DE102006034245C5

DE102006034245C5 - Positioniereinrichtung zur Positionierung von Pipetten

Info

Publication number: DE102006034245C5
Application number: DE102006034245.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Trump
Original assignee: Stratec Biomedical Systems AG
Current assignee: Stratec Se De
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2026-07-22
Also published as: US20080019878A1; DE102006034245A1; DE102006034245B4; US7976794B2

Abstract

Positioniereinrichtung zur Positionierung von Pipetten (10), insbesondere bei Ansaug- und/oder Abgabevorgängen von Medien bei medizinisch-technischen Anwendungen mit – wenigstens einer Pipettiervorrichtung mit wenigstens einer bedarfsweise abnehmbaren Pipette (10) bzw. Pipettenspitze (11), – mehreren Antriebseinheiten (A, B, C) zur Positionierung der Pipette bzw. der Pipettenspitze und zur Bewegung in gegebenenfalls mehreren Richtungen (X, Y) über eine Arbeitsfläche (12) und in einer Richtung (Z) quer zur Arbeitsfläche (12) auf die Arbeitsfläche zu oder von der Arbeitsfläche weg, – einem in der Richtung (Z) quer zur Arbeitsfläche (12) bewegbaren Schlitten (20), an dem die Pipette (10) bzw. Pipettenspitze (11) lösbar befestigt ist, – wenigstens einem Pumpantrieb (13) mit wenigstens einer Pumpe (14) und wenigstens einer Pumpkammer (15, 16) zum Ansaugen und/oder Abgeben des Mediums, der mit Pumpe und Pumpkammer vom quer zur Arbeitsfläche (12) bewegbaren Schlitten (20) aufgenommen und in diesen integriert ist, – einer Steuereinheit zur Steuerung zumindest der Antriebseinheiten (A, B, C) und des Pumpantriebes (13) in Verbindung mit zugehörigen Messeinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (50) zur Steuerung des Pumpantriebs (13) in Verbindung mit zugehörigen Messeinrichtungen im Schlitten (20) integriert ist, dass der Pumpantrieb (13) eine Spindel mit zugehöriger Spindelmutter zur Bewegung wenigstens eines Pumpstößels (31, 32) antreibt, und dass der in der Richtung (Z) quer zur Arbeitsfläche (12) bewegbare Schlitten (20) im Übrigen eine Profilschiene (21) mit wenigstens einem sich in Längsrichtung der Profilschiene erstreckenden Hohlraum (22) ist, in welchem Hohlraum (22) Spindel, Spindelmutter sowie Pumpe mit Pumpstößel (31, 32) und Pumpkammer aufgenommen sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Positioniereinrichtung zur Positionierung von Pipetten bzw. Pipettierspitzen, insbesondere bei Ansaug- und/oder Abgabevorgängen von Medien bei medizinisch-technischen Anwendungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Aus der DE 691 26 690 T2 und der zugehörigen EP 0 478 753 B1 ist ein automatisiertes Labor für Molekularbiologie bekannt, in dem eine mehrachsige Positioniereinrichtung verwendet wird. Der für die Positionierung mit mehreren Schlitten eingesetzte kartesische Roboter wird dort auf Seite 27, Zeile 31 bis Seite 34, Zeile 9 beschrieben. An zwei horizontal beweglichen, in X- und Y-Richtung verfahrbaren Schlitten ist in vertikaler Richtung ein dritter Schlitten verfahrbar, der über eine Zahnstange angesteuert wird. Gemäß den dortigen 3A bis 3E ist eine Nadelbaugruppe verschiebbar in einer Bohrung der Zahnstange federnd gelagert. Ein nichtleitender Polymerschlauch führt von der Nadelspitze zu den Pumpen, die in 1 auf der linken Seite außerhalb des Schlittens angeordnet sind ( EP 0 478 753 B1 , Spalte 9, Zeilen 22 bis 39), so dass ein zusätzlicher Aufwand für Verkabelung und Schlauchverbindung zu den Pumpen erforderlich ist.
Aus der DE 198 47 869 A1 ist die Verwendung von Mikropumpen in Verbindung mit Pipetten bekannt. Aus der Zeichnung ist eine Trennung zwischen Pipette und Pumpen zu erkennen und es bleibt offen, wo genau die Pumpen angebracht sind. Mikropumpen haben zudem den Nachteil, dass sie für die vorliegende Anwendung nicht präzise genug arbeiten.
EP 0 246 632 B1 zeigt eine Pipettiereinrichtung mit einem automatischen Mechanismus zum Austausch von Pipettierspitzen. Gemäß Anspruch 1 ist eine Einrichtung zur Versorgung des unteren Endes des Pipettenteils mit einer Luftzuführung und einer Auslasseinrichtung vorgesehen, wodurch die Auslassspitze mit Luft versorgt werden oder Luft daraus angesaugt werden kann. Diese Leitung zur Pumpe oder Versorgungsleitung 17 führt jedoch in 5(a) vom Schlitten weg, so dass die Pumpe nicht im Schlitten integriert ist.
