RU2024440C1

RU2024440C1 - Method and apparatus for manufacturing of micropipettes

Info

Publication number: RU2024440C1
Authority: RU
Inventors: А.П. Антонов; В.А. Бондарев; Н.А. Воронков; Е.Г. Иванов; В.Т. Ларин; Ю.А. Попов; А.А. Швяков; М.И. Шишков; А.М. Хохлов
Original assignee: Научно-производственное объединение биологического приборостроения РАН
Priority date: 1990-09-20
Filing date: 1990-09-20
Publication date: 1994-12-15

Abstract

FIELD: glasswork. SUBSTANCE: method involves drawing capillary till neck portion of predetermined length is obtained, with heating being provided during drawing process; fixing neck obtained at room temperature; conducting additional drawing process and heating. Apparatus has auxiliary heating spiral positioned between main spiral and movable clamp interacting with movable stop in response to clamp position sensor signals and spiral heat sensor signal. EFFECT: high quality of glass product. 3 cl, 7 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к стекольной промышленности при изготовлении стеклянных микроинструментов и может быть использовано в биологии, медицине, животноводстве для проведения микрохирургических операций и микроэлектродных исследований на клетках и тканях. The invention relates to the glass industry in the manufacture of glass micro-tools and can be used in biology, medicine, animal husbandry for microsurgical operations and microelectrode studies on cells and tissues.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ изготовления микропипеток, включающий многоступенчатое вытягивание капилляра при нагревании его и последующего охлаждения и разрыва шейки с образованием кончика. Closest to the claimed technical solution is a method of manufacturing micropipettes, including multi-stage stretching of the capillary by heating it and subsequent cooling and rupture of the neck with the formation of the tip.

Недостатком известных способов является низкая воспроизводимость параметров кончиков микропипеток, что при исследованиях, например, путем замера суммарного сопротивления органелл клеток и микропипеток вносит значительную погрешность в измеряемые сопротивления. A disadvantage of the known methods is the low reproducibility of the parameters of the micropipette tips, which in studies, for example, by measuring the total resistance of cell organelles and micropipettes makes a significant error in the measured resistance.

Целью изобретения является формирование воспроизводимых параметров кончиков микропипеток. The aim of the invention is the formation of reproducible parameters of the tips of the micropipettes.

Это достигается тем, что в известном способе изготовления микропипеток путем многоступенчатого вытягивания капилляра при нагревании его и последующего охлаждения и разрыва шейки с образованием конического кончика, производят нагревание капилляра, обеспечивающее начало вытягивания капилляра через 5. . . 8 с, вытягивают капилляр до образования шейки заданной длины, охлаждают и фиксируют образовавшуюся шейку при комнатной температуре, а разрыв шейки с образованием конического кончика производят после дополнительного вытягивания шейки в средней ее части при повторном нагревании, обеспечивающем начало вытягивания через время, что и при первом вытягивании. This is achieved by the fact that in the known method of manufacturing micropipettes by multi-stage drawing of a capillary while heating it and subsequent cooling and rupture of the neck with the formation of a conical tip, the heating of the capillary is carried out, which ensures the beginning of the drawing of the capillary through 5.. . 8 s, the capillary is pulled out to form a neck of a given length, the neck formed is cooled and fixed at room temperature, and the neck is torn to form a conical tip after additional neck stretching in the middle part upon repeated heating, which ensures stretching begins in time, as with the first pulling.

На фиг. 1 показана геометрия микропипетки; на фиг. 2-4 - общая схема реализации предлагаемого способа. In FIG. 1 shows the micropipette geometry; in FIG. 2-4 is a General diagram of the implementation of the proposed method.

