Hodac, Agathe (Schönbodenstrasse 60 Rapperswil, CH-8640, CH)
Schmid, Noa (Tannenweg 1 Grabs, CH-9472, CH)
Ingenhoven, Nikolaus (Alte Landstrasse 48 Männedorf, CH-8708, CH)
Hodac, Agathe (Schönbodenstrasse 60 Rapperswil, CH-8640, CH)
Schmid, Noa (Tannenweg 1 Grabs, CH-9472, CH)
| 1. | Vorrichtung (1) zur Abgabe bzw. Aufnahme/Abgabe von Flüssigkeitsproben mit einer Pumpe (2) und einer Mikroejektionsvorrichtung (3), wobei die Mi kroejektionsvorrichtung (3) einen Impulsgenerator (4) mit einer Kammer (5) umfasst und mit diesem Impulsgenerator (4)zum Bewirken der Abga be von Proben aus einer FlüssigkeitDruckwellen in der Flüssigkeit erzeug bar sind, wobei die Mikroejektionsvorrichtung (3) zudem ein Endstück (6) und eine Flüssigkeitsleitung (7) umfasst, welche den Impulsgenerator (4) mit dem Endstück (6) verbindet, wobei der Impulsgenerator einen Mikro aktuator (10) umfasst, welcher in der gleichen Richtung agierend ausgebil det ist, in welcher die Druckwelle die Kammer (5) verlässt, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kammer (5) im Bereich ihres dem Endstück (6) abgewandten Endes, bzw. das entsprechende Verbindungselement (14) eine Verengung (16) aufweist, weiche eine Ausdehnung der Druckwellen in Richtung der Pumpe (2) behindert. |
| 2. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ganze Mikroejektionsvorrichtung (3) vollständig mit einer zusammenhängenden Flüssigkeitssäule gefüllt ist und dass das Volumen einer abgegebenen Flüs sigkeitsprobe allein durch die Parameter eines einzelnen, durch den Impuls generator (4) erzeugten Impulses definiert ist. |
| 3. | Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kammer (5) des Impulse nerators (4) zumindest eine Innenwand (19) und/oder ein Verbindungsele ment (14) umfasst, mit welchem die Kammer (5) mit der Flüssigkeitsleitung (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass Kammer (5), Endstück (6), Flüssigkeitsleitung (7) und/oder Verbindungselemente (14)zum Er möglichen einer kontinuierlichen Ausdehnung der Druckwellen durch die Leitung (7)bis zum Endstück (6) im Wesentlichen kontinuierliche Über gänge und einen im Wesentlichen ebenso konstanten Innendurchmesser bilden, wobei dieser Innendurchmesser grösser ist als der Öffnungsdurch messer (18) des Endstücks (6). |
| 4. | Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass Leitungen (7,9) einen Innendurchmesser von 0.1 bis 4 mm, insbesondere 0.1 bis 1 mm, und eine Wandstärke von 0.3 bis 1.2 mm auf weisen. |
| 5. | Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Endstück (6) als wegwerfbare und nach jedem Ge brauch ersetzbare Pipettenspitze ausgebildet ist. |
| 6. | Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Endstück (6) für die Abgabe von Probenvolumina im NanoliterBereich einen Öffnungsdurchmesser (18) von 20 bis 150 um auf weist. |
| 7. | Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (6) für die Abgabe von Probenvolu mina im PicoliterBereich einen Öffnungsdurchmesser (18) von kleiner als 50 gm aufweist. |
| 8. | Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Pumpe (2)während der Abgabe von Flüssigkeitspro ben aus dem Endstück (6)zum Nachführen von Flüssigkeit ansteuerbar ausgebildet ist. |
| 9. | Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Pumpe (2) für die Aspiration von Flüssigkeit ansteuerbar ausgebildet ist. |
| 10. | Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Impulsgenerator (4) ein Solenoid (20), ein Piezo Element (21) und/oder einen thermischen Aktuator und eine Membran (22) umfasst. |
| 11. | Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Pumpe (2) eine Kolbenpumpe ist, welche einen Zylinder (8), einen Kolben und einen Antrieb umfasst. |
| 12. | System mit einer Vorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl von Endstücken (6) und den dazugehörenden Leitungen (7) und Impulsgenera toren (4) umfasst. |
| 13. | System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Pumpen (2) umfasst. |
