WO2004018103A1 - Pipetiereinrichtung und verfahren zum betreiben einer pipetiereinrichtung - Google Patents

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WO2004018103A1
WO2004018103A1 PCT/EP2003/006389 EP0306389W WO2004018103A1 WO 2004018103 A1 WO2004018103 A1 WO 2004018103A1 EP 0306389 W EP0306389 W EP 0306389W WO 2004018103 A1 WO2004018103 A1 WO 2004018103A1
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WO
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opening
pipetting device
pump chamber
micropump
pump
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PCT/EP2003/006389
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English (en)
French (fr)
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Martin Richter
Martin Wackerle
Hans-Jürgen BIGUS
Ralph Debusmann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Hirschmann Laborgeräte GmbH & Co. KG
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Priority to US11/061,262 priority patent/US20050196304A1/en

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/02—Burettes; Pipettes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
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    • B01L2300/0681—Filter
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    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
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    • B01L2400/0622—Valves, specific forms thereof distribution valves, valves having multiple inlets and/or outlets, e.g. metering valves, multi-way valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/06—Valves, specific forms thereof
    • B01L2400/0633—Valves, specific forms thereof with moving parts
    • B01L2400/0638—Valves, specific forms thereof with moving parts membrane valves, flap valves

Definitions

  • the present invention relates to pipetting devices, and more particularly to pipetting devices with micro pumps.
  • Such a microstructure device comprises, for example, a micropipetter device with a micropump.
  • FIG. 1 shows a known pipetting device which has a first and second micropump 110a and 110b, which are each constructed from three pump body sections 110, 112 and 114 arranged one above the other.
  • the pump body sections 110, 112 and 114 each comprise a flat disk or wafer with microstructures which are produced by means of suitable etching processes.
  • the pump body sections 110, 112 and 114 have a semiconductor material such as silicon in such a known micropump.
  • Each of the micropumps 100a and 110b includes a pump chamber 116 formed by boundaries of the pump body portions 110-114.
  • the pump chamber 116 has an inlet opening 118 formed in the lower pump body portion 110.
  • a first flap valve 120 which is designed as a passive check valve, is arranged above the inlet opening 118.
  • the flap valve 120 is formed in the central pump body portion 112 and has an elongated flexible flap 120a that extends across the inlet opening 118.
  • the pump chamber 116 also has an outlet opening 122 which can be closed and opened by a second passive flap valve 124 which is arranged in the pump body section 110.
  • the second flap valve 124 Corresponding to the first flap valve 120, the second flap valve 124 has a flap 124a with an elongated flexible shape.
  • the micropumps 100a and 100b have a piezoelectric actuating element 126 for changing the volume of the pump chamber 116.
  • the piezoelectric actuating element 126 is arranged as a piezoelectric ceramic layer over a large area on a thin membrane 128 which is arranged flexibly between holding elements. When a suitable voltage is applied to the piezoelectric actuating element 126, the membrane 128 deforms and, depending on the polarity of the voltage, causes the volume of the pump chamber 116 to increase or decrease.
  • a voltage is applied to the piezoelectric actuating element 126, which deforms the membrane 128 in such a way that there is an increase in the volume of the pump chamber 116.
  • a negative pressure is generated in the pump chamber 116, which causes the valve 120 to change from a closed state to an open state, whereas the valve 124 has a closed state due to the negative pressure.
  • a fluid is drawn through the opening 118 into the pump chamber 116.
  • the pump chamber volume ' is reduced by applying an electric voltage to the piezoelectric actuator 116th
  • the resulting excess pressure causes a force to be exerted on the flap valve 124 which moves the flap valve 124 downward.
  • This opens the opening 122, while the inlet opening 118 is closed by the valve 120.
  • the excess pressure in the pump chamber 116 the fluid is expelled from the pump chamber 116 through the opening 122.
  • the micropumps 100a and 100b are arranged in the pipetting device in such a way that the micropump 100a on the suction side, i.e. with the inlet opening 118, with a pipette channel 132 of a pipetting tip 134 and on the pressure side, i.e. communicates with the outlet opening 122 to an environment.
  • the micropump 100b is connected in the opposite direction to the micropump, so that it is connected on the pressure side to the pipette channel and on the suction side to the surroundings.
  • the micropump 100a When a medium to be dosed is drawn in, the micropump 100a connected on the suction side to the pipette channel is actuated, so that the volume of the pump chamber increases and air is sucked from the pipette channel into the pump chamber. An air cushion 136 in the pipette tip 134 is removed and a dosing medium 138 is sucked into the pipette tip 134.
  • the second micropump 100b which is connected to the pipette channel on the pressure side, remains switched off.
  • the micropump 100b is actuated by reducing the volume of the pump chamber thereof, while the micropump 100a remains switched off.
  • the micropump 100b connected on the pressure side to the pipette channel generates an overpressure in the pipette channel, which causes the air cushion 136 to build up and the metering medium to be expelled.
  • micropumps 100a and 100b are characterized by simple control, since only the piezoelectric actuating element 126 has to be actuated in the pumping and suction processes as the only active element.
  • a further advantage of the micropumps 100a and 110b is that they can be manufactured in a compact manner in that on a chip on which the micropumps are attached are arranged, only a small area is used.
  • a major disadvantage of the micropumps 100a and 100b is that a so-called fluidic short circuit can occur at high pressure pulses. If the micropump 100a is actuated during the aspiration of the metering fluid, a pressure p2 arises in the pipette channel 132 which is lower than a pressure pl of the environment which is in communication with the outlet opening of the micropump 100a. However, since the pipette channel communicates with the outlet opening of the micropump 100b and further the surroundings with the inlet opening of the micropump 100b, the pressure difference causes the valves of the micropump 100b to open due to the pressure difference, so that the micropump 100b causes a fluidic short circuit occurs.
  • actuation of the micropump 100b generates a pressure p2 in the pipette channel which is greater than the pressure pl of the environment which is in communication with the inlet opening of the micropump 100b. Due to the pressure difference between the environment and the pipette channel, the valves of the micropump 100a can open, so that a fluidic short circuit through the micropump 100a can occur during the metering process.
  • the risk of a fluidic short-circuit can be reduced by suitable actuation of the piezoelectric element 126, in which short-term high pressure pulses are avoided.
  • the piezoelectric element 126 can be driven, for example, by means of a sinusoidal signal shape.
  • generating the sine shape requires additional circuitry in that additional components and circuit parts have to be provided.
  • micropumps 100a and 100b are formed from three wafers which are arranged one above the other after structuring.
  • the arrangement of the wafers requires a high degree of precision so that the structures of the various wafers which are arranged one above the other are positioned exactly at the intended position. The effort increases with each additional wafer.
  • the middle pump body section 112 must be made thin in order to keep an overall height of the pump chamber 116 low, so that a high compression capacity is achieved.
  • the thinning of the wafer is known to be carried out by grinding or grinding. However, grinding causes mechanical loads that lead to damage. sensitive microstructures or break the wafer.
  • a thin wafer can also be used as the starting wafer in the manufacture of the middle pump body section.
  • complex handling devices that are specially adapted to the thin wafers are required.
  • wafer breaking which increases the rejection rate in the case of mass production and increases the production costs.
  • an exhaust passage 130 in the pump body portion 110 must have a large diameter due to the elongated shape of the valve flap 124a. As a result, an outer surface of the pump body section 110 is reduced, which makes it difficult to attach the micropump.
  • a pipetting device which comprises two micropumps with passive flap valves corresponding to the pipetting device described with reference to FIG. 1 is described, for example, in DE 198 47 869 A1.
  • WO 99/10 099 AI discloses a microdosing system which comprises a micromembrane pump and a free-jet metering device.
  • the micromembrane pump is connected to a reservoir by means of an input and furthermore has an output which is connected to an input of the free-jet metering device by means of a line.
  • Passive check valves are provided at the inlet and outlet of the micro-diaphragm pump, so that a liquid can be pumped from the reservoir to the free jet meter.
  • the free jet dosing device further comprises a pressure chamber with two openings, each of which forms an inlet or outlet of the free jet metering device.
  • the micromembrane pump and the free-jet metering device each further comprise a membrane in order to change a volume of the pressure chamber.
  • DE 197 06 513 AI shows a microdosing device which has a pressure chamber which is connected via an inlet to a media reservoir and also has an outlet for ejecting fluid.
  • the device comprises a membrane with an actuator in order to change the volume of the pressure chamber.
  • a valve is arranged between the pressure chamber and the media reservoir. The valve can be operated by means of a piezoelectric drive, which actuates a movable membrane for closing.