Заготовкой для микропипетки является капилляр с наружным диаметром порядка 0,8. . . 1,5 мм. Микропипетка имеет широкую цилиндрическую часть 1 (неподверженная термообработке часть капилляра - заготовки) длиной 30...50 мм, конический переход 2 длиной 5...10 мм, узкую цилиндрическую часть 3, сформированную шейкой после вытягивания капилляра, диаметром 100...200 мкм длиной 5. . . 10 мм и конический кончик 4, образованный при разрыве шейки длиной 30. . . 100 мкм с выходным отверстием до 0,2 мкм с цилиндрической частью 5 диаметром 5...20 мкм длиной 1...1,5 мм. The micropipette blank is a capillary with an outer diameter of the order of 0.8. . . 1.5 mm. The micropipette has a wide cylindrical part 1 (non-heat-treated part of the capillary - workpiece) 30 ... 50 mm long, a tapered transition 2 5 ... 10 mm long, a narrow cylindrical part 3 formed by the neck after the capillary is pulled, with a diameter of 100 ... 200 microns long 5.. . 10 mm and a conical tip 4, formed by breaking a neck with a length of 30.. . 100 microns with an outlet up to 0.2 microns with a cylindrical part 5 with a diameter of 5 ... 20 microns, a length of 1 ... 1.5 mm.

Способ получения микропипетки с заданными параметрами в пределах вышеизложенных реализуется следующим образом. A method of obtaining a micropipette with predetermined parameters within the above is implemented as follows.

Капилляр-заготовку (фиг. 2) закрепляют в зоне 6 и нагревают в средней части (зона 7), прикладывая к нижнему концу силу F. Разогревают зону 7 до температуры размягчения стекла и под воздействием силы F капилляр начинает вытягиваться, образуя цилиндрическую шейку 8 (фиг. 3). Нагрев прекращают, а капилляр продолжает вытягиваться и принимает размер l, при котором его фиксируют и выдерживают при комнатной температуре до остывания образовавшейся шейки, длина которой составляет l шейки. Затем разогревают капилляр в середине шейки (зона 9). Эта зона ниже зоны 7 на 1/2l шейки. The capillary blank (Fig. 2) is fixed in zone 6 and heated in the middle part (zone 7), applying force F to the lower end. Heat zone 7 to the glass softening temperature and, under the influence of force F, the capillary begins to stretch, forming a cylindrical neck 8 ( Fig. 3). The heating is stopped, and the capillary continues to stretch and takes a size l, at which it is fixed and kept at room temperature until the formed neck cools, the length of which is l of the neck. Then the capillary is heated in the middle of the neck (zone 9). This zone is below zone 7 on the 1 / 2l of the neck.

Температура разогрева в зоне 9 на 250...300^оС ниже, чем температура разогрева в зоне 7, так как требуется разогреть гораздо более тонкую стенку, образовавшуюся после первой вытяжки. Разогрев с меньшей температурой предотвращает запаивание кончика микропипетки. Запаивание капилляра является существенным и весьма распространенным дефектом, устранение которого требует дополнительной механической обработки изготовленной микропипетки.The temperature in the heating zone 9 at 250 ... 300 ^{° C} lower than the heating temperature in the zone 7, as it requires heat much thinner wall, formed after the first hood. Heating with a lower temperature prevents the tip of the micropipette from being sealed. Capillary sealing is a significant and very common defect, the elimination of which requires additional machining of the manufactured micropipette.

В способе-аналоге этот дефект устраняется продувкой воздуха или инертного газа внутрь пипетки. В заявляемом способе после повторного нагрева тонкого сечения шейки и дополнительного вытягивания его образуется вторая шейка 10 длиной 1,5-2 мм и диаметром 5...20 мкм, охлаждение которой происходит мгновенно как только заканчивается воздействие тепла, а резкое возрастание прикладываемой силы F ведет к резкому разрыву образовавшейся шейки. Геометрия кончика микропипетки, образованной по предлагаемому способу, показана на фиг. 4. Отличие от геометрии по способу-прототипу состоит в том, что участок шейки диаметром 5...20 мкм имеет малую длину (1,5...2 мм), что уменьшает сопротивление канала микропипетки. In the analogue method, this defect is eliminated by blowing air or an inert gas into the pipette. In the inventive method, after re-heating a thin section of the neck and additional drawing it, a second neck 10 is formed with a length of 1.5-2 mm and a diameter of 5 ... 20 μm, the cooling of which occurs instantly as soon as the exposure to heat ends, and a sharp increase in the applied force F leads to a sharp rupture of the resulting neck. The geometry of the tip of the micropipette formed by the proposed method is shown in FIG. 4. The difference from the geometry of the prototype method is that the neck section with a diameter of 5 ... 20 μm has a small length (1.5 ... 2 mm), which reduces the resistance of the micropipette channel.

