Mikrodosiervorrichtung zur definierten Abgabe kleiner in sich geschlossener Flüssigkeitsvolumina
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Mil )dosiervorrichrung zur definierten Abgabe kleiner in sich geschlossener Flüssigkeitsvolunüna, der die Generierung von Einzeltropfen mit Volumina im Bereich von 10 nl bis 3 μl ermöglicht. Derartige Pipettiersysteme finden zur Befullung von Mü okompartimenten, wie z.B. Nanotiterplatten, insbesondere mit wechselnden Reagenzien sowie für die Herstellung von Biochips mit Spotgrößen, insbesondere im Bereich von 0,2 mm bis 2 mm, Anwendung.
Es sind bereits mehrere Mikrodosiervorrichtungen für den gleichen Einsatzzweck wie vorliegender Erfindung bekannt. So besclireiben DE 197 06 513 AI, DE 198 02 367 Cl und DE 198 02 368 Cl Mikrodosiervorrichtungen, bei denen eine Druckkammer vorgesehen ist, die von einem membranartigen Verdränger begrenzt sind, wobei der Verdränger mit einer Betätigungsvorrichtung versehen ist, mit Hilfe derer die Abgabe einer definierten Flüssigkeitsmenge aus der Drackkammer über eine Auslaßöfmung bewirkt wird. Genannte Baugruppen sind nach diesen Lösungen mikromechanisch gefertigt. Für die Betätigungsvorrichtung ist ein Piezostapel-Aktor eingesetzt. Neben einer Vielzahl weiterer Baugruppen benötigen die vorstehend beschriebenen Lösungen zusätzlich integrierte Ventile, um ein Rückströmen der Flüssigkeit aus dem Austrittskanal zu unterbinden. Weiterhin ist eine Mikrodosiervorrichtung: Schrift "Mikrodosierung", Firmenschrift der Fa. microdrop GmbH, Norderstedt, 1995, bekannt, bei der eine dünne Glaskapillare von einem piezoelektrischen Aktuator umfaßt ist, der bei Spannungsbeaufschlagung eine Kontraktion des von ihm umfaßten Kapillarabschnitts bewirkt und damit ein definiertes Flüssigkeitsvolumen aus der Kapillare verdrängt.
Allen vorstehenden Lösungen haftet der Nachteil an, daß eine starke Abhängigkeit der Ansteuerparameter, wie Frequenz, Amplitude und Impulsform, von der Viskosität der zu dispensierenden Medien besteht, die nur durch aufwendige Steuer- und Regelmittel in gewissen Grenzen
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beeinflußbar ist. Weiterhin ist durch die Integration bzw. direkte Zuordnung der aktiven Elemente, die einen Dn ckimpuls auslösen, auf den medienabgebenden Kanälen die Integrationsdichte bzw. benachbarte Anordnung bei Vorsehung mehrerer Abgabekanäle beschränkt. Desweiteren ist durch die konstruktiven Ausbildungen genannter Vorrichtungen deren Reinigung, insbesondere bei Medienwechsel erschwert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Mikrodosiervorrichtung anzugeben, die eine definierte Abgabe kleiner in sich geschlossener Flüssigkeitsvolumiiia mit einem von Volumenteil zu Volumenteil in einem relativ großen Bereich frei wählbaren Flüssigkeitsvolumen ermöglicht, ohne daß dadurch die Verweilzeit des sich relativ zum Absetzgebiet bewegenden Dispensers beeinflußt wird und die frei von den Nachteilen des Standes der Technik ist.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind von den nachgeordneten Patentansprüchen erfaßt. Das Wesen der Erfindung besteht in der baulichen Entkopplung druckerzeugender Mittel von den eigentlichen Dispensieπnitteln.
Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausf hrungs- beispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. la und lb Möglichkeiten der pneumatischen Druckbeaufschla- gung der vorgeschlagenen Mikrodosiervorrichtung, Fig. 2 eine erste Ausfuhrungsmöglichkeit der Erfindung in transparenter perspektivischer Darstellung, Fig. 3 a einen Grundkörper einer zweiten Ausfuhrungsmöglichkeit der Erfindung in transparenter perspektivischer Darstellung, Fig. 3b eine spezielle, in einen Gnmdkörper nach Fig. 3a einzusetzende Kapillarenausbildung, Fig. 3c die Baugruppen nach Fig. 3a und 3b im zusammengebauten Zustand,
Fig. 4 eine Möglichkeit der Integration mehrerer Mikrodosier- vorrichtungen in einem gemeinsamen Träger und
Fig. 5 beispielhaft das Volumen der aus einer beruhten Kapillare abgegebenen Flüssigkeit in Abhängigkeit von der zur Erzeugung eines Drackimpulses für verschiedene
Flüssigkeiten.
