Устройство для микроинъекции жидкости

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 11 А 61 М 5/16 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОИНЪЕКЦИИ ЖИДКОСТИ, содержащеекорпус, герметизирующий затвор, рабочуюкамеру, микропипетку и исполнительныйэлемент с блоком его управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности дозирования, исполнительный элементвыполнен из материала, изменяющегообъем под действием поля, герметизирующий затвор включает шток, поршень, двепары биметаллических пластин, установленных внутри корпуса, и две пружины, одна из которых установлена с возможностьювзаимодействия с одним из концов штокаи корпусом, а другая - с корпусом ипоршнем, при этом устройство дополнительно снабжено блоком управления герметизи.801136810 рующим затвором, камерой предварительного заполнения, образованной стенками корпу са и поверхностью поршня, и блоком за. дания температуры, включающим нагрева. тель, датчик температуры и систему управления, причем нагреватель и датчик температуры расположены на внешней поверхности рабочей камеры и их выходы соеди. нены с блоком системы управления.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления исполнительного элемента включает конденсатор и задатчик постоянного напряжения, а исполнительный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала, при этом выход задатчика постоянного напряжения соединен с обкладка ми конденсатора,3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что исполнительный элемент выполнен из электрострикционного материала.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления исполнительного элемента включает индукционную катушку и источник постоянного тока, а исполнительный элемент выполнен из магнитострикционного материала, при этом выход источника постоянного тока соединен с входом индукционной катушки.1Изобретение относится к медицинской технике, преимущественно к аппаратуре для исследования микрообъектов, в частности клеток и тканей.Известно устройство для микроинъекции жидкости содержащее корпус, микропипетку, поршни, герметизирующий затвор и средство для нагрева поршня 1.Известно также устройство для микро- инъекции жидкости, содержащее корпус, герметизирующий затвор, рабочую камеру, микропипетку и исполнительный элемент с блоком его управления 2.Недостатки известных устройств - низкая точность дозирования жидкости.Цель изобретения -повышение точности дозирования жидкости.Указанная цель достигается тем, что устройство для микроинъекции жидкости, содержащее корпус, герметизирующий затвор, рабочую камеру, микропипетку и исполнительный элемент с блоком его управления, исполнительный элемент выполнен из материала, изменяющего объем под действием поля, герметизирующий затвор включает шток, поршень, две пары биметаллических пластин, установленных внутри корпуса, и две пружины, одна из которых установлена с возможностью взаимодействия с одним из концов штока и корпусом, и другая - с корпусом и поршнем, при этом устройство дополнительно снабжено блоком управления герметизирующим затвором, камерой предварительного заполнения, образованной стенками корпуса и поверхностью поршня, и блоком задания температуры, включающим нагреватель, датчик температуры и систему управления, причем нагреватель и датчик температуры расположены на внешней поверхности рабочей камеры и их выходы соединены с входом системы управления,Кроме того блок управления исполнительного элемента включает конденсатор и задатчик постоянного напряжения, а исполнительный элемент выполнен из пьезо. электрического материала, при этом выход задатчика постоянного напряжения соединен с обкладками конденсатора,Причем исполнительный элемент выполнен из электрострикционного материала,При этом блок управления исполнительного элемента включает индукционную катушку и источник постоянного тока, а исполнительный элемент выполнен из магнитострикционного материала, при этом выход источника постоянного тока соединен с входом индукционной катушки.На фиг. 1 представлено устройство, общий вид; на фиг. 2 - рабочая камера микроинъектора, выполненная с исполнительным элементом из пьезоэлектрического или электрострикционного материала; на фиг. 3 - рабочая камера микроинъек.1 О1520 2тора, в которой исполнительным элементомявляется инъектируемая электрострмкционная жидкость; на фиг. 4 - рабочая камера микроинъектора, в котором исполнительнымэлементом является электрострикционная жидкость, помещенная в гибкую, упругую оболочку; на фиг. 5 - рабочая камера, микроинъектора,в которой исполнительнымэлементом является электрострикционнаяжидкость, контактирующая с инъекцируемой жидкостью; на фиг, 6 - рабочая камера микроинъектора, выполненная с исполнительным элементом из магнитострикционного материала.