DE102007003040B4

DE102007003040B4 - Vorrichtung zur optischen Detektion eines Phasenübergangs oder dergleichen

Info

Publication number: DE102007003040B4
Application number: DE102007003040A
Authority: DE
Inventors: Oliver Bürk; Martin Trump
Original assignee: Stratec Biomedical Systems AG
Current assignee: Stratec Se De
Priority date: 2007-01-20
Filing date: 2007-01-20
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2027-01-21
Also published as: US20080192255A1; US7916299B2; DE102007003040A1

Abstract

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, mit
– einer Pumpe (12) zum Ansaugen und/oder Abgeben wenigstens eines der Medien in bzw. aus der Leitung,
– einer am Ende der Leitung (16) angeordneten Sonde (20),
– wenigstens einem Licht aussendenden Sendelement (10) zum Aussenden von Licht quer zur und auf die Leitung (16) an einem dafür vorgesehenen Messpunkt (M),
– wenigstens einem Empfangselement (11) zum Empfang des vom Sendeelement (10) ausgesandten, von den Medien in der Leitung (16) beeinflussten Lichts zur Bildung von Empfangssignalen,
– einer Auswerteeinheit (A) zum Auswerten der Empfangssignale zur Erfassung des Phasenübergangs oder des statischen Zustands,
– wenigstens einem zwischen dem Sendeelement (10) bzw. dem Empfangselement (11) und dem Messpunkt (M) vorgesehenen Lichtleiter...

Description

Gebiet der Erfindung
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.
Stand der Technik
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.
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.
Aus der DE 200 09 083 U1 ist eine kapazitive Messung in Kombination mit einer optischen Messung von Phasenübergangen zwischen Flüssigkeiten in einem Probengefäß bekannt. Hierbei werden beide Sensoren (Stahlnadel und Faseroptik) in die Flüssigkeit eingetaucht, wobei die Vorrichtung auch für einen Pipettiervorgang eingesetzt werden kann. Die Faseroptik strahlt Licht in Eintauchrichtung ein und verwendet das an der Phasengrenze reflektierte Licht zur Messung. Die Phasengrenze wird unterhalb der Ansaugöffnung der Pipettiernadel detektiert. Die Faseroptik ist nicht in der Pipettiernadel integriert, stattdessen werden beide Lichtleiter parallel nebeneinander in die zu pipettierende Flüssigkeit eingeführt wird. So kommt die Faseroptik in direkten Medienkontakt und muss dekontaminiert werden.
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.
Aus der EP 0 619 476 B1 ist ein optisches Detektorsystem bekannt, um den Flüssigkeitsstand in einem transparenten Gefäß wie einem Kapillarröhrchen zu bestimmen, mit dem auch pipettiert werden kann. Hierbei wird die geometrische Lage (Höhe) der Flüssigkeit in dem Röhrchen ermittelt. Technisch wird dies mit einer Beleuchtungsoptik (homogene Beleuchtung über gesamte Röhrchenhöhe) und einer Detektionsoptik mit CCD Kamera (Zeile) verwirklicht. Die Beleuchtung und die Detektion kann unter unterschiedlichen Winkeln zueinander stattfinden. Der Aufbau zur optischen Erfassung ist relativ groß, so dass er nicht in eine Pipettiernadel integriert werden kann. Zudem muss die Kapillarröhre nach außen offen sein, um mit der Optik den Füllstand bewerten zu können, was zu einer Verschmutzung führen kann. Die Verwendung von Kapillarröhre und Füllstandsauswertung in einem Bereich verhindert die Bewertung großer Volumen bewertet werden können.
Die US 5 362 971 A zeigt einen faseroptischer Sensor, der mit dem „messenden” Faserbereich in die zu „messende” Flüssigkeit eingetaucht wird. Dazu wird eine Schlaufe eines Lichtleiters in eine Flüssigkeit getauscht. Alleine aufgrund der Dimensionen lassen sich damit kleine Volumen nicht unterscheiden. Es handelt sich somit um ein Niveau-Messgerät von Flüssigkeiten in Behältern. Zudem gelangt die Faseroptik in direkten Medienkontakt.
Die GB 2 221 986 A zeigt ebenfalls einen faseroptischen Sensor, der mit dem „messenden” Faserbereich in die zu „messende” Flüssigkeit eingetaucht wird, um die optische Dichte des Mediums im Durchlichtverfahren zu ermitteln. Dazu wird mittels Lichtleitern Licht in einen Bereich in einem biochemischen Reaktor gebracht, welches von einem zweiten Lichtleiter wieder erfasst wird. Hierbei wird im Durchlichtverfahren der klassische Aufbau eines Photometers zur Messung der optischen Dichte eines Mediums realisiert. Aufgrund der für das Durchlichtverfahren erforderlichen Krümmung einer der Fasern muss der Sensorkopf mit großen Dimensionen ausge legt werden. Es wird keine „Umlenkoptik” verwendet, um eine Miniaturisierung” zu erreichen. Daher kann der eintauchende Sensor nur in großen Flüssigkeitsmengen eingesetzt werden. Auch dieser Sensor wird mit dem Messbereich komplett in das zu überprüfende Medium getaucht.
Aufgabenstellung
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, unter Verringerung des Totvolumens eine genauere Phasengrenzenerkennung zu ermöglichen.
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.
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.
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