Die Figuren la und lb zeigen Möglichkeiten der pneumatischen Druckbeaufschlagung der vorgeschlagenen Mikrodosiervorrichtung m. Dabei stehen in Fig. la dl für eine pneumatische
d2 für einen Druckregler, d3 für eine Drossel, d4 für ein Druckreservoir und s für ein Schaltventil. Gleiche Baugruppen in Fig. lb sind mit identischen Bezugszeichen versehen, wobei d5 für eine nach dem Stand der Teclinik auszubildende akustische, mechanische, magnetische oder elektromagnetische Einrichtung zur Erzeugung eines pneumatischen Druckimpulses steht.
Figur 2 zeigt in transparenter und perspektivischer Darstellung eine erste Ausf hrungsmöglichkeit einer Mikrodosiervorrichtung m, bestehend aus einem Trägerkörper 1, in den ein erster Kanal 2 eingebracht ist, der am oberen Ende mit einem Druckbeaufsclilagungsmittel d verbunden ist, wobei das Druckbeaufschlagungsmittel d im Beispiel die in Fig. la durch einen strichlinierten Rahmen umfaßte Baugruppen beinhalten soll. Durch Betätigung des Schaltventils s (vgl. Fig. la), bei Anliegen eines variabel vorgebbaren im Druckreservoir d4, ist der Kanal 2 mit einem pneumatischen Druckimpuls beaufschlagbar. Dabei wird je nach vorgebbarer Stärke und Dauer des Druckimpulses der gesamte mit der zu dispensierenden Flüssigkeit (nicht dargestellt) befüllte zweite Kanal 5, der im Beispiel vermittels eines Halte- und Dichtmittels 4 im Kanal 2 befestigt ist, entweder auf einmal entleert oder nur eine Teilmenge in Form eines Tropfens am düsenförmig ausgeformten (nicht dargestellt) Ende 54 abgegeben. Die Aufnahme der zu dispensierenden Flüssigkeit erfolgt nach Fig. 2, bei der der Kanal 5 als Kapillare ausgebildet ist, durch einfaches Eintauchen in einen nicht dargestellten Behälter, der die betreffende Flüssigkeit enthält. Im Beispiel beträgt der Kapillareninnendurchmesser des Kanals 5 0,6 mm und im düsenförmig ausgeformten Ende 54
zwischen 50...100 μm. Wesentlich ist, daß der erste Kanal 2 mit einem einen Druckausgleich mit der Umgebung bewirkenden Bypass 3 versehen ist, der im Beispiel als Bohrung durch den Träger 1 ausgebildet ist. Dabei ist der Öffhuiigsquersclmitt des Kanals 2, im Beispiel mit einem Imiendurchmesser von 4 mm bei einer Kanallänge von 4 cm, größer festgelegt, als der Öffhm gsquerschnitt des Bypass 3, dem im Beispiel ein Innendurchmesser von 1 ,2 mm gegeben ist. Das in den ersten Kanal 2 mündende Ende 53 des zweiten Kanals 5 ist unterhalb des Ansatzes für den Bypass 3 angeordnet und der kleinste Öffhuiigsquerschnitt des Kanals 5, im düsenförmig ausgebildeten Ende 54, ist kleiner als der Öffhungsquersclτnitt des Bypass 5 festgelegt. Dadurch ist gewährleistet, daß nach Auslösung eines Druckimpulses vorgebbarer Stärke und Dauer die entsprechende Menge der zu dispensierenden Flüssigkeit aus der Kapillare 5 ausgestoßen wird und bereits bei noch geöffnetem Schaltventil s (Fig. la) sofort ein Druckabbau im Kanal 2 über den Bypass 5 erfolgt, so daß nach Anlegen eines weiteren Druckimpulses an den Kanal 2 wieder identische Ausgangsbedingungen f r den nächsten zu dispensierenden Tropfen gegeben sind. Die Größe des zum Einsatz gelangenden Druckreservoirs d4 ist je nach Betriebsweise der Gesamtvorrichtung beliebig vorgebbar; in realisierten Ausfül rungsformen ist sie zwischen 2 μl bis 20 ml, insbesondere zu 200 μl, festgelegt. Figur 5 zeigt für eine Variante nach Fig. la das Volumen der aus einer mit maximal 5 μl beruhten Kapillare 5 abgegebenen Flüssigkeit in Abhängigkeit von der zur Erzeugung des Druckimpulses durch den Druckregler d2 vorgegebenen Druck beispielhaft für Wasser und die organischen Lösungsmittel Ethanol, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid und Toluol.