Gemäß 1 der US 5,306,510 A wird in einem XY-System ein Block mit Pipetten verschoben. Über einer Montageplatte 50 sind gemäß 2 Stellmotoren zum Zustellen der Pipettenspitzen angeordnet. Gemäß Spalte 8, Zeilen 42 bis 54 ist die Pumpanordnung nicht im Detail dargestellt, und die Pumpkammer am Arm befestigt, der auf und nieder gefahren werden kann. Gemäß Spalte 11, Zeilen 6 bis 7 sind die Pumpen jedoch außerhalb des XY-Achsenrahmens angeordnet.
Aus der WO 2005/010383 A1 ist eine dreiseitige Lagerung mit Federvorspannung bekannt, die eine exakte Positionierung und Lagerung eines Profils und auch eines Zahnstangenprofils erlaubt. Durch die dreiseitige Lagerung kann auf Bremsmechanismen im stromlosen Zustand verzichtet werden. Ebenso ist aufgrund der Federung das System spielfrei aufgenommen, was zu einer optimierten Pipettierqualität führt.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch einen kompakten Aufbau der Positioniereinrichtung ein präziseres Pipettieren zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Positioniereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Bei dieser Lösung wird der quer zur Arbeitsfläche verwendete Schlitten gleichzeitig zur Aufnahme der Pipettiervorrichtung genutzt, wobei vor allem der Pumpantrieb und die Pumpkammern vom Schlitten aufgenommen sind und vorzugsweise in den Schlitten integriert sind. Dadurch kann auf Schlauchverbindungen und extern platzierte Pumpen und Ventile verzichtet werden. Da damit auf im Stand der Technik übliche, aufwendig verlegte und geführte Schlauchverbindungen verzichtet wird, erleichtert ein derartiger Aufbau die Integrationsfähigkeit des Systems. Die Reduzierung dieser Verbindungen und Leitungen trägt auch zu einer erhöhten Präzision bei. Für die Präzision jedes Pipettiersystems ist das Totvolumen zwischen Pumpe und Pipettiernadel entscheidend. Durch die Integration der Pumpe in den Schlitten wird das Totvolumen von mehreren Millilitern, wie es bei üblichen Pipettiersystemen bei Schlauchlängen von mindestens zwei Meter mit einem Innendurchmesser von 1,5 mm schnell über drei Milliliter betragen kann, auf deutlich unter einen Milliliter im Wesentlichen durch die Verbindungsbohrung im Ventilverteiler verringert. Dabei wird der quer zur Arbeitsfläche bewegbare Schlitten durch eine Profilschiene gebildet. Durch die Form des Profils kann ein hoher Integrationsgrad erzielt werden, indem innerhalb des Profils Komponenten angeordnet werden können.
Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 2 können mehrere Pumpkammern und/oder mehrere Pumpen unterschiedlichen Volumens in den Schlitten integriert werden. Dadurch kann zum einen der nutzbare Pipettier-Volumenbereich erweitert werden, und es kann gleichzeitig für das gewünschte Pipettiervolumen die geeignete Pumpe angewählt werden, sofern mehrere Pumpen vorhanden sind. Dies erlaubt somit eine optimierte Pipettierpräzision über einen großen Volumenbereich. Damit muss die Einrichtung nicht auf das größtmögliche Pipettiervolumen ausgelegt werden, was insbesondere bei kleineren Volumina zu einer höheren Präzision führt.
Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 9 können auch Mehrnadelanordnungen auf einfache Weise hergestellt werden. Verwendet werden identische Baueinheiten, die lediglich aneinander zu koppeln sind. Durch die gewählte Geometrie der Profilschiene ergibt sich eine feststehende Spreizung, ohne das Feinjustagen erforderlich sind. Werden diese Systeme zudem mit einem Y-Schlitten versehen, welcher sowohl den Z-Antrieb als auch einen Y-Antrieb z. B. über eine Spindelmutter beinhaltet, wird ein autonomes Spreizen und Positionieren des Moduls entlang der Y-Achse möglich. Die Identität der Baueinheiten verbessert die Übersichtlichkeit des gesamten Systems, erleichtert den Service und die Produktion der Systeme insgesamt.
Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 13 kann auch die Drucksensorik im Schlitten integriert sein. Dadurch kann auf Schlauchverbindungen zwischen Pipettierspitze und Drucksensor verzichtet werden, deren Flexibilität die Präzision der Drucksensorik beeinträchtigt. Gleichzeitig wird die Signalqualität erhöht und die Ansprechzeit des Drucksensors durch die direkte Ankopplung des Sensors verringert.
Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 15 kann eine barometrische Phasengrenzenerfassung (Liquid Level Detection (LLD)) integriert werden. Dabei können die bereits integrierten Pumpen genutzt werden, um den Staudruck geregelt zu erzeugen. Aufgrund des insgesamt geringeren Totvolumens des Systems sind die Ansprechzeiten für die barometrische LLD besser als bei Systemen mit Schlauchsystemen zu externen Pumpen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ansicht einer Positioniereinrichtung für ein Pipettiersystem,
2 eine Ansicht des Pipettiersystems,
3 eine dreidimensionale Schnittdarstellung durch das Pipettiersystem,
4 eine Schnittdarstellung durch das Pipettiersystem,
5 eine Schnittdarstellung durch den Sensorkopf des Pipettiersystems,
6 eine dreidimensionale Schnittdarstellung durch den Sensorkopf des Pipettiersystems,
7 einen Schnitt durch eine in der Z-Achse angeordnete Profilschiene,
8 einen Schnitt durch eine in der Z-Achse angeordnete Mehrfachanordnung,
9, 10 schematische Darstellungen der Lagerung der Profilschiene.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, das sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
Die Figuren zeigen eine Positioniervorrichtung zur Positionierung von Pipetten 10 einer Pipettiervorrichtung insbesondere bei Ansaug- und/oder Abgabevorgängen im medizinisch-technischen Bereich, wobei in einer Profilschiene 21, die vorzugsweise das Zahnstangenprofil 26 bildet oder trägt, die Pipettiervorrichtung weitestgehend in der Zahnstange des Pipettiersystems untergebracht bzw. integriert ist. Mittels dieser Vorrichtung ist es möglich, Flüssigkeiten innerhalb eines Pipettiersystems präzise, reproduzierbar und überwacht an einem Ort aufzunehmen und an einem anderen Ort wieder abzugeben.
