CH616603A5

CH616603A5 -

Info

Publication number: CH616603A5
Application number: CH839077A
Authority: CH
Inventors: Karl Erik Sundstroem
Original assignee: Karl Erik Sundstroem
Priority date: 1976-07-13
Filing date: 1977-07-07
Publication date: 1980-04-15
Also published as: FR2358651B1; SE432202B; IT1117549B; GB1591168A; DK155717B; SE7708014L; NL183387C; DE2731102B2; FR2358651A1; NL7707776A; DK316177A; DE2731102C3; JPS5337058A; DE2731102A1; US4101283A; NL183387B; DK155717C; CA1080173A; JPS6152405B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Pipettiergerät für Laboratorien und Kliniken. Beim Pipettieren müssen genau abgemessene kleine Flüssigkeitsmengen aufgesaugt und abgegeben werden können. Es handelt sich dabei um eine genau bestimmte Menge einer zu untersuchenden Flüssigkeit, der eine genau dosierte Menge einer Reagenzflüssigkeit beigegeben werden muss.

Es gibt eine ganze Menge von Geräten für diese Zwecke, von der einfachsten Pipette bis zur vollautomatischen Pipet-tiervorrichtung. Bekannte Pipettiervorrichtungen arbeiten mit zwei Pumpen; eine Pumpe zum Aufsaugen und Abgeben einer bestimmten Menge der zu untersuchenden Flüssigkeit und eine zweite Pumpe zum Aufsaugen und Abgeben der entsprechend dosierten Menge der Reagenzflüssigkeit. Die Pumpen und der Behälter mit der Reagenzflüssigkeit sind durch Schläuche und Ventile miteinander verbunden. Die Ventile sind teuer in der Herstellung und verursachen oft Störungen, weil sie nicht richtig arbeiten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das ganze System von Ventilen und Schläuchen ausgewaschen und durchgespült werden muss, wenn man auf eine andere Reagenzflüssigkeit übergehen will, dabei geht viel Reagenzflüssigkeit verloren. Ausserdem ist die Handhabung umständlich und zeitraubend.

Bei einem mit Reagenzflüssigkeit gefüllten Pumpenzylinder ist es schwierig, beispielsweise einen einhunderttausendstel Teil seines Inhalts mit Hilfe des Kolbens auszustossen. Die Schwierigkeit wird dadurch verursacht, dass der Kolben einen deformierbaren Dichtungsring hat und mechanisch bewegt werden muss. Bevor sich der Kolben bewegt, muss die Haftreibung des Dichtungsringes an der Zylinderwand überwunden werden. Ist die Haftreibungskraft überwunden, gleitet der Kolben infolge der kleineren Gleitreibung sofort leichter, dadurch wird die grössere zur Überwindung der Haftreibung erforderliche Kraft plötzlich frei und dies verursacht einen Sprung des Kolbens, wodurch mehr Reagenzflüssigkeit ausge-stossen wird, als beabsichtigt war.

Bei dem sehr kleinen in Frage kommenden Kolbenhub wirken sich das Lagerspiel und die Elastizität der mechanischen Teile zusätzlich erschwerend aus. Es ist daher schwer anzugeben, welches die kleinstmöglichen Mengen Reagenzflüssigkeit sind, die mit ausreichender volumetrischer Genauigkeit abgegeben werden können.

Wegen der erforderlichen sehr hohen Präzision der Pumpen und Ventile sowie der mechanischen Programmierung,

sind solche Pipettiervorrichtungen sehr teuer.

Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe ein einfaches und billig herstellbares Pipettiergerät zu schaffen, das erlaubt,

genau dosierte kleine Mengen einer zu untersuchenden Flüssigkeit aufzusaugen und diese zusammen mit einer genau dosierbaren kleinen Menge Reagenzflüssigkeit abzugeben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Gerät, das sich auszeichnet gemäss dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.

Vorzugsweise ist der Reagenzflüssigkeitsbehälter als Ein-weg-Behälter ausgebildet, bei dem der Kolben mit einem, unter einem elastischen Dichtungsring angebrachten, selbstschneidenden Aussengewinde versehen ist, welches bei Drehung des Kolbens relativ zum Zylinder, ein Gewinde in die Zylinderinnenwand schneidet.

Es ist von Vorteil, wenn die Mittel zum Drehen des Kolbens bzw. des Zylinders in einem Gehäuse untergebracht sind, und dass der Einweg-Reagenzflüssigkeitsbehälter leicht auswechselbar auf diesem Gehäuse anbringbar und mit den Mitteln zum Drehen des Kolbens bzw. des Zylinders kuppelbar ist.

