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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen
Detektion eines Phasenübergangs zwischen wenigstens zwei
Medien und/oder eines statischen Zustands von Medien nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 21.
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Stand der Technik
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Eine
derartige Erkennung eines Phasenübergangs und/oder eines
statischen Zustands ist z. B. bei Dosierungsvorgängen von
Flüssigkeiten erforderlich, die häufig Bestandteil
von Misch- oder Analyseverfahren sind, bei welchen exakte Dosen
von Flüssigkeiten aus Flüssigkeitsmengen entnommen und
beispielsweise miteinander vermischt werden. Solche Vorgänge
sind in chemischen, pharmazeutischen, medizinischen und humanbiologischen
Verfahren an der Tagesordnung, sie können jedoch auch in
anderen technischen Gebieten vorkommen. Unerkannte fehlerhafte Flüssigkeitsdosierungen
können so zu für die Gesundheit von Lebewesen,
insbesondere von Menschen bedenklichen oder sogar gefährlichen
Ergebnissen führen, wenn man allein an die Nutzung derartiger
Dosiervorgänge im pharmazeutischen Bereich denkt. Andererseits
sollen unnötige Ausschussdosierungen vermieden oder Totvolumina soweit
als möglich reduziert werden, um nicht unnötigerweise
wertvolle und unter Umständen nur begrenzt vorhandene Substanzen
zu vergeuden.
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Grundsätzlich
beginnt bei Geräten der klinischen Analytik der Transfer
von definierten Flüssigkeitsvolumina mit einem Ansaugvorgang,
bei dem die zu transferierende Flüssigkeit z. B. in eine
Einmalpipette gesaugt wird. Diese Ansaugung kann durch verschiedene
Umstände gestört sein, zum Beispiel Luftblasen
im Gefäß, Inhomogenität der Flüssigkeit
verursacht durch Koaglutinate, technische Fehler im System wie Undichtigkeiten,
usw. Alle diese Umstände führen zu einer Abweichung
des Ist- vom Soll-Ansaugvolumen. Derartige Umstände machen
sich auch an dem bzw. den Phasenübergang bzw. -übergängen
zwischen dem angesaugten flüssigen Medium und dem in der
Pipette befindlichen Gas bemerkbar.
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Aus
der
DE 696 23 879
T2 und der
DE
699 14 604 T2 ist bereits die Bedeutung der Erfassung der
Phasenübergänge bzw. der Grenzfläche
zwischen verschiedenen Medien bekannt. Die
DE 696 23 879 T2 schlägt
dazu vor, Licht auf eine Medium führende, für
das Licht durchlässige Röhre an einem Messpunkt
abzustrahlen und das reflektierte bzw. gestreute Licht zu messen,
um daraus abzuleiten, ob ein Phasenübergang oder eine Grenzfläche
den Messpunkt passiert. Die dafür erforderlichen Bauelemente
wie Infrarot-Photodiode, Photodetektor und Blenden werden direkt
am Messpunkt in einem Gehäuse eingesetzt. Aufgrund der
entsprechenden Ausmaße muss daher der Sensor weit von der
Pipettierspitze entfernt platziert werden. Verwendet wird ein Detektionswinkel
von 90° zur Messung des Streulichts bzw. von reflektierten
Lichtanteilen. Hierbei bietet Luft ein hohes und Liquid ein abgeschwächtes Nutzsignal.
Die Trübung der Flüssigkeit hat somit keinen Einfluss
auf das Sensorergebnis. Aufgrund des Sensoraufbaus im Gehäuse
kann der Messpunkt nicht nahe an die Pipettierspitze platziert werden.
Dadurch werden komplexe Kalibrierverfahren notwendig, um eine Liquidverifizierung
zu realisieren. Gleichzeitig führt dies zu einem beträchtlichen
Totvolumen zwischen Messpunkt und Pipettierspitze. Nachteil dieser
Platzierung ist, dass das zu pipettierende Flüssigkeitsvolumen
diese gesamte Strecke passieren muss, um als korrekt angesaugt zu
gelten. Auf dieser Strecke kann es jedoch zu Tropfenbildung, Abriss
des Airgap, Verdünnungseffekten mit der Systemflüssigkeit
usw. kommen. Diese verfälschen das Verifizierungsergebnis
oder sogar die zu pipettierenden Reagenzien. Aufgrund des großen
Totvolumens ist eine „Eichspur" notwendig, um auf entsprechend größere
Toleranzen zu kompensieren.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zu Grunde, unter Verringerung des Totvolumens eine genauere
Phasengrenzenerkennung zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen
Detektion wenigstens eines Phasenübergangs zwischen wenigstens zwei
Medien und/oder eines statischen Zustands von Medien mit den Merkmalen
der Ansprüche 1 bzw. 21 gelöst.
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Vorrichtung
und Verfahren umfassen die Paarung einer üblichen Ansaug-
und/oder Abgabevorrichtung wie z. B. einer Nadel aus Stahl oder
anderen ggf. auch nicht leitenden Materialien mit darin integrierter,
vorzugsweise für wenigstens eine bestimmte Strahlung transparenter
Leitung mit einem faseroptischen Sensor, der durch wenigstens einen Lichtleiter
gebildet ist. Hierbei ist der Messpunkt des faseroptischen Sensors
möglichst nahe der Ansaug-/Abgabeöffnung der Stahlnadel
platziert, um das Totvolumen zwischen Ansaug-/Abgabeöffnung und
Messpunkt möglicht klein zu halten. Vorzugsweise ist das
angesaugte Volumen wesentlich größer als das Totvolumen
zwischen Messpunkt und Ansaugöffnung. Aus den vom faseroptischen
Sensor erfassten Signalen, die ihrerseits von dem im der Leitung
befindlichen Medium bzw. die damit einhergehende Änderung
der Brechungsindices beeinflusst werden, kann eine Auswerteeinheit
an Hand der in elektrische Signale umgesetzten Empfangssignale den
Phasenübergang zwischen verschiedenen Medien erkennen,
wie z. B. einen Phasenübergang Flüssigkeit zu Luft
oder umgekehrt. Erkannt werden kann ebenso auch, ob sich z. B. ein
flüssiges oder ein gasförmiges Medium in der Leitung
befindet, d. h. der statische Zustand von Medien. Dadurch, dass
der Messpunkt soweit als möglich bis zur Sonde bzw. zur
Spitze der Pipettiernadel geführt ist, lässt sich
deutlich schneller als im Stand der Technik erkennen, ob der Ansaug- bzw.
Abgabevorgang erfolgreich ist. Vor allem lassen sich mittels diesem
Aufbau am Messpunkt vorbeiströmende Flüssigkeiten
auf Störungen überprüfen, um dadurch
indirekt die korrekte Aufnahme/Abgabe von Flüssigkeiten
zumindest qualitativ zu überwachen und somit zu verifizieren.
