CH625339A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung mit auswechselbaren Kolbenpumpeneinheiten, deren Kolben unabhängig durch je einen elektrischen, von einem frequenzregelbaren Impulsgenerator gespeisten Schrittmotor antreibbar sind, mit digitalen Volumeneinstellmitteln, durch die ein bestimmter Kolbenhub einstellbar ist, mit Einstellmitteln für verschiedene Kolbengeschwindigkeiten, mit einer digitalen Impulszählvorrichtung für die jeweils abgegebene Flüssigkeitsmenge und mit einer elektrischen Steuerung der An- und Auslaufcharakteristik der Kolbenbewegung nach einer exponentiellen Beschleunigungs-Zeit-funktion sowie einer Fernsteuerung durch einen Prozessrechner, dadurch gekennzeichnet, dass jede Pumpeneinheit (2) eine Kodierung (4, 32) aufweist, welche ihr Nennvolumen darstellt, und eine Rechenschaltung (33) beeinflusst, welche den Kolbenhub so steuert, dass die angesaugte oder ausgestossene Flüssigkeitsmenge dem digital direkt vorgewählten Flüssigkeitsvolumen in Mikroliter- oder Millilitereinheiten entspricht, und dass der Exponent der Beschleunigungsfunktion für die Kolbenbewegung durch die digital vorgewählte Kolbengeschwindigkeit und das Nennvolumen der Pumpeneinheit (2) bestimmt ist.

Die Erfindung betrifft eine Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung für kleine Flüssigkeitsmengen mit direkter digitaler Einstellung ihrer Volumina in Milliliter- bzw. Mikrolitereinhei-ten und mit austauschbaren Kolbenpumpenmodulen gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zur Durchführung einer grossen Anzahl von Analysen ergibt sich in der Laborpraxis der verschiedensten Arbeitsgebiete, beispielsweise in der Medizin, Biologie, Chemie und auch Industrie, die Notwendigkeit, Flüssigkeitsproben unterschiedlicher Viskosität quantitativ im Mikro- sowie Milliliterbereich zu pipettieren und mit Reagenzien zu verdünnen. Für diese Art der Probenbehandlung werden daher Vorrichtungen verwendet, die als Doppelkolbenpumpenanordnung mit Ventilen in den Pumpmodulen für den Einlass- und Auslasskanal ausgeführt sind, wobei durch geeignete Schaltstellungen der Ventile Probe und Reagens während des Ansaugtaktes gleichzeitig aufgenommen und während des Ausstosstaktes seriell abgegeben werden. Die Genauigkeitsforderung ist in Bezug auf die Einstellung der Flüssigkeitsvolumina und der Bemessung auch sehr kleiner abgegebener Flüssigkeitsmengen äusserst hoch.

Zur Erfassung eines grösseren Volumenbereiches verwendet man gewöhnlich austauschbare Kolbenpumpenmodule mit unterschiedlichem Kolbendurchmesser, wobei den verschiedenen Gesamtvolumina der Pumpenzylinder stets ein konstanter Kolbenweg zugeordnet ist. Darüberhinaus werden nach dem Stand der Technik die Kolben unter Zwischenschaltung geeigneter Übertragungselemente von je einem Schrittmotor angetrieben, sodass der gesamte Kolbenweg innerhalb des Pumpenzylinders einer definierten Schrittzahl des motors für den Kolbenantrieb entspricht.

Aus der deutschen Patentschrift 23 29136 ist eine Dosier einrichtung mit auswechselbarer Kolbenpumpeneinheit bekannt, bei welcher die Volumeneinstellmittel als Ein-Aus-Schalter ausgebildet sind, durch die ein bestimmter Kolbenhub eingestellt werden kann. Ausserdem ist jede Kolbenpumpeneinheit mit Volumenanzeigemitteln in Form einer Digitalskala versehen, deren Ziffern bei eingebauter Pumpeneinheit jeweils an den entsprechenden Schaltern zu liegen kommen. Auf diese Weise ist es möglich, verschiedene Flüssigkeitsvolumina, die auf der entsprechenden Pumpeneinheit angegeben sind, direkt einzustellen. Derartige Vorrichtungen mit direkter Einstellung der Flüssigkeitsvolumina sind insofern nachteilig, dass jedes Pumpenmodul mit einer spezifisch auf ihr Gesamtvolumen abgestimmten Digitalskala versehen werden muss, die in Verbindung mit den zugeordneten Schaltern nur eine grobe, inkrementale Abstufung für die Einstellung verschiedener Volumina liefert.

