DE19911456A1

DE19911456A1 - Multi-channel drop generator

Info

Publication number: DE19911456A1
Application number: DE19911456A
Authority: DE
Inventors: Thomas Moore; Sebastian Pobering
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH; Jenoptik AG
Current assignee: Cybio Instruments GmbH
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2000-09-14
Also published as: EP1036594A3; JP2000258438A; EP1036594A2; EP1036594B1; DE50010538D1

Abstract

Mehrkanal-Tropfengenerator zur Abgabe mehrerer gleich großer Flüssigkeitsvolumina im Bereich von 0,5-1 mul mit einer Dosiereinrichtung 1, einer elastischen Verbindung 2, einem Verteiler 3 und mehreren Auslässen 4, über welche die Flüssigkeitsvolumina kontaktfrei abgegeben werden und die nach Abgabe vollständig entleert werden, wodurch reproduzierbar stets die gleichen Volumina abgegeben werden.Multi-channel drop generator for dispensing several equally large liquid volumes in the range of 0.5-1 mul with a metering device 1, an elastic connection 2, a distributor 3 and several outlets 4, via which the liquid volumes are dispensed without contact and which are completely emptied after dispensing , whereby the same volumes are always reproducibly delivered.

Description

Mehrkanal-Tropfengeneratoren oder auch Dispensiereinrichtungen, wie sie häufig im Stand der Technik genannt werden, dienen insbesondere dem Befüllen von Kavitäten von Mikrotitrationsplatten mit Flüssigkeit.Multi-channel drop generators or dispensing devices, as they are common mentioned in the prior art, in particular serve to fill Cavities of microtitration plates with liquid.

Sie bestehen in der Regel aus einer Pumpe und einem mit dieser über eine Leitung verbundenen Verteiler. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen verfolgen das Ziel, mit möglichst geringen Volumenunterschieden Kavitäten zu befüllen, das heißt, daß an allen Ausgängen des Verteilers zu jeder Zeit das gleiche Volumen abgegeben wird.They usually consist of a pump and one with this via a line connected distributor. The solutions known from the prior art pursue the goal of closing cavities with the smallest possible volume differences fill, which means that at all outputs of the distributor the same at all times Volume is delivered.

Um diese Aufgabe zu lösen, wurden insbesondere unterschiedliche konstruktive Lösungen für den Verteiler entwickelt. Häufig ist der Verteiler als Röhrenverteiler aufgebaut. Dieser verbietet jedoch aufgrund seines Funktionsprinzips eine exakt gleichmäßige Verteilung.In order to solve this task, in particular, different constructive Solutions developed for the distributor. The distributor is often used as a tube distributor built up. However, due to its functional principle, this prohibits exactly even distribution.

Ausgänge, deren Entfernung zum Eingang des Verteilers kürzer ist als weiter entfernte Ausgänge werden bevorzugt durchströmt. Im Patent US 5,334,352 ist eine Variante eines solchen Verteilers beschrieben. Dort wird mit Hilfe von Einbauten und gezielten Querschnittsverengungen versucht, dieses Verhalten zu verbessern. Anordnungen dieser Art sind jedoch auf die Eigenschaften der zu verteilenden Flüssigkeiten abgestimmt und sind für andersartige nur bedingt einsetzbar. Die Abgabe kleiner Tropfen V<10 µl ist mit dieser Anordnung nur möglich, indem die abzugebende Flüssigkeit in Kontakt mit einer anderen Oberfläche kommt, andernfalls löst sich der Tropfen aufgrund der Oberflächenspannkraft nicht vom Ausgang ab.Exits whose distance to the distributor inlet is shorter than further distant outputs are preferably flowed through. In patent US 5,334,352 described a variant of such a distributor. There with the help of Built-in and targeted cross-sectional narrowing tries to do this improve. Arrangements of this type are based on the properties of the distributing liquids and are only conditional for other types applicable. The dispensing of small drops V <10 µl is only possible with this arrangement possible by placing the liquid to be dispensed in contact with another Surface comes, otherwise the drop dissolves due to the Surface tension not from the exit.