  • EP 0 725 267 A2 discloses an electrically controllable micro pipette which comprises a micro ejection pump.
  • the micro-ejection pump comprises a chamber with a chamber wall which can be controlled by means of an electrically controllable actuator device. In operation, the pumping chamber of the micro-ejection pump is filled with fluid from a supply and is subsequently discharged via an outlet capillary.
  • EP 0 568 902 A2 shows a micropump with a pump chamber which has an inlet and an outlet, each of which has a valve to close the same.
  • the pump chamber also has a membrane which can be actuated by means of a micro-actuation device. In operation, the diaphragm is deflected, thereby reducing the pressure in the pumping chamber so that when the inlet valve is lifted from its seat while the outlet valve remains in a closed position, liquid enters the pumping chamber through the inlet and subsequently is expelled through the open outlet valve.
  • the object of the present invention is to provide a pipetting device and a method for operating a pipetting device which enable safe and stable metering of a metering fluid.
  • the present invention provides a pipetting device with the following features:
  • a micropump with a pump chamber with a first opening and a second opening;
  • a first active valve for opening and closing the first opening
  • a pipette tip which is connected to the first or second opening via the pipette channel.
  • the present invention provides a method for operating a pipetting device with the following steps:
  • the present invention is based on the knowledge that a pipetting device with a micropump with a stable and safe dosing behavior can be realized by using a micropump with passiv Ven valves for opening or closing openings of a pump chamber is removed.
  • a micropump with active valves for opening and closing the pump chamber openings is used in the pipetting device according to the invention.
  • the openings of the pump chamber can be securely closed even when counterpressures occur. This prevents a fluid short circuit at high pressure pulses and prevents leak rates from occurring.
  • micropump with active valves enables operation in two pump directions, so that only one micropump is required for suction and metering.
  • a preferred embodiment of the present invention comprises a pipetting device with a micropump, in which the active valves comprise piezoelectric valves.
  • the device for changing the volume of the pump chamber preferably has a pump membrane which can be operated with a piezoelectric actuating device for changing the volume.
  • the piezoelectric actuating device preferably comprises a thin piezo-active layer which is applied to an outer side of the pump membrane.
  • the pump diaphragm is preferably arranged between holding elements which allow the diaphragm to bend without having to accept adverse effects on the active valves.
  • the micropump is preferably formed with a layer structure from two structured flat disks which are arranged one above the other. This makes the manufacture of the micropump simple and inexpensive.
  • a semiconductor material, and particularly preferably a silicon material, is preferably used as the material of the disks.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional illustration of a known pipetting device which has two micropumps with passive flap valves
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a micropump, the at a pipetting device according to the present invention is used;
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional illustration of an exemplary embodiment of a pipetting device with a micropump according to the present invention.
  • a micropump 200 used in an embodiment of the present invention is explained below with reference to FIG. 2.
  • the micropump 200 has a pump body 210, which is preferably formed from a disk-shaped first pump body section 212 and a disk-shaped second pump body section 214.
  • the pump body sections 212 and 214 are arranged one above the other in the vertical direction (y-axis) and connected to one another at edge regions thereof via connecting structures.
  • the pump body sections 212 and 214 preferably comprise disks made of a semiconductor material and particularly preferably made of silicon. In other exemplary embodiments, however, the pump body 210 can have any other microstructurable material.
  • the disk-shaped pump body sections 212 and 214 are preferably structured using known lithography and etching techniques and connected using known connection techniques to form the pump body 210.
  • An elongated pump chamber 216 is formed in the micropump 200 by a recess 218 in the lower pump body section 212 and a trough-shaped recess 220 in the upper pump body section 214.
  • the recesses 218 and 220 pointing in the direction of the pump body are preferably arranged centrally in the horizontal direction (x-axis) in order to achieve a symmetrical structure.
  • the pump chamber is preferably of a small size Height formed to achieve a high compression ratio.
  • the micropump 200 also has two openings 222 and 224 for introducing or discharging a fluid into the pump chamber 216, each of which is formed on opposite sides of the pump chamber 216 in the lower pump body section 212.
  • the openings 222 and 224 each extend in the shape of a truncated cone from a surface facing outward with respect to the pump body 210 to an inwardly facing surface of the lower pump body section 212.
  • the openings can also have other shapes, such as a cylindrical shape be educated.
  • the openings 222 and 224 preferably have a symmetrical shape in order to simplify their manufacture.
  • a first active valve 226 for closing and opening the opening 222 is arranged above the opening 222.
  • the first active valve 226 includes a closure member 228 formed on an inner surface of the second pump body portion 214 with respect to the pump body 210.
  • the closure element 228 is formed in such a way that, when the first active valve 226 is open, it is spaced from the opening 222 in the vertical direction.
  • the closure element 228 has a flat closure surface which extends in the horizontal direction over valve seat structures 222a and 222b arranged laterally of the opening 222, so that the opening 222 is completely closed by the closure element 228 in a closed state of the valve 226 becomes.
  • the valve seat structures 222a and 222b are preferably designed such that when the valve 226 is closed, the contact surface of the closure element 228 is kept small. The small contact surface ensures a secure closure by the closure element 228, since there is a risk of a leaky closure, for example due to unevenness in the Valve seat structures 222a and 222b, is minimized with decreasing contact area.
  • the closure element 228 is connected laterally by thin webs with holding elements 232 and 234. As a result, the closure element 228 is arranged flexibly with respect to the holding elements 232 and 234 and can be brought from an open state into a closed state, in which the closure element 228 sits on the valve seat structures 222a and 222b with a closure surface and closes the opening 222 ,
  • a first piezoelectric actuation element 230 is arranged on a surface of the closure element 228 opposite the closure surface.
  • the first piezoelectric actuator 230 preferably comprises a thin layer of a piezoelectric material, such as quartz.
  • the first piezoelectric actuating element 230 can be connected via electrical connections (not shown) to a control device (not shown) in order to achieve a contraction or expansion of the first piezoelectric actuating element 230 by applying an electrical voltage, which respectively cause vertical displacements of the closure element 228.
  • a second active valve 236 is formed above the opening 224, which is preferably designed corresponding to the first valve 226. More precisely, the second active valve 236 has a closure element 238 which is arranged above the opening 224 and which is connected to holding elements 242 and 244 via laterally arranged webs. Likewise, the second active valve 236 comprises a second piezoelectric actuation element 240 for enabling the vertical movement of the closure element 238. Valve seat structures 224a and 224b are formed corresponding to the first valve to the side of the opening 222.
  • the piezoelectric elements 230 and 240 open and close the openings 222 and 224 by applying a corresponding electrical voltage, so that the pump chamber 216 for admitting or discharging a pump medium through the openings 222 and 224 can be closed or opened.
  • the pump chamber 216 has a thin membrane 246, which is arranged between the holding elements 234 and 244.
  • the thin membrane 246 can be flexibly bent between the holding elements 234 and 244, so that the volume of the pump chamber 216 can be changed by actuating the membrane.
  • the solid formed holding members 234 and 244 prevent a movement of the shutter members 228 and 238 is transferred upon an actuation of the diaphragm 246, so that an adverse influence on the active valves by the Be ⁇ movement of the membrane 246, which, for example, to an opening of a closed valve can lead is prevented.
  • the holding elements 234 and 244 also serve as fastening devices which enable the micropump 200 to be fastened to a carrier.
  • a piezoelectric diaphragm actuator 250 for actuating the membrane 246 is arranged ⁇ .
  • the piezoelectric membrane actuating element 250 like the piezoelectric actuating elements 230 and 240, preferably has a thin layer made of a piezoelectric material. Furthermore, the piezoelectric membrane actuating element 250 can be connected to a control device via electrical connections (not shown) in order to enable an electrical voltage to be applied.
  • the pump 200 is a pump based on the peristaltic principle, in which the actuating elements 230, 240 and 250 are actuated in succession in predetermined sequences.
  • a first pumping direction in which a fluid is pumped from the opening 222 to the opening 224 is first explained below.
  • the second valve 236 is first actuated to close the opening 224.
  • the second valve 236 is actuated by applying an electrical voltage to the second piezoelectric element 240, which causes the closure element 238 to be moved downward in the horizontal direction to close the opening 224.
  • the first piezoelectric element 230 is then actuated to open the opening 222.
  • a voltage is applied to the piezoelectric diaphragm actuator 250 to cause the diaphragm 246 to deform, so that the volume of the pump chamber 216 increases. This creates a negative pressure in the pump chamber 216, as a result of which a fluid is sucked into the pump chamber 216 from the opening 222.
  • the first valve 226 is closed.