Ferner ist durch eine Druckschrift der Firma Micromesure AG, Bonaduz, Schweiz, ein «Digital Diluter Dispenser» der s Firma Hamilton bekannt geworden, der zwei auswechselbare Pumpenmodule enthält und durch austauschbare Ventilblöcke als Verdünnungs- oder Dosiergerät verwendet werden kann. Der Kolben einer gasdichten «Hamilton-Spritze» wird über eine Zahnstange und Zahnriemenübersetzung als Übertragungs-io elemente durch einen Schrittmotor angetrieben.

Die digitale Flüssigkeitsvolumeneinstellung erfolgt in Prozent des maximalen Pumpenmodulvolumens, und zwar in dem Bereich von 1 %—99%, wobei die Zeit für einen vollen Kolbenhub zwischen 3 und 10 Sekunden regelbar ist. Nachteilig bei 15 diesem bekannten Gerät ist, dass die Voreinstellung von beispielsweise auszugebenden Flüssigkeitsvolumina nur in Prozenten des maximalen Pumpenmodulvolumens möglich ist, woraus resultiert, dass für die Einstellung der Zahlenwerte an dem 2-stelIigen Digitalwahlschalter erst eine Prozentumrechnung 20 des Verhältnisses von maximalem Pumpenvolumen zu gewünschtem Flüssigkeitsvolumen vorzunehmen ist. Diese Methode beinhaltet daher Fehlerquellen, die nicht auszuschliessen sind. Weiterhin können mit dem Pumpenmodul Flüssigkeitsmengen, die 100% des maximal aufnehmbaren Pumpenvolu-25 mens entsprechen, weder angesaugt noch ausgestossen werden.

Bei einer grossen Anzahl von Analysen müssen im Labor oft Flüssigkeitsproben in Mikro- oder Millilitermengen mit sehr unterschiedlicher Viskosität dosiert werden. Um ein geringes Totvolumen in den Zuleitungen und den Umschaltventilen der Pi-30 pettier- und Verdünnungsvorrichtungen zu erreichen, wird der Innendurchmesser der Schläuche und der Bohrungen in den Ventilkörpern möglichst klein gehalten.

Die Lineargeschwindigkeit der Flüssigkeiten in den Leitungen ist deshalb während des Ansaug- und Ausstosstaktes sehr 35 hoch und kann Werte bis zu einigen Zentimetern pro Sekunde annehmen. Bei der bekannten Vorrichtung der Firma Hamilton, die einen Schrittmotorantrieb verwendet, ist es weiterhin nachteilig, dass die elektrische Steuerung der An- und Auslaufcharakteristik der Kolbenbewegung nach einer fest vorgegebenen 40 Exponentialfunktion erfolgt, welche unabhängig von dem Gesamtvolumen des Pumpenmoduls und der vorgewählten Kolbengeschwindigkeit ist. Hierbei kann in dem Pumpenkörper während des Ansaugtaktes kurzzeitig ein Unterdruck und damit ein Entgasen der zu dosierenden Flüssigkeiten, sowie während 45 des Ausstossaktes ein Überdehnen der Schläuche auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pipettier-und Verdünnungsvorrichtung der vorstehend genannten Art anzugeben, bei der die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden werden und die mit Hilfe von Digitalschaltern eine 50 direkte Flüssigkeitsvolumenvorwahl in Mikro- bzw. Milliliter-Einheiten gewährleistet. Ferner soll bei der erfindungsgemässen Vorrichtung die An- und Auslaufcharakteristik der Kolbenbewegung nach einer von dem Gesamtvolumen des Pumpenmoduls sowie der vorgewählten Kolbengeschwindigkeit abhängi-55 gen, nicht linearen Funktion gesteuert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet die Vorrichtung im Nutzbereich zwischen 1 und 110% des Pumpenmodulvolumens und mit einem kleinsten Inkrement von 1 jil bei einem Gesamtvolumen der Pumpenmodule kleiner als 1000 ni 60 oder von 10 [il bei einem Gesamtvolumen grösser als oder gleich wie 1000 (iL

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst, wie im Patentanspruch 1 angegeben.

