[0001] Mehrkanal-Tropfengeneratoren oder auch Dispensiereinrichtungen, wie sie häufig im
Stand der Technik genannt werden, dienen insbesondere dem Befüllen von Kavitäten von
Mikrotitrationsplatten mit Flüssigkeit.
Sie bestehen in der Regel aus einer Pumpe und einem mit dieser über eine Leitung verbundenen
Verteiler. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen verfolgen das Ziel, mit
möglichst geringen Volumenunterschieden Kavitäten zu befüllen, das heißt, daß an aflen
Ausgängen des Verteilers zu jeder Zeit das gleiche Volumen abgegeben wird.
Um diese Aufgabe zu lösen, wurden insbesondere unterschiedliche konstruktive Lösungen
für den Verteiler entwickelt. Häufig ist der Verteiler als Röhrenverteiler aufgebaut.
Dieser verbietet jedoch aufgrund seines Funktionsprinzips eine exakt gleichmäßige
Verteilung.
Ausgänge, deren Entfernung zum Eingang des Verteilers kürzer ist als weiter entfernte
Ausgänge werden bevorzugt durchströmt. Im Patent US 5,334,352 ist eine Variante eines
solchen Verteilers beschrieben. Dort wird mit Hilfe von Einbauten und gezielten Querschnittsverengungen
versucht, dieses Verhalten zu verbessern. Anordnungen dieser Art sind jedoch auf die
Eigenschaften der zu verteilenden Flüssigkeiten abgestimmt und sind für andersartige
nur bedingt einsetzbar. Die Abgabe kleiner Tropfen V<10µl ist mit dieser Anordnung
nur möglich, indem die abzugebende Flüssigkeit in Kontakt mit einer anderen Oberfläche
kommt, andernfalls löst sich der Tropfen aufgrund der Oberflächenspannkraft nicht
vom Ausgang ab.
Eine Dispensiereinrichtung mit einer weiteren Variante eines Verteilers ist aus WO-A-8504599
(EP 0 180 591 B1) bekannt. Dieser besteht grundsätzlich aus einem horizontalen Verteilerrohr,
von dem aus mindestens zwei Füllrohre zuerst nach oben und dann nach einem Umlenkbereich
in einen Abflußbereich nach unten führen. Im Umlenkbereich sind die Füllrohre untereinander
über ein Ausgleichsrohr verbunden. Vorteilhafterweise sollte die Leitung zwischen
der Pumpe und dem Verteilerrohr aus elastischem Material sein, um die relativ harten
Pumpenstöße etwas ausgleichen und die Flüssigkeit in den Füllrohren nach Beendigung
eines jeden Pumpvorganges um etwa 1 - 2 mm zurückzuziehen, wodurch ein Nachtropfen
sicher verhindert werden soll. Um Volumina gleicher Menge von ca. 0,5 - 10 µl mehrfach
simultan abgeben zu können, ist diese Dispensiereinrichtung nicht geeignet, da schon
eine geringfügig unterschiedliche Flüssigkeitssäulenhöhe in den Abflußbereichen der
füllrohre nach dem Zurückziehen der Flüssigkeit zu unterschiedlichen Abgabevolumina
an den einzelnen Auslässen beim nächsten Dosiervorgang führen kann.
Andere Verteilerstrukturen sind aus der Drucktechnik bekannt, um z.B. Druckfarbe mit
einer homogenen Dicke auf eine Druckwalze aufzubringen. Eine Anordnung aus dem Patent
US 5,441,204 benutzt eine mehrfache Aufspaltung des Flüssigkeitsstroms, um eine gleichmäßige
Verteilung an einem linienförmigen Ausgang zu erreichen. Bei diesem Prinzip ist eine
Aufteilung des Eingangsstromes erreichbar, bei der jeder Ausgang den gleichen Volumenstrom
aufweist, unabhängig von den fluidischen Eigenschaften der verteilten Flüssigkeit.
