DE10022693C1 - Pipettierautomat mit einem Einreihigen-Mehrkanal-Pipettierkopf - Google Patents

Abstract

Pipettierautomat mit einem Einreihigen-Mehrkanal-Pipettierkopf 8, mit einem Spitzenabwurfmechanismus, mit dem die auf einer Reihe angeordneten Pipetten 27 steckenden Pipettenspitzen 24 nacheinander entfernt werden und der durch die Verfahrbare Ausführung eines unterhalb des Pipettierkopfes 9 angeordneten, z. B. eine Mikrotitrationsplatte 4 tragenden Aushebers, in Richtung der Pipetten 27 und die Verfahrbarkeit des Pipettierkopfes 8 in dazu orthogonaler Richtung universell für verschiedene Mikrotitrationsplatten einsetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Pipettierautomaten mit einem Einreihigen-Mehrkanal- Pipettierkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartige Anordnung ist aus der US 4,478,094 bekannt.

Mit der Einführung der ersten Mikrotitrationsplatten (MTPs) in Laboratorien großer Institute und Forschungseinrichtungen und der damit einsetzenden Entwicklung von Pipettierautomaten wurde ein wesentlicher Beitrag zur automatischen Bearbeitung flüssiger Proben und zur Automatisierung der dazugehörigen Handlingsvorgänge geleistet.

Die damit verbundene Technisierung von Versuchsabläufen führte dazu, immer gleiche Anordnungsmuster von Probengefäßen automatisch bearbeiten zu wollen. So wurde die mit den ersten MTPs geschaffene rasterförmige Anordnung der Wells (Probenaufnahmevertiefungen) in Reihen und Spalten bei der Weiterentwicklung, bedingt durch die permanente Forderung nach einem immer höheren Probendurchsatz, immer kleinerer Probenvolumen, der MTPs beibehalten. Inzwischen sind neben den ersten sogenannten 96er MTPs mit 12 × 8 Wells, 192er, 384er, 864er und 1536er MTPs auf dem Markt erhältlich. Obwohl die MTPs jeweils ein Vielfaches an Wells bezüglich der Vorgänger-MTPs aufweisen, konnten durch die Verkleinerung der Wells die Außenmaße beibehalten werden, wodurch ein Teil der inzwischen vielfältig entwickelten Gerätetechnik zum Handling der MTPs im wesentlichen unabhängig von der jeweiligen Well-Zahl eingesetzt werden kann. So ergeben sich aus der Weiterentwicklung der MTPs für die Gerätetechnik zu deren Handling aufgrund der unveränderten Außenmaße kaum neue Anforderungen, während die Vervielfachung und Verkleinerung der Wells auf gleicher Fläche an die Weiterentwicklung der Pipettierautomaten hohe Ansprüche stellt.

Es müssen nicht nur immer kleinere Probenvolumen in einem immer enger werdenden Rastermaß pipettiert werden und das möglichst schneller, sondern es besteht auch die Forderung nach einer universellen Einsetzbarkeit der Pipettierautomaten für die unterschiedlichen MTPs.

Diese Forderungen werden mit den aus dem Stand der Technik bekannten Pipettierautomaten unterschiedlich gelöst.

Grundsätzlich können die Pipettierautomaten unterschieden werden in Pipettierautomaten mit Einkanal-Pipettierköpfen, mit Einreihigem-Mehrkanal- oder mit Mehrreihigem-Mehrkanal-Pipettierkopf, wobei solche mit einem Einkanal- Pipettierkopf für Laborabläufe mit einem hohen geforderten Probendurchsatz ausscheiden. Pipettierautomaten mit einem Einkanalpipettierkopf sind beispielsweise bekannt aus der DE 31 01 696 A1 der US 5,599,500 und der US 4,55,957. Um die Wells einer MTP zu befüllen, wird bei diesen Pipettierautomaten die MTP unter dem Pipettierkopf in eine Richtung linear verschoben, während der Pipettierkopf in eine dazu senkrechte Richtung verschiebbar ist. Damit können zwar alle Wells befüllt werden, unabhängig in welchem Rastermaß und welcher Anzahl sie auf der MTP angeordnet sind, jedoch mit einer sehr begrenzten, zu geringen Geschwindigkeit. In der US 4,555,957 ist im Unterschied zu den anderen genannten Schriften auch ein automatischer Spitzenabwurf vorgesehen.

