Mikrodosiersystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikrodosiersystem zum Dosieren von Flussigkeitsvolumina im Bereich von etwa einem Nanoliter bis zu einigen Mikrolitern
Bei den bekannten Dosiersystemen wird grob zwischen Pipetten, Dispensern und Multifunktionsdosierern unterschieden Alle drei Gruppen können nach zwei unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeiten Entweder wird die Dosierung der Flüssigkeit durch ein Luftpolster vermittelt, oder es findet eine Direktverdrangung der Flüssigkeit ohne zwischenliegendes Luftpolster statt Ferner werden Festvolumenpipetten von Pipetten mit einstellbarem Volumen unterschieden Die Dosiermengen liegen zwischen 0,5 μl und 2500 μl
Kolbenhubpipetten können als feste oder einstellbare Pipetten ausgeführt sein und arbeiten in einem Volumenbereich von weniger als 1 μl bis zu 10 ml Die Probe wird in eine Kunststoffspitze eingesogen, wobei sie durch ein Luftpolster vom Kolben in der Pipette getrennt ist Da das Gewicht der Flus- sigkeitssaule an dem Luftpolster „hangt" entsteht ein zu korrigierender Pi- pettierfehler
Nach dem Prinzip der Direktverdrangung arbeitende Pipetten oder Dispenser haben diese Fehler nicht Sie kommen insbesondere beim Dosieren von Flüssigkeit mit hohen Dampfdrucken, hohen Viskositäten, hohen Dichten und in der Molekularbiologie - z B bei der Polymerasekettenreaktion - zum Einsatz Sie haben Spitzen oder Spritzen mit integriertem Kolben, der mit einer Antriebseinrichtung der Pipette gekoppelt wird
Mehrkanalpipetten, Dispenser und elektronische Dosiersysteme arbeiten nach den vorstehenden Prinzipien Mehrkanalpipetten können durch mehrere gleichartige Dosierungen die Anzahl notwendiger Pipettiervorgange erheblich reduzieren Das ist auch bei Dispensern der Fall, die eine aufgenommene Flussigkeitsmenge schrittweise abgeben, und die es auch in Mehr- kanalausfuhrung gibt Elektronische Pipetten und Dosiersysteme erlauben Pipettierungen mit hoher Reproduzierbarkeit und haben aufgrund integrierter Dispensierfunktion ein breites Anwendungsgebiet Sie arbeiten in einem Volumenbereich von 1 μl bis 50 ml
Eine genaue, einfache und kostengünstige Dosierung geringerer Flussigkeitsvolumina wäre wünschenswert Dann konnten chemische Analysen genauer, schneller und kostengünstiger durchgeführt werden, letzteres auch wegen des geringeren Medienverbrauchs Hierdurch konnten neue Routinediagnosen, z B im Bereich der medizinischen Versorgung oder im Umweltschutz ermöglicht werden, die bisher nur schwer zu realisieren oder zu teuer waren Bei Anwendungen im Bereich der Biotechnologie (z B Sequenzierung von Genen, Genomanalyse) konnte durch eine Verbesserung der Do- sierqualitat der Informationsgehalt der Untersuchungen vergrößert werden Eine wesentliche Verbesserung der Dosiersysteme im Bereich der Biotechnologie konnte u a zu Fortschritten in der Nutztier- und Nutzpflanzenentwicklung und der Bekämpfung pilzartiger, bakterieller und viraler Infektionskrankheiten führen
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein genaues und einfaches Mikrodosiersystem mit einem Dosiervolumen im Bereich von wenigen Nanoliter bis wenigen Mikroliter zu schaffen
Die Aufgabe wird durch verschiedene Mikrodosiersysteme gelost, deren Merkmale in den Ansprüchen 1, 13, 21, 25, 36, 43, 60, 67, 72 und 74 angegeben sind Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Systeme sind in den Un- teranspruchen angegeben
Die erste Losung betrifft ein Mikrodosiersystem mit
- einem Reservoir, einer Mikromembranpumpe, deren Eingang mit dem Reservoir verbunden ist, einem Freistrahldosierer, dessen Eingang mit dem Ausgang der Mikromembranpumpe verbunden ist, einer mit dem Ausgang des Freistrahldosierers verbundenen Dosieroff- nung und
- einer mit Mikromembranpumpe und Freistrahldosierer in Wirkverbindung stehenden Dosiersteuerung
Das Reservoir kann vor oder nach Integration in das Mikrodosiersystem mittels externer Einrichtungen mit Flüssigkeit vorbefüllt sein oder mittels der Mikromembranpumpe mit Flüssigkeit befullt werden Die Flüssigkeit kann ein Reagenz sein, z B ein Enzym Die Mikromembranpumpe kann ferner Flüssigkeit aus dem Reservoir oder von außen in den Freistrahldosierer pumpen Der Freistrahldosierer kann die eingepumpte Flüssigkeit im Freistrahl abgeben Die Freistrahlfahigkeit ermöglicht ein verschleppungsfreies Dosieren von Dosiermengen im Bereich von einem Nanoliter bis zu einigen Mikrolitern bei hohen Dosiergenauigkeiten Wenn die Mikromembranpumpe arbeitet und der Freistrahldosierer ruht, kann das System eine Flussigkeitsmenge aus der Dosieroffnung ablaufen lassen, die auf ein Sub-
strat dosiert werden kann Hierbei können auch größere Dosiermengen abgegeben werden Ferner kann die Mikromembranpumpe bei ruhendem Freistrahldosierer eine Hilfsflussigkeitssaule (z B Wasser) antreiben, die aus dem Reservoir stammen oder von außen angesaugt sein kann, wobei die Hilfsflussigkeitssaule als Pipettenkolben eines Luftpolster- oder eines Dicht- verdrangersystems fungiert
Die Dosiermenge kann bei Frei Strahlabgabe über das Verdrangungsvolumen der Freistrahleinrichtung und im übrigen über das Schlagvolumen oder mehrere Schlagvolumina der Mikromembranpumpe gesteuert werden
Die zweite Losung betrifft ein Mikrodosiersystem mit einem kompressiblen Reservoir, aus dem Flüssigkeit durch Komprimieren in
- einen Freistrahldosierer beforderbar ist, dessen Eingang mit dem Reservoir verbunden ist, einer mit dem Ausgang des Freistrahldosierers verbundenen Dosieroff- nung und einer mit dem Freistrahldosierer in Wirkverbindung stehenden Dosiersteuerung
Das Reservoir kann vor oder nach der Integration in das Mikrodosiersystem mittels externer Einrichtungen mit Flüssigkeit (z B Reagenz, Enzym) befullt werden Der Freistrahldosierer wird durch einfaches oder mehrfaches Komprimieren des Reservoirs befullt Hierfür kann das Reservoir eine von außen zugangliche, bewegliche Wand aufweisen Nach dem Befullen kann die Freistrahlabgabe der Flüssigkeit aus der Dosieroffnung erfolgen Dafür steuert die Dosiersteuerung den Freistrahldosierer in den Freistrahlbetrieb Die
