DE10136904A1

DE10136904A1 - Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren kleinste Fluidmengen

Info

Publication number: DE10136904A1
Application number: DE2001136904
Authority: DE
Inventors: Andreas Graff
Original assignee: Eppendorf SE
Current assignee: Eppendorf SE
Priority date: 2001-07-28
Filing date: 2001-07-28
Publication date: 2003-02-20

Abstract

Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren kleinster Fluidmengen mit DOLLAR A - einer Verdrängungskammer (1) mit einer verlagerbaren Begrenzung (8) zum Verdrängen von Flüssigkeit in der Verdrängungskammer (1) und mit einem Auslaß (4), DOLLAR A - einem auf die verlagerbare Begrenzung (8) wirkenden elektrochemischen Aktor (9) zum Verlagern der Begrenzung (8) und DOLLAR A - einer mit dem elektrochemischen Aktor (9) elektrisch verbundenen elektrischen Steuerungseinrichtung (11) zum Steuern des elektrochemischen Aktors (9).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren kleinster Fluidmengen.

Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art werden beispielsweise im Bereich der Zellmanipulation benötigt, wo flüssige Medien in Volumenströmen von ca. von 10 µl pro Stunde und darunter gefördert werden müssen. Des weiteren sind für viele Anwendungen, insbesondere in der Mikrobiologie, Dosiermengen in Nanoliter-Bereich und Picoliter-Bereich von Interesse.

Bisherige Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren haben den Nachteil, daß sie flüssige Medien in verhältnismäßig großen Volumenströmen fördern bzw. große Volumina dosieren. Weitere Nachteile bekannter Vorrichtungen sind, daß sie flüssige Medien nicht gleichförmig fördern, nur im Freistrahl abgeben, keinen Gegendruck überwinden können bzw. nicht selbst ansaugend sind.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren zu schaffen, die kleinste Fluidmengen fördern und/oder dosieren kann.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren kleinster Fluidmengen hat

- eine Verdrängungskammer mit einer verlagerbaren Begrenzung zum Verdrängen eines Fluides in der Verdrängungskammer und mit einem Auslaß,
- einen auf die verlagerbare Begrenzung wirkenden elektrochemischen Aktor zum Verlagern der Begrenzung und
- eine mit dem elektrochemischen Aktor elektrisch verbundene elektrische Steuerungseinrichtung zum Steuern des elektrochemischen Aktors.

In dem elektrochemischen Aktor befindet sich in einem größenveränderlichen Behältnis ein Medium, in dem durch Anlegen bzw. Abziehen eines elektrischen Stromes eine Umsetzung bewirkt werden kann, die zu einer Veränderung des Innendruckes im Behältnis führt. Dabei kann es sich insbesondere um eine Umsetzung handeln, die durch Erzeugung bzw. Verbrauch eines Gases den Innendruck im Behältnis beeinflußt. Die Veränderung des Innendrucks kann in eine Größenänderung des Behältnisses und/oder in eine Änderungen einer von diesem ausgeübten Kraft umgesetzt werden. Die Umsetzung des Mediums kann reversibel erfolgen, so daß eine gegenläufige Größen- bzw. Kraftänderung durch Anlegen bzw. Abziehen eines Stromes bewirkt werden kann.

Vorzugsweise arbeitet der elektrochemische Aktor wie ein Akkumulator, in dem durch Anlegen eines Ladestroms an ein elektrolytisches Medium ein Gas (Wasserstoff) gebildet und bei Abziehen eines Entladestroms verbraucht wird. Der elektrochemischer Aktor kann insbesondere ein balgartiges Behältnis aufweisen, in dem Elektroden angeordnet sind, an die von außen ein Strom angelegt bzw. abgezogen werden kann. Im Inneren des Behältnisses befindet sich das Medium, in dem bei Anlegen bzw. Abziehen eines Stromes eine Umsetzung stattfindet. Durch Dehnen des Balges werden die Kräfte zur Verlagerung der Begrenzung aufgebracht. Ferner kann eine Federeinrichtung vorhanden sein, die den Balg zusammenzieht, wenn die Umsetzung in umgekehrter Richtung abläuft. Die Feder kann beispielsweise von dem Mantel des Balges gebildet oder in diesem integriert sein.

Die Vorrichtung hat den Vorteil, daß die insgesamt bei einer Dosierung geförderten Fördermengen bzw. die Fördermengenströme (zusammenfassend als "Fördermengen" bezeichnet) nach unten praktisch unbegrenzt steuerbar sind, entsprechend der Steuerbarkeit der chemischen Umsetzung durch den angelegten bzw. abgezogenen Strom. Andererseits ermöglicht die Kinetik der Umsetzung auch große Fördermengen. Die Vorrichtung kann deshalb einen besonders großen Dynamikbereich haben, in dem Fördermengen genau steuerbar sind. Durch die genaue Steuerbarkeit der Umsetzung ist auch eine sehr gleichförmige Förderung des Fluids möglich.