| 14. | System nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es ein der Pumpe (2) bzw. den Pumpen (2,2') vorgeschaltetes Drei wegVentil (27) und zumindest ein damit verbundenes Vorratsgefäss (28) umfasst. |
| 15. | System nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, dass es zur Aufnahme von Probenvolumina von mindestens 1 ni ausgebildet ist. |
| 16. | System nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, dass es zur Abgabe von Probenvolumina von mindestens 0.01 nl ausgebildet ist. |
| 17. | System nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, dass die einzelnen Impulsgeneratoren (4) und Pumpen (2) individuell über eine Steuerung adressierbar sind. |
| 18. | System nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, dass es ein eindimensionales oder zweidimensionales Array von Endstücken (6) umfasst. |
| 19. | System nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, dass die Vielzahl Impulsgeneratoren (4) auf einem einzigen Bauteil angeordnet sind. |
Es ist bekannt, dass Tropfen mit einem Volumen von mehr als 10 Ill sehr einfach aus der Luft abgegeben werden können, weil die Tropfen bei korrektem Umgang mit der Pipette von selbst die Pipettenspitze verlassen. Die Tropfengrösse wird dann durch die physikalischen Eigenschaften der Probenflüssigkeit, wie Oberflä- chenspannung oder Viskosität bestimmt. Die Tropfengrösse limitiert somit die Auflösung der abzugebenden Menge Flüssigkeit.
Die Aufnahme und Abgabe, d. h. das Pipettieren von Flüssigkeitsproben mit einem Volumen von weniger als 10 Ill verlangt dagegen meist Instrumente und Techni- ken, welche die Abgabe solch kleiner Proben garantieren. Das Abgeben einer Flüssigkeit mit einer Pipettenspitze, d. h. mit dem Endstück einer Vorrichtung zur Abgabe bzw. Aufnahme/Abgabe von Flüssigkeitsproben kann aus der Luft ("from Air") oder über das Berühren einer Oberfläche geschehen. Diese Oberfläche kann die feste Oberfläche eines Gefässes ("on Tip Touch") sein, in welches die Flüssig- keitsprobe abgegeben werden soll. Es kann auch die Oberfläche einer sich in die- sem Gefäss befindlichen Flüssigkeit ("on Liquid Surface") sein. Ein an das Dispen- sieren anschliessender Mischvorgang ist-besonders bei sehr kleinen Probenvo- lumina im Nano-oder gar Picoliter-Bereich-zu empfehlen, damit eine gleichmä- ssige Verteilung des Probenvolumens in einem Diluent gewährleistet ist.
Wegwerfspitzen reduzieren wesentlich die Gefahr eines ungewollten Übertragens von Probenteilen (Kontamination). Bekannt sind einfache Wegwerfspitzen (soge- nannte"Air-Displacement Tips"), deren Geometrie und Material für das genaue Abgeben von sehr kleinen Volumina optimiert ist. Die Verwendung von soge- nannten"Positive-Displacement Tips", welche an ihrer Innenseite einen Pumpkol- ben aufweisen, ist ebenfalls bekannt.
Zum Automatisieren des Pipettierprozesses von Volumina unterhalb 10) J müssen zwei Vorgänge voneinander unterschieden werden : Die definierte Aufnahme (As- piration) und die anschliessende Abgabe (Dispensierung) von Flüssigkeitsproben.
Zwischen diesen Vorgängen wird üblicherweise die Pipettenspitze vom Experi- mentator oder einem Automaten bewegt, so dass der Aufnahmeort einer Flüssig- keitsprobe von deren Abgabeort verschieden ist. Für die Genauigkeit einer Abga-
be ist nur das Flüssigkeitssystem wesentlich, welches aus Pumpe (Diluter), Flüs- sigkeitsleitung und Endstück (Pipettenspitze) besteht. Unter den vielen möglichen Pumpen zum hochpräzisen Aspirieren und Dispensieren von Flüssigkeiten haben sich z. B. kommerziell erhältliche Geräte mit dem Namen"CAVRO XL 3000 Modu- lar Digital Pump"bzw."CAVRO XP 3000 plus Modular Digital Pump"bewährt, welche von der Firma Cavro Scientific Instruments Inc., Sunnyvale, Californien, USA, vertrieben werden. Solche Pumpen umfassen einen Zylinder mit einem darin beweglichen Kolben und einen Schrittmotor zum Antreiben des Kolbens.
