DE10151681A1

DE10151681A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Tropfenvolumens

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Publication number: DE10151681A1
Application number: DE10151681A
Authority: DE
Original assignee: Evotec OAI AG
Current assignee: Evotec OAI AG
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-05-15

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung des Tropfenvolumens, insbesondere für die Generierung von chemischen und/oder biologischen Probenvolumina, insbesondere für das Befüllen von Titerplatten im Hochdurchsatzscreening, wird ein Behälter (20) mit bekanntem Volumen, wie beispielsweise Wells einer Titerplatte mit einer Tropfenabgabevorrichtung (10), tropfenweise befüllt. Die von der Tropfenabgabevorrichtung (10) abgegebenen Tropfen (18) werden mit Hilfe einer Zähleinrichtung (24) bis zum Erreichen einer Befüllungsgrenze (34) gezählt. Das Erreichen der Befüllungsgrenze (34) wird mit Hilfe einer Detektionseinrichtung (24) detektiert. Aufgrund der bis zum Erreichen der Befüllungsgrenze (34) gezählten Tropfenanzahl und dem bekannten Behältervolumen wird mit Hilfe einer Berechnungseinrichtung (24) das Tropfenvolumen eines einzelnen Tropfens (18) berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Tropfenvolumens insbesondere für die Generierung von chemischen und/oder biologischen Probenvolumina. Insbesondere ist das Verfahren sowie die Vorrichtung zur Bestimmung von Tropfenvolumina für das Befüllen von Titerplatten im Hochdurchsatzscreening geeignet.

Mit Hilfe von Titerplatten, d. h. Probenträgern mit einer Vielzahl von Vertiefungen (Wells), wird beim Hochdurchsatzscreening eine Vielzahl von Proben in kurzer Zeit untersucht. Derartige Titerplatten weisen üblicherweise 1536 oder 2080 Wells auf. Die Größe der einzelnen Wells beträgt hierbei beispielsweise weniger als 10µ1, insbesondere weniger als 2 µl. Das Befüllen der Wells erfolgt über Pipettier- oder Dispensiereinrichtungen, die eine Mikropumpe aufweisen. Aufgrund der äußerst kleinen Probenvolumina ist eine genaue Dosierung der chemischen und/ oder biologischen Flüssigkeit erforderlich. Dies ist insbesondere der Fall, wenn einem Well unterschiedliche Probenflüssigkeiten in einem exakt definierten Verhältnis zugeführt werden müssen. Um eine entsprechend genaue Dosierung zu ermöglichen, werden Mikropumpen eingesetzt, mit denen Tropfen erzeugt werden können, deren Tropfenvolumen kleiner als 900 pl, insbesondere kleiner als 500 pl ist.

Das Tropfenvolumen kann durch in der Pipettier- oder Dispensiereinrichtung auftretende Verunreinigungen, wie Ablagerungen oder Auskristallisationen aus der Probenflüssigkeit beeinflusst werden. Bei derartig geringen Probenvolumina führen bereits geringe Abweichungen des Tropfenvolumens zur Verfälschung der Messergebnisse. Eine Veränderung des Tropfenvolumens tritt beispielsweise auch durch Temperaturschwankungen und damit verbundenen Viskositätsschwankungen der Probenflüssigkeit auf. Insbesondere wird das Tropfenvolumen bei Pipettier- oder Dosiereinrichtungen durch Herstellungstoleranzen beeinflusst. Bereits kleinste Herstellungstoleranzen in den Mikrokanälen führen zu relevanten Veränderungen der Tropfenvolumina. Ferner sind Pipettier- oder Dispensiereinrichtungen relativ störanfällig. Insbesondere im Hochdurchsatz-Screening müssen die Pipettier- oder Dispensiereinrichtungen daher häufig ausgetauscht werden. In jedem Fall ist nach dem Austauschen der Pipettier- oder Dispensiereinrichtung eine Tropfenvolumeneichung erforderlich. Dies ist äußerst zeitaufwendig.

