DE69931787T2

DE69931787T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Verabreichung von Tropfen

Info

Publication number: DE69931787T2
Application number: DE1999631787
Authority: DE
Inventors: Igor Shvets; Sergei Makarov; Juergen Osing
Original assignee: College of the Holy and Undivided Trinity of Queen Elizabeth near Dublin
Current assignee: College of the Holy and Undivided Trinity of Queen Elizabeth near Dublin
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2019-11-12
Also published as: US6713021B1; ATE422399T1; DE60041528D1; EP1099484A1; EP1099484B1; IE20000912A1; US20040101445A1; IE20000696A1; DE69931787D1; US7438858B2; ATE328670T1

Description

Einleitung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgabeanordnung für Flüssigkeitströpfchen des Folgendes umfassenden Typs: einen Spender mit einer Hauptbohrung, die mit einer Düse kommuniziert, die eine in einer Ausgabespitze endende Düsenbohrung hat, und eine Fördereinrichtung zum Bewegen von Flüssigkeit zum Spender und von dort durch die Bohrung, um am Äußeren der Spitze ein Tröpfchen zu bilden und dann zu verursachen, dass das Tröpfchen von dort abtropft, wobei die Fördereinrichtung eine separate Druckflüssigkeitsförderquelle zum Bewegen von Druckflüssigkeit durch ein Flüssigkeit führendes Rohr zu dem Spender umfasst; und der Spender ein Dosierventilspender ist und ein längliches Körperelement mit einem einen Eingang zur Düse bildenden Ventilsitz; ein in dem Körperelement untergebrachtes Ventilelement aus magnetischem Material, dessen Querschnittsfläche ausreichend kleiner als die der Hauptbohrung ist, um das freie Hindurchströmen von Flüssigkeit dazwischen unter Umgehen des Ventilelements zu gestatten, und eine separate Ventilelementbetätigungsanordnung neben dem Körperelement umfasst.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ausgeben eines Tröpfchens aus einer Druckflüssigkeitsförderquelle durch einen Dosierventilspender, der ein längliches Körperelement mit einer Hauptbohrung, die durch einen Ventilsitz mit einer Düse kommuniziert, die eine in einer Ausgabespitze endende Düsenbohrung hat, ein separates schwimmendes Ventilelement aus magnetischem Material, das in dem Körperelement untergebracht ist, wobei seine Querschnittsfläche ausreichend kleiner als die der Hauptbohrung ist, um das freie Hindurchströmen von Flüssigkeit dazwischen zu gestatten, sodass das Ventilelement umgangen wird; und eine das Körperelement umgebende separate Ventilelementbetätigungsspulenanordnung umfasst, umfassend die folgenden Schritte: Fördern der Druckflüssigkeit zu dem Spender; Öffnen des Ventils durch Betätigen der Spulenanordnung für eine voreingestellte Zeit, um Flüssigkeit um das Ventilelement herum in die Düsenbohrung zu fördern; und Schließen des Ventils beim Abtropfen des Tröpfchens.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Liquid-Handling-Systeme und speziell Systeme zum Ausgeben und Ansaugen von kleinen Reagenzienvolumen. Insbesondere betrifft sie Hochdurchsatz-Screening, Polymerasekettenreaktion (PCR), kombinatorische Chemie, Mikroarrays, medizinische Diagnose und andere. Im Bereich von Hochdurchsatz-Screening, PCR und kombinatorischer Chemie ist die typische Anwendung für ein derartiges Fluid-Handling-System das Abgeben kleiner Volumen der Reagenzien, z.B. 1 ml und weniger, und insbesondere von Volumen um 1 Mikroliter und weniger. Sie kann auch das Ansaugen von Volumen aus Probenvertiefungen betreffen, um die Reagenzien zwischen Vertiefungen transportieren zu können. Die Erfindung betrifft auch Mikroarray-Technologie, einen neueren Fortschritt im Bereich des Hochdurchsatz-Screening. Mikroarray-Technologie wird für Anwendungen wie DNA-Arrays verwendet. Bei dieser Technologie werden Arrays auf Glas- oder Polymer-Objektträgern hergestellt. Das Fluid-Handling-System für diese Technologie ist für das Ausgeben gleichmäßiger Reagenzientröpfchen mit einem Volumen im Submikroliterbereich ausgelegt.
Die Entwicklung von Instrumenten zum Abgeben winziger Flüssigkeitsvolumen ist schon seit einiger Zeit ein wichtiger Bereich technologischen Fortschritts. Im Lauf der vergangenen fünfundzwanzig Jahre wurden zahlreiche Vorrichtungen für das geregelte Ausgeben kleiner Flüssigkeitsvolumen (im Bereich von 1 μl und weniger) für die Tintenstrahldruckanwendung entwickelt. In jüngerer Zeit ist eine breite Palette neuer Anwendungsbereiche für Geräte entstanden, die Flüssigkeiten im unteren Mikroliterbereich handhaben. Diese werden zum Beispiel in „analytical chemistry" [A.J. Bard, Integrated chemical systems, Wiley-Interscience Pbl, 1994] und „biomedical applications" [A.G. Graig, J.D. Hoheeisel, Automation, Series Methods in Microbiology, Bd. 28, Academic Press 1999] besprochen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch medizinische Diagnostik, z.B. zum Drucken von Reagenzien auf ein mit Körperflüssigkeiten bedecktes Substrat zur anschließenden Analyse oder alternativ zum Drucken von Körperflüssigkeiten auf Substrate.
Die Anforderungen an ein Ausgabesystem variieren beträchtlich, je nach der Anwendung. Beispielsweise ist die Hauptanforderung an ein Ausgabesystem für die Tintenstrahlanwendungen, Tröpfchen eines festen Volumens mit einer hohen Wiederholungsfrequenz zu liefern. Die Trennung zwischen einzelnen Düsen sollte so klein wie möglich sein, damit an einer einzigen Druckpatrone viele Düsen untergebracht werden können. Andererseits wird die Aufgabe bei dieser Anwendung durch die Tatsache vereinfacht, dass die mechanischen Eigenschaften der ausgegebenen Flüssigkeit, nämlich Tinte, gut definiert und gleichmäßig sind. Auch braucht in den meisten Fällen die in den Tintenstrahlanwendungen verwendete Vorrichtung zum Nachfüllen der Patrone die Flüssigkeit nicht durch die Düse anzusaugen.
Für biomedizinische Anwendungen wie Hochdurchsatz-Screening (HTS) sind die an ein Ausgabesystem gestellten Anforderungen ganz anders. Das System sollte eine Vielfalt von Reagenzien mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften, z.B. Viskosität, handhaben können. Diese Systeme sollten gewöhnlich auch die Reagenzien durch die Düse aus einer Vertiefung ansaugen können. Andererseits besteht keine so anspruchsvolle Anforderung für die hohe Wiederholungsfrequenz von Tropfen wie bei Tintenstrahlanwendungen. Eine weitere Anforderung bei HTS-Anwendungen ist, dass Kreuzkontamination zwischen verschiedenen Vertiefungen, die von derselben Ausgabevorrichtung bedient werden, so weit wie möglich vermieden wird.
Das häufigste Liquid-Handling-Verfahren für die HTS-Anwendungen stützt sich auf eine Verdrängerpumpe, wie sie in US-Patentbeschreibung Nr. US 5,744,099 (Chase et al.) beschrieben wird. Die Pumpe besteht aus einer Spritze mit einem von einem Motor angetriebenen Kolben, gewöhnlich einem Schritt- oder Servomotor. Die Spritze ist gewöhnlich durch ein biegsames Polymerrohr mit der Düse des Liquid-Handling-Systems verbunden. Die Düse ist im typischen Fall an einem Arm einer Roboteranlage angebracht, der sie zwischen verschiedene Vertiefungen zum Ansaugen und Ausgeben von Flüssigkeiten trägt. Die Spritze ist mit einer Flüssigkeit wie Wasser gefüllt. Das Wasser verläuft kontinuierlich durch das biegsame Rohr in die Düse abwärts in Richtung auf die Spitze. Das flüssige Reagens, das ausgegeben werden muss, wird von der Spitze her in die Düse eingefüllt. Um das Mischen des Wassers und des Reagens und daher Kreuzkontamination zu vermeiden, wird gewöhnlich eine Luftblase oder eine Blase eines anderen Gases zwischen ihnen gelassen. Zum Ausgeben des Reagens aus der Düse wird der Kolben der Spritze verdrängt. Angenommen, diese Verdrängung stößt das Volumen ΔV des Wassers aus der Spritze. Das vordere Ende des die Düse füllenden Wassers wird damit zusammen verdrängt. Das Wasser ist praktisch unverdichtbar. Wenn das innere Volumen in dem biegsamen Rohr unverändert bleibt, dann ist das aus der Spritze verdrängte Volumen ΔV gleich dem Volumen, das von der sich bewegenden Front des Wassers in der Düse verdrängt wird. Wenn das Volumen der Luftblase klein ist, kann man die Volumenschwankungen der Blase beim Bewegen des Kolbens der Spritze ignorieren. Das hintere Ende des Reagens wird daher um das gleiche Volumen ΔV in der Düse verdrängt und das aus der Spitze ausgestoßene Volumen ist daher das gleiche ΔV. Dies ist das Funktionsprinzip einer solchen Pumpe. Die Pumpe funktioniert genau, wenn das Volumen ΔV viel größer als das Volumen der Luftblase ist. In der Praxis ändert sich das Volumen der Luftblase, wenn sich der Kolben der Spritze bewegt. Um allerdings einen Tropfen aus der Spitze auszustoßen, sollte der Druck im Rohr den atmosphärischen Druck um einen Betrag übersteigen, der von der Oberflächenspannung bestimmt wird, die auf den Tropfen wirkt, bevor er sich von der Düse löst. Daher nimmt der Druck im Rohr im Augenblick des Ausstoßens zu und nimmt nach dem Ausstoßen ab. Da gemeine Gase verdichtbar sind, ändert sich das Volumen der Luft- oder Gasblase während des Ausstoßens des Tröpfchens und dies trägt zum Genauigkeitsfehler des Systems bei. Je kleiner das Volumen der Luftblase, umso kleiner ist der erwartete Fehler. Das heißt, dass die Genauigkeit wesentlich von dem Verhältnis der Volumen der Luftblase und des Flüssigkeitströpfchens bestimmt wird. Je kleiner dieses Verhältnis, umso besser ist die Genauigkeit. Aus praktischen Gründen ist es schwierig, das Volumen der Luft- oder Gasblase auf unter etwa einen oder zwei Mikroliter zu reduzieren, und gewöhnlich ist es beträchtlich größer als dieses. Daher eignet sich dieses Verfahren mit zwei durch eine Luft- oder Gasblase getrennten Flüssigkeiten, das auf einer Verdrängerpumpe basiert, nicht gut zum Ausgeben eines Volumens von nur 1 Mikroliter oder weniger. Außerdem bestehen zusätzliche Genauigkeitsbegrenzungen, wenn Volumen im Submikroliterbereich ausgegeben werden müssen. Zum Beispiel biegt sich das mit dem Wasser gefüllte biegsame Rohr, wenn sich der Arm des Robotersystems über die Zielvertiefungen bewegt, und folglich ändert sich sein Innenvolumen. Daher bewegt sich beim Bewegen des Arms das vordere Ende des Wassers in der Düse in gewissem Grad, selbst wenn der Kolben der Spritze sich nicht bewegt. Dies vergrößert den Fehler des ausgegebenen Volumens. Andere Begrenzungen werden in dem oben genannten Patent von Graig et al. besprochen. Beispiele für derartige Verdrängerpumpen werden in der US-Patentbeschreibung Nr. 5744099 (Chase et al.) gezeigt. Desgleichen werden die Probleme des Ausgebens von Tropfen kleinen Volumens auch in der US-Patentbeschreibung Nr. 4574850 (Davis) und 5035150 (Tomkins) beschrieben und besprochen.
Die US-Patentbeschreibung Nr. 5741554 (Tisone) beschreibt ein weiteres Verfahren zum Ausgeben kleiner Volumen von Fluids zur biomedizinischen Anwendung und insbesondere für das Aufbringen der Agenzien auf diagnostische Teststreifen. Dieses Verfahren vereint eine Verdrängerpumpe und ein konventionelles Magnetventil. Die Verdrängerpumpe ist eine Spritzenpumpe, die mit einer auszugebenden Flüssigkeit gefüllt ist. Die Pumpe ist mit einem Rohr verbunden. Am anderen Ende des Rohrs befindet sich nahe an der Ausstoßdüse ein Magnetventil. Das Rohr ist auch mit dem auszugebenden Fluid gefüllt. Bei diesem Verfahren wird der Kolben der Pumpe von einem Motor mit einer gut definierten Geschwindigkeit angetrieben. Diese Geschwindigkeit bestimmt die Fluidfördermenge aus der Düse, vorausgesetzt, dass das Magnetventil häufig genug geöffnet und der Arbeitszyklus Öffnen/Schließen des Ventils lang genug ist. Das Magnetventil wird mit einer definierten Wiederholungsfrequenz betätigt. Die Wiederholungsfrequenz des Ventils und die Fördermenge der Pumpe bestimmen die Größe jedes Tropfens. Wenn die Pumpe zum Beispiel mit einer Fördermenge von 1 μl pro Sekunde betrieben wird und die Wiederholungsfrequenz 100 Öffnen-Schließen-Zyklen pro Sekunde beträgt, dann beträgt die Größe jedes Tropfens 10 nl. Zum Ausgeben von Volumen im Submikroliterbereich für HTS-Anwendungen ist dieses Verfahren aber oftmals nicht angebracht, da Fluid in kleinen Mengen durch die Düse angesaugt und dann in Bruchteilen dieser Menge ausgegeben werden muss. Um ein Vermischen des angesaugten Fluids mit dem in der Spritzenpumpe zu vermeiden, muss eventuell eine Gasblase in das Rohr eingesetzt werden mit den damit verbundenen Problemen.
Während dieser Pumpen- und Magnetventiltyp für das Ausgeben von Reihen von Tropfen gleichmäßiger Größe ausgelegt ist, ist er möglicherweise für das Ausgeben einzelner Tropfen, d.h. eines Tropfens bei Bedarf, nicht gut geeignet, was genau der Ausgabebetrieb ist, der in den HTS-Anwendungen benutzt wird. Wenn die Öffnungszeit und/oder die Betriebsfrequenz des Magnetventils für eine bestimmte Pumpenfördermenge zu klein ist, wird der Druck im Spender zu groß, was mögliches Bersten oder Versagen des Systems verursacht. Ferner beschreibt die Patentbeschreibung das Verwenden eines elektrostatischen Druckkopfs und das Laden der Tröpfchen zwischen einem Paar Ablenkplatten zum präzisen Positionieren der Tröpfchen.
PCT-Patentbeschreibung Nr. WO99/42752 (Bio Dot, Inc.) offenbart eine Ausgabeanordnung für Flüssigkeitströpfchen des Typs mit einer Hauptbohrung, die mit einer Düse kommuniziert, die eine in der Ausgabespitze endende Düsenbohrung hat, und einer Fördereinrichtung zum Bewegen von Flüssigkeit zum Spender und von dort durch die Düsenbohrung, um am Äußeren der Ausgabespitze ein Tröpfchen zu bilden und dann zu verursachen, dass ein Tröpfchen von dort abtropft, wobei die Fördereinrichtung eine separate Druckflüssigkeitsförderquelle zum Bewegen von Druckflüssigkeit zu dem Spender umfasst; und der Spender ein Dosierventil ist und ein längliches Körperelement mit einem einen Eingang zur Düse bildenden Ventilsitz und ein in dem Körperelement untergebrachtes Ventilelement aus magnetischem Material hat. Es ist eine separate Ventilelementbetätigungsanordnung neben dem Körperelement bereitgestellt. Das Ventilelement ist zwischen seinen Enden mit einer Membran verbunden, die Teil des Ventilelements und Körpers gegen den Rest des Ventilelements und Körpers abdichtet. Die Vorrichtung weist einen Hohlraum unter der Membran auf, der von einer Hauptspeiseleitung mit der auszugebenden Flüssigkeit gespeist wird. Im Wesentlichen biegt das Magnetventil die Membran, um das Ausgeben der Flüssigkeit zu verursachen.
Die britische Patentbeschreibung Nr. 1520606 (Burron Medical Products, Inc.) offenbart einen Tropfendetektor, bei dem das Ventil ausgeschaltet wird, wenn ein Tröpfchen vom Spender abtropft. Im Wesentlichen wird, wenn der Tropfen erkannt worden ist, die Tropfendetektion zum Steuern des Ventils verwendet.
Das US-Patent Nr. 5,758,666 (Carl O. Larson, Jr. et al.) beschreibt eine chirurgisch implantierbare Hubkolbenpumpe, die einen schwimmenden Kolben aus einem permanentmagnetischen Material hat und ein Rückschlagventil aufweist. Der Kolben kann durch Erregen der Spulen in einer geeigneten Zeitsteuerfolge bewegt werden. Der Kolben lässt Flüssigkeit durch ihn hindurchströmen, wenn er sich in einer Richtung bewegt, da das Rückschlagventil offen ist, und wenn er sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt, ist das Rückschlagventil geschlossen und die Flüssigkeit wird vom Kolben gepumpt.
US-Patent Nr. 4,541,787 (Sanford D. DeLong) beschreibt eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe mit einem „magnetisch reagierenden" Kolben, da er etwas ferromagnetisches Material enthält. Der Kolben wird von wenigstens zwei Spulen betätigt, die sich außerhalb des Zylinders befinden, der den Kolben enthält. Die Spulen werden mit einer erforderlichen Zeitsteuerung von einem Strom erregt.
PCT-Patentbeschreibung Nr. WO 98/52640 (Q-Core Ltd) beschreibt ein Fluidsteuersystem, das eine oder mehrere eine elektromagnetische Vorrichtungen) zur Fluiddurchflussregelung wie Ventile aufweist und das zur Fluidsteuerung bei medizinischer Infusion verwendet wird, bei der das langsame Injizieren von Flüssigkeiten in einen Patienten über ein Minuten oder Stunden dauerndes Zeitintervall mit Echtzeit-Prozesssteuerung erforderlich ist. Das Fluiddurchflusssteuerventil weist eine Fluiddurchflussleitung mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass und mit einem oder mehreren diskreten magnetischen Elementen auf, die sich in der Leitung befinden, wobei diese diskreten magnetischen Elemente kugelförmig sind und mithilfe einer Anzahl von selektiv aktivierten Elektromagneten, die in Assoziation mit der Leitung angeordnet sind, positioniert werden. Das kugelförmige magnetische Element kann entweder zum Schließen des Fluiddurchflusses durch Eingriff mit entweder einem Fluideinlass oder -auslass oder zum Öffnen eines Fluiddurchflusses, indem es zwischen dem Fluideinlass und -auslass positioniert wird, positioniert werden.
Tropfen mit einem Mikrolitervolumen und kleinere Tropfen können auch mit dem Elektrosprayverfahren erzeugt werden, das hauptsächlich zum Einspritzen eines Fluids in ein chemisches Analysesystem, wie ein Massenspektrometer, verwendet wird. In den meisten Fällen ist die gewünschte Elektrosprayausgabe kein Strom von kleinen Tropfen sondern eher von ionisierten Molekülen. Das Verfahren stützt sich auf das Zuführen einer Flüssigkeit unter Druck durch eine Kapillare in Richtung auf ihr Ende und dann wird am Ende der Kapillare ein starkes elektrostatisches Feld erzeugt, indem zwischen dem Ende der Kapillare und einem nahe an ihr platzierten Leiter eine hohe Spannung angelegt wird, üblicherweise über 400 V. Ein geladenes Fluidvolumen am Ende der Kapillare wird durch Coulomb'sche Wechselwirkung vom Rest der Kapillare abgestoßen, da sie mit gleichen Ladungen geladen sind. Dies bildet einen Strom geladener Teilchen und Ionen in der Form eines Kegels mit der Spitze am Ende der Kapillare. Eine typische Elektrospray-Anwendung wird in US-Patentbeschreibung Nr. 5115131 (James W. Jorgenson et al.) beschrieben.
Es gibt Erfindungen, bei denen die von einer Kapillare emittierten Tröpfchen geladen werden, um zu verhindern, dass sie mit Koagulation zusammenkommen. Dieser Ansatz wird in US-Patent Nr. 5,891,212 (Jie Tang et al.) zur Herstellung von einheitlichen geladenen Kugeln beschrieben. US-Patent Nr. 4,30,.166 (Mack J. Fulwyler et al.) lehrt die Handhabung gleichmäßiger Teilchen, die jeweils einen Kern aus einer Flüssigkeit und eine verfestigte Hülle enthalten. In dieser Erfindung wird das elektrische Feld auf ähnliche Weise angelegt, um die Teilchen auseinander zu halten, bis die Hülle der Teilchen fest geworden ist. In dieser Erfindung werden die Teilchen aus einem Strahl gebildet, indem eine periodische Störung auf den Strahl angewendet wird. US-Patent Nr. 4,956,128 (Martin Hommel et al.) lehrt die Ausgabe von einheitlichen Tröpfchen und ihre Umwandlung in Mikrokapseln. Eine Spritzenpumpe speist das Fluid in eine Kapillare. An die Kapillare wird eine Reihe von Hochspannungsimpulsen angelegt. Die Größe der Tröpfchen wird von der Zufuhr von Fluid durch die Kapillare und der Wiederholungsfrequenz der Hochspannungsimpulse bestimmt. Das Patent bespricht die Erzeugung eines einzelnen Tropfens bei Bedarf. US-Patent Nr. 5,639,467 (Randel E. Dorian et al.) lehrt ein Verfahren der Beschichtung von Substraten mit einer einheitlichen Schicht aus biologischem Material. Es wird ein Tröpfchengenerator eingesetzt, der aus einem mit einer Kapillare verbundenen unter Druck stehenden Behälter besteht. Zwischen der Kapillare und der aufnehmenden Gelierungslösung wird eine hohe konstante Spannung angelegt.
Es gibt zahlreiche Verfahren für die Tintenstrahlausgabe. Im anhaltenden Fortschritt auf diesem Gebiet ist die Tintenstrahldruckindustrie die hauptsächliche treibende Kraft. Einige der gut bekannten Verfahren werden unten angeführt:

