CN101184549B - 用于样品容器的摇动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于摇动特别是微型滴定板的样品容器的方法，以及涉及一种摇动装置，其包括：保持住样品容器的振动板以及用于使振动板产生振动运动的激励驱动器。使振动板共振地振动，并且振动板优选地通过至少四个弹性元件以不能弯曲的方式连接到装置基部、并被保持在振动平面内，所述弹性元件由几个单个弹簧组成。

Description

用于样品容器的摇动装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于样品容器的摇动装置，以及根据权利要求18的前序部分的用于摇动样品容器的方法。

背景技术

这种摇动装置特别用于在实验室中混合化学、生物或药物样品。为此目的，将混合成分填充到例如为一微型滴定板并且设置在摇动装置的振动板上的样品容器中。使其振动以便彻底混合所述的混合成分，使得样品的混合成分能够以所希望的方式混合。

目前，在现代实验室中，通常的做法是将标准化的微型滴定板用作样品容器，其在单个板中包括多个样品容器。通过使用这种微型滴定板，所有的不同样品或者所谓的库能够在单个摇动过程中同时地摇动。这一方面提高了实验室的工作效率，另一方面以所希望的方式增加了能够并行或同时检测的样品数目。这就是为什么用于微型滴定板的摇动装置用在现代实验室中、特别是用于所谓的高通量筛选方法中的原因，在高通量筛选方法中样品能够例如由机器人以自动的方式处理。

非常适合用于传统微型滴定板的摇动装置是如DE 20018633所公开的具有居中设置的自动振动板和磁力驱动器的摇动设备。借助该设备，可以通过振动板的圆形振动而在非常短的时间内彻底地且顺利地摇动样品容器中的样品，随后快速地停止并且将其居中地设置在适于机器人的指定基位上。

为了进一步提高需同时进行分析的库的通量和尺寸，近一段时间强烈地需要这样的用于具有样品容器的微型滴定板的摇动装置：其尺寸与以前使用的尺寸相比进一步地减小。

因而，本发明的目的是提供一种用于样品容器的摇动装置以及一种用于摇动上述类型的样品容器的方法，其中能够使用尽可能小的样品容器或者具有大量尽可能小的容器的微型滴定板。

发明内容

该目的通过根据权利要求1的用于样品容器的摇动装置以及通过根据权利要求18的方法使得振动板以共振的方式进行振动来实现。在从属权利要求中公开了本发明进一步优选的实施方式。

本发明涉及大体上已知的用于特别是微型滴定板的样品容器的摇动装置，其包括保持住样品容器的振动板和用于使振动板产生振动的激励驱动器，所述振动板共振地振动，其中所述振动板通过至少四个弹性元件以防止振动的方式弹性地连接到装置基部，并且保持在一振动平面内，所述振动板和连接到该振动板的弹性元件形成可由激励驱动器振动的共振系统，每一个所述弹性元件都包括至少一个由几个单个的弹簧组成的弹簧组件，并且每个所述单个弹簧都是扭杆弹簧。电力驱动器通常用于摇动装置中以使振动板振动。原则上也能使用其它形式的驱动器。已知的驱动器包括非平衡激励器、压电振动激励器、液压驱动器或磁力驱动器。单个或几个驱动器以这种方式设置在装置基部并且通常借助合适的耦连装置连接到振动板，从而其能够使该振动板振动。为了在摇动过程中实现微型滴定板的可靠和位置稳定的支承，一般在摇动装置的振动板上设置有例如可移动的定位元件或凹入部分或凹痕的保持装置，其在摇动过程中将微型滴定板保持在振动板上。

本发明的优点在于：由于振动板的共振，能够实现高达40倍重力加速度的非常大的加速力，其施加在位于样品容器中的样品材料上。这些高的加速力在尽可能最短的时间内在样品材料上形成了非常高的转动速度，使得在其内非常快地形成了漩涡，这使得样品材料非常彻底地混合。这种有效的彻底混合使得可以使用非常小的样品容器。由于在样品容器内漩涡的形成依赖于样品容器的转动速度和尺寸，与大样品容器相比，非常小的器皿尺寸和小直径需要更高的转动速度。

