DE4202561A1 - Vorrichtung zum dosierten zufuehren einer analysefluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dosierten Zu­ führen einer Analyseflüssigkeit auf ein Target, wobei die Flüssigkeit in kleinen Quanten stoßweise aus einer Düse durch eine Düsenaustrittsöffnung auf das Target aus­ gestoßen wird.

In der klinischen Chemie ist es vielfach erforderlich, eine Analyseflüssigkeit exakt dosiert auf ein Target zu applizieren. Die Flüssigkeit kann beispielsweise eine Reagenzflüssigkeit, eine Kalibrationsflüssigkeit oder eine Probenflüssigkeit, insbesondere Blut oder Serum, sein.

Das Target, dem die Flüssigkeit zugeführt werden soll, kann ein Reaktionsgefäß, beispielsweise in einem Ana­ lyseautomaten sein. Weitere Beispiele sind die in der Mikrobiologie vielfach verwendeten Mikrotiterplatten und die heute vielfach gebräuchlichen Festphasen-Analyse­ elemente, die auch als "Testträger" und in der angelsäch­ sischen Literatur als "solid state analysis elements" be­ zeichnet werden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung be­ zeichnet der Begriff Analyseelemente neben diskreten Testträgern (wie beispielsweise Teststreifen und analysis slides) auch Bänder, Streifen oder andere Formen von kon­ tinuierlichen Analyseelementen, die an einer Dosiersta­ tion, an der die Analyseflüssigkeit appliziert wird, vorbeigeführt werden.

Traditionell werden zum Zuführen von Analyseflüssigkeiten verschiedene Formen von Kolben-Zylinder-Vorrichtungen, wie beispielsweise Pipetten, Dispensoren und Dilutoren verwendet. Auf Analyseelemente wurden die Reagenzien üb­ licherweise durch Imprägnieren der Reagenzien-Trägerma­ trix (beispielsweise Papier) appliziert oder es wurde in einem schichtbildenden Verfahren ein Reagenzfilm aus einer filmbildende Polymere enthaltenden Flüssigkeit er­ zeugt. Auch Drucktechniken wurden vorgeschlagen.

In der EP-A-1 19 573 und in der EP-A-2 68 237 (US-A- 48 77 745) sind Vorrichtungen der eingangs bezeichneten Art beschrieben. Ihre Technik basiert auf der ursprüng­ lich für Computerdrucker (Tintenstrahldrucker) entwickel­ ten Ink-Jet-Technologie. Beide Schriften enthalten nähere Erläuterungen zum vorbekannten Stand der Technik, auf die hier Bezug genommen wird.

Diese vorbekannten Vorrichtungen zur Mikrodosierung von Analyseflüssigkeiten haben jeweils eine Düsenkammer, deren Volumen kurzzeitig komprimiert wird, um ein Quantum Analyseflüssigkeit auszustoßen. Bei der EP-A-1 19 573 wird die Düsenkammer durch einen Abschnitt eines elastischen Schlauches gebildet, gegen dessen Seitenfläche eine elek­ tromagnetisch bewegte Zylinderstange gerichtet ist, die jeweils gegen den Schlauch bewegt wird, wenn ein Tropfen ausgestoßen werden soll. Bei der EP-A-2 68 237 besteht die Düsenkammer aus einem Rohrstück, welches von einem ko­ axialen, ebenfalls rohrförmig ausgebildeten piezoelektri­ schen Betätigungselement umschlossen ist.