Dosiermenge kann über das Verdrangungsvolumen des Freistrahldosierers gesteuert werden
Die dritte Losung betrifft ein Mikrodosiersystem mit einem einzigen Reservoir,
- einem Freistrahldosierer, dessen Druckkammer das vorgenannte Reservoir ist, das
- zu einer Dosieroffnung hin geöffnet ist und
- einer mit dem Freistrahldosierer in Wirkverbindung stehenden Dosiersteuerung
Die Druckkammer des Freistrahldosierers kann vor oder nach Integration in das System mittels externer Einrichtungen mit Flüssigkeit befüllt werden Für eine Freistrahlabgabe der Flüssigkeit aus der Dosieroffnung steuert die Dosiersteuerung die Freistrahleinrichtung in den Frei strahlbetrieb Die Dosiermenge kann über das Verdrangungsvolumen des Freistrahldosierers gesteuert werden, d h über das bei Bewegung der Membran des Freistrahldosierers verdrängte Volumen Zwecks Abgabe von mehreren Dosiermengen kann das Verdrangungsvolumen der Membran in mehreren Schritten gesteuert werden
Die vierte Losung betrifft ein Mikrodosiersystem mit einem Reservoir, einer Mikromembranpumpe, deren Eingang mit dem Reservoir verbunden ist,
- einer mit dem Ausgang der Mikromembranpumpe verbundenen Dosieroffnung und
- einer mit der Mikromembranpumpe in Wirkverbindung stehenden Dosiersteuerung,
- wobei Mikromembranpumpe und Reservoir in Mikrosystemtechnik oder Hybridtechnik zu einem auswechselbar mit einem Betatigungsmodul verbundenen Bauteil zusammengefaßt sind
Das Reservoir kann vor der Integration in das System oder danach von außen mit Flüssigkeit (z B Reagenz, Enzym) befullt werden oder mittels der Mikromembranpumpe befullt werden, die entsprechend von der Dosiersteuerung gesteuert werden kann Für die Abgabe von Flüssigkeit aus der Dosieroffnung steuert die Dosiersteuerung die Mikromembranpumpe in den Pumpbetrieb Die Dosiermenge kann über das Schlagvolumen der Mikromembranpumpe gesteuert werden Nach Entleerung des Systems können Mikromembranpumpe und Reservoir, die in Mikrosystemtechnik oder Hybridtechnik zu einem auswechselbaren Bauteil zusammengefaßt sind, gegen ein anderes Bauteil ausgetauscht werden, das bereits vorbefüllt sein kann
Das Betatigungsmodul hat insbesondere die Funktion eines Halters für das Bauteil und kann insbesondere ein Handgriff (bei einem Handgerat) oder eine stationäre Vorrichtung sein Das Betatigungsmodul kann grundsatzlich samtliche Komponenten des Systems aufweisen, die nicht zum auswechselbaren Bauteil gehören Eine Verbindung oder Kopplung solcher Komponenten mit dem Bauteil kann insbesondere mechanisch, über elektrische Steckverbindungen, Optokoppler etc erfolgen Das Betatigungsmodul kann insbesondere Betatigungseinrichtungen (Schalter, Taster, Befestigungselemente etc ) und/oder Anzeigeeinrichtungen (LCD-Display etc ) und/oder Antriebseinrichtungen und/oder die Dosier Steuerung umfassen Das gilt auch
bei samtlichen anderen Losungen, die ein Betatigungsmodul aufweisen können
Die fünfte Losung betrifft ein Mikrodosiersystem mit einem Reservoir,
- einer Mikromembranpumpe, deren Eingang mit dem Reservoir verbunden ist,
- einer mit dem Ausgang der Mikromembranpumpe verbundenen Dosieroffnung und einer mit der Mikromembranpumpe in Wirkverbindung stehenden Dosiersteuerung, die die Verschiebung einer Hilfsflussigkeitssaule aus dem Reservoir für ein Ansaugen von Flüssigkeit durch die Dosieroffnung oder ein Austreiben von Flüssigkeit aus der Dosieroffnung durch Steuern der Mikromembranpumpe in den Pumpbetrieb in der einen oder anderen Richtung steuert
Das Reservoir kann vor oder nach Integration in das System mit Hilfsflus- sigkeit befullt werden Auch bei dieser Variante bildet die Hilfsflussigkeit einen Kolben, der - entsprechend einem Pipettenkolben - Flüssigkeit durch die Dosieroffnung ansaugt oder austreibt Die Dosiermenge kann über das Schlagvolumen der Mikromembranpumpe gesteuert werden, das bekannt ist oder auf Grundlage einer Kalibrierung entlang einer Meßstrecke ermittelt werden kann Auch kann die Dosiermenge gesteuert werden, indem die Hilfsflussigkeitssaule entlang einer vorgegebenen Strecke verschoben wird, die der Dosierung der gewünschten Menge entspricht
Die sechste Losung betrifft ein Mikrodosiersystem mit einem ein Kapillarausgleichssystem aufweisenden Reservoir,
einem Freistrahldosierer, dessen Eingang mit dem Kapillarausgleichssystem verbunden ist, einer mit dem Ausgang des Freistrahldosierers verbundenen Dosieroffnung und einer mit dem Freistrahldosierer in Wirkverbindung stehenden Dosiersteuerung
Das Kapillarausgleichssystem dient der Speicherung und dem kapillaren Transport der Flüssigkeit aus dem Reservoir in den Freistrahldosierer Darüber hinaus kann es dem Ausgleich von Schwankungen der Umgebungsbedingungen wie Luftdruck und Temperatur und des vom Freistrahldosierer verbrauchten Flussigkeitsvolumens dienen Das Kapillarausgleichssystem umfaßt eine oder mehrere zusammenhangende Kapillaren, die das Speichervolumen des Reservoirs bilden Es kann mindestens eine Kapillare mit ma- anderformigem oder vorzugsweise spiralförmigem Verlauf aufweisen
Das Kapillarausgleichssystem kann ausschließlich aufgrund des Wirksamwerdens von Kapillarkraften Flüssigkeit aus dem Reservoir in den Freistrahldosierer transportieren, mit dessen Eingang es verbunden ist Hierzu bedarf es grundsatzlich keiner zusatzlichen Saug- oder Druckkräfte, die beispielsweise mittels einer zusatzlichen Pumpe oder eines kompres- siblen Reservoirs aufzubringen waren
Für eine Freistrahlabgabe der Flüssigkeit aus der Dosieroffnung steuert die Dosiersteuerung den Freistrahldosierer in den Freistrahlbetrieb Dabei können die Kapillarkrafte einen gleichmaßigen Flussigkeitstransport in den Freistrahldosierer bewirken Bei Freistrahlabgabe kann überdies das Kapil-
larausgleichssystem verhindern, das Flüssigkeit in das Reservoir zuruckge- druckt wird
Das Kapillarausgleichssystem verhindert, daß bei Beschleunigung, beispielsweise bei einem Sturz des Reservoirs, im gespeicherten Flussigkeits- volumen Blasen auftreten, die den Dosierprozeß stören können Dies ist insbesondere bei maanderformigem und spiralförmigem Verlauf der Kapillare der Fall, da bei einer Beschleunigung im wesentlichen Kräfte senkrecht zur Wandung der Kapillare auftreten Ein ecken- und kantenfreier oder -armer Verlauf der Kapillare, wie er insbesondere bei maanderformigem oder spiralförmigem Kapillarverlauf möglich ist, begünstigt überdies ein Befüllen des Reservoirs ohne Blaseneinschluß