П р и м е р. Производилось изготовление десяти микропипеток. Предварительно задавались параметры:
диаметр выходного кончика микропипетки d_внутр = 0,3...0,5 мкм (+/-0,05);

= 10+/-0,5 мм

= 1,2. . .1,5 мм с воспроизводимостью +/-0,1 мм. Параметры подбирались температурой спирали, усилием рывка и длиной хода после первой вытяжки.PRI me R. Ten micropipettes were manufactured. Pre-set parameters:
diameter of the micropipette output tip d _int = 0.3 ... 0.5 μm (+/- 0.05);

= 10 +/- 0.5 mm

= 1.2. . .1.5 mm with reproducibility +/- 0.1 mm. The parameters were selected by the temperature of the spiral, the force of the jerk, and the stroke length after the first hood.

Диаметр d_внутр определялся по давлению воздуха, которое необходимо создать в микропипетке, чтобы выдавить пузырек воздуха в этиловый спирт (коэффициент поверхностного натяжения l ≈ 24 дин./см), по формуле R = 2l/р.The _inner diameter d was determined by the air pressure that must be created in the micropipette to squeeze the air bubble into ethanol (surface tension coefficient l ≈ 24 dynes / cm), according to the formula R = 2l / p.

Длина

определялась линейкой (погрешность +/-0,5 мм), длина второй шейки с помощью измерительной сетки (окуляр 7^х), при объективе 10^х (цена деления 15 мкм) на микроскопе Биолам. Материал микропипеток - стекло марки "Пирекс" с отношением наружного и внутреннего диаметра 2:1.Length

was determined by a ruler (error +/- 0.5 mm), the length of the second neck using a measuring grid (eyepiece 7 ^x ), with a lens 10 ^x (division price 15 μm) on a Biolam microscope. The micropipette material is Pyrex glass with a ratio of outer and inner diameter of 2: 1.

Результаты измерений внесены в таблицу. The measurement results are listed in the table.

Таким образом, отклонения параметров изготовленных микропипеток не превышают заданных. Thus, the deviations of the parameters of the manufactured micropipettes do not exceed the specified ones.

Для проверки качества изготовленных микропипеток кончики их опускались в дистиллированную воду. Все кончики микропипеток не запаяны, так как всасывают дистиллированную воду за счет капиллярных сил. To check the quality of the manufactured micropipettes, their tips were lowered into distilled water. All tips of the micropipettes are not sealed, as they absorb distilled water due to capillary forces.

Известное устройство содержит вертикальную стойку, на которой закреплены верхний неподвижный и нижний подвижный зажимы капилляра, между которыми установлена цилиндрическая спираль из нихромовой проволоки, электромагнит, установленный в нижней части стойки и взаимодействующий с нижним подвижным зажимом, и блок управления. The known device comprises a vertical strut, on which are fixed the upper fixed and lower movable clamps of the capillary, between which a cylindrical spiral of nichrome wire is installed, an electromagnet installed in the lower part of the strut and interacting with the lower movable clamp, and a control unit.

Недостатком данного устройства является низкая воспроизводимость характеристик получаемых микропипеток, зависящая в большей степени от навыков работы с устройством. The disadvantage of this device is the low reproducibility of the characteristics of the resulting micropipettes, which depends more on the skills of working with the device.

Целью изобретения является повышение воспроизводимости характеристик получаемых микропипеток при снижении требований их изготовления. The aim of the invention is to increase the reproducibility of the characteristics of the resulting micropipettes while reducing the requirements for their manufacture.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее вертикальную стойку, на которой закреплены верхний неподвижный и нижний подвижный зажимы капилляра, спираль, установленную между зажимами, электромагнит, закрепленный в нижней части стойки, и блок управления, снабжено второй спиралью, датчиком накала спирали, перемещаемым упором и дополнительным электромагнитом, взаимодействующим с перемещаемым упором и датчиком положения подвижного зажима, при этом вторая спираль установлена между первой спиралью и нижним подвижным зажимом, перемещаемый упор установлен перпендикулярно оси расположения зажимов, а блок управления связан со спиралями, электромагнитами, датчиком накала спирали и с датчиками положения подвижного зажима. This goal is achieved by the fact that the known device containing a vertical strut, on which are fixed the upper fixed and lower movable clamps of the capillary, a spiral mounted between the clamps, an electromagnet mounted in the lower part of the strut, and the control unit is equipped with a second spiral, a glow sensor a movable stop and an additional electromagnet interacting with the movable stop and the position sensor of the movable clamp, while the second spiral is installed between the first spiral and the lower m clamp, the movable stop is installed perpendicular to the axis of the clamps, and the control unit is connected with spirals, electromagnets, the sensor of the spiral filament and with position sensors of the movable clamp.

