DE3833586A1

DE3833586A1 - Method for the volumetrically correct delivery of liquids in the microlitre range

Info

Publication number: DE3833586A1
Application number: DE19883833586
Authority: DE
Inventors: Edith Dipl Phys Klingner
Original assignee: Medizin und Labortechnik Leipzig VEB
Current assignee: Pruefgeraete-Werk Medingen O-8210 Freital D GmbH
Priority date: 1987-12-29
Filing date: 1988-10-03
Publication date: 1989-07-13

Abstract

The invention relates to a method for the volumetrically correct delivery of liquids in the microfilter range and ultramicrofilter range. The method is principally used in clinical chemistry laboratories, but also in the water industry and agriculture. In this method, the predosed liquid is passed into the outlet orifice of the metering apparatus and there the liquid skin formed therefrom at this position with a part of its volume is set in vibration until this liquid skin detaches with the residual volume of the predosed liquid fed to it and taken up by it. The vibrations are directed to the liquid volume perpendicularly to the direction of movement of the liquid.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur volumenrichtigen Ausgabe von Flüssigkeiten.The present invention relates to a method for correct volume dispensing of liquids.

Das Verfahren verbessert den technisch herkömmlichen Ausstoß der Flüssigkeiten aus einem oder mehreren Kolben-Zylinder- Systemen in Richtung auf eine volumenrichtige Dosierung von kleinsten Volumina, die in oder unter der Größe eines sich im Schwerefeld von selbst lösenden Tropfens der entsprechenden Flüssigkeit liegen.The process improves the technically conventional output of liquids from one or more piston-cylinder Systems in the direction of a correct dosing of smallest volumes that are in or below the size of a Gravity field from self-releasing drop of the corresponding Liquid.

Die Dosierung von kleinsten Flüssigkeitsmengen wird hauptsäch lich nach dem Prinzip der Volumenverdrängung vorgenommen. Technisch realisiert sind zwei Möglichkeiten, Volumina, die sich auf Grund ihrer geringen Größe nicht von der Dosierplatte lösen wollen, zu dosieren.The dosing of the smallest amounts of liquid becomes main Lich based on the principle of volume displacement. Technically, there are two options, volumes that due to their small size not from the dosing plate want to solve to dose.

Das erste Verfahren, z. B. nach der Realisierung im Europa- Patent Nr. 00 41 318 stößt das zu dosierende Volumen durch Verdrängung langsam aus der Dosieröffnung aus und der Bediener legt dieses im gewünschten Gefäß ab, wobei sich das dosierte Volumen durch die Adhäsionskräfte zwischen Flüssigkeit und Gefäß von der Dosierspitze löst.The first method, e.g. B. after implementation in Europe Patent No. 00 41 318 penetrates the volume to be dosed Displacement slowly out of the metering opening and the operator place this in the desired vessel, the metered Volume by the adhesive forces between liquid and Detach the container from the dosing tip.

Das zweite Verfahren, z. B. nach DE-Patent Nr. 26 58 486 be schleunigt die durch Verdrängung zu dosierende Flüssigkeit mit Motorkraft auf eine bestimmte schnelle Geschwindigkeit und bremst bei Erreichen des voreingestellten Verdrängungsvolumens ruckartig ab. Durch diesen Vorgang reißt das aus einer entspre chend dimensionierten Dosierkanüle ausgetretene Volumen ab.The second method, e.g. B. according to DE Patent No. 26 58 486 be accelerates the liquid to be dosed by displacement with motor power to a certain fast speed and brakes when the preset displacement is reached abruptly. Through this process, the tears out of an accord dosed volume from the correspondingly dimensioned dosing cannula.

Beide technisch realisierte Verfahren zeigen in den gewünschten Kennwerten einer Flüssigkeitsdosierung, volumenrichtige Dosie rung bei geringer Streuung der einzelnen Volumina, die folgen den Nachteile.Both technically implemented processes show in the desired Characteristic values of a liquid dosage, correct volume dosage with little scatter of the individual volumes that follow the disadvantages.