Das Kapillarausgleichssystem kann an zumindest einem, von der Verbindung mit dem Freistrahldosierer entfernten Punkt belüftet sein, damit ein Ausstromen von Flüssigkeit durch Nachstromen von Luft ausgeglichen wird Die Kapillarkrafte verhindern dann zugleich, daß das Reservoir auslauft Das Kapillarausgleichssystem kann aber auch von einem mit der Flüssigkeit wandernden Pfropfen verschlossen sein, der Umgebungskontakt der Flüssigkeit verhindert und zusatzlich einem Auslaufen entgegenwirkt Naturlich kann das Reservoir mit dem Kapillarausgleichssystem auch kompressibel ausgeführt sein
Ein Reservoir mit einem Kapillarausgleichssystem kann vorteilhaft auch bei den übrigen Losungen für ein Mikrodosiersystem zum Einsatz kommen Das Patentbegehren bezieht diese Varianten ein
Die siebte Losung betrifft ein Mikrodosiersystem mit
einem Reservoir aus Kunststoff,
- einer im wesentlichen plattenformigen, als mikrosystemtechnisches Bauteil ausgeführten Fordereinrichtung mit einer Mikromembranpumpe und/oder einem Freistrahldosierer, wobei das Reservoir und das Bauteil in überdeckender Beziehung aneinander befestigt sind der Eingang der Fordereinrichtung mit dem Reservoir verbunden ist, einer mit dem Ausgang der Fordereinrichtung verbundenen Dosieroffnung und
- einer mit der Fordereinrichtung in Wirkverbindung stehenden Dosiersteuerung
Somit basiert dieses Mikrodosiersystem auf einem Hybridbauteil, welches das Reservoir aus Kunststoff und die mikrosystemtechnische Fordereinrichtung umfaßt Hierdurch werden verhältnismäßig großvolumige Reservoirs begünstigt, anders als bei einem Mikrodosiersystem, bei dem Reservoir und Fordereinrichtung als mikrosystemtechnisches Bauteil ausgeführt sind Zugleich wird durch diese Ausgestaltung der Aufbau des Mikrodosiersystems begünstigt, insbesondere wenn das Hybridbauteil auswechselbar mit einem Betatigungsmodul verbunden ist
Ein entsprechendes Hybridbauteil kann vorteilhaft auch bei den übrigen Losungen für ein Mikrodosiersystem vorhanden sein Das Patentbegehren bezieht diese Varianten ein
Die achte Losung betrifft ein Mikrodosiersystem mit einem Reservoir, einer Fordereinrichtung mit einer Mikromembranpumpe und/oder einem Freistrahldosierer, deren Eingang mit dem Reservoir verbunden ist,
einer mit dem Ausgang der Fordereinrichtung verbundenen Dosieroffnung, einer in Wirkverbindung mit der Fordereinrichtung stehenden Dosiersteuerung, einem Betatigungsmodul, mit dem das das Reservoir umfassende Bauteil auswechselbar verbunden ist, und - einem temperierbaren Trager, in den das aus dem Betatigungsmodul entnommene Bauteil einsetzbar ist
Dieses Mikrodosiersystem begünstigt die Dosierung temperaturempfindlicher Substanzen Das Bauteil, welches das Reservoir umfaßt, kann mindestens eine weitere Komponente des Mikrodosiersystems umfassen, beispielsweise zumindest einen Teil der Fordereinrichtung und/oder die Dosiersteuerung Es kann als Hybridbauteil oder insgesamt mikrosystemtechnisch ausgeführt sein Durch Einsetzen des Bauteils in einen temperierbaren Trager vor und/oder nach dem Dosieren wird eine gezielte und damit energetisch gunstige Temperierung der Dosierflussigkeit ermöglicht Der Trager kann der Aufbewahrung eines oder mehrerer Bauteile in einem Laborkuhl- schrank dienen Er kann aber auch zum Transportieren mindestens eines Bauteiles zwischen einem Kühlschrank und dem Arbeitsplatz dienen Ferner kann der Trager die Bauteile am Arbeitsplatz temperieren Für den Trager kommen insbesondere passive Temperiersysteme in Betracht, beispielsweise mit einem mit Sole gefülltem Kuhlakku Er kann aber auch ein aktives Temperiersystem haben, insbesondere mit einem Peltierelement Das System ist insbesondere für die Dosierung von Enzymen geeignet
Soweit die übrigen Losungen für ein Mikrodosiersystem ein auswechselbares Bauteil aufweisen, welches das Reservoir umfaßt, können sie ebenfalls
einen temperierbaren Trager aufweisen Das Patentbegehren bezieht diese Varianten ein
Die neunte Losung betrifft ein Mikrodosiersystem mit einem Reservoir,
- einer Fordereinrichtung mit einer Mikromembranpumpe und/oder einem Freistrahldosierer, deren Eingang mit dem Reservoir verbunden ist, einer mit dem Ausgang der Fordereinrichtung verbundenen Dosieroffnung,
- einer in Wirkverbindung mit der Fordereinrichtung stehenden Dosiersteuerung,
- wobei ein das Reservoir und/oder die Fordereinrichtung umfassendes Bauteil auswechselbar mit einem Betatigungsmodul verbunden ist, eine Codierung aufweist und das Betatigungsmodul eine Abtasteinrichtung für die Codierung des Bauteiles aufweist
Die Codierung kann eine Information über eine Fullsubstanz und/oder eine oder mehrere Dosiereigenschaften des auswechselbaren Bauteiles betreffen So kann sie eine Information darüber enthalten, welches Enzym sich in einem Reservoir befindet, wann das Reservoir befullt worden ist, ein Verfallsdatum, welche Menge oder Restmenge Flüssigkeit im Reservoir enthalten ist, welche Dosiermenge die Fordereinrichtung bei einer bestimmten Betätigung oder Ansteuerung abgibt etc Das Betatigungsmodul kann die Codierung mittels der Abtasteinrichtung abtasten, so daß die Information, gegebenenfalls nach Verarbeitung durch eine Auswerteeinrichtung, der Dosierung zugrunde gelegt, angezeigt oder sonstwie verwertet werden kann
Entsprechend können auch die übrigen Losungen für ein Mikrodosiersystem mit einer Codierung und einer Abtasteinrichtung ausgestattet sein, sofern sie ein auswechselbar mit einem Betatigungsmodul verbundenes Bauteil aufweisen Das Patentbegehren bezieht diese Varianten ein
Die zehnte Losung betrifft ein Mikrodosiersystem mit einem Reservoir,
- einer Fordereinrichtung mit einem Freistrahldosierer und gegebenenfalls einer Mikromembranpumpe, wobei der Eingang der Fordereinrichtung mit dem Reservoir verbunden ist, einer mit dem Ausgang der Fordereinrichtung verbundenen Dosieroffnung, einer in Wirkverbindung mit der Fordereinrichtung stehenden Dosiersteuerung und