Ist eine quantitative Mengenerfassung erforderlich, müssen
zudem die Dimensionen der Pipettiernadel bekannt sein und kann die
Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Phasengrenzen erfasst werden,
so dass der Volumenstrom ermittelbar ist.
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Typische
detektierbare Fehler sind z. B.:
- – Verstopfte
Ansaugöffnung (Clots)
- – Keine/schlecht stattfindende Ansaugung (Defekt der
Pumpe, Undichtes System)
- – Nicht eingetauchte Ansaugöffnung beim Ansaugen
- – Austauchen der Ansaugöffnung beim Ansaugprozess
- – Ansaugen von schaumartigen Flüssigkeiten
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Die
Integration des Messpunkts in der Pipettierspitze hat positive Effekte
auf Pipettierqualität und Effizienz wie z. B.
- – keine Verdünnungseffekte aufgrund sehr kurzer Ansaugwege,
- – geringere kontaminierte Schlauchstrecke und damit
einhergehende kurze Waschzeiten,
- – schnelleres Pipettieren, aufgrund minimierter Ansaugwege
der Flüssigkeiten
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Die
Nutzung unterschiedlicher Wellenlängen zur Einkopplung
oder Detektion ist angepasst auf die zu pipettierenden Medien möglich,
um die Signalqualität zu optimieren. Vorzugsweise wird
das Licht der Lichtleiter über kegelförmige Umlenk-
bzw. Spiegelflächen oder eine Umlenkoptik vorzugsweise
der Hohlnadel reflektiert, um den Messpunkt M so nahe wie möglich
an der Spitze einer Pipettiernadel zu integrieren.
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Die
optische Erfassung allein genügt z. B. auch anstelle einer
kapazitiven Flüssigkeitslevelerfassung. Aufgrund des kurzen
Wegs zwischen Messpunkt und Ansaugöffnung ,sieht' die Vorrichtung, wann
Flüssigkeit angesaugt wird und kann dies zur Oberflächendetektion
verwenden. Damit kann auf eine leitfähige Spitze bzw. ein
leitfähiges System verzichtet werden. Es können
auch nicht leitfähige Flüssigkeiten zuverlässig
detektiert werden.
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Bedarfsweise
kann parallel eine kapazitive Flüssigkeitslevelerfassung
eingesetzt werden. Dazu ist die Hohlnadel leitfähig und
elektrisch isoliert zur Gerätemasse in einem Gehäuse
der Vorrichtung aufgenommen. Beide Sensoren zusammen stellen ein redundantes
Sensorsystem dar, welches sich gegenseitig in der Funktion im Betrieb
verifizieren kann. Es wird somit ein System geschaffen, welches
sich aufgrund der zwei vorliegenden, physikalisch völlig
unterschiedlichen Verfahren selbst funktionell überprüfen
kann.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und der
nachfolgenden Beschreibung.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ansaug- und/oder Abgabevorrichtung für
ein Pipettiersystem,
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2 eine
schematische Darstellung einer Anordnung, bei welcher der aussendende
Lichtleiter mit dem empfangenden Lichtleiter identisch ist,
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3, 4 eine
schematische Darstellung einer Anordnung, bei welcher der aussendende Lichtleiter
zu dem empfangenden Lichtleiter in einem spitzen Winkel bzw. rechtwinklig
angeordnet ist,
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5a, 5b eine
schematische Darstellung einer Anordnung, bei welcher der aussendende Lichtleiter
zu dem empfangenden Lichtleiter in einem stumpfen Winkel angeordnet
ist, ohne und mit Medium in der Leitung,
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6a, 6b eine
schematische Darstellung einer Anordnung, bei welcher der aussendende Lichtleiter
zu dem empfangenden Lichtleiter diametral gegenüberliegend
angeordnet ist, ohne und mit Medium in der Leitung,
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7a, 7b eine
schematische Darstellung einer Anordnung gemäß den 5a, 5b mit dezentral
angeordneten Lichtleitern,
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8, 9 eine
dreidimensionale Gesamtansicht der und ein Schnitt durch die Ansaug-
und Abgabevorrichtung,
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10 einen
Schnitt in Höhe des Messpunkts mit unter 180° angeordneten
Lichtleitern,
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11 einen
Schnitt durch die Hohlnadel,
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12a, 12b einen
Schnitt durch die Hohlnadel bei einer Ausführungsform gemäß 7a, 7b,
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13, 14 dreidimensionale
Ansichten eines Halters mit optischen Umlenkelementen,
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15 eine
dreidimensionale Ansicht des Halters mit Blende im Bereich des optischen
Elements,
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16 eine
Ansicht gemäß 15 aus
einem anderen Blickwinkel bei abgenommenem Halter,
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17 eine
schematische Darstellung der Elektronik.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Bevor
die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen,
dass 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.
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1 zeigt
schematisch eine Vorrichtung zur optischen Detektion wenigstens
eines Phasenübergangs zwischen wenigstens zwei Medien und/oder
eines statischen Zustands von Medien, die von einer Ansaug- und/oder
Abgabevorrichtung in eine Leitung 16 angesaugt und/oder
aus der Leitung abgegeben werden. Unter einem statischen Zustand von
Medien wird die Prüfung der Frage verstanden, ob sich ein
flüssiges oder ein gasförmiges Medium am Messpunkt
in der Leitung befindet.
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Eine
derartige Vorrichtung wird zur Dosierung eines vorzugsweise flüssigen
Mediums in einem zumindest teilweise mit einem Gas, vorzugsweise
mit Luft gefüllten Gefäß wie einer Sonde 20 eingesetzt. Der
Dosiervorgang ist insbesondere ein Aspirations- und/oder Dispensationsvorgang,
wie er an einer Pipettieranlage verwendet wird. Derartige Dosierungsvorrichtungen
dienen zur Dosierung von vorzugsweise flüssigen Medien
in chemischen, pharmazeutischen, medizinischen und humanbiologischen
Verfahren und dergleichen. Es ist insofern von Bedeutung, die zu
dosierenden Mengen exakt zu erfassen und insbesondere zu erkennen,
falls ein Dosiervorgang aus welchen Gründen auch immer
fehl schlägt.
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Mit
der Vorrichtung gemäß 1 wird der Phasenübergang
zwischen einem flüssigen und einem gasförmigen
Medium erkannt, um dadurch ggf. auf die Qualität des Ansaug-
oder Abgabevorgangs rückzuschließen. Die Vorrichtung
weist eine Pumpe 12 zum Ansaugen und/oder Abgeben wenigstens
eines der Medien in bzw. aus der Leitung 16 in Richtung
des Pfeils 17 auf. Am Ende der Leitung 16 ist eine
Sonde 20 wie z. B. die Spitze einer Pipette angeordnet.
