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Die
Erfindung betrifft eine optische Überwachungsvorrichtung
für manuelle oder automatische Übertragung von
Flüssigkeitsmengen zwischen den im Raster angeordneten
Behältern, die beispielsweise in Form von Mikrotiterplatten
gebildet sind.
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Aus
der Praxis der Flüssigkeitshandhabung sind bis heute keine Überwachungsvorrichtungen
bekannt, mit deren Hilfe die manuelle Flüssigkeitsübertragung,
unabhängig von den Eigenschaften der Behältereinheit,
optisch detektiert, dargestellt und elektronisch aufgezeichnet werden
kann. Die Problemstellung ist aus der Laborpraxis allgemein bekannt. Die
vorhandenen technischen Systeme bieten aber nur eine, von der Behältereinheit
abhängige Lösung für die Positionierung
von Übertragungseinheiten zu Behältern. Es existiert
bisher keine vollständige technische Lösung für
die Überwachung der Flüssigkeitsübertragung.
Es besteht außerdem keine Möglichkeit für
die Aufzeichnung des Arbeitsvorgangs.
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Unter
Flüssigkeitsübertragung versteht man im Sinne
der Erfindung diejenigen Methoden und technischen Hilfsmittel, die
zur Aufnahme, Zwischenspeicherung, zum Transfer mit Positionsänderung und
nachfolgender Abgabe von Flüssigkeitsmengen in vordefinierten
Reihenfolgen oder in Teilaufgaben bestimmt sind, die nicht ausschließlich,
aber vorwiegend manuell durchgeführt werden. Die Flüssigkeitsübertragung
umfasst alle Arten von Systemen, Geräten oder Einheiten,
die Flüssigkeitsmengen mit mindestens einem Kanal zwischen
Behältern transferieren. Typische Übertragungseinheiten
sind die manuellen Pipetten, Pipettierroboter, Dispenser, Pumpen und
andere Einheiten aus der Laborpraxis.
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Unter
Behältern versteht man im Sinne der Erfindung diejenigen
technischen Hilfsmittel, bei denen mindestens eine Trägerfläche
für den Erhalt von Flüssigkeitsmengen vorhanden
ist, die aber vorzugsweise mit weiteren Flächenelementen
in beliebiger Form und Neigung so ergänzt werden kann,
dass eine räumliche Volumenbegrenzung entsteht. Zu Behältereinheiten
zählen Mikrotiterplatten mit festem Behälterraster
in einem Rahmen, einzelne Behälter, Küvetten,
Dosen, Ampullen, Flaschen, die in einem Raster angeordnet sind,
weiterhin Objektträger und andere Formen von Behältern
aus der Laborpraxis. Es ist derzeit allgemein üblich, die
zu testenden Proben, Substanzen, Materialien in Mikrotiterplatten
vorzulegen. Für analytische Verfahren in diesen komplexen
Behältereinheiten sind umfangreiche und aufwendige Übertragungsschritte
notwendig.
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Stand der Technik
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In
der Biochemie und in den bioanalytischen Verfahren werden Flüssigkeitsmengen
zwischen Behältern häufig transportiert. Die Proben
für die Analyse werden in Flüssigkeit aufgelöst,
wodurch eine bestimmte Probenmenge durch eine bestimmte Flüssigkeitsmenge
definiert ist. Für die Probenmenge ist dann das Volumen
der Flüssigkeit maßgebend.
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Die
in einer Flüssigkeit gelösten Proben werden typischerweise
in Behältern gelagert, die in einem definierten Raster
fest oder lose zusammengesetzt sind. Eine handelsübliche
Form nach dem Stand der Technik ist die Mikrotiterplatte, die Zeilen und
Spalten von Behältern in regelmäßigen
senkrechten Abständen beinhaltet. Eine senkrechte Rasteranordnung
kann auch durch Zusammensetzung von einzelnen Behältern
erzielt werden. Aufgrund der Parallelisierung von Verfahren wird
eine große Anzahl von Behältern in einem begrenzten
Raster zusammengefügt. Es werden handelsübliche
Mikrotiterplatten mit 96, 384, 1536 oder 3456 Behältern
angeboten. Dadurch liegt der Abstand zwischen den benachbarten Positionen üblicherweise
zwischen 1–10 mm. Durch Miniaturisierung werden die Abstände
auf 0,1–1 mm oder kleiner reduziert. Ein größerer Abstand über
10 mm kommt durch die Zusammensetzung separater Behälter,
wie zum Beispiel Küvetten, häufig zustande.