1 zeigt die Positioniereinrichtung mit den drei Antriebseinheiten A, B, C als Hauptantriebe für drei Schlitten 30, 40, 20. Die Antriebseinheit A treibt einen ersten Schlitten 30 in einer ersten horizontalen Richtung X an. An diesem Schlitten ist der zweite Antrieb B zur Bewegung eines zweiten Schlittens 40 in einer zweiten horizontalen Richtung X angeordnet, die vorzugsweise im rechten Winkel zur ersten horizontalen Richtung X steht. Am zweiten Schlitten 40 ist die Antriebseinheit C für den dritten Schlitten 20 in einer vertikalen Richtung vorgesehen, wobei der Schlitten 20 im rechten Winkel zur Arbeitsfläche bewegbar ist. Diese Ausführungsform entspricht einer Bewegung innerhalb eines kartesischen Koordinatensystems, wobei die Schlitten unabhängig voneinander angesteuert werden können.
2 zeigt den Schlitten C, der zugleich die Pipettiervorrichtung bildet. Insofern ist in der Positioniereinrichtung die Pipettiervorrichtung mit wenigstens einer bedarfsweise abnehmbaren Pipette 10 bzw. Pipettierspitze 11 aufgenommen. Grundsätzlich dienen die Antriebseinheiten A, B, C zur Positionierung von Pipette bzw. Pipettierspitze unter Bewegung derselben in gegebenenfalls mehreren Richtungen X, Y über einer Arbeitsfläche 12 und in einer Richtung Z quer zur Arbeitfläche 12. Diese Richtungen müssen damit nicht wie im Ausführungsbeispiel horizontal oder vertikal sein, es muss nur sichergestellt sein, dass bedarfsweise ein bestimmter innerhalb des Systems liegender Punkt mit der Pipettenspitze angesteuert werden kann.
Am quer zur Arbeitsfläche 12 bewegbaren dritten Schlitten 20 ist die Pipette 10 bzw. die Pipettenspitze 11 lösbar befestigt. Zur Durchführung des Ansaug- und/oder Abgabevorganges ist wenigstens ein Pumpantrieb 13 mit wenigstens einer Pumpe 14 und wenigstens einer Pumpkammer 15, 16 vorgesehen. Ferner ist eine Steuereinheit zur Steuerung zumindest der Antriebseinheiten A, B, C und des Pumpantriebes 13 in Verbindung mit der zugehörigen Messeinrichtung vorgesehen.
Gemäß den 3 und 4 ist der wenigstens eine Pumpantrieb 13 mit Pumpe 14 und wenigstens einer Pumpkammer 15, 16 in dem quer zur Arbeitsfläche 12 bewegbaren Schlitten 20 vorgesehen und vorzugsweise vom Schlitten 20 aufgenommen und in diesen integriert. Grundsätzlich kann auch nur eine Pumpkammer 15 verwendet werden, im Ausführungsbeispiel sind jedoch mehrere Pumpkammern 15, 16 unterschiedlichen Volumens vorgesehen.
Der Schlitten 20 ist durch eine Profilschiene 21 mit wenigstens einem Hohlraum 22 gemäß 7 gebildet, in dem weitere Komponenten wie z. B. der Pumpantrieb 13 und die Pumpkammern aufgenommen sind. Die Profilschiene 21 weist ferner ein Zahnstangenprofil 26, einen Adaptionsbereich zum Adaptieren der Pipettierspitze 11 und einen Kabelkanal 27 auf. Der Adaptionsbereich 18 ist damit direkt an der Profilschiene 21 aufgenommen, wodurch kritische mechanische Toleranzen entfallen und die Linearität zwischen Zahnstange und Adapterrohr besser einzuhalten und reproduzierbar ist. Dadurch kann auf nur schwer zu justierende Übergänge verzichtet werden, die zu Tiefstellungen und zu mechanischen als auch zu Präzisionseinbußen führen können.
Der Adaptionsbereich 18 der Profilschiene 21 und das Zahnstangenprofil 26 sowie gegebenenfalls der Kabelkanal 27 sind so zwischen den drei Gleitflächen 23, 24, 25 am Profil angeordnet, dass sich der Adaptionsbereich 18 und das Zahnstangenprofil 26 gegebenenfalls mit dem Kabelkanal 27 diametral gegenüberliegen. Damit wird die Voraussetzung für die in 8 dargestellte Mehrfachanordnung geschaffen, die einerseits erlaubt, dass bei einer Mehrfachanordnung benachbarte Profilschienen lediglich um 180 Grad zueinander gedreht werden müssen, die aber auch andererseits in den Zwischenräumen 29 eine Führung der einzelnen Baueinheiten gestattet. Die Geometrie der Profilschiene 21 erlaubt bei wechselseitigem Anordnen ein Anreihen der Systeme z. B. in einem 9 mm Raster, wobei der verbleibende Zwischenraum 29 zwischen den Profilen zur individuellen Lagerung der einzelnen Profilschienen genutzt werden kann. Andere Rasterabstände sind selbstverständlich möglich.