Insbesondere beim Hochdurchsatzscreening muss das Tropfenvolumen daher in regelmäßigen Abständen, beispielsweise nach jeder Befüllung einer Titerplatte, überprüft werden. Hierzu ist es bekannt, eine bestimmte Anzahl an Tropfen durch die Pipettier- bzw. Dispensiereinrichtung abzugeben und das Gewicht des abgegebenen Volumens zu bestimmen. Hieraus lässt sich sodann das Volumen der einzelnen Tropfen bestimmen. Das Abwiegen von Tropfen zur Bestimmung des Tropfenvolumens ist äußerst zeitaufwendig. Ferner ist eine äußerst präzise und daher teuere Waage erforderlich, um eine Volumenbestimmung durchführen zu können, die bei derartig kleinen Tropfenvolumina ausreichend genau ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Tropfenvolumens zu schaffen, mit dem bzw. mit der die genaue Bestimmung von Tropfenvolumina in kurzer Zeit möglich ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 14.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Bestimmung von Tropfenvolumina sehr kleiner Tropfen, wie sie beispielsweise zur Befüllung von Titerplatten im Hochdurchsatzscreening eingesetzt werden, geeignet. Hierbei sind die Tropfenvolumina vorzugsweise kleiner als 900 pl, insbesondere kleiner als 500 pl. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt mindestens ein Behälter mit bekanntem Volumen mit einer Tropfenabgabevorrichtung, wie einer Pipettier- oder Dispensiereinrichtung befüllt. Bei dem Behälter kann es sich beispielsweise um ein Well einer Titerplatte handeln. Vorzugsweise wird ein standardisiertes Well, dessen Volumen einmal exakt bestimmt worden ist, zur Bestimmung des Tropfenvolumens wieder verwendet.

Während des tropfenweisen Befüllens des Behälters werden die von der Tropfenabgabevorrichtung abgegebenen Tropfen mit Hilfe einer Zähleinrichtung gezählt. Bei der Zähleinrichtung kann es sich beispielsweise um eine mit der Mikropumpe verbundene Steuereinrichtung handeln, die die der Mikropumpe zugeführten Impulse zählt, wobei jeder Impuls einem Tropfen entspricht. Bei bekannten Mikropumpen findet ein derartigen Zählen bereits zum Befüllen von Behältern (z. B. Wells) statt. Dieses Zählsignal wird erfindungsgemäß unmittelbar verwendet. Hierbei wird je Impuls ein Tropfen von der Tropfenabgabevorrichtung abgegeben. Die jeweiligen Impulse, die eine Tropfenabgabe bewirken, können somit direkt gezählt werden. Ebenso ist es möglich, als Zähleinrichtung eine optische Zähleinrichtung zu verwenden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Art Lichtschranke, durch die die Tropfen hindurchfallen. Jede Unterbrechung der Lichtschranke stellt hierbei einen Tropfen dar.

Das Befüllen des mindestens einen Behälters mit der Tropfenabgabevorrichtung erfolgt bis zu einer Befüllungsgrenze. Mit Hilfe einer Detektionseinrichtung wird das Erreichen der Befüllungsgrenze festgestellt. Als Detektionseinrichtung wird vorzugsweise wiederum eine optische Einrichtung, wie beispielsweise eine Kamera vorgesehen, mit der die Befüllungsgrenze beobachtet wird. Beispielsweise durch Mustererkennung kann ein automatisches Feststellen der Befüllungsgrenze mit Hilfe einer Kamera ermittelt werden. Ferner ist es möglich, an der Befüllungsgrenze einen geeigneten Sensor, z. B. einen feuchtigkeitsempfindlichen Sensor vorzusehen.

Sobald ein Behälter bis zur Befüllungsgrenze gefüllt ist, wird die gezählte Tropfenanzahl vorzugsweise an eine Berechnungseinrichtung übermittelt. Mit der Berechnungseinrichtung, die in der Zähl- und/oder Detektionseinrichtung integriert sein kann, kann sodann auf einfache Weise aufgrund des bekannten Volumens des Behälters und der Tropfenanzahl das Volumen der einzelnen Tropfen ermittelt werden. Hierbei entspricht das bekannte Volumen des Behälters dem Volumen bis zum Erreichen der Befüllungsgrenze, wobei es sich bei der Befüllungsgrenze vorzugsweise um die Oberkante des Behälters handelt.

Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Abwiegen eines Testvolumens nicht erforderlich ist, kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine erheblich kostengünstigere Bestimmung von Tropfenvolumina erfolgen. Dies ist insbesondere der Fall, da beim Hochdurchsatzscreening bereits Kameras zur Beobachtung der Proben sowie zum Einstellen der Lage der Probe hinsichtlich einer Untersuchungsvorrichtung, wie einem Mikroskop vorhanden sind und diese Kameras vorzugsweise auch zur Bestimmung der Tropfenvolumina genutzt werden können. Ferner ist durch das erfindungsgemäße Verfahren eine erhebliche Zeitersparnis gegenüber dem bekannten Wiegeverfahren erzielt. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Zeitersparnis von über 50% erreicht werden kann. Die Zeitersparnis beruht insbesondere darauf, dass ein Abwiegen des befüllten Behälters entfällt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das tropfenweise Befüllen mindestens eines Behälters mit bekanntem Volumen sowie das Zählen der einzelnen in den Behälter abgegebenen Tropfen folgendermaßen durchgeführt:
Zuerst wird ein erster Behälter mit einer festgelegten Tropfenanzahl befüllt. Hierbei ist die Größe des Behälters bzw. des Wells weiterhin bekannt. Die abgegebene Tropfenanzahl kann hierbei entweder fest vorgegeben und somit bei jeder erneuten Bestimmung des Tropfenvolumens identisch sein oder beispielsweise in Abhängigkeit des aus der vorherigen Tropfenbestimmung noch bekannten Volumens erfolgen. Dieses noch bekannte, jedoch höchstwahrscheinlich nicht mehr korrekte Tropfenvolumen ist in den meisten Fällen von der Größenordnung her dem tatsächlichen Tropfenvolumen sehr nahe.

Anschließend wird mit Hilfe der Detektionseinrichtung detektiert, ob die Befüllungsgrenze bereits exakt erreicht ist. Ist dies bereits beim Befüllen des ersten Behälters der Fall, erfolgt die Bestimmung des tatsächlichen Tropfenvolumens. Wurde bei der Festlegung der Tropfenanzahl von dem aus vorherigen Messungen bekannten Tropfenvolumen ausgegangen und ist der Behälter beim ersten Befüllen exakt gefüllt, so hat sich an dem Tropfenvolumen nichts geändert. In den meisten Fällen wird jedoch die Befüllungsgrenze unter- oder überschritten sein. Je nachdem ob die Befüllungsgrenze unter- oder überschritten ist, wird die Tropfenanzahl erfindungsgemäß erhöht oder erniedrigt und ein weiterer Behälter bzw. im zweiten Befüllungsschritt ein zweiter Behälter, befüllt. Die Erhöhung oder Erniedrigung der Tropfenanzahl erfolgt vorzugsweise um eine fest vorgegebene Anzahl. Vorzugsweise kann die Änderung der Tropfenanzahl variieren, so dass beispielsweise je Befüllungszyklus eines weiteren Behälters die Änderung der Tropfenanzahl verringert wird, da der Befüllungsgrenze bei jedem Befüllungszyklus automatisch nähergekommen wird.

Nach dem Befüllen des weiteren bzw. zweiten Behälters erfolgt wiederum ein Detektieren, ob die Befüllungsgrenze unter- oder überschritten ist. Ist dies wiederum der Fall, wird ein weiterer Behälter mit einer erhöhten bzw. erniedrigten Tropfenanzahl befüllt. Diese beiden Schritte werden so oft wiederholt, bis die Befüllungsgrenze erreicht ist und das exakte Tropfenvolumen bestimmt werden kann.

Durch das vorstehend beschriebene bevorzugte Verfahren zur Bestimmung des exakten Tropfenvolumens kann ein Tropfenvolumen in sehr kurzer Zeit genau bestimmt werden. Insbesondere bei der Bestimmung des Volumens sehr kleiner Tropfen, wie beispiels-Weise beim Hochdurchsatzscreening, ist das nacheinander Befüllen einzelner Wells mit geänderter Tropfenanzahl aufgrund der hohen Frequenz mit der Mikropumpen betrieben werden können, schneller als ein Well langsam bis zur Befüllungsgrenze zu befüllen.