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Durch
Miniaturisierung und Parallelisierung der biochemischen Verfahren
besteht der Bedarf für eine schnelle und effektive Flüssigkeitsübertragung in
allen Branchen. Das Problem wird nach dem Stand der Technik durch
Pipettierroboter oder manuelle Pipettiereinheiten gelöst.
Der Einsatz von Pipettierrobotern ist mit einem relativ hohen Kostenaufwand verbunden.
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Außerdem
müssen die Roboter für Applikationen aufwendig
programmiert und getestet werden, was nur ein geschulter Anwender
durchführen kann. Die manuellen Pipettiereinheiten bieten
hingegen eine sehr effektive Alternative für die schnellen Durchführungen
von biochemischen Analysen im begrenzten Rahmen. Dazu stehen einkanalige
oder mehrkanalige Pipetten in mechanischer oder elektronischer Form
zur Verfügung. Bei manuellen Pipettiereinheiten liegt die
Anzahl der Kanäle vorwiegend zwischen 1–24 in
einer Reihe. Die Kanäle können auch in mehreren
Reihen angeordnet werden.
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Eine
häufig vorkommende Operation der Flüssigkeitshandhabung
in der Laborpraxis ist die Übertragung einer Flüssigkeitsmenge
von einem Behälter in einen anderen Behälter.
Die Übertragung wird typischerweise mit einer Pipette durchgeführt. Alternativ
kann die Flüssigkeitsübertragung mit einem Dispenser
oder mit einer Pumpe durchgeführt werden. In allen Fällen
der Flüssigkeitsübertragung zwischen Behältern
wird das Kanalende zu einem Behälter positioniert. Aufgrund
der großen Anzahl von Behältern in Rastern und
der kleinen Abstände zwischen ihnen, ist die manuelle Übertragung
für den Anwender mit einer erheblichen physischen und psychischen
Belastung verknüpft. Bei einem Rasterabstand unter 10 mm
wird die manuelle Positionierung der Kanalspitze und das Finden
der richtigen Position in einem Raster mit mehr als 8 Reihen deutlich
erschwert. Durch mehrfache Durchführung der Operation wachst
die Belastung für den Anwender, was zur Senkung seiner
Konzentration führt. Daraus resultiert eine fehlerhafte Übertragung
oder eine erhebliche Verlängerung der Operation. Bei wertvollen
Proben kann eine fehlerhafte Übertragung zur deutlichen
Erhöhung der Kosten der Analyse führen.
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Für
die Unterstützung der Orientierung auf handelsüblichen
Mikrotiterplatten werden die Reihen der Behälter durch
Zahlen und Buchstaben gekennzeichnet (typischerweise 1, 2, ... für
Spalten; A, B, ... für Zeilen). Indem die gewählte
Position durch entsprechende Konzentration des Anwenders mit Hilfe der
Kennzeichnungen gefunden wird, kann das Problem der Orientierung
im Raster einer Mikrotiterplatte aber nur teilweise gelöst
werden. Es kann eine Unsicherheit während der Durchführung
der Operation einer mehrfachen Übertragung oder nach einer
Ablenkung des Anwenders relativ schnell auftreten.
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In
der Gebrauchsmusterschrift
DE
203 07 590 U1 wird ein Pipettierständer für
das manuelle Pipettieren von Proben beschrieben. Für das
Pipettieren wird eine Pipettiervorlage unter der Mikrotiterplatte
verwendet, wo die Positionen für das Pipettieren gekennzeichnet
sind. In diesem Fall können aber nur transparente Platten
verwendet werden. Das manuelle Pipettieren wird dadurch nur im geringen
Maße erleichtert und unterstützt.
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In
der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2005 017 946 U1 wird eine Pipettierhilfe
mit optischer Anzeigeeinrichtung beschrieben. Die Probenpositionen in
einer Mikrotiterplatte werden unter der Platte optoelektronisch
gekennzeichnet. Die Position kann durch eine Eingabevorrichtung
gewählt werden. Diese Pipettierhilfe kann wiederum nur
für transparente Platten eingesetzt werden, außerdem
ist ihre Anwendung stark von den Eigenschaften der verwendeten Mikrotiterplatten
abhängig.