Der Schrittmotor arbeitet bei einer Spannung von 24 V und wird durch einen ex- ternen Rechner oder Mikroprozessor angesteuert. Weitere Details können z. B. aus dem Funktionsbeschrieb"Operators Manual P/N 724043C"von Cavro Scien- tific Instruments Inc. entnommen werden.
Aus US 5,763,278 ist eine gattungsgemässe Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bekannt. Es handelt sich um ein automatisches Pipettieren von kleinen Volumina, wobei die Vorrichtung eine Pipettiernadel, einen Diluter mit einem Flüssigkeitsausgang mit einer Spritze und einem Ventil umfasst. Die Spritze um- fasst einen Kolben und einen Kolbenantrieb. Eine Leitung verbindet die Nadel und den Flüssigkeitsausgang des Diluters, wobei der Diluter und die Leitung eine im Wesentlichen inkompressible Flüssigkeit enthalten. Ein Impulsgenerator ist in der Vorrichtung angeordnet und mit der inkompressiblen Flüssigkeit in der Leitung verbunden, so dass direkt in die Flüssigkeit der Leitung mechanische Impulse mit einer Kraft von mindestens 0.01 Ns abgegeben werden können. Ein solcher Im- puls dient dazu, Flüssigkeit aus der Nadel zu treiben. Die Tropfengrösse wird durch einen gezielten Vorschub des Diluterkolbens definiert und der Tropfen mit einem Impuls aus der Nadel ausgeworfen. Durch die Definition des Volumens mit dem Diluter, hängt die Tropfengrösse und deren Reproduzierbarkeit von der Auf- lösung des Diluters ab und wird durch diesen limitiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Abgabe bzw.
Aufnahme/Abgabe von Flüssigkeitsproben bis in den Picoliter-Bereich vorzuschla- gen, bei welcher die abgegebene Tropfengrösse und deren Reproduzierbarkeit nicht von der Auflösung des Diluters abhängt.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Zusätzliche Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die vorliegende Erfindung soll nun-an Hand von schematischen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausführungsbeispiele illustrieren und den Umfang der vorlie- genden Erfindung nicht einschränken sollen-näher erläutert werden. Dabei zei- gen : Fig. 1 ein Schema einer Vorrichtung zur Abgabe bzw. Aufnahme/Abgabe von Flüssigkeitsproben ; Fig. 2 einen Schnitt durch einen Impulsgenerator, gemäss einer ersten Ausführungsform ; Fig. 3 einen Schnitt durch einen Impulsgenerator, gemäss einer zweiten Ausführungsform ; Fig. 4 einen Schnitt durch einen Impulsgenerator, gemäss einer dritten Ausführungsform ; Fig. 5 einen Schnitt durch ein Array Impulsgeneratoren, gemäss einer vierten Ausführungsform.
Figur 1 zeigt ein Schema einer Vorrichtung zur Abgabe bzw. Aufnahme/Abgabe von Flüssigkeitsproben, gemäss einer ersten Ausführungsform. Diese Vorrichtung 1 umfasst eine Pumpe 2 und eine Mikroejektionsvorrichtung 3. Die Mikroejekti- onsvorrichtung umfasst einen Impulsgenerator 4 mit einer Kammer 5 und ist vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt, welche somit eine zusammenhängende Flüssigkeitssäule bildet. Der Impulsgenerator 4 ist so ausgebildet, dass-zum Bewirken der Abgabe von Flüssigkeitsproben-Druckwellen in der Flüssigkeit er- zeugbar sind. Die Mikroejektionsvorrichtung 3 umfasst zudem ein Endstück 6 und eine Flüssigkeitsleitung 7. Die Flüssigkeitsleitung 7 hat in einem Ausführungsbei- spiel eine Länge von ca. 1 m und verbindet den Impulsgenerator 4 mit dem End-
stück 6. Der Innendurchmesser dieser Leitung 7 beträgt in diesem Ausführungs- beispiel 0.8 mm und die Wanddicke misst 0.6 mm.