Таким образом, для осуществления предлагаемого способа в устройстве применяются два нагревателя и перемещаемый упор, связанный с сердечником дополнительного электромагнита, позволяющим фиксировать при комнатной температуре шейку, образовавшуюся после первой стадии вытягивания микропипетки. Thus, to implement the proposed method, the device uses two heaters and a movable stop connected with the core of the additional electromagnet, which allows fixing the neck formed at the room temperature after the first stage of micropipette drawing.

Кроме того, устройство содержит электронный блок с датчиками, позволяющий осуществить алгоритм цикла изготовления микропипетки и регулировать параметры, влияющие на характеристики получаемых микропипеток. In addition, the device contains an electronic unit with sensors, which allows implementing the algorithm of the micropipette manufacturing cycle and adjusting the parameters affecting the characteristics of the obtained micropipettes.

На фиг. 5 представлено предлагаемое устройство; на фиг. 6 - перемещаемый упор, взаимодействующий с нижним подвижным зажимом, вид сверху; на фиг. 7 - блок-схема блока управления. In FIG. 5 presents the proposed device; in FIG. 6 - movable emphasis interacting with the lower movable clamp, top view; in FIG. 7 is a block diagram of a control unit.

Устройство содержит электронный блок 11 управления и вертикальную стойку 12 с установленными на ней механизмами, обеспечивающими цикл вытяжки микропипетки. На стойке 12 установлены верхний неподвижный зажим 13 заготовки, нижний подвижный зажим 14, жестко связанный с сердечником 15 электромагнита 16, направляющая 17 сердечника 15, узел 16 разогрева заготовки с механизмом 19 перемещения по двум горизонтальным направлениям, перемещаемый упор 20, сигнальный узел 21 цикла вытяжки микропипетки, датчик 22 накала нагревательного элемента. The device contains an electronic control unit 11 and a vertical rack 12 with mechanisms installed on it, providing a micropipette extraction cycle. On the stand 12, the upper stationary clamp 13 of the workpiece, the lower movable clamp 14, rigidly connected to the core 15 of the electromagnet 16, the guide 17 of the core 15, the assembly 16 for heating the workpiece with the mechanism 19 for moving in two horizontal directions, the movable stop 20, the signal assembly 21 of the exhaust cycle are installed micropipettes, sensor 22 of the glow of the heating element.

Зажим 13 содержит корпус 23 с направляющими зажимными текстолитовыми щеками: подвижный 24 и неподвижный 25. Подвижная щека 24 приводится винтом 26 через подшипник 27. Конструкция зажима 14 аналогична конструкции зажима 13. The clamp 13 comprises a housing 23 with guiding clamp PCBs: movable 24 and stationary 25. The movable cheek 24 is driven by a screw 26 through the bearing 27. The design of the clamp 14 is similar to that of the clamp 13.

Узел 18 разогрева установлен на двухкоординатном механизме 19 перемещения и имеет винтовые зажимы для крепления двух спиралей: предварительного разогрева заготовки 28 (для получения шейки) и концентрированного разогрева шейки 29. Перемещаемый упор 20 содержит электромагнит 31, на сердечнике 32 которого жестко закреплен П-образный кронштейн 33, задерживающий перемещение кронштейна 34 при втянутом сердечнике 32. Кронштейн 34 жестко закреплен на подвижном зажиме 14, жестко установленном на сердечнике 15 электромагнита 16. The heating unit 18 is mounted on a two-axis movement mechanism 19 and has screw clamps for attaching two spirals: preheating the workpiece 28 (to obtain a neck) and concentrated heating of the neck 29. The movable stop 20 contains an electromagnet 31, on the core 32 of which a U-shaped bracket is rigidly fixed 33, delaying the movement of the bracket 34 when the core 32 is retracted. The bracket 34 is rigidly mounted on a movable clip 14, rigidly mounted on the core 15 of the electromagnet 16.