Von wenigstens einem Licht aussendenden Sendelement 10 wird
Licht an einem dafür vorgesehenen Messpunkt M quer zur
und auf die Leitung 16 ausgesendet. Zum Empfang des vom
Sendeelement 10 ausgesandten, von den Medien in der Leitung 16 beeinflussten
Lichts ist wenigstens ein Empfangselement 11 zur Bildung
von Empfangssignalen vorgesehen. Eine Auswerteeinheit A wertet die
Empfangssignale zur Erfassung des Phasenübergangs aus.
Zwischen dem Sendeelement 10 bzw. dem Empfangselement 11 und
dem Messpunkt M ist wenigstens ein Lichtleiter 13, 15 vorgesehen,
der bis zum Messpunkt an der Sonde 20 geführt
ist. Hierbei ist der Messpunkt des faseroptischen Sensors möglichst
nahe der Ansaug-/Abgabeöffnung 21 der Stahlnadel
platziert, um das Totvolumen zwischen Ansaug-/Abgabeöffnung
und Messpunkt möglicht klein zu halten. Vorzugsweise ist
das angesaugte Volumen wesentlich größer als das
Totvolumen zwischen Messpunkt M und Ansaugöffnung 21.
Regelmäßig beträgt das Verhältnis
zwischen Totvolumen und angesaugtem Volumen 1:5 und 1:10.
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Damit
wird mittels faseroptischen Elementen wie wenigstens einem Lichtleiter 13, 15 Licht
von einer Lichtquelle, dem Sendeelement 10, in den Bereich
der Sonde 20 bzw. der Spitze der Pipettiernadel geleitet,
die im Ausführungsbeispiel durch eine Hohlnadel 14 gebildet
ist. Das am Ende des aussendenden Lichtleiters 13 austretende
Licht wird an der kegelig ausgeformten Innenfläche des
Stahlrohrs an der Umlenkfläche 18 im Ausführungsbeispiel
um 90° umgelenkt, damit das Licht unter 90° zur
Leitung 16 auftrifft. Alternativ kann eine beliebige Umlenkoptik verwendet
werden. Die Leitung 16 ist vorzugsweise ein zumindest im
Bereich des Messpunkts für eine bestimmte Wellenlänge
des Lichts transparenter oder translucenter Schlauch. Das auf die
Leitung 16 auftreffende Licht wird je nach Inhalt der Leitung
in Folge der damit einhergehenden Änderung der Brechungsindices
unterschiedlich reflektiert, gebeugt bzw. absorbiert. Je nach örtlicher
Lage des empfangenden Lichtleiters 15 ergeben sich unterschiedliche Signalverhalten,
welche sich zur Bewertung des Mediums im Schlauchinnern nutzen lassen.
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Vorzugsweise
sind wenigstens zwei Lichtleiter 13, 15 zum Aussenden
bzw. zum Empfangen des Lichts bis zum Messpunkt M geführt,
bedarfsweise kann wie im Ausführungsbeispiel der 2 jedoch auch
nur ein Lichtleiter vorgesehen sein. Die Leitung 16 ist
von einer vorzugsweise metallischen Hohlnadel 14 aufgenommen,
an deren Ende der Messpunkt M vorgesehen ist.
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Im
Bereich des Messpunkts M kann eine optische Blende 22 nahe
dem Ende des wenigstens einen Lichtleiters 13, 15 vorgesehen
sein. Die Lichtleiter sind an dieser optischen Blende orientiert,
die z. B. aus schwarzem oder nicht transparentem Kunststoff gebildet
ist. Die Blende dient zum Vermeiden des direkten Übersprechens
der Lichtleiter und zur Begrenzung des Lichtwegs im Detektionsbereich
am Messpunkt. Damit stellt die optische Blende sicher, dass das
Nutzsignal nur durch Licht aus dem gewünschten Detektionswinkelbereich
in den empfangenden Lichtleiter 15 eingekoppelt wird. Die
geometrische Gestaltung der optischen Blende 22 definiert den
Detektionswinkelbereich. Durch die Blende können großteils
alle störende Lichtanteile vom Nutzsignal getrennt werden.
Die Höhe bzw. vertikale Ausdehnung des Messpunkts Vh wird im Wesentlichen durch die Höhe
des kegeligen Bereichs der Hohlnadel 14 definiert. Im Ausführungsbeispiel
ist diese Höhe = 1 mm. Damit definiert sich die Sensorauflösung
(kleinste Volumenauflösung) bei einem Schlauch Innendurchmesser
von Di = 0,6 mm zu: Vmin = π/4·Di 2·Vh = 0,28 μl
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Aufgrund
von Signalhysterese, mechanischen Toleranzen und Detektionsgeschwindigkeit muss
von einem größeren Wert ausgegangen werden. Derzeit
wird davon ausgegangen, dass Volumenstörungen > 1 μl sicher
nachgewiesen werden können.
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Die
Aufzeichnung und Auswertung des Sensorsignals findet während
dem Pumpvorgang statt. Es handelt sich also um eine vorzugsweise
kontinuierliche Aufzeichnung z. B. in einem festen Zeitraster. Der
Sensor wird als Luft-/Fluid-Diskriminator betrieben. Er erkennt
zu jedem Zeitpunkt, ob sich Luft oder Fluid im sensitiven Bereich
am Messpunkt M befindet. Da Änderungen der in der Leitung 16 befindlichen
Medien zuverlässig erkannt werden können und sich
auch die Phasenübergänge deutlich abzeichnen,
lässt sich bei vorzugsweise kontinuierlicher Abtastung
am Messpunkt M und bei bekanntem Durchmesser und bekannter Ansauggeschwindigkeit,
die z. B. aus den Betriebsparametern der Pumpe 12 wie z.
B. der Kolbengeschwindigkeit der Volumenstrom und damit das angesaugte
Volumen messen. Der Volumenstrom kann auch durch einen zusätzlichen
Sensor bestimmt werden. Die gemessenen Volumina können
direkt mit Volumensollwerten verglichen werden.
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Allein
aus den Phasenübergängen kann ebenfalls das Ist-Volumen
bestimmt werden, wenn zusätzlich die Zeitpunkte der Phasenübergänge
erfasst werden. Anzahl und Zeitpunkte der Übergänge werden
mit Erwartungswerten verglichen, da bekannt ist, ob Luft- oder Fluidansaugung
beabsichtigt ist.