Der Vorzug von Pipettierautomaten mit einem Mehrreihigen-Mehrkanal- Pipettierkopf besteht darin, dass die Wells mehrerer oder auch aller Reihen der MTPs gleichzeitig befüllt werden.

Ein derartiger Pipettierautomat mit 96 Pipettierspitzen wird von der Firma CyBio AG unter dem Namen CyBi-Well 96 angeboten. Die Pipettierspitzen sind im gleichen Raster (8 × 12) angeordnet, wie die Wells einer handelsüblichen 96er MTP. Mit diesem Pipettierautomaten kann somit simultan eine 96er MTP befüllt werden. Eine erweiterte Version ist der Pipettierautomat CyBi-WELL 96/384/1536 der mit 4 Positionierschritten eine 384er (16 × 24) und mit 16 Positionierschritten eine 1536er MTP (32 × 48) befüllen kann. Die Positionierschritte werden durch eine horizontale Bewegung des MPT tragenden Aushebers in Richtung der in Reihen und Spalten angeordneten Wells ausgeführt.

Für eine differenzierte Probenbearbeitung in den Wells einer MTP, z. B. zur Erstellung unterschiedlicher Verdünnungsrehen, sind diese Pipettierautomaten grundsätzlich nicht geeignet.

Für eine derartige Anwendung erweisen sich die Pipettierautomaten mit einem Einreihigen-Mehrkanal-Pipettierkopf, die jeweils nur die Wells einer Reihe simultan befüllen, als vorteilhaft.

Je nach den Anforderungen des Anwenders sind demnach Pipettierautomaten mit Einreihigen- oder Mehrreihigen-Mehrkanal-Pipettierern vorteilhafter.

Ein tatsächlicher Nachteil der Pipettierautomaten mit Einreihigem-Mehrkanal- Pipettierkopf besteht darin, dass diese bislang ausschließlich für eine Bearbeitung von 96er MTPs ausgelegt sind.

Prinzipiell bestehen die Pipettierautomaten der oben beschriebenen Art aus einer Führungsbahn mit einem in einer horizontalen Richtung verfahrbaren Wagen mit Aufnahmeplätzen für MTPs oder anderen Behältnissen, einem darüber angeordneten Pipettierkopf mit in mehreren Reihen orthogonal zur Verfahrrichtung angeordneten Pipettenspitzen und einem unterhalb des Pipettierkopfes und der Verfahrebene des Wagens angeordneten Ausheber, welcher eine darüber positionierte MTP oder andere Behältnisse vertikal in Richtung der Pipettenspitzen aushebt und absenkt. Ein solcher Pipettierautomat ist in der DE-Patentschrift 197 46 455 offenbart. Es ist als sicher anzunehmen, dass das Raster der einzelnen Pipettenspitzen der Multipipette mit dem der Wells der MTP übereinstimmen. Ein Abwurfmechanismus für die Pipettenspitzen ist nicht Gegenstand dieser Lösung.

Bei dem einleitend erwähnten Pipettierautomat CyBi-WELL 96/384/1536 kann durch eine zusätzliche horizontale Bewegung des Aushebers in zwei Richtungen die MPT in mehrere Positionen zu dem darüber befindlichen Pipettierkopf gebracht werden, so dass mit nur 96 Spitzen alle MTPs befüllbar sind, die eine Anzahl von Wells gleich einem Vielfachen von 96 aufweisen.

Unter den bekannten Pipettierautomaten mit einem Einreihigen-Mehrkanal- Pipettierkopf sind keine bekannt, bei denen der Pipettierkopf eine horizontale Bewegung ausführt.

Der Spitzenabwurfmechanismus erfordert eine konstruktive Prinziplösung für den Pipettierkopf, der zu einer wesentlich schwergewichtigeren Bauweise und damit höheren Trägheit führt, als sie für Pipettierköpfe ohne Spitzenabwurfmechanismus möglich ist.

