DE19946525A1 - Device for taking up and dispensing the smallest amounts of liquid - Google Patents

Device for taking up and dispensing the smallest amounts of liquid

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Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen, zum Aufbringen kleinster Flüssigkeitsmengen auf engstem Raum. Durch die Dosierung kleinster Flüssigkeitsmengen in Verbindung mit einer hochgenauen Positioniereinrichtung können bis zu 2500 Tropfen pro mm·2· abgesetzt werden.Methods and devices are proposed for applying the smallest amounts of liquid in a confined space. By dosing the smallest amounts of liquid in conjunction with a highly precise positioning device, up to 2500 drops per mm · 2 · can be deposited.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen mit einem Dosierkopf, mit einer Handhabungseinrichtung und mit einer Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats, wobei der Dosierkopf mindestens eine Kapillare zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen aufweist und wobei die relative Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch die Handhabungseinrichtung änderbar ist.The invention relates to a device for recording and Dispensing of the smallest amounts of liquid with a dosing head, with a handling device and with a device for Recording a substrate, the dosing head being at least one Capillary for taking up and dispensing the smallest amounts of liquid has and wherein the relative position of the dosing head and the Device for receiving a substrate through the Handling device is changeable.

Zur miniaturisierten Analytik werden Vorrichtungen, sog. Chips benötigt, die aus einem Substrat oder Träger bestehen, auf dem in möglichst hoher Dichte verschiedene chemische und/oder biologische Substanzen (z. B. Haptene, Proteine, oligo- und/oder polymere Nukleinsäuren, Zucker, Lipide, Zellen, andere chemische und biologische Substanzen) immobilisiert sind. Diese einzelnen chemischen und/oder biologischen Substanzen können in Form eines Arrays oder einer Matrix auf dem Substrat angeordnet sein. Die unterschiedlichen Substanzen werden entweder auf dem Substrat in situ synthetisiert oder müssen in gelöster Form in entsprechend hoher Dichte auf das Substrat aufgebracht werden, wobei die gelösten Moleküle dann entweder kovalent oder adsorptiv an die Oberfläche des Substrats immobilisiert werden. Je höher die Anzahl der unterschiedlichen Substanzen ist, die pro Flächeneinheit des Substrats aufgebracht werden, desto mehr Analyseparameter können innerhalb eines Meßvorgangs untersucht werden.Devices, so-called chips, are used for miniaturized analysis needed, which consist of a substrate or support on which different chemical and / or  biological substances (e.g. haptens, proteins, oligo- and / or polymeric nucleic acids, sugars, lipids, cells, other chemical and biological substances) are. These individual chemical and / or biological Substances can be in the form of an array or a matrix be arranged on the substrate. The different substances are either synthesized in situ on the substrate or must be in solution in a correspondingly high density on the Substrate are applied, the dissolved molecules then either covalent or adsorptive to the surface of the Be immobilized. The higher the number of is different substances per unit area of the Substrate are applied, the more analysis parameters can be examined within one measurement process.

Mit Substrat wird im folgenden die Oberfläche eines Materials mit oder ohne chemischer Aktivierung bezeichnet. Das Material kann beispielsweise Glas, Kunststoff odgl. sein. Unter Substanz werden im folgenden Flüssigkeiten verstanden, in denen die abzugebenden chemischen und/oder biologischen Substanzen gelöst oder suspendiert sind. Als Kapillare werden im Zusammenhang mit der Erfindung dünne Bohrungen bezeichnet, unabhängig von der Art der Herstellung. Es kann sich um gezogene Glasröhrchen oder auch in einen massiven Block gebohrte oder in sonstiger Weise eingebrachte Bohrungen oder Löcher handeln. The substrate is the surface of a material labeled with or without chemical activation. The material can for example glass, plastic or the like. his. Under Substances are understood in the following liquids, in which the chemical and / or biological to be dispensed Substances are dissolved or suspended. As a capillary referred to in connection with the invention thin bores, regardless of the type of manufacture. It can be drawn glass tubes or in a solid block drilled or otherwise drilled holes or Trade holes.  

Um die erforderlichen Substanzen und die für die Analytik benötigten Probenmengen zu verringern, ist man unter anderem bestrebt, möglichst kleine Tropfen auf möglichst geringem Raum anzuordnen.To the substances required and those for analysis One of the tasks is to reduce the amount of sample required strives to have the smallest possible drops in the smallest possible space to arrange.