Beim Betrieb des erfindungsgemässen Gerätes wird der Kolben im Zylinder gedreht und dabei nach oben oder unten geschraubt. Damit sind die Schwierigkeiten, die bei reiner Schubbewegung des Kolbens auftreten, behoben, weil nun zuerst die Haftreibung des Dichtungsringes an der Kolbenwand überwunden wird und in gleitende Reibung übergeht.

Nicht nur können mit einem solchen Gerät sehr kleine, genau bestimmte Flüssigkeitsmengen aufgenommen und/oder abgegeben werden, die leichte Auswechselbarkeit des Reagenzflüssigkeitsbehälters erlaubt ein einfaches und rasches Auswechseln der Reagenzflüssigkeit. Dazu braucht nämlich lediglich der Einweg-Reagenzflüssigkeitsbehälter gegen einen solchen mit der anderen Reagenzflüssigkeit gefüllten Behälter ausgewechselt zu werden.

In der beigefügten Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt und dessen Wirkungsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Einweg-Reagenzflüssigkeitsbehälters,

Fig. 2 einen Schnitt des Kolbens des Behälters nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Pipettiergerät mit aufgesetztem Reagenzflüssigkeitsbehälter,

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Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie III—III in Fig. 3 und

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der elektronischen Steuerung und des Betriebs des Pipettiergerä-tes.

Der in Fig. 1 dargestellte Behälter 1 ist aus stabilem aber relativ weichem Kunststoff hergestellt. Es könnte ein Zylinder einer im Handel erhältlichen Einweg-Injektionsspritze dazu verwendet werden. Der Kolben 2 dagegen, ist vorzugsweise aus hartem Kunststoff, wie z. B. «Durothan» (WZ) hergestellt. Er ist mit einem Dichtungsring 3 aus weichem elastischem Material wie z. B. Silikongummi versehen. Der Dichtungsring könnte ebenfalls einer handelsüblichen Einweg-Injektionsspritze entnommen werden.

Der Kolben ist mit einem Aussengewindeteil 4 mit kleiner Steigung versehen. Der Gewindedurchmesser ist ein wenig grösser als der Innendurchmesser des Zylinders 1. Das Gewinde ist in Sektoren 5 unterteilt. Diese Gewindesektoren bilden ein selbstschneidendes Gewinde, das bei der Drehung ein Innengewinde in die Innenwand 6 des Zylinders 1 schneidet. Die Schneidwirkung könnte durch den Sektoren unterlegte (nichtdargestellte) Stahlfedern vergrössert werden.

Eine solche Ausführung wäre von Vorteil, wenn das Material des Kolbens die Neigung hat zu fliessen, so dass dessen Federkraft bei längerer Lagerung erlahmen würde.

Der Gewindeteil 4 des Kolbens wirkt zusammen mit der Innenwand 6 des Zylinders wie eine Mikrometerschraube. Die Innenwand des Zylinders könnte auch von Anfang an mit einem Innengewinde versehen sein, da der Kolben und sein Dichtungsring 3 bei seiner Bewegung gemeinsam gedreht werden. Die Elastizität des Kolbens garantiert, dass der Kolben spielfrei arbeitet.

Vorzugsweise ist aber die Innenwand des Zylinders glatt und der Kolben wirkt wie eine selbstschneidende Schraube. Der Kolben ist dazu mit einem Spezialgewinde versehen.

Fig. 2 zeigt ein solches Gewindeprofil in schematischer Darstellung. Es hat scharfe Gewindespitzen, die ein Gewinde in die Zylinderwand drücken, ohne dabei Material wegzunehmen. In der Praxis kann das Gewinde untief sein, da bei der Drehung des Kolbens die Dichtung nicht an der Wand klebt, während auch die Reibungskräfte gering sind. Daher ist auch die zum Vorschub des Kolbens erforderliche Kraft relativ gering. Die ringförmige Vertiefung 7 am unteren Ende des Zylinders verhindert, dass der Kolben versehentlich ganz aus dem Zylinder herausgeschraubt wird. Am unteren Rand des Zylinders befindet sich ein Flansch 8.

Der Kolben weist eine untere nichtdargestellte, eckige Vertiefung auf, die dazu dient, eine drehbare Antriebswelle aufzunehmen. Die Vertiefung hat vorzugsweise ein dreieckiges Querschnittsprofil.