Устройство для микроинъекции жидкости содержит корпус 1 с расположенными в нем рабочей камерой 2 и камерой 3 предварительного заполнения связанной с рабочей камерой 2 через отверстие в химически стойкой теплоизолирующей пробке 4, в рабочей камере 2 расположен исполнительный элемент 5, выполненный из материала,объем которого изменяется под действием поля, и инъецируемая жидкость 6, часть которой находится также в камере 3 предварительного заполнения, рабочая камера 2 соединена с микропипеткой 7. На исполнительный элемент 5 воздействует поле от источника 8 поля, связанного с блоком 9 управления исполнительным элементом.На поверхности рабочей камеры 2 рас, положены датчик 10 температуры и нагрело ватель 11, связанные с блоком 12 заданиятемпературы рабочей камеры, на поверхности корпуса 1 расположена термобатарея 13, соединенная с выходом регулятора 14 поддержания температуры корпуса 1, вход регулятора 14 соединен с дифференЗ 5 циальной термопарой 15, один спай которой расположен на корпусе 1, а другой - на поверхности рабочей камеры 2, в камере предварительного заполнения расположен герметизирующий затвор, выполнен О ный в виде штока 16 с корпусом притертым концом, связанным с термоуправляемой биметаллической пластиной 17 с расположенным на ней нагревателем 18, соединенным блоком 19 управления герметизирующим затвором и прижимной пружи ной 20, в камере 3 предварительного заполнения установлен также задатчик давления инъецируемой жидкости, выполненный в виде порйня 21 с прокладками 22, поршень 21 упирается в калиброванную пружину 23, под фланцем 24 поршня установлена термоуправляемая биметаллическая пластина 25 с расположенным на ней нагревателем 26, соединенным с источником 27 тока в камере предварительного заполнения имеются заправочные отверстия 28;55 закрытые герметизирующими уплотнительными прокладками 29 с крышками 30.В одном из вариантов выполнения конструкции источником электрического пос36810 113тоянного поля являются обкладки конденсатора, расположенные на поверхности рабочей камеры 2 (фиг. 2 - 5). При этом исполнительным элементом является стержень, выполненный из пьезоэлектрического или электрострикционного материала .(фиг, 2) . Исполнительным элементом может быть также сама инъецируемая жидкость, если она электрострикционна (фиг. 3). Если же иньецируемая жидкость не обладает электрострикционным свойством, то исполнительный элемент (электрострикционная жидкость 6) может быть помещена, например, в гибкую и упругую оболочку 31 (фиг. 4) либо иметь непосредственный контакт с инъецируемой жидкостью 6, располагаясь в зазоре между заправочным капилляром 32 и стенкой рабочей камеры (фиг. 5).В другом варианте выполнения конструкции источнихом постоянного магнитного поля является намагничивающая катушка 8, установленная на рабочей камере 2 с зазором, т. е. без непосредственного теплового контакта между камерой и катушкой (фиг. 6). При этом исполнительным явля. ется стержень 5, выполненный из магнитострикционного материала.Устройство работает следующим образом,Перед инъецированием устройство заполняют инъецируемой жидкостью, для чего от источника 27 тока на нагреватель 26 подают ток, необходимый для нагрева биметаллической пластины 25. Нагреваясь, биметаллическая пластина 25 изгибается и упирается во фланец 24 поршня 21. При дальнейшем нагреве пластины 25 изгиб ее, передавая усилие изгиба через фланец 24 на поршень 21 и деформируя калиброванную пружину 23, обеспечивает перемещение поршня 21 вправо. Прй этом калиброванная пружина 23 сжимается. В начальный момент, т.е. перед заправкой инъецируемой жидкостью, биметаллическая пластина 17 имеет комнатную температуру, т,е, отсутствует прогиб пластины 17. Шток 16 прижимной пружиной 20 прижат конусным притертым концом к конусному притертому отверстию в пробке 4. Тем самым герметизируется объем рабочей камеры 2 от объема камеры 3 предварительного заполнения. Для заполнения инъецируемой жидкостью камеры предварительного заполнения крышки 30 заправочных отверстий 28 снимаются. В нижнее заправочное отверстие 28 через уплотнительную прокладку 29 вводится игла заправочного устройства, например шприца (не показан), Герметизирующая прокладка 22 верхнего отверстия 28 снимается, Проводится заполнение камеры 3 предварительного заполнения инъецируемой жидкостью 6. Воздух из камеры предварительного заполнения 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 4вытесняется через верхнее отверстие 28. Полнота заполнения камеры 3 предварительного заполнения инъецируемой жидкостью 6 контролируется появлением жидкости из верхнего отверстия 28. После чего игла заправочного устройства извлекается и заправочные отверстия 28 герметизируются грокладками 29 и крышками 30. Источник 27 тока отключается и пластина 25 охлаждается до комнатной температурьь При этом изгиб биметаллической пластины 25 уменьшается до нуля. Калиброванная пружина 23, давя через поршень 21 на инъецируемую жидкость 6, создает в ней давление, необходимое для заправки рабочей камеры 2 и преодоления давления в конце микропипетки 7. Герметизация штока 16 и поршня 21 обеспечивается прокладками 22, которые одновременно с обеспечением герметизации позволяют штоку 16 и поршню 21 перемещаться в осевом направлении.