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Das
durch den aussendenden Lichtleiter 13 bis in den Bereich
des Messpunkts M geführte Licht kann dort über
wenigstens eine Umlenkfläche 18, 19 umgelenkt
und auf die Leitung 16 gerichtet werden. Dasselbe gilt
für das zu erfassende Licht. Vorzugsweise wird die wenigstens
eine Umlenkfläche 18, 19 durch kegelig
ausgeformte Innenflächen der vorzugsweise als Stahlrohr
ausgebildeten Hohlnadel 14 gebildet, was zugleich zu einem
Platz sparenden Aufbau beiträgt. Eine geeignete Umlenkoptik
kann ebenfalls oder zusätzlich verwendet werden. Die Höhe des
Messpunkts M in Längsrichtung der Leitung 16 wird
bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen durch die Höhe
des kegeligen Bereichs der Hohlnadel bestimmt.
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Vorzugsweise
ist der dem Sendeelement 10 zugeordnete Lichtleiter 13 in
einer Schnittansicht durch die Leitung 16 winklig zu einem
dem Empfangselement 11 zugeordneten Lichtleiter 15 angeordnet. Dabei
sind gemäß den 2 bis 7b verschiedene
Detektionswinkel bezogen auf den eintretenden Lichtstrahl hinsichtlich
der Leitung 16 möglich, wobei zur Erhöhung
der Übersichtlichkeit die Umlenkung an der kegeligen Innenfläche
bzw. Umlenkfläche 18, 19 und zusätzliche
Blenden wie die optische Blende 20 nicht dargestellt sind.
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Bei
einer Anordnung gemäß 2 besteht ein
Winkel von 0° zwischen der Stellung des Lichtleiters 13,
aus dem das Licht auf die Leitung 16 abgestrahlt wird,
und dem dem Empfangselement 11 zugeordneten Lichtleiter 15,
d. h. der aussendende Lichtleiter und der empfangende Lichtleiter
sind ein und derselbe Lichtleiter 13. Damit findet eine
Reflexionsmessung (Sende-Lichtleiter = Empfänger-Lichtleiter)
statt. Licht wird vom aussendenden Lichtleiter 13 auf die
Leitung 16 gelenkt. Der Großteil des Lichts wird
transmittiert oder absorbiert. Ein Teil des Lichts wird an der Grenzfläche
im Innern der Leitung 16 abhängig vom Medium in
der Leitung unterschiedlich stark reflektiert. Dieses reflektierte
Licht wird vom Lichtleiter 13, der in diesem Fall gleichzeitig
der empfangende Lichtleiter ist, aufgenommen und zum Empfänger 11 geleitet.
Diese Lösung benötigt nur einen Lichtleiter, so
dass ein kleinerer Bauraum möglich ist. Das Signal (Luft/Gas<>Liquid) ist unabhängig von der
Trübung der Flüssigkeit. Allerdings muss das Nutzsignal
aus dem ausgesandten Lichtsignal ausgekoppelt werden, was durch
entsprechende Taktung möglich ist. Hierbei können
Reflexionen an den Grenzflächen der Lichtleiter störend
wirken. Da nur eine geringe Lichtmenge reflektiert wird, kann eine hoch
verstärkende Messtechnik erforderlich sein.
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3 zeigt
eine Lösung mit einer 45°-Reflexionsmessung, wobei
auch ein anderer spitzer Winkel zwischen aussendendem Lichtleiter 13 und
empfangendem Lichtleiter 15 zu vergleichbaren Ergebnissen
führt. Licht wird vom aussendenden Lichtleiter 13 auf
die Leitung 16 gelenkt. Der Großteil des Lichts wird
transmittiert oder absorbiert. Ein Teil des Lichts wird an der Grenzfläche
im Innern der Leitung abhängig vom Medium in der Leitung 16 unterschiedlich stark
reflektiert. Dieses reflektierte Licht wird vom empfangenden Lichtleiter 15,
der in diesem Fall unter ca. 45° zum Sende-Lichtleiter
angeordnet ist, aufgenommen und zum Empfänger geleitet.
Das Signal (Luft/Gas<>Liquid) ist unabhängig
von einer Trübung der Flüssigkeit. Das Nutzsignal
ist optisch durch den zweiten empfangenden Lichtleiter 15 klar
getrennt, allerdings werden zwei Lichtleiter benötigt.
Da nur eine geringe Lichtmenge reflektiert wird, kann eine hoch
verstärkende Messtechnik erforderlich sein.
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4 zeigt
eine Streulichtmessung unter 90°-Anordung von aussendendem
Lichtleiter 13 und empfangendem Lichtleiter 15.
Licht wird vom aussendenden Lichtleiter 13 auf die Leitung 16 gelenkt. Der
Großteil des Lichts wird im Innern des Schlauchs und vom
Schlauchmaterial abhängig vom Medium im Schlauch unterschiedlich
stark gestreut. Dieses gestreute Licht wird vom empfangenden Lichtleiter 15, welcher
in diesem Fall unter ca. 90° zum aussendenden Lichtleiter 13 angeordnet
ist, aufgenommen und zum Empfänger 11 geleitet.
Das Signal (Luft/Gas<>Liquid) ist unabhängig
von einer Trübung der Flüssigkeit und das Nutzsignal
ist durch den zweiten empfangendem Lichtleiter 15 optisch
klar getrennt, allerdings sind auch zwei Lichtleiter erforderlich.
Da nur eine geringe Lichtmenge reflektiert oder gestreut wird, kann
eine hoch verstärkende Messtechnik erforderlich sein.
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5a, 5b zeigen
eine Anordnung mit einem stumpfen Winkel von vorzugsweise 120 Grad bis
175 Grad und insbesondere von 155 Grad bis 175 Grad zwischen aussendendem
Lichtleiter 13 und empfangendem Lichtleiter 15.
Die damit erfolgende Transmissionsmessung liefert bei Vorhandensein von
Gas bzw. Luft in der Leitung 16 einen hohen Signalwert
gemäß 5a und
bei Vorhandensein eines flüssigen Mediums 23 gemäß 5b einen
geringeren Signalwert. Licht wird vom aussendenden Lichtleiter 13 auf
die Leitung 16 gelenkt. Der Großteil des Lichts
wird transmittiert oder absorbiert. Ein Teil (nur Randzonen) des
Lichts wird bei Füllung mit Gas bzw. Luft reflektiert (Totalreflexion
an Grenzschicht). Bei Füllung mit einem flüssigen
Medium (Wasser, ungefähr gleicher Brechungsindex wie Schlauchmaterial) wird
der sonst totalreflektierte Anteil ungestört transmittiert
und wird somit nicht mehr detektiert. In diesem Fall wird der empfangende
Lichtleiter 15 so platziert, dass das totalreflektierte
Licht detektiert wird. Die genaue Winkellage ist hierbei abhängig
vom Innendurchmesser der Leitung 16. Das Empfangssignal
(Luft/Gas<>Liquid) ist unabhängig
von einer Trübung des flüssigen Mediums 23,
weil das Gas bzw. die Luft immer den höheren Signalwert
darstellt. Durch die Verwendung der zwei Lichtleiter ist das Nutzsignal
optisch klar getrennt. Auch hier werden zwei Lichtleiter benötigt.