Nachteilig an den bekannten Vorrichtungen zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen nach dem Stand der Technik ist, dass die kleinstmöglichen dosierbaren Tropfenvolumina ein Volumen von ca. 1 nl (10-9 l) haben. Die Tropfendurchmesser liegen damit bei ca. 100 µm. Damit können maximal 20 Tropfen pro mm2 aufgebracht werden.A disadvantage of the known devices for receiving and dispensing the smallest amounts of liquid according to the prior art is that the smallest possible meterable drop volumes have a volume of approximately 1 nl (10 -9 l). The droplet diameters are around 100 µm. This means that a maximum of 20 drops per mm 2 can be applied.

Die nicht-berührenden Dosiereinrichtungen nach dem Stand der Technikweisen den Nachteil auf, dass neben dem eigentlichen Dosiertropfen in nicht vorhersehbarer und unreproduzierbarer Weise zusätzliche kleinere Tröpfchen, sogenannte Satelliten- Tropfen, entstehen. Diese Satelliten-Tropfen führen jedoch bei Anwendungen in der miniaturisierten Analytik zu Querkontaminationen und damit zu möglichen Falsch-Ergebnissen. Außerdem läßt sich das Abrissverhalten der Tropfen bei den nicht-berührenden Verfahren nicht exakt vorhersagen, so dass Ungenauigkeiten in der Flugbahn und der Positionierung der Tropfen auf dem Substrat entstehen. Schließlich haben die nicht-berührenden Dosiereinrichtungen, die nach dem aus Tintenstrahldruckern bekannten "Inkjet"-Verfahren arbeiten, ein großes Totvolumen. Zum Dosieren von Flüssigkeitstropfen im Nanoliterbereich muß mindestens 1 µl aufgenommen werden. The non-contacting dosing devices according to the state of the Techniques have the disadvantage that in addition to the actual Dosing drops in unpredictable and unreproducible Way, additional smaller droplets called satellite Drops, arise. However, these satellite drops are contributing Applications in miniaturized analytics too Cross-contamination and thus possible false results. In addition, the tear behavior of the drops in the not accurately predict non-touching procedures so that Inaccuracies in the trajectory and the positioning of the Drops appear on the substrate. After all, they have non-contacting dosing devices, which according to the Inkjet printers known "inkjet" processes work, a large dead volume. For dosing liquid drops in the Nanoliter range must be taken up at least 1 µl.  

Bei den berührenden Dosiereinrichtungen ist die derzeit erreichbare Dichte von Tropfen auf einige Dutzend Tropfen pro mm2 beschränkt. Beim Tip-Print Verfahren liegt die bisher erreichbare Spotdichte bei bestenfalls 10 Spots pro mm2.In the case of the touching metering devices, the currently achievable density of drops is limited to a few dozen drops per mm 2 . With the tip-print process, the previously achievable spot density is at best 10 spots per mm 2 .

Allen bislang bekannten Vorrichtungen zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen nach dem Stand der Technik ist gemeinsam, dass die zur Bewegung der Dosierköpfe eingesetzten Handhabungseinrichtungen eine Positioniergenauigkeit von 50 µm erreichen, so dass die erreichbaren Tropfendichten auf 400 Tropfen pro mm2 limitiert ist.Common to all previously known devices for receiving and dispensing the smallest amounts of liquid according to the prior art is that the handling devices used to move the dosing heads achieve a positioning accuracy of 50 μm, so that the drop densities that can be achieved are limited to 400 drops per mm 2 .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen bereitzustellen, bei denen die erforderlichen Mengen der zu analysierenden Probe und/oder der Substanzen verringert und die Zahl der Analyseparameter erhöht wird.The invention has for its object a device for Absorption and dispensing of the smallest amounts of liquid provide where the required amounts of the to analyzing sample and / or the substances are reduced and the number of analysis parameters is increased.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen mit einem Dosierkopf, mit einer Handhabungseinrichtung und mit einer Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats, wobei der Dosierkopf mindestens eine Kapillare zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen aufweist, wobei die relative Läge von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch die Handhabungseinrichtung änderbar ist, und wobei die Aufnahme und die Abgabe von Flüssigkeit durch eine Spitze der Kapillare erfolgt.This object is achieved by a Device for picking up and dispensing the smallest Liquid quantities with a dosing head, with a Handling device and with a device for receiving a substrate, wherein the dosing head at least one Capillary for taking up and dispensing the smallest amounts of liquid has, the relative length of the dosing head and the Device for receiving a substrate through the Handling device is changeable, and wherein the recording  and the delivery of fluid through a tip of the capillary he follows.