Die Vorrichtung beinhaltet vorzugsweise folgende grundlegenden Elemente:

– Eine Profilschiene 21 mit Zahnstangenprofil 26 mit 3-Flächen Lagerungskonzept
– Aufnahme- und Abgabemechanismus für DiTi (Disposable Tips)
– DiTi Detektionssensor zur Anwesenheitskontrolle
– Einen Pumpantrieb 13 mit Pumpe 14 und Pumpenstößelantrieb mit Initialisierungssensor, Lageregelung und Überwachung
– Wenigstens eine Pumpkammer 15, 16 für Mono- oder Dualbetrieb
– Ventile zur Pumpkammernanwahl, Entlüftung, usw.
– Drucksensor zur Systemdrucküberwachung, Ansaugüberwachung
– Barometrische Phasengrenzenerfassung (Liquid Level Detektion)
– Kapazitive Phasengrenzenerfassung (Liquid Level Detektion)
– Anreihbarkeit zu Mehrnadelanordnungen
– Integrierte Digitale Signal Verarbeitung
– Bei Mehrnadelmodulen integrierter Z- und Y Antrieb.

Dieses System wird anstelle von herkömmlichen vertikal bewegten Zahnstangen eingesetzt und vorzugsweise mit herkömmlicher Antriebstechnik in drei Richtungen X, Y, Z bewegt. Für die Z-Bewegung wird eine Profilschiene 21 eingesetzt, die entsprechende Führungsflächen und Antriebsschnittstellen (Verzahnung) bietet. Antriebseinheit C für die Bewegung in Richtung Z und die zugehörige Sensorik sind Bestandteil der Y-Achsen-Baugruppen, also des Schlittens 40.
Die Systeme können ebenso in Mehrnadelanordnungen angereiht werden. Hierbei beinhaltet jedes Modul einen Schlitten 40 mit autonomen Antriebseinheiten B, C zur Bewegung in Richtung Y und Z. Hiermit lassen sich mehrkanalige Pipettiersysteme beliebiger Anzahl aufbauen. Wesentlicher Vorteil beim Einsatz des Systems ist, dass die im quer zur Arbeitsfläche bewegbaren dritten Schlitten 20 angeordneten Systeme dort weitestgehend integriert sind, so dass keine Schlauchverbindungen zu externen Pumpen, Drucksensoren o. ä. benötigt werden. Dies vereinfacht vor allem bei Mehrfachanordnungen wesentlich Aufbau und Komplexität des gesamten Pipettiersystems.
Dazu bildet der durch eine Profilschiene 21 gebildete dritte Schlitten 20 eine weitestgehend in sich abgeschlossene Baugruppe mit nur wenigen Schnittstellen nach außen. Mechanisch bietet das Zahnstangenprofil 26 die Schnittstelle zum Pipettiersystem (mit erstem Schlitten 30, beweglich in X-Richtung, und zweiten Schlitten 40, beweglich in Y-Richtung); zur elektrischen Verbindung kann z. B. ein Folienbandkabel vorgesehen werden, wobei auch andere elektrische Verbindungen möglich sind. Damit bietet das System aufgrund der wenigen und klar definierbaren Schnittstellen gute Eigenschaften zur Integration in diverse Pipettiersysteme.
Die vorzugsweise als dritter Schlitten 20 eingesetzte Profilschiene 21 wird meist in der Richtung Z bewegt und damit meist vertikal. Wenn daher im Folgenden von „oben” und „unten” die Rede ist, bezieht sich dies auf die Anordnung entlang der vertikalen Z-Achse, selbst wenn andere Anordnungen denkbar sind. Die Profilschiene 21 besitzt an ihrem oberen Ende eine Schnittstelle zum Pumpantrieb 13, sowie an ihrem unteren Ende einen Adaptionsbereich 18 zum Adaptieren von Pipettiernadeln sowie eine Schnittstelle zum Sensorkopf 45.