Eine Dispensiereinrichtung mit einer weiteren Variante eines Verteilers ist aus EP 0 180 591 B1 bekannt. Dieser besteht grundsätzlich aus einem horizontalen Verteilerrohr, von dem aus mindestens zwei Füllrohre zuerst nach oben und dann nach einem Umlenkbereich in einen Abflußbereich nach unten führen. Im Umlenkbereich sind die Füllrohre untereinander über ein Ausgleichsrohr verbunden. Vorteilhafterweise sollte die Leitung zwischen der Pumpe und dem Verteilerrohr aus elastischem Material sein, um die relativ harten Pumpenstöße etwas ausgleichen und die Flüssigkeit in den Füllrohren nach Beendigung eines jeden Pumpvorganges um etwa 1-2 mm zurückzuziehen, wodurch ein Nachtropfen sicher verhindert werden soll. Um Volumina gleicher Menge von ca. 0,5-10 µl mehrfach simultan abgeben zu können, ist diese Dispensiereinrichtung nicht geeignet, da schon eine geringfügig unterschiedliche Flüssigkeitssäulenhöhe in den Abflußbereichen der Füllrohre nach dem Zurückziehen der Flüssigkeit zu unterschiedlichen Abgabevolumina an den einzelnen Auslässen beim nächsten Dosiervorgang führen kann.A dispensing device with a further variant of a distributor is out EP 0 180 591 B1 known. This basically consists of a horizontal one Distribution pipe, from which at least two filling pipes first up and then after a deflection area lead down into a drainage area. in the Deflection area, the filling pipes are connected to each other via a compensating pipe. The line between the pump and the distributor pipe should advantageously be made be elastic material to compensate for the relatively hard pump shocks and the liquid in the filling pipes after the completion of each pumping process to pull back about 1-2 mm, which safely prevents dripping shall be. For volumes of the same amount of approx. 0.5-10 µl several times simultaneously To be able to dispense, this dispensing device is not suitable, since one already slightly different liquid column height in the drainage areas of the Filling tubes to different after withdrawing the liquid Dispense volumes at the individual outlets during the next dosing process can.

Andere Verteilerstrukturen sind aus der Drucktechnik bekannt, um z. B. Druckfarbe mit einer homogenen Dicke auf eine Druckwalze aufzubringen. Eine Anordnung aus dem Patent US 5,441,204 benutzt eine mehrfache Aufspaltung des Flüssigkeitsstroms, um eine gleichmäßige Verteilung an einem linienförmigen Ausgang zu erreichen. Bei diesem Prinzip ist eine Aufteilung des Eingangsstromes erreichbar, bei der jeder Ausgang den gleichen Volumenstrom aufweist, unabhängig von den fluidischen Eigenschaften der verteilten Flüssigkeit. Die Abgabe von Tropfen ist durch ein elektrostatisches Prinzip realisiert, indem die kontinuierlich geförderte Flüssigkeit elektrostatisch aufgeladen und durch ein elektrisches Feld von der Oberfläche abgelöst wird. Einsetzbar ist ein derartiger Verteiler nur innerhalb von Anordnungen mit definierten elektrischen Feldern, was in der Praxis nicht immer möglich ist.Other distribution structures are known from printing technology, e.g. B. printing ink applied to a printing roller with a homogeneous thickness. An arrangement from US Pat. No. 5,441,204 uses a multiple splitting of the Liquid flow to ensure an even distribution on a line To reach exit. With this principle there is a division of the input current achievable where each outlet has the same volume flow, regardless of the fluidic properties of the distributed liquid. The Drop delivery is realized by an electrostatic principle by the continuously pumped liquid electrostatically charged and through a electric field is detached from the surface. One of these can be used Distributor only within arrangements with defined electrical fields what is not always possible in practice.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrkanal-Tropfengenerator zu schaffen, der geeignet ist, auch ohne statisches Aufladen Flüssigkeiten über mehrere Auslässe in gleicher Menge in einem Volumenbereich von ca. 0,5-10 µl abzugeben.The invention has for its object to a multi-channel drop generator create that is suitable even without static charging liquids over several outlets in the same amount in a volume range of approx. 0.5-10 µl to deliver.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Mehrkanal- Tropfengenerator prinzipiell so aufgebaut und betrieben wird, daß die Abgabe einerseits kontaktfrei und andererseits über Auslässe erfolgt, die entscheidend für die Genauigkeit der Volumenabgabe nach jeder Abgabe vollständig entleert werden.This task is essentially solved in that the multi-channel In principle, the drop generator is constructed and operated in such a way that the delivery on the one hand without contact and on the other hand via outlets that are crucial for the accuracy of volume delivery completely drained after each delivery become.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles unter zu Hilfenahme von Zeichnungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigenThe invention will be described below using an exemplary embodiment Using drawings to be explained in more detail. Show in the drawings