Diese Vorrichtung hat die Vorteile, dass kleinste Tropfenvolumina bis 0,1 pl auf Substrate abgesetzt werden können. Durch das direkte Absetzen der Tropfen auf dem Substrat kann deren Positionierung mit größerer Genauigkeit als bei nicht-berührenden Verfahren erfolgen. Im Ergebnis sind mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Tropfendichten von bis zu 2500 Tropfen pro mm2 erreicht worden. Daraus ergibt sich eine deutliche Reduktion der erforderlichen Mengen der zu analysierenden Probe und der Substanzen. Außerdem kann, bei gegebener Probenmenge, eine größere Zahl von Analyseparametern untersucht werden.This device has the advantages that the smallest drop volumes of up to 0.1 pl can be deposited on substrates. By placing the drops directly on the substrate, they can be positioned with greater accuracy than with non-contacting methods. As a result, drop densities of up to 2500 drops per mm 2 have been achieved with the device according to the invention. This results in a significant reduction in the required amounts of the sample to be analyzed and the substances. In addition, a larger number of analysis parameters can be examined for a given amount of sample.

Weiterhin können beim Dosierender Tropfen auf Substrate keine Satellitentropfen entstehen, so dass die Gefahr von Querkontaminationen und daraus resultierenden fehlerhaften Untersuchungsergebnissen vermieden werden.Furthermore, when dispensing the drops onto substrates, none can Satellite drops occur, so the danger of Cross-contamination and resulting faulty Test results can be avoided.

Schließlich kann das Totvolumen bei der Aufnahme der zu dosierenden Flüssigkeit von der Kapillare auf weniger als 1 nl beschränkt werden, was zu einer deutlichen Reduzierung der benötigten Substanzmengen führt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das Substrat durch die Spitze der Kapillare aufgenommen und durch diese Spitze auch wieder abgegeben wird. Somit muß kein Totraum mit Substrat gefüllt werden. Dennoch kann die Kapillare der Dosierspitze einen Arbeitsvorrat aufnehmen, der für das Absetzen von wenigstens 100 Tropfen ausreicht.Finally, the dead volume when taking the to dosing liquid from the capillary to less than 1 nl be limited, resulting in a significant reduction in the leads required amounts of substance. This is made possible by that the substrate is absorbed through the tip of the capillary and is also released through this tip. So must no dead space can be filled with substrate. Nevertheless, the  Capillary of the dosing tip take up a worklist that enough to stop at least 100 drops.

Es ist auch möglich, die Kapillare ihrem der Spitze abgewandten Ende zu befüllen, so dass bei der Serienfertigung Substraten auf denen Substanzen immobilisiert werden, eine kontinuierliche Prozeßführung erreicht wird. Bei der Serienfertigung ist das durch diese Art des Befüllens ansteigende Totvolumen von geringer Bedeutung.It is also possible to tip the capillary fill the opposite end, so that in series production Substrates on which substances are immobilized, one continuous process control is achieved. In the Series production is through this type of filling increasing dead volumes of little importance.

Bei einer Variante der Erfindung beträgt der Innendurchmessser der Kapillare mindestens im Bereich der Spitze 1 µm bis 200 µm, so dass ausreichende kleine Tropfen auf dem Substratträger absetzbar sind.In a variant of the invention, the inside diameter is the capillary at least in the area of the tip 1 µm to 200 µm, leaving enough small drops on the substrate support are deductible.

In Ergänzung der Erfindung wird eine gezogene Glaskapillare verwendet, so dass durch aufschmelzen und ziehen handelsüblicher Glaskapillaren mit ggf. abschließendem Feuerpolieren Kapillaren mit den geforderten Innendurchmessern bereitgestellt werden können.In addition to the invention, a drawn glass capillary used so that by melting and pulling commercially available glass capillaries with, if necessary, a final one Fire polishing capillaries with the required inner diameters can be provided.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aussenfläche oder/und die Innenfläche der Kapillare mindestens im Bereich der Spitze beschichtet sind, so dass das Verhalten der Flüssigkeit bei der Aufnahme oder Abgabe durch die Kapillare beeinflußt werden kann. Innere und äußere Oberfläche der Dosierspitze können durchaus unterschiedlich beschichtet werden.In a further addition to the invention it is provided that the At least the outer surface and / or the inner surface of the capillary are coated in the area of the tip, so that the behavior the liquid when ingested or dispensed by the Capillary can be affected. Inner and outer surface  the dosing tip can be coated differently become.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Kapillare mit Polyimid beschichtet, so dass diese sog. Fused Silika Kapillare eine große Flexibilität aufweist.In another embodiment of the invention Capillary coated with polyimide, so that this so-called fused Silica capillary has great flexibility.