  • the second valve 236 is then actuated by applying an electrical voltage to the second piezoelectric actuator 240 to open the opening 224. After opening, a voltage is applied to the piezoelectric diaphragm actuator 250 which causes the volume of the pump chamber 216 to decrease. This causes the fluid to flow out of the Pump chamber 216 out and pushed through the opening 224.
  • the opening 222 is preferably connected to a first fluid reservoir when the micropump 200 is operating, while the opening 224 is connected to a second fluid reservoir. This causes fluid to be pumped from the first fluid reservoir into the second fluid reservoir in the pumping operation described above.
  • the first and second fluid reservoirs can be, for example, ambient air or a container with liquid or gas.
  • the pumping process can be repeated one or more times to pump a desired amount of fluid from the first reservoir to the second reservoir.
  • the active valves 226 and 236 are operated in a correspondingly reversed manner based on the explanations above.
  • the first valve 226 is first closed in a suction process, the second valve 236 is opened and then the membrane is actuated to increase the pump chamber volume.
  • a fluid is drawn into the pump chamber 216 from the opening 224.
  • the second valve 236 then closes the opening 224, while the first valve 226 opens the opening 222.
  • the membrane 246 is subsequently actuated to reduce the pump chamber volume, as a result of which the fluid in the pump chamber 216 is expelled through the opening 222.
  • FIG. 252 An exemplary embodiment of a pipetting device 252 is explained below with reference to FIG which uses the micropump 200 explained with reference to FIG. 2 for dosing the dosing medium.
  • the micropump 200 is arranged on a carrier element 254, a pipette channel 256 formed in the carrier element 254 being connected to the opening 224 of the micropump.
  • the pipetting device 252 also has a pipette tip 258 which has an opening at the front end for sucking in and expelling a dosing liquid.
  • the pipette tip 258 has a connecting element 260, which is designed to connect the pipette channel 256 to the interior of the pipette tip 258.
  • the connecting element 260 is preferably inserted into the pipette channel 256 in a detachable manner in order to enable the pipette tip 258 to be exchanged.
  • the carrier element 254 further comprises a channel 262 which is connected at a first end thereof to the opening 222 of the micropump 200.
  • a second end of the channel 262, which is arranged laterally on the carrier element, is in contact with an environment which, for example, has air.
  • the pipetting device 252 can have a filter 264 between the second end of the channel 262 and the surroundings connected to the channel, which filter is connected to the channel 262 via a connecting element 266a.
  • the environment typically includes air as a medium, so that the filter is preferably designed as an air filter.
  • the filter 264 can comprise all known filter types, such as, for example, particle filters, chemically selectively absorbing filters or electrostatic filters. Filtering the air prevents contamination of the dosing medium by particles or chemical contamination of the air. It also prevents contamination from accumulating on the active valves, which can prevent the openings from being sealed.
  • the filter 264 can also have an outer connection element 266b in order to enable a connection to a suction line arranged outside the carrier element 252.
  • the micropump 200 To suck in a dosing medium, which preferably comprises a liquid, the micropump 200 is first operated with a pumping direction in which a working medium, which is for example air or another gaseous medium, is sucked out of the pipette channel 256 into the pump chamber 216 via the opening 224 and pumped through the opening 222 into an environment connected to the channel 262.
  • a working medium which is for example air or another gaseous medium
  • This pump direction corresponds to the second pump direction explained with reference to FIG. 2, so that a representation of the assigned work processes of the micropump can be found in the corresponding explanations above.
  • the pumping process for sucking in the dosing agent 268 can be repeated until the desired amount of the dosing agent 268 is sucked into the pipette tip 258.
  • the gaseous cushion 270 ensures that the pipette channel does not come into contact with the dosing medium. This prevents the dosing agent from being changed when the pipette tip 258 is exchanged for dosing another dosing agent is contaminated by dosing agent residues of the previous dosing agent present in the channel.
  • valve is actuated to close in order to hold the dosing agent in the pipette tip 258.
  • the micropump 200 is operated with the reverse pumping direction, in which the working medium of the micropump 200 is sucked in from the environment via the opening 222 and is pumped into the pipette channel 256 via the opening 224.
  • This pumping direction corresponds to the first pumping direction explained with reference to FIG. 2, so that reference is made to the corresponding explanations for a precise description of the pumping processes.
  • the Pumpvor ⁇ can be repeated gang until a desired Do- sierffenmenge from the pipette tip 258 applied WUR ⁇ de.
  • the active valves 226 and 236 achieve a tight closing independent of a back pressure that occurs. This has an advantageous effect on the pipetting device 252, since a fluidic short circuit, as can occur in known micropumps with flap valves, is prevented.
  • the pipetting device 252 therefore achieves high metering accuracy. Unintended detachment of the dosing medium while holding it in the pipette tip is also achieved due to the low leakage rates of the active valves.
  • the active valves of the micropump 200 are designed as piezoelectric valves
  • other exemplary embodiments of the present invention can include other actively actuable valve types, such as, for example, mechanically actuable valves, electrostatic valves or electromagnetic valves.
  • any other known actuating device for actuating the membrane such as an electrostatic actuating device, can be used.
  • any known device can be used in other embodiments, which allows changing the pump chamber volume.
  • Such devices can include, for example, rotatable elements for compressing and decompressing a fluid in the pump chamber.
  • the pump chamber has only two openings, in alternative exemplary embodiments it can also have more than two openings with correspondingly assigned active valves.
  • This enables selective pumping, in which, for example, different fluids can be pumped alternately from different reservoirs into the pump chamber and can then be pumped into predetermined other reservoirs via selectively selected openings.
  • a selective mixing of different fluids can be carried out in the pump chamber, a mixing ratio being adjustable by controlling the active valves.
  • the use of the pump chamber thereby achieved as a “mixing reactor ⁇ furthermore shows the partly on that a good mixing is achieved by the high pressures in the pump chamber.
  • the pipetting device with a micropump according to the present invention is not restricted to the exemplary embodiment of an air cushion pipetting device shown.
  • Other exemplary embodiments can include, for example, a pipetting device based on the direct displacement principle or a microtiter pipetting device, in each of which the micropump according to the invention is used for dosing the dosing agent.

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Abstract

Eine Pipetiereinrichtung umfasst eine Mikropumpe (200), die eine Pumpenkammer (216) mit einer ersten Öffnung (222) und einer zweiten Öffnung (224) aufweist. Ferner umfasst die Mikropumpe eine Einrichtung (246, 250) zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer (216). Ein erstes aktives Ventil (226) ist vorgesehen, um ein Öffnen und Schliessen der ersten Öffnung (222) durchzuführen. Ferner wird ein zweites aktives Ventil (236) verwendet, um ein Öffnen und Schliessen der zweiten Öffnung (224) durchzuführen. Ferner weist die Pipetiereinrichtung eine Pipettenspitze (258) auf, die über einen Pipettenkanal (256) mit der ersten (222) oder zweiten (224) Öffnung verbunden ist.

Description

Pipetiereinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Pipetiereinrichtung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Pipetiereinrich- tungen und spezifischer auf Pipetiereinrichtungen mit Mik- ropumpen.
Mit zunehmender Verbesserung der Herstellung von mikromechanischen Strukturen können heutzutage vielfältige Vorrichtungen als Mikrostrukturvorrichtungen realisiert werden. Eine solche Mikrostrukturvorrichtung umfaßt beispiels- weise eine Mikropipetiereinrichtung mit einer Mikropumpe.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Pipetiereinrichtung, die eine erste und zweite Mikropumpe 110a und 110b aufweist, die jeweils aus drei übereinander angeordneten Pumpenkörperab- schnitten 110, 112 und 114 aufgebaut sind. Die Pumpenkör- perabschnitte 110, 112 und 114 umfassen jeweils eine flache Scheibe bzw. Wafer mit MikroStrukturen, die mittels geeigneter Ätzverfahren erzeugt werden. Typischerweise weisen die Pumpenkörperabschnitte 110, 112 und 114 bei einer sol- chen bekannten Mikropumpe ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, auf. Jede der Mikropumpen 100a und 110b umfaßt eine Pumpenkammer 116, die durch Begrenzungen der Pumpenkörperabschnitte 110 - 114 gebildet wird. Die Pumpenkammer 116 weist eine Einlaßöffnung 118 auf, die in dem unteren Puinpenkörperabschnitt 110 gebildet ist. Über der Einlaßöffnung 118 ist ein erstes Klappenventil 120 angeordnet, das als passives Rückschlagventil ausgebildet ist. Das Klappenventil 120 ist in dem mittleren Puinpenkörperabschnitt 112 gebildet und weist eine längliche flexible Klappe 120a auf, die sich über die Einlaßöffnung 118 erstreckt. Die Pumpenkammer 116 weist ferner eine Auslaßöffnung 122 auf, die durch ein zweites passives Klappenventil 124, das in dem Pumpenkörperabschnitt 110 angeordnet ist, verschlossen und geöffnet werden kann. Das zweite Klappenventil 124 weist entsprechend zu dem ersten Klappenventil 120 eine Klappe 124a mit einer länglichen flexiblen Form auf.