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

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.
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.
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.
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 Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Ansaug- und/oder Abgabevorrichtung für ein Pipettiersystem,
2 eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei welcher der aussendende Lichtleiter mit dem empfangenden Lichtleiter identisch ist,
3, 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei welcher der aussendende Lichtleiter zu dem empfangenden Lichtleiter in einem spitzen Winkel bzw. rechtwinklig angeordnet ist,
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,
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,
7a, 7b eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß den 5a, 5b mit dezentral angeordneten Lichtleitern,
8, 9 eine dreidimensionale Gesamtansicht der und ein Schnitt durch die Ansaug- und Abgabevorrichtung,
10 einen Schnitt in Höhe des Messpunkts mit unter 180° angeordneten Lichtleitern,
11 einen Schnitt durch die Hohlnadel,
12a, 12b einen Schnitt durch die Hohlnadel bei einer Ausführungsform gemäß 7a, 7b,
13, 14 dreidimensionale Ansichten eines Halters mit optischen Umlenkelementen,
15 eine dreidimensionale Ansicht des Halters mit Blende im Bereich des optischen Elements,
16 eine Ansicht gemäß 15 aus einem anderen Blickwinkel bei abgenommenem Halter,
17 eine schematische Darstellung der Elektronik.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 V_h 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 D_i = 0,6 mm zu: Vmin = π/4·Di 2·Vh = 0,28 μl
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 LLD-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