- einer Lichtquelle für einen Lichtstrahl, deren Abstrahlachse so zur Dosieroffnung ausgerichtet ist, daß der Lichtstrahl die Bewegungsachse und/oder den Auftreffort der aus der Dosieroffnung abgegebenen Flüssigkeit kennzeichnet
Bei Freistrahlabgabe kann das Mikrodosiersystem Tropfen bzw Fluidstrah- len ausstoßen, deren gesamtes Flussigkeitsvolumen typischerweise im Bereich von 10 bis 200 nl liegt Diese können nicht mit bloßem Auge erkannt werden, wodurch eine zielgenaue Dosierung beeinträchtigt wird Die Lichtquelle kennzeichnet die Bewegungsbahn und/oder den Auftreffort der Flüssigkeit und ermöglicht hierdurch eine sichere Zufuhr der Dosiermenge an den gewünschten Ort Dieser „Lichtzeiger" kommt bevorzugt bei Ausfuhrung des Mikrodosiersystems als Handgerat zum Einsatz Er kann mittels Laserdiode in das Mikrodosiersystem integriert werden Die Ausrichtung des
Lichtstrahles kann direkt, über Lichtleiter oder über eine integrierte Lichtleiterstruktur eines mikrosystemtechnischen Bauteils des Mikrodosiersystems erfolgen
Ein solcher Lichtzeiger kann vorteilhaft auch bei den übrigen Losungen für ein Mikrodosiersystem vorhanden sein, die einen Freistrahldosierer aufweisen Das Patentbegehren bezieht diese Varianten ein
Nachfolgend werden einige Begriffe dieser Anmeldung naher erläutert
Ein „Mikrodosiersystem" ist ein Dosiersystem, das mindestens eine mikro- systemtechnische Komponente umfaßt
Eine „mikrosystemtechnische" Komponente ist eine vorzugsweise mikromechanische Komponente, die zumindest teilweise in Halbleitertechnologie, vorzugsweise Siliziumtechnologie hergestellt ist
Mikromembranpumpe, Freistrahldosierer und/oder andere Bauteile der er- findungsgemaßen Mikrodosiersysteme können in Mikrosystemtechnik aus einem Halbleiterchip kompakt oder aus mehreren Halbleiterchips in Hybridbauweise hergestellt sein Auch können mikrosystemtechnische Komponenten mit konventionellen Komponenten, z B einem Reservoir aus Kunststoff, zu einem Hybridbauteil kombiniert sein
Eine „Mikromembranpumpe" ist eine mikrosystemtechnische Membranpumpe mit Einlaß und Auslaß aufweisender Pumpkammer, einer dieser zugeordneten Pumpmembran und einem dieser zugeordneten elektrostatischem, piezoelektrischem, thermo mechanischem o dgl Antrieb oder Aktor
Charakteristisch für eine Mikromembranpumpe ist, daß sie die Flüssigkeit gegen einen im Hinblick auf die Überwindung von Kapillarkraften, Vis- kositatskraften und Oberflachenspannungen begrenzten Gegendruck pumpt Der Pumpdruck reicht nicht dazu, die Flüssigkeit aus einer Dosieroffnung auszustoßen, d h im Freistrahl abzugeben Vielmehr lauft oder tropft die Flüssigkeit aus der Dosieroffnung durch die Erdbeschleunigung getrieben ab Eine Mikromembranpumpe kann jedoch typischerweise - im Vergleich zu einem Freistrahldosierer - große Volumenstrome pumpen Sie ist insbesondere für einen kontinuierlichen Betrieb geeignet und kann je nach Konstruktion in verschiedenen Richtungen pumpen Typisch - aber nicht zwingend erforderlich - ist ferner das Vorhandensein aktiver oder passiver Ventile am Einlaß und/oder Auslaß der Pumpkammer
Ein „Freistrahldosierer" ist ein Dosierelement mit einer Druckkammer, auf die mittels einer Membran und eines darauf wirkenden Aktors ein Druckimpuls auf enthaltene Flüssigkeit ausgeübt werden kann, der zum Ausstoß von Flüssigkeit aus einer Dosieroffnung führt Typischerweise - aber nicht zwingend - ist die Dosieroffnung des Freistrahldosierers an einer Düse ausgeführt Ein Freistrahldosierer ist also dazu in der Lage, ein Flussigkeits- volumen derart zu beschleunigen, daß an der Dosieroffnung die Grenzflächenspannung flüssig/fest überwunden und das Flussigkeitsvolumen abgeschleudert wird Je nach beschleunigtem Volumen kommt es zu einer Tropfen- oder Strahlbildung Der Freistrahldosierer ist vorzugsweise ein mikrosystemtechnisches Element, muß allerdings nicht zwingend mikrosystem- technisch ausgeführt sein
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeichnung einiger Ausführungsbeispiele naher erläutert In den Zeichnungen zeigen
ein kombiniertes Mikrodosiersystem für Dosierung im Freistrahl, auf ein Substrat oder zum Pipettieren im schematischen Blockbild,
mikrosystemtechnischer Aufbau der Mikromembranpumpe und des Freistrahldosierers desselben Systems im schematischen Längsschnitt,
Dispenser mit austauschbarer Dosier- und Reagenzeinheit in schema- tischer Blockdarstellung,
ipette mit Inertkolben im schematischen Blockbild,
Dispenser/Diluter mit Inertkolben und Kalibrierstrecke im schematischen Blockbild,
ipette mit Inertkolben und verstellbarem Verschiebeweg in schemati- schem Blockbild,
ein Reservoir mit spiralförmiger Kapillare auf einem Dosierchip in perspektivischem Sprengbild,
nd 9 ein anderes Reservoir in Schnappverbindung mit einem Dosierchip in Vorderansicht (Fig 8) und im Längsschnitt (Fig 9),
ein anderes Reservoir in Schnappverbindung mit einem Dosierchip in Seitenansicht mit Ausbruch,
1 und 12 Fußbereich eines Betatigungsmoduls mit eingesetztem Fluidmodul gemäß Fig 10 in einer Seitenansicht (Fig 11) und in einer Vorderansicht (Fig 12),
ein Reservoir mit Ausgleichskolben an einem Dosierchip im Teilschnitt,
ein Reservoir mit Ausgleichsbeutel an einem Dosierchip im Teilschnitt,
passiver Kuhltrager mit Fluidmodulen in Perspektivansicht,
aktiver Kuhltrager mit einsteckbereitem Fluidmodul in einem Betatigungsmodul in Perspektivansicht,
und 18 Fluidmodul mit Codierung und darauf ausgerichteter Abtasteinrichtung in Perspektivansicht von vorn (Fig 17) und die Codierung aufweisender Abschnitt des Fluidmoduls in Perspektivansicht von hinten (Fig 18),
und 20 ein Fluidmodul in einem Betatigungsmodul mit Lichtzeiger über einem Substrat in Perspektivansicht (Fig 19) und Fluidstrahl und Lichtstrahl derselben Module in Seitenansicht (Fig 20),
Dosierchip mit integrierter lichtleitender Struktur in einer Perspektivansicht
Bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen sind übereinstimmende Elemente mit denselben Bezugsziffern bezeichnet