a) Eines der ältesten Verfahren zum Erzeugen separater und einheitlicher Tröpfchen basiert auf dem Unterbrechen eines aus der Düse austretenden Flüssigkeitsstrahls. Zum Steuern des Zerlegens des Strahls in separate Tröpfchen werden periodische Schwingungen an den Flüssigkeitsstrahl angelegt. Die optimale Frequenz F derartiger Schwingungen wurde vor über hundert Jahren von Lord Rayleigh geschätzt:
wobei

V

– Geschwindigkeit des austretenden Strahls

d

– Strahldurchmesser.

Bei dieser Frequenz werden alle Tröpfchen einheitlich mit dem gleichen Volumen geschaffen. Ein typisches Ausführungsbeispiel für dieses Verfahren ist in US-Patent Nr. 5,741,554 (Tissone) zu finden.
b) In zahlreichen Tintenstrahldruckausführungen werden von einem piezoelektrischen Steller Druckwellen im Inneren einer Flüssigkeit enthaltenden Kammer erzeugt. Von Druckwellen beschleunigt erreicht die Flüssigkeit in der Kammer eine ausreichend hohe Geschwindigkeit, um sich durch die Düse zu bewegen und Kapillarkräfte an der Spitze zu überwinden. In einem solchen Fall wird ein kleines Tröpfchen gebildet.
c) Nach einem weiteren Verfahren ändert der piezoelektrische Transducer das Volumen des Behälters und erzeugt Druckwellen in der Flüssigkeit im Behälter. Die Wirkung der Druckwelle verursacht, dass eine gewisse Menge der Flüssigkeit (Tinte) durch die Düse geht und Tröpfchen bildet, die von der Flüssigkeitsmasse im Behälter getrennt sind, siehe beispielsweise US-Patent Nr. 5,508,726 (Sugahara).
d) In US-Patent Nr. 5,491,500 (Inui) wird ein Tintenstrahlkopf beschrieben, wobei Flüssigkeit im Druckkopf von fortschreitenden Wellen, die von einer synchronisierten Reihe von piezoelektrischen Vorrichtungen erzeugt werden, „geschoben" wird. Schließlich gewinnt die Flüssigkeit im Druckkopf genug Geschwindigkeit, um Tröpfchenfolgen durch die Düse zu sprühen.