Пружина 35 служит для возвращения сердечника 32 с кронштейном 33 в исходное положение при выключенном электромагните 31. Перемещаемый упор 20 имеет возможность вертикального перемещения в "ласточкином хвосте" 36 с фиксацией. Spring 35 serves to return the core 32 with the bracket 33 to its original position when the electromagnet 31 is turned off. The movable stop 20 has the ability to move vertically in the "dovetail" 36 with fixation.

Сигнальный узел 21 содержит два датчика положения подвижного зажима упора, выполненных в виде оптронов 37 и 38, неподвижно установленных на стойке 12, зеркальные отражатели 39 и 40 сигналов оптронов, закрепленные с возможностью вертикального регулировочного перемещения на зажиме 14 с помощью кронштейна 41. Датчик 22 накала установлен на кронштейне 42 на расстоянии 5. . .10 мм от спирали 28. Работу механизмов устройства обеспечивает электронный блок 11 управления, содержащий блокирующий триггер 43, оптроны 37 и 38, триггер 44 разрешения предварительного нагрева, схему 45 управления накалом спирали 28, схему 46 управления накалом спирали 29, схему 47 формирования интервала времени, в течение которого остывает шейка заготовки, электромагнит 31 и схему 48 формирования импульса, включающего электромагнит 16. The signal unit 21 contains two position sensors for the movable stop clamp, made in the form of optocouplers 37 and 38, fixedly mounted on the stand 12, mirror reflectors 39 and 40 of the optocoupler signals, mounted with the possibility of vertical adjustment movement on the clamp 14 using the bracket 41. The sensor 22 glow mounted on the bracket 42 at a distance of 5.. .10 mm from the spiral 28. The operation of the device’s mechanisms is provided by an electronic control unit 11 containing a blocking trigger 43, optocouplers 37 and 38, a pre-heating enable trigger 44, a filament control circuit 45, a spiral circuit 29 controlling the filament 29, an interval forming circuit 47 the time during which the workpiece neck, the electromagnet 31 and the pulse generation circuit 48 including the electromagnet 16 are cooling.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Заготовку пропускают сквозь спирали 28 и 29 и закрепляют в зажимах 13 и 14. При этом зажим 14 находится в крайнем верхнем положении. По сигналу "Пуск" триггер 43 разрешает работу схем 46 и 47 и триггера 44, разрешающего включение схемы 45 управления нагревом, которая с помощью датчика 22 накала в обратной связи поддерживает устанавливаемую температуру накала спирали 28, что очень важно на стадии образования шейки микропипетки. После разогрева заготовки до температуры плавления под действием тяжести сердечника 15 с зажимом 14, кронштейном 41 и зеркалами 39 и 40 заготовка растягивается и в месте расплава образуется шейка, центр которой опускается в зону спирали 29. Перемещение вниз сердечника 15 и жестко закрепленных на нем элементов приводит к тому, что зеркальный отражатель 39 попадает в зону излучения светодиода оптрона 37. Сигнал светодиода оптрона 37 отражается от зеркала 39 на фотодиод оптрона 37 и далее уже электрический сигнал с оптрона 37 поступает на триггер 44 и, воздействуя на схему 45, включает спираль 28. Одновременно сигнал оптрона 37 поступает на схему 47, которая запитывает электромагнит 31 и выдерживает его включенным в течение времени, необходимого для остывания образующейся шейки заготовки. Включившись по сигналу оптрона 37, электромагнит 31 преодолевает усилие пружины 35, перемещает П-образный кронштейн 33 в положение, блокирующее перемещение вниз кронштейна 34 (фиг. 6) и жестко связанного с ним зажима 14, что фиксирует длину образовавшейся шейки, которая регулируется возможностью вертикального перемещения с фиксацией электромагнита 31 на "ласточкином хвосте" 36. Начальный момент срабатывания электромагнита 31 определяется положением фиксации зеркала 39. The workpiece is passed through spirals 28 and 29 and secured in clamps 13 and 14. In this case, clamp 14 is in its highest position. At the “Start” signal, trigger 43 enables the operation of circuits 46 and 47 and trigger 44, enabling the heating control circuit 45 to be switched on, which, using the glow sensor 22 in feedback, maintains the set filament temperature of the spiral 28, which is very important at the stage of micropipette neck formation. After heating the preform to the melting temperature under the gravity of the core 15 with the clamp 14, the bracket 41 and the mirrors 39 and 40, the preform is stretched and a neck is formed in the place of the melt, the center of which lowers into the zone of the spiral 29. Moving down the core 15 and the elements rigidly fixed on it leads the fact that the mirror reflector 39 falls into the radiation zone of the LED of the optocoupler 37. The signal of the LED of the optocoupler 37 is reflected from the mirror 39 to the photodiode of the optocoupler 37 and then the electric signal from the optocoupler 37 is fed to the trigger 44 and, eystvuya the circuit 45 includes a coil 28. Simultaneously, the signal of the optocoupler 37 is supplied to circuit 47 which energizes the solenoid 31 and maintains it turned on during the time required for cooling the resulting preform neck. Turning on the signal of the optocoupler 37, the electromagnet 31 overcomes the force of the spring 35, moves the U-shaped bracket 33 to a position blocking the downward movement of the bracket 34 (Fig. 6) and the clamp 14 rigidly connected to it, which fixes the length of the neck that is formed, which is regulated by the possibility of vertical moving with the fixation of the electromagnet 31 on the dovetail 36. The initial moment of operation of the electromagnet 31 is determined by the fixation position of the mirror 39.