Das Mikrodosiersystem gemäß Fig 1 hat ein Reservoir 1, das oben einen Filter 2 für einen Druckausgleich mit der Umgebung hat und unten über eine Leitung 3 mit dem Eingang einer Mikromembranpumpe 4 verbunden ist Deren Ausgang ist über eine Leitung 5 an den Eingang eines Freistrahldosierers 6 angeschlossen, der ausgangsseitig eine Düse 7 mit einer Dosieroffnung 8 aufweist
In Fig 2 ist ein Beispiel der mikrosystemtechnischen Ausführung von Mikromembranpumpe 4 und Freistrahldosierer 6 in einem einzigen Bauteil gezeigt Diese Komponenten sind aus mehreren Halbleiterschichten aufgebaut In der untersten Schicht 9 sind die Leitungen 3 und 5 ausgebildet In der dar- uberliegenden Schicht 9a befindet sich die Druckkammer 10 des Freistrahldosierers 6 sowie das Auslaßventil 14 der Mikromembranpumpe 4 Ferner hat sie eine der Druckkammer 10 zugeordnete Membran 13 Die darüber angeordnete Schicht 11 weist die Endabschnitte der Leitungen 3 und 5 auf Eine vierte Schicht 18 bildet das Einlaßventil 14a der Mikromembranpumpe 4 sowie das Gegenlager für das piezoelektrische Stellelement 17 für die Membran 13 Die hierüber angeordnete Schicht 15a bildet die Pumpkammer 12 der Mikromembranpumpe 4 mit der zugeordneten Membran 15 Auf die Membran 15 wirkt ein Stellelement 16, das sich über ein bruckenformiges Gegenlager 18a an der Schicht 15a abstutzt
Wenn sich die Membran 15 der Mikromembranpumpe 4 nach oben aus- wolbt, saugt diese Flüssigkeit durch die Leitung 3 und das Ruckschlagventil 14a an Danach wird die Membran 15 in die gezeigte Ausgangslage zurück-
bewegt und die Flüssigkeit durch das Ruckschlagventil 14 in die Leitung 5 und die Druckkammer 10 gedruckt (dabei ist der Flussigkeitsaustritt in die Leitung 3 gesperrt) Danach bewirkt der Piezoaktor 17 eine schlagartige Verkleinerung der Druckkammer 10 und die Flüssigkeit wird durch die Düse 7 ausgestoßen
Gemäß Fig 1 ist eine Dosiersteuerung 19 vorhanden, die einen Mikrocon- troller 20, ein Bedienfeld (inkl Volumeneingabe) 21, ein Display 22 und eine Energieversorgung in Form einer Batterie 23 aufweist Der Mikrocon- troller 20 ist über eine Pegelanpassung 24 mit der Mikromembranpumpe 4 und dem Freistrahldosierer 6 verbunden Das System kann mit Hilfe der Dosiersteuerung 9 folgendermaßen betrieben werden
Bei bereits mit Flüssigkeit 25 vorbefulltem Reservoir 1 kann der Freistrahldosierer 6 mittels der Mikromembranpumpe 4 mit Flüssigkeit befüllt werden Die eingefüllte Flüssigkeit wird dann vom Freistrahldosierer 6 im Freistrahl aus der Düse 7 hinausgeschleudert Die Dosiermenge wird über die Ansteuerung des Freistrahldosierers 6 bestimmt, die insbesondere dessen Verdrangungsvolumen beeinflußt Das System kann aber auch befüllt werden, indem die Mikromembranpumpe 4 in umgekehrter Richtung arbeitet und Flüssigkeit durch die Düse 7 des Freistrahldosierers 6 ansaugt und in das Reservoir 1 pumpt
Ferner kann Flüssigkeit 25 aus dem Reservoir 1 von der Mikromembranpumpe 4 durch den ruhenden Freistrahldosierer 6 abgepumpt werden, so daß sie aus der Düse 7 ablauft Diese Dosierweise ermöglicht bei größerem Volumenstrom eine Dosierung auf ein Substrat Die Dosiermenge kann über das bekannte Schlagvolumen der Mikromembranpumpe 4 gesteuert werden
Bei einer weiteren Betriebsweise wird eine Säule einer Hilfsflussigkeit 25 von der Mikromembranpumpe 4 angetrieben Die Säule wirkt als inerter Pipettenkolben, der durch die Düse 7 externe Flüssigkeit ansaugt oder ausstoßt Zur Aufnahme der Flüssigkeit kann eine austauschbare Pipettenspitze 26 mit Dosieroffnung 8' auf die Düse 7 gesteckt werden Zur Minimierung des Luftpolsters zwischen Flussigkeitssaule und zu dosierender Flüssigkeit kann die Flussigkeitssaule bis in die Pipettenspitze 26 hineingedruckt werden Nach dem Dosieren kann ein Teil der Hilfsflussigkeit 25 durch Herauspumpen aus der Düse 7 verworfen werden
Statt des Reservoirs 1 kann auch ein Reservoir 1 ' mit Filter 2' und Kapillarausgleichssystem 1 ' ' verwendet werden, welches Flüssigkeit gleichmaßig nachfuhrt und ein Auslaufen derselben verhindert
Das Mikrodosiersystem gemäß Fig 3 hat eine in Mikrosystemtechnik ausgeführte Dosier- und Reagenzeinheit 27 Diese hat ein Reservoir 1 mit einem Filter 2 für einen Druckausgleich mit der Umgebung und eine damit über eine Leitung 3 verbundene Mikromembranpumpe 4 Statt dessen oder zusatzlich kann sie auch einen Freistrahldosierer aufweisen Ferner hat sie ein außen vorstehendes Abgaberohrchen 28 mit Dosieroffnung 8 Schließlich ist ein elektrischer Kontakt 29 für die Kopplung der Mikromembranpumpe 4 mit einer Dosiersteuerung 19 vorhanden
Die Dosier- und Reagenzeinheit 27 ist seitlich eine Aufnahme 30 im Fußbereich 31 eines Gehäuses 32 einsetzbar, so daß das Abgaberohrchen 28 axial über den Fußbereich hinaussteht Im Mitt elbereich 33 des Gehäuses 32 ist auf einer Leiterplatte 34 die Dosiersteuerung 19 angeordnet, die über Mikro-
controller 20, Bedienfeld 21, Display 22 und Pegelanpassung 24 verfügt Die Dosiersteuerung 19 ist mit einem Gegenkontakt 35 in der Aufnahme 30 verbunden, der mit dem Kontakt 29 der Dosier- und Reagenzeinheit 27 zusammenwirkt Ferner ist die Dosiersteuerung 19 mit einem fest im Gehausefuß 31 angeordneten optischen Sensor 36 verbunden, der dem Abgaberohrchen 27 der einsetzbaren Dosier- und Reagenzeinheit 27 zugeordnet ist Dann ist die Dosiersteuerung 19 noch mit einer Dispensertaste 37 verbunden, die sich seitlich am Gehausefuß 31 befindet Schließlich hat sie eine Verbindung zu einer Batterie 23 im Kopfbereich 38 des Gehäuses 1
Dieses Dosiersystem wird durch Einsetzen einer mit einem Reagenz (z B einem Enzym) vorgefüllten Dosier- und Reagenzeinheit 27 in die Aufnahme 30 für den Betrieb vorbereitet Betriebsweise bzw Dosiermenge können über die Tastatur 21 vorgegeben werden Beim ersten Dosierschritt pumpt die Mikromembranpumpe 4 Flüssigkeit 25 aus dem Reservoir 1 bis der Sensor 36 den Meniskus detektiert und damit eine definierte Nullstellung erreicht Danach wird die Dosiermenge über das bekannte Schlagvolumen der Mikromembranpumpe 4 gesteuert Bei weiteren Dosierungen kann die Dosiersteuerung 19 davon ausgehen, daß die Flussigkeitssaule am Ende des Abgaberohrchens 28 ansteht Zwischen den Dosierungen können zur Vermeidung von Verschleppungen kleine Reagenzmengen verworfen werden Wenn die Dosier- und Reagenzeinheit 27 geleert ist, wird sie durch eine neue, vorbefullte Einheit ausgetauscht Statt dessen kann sie durch das Abgaberohrchen 28 aufgefüllt werden, indem die Mikromembranpumpe 4 in umgekehrter Richtung betrieben wird
