DE10102152C1 - Vorrichtung und Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen - Google Patents

Abstract

Eine Mikrodosiervorrichtung umfaßt ein Medienreservoir zum Enthalten einer zu dosierenden Flüssigkeit, eine Düse, die über einen Verbindungskanal mit dem Medienreservoir verbunden ist und über den Verbindungskanal mit der zu dosierenden Flüssigkeit befüllbar ist, und eine Antriebseinrichtung zum Beaufschlagen einer in dem Medienreservoir und der Düse befindlichen Flüssigkeit mit einer solchen Kraft bei einer Betätigung derselben, daß ein im wesentlichen identischer Druck auf die im Medienreservoir und in der Düse befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird. Strömungswiderstände des Verbindungskanals und der Düse sind derart ausgeführt, daß bei einer Betätigung der Antriebseinrichtung ein Volumenstrom in dem Verbindungskanal klein im Vergleich zu einem Volumenstrom in der Düse, der einen Ausstoß der zu dosierenden Flüssigkeit aus einer Ausstoßöffnung der Düse bewirkt, ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen, und insbesondere auf solche Vorrichtungen und Verfahren, die zur gleichzeitigen, präzisen Dosierung von kleinen bzw. kleinsten Flüssigkeitsmengen aus mehreren parallelen Kanä­ len geeignet sind.

Die präzise Dosierung von Flüssigkeitsmengen ist unter an­ derem in der pharmazeutischen und biotechnologischen For­ schung, beispielsweise der Genomik, dem High-Throughput- Screening, der kombinatorischen Chemie und dergleichen, von erheblicher Bedeutung. Eine solche Dosierung ist beispiels­ weise notwendig, um sogenannte Mikrotiterplatten (im Engli­ schen well-plate) mit Reagenzien zu befüllen. Um eine der­ artige Befüllung zu realisieren, sind derzeit unterschied­ liche Geräte und Verfahren bekannt, von denen die gebräuch­ lichsten Luftpolsterpipetten, Kolbenverdrängerpipetten mit Ventilsteuerung, piezoelektrische Pipetten und Nadelpipet­ ten sind. Typischerweise sind die genannten Geräte einkana­ lig ausgelegt. Sie können zum Teil aber auch im Raster zu parallelen Kanälen angeordnet werden. Der höchste erreichte Grad der Parallelisierung beträgt derzeit 384 Kanäle bei einigen kommerziell erhältlichen Geräten für Dosiervolumina oberhalb von 0,5 µ.

Bei Anwendung der oben genannten Prinzipien bzw. Vorrich­ tungen zur Befüllung von Mikrotiterplatten treten aber häu­ fig eine oder mehrere der im folgenden genannten Schwierig­ keiten auf. Meist können Dosiervolumina, die kleiner als 500 nl sind, nicht abgegeben werden. Dies trifft insbeson­ dere, auf Luftpolsterpipetten zu. Darüber hinaus ist die Genauigkeit bei allen erhältlichen Geräten im unteren Dosierbereich nur ungenügend, wobei der Fehler typischerweise über 10% liegt. Ferner kann mit den gängigen Geräten eine hohe Integrationsdichte, beispielsweise Rastermaße von we­ niger als 4,5 mm, aufgrund der Bauform nicht erreicht wer­ den, so daß teilweise eine serielle Bearbeitung erfolgen muß. Lediglich mit Nadelpipetten können auch Rastermaße von 2,25 mm erreicht werden. Falls die Dosierung nicht im Frei­ strahl erfolgt, wie z. B. bei Nadelpipetten, können Verschleppungen bzw. Querkontaminationen der zu dosierenden Flüssigkeiten auftreten.

Bekannte Mikrodosiervorrichtungen sind in der DE 197 06 513 A1 und der DE 198 02 368 C1 beschrieben. Diese bekannten Vorrich­ tungen basieren auf einem Funktionsprinzip, bei dem eine Beschleunigung auf eine zu dosierende Flüssigkeit innerhalb einer Druckkammer durch einen Verdränger aufgebracht wird. Die Druckkammer weist eine Fluidverbindung zu einer Auslaß­ öffnung und zu einem Fluidreservoir auf. Somit folgt beim Betätigen des Verdrängens bei diesen bekannten Vorrichtun­ gen eine Bewegung der Flüssigkeit sowohl durch die Auslaßöffnung als auch in das Reservoir zurück.

Aus der DE 199 13 076 A1 ist eine Mikrodosierungsvorrichtung bekannt, durch die eine Mehrzahl von Mikrotröpfchen auf ein Substrat aufbringbar ist, wobei dort ein gesamter Dosier­ kopf mit einer Beschleunigung beaufschlagt wird. Durch diese Beschleunigung des gesamten Dosierkopfs wird träg­ heitsbedingt eine Relativbeschleunigung zwischen enthalte­ nem Fluid und Dosierkopf erreicht, derart, daß Tröpfchen aus jeweiligen Düsenöffnungen des Dosierkopfs ausgestoßen werden.

Schließlich offenbart die WO 00/62932 A2 Verfahren und Vor­ richtungen zur dosierten Ausgabe kleinster Flüssigkeitsmen­ gen, wobei dort Ausstoßmengen in einem Bereich von 0,1 nl bis 100 µl genannt sind. Gemäß dieser Schrift wird eine mit einer Austrittsöffnung versehene Kapillare verwendet, an die mindestens eine Gasleitung über eine Mündungsstelle angeschlossen ist. Über die Kapillare wird ein Gasstoß in die Gasleitung eingeleitet, so daß eine sich in dem Kapillarab­ schnitt zwischen Mündungsstelle und Austrittsöffnung be­ findliche Flüssigkeitsmenge aus der Austrittsöffnung ausdo­ siert wird. Diese Schrift erwähnt ferner die Möglichkeit der Erzeugung eines Pipettierarrays unter Verwendung einer Mehrzahl von Dosiervorrichtungen wie sie oben beschrieben sind. Auch bei den in dieser Schrift beschriebenen Dosier­ vorrichtungen erfolgt ein Rückfluß in das Reservoir bzw. im ungünstigsten Fall können Luftblasen in die Reservoirlei­ tung aufsteigen und diese verstopfen.

Aus den oben genannten Nachteilen resultiert die Tatsache, daß die Dauer der Befüllung einer Mikrotiterplatte im all­ gemeinen für den gewünschten Durchsatz als zu hoch angese­ hen wird. Dadurch ergeben sich zum einen hohe Kosten und zum anderen teilweise auch Schwierigkeiten bei der Analyse der Reaktionsprodukte, falls die Reaktionen in den einzel­ nen Reservoirs der Mikrotiterplatte zeitversetzt starten.

Bei R. Zengerle, "Mikrosysteme - Chancen für die Dosier­ technik", wägen + dosieren 1/1996, S. 10-15, sind Mikropum­ pen für Mikrotropfeninjektoren bekannt, bei denen durch ei­ ne mittels eines Piezobiegewandlers antreibbare Membran das Volumen einer Pumpkammer veränderbar ist. Eine Einlaßöff­ nung und eine Auslaßöffnung der Pumpkammer sind vorgesehen. Eine Pumpwirkung kann bei Betätigen der Membran erreicht werden, indem entweder die Einlassöffnung und die Auslass­ öffnung mit einem Rückschlagventil versehen sind oder indem ein Puffer angrenzend an die Pumpkammer vorgesehen ist.

Aus der DE 196 48 694 C1 ist eine bidirektionale dynamische Mikropumpe bekannt, die eine Pumpkammer sowie einen Zulauf und einen Ablauf für die Pumpkammer mit unterschiedlichen Strömungswiderständen aufweist. An die Pumpkammer grenzt eine Membran, wobei durch geeignete Formgebung des Ansteu­ erpulses für die Membran die Förderrichtung der Mikropumpe steuerbar ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vor­ richtungen und Verfahren zur Dosierung kleiner Flüssig­ keitsmengen zu schaffen, die einen einfachen Aufbau einer Mikrodosiervorrichtung ermöglichen und ferner eine gleich­ zeitige, präzise Dosierung von kleinen Flüssigkeitsmengen aus mehreren parallelen Kanälen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssig­ keitsmengen nach Anspruch 12 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Mikrodosiervorrich­ tung mit folgenden Merkmalen:
einem Medienreservoir zum Enthalten einer zu dosierenden Flüssigkeit, das eine Medienreservoiröffnung aufweist;
einer Düse mit einem Düsenkanal, der eine Ausstoßöffnung und eine Betätigungsöffnung aufweist, wobei die Düse über einen Verbindungskanal mit dem Medienreservoir verbunden ist und über den Verbindungskanal mit der zu dosierenden Flüssigkeit befüllbar ist; und
einer Antriebseinrichtung zum Beaufschlagen einer in dem Medienreservoir und der Düse befindlichen Flüssigkeit mit einer solchen Kraft bei einer Betätigung derselben, daß ein im wesentlichen identischer Druck über die Medienreservoir­ öffnung und die Betätigungsöffnung auf die im Medienreser­ voir und die in der Düse befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird,
wobei Strömungswiderstände des Verbindungskanals und der Düse derart ausgeführt sind, daß bei einer Betätigung der Antriebseinrichtung ein Volumenstrom in dem Verbindungska­ nal klein im Vergleich zu einem Volumenstrom in der Düse, der einen Ausstoß der zu dosierenden Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung der Düse bewirkt, ist.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen, mit folgenden Schrit­ ten:
Befüllen zumindest einer Düse, die einen Düsenkanal mit ei­ ner Ausstoßöffnung und einer Betätigungsöffnung aufweist, über einen Verbindungskanal, der die Düse mit einem Medien­ reservoir, das eine Medienreservoiröffnung aufweist, fluid­ mäßig verbindet, mit einer zu dosierenden Flüssigkeit aus dem Medienreservoir;
Beaufschlagen der in dem Medienreservoir und der Düse be­ findlichen Flüssigkeit mit einer solchen Kraft, daß ein im wesentlichen identischer Druck über die Medienreservoiröff­ nung und die Betätigungsöffnung auf die im Medienreservoir und in der Düse befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird,
so daß aufgrund der Ausführung von Strömungswiderständen des Verbindungskanals und der Düse der Volumenstrom in dem Verbindungskanal klein im Vergleich zum Volumenstrom der Flüssigkeit in der Düse ist, um dadurch eine Menge der zu dosierenden Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung der Düsen auszustoßen.

Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Mikrodosiervor­ richtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen basiert auf zwei Punkten, zum einen dem gleichzeitigen Beaufschlagen von Reservoir und Düse bzw. Düsenkanal mit einer Kraft, so daß ein im wesent­ lichen gleicher Druck auf dieselben einwirkt, und zum ande­ ren einer hinreichenden Trennung des Reservoirs und der Dü­ se voneinander durch den Verbindungskanal. Eine solche Trennung ist um so wirkungsvoller, je höher der fluidische Widerstand des Verbindungskanals in Relation zum fluidi­ schen Widerstand des Düsenkanals ist. Aufgrund der fluidi­ schen Trennung wird erfindungsgemäß maximal das in der Düse befindliche Volumen dosiert, wobei nach der Ausdosierung dieses Volumens der Dosiervorgang automatisch stoppt.

Das Reservoir, die Düse und der Verbindungskanal sind er­ findungsgemäß vorzugsweise in einem Dosierkopf gebildet, wobei ein solcher Dosierkopf vorzugsweise eine Mehrzahl von Reservoiren, Düsen und Verbindungskanälen auf weisen kann. Um einen Tropfenausstoß aus der Düsenöffnung oder den Dü­ senöffnungen der einen oder mehreren Düsen zu bewirken, wird erfindungsgemäß eine treibende Kraft auf die gesamte im Dosierkopf enthaltene Flüssigkeit aufgeprägt, d. h. so­ wohl das Reservoir als auch die Düse werden mit der Kraft beaufschlagt. Daher und aufgrund dessen, daß der Druckgra­ dient über die Verbindungsleitung vernachlässigbar ist, er­ folgt erfindungsgemäß keine Rückströmung in das Reservoir.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Er­ findung sind sowohl die Reservoire als auch die Düsen in einem Raster angeordnet, das dem Format einer Mikrotiter­ platte entspricht. Ferner können die Reservoire und die Dü­ sen in einem unterschiedlichen Raster angeordnet sein, so daß durch einen Dosiervorgang eine Formatumwandlung zwi­ schen dem Format der Reservoire und dem des aufnehmenden Behältnisses, in der Regel eine Mikrotiterplatte, erfolgt. Der bei der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung verwendete Dosierkopf kann auf eine herkömmliche bekannte Wei­ se unter Verwendung von mikromechanischen Verfahren gefer­ tigt werden, beispielsweise aus Silizium oder aus Kunst­ stoff, beispielsweise unter Verwendung einer Spritzgußtech­ nik. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen besteht die An­ triebseinrichtung aus einer pneumatischen bzw. hydrauli­ schen Antriebseinheit, die eine Druckkammer auf weist, die schnell mit einem Gas oder einer Flüssigkeit als Pufferme­ dium befüllt werden kann, um die erforderliche Kraft auf die Reservoire und Düsen aufzubringen.

Erfindungsgemäß sind vorzugsweise die Reservoire und das dem Ausstoßende der Düsen gegenüberliegende Ende derselben in einer Oberfläche des Dosierkopfes gebildet, so daß die gesamte erste Seite des Dosierkopfs bzw. Dosierkopfsub­ strats mit der treibenden Kraft beaufschlagt werden kann, wobei lediglich die in der Düse, d. h. dem Düsenkanal und der Düsenöffnung, enthaltene Flüssigkeit abgegeben wird und der Dosiervorgang von selbst stoppt, sobald die darin ent­ haltene Flüssigkeit abgegeben wurde. Dieses Prinzip ermög­ licht es, auf eine räumliche Trennung der Bereiche in denen die Düsen bzw. Reservoire angeordnet sind, zu verzichten, wodurch wesentlich höhere Integrationsdichten erreicht wer­ den können als mit Vorrichtungen, bei denen die treibende Kraft nur auf die rückseitigen Düsenbereiche, nicht jedoch auf die Reservoire wirkt.

Die vorliegende Erfindung schafft somit Vorrichtungen und Verfahren, mit denen Flüssigkeiten hochparallel beispiels­ weise in eine Mikrotiterplatte abgegeben werden können. So­ mit besitzt die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung ei­ ne einfache Struktur und ermöglicht dennoch eine exakte Do­ sierung, selbst bei der Realisierung eines hochintegrierten Dosiersystems, bei dem beispielsweise unter Verwendung von 1536 Düsen parallel dosiert werden soll. Erfindungsgemäß kann eine solche exakte Dosierung ohne Verwendung von akti­ ven oder passiven Ventilen, wie sie gemäß dem Stand der Technik teilweise verwendet werden, erfolgen, da sowohl Reservoir als auch Düsen mit der Kraft beaufschlagt werden und der Verbindungskanal zwischen denselben entsprechend ausgelegt ist.

Die vorliegende Erfindung stellt somit eine wesentliche Verbesserung der Dosiertechnologie im Nanoliterbereich dar, die eine hochparallele und damit deutlich schnellere Zudo­ sierung von Reagenzien in Mikrotiterplatten ermöglicht. Da­ bei erlaubt die vorliegende Erfindung ein hohes Maß an Par­ allelisierung und Integrationsdichte, wobei beispielsweise 96, 384, 1536 oder mehr Dosierungen gleichzeitig bei einem Rastermaß von 9,0 mm, 4,5 mm, 2,25 mm oder darunter durch­ geführt werden können. Darüber hinaus erlaubt die vorlie­ gende Erfindung auch eine Anpassung an Formate außerhalb des Standards für Mikrotiterplatten. Daneben ermöglicht die vorliegende Erfindung eine extrem hohe Genauigkeit der Do­ sierung, wobei der Fehler im Dosiervolumen bei typischen Dosiermengen von 50 nl bis 100 nl unter 5 nl liegt. Durch die berührungslose Abgabe im Freistrahl ist ferner eine Verschleppung von Medien ausgeschlossen. Wie bereits ange­ sprochen wurde, können bei einer entsprechenden Auslegung der Vorrichtung Reformatierungen parallel durchgeführt wer­ den, beispielsweise von einem 384-er von Format auf ein 1536-er Format.

Ferner erlaubt die vorliegende Erfindung eine Lagerung von Medien im Dosierkopf, so daß der Arbeitsschritt des Trans­ fers von der Aufbewahrungseinheit, bei der es sich derzeit typischerweise um eine 96-er Mikrotiterplatte handelt, zum Dosierautomaten, bei dem es sich derzeit um parallel ange­ ordnete Luftpolsterpipetten oder ähnliches handelt, einge­ spart werden kann. Schließlich ist bei der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren das do­ sierte Volumen weitgehend unabhängig von den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Flüssigkeiten. Die vorliegen­ de Erfindung ermöglicht ferner den Aufbau einer Mikrodo­ siervorrichtung, bei der der Dosierkopf ohne weiteres aus­ tauschbar ist, so daß die Antriebseinrichtung, die in der Regel aufwendiger ist als der Dosierkopf selbst, für eine Vielzahl von unterschiedlichen Dosierköpfen verwendet wer­ den kann. Hierbei ist insbesondere auch von Vorteil, daß die gesamte erste Oberfläche des Dosierkopfs mit der Kraft beaufschlagt wird, so daß hier auch bei unterschiedlicher Anordnung von Reservoiren und Düsen in unterschiedlichen Dosierköpfen keine Anpassung notwendig ist.