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Der
entscheidende Nachteil dieser Lösungen liegt in der starken
Abhängigkeit der jeweiligen Vorrichtungen von den optischen
Eigenschaften der Platten. Diese Lösungen bieten außerdem
keine Möglichkeit für eine nachträgliche
Kontrolle der manuellen Flüssigkeitsübertragung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einer optischen Vorrichtung
und in einem Verfahren für die Überwachung der
Flüssigkeitsübertragung zwischen Behältern
mittels manuellen oder automatischen Übertragungseinheiten.
Die Überwachung beinhaltet die optoelektronische Erfassung
der aktuellen Position einer oder mehrerer Kanalspitzen oberhalb
eines Rasters von Behältern und die optische Kennzeichnung
der gewählten Positionen oder Linien.
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Diese
Aufgabe wird durch die in Ansprüchen 1 und 25 angegebenen
Merkmale einer Vorrichtung und eines Verfahrens gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Für
die Reduzierung der physischen und psychischen Belastung des Anwenders
bei der Flüssigkeitsübertragung (typischerweise
bei biochemischen Analysen) ist es erforderlich, die gewählten Positionen
von Behältern in einem geordneten Raster optisch zu kennzeichnen,
die aktuelle Position von Übertragungskanälen
optisch zu erfassen und den kompletten Vorgang der Flüssigkeitsübertragung elektronisch
aufzuzeichnen.
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In
der Vorrichtung wird mindestens ein paralleler Lichtstrahl verwendet,
der näherungsweise parallel oberhalb der Behälterkanten über
das ganze Raster von Behältern verläuft. Die Lichtquelle
ist außerhalb der Aufnahmeeinheit für Behältereinheiten angeordnet,
und zwar so, dass von oben ein freier Zugang zu jedem einzelnen
Behälter mittels mindestens einer Kanalspitze besteht.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Aufnahmeeinheit ist
mindestens ein Photodetektor angeordnet, und zwar so, dass von oben
ein freier Zugang zu jedem einzelnen Behälter mittels einer
Kanalspitze besteht. Der parallele Lichtstrahl ist parallel zu einer
Rasterlinie der Behältereinheit angeordnet. Die einzelnen
Photodetektoren sind zu den Rasterlinien der Behältereinheit
zugeordnet. Durch die Einführung eines Übertragungskanals
in einen Behälter, zu dem der parallele Lichtstrahl und der
Photodetektor angeordnet sind, wird der parallele Lichtstrahl in
einem Bereich oder in der ganzen Breite durch den Kanal abgeschattet,
abgelenkt, absorbiert oder auf andere Art und Weise optisch geändert.
Dadurch entsteht im Photodetektor ein Signal, das die optische Interaktion
zwischen dem parallelen Strahl und dem Kanal angibt. Das entstandene
optoelektronische Signal wird zur Darstellung oder Aufzeichnung
der aktuellen Kanalposition verwendet.
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Erfindungsgemäß wird
ein Visualisierungselement für die Darstellung der im Voraus
gewählten Position und ein weiteres Visualisierungselement
zur Darstellung der aktuellen Kanalposition zu mindestens einer
Rasterlinie angeordnet. Durch Koinzidenz der beiden Visualisierungselemente
kann die aktuelle Übertragungsposition für den
Anwender visuell leicht erkannt werden. Um die gewünschte
Position schnell und ohne großen Aufwand zu finden, ist
nur eine laterale Bewegung der Kanalspitze in dem parallelen Lichtstrahl
oberhalb der Behälterkante notwendig.
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Ein
weiteres wichtiges Merkmal der Vorrichtung besteht in der Aufzeichnung
des Arbeitsvorgangs, wonach auch eine nachträgliche Kontrolle, eine
Protokollierung oder eine Dokumentation für die manuelle Übertragung
möglich ist.
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Die Überwachungsvorrichtung
arbeitet in der Grundversion autonom. Die Aufzeichnung kann auf einem
internen Speichermedium erfolgen. Häufig besteht der Bedarf,
den Vorgang auf einem Rechner, in einem Rechnernetz oder in einer
Datenbank zu speichern. Der Datentransfer kann durch einen wechselbaren
Speichermedium (USB-Stick, Speicherkarten aller Art), durch direkte
Verbindung zum Rechner oder Rechnernetz (USB, seriell, parallel), oder
durch kabellose Übertragung (Radiowellen, Infrarotsignale) verwirklicht
werden. Die Verbindung zu mindestens einem Rechner (mit Kabel oder
kabellos) ermöglicht die Darstellung des Vorgangs auf mindestens
einem Monitor. Dies ist eine erweiterte Funktionalität
der Überwachungsvorrichtung.