Das erste Verfahren ist bezüglich Volumenrichtigkeit und Streuung stark von dem Einfluß des Bedieners beim Ablegen des aus der Dosieröffnung ausgetretenen Volumens abhängig.The first method is regarding volume accuracy and spread greatly influenced by the operator's influence when placing the Dosing opening depending on the volume.

Diesen Nachteil überwindet das zweite Verfahren durch die freie Ablage der zu dosierenden Flüssigkeit, so daß für Volumen über 100 Mikroliter eine Dosierung mit befriedigenden Kennwerten technisch realisiert ist.The second method overcomes this disadvantage with the free method Storage of the liquid to be dosed, so that for volume over 100 microliters a dosage with satisfactory characteristics is technically realized.

Kommt jedoch das zu dosierende Volumen in oder unter die Größen ordnung des sich ohne Beschleunigung im Schwerefeld von der Do sierspitze lösenden Tropfens, so kann ein definiertes Abreißen der Flüssigkeit nur mit höheren Geschwindigkeitswerten und einer schnelleren negativen Beschleunigung erzwungen werden. Entspre chend den geometrischen und physikalischen Bedingungen an der Dosierspitze ist es technisch möglich, den Dosierprozeß auch bei Volumina unter Tropfengröße durch diese Geschwindigkeitsanpas sung so zu führen, daß sich die Streuung der Einzelvolumina in der gewünschten Größenordnung hält.However, the volume to be dosed comes in or below the sizes order of itself without acceleration in the gravitational field from Thursday sierspitze loosening drop, so a defined tear off the liquid only with higher speed values and one faster negative acceleration. Correspond according to the geometric and physical conditions at the Dosing tip it is technically possible to include the dosing process Drop size volumes through these speed adjustments solution so that the scatter of the individual volumes in the desired size.

Die für das definierte Abreißen der Tröpfchen aufgeprägte Ge schwindigkeitsführung des Dosierprozesses zeigt jedoch, daß der zweite Qualitätsparameter, die Volumenrichtigkeit, bei ansonsten konstant gehaltenen Bedingungen durch technisch bedingte, kleine Änderungen der Geschwindigkeitsführung stark beeinflußt wird.The Ge imprinted for the defined tearing off of the droplets Speed control of the dosing process shows, however, that the second quality parameter, the correct volume, otherwise constant conditions due to technical, small Changes in speed control is greatly affected.

Diese in der klinischen Praxis und Laboruntersuchungen gewonnenen Erkenntnisse erklären sich durch den im folgenden vorgestellten physikalischen Effekt.These obtained in clinical practice and laboratory tests Findings are explained by the one presented below physical effect.

In der neueren physikalischen Literatur wird zur Illustration von sogenannten chaotischen Systemen folgender einfacher Versuch vorgestellt:In more recent physical literature, illustration following simple experiment of so-called chaotic systems presented:

An einer Dosieröffnung (z. B. Wasserhahn) wird eine langsame, kon stante Fließgeschwindigkeit eingestellt, so daß sich unter dem Einfluß von Schwerkraft und Oberflächenkräften Tropfen bilden, die abfallen. Die Zeit zwischen dem Abfall der einzelnen Tropfen wird gemessen. Man trägt nun in einem Flächendiagramm bzw. in einem Raumdiagramm immer wieder die Zeiten zwischen den einzelnen Tropfen t(N - 1), t(N) bzw. t(N) - 1), t(N), t(N + 1) auf.At a metering opening (e.g. faucet), a slow, constant flow rate is set, so that drops form under the influence of gravity and surface forces, which fall off. The time between the drops dropping is measured. The times between the individual drops t (N - 1), t (N) or t (N) - 1), t (N), t (N + 1 ) are now repeatedly carried in a surface diagram or in a spatial diagram ) on.