通过激励振动板而使其共振，能够在几秒之内出色地彻底混合具有1536个或更多个样品容器(它们也称为贮液器)的微型滴定板。基部表面有角度的样品容器原则上比圆形的样品容器更为有利，因为样品液体更易于在角落区域聚集。因而，使得转动更为容易并且可更快速地形成漩涡。

在摇动装置的一个优选实施方式中，振动板和至少一个连接到该振动板的弹性元件形成了共振系统。该弹性元件的弹簧刚度极大地影响了该系统的弹簧刚度，从而预先确定了该系统的共振频率。因而出现的该系统的共振频率取决于振动系统的惯例振动参数，例如运动质量、频率、幅度及其他影响共振的参数。此外，振动板只由弹性元件承载和支撑。弹性元件在其自由端的挠曲进一步确定了振动板在各方向上的摆度。因此，本发明的优点在于只需要少数几个构件。

在自动化实验室中使用的摇动装置必须以这种方式停止：其使得样品容器可以可靠地抵达允许机器人指定地接触到的位置，例如借助机器人机械爪而进料或取下。在另一有利的实施方式中，用于设定振动板在静止状态的基位的弹性元件占据指定的位置。用于提供共振系统的弹性元件还能够用于调节处于静止状态下的振动板。在此情形下，可省去会通过振动而基本上损坏——例如复位销、及将振动板对齐到预先确定的基位时所需要的所有额外构件。此外，通过设置自复位弹性元件，能够省去在现有技术驱动器上需要使用的复杂的调节机构，因为振动板由弹性元件调节而自动地振动返回到其初始位置。

为了可以比较样品容器中的不同合成产品，必须遵循的是，借助合适的固定机构紧固在振动板表面上的样品容器以及其内容纳的样品在水平面内进行同样的摇动运动。这就是为什么也被称作样品容器支撑台的振动板的支撑与装置基部高度相关的原因。必须确保振动板只进行平移运动。

振动板优选地借助至少四个元件以防振的方式连接到装置基部，并且被保持在一个振动平面内。在矩形振动板内优选地设置在矩形振动板的四个最外侧角落的四个弹性元件将振动板耦连到通常制得尽可能重的装置基部上。在振动板振动期间产生的力通过弹性元件引入到装置基部并且由其所吸收。同时，振动板由四个弹性元件如此地支承：其仅能在由此限定的振动平面内运动，即在两个预定的方向上运动。在振动板通常水平设置的情形下，只可能有位于水平面内的运动。

根据本发明，每一个弹性元件都包括至少一个单个的弹簧。其可考虑目前所有形式的弹簧。也能使用弹簧钢支架。原则上也能使用所有传统形式的弹簧，例如由所有合适材料——例如弹簧钢或永久弹性塑料——制成的扭杆弹簧或螺旋弹簧。

在另一种形式中，每一个弹性元件都包括一由多个独立弹簧形成的弹簧组件，其中所述独立弹簧优选地为扭杆弹簧。由于共振所形成的高载荷，各扭杆弹簧必须是较重的。由于振动的原因，再次需要较长的单个弹簧或扭杆弹簧，这使得摇动装置的总体尺寸不利地增长。通过将几个较薄的单个弹簧或扭杆弹簧捆扎起来，能够使用总体上较短的弹簧，这可以减小该装置的总体尺寸，同时实现弹性元件的有利的疲劳耐久极限。此外，弹簧组件内扭杆弹簧平行设置而不用额外的辅助装置确保振动板将只在振动平面内运动。

优选地，每一个弹性元件在其面对振动板的一侧包括有一位于板侧的基部，并在其面对该装置基部的一侧包括有一位于装置基部侧的基部，其间至少保持有一个单个弹簧。这些基部在这里具有两个功能。一方面，它们用于将力从基部或振动板有效地引入到弹簧中。另一方面，在设置有几个单个弹簧的情形下它们具有捆扎的功能，即形成弹簧组件。保持在基部中的单个弹簧端部不能相对于其他弹簧端部移动，并且在弹簧组件中获得了一致且均匀的振动性能。换言之，整个组件能够像单个弹簧那样一致地变形。此外，作为一个整体，弹性元件的处理也得以改善，其在摇动装置的制造和维护中是非常有利的。