Vorzugsweise ist die Pumpe 2 eine Kolbenpumpe bzw. ein Diluter des Typs "CAVRO XP 3000 plus Modular Digital Pump" ; der Zylinder 8 des Diluters weist ein Volumen im Bereich von 50 bis 500 Ill auf und die Auflösung des Diluters liegt im Bereich von 3'000 Schritten bzw. 6'000,12'000 oder 24'000 Teilschritten pro ganzem Hub. Der Diluter wird verwendet, um die Pipettenspitze bzw. das End- stück 6 zu füllen. Dies umfasst sowohl das Aspirieren eines Probenvolumens als auch das Kompensieren eines abgegebenen Volumens beim Dispensieren. Der Diluter bzw. die Pumpe 2 und der Impulsgenerator 4 sind über eine Flüssigkeits- leitung 9 miteinander verbunden. Der Innendurchmesser der vorzugsweise aus Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP) hergestellten Leitungen 7,9 beträgt vorzugsweise 0.1 bis 4 mm, wobei ein Durchmesser von 0.1 bis 1 mm speziell bevorzugt ist. Für alle Leitungen 7,9 ("Tubing") wird eine Wandstär- ke von 0.3 bis 1. 2 mm bevorzugt.
Der Impulsgenerator 4 umfasst eine Kammer 5 und einen Mikroaktuator 10 und ist in der Vorrichtung 1 zur Abgabe bzw. Aufnahme/Abgabe von Flüssigkeitspro- ben irgendwo zwischen Diluter bzw. Pumpe 2 und Wegwerfspitze bzw. Endstück 6 angeordnet. Der Mikroaktuator 10 kann ein Piezo-Element (z. B. als Stapelak- tuator oder als bimorphes Element), ein magnetisches Element oder eine thermi- sche Aktuierung umfassen. Allen diesen Mikroaktuatoren ist gemeinsam, dass sie eine Druckwelle in der Flüssigkeit erzeugen, indem ein mechanischer Impuls auf diese Flüssigkeit übertragen wird. Während Piezo-Aktuatoren über eine plötzliche Ausdehnung wirken und magnetische Aktuatoren ein Solenoid beschleunigen, erhitzen thermische Aktuatoren plötzlich ein Gas. Dieses Gas befindet sich in ei- nem mit einer Membran abgeschlossenen Raum und dehnt sich bei der Erwär- mung schlagartig aus, so dass diese Membran bewegt und die Druckwelle auslöst wird. Die Kammer 5 hat einen Eingangskanal 11 und einen Ausgangskanal 12.
Der Mikroaktuator 10 wird vorzugsweise durch ein elektrisches Rechtecksignal angesteuert.
Jeder kurze Puls dieses Rechtecksignals produziert eine plötzliche Form- und/oder Lageänderung des Mikroaktuators 10, welche als ein Schlag auf die Flüssigkeit in der Kammer 5 übertragen wird. Dieser durch den Impulsgenerator 4 erzeugte Impuls, dessen Stärke Ap in einem Ausführungsbeispiel mit 0.016 Ns errechnet wurde, löst in der Flüssigkeit eine Druckwelle aus, weiche sich bevor- zugt in Richtung zum Ausgangskanal 12 der Kammer 5 ausbreitet und dort die Kammer 5 verlässt.
Eine bevorzugt rotationssymmetrisch ausgelegte Kammer 5, deren Symmetrie- achse 13 koaxial zu dem Ausgangskanal 12 angeordnet ist, ermöglicht eine im Wesentlichen gleichmässige Ausdehnung dieser Druckwelle in der Kammer 5.
Bevorzugt wird dabei der Mikroaktuator 10 so an der Kammer angeordnet, dass er in der gleichen Richtung agiert, in welcher die Druckwelle die Kammer 5 ver- lässt. Weil die ganze Mikroejektionsvorrichtung 3 immer vollständig mit einer zu- sammenhängenden Flüssigkeitssäule gefüllt ist, wird das Volumen einer abgege- benen Flüssigkeitsprobe allein durch die Parameter eines einzelnen, durch den Impulsgenerator 4 erzeugten Impulses definiert.