Die vorliegende Erfindung eignet sich somit insbesondere, um präzise Mengen von Flüssigkeiten in Mikrotiterplatten, die eine standardisierte Außenabmessung und eine große An­ zahl von nebeneinander angeordneten Reservoiren besitzen, abzugeben. Solche Mikrotiterplatten umfassen, wie oben aus­ geführt, eine Vielzahl von Reservoiren, beispielsweise 96, 384, 1536 oder mehr, wobei die Rasterabstände der Reservoi­ re zueinander entsprechend 9 mm, 4,5 mm, 2,25 mm, usw. betragen. Je nach Integrationsdichte beträgt das Volumen der Reservoire ca. 100 µl, 20 µl, 4 µl, usw.. In diesen Re­ servoiren werden chemische bzw. biochemische Reaktionen durchgeführt und die Reaktionsprodukte analysiert. Die Mög­ lichkeit zur präzisen Befüllung von Mikrotiterplatten mit vorgegebenen Flüssigkeitsmengen ist deshalb eine unabding­ bare Voraussetzung zur Durchführung quantitativer Analysen bei Verwendung kleinster Flüssigkeitsmengen, wobei die vor­ liegende Erfindung gerade diese Möglichkeit vorteilhaft bietet.

Neben der präzisen Befüllung der Mikrotiterplatte ist fer­ ner eine schnelle, vorzugsweise gleichzeitige Zudosierung von Reagenzien in alle Reservoire von Interesse, da im all­ gemeine eine hohe Zahl von Reaktionen in einer Mikrotiter­ platte gleichzeitig durchgeführt werden. Dabei ist es vor­ teilhaft, wenn der gesamte Ablauf der Befüllung und Analyse der Ergebnisse automatisiert werden kann, so daß pro Tag mehrere hundert Mikrotiterplatten bearbeitet werden können und einige tausend bis einhunderttausend Reaktionen durch­ geführt werden können. Zu diesem Zweck ist die vorliegende Erfindung aufgrund ihrer Eigenschaft der massiv parallelen und hochpräzisen Dosierung von kleinsten Flüssigkeitsmengen in besonderer Weise geeignet, vor allem auch zur Abgabe ei­ ner Vielzahl unterschiedlicher Flüssigkeiten in die ver­ schiedenen Reservoire einer Mikrotiterplatte.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht, teilweise im Quer­ schnitt, einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervor­ richtung;

Fig. 2 ein Netzwerkmodell der in Fig. 1 gezeigten Mikro­ dosiervorrichtung;

Fig. 3A ein verallgemeinertes Netzwerkmodell für das er­ findungsgemäße Dosiersystem und Fig. 3B ein Netz­ werkmodell für ein bekanntes Mikrodosiersystem;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungs­ beispiels einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervor­ richtung;

Fig. 5 eine Querschnittansicht eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikrodo­ siervorrichtung;

Fig. 6 und 7 Draufsichten von Dosierköpfen, die bei ei­ ner erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ver­ wendbar sind;

Fig. 8A bis 8D Querschnittansichten, die unterschiedliche Gestaltungen für Düsen bei der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung zeigen;

Fig. 9A bis 9D schematische Darstellungen, die unter­ schiedliche Gestaltungen des Verbindungskanals bei erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtungen zeigen;

Fig. 10A bis 10D schematische Draufsichten auf bei erfin­ dungsgemäßen Mikrodosiervorrichtungen verwendbare Dosierkopfsubstrate bzw. Abschnitte derselben; und

Fig. 11A und 11B schematische Querschnittansichten zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäß verwend­ baren Antriebseinrichtung.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Dosierkopfs 2 gezeigt, der Teil eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ist. In dem Dosierkopf 2 sind ein Medienreservoir 4 und eine Düse 6 gebildet, die mit einer zu dosierenden Flüssigkeit 8 befüllt sind. Das Medienreser­ voir 4 und die Düse 6 sind über einen Verbindungskanal 10 miteinander fluidmäßig verbunden. Die Mikrodosiervorrich­ tung umfaßt ferner eine Antriebseinrichtung, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Druckkammer 12, ein Gehäuse 13 für die Druckkammer 12 und eine Einrich­ tung 14 zum Beaufschlagen der Druckkammer mit einem Druck auf weist. Die Einrichtung 14 kann eine herkömmliche Pumpe oder ein Druckluftventil mit einer entsprechenden Zuleitung zu der Druckkammer 12 sein. Ferner ist bei dem dargestell­ ten Ausführungsbeispiel eine Entlüftungseinrichtung 16 zum Entlüften der Druckkammer 12 vorgesehen. Die Druckerzeu­ gungseinrichtung 14 und die Entlüftungseinrichtung 16 sind mit einer Steuereinrichtung 18 verbunden, die dieselben an­ steuert, um Tröpfchen aus der Düse 6 auszustoßen.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, weist die dort dargestellte Dü­ se 6 einen Düsenkanal 20 und eine Düsenöffnung 22 auf, wo­ bei der Düsenkanal 20 einen größeren Querschnitt als die Düsenöffnung 22 besitzt. Die der Düsenöffnung 22 gegenüber­ liegende Öffnung des Düsenkanals kann als Betätigungsöff­ nung bezeichnet werden. Die Düsenöffnung 22 ist derart dimensioniert, daß die Oberflächenspannung der Flüssigkeit an der Düsenöffnung 22 ein Auslaufen derselben im Ruhezustand verhindert. Der Düsenkanal 20 ist so ausgeführt, daß er aufgrund der Kapillarkraft vollständig mit Fluid gefüllt ist.

Wie gezeigt ist, ist das Medienreservoir 4 auf einer ersten Seite des Dosierkopfs 2 angeordnet, d. h. in einer ersten Oberfläche desselben gebildet, wogegen die Flüssigkeitsab­ gabe durch die Düsenöffnung 22 auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Dosierkopfs erfolgt. Die hierin als Düse bezeichnete Einheit ist durch den Düsenkanal 20 und die Dü­ senausstoßöffnung 22 gebildet und stellt eine fluidmäßige Verbindung zwischen der ersten Oberfläche 24 und der zwei­ ten gegenüberliegenden Oberfläche 26 des Dosierkopfs 2 dar. Der Verbindungskanal 10 verbindet das Medienreservoir 4 und die Düse 6 bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel an einem Einmündungsabschnitt 28 im unteren Bereich des Dü­ senkanals 20.

Fig. 2 zeigt ein Netzwerkmodell des in Fig. 1 gezeigten Do­ sierkopfs, wobei mit P_A die Druckdifferenz zwischen der Oberseite 24 und Unterseite 26 des Dosierkopfs 2 bezeichnet ist, die durch die mittels der Antriebseinrichtung 12, 13, 14 aufgebrachte Kraft erzeugt wird. In Fig. 2 stellt der Widerstand R₂ den Strömungswiderstand des Verbindungskanals 10 dar. Durch die Einmündung des Verbindungskanals 28 in den Düsenkanal 22 läßt sich er Düsenkanal (22) in drei Teilabschnitte unterteilen, denen jeweils ein Strömungswi­ derstand zugeordnet werden kann. Der Strömungswiderstand R₁₁ ist dem Abschnitt des Düsenkanals zwischen der ersten Seite 24 des Dosierkopfs 2 und dem Punkt der Einmündung des Verbindungskanals 10 zugeordnet. Der Strömungswiderstand R₁₂ des Düsenkanals ist dem Teilstück zwischen dem Punkt der Einmündung des Verbindungskanals 10 in den Düsenkanal 20 und der Düsenöffnung 22 zugeordnet. Schließlich ist der Strömungswiderstand R₁₃ der Düsenaustrittsöffnung 22 selbst zugeordnet. In Fig. 2 ist die fluidische Verschaltung der oben erläuterten Strömungswiderstände sowie die Verschal­ tung derselben mit dem Reservoir 4 sowie der erzeugte Druck P_A dargestellt. Es ergibt sich das dargestellte fluidische Netzwerkmodell, das sich ähnlich wie ein entsprechendes elektrisches Netzwerk verhält.

Erfindungsgemäß sind nun die Strömungswiderstände des Ver­ bindungskanals 10 und der Düse, d. h. des Düsenkanals 20 und der Düsenöffnung 22, derart ausgeführt, daß bei Beaufschla­ gung einer in dem Medienreservoir und der Düse befindlichen Flüssigkeit 8 mit einer solchen Kraft, daß ein im wesentli­ chen identischer Druck auf die im Medienreservoir und die in der Düse befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird, ein Vo­ lumenstrom in dem Verbindungskanal 10 klein im Vergleich zu einem Volumenstrom in der Düse 6 ist.