如果位于板侧的基部与振动板以不能弯曲的方式连接、并且位于装置基部侧的基部也与装置基部以不能弯曲的方式连接时，这也是有利的。结合该基部的不能弯曲的构造，这使得振动板可相对于装置基部特别稳定地振动。

还优选的是，弹簧元件的位于基部侧的基部以一体的方式连接到振动板。一体应该理解为由位于板侧的基部和振动板所组成的单个元件的构造，此一体构造在单个制造步骤——例如铸造工艺——中制造。这使得两个部件之间可特别牢固地连接，从而能够顺利和快速地制造。

在另一形式中，位于板侧的基部以及位于装置基部侧的基部都包括至少一个具有加宽边缘的凹入部分，用于以不能弯曲的方式固定至少单个弹簧。该凹入部分用于将单个弹簧夹紧在基部中。单个弹簧还能够被压紧、胶合或焊接在凹入部分中。凹入部分的加宽边缘使得弹簧加载的杆可以在夹紧区域中有利地变形。这不会导致单个弹簧的有效弹簧长度及弹簧特性发生变化。

当为了限制摆度而在与至少一个弹性元件的位于板侧的基部相距指定距离处设置至少一个止挡件时，这也是有利的。振动板的最大横向挠曲(即摆度)不是由板自身限制，而是由弹性元件限制。与现有技术相比，其优点在于：能够省去位于装置基部和振动板之间以用于限制摆度的易于故障的额外构件，因为弹性元件的基部足够稳定而可以容易地实现这个额外的任务。

对于另一实施方式，当止挡件是位于装置基部内的、封住位于板侧的基部的凹入部分时，这是有利的。任何形式的装置基部的部件都能够用于限制摆度。这减少了安装在该装置中的部件的数目。装置基部内的凹入部分以圆形的方式适当地设置，以形成这样的摆度限制：其在每一个方向上的最大值都是相同的。位于板侧的基部的外侧在凹入部分区域中还应该具有圆柱体形状。当弹性元件基部在凹入部分中居中设置时，通过两个直径的差别，从而在振动的每一个方向上都获得了相同的最大摆度。

为了抑制噪音，阻尼元件设置在止挡件和用于限制摆度的位于板侧的基部之间，这也是有利的。这减小了由基部撞击止挡件所发出的撞击噪音，还减小了撞击对基部造成的机械影响。因而，不仅减小了操作噪音，还改善了基部的耐久性和强度。

摇动装置的一个实施方式是特别优选的，其包括与激励驱动器相连的反馈控制装置，以用于控制振动板的振动行为。所述反馈控制装置监控该装置的振动行为并自动地调节该驱动器，从而使得首先形成共振、然后一致地保持一段预定的时间。该反馈控制装置根据样品容器的负载通过例如合适地测量挠曲来确定振动板的振动行为，并且其控制驱动器而获得所希望的振动。这导致了振动板总体上非常稳定的振动行为，并且还节省能量，因为在共振期间反馈控制系统几乎不需要从驱动器输出动力。此外，安装在反馈控制装置中的自动启动单元能够通过平稳地启动振动板的运动而防止样品材料在振动开始时的溅出。

当激励驱动器是磁力驱动器、并且进行电流测量以控制振动行为时，这是特别有利的。当这种类型的驱动器能够以非常有利和精确的方式进行控制时，例如四个电磁铁交叉地设置，并且驱动可移动地保持在该交叉点中的电枢。通过设定磁场强度，在操作时能够以简单的方式改变其幅度和频率。通过测量驱动电流，确定振动板的实际振动行为。因而，特别地，能够省去在摇动装置上设置额外的测量装置——其对振动通常是很敏感的。

在另一形式中，在该装置的基部设置有阻尼装置，该阻尼装置例如用于减小噪音。所述阻尼装置能够是发泡垫等。

本发明的目的通过根据本发明的方法而实现，从而使得振动板共振地振动，以振动设置在振动板上的样品容器，并且该振动板在共振中保持一段预定的时间。通过产生振动，使得样品容器非常急剧地加速。这使得在样品中产生特别强的湍流，此效果被用来使样品容器的结构较小、同时保持同样彻底的混合质量和混合时间。

