WO2008055373A1 - Nadel für die abgabe von einer flüssigkeit auf ein substrat - Google Patents

Nadel für die abgabe von einer flüssigkeit auf ein substrat Download PDF

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Richard Bischof
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Richard Bischof
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    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0832—Geometry, shape and general structure cylindrical, tube shaped

Definitions

  • Needle for dispensing a liquid onto a substrate Needle for dispensing a liquid onto a substrate.
  • the invention relates to a needle for the delivery of a liquid to a substrate.
  • Such needles are used in laboratory equipment to produce a series of dots with a very small diameter of a few 0.001 mm in size. Since many points are produced in succession, the needle requires a reservoir of fluid.
  • the conical end of the needle is slotted, with the slot terminating in a reservoir.
  • This is e.g. in WO0103837.
  • the width of the reservoir is significantly larger than the width of the slot. It is clear to a person skilled in the art that the production of such a needle is very complicated. Also opens after slitting the top of the slot so that it must be mechanically compressed again.
  • spotting plants which have a robot head (holder) with matrix-like needles in order to simultaneously print several spots (Printen) can.
  • This needle assembly is first dipped in a liquid to allow the reservoir to fill with this fluid. Subsequently, this liquid is released back to the south by the tip is placed on this (contact spotting). The liquid points left on the slide after lifting the needles are called spots.
  • the goal is to put these spots as close as possible to each other, so that as many as possible can be applied to a slide. This in turn requires the smallest possible diameter of the needle tip (about 0.09 mm), and the lowest possible discharge of liquid.
  • Needles made according to the prior art have several disadvantages.
  • Conventional needles have at the top of a slot, which opens into a reservoir. This slot influences the dimensional stability (widening of the tip). In order to achieve reproducible spots anyway, a subsequent shaping of the tip is necessary (to a required extent).
  • the distances of the needles can be kept as small as possible and the generated spots do not run into each other, the sides of the square tips of all needles must be aligned parallel by means of a guide (side clearance is shorter than diagonal).
  • the present invention sets itself the task of a needle of the aforementioned
  • Geometry of the needle tip in this regard is significantly improved. Because of this eliminates in the production of a single operation.
  • the invention is defined by the features of claim 1.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the front needle portion of a needle according to the invention in a perspective view.
  • Fig. 2 shows the view of the front needle section in the direction of the needle axis.
  • Fig. 3 is a side section of the front needle section with a view of the side walls of
  • Fig. 4 is a side view of the front needle section, with a view of the side walls of
  • Fig. 5 is a side view of the front needle section in the vertical direction of the groove and notch.
  • Fig. 6 is a side view of the needle tip in a strong magnification, with vertical
  • Fig. 7 shows the overall side view of a complete needle with a vertical view of the groove and notch. - A -
  • Fig. 8 shows the overall side view of a complete needle with a view of in this
  • FIG. 9 shows a further embodiment of the front needle section of a needle according to the invention in a perspective view, with a view of the tapered part with an open reservoir.
  • FIG. 10 shows a lateral section of the front needle section with a view through the reservoir and onto the side wall of the groove visible in this representation.
  • Fig. 11 is a side sectional view of the front needle section looking into the groove and on the side wall of the reservoir visible in this illustration.
  • Fig. 12 shows the greatly enlarged view of the front needle section in the direction of the
  • the needle consists of a shaft 10, with a circular or prismatic cross-section, which is the same over the entire length and at one end in a tapered portion 15 passes.
  • the tapered part 15 opens into a surface 23 (contact surface) and forms the tip of the needle. It can have a conical or any concave or convex shape.
  • the cross section of the tapered part 15 may be circular, square or prismatic.
  • grooves 20 are incorporated in the longitudinal direction. The grooves 20 intersect in front of the surface 23 within the tip or their extensions intersect after the surface 23 outside the tip, which depends on the groove depth and the angle of
  • Grooves 20 depends on the needle axis.
  • the grooves 20 open on the shaft 10 facing side in notches 21. These also extend in the longitudinal direction, but at a shallower angle to the needle axis and have a larger cross-section than that
  • the notch 21 is connected to a groove 20 and forms a liquid reservoir. There may be additional reservoirs in the form of holes, slots, gaps or pockets in the shaft. However, there must be a direct connection from them to a groove 20 or an indirect connection via a notch 21. Both the grooves 20 and the notches 21 have fine longitudinal grooves (machining grooves), which promotes liquid transport into the tip to the surface 23. To fill the reservoir (refueling process), the needle tip is immersed in a liquid. By the capillary action, the liquid is sucked through the grooves 20 in the notches 21 and thus filled the reservoir. When printing (Printen), the surface 23 is placed on a slide.
  • the liquid flows from the grooves 20 under the contact surface 23. After lifting off, a part of this liquid adheres to the slide and thus leaves a spot, at the same time the surface 23 remains wetted.
  • the grooves 20 are fed through the reservoir. So that all needles simultaneously seated on a slide, a device 11 (stop) is attached to the tapered part 15 opposite end of the needle shaft 10. This is pressed or glued onto the shaft 10.
  • the device 11 has on its tip-facing side a surface 24 (bearing surface). The device 11 is positioned on the shaft 10 such that the distance from the surface 24 to the surface 23 is constant in all needles in a holder.
  • FIGS. 9-12 show a needle design without the notches 21. This needle is equipped with an open reservoir 25 which is directly connected to the groove 20 connected is.
  • the reservoir 25 can be realized in any desired form in the tapered part 15, in the shaft 10, or in both parts.
  • the reservoir 25 is open throughout, but it may also have only one side an opening.
  • the groove 20 and the reservoir 25 are on two levels, which are rotated by 90 ° to each other. This angle can also be smaller. As a result of this arrangement, after production two segments 26 (bridges) remain in the tip, which prevent the groove 20 from widening.
  • Reservoir 25 and the depth of the groove 20 are chosen so that they penetrate.
  • Reservoir 25 and vice versa allows.
  • the size of the opening 27 can over the
  • Geometry of the groove 20 and the reservoir 25 can be varied. With the cross-sectional area of the opening 27, the volume flow of a liquid from the reservoir 25 to the groove can be varied.
  • Titanium alloys tantalum, tungsten, zirconium, alumina, zirconia and others
  • the production of the grooves 20, notches 21 and reservoirs 25, can by grinding,
  • Milling wire or sinker erosion, laser ablation, or chemically by etching done.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nadel für die Abgabe einer Flüssigkeit wie sie in Spotting-Anlagen verwendet wird, um eine Flüssigkeit auf eine Trägerplatte punktförmig aufzutragen. Sie besteht aus einem Schaft (10), der in einen verjüngenden Teil (15) übergeht. Zudem weist sie einen Flüssigkeitsspeicher in Form einer Kerbe (21 ) oder eines Reservoirs (25) auf, der in eine Nut (20) mündet, um die Flüssigkeit zur Spitze an die Kontaktfläche (23) zu führen.