Diese Situation kann erreicht werden, wenn der Strömungswi­ derstand R₂ des Verbindungskanals 10 groß gegenüber dem Strömungswiderstand des Düsenkanals zwischen der ersten Seite 24 und der zweiten Seite 26 des Dosierkopfs 2, d. h. R₁₁ + R₁₂ + R₁₃ ist. Ferner kann bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine hinreichend gute Dosierqualität bereits erreicht werden, wenn die Bedingung R₂ << R₁₁ er­ füllt ist. Zur Veranschaulichung wird wiederum auf Fig. 2 verwiesen, die das entsprechende fluidische Netzwerk dar­ stellt. Die Bedingung R₂ << R₁₁ führt dazu, daß trotz einer Beaufschlagung der gesamten ersten Seite 24 des Dosierkopfs 2 mit einem pneumatischen Druck, beispielsweise durch die oben beschriebene Antriebseinrichtung 12, 14, die über den Verbindungskanal 10 anliegende Druckdifferenz vernachläs­ sigbar ist. Die Bewegung der Flüssigkeit im Verbindungska­ nal ist dadurch ebenfalls vernachlässigbar. Die Druckdiffe­ renz zwischen der ersten und der zweiten Seite des Dosier­ kopfs führt also lediglich dazu, daß die in der Düse 6 be­ findliche Flüssigkeitsmenge durch die Düsenöffnung 22 nach außen abgegeben wird.

Wie oben erwähnt wurde, kann eine exakte Dosierung erreicht werden, wenn der Strömungswiderstand R₂ des Verbindungska­ nals deutlich größer ausgelegt wird als der Gesamtwider­ stand des Düsenkanals. In solchen Fällen, bei denen der Verbindungskanal 10 beabstandet von der ersten Seite 24 in den Düsenkanal 20 mündet, so daß ein Widerstand R₁₁ defi­ niert werden kann, führt bereits die Erfüllung der Bedin­ gung R₂ << R₁₁ zu einem ausreichend guten Ergebnis. Hierbei ist hinsichtlich der Auslegung der Widerstände R₁₁ und R₂ zu beachten, daß je größer der Widerstandsunterschied ist, de­ sto größer die Bandbreite der unterschiedlichen Flüssigkei­ ten ist, die mit einer ausreichenden Genauigkeit unter Ver­ wendung einer entsprechenden Dosiervorrichtung dosiert wer­ den können.

Hinsichtlich der Auslegung der Widerstände R₁₁ und R₂ ist zu beachten, daß das dosierte Volumen von dem Verhältnis der beiden Widerstände abhängt. Wählt man R₂/R₁₁ ≈ 10, so ent­ spricht das dosierte Volumen dem in der Düse enthaltenen Flüssigkeitsvolumen mit einer systematischen Abweichung von maximal 10%. Diese Abweichung kommt dadurch zustande, daß aufgrund des Druckabfalls über den Strömungswiderstand R₁₁ an der Einmündungsstelle des Verbindungskanals in die Düse ein niedrigerer Druck herrscht als auf der Oberseite, d. h. der ersten Seite, des Dosierkopfs bzw. im Reservoir. Da­ durch entsteht eine Druckdifferenz über den Verbindungska­ nal, deren Größe von dem Verhältnis der Strömungswiderstän­ de R₂ und R₁₁ abhängt, wobei durch diese Druckdifferenz ein zusätzlicher Volumenstrom in dem Verbindungskanal in Rich­ tung Düsenöffnung induziert wird. Dieser Volumenstrom bzw. Fluß trägt ebenfalls zu dem dosierten Volumen bei. Die ex­ akte Höhe dieser systematischen Abweichung hängt von den Details der konkreten Ausgestaltung von Verbindungskanal und Düsenkanal ab. Die Abweichung kann durch geschickte, geometrische Ausführung der Kanäle insbesondere an deren Einmündungsstelle minimiert werden. Der Anteil dieses indu­ zierten Flusses am Gesamtfluß durch die Düse bzw. die Dü­ senöffnung kann aber unabhängig von diesen geometrischen Details mit dem Wert R₁₁/R₂ nach oben abgeschätzt werden. Aufgrund des zusätzlichen Flusses durch den Verbindungska­ nal wächst das Dosiervolumen also maximal auf das (1 + R₁₁/R₂)-fache des Volumen des Düsenkanals an.

Da der oben beschriebene Vorgang jedoch reproduzierbar ist und das Verhältnis der Strömungswiderstände nicht von den Medieneigenschaften des Fluids abhängt, wird die Genauig­ keit und Funktionstüchtigkeit der Dosiervorrichtung hier­ durch nicht beeinträchtigt. Das exakte Verhältnis der Strö­ mungswiderstände ist also nicht wesentlich, solange R₁₁ < R₂ gilt. Zusammenfassend ist festzustellen, daß das Verhältnis der Strömungswiderstände einen systematischen Fehler verur­ sacht, der sich bei der Herstellung der Dosiervorrichtungen kompensieren läßt. Er verursacht dagegen keinen statisti­ schen Fehler, der die Reproduzierbarkeit der Dosiervorrich­ tung beeinflussen würde. Hinsichtlich einer einfachen und genauen Auslegung der Dosiervorrichtung kann es in der Pra­ xis wünschenswert sein, das Dosiervolumen möglichst genau durch das in der Düse enthaltene Volumen festzulegen. In diesem Fall ist es günstig, R₁₁/R₂ möglichst klein bzw. R₂/R₁₁ möglichst groß zu wählen, beispielsweise R₂/R₁₁ < 100. Dies führt zu einer hervorragenden fluidischen Entkopplung von Düse und Reservoir während eines Dosiervorgangs und das dosierte Volumen entspricht mit einer maximalen Abweichung von 1% dem Düsenvolumen.

In Fig. 3A ist ein verallgemeinertes Netzwerkmodell, das eine erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung zeigt, darge­ stellt, wobei in Fig. 3A der Widerstand R_K den fluidischen Widerstand des Verbindungskanals zwischen Düse und Reser­ voir darstellt, während der Strömungswiderstand R_D den Strömungswiderstand der gesamten Düse bestehend aus dem Wi­ derstand des Düsenkanals und dem Widerstand der Düsenöff­ nung darstellt. P_A bezeichnet wiederum den durch die jewei­ lige Antriebseinheit erzeugten statischen bzw. dynamischen Druck. Um zu erreichen, daß bei dem Netzwerkmodell in Fig. 3A ein Volumenstrom der Flüssigkeit im Verbindungskanal gegenüber dem Volumenstrom der Flüssigkeit im Düsenkanal ver­ nachlässigbar ist, ist der Widerstand R_K groß im Vergleich zu dem Strömungswiderstand R_D zu wählen. Das im Einzelfall zu wählende Verhältnis der Strömungswiderstände hängt von der Flüssigkeit, die dosiert werden soll, ab, wobei wieder­ um festzustellen ist, daß die Bandbreite der Flüssigkeiten, die mit der gleichen Dosiervorrichtung dosiert werden kön­ nen, um so größer ist, je größer der Widerstandsunterschied ist.

In jedem Fall ist durch die Beaufschlagung von Reservoir und Düse mit einer solchen Kraft, daß ein im wesentlichen identischer Druck auf die Flüssigkeit in Reservoir und Düse ausgeübt wird, erfindungsgemäß sichergestellt, daß kein Rückfluß durch den Verbindungskanal stattfindet. Ein sol­ cher Rückfluß ist bei bekannten Dosiersystemen, wie sie beispielsweise in den oben genannten Veröffentlichungen DE- A-197 06 513, DE-A-198 02 368 oder WO 00/62932 beschrieben sind, der Fall. Zu Vergleichszwecken ist ein Netzwerkmo­ dell, wie es für die in den oben genannten Schriften ge­ zeigten Dosiervorrichtungen gilt, in Fig. 3B dargestellt. Es ist zu erkennen, daß dort bei einer Druckbeaufschlagung PA ein Rückfluß in das Reservoir in jedem Fall stattfindet, wobei das Verhältnis von dosierter Flüssigkeit zu in das Reservoir zurückfließender Flüssigkeit von dem Verhältnis der Strömungswiderstände R_D und R_K abhängt.

Wiederum bezugnehmend auf Fig. 1 wird nun ein Dosiervorgang der dort gezeigten Mikrodosiervorrichtung näher beschrie­ ben. Der Dosierkopf 2, der in der Regel eine Mehrzahl von Reservoiren und Düsen auf weist, wobei in Fig. 1 wegen der abschnittsweisen Darstellung lediglich ein Reservoir 4 und eine Düse 6 dargestellt sind, wird zunächst mit der bzw. den zu dosierenden Flüssigkeiten befüllt. Dies geschieht, indem beispielsweise unter Verwendung handelsüblicher Pi­ pettierautomaten die Flüssigkeiten in das oder die Reser­ voire 4 eingefüllt werden. Die Befüllung der restlichen Leitungen im Dosierkopf, d. h. des Verbindungskanals 10, des Düsenkanals 20 und der Düsenöffnung 22, erfolgt über Kapil­ larkräfte aus den betreffenden Medienreservoiren. Wie oben erwähnt wurde, ist die Düse und Düsenöffnung 22 derart di­ mensioniert, daß ein Austreten der Flüssigkeit aus der Düse sowohl auf der Seite 24 als auch auf der Seite 26 durch die Oberflächenspannung derselben im Ruhezustand verhindert ist.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß bei dem in Fig. 1 ge­ zeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Düse 6 eine größe­ re zylindrische Öffnung als Düsenkanal 20 oberhalb einer kleinen zylinderförmigen Öffnung als Düsenöffnung 22 auf­ weist, das Volumen der Düse 6 im wesentlichen durch die größere Bohrung bestimmt ist, wogegen der Strömungswider­ stand der Düse im wesentlichen durch die kleinere Bohrung definiert ist. Diese Unterteilung der Düse in zwei Bereiche unterschiedlichen Durchmessers ist für das Funktionieren der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung nicht zwingend not­ wendig, erleichtert aber die Auslegung des Dosierkopfs, in­ dem eine Einstellung der gewünschten Dosiermenge möglich wird, unabhängig von dem Rückhaltevermögen der Düsenöffnung 22 gegenüber einem hydrostatischen Druck in der Flüssig­ keit, der bei der Handhabung und beim Transport auftreten kann.