Wie in Fig. 3 dargestellt, greift eine Antriebswelle 9 in diese Vertiefung ein. Das andere Ende dieser Welle ist mit einer Platte 10 verbunden, an der mittels Bolzen 13, 14 zwei Kugellager 11, 12 befestigt sind. Die Aussenringe dieser Kugellager liegen in einander gegenüberliegenden Ecken 16, 17 eines Vierkantrohres 15 an, wie dies in Fig. 4 ersichtlich ist. Die Kugellager liegen unter Druck in den Ecken an. Dies wird dadurch erreicht, dass der Mittenabstand der Kugellager ein wenig grösser ist, als für einen Passitz erforderlich wäre. Das Vierkantrohr 15 ist drehbar und die Vorbelastung der Kugellager erlaubt einen spielfreien Lauf. Wird das Vierkantrohr gedreht, folgt die Antriebswelle 9 dieser Drehung so gut wie spielfrei. Die Welle 9 durchsetzt eine Öffnung in einer oberen Abdeckplatte 18 des Rohres 15. Am unteren Ende ist das Rohr mit einer flexiblen Scheibe 19 versehen, die eine zentral daran befestigte Büchse 20 trägt. Die Büchse 20 stellt eine Verbindung mit einer Welle 22 her, die eine Scheibe 23 trägt, deren Zweck später erläutert wird.

Welle 22 führt zu einem Getriebe 24, welches mit einem Motor 25 verbunden ist. Zwischen der flexiblen Scheibe 19 und dem unteren Ende der Antriebswelle 9 befindet sich eine weiche Feder 26, die dafür sorgt, dass das obere Ende der Antriebswelle immer mit dem Kolben 2 in Verbindung bleibt. Die flexible Scheibe 19 gibt dem Rohr 15 und der Welle 9 eine gewisse Bewegungsfreiheit. Es sind dann keine besonderen Herstellungstoleranzen zu beachten, ohne dass dadurch die Genauigkeit beeinträchtigt wird, weil die Scheibe torsionssteif ist. In Fig. 3 ist die Bewegungsfreiheit der Antriebswelle durch den Doppelpfeil 27 angedeutet.

Der Motor 25 stützt sich am Boden 28 des Gehäuses 29 ab. Der obere flache Teil 30 des Gehäuses ist mit einem Kragen 31 versehen, der ein Innengewinde 32 hat. Mit Hilfe des Schraubeinsatzes 34 wird Flansch 8 des Zylinders 1 samt Kolben 2 auf das Gehäuse gedrückt.

Die Scheibe 23 ist eine optische Zählscheibe, an deren Umfang beispielsweise 1000 durchsichtige und lichtundurchlässige Markierungen angebracht sind. Die Scheibe steht in Wirkverbindung mit einer Lichtquelle 35, die in einem Halter 36 angebracht ist. Der Halter trägt auch noch eine Linse 37 und eine Photozelle 38. Beleuchtet die Lichtquelle 35 die Scheibe 23, gelangt je nach der Stellung der Scheibe wohl oder nicht Licht zur Photozelle. Im vorliegenden Fall gelangen bei einer vollen Umdrehung der Scheibe 1000 Lichtimpulse zur Photozelle 38.

In Fig. 5 ist die Vorrichtung nach Fig. 3 zusammen mit ihren elektronischen Steuerorganen dargestellt. Es handelt sich dabei um eine einfache digital programmierbare Steuerung des Antriebsmechanismus. Mit Hilfe dieser Schaltung kann das Pipettiergerät digital programmiert betrieben werden. Der Motor 25 ist ein umkehrbarer Wechselstrommotor mit drei Anschlussleitungen 39, 40, 41. Die Leitung 39 ist über einen Relaiskontakt 42 mit der Stromquelle verbunden. Zwischen den Leitungen 40, 41 befindet sich ein Kondensator 43, der eine Hilfsphase schafft. Die Leitung 40 führt zu einem Kontakt 44, Leitung 41 zu einem zweiten Kontakt 45 eines Schalters 46, der mit der Stromquelle verbunden ist. Die Drehrichtung des Motors hängt von der Lage der Schaltzunge 46 ab, die hier in einer Zwischenstellung steht, so dass der Motor abgeschaltet ist.

Die Photozelle 38 ist mit einer logischen Schaltung einer Binär-Zählvorrichtung 47 verbunden. Derartige Zählvorrichtungen sind normal im Handel erhältlich. Die Zählvorrichtung hat zwei Ausgänge, die zu den Anschlüssen 48, 49 eines Schalters 50, der mechanisch mit dem Schalter 46 verbunden ist, führen. Schaltzunge 50 ist über einen Widerstand 51 an die Basis eines Transistors 53 gelegt. Der Emitter 54 dieses Transistors ist an eine Spannungsquelle B und dessen Kollektor 55 ist über eine Relaisspule 56, die den bereits erwähnten Relaiskontakt 42 betätigt, an Masse gelegt.