Die "drop on demand"-Drucktechniken ermöglichen es, kleinste Volumina von Analyseflüssigkeiten berührungs­ frei, präzise und schnell auf ein Target zu applizieren. Das außerordentlich kleine Volumen der einzelnen Quanten, welches in der Regel bei etwa 0,2 nl liegt und maximal etwa 1 nl beträgt, ist jedoch für viele Anwendungszwecke nachteilig. Wenn größere Volumina benötigt werden, müssen hunderte oder tausende von Jet-Quanten nacheinander aus­ gestoßen werden. Trotz der hohen Frequenz ist der Zeitbe­ darf dabei erheblich. Bei leichtflüchtigen Reagenzflüs­ sigkeiten besteht das Risiko, daß ein erheblicher Teil der kleinen Tröpfchen verdampft. Außerdem wird das Aus­ stoßen der Quanten unterbrochen, wenn sich in der Düsen­ kammer in der Nähe der Düsenaustrittsöffnung ein winzig kleines Gasbläschen bildet. Bei Druckern läßt sich die Bildung solcher Gasblasen durch Verwendung spezieller Tinten vermeiden. Bei Analyseflüssigkeiten steht dieser Weg jedoch nicht offen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum dosierten Zuführen einer Analyseflüssigkeit auf ein Target zur Verfügung zu stellen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet und eine präzise Dosierung von Analy­ seflüssigkeits-Quanten ermöglicht, die deutlich größer sind, als bei den bisher für Analyseflüssigkeiten ge­ bräuchlichen "drop-on-demand"-Verfahren, andererseits aber kleiner als die bisher mit Dilutoren und Dispensio­ nen erreichbaren minimalen Dosierungen.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs be­ zeichneten Art dadurch gelöst, daß sie eine Druckkammer aufweist, in der die Analyseflüssigkeit unter Druck steht, eine Ventileinrichtung mit einer Ventilöffnung im Strömungsweg der Flüssigkeit von der Druckkammer zu der Düsenaustrittsöffnung und einem von einem Stellglied be­ wegten Schließelement zum Öffnen und Schließen der Ven­ tilöffnung vorgesehen ist und die Ventileinrichtung so ausgebildet ist, daß das Ausstoßen der Flüssigkeit durch die Bewegung des Schließelementes beim Schließen der Ven­ tilöffnung unterstützt wird.

"drop-on-demand"-Mikrodosierung, wird bei der vorliegen­ den Erfindung, wenn ein Flüssigkeitsquantum ausgestoßen werden soll, nicht jeweils eine Düsenkammer (welche sich unmittelbar hinter der Düsenaustrittsöffnung befindet) komprimiert. Vielmehr steht die Düsenaustrittsöffnung in hydraulischer Verbindung zur einer Druckkammer, in wel­ cher sich die Analyseflüssigkeit unter einem permanenten Druck (von beispielsweise 0,1 bis 5 bar) befindet. Das Ausstoßen eines Quantums Analyseflüssigkeit wird durch das Schließelement der Ventileinrichtung gesteuert, wel­ ches die hydraulische Verbindung zwischen der Druckkammer und der Düsenaustrittsöffnung kurzzeitig öffnet und wie­ der schließt.

Diese Technik ist für das Anbringen von Markierungen auf Verpackungen und andere relativ grobe Bedruckungszwecke bekannt. Insbesondere wird von der Firma Domino Printing Sciences unter dem Namen "Makrojet 2" ein Gerät angebo­ ten, welches Flüssigkeitsquanten von etwa 1,7 µl aus­ stößt. Das Schließelement der Ventileinrichtung wird da­ bei von einer Feder gegen die Düsenaustrittsöffnung ge­ drückt und zum Öffnen mit einem elektromagnetischen Zug­ anker (solinoid) über einen Zugdraht zurückgezogen. Ein­ zelheiten zu dieser Technik sind der DE-A-33 02 617, der EP-A-02 60 929 und (in einer anderen Ausführungsform) der EP-A-02 76 053 zu entnehmen.