Description

Nadel für die Abgabe von einer Flüssigkeit auf ein Substrat.
Die Erfindung betrifft eine Nadel für die Abgabe von einer Flüssigkeit auf ein Substrat. Solche Nadeln werden verwendet in Laborgeräten zum Erzeugen einer Serie von Punkten mit einem sehr kleinen Durchmesser in der Grosse von einigen 0,001 mm. Da sehr viele Punkte nacheinander hergestellt werden, benötigt die Nadel ein Reservoir an Flüssigkeit.
Nach dem Stand der Technik wird das konische Ende der Nadel geschlitzt, wobei der Schlitz in ein Reservoir endet. Dies ist z.B. in der Patentschrift WO0103837 dargestellt. Die Breite des Reservoirs ist bedeutend grösser als die Breite des Schlitzes. Es ist einem Fachmann klar, dass die Herstellung einer solchen Nadel sehr aufwendig ist. Auch öffnet sich nach dem Schlitzen der Spitze der Schlitz, sodass dieser mechanisch wieder zusammengedrückt werden muss.
Bei der Ausführung nach der Patentschrift EP1366820 wurde ein Reservoir seitlich zur Spitze angebracht. Dies erleichtert nicht die Herstellung. In der Biochemie, molekularen Genetik und Medizin besteht ein Interesse an der Manipulation gelöster oder suspendierter Substanzen für Nachweis-, Analyse-, Reaktions- oder Synthesezwecke. Häufig muss eine grosse Anzahl von Proben mit jeweils kleinen Probenvolumen verarbeitet werden. Für diesen Zweck wurden so genannte Spotting-Anlagen entwickelt, mit denen eine vorgegebene Flüssigkeit oder Lösung mittels Nadeln (Pins) auf Trägerplatten (Südes) aufgebracht wird. Die Aufnahme der Flüssigkeit durch die Nadeln erfolgt in einem Tankvorgang über die Kapillarwirkung (Saugwirkung) eines Spaltes an der Spitze der Nadeln. Aus der Praxis sind Spotting- Anlagen allgemein bekannt, die einen Roboterkopf (Halter) mit matrixartig angeordneten Nadeln aufweisen, um gleichzeitig mehrere Spots drucken (Printen) zu können. Dieser Nadelverbund wird zuerst in eine Flüssigkeit getaucht, damit sich das Reservoir mit dieser Flüssigkeit füllt. Anschliessend wird diese Flüssigkeit wieder an die Südes abgegeben, indem die Spitze auf diese aufgesetzt wird (Contact-Spotting). Die nach dem Abheben der Nadeln auf dem Slide hinterlassenen Flüssigkeitspunkte werden Spots genannt. Ziel ist es, diese Spots so nahe wie möglich aneinander zu reihen, damit möglichst viele auf einen Slide aufgebracht werden können. Dies wiederum bedingt einen möglichst kleinen Durchmesser der Nadelspitze (ca. 0.09 mm), sowie eine möglichst geringe Abgabe von Flüssigkeit.
Nach dem Stand der Technik hergestellte Nadeln haben verschiedene Nachteile. Herkömmliche Nadeln weisen an der Spitze einen Schlitz auf, der in ein Reservoir mündet. Dieser Schlitz beeinflusst die Formstabilität (Aufweitung der Spitze). Um trotzdem reproduzierbare Spots zu erzielen, ist eine nachträgliche Formgebung der Spitze notwendig (Zubiegen auf ein erforderliches Mass). Auch gibt es Nadeln bei welchen die Spitze einen quadratischen Querschnitt aufweist. Dadurch werden die Spots nicht punkförmig rund, sondern eher quadratisch gerundet, was ein Ausrichten der Nadeln im Halter erforderlich macht. Damit die Abstände der Nadeln möglichst klein gehalten werden können und dabei die erzeugten Spots nicht ineinanderlaufen, müssen die Seiten der quadratischen Spitzen aller Nadeln parallel, mittels einer Führung, ausgerichtet sein (Seitenabstand ist kürzer als Diagonale). Herstellungsbedingt weisen die Oberflächen der Seitenwände des Schlitzes riefen auf, welche quer zur Fliessrichtung der Flüssigkeit verlaufen und dadurch das Benetzen der Kontaktfläche ungünstig beeinflussen (Fliesswiderstand). Dies erfordert eine Reduktion der Spotgeschwindigkeit. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Nadel der eingangs genannten
