Способ сверхточного дозирования жидкостей
Владельцы патента RU 2271519:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к средствам микродозирования жидкостей и направлено на обеспечение высокоточного дозирования малых и сверхмалых объемов жидкостей. Изобретение основано на явлении капельного кластера, наблюдаемом при локальном нагреве и испарении жидкостей. Микрокапли конденсата, выпадая на жидкую поверхность, не коалесцируют со слоем, образуя устойчивую структуру - капельный кластер. Кластер является источником неограниченного количества микрокапель, объем которых задается температурой жидкости. Поместив кювету с нагревательным элементом под микроскоп, с помощью микропипетки можно захватывать единичные капли, дозируя объемы жидкости порядка 10-9 мкл с точностью, определяемой погрешностью измерения диаметра капель. 3 ил.
При высокоточном дозировании малых и сверхмалых объемов жидкостей возникает проблема отделения заданного микрообъема от основной массы жидкости [1]. По способу ее решения можно выделить перистальтические [2], клапанные [3, 4] и поршневые (микропипетки) дозаторы жидкостей [5, 6]. В дозаторах всех перечисленных типов объем минимальной дозы и воспроизводимость дозирования лимитируются конструкцией и качеством изготовления механических узлов, что делает микродозаторы высокотехнологичными и дорогостоящими устройствами.
Предлагаемый не механический способ микродозирования основан на явлении капельного кластера [7], наблюдаемом при локальном нагреве и испарении жидкостей. Суть явления состоит в том, что конденсирующиеся в воздухе над нагретым участком микрокапли, выпадая на жидкую поверхность не коалесцируют со слоем и образуют устойчивую структуру - капельный кластер, см. Фиг.1 (стрелками показаны направления движения капель, надстраивающих кластер). Диаметр d капель кластера определяется свойствами жидкости и условиями на поверхности слоя, в частности его температурой, см. Фиг.2. Зависимость получена для слоя воды на поглощающей оптическое излучение эбонитовой подложке. Температуру изменяли, варьируя мощность пучка света, а контролировали медь константановой термопарой.
Таким образом, кластер является источником неограниченного количества микрокапель (микродоз), объемом которых можно управлять с высокой точностью, изменяя температуру жидкости в месте генерации капельного кластера. Поместив кювету с нагревательным элементом (генератор кластера) под микроскоп, с помощью микропипетки можно захватывать единичные капли. При диметре капель d=20 мкм дискретность дозирования составляет V=4.2×10-9 мкл, а точность определятся погрешностью измерения d (например, для d=20 мкм и Δd=1 мкм, см. Фиг.2, имеем ΔV˜10-10 мкл).
Принципиальная схема микродозатора на основе капельного кластера приведена на Фиг.3, где 1 - кластер, 2 - объектив микроскопа, 3 - игла микропипетки. В схеме использован кадр видеозаписи кластера при ориентации микроскопа, близкой к горизонтальной, поэтому под каплями видны их зеркальные отражения от жидкой поверхности. Участок слоя над вмонтированным в подложку нагревательным элементом обведен штриховой линией. Стрелками показан создаваемый микропипеткой ток воздуха, увлекающий капли кластера.
В заключение, следует отметить, что свойства явления, лежащего в основе предлагаемого способа, обеспечивают возможность дозирования жидкостей с точностью, практически не доступной для известных механических микродозаторов.
Литература
1. Необыкновенная жизнь обыкновенной капли. Волынский М.С. - М.: Знание, 1986, с.72-76.
2. А.с. СССР №1767346. Дозатор перистальтического типа / Кахеладзе К.Г., Саттаров Д.С., Дзагания Т.Е. и др. Бюл. №37, 1992.
3. А.с. СССР №1817830. Дозатор жидкости / Лукин А.Г. Бюл. №19, 1993.
4. А.с. СССР №1825984. Устройство для микродозирования / Кириченко И.В., Фролов Г.С. Бюл. №25, 1993.
5. А.с. СССР №629451. Микродозатор / Бобров Г.Н., Шишков М.И. Бюл. №39, 1978.
6. А.с. СССР №1719908. Микродозатор / Щедроткин Е.И., Марин А.С., Афанасьев В.В. Бюл. №10, 1992.
7. Капельный кластер. А.А. Федорец. Письма в "ЖЭТФ", Том. 79, №8, с.457-459, 2004.
Способ дозирования жидкостей микропипеткой, отличающийся тем, что в нем используют явление капельного кластера и минимальным дозируемым объемом служит отдельная капля кластера, размер которой варьируют, изменяя температуру жидкости в области формирования капельного кластера.