Wären die Zeitintervalle zwischen sich lösenden einzelnen Tropfen lediglich durch zufällige kleine Schwankungen der Versuchsbe dingungen (z. B. Luftströmung, kleine Schwankungen der Fließrate oder geringe mechanische Schwingungen) bestimmt, so sollte sich in einem ebenen Diagramm eine Kreisfläche bzw. in einem Raumdia gramm eine Kugel um ein mittleres Zeitintervall zwischen einzel nen sich lösenden Tropfen bilden, eine statistisch relevante Anzahl von Meßgrößen vorausgesetzt.Would be the time intervals between dropping individual drops only by random small fluctuations in the test specimens conditions (e.g. air flow, small fluctuations in the flow rate or low mechanical vibrations) should be determined in a flat diagram a circular area or in a room slide gram a ball around a medium time interval between each a droplet that dissolves, a statistically relevant one Assuming the number of measured variables.

Beim Versuch wird dieser Fakt aber nicht beobachtet, sondern es treten bevorzugte Zeitintervalle unterschiedlicher Länge auf. Erklärt wird dieses Phänomen durch das obengenannte chaotische Verhalten, indem eine geringfügige Änderung der Eingangsparameter eines Prozesses zu einer anderen Prozeßentwicklung führt.When trying this fact is not observed, but it preferred time intervals of different lengths occur. This phenomenon is explained by the above chaotic Behavior by making a slight change in the input parameters one process leads to another process development.

Mit anderen Worten: Kleine Änderungen der Eingangsparameter eines Prozesses führen nicht mehr wie gewohnt zu entsprechend verstärk ten oder gedämpften Schwankungen der Ausgangsparameter, sondern der Prozeß zeigt unterschiedliche Abläufe. Beim Tropfen aus einer Öffnung bzw. beim Dosieren aus einer Dosierkanüle findet dieser Umschlag an der Stelle statt, wo der Flüssigkeitsstrom in seine durch die Oberflächenspannung zwangsläufig gekrümmte, eigene Flüssigkeitshaut fließt und dort umgelenkt wird.In other words: small changes in the input parameters of a Processes no longer lead to appropriate reinforcement as usual or damped fluctuations in the output parameters, but the process shows different processes. When dripping from one Opening or when dosing from a dosing cannula takes place Envelope held in the place where the liquid flow in its inevitably curved due to the surface tension Liquid skin flows and is redirected there.

Damit wird die empfindliche Geschwindigkeitsabhängigkeit des do sierten Volumens bei ansonsten gleichen Versuchsbedingungen als ein physikalisch immanentes Prinzip klassifiziert.The sensitive speed dependency of the do volume under otherwise identical test conditions as classified a physically immanent principle.

Mit dem Verfahren sollen eine exakte Dosierung der Volumina so wie eine wirtschaftliche Arbeitsweise gewährleistet werden.With the method, an exact dosing of the volumes should be so how to ensure an economical way of working.

Es lag die Aufgabe vor, ein Verfahren zur volumenrichtigen Aus gabe von Flüssigkeiten im Mikroliter- und Ultramikroliterbereich zu finden, bei dem Bedienfehler von vornherein ausgeschlossen werden und bei dem die Dosiergeschwindigkeit keinen negativen Einfluß auf die Dosiergenauigkeit ausübt.The task was to develop a procedure for correct volume administration of liquids in the microliter and ultramicroliter range to be ruled out in the event of operator errors and where the dosing rate is not negative Influences the dosing accuracy.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe gelöst worden, indem die vor dosierte Flüssigkeit in die Austrittsöffnung geleitet und die dort von ihr mit einem Teil ihres Volumens gebildete Flüssig keitshaut in Schwingungen versetzt wird, bis diese mit dem ihr zugeführten und von ihr aufgenommenen Restvolumen der vordosier ten Flüssigkeit abreißt, wobei die Schwingungen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Flüssigkeit auf das Flüssigkeitsvolumen gerichtet werden.According to the invention the object has been achieved by the dosed liquid into the outlet opening and the there liquid formed by her with part of her volume skin is vibrated until it vibrates with you supplied and absorbed by the remaining volume of the predose th liquid tears off, the vibrations perpendicular to Direction of movement of the liquid on the liquid volume be judged.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ohne großen techni schen Aufwand eine volumenrichtige Dosierung bei geringem Ver brauch an Reagenzien und einwandfreien, exakten Kennwerten erreicht.With the method according to the invention is techni the correct volume dosage with low consumption need reagents and flawless, exact parameters reached.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird an einem Ausführungs beispiel und den Skizzen näher erläutert. Die Skizzen zeigenThe method according to the invention is carried out on an embodiment example and the sketches explained in more detail. The sketches show