Das Mikrodosiersystem gemäß Fig 4 hat ein Reservoir 1 mit einem Druckausgleich zur Umgebung über ein Filter 2, das über eine Leitung 3 mit einer
Mikromembranpumpe 4 verbunden ist Reservoir 1 und Mikromembranpumpe 4 sind zu einer auswechselbaren Pumpeneinheit 39 zusammengefaßt, wobei das Reservoir mit einer Hilfsflussigkeit 25 vorbefüllt ist
Ferner ist eine Dosiersteuerung 19 mit MikroController 20, Bedienfeld 21, Display 22, Energieversorgung 23 vorhanden, die über eine Pegelanpassung 24 (und trennbare Kontakte) mit der Mikromembranpumpe 4 verbunden ist Der Mikrocontroller 20 hat überdies eine Verbindung zu einem optischen Sensor 40, der einer mit dem Ausgang der Mikromembranpumpe 4 verbundenen Abgabeleitung 41 zugeordnet ist Am Ende der Abgabeleitung 41 ist eine austauschbare Pipettenspitze 42 befestigt, die an ihrer Aufsteckoffnung ein Aerosolfilter 43 und an deren Ende eine Dosieroffnung 8' aufweist
Dieses System arbeitet als Luftpolsterpipette Hierzu wird die Hilfsflussigkeit 25 von der Mikromembranpumpe 4 verschoben, so daß die Flussigkeitssaule vom Sensor 40 detektiert ist Dann hat das System seine Nullstellung erreicht Entsprechend der gewünschten Dosiermenge verschiebt die Mikromembranpumpe 4 die Flussigkeitssaule, so daß sie wie ein Pipettenkolben zu dosierende Flüssigkeit in die Pipettenspitze 42 einsaugt bzw aus dieser ausstoßt Das gewünschte Dosiervolumen wird über die Steuerung des bekannten Schlagvolumens der Mikromembranpumpe 4 erreicht Nach einem Dosiervorgang kann die Pipettenspitze 40 und ein Teil der Flussigkeitssaule verworfen werden Wenn die Hilfsflussigkeit 25 verbraucht ist, wird eine neue Pumpeneinheit 39 eingesetzt
Auch die Ausfuhrung gemäß Fig 5 arbeitet nach dem Luftpolsterprinzip Im Unterschied zur vorstehenden Ausfuhrung sind zwei Sensoren 40', 40", die in einem Abstand x voneinander der Abgabeleitung 41 mit dem Durchmes-
ser d zugeordnet sind, mit der Dosiersteuerung 19 verbunden Außerdem sind mit der Abgabeleitung 41 Verdunnungsrohrchen (Diluter) 44' oder Verteilrohrchen (Dispenser) 44" verbindbar, die jeweils im Verbindungsbereich einen Aerosolfilter 45', 45" und am anderen Ende Dosieroffnungen 8', 8" aufweisen
Bei diesem System basiert die Steuerung der Dosiermenge ebenfalls auf dem reproduzierbaren und daher kalibrierbaren Schlagvolumen der Mikromembranpumpe 4 Zu Beginn einer Dosierung (oder einer Dosierreihe) wird die Hilfsflussigkeitssaule für eine Kalibrierung des Schlagvolumens zwischen den beiden optischen Sensoren 40', 40" verschoben Falls ein Diluter 44' angesetzt ist, können mehrere Flussigkeitsmengen Vi, V2 bis Vn jeweils durch Luftblasen voneinander getrennt angesaugt und bei Abgabe in dem gewünschten Mengenverhältnis vermischt werden
Bei angesetztem Dispenserrohrchen 44" kann eine Gesamtfiussigkeitsmenge n x V, angesaugt werden, die in n Einzelschritten V, abgegeben wird
Fig 6 unterscheidet sich von der Ausführung gemäß Fig 4 dadurch, daß ein zweiter Sensor 40" vorhanden ist, der ebenfalls mit der Dosiersteuerung 19 verbunden ist und entlang der Abgabeleitung 41 verschieblich ist Hierzu ist der Sensor 40" an einer Mutter 46 befestigt, die mittels einer Spindel 47 verschiebbar ist, die in Drehlagern 48, 49 gehalten ist Die Spindel 47 hat ein Drehradehen 50 für eine manuelle Verstellung Außerdem tragt sie einen Encoder 51, der von der Dosiersteuerung 19 gelesen wird
Durch Drehen des Radchens 50 wird der Abstand zwischen den Sensoren 40', 40" so eingestellt, daß dieser dem gewünschten Dosiervolumen ent-
spricht Die Dosiersteuerung 19 verschiebt dann die Hilfsflussigkeitssaule zwischen den Positionen der Sensoren 40', 40", um Flüssigkeit in die Pipettenspitze 42 einzusaugen bzw aus dieser auszustoßen
Gemäß Fig 7 hat ein Reservoir 52 einen im wesentlichen plattenformigen Kunststoffkorper 53, in dem ein im wesentlichen spiralförmiger, kapillarer Flussigkeitskanal 54 ausgebildet ist, der gerade und miteinander verbundene Kanalabschnitte aufweist Der Flussigkeitskanal 54 ist im Kunststoffkorper von einer nach oben offenen, U-formigen Nut gebildet Oben ist er von einer Deckplatte 55 begrenzt, die ebenfalls aus Kunststoff bestehen kann Die Deckplatte kann vorteilhaft mit einem Laserverfahren ohne Spalt verschweißt, ultraschallgefugt oder als Folie heißgesiegelt werden
Die Ausfuhrung des Reservoirs 52 aus Kunststoff begünstigt ein großes Speichervolumen
Das äußere Ende des Flussigkeitskanals 54 mundet in einer Vorderseite des Kunststoffkorpers 53 in einer Befülloffnung 56 Diese kann mittels eines Filters 57 verschlossen sein, der etwas in den Flussigkeitskanal 54 eingedruckt ist Der Filter 57 ermöglicht einen Luftausgleich beim Entleeren des Reservoirs 52, verhindert jedoch eine Kontamination der Flüssigkeit im Flussigkeitskanal und der Umgebung durch die Flüssigkeit Auch können Benetzungseigenschaften des Filters 57 verhindern, daß Flüssigkeit nach außen tritt
Vom Zentrum des spiralförmigen Flussigkeitskanals 54 aus geht eine kapillare Durchtrittsoffnung 58 quer durch den Kunststoffkorper 53 hindurch Die Durchtrittsoffnung 58 mundet über dem Eingang einer mikrosystemtech-
nisch ausgebildeten Fordereinrichtung 59 Diese ist ein plattenformiger Halbleiterchip (Dosierchip), der in eine Stufe 60 an der Unterseite des Kunststoffkorpers 53 eingesetzt ist Bei der Fordereinrichtung 59 kann es sich insbesondere um einen Freistrahldosierer handeln