Enthält die Kapillare 5 bspw. 5 μl Dimethylformamid und wird die Mikrodosiervorrichtung m mit Druckimpulsen, erzeugt durch Druckbeaufschlagung des Druckreservoirs d4 mit einem Druck von 220 mbar und nachfolgendes Öffiien des Schaltventils betrieben, so erfolgt bis zur vollständigen Entleerung der Kapillare 5 die Abgabe von 62 Einzeltropfen mit einem Tropfenvolumen von 80 nl mit einer Frequenz von 2,3 Hz.
Figur 3a zeigt schematisch einen Gmndkörper einer zweiten Ausfuhrimgsmöglichkeit der Erfindung in transparenter perspektivischer Darstellung, bei dem beidseits an den ersten Kanal 2, der mit einem Druckbeaufschlagungsmittel d verbunden ist (vgl. Fig. 3b), Kanalabschnitte 22, 23 vorgesehen sind, die über Durchbrüche mit dem Kanal 2 verbunden sind und fluchtend einander gegenüberstehen. In diese Kanalabschnitte 22, 23 ist ein unterbrochener Kapillarweg 51, 52 einbringbar, wobei im unterbrochenen Bereich die Kapillarwege 51, 52 mit einer abdichtenden und verformbaren Membran 6 verbunden sind. Im Beispiel nach Fig. 3b sind die unterbrochenen Kapillarwege durch zwei rolτrförmige Kapillaren gebildet, die über eine schlauchartige Membran 6 miteinander verbunden und voneinander beabstandet sind. Genannter Membranbereich 6 ist im eingebauten Zustand (vgl. Fig. 3c) dabei so positioniert, daß er innerhalb des ersten Kanals 2 zu liegen kommt und außerhalb des verformbaren Membranbereichs 6 von den Kanalabschnitten 22, 23 dichtend erfaßt ist, wobei einzig der verformbare Membranbereich 6 mit einem am Kanal 2 anlegbaren pneumatischen Druckimpuls beaufschlagbar ist. Der Kanal 2 ist analog zur Ausführung nach Fig. 2 wiederum mit einem Bypass 3 versehen. Im Beispiel beträgt der größte Innendurchmesser des Kanals 2 4 mm, der Durchmesser der im Beispiel als Bohrung in den Träger 1 eingebrachten Kanal ab schnitte 22, 23 2 mm, der Innendurchmesser der Kapillarwege 51, 52 ist analog zu Fig. 2 festgelegt, wobei der abflußseitige Kapillarenweg 51 wiederum düsenförmig (nicht dargestellt) ausgebildet sein soll. Der Innendurchmesser des Bypass 3 beträgt in einer Ausführung nach Fig. 3a 1 ,8 mm. In Abwandlung zu Fig. 2 ist der zulaufseitige Teil des Kapillarwegs 52 mit einem Flüssigkeitsreservoir oder -zulauf f verbunden, so daß eine kontinuierliche Flüssigkeitszufuhr der zu dispensierenden Flüssigkeit gegeben ist. Beim Betrieb der Vorrichtung ist darauf zu achten, daß neben dem Kapillarenweg 52 zumindest auch der Membranbereich 6 stets vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, um reproduzierbare Tropfengrößen zu gewährleisten. Der abflußseitige Kapillarenweg 51 kann kürzer als nach Fig. 2 festgelegt sein und beträgt im Beispiel 25 mm, da infolge der ständigen Flüssigkeitszufuhr nicht mehr die gesamte zu dispensierende Flüssigkeit durch diesen Abschnitt aufgenommen werden muß. Mit einer Ausführungsform nach Fig. 3c
lassen sich bei einem Düsenquerschnitt zwischen 50...200 μm im Kapillarenauslaßbereich 51 und pneumatischen Drucldmpulsen Tropfenvolumen in einem Bereich von 30 nl bis 2 μl generieren. Eine Miniaturisierung einer Vorrichtung nach den Figuren 3 und Anordnungen mehrerer solcher Vorrichtungen nebeneinander liegt im Rahmen der Erfindung und ist aufgrund der permanenten Fluidzumhrung leichter möglich als nach Fig. 2.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, daß jeweils ein Kanal (2) mit melireren druckausgleichenden Bypässen (3) verbunden ist, wobei die Summe der minimalen Öfrhungsquerschnitte der Bypässe (3) maximal das Zweifache des Öffnungsquerschnitts des Kanals (2) beträgt.