Allerdings können sich Beugungs- und Streueffekte des flüssigen
Mediums störend auswirken. Die Platzierungsgenauigkeit
der Lichtleiter kann problematisch sein, weil sie von der Schlauchgeometrie
abhängig ist. Da nur eine geringe nutzbare Lichtmenge verfügbar
ist, kann eine hoch verstärkende Elektronik erforderlich
sein.
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Die 6a, 6b zeigen
eine Anordnung, in der ein dem Empfangselement 11 zugeordneter empfangender
Lichtleiter 15 einem dem Sendeelement 10 zugeordneten Lichtleiter 13 hinsichtlich
der Leitung 16 diametral bei 180 Grad gegenüberliegend angeordnet
ist. Dies gestattet eine Transmissionsmessung, bei der das Vorhandensein
des flüssigen Mediums 23 einen hohen Signalwert
liefert. Das Licht wird vom aussendenden Lichtleiter 13 auf
die Leitung gelenkt. Der Großteil des Lichts wird transmittiert oder
absorbiert. Das Licht wird bei Vorhandensein eines Gases wie Luft
in der Leitung 16 gemäß 6a teilweise
totalreflektiert. Der restliche Teil des transmittierten Lichts
wird im empfangenden Lichtleiter 15 eingekoppelt. Bei Füllung
mit einem flüssigen Medium 23 (Wasser, ungefähr
gleicher Brechungsindex wie Schlauchmaterial) wird zusätzlich
der Lichtanteil der Randzonen in den empfangenden Lichtleiter 15 eingekoppelt.
Bei geeigneter Dimensionierung des empfangenden Lichtleiter 15 (Durchmesser
des Lichtleiters zu Innendurchmesser der Leitung) ergibt sich somit
eine wesentlich höhere Lichtmenge bei Füllung
mit flüssigem Medium. Die Platzierung des empfangenden
Lichtleiters 15 ist hierbei abhängig vom Innendurchmesser
der Leitung 16. Auch bei dieser Lösung ist das
Nutzsignal optisch durch den zweiten Lichtleiter klar vom Eingangssignal
getrennt. Es werden allerdings auch zwei Lichtleiter benötigt. Die
gegenüberliegende Platzierung der Lichtleiter ist einfach
realisierbar. Das Signal (Luft/Gas<>Liquid) kann jedoch
von der Trübung des flüssigen Mediums abhängig
sein, weil Flüssigkeiten mit hoher Absorption sich ähnlich
wie Luft darstellen können. 10 zeigt
eine entsprechende Schnittdarstellung.
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Die 7a, 7b zeigen
eine Anordnung, bei der die Lichtleiter analog zu den Winkeln der 5a, 5b angeordnet
sind, jedoch parallel zu durch die Mittellinie der Leitung 16 gehende
Ebenen e-e, f-f liegen, d. h. aussendender Lichtleiter 13 und empfangender
Lichtleiter 15 sind lateral versetzt, so dass das ausgesandte
und/oder empfangene Licht parallel zu dieser Ebene zur Leitung gelangt.
Wenngleich dies im Ausführungsbeispiel bei einer stumpfen
Winkelanordnung von 120°–155° mit einer
Totalreflexionsmessung an der Luft-/Gasgrenze gezeigt ist, versteht
sich, dass diese dezentrale bzw. lateral versetzte Anordnung auch
bei den anderen Ausführungsbeispielen eingesetzt werden
kann.
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Diese
Lösung bietet sehr gute Voraussetzungen hinsichtlich des
nutzbaren Signalhubs (Luft/Gas <-> Liquid) als auch hinsichtlich
der verfügbaren Signalstärke, so dass einfache
Signalverstärker ausreichend sind. Licht wird vom aussendenden Lichtleiter 13 auf
die Leitung 16 gelenkt. Hierbei ist die Achse der Lichtleiter
lateral zum Zentrum der Leitung versetzt, um möglicht die
Randzone des Leitungsinnern zu beleuchten. Ist die Leitung mit Luft/Gas
gefüllt, wird ein Großteil des Lichts an der Innenfläche
der Leitung auf Grund des flachen Auftreffwinkels totalreflektiert.
Durch geeignete Orientierung des empfangenden Lichtleiters 15,
der ebenfalls lateral versetzt ist, kann ein Großteil des
totalreflektierten Lichts mit dem empfangenden Lichtleiter 15 dem
Empfangselement 11 zugeführt werden. Durch Ausnutzen
der Totalreflektion an der Innenwand der Leitung 16 bei Luft/Gas
können wesentlich höhere Lichtmengen dem Empfangselement 11 zugeführt
werden als bei Messungen von Streulicht- oder diffusem Reflexionslicht.
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Bei
Vorhandensein von Liquid (Wasser, trübe Flüssigkeiten)
wird das Licht an der Grenzschicht Leitung-Liquid transmittiert
und somit nicht in Richtung des empfangenden Lichtleiters 15 reflektiert.
Lediglich Streulichtanteile können durch den empfangenden
Lichtleiter 15 detektiert werden. Diese sind jedoch nur
ein Bruchteil der totalreflektierten Lichtmenge bei Luft/Gas. Auch
trübe Flüssigkeiten können daher sicher
von Luft unterschieden werden.
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Aufgrund
des Versatzes der Lichtleiter zum Zentrum der Leitung 16 erfolgt
die Umlenkung des Lichts in der Pipettiernadelspitze nicht durch
die kegelige Innenfläche der Hohlnadel 14, sondern
durch optische Umlenkelemente 60 wie z. B. Prismen gemäß 13 und 14.
Die Dimensionierung des lateralen Versatzes und die Winkellage der
Lichtleiter zueinander sind abhängig vom Innendurchmesser der
Leitung 16. Änderungen des Innendurchmessers verlangen
daher angepasste optische Umlenkelemente 60. Aufgrund des
lateralen Versatzes der Lichtleiter zur Leitung 16 kann
der Bauraum im Bereich des Messpunktes M optimaler ausgenutzt werden
als bei konzentrischen Anordnungen, wie ein Vergleich der 11 bei
einer Anordnung nach einem der Ausführungsbeispiele der 2 bis 6b mit
einer Anordnung nach den 12a, 12b entsprechend einer Ausführungsform
gemäß 7a, 7b zeigt.
Durch den kleineren Bauraum können Außendurchmesser
und Außenoberfläche der Hohlnadel 14 reduziert
werden, welche vom Pipettiermedium oder der Waschflüssigkeiten
benetzt werden. Die mit Flüssigkeiten benetzte Oberfläche
bietet das Risiko der Tropfenbildung im Bereich der Spitze, diese
wiederum ein erhöhtes Risiko einer fehlerhaften Pipettierung
durch fehlerhaften Pipettierung durch Verdünnungseffekte,
Verschleppung, usw., so dass diese Anordnung das Bestreben unterstützt,
die benetzbare Oberfläche klein zu halten.