Weitere Ergänzungen der Erfindung sehen vor, dass die Kapillare außen und/oder innen hydrophob oder hydrophil beschichtet ist, so dass das Verhalten der Substanz beim Immobilisieren auf dem Substrat durch die geeignete Abstimmung der Eigenschaften von Kapillare, insbesondere deren Oberflächeneigenschaften außen und innen, sowie der Oberfläche des Substrats beeinflußt werden kann.Further additions to the invention provide that the capillary is hydrophobic on the outside and / or inside is coated hydrophilic, so that the behavior of the substance when immobilized on the substrate by the appropriate Matching the properties of capillaries, especially theirs Surface properties outside and inside, as well as the surface of the substrate can be influenced.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Druck im Inneren der Kapillare steuerbar ist, so dass die Aufnahme und Abgabe der Flüssigkeit aktiv beeinflußbar ist.Another embodiment of the invention provides that the Pressure inside the capillary is controllable so that the Uptake and release of the liquid can be actively influenced.

Bei einer Ergänzung der Erfindung sind mehrere Kapillaren zu einem Array oder einer Matrix zusammengefasst, so dass die Kapillaren gleichzeitig beschickt werden können und mehrere Tropfen gleichzeitig abgesetzt werden können. Diese Ausführungsform ist besonders zur Serienfertigung geeignet, wenn auf einer Vielzahl gleichgestalteter Substrate Substanzen immobilisiert werden sollen. When the invention is supplemented, several capillaries are closed grouped into an array or matrix so that the Capillaries can be loaded at the same time and several Drops can be deposited at the same time. This The embodiment is particularly suitable for series production, if on a variety of similar substrates Substances are to be immobilized.  

Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die relative Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch die Handhabungseinrichtung in drei Koordinatenrichtungen änderbar ist, so dass der Dosierkopf zur Aufnahme der Flüssigkeit aus einem Behälter und Abgabe der Flüssigkeit auf dem Substrat frei im Raum bewegbar ist.In a variant of the invention it is provided that the relative position of the dosing head and the device for receiving of a substrate by the handling device in three Coordinate directions can be changed so that the dosing head for Picking up the liquid from a container and dispensing it Liquid on the substrate is freely movable in space.

In Ergänzung der Erfindung entsprechen die Koordinatenrichtungen den Achsen eines kartesischen Koordinatensystems, so dass auf gerade Führungen und entsprechende Antriebe zurückgegriffen werden kann.In addition to the invention correspond to Coordinate directions the axes of a Cartesian Coordinate system so that on straight guides and appropriate drives can be used.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der relative Drehwinkel von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch die Handhabungseinrichtung änderbar, so dass Substrat und Arbeitsrichtung des Dosierkopfs zueinander ausgerichtet werden können.In another embodiment of the invention, the relative Angle of rotation of the dosing head and the device for receiving of a substrate can be changed by the handling device, so that substrate and working direction of the dosing head to each other can be aligned.

Bei einer Variante der Erfindung ist die relative Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch einen oder mehrere Kugelgewindeantriebe mit angeschlossenem Hybridschrittmotor änderbar, so dass große Verstellwege und hohe Verstellgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hoher Positioniergenauigkeit erreichbar sind.In a variant of the invention, the relative position of Dosing head and the device for receiving a substrate through one or more ball screw drives with connected hybrid stepper motor changeable so that large Adjustment paths and high adjustment speeds at high positioning accuracy can be achieved at the same time.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die relative Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch einen oder mehrere piezo-gesteuerten Nanomotoren änderbar, so dass eine platzsparende und hochgenaue Positionierung möglich ist.In a further embodiment of the invention relative position of the dosing head and the device for receiving  of a substrate by one or more piezo-controlled Nanomotors changeable, so that a space-saving and high-precision positioning is possible.