Der Spitzenabwurfmechanismus ist für die aus dem Stand der Technik bekannten Pipettierköpfe konstruktiv recht unterschiedlich gelöst. Die Lösungen haben allerdings die Gemeinsamkeit, dass die Pipettierspitzen (in der Regel 8 oder 12) gleichzeitig abgeworfen werden. Die dafür erforderliche Abwurfkraft erfordert eine mechanisch stabile und kompakte Konstruktion, die zwangläufig zu einer erhöhten Masse des Pipettierkopfes führt.

Die höhere Masse führt zur höheren Trägheit und steht so dem Wunsch nach einer horizontalen Bewegung mit hoher Beschleunigung entgegen.

Aus der US 4,478,094 ist ein Pipettierautomat mit einem vertikal beweglichen Einreihigen-Mehrkanal-Pipettierkopf mit einer Reihe von 12 Pipettenspitzen und einem horizontal verschiebbaren Tisch bekannt. Die Reihe der Pipettenspitzen ist dabei orthogonal zur Verschieberichtung des Tisches ausgerichtet, so dass eine Befüllung einer 96er MTP mit 8 Positionierschritten erfolgt, welche durch die schrittweise horizontale Verschiebung des Tisches ausgeführt werden. Die Spitzenabwurfeinrichtung besteht hier aus einer kammartig geschlitzten Abwurfplatte, die über zwei im Gehäuse des Pipettierers vertikal geführte Stangen absenkbar ist. Die Abwurfplatte umgreift die konenförmigen Enden der Pipetten oberhalb der Pipettenspitzen, so dass beim Absenken der Abwurfplatte alle Pipettenspitzen gleichzeitig abgestreift werden. Die erforderliche Abwurfkraft wird durch Übertragung des Drehmomentes eines Motors über ein Ritzel auf eine Zahnstange erzeugt. Die in vertikaler Richtung beim Spitzenabwurf erzeugte Kraft setzt eine massive Ausführung der Verbindung des Pipettierkopfes mit der Bodenplatte voraus. Da hier nur eine horizontale Relativbewegung zwischen der Pipettenreihe und der MTP nämlich in orthogonaler Richtung zur Pipettenreihe möglich ist, können nur MTPs mit einer gleichen Anzahl an Wells auf einer in Richtung der Pipettenreihe ausgerichteten Rasterlinie befüllt werden, wie die Pipettenreihe Pipetten aufweist. Der Geschwindigkeit zur Befüllung der gesamten MTP und damit dem Probendurchsatz sind durch die Trägheit des Tisches Grenzen gesetzt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Pipettierautomaten der beschriebenen Art derart zu verbessern, dass ein deutlich höherer Probendurchsatz möglich wird und der Pipettierautomat universell für unterschiedliche MTPs einsetzbar ist.

Darüber hinaus soll der Spitzenabwurfmechanismus so weiterentwickelt werden, dass die erforderliche Spitzenabwurfkraft verringert wird und somit eine deutliche Massenreduzierung des zu bewegenden Pipettierkopfes möglich ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Pipettierkopf in orthogonaler Richtung zur Reihe der Pipetten verfahrbar ist, dass der Abwurfmechanismus eine in Richtung der Reihe der Pipetten ausgerichtete Achse aufweist, auf der eine Anzahl von Abdrückeinheiten gleich der Anzahl von Pipetten zueinander um jeweils einen Winkel versetzt befestigt sind, die bei Drehung der Achse zeitlich nacheinander jeweils zur Anlage an je eine in Richtung der Pipetten geführte Abstreifeinheit kommt, diese verschiebt und dabei eine Pipettenspitze von einer Pipette abstreift und dass unterhalb des Aufnahmeplatzes ein Ausheber angeordnet ist, welcher die Mikrotitrationsplatte in Richtung der Pipetten aushebt und absenkt und in Richtung der Pipettenreihe versetzen kann.