Die erfindungsgemäße Automatisierung der Bestimmung des Tropfenvolumens führt zu erheblicher Zeitersparnis. Ferner ist die Zuverlässigkeit und Qualität des Befüllens und damit der Probenuntersuchung erhöht.

Beim Befüllen mehrerer Behälter, insbesondere Wells einer Titerplatte, zur Bestimmung des Tropfenvolumens eines abgegebenen Tropfens, wie er beispielsweise bei einem bestimmten Dispenser auftritt, wird somit das erste Well beispielsweise mit einem vorgegebenen geschätzten Volumen befüllt. Das geschätzte Volumen entspricht einer bestimmten Anzahl an Tropfen, deren Volumen ebenfalls geschätzt ist oder in einer früheren Messung ermittelt wurde. Sofern die Befüllungsgrenze nach Abgabe dieser vorbestimmten Tropfenzahl nicht erreicht ist, wird das geschätzte Befüllungsvolumen bzw. die Tropfenanzahl um einen vorgegebenen Wert, beispielsweise 50 nl erhöht und ein weiteres Well befüllt. Sofern auch hierdurch noch nicht die Befüllungsgrenze erreicht ist, erfolgt die Befüllung eines weiteren Wells usw. bis die Befüllungsgrenze erreicht ist. Es ist somit möglich aus einem bekannten oder geschätzten "alten" Tropfenvolumen das tatsächliche Tropfenvolumen zu berechnen.

Vorzugsweise ist als Detektionseinrichtung eine Kamera vorgesehen, die mit einer Steuereinrichtung verbunden ist. Erfindungsgemäß erfolgt das Detektieren des Erreichens der Befüllungsgrenze mit Hilfe eines Mustererkennungsverfahrens. Hierbei wird das aktuelle von der Kamera erzeugte Bild mit einem gespeicherten Bild verglichen, so dass aufgrund des Vergleichs festgestellt werden kann, ob der Behälter bis zur Befüllungsgrenze befüllt ist. Vorzugsweise weist die Kamera hierbei einen Winkel von etwa 40°-50° gegenüber der Befüllungsgrenze in dem Behälter, bei der es sich vorzugsweise um die Obergrenze des Behälters handelt, auf.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Zähleinrichtung und/oder als Detektionseinrichtung ein Mittel zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung und eine Empfangseinrichtung eingesetzt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Art Lichtschranke handeln. Durch die Erzeugungseinrichtung wird ein Lichtstrahl oder ein anderer elektromagnetischer Strahl erzeugt und von der Empfangseinrichtung wahrgenommen. Zum Zählen der Tropfen wird vorzugsweise eine Signalunterbrechung an dem Empfänger wahrgenommen, wobei jede Signalunterbrechung einem Tropfen entspricht. Ferner ist es möglich, den Empfänger derart anzuordnen, dass er eine Reflektion der Strahlung wahrnimmt. Ein von einem Tropfen reflektierter Lichtstrahl oder dgl. erzeugt somit in der Empfangseinrichtung ein Signal. Bei dieser Ausführungsform entspricht jedes empfangene Signal einem Tropfen.

Diese Einrichtung, wie beispielsweise eine Lichtschranke, kann auch verwendet werden, um zu detektieren, dass die Befüllungsgrenze erreicht ist. Hierbei wird vorzugsweise als Befüllungsgrenze die Oberkante des Behälters verwendet. Der Lichtstrahl verläuft horizontal unmittelbar oberhalb der Oberkante des Behälters. Sobald der Behälter voll ist, wölbt sich die in dem Behälter vorhandene Flüssigkeit aufgrund der Oberflächenspannung. Dies führt zu einer dauerhaften Unterbrechung oder Reflektion des Strahls. Durch das Vorsehen einer Lichtschranke oder eines entsprechenden Mittels kann somit das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise durchgeführt werden, wobei vorzugsweise dieses Mittel sowohl als Zähleinrichtung sowie als Detektionseinrichtung eingesetzt wird.