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Ein
lateral ausgedehnter, paralleler Lichtstrahl kann eine Rasterlinie,
mehrere, viele oder alle Rasterlinien abdecken, oder er ist breiter
als die Gesamtlinien des Rasters der Behältereinheit. Weiterhin sind
Photodetektoren zu einer Rasterlinie, mehreren, vielen oder allen
Rasterlinien zugeordnet. Der Signalverlauf von Photodetektoren wird
in einer Elektronikeinheit verarbeitet und in eine Visualisierungseinheit
weitergeleitet, wodurch die Positionierung eines Kanals zu einer
Rasterlinie, mehreren, vielen oder allen Rasterlinien erfolgen kann.
Bei der Ausdehnung des parallelen Lichtstrahls auf mehrere Rasterlinien und
mit der Zuordnung mehrerer Photodetektoren können auch
mehrere Kanäle gleichzeitig detektiert werden. In einer
bevorzugten Anordnung wird der parallele Strahl auf die ganze Breite
der Behältereinheit (Mikrotiterplatte) ausgedehnt und ein
Photodetektor zu jeder Rasterlinie zugeordnet.
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Die
Aufnahmeeinheit für Behältereinheiten ist so konfiguriert,
dass die Rasterlinien der Überwachungsvorrichtung durch
ein wiederholtes Einlegen einer Behältereinheit mit dem
Raster der Behälterreihen übereinstimmen.
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Vorzugsweise
werden zwei Überwachungseinheiten zueinander senkrecht
angeordnet, wodurch die Position eines Kanals oder mehrerer Kanäle
in einer Ebene zweidimensional detektiert werden kann.
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Bei
konischen oder strukturierten Kanalausführungen kann die
vertikale Versenkung des Kanals aus der Signalstärke berechnet
werden. Hier ist es vorteilhaft, zu jeder Rasterlinie mehrere Photodetektoren
zuzuordnen. Dadurch wird eine hohe laterale oder vertikale Auflösung
erreicht, was vor allem bei dünnen Kanälen vorteilhaft
ist.
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Ein
paralleler Strahl wird vorzugsweise durch Lasereinheiten erzeugt
(Laserdiode, Laser aller Art). Aber er kann auch durch die Beleuchtung
und Abbildung eines kleinen Lochs (einhole) oder eines Spalts realisiert
werden, wie es für jeden Fachmann aus dem Bereich der Optik
bekannt ist. Ein ausgedehnter paralleler Lichtstrahl kann durch
die laterale Zusammensetzung mehrerer paralleler Lichtstrahlen nebeneinander
verwirklicht werden. Dafür werden bevorzugt Laserdioden
mit Kollimatoroptik eingesetzt. Es können auch lateral
angeordnete Lichtleiter mit Kollimatoroptik verwendet werden, die
zu einer Lichtquelle oder mehreren Lichtquellen zugeordnet sind.
Ein paralleler Laserstrahl kann vorteilhaft in einer Querrichtung
durch optische Elemente ausgedehnt werden, wodurch eine parallele
Lichtscheibe entsteht. Die Querschnitttransformation des parallelen
Lichtstrahls kann vorzugsweise mit zylindrischer Optik oder mit
optischen Prismen erzielt werden. In der optischen Überwachungsvorrichtung
findet keine direkte visuelle Auswertung des Lichtstrahls statt,
deswegen ist die Wellenlänge des Lichtstrahls nicht nur
auf den sichtbaren Bereich begrenzt. Zum Beispiel können
auch infrarote Lichtquellen verwendet werden. In einigen Fällen
bietet aber eine sichtbare Lichtquelle für den Anwender
die vorteilhafte Möglichkeit, die Streuung des Strahls
direkt auf der Kanalspitze zu beobachten.
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Als
Photodetektoren werden Photodioden, Photodiodenarrays, Fototransistoren,
CCD-Zeilenkameras oder CCD-Matrixkameras verwendet, die direkt zu
dem parallelen Strahl oder Strahlenabschnitt zugeordnet sind, oder
die durch geeignete Abbildungsoptik oder Lichtleiter die Lichtintensität
detektieren. Die spektrale Empfindlichkeit der Photodetektoren wird
dem Spektrum der Lichtquelle angepasst, oder umgekehrt wird die
Lichtquelle entsprechend dem Photodetektor ausgewählt.