Fig. 1 die herkömmliche technische Realisierung einer Dosier vorrichtung, ausgebildet als Kolben-Zylinder-System mit Dosieröffnung, Fig. 1, the conventional realization of a dispensing device, configured as a piston-cylinder system with a metering opening,

Fig. 2a und 2b den Umschlag der Flüssigkeit beim Strömen in ihre Flüssigkeitsoberfläche mit verschiedenen Möglich keiten der Umlenkung, FIGS. 2a and 2b the envelope of the liquid as it flows in its liquid surface with different possible speeds of the deflection,

Fig. 3 die Anregung der aufgespannten Flüssigkeitshaut zum Schwingen, z. B. durch ein nicht dargestelltes, exter nes, schwingfähiges System, das der Zuleitung zur Dosieröffnung senkrecht zur Strömungsrichtung ge richtete Schwingungen aufprägt, Fig. 3, the excitation of the stretched liquid skin to vibrate, for. B. by an unillustrated, external nes, oscillatory system that impresses the feed line to the metering opening perpendicular to the direction of flow ge directed vibrations,

Fig. 4 unter dem Einfluß der angeregten Schwingungen ab reißendes Tröpfchen. Fig. 4 under the influence of the excited vibrations from tearing droplets.

In Fig. 1 ist ein oftmals technisch realisiertes Kolben 1- Zylinder 2-System dargestellt. Die Flüssigkeit 4 wird durch den Kolben 1 im Zylinder 2 verdrängt und durch die Dosieröff nung 3 ausgestoßen. Die Größe des ausgestoßenen Volumens wird durch eine Begrenzung der Kolbenbewegung zwischen mechanischen oder elektronischen Anschlägen gesteuert. In der Dosieröffnung 3 ist die gekrümmte Flüssigkeitshaut 5 aufgespannt, die sich an der Berührungsfläche von Luft und Flüssigkeit zwangsläufig bil det. Je nach Kräfteverhältnissen zwischen benetzter Wand und freier Flüssigkeitsoberfläche 5 wird diese konkav oder konvex aufgespannt. In Fig. 1 an often technically realized piston 1 is - cylinder 2 shown system. The liquid 4 is displaced by the piston 1 in the cylinder 2 and ejected through the Dosieröff 3 . The size of the ejected volume is controlled by limiting the piston movement between mechanical or electronic stops. In the metering opening 3 , the curved liquid skin 5 is stretched, which inevitably bil det on the interface of air and liquid. Depending on the balance of forces between the wetted wall and the free liquid surface 5 , this is stretched concave or convex.

Wird die Flüssigkeit 4 nun durch eine Bewegung des Kolbens 1 verdrängt, so strömt sie bei diesem Vorgang in die aufgespannte Flüssigkeitshaut 5. Dort wird der Flüssigkeitsstrom durch die Spannung der Oberflächenhaut umgelenkt.If the liquid 4 is now displaced by a movement of the piston 1 , it flows into the stretched liquid skin 5 during this process. There the fluid flow is redirected by the tension of the surface skin.