Zur Wahrnehmung einzelner Tropfen wird ein Zähler zum Zählen der einzelnen Tropfen vorzugsweise dann um 1 erhöht, wenn die Signalunterbrechung bzw. das festgestellte Signal einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Zur Feststellung des Erreichens der Befüllungsgrenze ist vorzugsweise ebenfalls ein Grenzwert festgesetzt, bei dessen Überschreiten aufgrund einer Signalunterbrechung bzw. aufgrund eines Signals ein weiteres nachfolgendes Signal ausgelöst wird, durch das der Berechnungseinheit mitgeteilt wird, dass der Behälter voll ist. Gleichzeitig mit dem Feststellen des Erreichens der Befüllungsgrenze wird die gezählte Tropfenanzahl festgehalten und an eine Berechnungseinrichtung übermittelt.

Bei Erreichen der Befüllungsgrenze wird vorzugsweise ein Stoppsignal an die Tropfenabgabevorrichtung übermittelt und die Tropfenzufuhr unterbrochen.

Zur Bestimmung des Tropfenvolumens kann die Probenflüssigkeit selbst verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass exakt die Viskosität der entsprechenden Flüssigkeit berücksichtigt wird. Bei der Verwendung von Pipettiereinrichtungen kann die abgegebene Probenflüssigkeit anschließend wieder dem Behältnis zur Bestimmung des Tropfenvolumens entnommen werden, sodass keine Probenflüssigkeit verloren geht. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Tropfenvolumens jedoch mit einer Testflüssigkeit, die im Wesentlichen dieselbe Viskosität wie die abzugebende Probenflüssigkeit aufweist.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung des Tropfenvolumens, insbesondere für die Generierung von chemischen und/oder biologischen Probenvolumina. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Tropfenabgabevorrichtung, wie beispielsweise eine Pipettier- oder Dispensiereinrichtung auf. Ferner ist mindestens ein Behälter mit bekanntem Volumen vorgesehen, der mit Hilfe der Tropfenabgabevorrichtung tropfenweise befüllt wird. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Zähleinrichtung zum Bestimmung der von der Tropfenabgabevorrichtung abgegebene Tropfenanzahl bis zum Erreichen einer Befüllungsgrenze auf. Bei der Zähleinrichtung kann es sich, wie vorstehend beschrieben um eine Art Lichtschranke oder eine Kamera handeln. Besonders bevorzugt ist es als Zähleinrichtung, die vorhandenen Signale der Abgabevorrichtung selbst zu nutzen, da bei diesen üblicherweise die Tropfenabgabe durch Erzeugung eines Impulses erfolgt. Die Impulse können unmittelbar gezählt werden. Durch die Impulse erfolgt auch das Befüllen der einzelnen Behälter (Wells), beispielsweise bei Hochdurchsatz- Screening-Verfahren. Ferner ist eine Detektionseinrichtung zum Detektieren des Erreichens der Befüllungsgrenze vorgesehen. Bei der Detektionseinrichtung handelt es sich vorzugsweise wiederum, wie vorstehend beschrieben, um eine Art Lichtschranke oder eine Kamera mit Bildverarbeitung. Mit der Zähleinrichtung und der Detektionseinrichtung, bei der es sich, wie vorstehend beschrieben, um dieselbe Einrichtung handeln kann, ist vorzugsweise eine Berechnungseinrichtung, zur Bestimmung des Tropfenvolumens aus dem Behältervolumen und der Tropfenanzahl, verbunden. Diese Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Als Detektionseinrichtung und/oder Zähleinrichtung ist vorzugsweise eine Kamera, insbesondere eine CCD-Kamera vorgesehen.