Bei einer anderen Variante sind Mittel zur Ermittlung der relativen Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats, insbesondere mit einer optischen Abtasteinrichtung zusammenwirkende Maßstäbe aus Glas oder Metall, vorhanden, so dass die tatsächliche Position der Kapillare, bzw. des Substrats mit großer Genauigkeit in allen Bewegungsachsen erfasst werden kann.In another variant, means for determining the relative position of the dosing head and the device for receiving a substrate, in particular with an optical one Interacting scales made of glass or Metal, in place so that the actual position of the Capillary, or the substrate with great accuracy in all Movement axes can be recorded.

Im weiterer Ergänzung der Erfindung ist ein Steuergerät zur Steuerung der Aufnahme und Abgabe von Flüssigkeit sowie der relativen Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats vorhanden, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung automatisiert betrieben werden kann.In a further addition to the invention, a control device for Control the uptake and delivery of liquid and the relative position of the dosing head and the device for receiving of a substrate, so that the invention Device can be operated automatically.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem
The above-mentioned object is also achieved by a method for taking up and dispensing the smallest amounts of liquid with a device according to one of claims 1 to 15, in which

  • - die Spitze der Kapillare in einen mit Flüssigkeit gefülltem Behälter eintaucht,- The tip of the capillary in a filled with liquid Immersed container,
  • - die Kapillare relativ zu der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats positioniert wird und - The capillary relative to the device for receiving a Substrate is positioned and  
  • - der Dosierkopf abgesenkt wird, bis die Kapillare das in der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats eingespannte Substrat berührt, so dass die o. g. Vorteile, insbesondere das Aufbringen kleinster Flüssigkeitsmengen auf engestem Raum auch bei der Durchführung des Verfahrens realisiert werden.- The dosing head is lowered until the capillary in the Device for receiving a substrate clamped substrate touched so that the above Advantages, especially that Applying the smallest amounts of liquid in a small space too be implemented in the implementation of the method.

In Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gleichzeitig mit dem Eintauchen der Spitze der Kapillare in einen mit Flüssigkeit gefülltem Behälter der Druck im Inneren der Kapillare abgesenkt, so dass aktiv Flüssigkeit aus dem Behälter aufgenommen wird.In addition to the method according to the invention simultaneously with immersing the tip of the capillary in a fluid-filled container the pressure inside the capillary is lowered so that active liquid from the Container is added.

Bei einer weiteren Ergänzung des erfindunsgemäßen Verfahrens wird der Druck im Inneren der Kapillare erhöht, wenn die Kapillare das in der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats eingespannte Substrat berührt, so dass die Flüssigkeitsmenge, welche auf dem Substrat abgesetzt wird, steuerbar ist.In a further addition to the method according to the invention the pressure inside the capillary is increased when the Capillary in the device for receiving a substrate touched clamped substrate so that the amount of liquid, which is deposited on the substrate is controllable.

Nachfolgend werden zwei der bereits realisierten Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben:Below are two of the ones already implemented Described embodiments of the invention:

Beiden Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass der Dosierkopf in Richtung von drei kartesischen Koordinatenachsen verschiebbar angeordnet ist. Außerdem ist das absolute Wegmesssystem mit Maßstäben entlang jeder Achse und mit diesen zusammenwirkenden optischen Ableseeinrichtungen gleich. Die Markierungen der Messschienen werden optisch über die Ableseeinrichtung erfasst und von Impulszählerkarten ausgewertet. Zur Sicherstellung einer Positioniergenauigkeit von 1 µm werden Messschienen mit einer Auflösung von 100 nm eingesetzt.Both embodiments have in common that the Dosing head in the direction of three Cartesian coordinate axes is slidably arranged. It is also absolute Position measuring system with scales along and with each axis interacting optical reading devices the same. The Markings of the measuring rails are visually over the  Reading device recorded and from pulse counter cards evaluated. To ensure positioning accuracy of 1 µm are measuring rails with a resolution of 100 nm used.

Beim ersten Ausführungsbeispiel wird der Dosierkopf in jeder Achse durch je einen Kugelgewindeantrieb der Präzisionsklasse mit Steigung 6 wird über einen Hybridschrittmotor mit 400 Schritten pro Umdrehung angetrieben. Die 400 Vollschritte werden software-technisch in 128 Subschritte unterteilt. Damit wird eine Auflösung von 51.200 Inkrementen pro Umdrehung erreicht. Dies entspricht einer Auflösung von ca. 120 nm pro Inkrement.In the first embodiment, the dosing head in each Axis through a ball screw drive of the precision class with slope 6 is a hybrid stepper motor with 400 Steps per revolution. The 400 full steps are subdivided into 128 sub-steps in terms of software. In order to will have a resolution of 51,200 increments per revolution reached. This corresponds to a resolution of approx. 120 nm per Increment.