Die Abgabe von Tropfen ist durch ein elektrostatisches Prinzip realisiert, indem die
kontinuierlich geförderte Flüssigkeit elektrostatisch aufgeladen und durch ein elektrisches
Feld von der Oberfläche abgelöst wird. Einsetzbar ist ein derartiger Verteiler nur
innerhalb von Anordnungen mit definierten elektrischen Feldern, was in der Praxis
nicht immer möglich ist.
[0002] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrkanal-Tropfengenerator zu schaffen,
der geeignet ist, auch ohne statisches Aufladen Flüssigkeiten über mehrere Auslässe
in gleicher Menge in einem Volumenbereich von ca. 0,5-10µl abzugeben.
[0003] Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Mehrkanal-Tropfengenerator
prinzipiell so aufgebaut und betrieben wird, daß die Abgabe einerseits kontaktfrei
und andererseits über Auslässe erfolgt, die entscheidend für die Genauigkeit der Volumenabgabe
nach jeder Abgabe vollständig entleert werden.
[0004] Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles unter zu Hilfenahme
von Zeichnungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen
- Fig. 1
- einen schematischen Aufbau eines Mehrkanal-Tropfengenerators,
- Fig. 2
- zwei Ansichten des Aufbaus eines Verteilers mit Auslässen in Schnittdarstellung,
- Fig. 3
- ein detailliertes elektrisches Ersatzschaltbild eines Mehrkanal-Tropfengenerators,
- Fig. 4
- ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild eines Mehrkanal-Tropfengenerators
- Fig. 5
- eine grafische Darstellung des Verlaufes des Volumenstromes, abgegeben von der Dosiereinrichtung
und den Auslässen.
[0005] Der erfindungsgemäße Mehrkanal-Tropfengenerator besteht aus den in Fig. 1 schematisch
dargestellten Komponenten:
einer Dosiereinrichtung 1, die ein genau einstellbares Volumen einer Flüssigkeit fördert,
einer Verbindung 2 definierter Elastizität, die die Dosiereinrichtung mit einem Verteiler
koppelt,
einem Verteiler 3, der die zugeführte Menge Flüssigkeit gleichmäßig auf mehrere Ausgänge
aufteilt,
Auslässe 4, die an den Ausgängen des Verteilers angebracht sind und aufgrund ihrer
Gestaltung kleinste Tröpfchen abgeben können.
[0006] Die Dosiereinrichtung 1 besteht aus einem Vorratsgefäß 5 und einem Dosierer 6, der
die Flüssigkeit vom Vorratsgefäß 5 über die Verbindung 2 in einen Verteiler 3 an dessen
Ausgängen Auslässe 4 angeordnet sind, die eine Abgabe der Tröpfchen ermöglichen, befördert.
Die Flüssigkeitsmenge muß genau einstellbar und mit hoher Wiederholgenauigkeit gefördert
werden. Magnetventile in Verbindung mit einem Druckgefäß oder Taumelkolbenpumpen sind
vorteilhaft einsetzbar. Die starke Pulsation der Dosiereinrichtungen 1 erzeugt einen
Druckimpuls, der über die Verbindung 2 zum Verteiler 3 und auf die Auslässe 4 übertragen
wird und die dort die Abgabe kleiner Tropfen ermöglicht.
Die Verbindung ist ein vorzugsweise schlauchartiges Bauteil definierter Elastizität
um die Flankensteilheit der Druckimpulse zu verringern.
Der Verteiler 3 ist ein planares Kanalsystem aus kaskadierten T-Stücken mit einem
Eingang 12 und mehreren Ausgängen 13, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, das beispielsweise
in Plattenmaterial eingearbeitet sein kann. Eine derartige Struktur gewährleistet
bei minimalen Totvolumen eine exakt gleichmäßige Verteilung der durchströmenden Flüssigkeit
auf die Ausgänge, unabhängig von deren fluidischen Eigenschaften. Weiterhin bewirkt
der Verteiler 3 eine gleichmäßige Aufteilung der Druckimpulse vom Eingang auf die
Ausgänge. Aufgrund des im Vergleich zu den Auslässen 4 großen Querschnitts der Kanäle
des Kanalsystems hat der Verteiler 3 nur einen vernachlässigbaren Anteil an den dynamischen
Eigenschaften des Mehrkanal-Tropfengenerators.