Claims

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, mit – einer Pumpe (12) zum Ansaugen und/oder Abgeben wenigstens eines der Medien in bzw. aus der Leitung, – einer am Ende der Leitung (16) angeordneten Sonde (20), – wenigstens einem Licht aussendenden Sendelement (10) zum Aussenden von Licht quer zur und auf die Leitung (16) an einem dafür vorgesehenen Messpunkt (M), – wenigstens einem Empfangselement (11) zum Empfang des vom Sendeelement (10) ausgesandten, von den Medien in der Leitung (16) beeinflussten Lichts zur Bildung von Empfangssignalen, – einer Auswerteeinheit (A) zum Auswerten der Empfangssignale zur Erfassung des Phasenübergangs oder des statischen Zustands, – wenigstens einem zwischen dem Sendeelement (10) bzw. dem Empfangselement (11) und dem Messpunkt (M) vorgesehenen Lichtleiter (13, 15), der bis zum Messpunkt geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (13, 15) zumindest im Bereich nahe der Sonde (20) parallel zur Leitung (16) geführt ist und dass im Bereich des Messpunkts (M) wenigstens eine Umlenkoptik zum Umlenken des ausgesandten und/oder des zu erfassenden Lichts vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpunkt (M) so nahe einer Ansaugöffnung (21) der Sonde (20) angeordnet ist, dass das angesaugte Volumen ein Mehrfaches des Totvolumens in der Leitung (16) zwischen Ansaugöffnung und Messpunkt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Lichtleiter (13, 15) zum Aussenden bzw. zum Empfangen des Lichts bis zum Messpunkt (M) geführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) zumindest im Bereich des Messpunkts (M) aus einem für die Wellenlänge des verwendeten Lichts durchlässigen Material gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) eine Schlauchleitung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) von einer Hohlnadel (14) aufgenommen ist, an deren Ende der Messpunkt (M) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel (14) leitfähig und/oder metallisch ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Messpunkts (M) eine optische Blende (22) im Bereich des Endes des wenigstens einen Lichtleiters (13, 15) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umlenkoptik wenigstens eine Umlenkfläche (18, 19) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Umlenkfläche (18, 19) durch kegelig ausgeformte Innenflächen der vorzugsweise als Stahlrohr ausgebildeten Hohlnadel (14) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Messpunkts (M) in Längsrichtung der Leitung (16) im Wesentlichen durch die Höhe eines kegeligen Bereichs der Hohlnadel bestimmt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesandte Licht von einem aussendenden Lichtleiter (13) auch empfangen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Empfangselement (11) zugeordneter Lichtleiter (15) hinsichtlich der Leitung (16) einem dem Sendeelement zugeordneten Lichtleiter (13) diametral gegenüberliegend angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Sendeelement (10) zugeordneter Lichtleiter (13) in einer Schnittansicht durch die Leitung (16) winklig zu einem dem Empfangselement (11) zugeordneten Lichtleiter (15) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel spitzwinklig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel ein stumpfer Winkel vorzugsweise zwischen 120 Grad und 175 Grad ist und insbesondere zwischen 155 Grad und 175 Grad aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Lichtleiter so parallel zu einer durch die Mittellinie der Leitung (16) gehenden Ebene (e-e, f-f) angeordnet ist, dass das ausgesandte und/oder empfangene Licht parallel zu dieser Ebene zur Leitung gelangt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Sendeelement (10) zugeordnete Lichtleiter (13) und ein dem Empfangselement (11) zugeordneten Lichtleiter (15) lateral versetzt zu den Ebenen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) und/oder die Hohlnadel (14) zur kapazitiven Flüssigkeitslevelerfassung geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel (14) leitfähig und elektrisch isoliert in einem Gehäuse (30) der Vorrichtung aufgenommen ist.
Verfahren 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, wobei während des Ansaugens und/oder Abgebens oder auch bei einem statischen Zustand des in der Leitung befindlichen Mediums Licht von einem Sendeelement (10) quer zur und auf die Leitung (16) an einem dafür vorgesehenen Messpunkt (M) ausgesandt und von einem Empfangselement (11) das ausgesandte, von den Medien in der Leitung (16) beeinflusste Licht über wenigstens einen zwischen dem Sendeelement (10) bzw. dem Empfangselement (11) und dem Messpunkt (M) angeordneten Lichtleiter (13, 15) unter Bildung von Empfangssignalen in elektrische Signale umgesetzt wird, die zur Erfassung des Phasenübergangs oder des statischen Zustands ausgewertet werden, gekennzeichnet durch das Anordnen des Lichtleiters (13, 15) zumindest im Bereich nahe der Sonde (20) parallel zur Leitung (16) und ein Umlenken des ausgesandten und/oder des zu erfassenden Lichts im Bereich des Messpunkts (M) durch wenigstens eine Umlenkoptik.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpunkt (M) an einer am Ende der Leitung (16) angeordneten Sonde (20) so nahe einer Ansaugöffnung (21) der Sonde (20) angeordnet wird, dass das angesaugte Volumen ein Mehrfaches des Totvolumens in der Leitung (16) zwischen Ansaugöffnung und Messpunkt ist.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, gekennzeichnet durch Führen von wenigstens zwei Lichtleitern (13, 15) zum Aussenden bzw. zum Empfangen des Lichts bis zum Messpunkt (M).
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) von einer Hohlnadel (14) aufgenommen ist, an deren Ende der Messpunkt (M) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, gekennzeichnet durch das Anbringen einer optischen Blende (22) im Endbereich des wenigstens einen Lichtleiters (13, 15) am Messpunkt (M).
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesandte Licht von einem aussendenden Lichtleiter (13) auch empfangen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, gekennzeichnet durch ein hinsichtlich der Leitung (16) diametral gegenüberliegendes Anordnen eines dem Empfangselement (11) zugeordneten Lichtleiters (15) zu einem dem Sendeelement zugeordneten Lichtleiter (13), wobei das Empfangselement das Licht empfängt, dass durch die Leitung (16) transmittiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, gekennzeichnet durch ein hinsichtlich der Leitung (16) im Winkel zueinander liegendes Anordnen eines dem Empfangselement (11) zugeordneten Lichtleiters (15) zu einem dem Sendeelement zugeordneten Lichtleiter (13), wobei das Empfangselement das Licht empfängt, dass durch das Medium in der Leitung gelangt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, gekennzeichnet durch ein Anordnen des wenigstens einen Lichtleiters so parallel zu einer durch die Mittellinie der Leitung (16) gehenden Ebene (e-e, f-f), dass das ausgesandte und/oder empfangene Licht parallel zu dieser Ebene zur Leitung gelangt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Leitung (16) und/oder der Hohlnadel (14) eine kapazitive Flüssigkeitslevelerfassung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenübergang und/oder der statische Zustand während des Ansaug- und/oder Abgabevorgangs kontinuierlich erfasst wird.