Zum Ermöglichen einer im Wesentlichen kontinuierlichen Ausdehnung der Druckwelle durch die Leitung 7 bis zum Endstück 6 weisen Kammer 5, Flüssig- keitsleitung 7, Endstück 6 und alle eventuell zusätzlich vorgesehenen Verbin- dungselemente 14 im Wesentlichen kontinuierliche Übergänge und einen ebenso konstanten Innendurchmesser auf. Dieser Innendurchmesser ist vorzugsweise immer grösser als der Öffnungsdurchmesser 18 des Endstücks 6. Unter diesen Voraussetzungen beträgt z. B. die bevorzugte Wandstärke am Ende eines das Endstück 6 tragenden Spitzenadapters 15 im Bereich des Übergangs zu der Lei- tung 7 und zum Endstück 6 weniger als 0.5 mm ; vorzugsweise werden sämtliche anderen Übergänge zwischen Impulsgenerator 4 und Endstück 6 entsprechend angepasst.
Um die Ausbreitung der Druckwelle in Richtung der Pumpe 2 zu behindern, weist die Kammer 5 vorzugsweise im Bereich ihres dem Endstück 6 abgewandten En- des, d. h. im Bereich des Eingangskanals 11 eine Verengung 16 auf. Falls die
Kammer 5 und die Leitung 9 mit einem zusätzlichen Verbindungselement 14 ver- bunden sind, kann auch dieses Verbindungselement 14 eine solche Verengung 16 aufweisen.
Das Endstück 6 ist als Wegwerfspitze des Typs"Air-Displacement Tip"ausgebil- det, besteht aus einem beispielsweise spritzgegossenen Polymermaterial und kann nach dem Gebrauch beliebig ersetzt werden. Das Endstück 6 sitzt bevor- zugt auf einem Spitzenadapter 15, der ein Stück der Leitung 7 bildet und von einem Experimentator oder einem Roboterarm 17 gehalten und geführt wird. Der Öffnungsdurchmesser 18 des Endstücks 6 bzw, der Wegwerfspitze beträgt für die Probenabgabe im Nanoliter-Bereich vorzugsweise 20 bis 150 pm. Für die Proben- abgabe im Picoliter-Bereich wird ein Durchmesser von weniger als 50 , m speziell bevorzugt. Dieser Öffnungsdurchmesser 18, wie auch die übrige Geometrie des Endstücks 6, kann nach Bedarf den Eigenschaften der zu pipettierenden Flüssig- keit bzw. dem beabsichtigten Volumen der abzutrennenden Proben angepasst werden. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt der Öffnungsdurchmesser 18 ca.
50IM.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Impulsgenerator 4, entsprechend Fig. 1 und gemäss einer ersten Ausführungsform. Die Symmetrieachse 13 liegt koaxial mit dem Ausgangskanal 12. Rechtwinklig zu der Symmetrieachse 13 ist ein Mi- kroaktuator 10 mit einem bimorphen Piezo-Element 21 angeordnet, welcher die Kammer 5 rückseitig verschliesst. Der Eingangskanal 11 weist an seinem Über- gang zur Innenwand 19 der Kammer 5 eine Verengung 16 auf.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch einen Impulsgenerator 4, gemäss einer zweiten Ausführungsform. Die Symmetrieachse 13 liegt koaxial mit dem Ausgangskanal 12. Rechtwinklig zu der Symmetrieachse 13 ist ein auf magnetischer Basis ar- beitender Mikroaktuator 10 angeordnet. Zwischen dem als Solenoid 20 ausgebil- deten Aktuator und der Kammer 5 ist eine Membran 22-zum Übertragen der Impulse auf die Flüssigkeit in der Kammer 5 angeordnet. Diese Membran 22 ver- schliesst rückseitig die Kammer 5. An Stelle eines auf magnetischer Basis arbei- tenden Solenoids könnte auch ein Stapel von Piezo-Elementen (nicht gezeigt)
eingesetzt werden. Der Eingangskanal 11 weist an seinem Übergang zur Innen- wand 19 der Kammer 5 eine Verengung 16 auf.