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines Mehrkanal-Tropfengenerators, Fig. 1 shows a schematic structure of a multi-channel droplet generator,

Fig. 2 zwei Ansichten des Aufbaus eines Verteilers mit Auslässen in Schnittdarstellung, Fig. 2 shows two views of the structure of a manifold with outlets in section,

Fig. 3 ein detailliertes elektrisches Ersatzschaltbild eines Mehrkanal- Tropfengenerators, Fig. 3 is a detailed electrical equivalent circuit of a multi-channel droplet generator,

Fig. 4 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild eines Mehrkanal- Tropfengenerators Fig. 4 is a simplified electrical equivalent circuit diagram of a multi-channel drop generator

Fig. 5 eine grafische Darstellung des Verlaufes des Volumenstromes, abgegeben von der Dosiereinrichtung und den Auslässen. Fig. 5 is a graphic representation of the course of the volume flow, delivered by the metering device and the outlets.

Der erfindungsgemäße Mehrkanal-Tropfengenerator besteht aus den in Fig. 1 schematisch dargestellten Komponenten:
einer Dosiereinrichtung 1, die ein genau einstellbares Volumen einer Flüssigkeit fördert,
einer Verbindung 2 definierter Elastizität, die die Dosiereinrichtung mit einem Verteiler koppelt,
einem Verteiler 4, der die zugeführte Menge Flüssigkeit gleichmäßig auf mehrere Ausgänge aufteilt,
Auslässe 4, die an den Ausgängen des Verteilers angebracht sind und aufgrund ihrer Gestaltung kleinste Tröpfchen abgeben können.The multi-channel drop generator according to the invention consists of the components shown schematically in FIG. 1:
a metering device 1 which conveys a precisely adjustable volume of a liquid,
a connection 2 of defined elasticity, which couples the metering device to a distributor,
a distributor 4 which distributes the amount of liquid supplied evenly over several outlets,
Outlets 4 , which are attached to the outputs of the distributor and can emit the smallest droplets due to their design.

Die Dosiereinrichtung 1 besteht aus einem Vorratsgefäß 5 und einem Dosierer 6, der die Flüssigkeit vom Vorratsgefäß 5 über die Verbindung 2 in einen Verteiler 3 an dessen Ausgängen Auslässe 4 angeordnet sind, die eine Abgabe der Tröpfchen ermöglichen, befördert. Die Flüssigkeitsmenge muß genau einstellbar und mit hoher Wiederholgenauigkeit gefördert werden. Magnetventile in Verbindung mit einem Druckgefäß oder Taumelkolbenpumpen sind vorteilhaft einsetzbar. Die starke Pulsation der Dosiereinrichtungen 1 erzeugt einen Druckimpuls, der über die Verbindung 2 zum Verteiler 3 und auf die Auslässe 4 übertragen wird und die dort die Abgabe kleiner Tropfen ermöglicht.The dosing device 1 consists of a storage vessel 5 and a dosing device 6 , which conveys the liquid from the storage vessel 5 via the connection 2 into a distributor 3 at the outlets of which there are outlets 4 which enable the droplets to be dispensed. The amount of liquid must be precisely adjustable and conveyed with a high level of repeatability. Solenoid valves in connection with a pressure vessel or wobble piston pumps can be used advantageously. The strong pulsation of the metering devices 1 generates a pressure pulse which is transmitted via the connection 2 to the distributor 3 and to the outlets 4 and which enables small drops to be dispensed there.

Die Verbindung ist ein vorzugsweise schlauchartiges Bauteil definierter Elastizität um die Flankensteilheit der Druckimpulse zu verringern.The connection is a preferably hose-like component of defined elasticity to reduce the slope of the pressure pulses.

