adapted to set the desired position value of the pipetting piston (14) in an even more external control circuit (54) in accordance with a difference between a Target pressure value and an indicated by the pressure signal actual pressure value of the pressure of the working gas (34) to determine.
Pipettiervorrichtung (10) nach Anspruch 6, Pipetting device (10) according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) einen Datenspeicher umfasst, in welchem für eine Vorsteuerung wenigstens ein idealisierter Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf (60, 61 , 63, 65), ein den wenigstens einen idealisierten Arbeitsgas-Soll-Druckimpulsverlauf (60, 61 , 63, 65) bewirkender idealisierter Pipettierkolben-Soll-Positionsverlauf (68) und ein den idealisierten Pipettierkolben-Soll-Positionsverlauf (68) bewirkender idealisierter Spulen-Soll-Stromverlauf (76) gespeichert ist.  characterized in that the control device (24) comprises a data memory in which for a feedforward control at least one idealized working gas desired pressure pulse course (60, 61, 63, 65), the at least one idealized working gas desired pressure pulse course (60, 61 , 63, 65) of the idealized pipetting piston nominal position profile (68) and an idealized nominal coil configuration (76) which effects the idealized pipetting piston desired position profile (68) are stored.
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Pipetting device (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass eine impulsartige Dispensation von Dosierflüssigkeit aus einer im Aufnahmeraum (28) der Pipettierspitze (26) aufgenommenen Dosierflüssigkeitsmenge (32) erfolgt, deren Volumen um wenigstens das Fünffache größer ist als das Volumen der impulsartig zu dispensierenden Dosierflüssigkeit (36).  characterized in that a pulse-like dispensing of dosing liquid from a in the receiving space (28) of the pipetting tip (26) recorded Dosierflüssigkeitsmenge (32), the volume of which is at least five times greater than the volume of the dosing liquid to be dispensed pulse-like (36).
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Pipetting device (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass sie zum herkömmlichen Aspirieren von Dosierflüssigkeit ausgebildet ist.  characterized in that it is designed for the conventional aspiration of dosing liquid.
0. Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, unter Einbeziehung des Anspruchs 2, 0. Pipetting device (10) according to one of the preceding claims, including claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Kolbenfläche (14a) des Pipettierkolbens (14) beim impulsartigen Dispensieren von Dosierflüssigkeit während der Erzeugung des Überdruckanteils des Druckimpulses wenigstens das 1 ,4-Fache des Volumens der impulsartig dispensierten Dosierflüssigkeit (36) überstreicht. characterized in that the effective piston surface (14a) of the pipetting piston (14) during the pulse-like dispensing of dosing during the generation of the excess pressure portion of the pressure pulse at least the 1, 4 times the volume of the pulse-like dispensed dosing liquid (36) sweeps over.
Pipettiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Pipetting device (10) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass sie zur impulsartigen Dispensation im Jet- Modus ausgebildet ist, in welchem das dispensierte Flüssigkeitsvolumen zwischen der abgebenden Dosierflüssigkeitsmenge (32) in der Pipettierspitze (26) und einem Dispensationsziel eine Strecke im freien Flug zurücklegt. characterized in that it is designed for pulse-like dispensing in the jet mode, in which the dispensed liquid volume travels a distance in free flight between the dispensing metering liquid quantity (32) in the pipetting tip (26) and a dispensing target.
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