优选地，振动板为此目的保持在一水平的振动平面内。当样品容器未密封时，这是特别合适的。然而，在某些样品材料的彻底混合中，这也是有利的，并且还使得共振更容易控制，因为其只发生在一个平面内。

优选地，振动板的共振设置为使得振动板的振动频率以恒定的幅度变化，直到其到达共振频率，此后，根据待混合的样品容器中的填充情形而将幅度设定为预定的幅度值。样品的质量能够在混合开始之前通过例如重量测量来确定，并且由此已经预先确定的振动参数能够设定在激励驱动器上。

此外，共振优选地由激励驱动器上的电流测量而确定。然后共振能够非常快速和精确地电子地检测——例如通过在达到共振时测量电流的最小值。

有利地，振动板的共振行为由反馈控制装置控制，该反馈控制装置通过振动板的负载而自动地调节共振频率和振动幅度。这减小了用于设定的手工工作量并使得振动基本上更快地和更一致地形成。

当与振动板连接的至少一个弹性元件形成共振系统时，这是特别合适的，该弹性元件经常位于指定的位置，以设定振动板在静止状态下的基位。振动系统的主体振动行为可通过弹性元件的弹簧刚度来预先确定，并且可选地能够通过将其更换为具有不同刚度的弹性元件而将其快速和简单地改变。例如当摇动样品量带宽很大的待摇动样品时，这可以是合适的。弹性元件还使得振动板自动地返回到其基位，这对于样品容器的自动加载是必需的。实际上用于实现某些振动特性的弹性元件的作用是：能够省去用于设定基准设置的额外构件。

附图说明

下面参照概略附图中示出的实施方式来解释本发明，其中：

图1示出了用于样品容器的摇动装置的立体图；

图2示出了沿剖面线II-II穿过摇动装置的横截面图；

图3示出了从装备有四个弹性元件的振动板下方观察的立体图；

图4示出了穿过弹性元件的截面图。

具体实施方式

图1示出了第一实施方式的摇动装置1的三维视图。该装置1包括设置在装置基部9上方的振动板3。8个定位元件27设置在振动板3上以用于保持住一矩形的微型滴定板(未示出)，其中每两个彼此之间成直角地设置，以在微型滴定板的四个角处保持住该微型滴定板。

如图2和3所示，四个弹性元件5、6、7、8以振动稳定的方式附装到振动板3的下方，使得其与振动板3一起形成共振系统。在这个质量-弹簧系统中，振动板通过弹性元件5、6、7、8弹性地连接到比较重的托架基部9。为了防止摇动装置1在基部上滑动，防滑橡胶脚垫30设置在装置基部9下方。装置板例如通过螺接或胶合而紧固到该基部也是可能的解决方案。

四个弹性元件将振动板3保持在一水平的振动面内，使得该振动板3只能在该平面内移动。此效果是因为：每一个弹性元件5、6、7和8都包括一由5个扭杆弹簧10、11、12、13和14组成的弹簧组件，这些扭杆弹簧彼此平行地设置，由弹簧钢组成并且在其纵向方向上不会显著地变形。圆柱形的圆扭杆弹簧具有同样的弹性常数、弹簧刚度，并且在其振动方向上总的说来具有低的阻尼特性。

如图3所示，四个弹性元件5、6、7、8中的每一个都通过位于板侧的基部15连接到振动板3。在其相应的另一端，四个弹性元件5、6、7、8中的每一个都包括位于基部侧的基部16，弹性元件5、6、7、8通过所述位于基部侧的基部而紧固到装置基部9。这里示出的基部15和16被认为是不能弯曲的、设置成大质量的金属体，各个扭杆弹簧10、11、12、13和14以不能弯曲的方式保持在其中。

位于板侧的基部15和位于基部侧的基部16每个都设置成圆形的圆柱体构造，位于板侧的基部15的外径小于位于基部侧的基部16的外径。弹性元件5、6、7、8也插入到形成于装置基部9的托架壁31内的圆柱形的凹入部分20中。

为了将弹性元件5、6、7、8以不能弯曲的方式紧固到装置基部9，凹入部分20的宽度精确地等于位于基部侧的基部16的宽度，使得所述弹性元件不能够相对于装置基部9扭转。每个位于基部侧的基部16在其底侧都包括四个螺纹孔33。位于基部侧的基部16借助四个螺钉(未示出)由其一起螺接到装置基部9。