Wenn der elektrochemische Aktor die Begrenzung bezüglich der Verdrängungskammer nach innen verlagert, wird das Fluid aus dem Auslaß herausgefördert. Diese Verdrängung des Fluids kann auch gegen einen Gegendruck erfolgen. Wenn der elektrochemische Aktor die Begrenzung bezüglich der Verdrängungskammer nach außen verlagert, kann durch den Auslaß ein Fluid angesaugt werden. Die Vorrichtung ist selbstansaugend. Die aufgenommene und abgegebene Fluidmenge kann genau gesteuert werden. Die Vorrichtung kann insbesondere wie eine Pipette oder ein Dispenser arbeiten.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung hat die Verdrängungskammer einen Einlaß mit einem Einlaßventil, das sich beim Verlagern der Begrenzung nach außen öffnet und beim Verlagern der Begrenzung nach innen schließt, und einen Auslaß mit einem Auslaßventil, das sich beim Verlagern der Begrenzung nach außen schließt und beim Verlagern der Begrenzung nach innen öffnet. Durch ein wiederholtes Verlagern der Begrenzung nach außen und nach innen kann ein Ansaugen eines Fluids durch den Einlaß und ein Ausdrücken des Fluids aus dem Auslaß bewirkt werden.

Das Einlaßventil und/oder das Auslaßventil kann ein passives Sperrventil (z. B. Klappenventil oder Kugelrückschlagventil) und/oder ein aktives Sperrventil (z. B. ein durch ein elektrischen Aktor gesteuertes Klappenventil) sein. Ein passives Sperrventil wird durch die Druckveränderungen in der Verdrängungskammer gesteuert. Ein aktives Sperrventil wird bevorzugt von der elektrischen Steuerungseinrichtung in einer mit der Steuerung des elektrochemischen Aktors koordinierten Weise gesteuert.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Begrenzung ein Kolben, der in einem Zylinder der Verdrängungskammer verlagerbar ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der zeitliche Verlauf des von der elektrischen Steuerungseinrichtung an den elektrochemischer Aktor angelegten und/oder von diesem abgezogenen Stroms zur Realisierung einer vorgegebenen Fördercharakteristik steuerbar.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen mit dem Einlaß der Verdrängungskammer verbundenen Vorratsbehälter auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung zwei Verdrängungskammern auf, deren Einlässe miteinander verbunden sind und deren Auslässe miteinander verbunden sind und auf deren Begrenzungen mindestens ein von der elektrischen Steuerungseinrichtung gesteuerter elektrochemischer Aktor wirkt, so daß sich die Begrenzung der einen Verdrängungskammer zum Ansaugen eines Fluids in diese Verdrängungskammer nach außen bewegt und zugleich die Begrenzung der anderen Verdrängungskammer zum Ausdrücken eines Fluids aus dieser Verdrängungskammer nach innen bewegt und umgekehrt und hierdurch ein quasi kontinuierlicher Fluidmengenstrom am Auslaß erzeugt wird.

Grundsätzlich ist es möglich, daß ein einziger elektrochemischer Aktor beide Begrenzungen in der beschriebenen Weise verlagert. Vorzugsweise ist jedoch jeder Begrenzung ein eigener elektrochemischer Aktor zugeordnet.

Die Vorrichtung kann beliebige Fluide fördern bzw. dosieren, insbesondere Flüssigkeiten oder Gase. Sie kann auch Mehrphasengemische von Flüssigkeiten und/oder Gasen und/oder Feststoffen fördern bzw. dosieren.

Die Vorrichtung kann ganz oder teilweise mikrosystemtechnisch hergestellt sein, insbesondere aus Halbleitern und/oder Kunststoffen und/oder Glas und/oder Keramik und/oder Metallen, wobei geeignete Fertigungsverfahren der Mikrotechnik bzw. Mikrostrukturierungen zum Einsatz kommen können, z. B. Lithographie- und Ätzverfahren (bei Halbleitern) oder Ligaverfahren (bei Metallen Kunststoffen und Keramiken). Der elektrochemische Aktor kann auch ein separates Bestandteil sein. Er kann beispielsweise vom Typ ECA (z. B. SK 5/300) der Firma Friwo Silberkraft Gesellschaft für Batterietechnik mbH, Meidericher Str. 6-8, D-47058 Duisburg sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden grob schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Die Vorrichtung zum Pumpen und Dosieren kleinster Flüssigkeitsmengen hat zwei parallele Verdrängungskammern 1, 1', die jeweils einen Einlaß 2, 2' mit einem Einlaßventil 3, 3' und einen Auslaß 4, 4' mit einem Auslaßventil 5, 5' aufweisen. Die Einlaßventile 3, 3' und Auslaßventile 5, 5' sind jeweils passive Sperrventile bzw. Rückschlagventile.

Die Einlässe 2, 2' sind an den Auslaß eines Vorrats 6 für Flüssigkeiten angeschlossen. Die Auslässe 4, 4' sind zu einem gemeinsamen Auslaß 4" zusammengeführt.