Ein Ausführungsbeispiel des Pipettierautomaten wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt:

Fig. 1 die Gesamtansicht eines Pipettierautomaten

Fig. 2 der in Fig. 1 dargestellte Pipettierautomat mit geöffnetem Gehäuse

Fig. 3.1 bis 3.5 verschiedene Ansichten eines Spitzenabwurfmechanismus

Fig. 4 Abstreifeinheit

Die Darstellung des Pipettierautomaten in Fig. 1 zeigt im wesentlichen einen auf einer horizontalen Ebene aufstellbaren Grundkörper 1, einer starr mit diesem verbundenen ersten Führungsbahn 2, auf der ein Wagen 3, mit vier Aufnahmeplätzen 4 linear in horizontaler Richtung unterhalb einer Reihe von Pipettenspitzen 24 geführt ist. Auf den Aufnahmeplätzen 4 können verschiedene Behältnisse 5 wie beispielsweise eine 96er MTP 5.1, ein Spitzenbehälter 5.2 oder ein Vorratsgefäß 5.3 aufgenommen werden. Die Außenmaße der Behältnisse 5, auch die der hier nicht dargestellten MTPs mit einer höheren Well-Anzahl, sind im Wesentlichen gleich. Abweichungen können mittels einer Adapterplatte 6 kompensiert werden.

Wie aus Fig. 2 erkennbar, ist am Grundkörper 1 oberhalb der ersten Führungsbahn 2 eine ebenfalls starr mit dem Grundkörper 1 verbundene zweite Führungsbahn 7 vorhanden, auf der ein Pipettierkopf 8 mittels eines Schlittens parallel zum Wagen 3 über die Länge eines darunter positionierten Behältnisses 5 verfahrbar ist. Nicht sichtbar ist ein Ausheber, der unterhalb des Verfahrbereiches des Pipettierkopfes 8 angeordnet ist und zum Ausheben des jeweils darüber befindlichen Behältnisses 5 in Richtung der Pipettenspitzen 24 dient.

Damit der Pipettierkopf 8 mit einer hohen Beschleunigung bewegt werden kann, muss er möglichst leicht ausgeführt sein. Dies wird durch die erfindungswesentliche Ausführung des Spitzenabwurfmechanismus erreicht, der nachfolgend an Hand der Fig. 3.1 bis 3.5 näher beschrieben werden soll.

Die Basis für den Spitzenabwurfmechanismus bildet eine mittelbar starr mit dem genannten Schlitten verbundene Basisplatte 9. An dieser sind eine erste und eine zweite Seitenplatte 10, 11 angebracht, die zur Befestigung eines Motors 12 und zur beidseitigen Lagerung einer Achse 13 dienen. Das Drehmoment des Motors wird über ein Abtriebsritzel 14 und einen Zahnriemen 15 auf die Achse 13 übertragen. Auf der Achse 13 sind entsprechend der Anzahl der Pipettenspitzen, hier sollen es acht sein, acht Abdrückeinheiten 16 fest montiert. Die Abdrückeinheiten 16 stellen jeweils einen zur Achse 13 radial ausgerichteten Arm 17 dar, an dessen freiem Ende ein Kugellager 18 über seinen Innenring befestigt ist. Die Arme 17 sind zueinander jeweils um einen gleichen Winkel ω versetzt auf der Achse 13 befestigt, so dass sie bei Drehung der Achse 13 nacheinander zur Anlage an jeweils einem unterhalb der Achse 13 angeordneten Drückstück 19 kommen.

Die Druckstücke 19 sind jeweils Bestandteil einer Abstreifeinheit, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Die Abstreifeinheiten bestehen jeweils aus einer ersten und einer zweiten Führungsstange 20, 21, deren erste Enden über eine Abstreifplatte 22 miteinander verbunden sind und über die die Abstreifeinheit in einem mit der Basisplatte 9 fest verbundenen Basiskörper 23 vertikal geführt wird. Parallel zu den Führungsstangen 20, 21 ist an der Abstreifplatte 22 eine Stange 25 mit einer Druckfeder 26 vorhanden, die einerseits an einem an der Stange 25 ausgebildeten Bund und andererseits am Basiskörper 23 anliegt. In den Abstreifplatten 22 befinden sich Aussparungen, durch welche die im Basiskörper 23 gehalterten Pipetten 27 ragen. Auf die freien Enden der Pipetten 27, die konisch ausgebildet sind, sind die Pipettenspitzen 24 aufgesteckt.