[0007] An den Ausgängen sind Auslässe 4 angeordnet, die eine Querschnittsverengung darstellen
und somit den größten fluidischen Widerstand im Mehrkanal-Tropfengenerator bilden.
Damit die Auslässe 4 einen gleich großen fluidischen Widerstand bilden, müssen sie
eine hohe Fertigungsgenauigkeit aufweisen, die zum Beispiel bei Präzisionsrohren erfüllt
sind. Fertigungstoleranzen innerhalb des Kanalsystems werden dadurch ausgeglichen.
Darüber hinaus besitzt die Flüssigkeitssäule innerhalb der Auslässe 4 die größte Trägheit
im Gesamtsystem und hat daher wesentlichen Einfluß auf dessen dynamisches Verhalten.
Für das Verständnis des Mehrkanal-Tropfengenerators ist insbesondere für die Abgabe
kleinster Tropfen über die Betrachtung der statischen Parameter eine dynamische Betrachtung
notwendig, die anhand eines elektrischen Ersatzschaltbildes erfolgen soll. Aus Fig.
1 leitet sich das detaillierte elektrische Ersatzschaltbild ab (Fig.3), das sich auf
das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild (Fig.4) reduzieren läßt. Dieses stellt
im wesentlichen einen Reihenschwingkreis mit Stromanregung dar, der mit den Differentialgleichungen
aus der Elektrotechnik beschrieben werden kann. Die Dosiereinrichtung 1 wird durch
die Stromquelle 7 mit Schalter 8 wiedergegeben, die elastische Verbindung durch die
Kapazität 9. Der Verteiler wird vernachlässigt. Die Auslässe sind als Widerstände
10 und Trägheiten 11 dargestellt.
Bei quasistatischer Betrachtung des Mehrkanal-Tropfengenerators würde sich bei langsamer
Zugabe von Flüssigkeit durch die Dosiereinrichtung 1 an den Auslässen 4 Tropfen bilden,
die abreißen, wenn das Gewicht des Tropfens dessen Oberflächenspannkraft überschreitet.
Danach bleibt an den Auslässen 4 ein sogenannter Meniskus zurück, der zu Ungenauigkeiten
führt. Derart erzeugte Tropfen haben bei Wasser ein Volumen von ca. 10-20µl und entsprechen
somit nicht der Aufgabenstellung.
Es gehört daher zu den erfindungswesentlichen Merkmalen, daß die Dosiereinrichtung
1 das abzugebende Volumen mit einer hohen Beförderungsgeschwindigkeit über die Verbindung
2 und den Verteiler 3 zu den Auslässen 4 befördert. Dort bilden sich Flüssigkeitsstrahlen
mit dem Durchmesser der Auslässe 4. Die Trägheit verhindert eine Tropfenbildung. Wird
der Flüssigkeitsstrom abrupt unterbrochen, reißt der Strahl aufgrund der hohen kinetischen
Energie ab, bevor ein Tropfen entsteht. Es bleibt jedoch auch hier eine unbestimmte
Menge Flüssigkeit an den Auslässen 4 zurück und bildet einen Meniskus. Um das Ergebnis
des folgenden Abgabezyklus nicht zu verfälschen, muß dieser Flüssigkeitsrest entfernt
werden. Dies könnte durch einen inversen Betrieb der Dosiereinrichtung 1 erfolgen,
was aufgrund der hohen Geschwindigkeiten aber zu einem stark erhöhtem technischen
Aufwand führen würde. Diese Aufgabe erfüllt im erfindungsgemäßen Mehrkanal-Tropfengenerator
die als elastisches Element ausgeführte Verbindung 2, die in der Lage ist, diese Funktion
zu übernehmen. Zu Beginn eines Abgabezyklusses nimmt die Verbindung 2, indem sich
ihr Querschnitt ausdehnt, einen Teil des geförderten Volumens auf und gibt es im weiteren
Verlauf teilweise wieder ab. Wird der Volumenstrom unterbrochen, bewirkt die Trägheit
der Flüssigkeitssäulen in den Auslässen 4 für ein kurzzeitigen Fortbestand des Volumenstromes.