In den oben angeführten Verfahren a) bis d) muss man Flüssigkeit ohne Dampf und Blasen haben. Tröpfchenviskosität, Oberflächenspannung sind sehr wichtig. In den Fällen b) und c) können Tröpfchen nur eine feste Größe haben.
Zusammenfassend gilt, dass das häufigste Verfahren zum Handhaben von Reagenzien in HTS-Anwendungen auf einer Verdrängerpumpe und einer Gasblase basiert. Das Problem ist, dass beim Ausgeben von Reagenzienvolumen um 1 Mikroliter oder weniger die Schwankung des Blasenvolumens während des Ausgebens die Genauigkeit beeinträchtigt. Es hat sich als schwierig erwiesen, mit diesem Verfahren kleine Tröpfchen mit dem genau benötigten Volumen auszuspritzen.
Die Verwendung eines Magnetventils hat zwei Hauptnachteile, wenn es für HTS-Anwendungen verwendet wird. Der erste sind die relativ hohen Kosten eines Magnetventils, sodass es kein Einmal-Element sein kann und Kreuzkontamination daher ein bedeutendes Problem sein kann. Weitere Schwierigkeiten wurden beim Erzielen von Totvolumen von weniger als 1 bis 2 Mikroliter in einem konventionellen Magnetventil festgestellt.
Piezospender werden zwar verwendet, sind aber oft nicht gut geeignet zum Ausgeben von Reagenzien für medizinische Anwendungen. Grund dafür ist, dass der Piezospender gewöhnlich erfordert, dass auszugebendes Fluid gut definierte und gleichmäßige Eigenschaften hat. Leider haben in medizinischen und biomedizinischen Anwendungen verwendete Reagenzien und Körperflüssigkeiten stark variierende Eigenschaften und enthalten oft Teilchen und Inhomogenitäten, die die Düse des Piezospenders verstopfen können.
Durch die zunehmend kleinere Größe von Vertiefungen wird das Problem, dass die richtige Vertiefung verpasst wird oder das flüssigen Reagens an der falschen Stelle des Substrats, auf das das Reagens aufgebracht wird, abtropft, immer bedeutender. Die Messung des Volumens der ausgegebenen Tropfen im Submikroliterbereich ist eine enorme Aufgabe. Ein äußerst erwünschtes und wertvolles Merkmal eines Liquid-Handling-Instruments wäre es, das Volumen einzelner Tröpfchen messen zu können, besonders im Submikroliterbereich, und auch das Messen des Ausgabeereignises, das es möglich macht, das Verpassen eines Tropfens auszuschließen.
US-Patent Nr. 5,559,339 (Domanik) lehrt ein Verfahren zum Verifizieren eines Ausgebens eines Fluids aus einer Ausgabedüse. Das Verfahren basiert auf der Kopplung von elektromagnetischer Strahlung, die gewöhnlich Licht ist, aus einer Quelle zu einem Empfänger. Während ein Tröpfchen Fluid sich aus der Düse bewegt, behindert es die Kopplung und die vom Empfänger detektierte Intensität des Signals wird daher verringert. Der Mechanismus einer solchen Behinderung ist Absorption elektromagnetischer Strahlung durch das Tröpfchen. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass je kleiner die Tröpfchengröße, umso kleiner die Absorption in ihm. Das Verfahren würde bei Fluids, die die Strahlung nicht absorbieren, ziemlich sicher nicht funktionieren.
Für einen Bereich von Anwendungen, wie z.B. Hochdurchsatz-Screening, bei dem winzige Fluidtröpfchen mit einem breiten Spektrum optischer Eigenschaften ausgegeben werden müssen, sind die in dieser Beschreibung offengelegten Verfahren ungeeignet. Weiter bestätigt die Beschreibung, dass es nur bei größeren Tröpfchen zufriedenstellend funktioniert.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf das Bereitstellen eines verbesserten Verfahrens und einer verbesserten Vorrichtung zum Ausgeben von nur 10 nl = 10^–8l großen oder sogar noch kleineren Flüssigkeitsvolumen, während es gleichzeitig möglich sein sollte, größere Tröpfchen auszugeben, wie jene, die 10 Mikroliter groß oder noch größer sind.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Menge des ausgegebenen Fluids, von der Bedienkraft frei ausgewählt und vom Ausgabesystem genau geregelt werden kann. Das System sollte im Vergleich mit z.B. Tintenstrahldruck, bei dem das Volumen einer Ausgabe fest ist und Ausgaben nur in Mehrfachen dieser Menge möglich sind, in der Lage sein, z.B. einen 10-nl-Tropfen gefolgt von einem 500-nl-Tropfen, auszugeben.
Die Erfindung betrifft auch das Bereitstellen eines Verfahrens, bei dem das Fluid bei Bedarf ausgegeben werden kann, d.h. eine Menge kann zu einer erforderlichen Zeit ausgegeben werden, im Gegensatz zu einer Reihe von Ausgaben mit periodischen Zeitintervallen zwischen ihnen. Trotzdem sollte das Verfahren aber auch die Ausgabe von Dosen mit regelmäßigen Intervallen zwischen aufeinanderfolgenden Ausgaben ermöglichen, z.B. Drucken mit Reagenzien.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die zum Ausgeben eines Fluids aus einer Versorgungsleitung in eine Probenvertiefung und auch zum Ansaugen eines Fluids aus der Probenvertiefung in die Versorgungsleitung geeignet ist. Die Vorrichtung sollte die Menge des aus einer Versorgungsvertiefung in die Düse des Spenders angesaugten Fluids genau regeln können.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein kostengünstiges vorderes Ende der hierin mit Spender bezeichneten Ausgabevorrichtung bereitzustellen, das beseitigt werden könnte, wenn es kontaminiert wird, nämlich der Teil, der mit den ausgegebenen Reagenzien direkt in Kontakt kommt. Es ist eine wichtige Aufgabe der Erfindung, einen solchen Spender bereitzustellen, sodass das Abtrennen und Ersetzen leicht erzielt werden können, wie z.B mit einem Arm eines Roboters.
Eine weitere Aufgabe ist das Bereitstellen eines Handling-Verfahrens für Fluids in einem Robotersystem für Hochdurchsatz-Screening oder Mikroarrays, das für das genaue Ausgeben und Ansaugen von Volumen geeignet wäre, die kleiner als die mit aktuellen Verdrängerpumpen erreichbaren sind.
Noch eine weitere Aufgabe ist es, ein Mittel für ein genaueres Fördern eines Tropfens von flüssigem Reagens in eine richtige Zielvertiefung auf einem Substrat bereitzustellen und auch die Genauigkeit des Förderns des Tropfens in eine korrekte Lage in einer Teil eines aufnehmenden Substrats bildenden Vertiefung zu verbessern.
Noch eine weiter Aufgabe ist es, ein Mittel zum Richten der Fluiddosen in verschiedene Vertiefungen einer Probenvertiefungsplatte und ein Mittel zum Steuern der Lieferadresse der Dosis auf der Probenvertiefungsplatte zum Beschleunigen des Liquid-Handling-Vorgangs bereitzustellen.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, „Spritzen" beim Ankommen des Tropfens in der Vertiefung zu verringern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Informationen zu erbringen, ob der Tropfen ausgegeben wurde oder nicht. Es ist eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung, das Volumen des ausgegebenen Tropfens zu messen.
Kennzeichnender Teil
Nach der Erfindung ist eine Ausgabeanordnung für Flüssigkeitströpfchen des Folgendes umfassenden Typs vorgesehen:
einen Dosierventilspender, der ein längliches Körperelement mit einer Hauptbohrung umfasst, die in einem einen Eingang zu einer Düse bildenden Ventilsitz endet, wobei die Düse eine in einer Ausgabespitze endende Düsenbohrung hat,
ein in dem Körperelement untergebrachtes Ventilelement aus hartem magnetischem Material, dessen Querschnittsfläche ausreichend kleiner als die der Hauptbohrung ist, um das freie Hindurchströmen von Flüssigkeit dazwischen und das Umgehen des Ventilelements zu gestatten,
eine separate Ventilelementbetätigungsanordnung neben dem Körperelement und
eine Fördereinrichtung, die eine separate Druckflüssigkeitsförderquelle zum Bewegen von Druckflüssigkeit durch ein Flüssigkeit führendes Rohr zu dem Spender umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass das schwimmende Ventilelement ein längliches Ventilelement für begrenzte nicht mit der Hauptbohrung fluchtende Bewegung ist und entlang seiner Längsachse magnetisiert ist.
Dies hat insofern große Vorteile, als die Ausgabeanordnung für die eigentliche Förderung nicht von einer Verdrängerpumpe oder einer sonstigen unter Druck stehenden Quelle abhängig ist, sie verwendet eine Vorrichtung, die effektiv ein Magnetventil ist, aber ein nicht konventionell aufgebautes Magnetventil. Sie braucht lediglich eine Druckflüssigkeitsförderung, die jede beliebige Form von Druckflüssigkeitsförderung sein kann, wie eine Verdrängerpumpe, die als Druckquelle wirkt, nicht als eine Dosiervorrichtung. Es ist wichtig zu erkennen, dass zwischen dem Ventilelement und den anderen Teilen des Spenders keine mechanische Verbindung besteht. Es gibt keine Federn oder sonstigen mechanischen Stellmittel. Tatsächlich gibt es im Spender praktisch kein Totvolumen. Es wird auch darauf hingewiesen, dass der Spender von den Betätigungsspulen effektiv separat ist, sodass ein sehr kostengünstiger Spender verwendet werden kann, der leichtes Entfernen ermöglicht. Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist, dass das längliche Körperelement des Spenders effektiv ein Einmal-Element ist.
Wie oben angegeben, ist das Ventilelement aus einem harten Magnetmaterial, und im Idealfall wird das Ventilelement durch ein externes Magnetfeld, das von der Betätigungsspulenanordnung erzeugt wird, auf eine geschlossene Position in Eingriff mit dem Ventilsitz vorgespannt. Dies steht in direktem Gegensatz zu konventionelleren Magnetventilen, bei denen der Kolben gewöhnlich aus einem weichen Magnetmaterial ist. Es wurde festgestellt, dass zum Ausgeben winziger Volumen die Kraft, die durch eine Stromspule von dem Ventilelement ausgeübt werden kann, bei einem harten Magnetmaterial größer ist und das Ventilelement sich daher schneller bewegt und eine größere Ausgabegenauigkeit erzielt wird. Bei einem harten Magnetmaterial wird nur eine Spule benötigt, da nur die Richtung des Stroms umgekehrt werden muss, um das Ventil zu öffnen und zu schließen.
Im Idealfall ist das Ventilelement mit einer Schicht aus weichem Polymermaterial überzogen. Das gewährleistet, dass am Ventilsitz eine gute Dichtung vorhanden ist. Alternativ kann das Ventilelement aus einem elastischen gebundenen magnetischen Material gefertigt sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Betätigungsspulenanordnung zwei separate Spulensätze zum Bewegen des Elements in entgegengesetzte Richtungen in dem Körperelement. Offensichtlich sind zwei Spulen notwendig, wenn das Ventilelement aus einem weichen Magnetmaterial gefertigt ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Betätigungsspulenanordnung eine Quelle elektrischer Energie und eine Steuervorrichtung zum Variieren des Stroms im Verhältnis zur Zeit beim Ausgeben jedes Tröpfchens. Das Variieren des Stroms gewährleistet, dass der Spitzenstrom zugeführt wird, wenn er benötigt wird, d.h. beim tatsächlichen Öffnen und Schließen des Ventils, während dadurch, dass der Strom variiert wird und der höchste Strom nur bei Bedarf verwendet wird, eine Überhitzung vermieden wird und die Verwendung von Strom eines höheren Stromwerts bei Bedarf ist, wie darauf hingewiesen wird, akzeptabel und nützlich.
Eine vorteilhafte Form für das Element ist ein zylindrischer Stößel. Dies ist besonders vorteilhaft für harte magnetische Materialien, da eine axialsymmetrische Magnetisierung erzielt werden kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung hat der zylindrische Stößel radial verlaufende Umfangsrippen, wodurch bei Bewegung des Elements in Richtung auf den Ventilsitz Flüssigkeit in die Düsenbohrung und auf die Spitze gedrängt wird. Dies gewährleistet noch zwangläufigere Verdrängung der Flüssigkeit in die Düsenbohrung und daher zwangläufigere Ausgabe der Tröpfchen. Derartige Materialien können entweder Hart- oder Weichmagneteigenschaften haben, und wenn sie aus einem relativ weichen Polymermaterial sind, können sie die Leistung der Dichtung verbessern.