Für die Kontrolle der komplexen Ablaufsteuerung lassen 65 sich Mikroprozessoren einsetzen. Mit diesen Bausteinen der modernen Elektronik ist die Logistik der Geräteprogrammierung mit Hilfe der Pumpenmodule in einfachster Weise für die direkte Vorwahl der Flüssigkeitsvolumina, die An- und Aus-

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laufcharakteristik der Kolbenbewegung und die Ventilschaltung nommen. Die Mitnahme des Kolbens erfolgt über ein an dem durchzuführen. Zweckmässig werden kommerziell erhältliche Hebel 18 ausgebildetes Teil 21, in welchem eine mit dem Kol-

Mikroprozessoren, mit geeigneter Peripherie verwendet. Der ben fest verbundene Kugel 22 bei einem Austausch des Pum-

Einsatz von Mikroprozessoren ermöglicht ferner, sämtliche Ge- penmoduls 2 automatisch geführt wird.

räteparameter über eine bit-seriell bzw. bit-parallele Datenlei- 5 Um eine Schaumbildung der Flüssigkeit in dem Pumpenzy-

tung durch Fernbedienung einzustellen. linder und eine Verformung der flexiblen Schlauchleitungen zu

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird vermeiden, wird eine Anlauf- und Auslaufcharakteristik des nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Kolbenhubes an dem oberen und unteren Totpunkt der Bewe-

Es zeigt: gung eingeführt, die durch eine elektrische Steuerung der Kol-

Fig. 1 eine perspektivische Vorderansicht der Pipettier- und 10 benbewegung nach einer exponentiellen Geschwindigkeitsfunk-

Verdünnungsvorrichtung mit zwei austauschbaren Pumpenmo- tion gekennzeichnet ist, wobei als Bestimmungsgrössen für das dulen, Zeitglied der Exponentialfunktion die vorgewählte Kolbenge-

Fig. 2 eine schematische Vorderansicht der Kolbenantriebs- schwindigkeit v„ und das Gesamtvolumen V des eingesetzten elemente, Pumpenmoduls 2 verwendet werden. Für die in diesen Berei-

Fig. 3 eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur 15 chen sich ändernden Kolbengeschwindigkeit v gilt die Bezie-

Durchführung der An- und Auslaufsteuerung der Kolbenbewe- hung gung. t

Fig. 4 eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur

Durchführung der direkten Flüssigkeitsvolumenvorwahl. v = v0(l —e— ' vo ' V • C ^ (i)

Fig. 1 zeigt eine Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung für 20 Mikro- und Millilitermengen mit einem Gehäuse 1, auf dem zwei austauschbare Pumpenmodule 2 angeordnet sind, von de- wobei nen die Pumpenzylinder mittels Umschaltventile 3 mit einem v0 = digital vorgewählte Kolbengeschwindigkeit,

nicht dargestellten Einlass- und Auslasskanal verbunden sind. V = Gesamtvolumen des eingesetzten Pumpenmoduls 2,

Die Kolben der beiden Verdrängerpumpen 2 werden durch je 25 t = Zeit der Anlauf- bzw. Auslaufsteuerung und einen separaten Schrittmotor angetrieben. Die Pumpenmodule k[, C = Geräteparameter.

2 sind, ausgenommen ihre Kolbendurchmesser, identisch, so Aus der vorstehenden Gleichung folgt, dass sich die Dauer dass für die verschiedenen Gesamtvolumina stets ein konstanter der An- bzw. Auslaufsteuerung der Kolbenbewegung um so Kolbenweg resultiert. mehr verlängert, je grösser das Gesamtvolumen V des einge-Auf der Rückseite der beiden Pumpenmodule 2 sind Ko- 30 setzten Pumpenmoduls 2 und je grösser die vorgewählte Kol-dierstifte 4 angebracht, mit denen das Gesamtvolumen des gera- bengeschwindigkeit v0 ist. Als Ausführungsbeispiel wird die de verwendeten Pumpenmoduls 2 nach einem einfachen Binär- elektrische Steuerung des Kolbenhubes nach vorstehender Glei-kode in die Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung einpro- chung (1) an Hand eines in Fig. 3 dargestellten Schaltungsprin-grammiert wird. Zur Aufnahme und Arretierung der Pumpen- zips näher erläutert. Durch die an dem Pumpenmodul 2 ange-module 2 dient eine Spannhalterung 5, die einen einfachen Aus- 35 brachten Kodierstifte 4 werden Schalter 23 betätigt, über wel-tausch der Pumpenmodule 2 gewährleistet. Bei der Positionie- che die Information des Gesamtvolumens V von dem eingesetz-rung der Pumpenmodule 2 rasten nicht nur die Kodierstifte 4, ten Pumpenmodul 2 nach einem einfachen Binärkode in einen sondern auch die Führungsstifte 6 für die Umschaltventile 3 in Speicher 24 eingelesen wird. Ferner wird die an dem Geräte-dem Gerät ein. Digitale 3-stellige Wahlschalter 7 ermöglichen Schalter 9 vorgewählte Kolbengeschwindigkeit v0 in binär ko-unabhängig von dem gerade verwendeten Pumpenmodul 2 eine 40 dierter Form dem Speicher 24 zugeführt. Der Speicher 24 deko-direkte Flüssigkeitsvolumenvorwahl in Mikro- bzw. Milliliter- diert die eingelesenen Informationen beispielsweise über FET-einheiten. Falls mit den in Position befindlichen Pumpenmodu- Schalter 26 derart, dass sich in einer Widerstandsmatrix 27 der len 2 die gewünschten Volumina nicht realisiert werden können, Gesamtwiderstand R als Funktion des Produktes aus dem Geerfolgt eine optische Anzeige 8. Flüssigkeitsvolumina in dem samtvolumen V des Pumpenmoduls 2 und der vorgewählten Bereich zwischen 1 und 110% des Pumpen Volumens werden als 45 Kolbengeschwindigkeit v0 ergibt. Der Gesamtwiderstand R gerealisierbar erkannt. Mit den Schaltern 9 kann separat für die nügt folglich der Gleichung beiden Pumpenmodule 2 digital die je nach den Erfordernissen geeignete Geschwindigkeit der Kolbenbewegung in Zahlenwer- R=kj • V • v0 (2) ten von 0-9 vorgewählt werden, wobei der Zahlenwert 0 einer