Заполнение рабочей камеры 2 инъецируемой жидкостью 6 происходит следующим образом.Предварительно температура рабочсй камеры 2 задается и поддерживается несколько выше комнатной температуры с точностью порядка 0,005 - 0,001 град при помощи дат;ика 10 температуры, нагревателя 11 и блока 12 задания температуры. После чего от блока 19 управления гсрметизирующим затвором на нагреватель 18 подается ток, необходимый для нагрева биметаллической пластины 17. Нагрев пластины 17 вызывает ее изгиб. Изгибаясь, пластина 17 упирается в шток 6, и, деформируя прижимную пружину 20, отводит шток 16 вправо. При этом межд, копусиым наконечником штока 1 б и конусным отверстием пробки 4 образуется зазор, через который жидкость 6 поступает в рабочую камеру 2. Воздух из рабочей камеры 2 выходит через отверстие в конце микропипстки 7. По окончанию заполнения, которое определяется по появлению мениска на конце микропипетки 7, контроль осуществляется при помощи микроскопа (не показан), олок 19 управления герметизирующим затвором отключается. Биметаллическая пластина 17 охлаждается до комнатной температуры. Изгиб пластин уменьшается до нуля. При этом шток 6 прижимной пружиной 20 притертым конусным концом прижимается с усилием к притертому конусному отверстию в пробке 4. Тем самым инъецируемая жидкость в рабочем объеме камеры 2 герметично отделяется от этой же жидкости в камере 3 предварительного заполнения. После чего при необходимости мениск инъеци., мой жидкости подводится к краю микро:пипетки, вводимому в объект, за счет изменения объема жидкости. Контролируемое изменение объема жидкости за счет ее теплового расширения задается40 45 50 55 изменением температуры рабочей камеры 2, блоком 12 задания и поддержания температуры датчиком 10 темг,ературы и нагревателем 12. После этого устройство готово к микроинъецированию,Для обеспечения микроинъецирования с блока 9 управления исполнительным элементом подается задающее воздействие постоянной величины на источник 8 поля. Источник 8 поля создает постоянное поле, которое действует на исполнительный элемент выполненйый из материала, объем которого изменяется под действием поля.Исполнительный элемент 5, увеличивая свой обьем при увеличении напряженности воздействующего поля вытесняет объемжидкости из микропипетки, равный изменению объема исполнительного элемента 5 под действием поля. Таким образом, дискретным изменением напряженности поля обеспечивается многократное микроинъецирование. Для повышения точности микроинъецирования температура рабочей камеры 2. а следовательно и жидкости 6 и исполнительного элемента 5 задается и поддерживается датчиком 10 температуры, нагревателем 11 и блоком 12 задания температуры рабочей камеры 2 и поддерживается в квазиадиабатных условиях.Квазиадиабатные условия создаются термобатареей 13, установленной на корпусе 1 и связанной с регулятором 14, на вход которого поступает сигнал с дифференциаль ной термопары 15. Тем самым средняя температура корпуса 1 поддерживается равной температуре рабочей камеры 2, что практически устраняет теплоотвод с рабочей камеры, а следовательно, повышает точность термостатирования рабочей камеры 2 вместе с жидкостью 6 и исполнительным элементом 5,Если источником поля является конденсатор, то на его обкладки подается постоянное напряжение от блока управления исполнительным элементом. При этом между обкладками конденсатора появляется электрическое поле постоянной напряженности, которое, воздействуя на исполнительный элемент 5, изменяет его объем.При исполнительном элементе 5, выполненчом из пьезоэлектрического материала (фиг. 2), вытеснение объема инъецируемой жидкости будет обеспечиваться изменением объема при подаче на обкладки конденсатора.Для исполнительного элемента, вь;полненного из твердого диэлектрического ма. териала, че обладающего пьезоэлектрическими сь йст;.-;ами, но имеющего электрострикционные свойства, изменение объема порядка 10 см будет обеспечиваться при подаче на обкладки конденсатора напряжения порядка 0,1 - 1 В. 5 1 О 15 20 25 ЗО 35 Для жидкого диэлектрика, обладающегоэлектрострикционными свойствами, относительное изменение объема под действиемвнешнего электрического поля постояннойнапряженности определяется по формуле- =АЕгдеаУ - изменение объема жидкостипод действием внешнего электрического поля, см ф,М в рабоч объем камеры, см;Е - напряженность электрическогополя между обкладками конденсатора, В/см;Л в постоянн, для органическихжидкостей. цПри Ч=1 смз; А=10Е=1 Я ве М-12личина 6 У составляет ьЧ - 10 смВоздействие электрического поля постоянной напряженности на исполнительныйэлемент 5, выполненный из электрострикционной жидкости, вызывает увеличениеее объема. Это увеличение обеспечиваетвыдавливание дозы инъецируемой жидкости.