Ferner weisen die Mikropumpen 100a und 100b ein piezoelektrisches Betätigungselement 126 zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer 116 auf. Das piezoelektrische Betätigungselement 126 ist als eine piezoelektrische Keramikschicht großflächig auf einer dünn ausgebildeten Membran 128 angeordnet, die flexibel zwischen Halteelementen angeordnet ist. Bei Anlegen einer geeigneten Spannung an das piezo- elektrische Betätigungselement 126 verformt sich die Membran 128 und bewirkt, je nach Polarität der Spannung, ein Vergrößern oder Verkleinern des Volumens der Pumpenkammer 116.
Bei einem Saugvorgang wird an das piezoelektrische Betätigungselement 126 eine Spannung angelegt, die die Membran 128 derart verformt, daß sich eine Vergrößerung des Volumens der Pumpenkammer 116 ergibt. Dabei wird in der Pumpenkammer 116 ein Unterdruck erzeugt, der bewirkt, daß das Ventil 120 von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand übergeht, wohingegen das Ventil 124 durch den Unterdrück einen geschlossen Zustand aufweist. Dadurch wird ein Fluid durch die Öffnung 118 in die Pumpenkammer 116 gesaugt .
Bei einem Pumpvorgang wird das Pumpkammervolumen ' durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung an das piezoelektrische Betätigungselement 116 verringert. Der dabei entstehende Überdruck bewirkt, daß auf das Klappenventil 124 eine Kraft ausgeübt wird, die das Klappenventil 124 nach unten bewegt. Dadurch wird die Öffnung 122 geöffnet, während die Einlaßöffnung 118 durch das Ventil 120 verschlossen wird. Durch den Überdruck in der Pumpenkammer 116 wird das Fluid aus der Pumpenkammer 116 durch die Öffnung 122 ausgestoßen.
Die Mikropumpen 100a und 100b sind in der Pipetiereinrich- tung derart angeordnet, daß die Mikropumpe 100a saugseitig, d.h. mit der Einlaßöffnung 118, mit einem Pipettenkanal 132 einer Pipetierspitze 134 und druckseitig, d.h. mit der Auslaßöffnung 122 mit einer Umgebung in Verbindung steht. Dahingegen ist die Mikropumpe 100b entgegengesetzt zu der Mi- kropumpe geschaltet, so daß dieselbe druckseitig mit dem Pipettenkanal und saugseitig mit der Umgebung in Verbindung steht.
Beim Ansaugen eines zu dosierenden Mediums wird die saug- seitig an den Pipettenkanal angeschlossene Mikropumpe 100a betätigt, so daß sich das Volumen der Pumpenkammer vergrößert und Luft aus dem Pipettenkanal in die Pumpenkammer gesaugt wird. Dabei wird ein Luftpolster 136 in der Pipettenspitze 134 abgebaut und ein Dosiermedium 138 in die Pipettenspitze 134 angesaugt. Die zweite Mikropumpe 100b, die druckseitig mit dem Pipettenkanal in Verbindung steht, bleibt dabei ausgeschaltet.
Umgekehrt wird bei einem Dosieren des angesaugten Mediums die Mikropumpe 100b betätigt, indem das Volumen der Pumpenkammer derselben verringert wird, während die Mikropumpe 100a ausgeschaltet bleibt. Die druckseitig mit dem Pipettenkanal verbundene Mikropumpe 100b erzeugt dabei einen Ü- berdruck in dem Pipettenkanal, was ein Aufbauen des Luft- polster 136 und ein Ausstoßen des Dosiermediums bewirkt.
Die oben beschriebenen Mikropumpen 100a und 100b zeichnen sich durch eine einfache Ansteuerung aus, da bei den Pump- und Saugvorgängen als einzigstes aktives Element lediglich das piezoelektrische Betätigungselement 126 betätigt werden muß. Ferner besteht ein Vorteil der Mikropumpen 100a und 110b darin, daß dieselben kompakt herstellbar sind, dahingehend, daß auf einem Chip, auf dem die Mikropumpen ange- ordnet sind, lediglich ein geringe Fläche verbraucht wird. Darüber hinaus liegt eine langjährige Erfahrung für derartige bekannte Mikropumpen mit Klappenventilen vor, so daß die Strukturen der Mikropumpe mit einer hohen Genauigkeit erzeugt werden können.
Die Verwendung von passiven Rückschlagventilen bei den Mikropumpen 100a und 100b, die bei jeweiligem Über- bzw. Unterdruck öffnen oder schließen, weist jedoch den Nachteil auf, daß ein Halten der Flüssigkeit nicht immer gewährleistet ist. Bereits ein geringer Überdruck an der Einlaßöffnung 118 kann bewirken, daß sich die passiven Rückschlagventile leicht öffnen, wodurch ein Fluid in die Pumpenkammer 116 einströmen oder ausströmen kann.
Bei dem Einsatz der Mikropumpen 100a und 100b in der oben beschriebenen Pipetiereinrichtung treten daher aufgrund des oben beschriebenen unzureichenden Haltens der Dosierflüssigkeiten bereits bei geringen Druckdifferenzen in Öff- nungsrichtung Leckraten auf. Insbesondere ein Halten von großen Flüssigkeitsmengen ist aufgrund des hydrostatischen Drucks und der damit verbundenen Leckraten nur eingeschränkt möglich.
Ein wesentlicher Nachteil der Mikropumpen 100a und 100b besteht ferner darin, daß bei hohen Druckpulsen ein sogenannter fluidischer Kurzschluß auftreten kann. Wird während des Ansaugens des Dosierfluids die Mikropumpe 100a betätigt, so entsteht in dem Pipettenkanal 132 ein Druck p2, der gerin- ger als ein Druck pl der Umgebung ist, die mit der Auslaßöffnung der Mikropumpe 100a in Verbindung ist. Da der Pipettenkanal jedoch mit der Auslaßöffnung der Mikropumpe 100b und ferner die Umgebung mit der Einlaßöffnung der Mikropumpe 100b in Verbindung steht, bewirkt der Druckunter- schied, daß sich die Ventile der Mikropumpe 100b aufgrund des Druckunterschieds öffnen können, so daß durch die Mikropumpe 100b ein fluidischer Kurzschluß auftritt. Ferner kann auch bei einem Ausstoßen des Dosierfluids ein fluidi- scher Kurzschluß auftreten. In diesem Fall wird durch das Betätigen der Mikropumpe 100b in dem Pipettenkanal ein Druck p2 erzeugt, der größer als der Druck pl der Umgebung ist, die mit der Einlaßöffnung der Mikropumpe 100b in Verbindung steht. Durch den Druckunterschied zwischen der Umgebung und dem Pipettenkanal können sich die Ventile der Mikropumpe 100a öffnen, so daß bei dem Dosiervorgang ein fluidischer Kurzschluß durch die Mikropumpe 100a auftreten kann.
Bekannterweise kann die Gefahr des fluidischen Kurzschlusses durch ein geeignetes Ansteuern des piezoelektrischen Elements 126 verringert werden, bei dem kurzeitige hohe Druckpulse vermieden werden. Das Ansteuern des piezoelekt- rischen Elements 126 kann beispielsweise mittels einer sinusförmigen Signalform erfolgen. Das Erzeugen der Sinusform erfordert jedoch einen zusätzlichen Schaltungsaufwand, indem zusätzliche Bauelemente und Schaltungsteile bereitgestellt werden müssen.
Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen bekannten Pipetiereinrichtung besteht darin, daß die Herstellung derselben aufwendig ist. Die Mikropumpen 100a und 100b werden aus drei Wafern gebildet, die nach einer Strukturierung ü- bereinander angeordnet werden. Das Anordnen der Wafer erfordert eine hohe Präzision, damit die jeweils übereinander angeordneten Strukturen der verschiedenen Wafer genau an der vorgesehenen Position positioniert sind. Dabei erhöht sich der Aufwand mit jedem zusätzlichen Wafer.
