Способ изготовления микропипеток и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к стекольной промышленности при изготовлении стеклянных микроинструментов и может найти применение в биологии, медицине, животноводстве для проведения микрохирургических операций и микроэлектродных исследований на клетках и тканях. Сущность изобретения: способ заключается в том, что вытягивают капилляр при нагревании его до образования шейки заданной длины, фиксируют образовавшуюся шейку при комнатной температуре, а дополнительный нагрев производят после дополнительного вытягивания. Устройство для осуществления способа содержит дополнительную нагревательную спираль, установленную между основной спиралью и подвижным зажимом, взаимодействующим с перемешаемым упором по сигналам датчиков положении подвижного зажима и датчика накала спирали. 2 с.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к стекольной промышленности при изготовлении стеклянных микроинструментов и может быть использовано в биологии, медицине, животноводстве для проведения микрохирургических операций и микроэлектродных исследований на клетках и тканях.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ изготовления микропипеток, включающий многоступенчатое вытягивание капилляра при нагревании его и последующего охлаждения и разрыва шейки с образованием кончика.

Недостатком известных способов является низкая воспроизводимость параметров кончиков микропипеток, что при исследованиях, например, путем замера суммарного сопротивления органелл клеток и микропипеток вносит значительную погрешность в измеряемые сопротивления.

Целью изобретения является формирование воспроизводимых параметров кончиков микропипеток.

Это достигается тем, что в известном способе изготовления микропипеток путем многоступенчатого вытягивания капилляра при нагревании его и последующего охлаждения и разрыва шейки с образованием конического кончика, производят нагревание капилляра, обеспечивающее начало вытягивания капилляра через 5. . . 8 с, вытягивают капилляр до образования шейки заданной длины, охлаждают и фиксируют образовавшуюся шейку при комнатной температуре, а разрыв шейки с образованием конического кончика производят после дополнительного вытягивания шейки в средней ее части при повторном нагревании, обеспечивающем начало вытягивания через время, что и при первом вытягивании.

На фиг. 1 показана геометрия микропипетки; на фиг. 2-4 - общая схема реализации предлагаемого способа.

Заготовкой для микропипетки является капилляр с наружным диаметром порядка 0,8. . . 1,5 мм. Микропипетка имеет широкую цилиндрическую часть 1 (неподверженная термообработке часть капилляра - заготовки) длиной 30...50 мм, конический переход 2 длиной 5...10 мм, узкую цилиндрическую часть 3, сформированную шейкой после вытягивания капилляра, диаметром 100...200 мкм длиной 5. . . 10 мм и конический кончик 4, образованный при разрыве шейки длиной 30. . . 100 мкм с выходным отверстием до 0,2 мкм с цилиндрической частью 5 диаметром 5...20 мкм длиной 1...1,5 мм.

Способ получения микропипетки с заданными параметрами в пределах вышеизложенных реализуется следующим образом.

Капилляр-заготовку (фиг. 2) закрепляют в зоне 6 и нагревают в средней части (зона 7), прикладывая к нижнему концу силу F. Разогревают зону 7 до температуры размягчения стекла и под воздействием силы F капилляр начинает вытягиваться, образуя цилиндрическую шейку 8 (фиг. 3). Нагрев прекращают, а капилляр продолжает вытягиваться и принимает размер l, при котором его фиксируют и выдерживают при комнатной температуре до остывания образовавшейся шейки, длина которой составляет l шейки. Затем разогревают капилляр в середине шейки (зона 9). Эта зона ниже зоны 7 на 1/2l шейки.

Температура разогрева в зоне 9 на 250...300^оС ниже, чем температура разогрева в зоне 7, так как требуется разогреть гораздо более тонкую стенку, образовавшуюся после первой вытяжки. Разогрев с меньшей температурой предотвращает запаивание кончика микропипетки. Запаивание капилляра является существенным и весьма распространенным дефектом, устранение которого требует дополнительной механической обработки изготовленной микропипетки.

В способе-аналоге этот дефект устраняется продувкой воздуха или инертного газа внутрь пипетки. В заявляемом способе после повторного нагрева тонкого сечения шейки и дополнительного вытягивания его образуется вторая шейка 10 длиной 1,5-2 мм и диаметром 5...20 мкм, охлаждение которой происходит мгновенно как только заканчивается воздействие тепла, а резкое возрастание прикладываемой силы F ведет к резкому разрыву образовавшейся шейки. Геометрия кончика микропипетки, образованной по предлагаемому способу, показана на фиг. 4. Отличие от геометрии по способу-прототипу состоит в том, что участок шейки диаметром 5...20 мкм имеет малую длину (1,5...2 мм), что уменьшает сопротивление канала микропипетки.