Die Zählvorrichtung 47 hat einen Rückstellkontakt, der über einen Widerstand 58 mit der Spannungsquelle B verbunden ist. Der Punkt 57 ist mit beiden Kontakten 59 und 60 des Schalters 61 verbunden, der mit Schalter 50 und 46 mechanisch in Wirkverbindung steht. Der Schalter 61 ist geerdet.

Der Zylinder 1 des Reagenzflüssigkeitsbehälters ist mittels eines Schlauches 62 mit einem Pipettierröhrchen 63 verbunden. Das Röhrchen kann daher entweder in einen Behälter 64, der die zu untersuchende Flüssigkeit enthält, eintauchen, oder zu einem zweiten Behälter 66, der mit unterbrochenen Linien dargestellt ist, gebracht werden. Der letztgenannte Behälter 66 dient zum Aufnehmen einer abgemessenen Menge der zu untersuchenden Flüssigkeit, die dem Behälter 64 entnommen worden ist, zusammen mit einer abgemessenen Menge der Reagenzflüssigkeit aus dem Reagenzflüssigkeitsbehälter 1.

Beim Röhrchen 63 handelt es sich um ein kalibriertes, im Handel erhältliches Pipettierröhrchen.

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Beim Betrieb des Gerätes nach Fig. 5 geschieht folgendes: Bei der Ausgangslage befindet sich Schalter 46 sowie die damit in Wirkverbindung stehenden Schalter 50 und 61 in der dargestellten neutralen Lage. Zum Aufsaugen einer gewünschten Menge der zu untersuchenden Flüssigkeit werden die entsprechenden Ausgänge der logischen Schaltung 47 angesteuert, die mit dem Kontakt 48 verbunden ist. Kontakt 48 wird im Folgenden als «Ansaugkontakt» bezeichnet. Die gewünschte Abgabemenge (zu untersuchende Flüssigkeit und Reagenz) wird ausgestossen durch Betätigung des Kontaktes 49 des Schalters 50. Kontakt 49 wird im folgenden als «Abgabekontakt» bezeichnet.

Das Pipettierröhrchen 63 wird nun zuerst in die zu untersuchende Flüssigkeit 65 eingetaucht. Die Schaltzunge 50 wird nun mit dem Ansaugkontakt 48 in Berührung gebracht. Dabei werden gleichzeitig die Schaltzungen 46 und 61 in Berührung mit den Kontakten 45 und 59 gebracht. Dies bedeutet, dass die Schaltung 47 jetzt Schaltimpulse aus der Photozelle 38 zählt, wobei der Motor 25 zu laufen beginnt und den Kolben 2 in Richtung aus dem Reagenzflüssigkeitsbehälter herausschraubt, so dass zu untersuchende Flüssigkeit aus dem Behälter 64 angesaugt wird. Die Schaltimpulse, entsprechend der Anzahl Markierungen auf der Scheibe 23, die an der Photozelle vorbeilaufen, werden gezählt und mit der gewählten Eingabe der logischen Schaltung verglichen. Die logische Schaltung steuert bei Übereinstimmung vom Eingabewert und Zählerstand über den Ansaugkontakt 48 und Schalter 50 den Transistor 53 an, der jetzt sperrt, wodurch die Relaisspule 56 stromlos wird, der Relaiskontakt 42 öffnet und der Motor stoppt.

Jetzt wird das Pipettierröhrchen 63 in den Behälter 66 gebracht und der Schalter umgelegt, wodurch die Schalterzunge 50 mit dem Abgabekontakt 49 in Berührung gebracht wird. Gleichzeitig berühren die Schaltzungen 46 und 61 die Kontakte 44 bzw. 60. Während des Umschaltens von Ansaugen auf Abgabe bewegen sich die Schaltzungen über die neutrale Lage, wodurch das Zählwerk 47 zurückstellt, weil ja der Schalter 61 geöffnet wird, was die Verbindung des Zählwerks mit Erde unterbricht. Der Motor läuft jetzt in entgegengesetzter Drehrichtung und schraubt den Kolben 2 in den Reagenzflüssigkeitsbehälter 1 hinein. Die Flüssigkeitsabgabe erfolgt nun analog, bis Kontakt 49 angesteuert wird. Dadurch sperrt wieder der Transistor 53, das Relais fällt ab, Kontakt 42 öffnet s und der Motor stoppt.