Ferner muß bei den bekannten Mikropumpen 100a und 100b der mittlere Pumpenkörperabschnitt 112 dünn ausgebildet sein, um eine Gesamthöhe der Pumpenkammer 116 gering zu halten, so daß ein hohes Kompressionsvermögen erreicht wird. Das Dünnen des Wafers wird bekannterweise mittels eines Schlei- fens bzw. Grinden durchgeführt. Durch das Schleifen treten jedoch mechanische Belastungen auf, die zu einer Beschädi- gung der empfindlichen MikroStrukturen oder zu einem Brechen des Wafers führen können.
Alternativ kann bei der Herstellung des mittleren Pumpen- körperabschnitts auch ein dünner Wafer als Ausgangswafer verwendet werden. Um die dünnen Wafer während des Herstellungsprozesses geeignet zu transportieren und zu lagern, sind jedoch aufwendige und speziell an die dünnen Wafer angepaßte HandhabungsVorrichtungen erforderlich. Ferner be- steht bei dem Umgang mit den dünnen Wafern die Gefahr eines Bruchs des Wafers, wodurch bei einer Massenfertigung die Ausschußrate erhöht wird und die Herstellungskosten steigen.
Ein weiterer Nachteil, der sich bei den Mikropumpen 100a und 100b durch die Verwendung von passiven Rückschlagventilen ergibt, besteht darin, daß eine einfache Fluidführung nicht möglich ist, da der Fluidstrom, bei einem Ein- und Ausströmen durch die Klappen behindert wird. Insbesondere ist der Grad der Öffnung der Klappen von dem Über- bzw. Unterdr ck in der Pumpenkammer abhängig, so daß sich je nach vorliegendem Druck unterschiedliche Verläufe des Fluids beim Einlassen bzw. Ausströmen ergeben. Dies muß bei einem Entwurf der Mikropumpe berücksichtigt werden.
Ferner muß zum Bilden des Auslaß-Klappenventils 124 ein Auslaßkanal 130 in dem Pumpenkörperabschnitt 110 aufgrund der länglichen Form der Ventilklappe 124a einen großen Durchmesser aufweisen. Dadurch reduziert sich eine Außen- fläche des Pumpenkörperabschnitts 110, wodurch ein Befestigen der Mikropumpe erschwert ist.
Darüber hinaus besteht ein wesentlicher Nachteil der Pipetiereinrichtung gemäß Fig. 1 darin, daß zwei Mikropumpen 100a und 100b verwendet werden müssen, um ein Ansaugen und Dosieren zu erreichen, da die Mikropumpen 100a und 100b le¬ diglich mit einer Pumprichtung betrieben werden können. Dies erfordert einen hohen Aufwand bei der Herstellung und einen zusätzlichen Platzverbrauch.
Eine Pipetiereinrichtung, die entsprechend zu der unter Be- zugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Pipetiereinrichtung zwei Mikropumpen mit passiven Klappenventilen umfaßt, ist beispielsweise in der DE 198 47 869 AI beschrieben.
Die WO 99/10 099 AI offenbart ein Mikrodosiersystem, das eine Mikromembranpumpe und einen Freistrahldosierer umfaßt. Die Mikromembranpumpe ist mittels eines Eingangs mit einem Reservoir verbunden und weist ferner einen Ausgang auf, der mittels einer Leitung mit einem Eingang des Freistrahldo- sierers verbunden ist. Am Eingang und Ausgang der Mikro- membranpumpe sind passive Rückschlagventile vorgesehen, so dass eine Flüssigkeit von dem Reservoir zu dem Freistrahldosierer gepumpt werden kann. Der Freistrahldosierer umfaßt ferner eine Druckkammer mit zwei Öffnungen, die jeweils einen Eingang bzw. Ausgang des Freistrahldosierers bilden. Die Mikromembranpumpe und der Freistrahldosierer umfassen ferner jeweils eine Membran, um ein Volumen der Druckkammer zu verändern.
Die DE 197 06 513 AI zeigt eine Mikrodosiervorrichtung, die eine Druckkammer aufweist, die über einen Einlaß mit einem Medienreservoir verbunden ist und ferner einen Auslaß zum Ausstoßen von Fluid aufweist. Die Vorrichtung umfaßt eine Membran mit einem Aktor, um das Volumen der Druckkammer zu verändern. Zum Verhindern einer Rückströmung durch den mit dem Medienreservoir verbundenen Kanal ist zwischen der Druckkammer und dem Medienreservoir ein Ventil angeordnet. Das Ventil ist mittels eines piezoelektrischen Antriebs betreibbar, der eine bewegbare Membran zum Verschließen betätigt. Die EP 0 725 267 A2 offenbart eine elektrisch steuerbare Mikro-Pipette, die eine Mikroejektionspumpe umfaßt. Die Mikroejektionspumpe umfaßt eine Kammer mit einer Kammerwand, die mittels einer elektrisch ansteuerbaren Aktuator- Vorrichtung steuerbar ist. Im Betrieb wird die Pumpkammer der Mikroejektionspumpe mit Fluid aus einem Vorrat befüllt wird, und darauffolgend über eine Auslaufkapillare abgegeben.
Die EP 0 568 902 A2 zeigt eine Mikropumpe mit einer Pumpkammer, die einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, die jeweils ein Ventil aufweisen, um dieselben zu verschließen. Die Pumpkammer weist ferner eine Membran auf, die mittels einer Mikro-Betätigungsvorrichtung betätigt werden kann. Im Betrieb wird eine Verbiegung der Membran durchgeführt, wodurch der Druck in der Pumpkammer verringert wird, so daß bei einem Anheben des Einlaßventils von seinem Sitz, während das Auslaßventil in einer geschlossenen Position ver- bleibt, Flüssigkeit durch den Einlaß in die Pumpkammer eintritt und darauffolgend über das geöffnete Auslaßventil ausgestoßen wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pipetiereinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Pipetiereinrichtung zu schaffen, die ein sicheres und stabiles Dosieren eines Dosierfluids ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Pipettiereinrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Mikropumpe gemäß Anspruch 12 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Pipetiereinrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer Mikropumpe mit einer Pumpenkammer mit einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung;
einer Einrichtung zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer;
einem ersten aktiven Ventil zum Öffnen und Schließen der ersten Öffnungf¬
einem zweiten aktiven Ventil zum Öffnen und Schließen der zweiten Öffnung; und
einer Pipettenspitze, die über den Pipettenkanal mit der ersten oder zweiten Öffnung verbunden ist.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Pipetiereinrichtung mit folgenden Schritten:
aktives Verschließen der ersten oder zweiten Öffnung, wodurch eine Umgebung von der Pumpenkammer abgetrennt wird;
aktives Öffnen der zweiten oder ersten Öffnung, wodurch die Pumpenkammer mit dem Pipettenkanal verbunden wird;
Vergrößern des Volumens der Pumpenkammer zum Ansaugen eines Dosierfluids durch die Pipettenspitze; und
Verringern des Volumens der Pumpenkammer zum Ausstoßen des Dosierfluids durch die Pipettenspitze.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine Pipetiereinrichtung mit einer Mikropumpe mit einem stabilen und sicheren Dosierverhalten realisiert werden kann, indem von der Verwendung einer Mikropumpe mit passi- ven Ventilen zum Öffnen bzw. Schließen von Öffnungen einer Pumpenkammer Abstand genommen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei der erfindungsgemäßen Pipetiereinrichtung eine Mikropumpe mit aktiven Ventile zum Öffnen und Verschließen der Pumpenkammeröffnungen verwendet.
Dadurch sind die Öffnungen der Pumpenkammer selbst bei auftretenden Gegendrücken sicher verschließbar. Dies verhindert einen fluidischen Kurzschluß bei hohen Druckpulsen und vermeidet das Auftreten von Leckraten.
Die erfindungsgemäße Verwendung einer Mikropumpe mit aktiven Ventilen ermöglicht ein Betreiben in zwei Pumprichtungen, so daß zum Ansaugen und Dosieren lediglich eine Mikro- pumpe erforderlich ist.
Durch das Vorsehen von aktiven Ventilen wird ferner eine einfache Fluidführung erreicht, da der Verlauf des ein- o- der ausströmenden Fluids im Gegensatz zu den bekannten Mik- ropumpen mit Klappenventilen nicht durch die Klappen behindert wird. Dadurch ergibt sich in Ein- und Auslaßkanälen, die mit den Öffnungen verbunden sind, ebenfalls eine einfache Fluidführung. Ferner können die Öffnungen mit einer einfachen und symmetrischen Form gebildet werden. Dies ver- einfacht ein Strukturieren der Öffnungen bei der Herstellung der Mikropumpe.