Idealerweise bilden das Körperelement und die Düse das eine einstöckige Formteil aus Kunststoffmaterial und einstückiges Formen ist relativ kostengünstig und verbessert die Einmal-Benutzbarkeit weiter.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Ausgabeanordnung vorgesehen, die Folgendes umfasst:
eine in die Ausgabespitze integrierte Elektrode;
eine von der Spitze ferne separate Aufnahmeelektrode und
eine Hochspannungsquelle, die mit einer der Elektroden verbunden ist, um dazwischen ein elektrostatisches Feld zu erzeugen, um das Ablösen eines an der Ausgabespitze gebildeten Tröpfchens zu verursachen.
Es ist oft vorteilhaft, den Druck in der mit dem Spender verbundenen Leitung zu verringern, da dies das Herstellen von viel leichteren druckdichten Verbindungen ermöglicht und daher die Einmal-Benutzbarkeit und Austauschbarkeit von Teilen des Spenders vorteilhaft erhöht. Des Weiteren werden wegen der Verwendung niedrigerer Drücke die Tröpfchen jetzt bei diesen niedrigeren Drücken mit niedrigerer Geschwindigkeit ausgestoßen, sodass Spritzen minimalisiert wird. Das elektrostatische Feld lässt den Spender noch weiter funktionieren.
Idealerweise befindet sich die Aufnahmeelektrode unterhalb der Ausgabespitze und ein Tröpfchenaufnahmesubstrat kann zwischen der Aufnahmeelektrode und der Ausgabespitze angebracht sein oder unterhalb der Aufnahmeelektrode angebracht sein, wobei die Aufnahmeelektrode im letzteren Fall wenigstens ein Loch hat, durch das das Tröpfchen zu dem Aufnahmesubstrat hindurchströmen kann. Es kann allerdings eine Mehrzahl von Aufnahmeelektroden geben, von denen stets jeweils wenigstens eine aktiviert ist. Alle diese verbessern die Genauigkeit und Steuerung des Ausgebens. Im Idealfall sind für genaues Ablegen von Tröpfchen auf dem Substrat eventuell Synchron-Teilbewegungsmittel für den Spender und/oder die Aufnahmeelektrode bereitgestellt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung gibt es mehr als eine Aufnahmeelektrode, die Tröpfchenablenkungselektroden bilden, die unterhalb der Ausgabespitze und oberhalb des Tröpfchenaufnahmesubstrats angebracht sind, und bei der die Hochspannungsquelle Steuermittel zum Variieren der an die Ablenkungselektroden angelegten Spannung hat. Diese alle verbessern die Genauigkeit des Leitens der Tröpfchen auf das Aufnahmesubstrat weiter. Dies ist mit der Miniaturisierung von Substraten besonders wichtig geworden, da es zunehmend schwieriger wird sicherzustellen, dass das Tröpfchen sein richtiges Ziel erreicht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Detektor zum Erfassen der Trennung des Tröpfchens von der Ausgabespitze vorgesehen. In einem besonders bevorzugten Beispiel für diese letztere Ausgestaltung umfasst der Detektor Folgendes:
eine Quelle elektromagnetischer Strahlung;
Mittel zum Bündeln der Strahlen auf das Ende der Ausgabespitze und
Mittel zum Sammeln der von einem Tröpfchen an der Ausgabespitze transmittierten Strahlen. Vorzugsweise sind dies reflektierte oder gebrochene Strahlen.
In vielen Fällen muss sichergestellt werden, dass ein Tröpfchen auch tatsächlich ausgegeben wurde. In einigen dieser Ausgestaltungen ist die Strahlungsquelle in der Spenderdüse montiert.
Im Idealfall sind Mittel zum Messen der Ladung des Tröpfchens bereitgestellt, was bequem in einem Faradaybecher erfolgen kann, der einen Boden haben oder bodenlos sein kann. Dadurch kann sowohl die Ladung als auch die Masse des Tröpfchens festgestellt werden und besonders bei Verwendung des bodenlosen Faradaybechers kann die tatsächliche Masse des Tröpfchens ohne Flüssigkeitsverlust festgestellt werden.
Ferner sieht die Erfindung ein Verfahren zum Ausgeben eines Tröpfchens mit einem Volumen von weniger als zehn Mikrolitern (10 μl) aus einer Druckflüssigkeitsförderquelle durch einen Dosierventilspender vor, der ein längliches Körperelement mit einer Hauptbohrung, die durch einen Ventilsitz mit einer Düse kommuniziert, die eine in einer Ausgabespitze endende Düsenbohrung hat, ein separates längliches schwimmendes Ventilelement aus hartem magnetischem Material, das in dem Körperelement für begrenzte nicht mit der Hauptbohrung fluchtende Bewegung untergebracht ist und entlang seiner Längsachse magnetisiert ist, wobei die Querschnittsfläche des länglichen schwimmenden Ventilelements ausreichend kleiner als die der Hauptbohrung ist, um das freie Hindurchströmen von Flüssigkeit dazwischen zu gestatten, sodass das Ventilelement umgangen wird; und eine das Körperelement umgebende separate Ventilelementbetätigungsspulenanordnung umfasst, umfassend die folgenden Schritte:
Fördern der Druckflüssigkeit zu dem Spender;
Öffnen des Ventils durch Betätigen der Spulenanordnung für eine voreingestellte Zeit, um Flüssigkeit um das Ventilelement herum in die Düsenbohrung zu fördern; und
Schließen des Ventils beim Abtropfen des Tröpfchens.
Bei diesem letzteren Verfahren kann der Schritt durchgeführt werden, dass beim Sperren des Ventils ein Spannungsimpuls an einer von der Ausgabespitze fernen Aufnahmeelektrode erzeugt wird, um ein elektrostatisches Feld zu erzeugen, um ein elektrostatisches Potential zwischen dem Tröpfchen und der Aufnahmeelektrode zu verursachen, um es von der Ausgabespitze abzulösen. Die Flüssigkeit kann daher mit einem Druck von weniger als 4 oder sogar 2 Bar beaufschlagt werden.
Bei diesem letzteren Verfahren kann die Aufnahmeelektrode unterhalb eines Tröpfchenaufnahmesubstrats und der Düse oder zwischen einem Tröpfchenaufnahmesubstrat und der Düse angebracht sein. Bei beiden Verfahren könnte die Eelektrode bewegt werden, nachdem jedes Tröpfchen ausgegeben worden ist, um das nächste Tröpfchen auf eine andere Position auf dem Substrat zu richten, und ferner können bei jedem beliebigen dieser Verfahren voneinander beabstandete Ablenkungselektroden um die Ausgabespitze und ein Tröpfchenaufnahmesubstrat angeordnet sein und die Elektroden haben differentielle Ladungen, um zu verursachen, dass das Tröpfchen sich beim Abtropfen von der Ausgabespitze seitlich bewegt. Dies gewährleistet genaues Platzieren von Tröpfchen auf Substraten. Die Ablenkungselektroden können allerdings an vielen geeigneten Stellen über oder unter dem Substrat positioniert werden, was lediglich nötig ist, ist das Ablenken des Tröpfchens.
Ferner sieht die Erfindung ein Verfahren vor, das die folgenden Schritte umfasst:
Messen des Volumens eines Tröpfchens einer bestimmten Flüssigkeit für unterschiedliche Abtropfspannungen;
Speichern einer Datenbank der Messungen;
Aufzeichnen der Abtropfspannung, wenn ein Tröpfchen sich von der Ausgabespitze löst; und
Abrufen des Volumens aus der Datenbank.
Dies ist eine besonders geeignete Methode zum Kalibrieren der Vorrichtung.
Vorzugsweise wird die Abtropfspannung mit einem Faradaybecher gemessen.
Wenn das Abtropfen eines Tröpfchens aufgezeichnet werden soll, sieht diese Erfindung ein Verfahren dafür vor, das die folgenden Schritte aufweist: Richten eines elektromagnetischen Strahls von einer Quelle elektromagnetischer Strahlung auf das Tröpfchen, wenn es sich an der Spitze bildet; und Überwachen der von dem Tröpfchen gekoppelten elektromagnetischen Strahlung an einem von dem Tröpfchen fernen Sammler.
Bei diesem letzteren Verfahren kann der Lichtstrahl die Quelle elektromagnetischer Strahlung sein und die von dem Tröpfchen reflektierte und/oder gebrochene Lichtmenge wird überwacht. Dies ist eine besonders praktische und relativ kostengünstige Methode des Bereitstellens einer Strahlungsquelle.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren werden die folgenden Schritte durchgeführt:
Messen der Ladung von Tröpfchen einer bestimmten Flüssigkeit für verschiedene Tröpfchenvolumen;
Speichern einer Datenbank der Messungen;
Aufzeichnen der Ladung an jedem Tröpfchen und
Abrufen der Volumen aus der Datenbank.
Dies ist eine sehr geeignete Methode zum Erhalten der Masse und des Volumens der diversen Flüssigkeiten, die ausgegeben werden.
Eine besonders geeignete Methode der Durchführung dieses Verfahrens erfolgt durch:
Messen der Breite des Spannungsimpulses in einem Faradaybecher;
Ermitteln der Zeit, die das Tröpfchen zum Passieren durch den Becher benötigt;
Ableiten der Geschwindigkeit des Tröpfchens von der zum Passieren durch den Becher benötigten Zeit und
Berechnen der Masse des Tröpfchens anhand der spezifischen Ladung.
Der große Vorteil der Verwendung eines Faradaybechers ist, dass es keine Zerstörung und keinen Verlust von irgendwelchen der Tröpfchen gibt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung einiger Ausgestaltungen davon, die nur beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen angegeben werden, besser verständlich. Es zeigt:
1(a) und (b) schematische Darstellungen einer Verdrängerpumpenanordnung vom Stand der Technik;
2 und 3 schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Ausgabeanordnung;
4 und 5 schematische Darstellungen eines weiteren alternativen Aufbaus der Ausgabeanordnung;
6 eine Darstellung eines alternativen Spenderaufbaus;
7 eine Darstellung eines weiteren Spenderaufbaus;
8(a) und (b) eine Darstellung eines weiteren Spenderaufbaus in geschlossener und offener Betriebsart;
9 eine Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgabeanordnung;
10 eine Darstellung noch einer weiteren Ausgabeanordnung;
11 eine Darstellung noch einer Ausgabeanordnung;
12 ein Schaubild von Niederdruck-Tröpfchenbildung;
13 ein Schaubild von Hochdruck-Tröpfchenbildung;
14 ein Schaubild, das die Wirkung eines Tröpfchenvolumens auf die Abtropfspannung zeigt;
15 ein Schaubild des Verhältnisses der Abtropfspannung zu Entfernungen von der Spitze zu einer Elektrode;
16 eine schematische Darstellung einer Testanordnung;
17 ein Schaubild der Wirkung der Ablenkungselektrodenspannung auf eine Tröpfchenablenkung;
18 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Waage;
19 den Schaltplan der elektromagnetischen Waage von 18;
20 bis 24 Darstellungen verschiedener erfindungsgemäßer Tröpfchen-Abtropfdetektoren;
25 eine Aufzeichnung eines Tests zum Feststellen, dass das Volumen eines Tröpfchens mit der elektrostatischen Ladung, die es hält, in Bezug steht;
26 eine Aufzeichnung eines dem Test in 25 ähnlichen Tests unter anderen Bedingungen;
27 eine Aufzeichnung der Wirkung eines Tröpfchens in einem Faradaybecher;
28 eine grafische Darstellung des Rauschens und der Empfindlichkeit einer Ausgabeanordnung;
29 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen mit einem Faradaybecher verwendeten elektronischen Schaltung;
30 eine schematische Darstellung einer Faradaybecher-Anwendungsform;
31 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Faradaybecher-Anwendungsform;
32(a) und (b) Darstellungn eines alternativen Spenderaufbaus;
33 eine Seitenansicht eines alternativen Spenderaufbaus;
34 eine Draufsicht des Spenders von 33;
35 eine Schnittansicht des Spenders von 33;
36 eine Seitenansicht noch eines weiteren Spenders;
37 eine Draufsicht des Spenders von 36; und
38 eine Schnittansicht des Spenders.
Im Folgenden wird Bezug genommen auf die Zeichnungen und zunächst auf die den Stand der Technik zeigenden 1(a) und 1(b), die ein konventionelles Verfahren der Flüssigkeitströpfchenerzeugung unter Verwendung einer Verdrängerpumpe zeigen. Dargestellt ist ein Motor 1, der einen Kolben 2 einer Wasser 4 enthaltenden Verdrängerpumpe 3 antreibt, die durch biegsames Rohr 5 mit einem Roboterarm 6 verbunden ist, der eine Düse 7 mit einer Spitze 8 trägt, in welche das Rohr 5 hineinragt. Ein Reagens 9 ist in der Düse 7 neben der Spitze 8 enthalten und durch eine Gasblase 10 vom Wasser 4 getrennt, siehe 1(b). Der Motor 1, der gewöhnlich ein Schrittmotor oder Servomotor ist, bewegt den Kolben 2 jeweils zum Ausgeben des Reagens.