Nach der vollständigen Befüllung der Düse, was bei bevor­ zugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durch Kapillarkräfte erfolgt, wird der Dosierkopf 2 mit ei­ ner Antriebseinheit verbunden, wie in Fig. 1 schematisch durch die mit dem Bezugszeichen 12 und 14 bezeichneten Ele­ mente dargestellt ist. Unter Verwendung der Druckerzeu­ gungseinrichtung 14, beispielsweise durch Öffnen entspre­ chender Pneumatikventile, wird dann in der Druckkammer 12 ein Überdruck erzeugt, der gleichmäßig auf die gesamte er­ ste Seite des Dosierkopfs wirkt, d. h. das Medienreservoir 4 und die Düse 6 werden von der ersten Seite her mit einem im wesentlichen gleichen Druck beaufschlagt. Durch diesen in der Druckkammer 12 herrschenden Überdruck wird auf die Flüssigkeit 8 im Dosierkopf 2 eine Kraft ausgeübt. Sobald die auf die Flüssigkeit in der Düsenöffnung 22 wirkende Kraft groß genug ist, um die Oberflächenkräfte der Flüssig­ keit an der Düsenöffnung zu überwinden, beginnt die Flüs­ sigkeit durch die Düsenöffnung 22 auszuströmen. Ein Nach­ strömen von Flüssigkeit aus dem Reservoir 4 wird hierbei weitestgehend verhindert, sofern die Druckdifferenz zwi­ schen den beiden Enden des Verbindungskanals 10 vernachläs­ sigbar bzw. reproduzierbar ist, was der Fall ist, wenn der Strömungswiderstand des Verbindungskanals 10 und des Düsen­ kanals entsprechend den obigen Erläuterungen ausgelegt sind. In jedem Fall ist, wie oben dargelegt wurde, die Men­ ge einer aus dem Reservoir nachströmenden Flüssigkeit re­ produzierbar, auch wenn das Verhältnis der Strömungswider­ stände von Verbindungskanal und Düse nicht ausreichend groß ist, um ein solches Nachströmen im wesentlichen zu verhin­ dern.

Ist der Strömungswiderstand des Verbindungskanals ausrei­ chend hoch, im Vergleich zum Strömungswiderstand der Düse bzw. im Vergleich zum Widerstand R₁₁, so bleibt die Flüs­ sigkeit im Verbindungskanal im wesentlichen in Ruhe, wäh­ rend Flüssigkeit aus dem Düsenkanal 20 durch die Düsenöff­ nung 22 ausgestoßen wird.

Bei einem solchen Dosiervorgang kann die gesamte in der Dü­ se befindliche Flüssigkeitsmenge durch die Düsenöffnung 22 abgegeben werden, ohne daß sich die in dem Verbindungskanal befindliche Flüssigkeit bewegt. Somit ist die dosierte Flüssigkeitsmenge durch die Geometrie der Düse exakt be­ stimmt. Die Dosierung der Flüssigkeit stoppt dabei von selbst, wenn die Düse vollständig entleert ist.

Durch das Betätigen der Antriebsvorrichtung kann, wie be­ schrieben, ein Fluidvolumen, das dem Gesamtvolumen der Düse 6 entspricht, aus der Düsenöffnung 6 ausdosiert werden. Je­ doch ist es auch möglich, lediglich einen Teil der in der Düse befindlichen und durch die Geometrie der Düse definierten Flüssigkeitsmenge durch die Düsenöffnung auszusto­ ßen, während die in dem Verbindungskanal befindliche Flüs­ sigkeit nicht oder nur unwesentlich bewegt wird.

Nachdem die Düse vollständig oder teilweise entleert ist, kann der Ausgangszustand nach Abschalten der Antriebsein­ richtung alternativ durch zwei Möglichkeiten wieder herge­ stellt werden. Zum einen kann eine Entlüftung der Druckkam­ mer erfolgen, beispielsweise durch das in Fig. 1 darge­ stellte Ventil 16. Andernfalls kann die Druckerzeugungsein­ richtung unter Verwendung sogenannter 3/2-Wege- Pneumatikventile ausgelegt sein, um ein aktives Belüften der Druckkammer durch Umschalten der Ventile zu ermögli­ chen.

Ist eine Entlüftungseinrichtung nicht vorgesehen, bzw. ver­ wendet die Antriebseinheit reine Schaltventile, d. h. 2/2- Wege-Pneumatikventile, kann sich nach Abschalten der Druck­ versorgung der Überdruck durch eine Gasströmung durch die Düsen abbauen.

Ist der Überdruck in der Druckkammer 12 hinreichend abge­ baut, so befüllen sich der Verbindungskanal 10 und die Düse 6, d. h. der Düsenkanal 20 und die Düsenöffnung 22 dersel­ ben, aufgrund der Kapillarkräfte wieder aus dem mit demsel­ ben verbunden Medienreservoir, woraufhin ein erneuter Do­ siervorgang durchgeführt werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ist es, um einen sauberen Abriß der austretenden Flüssigkeitssäule an der Düsenöffnung zu erreichen, vorteilhaft, eine genügend hohe Druckamplitude in der Druckkammer zu erzeugen, deren zeitliche Änderung darüber hinaus vorteilhaft innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgen soll, so daß eine hohe Dynamik der Druckänderung erreicht wird. Ferner ist es bei der Auslegung des Dosierkopfs und der Antriebseinheit günstig, wenn der Flüssigkeitsausstoß innerhalb kurzer Zeit, bei­ spielsweise 10 Millisekunden, abgeschlossen ist, während die Fluidleitungen für die Wiederbefüllungen durch Kapil­ larkräfte so ausgelegt werden, daß dieser Prozeß sehr viel langsamer abläuft, beispielsweise innerhalb von 100 Milli­ sekunden. Damit überlagern sich beide Effekte nur unwesent­ lich und die Präzision des Dosiervolumens wird durch die kapillare Wiederbefüllung nicht verfälscht.

Nachdem nunmehr eine Mikrodosiervorrichtung gemäß der vor­ liegenden Erfindung sowie die Funktionsweise derselben all­ gemein beschrieben wurden, wird im folgenden auf Ausfüh­ rungsbeispiele und besondere Ausgestaltungen derselben nä­ her eingegangen.

In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung gezeigt, die zum gleichzeitigen Aufbringen von Mikrotröpfchen an entspre­ chenden Orten 30 einer Mikrotiterplatte 32, die ein her­ kömmliches Raster von Reservoiren 30 besitzen kann, geeig­ net ist. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, weist der Dosierkopf 2 der Mikrodosiervorrichtung in der Oberseite 24 desselben eine Mehrzahl von Medienreservoiren 4 auf. An dieser Stelle sei angemerkt, daß in Fig. 4 lediglich die in der Oberseite 24 gebildeten Medienreservoire 4, nicht jedoch die jeweils zugeordneten, ebenfalls in der Oberseite 24 gebildeten En­ den der Düsen dargestellt sind. Schließlich umfaßt die in Fig. 4 gezeigte Mikrodosiervorrichtung einen Antriebsein­ richtung 40, die beispielsweise einen Aufbau auf weisen kann, wie er nachfolgend bezugnehmend auf Fig. 5 erläutert wird.

Mit dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kann gleichzeitig eine Mehrzahl von Mikrotröpfchen beispielswei­ se auf eine Mikrotiterplatte 32 aufgebracht werden, indem mittels der Antriebseinrichtung 40 gleichzeitig eine Mehr­ zahl von Fluidreservoiren 4 mit zugeordneten Düsen betätigt werden. Ferner ist, wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, der Do­ sierkopf 2 vorzugsweise einfach und automatisiert aus­ tauschbar, so daß zusammen mit der gleichen Antriebseinrichtung 40 unterschiedliche Dosierköpfe bzw. Dosierkopf­ substrate verwendet werden können, so lange die Außenabmes­ sungen derselben übereinstimmen oder die Antriebseinrich­ tung ausgelegt ist, um mit Dosierkopfsubstraten unter­ schiedlicher Außenabmessungen zusammenwirken zu können.