In dem Flussigkeitskanal 54 auf die eingefüllte Flüssigkeit wirkende Kapillarkrafte befordern die Flüssigkeit durch die Durchtrittsoffnung 58 in die Fordereinrichtung 59, von der sie abgegeben wird Die Kapillarkrafte wirken auch einem unbeabsichtigten Auslaufen der Flüssigkeit aus der Befülloff- nung 56 entgegen Die spiralförmige Anordnung des Flussigkeitskanals verhindert, daß der Flussigkeitsfaden im Flussigkeitskanal 54 aufgrund von Beschleunigungen zerreißt, die bei der Handhabung auftreten können, beispielsweise aufgrund eines Sturzes Solche Beschleunigungen haben nämlich im wesentlichen Kräfte senkrecht zur Wandung des Flussigkeitskanals 54 zur Folge, wodurch das Auftreten von Blasen, die den Dosierprozeß stören können, verhindert wird
Anstatt des Filters 57 kann auch ein bei Flussigkeitsentnahme mitwandernder Pfropf vorhanden sein, der keine Ruckstande an der Wand des Flussigkeitskanals 54 hinterlaßt Dabei kann es sich insbesondere um einen hochviskosen Fluidpfropf handeln
Ein Reservoir kann auch - ahnlich einem Wickelkondensator - zwei aufgewickelte Folien haben, die einen geringen Abstand voneinander aufweisen und einen spiralförmigen Flussigkeitskanal bilden Auch ist eine Ausfuhrung mit aufgewickelter Kapillare (z B mit aufgewickeltem Schlauch), insbesondere mit raumlicher Anordnung der Spirale, möglich
Gemaß Fig 8 und 9 hat ein Reservoir 61 eine Grundplatte 62 und einen damit verbundenen Aufnahmekorper 63, in dem ein rechteckiger Speicherraum 64 ausgebildet ist Vom Speicherraum 64 wird Flüssigkeit durch eine Zufuhrkapillare 65 einem kegelförmigen Stutzen 66 auf der anderen Seite der Grundplatte 62 zugeführt
Von den Seiten der Grundplatte 62 ragen hakenförmige Schnappelemente 67 empor Mittels dieser Schnappelemente 67 ist eine Fordereinrichtung in Form eines Halbleiterchips 68 (Dosierchip) so bezuglich der Grundplatte 62 gehalten, daß der Stutzen 66 gegen eine Dichtflache um einen Eingang 69 der Fordereinrichtung 68 druckt Reservoir 61 und Dosierchip 68 bilden gemeinsam ein Fluidmodul
Das Reservoir 61 kann insgesamt aus Kunststoff hergestellt sein Durch seine Ausbildung aus zwei Teilen 62, 63 wird die formtechnische Realisierung der Zuführkapillare 65 begünstigt
Fig 10 zeigt ein ahnlich aufgebautes Fluidmodul 70, bei dem jedoch das Reservoir 61' seitlich etwas über den Dosierchip 68 hinaussteht In dem überstehenden Abschnitt des Reservoirs 61' ist der Speicherraum 64' für Flüssigkeit ausgebildet, der sich sowohl in die Grundplatte 62' als auch in den Aufnahmekorper 63 ' hinein erstreckt
Der Halbleiterchip 68 hat bei 71 seine Dosieroffnung, aus der Flüssigkeit in Abgaberichtung (Pfeil A) abgegeben wird Dabei ist das Fluidmodul 70 nach unten gerichtet, so daß der Speicherraum 64' stets oberhalb der Zuführkapillare 65' angeordnet ist Somit ist über den Stutzen 66 die Versorgung
des Dosierchips 68 durch Schwerkraft und die Wirkung der Zuführkapillare 65' sichergestellt
Gemäß Fig 11 und 12 hat ein Betatigungsmodul 72 am unteren Ende einen Aufnahmeschacht 73, in den ein Fluidmodul 70 gemäß Fig 10 eingesteckt ist Dabei wird es am überstehenden Abschnitt seines Reservoirs 61 ' gehalten Im gezeigten Fall zwischen elastischen Andruckelementen 74, 75 von denen das eine gegen die Grundplatte 62' und das andere gegen den Aufnahmekorper 63' druckt Ferner hat das Betatigungsmodul 72 dem Aufnahmeschacht 73 zugeordnet einen Aktor 76, der spaltfrei an einer Membran des Dosierchips 68 anliegt Dafür drucken Haltezangen 77, 78 den Dosierchip 68 mit der Membran gegen den Aktor 76 Die Haltezangen 77, 78 werden am Ende der axialen Einfugebewegung des Fluidmoduls 70 in Richtung E in den Aufnahmeschacht 73 geschlossen Durch Betatigen des Aktors 76 kann Flussigkeitsausstoß bewirkt werden
Die Fig 13 zeigt einen Abschnitt eines Fluidmoduls 70' aus einem Dosierchip 68' und einem Reservoir 61 ', dessen Speicherraum 64" einenends an eine Zufuhrkapillare 65" zum Dosierchip 68' angeschlossen und ande- renends zur Atmosphäre hin geöffnet ist In den Speicherraum 64" ist abdichtend ein Kolben 79 eingesetzt Dieser schließt den Speicherraum 64"gegenuber Atmosphäre ab und bewirkt einen Druckausgleich, indem er bei Flussigkeitsentnahme durch die Zuführkapillare 65" nachruckt Der Kolben 79 kann auch dafür benutzt werden, durch Betatigen von außen Flüssigkeit in die Zufuhrkapillare 65" und in den Dosierchip 68' zu drucken Außerdem kann der Kolben 79 herausgezogen werden, um das Reservoir 61' erneut zu befüllen
Statt eines Kolbens kann ein hochviskoser Fluidpfropf vorhanden sein, der nahezu widerstandsfrei bei Entnahme der Flüssigkeit mitwandert
Fig 14 zeigt einen Abschnitt eines anderen Fluidmoduls 70", dessen Reservoir 61" ebenfalls einen Speicherraum 64'" aufweist, dessen Öffnung zur Atmosphäre von einem Beutel oder Ballon 80 aus flexiblem Material (z B Silikon) verschlossen ist Das Reservoir 61 " ist quer zum Speicherraum 64' " geteilt und der Ballon 80 ist randseitig in der Teilungsebene zwischen den beiden Formteilhalften des Reservoirs 61 " eingeklemmt
Auch der Ballon 80 schirmt die Flüssigkeit im Speicherraum 64' " zur Atmosphäre hin ab Wenn jedoch aus dem Speicherraum 64'" durch die Zufuhrkapillare 65'" Flüssigkeit zum Dosierchip 68' abgeführt wird, paßt sich der flexible Ballon 80 durch Verformung dem jeweiligen Flussigkeitsvolu- men an, wie in der Zeichnung für zwei Situationen in dünnen Linien 80', 80" angedeutet Bei vernachlassigbarer Ruckstellkraft des Ballons 80 wird ein Wiederbefüllen erleichtert Ein Ballon 80 aus elastischem Material kann die Flussigkeitsforderung zum Dosierchip 68' unterstutzen
Das Befüllen des Speicherraums 64'" kann über die Zufuhrkapillare 65' " oder einen zusatzlichen Anschluß erfolgen Jedoch kann der Ballon 80 auch aus einem Material bestehen, das von der Hohlnadel einer Befullvorrichtung durchstochen werden kann und nach Herausziehen der Hohlnadel an der Einstichstelle selbst heilt
Die in den Fig 15 bis 19 gezeigten Fluidmodule 70'" können grundsatzlich einen Aufbau haben, wie er insbesondere in den Fig 7 bis 10 gezeigt ist Sie weisen allesamt ein Reservoir auf Sie weisen jedoch ein im wesentlichen
kastenformiges Gehäuse 81 auf, das unten einen Abgabekopf 82 aufweist, der am unteren Ende die Dosieroffnung hat