Die bekannte Vorrichtung ist jedoch für die Mikrodosie­ rung von Analyseflüssigkeiten völlig ungeeignet, weil auf diesem Gebiet (im Gegensatz zum Drucken verhältnismäßig grober Markierungen) eine sehr hohe Präzision der Dosie­ rung erforderlich ist, die sich mit der bekannten Vor­ richtung nicht erreichen läßt. Der Variationskoeffizient (VK) der Tropfengröße des Makrojet 2 liegt über 10%, wäh­ rend für Analysezwecke ein VK von maximal etwa 1% ange­ strebt wird. Außerdem ist bei der bekannten Vorrichtung die Untergrenze des erreichbaren Volumens eines Quantums verhältnismäßig hoch.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß es für die bei der Dosierung von Analyseflüssigkeiten erforderliche hohe Präzision der Dosierung sehr vorteil­ haft ist, wenn die Ventileinrichtung gezielt so ausgebil­ det ist, daß das Ausstoßen der Flüssigkeit beim Schließ­ vorgang, also durch die Bewegung des Schließelementes in Richtung auf den geschlossenen Zustand (Geschlossenstel­ lung) der Ventileinrichtung, nicht gebremst, sondern unterstützt und gefördert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figu­ ren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigen.

Fig. 1 Eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt,

Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung mit einem piezoelektrischen Stellelement im Querschnitt,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Erfindung mit einem magnetischen Stellelement im Querschnitt,

Fig. 4 eine Detaildarstellung einer bevorzugten Ventileinrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Mikrodosie­ rung von Analyseflüssigkeiten weist eine Druckkammer 1 für die Analyseflüssigkeit und eine Düse 2 mit einer Düsenaustrittsöffnung 3 und einer Düsenvorkammer 4 auf, durch die die Analyseflüssigkeit in kleinen Quanten auf ein lediglich schematisch angedeutetes Target 5 ausge­ stoßen werden kann. Die Analyseflüssigkeit 7 steht in der Druckkammer 1 unter Druck. Sie wird mit Hilfe einer Druckerzeugungseinrichtung 9 aus einem Vorratsgefäß 6 über einen Anschlußstutzen 6a zugeführt. Als Druckerzeu­ gungseinrichtung 9 kann beispielsweise eine Pumpe dienen. Es kann aber auch der Druck einer externen Druckquelle (beispielsweise Preßluft) über eine Membran auf die Ana­ lyseflüssigkeit 7 in der Druckkammer 1 übertragen werden.

Die hydraulische Verbindung zwischen der Druckkammer 1 und der Düsenaustrittsöffnung 3 kann durch eine Ventil­ einrichtung 11 geöffnet oder geschlossen werden. Die Ven­ tileinrichtung 11 (welche in Fig. 1 in der Offenstellung des Ventils dargestellt ist und im folgenden auch einfach als Ventil bezeichnet wird) weist ein von einem Stell­ glied 12 betätigtes Schließelement 13 auf, dessen ring­ förmiger Dichtrand 15 im geschlossenen Zustand der Ventileinrichtung 11 nach Art einer Tellerdichtung gegen einen ebenfalls ringförmigen Dichtsitz 17 drückt. Die von dem Dichtrand 15 umschlossene Fläche wird als Schließ­ fläche 19 bezeichnet.

Dem Dichtsitz 17 in Richtung auf die Düsenaustrittsöff­ nung 3 vorgelagert ist die Düsenvorkammer 4, die mit Aus­ nahme der Ventilaustrittsöffnung und (bei geöffnetem Ven­ til) der Ventilöffnung 23 hydraulisch geschlossen ist.

Für die erfindungsgemäße Funktion sind die hydraulischen Verhältnisse im Bereich des Ventils 11 und der Düse 2 von besonderer Bedeutung. Im einzelnen werden bevorzugt fol­ gende Bedingungen eingehalten.