Die Verstellgeschwindigkeiten betragen bis zu 120 mm pro Sekunde, der Arbeitsraum hat Abmessungen von etwa 300 mm × 300 ­ mm × 80 mm. Als Dosierkapillare kommt eine gezogene, hydrophobisierte Kapillare aus Borosilikat-Glas mit 5 µm Innendurchmesser zum Einsatz.The adjustment speeds are up to 120 mm each Second, the work area has dimensions of approximately 300 mm × 300 mm × 80 mm. A drawn, as a dosing capillary Hydrophobized capillary made of borosilicate glass with 5 µm Inner diameter for use.

Die Dosierung der Flüssigkeit erfolgt durch Adhäsion und Druckpuls. Dabei können Dosiervolumina zwischen 0,1 pl und 1000 pl, bei einem Tropfendurchmesser zwischen 10 µm und 100 µm abgesetzt werden.The liquid is dosed by adhesion and Pressure pulse. Dosing volumes between 0.1 pl and 1000 pl, with a drop diameter between 10 µm and 100 µm be dropped off; be discontinued; be deducted; be dismissed.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel werden piezo-basierte Nanomotoren der Fa. Kleindiek eingesetzt. Sie erreichen im sog. Feinbetrieb eine Auflösung von 1 nm pro 0,1 Volt, entsprechend einem Inkrement. Die Ansteuerung erfolgt über einen Bereich von +/-15 Volt im Feinbetrieb, das entspricht einem Verfahrweg von 300 nm. Für größere Verfahrwege, muß in den Grobmodus umgeschaltet werden. Damit können Verfahrwege im cm-Bereich erreicht werden. Systembedingt gehen dabei jedoch Einzelschritte verloren. Dieser Nachteil wird jedoch durch die absolute Wegmessung aufgefangen.In the second embodiment, piezo-based Nanomotors from Kleindiek used. You can reach in  so-called fine operation a resolution of 1 nm per 0.1 volt, corresponding to an increment. The control takes place via a range of +/- 15 volts in fine mode, which corresponds a travel distance of 300 nm. For larger travel distances, in the rough mode can be switched. This allows travel paths in the cm range can be achieved. However, due to the system Single steps lost. However, this disadvantage is caused by the absolute distance measurement.

Für die x- und die y-Achse werden zwei piezo-getriebene Nanomotoren parallel geschaltet. Die Positioniergenauigkeit beträgt +/-100 nm, die Verstellgeschwindigkeit beträgt bis zu 1 mm pro Sekunde. Es ist auch möglich zur Vergrößerung des Verstellweges mehrere Nanomotoren in Reihe zu schalten.Two piezo-driven ones are used for the x and y axes Nanomotors connected in parallel. The positioning accuracy is +/- 100 nm, the adjustment speed is up to 1 mm per second. It is also possible to enlarge the To connect several nanomotors in series.