Die Anzahl der Detektorelementen in einem Querschnitt ist durch
die Anzahl der Rasterlinien und der erforderlichen lateralen Auflösung
bestimmt. Vorzugsweise wird zu jeder Rasterlinie mindestens ein
Photodetektorelement zugeordnet. Es besteht auch die Möglichkeit,
den reflektierten parallelen Strahl von einem Spiegel, der auf der
gegenüberliegenden Seite der Aufnahmeeinheit zum Lichtquellenmodul
positioniert ist, zu detektieren. Es kann außerdem auch
der reflektierte oder gestreute Strahl von einem Kanal detektiert
werden.
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Die
Photodetektoren zeigen die Änderungen auf den Rasterlinien
schneller als 1 Sekunde an. Bevorzugt wird eine schnelle Detektion
unter 10 ms, und sehr bevorzugt unter 1 ms mit optischer Darstellung durch
Visualisierungselemente durchgeführt. Dadurch können
sehr schnelle, bei den manuellen Bewegungen stattgefundene Vorgänge
detektiert, visualisiert oder auch aufgezeichnet werden. Eine schnelle Überwachungseinheit
mit 0,01–1 ms kann auch schnell fliegende Tropfen bei einem
berührungslosen Dosieren erfassen.
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Die
optische Überwachungseinheit arbeitet unabhängig
von den optischen Eigenschaften der Behältereinheit. Dadurch
können alle Behälterarten ohne Einschränkungen
eingesetzt werden, wie zum Beispiel transparente, weiße,
schwarze, opake Mikrotiterplatten; Objektträger aus Glas
oder Plastik; Tubes; Küvetten; mikrofluidische Einheiten;
oder andere beliebige Behälter aus der Laborpraxis.
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An
die Eigenschaften der Übertragungskanäle wird
keine spezielle Anforderung gestellt. Alle Arten der Kanäle
können ohne vorherige Anpassung detektiert werden, wie
zum Beispiel Plastikspitzen für Pipetten; Kanüle
aus Metall, Glas oder Plastik; Schläuche; Kapillaren aller
Art; Keramiknozzle.
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Der
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Überwachungsverfahren,
mit dem eine überwachte manuelle oder automatische Flüssigkeitsübertragung
durchgeführt werden kann.
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Das Überwachungsverfahren
beinhaltet die Schritte für die Vorauswahl einer Position
und die Positionierung eines Übertragungskanals zu einer
Behältereinheit mit Hilfe der Signale der Überwachungseinheit.
Durch ein Stellelement (in Form von Hebel, Knopf, Drehelement) wird
die Position für eine oder mehrere Rasterlinien im Voraus
gewählt. Vorzugsweise wird die im Voraus gewählte
Position durch die Visualisierungselemente visualisiert, die zu den
entsprechenden Rasterlinien räumlich zugeordnet sind. Üblicherweise
werden die Positionen durch senkrechte Rasterlinien definiert und
im Voraus gewählt. Durch die Annäherung des Endes
eines Übertragungskanals zu der oberen Kante einer Behältereinheit
und durch die Bewegung der Kanalspitze in der Lichtscheibe oberhalb
der Kante von Behältern wird eine definierte Position eines
Behälters aufgrund der Signale von Visualisierungselementen
gefunden. Die Übertragungseinheit wird in der lateralen
Ebene solange verschoben, bis durch eine visuelle oder akustische
Wahrnehmung eine Koinzidenz zwischen den Positionen der Rasterlinien
der Vorauswahl und Detektion festgestellt wird. In dieser Position
wird eine vertikale Bewegung des Kanals (oder der Kanäle)
in den Behälter (oder in die Behälter) ausgeführt und
eine Flüssigkeitshandhabung durchgeführt (Aufnahme
oder Abgabe). Auch ohne vorherige Einstellung der Position der Rasterlinie
der Vorauswahl kann eine Operation durchgeführt werden.
Die Überwachungseinheit ist vorzugsweise mit mindestens
einem Speichermedium (RAM, USB-Stick, Speicherkarte) ausgestattet,
wodurch der Vorgang in zeitlicher Reihenfolge aufgezeichnet werden
kann. Dadurch stehen dem Anwender nach dem Arbeitsvorgang alle Informationen über
die Position und den Charakter der Übertragung zur Verfügung.
