Die Oberflächenspannung eines Fluids ist eine Maßzahl für die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen an der Oberfläche des Fluids. Je höher die Oberflächenspannung, desto stärker sind diese Anziehungskräfte, was dazu führt, dass die Flüssigkeit dazu neigt, in kompakteren Formen zu bleiben und weniger zu fließen. Niedrige Oberflächenspannung hingegen bedeutet schwächere Anziehungskräfte und ermöglicht dem Fluid, sich besser zu verteilen und zu fließen. Diese Eigenschaft gewinnt an Bedeutung, je kleiner das Volumen ist. Das kann zu einer Verminderung der Fließfähigkeit auf Grund der Oberflächenspannung führen. Insbesondere bei sehr kleinen Volumina zum Beispiel im Pikoliter-Bereich kann die Oberflächenspannung dazu führen, dass Flüssigkeiten nicht gleichmäßig fließen oder sich unerwünschte Tropfen bilden. [1]

Zum Vergleich: Ein Mikroliter pipettiert mit einer herkömmlichen Pipette (links) und 70 Pikoliter kontaktlos dosiert mittels Piezo-Dispenser (rechts). © M2-Instruments

Durch die Vermeidung des Oberflächenkontaktes kann das Risiko einer Verunreinigung minimiert werden. Darüber hinaus werden beim kontaktlosen Dosieren Effekte durch den fehlenden Oberflächenkontakt eliminert, wodurch diese keinen Einfluss mehr auf die Volumengenauigkeit des Tropfens haben.

Probenmaterial – darf’s ein bisschen weniger sein?

Häufig steht Forschenden nur begrenztes Probenmaterial zur Verfügung. Durch Miniaturisierung und die Zuhilfenahme automatisierter Dosiersysteme können auch kleinste Probenmengen präzise und reproduzierbar dosiert werden. Dabei handelt es sich um Mengen, die ein Zehntausendstel eines Mikroliters betragen. Dieses sogenannte "Digital Liquid Handling" im Nano- und Pikoliter-Bereich ermöglicht beispielsweise durch das präzise Mischen von Flüssigkeiten in vordefinierten Verhältnissen die genaue Herstellung von Verdünnungsreihen.

Um hohes Arbeitsaufkommen beim Dosieren im Sub-µl-Bereich zu bewältigen, bietet es sich an, die Arbeit zu parallelisieren. Ein Beispiel hierfür sind Robotersysteme, die in der Lage sind, simultan mehrere Proben mit hoher Präzision zu dosieren und somit die Effizienz deutlich steigern können.

Zusammenfassung

Die Handhabung von Flüssigkeiten im Sub-µ-Bereich ist eine komplexe Herausforderung, da Dosiervorgänge und Volumengenauigkeit durch physikalische Eigenschaften wie Viskosität, Oberflächenspannung und Kapillarität sowie äußere Faktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflusst werden. Auch sind hier Oberflächen als Kontaminationsquellen als ein weiterer äußerer Faktor zu benennen. Innovative Lösungsansätze wie kontaktloses Dosieren, Miniaturisierung per Dosiersystemen und Automatisierung durch Robotersysteme bieten jedoch Möglichkeiten, diesen Herausforderungen zu begegnen und präzise Ergebnisse zu erzielen.

Quellen
[1] Michaelis, L., Rona, P. (1930). Oberflächenspannung. In Praktikum der Physikalischen Chemie Insbesondere der Kolloidchemie für Mediziner und Biologen. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-47624-2_6

2] Pierre-Gilles de Gennes, Françoise Brochard-Wyart, David Quéré Capillarity and Wetting Phenomena. Springer-Verlag, New York 2004, ISBN 978-1-4419-1833-8, 2.4 Capillary Rise in Tubes Jurin‘s Law, doi 10.1007/978-0-387-21656-0 (springer.com [abgerufen am 25. Oktober 2023]).

[3] Wittenberger, W. (1942). Viskosität. In Chemische Laboratoriumstechnik. Springer, Vienna. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-3588-4_29

AUTORIN
Dr. Susanne Schlegel
Applikationsspezialistin
M2-Instruments GmbH, Wildau
Tel.: 03375/9212989
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