Der Arbeitsraum hat Abmessungen von etwa 10 mm × 10 mm × 10 mm. Das Absetzen der Flüssigkeit erfolgt passiv durch eine Fused Silika Kapillare mit 5 µm bis 150 µm Innendurchmesser. Daraus ergeben sich Tropfendurchmesser auf dem Substrat von 8 µm bis 300 µm. Zur Wegmessung wird ein Metallmaßstab eingesetzt.The work space has dimensions of approximately 10 mm × 10 mm × 10 mm. The liquid is deposited passively by a Fused silica capillary with 5 µm to 150 µm inside diameter. This results in droplet diameters on the substrate of 8 µm up to 300 µm. A metal scale is used to measure the distance used.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen mit einem Dosierkopf, mit einer Handhabungseinrichtung und mit einer Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats, wobei der Dosierkopf mindestens eine Kapillare zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen aufweist, wobei die relative Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch die Handhabungseinrichtung änderbar ist, und wobei die Aufnahme und die Abgabe von Flüssigkeit durch eine Spitze der Kapillare erfolgt.1. Device for receiving and dispensing the smallest Liquid quantities with a dosing head, with a Handling device and with a device for Recording a substrate, the dosing head at least a capillary for receiving and dispensing the smallest Has amounts of liquid, the relative location of Dosing head and the device for receiving a Substrate can be changed by the handling device, and wherein the uptake and delivery of liquid through a tip of the capillary. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmessser der Kapillare mindestens im Bereich der Spitze 1 µm bis 200 µm beträgt.2. Device according to claim 1, characterized in that the inside diameter of the capillary at least in the area the tip is 1 µm to 200 µm. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare eine gezogene Glaskapillare ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized characterized that the capillary is a drawn Is glass capillary. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenfläche oder/und die Innenfläche der Kapillare mindestens im Bereich der Spitze beschichtet ist. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the outer surface or / and the inner surface of the capillary at least in the area of Tip is coated.   5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare mit Polyimid beschichtet ist.5. The device according to claim 1 or 2, characterized characterized that the capillary with polyimide is coated. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare außen und/oder innen hydrophob beschichtet ist.6. The device according to claim 4 or 5, characterized characterized that the capillary outside and / or inside is coated hydrophobically. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare innen und/oder außen hydrophil beschichtet ist.7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized characterized that the capillary inside and / or outside is coated hydrophilic. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Inneren der Kapillare steuerbar ist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure inside the Capillary is controllable. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kapillaren zu einem Array oder einer Matrix zusammengefasst sind.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that several capillaries into one Array or a matrix are summarized. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch die Handhabungseinrichtung in drei Koordinatenrichtungen änderbar ist. 10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the relative location of Dosing head and the device for receiving a Substrate by the handling device in three Coordinate directions can be changed.   11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Drehwinkel von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch die Handhabungseinrichtung änderbar ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the relative angle of rotation of Dosing head and the device for receiving a Substrate is changeable by the handling device. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinatenrichtungen den Achsen eines kartesischen Koordinatensystems entsprechen.12. The apparatus according to claim 10, characterized in that the coordinate directions the axes of a Cartesian coordinate system. 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch einen oder mehrere Kugelgewindeantriebe mit angeschlossenem Hybridschrittmotor änderbar ist.13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the relative location of Dosing head and the device for receiving a Substrate by one or more ball screw drives can be changed with connected hybrid stepper motor. 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats durch einen oder mehrere piezo-gesteuerten Nanomotoren änderbar ist.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the relative location of Dosing head and the device for receiving a Substrate by one or more piezo-controlled Nanomotors can be changed. 15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Ermittlung der relativen Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats vorhanden sind. 15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that means for determining the relative position of the dosing head and the device for Recording a substrate are available.   16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ermittlung der relativen Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats Maßstäbe aus Glas oder Metall sind, die mit einer optischen Abtasteinrichtung zusammenwirken.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the means of determining the relative location of Dosing head and the device for receiving a Substrate standards made of glass or metal are compatible with an optical scanner cooperate. 17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät zur Steuerung der Aufnahme und Abgabe von Flüssigkeit sowie der relativen Lage von Dosierkopf und der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats vorhanden ist.17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a control unit for Control the intake and delivery of fluid as well the relative position of the dosing head and the device for Recording a substrate is present. 18. Verfahren zur Aufnahme und Abgabe kleinster Flüssigkeitsmengen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - Eintauchen der Spitze der Kapillare in einen mit Flüssigkeit gefülltem Behälter,
  • - Positionieren der Kapillare relativ zu der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats,
  • - Absenken des Dosierkopfs, bis die Kapillare das in der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats eingespannte Substrat berührt.
18. Method for taking up and dispensing the smallest amounts of liquid with a device according to one of claims 1 to 17, characterized by the following method steps:
  • - immersing the tip of the capillary in a container filled with liquid,
  • Positioning the capillary relative to the device for receiving a substrate,
  • - Lowering the dosing head until the capillary touches the substrate clamped in the device for receiving a substrate.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit dem Eintauchen der Spitze der Kapillare in einen mit Flüssigkeit gefülltem Behälter der Druck im Inneren der Kapillare abgesenkt wird.19. The method according to claim 18, characterized in that  simultaneously with the immersion of the tip of the Capillary in a container filled with liquid Pressure inside the capillary is reduced. 20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Inneren der Kapillare erhöht wird, wenn die Kapillare das in der Vorrichtung zur Aufnahme eines Substrats eingespannte Substrat berührt.20. The method according to claim 18 or 19, characterized characterized that the pressure inside the capillary is increased when the capillary in the device clamped substrate for receiving a substrate touched.
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