Die Beschreibung mit Bezug auf die 2 bis einschließlich 5 beschreibt eine Ausgabeanordnung des mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Typs. Die folgende Beschreibung beschreibt ausführlich den Aufbau und die Funktionsweise von Teilen der Ausgabeanordnung, die zum Verständnis der Erfindung notwendig sind.
In den 2 und 3, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist eine Ausgabeanordnung für Flüssigkeitströpfchen dargestellt, die allgemein mit der Bezugsnummer 20 gezeigt ist. Die Ausgabeanordnung 20 umfasst eine allgemein mit der Bezugsnummer 21 gezeigte Fördereinrichtung, die wiederum eine Druckquelle 22 umfasst, die einen Druckregler 23 und eine Druckanzeigevorrichtung 24 speist, die alle mit einer elektronischen Steuervorrichtung 25 verbunden sind. Die Druckanzeigevorrichtung 24 wiederum speist durch eine Hochdruck-Luftleitung 26 einen Schalter 27, der auch von einer Vakuumpumpe 28 und Vakuumleitung 29 gespeist wird. Der Schalter 27 ist auch mit der elektronischen Steuervorrichtung 25 verbunden. Der Schalter 27 ist über eine weitere Luftleitung 30 mit einem Reagensbehälter 31 verbunden, der wiederum über ein Flüssigkeit führendes Rohr 32 einen Spender speist, der allgemein mit der Bezugsnummer 40 gezeigt wird.
Der Spender 40 ist in 3 ausführlicher dargestellt und umfasst ein längliches Körperelement 41 mit einer Hauptbohrung 42, die an einem Ende mit dem Flüssigkeit führenden Rohr 32 verbunden ist. Am anderen Ende hat die Hauptbohrung einen Ventilsitz 43, der mit einer Düse 44 verbunden ist, die eine in einer Ausgabespitze 46 endende Düsenbohrung 45 hat. Das Ventilelement 47 aus einem mit einem weichen Polymer 48 überzogenen ferromagnetischen Material sitzt in der Hauptbohrung 42 und hat eine Querschnittsfläche, die kleiner als die der Hauptbohrung 42 ist.
Eine separate Ventilelementbetätigungsspulenanordnung, die eine obere und eine untere Spule 50 bzw. 51 umfasst, ist separat vom Körperelement 41 bereitgestellt und auch mit der elektronischen Steuervorrichtung 25 verbunden. Wie in 2 zu sehen ist, ist die Stromquelle für die Spulen 50 und 51 nicht abgebildet.
In 2, auf die jetzt wieder Bezug genommen wird, ist ein Tröpfchenaufnahmesubstrat 55, gewöhnlich in der Form einer Reihe von Vertiefungen, unter der Ausgabespitze 46 und über einer leitenden Platte 56 angebracht. Die leitende Platte 56 ist durch eine Hochspannungsquelle 57 mit der elektronischen Steuervorrichtung 25 verbunden. Das Reagens, wenn in der Form von Tröpfchen, ist mit der Bezugsnummer 58 in 2 kenntlich gemacht.
Es ist zu beachten, dass der Spender 40 durch eine Erdleitung 59 geerdet ist, wodurch die Ausgabespitze 46 effektiv zur Elektrode wird.
Im Betrieb wird das Reagens in der Hauptbohrung 42 des Körperelements 41 gespeichert und die Steuervorrichtung 25 wird betrieben, um zu verursachen, dass die Spulen 50 und 51 aktiviert werden, um das Ventilelement 47 aus dem Ventilsitz 43 zu heben und das Reagens zwischen dem Ventilelement 47 und den Wänden der Hauptbohrung 42 in die Düsenbohrung 45 hinunterströmen zu lassen, bis die Spulen wieder aktiviert werden, um das Ventil durch Senken des Ventilelements 47 zu verschließen. Wenn das Ventil sich öffnet, wird das Reagens der Ausgabespitze 46 zugeführt und das Tröpfchen 58 wächst. Das Volumen des Tröpfchens 58 wird offensichtlich davon bestimmt, wie lange das Ventil offen ist, und von der Viskosität der Flüssigkeit, der Querschnittsfläche der Düsenbohrung, ihrer Länge und auch dem auf die Flüssigkeit durch das Ventil von dem Schalter 27 ausgeübten Druck. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn der auf die Flüssigkeit ausgeübte Druck weit genug über Umgebungsdruck liegt, der normalerweise atmosphärisch ist (1 bar), das Tröpfchen aus der Spitze 46 ausgestoßen wird. In vielen Fällen, wenn der Druck zu niedrig ist, oder jedenfalls der Genauigkeit halber, verursacht aber das Anlegen einer relativ hohen Spannung an die leitende Platte 56, dass ein elektrostatisches Feld zwischen der Ausgabespitze 46 und dem Substrat 55 angelegt wird, wodurch verursacht wird, dass das Tröpfchen 58 von einer Kraft, die beträchtlich größer als die Schwerkraft ist, abwärts auf das Substrat 55 gezogen wird.
Um Reagens von einem Substrat oder allerdings aus einem beliebigen Reagensvorrat oder -behälter anzusaugen, wird die Vakuumpumpe 28 betrieben und der Schalter 27 geeignetermaßen angeordnet, um sicherzustellen, dass die Vakuumpumpe 28 und die Vakuumleitung 29 mit der Ausgabeanordnung 20 verbunden werden. Das Ventil wird geöffnet und die Flüssigkeit in den Spender 40 aufgesaugt.
Im Folgenden wird nun Bezug genommen auf die 4 und 5, in denen ein alternativer Aufbau einer Ausgabeanordnung dargestellt wird, die allgemein mit der Bezugsnummer 60 gezeigt wird. In dieser Ausgestaltung wird der Spender allgemein mit der Bezugsnummer 70 gezeigt und Teile, die den in der vorhergehenden 3 beschriebenen ähnlich sind, sind mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet. Der einzige Unterschied zwischen dem Spender 70 und dem Spender 40 ist der, dass in der Hauptbohrung 42 ein Elementanschlag 71 bereitgestellt ist. In dieser Ausgestaltung, wobei besonders auf 4 Bezug genommen wird, umfasst die allgemein mit der Bezugsnummer 80 gezeigte Fördereinrichtung ein Verdrängungs-Liquid-Handling-System. Es ist ein Schrittmotor 81 bereitgestellt, der geeignete Steuerungen aufweist, die einen Kolben 82 einer Pumpe 83 betreiben, die Wasser 84 enthält, das vom biegsamen Rohr 86 zum Spender gefördert wird, wobei Luft 87 das Wasser 4 vom Reagens trennt. Das Rohr 86 ist durch eine geeignete Dichtung 88 mit dem Spender 70 verbunden.
In 6, auf die Bezug genommen wird, ist ein alternativer Aufbau eines Spenders dargestellt, der allgemein mit der Bezugsnummer 90 gezeigt wird, wobei Teile, die den in den vorhergehenden Zeichnungen beschriebenen ähnlich sind, mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet werden. In dieser Ausgestaltung weist der Spender 90 ein zylindrisches Ventilelement 91 aus permanentmagnetischem Material auf, das von einer Polymerbeschichtung 92 umgebenen ist. Auch hier ist zu beachten, dass die Querschnittsfläche des Ventilelements 91 mit der Beschichtung kleiner als die der Hauptbohrung 42 ist. Vorteilhafterweise wird der Zylinder 91 entlang seiner Achse, wie von dem Pfeil angedeutet, magnetisiert.
7 zeigt einen weiteren Spenderaufbau, der allgemein mit der Bezugsnummer 100 gekennzeichnet wird, wobei Teile, die den in den vorhergehenden Zeichnungen beschriebenen ähnlich sind, ebenfalls mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet werden. In dieser Ausgestaltung ist ein Ventilsitz 101 mit einer geschärften Umfangsspitze 102 bereitgestellt, die mit der Polymerbeschichtung 92 des zylindrischen Ventilelements 91 in Eingriff kommt. In dieser Ausgestaltung gibt es nur eine Spule 50, da das zylindrische Ventilelement 91 aus einem permanentmagnetischen Material ist. Vorteilhafterweise wird der Zylinder 91 entlang seiner Achse, wie von dem Pfeil angedeutet, magnetisiert.
In den 8(a) und 8(b), auf die jetzt Bezug genommen wird, ist ein weiterer Spender dargestellt, der allgemein mit der Bezugsnummer 110 gezeigt wird, wobei Teile, die den in Bezug auf 7 beschriebenen ähnlich sind, mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet sind. Dies zeigt deutlich das Öffnen und Schließen des Spenders 110 zusammen mit der Richtung der Flüssigkeitsströmung um das zylindrische Ventilelement 91 herum. Zwei Spulensätze 50 und 51 werden verwendet, obwohl das Ventilement 91 aus permanentmagnetischem Material ist.
In 9, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist eine allgemein mit der Bezugsnummer 120 gezeigte Ausgabeanordnung dargestellt, die einen Spender 40 aufweist, wie oben mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben. In dieser Ausgestaltung sind die Tröpfchen mit der Nummer 58 und aufeinanderfolgenden indexierten Buchstaben gekennzeichnet, daher 58(a) bis 58(c). Dank ihrer Erdung durch die Erdleitung 59 bildet die Ausgabespitze 46 effektiv eine Elektrode oder beinhaltet eine. Unter dem Spender 40 ist ein Aufnahmesubstrat 121 mit Reagensvertiefungen 122 angebracht. Für drei der Vertiefungen 122a,b und c gibt es sich den Vertiefungen 122 nähernde und in ihnen befindliche Tröpfchen 58a,b und c, die der Einfachheit halber mit denselben indexierten Buchstaben gekennzeichnet sind. Unterhalb des Aufnahmesubstrats 121 ist eine Aufnahmeelektrode 123 positioniert, die wiederum an einem Schalttisch 124 angebracht ist. Die Aufnahmeelektrode 123 ist mit einer Hochspannungsquelle 125 verbunden.
Der Schalttisch 124 dient zum Positionieren der Aufnahmeelektrode 123 unter der entsprechenden Reagensvertiefung 122, wie in der Zeichnung mit den gestrichelten Linien gezeigt wird.
In 10, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist ein alternativer Aufbau einer Ausgabeanordnung dargestellt, die allgemein mit der Bezugsnummer 130 gezeigt wird, wobei Teile, die den in 9 beschriebenen ähnlich sind, mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet sind. In dieser Ausgestaltung ist eine Mehrzahl von Aufnahmeelektroden 131 auf dem Schalttisch 124 bereitgestellt, die einzeln mit der Hochspannungsquelle 125 verbunden sind.
In 11, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist noch ein weiterer Aufbau einer Ausgabeanordnung dargestellt, die allgemein mit der Bezugsnummer 140 gezeigt wird, wobei Teile, die den in Bezug auf 9 beschriebenen ähnlich sind, mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet sind. In dieser Ausgestaltung sind zusätzliche Ablenkungselektroden 141 und 142 bereitgestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Tröpfchen 58 je nach der Spannung an den Ablenkungselektroden 141 und 142 in Verbindung mit den Aufnahmeelektroden 123 in die entsprechende Reagensvertiefung 122 navigieren. Dies wird in 11 von den gestrichelten Linien deutlich dargestellt.
In 11 ist auch eine Aufnahmeelektrode 123 gezeigt, es wird aber darauf hingewiesen, dass eine solche Aufnahmeelektrode 123 nicht immer notwendig ist. Außerdem ist es möglich, eine leitende Platte wie die in 2 dargestellte zu verwenden oder es können auch nur Ablenkungselektroden verwendet werden. Bei Betrachten der Ausgabeanordnungen, wie sie in den 9 bis einschließlich 11 dargestellt sind, wird jedoch darauf hingewiesen, dass elektrostatische Navigation der Tropfen mithilfe sowohl der Aufnahmeelektroden als auch der Ablenkungselektroden relativ leicht erreicht werden kann.
Bevor gewisse andere Aspekte der vorliegenden Erfindung ausführlicher besprochen werden, müssen zunächst die Art der Tröpfchenbildung, die Wirkung des elektrostatischen Feldes auf sein Abtropfen von einer Ausgabespitze und die diversen anderen Faktoren, die das Volumen des Tröpfchens und seine Bildung bestimmen, eingehend besprochen werden. Test Nr. 1
Bei diesem Versuch war der Druck nicht hoch genug, um das Tröpfchen aus der Düse auszustoßen und ein gebildeter Tropfen blieb an der Ausgabedüse hängen. Die Toleranz für das Tropfenvolumen betrug ± 1 nl. Das Tropfenvolumen wurde durch Transferieren des gebildeten Tropfens in eine kalibrierte Kapillare gemessen. Aktivierungsphasen: Phase 1 (starke Kraft zum schnellen Öffnen des Ventils)