Die Zähleinrichtung, die Detektionseinrichtung und/oder die Berechnungseinrichtung sind insbesondere derart ausgebildet, dass sie zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung während des Befüllens eines Behälters,
Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform mit vollem Behälter,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, und
Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines annähernd gefüllten Behälters.
Eine Abgabeeinrichtung 10, bei der es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Dispensiereinrichtung handelt, weist einen mit einem Vorratsbehälter verbundenen Zuführkanal 12 auf. Durch den Zuführkanal 12 wird eine Test- oder Probenflüssigkeit einer Kammer 14 zugeführt. Die Kammer 14 ist mit einer Kapillare 16 verbunden, durch die Tröpfchen 18 in Richtung eines Behälters 20 abgegeben werden. Zur Tröpfchenabgabe weist die Dispensiereinrichtung 10 eine Mikropumpe in Form eines Piezo-Aktors 22 auf. Durch Anlegen eines elektrischen Signals an den Piezo-Aktor wird Druck auf die Kammer 14 ausgeübt, so dass ein Tröpfchen 18 abgegeben wird. Zur Erzeugung eines elektrischen Signals ist der Piezo-Aktor 22 mit einer Berechnungs- und Steuereinrichtung 24 verbunden. Dieses elektrische Signal wird vorzugsweise unmittelbar gezählt, so dass die Zahl der von der Dispensiereinrichtung 10 abgegebenen Tröpfchen 18 bekannt ist.
Die Tropfen 18 werden in den Behälter 20 abgegeben, dessen Volumen bekannt und in der Berechnungs- und Steuereinrichtung 24 gespeichert ist. Ferner kann eine Lichtschranke mit einem Mittel 26 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Strahls, wie einem Lichtstrahl, sowie eine dem Mittel 26 gegenüberliegende Empfangseinrichtung 28 vorgesehen sein. Ein zwischen dem als Sender 26 ausgebildeten Mittel zur Erzeugung eines elektromagnetischen Strahls und dem Empfänger 28 verlaufender Lichtstrahl 30 wird durch einen in den Behälter 20 fallenden Tropfen 18 kurzfristig unterbrochen. Diese Unterbrechung wird von dem Empfänger 28 wahrgenommen. Der Empfänger 28 erzeugt je wahrgenommener Unterbrechung ein Signal, das über eine Leitung 32 an die Berechnungs- und Steuereinheit 24 weitergegeben wird. Jedes von dem Empfänger 28 abgegebene Signal löst einen Zählvorgang in der Berechnungs- und Steuereinrichtung 24 aus, in der ein Zähler jeweils um 1 erhöht wird. Ebenso ist es möglich, den Zähler unmittelbar in dem Empfänger 28 vorzusehen. Dies verringert die Anzahl der zu übertragenden Signale zwischen dem Empfänger 28 und der Berechnungs- und Steuereinrichtung 24. Nach Abschluss eines Befüllvorgangs erfolgt sodann eine Übermittlung der Anzahl der von dem Empfänger 28 gezählten Tropfen an die Berechnungs- und Steuereinrichtung 24.
Das Zählen der einzelnen Tropfen 18 kann wie vorstehend beschrieben auch auf einfache Weise durch unmittelbares Zählen durch des an den Piezo-Aktor angelegten elektrischen Impulses erfolgen, da durch jeden Impuls ein Tropfen 18 abgegeben wird. Hierdurch kann die Lichtschranke oder eine andere Detektionseinrichtung erheblich einfacher ausgebildet sein, da durch die Detektionseinrichtung sodann nur noch das Erreichen der Befüllungsgrenze detektiert werden muss.