Darüberhinaus ist bei der erfindungsgemäßen Pipetiereinrichtung ein Herstellungsprozess einfach gehalten, da daß kritische Erzeugen von dünnen flexiblen Klappen nicht erforderlich ist.
Im Gegensatz zu der bekannten Pipetiereinrichtung mit einer Mikropumpe mit passiven Klappenventilen ist es bei der er- findungsgemäßen Pipetiereinrichtung nicht erforderlich, eine längliche Ventilklappe in einem großdimensionierten Auslaßkanal eines Pumpenkörpers anzuordnen. Dadurch kann eine äußere Oberfläche des Pumpenkörpers eine große Befesti- gungsfläche zum Befestigen der Mikropumpe an einem Träger aufweisen, so daß eine einfache und sichere Befestigung der Mikropumpe möglich ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Pipetiereinrichtung mit einer Mikropumpe, bei der die aktiven Ventile piezoelektrische Ventile umfassen. Ferner weist die Einrichtung zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer vorzugsweise eine Pumpenmembran auf, die mit einer piezoelektrischen Betätigungseinrichtung zum Verändern des Volumens betätigbar ist. Die piezoelektrische Betätigungseinrichtung umfaßt vorzugsweise eine dünne pie- zo-aktive Schicht, die auf einer äußeren Seite der Pumpenmembran aufgebracht ist.
Die Pumpenmembran ist vorzugsweise zwischen Halteelementen angeordnet, die ein Verbiegen der Membran ermöglichen, ohne daß nachteilige Auswirkungen auf die aktiven Ventile in Kauf genommen werden müssen.
Die Mikropumpe wird bevorzugt mit einer Schichtstruktur aus zwei strukturierten flachen Scheiben, die übereinander angeordnet sind, gebildet. Dadurch wird die Herstellung der Mikropumpe einfach und kostengünstig gehalten. Vorzugsweise wird als Material der Scheiben ein Halbleitermaterial und besonders bevorzugt ein Siliziummaterial verwendet.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer bekannten Pipetiereinrichtung, die zwei Mikropumpen mit passiven Klappenventilen aufweist;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Mikropumpe, die bei einer Pipetiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Pipetiereinrichtung mit einer Mikropumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 eine Mikro- pumpe 200 erklärt, die bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
Gemäß Fig. 2 weist die Mikropumpe 200 einen Pumpenkörper 210 auf, der vorzugsweise aus einem scheibenförmigen ersten Pumpenkörperabschnitt 212 und einem scheibenförmigen zweiten Pumpenkörperabschnitt 214 gebildet ist. Die Pumpenkörperabschnitte 212 und 214 sind in vertikaler Richtung (y- Achse) übereinander angeordnet und an Randbereichen derselben über Verbindungsstrukturen miteinander verbunden. Die Pumpenkörperabschnitte 212 und 214 umfassen vorzugsweise Scheiben aus einem Halbleitermaterial und besonders bevorzugt aus Silizium. Der Pumpenkörper 210 kann jedoch bei anderen Ausführungsbeispielen jedes andere mikro- strukturierbare Material aufweisen. Die scheibenförmige Pumpenkörperabschnitte 212 und 214 werden vorzugsweise mittels bekannter Lithographie- und Ätztechniken strukturiert und mittels bekannter Verbindungstechniken zum Bilden des Pumpenkörpers 210 verbunden.
Eine länglich ausgebildete Pumpenkammer 216 ist in der Mikropumpe 200 durch eine Ausnehmung 218 in dem unteren Pumpenkörperabschnitt 212 und eine wannenförmige Ausnehmung 220 in dem oberen Pumpenkörperabschnitt 214 gebildet. Die in Richtung des Pumpenkörper weisenden Ausnehmungen 218 und 220 sind in horizontaler Richtung (x-Achse) vorzugsweise mittig angeordnet, um eine symmetrische Struktur zur Erreichen. Vorzugsweise ist die Pumpenkammer mit einer geringen Höhe gebildet, um ein hohes Kompressionsverhältnis zu erreichen.
Die Mikropumpe 200 weist ferner zwei Öffnungen 222 und 224 zum Ein- oder Auslassen eines Fluids in die Pumpenkammer 216 auf, die jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Pumpenkammer 216 in dem unteren Pumpenkörperabschnitt 212 gebildet sind. Die Öffnungen 222 und 224 erstrecken sich jeweils in der Form eines Kegelstumpfs von einer bezüglich des Pumpenkörpers 210 auswärts gewandten Oberfläche zu einer nach innen gewandten Oberfläche des unteren Pumpenkör- perabschnitts 212. Die Öffnungen können jedoch auch mit anderen Formen, wie beispielsweise einer Zylinder-Form gebildet sein. Vorzugsweise weisen die Öffnungen 222 und 224 ei- ne symmetrische Form auf, um eine Herstellung derselben zu vereinfachen.
Über der Öffnung 222 ist ein erstes aktives Ventil 226 zum Schließen und Öffnen der Öffnung 222 angeordnet. Das erste aktive Ventil 226 umfaßt ein Verschlußelement 228, das auf einer bezüglich des Pumpenkörpers 210 inneren Oberfläche des zweiten Pumpenkörperabschnitts 214 gebildet ist. Das Verschlußelement 228 ist derart gebildet, daß es in einem geöffneten Zustand des ersten aktiven Ventils 226 in verti- kaier Richtung von der Öffnung 222 beabstandet ist.
Das Verschlußelement 228 weist eine flache Verschluß- Oberfläche auf, die sich in horizontaler Richtung über seitlich der Öffnung 222 angeordnete Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b erstreckt, so daß die Öffnung 222 in einem geschlossenen Zustand des Ventils 226 von dem Verschlußele¬ ment 228 vollständig verschlossen wird. Die Ventilsitz- Strukturen 222a und 222b sind vorzugsweise derart ausgebildet, daß bei einem Verschließen des Ventils 226 die Aufla- geflache des Verschlußelements 228 geringgehalten ist. Die geringe Auflagefläche bewirkt ein sicheres Verschließen durch das Verschlußelement 228, da die Gefahr eines undichten Verschlusses, beispielsweise durch Unebenheiten in den Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b, mit abnehmender Auflagefläche minimiert ist.
Das Verschlußelement 228 ist jeweils seitlich durch dünne Stege mit Halteelementen 232 und 234 verbunden. Dadurch ist das Verschlußelement 228 flexibel bezüglich den Halteelementen 232 und 234 angeordnet und kann von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand gebracht werden, bei dem das Verschlußelement 228 mit einer Verschluß-Oberfläche auf den Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b aufsitzt und die Öffnung 222 verschließt.
Um das Öffnen und Schließen des ersten aktiven Ventils zu bewirken, ist auf einer der Verschluß-Oberfläche gegenüber- liegenden Oberfläche des Verschlußelements 228 ein erstes piezoelektrisches Betätigungselement 230 angeordnet. Das erste piezoelektrische Betätigungselement 230 umfaßt vorzugsweise eine dünne Schicht eines piezoelektrischen Materials, wie beispielsweise Quarz.
Das erste piezoelektrische Betätigungselement 230 ist über elektrische Anschlüsse (nicht gezeigt) mit einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) verbindbar, um durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung eine Kontraktion oder Expansion des ersten piezoelektrischen Betätigungselements 230 zu erreichen, die jeweils vertikale Verschiebungen des Verschlußelements 228 bewirken.
Über der Öffnung 224 ist ferner ein zweites aktives Ventil 236 gebildet, das vorzugsweise entsprechend zu dem ersten Ventil 226 ausgebildet ist. Genauer gesagt, weist das zweite aktive Ventil 236 ein über der Öffnung 224 angeordnetes Verschlußelement 238 auf, das über seitlich angeordnete Stege mit Halteelementen 242 und 244 verbunden ist. Ebenso umfaßt das zweite aktive Ventil 236 ein zweites piezoelektrisches Betätigungselement 240 zum Ermöglichen der vertikalen Bewegung des Verschlußelement 238. Ferner sind entspre- chend zu dem ersten Ventil seitlich der Öffnung 222 jeweils Ventilsitz-Strukturen 224a und 224b gebildet.
Wie es später genauer erklärt wird, bewirken die piezo- elektrischen Elemente 230 und 240 durch ein Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung ein Öffnen und Verschließen der Öffnungen 222 bzw. 224, so daß die Pumpenkammer 216 zum Einlassen oder Auslassen eines Pumpmediums durch die Öffnungen 222 bzw. 224 geschlossen oder geöffnet werden kann.
Zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer weist die Pumpenkammer 216 eine dünne Membran 246 auf, die zwischen den Halteelementen 234 und 244 angeordnet ist. Dadurch ist die dünne Membran 246 zwischen den Halteelementen 234 und 244 flexibel biegbar, so daß durch ein Betätigen der Membran das Volumen der Pumpenkammer 216 veränderbar ist. Die massiv ausgebildeten Halteelemente 234 und 244 verhindern, daß sich bei einer Betätigung der Membran 246 eine Bewegung auf die Verschlußelemente 228 und 238 überträgt, so daß eine nachteilige Beeinflussung der aktiven Ventile durch die Be¬ wegung der Membran 246, was beispielsweise zu einem Öffnen eines verschlossenen Ventils führen kann, verhindert ist. Ferner dienen die Halteelemente 234 und 244 auch als Befes- tigungseinrichtungen, die ein Befestigen der Mikropumpe 200 an einem Träger ermöglichen.
Auf einer dem Pumpenkörper 210 abgewandten Seite der Membran 246 ist ferner ein piezoelektrisches Membran- Betätigungselement 250 zum Betätigen der Membran 246 ange¬ ordnet. Das piezoelektrische Membran-Betätigungselement 250 weist, wie die piezoelektrischen Betätigungselemente 230 und 240, vorzugsweise eine dünne Schicht aus einem piezoelektrischem Material auf. Ferner ist das piezoelektrische Membran-Betätigungselement 250 über elektrische Anschlüsse (nicht gezeigt) mit einer Steuereinrichtung verbindbar, um ein Anlegen einer elektrischen Spannung zu ermöglichen. Bei der Pumpe 200 handelt es sich um eine Pumpe nach dem Peristaltik-Prinzip, bei dem die Betätigungselemente 230, 240 und 250 in vorbestimmten Reihenfolgen aufeinanderfolgend betätigt werden.
Ein Betreiben der Mikropumpe 200 nach diesem Prinzip wird nachfolgend näher erklärt.
Im folgenden wird zunächst eine erste Pumprichtung erläu- tert, bei der ein Fluid von der Öffnung 222 zu der Öffnung 224 gepumpt wird.
Bei einem Ansaugvorgang wird zunächst das zweite Ventil 236 betätigt, um die Öffnung 224 zu schließen. Das Betätigen des zweiten Ventils 236 erfolgt durch ein Anlegen einer e- lektrischen Spannung an das zweite piezoelektrische Element 240, die bewirkt, daß das Verschlußelement 238 zum Schließen der Öffnung 224 in horizontaler Richtung nach unten bewegt wird. Daraufhin wird das erste piezoelektrische Ele- ment 230 betätigt, um die Öffnung 222 zu öffnen.
Nachfolgend wird an das piezoelektrische Membran- Betätigungselement 250 eine Spannung angelegt, um eine Verformung der Membran 246 zu bewirken, so daß sich das Volu- men der Pumpenkammer 216 vergrößert. Dadurch entsteht in der Pumpenkammer 216 ein Unterdruck, wodurch ein Fluid von der Öffnung 222 in die Pumpenkammer 216 angesaugt wird. Nach dem Beenden des Ansaugvorgangs wird das erste Ventil 226 geschlossen.
Zum Auspumpen des in der vergrößerten Pumpenkammer 216 gespeicherten Fluids wird daraufhin das zweite Ventil 236 durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das zweite piezoelektrische Betätigungselement 240 betätigt, um die Öffnung 224 zu öffnen. Nach dem Öffnen wird an das piezoelektrische Membran-Betätigungselement 250 eine Spannung angelegt, die bewirkt, daß sich das Volumen der Pumpenkammer 216 verkleinert. Dies bewirkt, daß das Fluid aus der Pumpenkammer 216 heraus und durch die Öffnung 224 gedrückt wird.
Vorzugsweise ist die Öffnung 222 bei dem Betrieb der Mikro- pumpe 200 mit einem ersten Fluidreservoir in Verbindung, während die Öffnung 224 mit einem zweiten Fluidreservoir in Verbindung steht. Dies bewirkt, daß bei dem oben beschriebenen Pumpvorgang Fluid von dem ersten Fluidreservoir in das zweite Fluidreservoir gepumpt wird. Das erste und zwei- te Fluidreservoir können beispielsweise Umgebungsluft oder ein Behälter mit Flüssigkeit oder Gas sein.
Nach dem Durchführen des oben beschriebenen Pumptaktes kann der Pumpvorgang ein oder mehrere Male wiederholt werden, um eine gewünschte Fluid-Menge von dem ersten Reservoir zu dem zweiten Reservoir zu pumpen.
Zum Pumpen der Mikropumpe 200 mit einer zweiten Pumprichtung, bei der ein Fluid von der Öffnung 224 zu der Öffnung 222 gepumpt wird, werden die aktiven Ventile 226 und 236 bezogen auf die obigen Erklärungen entsprechend vertauscht betrieben.
Genauer gesagt, wird bei der zweiten Pumprichtung in einem Ansaugvorgang zunächst das erste Ventil 226 geschlossen, das zweite Ventil 236 geöffnet und daraufhin die Membran zum Vergrößern des Pumpenkammervolumens betätigt. Dadurch wird ein Fluid von der Öffnung 224 in die Pumpenkammer 216 angesaugt. Daraufhin verschließt das zweite Ventil 236 die Öffnung 224, während das erste Ventil 226 die Öffnung 222 öffnet. Nachfolgend wird die Membran 246 zum Verkleinern des Pumpenkammervolumens betätigt, wodurch das in der Pumpenkammer 216 befindliche Fluid durch die Öffnung 222 ausgestoßen wird.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Pipetiereinrichtung 252 erklärt, bei der die unter Bezugnahme auf Fig. 2 erklärte Mikropumpe 200 zum Dosieren des Dosiermediums verwendet wird.
Gemäß Fig. 3 ist bei der Pipetiereinrichtung 252 die Mikro- pumpe 200 auf einem Trägerelement 254 angeordnet, wobei ein in dem Trägerelement 254 ausgebildeter Pipettenkanal 256 mit der Öffnung 224 der Mikropumpe verbunden ist.
Die Pipetiereinrichtung 252 weist ferner eine Pipettenspit- ze 258 auf, die an einem vorderseitigen Ende eine Öffnung zum Ansaugen und Ausstoßen einer Dosierflüssigkeit aufweist. An einem rückseitigen Ende weist die Pipettenspitze 258 ein Verbindungselement 260 auf, das ausgebildet ist, um den Pipettenkanal 256 mit dem Innenraum der Pipettenspitze 258 zu verbinden. Vorzugsweise ist das Verbindungselement 260 auf eine wieder lösbare Weise in den Pipettenkanal 256 eingeführt, um ein Austauschen der Pipettenspitze 258 zu ermöglichen.
Das Trägerelement 254 umfaßt ferner einen Kanal 262, der an einem ersten Ende desselben mit der Öffnung 222 der Mikropumpe 200 verbunden ist. Ein zweites Ende des Kanals 262, das seitlich an dem Trägerelement angeordnet ist, steht in Berührung mit einer Umgebung, die beispielsweise Luft auf- weist.
Die Pipetiereinrichtung 252 kann, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, zwischen dem zweiten Ende des Kanals 262 und der mit dem Kanal verbundenen Umgebung einen Filter 264 aufweisen, der über ein Verbindungselement 266a mit dem Kanal 262 verbunden ist.
Typischerweise umfaßt die Umgebung Luft als Medium, so daß der Filter vorzugsweise als Luftfilter ausgebildet ist. Der Filter 264 kann sämtliche bekannten Filterarten, wie beispielsweise Partikelfilter, chemisch selektiv absorbierende Filter oder elektrostatische Filter, umfassen. Das Filtern der Luft verhindert eine Kontamination des Dosiermediums durch Partikel oder chemische Verunreinigungen der Luft. Ferner wird verhindert, daß sich an den aktiven Ventilen Verunreinigungen ablagern, die ein dichtes Ver- schließen der Öffnungen verhindern können. Der Filter 264 kann ferner ein äußeres Anschlußelement 266b aufweisen, um eine Verbindung zu einer außerhalb des Trägerelements 252 angeordneten Ansaugleitung zu ermöglichen.
Im folgenden wird nun ein Betrieb der Pipetiereinrichtung 252 näher erläutert.
Zum Ansaugen eines Dosiermediums, das vorzugsweise eine Flüssigkeit umfaßt, wird die Mikropumpe 200 zunächst mit einer Pumprichtung betrieben, bei der ein Arbeitsmedium, das beispielsweise Luft oder ein anderes gasförmiges Medium ist, über die Öffnung 224 aus dem Pipettenkanal 256 angesaugt, in die Pumpenkammer 216 und über die Öffnung 222 in eine mit dem Kanal 262 verbundene Umgebung gepumpt wird. Diese Pumprichtung entspricht der unter Bezugnahme auf Fig. 2 erklärten zweiten Pumprichtung, so daß eine Darstellung der zugeordneten Arbeitsabläufe der Mikropumpe den entsprechenden obigen Erklärungen entnommen werden kann.