Так, при увеличении объема электрострикционной жидкости, которая одновременноявляется и инъецируемой (фиг, 3), такойже объем жидкости будет вытесняться вобъект. Если электрострикционная жидкость расположена в гибкой упругой оболочке 31, то увеличение ее объема деформирует гибкую упругую оболочку 31, чтовызывает вытеснение объема инъецируемойжидкости (фиг. 4), равного увеличению объема электрострикционной жидкости.При электрострикционной жидкости,контактирующей непосредственно с инъецируемой жидкостью 6 (фиг. 6) и несмешивающейся с нею, увеличение объема жидкостивызывает вытеснение объема инъецируемойжидкости 6, равного увеличению объемаэлектрострикционной жидкости.Если источником поля является намагничивающая катушка, то на нее подаетсястабилизированный постоянный ток от высокоточного источника тока, который является прецизионным задатчиком постоянного тока (блок 9 управления исполнительным элементом) . Постоянный электрический ток, проходя через катушку 8, возбуждает постоянное магнитное поле, котороевоздействует на исполнительный элемент 5(фиг, 6), выполненный из магнитострикционного материала, изменяет его объем.При увеличении объема исполнительногоэлемента 5 такой же объем, равный увеличению объема исполнительного элемента 5, будет вытесняться из микропипеткив объект. Так, для исполнительного элемента, выполненного из сплава платины с железом (Р 1 54 и Ре 46/ изменение объемапорядка 10см обеспечивается при изменении напряженности постоянного магнит 1136810ного поля в катушке на ЗЭ. Геометрические размеры исполнительного элемента: длина 5 мм, диаметр 20 мкм.Установка катушки 8 на рабочей камере 2 с зазором исключает влияние разогрева катушки на точность термостатирования рабочей камеры вместе с исполнительным элементом и инъецируемой жидкостью, а значит и на точность дозирования,Минимальная величина дозы в предложенном устройстве будет определяться точностью термостатирования рабочей камеры вместе с исполнительным элементом и дозируемой жидкостью. Эта величина будет порядка 10.Таким образом, активное термостатирование рабочей камеры с исполнительным элементом и дозируемой жидкостью полностью исключает неуправляемое влияние изменения внешней температуры на точность микродозирования,Применение в устройстве исполнительного элемента, выполненного из материала, объем которого изменяется под действием поля, и связанного с источником поля, управляемым блоком задания и управления постоянным полем, позволяет полчить объем микродозы порядка 10 - 10см, Причем, минимальная величина дозы в предложенном устройстве ограничивается не возможностями исполнительного элемента, изменяющего свой объем под действием внешнего управляющего постоянного поля, а другими, влияющими на величину дозы факторами, такими, например, как точность термостатирования, конструктивное выполнение элементов устройства и др. Исполнительный элемент, управляемый внешним постоянным полем, позволяет получить изменение объема порядка 10 - 10смКамера предварительного заполнения с задатчиком давления и герметизирующим затвором обеспечивает удобство эксплуатации, так как ее конструкция исключает необходимость разборки устройства для заполнения дозируемой жидкостью и создает постоянное давление, необходимое для заполнения рабочей камеры дозируемой жидкостью и обеспечения дозирования.Кроме того, дистанционно управляемый герметизирующий затвор, отделяя рабочую камеру от камеры предварительного заполнения в режиме дозирования, исключает влияние изменения геометрических разме ров упругих элементов (таких как прокладки), расположенных в камере предварительного заполнения, на точность дозирования. Многократное дозирование (до 5001000 и более доз) и различная величина дозы в устройстве обеспечивается двумя способами, Ступенчатое изменение напряженности постоянного поля, воздействующего на исполнительный элемент (при величи не дозы ) 10 мл), обеспечивает много 1 Зкратное дозирование. Задание величины ступени, управляющей полем воздействия, задает величину дозируемого объема,Ступенчатое изменение температурырабочей камеры с дозируемой жидкостью и исполнительным элементом средством задания и поддержания температуры рабочей камеры обеспечивает многократное дозирование за счет теплового расширения дозируемой жидкости. Задание величины З 0 температурной ступени задает величинудозируемого объема (для минимальной величины ступени 0,05 град, величина дои -озируемого объема порядка 10 - 10 ил.Устройство для микроинъекции жидкости обеспечивает многократное дозироваЗ 5 ние (более 500 доз) при минимальной величине дозы 10 - 10 мл. и точностиа 1 Ьдозирования порядка 20 - 30 О/, против4/5тная, 4 Составитель В. ВоробьевРедактор И. Ковальчук Техред И. Верес Корректор ВЗаказ 10353/3 Тир Ггг ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д.Филиал ППП аПатентэ, г. Ужгород, ул. Проек ицкая