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Das
Signal (Luft/Gas <> Liquid) ist unabhängig
von einer Trübung des flüssigen Mediums, weil Luft
immer das höhere Signal darstellt. Ein hoher Anteil des
eingestrahlten Lichts kann als Nutzsignal verwendet werden in Folge
der Ausnutzung der Totalreflektion an der Luft- bzw. Gas-Grenzfläche.
Das Nutzsignal ist optisch klar getrennt durch den zweiten empfangenden
Lichtleiter 15. Der gemäß den 12a, 12b kleinere
Bauraum dieser Anordnung gegenüber der Anordnung nach 11 führt
zu einem kleineren Nadel-Außendurchmesser und es findet
eine geringere Benetzung der Nadel-Außenfläche
statt Allerdings werden zwei Lichtleiter benötigt. Die
Lichtleiter müssen aufgrund der Abhängigkeit von
der Schlauchgeometrie sorgfältig platziert werden.
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Die 13 und 14 zeigen
eine Ausführungsform eines Halters 59, an dem
optische Umlenkelemente 60 mit im Ausführungsbeispiel
sphärischen „Spiegelflächen" vorgesehen
sind, so dass sich hier eine Reflexion als Totalreflexion an der Grenzfläche
zur Luft ergibt. Der Halter 59 selbst hat Aufnahmen 61 für
die Aufnahme der hier zwei Lichtleiter 13, 15 sowie
eine Aufnahme 62 für die Leitung 16.
Sein Außendurchmesser bestimmt vorzugsweise den Durchmesser
der Hohlnadel 14. Die Lichtleiter 13, 15 werden
in den Halterungen 63 positioniert, die z. B. Einklebepositionen
sein können. Vorzugsweise können die Lichtleiter
auch z. B. in Kunststoff oder anderen plastifizierbaren Massen ein-,
um- oder angespritzt bzw. eingebettet sein. Der Halter 59 selbst kann
auch aus Kunststoff wie z. B. PMMA hergestellt sein, Der Halter 59 mit
Optikelement realisiert die 90° Umlenkung des Lichts mittels
Totalreflektion an der Grenzfläche des Optikelements zur
Luft. Der Halter, welcher gemäß 15 direkt
als Spritzgussteil an der Leitung 16 befestigt ist, orientiert
das Optikelement zum Schlauch und realisiert optische Blenden. Die
Lichtleiter 13, 15 sind direkt mit dem Halter 59 verklebt.
Alle Komponenten werden nach der Konfektionierung in die Hohlnadel 14 integriert,
die somit keine optische Funktion haben muss.
-
16 zeigt
das Halteelement 64 als schwarzes Kunststoffteil als Blende 22' und
Halterung des Halters 59 als Optikelement.
-
In
diesen Beispielen war die Rede davon, dass die Lichtleiter entsprechend
z. B. im Brennpunkt angeordnet sein müssen. Da die Erfindung
auch mit Umlenkflächen arbeitet, genügt es jedoch,
wenn eine entsprechende Umlenkfläche dementsprechend angeordnet
ist.
-
Die
optische Erfassung allein kann auch anstelle einer kapazitiven Flüssigkeitslevelerfassung erfolgen.
Aufgrund des kurzen Wegs zwischen Messpunkt M und Ansaugöffnung 21 ,sieht'
die Vorrichtung, wann Flüssigkeit angesaugt wird und kann
dies zur Oberflächendetektion verwenden. Damit kann auf
eine leitfähige Spitze bzw. ein leitfähiges System verzichtet
werden. Es können auch nicht leitfähige Flüssigkeiten
zuverlässig detektiert werden.
-
Wenn
die Leitung 16 und/oder vorzugsweise die Hohlnadel 14 metallisch
und/oder leitfähig ist, ist aber auch eine kapazitive Flüssigkeitslevelerfassung LLD
möglich. Dazu ist die Hohlnadel 14 metallisch leitend
bzw. leitfähig und elektrisch isoliert (34 in 9)
zur Gerätemasse in einem Gehäuse 30 der Vorrichtung
aufgenommen. Ferner ist die optische Erfassung über eine
Kontaktfeder 35 mit der Leiterplatte der Elektronik 33 verbunden.
Neben dem optischen Sensor zur Phasenübergangerkennung
sorgt ein kapazitives Sensorkonzept für die Detektion des Liquid
Levels. Beide Sensoren zusammen stellen ein redundantes Sensorsystem
dar, welches sich gegenseitig in der Funktion im Betrieb verifizieren
kann. Mit dem zusätzlichen optischen Sensor kann die Funktion
der kapazitiven Liquid Level Detection LLD im Betrieb verifiziert
werden. Auch umgekehrt kann mit der Liquid Level Detection-Funktion
die Funktionalität des optischen Sensors indirekt überprüft
werden. Es wird somit ein System geschaffen, welches sich aufgrund
der zwei vorliegenden, physikalisch völlig unterschiedlichen
Verfahren selbst funktionell überprüfen kann.
-
Grundsätzlich
dient das Verfahren zur optischen Detektion wenigstens eines Phasenübergangs zwischen
wenigstens zwei Medien, die von einer Ansaug- und/oder Abgabevorrichtung
in eine Leitung 16 angesaugt und/oder aus der Leitung abgege ben
werden. Das wenigstens eine Medium wird in die Leitung 16 angesaugt
und/oder aus der Leitung abgegeben. Zur Erfassung der Phasengrenze
zwischen den Medien wird Licht quer zur und auf die Leitung 16 an
einem dafür vorgesehenen Messpunkt M ausgesandt. Das vom
Sendeelement 10 ausgesandte, von den Medien in der Leitung 16 beeinflusste
Licht wird dann durch ein Empfangselement 11 unter Bildung
von Empfangssignalen erfasst, die zur Erfassung des Phasenübergangs
mittels der Auswerteeinheit A ausgewertet werden. Durch das Anordnen
wenigstens eines Lichtleiters 13,15 zwischen Sendeelement 10 bzw.
Empfangselement 11 und Messpunkt M wird der Messpunkt deutlich
in Richtung auf die Spitze der Sonde 20 bzw. Pipette verschoben.
-
Ein
typischer Ablauf eines Pipettiervorgangs wie einer Einzelpipettierung
kann mit der Vorrichtung wie folgt vor sich gehen:
-
a) Reinigen/Spülen des Pipettiersystems
-
Das
Pipettiersystem wird mit Systemflüssigkeit (DI-Wasser)
gespült, um Rückstände von zuvor pipettierten
Flüssigkeiten/Medien zu entfernen. Hiermit wird sichergestellt,
dass das System bis zur Pipettiernadelspitze mit Flüssigkeit
gefüllt ist.