Hiermit ist also ein kompletter Zyklus des Ansaugens der zu untersuchenden Flüssigkeit und der Abgabe dieser Flüssigkeitsmenge zusammen mit einer gewissen Menge der Reagenzflüssigkeit beschrieben. Das Gerät arbeitet sehr genau, da ein io Kleben des Kolbens bei der Schraubbewegung ausgeschlossen ist.

Das neue Gerät mit seinem Einweg- und Reagenzflüssigkeitsbehälter und einschraubbaren Kolben ist billiger in der Herstellung, als bisher bekannte Pipettiergeräte mit Kolben ls und Ventilen. Bei bisher bekannten Geräten waren immer zwei getrennte Pumpen mit dazugehörenden Ventilen sowie ein Vorratsbehälter für die Reagenzflüssigkeit erforderlich. Beim erfindungsgemässen Gerät ist es erstmals gelungen, diese Elemente in einem einzigen Organ miteinander zu einer Ein-20 heit zu kombinieren.

Dazu kommt noch, dass der Übergang von einer Reagenzflüssigkeit auf eine andere sich jetzt sehr einfach bewerkstelligen lässt. Dazu braucht lediglich der Reagenzflüssigkeitsbehälter, der ja zugleich als Pumpe dient, ausgewechselt werden. 25 Ein Auswaschen von Pumpen, Ventilen und Schläuchen wie bisher ist nicht mehr erforderlich.

Natürlich kann das Gerät auch ohne elektronische Steuerung betrieben werden. Diese vereinfacht aber die Handhabung beträchtlich, wobei gleichzeitig eine grosse Präzision er-30 reicht wird, indem die Speicherung erlaubt, immer genau die gleichen Mengen aufzusaugen und zusammen mit einer genau bestimmten Menge Reagenzflüssigkeit abzugeben.

Natürlich ist auch eine kinematische Umkehrung des Geräts möglich. Man könnte den Kolben hohl ausbilden, fest 35 montieren und mit einem äusseren Anschluss für ein Pipettierröhrchen versehen und stattdessen den Zylinder auf den Kolben schrauben.

Das Pipettiergerät könnte statt mit einem normalen Getriebemotor auch mit einem Schrittmotor betrieben werden.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Pipettiergerät, bei dem ein als Zylinder ausgebildeter Reagenzflüssigkeitsbehälter einen Kolben mit Dichtung aufweist, der mittels Antriebsmittel nach Massgabe der anzusaugenden oder abzugebenden Flüssigkeitsmenge im Zylinder axial verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) und der Zylinder (1) zusätzlich mittels einer Gewindeverbindung relativ zueinander verdrehbar zwangsgeführt sind.

2. Pipettiergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reagenzflüssigkeitsbehälter als Einweg-Behälter (1) aus Kunststoff ausgebildet ist und dass der Kolben (2) mit einem unterhalb eines elastischen Dichtungsringes (3) als Dichtung angebrachten, selbstschneidenden Aussengewinde (4) versehen ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Pipettiergerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das selbstschneidende Gewinde (4) des Kolbens (2) in Sektoren (5) unterteilt ist, die durch glatte, bezüglich dem Gewinde (4) zurückstehende Wandteile voneinander getrennt sind.

4. Pipettiergerät nach Anspruch 3, mit motorischen Antriebsmitteln, dadurch gekennzeichnet, dass der Einweg-Behälter (1) leicht auswechselbar auf einem Gehäuse (29, 30) anbringbar und mit einer aus dem Gehäuse herausragenden Antriebswelle (9) zum Drehen des Kolbens (2) bzw. des Einweg-Behälters (1) kuppelbar ist.

5. Pipettiergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) eine im Kolbenboden angebrachte eckige Vertiefung aufweist, in die das obere Ende der unter Federdruck stehenden axial verschiebbaren Antriebswelle (9) formschlüssig eingreift.

6. Pipettiergerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende der Antriebswelle (9) drehfest zwei Kugellager (11, 12) trägt, die sich in den einander gegenüberliegenden Ecken (16, 17) eines motorisch antreibbaren Vierkantrohres (15) abstützen und das untere Ende der Welle (9) axial verschiebbar führen, und dass eine im Vierkantrohr (15) abgestützte Schraubenfeder (26) das untere Ende der Antriebswelle (9) gegen den Kolben (1) drückt.

7. Pipettiergerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das motorisch antreibbare Vierkantrohr (15) mit einer kreisrunden, mit Markierungen versehenen Scheibe (23) verbunden ist, welche mit einer Lesevorrichtung (35, 38) in Wirkverbindung steht, an die sich eine Zählvorrichtung (47) mit Speicher und eine programmierbare Steuerung des Antriebsmechanismus anschliessen.