In Figur 4 ist eine Möglichkeit der Integration mehrerer Mikrodosier- vorrichtungen in einem gemeinsamen Träger 1 schematisch angedeutet. Dabei sind im Beispiel die vorzusehenden Kanäle 2 und 5 deckungsgleich in je zwei plättchenförmige Trägerkörper 11, 12 (vgl. den unteren Teil von Fig. 4) mittels mikrosystemtechnischer Methoden eingebracht, wobei in einem der Trägerkörper, hier 11, Ausnehmungen zur Bildung der pro Kanal 2 vorzusehenden Bypässe eingebracht sind. Die beiden plättchenförmigen Trägerkörper 11, 12 können bspw. miteinander durch anodisches Bonden miteinander verbunden sein. Die grundsätzliche Ausbildung der einzelnen Baugruppen 2, 3 und 5 folgt in diesem Beispiel im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, wobei der Querschnitt der Kanäle 2 mit 1 mm bei einer Kanallänge von 3 mm, der Querschnitt der Kanäle 2 mit 0,24 mm2 bei einer Kanallänge von 30 mm, welche im Tropfenabgabebereich wieder einen düsenföπnige Ausformung mit einem Querschnitt von 10μm2 aufweisen, und der Querschnitt des Bypass mit 0,6 mm2 festgelegt ist. Im Beispiel soll jeder der Kanäle 2 mit einem separaten Druckbeaufschlagungsmittel versehen sein. Die Vereinigung dieser Druckbeaufschlagungsmittel d zu einem einzigen, alle Kanäle 2 erfassenden Drackbeaufschlagungsmittel ist denkbar, erfordert aber eine Variation zumindest der Querschnitte der Kanäle 2, da sich der D ckimpuls gaußföπnig ausbreitet und so bei identischer Ausbildung der Kanäle 2 nicht in jedem Kanal ein identischer pneumatischer Dmckimpuls anliegen würde.
Eine analoge miniaturisierte Ausbildung einer Mikrodosiervorrichtung nach Fig. 3 c ist ebenfalls denkbar, wobei der Aufbau komplizierter ist, als der in Fig. 4 dargestellte. Ebenso kann bei einer solchen Ausfuhrung vorgesehen sein, daß der unterbrochene Kapillarweg nicht allseits von einer Membran umfaßt ist, wie in Fig. 3b gezeigt, sondern nur in einer Ebene angeordnet ist.
Im Gegensatz zu den vergleichbaren Lösungen nach dem Stand der Technik ermöglicht vorliegende Erfindung, z.B. bei einem Einsatz entsprechend Fig. la, nach Kalibrierung die Einstellung des gewünschten Tropfenvolumens über einen weiten Volumenbereich ausschließlich über die Druckvorgabe, mit welcher das Druckreservoir beaufschlagt wird. Die Ermittlung der über weite Bereiche linearen Kalibrierungsfunktion auf Grundlage der Abhängigkeit des Tropfenvolumens von der Druckvorgabe (vgl. Fig. 5) erfolgt im Rahmen der Erfindung gerätespezifisch experimentell je einmal für die entsprechenden Reagenzien und steht danach bis zur Änderung der Gerätekonfiguration zur Verfügung. Die Verwendung nichtlinearer Kalibrierfunktionen kann die Genauigkeit zusätzlich erhöhen. Die rechnerische Ermittlung der Kalibrierfunktion auf der Grundlage der Lösungsmittelparameter Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung, verschiedener Geräteparameter sowie empirischer Gerätekennzahlen ist möglich. Durch Integration der Kalibrierfunktion und Übergabe des Reagenzparametersatzes an eine Steuersoftware ist durch den Anwender nur die Vorgabe des abzugebenden Tropfen volumens erforderlich. Damit reduziert sich der anwenderseitige Bedienaufwand auf die Vorgabe der Tropfenvolumina, der Zielkoordinaten x, y, z (bei Kopplung zwischen der Mikrodosiervorrichtung und einem Positioniersystem) sowie die Reagenzparameter, welche von einer internen Datenbank bereitstellbar sind.