Figur 4 zeigt einen Schnitt durch einen Impulsgenerator 4, gemäss einer dritten Ausführungsform. Die Symmetrieachse 13 liegt koaxial mit dem Ausgangskanal 12. Rechtwinklig zu der Symmetrieachse 13 ist ein Piezo-Element 21 als Mikro- aktuator 10 angeordnet und auf eine Siliziumplatte 23 geklebt. Die Kammer 5 ist somit rückseitig mit der Si-Platte 23 verschlossen. Die zwischen dem Mikroak- tuator 10 und der Kammer 5 angeordnete Siliziumplatte 23 überträgt die Impulse auf die Flüssigkeit in der Kammer 5. Der Eingangskanal 11 ist im Gegensatz zu den vorher gezeigten Beispielen parallel zum Ausgangskanal 12 angeordnet. Der Eingangskanal 11 ist über einen in die Siliziumplatte 23 eingeätzten Verbindungs- kanal 24 mit der Kammer 5 verbunden. Dieser Verbindungskanal 24 weist einen sehr kleinen Querschnitt auf, so dass er neben der Funktion, die Flüssigkeit zu leiten, auch diejenige einer Verengung 16 erfüllt. Zudem ist der Innendurchmes- ser des Eingangskanals 11 wesentlich kleiner als derjenige des Ausgangskanals 12. Die ganze Anordnung gemäss dieser dritten Ausführungsform wird von einem Adapter 25 gehalten. Dieser Adapter umfasst auch Elektrokontakte 26 für das Piezo-Element 21 des Mikroaktuators 10. Vorzugsweise wird eine bis an die Oberseite der die Kammer 5 bildenden Bauteile 29 reichende Kompartimentier- struktur 31 dichtend mit den Bauteilen 29 verbunden. Diese Kompartimentier- struktur 31 ist vorzugsweise eine Glasplatte mit darin eingearbeiteten Komparti- menten 32 für die Aufnahme der Bauteile 29. Die Verwendung einer Glasplatte hat den Vorteil, dass eine ebene Oberfläche 33 zur Aufnahme der Siliziumplatte 23 geschaffen wird. Vorteilhafterweise können so Siliziumplatte 23 und Glasplatte -ohne jede Verwendung von Klebestoffen-anodisch miteinander verbunden werden.
Ein System zur Abgabe bzw. Aufnahme/Abgabe von Flüssigkeitsproben, wie z. B. ein Pipettierautomat, kann eine (vgl. Fig. 1) oder mehrere Vorrichtungen 1 (nicht gezeigt) umfassen. Bevorzugt sind z. B. Pipettierautomaten mit acht Kanälen, d. h. mit acht Endstücken 6, mit welchen Standard-Mikrotiterplatten (Handelsmarke von Beckman Coulter, Inc., 4300 N. Harbour Blvd., P. O. Box 3100 Fullerton, CA,
USA 92834) bzw. Mikroplatten mit 96 Töpfchen mit Flüssigkeitsproben beschickt werden können.
Solche Systeme können die Kombination von 1 bis n Pumpen 2 und 1 bis n Im- pulsgeneratoren 4 in je gleicher Zahl umfassen. Ähnliche System können die Kombination einer einzigen Pumpe 2 mit mehreren Impulsgeneratoren 2 umfas- sen. Bevorzugt sind dabei Pipettierautomaten mit acht Kanälen, d. h. mit acht Impulsgeneratoren 4 und acht Endstücken 6. Die Endstücke 6 werden bevorzugt in einem eindimensionalen Array in Form einer Reihe angeordnet, so dass z. B. mit 8,32,72 oder 128 Kanälen gleichzeitig und parallel gearbeitet werden kann.