In Fig. 5 ist eine Querschnittansicht einer erfindungsgemä­ ßen Mikrodosiervorrichtung mit einer Mehrzahl von Medienre­ servoiren 4, Düsen 6 und Verbindungskanälen 10, die in ei­ nem Dosierkopfsubstrat 2 gebildet sind, gezeigt. Die An­ triebseinrichtung umfaßt wiederum eine Druckkammer 12 mit einem entsprechenden Gehäuse 13. Das Gehäuse kann in geeig­ neter Weise ausgestaltet sein, um eine Anbringung an dem Dosierkopfsubstrat 2 zu ermöglichen, bzw. um die Verwendung eines austauschbaren Dosierkopfs 2 zu ermöglichen. In der Druckkammer 12 ist ein Diffuser 40 vorgesehen, der zur Si­ cherstellung einer gleichmäßigen Verteilung des Drucks über sämtliche Reservoire 4 und Düsen 6 dient. Die hier gezeigte pneumatische Realisierung der Antriebseinheit umfaßt ferner schnell schaltende Ventile 42 und Druckluftzuleitungen 44.

In der Druckkammer 12 kann durch die schnell schaltenden Ventile 42 mit hoher Dynamik ein Überdruck erzeugt werden, durch welchen eine treibende Kraft auf die Flüssigkeiten in dem Dosierkopf übertragen wird, d. h. gleichzeitig auf die in den Medienreservoiren 4 und den Düsen 6 befindlichen Flüssigkeiten.

In Fig. 6 ist eine Draufsicht eines Ausschnitts eines Do­ sierkopfs, der für eine parallele Abgabe von Reagenzien in eine 1536-er Mikrotiterplatte verwendet werden kann, ge­ zeigt, wobei 24 Medienreservoire 4, Verbindungskanäle 10 und zugehörige Düsen 6 dargestellt sind. Um eine Dosierung in eine 1536-er Mikrotiterplatte zu ermöglichen, sind bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Dosier­ kopfsubstrats sowohl die Reservoire 4 als auch die Düsen 6 mit einem Rastermaß von a = 2,25 mm, d. h. in einem Raster von 2,25 × 2,25 mm, angeordnet. Ferner weisen die Verbindungskanäle 10a eine Form auf, wie sie nachfolgend bezug­ nehmend auf Fig. 9A erläutert wird.

Es ist klar, daß erfindungsgemäß ein Mikrodosierkopf eine nahezu beliebige Anzahl von Medienreservoiren und Düsen auf weisen kann, wobei in Fig. 7 ein beispielhafter Dosier­ kopf mit 96 Medienreservoiren und zugeordneten Düsen mit beispielhaften Bemaßungen dargestellt ist.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß erfindungsgemäß nicht jeweils einer Düse ein Medienreservoir zugeordnet sein muß, sondern hier im wesentlichen Wahlfreiheit dahingehend be­ steht, daß ein oder mehrere Medienreservoire vorgesehen sein können, die mit einer oder mehreren Düsen verbunden sein können, wobei ein jeweiliges Medienreservoir über meh­ rere Verbindungsleitungen mit einer Düse verbunden sein kann, ein Medienreservoir über mehrere Verbindungsleitungen mit mehreren Düsen verbunden sein kann, und eine Düse über mehrere Verbindungsleitungen mit mehreren Medienreservoiren verbunden sein können, wie später bezugnehmend auf die Fig. 10A bis 10D näher erläutert wird. Ferner können bei der er­ findungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung sowohl die Reservoi­ re als auch die Düsen in einem unterschiedlichen Raster an­ geordnet sein, so daß durch den Dosiervorgang eine Format­ wandlung zwischen dem Format der Reservoire und dem des aufnehmenden Behältnisses erfolgt. Dadurch kann eine her­ kömmliche Pipettiereinrichtung zum Befüllen einer Mikroti­ terplatte verwendet werden, selbst wenn die Pipettierein­ richtung ein anderes Rastermaß als die zu befüllende Mikro­ titerplatte aufweist.

Bezugnehmend auf die Fig. 8A bis 8D werden nun beispielhaf­ te Ausgestaltungen von in dem Dosierkopf einer erfindungs­ gemäßen Mikrodosiervorrichtung gebildeten Düsen erläutert. Die einfachste Ausgestaltung einer Düse 6a ist in Fig. 8A gezeigt, wobei die gesamte Düse aus einem einzigen Kanal mit konstantem Durchmesser besteht. Bei dieser Düse 6a kön­ nen, je nach dem, auf welcher Höhe der Verbindungskanal 10 in die Düse 6a mündet und wie er dimensioniert ist, die Wi­ derstände R₁₁ und R₁₂, die oben bezugnehmend auf Fig. 2 er­ läutert wurden, in gewissen Grenzen beeinflußt werden.

Die in Fig. 8B gezeigte Düse 6 entspricht der oben bezug­ nehmend auf Fig. 1 erläuterten Düse, wobei durch die Unter­ teilung der Düse 6 in zwei Abschnitte unterschiedlichen Durchmessers oberhalb bzw. unterhalb des Einmündungspunktes des Verbindungskanals 10 aufgrund der Verwendung zweier Durchmesser und zweier Längen eine Variabilität erreicht wird, die eine separate Dimensionierung von Volumen, Strö­ mungswiderstand und Haltevermögen der Düse erleichtert.

In Fig. 8C ist eine Düse 6b gezeigt, die in drei Abschnitte unterteilt ist. Eine solche Unterteilung kann unter Umstän­ den von Vorteil sein, wenn nicht nur das Dosiervolumen, sondern auch die Form und/oder Dynamik des ausgestoßenen Strahls von Bedeutung sind.

Schließlich zeigt Fig. 8D eine konisch ausgebildete Düse 6c.

Hinsichtlich der Ausgestaltung der Düse bleibt abschließend festzustellen, daß es möglich ist, sowohl die Düsenausstoß­ öffnung als auch die derselben gegenüberliegende Öffnung und den Düsenkanal, der die Öffnungen verbindet, nicht kreisrund, sondern in beliebiger Form zu gestalten. Daneben kann der Durchmesser des Düsenkanals in anderer Weise als in den Fig. 8B bis 8D gezeigt tiefenabhängig variieren.

Verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten für den Verbindungs­ kanal, der Innenreservoire und Düsen verbindet, sind in den Fig. 9A bis 9D gezeigt. Je nach Anwendung kann der Verbin­ dungskanal dabei sowohl hinsichtlich seines Verlaufs als auch hinsichtlich seines Durchmessers angepaßt werden. In Fig. 9A ist ein Kanal 10a gezeigt, der zur Oberseite des Dosierkopfs hin offen ist. Ein solcher Kanal ist bei den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen eines Dosierkopfs verwendet. Diese Möglichkeit der Kanalgestaltung er­ möglicht ebenfalls den Betrieb der Mikrodosiervorrichtung nach dem geschilderten Prinzip und besitzt Vorteile hin­ sichtlich einer einfachen Fertigung sowie den Vorteil, daß Gaseinschlüsse in dem Verbindungskanal sehr einfach entwei­ chen können.

Bei dem gezeigten Beispiel ist ein kreisrundes Reservoir 4 durch einen rechteckigen Verbindungskanal 10a mit der Düse 6 verbunden, wobei das Reservoir und der Verbindungskanal dieselbe Tiefe aufweisen, um eine Entleerung des Reservoirs bis auf den Grund zu gewährleisten.

Fig. 9B zeigt eine Schnittansicht eines Dosierkopfsubstrats in der Ebene des Substrats. In dem gezeigten Abschnitt ist ein Medienreservoir 4 und eine Düse 6 zu erkennen, die über einen geschwungenen Kanal 10B miteinander verbunden sind. Neben dem in Fig. 9B gezeigten, nicht-geradlinigen Verlauf des Kanals 10B sind andere, beliebige Verläufe möglich, wo­ bei insbesondere meanderförmige Verläufe verwendet werden können, um eine Erhöhung des Strömungswiderstands zwischen Medienreservoir und Düse zu realisieren.

Der Verbindungskanal zwischen Medienreservoir und Düse kann ferner beliebige Querschnitte auf weisen und muß nicht not­ wendigerweise rechteckig sein. Schließlich kann sich der Querschnitt im Verlauf des Kanals erweitern oder verengen, wobei auch beispielsweise zwei oder mehr Verbindungskanäle zwischen demselben Reservoir und derselben Düse angeordnet sein können.