Gemäß Fig 15 sind mehrere solcher Fluidmodule 70'" in einen temperierbaren Trager 83 einsteckbar Dieser ist kastenförmig und weist mehrere Aufnahmen 84 für Fluidmodule 70'" auf, die zur Oberseite hin geöffnet sind und einen Querschnitt entsprechend dem kastenförmigen Teil des Gehäuses 81 aufweisen Die Aufnahmen 84 haben eine Wand, die die eingesetzten Fluidmodule 70'" eng umschließt Die Wände der Aufnahmen 84 sind von mindestens einem Hohlraum des Tragers 83 umgeben, in den eine Tempe- rierflussigkeit eingefüllt werden kann, um einen Kuhlakku zu bilden Bei der Temperierflussigkeit kann es sich um eine Sole handeln Je nach gewünschter Temperatur kann die Salzkonzentration in den Kuhlakkus eingestellt werden, wodurch die Schmelztemperatur beeinflußt wird Bei dem gezeigten Trager ist die Konzentration so eingestellt, daß die Schmelztemperatur minus 10 °C betragt, um eine entsprechende Kühlung der Fluidmodule 70'" zu erreichen Die eingestellte Temperatur ist auf einem Etikett 85 vermerkt, das außen auf den Trager 83 geklebt ist
Die Fluidmodule 70' ' ' können - beispielsweise auf einer Außenfläche 86 - farbcodiert und/oder beschriftet sein Entsprechende Farbreiter oder Steckelemente 87 können in entsprechenden Aufnahmen 88 oder Platzen neben den Aufnahmen 84 angeordnet sein, in denen sich die entsprechend codierten Fluidmodule 70'" befinden oder denen sie zugeordnet werden sollen Hierdurch werden Verwechslungen zwischen verschiedenen Fluidmodulen 70'" vermieden
Ein solches Temperiersystem kann der Aufbewahrung befüllter Fluidmodule 70'" im Laborkuhlschrank, am Arbeitsplatz und dem Transport dienen
Gemäß Fig 16 ist ein Fluidmodul 70 in ein Betatigungsmodul 72' eingesteckt, aus dem es jedoch im Unterschied zu Fig 1 1 herausragt Das Fluidmodul 70'" ist auf einen aktiv temperierten Trager 83' ausgerichtet Dieser hat eine einzige Aufnahme 84' mit einem Querschnitt komplementär zu dem des Gehäuses 81 des Fluidmodules 70' " und einem nach unten vorstehenden Gehauseabschnitt 72" des Betatigungsmoduls 72', auf den im Zusammenhang mit Fig 19 noch eingegangen wird Zur Kühlung des Fluidmoduls 70' " in der Aufnahme 84' kann der Trager 83' Peltierelemente aufweisen Diese werden über ein Anschlußkabel 89 mit Strom versorgt Zum Ausgleich von Temperaturschwankungen und zur Warmespeicherung kann der Trager 83' außen einen Kühlkörper 90 aufweisen
Dieses Kuhlsystem ist vor allem für stationäre Anordnung am Arbeitsplatz geeignet Der Kühlkörper 90 begünstigt aber auch eine Verwendung zu Transportzwecken und eine Aufladung in einem Laborkuhlschrank
Durch Aufstecken eines Betatigungsmoduls 72'kann ein Fluidmodul 70'" aus dem jeweiligen Trager 83 oder 83' entnommen werden
In den Fig 17 und 18 ist ein Fluidmodul 70'" gezeigt, das am Gehäuse 81, genauer gesagt an einer oberen Kante desselben, eine Codierung 91 aufweist Die Codierung 91 ist dadurch gebildet, daß an bestimmten Platzen 92, 92', 92", 92'" eine Vertiefung 93 oder keine Vertiefung vorhanden ist
Zum Lesen der Codierung 91 hat ein Betatigungsmodul eine Abtasteinrichtung 94, die an den Platzen 92, 92', 92", 92'" entsprechenden Stellen Taststifte 95 oder sonstige Sensoren, die das NichtVorhandensein und/oder das Vorhandensein einer Vertiefung 93 erfassen können Hierdurch kann das Betatigungsmodul das jeweils eingesetzte Fluidmodul 70'" erkennen
Die Fig 19 zeigt nochmals den unteren Teil des Betatigungsmoduls 72' mit eingesetztem Fluidmodul 70'", um eine weitere Besonderheit dieses Systems zu erläutern Das Betatigungsmodul 72' hat nämlich neben dem herausstehenden Abschnitt des Fluidmoduls 70'" einen seitlich und nach unten vorstehenden Gehauseabschnitt 72", in dem eine Laserdiode 96 angeordnet ist Diese ist so ausgerichtet, daß sie die Bewegungsachse und den Auftreffort der vom Fluidmodul 70'" abgegebenen Flüssigkeit kennzeichnet Wie besser aus der Fig 20 ersichtlich ist, schneidet hierzu die Abstrahlachse 98 der Laserdiode 96 die Bewegungsachse 99 der aus dem Ausgabekopf 82 austretenden Flüssigkeit in einem spitzen Winkel α und ist auf den Schnittpunkt mit der Bewegungsachse 99 fokussiert Wenn sich ein Substrat 100 mit seiner Oberflache genau im Schnittpunkt befindet, markiert der Lichtstrahl 98 exakt den Auftreffpunkt Bei Abweichungen der Position des Substrates 100 in einem Fokusbereich 101 um den Schnittpunkt verschiebt sich die Markierung lediglich in einem Zielbereich 102 auf der Oberflache des Substrates, der wegen des spitzen Schnittwinkels α sehr klein ist
Der Gehauseabschnitt 72" kann auch eine Lichtleitfaser beherbergen, die das Licht einer Laserdiode auf die Abstrahlachse 98 ausrichtet
Die Fig 21 zeigt einen Dosierchip 68" mit einer integrierten lichtleitenden Struktur Der Dosierchip 68" ist rechteckig, weist jedoch eine abgeschrägte
Ecke 103 auf In einer unteren Schicht 104 ist eine Fordereinrichtung, wobei es sich um einen Freistrahldosierer und gegebenenfalls eine Mikromembranpumpe handeln, in Halbleitertechnik ausgebildet Diese hat ihre Dosieroffnung im unteren Abschnitt 103' der abgeschrägten Ecke Die Bewegungsachse 99' des Flussigkeitsstrahls ist senkrecht zur Abschragung der Ecke 103 ausgerichtet
Über der Schicht 104 befindet sich eine Glasschicht 105, die eine lichtleitende Struktur aufweist Die lichtleitende Struktur leitet Licht aus einer externen Lichtquelle 106, die einer Seite der Glasschicht 105 zugeordnet ist, zu einem oberen Abschnitt 103" der abgeschrägten Ecke 103 Dort ist in die Glasschicht 105 eine mikromechanisch hergestellte Linse 107 integriert Das gebündelte Licht tritt senkrecht zur Abschragung der Ecke 103 entlang der Abstrahlachse 98' aus, die parallel zur Bewegungsachse 99' der Flüssigkeit ist
Die Außenseiten der Glasschicht können zur Meidung von Lichtverlusten eine lichtdichte Abdeckung 108 haben
Außerdem kann in die Schicht 104 bzw 105 ein Reservoir für Flüssigkeit integriert sein Das Reservoir kann aber auch in Mikrosystemtechnik von einer zusatzlichen Schicht gebildet sein oder in konventioneller Bauweise überlagert oder extern angeordnet sein
Zusatzlich kann Flussigkeitsabgabe durch ein wahrnehmbares Signal indiziert werden, beispielsweise ein akustisches Signal, ein „Flackern" des Lichtzeigers oder bloß durch einen markierten Druckpunkt eines Betati- gungsknopfes