-
In
diesem Schritt lassen sich folgende Fehler detektieren:
Sensor
detektiert Luft, weil keine Systemflüssigkeit im System
vorhanden ist, Sensor detektiert Luftblasen am Ende des Spülvorgangs,
d. h. das System ist eventuell undicht.
-
b) Ansaugen des Trenn-Airgaps
-
Um
Flüssigkeiten ohne starke Verdünnungseffekte zu
pipettieren, wird ein Trenn-Airgap (Luft) kontrolliert angesaugt.
Dieser Airgap trennt die Systemflüssigkeit von der zu pipettierenden
Flüssigkeit. Durch Ansaugen einer definierten Luftmenge
größer als das Totvolumen T zwischen Pipettierspitze
und Messpunkt M, wird definiert Luft in den Sensorbereich verbracht.
-
In
diesem Schritt lassen sich folgende Fehler detektieren:
Es
wird kein Übergang Flüssigkeit zu Luft detektiert, weil
- – die Pumpe defekt oder die Funktion
gestört ist bzw. nicht ausgeführt wird,
- – das System undicht ist,
- – die Ansaugöffnung 21 verstopft
ist.
-
c) Ansaugen der zu pipettierenden Flüssigkeit
-
Nach
der Aufnahme des Trenn-Airgap wird mit der Pipettiermechanik die
Spitze der Pipettiernadel mittels kapazitivem Liquid Level Detection
in die zu pipettierende Flüssigkeit eingetaucht. Danach wird
kontrolliert von der Pumpe 12 die zu pipettierende Flüssigkeit
mit einem Überschuss, der für eine Backlash-Funktion
der Pumpe notwendig ist, in die Leitung 16 gesaugt. Während
dieser Zeit wird kontinuierlich auf Übergänge
Flüssigkeit zu Luft überwacht. Lediglich der erste Übergang
von Luft zu Flüssigkeit, das Trenn-Airgap, ist erlaubt
innerhalb eines von der Pumpe 12 definierten Erwartungsfensters. Sonstige Übergänge
werden als Fehler betrachtet.
-
In
diesem Schritt lassen sich folgende Fehler detektieren:
kein Übergang
Luft zu Flüssigkeit innerhalb des Erwartungsfensters, weil
- – die Pumpe defekt oder die Funktion
gestört ist bzw. nicht ausgeführt wird,
- – das System undicht ist,
- – die Pipettenspitze nicht in die Flüssigkeit
eingetaucht wird, z. B. auf Grund eines Fehlers der kapazitiven
Liquid Level Detection.
-
Übergang
von Flüssigkeit zu Luft nach Übergang Luft zu
Flüssigkeit im Erwartungsfenster, weil
- – ein
Ansaugen von Schaum-ähnlichen Flüssigkeiten erfolgt,
- – die Pipettierspitze während dem Ansaugen
austaucht,
- – keine Flüssigkeit mehr vorhanden ist, welche angesaugt
werden könnte
-
d) Abgabe des Flüssigkeitsüberschusses
(Backlash-Funktion)
-
Mit
immer noch eingetauchter Pipettierspitze wird ein kleiner Teil der
angesaugten Flüssigkeit wieder abgegeben. Hierbei ist das
abzugebende Volumen größer als das Totvolumen
T zwischen Pipettierspitze und Messpunkt M. Hierdurch wird sichergestellt,
dass das eigentlich zu pipettierende Volumen vollständig
auf Fehler analysiert wurde. Innerhalb dieses Vorgangs sieht der
Sensor kontinuierlich Flüssigkeit. Daher können
keine weiteren sinnvolle Fehler detektiert werden.
-
e) Ansaugen des Transport-Airgap
-
Um
einen sicheren Transport der Flüssigkeiten zu gewährleisten,
wird ein zusätzlicher Transport-Airgap aus Luft angesaugt.
Das angesaugte Luftvolumen ist größer als das
Totvolumen T zwischen Pipettierspitze bzw. Ansaugöffnung 21 und Messpunkt
M. Bei diesem Vorgang muss also der Sensor einen Übergang
von Flüssigkeit zu Luft detektieren, wenn der Transport-Airgap
erfolgreich aufgenommen wurde.
-
In
diesem Schritt lassen sich folgende Fehler detektieren:
Es
wird kein Übergang Flüssigkeit zu Luft detektiert, weil
- – die Pumpe defekt oder die Funktion
gestört ist bzw. nicht ausgeführt wird,
- – das System undicht ist,
- – die Ansaugöffnung 21 verstopft
ist,
- – die Pipettiernadel beim Ansaugen des Transport-Airgap
noch eingetaucht ist.
-
f) Abgabe der Flüssigkeit
-
Nach
Transfer der Pipettiernadel zum Ort der Abgabe der Flüssigkeit
dispensiert die Pumpe 12 die aufgenommene Flüssigkeit.
Hierbei muss der Sensor zunächst einen Übergang
Luft zu Flüssigkeit, gefolgt von einen Übergang
Flüssigkeit zu Luft und einem abschließenden Übergang
Luft zu Flüssigkeit (Systemflüssigkeit) erfassen.
Ist dies der Fall, wurde die gesamte zu pipettierende Flüssigkeit
erfolgreich wieder abgegeben.
-
In
diesem Schritt lassen sich folgende Fehler detektieren:
- – die Pumpe ist defekt oder die Funktion ist gestört bzw.
wird nicht ausgeführt,
- – das System ist undicht,
- – die Ansaugöffnung 21 ist verstopft.
-
Dies
beschreibt den Ablauf einer Einzelpipettierung. Beim Ablauf eines
Multi-Aspirate-Pipettiervorgangs können und werden mehrere
Flüssigkeiten nacheinander aufgenommen, getrennt jeweils
von einem Trenn-Airgap. Für das prinzipielle Verhal ten
des Sensors und der Signalzustände ändert sich
damit nichts. Lediglich die Punkte b) bis e) werden mehrfach angewendet
und die Anzahl der Übergange bei der Abgabe (siehe Punkt
f) erhöhen sich dementsprechend.
-
Verfahrensgemäß werden
mit dem Sensor keine Volumenbestimmungen vorgenommen. Es werden
mit dem Sensor aber Übergangssignale in entsprechenden
Erwartungsfenstern bewertet.
-
Die
Messvorrichtung verwendet Lichtleiter und nutzt vorzugsweise die
Innenflächen der Stahlnadel bzw. der Pipette als optischen
Umlenkspiegel oder eine geeignete Umlenkoptik. Somit ergeben sich
neue Möglichkeiten einer optimierten Platzierung des Messpunkts
des Sensors in einem Abstand von < 15
mm von der Pipettierspitze. Das Totvolumen zwischen Pipettierspitze
und Messpunkt kann daher auf nur wenige μl verringert werden.