Nachfolgend soll die Funktionsweise des Spitzenabwurfmechanismus beschrieben werden. Zu deren Verständnis wurden insbesondere in den Fig. 3.4 und 3.5 eine Arbeitsstellung des Spitzenabwurfmechanismus dargestellt, in dem ein Teil der Pipettenspitzen 24 bereits von den Pipetten 27 abgeworfen wurden, während andere Pipettenspitzen 24 noch auf den konisch ausgebildeten Enden der Pipetten 27 sitzen.

Angetrieben durch den Motor 12 dreht sich die Achse 13, wodurch die Kugellager 18 nacheinander zur Anlage auf einem Druckstück 19 kommen. Die Druckstücke 19 werden während des Abrollens des Kugellagers 18 jeweils gegen die Federkraft der Druckfedern 26 vertikal nach unten gedrückt, bis sich der Arm 17 in Flucht mit der ersten Führungsstange 20 befindet, wobei die zugehörige Abstreifplatte 22 die Pipettenspitze 24 von der zugehörigen Pipette 27 abstreift. Während sich die Achse 13 weiterdreht, bewegt sich anschließend das Kugellager 18 aus dem Kontaktbereich mit dem Druckstück 19, welches gleichzeitig durch die Druckfeder 26 in seine Ausgangsposition zurückgeführt wird. Die zum Abstreifen der Pipettenspitzen 24 erforderliche Kraft wird nur über jeweils einen kurzen Bewegungsbereich benötigt, der begrenzt ist durch den Zeitpunkt, an dem die Abstreifplatte 22 an einem an der Pipettenspitze 24 ausgebildeten Rand zur Anlage kommt, bis die Pipettenspitze 24 abfällt. Um mit einer möglichst geringen Kraft alle Pipettenspitzen 24 abzuwerfen, ist der Spitzenabwurfmechanismus so dimensioniert, dass sich jeweils nur eine Abwurfeinheit in einer Stellung innerhalb des beschriebenen Bewegungsbereiches befindet.

Da die zum Abwurf aller Pipettenspitzen 24 erforderliche Kraft gleich der erforderlichen Kraft zum Abwurf nur einer Pipettenspitze 24 entspricht, kann der Pipettierkopf 8 in Leichtbauweise konzipiert werden, unabhängig von der Anzahl der Pipetten 27. Je leichtgewichtiger der Pipettierkopf 8 herstellbar ist, desto höhere Beschleunigungen sind zur Durchführung der Positionierschritte möglich, was eine höhere Geschwindigkeit des Probendurchsatzes erlaubt.

Damit der Pipettierautomat universell für unterschiedliche MTPs verwendet werden kann, bedarf es einer zusätzlichen horizontalen Relativbewegung in Richtung der Pipettenreihe. Diese wird durch den Ausheber realisiert.

Claims (2)

1. Pipettierautomat mit einem Einreihigen-Mehrkanal-Pipettierkopf, mit einem Spitzenabwurfmechanismus zum Entfernen der auf den in einer Reihe angeordneten Pipetten (27) steckenden Pipettenspitzen (24) und einem unterhalb des Pipettierkopfes (9) vorhandenen Aufnahmeplatz für Mikrotitrationsplatten, dadurch gekennzeichnet,
dass der Pipettierkopf in orthogonaler Richtung zur Reihe der Pipetten (27) verfahrbar ist,
dass der Abwurfmechanismus eine in Richtung der Reihe der Pipetten (27) ausgerichtete Achse (13) aufweist, auf der eine Anzahl von Abdrückeinheiten (16), gleich der Anzahl von Pipetten (27) zueinander um jeweils einen Winkel (ω) versetzt befestigt sind, die bei Drehung der Achse zeitlich nacheinander jeweils zur Anlage an je eine in Richtung der Pipetten (27) geführte Abstreifeinheit (19, 20, 21, 22, 25, 26) kommt, diese verschiebt und dabei eine Pipettenspitze (27) von einer Pipette (27) abstreift und
dass unterhalb des Aufnahmeplatzes ein Ausheber angeordnet ist, welcher die Mikrotitrationsplatte in Richtung der Pipetten aushebt und absenkt und in Richtung der Pipettenreihe versetzen kann.

2. Pipettierautomat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdrückeinheiten (16) zur Achse (13) radial ausgerichtete Arme (17) mit einem am Innenring befestigten Kugellager (18) sind.