Eine derartige Ausgestaltung ist in Fig. 9C gezeigt, bei der der Kanal durch drei Teilkanäle 10c gebildet ist. Dar­ über hinaus muß der Kanal nicht parallel zur Oberfläche des Dosierkopfs verlaufen, sondern kann innerhalb des Dosier­ kopfs einen beliebigen Verlauf aufweisen, wobei ein schräg verlaufender Kanal 10d in Fig. 9D gezeigt ist. Hinsichtlich des Kanals ist lediglich zu beachten, daß derselbe keine direkte Verbindung zur Unterseite des Dosierkopfs her­ stellt, sondern lediglich über die Düse. Darüber hinaus muß der Strömungswiderstand des Verbindungskanals größer sein als der Strömungswiderstand der Düse.

In den Fig. 10A bis 10D sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Anordnung der fluidischen Komponenten Medienreservoir, Verbindungskanal und Düse in dem Dosierkopf der erfindungs­ gemäßen Mikrodosiervorrichtung dargestellt. Zunächst ist festzustellen, daß nicht alle in einem Dosierkopf ange­ brachten Elemente, beispielsweise Medienreservoire, die gleiche Dimension auf weisen müssen. Selbiges gilt für die Verbindungskanäle und Düsen. Insbesondere können Düsen, die unterschiedliche Volumina beinhalten, auf dem gleichen Do­ sierkopf untergebracht sein. Des weiteren bestehen Gestal­ tungsmöglichkeiten dahingehend, daß die Anzahl der Düsen und Reservoire nicht gleich sein muß, sondern daß jeweils mehrere Düsen mit einem oder mehreren Reservoiren verbunden sein können oder daß mehrere Reservoire mit einer oder meh­ reren Düsen verbunden sein können.

Fig. 10A zeigt schematisch einen Dosierkopfabschnitt, bei dem ein Medienreservoir 4 über vier Verbindungskanäle 10 mit vier Düsen 6 verbunden ist. Gemäß Fig. 10B sind zwei Medienreservoire 4 über jeweils einen Verbindungskanal 10 mit einer Düse 6 verbunden. Bei diesem Beispiel ist ein Mi­ schen von aus den beiden Reservoiren stammenden Flüssigkei­ ten 4 vor einem jeweiligen Dosiervorgang innerhalb der Düse 6 möglich. Daneben ist in einem Extremfall auch eine Anord­ nung möglich, bei der alle Düsen 6 aus einem einzigen Re­ servoir 4a befüllt werden, wie in Fig. 10C gezeigt ist.

Unabhängig davon, ob die Anzahl der Düsen und Reservoire übereinstimmt, kann in jedem Fall durch den Dosierkopf eine Formatwandlung erfolgen. Dies bedeutet, daß der Abstand der Düsen zueinander und der Abstand der Reservoire zueinander unterschiedlich sein kann. Ein Beispiel einer solchen An­ ordnung mit breiten Abständen zwischen Reservoiren 4 und engen Abständen zwischen Düsen 6 ist in Fig. 10D gezeigt, wobei bei diesem Beispiel jede Düse 6 über einen Verbin­ dungskanal 10 mit einem zugeordneten Medienreservoir 4 ver­ bunden ist.

In den Fig. 11A und 11B ist eine alternative Ausführungs­ form einer Antriebseinrichtung, die erfindungsgemäß verwen­ det werden kann, dargestellt.

Wie den in den Fig. 11A und 11B gezeigten schematischen Teilquerschnittansichten zu entnehmen ist, weist der Do­ sierkopf den oben bezugnehmend auf Fig. 9A beschriebenen Aufbau hinsichtlich Medienreservoir 4, Kanal 10a und Düse 6 auf. Im Unterschied zu den bezugnehmend auf die Fig. 1 und 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen wird nun jedoch die zur Dosierung notwendige Kraft mittels einer Systemflüssig­ keit 46 auf die in dem Medienreservoir 4 und der Düse 6 be­ findliche zu dosierende Flüssigkeit ausgeübt. Dabei darf die Systemflüssigkeit 46 mit der zu dosierenden Flüssigkeit nicht mischbar sein und muß an der Oberfläche des Dosier­ kopfs eine negative Oberflächenenergie besitzen, d. h. sie darf nicht durch Kapillarkräfte in die Düse gezogen werden. Wie in den Fig. 11A und 11B gezeigt ist, ist ein Kolben 48 vorgesehen, um in Richtung des Pfeils 50 eine Kraft auf die Systemflüssigkeit 46 auszuüben. Alternativ kann ein belie­ biger anderen Verdränger vorgesehen sein, durch den eine solche Kraft auf Medienreservoir und Düse ausübbar ist, daß in denselben ein im wesentlichen identischer Druckzustand erzeugt wird. Über die Systemflüssigkeit 46 wird die Kraft auf die zu dosierende Flüssigkeit ausgeübt, woraufhin der Dosiervorgang stattfindet. In Fig. 11B ist die Mikrodosier­ vorrichtung nach dem Ausstoß der gewünschten Flüssigkeits­ menge dargestellt, wobei diese Flüssigkeitsmenge durch das verdrängte Volumen bestimmt ist. Wie in Fig. 11B zu sehen ist, dringt die Systemflüssigkeit 46 nicht in die Düsenöff­ nung 22 ein und wird auch nicht durch Kapillarkräfte in dieselbe gezogen. Im Anschluß an das Ausstoßen der ge­ wünschten Flüssigkeitsmenge wird der Verdränger bzw. Kolben 48 in die Ausgangsposition zurückgebracht, wobei die hydro­ phobe Systemflüssigkeit 46 durch Kapillarkräfte wieder aus der Düse verdrängt wird. Dadurch wird der ursprüngliche Zu­ stand, wie er in Fig. 11A gezeigt ist, wiederhergestellt.

Wie aus den obigen Erläuterungen klar wird, ist erfindungs­ gemäß das dosierte Volumen vom Volumen der Düse, entweder nur dem Düsenkanal oder dem Düsenkanal und der Düsenöff­ nung, bestimmt und ist im wesentlichen unabhängig von den Fluideigenschaften. Dabei ermöglicht die vorliegende Erfin­ dung die exakte Abgabe von zum Beispiel ca. 50 nl in einem einzigen Dosiervorgang bei geeigneter Auslegung der Kanäle und Öffnungen.

Obwohl oben bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegen­ den Erfindung näher erläutert wurden, ist es klar, daß wei­ tere Modifikationen und Änderungen derselben möglich sind. Beispielsweise können alternative Antriebseinrichtungen verwendet werden, um eine treibende Kraft auf die Flüssig­ keit aufzuprägen. Neben dem beschriebenen Aufbringen eines homogenen, pneumatischen oder hydraulischen Drucks im Be­ reich der ersten Seite des Druckkopfs kann auch ein Unter­ druck an der zweiten Seite des Dosierkopfs angelegt werden, um die Flüssigkeit aus der Düsenöffnung zu saugen. Wiederum alternativ kann eine Volumenverdrängung von Flüssigkeit auf der ersten Oberfläche des Druckkopfs erfolgen, wobei ein Beispiel einer solchen Volumenverdrängung durch das bezug­ nehmend auf die Fig. 11A und 11B beschriebene Ausführungs­ beispiel unter Verwendung der Systemflüssigkeit 46 ist. Ferner können elektrostatische oder elektromagnetische Kräfte, die direkt auf die Flüssigkeit wirken, oder auch beliebige andere Kräfte, die direkt oder indirekt auf die Flüssigkeit wirken, verwendet werden. Die zum Betrieb der Mikrodosiervorrichtung benötigte Kraft kann auf elektroma­ gnetischen Wege aufgebracht werden, falls die zu dosierende Flüssigkeit eine elektrische Ladung oder ein ausreichendes Dipolmoment besitzt. In einem solchen Fall kann durch Anle­ gen geeigneter elektromagnetischer Felder zwischen Dosierkopf und Aufnahmegefäß, d. h. in der Regel der Mikrotiter­ platte, eine Kraft auf das Fluid in Richtung der Mikroti­ terplatte ausgeübt werden. Der Dosiervorgang beginnt dann, sobald die elektromagnetische Kraft die Oberflächenkräfte an der Düsenöffnung überwindet.

Es bedarf keiner gesonderten Erwähnung, daß die mehreren Reservoire des erfindungsgemäß verwendeten Dosierkopfs mit identischen oder unterschiedlichen Flüssigkeiten befüllt werden können, so daß die gleichzeitige Abgabe gleicher oder unterschiedlicher Flüssigkeiten möglich ist. Ferner ist klar, daß die erfindungsgemäß verwendeten Dosierköpfe mit Hilfe beliebiger herkömmlicher Verfahren hergestellt werden können. Beispielsweise kann der Dosierkopf mikrome­ chanisch aus Silizium gefertigt werden. Alternativ kommen andere bekannte Verfahren, wie Mikrospritzguß, Heißprägen oder solche Verfahren, bei denen einzelne Schichten geklebt oder laminiert werden, in Frage.