Die Vorteile liegen damit darin, dass
- – das
zu pipettierende Flüssigkeitsvolumen nur eine sehr geringe
zusätzliche Strecke passieren muss, und dadurch
- – Tropfenbildung oder Abriss des Airgaps unwahrscheinlich
werden,
- – Verdünnungseffekte mit der Systemflüssigkeit minimiert
sind,
- – eine Kontamination der Pipettiernadel verringert wird
und damit die Waschzeit verkürzt wird,
- – eine Kalibrierung des Totvolumens nicht notwendig
ist und dadurch das gesamte Verfahren wesentlich vereinfacht und
sicherer wird.
-
Aufgrund
des sehr kleinen Totvolumens durch den faseroptischen Sensor in
der Pipettierspitze, kann die Ermittlung einer „Eichspur"
entfallen. Ebenso kann aufgrund der geometrischen bekannten Größen
das Totvolumen direkt berechnet werden. Mögliche Fehler
aufgrund von geometrischen Toleranzen sind zu vernachlässigen
(< 1 μl).
-
Zusätzlich
zum gewünschte Volumen kann erfindungsgemäß noch
weiteres Volumen aufgenommen werden. Dieses zusätzliches
Volumen überbrückt das kleine Totvolumen des Systems,
um sicherzustellen, dass das eigentliche Pipettiervolumen fehlerfrei
aufgenommen wurde. Anschließend wird das zusätzliche
Volumen wieder abgegeben und erst dann der Transport-Airgap aufgenommen.
Dieses Verfahren kann im Stand der Technik nicht angewendet werden,
weil das dort vorhandene große Totvolumen zu einer Reagenz-
oder Flüssigkeitsverschwendung führen würde.
-
Aufgrund
des nach der Erfindung geringen Totvolumens kann ein aufwändiges
Rückrechnen entfallen. Damit entfallen ein Großteil
der Kalibrierungs- und Berechnungsschritte. Einige Situationen können
sogar am statischen. Signal des Sensors (nach Stillstand der Pumpe)
verifiziert werden.
-
8 und 9 zeigen
eine Gesamtansicht der bzw. einen Schnitt durch die Vorrichtung
mit Hohlnadel 14, Sonde 20 mit Ansaugöffnung 21 sowie
zugehörigem Gehäuse 30 mit integrierter
Elektronik 33. Die Elektronik umfasst Mittel zur Lichterzeugung,
das Empfangselement sowie Auswertemittel z. B. auch für
eine kapazitive Liquid Level Detection. Die Elektronik 33 ist
im Sensorkopf integriert und nutzt lediglich ein Koaxialkabel 32 oder
eine geeignete andere mehradrige Verbindung wie z. B. ein Folienkabel
zur multiplen Signalübertragung zur übergeordneten Steuerungselektronik. Über
eine Zahnstange 31 kann die Vorrichtung vorzugsweise vertikal
bewegt werden.
-
Der
Aufbau des LID-Systems besteht aus einem RC-Oszillator mit einer
Grundfrequenz von z. B. etwa 1 MHz. Ferner ist die Hohlnadel 14 im
Gehäuse 30 in einer elektrischen Isolation aufgenommen.
Die parasitäre Kapazität, die eine Nadel mit ihrem
Umfeld bildet, liegt parallel zum Kondensator des Oszillators. Eine
Veränderung dieser Kapazität bewirkt eine Frequenzänderung
des Oszillators. Je höher die Kapazität desto
geringer die Ausgangsfrequenz des Oszillators. Beim Kontakt der
Nadel mit einem Medium gibt es einen Kapazitätsanstieg
durch das veränderte Dielektrikum. Dieser Kapazitätsanstieg
führt zu einem Frequenzsprung am Ausgang des Oszillators.
Die nachfolgende Elektronik (LLD in 11) detektiert diesen
Sprung. Das Oszillatorsignal wird zur Übertragung an die
Auswerteeinheit A auf die Betriebsspannung moduliert, damit das
Signal über das Koaxialkabel 32 geführt
werden kann.
-
Um
das Analogsignal des Detektors für die Grenzfläche
gemäß 11 auszuwerten,
wird die Emitterspannung des Empfangselements 11 bzw. eines
Photodetektors auf eine zweistufige Komparatoreinheit gegeben. Die
erste Komparatorstufe K1 signalisiert den eigentlichen Arbeitspunkt
des Photodetektors, der mit Hilfe einer regelbaren Stromversorgung 50 über
die Arbeitspunkteinstellung 47 eingestellt wird. Eine Änderung
der Versorgungsspannung verursacht eine Änderung der Intensität
der LED. Hierzu ist vorzugsweise das Liquidsystem bestehend aus
der Leitung 16 im optischen Strahlengang mit Luft bzw.
Gas gefüllt. Die zweite Komparatorstufe K2 detektiert eine Änderung
im optischen Strahlengang, wie sie durch eine klare oder trübe
Flüssigkeit hervorgerufen wird. Die detektierte Lichtmenge
wird verringert, dadurch verringert sich die Ausgangsspannung des
Photodetektors. Unterschreitet diese Ausgangsspannung die Schwelle
von Komparatorstufe K2, ist dies ein sicherer Hinweis, dass sich
Flüssigkeit am Messpunkt in der Leitung 16 befindet.
Das Signal wird an die übergeordnete Auswerteeinheit A
durch Modulierung der Stromversorgung mittels Mixer 45 übermittelt
und dort über die Komparator- und Auswerteeinheit 39 mittels
des Prozessors 40 verarbeitet.
-
- 10
- Sendeelement
- 11
- Empfangselement
- 12
- Pumpe
- 13
- Lichtleiter
Sender
- 14
- Hohlnadel
- 15
- Lichtleiter
Empfänger
- 16
- Leitung
- 17
- Pfeil
- 18,
19
- Umlenkfläche
- 20
- Sonde
- 21
- Ansaugöffnung
- 22,
22'
- optische
Blende
- 23
- Medium
- 30
- Gehäuse
- 31
- Zahnstange
- 32
- Anschluss
Koaxialkabel
- 33
- Steuerelektronik
- 34
- elektrische
Isolation
- 35
- Kontaktfeder
- 39
- Komparator-
und Auswerteeinheit
- 40
- Prozessor
- 45
- Mixer
- 47
- Arbeitspunkteinstellung
- 50
- Stromversorgung
- 59
- Halter
- 60
- Umlenkelemente
- 61
- Aufnahmen
für 13, 15
- 62
- Aufnahme
für 16
- 63
- Halterung
- 64
- Halteelement
- e-e,
f-f
- Ebene
- A
- Auswerteeinheit
- K1,
K2
- Komparator
- M
- Messpunkt
- T
- Totvolumen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 69623879
T2 [0004, 0004]
- - DE 69914604 T2 [0004]