Geschwindigkeit Null und der Zahlenwert 9 einer maximalen 50 wobei kj = Geräteparameter.

Geschwindigkeit von etwa 5 sec für den vollen Kolbenhub zu Der nach der Widerstandsmatrix 27 angeordnete Konden-

einem kompletten Arbeitszyklus entspricht. Mit den Druckta- sator 28 wird über den Gesamtwiderstand R und einer von der stenschaltern 10,11 und 12 kann wahlweise ein einzelner Kol- Kolbengeschwindigkeit v0 abhängigen Gleichspannung 29 mit benansaugtakte, ein einzelner Kolbenausstosstakt oder ein voll- Hilfe eines Digital-Analogwandlers 30 aufgeladen, so dass für ständiger Arbeitszyklus ausgelöst werden. Der Schalter 13 dient 55 die Ladespannung U die Beziehung gilt:

zum Ein- bzw. Ausschalten des Gerätes. t

Zum Antrieb des Kolbens eines Pumpenmoduls 2 wird ge-

mäss Fig. 2 ein Schrittmotor 14 verwendet, der mittels eines U=U0(1 — e— ) (3) Zahnriemens 15 mit einer Kugelumlaufspindel 16 in Eingriff steht. Die unter der Einwirkung des Schrittmotores 14 und der 60 wobei

Zahnriemenübertragung sich drehende Kugelumlaufspindel 16 U0 = Spannung (proportional zu v0)

trägt eine vorgespannte Gewindemutter 17, an der zur Bewe- t = Zeit der Anlaufsteuerung,

gung des Pumpenkolbens ein Hebel 18 befestigt ist. Um die R = Gesamtwiderstand der Matrix und

Rotationsbewegung der Kugelumlauf spindel 16 in eine senk- C = Kapazität des Kondensators.

rechte Linearbewegung des Hebels 18 zu übertragen, ist der 65 Setzt man Gleichung (2) in Gleichung (3) ein, so wird

Hebel 18 zwischen zwei parallelen Führungsgliedern 19 beweg- t bar angeordnet. Die Führungsglieder 19 sind zusammen mit der k V v C

Kugelumlaufspindel 16 in einem gemeinsamen Block 20 aufge- U=U0-(1 —e— 1 0 ) (4)

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Die Ladespannung U wird anschliessend über einen Ana-Iog-Frequenzwandler 31 in eine proportionale Frequenz f umgewandelt, die durch die Gleichung gegeben ist:

t f=k2-U0(l —e — W-V0-C j (5)

wobei k2 eine Gerätekonstante bedeutet. Aus dieser letzten Gleichung folgt, dass die Drehzahl des Schrittmotors 14, die proportional der Frequenz f ist, exponentiell zunimmt und hierdurch die Kolbengeschwindigkeit während des Anlaufes eine Änderung bis zur vorgewählten Geschwindigkeit v0 gemäss der Gleichung (1) erfährt, wobei k3 ■ f=v gesetzt ist und k3 eine Gerätekonstante bedeutet. Die gleiche Funktion gemäss Gleichung (1) wird auf den Kolbenweg während des Auslaufvorganges gespiegelt.