Ähnliche Systeme können ein zweidimensionales Array von Endstücken 6 in Form eines Gitters aufweisen, so dass z. B. Mikroplatten mit 384,864,1536 oder noch mehr Töpfchen gleichzeitig beschickt werden können. Auch Kombinationen der eben genannten Systeme sind denkbar, so dass ein System gleichzeitig Endstük- ke 6 aufweist, die in einem linearen oder einem flächigen Array angeordnet und/oder bewegbar sind. Falls ein System mehrere Impulsgeneratoren 4 um- fasst, können diese auf einem einzigen Bauteil-z. B. in Form eines Arrays von Einheiten angeordnet sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Systems zur Abgabe bzw. Aufnahme/Abgabe von Flüssig- keitsproben werden die Endstücke 6 direkt an die in einem zweidimensionalen Array und auf einem gemeinsamen Bauteil angeordneten Impulsgeneratoren 4 angesteckt (vgl. Fig. 5).
Vorzugsweise sind in solchen Systemen jeweils die einzelnen Impulsgeneratoren 4 und Pumpen 2 individuell über eine Steuerung, z. B. über einen mit entspre- chender Hard-und Software ausgerüsteten Personalcomputer, adressier-und steuerbar.
Besonders für Mehrkanalsysteme mit grossem Flüssigkeitsumsatz wird ein der Pumpe 2 bzw. den Pumpen 2 vorgeschaltetes Dreiweg-Ventil 27 und zumindest ein damit verbundenes Vorratsgefäss 28 bevorzugt. In dem Vorratsgefäss kann sich Systemflüssigkeit oder auch eine zu dispensierende Flüssigkeit befinden. Bei
Systemen mit mehreren Pumpen kommen bevorzugt mehrere Vorratsgefässe zur Verwendung.
Figur 5 zeigt einen Schnitt durch ein Array Impulsgeneratoren, gemäss einer vierten Ausführungsform. Die einzelnen Kammern 5 der nebeneinander angeord- neten Impulsgeneratoren 4 sind in einem Bauteil 29 angeordnet, welches z. B. aus einem einstückig spritzgegossenen oder individuell aus Vollmaterial gedreh- tem Polymermaterial besteht. Nadeln 30 sind koaxial mit der Symmetrieachse 13 der Kammern 5 angeordnet und bilden den Ausgangskanal 12 derselben. Vor- zugsweise bestehen diese Nadeln 30 aus rostfreiem Stahl und sind an ihrem frei- en Ende so zugespitzt, dass sie entweder direkt als Endstücke 6, d. h. als Pipet- tenspitzen verwendet werden können oder dass sie je eine Wegwerfspitze auf- nehmen können.
Teilweise in oder doch in engem Kontakt zu diesem Bauteil 29 ist an dessen Oberseite eine Kompartimentierstruktur 31 dichtend mit dem Bauteil 29 verbun- den. Diese Kompartimentierstruktur 31 besteht vorzugsweise aus einer Glasplatte, aus welcher Kompartimente 32 so angeordnet sind, dass sie im Regi- ster mit den Kammern 5 entsprechen. Die Verwendung einer Glasplatte hat den Vorteil, dass eine ebene Oberfläche 33 geschaffen wird. Vorteilhafterweise kön- nen so Siliziumplatte 23 und Glasplatte-ohne jede Verwendung von Klebestoffen -anodisch miteinander verbunden werden. Auf diese Oberfläche 33 ist eine dün- ne Siliziumplatte 23 aufgebracht, in welche Verbindungskanäle 24 eingeätzt sind.
Auf der den Kammern abgewandten Seite der Siliziumplatte 23 sind Mikroaktua- toren 10 in Form von Piezo-Elementen 21 angeordnet, welche in ihrer Verteilung gerade dem Muster der unterliegenden Kammeranordnung entsprechen. Die zum Auswerfen einer Probe notwendigen Impulse werden somit von dem Piezo- Elementen 21 erzeugt und über die Siliziumplatte 23 auf die Flüssigkeit in den Kammern 5 übertragen. Über die vorzugsweise einen im Verhältnis zu den Aus- gangskanälen 12 kleinen Querschnitt aufweisenden Verbindungskanäle 24 sind alle Kammern 5 miteinander und mit dem Eingangskanal 11, der zum Diluter bzw. zur Pumpe 2 führt, verbunden, so dass alle diese Hohlräume sowie die Na- deln 30 (falls Wegwerfspitzen verwendet werden auch diese) immer komplett mit
einer Flüssigkeitssäule gefüllt sind. Damit ist einerseits gewährleistet, dass die eine Verengung darstellenden Verbindungskanäle eine Ausdehnung der Druck- wellen in Richtung der Pumpe 2 behindern und dass das Volumen der aus den Endstücken 6 abgegebenen Flüssigkeitsproben allein durch die Parameter der durch die Impulsgeneratoren 4 erzeugten Impulse definiert ist.