Zentrales Bauteil bildet die Profilschiene 21, deren spezielle Geometrie zumindest einen Teil der Folgenden Funktionen ermöglicht, nämlich

– die Lagerung des Systems am erstem Schlitten 30, beweglich in X-Richtung, und/oder zweiten Schlitten 40, beweglich in Y-Richtung, mittels spielfrei vorgespannten Gleitlagern,
– den Antrieb der Profilschiene mittels des eingebrachten Zahnstangenprofils 26,
– die Aufnahme der Pumpkammern 15, 16 und des Pumpantriebs im Innern des Profils,
– die Aufnahme und Fixierung von Verbindungskabeln in einem Kabelkanal 27,
– die Anreihbarkeit des Systems im Nadelabstand von z. B. 9 mm ermöglicht

Die Profilschienenlagerung beruht gemäß den 9 und 10 auf einer 3-Flächen Gleitlagerung in zwei Ebenen, wobei nach 9 eine Gleitlagerfläche 23 gegen die anderen beiden Gleitlagerflächen 24, 25 federnd über eine Feder 17 vorgespannt ist. Dadurch ergeben sich folgende zum Teil aus der WO 2005/010383 A1 Eigenschaften:

– Die Lagerung ist in X- und Y-Richtung und rotatorisch zur Z-Achse spielfrei,
– Aufgrund der Lagerreibung verbleibt die den dritten Schlitten 20 bildende Profilschiene 21 im stromlosen Zustand der Antriebseinheit C in ihrer letzten Stellung. Somit können die Schlitten nicht auf die Arbeitsfläche 12 in die darunter stehenden Probengefäße o. ä. fallen, und dort Kontaminationen verursachen
– Aufgrund der Lagerreibung wird das Spiel zwischen Zahnstange und antreibendem Zahnrad klar definiert (d. h. die Zahnflanken legen sich immer in Drehrichtung an). Dies ist wichtig für die Positionierung des Systems in Z-Richtung (minimale Totvolumina in Probengefäßen)
– Die Systeme können von Hand verschoben werden, was wichtig für den Service ist, d. h. es gibt keine Selbsthemmung des Antriebs.

Durch Ändern der Länge der Profilschiene 21 lassen sich Systeme mit unterschiedlichen Z-Verfahrwegen realisieren und somit der jeweiligen Applikation anpassen.
Im Bereich des Sensorkopfes 45 ist eine Vorrichtung vorgesehen, die zunächst überprüft, ob eine Einweg-Spitze (Disposable Tip) aufgenommen, anwesend oder abgeworfen ist. Hierzu ist im Sensorkopf eine Abwurfmechanik integriert. Ferner ist eine Verschiebhülse 70 zur Erkennung und zum Abwurf des Disposable Tips vorgesehen. Eine Aufnahmeadapter 71 dichtet den Disposable Tip gasdicht ab, wobei über eine Innenbohrung das Luftvolumen der Pipette mit der Pipettiereinrichtung verbunden wird.
Die 5 und 6 zeigen die Abwurfmechanik, die einen gegen die Kraft einer Feder 72 gelagerten ersten Hebel 73 aufweist, der bei Vorhandensein eines Disposable Tip, d. h. wenn die Adapterhülse 70 am Sensorkopf 45 anliegt, gemäß 5, 6 vom Sensorkopf absteht. Dieser Hebel ist mit einem weiteren Hebel 74 so in Wirkverbindung, dass er im abgeworfenen Zustand des Disposable Tip eine Lichtschranke unterbricht, die anzeigt, dass die Pipettenspitze 11 abgeworfen ist. Andere Sensormöglichkeiten sind zur Erfassung des Vorhandensein des Disposable Tips und zur Bestimmung des Abwurfes möglich.
Im Pumpantrieb 13 ist eine Pumpe vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel durch einen Spindelantrieb gebildet ist. Eine rotierende Spindelmutter treibt eine Spindel als Pumpstößel an, der dann als Kolben in der Pumpkammer wirkt.
Der Pumpantrieb besteht aus einem Antrieb (z. B. ein DC Getriebemotor mit Encoder zur Lageregelung, ein Schrittmotor oder dergleichen), welcher eine Spindel antreibt.
Über diese zur Spindel optimierte, spielarme Spindelmutter wird eine Adapterhülse 28 linear in der Profilschiene 21 bewegt und positioniert, wobei Lageregelung, Spindelgenauigkeit, usw. die Präzision des Pipettiersystems mit bestimmen. Diese Adapterhülse kann zur Längenanpassung verändert oder ausgetauscht werden, um z. B. andere Pumpstößel aufzunehmen.
Das System kann als Mono-System mit nur einer Pumpkammer oder wie im Ausführungsbeispiel der 3 bis mit mehreren Pumpkammern, hier zwei Pumpkammern 15, 16 als Dual-System betrieben werden.
Bei einem Mono-System befindet sich in der Profilschiene 21 eine Pumpkammer 15. Die Pumpkammer ist adaptiert im Ventilverteiler 33 und gasdicht mit einer Dichtung gegen den Pumpstößel 32 abgedichtet. Durch Verschieben des Pumpstößels infolge der Rotation der axial in Richtung Z gehaltenen Spindelmutter wird Luft in der Pumpkammer in den Ventilverteiler 33 verdrängt oder angesaugt. Das verdrängbare Volumen der Pumpkammer kann durch Anpassen des Pumpstößeldurchmessers und der nutzbaren Pumpstößellänge auf die jeweilige Applikation angepasst werden. So lassen sich Systeme für Pipettierungen im μl-Bereich bis in den ml-Bereich durch Anpassen des Volumens der Pumpkammer realisieren. Durch den insgesamt modularen Aufbau der Pumpkammern lassen sich diese einfach wechseln.