Die Schließfläche 19 ist größer als die Düsenaustritts­ öffnung 3. Hierdurch wird beim Schließen des Schließele­ mentes 13 eine "hydraulische Übersetzung" erreicht, d. h. die Flüssigkeit bewegt sich beim Schließen des Schließ­ elementes 13 erheblich schneller durch die Düsenaus­ trittsöffnung 3 als das Schließelement 13 sich in Rich­ tung auf die Düsenaustrittsöffnung 3 bewegt. Hierdurch wird das Ausstoßen der Flüssigkeit beim Schließen des Ventils 11 mit einer relativ langsamen Bewegung des Schließelementes 13 besonders gut unterstützt und geför­ dert.

Der hydraulischen Übersetzung kommt im Rahmen der Erfin­ dung eine besondere Bedeutung zu. Um das Ausstoßen der Flüssigkeit bei der Ink-Jet-Technologie (das sogenannte "Jetten") zu gewährleisten, sollte die Durchströmungsge­ schwindigkeit in der Düse mindestens 1 m/s betragen. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß auch beim Schließen des Ventils eine ähnlich hohe Geschwindigkeit erforderlich ist, um einen präzisen Flüssigkeitsabriß zu erreichen. Ohne die hydraulische Übersetzung ist es des­ halb erforderlich, daß sich das Schließelement mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 1 m/s von der Offenstellung in die Geschlossenstellung bewegt. Die mit dieser hohen Geschwindigkeit verbundenen Schwierigkeiten (Beschädigungen am Dichtsitz des Ventils, Beschädigungen am Stellglied, Zurückprallen des Schließelementes aus der Geschlossenstellung) werden durch die hydraulische Über­ setzung vermieden. Es lassen sich optimale strömungskine­ tische Bedingungen mit vertretbarem konstruktivem Aufwand erreichen.

Vorzugsweise verläuft die Wandung 4a der Düsenvorkammer 4 von dem Dichtsitz 17 zu der Düsenaustrittsöffnung 3 zu­ mindest abschnittsweise konisch. Um die hydraulische Übersetzung zu gewährleisten, sollte dabei das Schließ­ element nicht mit einem kongruenten Konus versehen sein, sondern es ist bevorzugt, daß die Schließfläche 19 etwa eben (wie dargestellt), leicht nach innen gewölbt, oder, falls sie in Richtung auf die Düsenaustrittsöffnung 3 gewölbt ist, zumindest deutlich flacher verläuft als die konische Wandung 4a der Düsenvorkammer 4. Eine konische Dichtung mit ineinandergreifenden kongruenten Dicht­ flächen wird zwar vielfach als vorteilhaft für das Abdichten angesehen, ist im Rahmen der Erfindung aber nachteilig wegen des nicht mehr wirksamen hydraulischen Übersetzungsverhältnisses.

Für die Wirksamkeit der hydraulischen Übersetzung ist es günstig, wenn der Öffnungsquerschnitt der Ventilöffnung 23 des Ventils 11, welcher durch den Ringspalt zwischen dem Dichtrand 15 und dem Dichtsitz 17 gebildet wird, kleiner als die Schließfläche 19 ist. Andererseits sollte der Öffnungsquerschnitt der Ventilöffnung 23 größer als der Querschnitt der Düsenaustrittsöffnung 3 sein. Dadurch wird gewährleistet, daß bei geöffnetem Ventil die Strö­ mung der Analyseflüssigkeit im wesentlichen durch den Strömungswiderstand der Austrittsöffnung 3 und nicht durch den Strömungswiderstand des Ventils bestimmt ist.

Durch alle diese Maßnahmen wird die Volumenpräzision der ausgestoßenen Flüssigkeitsquanten verbessert.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird das Schließelement 13 mit Hilfe eines piezoelektrischen Stellelementes 30 betätigt. Es ist in der Geschlossen­ stellung des Ventils 11 dargestellt. Um den erforderli­ chen Stellweg zu realisieren, kann beispielsweise ein Stapel-Piezo verwendet werden.