П р и м е р. Производилось изготовление десяти микропипеток. Предварительно задавались параметры: диаметр выходного кончика микропипетки d_внутр = 0,3...0,5 мкм (+/-0,05); = 10+/-0,5 мм = 1,2. . .1,5 мм с воспроизводимостью +/-0,1 мм. Параметры подбирались температурой спирали, усилием рывка и длиной хода после первой вытяжки.

Диаметр d_внутр определялся по давлению воздуха, которое необходимо создать в микропипетке, чтобы выдавить пузырек воздуха в этиловый спирт (коэффициент поверхностного натяжения l ≈ 24 дин./см), по формуле R = 2l/р.

Длина определялась линейкой (погрешность +/-0,5 мм), длина второй шейки с помощью измерительной сетки (окуляр 7^х), при объективе 10^х (цена деления 15 мкм) на микроскопе Биолам. Материал микропипеток - стекло марки "Пирекс" с отношением наружного и внутреннего диаметра 2:1.

Результаты измерений внесены в таблицу.

Таким образом, отклонения параметров изготовленных микропипеток не превышают заданных.

Для проверки качества изготовленных микропипеток кончики их опускались в дистиллированную воду. Все кончики микропипеток не запаяны, так как всасывают дистиллированную воду за счет капиллярных сил.

Известное устройство содержит вертикальную стойку, на которой закреплены верхний неподвижный и нижний подвижный зажимы капилляра, между которыми установлена цилиндрическая спираль из нихромовой проволоки, электромагнит, установленный в нижней части стойки и взаимодействующий с нижним подвижным зажимом, и блок управления.

Недостатком данного устройства является низкая воспроизводимость характеристик получаемых микропипеток, зависящая в большей степени от навыков работы с устройством.

Целью изобретения является повышение воспроизводимости характеристик получаемых микропипеток при снижении требований их изготовления.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее вертикальную стойку, на которой закреплены верхний неподвижный и нижний подвижный зажимы капилляра, спираль, установленную между зажимами, электромагнит, закрепленный в нижней части стойки, и блок управления, снабжено второй спиралью, датчиком накала спирали, перемещаемым упором и дополнительным электромагнитом, взаимодействующим с перемещаемым упором и датчиком положения подвижного зажима, при этом вторая спираль установлена между первой спиралью и нижним подвижным зажимом, перемещаемый упор установлен перпендикулярно оси расположения зажимов, а блок управления связан со спиралями, электромагнитами, датчиком накала спирали и с датчиками положения подвижного зажима.

Таким образом, для осуществления предлагаемого способа в устройстве применяются два нагревателя и перемещаемый упор, связанный с сердечником дополнительного электромагнита, позволяющим фиксировать при комнатной температуре шейку, образовавшуюся после первой стадии вытягивания микропипетки.

Кроме того, устройство содержит электронный блок с датчиками, позволяющий осуществить алгоритм цикла изготовления микропипетки и регулировать параметры, влияющие на характеристики получаемых микропипеток.

На фиг. 5 представлено предлагаемое устройство; на фиг. 6 - перемещаемый упор, взаимодействующий с нижним подвижным зажимом, вид сверху; на фиг. 7 - блок-схема блока управления.

Устройство содержит электронный блок 11 управления и вертикальную стойку 12 с установленными на ней механизмами, обеспечивающими цикл вытяжки микропипетки. На стойке 12 установлены верхний неподвижный зажим 13 заготовки, нижний подвижный зажим 14, жестко связанный с сердечником 15 электромагнита 16, направляющая 17 сердечника 15, узел 16 разогрева заготовки с механизмом 19 перемещения по двум горизонтальным направлениям, перемещаемый упор 20, сигнальный узел 21 цикла вытяжки микропипетки, датчик 22 накала нагревательного элемента.

Зажим 13 содержит корпус 23 с направляющими зажимными текстолитовыми щеками: подвижный 24 и неподвижный 25. Подвижная щека 24 приводится винтом 26 через подшипник 27. Конструкция зажима 14 аналогична конструкции зажима 13.

Узел 18 разогрева установлен на двухкоординатном механизме 19 перемещения и имеет винтовые зажимы для крепления двух спиралей: предварительного разогрева заготовки 28 (для получения шейки) и концентрированного разогрева шейки 29. Перемещаемый упор 20 содержит электромагнит 31, на сердечнике 32 которого жестко закреплен П-образный кронштейн 33, задерживающий перемещение кронштейна 34 при втянутом сердечнике 32. Кронштейн 34 жестко закреплен на подвижном зажиме 14, жестко установленном на сердечнике 15 электромагнита 16.

Пружина 35 служит для возвращения сердечника 32 с кронштейном 33 в исходное положение при выключенном электромагните 31. Перемещаемый упор 20 имеет возможность вертикального перемещения в "ласточкином хвосте" 36 с фиксацией.