Jede Verdrängungskammer 1, 1' weist einen Zylinder 7, 7' auf, in dem ein Kolben 8,8' verlagerbar angeordnet ist. Außen wirken auf die Kolben elektrochemische Aktoren 9, 9', die über elektrische Verbindungsleitungen 10, 10' mit einer elektrischen Steuerungsvorrichtung 11 verbunden sind.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Die elektrochemischen Aktoren 9, 9' werden von elektrischen Steuerungseinrichtung 11 elektrisch angesteuert. Die Ausdehnung der Aktoren 9, 9' ist proportional der zugeführten elektrischen Ladung. Das Zusammenziehen der Aktoren 9, 9' ist proportional zur abgezogenen elektrischen Ladung, die beispielsweise einem elektrischen Widerstand zugeführt werden kann. Das Zusammenziehen der Aktoren 9, 9' wird durch eine Federwirkung des balgartigen Behältnisses der Aktoren bewirkt.

Die elektrische Steuerungseinrichtung 11 steuert die Kolben 9, 9' gegenläufig. Wenn der Kolben 9 tiefer in den Zylinder 7 verlagert wird, wird der Kolben 9' außen weiter aus dem Zylinder 7' herausgezogen. Hierdurch wird aus der Verdrängungskammer 1 Flüssigkeit durch das Ventil 5 und den Ausgang 4" herausgedrückt und von dem Kolben 9' Flüssigkeit durch den Eingang 2' und das Ventil 3' in die Verdrängungskammer 1' eingesogen. Wenn der Kolben 9 maximal zur Verdrängungskammer 1 hin verlagert und der Kolben 9' maximal von der Verlängerungskammer 1' wegverlagert ist, wird der Vorgang umgekehrt, d. h. der Kolben 9' drückt Flüssigkeit aus der Verdrängungskammer 1' durch den Ausgang 4" heraus und der Kolben 9 saugt Flüssigkeit in die Verdrängungskammer 1 durch den Einlaß 2 hinein.

Durch den um 180° verschobenen Betrieb der beiden Kolben 9, 9' kann eine gleichmäßige Förderung von Flüssigkeit aus dem Auslaß 4" erreicht werden. Die Fördermenge ist lediglich vom zeitlichen Verlauf der zugeführten elektrischen Energie abhängig und zu kleinen Mengen hin praktisch nicht begrenzt. Je nach zeitlichen Verlauf der elektrischen Ladung, die an die elektrochemischer Aktoren 9, 9' angelegt bzw. von diesen abgezogen wird, können unterschiedliche Fördercharakteristiken realisiert werden.

Die Ausführungsform der Ventile 3, 3', 5, 5' hängt vom Anwendungsfall ab. Für eine reine Durchflußpumpe können passive mechanische Ventile ausreichen. Für einen Dosierer können unabhängig voneinander anzusteuernde Ventile vorzuziehen sein.

Claims

1. Vorrichtung zum Fördern und/oder Dosieren kleinster Fluidmengen mit
einer Verdrängungskammer (1) mit einer verlagerbaren Begrenzung (8) zum Verdrängen von Flüssigkeit in der Verdrängungskammer (1) und mit einem Auslaß (4),
einem auf die verlagerbare Begrenzung (8) wirkenden elektrochemischen Aktor (9) zum Verlagern der Begrenzung (8) und
einer mit dem elektrochemischen Aktor (9) elektrisch verbundenen elektrischen Steuerungseinrichtung (11) zum Steuern des elektrochemischen Aktors (9).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Verdrängungskammer (1) einen Einlaß (2) mit einem Einlaßventil (3), das sich beim Verlagern der Begrenzung (8) nach außen öffnet und beim Verlagern der Begrenzung (8) nach innen schließt, und einen Auslaß (4) mit einem Auslaßventil (5), das sich beim Verlagern der Begrenzung (8) nach außen schließt und beim Verlagern der Begrenzung (8) nach innen öffnet, aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Einlaßventil (3) und/oder das Auslaßventil (5) ein passives Sperrventil und/oder ein aktives Sperrventil ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Begrenzung ein Kolben (8) ist, der in einem Zylinder (7) der Verdrängungskammer (1) verlagerbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der zeitliche Verlauf des von der elektrischen Steuereinrichtung (11) an den elektrochemischer Aktor (9) angelegten und/oder von diesem abgezogenen Stroms steuerbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die einen mit dem Einlaß (2) der Verdrängungskammer (1) verbundenen Vorratsbehälter (6) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die zwei Verdrängungskammern (1, 1') aufweist, deren Einlässe (2, 2') miteinander verbunden sind und deren Auslässe (4, 4') miteinander verbunden sind und auf deren Begrenzungen (8, 8') mindestens ein von der elektrischen Steuereinrichtung (11) gesteuerter elektrochemischer Aktor (9, 9') wirkt, so daß sich die Begrenzungen (8) der einen Verdrängungskammer (1) zum Ansaugen eines Fluids in diese Verdrängungskammer (1) nach außen bewegt und zugleich die Begrenzung (8') der anderen Verdrängungskammer (1') zum Ausdrücken eines Fluids aus dieser Verdrängungskammer (1') nach innen bewegt und umgekehrt.