Bei einem Dual-System befinden sich im dritten Schlitten 20 zwei hintereinander angeordnete Pumpkammern 15, 16, welche vom Pumpantrieb gemeinsam genutzt werden. Die untere Pumpkammer 16 für kleine Pipettier-Volumina ist direkt adaptiert im Ventilverteiler 33 und gasdicht mit einer Dichtung gegen den unteren Pumpstößel 32 abgedichtet (identisch zum Mono-System). Die obere Pumpkammer 15 für große Pipettier-Volumina wird ebenfalls gasdicht mit dem Ventilverteiler 33 verbunden. Verdrängte Luft der oberen Pumpkammer wird außen an der unteren Pumpkammer 16 geführt und ebenfalls in den Ventilverteiler 33 eingeleitet. Durch Verschieben der beiden mechanisch gekoppelten Pumpstößel 31, 32 wird Luft aus den Pumpkammern in den Ventilverteiler 33 verdrängt oder angesaugt. Die mechanische Kopplung kann z. B. so ausgestaltet sein, dass beide Pumpstößel gemeinsam vom Pumpantrieb 13 angetrieben werden, ihre Wirkung jedoch über den Ventilverteiler 33 beeinflusst wird, indem eine oder keine der Pumpkammern 15, 16 über die Entlüftungsleitung entlüftet wird. Auch hier kann das verdrängbare Volumen der Pumpkammer durch Anpassen des Pumpstößeldurchmessers und der nutzbaren Pumpstößellänge auf die jeweilige Applikation angepasst werden. Eine Anpassung zwischen dem Dual- und dem Mono-System kann z. B. über die Adapterhülse 28 erfolgen.
Durch diese Anordnung lassen sich innerhalb eines Systems zwei Pipettiervolumen realisieren, so dass für das jeweils gewünschte Pipettiervolumen die best geeignete Pumpkammer angewählt werden kann, um eine optimale Pipettierpräzision zu erreichen. Somit kann das System gleichzeitig sowohl im μl Bereich als auch im ml Bereich genutzt werden.
Mittels des Ventilverteilers 33 werden alle nötigen Verbindungen zwischen den Pumpkammern 15, 16 – sowohl im Mono- als auch im Dual-System oder auch bei Mehrkammersystemen –, durch Ventile zur Anwahl der Pumpkammern, zum Entlüften und zur Verbindung zur Pipettiernadel 11 und zur Drucksensorik 19 oder zu alternativen Sensoren wie Durchflussmengensensoren realisiert. Abhängig von der gewünschten Applikation (Mono-, Dual-System; Anwendungsoptionen) kann die interne Struktur des Ventilverteilers 33 angepasst werden. Die externen mechanischen Schnittstellen hingegen zu den Pumpkammern 15, 16, zum Zahnstangenprofil 26, zum Adapter für die Pipettiernadel und zu den Ventilen, usw. bleiben unverändert. Somit ist ein modularer und flexibler Aufbau der Systeme gegeben. Wesentlicher Vorteil dieses Designs ist der schlauchlose Aufbau und damit verbunden die drastische Reduktion der Dichtstellen. Gleichzeitig trägt dies zu einer Steigerung der Präzision des Pipettiersystems durch die starke Reduktion der Totvolumina im System bei.
Im Ventilverteiler sind zwei 3/2-Wege Magnetventile zum Schalten der möglichen Luftwege vorgesehen. Der Ventilverteiler 33 ist über eine Schnittstelle mit der Pumpkammer verbunden und besitzt zudem einen Anschluss zum Adapterbereich 18, ein Entlüftungsventil und einen Anschluss an die Drucksensorik 19.
Mit den genannten Optionen des Ventilverteilers 33 und den Komponenten ergeben sich verschiedene Anwendungsmöglichkeiten, die auch zu dem Fachmann geläufigen unterschiedlichen pneumatischen Beschaltungen führen können. Möglich sind Mono-Systeme mit Systementlüftung, ohne oder mit Entlüftungsfunktion des Disposable Tip, wobei je nach Aufbau ein oder mehrere Ventile eingesetzt werden. Bei den Dualsystemen sind ebenfalls solche mit Entlüftung und ohne Entlüftung des Disposable Tip möglich. Bei einer Ausbaustufe mit z. B. zwei Pumpkammern 15, 16 können bis zu drei 3/2-Wegeventile erforderlich sein. Bei einer derartigen Ausführungsform kann das Kolbenvolumen zur Erweiterung des Pipettier-Volumenbereichs über Ventile angewählt werden. Eine Blasenbildung am Disposable Tip wird bei der LLD-Suche durch separate Entlüftung des Disposable Tip vermieden. Die Kolben sind getrennt vom Disposable Tip beim Nachpositionieren nach der LLD. Damit besteht kein Risiko der Blasenbildung am Disposable Tip bei Nachpositionierung. Die Kolben als auch Disposable Tip können getrennt voneinander entlüftet werden. Dadurch ergibt sich ein funktionssicheres System.
Im Bereich des Sensorkopfes 45 kann eine Drucksensorik 19 angeordnet werden, die dem Ventilverteiler 33 zugeordnet ist. Dieser Drucksensor kann z. B. den Differenzdruck zwischen dem Innendruck der Pipette und dem umgebenden Luftdruck messen. Das Drucksensorsignal kann im Betrieb des Systems verschiedene Funktionen verwirklichen, wie z. B. das Überwachen des Systems auf unzulässige Druckbereiche, Selbstdiagnose, Leckagen des Systems. Es kann aber auch eine barometrische Phasengrenzerkennung (LLD) durchführen oder eine Verifizierung des Ansaug- und/oder Abgabevorganges durch Auswertung der Druckkurven.
