Лабораторный дозатор: принципы работы

Дозаторы и наконечники производства Thermo Fisher

Точное и воспроизводимое дозирование жидкостей является необходимым условием для многих экспериментов в лабораториях медицинской и молекулярной биологии. Производительность многих систем может сильно зависеть от точных пропорций отдельных компонентов реакции в анализе. Современные дозаторы позволяют пользователю вручную дозировать количество жидкости до 0,1 мкл. Благодаря этому, даже пользователи с небольшим опытом могут дозировать такие небольшие количества жидкости, не опасаясь влияния на точность результатов. Несмотря на большую важность точности при работе с жидкостями в исследованиях и диагностике, мало внимания уделяется аппаратным средствам, которыми производятся манипуляции, а именно лабораторным дозаторам.

В данной статье будет представлен обзор технических принципов устройств для дозирования жидкостей и характеристики различных систем. Также будут рассмотрены другие факторы, которые влияют на точность и воспроизводимость дозирования жидкостей. Некоторые практические советы будут даны с изложением еще более точных методов работы.

Устройство поршневых дозаторов

Степпер Ленпипет (Thermo Fisher)

Устройство обычных стеклянных пипеток настолько просто, что не стоит отдельного обсуждения и точность результатов пипетирования для них очень зависит от умений оператора. Современные поршневые дозаторы устроены довольно сложно, но при этом точны и просты в использовании. Пипетка с поршневым ходом имеет следующие конструктивные характеристики: жидкость измеряется с помощью поршнево-цилиндрической системы в ручке пипетки. Жидкость засасывается в одноразовый наконечник для дозатора и затем выталкивается из него. Таким образом, пипетку можно рассматривать как систему, состоящую из, собственно, дозатора и наконечника, точность которой рассматривается как единое целое.

На данный момент различают два основных принципа дозирования жидкостей: принцип воздушного вытеснения и принцип позитивного вытеснения (применяется в степперах). В первом жидкость от кончика дозатора отделяется воздушной подушкой. Поршень перемещает ее, и жидкость поднимается в наконечник пипетки или выдавливается из нее. Воздушная подушка, таким образом, работает как эластичная пружина, к которой прилипает жидкость. Поскольку во время аспирации воздух внутри дозатора становится разреженным, поршень должен перемещать объем примерно на 2-4% больше, чем дозируемый объем жидкости. Изготовитель должен учитывать этот факт во время строительства пипетки.

При позитивном вытеснении используется наконечник, подобный шприцу, который содержит собственный поршень, управляемый механизмом пипетки. Из-за этого уникального механизма системы с позитивным вытеснением обычно являются закрытыми, то есть они не совместимы с наконечниками для других систем.

Электронные системы

Электронные дозаторы могут быть построены по принципу как позитивного, так и воздушного вытеснения. Поскольку двигатель выполняет движение поршня, управление не зависит от движений пальцев оператора. Поэтому, даже неопытные или усталые пользователи могут работать электронным дозатором быстро и точно. Таким образом гарантируется высокая воспроизводимость результатов дозирования от эксперимента к эксперименту.

Точное дозирование

Наконечник для степпера

Дозаторы, устроенные по принципу воздушного вытеснения имеют очень широкую область применения в лабораториях различного профиля и являются одним из самых распространенных видов лабораторного оборудования. Однако, если используются жидкости с высокой плотностью (например, глицерин) или избыточным давлением паров (например, хлороформ или гексан), точность дозирования такими пипетками может пострадать. Так, например, для хлороформа фактическое количество жидкости в наконечнике может значительно отличаться от реального. Отчасти это происходит из-за того, что часть жидкости испаряется или вытекает из наконечника. Естественно, что вязкость и поверхностное натяжение жидкости также играют определенную роль. Если наконечник предварительно укупорен, воздушная подушка может быть частично насыщена хлороформом и, таким образом точность дозирования пипетки может быть улучшена. Системы позитивного вытеснения, в которых факторы, влияющие на свойства воздушной подушки, играют минимальное значение, более подходят для этих целей. Любой небольшой воздушный пузырь, образующийся в таком наконечнике, легко насыщается паром из-за небольшого объема, благодаря чему возможно точное отделение необходимых объемов.

Жидкости с высокой вязкостью представляют собой еще одну проблемы при дозировании. При использовании пипетки с воздушным вытеснением степень расширения объема воздуха зависит от плотности жидкости. Другими словами, если жидкость тяжелее воды, воздушная подушка растягивается сильнее. Поэтому для таких жидкостей объем находящийся в наконечники будет значительно меньше, чем необходимый. Например, при дозировании жидкости с плотностью 1,1 мг/мкл погрешность составляет 0,2%. Эта ошибка может быть устранена путем перенастройки пипетки. В этом случае также выгодно использовать систему позитивного вытеснения, в которой воздушные амортизационные явления не играют роли.

Другие советы по оптимальной технике дозирования

Одноразовые наконечники для дозатора

Несколько физических параметров влияют на точность и позволяют определить оптимальные методы пипетирования. Аспирация и дозирование жидкости с использованием пневморессорных пипеток должно выполняться с использованием того же гидростатического давления для достижения точных результатов пипетирования. По этой причине наконечник дозатора с воздушной подушкой должен быть размещен всего на несколько миллиметров ниже поверхности во время аспирации. Пипетку также следует держать почти вертикально. Если пипетка удерживается под углом к плоскости поверхности, высота столба жидкости в наконечнике будет падать, и больше жидкости будет набрано, что приведет к ошибке в объеме. Если пипетка удерживается под углом 30°, ошибка может достигать 0.7%.

Отделение капли от наконечника пипетки во многом определяется его. Контур «носика» для дозатора имеет решающее значение. Неровности, которые могут возникать во время изготовления наконечника (края и избыточная длина) заметно влияют на свойства потока жидкого образца из наконечника и, следовательно, на результаты. Чтобы оптимизировать поведение потока жидкости из наконечника его следует приложить к стенке микропробирки во время дозирования. Другим фактором является взаимодействие между жидкостью и поверхностью наконечника. Во время пипетирования часть жидкости остается в виде тонкой пленки на стенках носика.