По окончании интервала времени, формируемого схемой 47, происходит выключение электромагнита 31 и одновременное включение схемы 46 управления накалом спирали 29. Выключение электромагнита 31 позволяет пружине 35 вернуть кронштейн 33 в исходное положение, что вновь создает возможность перемещения вниз сердечника 15 с закрепленными на нем элементами. Такое перемещение возникает в момент расплавления шейки заготовки спиралью 29 концентрированного разогрева и приводит к взаимодействию оптрона 38 и зеркала 40, аналогично взаимодействию оптрона 37 и зеркала 39. В результате срабатывания оптрона 38 последний выдает сигнал на схему 48 формирования импульса, включающего электромагнит 16. По окончании этого импульса срабатывает триггер 43, который блокирует работу электронного блока 11 управления. Повторение цикла работы устройства производится после установки новой заготовки и формирования сигнала "Пуск". At the end of the time interval formed by the circuit 47, the electromagnet 31 is turned off and the spiral control circuit 46 is turned on at the same time. 29 Turning off the electromagnet 31 allows the spring 35 to return the bracket 33 to its original position, which again makes it possible to move the core 15 with the elements fixed on it. Such a movement occurs at the time of the neck melting of the workpiece by the concentrated heating coil 29 and leads to the interaction of the optocoupler 38 and the mirror 40, similarly to the interaction of the optocoupler 37 and the mirror 39. As a result of the operation of the optocoupler 38, the latter gives a signal to the pulse generating circuit 48 including the electromagnet 16. At the end this pulse is triggered by a trigger 43, which blocks the operation of the electronic control unit 11. The cycle of the device is repeated after the installation of a new workpiece and the formation of the Start signal.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемые способ и устройство для его осуществления позволяет получить микропипетки с воспроизводимыми параметрами кончиков, необходимые в исследовательской и клинической практике. Thus, in comparison with the prototype of the inventive method and device for its implementation allows you to get micropipettes with reproducible parameters of the tips necessary in research and clinical practice.

Claims

1. A method of manufacturing micropipettes by heating and multi-stage pulling of the capillary to form a neck, cooling and rupturing the latter, characterized in that, in order to ensure reproducible parameters of the tips of the micropipettes, the neck in its middle part is reheated to a temperature of 250-300 ^° C before rupture ^. lower than with the first hood, and further pulled.

2. A device for the manufacture of micropipettes, containing a vertical rack, on which are fixed the upper fixed and lower movable clamps of the capillary, a spiral installed between them, an electromagnet fixed at the bottom of the rack, and a control unit, characterized in that, in order to ensure reproducible parameters of the tips micropipettes, it is equipped with an additional spiral with a glow sensor, a movable stop, an additional electromagnet interacting with the stop and position sensors of the movable clamp, an additional spiral is installed between the main spiral and the lower movable clamp.