Ein Befüllvorgang ist bei Erreichen einer Befüllungsgrenze 34, bei der es sich um die Oberkante des Behälters 20 handeln kann, abgeschlossen. Um das Erreichen der Befüllungsgrenze 34 (Fig. 2) zu detektieren, ist der Sender 26 sowie der Empfänger 28 in derselben horizontalen Höhe unmittelbar oberhalb der Behälteroberkante angeordnet. Sobald die Flüssigkeit 36 die Behälteroberkante 34 erreicht, erfolgt aufgrund der Oberflächenspannung eine konvexe Krümmung bzw. Ausbeulung der Flüssigkeit. Durch diese Ausbeulung 38 wird der Lichtstrahl 30 unterbrochen. Da es sich hierbei um eine dauerhafte Unterbrechung des Lichtstrahls 30 handelt, kann von dem Empfänger 28 und/oder der Berechnungs- und Steuereinrichtung 24 festgestellt werden, dass es sich nicht um eine Unterbrechung des Lichtstrahls 30 aufgrund eines Tropfens 18 handelt. Hierzu muss lediglich eine zeitliche Grenze für die Dauer der Unterbrechung des Lichtstrahls 30 in der Berechnungs- und Steuereinheit gespeichert sein. Sobald dieser Grenzwert überschritten ist, ist der Berechnungs- und Steuereinheit bekannt, dass der Behälter 20 mit Flüssigkeit gefüllt ist.
Vorzugsweise wird zu diesem Zeitpunkt die Tropfenabgabe unterbrochen, indem die Berechnungs- und Steuereinheit 24 den Piezo- Aktor 22 entsprechend ansteuert. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Berechnungs- und Steuereinrichtung 24 feststellt, bzw. ihr von dem Empfänger 28 mitgeteilt wird, dass der Behälter bis zur Befüllungsgrenze 34 befüllt ist, wird das Zählen der Tropfen 18 unterbrochen. Aus der somit bekannten Tropfenzahl, die zum Befüllen des Behälters 20 erforderlich war, kann das Volumen eines einzelnen Tropfens berechnet werden, da das Befüllungsvolumen des Behälters 20 bekannt ist.
In den Fig. 3 und 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hierbei sind Einrichtungen, die denjenigen der ersten Ausführungsform (Fig. 1 und 2) entsprechend mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Anstatt des Vorsehens einer Lichtschranke mit einem Sender 26 und einem Empfänger 28 ist eine Kamera 40 vorgesehen, die über eine Leitung 42 mit der Berechnungs- und Steuereinheit 24 verbunden ist. Von der Kamera 40 wird ein der Kamera gegenüberliegender Bereich der Befüllungsgrenze 34, d. h. der Behälteroberkante beobachtet. Zu diesem Bereich, d. h. zu einer Horizontalen ist die Kamera vorzugsweise in einem Winkel von etwa 45° angeordnet.
Die Tropfen 18 fallen beim Füllen des Behälters 20 durch das Blickfeld der Kamera 40. Durch eine geeignete Mustererkennung erfolgt in der Berechnungs- und Steuereinheit 24 ein Erkennen eines Tropfens. Bei jedem erkannten Tropfen wird ein in der Berechnungs- und Steuereinheit 24 vorgesehener Zähler um 1 erhöht.
Zusätzlich wird mit der Kamera 40 detektiert, wann die Befüllungsgrenze 34 erreicht ist. Dies erfolgt vorzugsweise wiederum mit Hilfe von Mustererkennungsverfahren. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ändert sich das von der Kamera wahrgenommene Bild mit steigendem Flüssigkeitspegel der Flüssigkeit 36 in dem Behälter 20. Zur Mustererkennung ist in der Berechnungs- und Steuereinrichtung 24 beispielsweise ein Bild abgespeichert, in dem der Behälter vollständig bis zu der Befüllungsgrenze 34 befüllt ist. Durch einen entsprechenden Bildvergleich des aktuellen von der Kamera 40 aufgenommenen und des gespeicherten Bildes kann auf einfache Weise festgestellt werden, dass der Behälter 20 vollständig befüllt ist. Mit Hilfe der Kamera 40 ist es auf einfache Weise auch möglich eine Befüllungsgrenze 34 zu detektieren, die weiter unten im Behälter 20, d. h. nicht an dessen Oberkante vorgesehen ist.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die beiden vorstehenden bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu kombinieren. Beispielsweise kann die Detektion des Erreichens der Befüllungsgrenze 34 mit Hilfe einer Kamera und das Zählen der Tropfen mit Hilfe einer Lichtschranke erfolgen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung eines Tropfenvolumens, insbesondere für die Generierung von chemischen und/oder biologischen Probenvolumina, insbesondere für das Befüllen von Titerplatten im Hochdurchsatzscreening, mit den Schritten:

a) tropfenweises Befüllen mindestens eines Behälters (20) mit bekanntem Volumen mit einer Tropfenabgabevorrichtung (10),

b) Zählen der in den Behälter (20) abgegebenen Tropfen (18) mit einer Zähleinrichtung (24) bis zum Erreichen einer Befüllungsgrenze (34),

c) Detektieren des Erreichens der Befüllungsgrenze (34) mit einer Detektionseinrichtung (26, 28; 40), und

d) Bestimmen des Tropfenvolumens aus dem Behältervolumen und der Tropfenanzahl.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem in den Schritten a) und b)

1. ein erster Behälter (20) mit einer festgelegten Tropfenanzahl befüllt wird,

2. detektiert wird, ob die Befüllungsgrenze (34) erreicht, über- oder unterschritten ist;

3. ein weiterer Behälter (20) mit einer erhöhten oder erniedrigten Tropfenanzahl befüllt wird, wenn die Befüllungsgrenze (34) über- bzw. unterschritten wurde,

4. der Schritt a2) wiederholt wird, und

5. die Schritte a3) und a4) wiederholt werden, bis das Erreichen der Befüllgrenze (34) detektiert wird (Schritt C).

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Erhöhung oder Erniedrigung der Tropfenanzahl (Schritt a3) mit zunehmender Wiederholungsanzahl des Schrittes a3) verringert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem die in den ersten Behälter (20) abgegebene Tropfenanzahl aus einer geschätzten Tropfengröße und der bekannten Behältergröße bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei welchem die Detektionseinrichtung eine mit einer Steuereinrichtung (24) verbundene Kamera (40) aufweist und das Tropfenzählen und/ oder Detektieren des Erreichens der Befüllungsgrenze (34) durch Mustererkennungsverfahren erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei welchem die Detektionseinrichtung ein mit einer Steuereinrichtung (24) verbundenes Mittel (26) zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung und eine Empfangseinrichtung (28) aufweist, wobei die Tropfen aufgrund eines festgestellten Signals oder einer festgestellten Signalunterbrechung an der Empfangseinrichtung (28) gezählt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Erreichen der Befüllungsgrenze (34) aufgrund eines einen Grenzwert überschreitenden Signals bzw. einer einen Grenzwert überschreitenden Signalunterbrechung festgestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, bei welchem bei Erreichen der Befüllungsgrenze (34) die Tropfenzufuhr durch Erzeugen eines Stoppsignals unterbrochen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, bei welchem die Tropfen (18) in einer Anfangsphase in kürzeren zeitlichen Abständen als in einer Endphase des Befüllens des Behälters (20) von der Tropfenabgabevorrichtung (10) abgegeben werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, bei welchem das Erreichen der Befüllungsgrenze (34) durch Detektieren einer Oberflächenwölbung (38) der in dem Behälter (20) enthaltenen Flüssigkeit (36) festgestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, bei welchem die Befüllungsgrenze (34) die Behälteroberkante ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, bei welchem das Volumen je abgegebenem Tropfen kleiner als 900 pl, insbesondere kleiner als 500 pl ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, bei welchem eine Testflüssigkeit zur Volumenbestimmung verwendet wird, wobei insbesondere eine Abweichung der Viskosität der Testflüssigkeit gegenüber der Viskosität der Probenflüssigkeit geringer als 20%, besonders bevorzugt geringer als 10% ist.

14. Vorrichtung zur Bestimmung eines Tropfenvolumens, insbesondere für die Generierung von chemischen und/oder biologischen Probenvolumina, insbesondere für das Befüllen von Titerplatten im Hochdurchsatzscreening, mit
einer Tropfenabgabevorrichtung (10),
mindestens einem von der Tropfenabgabevorrichtung (10) tropfenweise befüllbaren Behälter (20) bekannten Volumens,
einer Zähleinrichtung (24) zum Zählen der in den Behälter (20) abgegebenen Tropfen bis zum Erreichen einer Befüllungsgrenze (34),
einer Detektionseinrichtung (26, 28; 40) zum Detektieren des Erreichens der Befüllungsgrenze (34) und
einer mit der Zähleinrichtung (24) und der Detektionseinrichtung (26, 28; 40) verbundenen Berechnungseinrichtung (24) zum Bestimmen des Tropfenvolumens aus dem Behältervolumen und der Tropfenanzahl.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung eine Kamera (40), insbesondere eine CCD-Kamera aufweist und die mit der Kamera (40) verbundene Steuereinrichtung (24) zum Zählen der Tropfen (18) und/oder zum Detektieren des Erreichens der Befüllungsgrenze (34) ein Mustererkennungsverfahren durchgeführt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung ein mit der Steuereinrichtung (24) verbundenes Mittel (26) zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung und eine Empfangseinrichtung (28) aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (26, 28; 40) horizontal auf Höhe der Befüllungsgrenze (34) angeordnet ist.