Die barometrische Phasengrenzenerkennung beruht auf einer Staudruckmessung von austretender oder angesaugter Luft an der Pipettierspitze 11. Sobald die Pipettierspitze 11 eine Flüssigkeitsoberfläche berührt, ändert sich der Innendruck in der Pipettierspitze. Mit Erkennung dieser Druckänderung wird die Z-Ordinate der Pipettiervorrichtung definiert und damit die Lage der Flüssigkeitsoberfläche ermittelt.
Am Sensorkopf 45 ist ebenso alternativ oder getrennt von der barometrischen LLD eine kapazitive Phasengrenzenerfassung (LLD) möglich. Hierzu ist das Nadelrohr elektrisch isoliert und eine Kontaktfeder für eine kapazitive LLD-Sensorik vorgesehen. Die kapazitive Phasengrenzenerkennung beruht auf einer Messung der Änderung einer elektrischen Kapazität zwischen Gerätemasse und Pipettierspitze 11 bzw. der Spitze des Disposable Tip. Sobald die Pipettierspitze eine Flüssigkeitsoberfläche berührt, ändert sich entsprechend die Kapazität. Mit Erkennung dieser Kapazitätsänderung wird die Z-Ordinate der Z-Achse der Pipettiervorrichtung definiert und somit die Lage der Flüssigkeitsoberfläche ermittelt. Für dieses Verfahren ist es notwendig, dass metallische Nadelrohr mit der Adapterspitze elektrisch isoliert in der Profilschiene 21 aufzunehmen. Ebenso muss der Disposable Tip leitfähig sein, um die elektrische Kapazitätsänderung messen zu können. Durch die mögliche Kombination der kapazitiven mit der barometrischen LLD ergibt sich ein sehr funktionssicheres Pipettiersystem.
Alternativ oder zusätzlich kann am Sensorkopf auch ein Durchflusssensor vorgesehen sein. Mit einem derartigen Durchflusssensor kann die vorbeiströmende Luftmenge z. B. mittels Thermoanemometern quantifiziert werden.
Jede Baueinheit in Form des Schlittens 20 mit zugehörigen Pumpantrieb 13 und weiteren Komponenten verfügt über eine eigene Steuereinheit 50 und damit auch Signalverarbeitungseinheit zur Verarbeitung der Sensorsignale direkt am Messwertaufnehmer. Dies vereinfacht stark die Integration der Baueinheit in Pipettiersysteme, weil das übergeordnete System keine Schnittstellen, usw. hierfür zur Verfügung stellen muss. Zudem kann die Verarbeitungszeit der Signale verringert werden, so dass die Pipettiervorrichtung schnell und flexibel auf die Sensorsignale reagieren kann.
Trotz des hohen Integrationsgrads von für das Pipettieren notwendigen Komponenten im dritten Schlitten 20, bietet das System gute Möglichkeiten der Adaption der Systeme auf unterschiedlichste Applikationen. Der modulare Aufbau der Pumpkammer(n) 15, 16 ermöglicht das Anpassen auf unterschiedliche Pipettiervolumina. Hierbei werden intern definierte Schnittstellen geschaffen, welche die Kompatibilität der Pumpkammern untereinander sichern. Ebenso bietet der Ventilverteiler 33 eine Vielzahl an möglichen Anwendungsoptionen, welche mechanisch keinerlei Auswirkungen auf das System hinsichtlich mechanischer Gegebenheiten haben. Intern definierte Schnittstellen schaffen hier die Modularität. Eine Anpassung des Systems hinsichtlich des realisierbaren Verfahrwegs kann durch einfache Anpassung weniger Teile (Zahnstange, Spindeladapter) erreicht werden.
Aufgrund des Wegfalls von externen Schlauchverbindungen und der Reduktion von elektrischen Verbindungen auf ein Folienbandkabel, ist die Integration in Pipettiersysteme wesentlich vereinfacht. Das simple und dennoch robuste Lagerungskonzept lässt sich leicht umsetzen und auch zu Mehrnadelsystemen anreihen.
Elektrisch wird extern nur ein Folienbandkabel zum Anschluss benötigt. Über dieses Folienbandkabel wird das Modul mit Betriebsspannung versorgt. Über ein CAN-Interface erfolgt die Kommunikation. Unabhängig von der Lage des Systems im Gesamtgerät kann das Modul als CAN-Modul angesprochen werden. Dies vereinfacht, standardisiert und modularisiert den Aufbau von komplexen Pipettiersystemen.