Das piezoelektrische Stellelement 30 befindet sich in einer Stellgliedkammer 31, welche durch eine Membran 32 von der Druckkammer 1 getrennt ist. Die Membran 32 sperrt die Druckkammer 1 zu der Stellgliedkammer 31 hin voll­ ständig ab. Das Schließelement 13 ist mit dem Stellglied 30 starr verbunden, wobei das Verbindungselement die Mem­ bran 32 durchdringt. An der Durchdringungsstelle ist die Membran abdichtend eingefaßt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß eine solche Membranabdichtung besonders vorteilhaft ist, um eine exakte Dosierung zu gewährleisten. Generell sollte die Abdichtung zwischen der Druckkammer 1 und der benachbarten Stellgliedkammer 31 reibungsfrei sein, damit die Bewegung des Schließelementes 13 durch das Stellele­ ment 30 nicht durch Reibungskräfte gebremst wird.

Die piezoelektrische Ventilbewegung erlaubt einen schnel­ len Bewegungsablauf mit hohen Kräften. Außerdem ermög­ licht sie es, das Schließelement 13 gezielt und relativ exakt in eine gewünschte Position zwischen der Geschlos­ senstellung und Offenstellung zu bringen. Dies ist insbe­ sondere im Zusammenhang mit der anhand von Fig. 5 erläu­ terten Ausführungsform vorteilhaft.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Schließ­ element 13 von einem magnetischen Stellglied 34 betätigt wird. Es weist einen Schwinganker 35 auf, der durch eine Magnetspule 36 in Abhängigkeit von der Polarität des Stromflusses in Richtung der Pfeile 37 hin und herbewegt werden kann. Eine magnetische Betätigung ermöglicht bei ausreichend hohen Betätigungsfrequenzen einen verhältnis­ mäßig großen Stellweg (in der Größenordnung von 1 mm). Von besonderem Vorteil im Rahmen der Erfindung ist, daß die Stellbewegung zu den Enden des Stellweges hin nicht verlangsamt, sondern sogar beschleunigt wird. Die unmit­ telbare magnetische Betätigung des Schließelementes er­ möglicht deshalb einen für die Erfindung besonders gün­ stigen Verlauf der Schließbewegung. Dadurch wird das Schließelement 13 beim Schließen des Ventils 11 mit un­ verminderter oder sogar zunehmender Geschwindigkeit in Richtung auf die Düsenaustrittsöffnung 3 bewegt, bis der in Fig. 3 nicht dargestellte Dichtrand auf dem Dichtsitz aufschlägt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Membran 32 vorgesehen, um die Druckkammer 1 von der Stellgliedkammer 31 zu trennen.

Fig. 4 verdeutlicht eine weitere bevorzugte Ausführungs­ form, bei der das Abdichtelement des Ventils 11 derartig elastisch ist, daß das Schließelement 13 über eine Posi­ tion, die die hydraulische Abdichtung gewährleistet, hin­ aus in Richtung auf die Düsenaustrittsöffnung 3 bewegbar ist. Bei der dargestellten Ausführungsform weist zu die­ sem Zweck der Dichtsitz 17 eine elastische Dichtung 25, beispielsweise in Form eines Profil-Dichtringes, auf ge­ gen den der Dichtrand 15 des Schließelementes 13 drückt. Dabei wird die hydraulische Abdichtung bereits in dem Moment gewährleistet, in dem der Dichtrand 15 die elasti­ sche Dichtung 25 kontaktiert. Diese Position des Dicht­ elementes 13 ist in durchgezogenen Linien dargestellt.

Wenn diese durch den Druck des Schließelementes 13 in Richtung auf die Düsenaustrittsöffnung 3 (Pfeil 27) um die Stellwegdifferenz dh weiter komprimiert wird (diese Position ist in der Figur gestrichelt dargestellt), führt die vollständige Abdichtung ("Kammerung") der in der Düsenvorkammer 4 eingeschlossenen Flüssigkeit zu einem besonders schnellen Ausstoßen der Flüsssigkeit im Moment des Schließens des Ventiles 11.