Spannung 22V

Dauer 0,2 bis 0,5 ms

Phase 2 (keine Kraft angelegt)

Spannung 0V

Dauer 0,1 bis 1 ms

Phase 3 (starke Kraft zum schnellen Schließen des Ventils)

Spannung 22V

Dauer 0,2 bis 0,4 ms

Phase 4 (kleine Kraft, um das Ventil geschlossen zu halten, um Leckage und Auslassschwingungen zu verhindern)

Spannung 4V
Phase 4 ist das Intervall zwischen Zyklen.
12 zeigt die Abhängigkeit des Volumens des an der Ausgabespitze gebildeten Tröpfchens als Funktion der Dauer von Phase 2.
Test Nr. 2
Alle Bedingungen blieben dieselben wie in Test Nr. 1, außer dass der Druck in der mit dem Spender verbundenen Leitung auf 10 Bar (150 psi) erhöht wurde. Bei diesem Versuch wurden Tropfen durch den Druckgradienten aus der Düse ausgestoßen, der zum Ausstoßen der Tropfen ausreichte, und die Toleranz des Messvolumens der Tropfen betrug ± 3 nl. 13 illustriert die erhaltenen Ergebnisse.
Bei beiden der obigen zwei Tests ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass die Form und der Aufbau der Düse die Testergebnisse variiert und daher bei verschieden aufgebauten Düsen verschiedene Testergebnisse erhalten werden.
Test Nr. 3
Die Bedingungen der Ausgabeanordnung waren mit denen für die Tests Nr. 1 und Nr. 2 identisch, mit dem Zusatz einer leitenden Platte. Diese war 10 mm von der Ausgabespitze beabstandet und hatte die Abmessungen 100 mm × 100 mm.
Eine Hochspannung wurde an die leitende Platte angelegt, die im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie die Ausgabeanordnung von 2 angeordnet war.
Der Test wurde durchgeführt, indem durch Öffnen des Ventils ein Tröpfchen an der Ausgabespitze der Düse gebildet wurde. Dann wurde die Spannung allmählich erhöht, bis es zum Abtropfen kam, wobei sie aufgezeichnet wurde. Das Volumen des Tröpfchens wurde durch Wiederholen dessen mit der elektromagnetischen Waage gemessen, deren Einzelheiten an späterer Stelle beschrieben werden.
14 zeigt deutlich die Abhängigkeit der Abtropfspannung als Funktion des Volumens des am Ende der Ausgabespitze gebildeten Tropfens.
Test Nr. 4
Ein Tröpfchenvolumen von 40 Nanoliter wurde gewählt, während die übrigen Bedingungen die gleichen wie in Test Nr. 3 blieben. Bei diesem Test wurde die Abhängigkeit der Abtropfspannung als Funktion der Entfernung zwischen dem Ende der Düse und einer leitenden Platte getestet und die Ergebnisse sind in 15 dargestellt.
Test Nr. 5
Mit dem gleichen Aufbau der Ausgabeanordnung wie für Test Nr. 4 und speziell in Bezug auf 16 ist eine allgemein mit der Bezugsnummer 150 gezeigte Testanordnung dargestellt, die eine Ausgabeanordnung wie in 4 und 8 dargestellt beinhaltet. Es ist ein Substrat 151 bereitgestellt, unter dem ein Paar Aufnahmeelektroden in der Form von Platten 152 und 153 angebracht ist, die wiederum mit einer allgemein mit der Bezugsnummer 154 gezeigten elektrischen Schaltung verbunden sind, die eine Hochspannungsversorgung 155 von etwa 5 kV beinhaltet. Die Trennung zwischen der Ausgabespitze und dem Substrat 151 betrug 15 mm. Tests wurden durchgeführt.
17 zeigt die Abweichung eines Tröpfchens als Funktion der an die Platten 152 und 153 angelegten Potentialdifferenz. Die Potentialdifferenz zwischen den Platten 153 und 152 wird in Prozent der Potentialdifferenz zwischen dem Durchschnitt der Potentiale 152 und 153 und der Düse 46 gemessen.
In 18 und 19, auf die jetzt speziell Bezug genommen wird, ist eine elektromagnetische Waage zum Messen der Masse von ausgegebenen Tröpfchen gemäß der Erfindung dargestellt.
Die elektromagnetische Waage 160 umfasst eine Aufnahmespule 161, über die ein Magnetfeld angelegt werden kann, die an einer von einer gewundenen Schraubenfeder 162 bereitgestellten Feinfeder aufgehängt ist und von einer gesteuerten Stromquelle 163 angetrieben wird. Linien des Magnetfelds werden schematisch mit der Nummer 169 gezeigt. Die Aufnahmespule 161 stützt einen Waagebalken 164, der eine Tröpfchenaufnahmeplatte 165 trägt. Ein Positionssensor 166 ist neben dem Waagebalken 164 bereitgestellt und mit einer Rückkopplungssteuervorrichtung 167 verbunden, die wiederum mit der gesteuerten Stromquelle 163 verbunden ist. In einer Ausgestaltung ist der Positionssensor 166 eine lichtemittierende Diode und eine optisch gekoppelte Fotodiode. Es wird darauf hingewiesen, dass das auf die Aufnahmespule 161 wirkende Drehmoment proportional zu dem von der Aufnahmespule 161 geführten Strom ist.
Zum Messen der Schwerkraft eines mit der Bezugsnummer 168 gekennzeichneten Tröpfchens auf der Aufnahmeplatte 165, wenn der Positionssensor 166 eine Ablenkung des Waagebalkens 164 erfasst, signalisiert die Rückkopplungssteuervorrichtung 167 der gesteuerten Stromquelle 163, den Strom in die Aufnahmespule 161 zu ändern, bis die vorherige unbelastete Position erreicht ist. Die von dem Tröpfchen 168 ausgeübte Schwerkraft ist daher proportional zur Stromänderung in der Spule 161, dann kann die Masse von Tröpfchen mithilfe einfacher Kalibrierung direkt und genau gemessen werden.
19 zeigt etwas detaillierter die elektronische Schaltung der elektromagnetischen Waage 160. D1 ist die lichtemittierende Diode, Q1 ist die Fotodiode. Ausgang J1 legt die Spannung an, die von der Armstellung abhängig ist. Dieser Ausgang ist mit dem Analog-Digital-Wandler und der prozessorgesteuerten Rückkopplungsschaltung für kontinuierliches Vergleichen der Ist-Position des Arms mit dem voreingestellten Wert verbunden. Die Rückkopplungsschaltung produziert ein Signal, das zu dem Strom proportional ist, der zum Steuern der Position des Arms an die Spule angelegt werden muss. Dieses Signal in der Form einer Spannung ist an Eingang J2 angelegt und der Strom wird an dem mit „Bewegte Spule", normalerweise die Spule 161, markierten Ausgang entnommen.
Wie bereits gezeigt wurde, ist die Abhängigkeit der Bruchspannung eine Funktion des Volumens des Tröpfchens an der Ausgabespitze. Es wird wichtig, dass genau bestimmt wird, wann das Tröpfchen von der Ausgabespitze abgelöst wird. Dementsprechend sieht die Erfindung verschiedene Verfahren zum Erkennen der Trennung eines Tröpfchens von der Ausgabespitze vor. Wenn die elektrostatische Kraft, die bewirkt, dass das Abtropfen erzielt wird, einmal bekannt ist, kann dann das Volumen des Tröpfchens innerhalb relativ feiner Grenzen berechnet werden.
Bezüglich 20 ist ein allgemein mit der Bezugsnummer 170 gezeigter Detektor zum Erfassen der Trennung eines Tröpfchens von der Ausgabespitze dargestellt. Zu Veranschaulichungszwecken ist wieder der Spender 40 von 2 dargestellt. Der Detektor 170 umfasst eine elektromagnetische Strahlungsquelle 171, einen elektromagnetischen Sammler 172 und eine Steuervorrichtung 173, die mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle 171 und dem Sammler 172 verbunden ist.
In dieser Ausgestaltung ist die elektromagnetische Strahlungsquelle 171 ein Laser. Es ist ein Laserstrahl 174 dargestellt, der aus der elektromagnetischen Strahlungsquelle 171 austritt und dann entweder als ein weiterer Laserstrahl 175 zum elektromagnetischen Sammler 172 oder, wenn sich ein Tröpfchen 58 nicht in der Position befindet, als ein gerade über die Ausgabespitze 46 hinaus verlaufender Strahl 176 reflektiert wird.
Der Begriff „transmittierte Strahlen", wenn er in dieser Patentbeschreibung in Bezug auf ein Tröpfchen verwendet wird, bezieht sich sowohl auf Reflexion als auch auf Bruch.
Es wird darauf hingewiesen, dass nur ein Bruchteil des Laserstrahls 174 als der Strahl 175 zum elektromagnetischen Strahlungssammler 172 zurückkehrt.
In 21, auf die Bezug genommen wird, ist ein weiterer Aufbau einer allgemein mit der Bezugsnummer 180 gezeigten Detektoranordnung dargestellt, wobei Teile, die den in Bezug auf 20 beschriebenen ähnlich sind, mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet sind. In dieser Ausgestaltung ist 174 entweder ein gebrochener Strahl 181, wenn das Tröpfchen 58 in Position ist, oder einfach wie zuvor der Umgehungsstrahl 176.
In 22, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist eine geringfügig verschiedene Anordnung des in 21 illustrierten Detektors dargestellt und daher sind Teile, die den in Bezug auf die vorhergehenden Zeichnungen beschriebenen ähnlich sind, mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet. In dieser Ausgestaltung werden zusätzliche gestreute Lichtstrahlen 185 dargestellt sowie ein Modulator 186 und ein Lock-in-Verstärker 187. Ein Signaleingang zum Lock-in-Verstärker 187 ist mit der Bezugsnummer 188 gekennzeichnet und ein Referenzeingangssignal ist mit der Bezugsnummer 189 gekennzeichnet.
In 23, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist ein weiterer Aufbau eines allgemein mit der Bezugsnummer 190 gezeigten Detektors dargestellt, der ebenfalls mit dem Spender von 2 verwendet wird und bei dem Teile, die den in Bezug auf 20 und 21 beschriebenen ähnlich sind, mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet sind.
In dieser Ausgestaltung liefert die elektromagnetische Strahlungsquelle 171 Strahlung durch einen Lichtwellenleiter 191 abwärts durch die Düse 44. Die Bezugsnummern 192 und 193 zeigen den Meniskus eines Tröpfchens, das sich an der Ausgabespitze 46 bildet, wobei nämlich der eine einen flachen Meniskus 192 bildet und der andere einen gekrümmten Meniskus 193. Wenn sich an der Ausgabespitze 46 ein flacher Meniskus 192 befindet, wird der Strahl 174 als der Strahl 194 durch ihn zum Detektor 172 geliefert. Wenn aber der Meniskus ein gekrümmter Meniskus 193 ist, wird der Strahl 174 als ein Strahl 195 und ein weiterer Strahl 196 vom Detektor 172 weg geliefert.
In 24, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist ein weiterer Aufbau eines allgemein mit der Bezugsnummer 200 gezeigten Detektors dargestellt, wobei die Teile, die den in Bezug auf die vorhergehenden Zeichnungen beschriebenen ähnlich sind, mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet sind. Es wird darauf hingewiesen, dass in dieser Ausgestaltung der Strahl 174 immer einen reflektierten Strahl 201 bildet, wenn ein Tröpfchen vorhanden ist, ob es nun ausgebildet ist oder nicht. Die Intensität des reflektierten Strahls variiert. Somit wird am Detektor 172 eine Variation erkannt. Es wird darauf hingewiesen, dass einerseits zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle 171 und dem Sammler 172 und andererseits auch in dem Lichtwellenleiter 191 ein optischer Koppler installiert sein muss.
Es wird darauf hingewiesen, dass es in gewissen Ausgestaltungen der Erfindung notwendig ist, dass die Ausgabeanordnung für jedes) neue Flüssigkeit oder Reagens, die/das gehandhabt wird, kalibriert wird, da, wie oben erläutert, das ausgegebene Volumen von den Eigenschaften der Flüssigkeit und besonders von ihrer Viskosität abhängt. Daher sollte der Spender jedesmal, wenn eine neue Flüssigkeit unbekannter Eigenschaften ausgegeben werden soll, kalibriert werden. Wie oben erläutert, wäre die Verwendung einer elektromagnetischen Waage, wie sie hierin beschrieben wird, besonders geeignet. Ferner ist die Abtropfspannung, wie bereits erläutert wurde, eine Funktion des Volumens des Tröpfchens und ist über einen beträchtlichen Volumenbereich hinweg effektiv eine monotone Funktion. Das heißt, je kleiner das Volumen des Tropfens, umso größer ist die Abtropfspannung für einen bestimmten Durchmesser der Düse und ein bestimmtes Fluid. Wie bereits in Bezug auf 14 gezeigt wurde, ist dies für Wasser für einen Bereich von etwa 40 nl bis weit über einen Mikroliter monoton. Ferner kann der Volumenbereich, in dem die Funktion monoton ist, durch Ändern der Düsenbohrung eingestellt werden. Daher kann durch Variieren der Spannung und Überwachen des Augenblicks, wenn sich das Tröpfchen von der Ausgabespitze ablöst, das Volumen des Tröpfchens klar bestimmt werden. Das Überwachen des Abtropfaugenblicks ist eine viel einfachere Aufgabe als die der komplexen Messung des Tropfenvolumens im Flug. Dies ist aber auch möglich, wie an späterer Stelle noch erläutert wird.
Wie bereits erläutert wurde, wäre ein Verfahren zum direkten Messen des Volumens des Tropfens, das nicht auf der Detektion der Trennung des Tröpfchens von der Ausgabespitze basiert, das Messen der Ladung des Tröpfchens, wie im Folgenden noch beschrieben wird. In der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, einen Faradaybecher in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zu benutzen.
Faradaybecher sind gut bekannt und werden in vielen veröffentlichten Dokumenten beschrieben (siehe z.B. Industrial Electrostatics von D. M. Taylor und P. E. Secker, Research Studies Press, 1994, ISBN 0-471-0523333-8) und Electrostatics: Principles, Problems and Applications von J. Cross, Adam Hilger, ISBN 0-85274-589-3). Der Faradaybecher besteht im Wesentlichen aus einem äußeren Schirm und einem/einer inneren leitenden Kasten oder Kammer. Der Schirm und die Kammer sind gut voneinander isoliert und es ist auch wirklich vorteilhaft, den äußeren Schirm und die Kammer auf dem gleichen Potential zu halten. In dieser Situation induziert ein an der Kammer ankommendes geladenes Tröpfchen an der Oberfläche der Kammer die gleiche Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen. Diese Ladung wird von dem von innen nach außen fließenden Strom erzeugt, der leicht mit einer Ladungsmessschaltung gemessen werden kann. Allgemein werden der Spender und somit die Düse auf einer relativ hohen Spannung gehalten und der Schirm und die Kammer sind mit Erdpotential verbunden, wie im Folgenden noch beschrieben wird, wobei die Ladung gemessen werden kann, ohne das Tröpfchen im Becher aufzufangen. Geladene Tröpfchen bewegen sich daher durch den Detektor für induzierte Ladung voran, was effektiv die Funktion des Faradaybechers (Farady-Auffänger) ist.
Test Nr. 6
Faradaybecher ist auf Erdpotenzial.
Ausgabespitze ist auf dem Potential 2 kV bis 4 kW.
Die Entfernung zum Faradaybecher beträgt 17 mm.
Der Rest der Ausgabeanordnung ist wie in Test Nr. 1. Aktivierungsphasen