Der Verteiler 3 ist ein planares Kanalsystem aus kaskadierten T-Stücken mit einem Eingang 12 und mehreren Ausgängen 13, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, das beispielsweise in Plattenmaterial eingearbeitet sein kann. Eine derartige Struktur gewährleistet bei minimalen Totvolumen eine exakt gleichmäßige Verteilung der durchströmenden Flüssigkeit auf die Ausgänge, unabhängig von deren fluidischen Eigenschaften. Weiterhin bewirkt der Verteiler 3 eine gleichmäßige Aufteilung der Druckimpulse vom Eingang auf die Ausgänge. Aufgrund des im Vergleich zu den Auslässen 4 großen Querschnitts der Kanäle des Kanalsystems hat der Verteiler 3 nur einen vernachlässigbaren Anteil an den dynamischen Eigenschaften des Mehrkanal-Tropfengenerators.The distributor 3 is a planar channel system made of cascaded T-pieces with an inlet 12 and a plurality of outlets 13 , as shown in FIGS. 1 and 2, which can be incorporated, for example, in plate material. Such a structure ensures an exactly uniform distribution of the liquid flowing through the outlets, with minimal dead volume, regardless of their fluidic properties. Furthermore, the distributor 3 effects an even distribution of the pressure pulses from the input to the outputs. Due to the large cross-section of the channels of the channel system compared to the outlets 4 , the distributor 3 has only a negligible part in the dynamic properties of the multi-channel drop generator.

An den Ausgängen sind Auslässe 4 angeordnet, die eine Querschnittsverengung darstellen und somit den größten fluidischen Widerstand im Mehrkanal- Tropfengenerator bilden. Damit die Auslässe 4 einen gleich großen fluidischen Widerstand bilden, müssen sie eine hohe Fertigungsgenauigkeit aufweisen, die zum Beispiel bei Präzisionsrohren erfüllt sind. Fertigungstoleranzen innerhalb des Kanalsystems werden dadurch ausgeglichen. Darüber hinaus besitzt die Flüssigkeitssäule innerhalb der Auslässe 4 die größte Trägheit im Gesamtsystem und hat daher wesentlichen Einfluß auf dessen dynamisches Verhalten. Für das Verständnis des Mehrkanal-Tropfengenerators ist insbesondere für die Abgabe kleinster Tropfen über die Betrachtung der statischen Parameter eine dynamische Betrachtung notwendig, die anhand eines elektrischen Ersatzschaltbildes erfolgen soll. Aus Fig. 1 leitet sich das detaillierte elektrische Ersatzschaltbild ab (Fig. 2), das sich auf das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild (Fig. 3) reduzieren läßt. Dieses stellt im wesentlichen einen Reihenschwingkreis mit Stromanregung dar, der mit den Differentialgleichungen aus der Elektrotechnik beschrieben werden kann. Die Dosiereinrichtung 1 wird durch die Stromquelle 7 mit Schalter 8 wiedergegeben, die elastische Verbindung durch die Kapazität 9. Der Verteiler wird vernachlässigt. Die Auslässe sind als Widerstände 10 und Trägheiten 11 dargestellt.Outlets 4 are arranged at the outputs, which represent a cross-sectional constriction and thus form the greatest fluidic resistance in the multi-channel drop generator. So that the outlets 4 form an equally large fluidic resistance, they have to have a high manufacturing accuracy, which is met, for example, with precision tubes. This compensates for manufacturing tolerances within the duct system. In addition, the liquid column within the outlets 4 has the greatest inertia in the overall system and therefore has a significant influence on its dynamic behavior. In order to understand the multi-channel drop generator, a dynamic analysis is necessary, in particular for the delivery of the smallest drops by considering the static parameters, which is to be carried out using an electrical equivalent circuit diagram. The detailed electrical equivalent circuit diagram ( FIG. 2) can be derived from FIG. 1, which can be reduced to the simplified electrical equivalent circuit diagram ( FIG. 3). This essentially represents a series resonant circuit with current excitation, which can be described with the differential equations from electrical engineering. The metering device 1 is represented by the current source 7 with switch 8 , the elastic connection by the capacitance 9 . The distributor is neglected. The outlets are shown as resistors 10 and inertias 11 .