Beim Öffnen des Ventils 11 führt die Kammerung dazu, daß ein kleines Volumen Luft durch die Düsenaustrittsöffnung 3 angesaugt wird. Dies ist für die Präzision der Volumen­ dosierung nicht nachteilig, wenn das angesaugte Volumen relativ klein ist.

Aufgrund der Elastizität der Dichtung 25 wird das Schließelement nach Erreichen der vordersten Position in Richtung auf die Düsenkammer geringfügig zurückgedrückt, sofern das Stellglied eine solche Bewegung zuläßt. Dadurch wird ein nach dem Ausstoßen des Flüssigkeitsquan­ tums an der Düsenaustrittsöffnung 3 verbleibender Flüs­ sigkeitstropfen zurückgezogen. Auch hierdurch wird die Volumenpräzision der ausgestoßenen Flüssigkeitsquanten erhöht. Es entsteht im Bereich der Düsenaustrittsöffnung 3 ein konkaver nach innen gewölbter Meniskus.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum dosierten Zuführen einer Analyseflüs­ sigkeit (7) auf ein Target (5), wobei die Flüssigkeit in kleinen Quanten stoßweise aus einer Düse (2) durch eine Düsenaustrittsöffnung (3) auf das Target ausge­ stoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
sie eine Druckkammer (1) aufweist, in der die Analyseflüssigkeit unter Druck steht,
eine Ventileinrichtung (11) mit einer Ventilöffnung (23) im Strömungsweg der Flüssigkeit von der Druck­ kammer (1) zu der Düsenaustrittsöffnung (3) und mit einem von einem Stellglied (12) bewegten Schließele­ ment (13) zum Öffnen und Schließen der Ventilöffnung (23) vorgesehen ist und
die Ventileinrichtung (11) so ausgebildet ist, daß das Ausstoßen der Flüssigkeit durch die Bewegung des Schließelementes (13) beim Schließen der Ventilöff­ nung unterstützt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schließelement (13) der Ventileinrichtung (11) eine von einem Dichtrand (15) begrenzte der Düse (2) zugewandte Schließfläche (19) aufweist, wobei der Dichtrand (15) im geschlossenen Zustand der Ventil­ einrichtung (11) auf einem düsenseitigen ringförmigen Dichtsitz (17) dichtend aufliegt,
dem Dichtsitz (17) in Richtung auf die Düsenaus­ trittsöffnung (3) eine Düsenvorkammer (4) vorgelagert ist, die mit Ausnahme der Düsenaustrittsöffnung (3) und der Ventilöffnung (23) hydraulisch geschlossen ist, und
die Schließfläche (19) größer als die Querschnitts­ fläche der Düsen-Austrittsöffnung (3) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (4a) der Düsenvorkammer (4) von dem Dichtsitz (17) zu der Düsenaustrittsöffnung (3) min­ destens abschnittsweise konisch verläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Öffnungsquerschnitt der Ventilöff­ nung (23) kleiner als die Schließfläche (19) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsquerschnitt der Ventilöffnung (23) größer als der Querschnitt der Düsenaustrittsöffnung (3) ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (11) ein elastisches Abdichtelement (25) aufweist, dessen Elastizität so hoch ist, daß das Schließele­ ment (13) über eine Position, die die hydraulische Abdichtung gewährleistet, hinaus in Richtung auf die Düsenaustrittsöffnung bewegbar ist (Strecke dh).

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließelement (13) der Ventileinrichtung (11) von einem piezoelektri­ schen Stellglied (30) betätigt wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließelement (13) der Ventileinrichtung (11) von einem elektromagneti­ schen Stellglied (34) betätigt wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Druckkammer (1) zu dem Stellglied (30, 34) hin mit einer reibungsfreien Ab­ dichtung abgedichtet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die reibungsfreie Abdichtung eine Membran (32) aufweist.