Das strömende Volumen wird von der Elastizität der Verbindung 2 geliefert, wobei ein
Unterdruck entsteht. Kommen die Flüssigkeitssäulen zum Stillstand, bewirkt dieser
Unterdruck ein Zurücksaugen der Flüssigkeitsreste aus den Auslässen 4.
Der chronologische Ablauf eines Dosierzyklus (dargestellt in Fig. 5, wobei V
D den von der Dosiereinrichtung 1 erzeugten Volumenstrom und V
A den an den Auslässen bewirkten Volumenstrom darstellt) stellt sich, unter der Voraussetzung
der ausgeglichenen Druckverhältnisse vorher, wie folgt dar:
Zum Zeitpunkt t=0 beginnt die Dosiereinrichtung 1 einen Volumenstrom zu fördern.
Dieser kann aufgrund der Trägheiten in den Auslässen 4 zunächst nicht abfließen und
bewirkt somit eine Druckerhöhung, die zu einer Volumenexpansion der elastischen Verbindung
2 führt. Die Flüssigkeitssäulen in den Auslässen 4 werden beschleunigt, und es bilden
sich darin Volumenströme aus. Der Druck in der Verbindung 2 sinkt bis auf ein Niveau
ab, bestimmt vom fluidischen Widerstand und dem Durchfluß, wobei ein Teil des gespeicherten
Volumens abgegeben wird. Dies entspricht dem quasistatischen Zustand.
Bei Unterbrechung des zugeführten Volumenstroms zum Zeitpunkt t=1 bewirken die Trägheiten
zunächst ein Fortbestehen der Strömung, gespeist aus dem Vorrat des in der Verbindung
2 gespeicherten Volumens, bis dort eine Volumenkontraktion verbunden mit einem Unterdruck
entsteht, der die Strömung bremst. Dieser Unterdruck bleibt in der Verbindung 2 bestehen,
wenn die Strömung zum Stillstand kommt. Dadurch kehrt sich die Richtung der Strömung
um und die Flüssigkeit wird
von den Auslässen 4 in den Verteiler zurückgesaugt. Der Flüssigkeitsrest an den Auslässen
wird somit entfernt.
Dieses Verhalten des Volumenstromes an den Auslässen V
A ist von der Abstimmung des fluidischen Schwingkreises abhängig.
1. Mehrkanal-Tropfengenerator mit einer Dosiereinrichtung (1), einem Verteiler (3), der
einen Eingang (12) und mehrere Ausgänge (13) aufweist, sowie einer elastischen Verbindung
(2), über die die Dosiereinrichtung (1) mit dem Eingang (12), verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Eingang (12) mit den Ausgängen (13) über ein planares Kanalsystem aus kaskadierenden
T-Stücken verbunden ist, wodurch eine homogene Druckaufteilung bewirkt wird,
daß an den Ausgängen (13) rohrförmige Auslässe (4) vorhanden sind, deren Querschnitt
kleiner ist als der Querschnitt der Kanäle im Verteiler (3) und deren Länge und Querschnitt
mit der Elastizität, der Länge und dem Querschnitt der elastischen Verbindung (2)
und der Beförderungsgeschwindigkeit der Dosiereinrichtung (1) abgestimmt sind, sodaß
der Mehrkanal-Tropfengenerator ein dynamisches Verhalten aufweist, was zu einer kontaktfreien
Flüssigkeitsabgabe und einer anschließend vollständigen Entleerung der Auslässe (4)
führt.