位于板侧的基部15的构造较窄，并且一体地连接到振动板3，从而确保振动板3可由激励驱动器4借助耦连杆34而以往复运动的方式在水平方向上移动。通过凹入部分20及位于基部侧的基部15之间沿直径方向上的距离获得了振动板3的最大摆度。因而，弹性元件5、6、7、8用于限制振动板3的摆度。为了抑制位于板侧的基部15对止挡件21的撞击，例如由橡胶制成的环形阻尼元件23结合到止挡件21中。还能够将阻尼元件23紧固到基部15上。

弹性元件5、6、7、8的基部15和16一方面将各个扭杆弹簧10、11、12、13、14相互连接起来，使得它们像单个弹簧地共同变形。另一方面，基部15、16用于将例如离心力的振动力从振动板3有效地传递到弹性元件5、6、7、8，并从弹性元件5、6、7、8有效地传递到装置基部9。如图3所示，扭杆弹簧10、11、12、13和14至少穿过位于基部侧的基部16的整个高度、插入在凹入部分18中、并穿过基部15和16，并在凹入部分17、18中与基部15、16紧密地压到一起。在如图4所示的弹性元件5的实施方式中，凹入部分17、18不完全穿透基部15、16，但是构成为衬套的方式。每个凹入部分17和18的外边缘都包括变宽的锥形边缘32，其用在扭杆弹簧和相应插座16之间的过渡区域中以允许在共振操作时限定挠曲。

在相对侧，位于板侧的基部15一体地连接到振动板3。图1和3中所示出的振动板的实施方式具有压铸部件的形式，使得位于板侧的基部15与加强元件35和用于耦连件34的耦连容座36制造为一体。

由于基部15、16的不能弯曲的构造和紧固方式，所以在扭杆弹簧10、11、12、13、14和基部15、16之间获得特别有利的动力传递，从而，在振动时，在各个弹簧中形成了S形的变形形状，扭杆弹簧10、11、12、13、14的端部件相对于振动平面以正交的方式通入到基部中。换言之，来自于弹簧的扭矩能够通过弹性元件5、6、7、8的基部15、16传递到相应的相邻构件中。这导致了振动板3在振动平面内特别稳定的振动行为。

如图2进一步示出，反馈控制装置24位于激励驱动器4上，该控制装置控制激励驱动器4，使得振动板3形成并保持共振。反馈控制装置24测量驱动器4的电流，该电流在共振时具有一特征值。由此确定振动板3的振动行为。

由泡沫制成的阻尼垫形式的阻尼装置22设置在装置基部9的下方。其用于降低噪音。当合适地设置时，阻尼装置22还能用作摇动装置1的抑制振动防滑基部。

设置在振动板3上的微型滴定板的实际摇动以这种方式发生：借助与振动板3连接的耦连件34，通过叠加的正弦和余弦振动，从而使振动板以圆形或椭圆形的方式移动。弹性元件5、6、7、8将振动板3锁定在水平的振动面上，并且每一个弹性元件都在该平面的方向上弯曲。当振动板3上的共振为40倍的重力加速度时，通过重约60g的振动板，每个弹性元件5、6、7、8产生了1kg的负载值。

为了在振动板3中达到共振，驱动器4由反馈控制装置24以这种方式控制：首先在低幅处——该幅度还可限定为振动板3的摆度或挠曲——频率缓慢地增加，即每单位时间内往复运动的次数增加，直到反馈控制装置24通过测量驱动器4上的电流而确定振动板3共振地振动。换言之，该频率由摇频确定。通过采用激励驱动器的阻抗变化的效应来确定共振，在达到共振时振动板3共振地振动，同时激励驱动器4中的电流减小。此电流的变化由反馈控制装置24通过合适的测量装置来确定，并以这种方式来处理：其控制激励驱动器4的动力输出，使得振动板3在例如几秒的固定时间段内仍然保持共振。然后，振动的幅度增加到预先确定的值。