Art derart zu verbessern, dass die erwähnten Nachteile vermieden werden.
Die Erfindung mit der diese Aufgabe gelöst wird ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Geometrie der Nadelspitze diesbezüglich entscheidend verbessert wird. Aufgrund dieser entfällt bei der Herstellung auch ein Arbeitsgang.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 definiert.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend genauer beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform der vorderen Nadelpartie einer erfindungsgemässen Nadel in perspektivischer Darstellung.
Fig. 2 die Ansicht der vorderen Nadelpartie in Blickrichtung zur Nadelachse.
Fig. 3 einen seitlichen Schnitt der vorderen Nadelpartie mit Blick auf die Seitenwände der
Nuten und Kerben.
Fig. 4 eine Seitenansicht der vorderen Nadelpartie, mit Blick auf die Seitenwände der
Nuten und Kerben. Die Nuten und Kerben sind in dieser Abbildung nicht sichtbar, weshalb ihre Konturen mit gestrichelten Linien dargestellt sind.
Fig. 5 eine Seitenansicht der vorderen Nadelpartie in senkrechter Blickrichtung auf Nut und Kerbe.
Fig. 6 eine Seitenansicht der Nadelspitze in starker Vergrösserung, mit senkrechtem
Blick auf eine Nut.
Fig. 7 die seitliche Gesamtansicht einer kompletten Nadel mit senkrechtem Blick auf Nut und Kerbe. - A -
Fig. 8 die seitliche Gesamtansicht einer kompletten Nadel mit Blick auf die in dieser
Darstellung unsichtbaren Seitenwände der Nuten und Kerben.
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der vorderen Nadelpartie einer erfindungsgemässen Nadel in perspektivischer Darstellung, mit Blick auf den verjüngenden Teil mit einem offenen Reservoir.
Fig. 10 einen seitlichen Schnitt der vorderen Nadelpartie mit Blick durch das Reservoir und auf die in dieser Darstellung sichtbare Seitenwand der Nut.
Fig. 11 einen seitlichen Schnitt der vorderen Nadelpartie mit Blick in die Nut und auf die in dieser Darstellung sichtbare Seitenwand des Reservoirs.
Fig. 12 die stark vergrösserte Ansicht der vorderen Nadelpartie in Blickrichtung zur
Nadelachse.
Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren gleiche Einzelheiten.
Wie in den Figuren 1 bis 12 ersichtlich ist, besteht die Nadel aus einem Schaft 10, mit kreisrundem oder prismatischem Querschnitt, der über die gesamte Länge gleich ist und an einem Ende in einen verjüngenden Teil 15 übergeht. Der verjüngende Teil 15 mündet in eine Fläche 23 (Kontaktfläche) und bildet die Spitze der Nadel. Er kann eine konische oder eine beliebige konkave oder konvexe Form aufweisen. Der Querschnitt des verjüngenden Teils 15 kann kreisrund, quadratisch oder prismatisch sein. Im verjüngenden Teil 15 sind in Längsrichtung Nuten 20 eingearbeitet. Die Nuten 20 kreuzen sich vor der Fläche 23 innerhalb der Spitze oder deren Verlängerungen kreuzen sich nach der Fläche 23 ausserhalb der Spitze, was von der Nuttiefe und dem Winkel der
Nuten 20 zur Nadelachse abhängt. Die Nuten 20 münden auf der dem Schaft 10 zugewandten Seite in Kerben 21. Diese verlaufen ebenfalls in Längsrichtung, jedoch in einem flacheren Winkel zur Nadelachse und weisen einen grosseren Querschnitt als die