Der Pumpvorgang zum Ansaugen bewirkt, daß im Inneren der Pipettenspitze 258 ein Unterdruck entsteht, wodurch das Do¬ siermittel in das Innere der Pipettenspitze 258 gesaugt wird. Der Pumpvorgang zum Ansaugen des Dosiermittels 268 kann so oft wiederholt werden, bis die gewünschte Menge des Dosiermittels 268 in die Pipettenspitze 258 angesaugt ist. Während des Ansaugvorgangs wird die sich als ein gasförmi¬ ges Polster 270 in der Pipettenspitze 258 befindliche Arbeitsmedium zunehmend durch das Dosiermittel 268 verdrängt. Das gasförmige Polster 270 bewirkt, daß der Pipettenkanal nicht in eine Berührung mit dem Dosiermedium kommt. Dies verhindert, daß bei einem Austausch der Pipettenspitze 258 zum Dosieren eines anderen Dosiermittels das Dosiermittel durch in dem Kanal vorhandene Dosiermittelreste des vorhergehenden Dosiermittel verschmutzt wird.
Nachdem die gewünschte Dosiermittelmenge angesaugt ist, wird das Ventil zum Schließen betätigt, um ein Halten des Dosiermittels in der Pipettenspitze 258 zu erreichen.
Bei einem darauffolgenden Dosiervorgang wird die Mikropumpe 200 mit der umgekehrten Pumprichtung betrieben, bei der ü- ber die Öffnung 222 das Arbeitsmedium der Mirkopumpe 200 aus der Umgebung angesaugt wird und über die Öffnung 224 in den Pipettenkanal 256 gepumpt wird.
Diese Pumprichtung entspricht der unter Bezugnahme auf Fig. 2 erklärten ersten Pumprichtung, so daß hinsichtlich einer genauen Beschreibung der Pumpvorgänge auf die entsprechenden Erklärungen verwiesen wird.
Das Pumpen des Arbeitsmediums aus der Umgebung in den Pi- pettenkanal 256 erzeugt in dem Pipettenkanal 256 und in dem gasförmigen Polster 270 einen Überdruck, so daß das Dosiermittel 264 durch das expandierende Luftpolster aus der Pi¬ pettenspitze 258 gedrängt bzw. gestoßen wird. Der Pumpvor¬ gang kann so oft wiederholt werden, bis eine gewünschte Do- siermittelmenge aus der Pipettenspitze 258 ausgebracht wur¬ de.
Wie es bereits vorhergehend erwähnt wurde, wird durch die aktiven Ventile 226 und 236 ein dichtes Schließen unabhän- gig von einem auftretenden Gegendruck erreicht. Dies wirkt sich bei der Pipetiereinrichtung 252 vorteilhaft aus, da ein fluidischer Kurzschluß, wie er bei bekannten Mikropumpen mit Klappenventilen auftreten kann, verhindert wird. Die Pipetiereinrichtung 252 erreicht daher eine hohe Do- siergenauigkeit . Ebenso wird ein ungewolltes Ablösen des Dosiermediums beim Halten desselben in der Pipettenspitze durch die geringe Leckraten der aktiven Ventile erreicht.
Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen die aktiven Ventile der Mikropumpe 200 als piezoelektrische Ventile ausgebildet sind, können andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung andere aktiv betätigbare Ventil- Typen, wie beispielsweise mechanisch betätigbare Ventile, elektrostatische Ventile oder elektromagnetische Ventile, umfassen.
Zum Betätigen der Membran kann anstelle der beschriebenen piezoelektrischen Betätigungseinrichtung jede andere be- kannte Betätigungseinrichtung zum Betätigen der Membran, wie beispielsweise eine elektrostatische Betätigungseinrichtung, verwendet werden.
Ferner kann bei anderen Ausführungsbeispielen jede bekannte Einrichtung verwendet werden, die ein Verändern des Pumpenkammervolumens ermöglicht. Solche Einrichtungen können beispielsweise drehbare Elemente zum Komprimieren und Dekomprimieren eines Fluids in der Pumpenkammer umfassen.
Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Pumpenkammer lediglich zwei Öffnungen aufweist, kann dieselbe bei alternativen Ausführungsbeispielen auch mehr als zwei Öffnungen mit entsprechend zugeordneten aktiven Ventilen aufweisen. Dies ermöglicht ein selektives Pumpen, bei dem beispielsweise verschiedene Fluide aus verschiedenen Reservoiren abwechselnd in die Pumpenkammer gepumpt werden können und daraufhin über selektiv ausgewählte Öffnungen in vorbestimmte andere Reservoire gepumpt werden können. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein selektives Mischen ver- schiedener Fluide in der Pumpenkammer durchgeführt werden, wobei ein Mischungsverhältnis durch ein Steuern der aktive Ventile einstellbar ist. Die dadurch erreichte Verwendung der Pumpenkammer als „MischreaktorΛλ weist ferner den Vor- teil auf, daß durch die hohen Drücke in der Pumpenkammer ein gute Durchmischung erreicht wird.
Ferner ist die Pipetiereinrichtung mit einer Mikropumpe ge- maß der vorliegenden Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiels einer Luftpolster-Pipetiereinrichtung beschränkt. Andere Ausführungsbeispiele können beispielsweise eine Pipetiereinrichtung nach dem Direktverdränger-Prinzip oder eine Mikrotiter-Pipetiereinrichtung umfassen, bei de- nen jeweils die erfindungsgemäße Mikropumpe zum Dosieren des Dosiermittels verwendet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Pipetiereinrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer Mikropumpe (200) mit
einer Pumpenkammer (216) mit einer ersten Öffnung (222) und einer zweiten Öffnung (224);
einer Einrichtung (246, 250) zum Verändern des
Volumens der Pumpenkammer (216) ;
einem ersten aktiven Ventil (226) zum Öffnen und Schließen der ersten Öffnung (222);
einem zweiten aktiven Ventil (236) zum Öffnen und Schließen der zweiten Öffnung (224); und
einer Pipettenspitze (258), die über den Pipettenkanal (256) mit der ersten (222) oder zweiten (224) Öffnung verbunden ist.
2. Pipetiereinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die aktiven Ventile der Mikropumpe (200) piezoelektrische Ventile (226, 236) umfassen.
3. Pipetiereinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Einrichtung zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer eine Membran (246) und eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung (250) zum Betätigen der Membran umfaßt .
4. Pipetiereinrichtung gemäß Anspruch 3 bei der die Membran (246) zwischen Halteelementen (234, 244) angeord- net ist.
5. Pipetiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner einen Pumpenkörper (210) umfaßt, der ein erstes scheibenförmiges Körperelement (212) und ein darüber angeordnetes zweites scheibenförmiges Körperelement (214) umfaßt.
6. Pipetiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der ein Pumpenkörper (210) ein Halbleitermaterial aufweist .
7. Pipetiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Pumpenkammer (216) ferner zumindest eine weitere Öffnung aufweist; und wobei
die Mikropumpe (200) ferner zumindest ein weiteres aktives Ventil zum Öffnen und Schließen der zumindest einen weiteren Öffnung aufweist.
8. Pipetiereinrichtung (252) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner einen Filter (264) zum Filtern eines Arbeitsmediums der Mikropumpe (200) aufweist.
9. Pipetiereinrichtung (252) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Pipetiereinrichtung (252) eine Luft- polster-Pipetiereinrichtung ist.
10. Pipetiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Pipetiereinrichtung eine Direktverdränger- Pipetiereinrichtung ist.
11. Pipetiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Pipetiereinrichtung eine Mikrotiter-
Pipetiereinrichtung ist.
12. Verfahren zum Betreiben einer Pipetiereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Schrit- ten: aktives Verschließen der ersten oder zweiten Öffnung (222) , wodurch eine Umgebung von der Pumpenkammer (216) abgetrennt wird;
aktives Öffnen der zweiten oder ersten Öffnung (224), wodurch die Pumpenkammer (216) mit dem Pipettenkanal (256) verbunden wird;
Vergrößern des Volumens der Pumpenkammer (216) zum An- saugen eines Dosierfluids durch die Pipettenspitze (258); und
Verringern des Volumens der Pumpenkammer (216) zum Ausstoßen des Dosierfluids durch die Pipettenspitze
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