Bei quasistatischer Betrachtung des Mehrkanal-Tropfengenerators würde sich bei langsamer Zugabe von Flüssigkeit durch die Dosiereinrichtung 1 an den Auslässen 4 Tropfen bilden, die abreißen, wenn das Gewicht des Tropfens dessen Oberflächenspannkraft überschreitet. Danach bleibt an den Auslässen 4 ein sogenannter Meniskus zurück, der zu Ungenauigkeiten führt. Derart erzeugte Tropfen haben bei Wasser ein Volumen von ca. 10-20 µl und entsprechen somit nicht der Aufgabenstellung.In a quasi-static view of the multi-channel drop generator, if drops were slowly added by the metering device 1 , 4 drops would form at the outlets, which tear off when the weight of the drop exceeds its surface tension. Thereafter, a so-called meniscus remains at the outlets 4 , which leads to inaccuracies. Drops generated in this way have a volume of approx. 10-20 µl in water and therefore do not correspond to the task.

Es gehört daher zu den erfindungswesentlichen Merkmalen, daß die Dosiereinrichtung 1 das abzugebende Volumen mit einer hohen Beförderungsgeschwindigkeit über die Verbindung 2 und den Verteiler 3 zu den Auslässen 4 befördert. Dort bilden sich Flüssigkeitsstrahlen mit dem Durchmesser der Auslässe 4. Die Trägheit verhindert eine Tropfenbildung. Wird der Flüssigkeitsstrom abrupt unterbrochen, reißt der Strahl aufgrund der hohen kinetischen Energie ab, bevor ein Tropfen entsteht. Es bleibt jedoch auch hier eine unbestimmte Menge Flüssigkeit an den Auslässen 4 zurück und bildet einen Meniskus. Um das Ergebnis des folgenden Abgabezyklus nicht zu verfälschen, muß dieser Flüssigkeitsrest entfernt werden. Dies könnte durch einen inversen Betrieb der Dosiereinrichtung 1 erfolgen, was aufgrund der hohen Geschwindigkeiten aber zu einem stark erhöhtem technischen Aufwand führen würde. Diese Aufgabe erfüllt im erfindungsgemäßen Mehrkanal-Tropfengenerator die als elastisches Element ausgeführte Verbindung 2, die in der Lage ist, diese Funktion zu übernehmen. Zu Beginn eines Abgabezyklusses nimmt die Verbindung 2, indem sich ihr Querschnitt ausdehnt, einen Teil des geförderten Volumens auf und gibt es im weiteren Verlauf teilweise wieder ab. Wird der Volumenstrom unterbrochen, bewirkt die Trägheit der Flüssigkeitssäulen in den Auslässen 4 für ein kurzzeitigen Fortbestand des Volumenstromes. Das strömende Volumen wird von der Elastizität der Verbindung 2 geliefert, wobei ein Unterdruck entsteht. Kommen die Flüssigkeitssäulen zum Stillstand, bewirkt dieser Unterdruck ein Zurücksaugen der Flüssigkeitsreste aus den Auslässen 4.It is therefore one of the features essential to the invention that the metering device 1 conveys the volume to be dispensed at a high conveying speed via the connection 2 and the distributor 3 to the outlets 4 . Liquid jets with the diameter of the outlets 4 form there . The sluggishness prevents dripping. If the liquid flow is interrupted abruptly, the jet breaks off due to the high kinetic energy before a drop occurs. However, an indefinite amount of liquid remains at the outlets 4 and forms a meniscus. In order not to falsify the result of the following dispensing cycle, this liquid residue must be removed. This could be done by an inverse operation of the metering device 1 , which would, however, lead to a greatly increased technical outlay due to the high speeds. This task is performed in the multi-channel drop generator according to the invention by connection 2 , which is designed as an elastic element and is capable of performing this function. At the beginning of a delivery cycle, the connection 2 , as its cross section expands, absorbs part of the volume conveyed and releases it again in part in the further course. If the volume flow is interrupted, the inertia of the liquid columns in the outlets 4 causes the volume flow to continue for a short time. The flowing volume is supplied by the elasticity of the connection 2 , whereby a negative pressure is created. If the liquid columns come to a standstill, this negative pressure causes the liquid residues to be sucked back out of the outlets 4 .