Nuten 20 auf. Jθde Kerbe 21 ist mit einer Nute 20 verbunden und bildet ein Flüssigkeitsreservoir. Es können noch weitere Reservoire in Form von Bohrungen, Schlitzen, Spalten oder Taschen im Schaft angebracht werden. Es muss jedoch eine direkte Verbindung von diesen zu einer Nute 20 oder eine indirekte Verbindung über eine Kerbe 21 bestehen. Sowohl die Nuten 20, als auch die Kerben 21 weisen feine Längsrillen (Bearbeitungsriefen) auf, was den Flüssigkeitstransport in die Spitze zur Fläche 23 unterstützt. Zum Füllen des Reservoirs (Tankvorgang) wird die Nadelspitze in eine Flüssigkeit getaucht. Durch die Kapillarwirkung wird die Flüssigkeit über die Nuten 20 in die Kerben 21 gesaugt und somit das Reservoir gefüllt. Beim Drucken (Printen) wird die Fläche 23 auf ein Slide gestellt. Durch den Kontakt fliesst die Flüssigkeit von den Nuten 20 unter die Kontaktfläche 23. Nach dem Abheben bleibt ein Teil dieser Flüssigkeit am Slide haften und hinterlässt so einen Spot, gleichzeitig bleibt die Fläche 23 benetzt. Bei jedem weitern Drucken (Printen) werden die Nuten 20 durch das Reservoir gespiesen. Damit alle Nadeln gleichzeitig auf einem Slide aufsetzen, ist an dem verjüngenden Teil 15 gegenüber liegenden Ende des Nadelschaftes 10 eine Einrichtung 11 (Anschlag) angebracht. Diese ist auf den Schaft 10 gepresst oder aufgeklebt. Die Einrichtung 11 weist auf ihrer der Spitze zugewandten Seite eine Fläche 24 (Auflagefläche) auf. Die Einrichtung 11 ist so auf dem Schaft 10 positioniert, dass die Distanz von der Fläche 24 zur Fläche 23 bei allen Nadeln in einem Halter konstant ist. Wenn die Nadeln im Halter auf der Fläche 24 (Anschlag) aufliegen, ragen alle Spitzen gleich lang aus der Halterunterseite heraus. Damit findet beim Herunterfahren des Halters der Kontakt der Flächen 23 aller Nadelspitzen mit dem Slide gleichzeitig statt. In den Figuren 9-12 ist eine Nadelausführung ohne die Kerben 21 dargestellt. Diese Nadel ist mit einem offenen Reservoir 25 ausgestattet, welches direkt mit der Nut 20 verbunden ist.
Das Reservoir 25 kann in beliebiger Form im verjüngenden Teil 15, im Schaft 10, oder in beiden Partien realisiert werden. Das Reservoir 25 ist durchgehend offen, es kann aber auch nur einseitig eine Öffnung aufweisen. Die Nut 20 und das Reservoir 25 liegen auf zwei Ebenen, die um 90° verdreht zueinander stehen. Dieser Winkel kann auch kleiner sein. Durch diese Anordnung bleiben nach der Fertigung zwei Segmente 26 (Brücken) in der Spitze stehen, welche eine Aufweitung der Nut 20 verhindern. Die Länge des
Reservoirs 25 und die Tiefe der Nut 20 sind so gewählt, dass sich diese durchdringen.
Dadurch entsteht in der Zone der gemeinsamen Durchdringung eine Öffnung 27, welche die beiden verbindet und die den Transport einer Flüssigkeit von der Nut 20 zum
Reservoir 25 und umgekehrt, ermöglicht. Die Grosse der Öffnung 27 kann über die
Geometrie der Nut 20 und des Reservoirs 25 variiert werden. Mit der Querschnittsfläche der Öffnung 27 lässt sich der Volumenstrom einer Flüssigkeit vom Reservoir 25 zur Nut
20 regulieren. Dies, in Zusammenhang mit der Spotgeschwindigkeit, beeinflusst die
Grosse der Spots.
Die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels ist ansonsten identisch mit der des vorangegangenen Beispiels. Auch ist der Schaft 10 mit der Einrichtung 11 (Anschlag) ausgestattet.
Für die Herstellung der Nadeln sind rostbeständige Stähle, Nickellegierungen, Titan und
Titanlegierungen, Tantal, Wolfram, Zirkonium, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und andere
Keramiken als Werkstoff möglich.
Die Fertigung der Nuten 20, Kerben 21 und Reservoire 25, kann durch Schleifen,
Fräsen, Draht- oder Senkerrodieren, Laserabtragung, oder chemisch durch Ätzen, erfolgen.