通过考虑微型滴定板2的填充情形而选择这个幅度值。在负载较高时，可选择较低的幅度，而负载较低时可选择较高的幅度。样品材料应当首先不会从样品容器中溅出，于是这表示了该幅度的上极限值。另一方面，样品材料必须在样品容器2中在尽可能最短的混合时间内有效地混合，于是这产生了该幅度的下极限值。当幅度改变时，频率可能发生变化，于是反馈控制装置反复地调节振动的幅度和频率使之达到预定的值。

当以共振频率摇动时，特别是在有角度的样品器皿2或贮液器26中迅速地实现了湍流，由此，样品液体由此象波浪一样移位。振动较难或较慢的固体或颗粒然后将与液体很好地混合。

Claims (19)

1.用于样品容器的摇动装置，包括保持住样品容器的振动板和用于产生振动板的振动运动的激励驱动器，所述振动板共振地振动，其中所述振动板通过至少四个弹性元件以防止振动的方式弹性地连接到装置基部，并且保持在一振动平面内，所述振动板和连接到该振动板的弹性元件形成可由激励驱动器振动的共振系统，每一个所述弹性元件都包括至少一个由几个单个的弹簧组成的弹簧组件，并且每个所述单个弹簧都是扭杆弹簧。

2.如权利要求1所述的摇动装置，

其特征在于

所述弹性元件在静止状态中采取一指定位置而设定所述振动板(3)的基位。

3.如权利要求1或2所述的摇动装置，

其特征在于

每一个所述弹性元件在其面对着所述振动板的端部处都包括一个位于板侧的基部，且在其面对着所述装置基部的端部处包括一个位于基部侧的基部，其间保持有所述的至少一个单个的弹簧。

4.如权利要求3所述的摇动装置，

其特征在于

所述位于板侧的基部以不能弯曲的方式连接到振动板，所述位于基部侧的基部以不能弯曲的方式连接到装置基部。

5.如权利要求3所述的摇动装置，

其特征在于

所述弹性元件的位于板侧的基部以一体的方式连接到振动板。

6.如权利要求3所述的摇动装置，

其特征在于

所述位于板侧的基部和位于基部侧的基部中的每一个都包括至少一个具有加宽边缘的凹入部分，用于以不能弯曲的方式保持所述至少一个单个的弹簧。

7.如权利要求3所述的摇动装置，

其特征在于

至少一个止挡件设置成与所述至少一个弹性元件的位于板侧的基部相距一指定的距离以用于限定摆度。

8.如权利要求7所述的摇动装置，

其特征在于

所述止挡件是位于装置基部中的凹入部分，凹入部分包绕着所述位于板侧的基部。

9.如权利要求7或8中任一项所述的摇动装置，

其特征在于

阻尼元件设置在所述用于限制摆度的位于板侧的基部和止挡件之间以抑制噪音。

10.如权利要求1所述的摇动装置，

其特征在于

所述摇动装置包括用于控制振动板的振动行为的反馈控制装置，该控制装置连接到激励驱动器。

11.如权利要求1所述的摇动装置，

其特征在于

所述激励驱动器是磁力驱动器，并且进行电流测量以控制振动行为。

12.如权利要求1所述的摇动装置，

其特征在于

阻尼装置设置在装置基部上。

13.如权利要求1所述的摇动装置，

其特征在于，

所述样品容器是微型滴定板。

14.如权利要求1所述的摇动装置，

其特征在于，

包括由所述振动板保持的样品容器。

15.用于摇动设置在振动板上的样品容器的方法，

其特征在于

使用如权利要求1所述的摇动装置，并且使得振动板共振地振动，并且将所述振动板保持共振一预定的时间段。

16.如权利要求15所述的方法，

其特征在于

将所述振动板保持在一水平的振动平面内。

17.如权利要求15或16所述的方法，

其特征在于

所述振动板的共振以这种方式设定：首先所述振动板的振动频率以恒定的幅度变化，直到达到共振频率，其后根据待混合的样品容器的填充情形而将幅度设定为一预定的幅度值。

18.如权利要求15所述的方法，

其特征在于

根据在激励驱动器上所测得的电流来确定共振。

19.如权利要求15所述的方法，

其特征在于

通过反馈控制装置来控制所述振动板的振动行为，该反馈控制装置根据所述振动板的负载自动地调节共振频率和振动幅度。

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