Bezugszeichenliste

10: Pipette
11: Pipettierspitze
12: Arbeitsfläche
13: Pumpantrieb
14: Pumpe
15, 16: Pumpkammer
17: Feder
18: Adaptionsbereich
19: Drucksensorik
20: dritter Schlitten in Z-Richtung
21: Profilschiene
22: Hohlraum
23, 24, 25: Gleitlagerfläche
26: Zahnstangenprofil
27: Kabelkanal
28: Adapterhülse
29: Zwischenraum
30: erster Schlitten in X-Richtung
31, 32: Pumpenstößel
33: Ventilverteiler
40: zweiter Schlitten in Y-Richtung
45: Sensorkopf
50: Steuereinheit
70: Verschiebehülse
71: Aufnahmeadapter
72: Feder
73: erster Hebel
74: weiterer Hebel
A: Antriebseinheit in X-Richtung
B: Antriebseinheit in Y-Richtung
C: Antriebseinheit in Z-Richtung

Claims

Positioniereinrichtung zur Positionierung von Pipetten (10), insbesondere bei Ansaug- und/oder Abgabevorgängen von Medien bei medizinisch-technischen Anwendungen mit – wenigstens einer Pipettiervorrichtung mit wenigstens einer bedarfsweise abnehmbaren Pipette (10) bzw. Pipettenspitze (11), – mehreren Antriebseinheiten (A, B, C) zur Positionierung der Pipette bzw. der Pipettenspitze und zur Bewegung in gegebenenfalls mehreren Richtungen (X, Y) über eine Arbeitsfläche (12) und in einer Richtung (Z) quer zur Arbeitsfläche (12) auf die Arbeitsfläche zu oder von der Arbeitsfläche weg, – einem in der Richtung (Z) quer zur Arbeitsfläche (12) bewegbaren Schlitten (20), an dem die Pipette (10) bzw. Pipettenspitze (11) lösbar befestigt ist, – wenigstens einem Pumpantrieb (13) mit wenigstens einer Pumpe (14) und wenigstens einer Pumpkammer (15, 16) zum Ansaugen und/oder Abgeben des Mediums, der mit Pumpe und Pumpkammer vom quer zur Arbeitsfläche (12) bewegbaren Schlitten (20) aufgenommen und in diesen integriert ist, – einer Steuereinheit zur Steuerung zumindest der Antriebseinheiten (A, B, C) und des Pumpantriebes (13) in Verbindung mit zugehörigen Messeinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (50) zur Steuerung des Pumpantriebs (13) in Verbindung mit zugehörigen Messeinrichtungen im Schlitten (20) integriert ist, dass der Pumpantrieb (13) eine Spindel mit zugehöriger Spindelmutter zur Bewegung wenigstens eines Pumpstößels (31, 32) antreibt, und dass der in der Richtung (Z) quer zur Arbeitsfläche (12) bewegbare Schlitten (20) im Übrigen eine Profilschiene (21) mit wenigstens einem sich in Längsrichtung der Profilschiene erstreckenden Hohlraum (22) ist, in welchem Hohlraum (22) Spindel, Spindelmutter sowie Pumpe mit Pumpstößel (31, 32) und Pumpkammer aufgenommen sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schlitten (20)mehrere Pumpkammern (15, 16) unterschiedlichen Volumens vorgesehen sind.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pumpkammern (15, 16) im Schlitten (20) hintereinander angeordnet sind, wobei in der einen Pumpkammer (15) bei Betätigung verdrängte Luft um die andere Pumpkammer (16) im Schlitten (20) herumgeführt wird.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (20) über eine 3-Flächen-Gleitlagerung in zwei Ebenen gelagert ist, wobei eine Gleitlagerfläche (23) gegen die anderen zwei Gleitflächen (24, 25) durch eine Feder (17) vorgespannt ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilschiene (21) einen Zahnstangenprofil (26) aufweist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilschiene (21) einen Adaptionsbereich (18) zum Adaptieren der Pipettierspitze (11) aufweist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilschiene (21) einen Kabelkanal (27) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptionsbereich (18) zum Adaptieren der Pipettierspitze (11) und das Zahnslangenprofil (26) sowie gegebenenfalls der Kabelkanal (24) so zwischen den drei Gleitlagerflächen (23, 24, 25) angeordnet sind, dass sich der Adaptionsbereich (18) und das Zahnstangenprofil (26) gegebenenfalls mit dem Kabelkanal (27) diametral gegenüberliegen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Profilschienen (21) für Mehrnadelsysteme aneinanderreihbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende, nebeneinanderliegende Profilschienen (21) zueinander im Profilquerschnitt um 180 Grad zueinander gedreht sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpantrieb (14) ein Spindelantrieb ist, über den eine Adapterhülse (28) wenigstens einen Pumpenstößel (31, 32) als Kolben innerhalb der Pumpkammern (15, 16) antreibt.
Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenstößel (31, 32) der beiden Pumpkammern (15, 16) mechanisch gekoppelt sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drucksensorik (19) am Schlitten (20) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Schlitten (20) ein Ventilverteiler (33) vorgesehen ist, der mit der wenigstens einen Pumpkammer (15, 16) der Pipette (10) und einer Drucksensorik (19) in Verbindung steht.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Schlitten (20) Mittel zur barometrischen und/oder kapazitiven Flüssigkeitsgrenzerfassung (Liquid Level Detection) vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung drei Antriebseinheiten (A, B, C) alsHauptantriebe aufweist, von denen einer (A) einen ersten Schlitten (30) in einer ersten horizontalen Richtung (X) antreibt, an welchem Schlitten der zweite Antrieb (B) zur Bewegung eines zweiten Schlittens (40) in einer zweiten horizontalen Richtung (Y) angeordnet ist, die vorzugsweise im rechten Winkel zur ersten horizontalen Richtung (X) liegt, wobei am zweiten Schlitten (40) die Antriebseinheit (C) für den dritten Schlitten (20) in einer vertikalen Richtung (Z) vorgesehen ist, wobei der Schlitten (20) im rechten Winkel zur Arbeitsfläche (12) bewegbar ist.