Claims

Patentansprüche:
1. Nadel für die Abgabe von einer Flüssigkeit auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen verjüngenden vorderen Teil gegen das vordere Ende aufweist, der in eine Fläche mündet und dass mindestens eine Nut vorhanden ist, um die Flüssigkeit gegen das verjüngende Ende zu führen.
2. Nadel nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nut/en in einer Längsrichtung im verjüngenden Teil vorhanden sind.
3. Nadel nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadel vor dem verjüngenden vorderen Teil einen zylindrischen oder prismatischen Teil aufweist.
4. Nadel nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut/en im verjüngenden, oder auch im zylindrischen oder prismatischen Teil vorhanden sind.
5. Nadel nach einem der Patentansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Reservoir vorhanden ist, das mit der Nut/en verbunden ist.
6. Nadel nach einem der Patentansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir eine durchgehende Öffnung.
7. Nadel nach dem Patentanspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir aus mindestens einer Längskerbe besteht.
8. Nadel nach Patentanspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nut/en mit der Kerbe/n verbinden oder kreuzen, um ein Fliessen der Flüssigkeit von der Nut/en zu der Kerbe/n oder umgekehrt möglich ist.
9. Nadel nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nut/en mit der Kerbe/n im Bereich des verjüngenden Teils oder im Bereich des zylindrischen oder prismatischen Teils verbinden oder kreuzen.
10. Nadel nach einem der Patentansprüche 1 -9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten durch die Bearbeitung Längsrillen aufweisen und somit das Fliessen der Flüssigkeit gefördert wird.
11. Nadel nach einem der Patentansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass am hinteren Teil der Nadel eine Einrichtung vorhanden ist, um die Nadel in eine Vorrichtung einzuordnen.
12. Verfahren zu Herstellung einer Nadel nach einem der Patentansprüche 1 - 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nut/en und/oder die Kerben durch Elektroerosion, Schleifen, Fräsen, chemische Bearbeitung, oder durch Abtragen mit einem Laserstrahl, hergestellt werden.
PCT/CH2007/000548 2006-11-09 2007-11-06 Nadel für die abgabe von einer flüssigkeit auf ein substrat WO2008055373A1 (de)

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