Darüber hinaus ist eine softwareseitige Kontrolle über den jeweiligen Füllstand der Mikrodosiervorrichtung möglich, wodurch das vollautomatische Nachladen von Reagenz realisiert werden kann.
Ein und dieselbe Mikrodosiervorrichtung ist damit in der Lage, über einen großen Bereich Tropfen unterschiedlichen Volumens auch während eines Beschickungszyklus eines Tropfenaufiiahmeträgers zu dispensieren.
Durch temporäres Schließen des Bypass 3 an Geräten entsprechend einer Ausführung nach Fig. 2 und Auslösen emes Druckstoßes wird ein vollständiges Ausblasen der Kapillare in einem Schritt erreicht. Diese leicht automatisierbare Vorgehensweise ennöglicht in Kombination mit dem wechselseitigen vollständigen Befüllen der Kapillare mit Spül- und Reinigungsflüssigkeiten sowie Reagenzien zur Einstellung des prozeßbedingt notwendigen Benetzungsverhaltens der inneren KapiUarfläche an den sclmellen Wechsel des Arbeitsreagenz vorzugsweise während eines Beschickungszyklus eines Tropfenträgers.
Im Gegensatz zu vergleichbaren Lösungen nach dem Stand der Technik ermöglichen Ausfuhrungsformen nach den Figuren 2 und 3 die Durchfuhrung von Pipettieroperationen ohne den direkten Kontakt zwischen zu dispensierenden Medium und mechanischen, elektromechanisch aktiven oder passiven Baugruppen oder Hilfsmedien. Damit erweitert die vorgeschlagene Mikrodosiervorrichtung die Palette der dem Verfahren der Mikrodosierung zugänglichen Medien und Reagenzien insbesondere von hochreaktiven oder hochkorrosiven Medien, wie z.B. Säurechloride, Trifluoressigsäure, metallorganische Verbindungen, wie z.B. Grignard-Reagenzien, Lösungen von Metallamiden (LDA), Reduktionsmitteta, wie z.B.
Lithiumaluminiumhydrid u.v.a.
Neben den eingangs beschriebenen vorteilhaften
Verwendungsmöglichkeiten der beanspruchten Vorrichtung lassen sich unter Einsatz dieser u.a. definierte, flexible Verdünnungsopera ionen als wesentlicher Bestandteil der meisten Protokolle für die Durchführung von Assays, wie Rezeptor-Bindungsstudien, Radioimmunoassays, Enzym- Immunoassays usw., bei welchen sich die zu bestimmende Zielgröße aus der Konzentrationsabhängigkeit einer Meßgröße ergibt, realisieren.
Bezugszeichenliste
1, 11, 12 - Trägerkörper
2 erster Kanal
21 der Druckbeaufschlagungsseite des Kanals 2 gegenüberliegendes Ende
22, 23 Kanalabschnitte
3 Bypass
4 Halte- und Dichtmittel
5 zweiter Kanal (Kapillare)
51, 52 unterbrochener Kapillarweg
53 in den Kanal 2 mündendes Ende des Kanals 5
54 flüssigkeitsabgebendes Ende des Kanals 5
6 verformbare Membran d Druckbeaufschlagungsmittel dl D ckversorgungseinrichtung d2 Druckregler d3 Drossel d4 Druckreservoir d5 akustische, mechanische, magnetische oder elektromagnetische Einrichtung zur Erzeugung eines pneumatischen Druckimpulses f Flüssigkeitsreservoir oder -Zulauf m Mikrodosiervorrichtung s Schaltventil