Der chronologische Ablauf eines Dosierzyklus (dargestellt in Fig. 5, wobei V_D den von der Dosiereinrichtung 1 erzeugten Volumenstrom und V_A den an den Auslässen bewirkten Volumenstrom darstellt) stellt sich, unter der Voraussetzung der ausgeglichenen Druckverhältnisse vorher, wie folgt dar:
Zum Zeitpunkt t = 0 beginnt die Dosiereinrichtung 1 einen Volumenstrom zu fördern.The chronological sequence of a metering cycle (shown in FIG. 5, where V _{D represents} the volume flow generated by the metering device 1 and V _{A represents} the volume flow caused at the outlets), assumes the balanced pressure conditions beforehand as follows:
At time t = 0, the metering device 1 begins to deliver a volume flow.

Dieser kann aufgrund der Trägheiten in den Auslässen 4 zunächst nicht abfließen und bewirkt somit eine Druckerhöhung, die zu einer Volumenexpansion der elastischen Verbindung 2 führt. Die Flüssigkeitssäulen in den Auslässen 4 werden beschleunigt, und es bilden sich darin Volumenströme aus. Der Druck in der Verbindung 2 sinkt bis auf ein Niveau ab, bestimmt vom fluidischen Widerstand und dem Durchfluß, wobei ein Teil des gespeicherten Volumens abgegeben wird. Dies entspricht dem quasistatischen Zustand.Due to the inertia in the outlets 4 , this cannot initially flow off and thus causes an increase in pressure, which leads to a volume expansion of the elastic connection 2 . The liquid columns in the outlets 4 are accelerated, and volume flows form therein. The pressure in the connection 2 drops to a level determined by the fluidic resistance and the flow, with part of the stored volume being released. This corresponds to the quasi-static state.

Bei Unterbrechung des zugeführten Volumenstroms zum Zeitpunkt t = 1 bewirken die Trägheiten zunächst ein Fortbestehen der Strömung, gespeist aus dem Vorrat des in der Verbindung 2 gespeicherten Volumens, bis dort eine Volumenkontraktion verbunden mit einem Unterdruck entsteht, der die Strömung bremst. Dieser Unterdruck bleibt in der Verbindung 2 bestehen, wenn die Strömung zum Stillstand kommt. Dadurch kehrt sich die Richtung der Strömung um und die Flüssigkeit wird von den Auslässen 4 in den Verteiler zurückgesaugt. Der Flüssigkeitsrest an den Auslässen wird somit entfernt.If the volume flow supplied is interrupted at time t = 1, the inertias initially cause the flow to continue, fed from the supply of the volume stored in connection 2 , until there is a volume contraction associated with a negative pressure which brakes the flow. This negative pressure remains in connection 2 when the flow comes to a standstill. This reverses the direction of the flow and the liquid is sucked back into the distributor from the outlets 4 . The liquid residue at the outlets is thus removed.

Dieses Verhalten des Volumenstromes an den Auslässen V_A ist von der Abstimmung des fluidischen Schwingkreises abhängig.This behavior of the volume flow at the outlets V _A depends on the coordination of the fluidic resonant circuit.

Claims

Multi-channel drop generator with a metering device ( 1 ), a distributor ( 3 ), which has one input ( 12 ) and several outputs ( 13 ), and an elastic connection ( 2 ) via which the metering device ( 1 ) with the input ( 12 ), is connected, characterized ,
that the input ( 12 ) is connected to the outputs ( 13 ) via a planar channel system made of cascading T-pieces, which results in a homogeneous pressure distribution,
that at the outputs ( 13 ) there are tubular outlets ( 4 ), the cross section of which is smaller than the cross section of the channels in the distributor ( 3 ) and whose length and cross section with the elasticity, the length and the cross section of the elastic connection ( 2 ) and the conveying speed of the metering device ( 1 ) are coordinated, so that the multi-channel drop generator exhibits dynamic behavior, which leads to a contact-free dispensing of liquid and a subsequent complete emptying of the outlets ( 4 ).