Die erfindungsgemäß Dosiervorrichtung kann entweder als Do­ siervorrichtung für die Abgabe einer durch das geometrische Volumen des Düsenkanals vordefinierten Flüssigkeitsmenge betrieben werden, oder aber als Vorrichtung mit einem klei­ neren, aber variablen Volumen. Im ersten Fall wird die treibende Kraft, welche auf die Flüssigkeit wirkt, so lange aufrecht erhalten, bis die gesamte in der Düse enthaltene Flüssigkeitsmenge durch die Düsenöffnung ausgestoßen ist. Die Dosierung stoppt in diesem Fall von selbst, da aufgrund des verschwindenden Druckgradienten über den Verbindungska­ nal keine Flüssigkeit nachgeliefert wird. Im zweiten Fall wird die durch die Antriebsvorrichtung aufgeprägte, trei­ bende Kraft abgeschaltet, bevor die Flüssigkeit aus der Dü­ se komplett ausgestoßen ist.

Die dosierte Fluidmenge kann also entweder durch die Bau­ form, nämlich durch das in der Düse befindliche Volumen, oder durch die Dauer und den Verlauf der durch die An­ triebseinheit aufgebrachten treibenden Kraft gesteuert werden. Im ersten Fall ist die dosierte Flüssigkeitsmenge im wesentlichen unabhängig von den physikalischen Eigenschaf­ ten der Flüssigkeit, wie z. B. Viskosität und Oberflächen­ spannung. Im zweiten Fall wird das dosierte Volumen von diesen Parametern beeinflußt. Es empfiehlt sich deshalb, im zuletzt genannten Fall eine Kalibrierung durchzuführen, um eine genaue Dosierung zu erreichen, da die Dosierung von verschiedenen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskosi­ täten unterschiedlich lange dauert. Diese unterschiedliche Dauer muß berücksichtigt werden, wenn nicht das gesamte Dü­ senvolumen ausdosiert wird, während sie von untergeordneter Bedeutung ist, wenn das gesamte Düsenvolumen ausdosiert wird, so daß der Dosiervorgang von alleine stoppt, sobald die gesamte Flüssigkeit entsprechenden dem vordefinierten Volumen ausgestoßen wurde.

Claims (17)

1. Mikrodosiervorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einem Medienreservoir (4) zum Enthalten einer zu do­ sierenden Flüssigkeit (8), das eine Medienreservoir­ öffnung aufweist;
einer Düse (6) mit einem Düsenkanal (20), der eine Ausstoßöffnung (22) und eine Betätigungsöffnung auf­ weist, wobei die Düse (6) über einen Verbindungskanal (10) mit dem Medienreservoir (4) verbunden ist und ü­ ber den Verbindungskanal (10) mit der zu dosierenden Flüssigkeit (8) befüllbar ist; und
einer Antriebseinrichtung zum Beaufschlagen einer in dem Medienreservoir (4) und der Düse (6) befindlichen Flüssigkeit (8) mit einer solchen Kraft bei einer Be­ tätigung derselben, daß ein im wesentlichen identi­ scher Druck über die Medienreservoiröffnung und die Betätigungsöffnung auf die im Medienreservoir (4) und in der Düse (6) befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird,
wobei Strömungswiderstände des Verbindungskanals (10) und der Düse (6) derart ausgeführt sind, daß bei einer Betätigung der Antriebseinrichtung ein Volumenstrom in dem Verbindungskanal (10) klein im Vergleich zu einem Volumenstrom in der Düse (6), der einen Ausstoß der zu dosierenden Flüssigkeit (8) aus der Ausstoßöffnung (22) der Düse (6) bewirkt, ist.

2. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Strömungswiderstand des Verbindungskanals (10) größer ist als der Strömungswiderstand der Düse (6).

3. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Strömungswiderstand des Verbindungskanals (10) größer ist als der Strömungswiderstand des Düsenkanals (20) zwischen einem Punkt, an dem der Verbindungskanal (10) in den Düsenkanal (20) mündet, und einem Punkt, an dem die Flüssigkeit in dem Düsenkanal (20) mit der Kraft beaufschlagt wird.

4. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die einen Dosierkopf (2) aufweist, in dem das Me­ dienreservoir (4) und die Düse (6) gebildet sind, wo­ bei die Betätigungsöffnung und die Medienreservoiröff­ nung in der gleichen Oberfläche (24) des Dosierkopfs (2) gebildet sind.

5. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Antriebseinrichtung eine Druckerzeugungseinrichtung (12, 13, 14) zum gleichzeitigen Ausüben eines im we­ sentlichen gleichmäßigen Drucks auf die Medienreser­ voiröffnung und die Betätigungsöffnung aufweist.

6. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Antriebseinrichtung eine mit einem Puffermedium be­ füllbare Druckkammer (12) auf weist, wobei über das Puffermedium der Druck auf die Medienreservoiröffnung und die Betätigungsöffnung ausübbar ist.

7. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die eine Mehrzahl von Düsen und ein oder mehrere Medienreservoire auf weist, wobei die Antriebseinrich­ tung zum Betätigen der Mehrzahl von Düsen ausgelegt ist, wobei die Mehrzahl von Düsen mit einem oder meh­ reren Medienreservoiren über jeweils einen oder mehre­ re Verbindungskanäle fluidmäßig verbunden ist.

8. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die eine Mehrzahl von Medienreservoiren (4) und ei­ ne oder mehrere Düsen (6) auf weist, wobei jedes Medi­ enreservoir über jeweils einen oder mehrere Verbindungskanäle mit einer oder mehreren Düsenöffnungen fluidmäßig verbunden ist.

9. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Mehrzahl von Düsen (6) und/oder die Mehrzahl von Reservoiren (4) in einem Raster angeordnet sind, das dem Format einer Mikrotiterplatte (32) entspricht.

10. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 9, bei der eine Mehrzahl von Medienreservoiren (4) in einem ersten Ra­ ster angeordnet ist, und bei der eine Mehrzahl von Dü­ sen (6) in einem zweiten Raster angeordnet ist, so daß zwischen Medienreservoiren und Düsen eine Formatum­ wandlung stattfindet.

11. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Düse (6) und der Verbindungskanal (10) derart ausgelegt sind, daß ohne Betätigung der An­ triebseinrichtung eine Befüllung der Düse (6) aufgrund von Kapillarkräften aus dem Medienreservoir (4) über den Verbindungskanal (10) stattfindet.

12. Verfahren zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen, mit folgenden Schritten:
Befüllen zumindest einer Düse (6), die einen Düsenka­ nal mit einer Ausstoßöffnung (22) und eine Betäti­ gungsöffnung aufweist, über einen Verbindungskanal (10), der die Düse mit einem Medienreservoir (4), das eine Medienreservoiröffnung aufweist, fluidmäßig ver­ bindet, mit einer zu dosierenden Flüssigkeit (8) aus dem Medienreservoir (4);
Beaufschlagen der in dem Medienreservoir (4) und der Düse (6) befindlichen Flüssigkeit (8) mit einer sol­ chen Kraft, daß ein im wesentlichen identischer Druck über die Medienreservoiröffnung und die Betätigungs­ öffnung auf die im Medienreservoir (4) und in der Düse (6) befindliche Flüssigkeit (8) ausgeübt wird,
so daß aufgrund einer Ausführung von Strömungswider­ ständen des Verbindungskanals (10) und der Düse (6) der Volumenstrom in dem Verbindungskanal (10) klein im Vergleich zum Volumenstrom der Flüssigkeit in der Düse (6) ist, um dadurch eine Menge der zu dosierenden Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung (22) der Düse aus­ zustoßen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Befüllens einen Schritt des Befüllens der Düse (6) aufgrund von Kapillarkräften in dem Verbindungskanal (10) und der Düse (6) auf weist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Schritt des Beaufschlagens der in dem Medienreservoir (4) und der Düse (6) befindlichen Flüssigkeit mit ei­ ner Kraft den Schritt des gleichzeitigen Anlegens ei­ nes im wesentlichen gleichen Drucks an Öffnungen des Medienreservoirs und der Düse auf weist.

15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Schritt des Beaufschlagens der in dem Medienreservoir (4) und der Düse (6) befindlichen Flüssigkeit mit ei­ ner Kraft das Bewirken einer Volumenverdrängung an Öffnungen des Medienreservoirs und der Düse auf weist.

16. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Schritt des Beaufschlagens der in dem Medienreservoir (4) und der Düse (6) befindlichen Flüssigkeit mit ei­ ner Kraft das Anlegen eines elektrischen oder magneti­ schen Feldes aufweist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem der Schritt des Befüllens das Befüllen einer Mehrzahl von Düsen (6) mit unterschiedlichen Flüssigkeiten aus einer Mehrzahl von Medienreservoiren (4) auf weist, und bei dem der Schritt des Beaufschlagens einen Schritt des Beaufschlagens der Mehrzahl von Düsen (6) und der Mehrzahl von Medienreservoiren (4) gleichzeitig mit der Kraft auf weist, so daß gleichzeitig unterschiedliche Flüssigkeiten durch die Düsen (6) ausgestoßen wer­ den.