Phase 1 0,2 ms

Phase 2 0,3 ms

Phase 3 0,3 ms

Phase 4 105 ms
25 illustriert, dass die Ladung mit dem Volumen des Tröpfchens direkt in Bezug steht.
Test Nr. 7
Es wurde ein weiterer Test ohne die Verwendung des Bechers auf Erdpotential durchgeführt. Alle Bedingungen blieben die gleichen wie in Test Nr. 6.
26 zeigt die bei diesem Test erhaltenen Ergebnisse, auch hier steht die Ladung mit dem Volumen des Tröpfchens direkt in Bezug.
In den 27 und 28, auf die nun Bezug genommen wird, werden typische Signaldetektionsaufzeichnungen vom Faradaybecher gezeigt. In 27 wird eine Änderung der Ausgangsspannung einer Ladung gezeigt, die infolge der Ladung von etwa 3·10^–11C verstärkt wurde, und das Volumen des Tropfens ist anhand der Kalibrierungskurve von 25 und 26 leicht zu berechnen.
28 zeigt die Vergrößerung, um das Ausmaß des Rauschens und der Empfindlichkeit des Systems anzuzeigen.
In 29, auf die jetzt Bezug genommen wird, wird die elektronische Schaltung des Verstärkers gezeigt, der die Ladung im Faradaybecher misst. Die zwei Eingänge des Verstärkers sind mit der Kammer bzw. dem Schirm des Faradaybechers verbunden. Das Relais ist zur Schaltung hinzugefügt worden, um den Verstärker vor Beschädigung durch elektrostatische Ladung zu schützen, wenn die Schaltung stromlos ist. Durch Deaktivieren des Relais werden die zwei Eingänge miteinander verbunden und auch mit der Ausgangsspannung von OPA111 verbunden, um den Speicherkondensator C1 zu umgehen. Es ist vorteilhaft, wenn der Speicherkondensator C1 einen Kapazitätswert hat, der viel größer als die Kapazität zwischen der Kammer und dem Schirm des Faradaybechers ist.
In 30, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist die Verwendung eines allgemein mit der Bezugsnummer 210 gezeigten Faradaybechers zur Verwendung in einer Ausgabeanordnung ähnlich der mit Bezug auf 10 oben beschriebenen dargestellt. In dieser Ausgestaltung ist eine Hochspannungsquelle 211 mit der Düse 44 verbunden. Der Faradaybecher 210 umfasst eine innere Kammer 212 und einen äußeren Schirm 213, die mit einer Steuervorrichtung 214 in der Form eines Ladungsverstärkers verbunden sind. Im Gebrauch werden Tröpfchenproben entnommen und ein Durchschnitt für Tröpfchenvolumen und -masse wird berechnet.
Zum Messen einiger Parameter eines ausgegebenen Tröpfchens (Ladung, Masse) wird ein kontaktloses Verfahren implementiert. Dieses Verfahren basiert auf dem Faradaybecher-Prinzip.
Bei einem konventionellen Faradaybecher, wie er in der Offenbarung beschrieben wird, kommt ein Tröpfchen am Boden der inneren Kammer an und haftet an ihm. Ein Ausgangssignal des Ladungsverstärkers ist eine stufenartige Funktion. Die Höhe der Stufe zeigt den Wert der angekommenen Ladung an.
Es ist wichtig zu betonen, dass das Tröpfchen die innere Kammer überhaupt nicht berühren muss. Die gemessene Ladung kann durch Induktion erzeugt werden. Indem die Ladung in das Innere des Faradaybechers gebracht wird, wird an der inneren Kammer Ladung induziert, und durch Entfernen der Ladung aus ihm wird die induzierte Ladung aufgehoben.
Wenn das Tröpfchen den bodenlosen Faradaybecher passiert, erzeugt der Ladungsverstärker nur einen kurzen Impuls an seinem Ausgang. Die steigende Flanke dieses Impulses entspricht der Ankunft der Ladung in der Kammer, während eine abfallende Flanke dem Verlassen der Ladung entspricht.
Die Breite dieses Impulses ist proportional zur Zeit des Tröpfchenflugs durch den Becher und daher umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit des Tröpfchens.
Die Höhe der Impulsspitze ist proportional zur Tröpfchenladung.
Anhand dieser Parameter können wir den Wert der Ladung des Tröpfchens während des Flugs sowie die Geschwindigkeit des Tröpfchens erhalten, die durch das elektrische Feld beschleunigt wurde, nachdem es die Spitze verließ.
Informationen über die Spannung zwischen der Spitze und dem Becher, Tröpfchenladung und -geschwindigkeit stellen eine Schätzung der spezifischen Ladung für das fliegende Tröpfchen bereit. Tröpfchen mit verschiedenen spezifischen Ladungen haben verschiedene Beschleunigung und Endgeschwindigkeit in viskoser Luft, die vom Becher erkannt werden können. Das bedeutet, dass die spezifische Ladung geschätzt werden kann, wenn sowohl die angelegte Spannung als auch die Tröpfchenendgeschwindigkeit bekannt sind. Dividieren der Tröpfchenladung durch seine spezifische Ladung ergibt die Tröpfchenmasse. Die Geschwindigkeit des Tröpfchens und die Berechnung seiner Masse anhand der berechneten spezifischen Ladung können erreicht werden.
In 31, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist ein weiterer Aufbau eines allgemein mit der Bezugsnummer 220 gezeigten Faradaybechers dargestellt, der eine innere Kammer 221, einen äußeren Schirm 222 und eine eine Steuervorrichtung 223 bildende Ladungsverstärkerschaltung hat.
In dieser Ausgestaltung wird die Abtropfspannung von der Potentialdifferenz zwischen dem Schirm 222 und der Ausgabespitze 46 der Düse 44 bestimmt.
In den 32(a) und 32(b), auf die jetzt Bezug genommen wird, ist ein alternativer Aufbau eines allgemein mit der Bezugsnummer 230 gezeigten Spenders dargestellt, der im Wesentlichen dem mit Bezug auf 6 dargestellten Spender ähnlich ist und die gleichen Teile sind daher mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet. In dieser Ausgestaltung ist ein Ventilelement 231 dargestellt, das noch eine im Wesentlichen axialsymmetrische Form aufweist, die eine Mehrzahl von am Umfang angeordneten Aussparungsschlitzen 232 hat, die am Umfang angeordnete Rippen 233 bilden. Wie ersichtlich ist, haben die Rippen im Gebrauch die Aufgabe, die Flüssigkeit abwärts in Richtung auf den Ventilsitz 43 zu forcieren.
Der in den 33 bis 38 offenbarte Spender stellt keinen Teil der Erfindung dar.
In den 33 bis einschließlich 35 wird ein alternativer Aufbau eines allgemein mit der Bezugsnummer 240 gezeigten Spenders dargestellt, der dem in 5 dargestellten Spender 70 im Wesentlichen ähnlich ist, und daher werden dieselben Bezugsnummern zum Kennzeichnen der gleichen oder ähnlicher Teile verwendet. In dieser Ausgestaltung ist ein kugelförmiges Ventilelement 241 aus einem weichen Magnetmaterial bereitgestellt. Der Spender 41 ist zwischen einer oberen Spule 242 und einer unteren Spule 243 angebracht, die jeweils um einen Kern aus weichem Magnetmaterial 244 bzw. 245 gewickelt sind. Dieser Aufbau ist insofern besonders vorteilhaft, als er das Entfernen des Spenders 41 ermöglicht, während die Quelle des Gradientenmagnetfelds an ihrem Platz gehalten wird. Dies ist besonders vorteilhaft für das Ersetzen kontaminierter Spender.
In den 36 bis einschließlich 38, auf die jetzt Bezug genommen wird, wird ein alternativer Aufbau eines allgemein mit der Bezugsnummer 250 gezeigten Spenders dargestellt, wobei Teile ähnlich den mit Bezug auf die 33 bis einschließlich 35 beschriebenen mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet sind.
In dieser Ausgestaltung ist eine separate Ventilelementbetätigungsanordnung bereitgestellt, die allgemein mit der Bezugsnummer 251 gezeigt wird. In dieser Ausgestaltung beinhaltet der Spender 250 ein kugelförmiges Ventilelement 252 aus einem weichen Magnetmaterial. Die Betätigungsanordnung 251 umfasst einen Permanentmagneten 253, der in einer die Düse umschließenden U-förmigen Hülse 254 angebracht ist, die von einem pneumatischen Druckzylinder, von dem nur ein mit der Hülse 254 verbundener Kolben 255 gezeigt wird, relativ zum Körperelement 41 auf- und abbewegt werden kann.
Vorzugsweise kann der Spender, insofern als er das längliche Körperelement, den Ventilsitz und die Düse umfasst, durch Mikrobearbeiten oder allerdings durch eine beliebige standardmäßige Polymermassenproduktionsmethode wie Spritzguss aus einem geeigneten Polymermaterial hergestellt werden. Zweck dessen ist das Bereitstellen eines Einmal-Spenders. Der Körper des Spenders könnte auch aus anderen Materialien wie Stahl hergestellt werden.
Wie aus der Beschreibung oben verständlich wird, kann das Ventilelement zylindrisch, kugelförmig oder allerdings ein Körper einer beliebigen geometrischen Gestalt aus Magnetmaterial, z.B. Eisen, Ferrit oder NdFeB sein. Vorzugsweise ist es mit einem Polymer oder einer inerten Schicht aus einem anderen Material überzogen, um eine chemische Reaktion zwischen dem Element und der ausgegebenen Flüssigkeit zu verhüten. Um eine gute Dichtung mit dem Ventilsitz zu erhalten, muss das Ventilelement eventuell mit einem speziell ausgewählten weichen Polymer, wie chemisch inertem Gummi, überzogen sein. Die Auswahl der Materialien für die Beschichtung auf dem Element hängt von den Anforderungen der Flüssigkeiten ab, die vom Spender gehandhabt werden müssen. Zu den wahrscheinlichsten Materialien zählen Fluorelastomere wie VITON, Perfluorelastomere wie KALREZ und ZALAK und für weniger anspruchsvolle Anwendungen könnten kostengünstigere Materialien wie NITRILE in Betracht gezogen werden. TEFLON (PTFE) könnte im Zusammenhang mit chemisch aggressiven Flüssigkeiten verwendet werden. VITON, KALREZ, TEFLON und ZALAK sind eingetragene Warenzeichen von Du Pont.
Das Ventilelement kann aus mit einem Polymer gebundenen elastischen magnetischen Material hergestellt werden. Diese Materialien können nach Bedarf entweder harte oder weiche magnetische Eigenschaften haben. Die spezifische Auswahl des Materials wird von Kosten-Leistungs-Überlegungen bestimmt. Materialien der von Kane Magnetics hergestellten Familien FX, FXSC, FXND sind geeignet. Andere Materialien wie magnetische Gummis können ebenfalls verwendet werden. Dadurch, dass das Element aus einem mechanisch weichen Material hergestellt wird, kann die Dichtungsleistung verbessert werden.
Es ist vorgesehen, dass der Spender in entweder einer aktiven oder passiven Betriebsart funktionsfähig sein kann. In der aktiven Betriebsart wird das Ventil betätigt, um für jedes Ausgeben und Ansaugen einen Öffnen-Schließen-Kreislauf zu schließen. In dieser Betriebsart ist der Spender mit einer Vakuum-/Druckausrichtung verbunden, wie z.B. in 2 oben illustriert wird. In der passiven Betriebsart ist der Spender mit einer Spritzenpumpe verbunden, wie in 4 dargestellt.
Es muss beachtet werden, dass das Ventilelement in einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung aus einem harten Magnetmaterial hergestellt ist, d.h. einem Material mit einer selbst in Abwesenheit jeglichen externen Magnetfelds gut definierten Magnetisierungsrichtung. Bei einem konventionellen Magnetventil ist der Kolben gewöhnlich aus einem weichen magnetischen Material wie Eisen oder einer Eisen-Nickel-Legierung hergestellt. Dieses Material hat in Abwesenheit eines externen Magnetfelds keine wesentliche Magnetisierung. In einer bevorzugten Konfiguration ist das Ventilelement ein Zylinder mit der axialsymmetrischen Magnetisierung zum Beispiel in Richtung längs seiner Achse. Der Spender könnte auch mit einem Element aus weichem magnetischem Material betrieben werden. Seine Leistung hat sich allerdings als nicht so gut zum Ausgeben der winzigen Volumen wie 100 nl und weniger erwiesen, weil die Kraft, die von einer Stromspule auf das Ventilelement ausgeübt werden kann, viel kleiner ist. Eine kleinere Kraft bedeutet, dass das Ventilelement sich langsam bewegt und die Ausgabegenauigkeit verringert ist. Indem ein Ventilelement aus hartem magnetischem Material verwendet wird, kann auch die Verwendung von zwei Spulen vermieden werden und nur eine benutzt werden. Zum Schließen des Ventils muss lediglich die Richtung des Stroms in der Spule umgekehrt werden. Wenn das Element aus einem weichen magnetischen Material ist, dann müssen zwei Spulen verwendet werden; eine zum Öffnen des Ventils und die andere, um es zu schließen.
In der Praxis kann der Spender mit der vorliegenden Erfindung Volumen von nur 50 nl ohne ein elektrostatisches Feld ausgeben, wenn der Druck in der Leitung 10 Bar beträgt. Es ist oft vorteilhaft, den Druck in der mit dem Spender verbundenen Leitung zu senken. Die bei einem niedrigen Druck arbeitende Ausgabeanordnung hat beträchtliche Vorteile. Die Anschlussanforderungen für die pneumatischen Bauteile sind weniger streng. Normalerweise ist es erwünscht, in Roboterspendern für diese Anwendungen einen einfachen Einpressverbinder zu verwenden. Die Erfindung ermöglicht bei Verwendung bei reduzierten Drücken das Verwenden einer einfachen Einpressverbindung zwischen dem Spender und der Druckleitung, was ein erwünschtes Merkmal des Spenders ist.
Ferner werden bei niedrigeren Drücken die Tropfen mit einer geringeren Geschwindigkeit ausgestoßen, was die Chancen verringert, dass es Spritzer gibt, wenn der Tropfen das Substrat oder die Vertiefungsplatte berührt. Hochdruck in der Leitung kann zur Folge haben, dass in den Flüssigkeiten aufgelöste Gase ausgegeben werden. Dies ist für viele biologische Anwendungen nicht akzeptabel. Das in der ausgegebenen Flüssigkeit aufgelöste Gas kann auch zu kleinen Luftblasen an der Düse führen, was ihren Betrieb unzuverlässig macht.
Das Verringern des Drucks in der Leitung beeinträchtigt aber die Fähigkeit des Spenders, kleine Tropfen auszugeben. Die Tropfen bilden sich an der Düsenspitze, werden aber nicht davon gelöst und elektrostatisches Abtropfen ist erforderlich.
Im Wesentlichen umfasst die Methode erstens das Öffnen des Ventils des Spenders, damit sich an der Ausgabespitze ein Tröpfchen der gewünschten Größe bilden kann. Das Ventil wird dann geschlossen und anschließend wird zwischen der Ausgabespitze und dem Substrat, auf dem das Tröpfchen abzulegen ist, ein starkes elektrostatisches Feld erzeugt. Während der Wert des Feldes vom anfänglichen Null auf einen voreingestellten Endwert zunimmt, übersteigt er an einem gewissen Punkt einen kritischen Wert, was das Abtropfen des Tröpfchens verursacht.
Der Spender kann auch mit kontinuierlich offenem Ventil verwendet werden. In diesem Fall wird das Fluid als ein Strahl aus der Ausgabespitze ausgestoßen. Der Strahldurchfluss wird vom Druck in der mit dem Spender verbundenen Leitung und, wo vorhanden, dem Wert des elektrostatischen Feldes an der Düse bestimmt. Der Strahl kann teilweise auf Grund der elektrostatischen Abstoßung zwischen den geladenen Teilen des Strahls in Tröpfchen zerteilt werden.
Bei einer weiteren Miniaturisierung der Substratziele wird es zunehmend schwieriger sicherzustellen, dass der Tropfen den richtigen Bestimmungsort erreicht, wenn er aus einem Liquid-Handling-System ausgestoßen wird. Für Anwendungen wie hochdichte Arrays könnte die Größe zwischen den das Substrat bedeckenden aufeinanderfolgenden Tropfen, hierin Teilung genannt, nur 0,1 mm sein. In dieser Erfindung gibt es zwei verschiedene Mittel zum Steuern des Bestimmungsorts des Tropfens, beide basieren auf den elektrostatischen Kräften, die auf den Tropfen wirken, während er sich auf seinem Weg zwischen der Düse und der Vertiefung befindet.
Die erste Methode ist das Erzeugen des elektrostatischen Feldes mit einer kleinen geladenen Aufnahmeelektrode, die sich unterhalb der Vertiefung befindet, anstatt einer großen leitenden Platte. Zwecks genauer Navigation ist die Größe der Elektrode kleiner als die Größe der Vertiefung. Es kann vorteilhaft sein, wie oben beschrieben, dass die Aufnahmeelektrode die Form einer Spitze hat, um das stärkste elektrische Feld in der Mitte einer Zielvertiefung zu erzeugen. Die Elektrode erzeugt ein starkes elektrisches Feld unterhalb der Vertiefung, das den Tropfen auf die gewünschte Zielposition (gewöhnlich die Mitte der Vertiefung) zieht. Die Aufnahmeelektrode kann an einem Arm eines Positionierers angebracht sein, der sich unter die Vertiefungsplatte bewegen und auf die richtige Zielvertiefung zeigen kann. Alternativ kann die Probenvertiefungsplatte oberhalb der Aufnahmeelektrode umpositioniert werden, um eine andere Vertiefung zum Ziel zu machen. Eventuell ist es notwendig, dass die Ausgabespitze und die Aufnahmeelektrode synchron bewegt werden. Es kann vorteilhaft sein, ein Modul mit einer Anzahl von Aufnahmeelektroden zu haben, die unabhängig mit der Hochspannungsversorgung verbunden sein könnten. Der Abstand zwischen den Elektroden könnte der gleiche wie der Abstand zwischen den Mitten der Vertiefungen in Vertiefungsplatte sein. In diesem Fall könnten die Tropfen zu verschiedenen Vertiefungen navigiert werden, ohne den Spender oder die Aufnahmeelektrode tatsächlich zu bewegen.
In einer oben beschriebenen Anordnung sind Ablenkungselektroden entlang dem Weg zwischen der Düse und der Zielvertiefung positioniert. Die Elektroden werden durch eine an sie angelegte Hochspannung geladen. Da die die Ausgabespitze verlassenden Tropfen von der Spannung zwischen der Ausgabespitze und der Aufnahmeelektrode geladen werden, werden sie von den Ablenkungselektroden abgelenkt. Es ist wichtig zu erkennen, dass während des elektrostatischen Abtropfens die auf den Tropfen wirkende elektrostatische Kraft viel größer als die Schwerkraft sein könnte. In diesem Fall wird, während der Tropfen zwischen der Düse und dem Substrat fliegt, die Wegrichtung von der Richtung des elektrostatischen Feldes bestimmt.
In vielen Fällen, wie oben erläutert, ist es zwar notwendig, dass der Spender für jede neue Flüssigkeit kalibriert wird, weil das ausgegebene Volumen von den Eigenschaften der Flüssigkeit und der Düse abhängt, in gewissen Fällen ist dies aber nicht erforderlich, wie oben erläutert wurde.
In der vorliegenden Erfindung sehen wir auch die Überwachung des Tröpfchens im Flug vor, wie oben beschrieben. In vielen Fällen ist es wichtig, dass absolute Sicherheit darüber besteht, dass das Tröpfchen auch wirklich ausgegeben wurde, und dass im Idealfall auch das Volumen des Tröpfchens festgestellt wird, und das wurde oben ziemlich ausführlich beschrieben. Auch ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren für direkte Volumenmessungen des Tröpfchens vorschlägt, das nicht auf der Detektion oder dem Zeitpunkt des Abtropfens basiert, sondern auf der Direktmessung der Ladung am Tröpfchen.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Betätigung des Spenders in scharf begrenzte Phasen zu trennen. Die erste Phase ist das schnelle Beschleunigen des Ventilelements aus der Anfangsposition, wenn das Ventil geschlossen ist, durch Senden eines kurzen Impulses eines großen Stroms durch die Spule oder Spulen. Im Fall eines erfindungsgemäß hergestellten Spenders liegt die Dauer der ersten Phase typischerweise im Bereich von 0,2 bis 0,5 ms. Die zweite Phase ist das Halten des Ventils in der offenen Stellung und während dieser Phase wird der Strom in der Spule beträchtlich verringert. Die Dauer der zweiten Phase bestimmt hauptsächlich das Volumen des ausgegebenen Tröpfchens, wie oben demonstriert. In erfindungsgemäß hergestellten Ausgabeanordnungen würde die Dauer der zweiten Phase von etwa 0,1 bis 5 ms dazu führen, dass das Volumen der ausgegebenen Tröpfchen im Bereich von 100 nl bis zu wenigen Mikrolitern liegt. Die dritte Phase ist das Schließen des Ventils mit einem kurzen Impuls mit hohem Strom. Im Fall eines spezifischen aufgebauten Spenders lag die Dauer der dritten Phase typischerweise im Bereich von etwa 0,2 bis 0,4 ms. Die vierte Phase ist das Halten des Ventils in der geschlossenen Position, d.h. Halten des Elements gegen die Dichtung für die Dauer zwischen den Zyklen. Der Wert des Stroms während der vierten Phase lag typischerweise im Bereich von etwa 20 % des während der ersten und der dritten Phase durch die Spule/Spulen zugeführten Spitzenstroms. Eine derartige Trennung ist vorteilhaft, da sie es ermöglicht, der Spule bzw. den Spulen den höchsten Wert der Betätigungskraft abzugewinnen. Das Treiben eines großen Stroms über eine längere Zeitspanne hinweg durch eine Spule oder Spulen kann Überhitzung mit schädlicher Folge bewirken. Während eines kurzen Impulses ist aber ein viel höherer Stromwert akzeptabel. Ein viel höherer Strom, der eine viel höhere Betätigungskraft zur Folge hat, eignet sich zum Ausgeben von Tröpfchen mit Submikrolitervolumen besonders.
Eine ähnliche Trennung in separate Phasen kann während des Ansaugens der Flüssigkeiten vorteilhaft sein.
Gemäß der Erfindung wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass sie nicht von einer Verdrängerpumpe abhängig ist und auch nicht von dem konventionellen normalen Magnetventilaufbau abhängig ist. Gleichzeitig kann die vorliegende Erfindung, wie oben gezeigt, vorteilhaft auf Verdrängerpumpenanordnungen angewendet werden. Der wesentliche Punkt ist dann, dass die Verdrängerpumpe als eine Druckdifferenzquelle arbeitet, nicht als eine Dosiervorrichtung. Es gibt keine mechanische Verbindung zwischen dem Ventilelement und anderen Teilen des Spenders, desgleichen sind keine mechanisch betätigten Mittel und keine Feder zum Schließen eines Ventilelements beteiligt. In der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es praktisch null Totvolumen, was die Genauigkeit vergrößert, besonders dann, wenn kleinere Volumen benötigt werden. Indem der Spender von den Betätigungsspulen usw. separat ist, kann ein sehr kostengünstiger Spender produziert werden, der leicht und schnell entfernt werden kann, wodurch Kosten und Kreuzkontaminationsprobleme vermieden werden. Die vorliegende Erfindung weist daher ein großes Vermögen für die Einmal-Benutzung auf. Außerdem ist es vorteilhaft, dass die vorliegende Erfindung sowohl mit hohem als auch mit niedrigem Druck arbeiten kann.
In der Patentbeschreibung gelten die Begriffe „umfassen, umfasst, umfasste und umfassend" und jede Variation davon und die Begriffe „aufweisen, weist auf, wies auf und aufweisend" und jede Variation davon als miteinander uneingeschränkt austauschbar und sie sind alle im weitestmöglichen Sinne auszulegen und umgekehrt.