Сигнальный узел 21 содержит два датчика положения подвижного зажима упора, выполненных в виде оптронов 37 и 38, неподвижно установленных на стойке 12, зеркальные отражатели 39 и 40 сигналов оптронов, закрепленные с возможностью вертикального регулировочного перемещения на зажиме 14 с помощью кронштейна 41. Датчик 22 накала установлен на кронштейне 42 на расстоянии 5. . .10 мм от спирали 28. Работу механизмов устройства обеспечивает электронный блок 11 управления, содержащий блокирующий триггер 43, оптроны 37 и 38, триггер 44 разрешения предварительного нагрева, схему 45 управления накалом спирали 28, схему 46 управления накалом спирали 29, схему 47 формирования интервала времени, в течение которого остывает шейка заготовки, электромагнит 31 и схему 48 формирования импульса, включающего электромагнит 16.

Устройство работает следующим образом.

Заготовку пропускают сквозь спирали 28 и 29 и закрепляют в зажимах 13 и 14. При этом зажим 14 находится в крайнем верхнем положении. По сигналу "Пуск" триггер 43 разрешает работу схем 46 и 47 и триггера 44, разрешающего включение схемы 45 управления нагревом, которая с помощью датчика 22 накала в обратной связи поддерживает устанавливаемую температуру накала спирали 28, что очень важно на стадии образования шейки микропипетки. После разогрева заготовки до температуры плавления под действием тяжести сердечника 15 с зажимом 14, кронштейном 41 и зеркалами 39 и 40 заготовка растягивается и в месте расплава образуется шейка, центр которой опускается в зону спирали 29. Перемещение вниз сердечника 15 и жестко закрепленных на нем элементов приводит к тому, что зеркальный отражатель 39 попадает в зону излучения светодиода оптрона 37. Сигнал светодиода оптрона 37 отражается от зеркала 39 на фотодиод оптрона 37 и далее уже электрический сигнал с оптрона 37 поступает на триггер 44 и, воздействуя на схему 45, включает спираль 28. Одновременно сигнал оптрона 37 поступает на схему 47, которая запитывает электромагнит 31 и выдерживает его включенным в течение времени, необходимого для остывания образующейся шейки заготовки. Включившись по сигналу оптрона 37, электромагнит 31 преодолевает усилие пружины 35, перемещает П-образный кронштейн 33 в положение, блокирующее перемещение вниз кронштейна 34 (фиг. 6) и жестко связанного с ним зажима 14, что фиксирует длину образовавшейся шейки, которая регулируется возможностью вертикального перемещения с фиксацией электромагнита 31 на "ласточкином хвосте" 36. Начальный момент срабатывания электромагнита 31 определяется положением фиксации зеркала 39.

По окончании интервала времени, формируемого схемой 47, происходит выключение электромагнита 31 и одновременное включение схемы 46 управления накалом спирали 29. Выключение электромагнита 31 позволяет пружине 35 вернуть кронштейн 33 в исходное положение, что вновь создает возможность перемещения вниз сердечника 15 с закрепленными на нем элементами. Такое перемещение возникает в момент расплавления шейки заготовки спиралью 29 концентрированного разогрева и приводит к взаимодействию оптрона 38 и зеркала 40, аналогично взаимодействию оптрона 37 и зеркала 39. В результате срабатывания оптрона 38 последний выдает сигнал на схему 48 формирования импульса, включающего электромагнит 16. По окончании этого импульса срабатывает триггер 43, который блокирует работу электронного блока 11 управления. Повторение цикла работы устройства производится после установки новой заготовки и формирования сигнала "Пуск".

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемые способ и устройство для его осуществления позволяет получить микропипетки с воспроизводимыми параметрами кончиков, необходимые в исследовательской и клинической практике.

Формула изобретения

1. Способ изготовления микропипеток путем нагрева и многоступенчатого вытягивания капилляра до образования шейки, охлаждения и разрыва последней, отличающийся тем, что, с целью обеспечения воспроизводимых параметров кончиков микропипеток, перед разрывом шейку в средней ее части повторно нагревают до температуры на 250 - 300^oС ниже, чем при первой вытяжке, и дополнительно вытягивают.

2. Устройство для изготовления микропипеток, содержащее вертикальную стойку, на которой закреплены верхний неподвижный и нижний подвижный зажимы капилляра, установленную между ними спираль, электромагнит, закрепленный в нижней части стойки, и блок управления, отличающееся тем, что, с целью обеспечения воспроизводимых параметров кончиков микропипеток, оно снабжено дополнительной спиралью с датчиком накала, перемещаемым упором, дополнительным электромагнитом, взаимодействующим с упором и датчиками положения подвижного зажима, при этом дополнительная спираль установлена между основной спиралью и нижним подвижным зажимом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8