Die zur Ansteuerung der einzelnen Piezo-Elemente 21 notwendige Elektronik so- wie die entsprechenden elektrischen Zuleitungen können auf einem gemeinsa- men Bauelement 34 ebenfalls entsprechend der Verteilung der Kammern 5 und Mikroaktuatoren 10 angeordnet werden. Ein (nicht gezeigtes) Gehäuse, welches vorzugsweise aus einer unteren Halbschale 35 und einer oberen Halbschale 36 besteht, umfasst vorzugsweise das ganze Array mit den Impulsgeneratoren 4 und der zugehörigen Elektronik auf dem Bauelement 34. Ein solches Array kann eine Reihe von beispielsweise acht oder auch eine Fläche von beispielsweise 96 oder 384 Impulsgeneratoren 4 umfassen.
Ein System zur Abgabe bzw. Aufnahme/Abgabe von Flüssigkeitsproben funktio- niert beispielsweise wie folgt : 1. Der Roboterarm 17 nimmt eine Wegwerfspitze von einem Aufbewahrungsort auf, wobei die konische, aufeinander angepasste Form von Spitzenadapter 15 und Wegwerfspitze eine gute Passform und Dichtung garantieren.
2. Die Wegwerfspitze wird mittels des Diluters bzw. mittels der Pumpe 2 kom- plett mit einer Systemflüssigkeit (z. B. mit destilliertem oder deionisiertem Wasser) gefüllt.
3. Der Roboterarm 17 bewegt sich zu einem Behälter, in welchem sich die zu pipettierende Flüssigkeit befindet und wird dort abgesenkt, bis das Endstück 6 bzw. die Pipettenspitze die Flüssigkeitsoberfläche berührt. Mit der Pumpe 2 wird ein definiertes Volumen der Flüssigkeit in das Endstück 6 aufgenom- men (Aspirieren).
4. Der Roboterarm 17 bewegt sich an einen vorgesehenen Abgabeort, wo der Impulsgenerator 4 einen genau definierten, kurzen Impuls abgibt. Dies löst eine Druckwelle in der Flüssigkeit aus, welche sich in der Kammer 5 des Im- pulsgenerators 4 in Richtung des Ausgangskanals 12, durch die Leitung 7 und endlich durch das Endstück 6 fortpflanzt. Das Endstück 6 bildet die eng- ste Stelle auf dem ganzen Weg, den die Druckwelle zurücklegen muss, so dass diese im Endstück 6 eine Beschleunigung erfährt. Wenn die Geschwin- digkeit der Druckwelle so gross ist, dass, sie die Oberflächenspannungs- kräfte der Flüssigkeit überwindet, werden Probenvolumina von bestimmter und einheitlicher Grosse ausgeschleudert. Der Pipettendurchmesser, d. h. der Öffnungsdurchmesser 18 des Endstücks 6 hat einen nicht zu vernach- lässigenden Einfluss auf das resultierende Probenvolumen bzw. die Tropfen- grösse, welche im Bereich von 0.01 bis 10 nl liegt. Das abgegebene Total- volumen ergibt sich aus dem Volumen einer einzelnen, abgetrennten Probe (Tropfen) und der Anzahl der durch den Impulsgenerator abgegebenen Im- pulse (Dispensieren).
5. Während dem Dispensieren wird der Kolben der Pumpe 2 nachgeführt, so dass zumindest im Wesentlichen das abgegebene Flüssigkeitsvolumen kom- pensiert wird.
6. Nach dem Abgeben einer bestimmten Menge Probenflüssigkeit bewegt der Roboterarm 17 das Endstück 6 über eine Abfallsammelstelle, wo die Weg- werfspitze abgeworfen wird. Darauf wird eine neue Spitze aufgenommen.
In allen Figuren wurden die entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.