Claims

Ausgabeanordnung für Flüssigkeitströpfchen des Folgendes umfassenden Typs: einen Dosierventilspender (90), der ein längliches Körperelement (41) mit einer Hauptbohrung (42) umfasst, die in einem einen Eingang zu einer Düse (44) bildenden Ventilsitz (43) endet, wobei die Düse (44) eine in einer Ausgabespitze (46) endende Düsenbohrung (45) hat, ein in dem Körperelement (41) untergebrachtes Ventilelement (91) aus hartem magnetischem Material, dessen Querschnittsfläche ausreichend kleiner als die der Hauptbohrung (42) ist, um das freie Hindurchströmen von Flüssigkeit dazwischen und das Umgehen des Ventilelements (91) zu gestatten, eine separate Ventilelementbetätigungsanordnung (50, 51) neben dem Körperelement und eine Fördereinrichtung (21), die eine separate Druckflüssigkeitsförderquelle (22) zum Bewegen von Druckflüssigkeit durch ein Flüssigkeit führendes Rohr zu dem Spender (90) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das schwimmende Ventilelement ein längliches Ventilelement (91) für begrenzte nicht mit der Hauptbohrung (42) fluchtende Bewegung ist und entlang seiner Längsachse magnetisiert ist.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 1, bei der das Ventilelement (91) mit einer Schicht aus weichem Polymer (48) überzogen ist.
Ausgabeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Ventilelement (91) aus einem mit Polymer gebundenen elastischen magnetischen Material gefertigt ist.
Ausgabeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ventilelementbetätigungsanordnung eine das Körperelement (41) umgebende elektrische Spule (50, 51) ist.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 4, bei der die Betätigungsspulenanordnung zwei separate Spulensätze (50, 51) zum Bewegen des Ventilelements (47) in entgegengesetzte Richtungen in dem Körperelement (41) umfasst.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 5, bei der die Betätigungsspulenanordnung eine Quelle elektrischer Energie und eine Steuervorrichtung (25) zum Variieren des Stroms mit der Zeit beim Ausgeben jedes Tröpfchens umfasst.
Ausgabeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Ventilelementbetätigungsanordnung (250) einen Permanentmagnet (253) und Mittel (255) zum Bewegen des Magneten entlang dem länglichen Körperelement (41) zum Ventilsitz (43) hin und von ihm weg umfasst.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 7, bei der der Magnet (253) im Wesentlichen U-förmig ist, um das Körperelement (41) zu umfassen.
Ausgabeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Ventilbetätigungsanordnung (240) ein Paar voneinander beabstandeter Magnetisierungsbaugruppen umfasst, die jeweils eine um einen Kern (244 und 245) aus weichem Magnetmaterial gewickelte Spule (242 und 243) umfassen.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 9, bei der der Kern (244, 245) im Wesentlichen U-förmig ist, um das Körperelement zu umfassen.
Ausgabeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Ventilelement (47) ein zylindrischer Stößel (91) ist.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 11, bei der der zylindrische Stößel radial verlaufende Umfangsrippen (233) hat, wodurch bei Bewegung des Elements in Richtung auf den Ventilsitz Flüssigkeit in die Düsenbohrung und auf die Spitze gedrängt wird.
Ausgabeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Körperelement (41) und die Düse (45) das eine einstückige Formteil aus Kunststoffmaterial bilden.
Ausgabeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der das Körperelement (41) und die Düse (44) aus nichtrostendem Stahl hergestellt sind.
Ausgabeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Folgendes umfasst: eine in die Ausgabespitze (8) integrierte Elektrode; eine von der Spitze (8) ferne separate Aufnahmeelektrode (123) und eine Hochspannungsquelle (125), die mit einer der Elektroden verbunden ist, um dazwischen ein elektrostatisches Feld zu erzeugen, um das Ablösen eines an der Ausgabespitze (8) gebildeten Tröpfchens zu verursachen.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 15, bei der sich die Aufnahmeelektrode (123) unterhalb der Ausgabespitze (8) befindet.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 15 oder 16, bei der ein Tröpfchenaufnahmesubstrat (21) zwischen der Aufnahmeelektrode (123) und der Ausgabespitze (9) angebracht ist.
Ausgabevorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei der ein Tröpfchenaufnahmesubstrat unterhalb der Aufnahmeelektrode angebracht ist, wobei die Aufnahmeelektrode wenigstens ein Loch hat, durch das das Tröpfchen zu dem Aufnahmesubstrat (121) passieren kann.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 17 oder 18, bei der es eine Mehrzahl von Aufnahmeelektroden (131) gibt, von denen stets jeweils wenigstens eine aktiviert ist.
Ausgabeanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der für genaues Ablegen der Tröpfchen auf dem Substrat (121) Synchron-Teilbewegungsmittel (124) für den Spender (40) und die Aufnahmeelektrode (131) bereitgestellt sind.
Ausgabeanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei der es mehr als eine Aufnahmeelektrode gibt, die Tröpfchenablenkungselektroden (141, 142) bilden, die unterhalb der Ausgabespitze (8) und oberhalb des Tröpfenaufnahmesubstrats (121) angebracht sind, und bei der die Hochspannungsquelle (125) Steuermittel zum Variieren der an die Ablenkungselektroden angelegten Spannung hat.
Ausgabeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Detektor (170) zum Erfassen der Trennung des Tröpfchens von der Ausgabespitze umfasst.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 22, bei der der Detektor (170) Folgendes umfasst: eine Quelle (171) elektromagnetischer Strahlung; Mittel zum Bündeln der Strahlen auf das Ende der Ausgabespitze und Mittel zum Sammeln (172) der von einem Tröpfen an der Ausgabespitze transmittierten Strahlen.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 23, bei der die Strahlungsquelle (171) in der Spenderdüse montiert ist.
Ausgabeanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei der Mittel zum Messen der Ladung des Tröpfchens bereitgestellt sind.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 25, die einen Faradaybecher (210) umfasst.
Ausgabeanordnung nach Anspruch 25, die einen bodenlosen Faradaybecher (220) umfasst.
Verfahren zum Ausgeben eines Tröpfchens mit einem Volumen von weniger als zehn Mikrolitern (10 μl) aus einer Druckflüssigkeitsförderquelle durch einen Dosierventilspender, der ein längliches Körperelement mit einer Hauptbohrung, die durch einen Ventilsitz mit einer Düse kommuniziert, die eine in einer Ausgabespitze endende Düsenbohrung hat, ein separates längliches schwimmendes Ventilelement aus hartem magnetischem Material, das in dem Körperelement für begrenzte nicht mit der Hauptbohrung fluchtende Bewegung untergebracht ist und entlang seiner Längsachse magnetisiert ist, wobei die Querschnittsfläche des länglichen schwimmenden Ventilelements ausreichend kleiner als die der Hauptbohrung ist, um das freie Hindurchströmen von Flüssigkeit dazwischen zu gestatten, sodass das Ventilelement umgangen wird; und eine das Körperelement umgebende separate Ventilelementbetätigungsspulenanordnung umfasst, umfassend die folgenden Schritte: Fördern der Druckflüssigkeit zu dem Spender; Öffnen des Ventils durch Betätigen der Spulenanordnung für eine voreingestellte Zeit, um Flüssigkeit um das Ventilelement herum in die Düsenbohrung zu fördern; und Schließen des Ventils beim Abtropfen des Tröpfchens, wobei beim Sperren des Ventils der Schritt des Erzeugens eines Stromimpulses an einer von der Ausgabespitze fernen Aufnahmeelektrode durchgeführt wird, um ein elektrostatisches Feld zu erzeugen, um ein elektrostatisches Potential zwischen dem Tröpfchen und der Aufnahmeelektrode zu verursachen, um es von der Ausgabespitze abzulösen.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Flüssigkeit einen Druck von weniger als vier Bar hat.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, bei dem die Flüssigkeit einen Druck von weniger als zwei Bar hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem die Aufnahmeelektrode unterhalb eines Tröpfchenaufnahmesubstrats zwischen ihm und der Düse angebracht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem die Aufnahmeelektrode zwischen einem Tröpfchenaufnahmesubstrat und der Düse angebracht ist.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, bei dem die Aufnahmeelektrode bewegt wird, nachdem jedes Tröpfchen ausgegeben worden ist, um das nächste Tröpfchen auf eine andere Position auf dem Substrat zu richten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, bei dem voneinander beabstandete Ablenkungselektroden zwischen der Ausgabespitze und einem Tröpfchenaufnahmesubstrat angeordnet sind und die Elektroden differentielle Ladungen haben, um zu verursachen, dass das Tröpfchen sich beim Abtropfen von der Ausgabespitze seitlich bewegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, das die folgenden Schritte umfasst: Messen des Volumens eines Tröpfchens einer bestimmten Flüssigkeit für unterschiedliche Abtropfspannungen; Speichern einer Datenbank der Messungen; Aufzeichnen der Abtropfspannung, wenn ein Tröpfchen sich von der Ausgabespitze löst; und Abrufen des Volumens aus der Datenbank.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem die Abtropfspannung mit einem Faradaybecher gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem das Aufzeichnen des Abtropfens eines Tröpfchens die folgenden Schritte aufweist: Richten eines elektromagnetischen Strahls von einer Quelle elektromagnetischer Strahlung auf das Tröpfchen, wenn es sich an der Spitze bildet; und Überwachen der von dem Tröpfchen gekoppelten elektromagnetischen Strahlung an einem von dem Tröpfchen fernen Sammler.
Verfahren nach Anspruch 37, bei dem ein Lichtstrahl die Quelle elektromagnetischer Strahlung ist und die von dem Tröpfchen reflektierte und/oder gebrochene Lichtmenge überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden: Messen der Ladung von Tröpfchen einer bestimmten Flüssigkeit für verschiedene Tröpfchenvolumen; Speichern einer Datenbank der Messungen; Aufzeichnen der Ladung an jedem Tröpfchen und Abrufen der Volumen aus der Datenbank.
Verfahren nach Anspruch 39, das Folgendes umfasst: Messen der Breite des Spannungsimpulses in dem Faradaybecher; Ermitteln der Zeit, die das Tröpfchen zum Passieren durch den Becher benötigt; Ableiten der Geschwindigkeit des Tröpfchens von der zum Passieren durch den Becher benötigten Zeit und Berechnen der Masse des Tröpfchens anhand der spezifischen Ladung.