Eine Ausführungsform für eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Kolbenhubes in Abhängigkeit von der digital vorgewählten Flüssigkeitsmenge und dem Gesamtvolumen des eingesetzten Pumpenmoduls 2 wird nach Fig. 4 näher erläutert. Die Pumpenmodule 2 sind derart ausgeführt, dass der maximale Kolbenhub in den Pumpenzylindern unabhängig von ihren unterschiedlichen Gesamtvolumina immer gleich ist. Jeder einzelne von dem Impulsgenerator 36 erzeugte und das Tor 35 durchlaufende Impuls einer relativ hochfrequenten Impulsfolge wird von dem Schrittmotor 14 exakt in einen Drehschritt umgesetzt, der zu einem definierten Kolbenweg führt. Unter diesen Voraussetzungen ist dem maximalen Kolbenhub der Pumpenmodule 2 stets die gleiche Anzahl von Impulsen oder Drehschritten des Antriebsmotors 14 als Gerätekonstante zugeordnet. Die Anzahl von Impulsen, welche zur Ausgabe einer am Schalter 7 digital vorgewählten Flüssigkeitsmenge führt, ist spezifisch von dem Gesamtvolumen des eingesetzten Pumpenmoduls 2 abhängig. Die Zahl, welche dem Gesamtvolumen des eingesetzten Pumpenmoduls 2 entspricht, wird über eine Kodiermatrix 32 in eine Rechenschaltung 33 eingegeben. Die direkte Flüssigkeits-volumenvorwahl erfolgt mit dem Schalter 7, an dessen Ausgang eine Zahl in kodierter Form ansteht, die einerseits dem vorgewählten Flüssigkeitsvolumen entspricht und andererseits für den

Impulszähler 34 die Anfangszahl bedeutet, von der dieser Impulszähler 34 auf Null abzählt. Der Zählerstand wird einem Komparator 38 zugeführt, dem über die Festverdrahtung 39 eine Referenzzahl Null eingeprägt ist. Bei Erreichen des Zähler-5 standes Null liegt Koinzidenz vor, durch die eine Sperrung des Tores 35 und damit eine Beendigung der Kolbenbewegung bewirkt wird. Mit der Starttaste 11 wird das Tor 35 angesteuert und gleichzeitig die Zahl, welche dem vorgewählten Flüssigkeitsvolumen entspricht, in kodierter Form in den Impulszähler io 34 eingelesen, gespeichert, sowie die Zählfunktion freigegeben. Die von dem Impulsgenerator 36 gelieferte Impulsfolge wird bei geöffnetem Tor 35 durch die Rechenschaltung 33 geteilt, wobei der Divisor in der Kodiermatrix 32 gespeichert ist. Die Ausgangsimpulsfolge der Rechenschaltung 33 wird dem Impulszäh-151er 34 zugeleitet, der seinerseits von der vorgewählten Anfangszahl auf Null abzählt. Der Komparator 38 vergleicht laufend seine Referenzzahl mit dem Zählerstand. Bei Erreichen des Zählerstandes Null wird das Tor 35 gesperrt und damit der Pipettier- oder Verdünnungsvorgang beendet. Auf diese Weise 2o ist eine absolute Zuordnung von vorgewähltem Flüssigkeitsvolumen und entsprechendem Kolbenhub gewährleistet. Wenn beispielsweise dem maximalen Kolbenhub 800 Impulse bzw. 800 Drehschritte des Antriebsmotors 14 zugeordnet sind und ein Pumpenmodul 2 mit einem Gesamtvolumen von 100 |il 25 eingesetzt ist, dann wird in der Kodiermatrix 32 die Zahl 8 als Divisor für die Rechenschaltung 33 gespeichert. Aus einer direkten Einstellung eines Flüssigkeitsvolumens von beispielsweise 26 [il mit dem Schalter 7 resultiert, dass durch Auslösen der Starttaste 11 der Impulszähler 34 von der Anfangszahl 26 auf 30 Null abzählt und bis zur Sperrung des Tores 35 bei Erreichen des Zählerstandes Null eine Zahl von 8 X 26=208 Impulsen zu dem Schrittmotor 14 gelangt, wodurch der Kolben einen für das Ansaugen und Ausstossen der vorgewählten Flüssigkeitsmenge erforderlichen Hub ausführt. Auf diese Weise ist es möglich, das 35 zu pipettierende oder zu verdünnende Flüssigkeitsvolumen in Mikro- bzw. Millilitereinheiten für den Nutzbereich zwischen 1 und 110% des Pumpenmoduls 2 direkt und mit hoher Genauigkeit einzustellen.

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3 Blatt Zeichnungen