In den Fig. 2a und 2b sind die unterschiedlichen Möglich keiten dieser Umlenkung symbolisch dargestellt. Durch kleine Änderungen in den durch Vektoren markierten Geschwindigkeits profil 6 kommt es zu dem zwischen Fig. 2a und Fig. 2b angedeu teten unterschiedlichen turbulenten Umschlag des Flüssigkeits stromes. Diese Eigenschaft führt zu dem im Stand der Technik be schriebenen chaotischen Verhalten des Systems.In FIGS. 2a and 2b the different possibilities are possible this deflection shown symbolically. By making small changes in the area marked by vectors speed profile 6, it comes to the current between Fig. 2a and Fig. 2b angedeu ended different turbulent transition of the liquid. This property leads to the chaotic behavior of the system described in the prior art.

Nach dem Wesen der Erfindung wird nun dem vom Kolben 1-Zylin der 2-System vordosierten Flüssigkeitsvolumen eine senkrecht zur Strömungsrichtung gerichtete Schwingung aufgeprägt. Diese Schwingung wird zum Beispiel durch einen externen Schwinger (z. B. elektromechanisches oder piezoelektrisches Schwingsystem) angeregt. Durch diese Schwingungen wird die in der Dosieröffnung 3 aufgespannte Flüssigkeitshaut 5 ausgelenkt und befindet sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten in unterschiedlichen Lagen A und B. Dieser Vorgang ist in Fig. 3 veranschaulicht. Dem duch die Bewegung des Kolbens 1 verwirklichten Geschwindigkeitspro fil 6 wird beim Ausstoß der Flüssigkeit und ihrem turbulenten Umschlag in der aufgespannten Flüssigkeitshaut 5 eine zufällige Komponente überlagert. Dadurch wird die im Stand der Technik beschriebene, empfindliche Geschwindigkeitsabhängigkeit der Volumenrichtigkeit gebrochen.According to the essence of the invention, the liquid volume pre-metered by the piston 1 -cylin in the 2 system is impressed with a vibration directed perpendicular to the flow direction. This vibration is excited, for example, by an external vibrator (e.g. electromechanical or piezoelectric vibration system). As a result of these vibrations, the liquid skin 5 spanned in the metering opening 3 is deflected and is located in different positions A and B at different times. This process is illustrated in Fig. 3. The realized by the movement of the piston 1 speed pro fil 6 is superimposed on the discharge of the liquid and its turbulent change in the stretched liquid skin 5 a random component. This breaks the sensitive speed dependence of the volume correctness described in the prior art.

Strömt nun das vordosierte Volumen durch die Verdrängung des Kolben 1-Zylinder 2-Systems vollständig in seine Flüssig keitshaut 5, so bläht sich diese auf und nimmt das Restvolumen auf. Wie Fig. 4 zeigt, bildet sich dabei ein Tropfen. Unter dem Einfluß der fortgesetzten Schwingungen, wieder dargestellt durch unterschiedliche Lagen A und B, reißt er schließlich von der Dosieröffnung 3 ab. Damit ist ein Dosiervorgang beendet. If the pre-metered volume now flows completely through its displacement of the piston 1- cylinder 2 system into its liquid skin 5 , this swells up and takes up the remaining volume. As shown in FIG. 4, a drop is formed. Under the influence of the continued vibrations, represented again by different positions A and B , it finally tears off from the metering opening 3 . This completes the dosing process.

Aufstellung der BezugszeichenList of reference numbers

1 Kolben
2 Zylinder
3 Dosieröffnung
4 Flüssigkeit
5 Flüssigkeitshaut
6 durch Vektoren symbolisiertes Geschwindigkeitsfeld 1 piston
2 cylinders
3 dosing opening
4 liquid
5 fluid skin
6 velocity field symbolized by vectors

Claims

1. A method for volume-correct dispensing of liquids in the microliter and ultra-microliter range, in which the liquid is fed to the outlet opening of a metering device, characterized in that the predosed liquid is passed into the outlet opening and the liquid skin formed there by it with part of its volume Vibrations are added until it tears off with the volume of the pre-metered liquid that is supplied to and absorbed by it.

2. The method according to claim 1, characterized in that the vibration perpendicular to the direction of movement of the rivers liquid is directed to the volume of liquid.