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Die
Bedienungsfreundlichkeit kann durch die Ergänzung der Überwachungseinheit
mit einem Display und einer Tastatur erhöht werden, wodurch
die Eingabe der Informationen erleichtert und die Darstellung verbessert
werden kann. Für die Grundfunktion ist eine derartige Ergänzung
nicht zwingend notwendig. Die Überwachungseinheit kann
die Erfassung der aktuellen Position eines Kanals (oder mehrerer
Kanäle) auch ohne Vorgabe der Positionen der Vorauswahl
vollständig erfüllen. Damit steht dem Anwender
eine einfache Variante des Übertragungsverfahrens zur Verfügung.
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Bei
der üblichen Laborarbeit wird eine Flüssigkeitsübertragung
zwischen zwei Behältereinheiten (Mikrotiterplatten) mit
einer einkanaligen oder mehrkanaligen Pipette durchgeführt.
Um die Übertragung zu unterstützen und den Vorgang
vollständig zu erfassen, können hierfür
vorzugsweise zwei Überwachungsvorrichtungen nebeneinander
verwendet werden. Für komplexere Arbeiten können
auch mehr als zwei Überwachungsvorrichtungen verwendet
werden.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass eine Flüssigkeitsübertragung vollständig,
ohne Einschränkung der routinemäßigen
Laborarbeit, unterstützt, überwacht und aufgezeichnet
werden kann. Damit steht dem Anwender eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Erhöhung der Qualität seiner Arbeit bei gleichzeitiger
Reduzierung der physischen und psychischen Belastung zur Verfügung.
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Die
Realisierung der Erfindung soll nachfolgend an nicht einschränkenden
Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher
erläutert werden.
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Die
schematischen Zeichnungen im Einzelnen zeigen:
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1A und 1B ein
Grundmodul einer eindimensionalen Überwachungseinheit für
die Erfassung und Visualisierung der Position eines Kanals zu den
Behältern, in Draufsicht und in seitlicher Ansicht,
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2 eine
zweidimensionale Überwachungsvorrichtung mit zwei zueinander
senkrecht angeordneten Grundmodulen aus 1A,
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3 eine
vollständige zweidimensionale Überwachungsvorrichtung
mit einer elektronischen Einheit zur Erfassung von Signalen und
zur Verarbeitung von Daten,
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4 eine
zweidimensionale Überwachungseinheit in symmetrischer Anordnung
für die Orientierung einer asymmetrischen Behältereinheit (Mikrotiterplatte)
in zwei senkrechten Richtungen,
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5A und 5B eine
eindimensionale Überwachungseinheit mit zylindrischer Optik
für die Ausweitung eines parallelen optischen Strahls,
und als Alternative eine Darstellung mit prismatischer Optik,
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6A und 6B eine
eindimensionale Überwachungseinheit mit drehbarem Spiegel
zur Erzeugung einer dynamischen Lichtscheibe und mit der Detektion
reflektierter Lichtstrahlen von einem Spiegel, und als Alternative
eine Darstellung mit der Detektion gestreuter oder reflektierter
Lichtstrahlen von einem Kanal,
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7A schematische
Darstellung einer eindimensionalen Überwachungseinheit
mit zusammengesetzten lateralen Modulen zur Erzeugung einer parallelen
Lichtscheibe auf der Breite einer Behältereinheit (Mikrotiterplatte),
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7B schematische
Darstellung einer eindimensionalen Überwachungseinheit
mit zusammengesetzten, in einzelnen zu den Rasterlinien einer Behältereinheit
(Mikrotiterplatte) angeordneten Lichtmodulen.
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Ausführliche Beschreibung
der Ausführungsformen der Erfindung
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In
der 1A wird ein eindimensionales Grundmodul einer Überwachungseinheit
(010) gemäß der Erfindung in Draufsicht
dargestellt. Eine seitliche Ansicht wird in der 1B dargestellt.
Erfindungsgemäß besteht die Überwachungseinheit
(010) aus einem Lichtquellenmodul (110) zur Erzeugung einer
parallelen Lichtscheibe (113), einer Detektoreinheit (120)
mit einzelnen Detektorelementen (121) und einer Aufnahmeeinheit
(180) für Behältereinheiten (150)
mit einzelnen Behältern (151). Die Lichtscheibe
(113) mit Randstrahlen (113a), (113b)
wird durch eine Ausweitungsoptik (112) von einer Lichtquelle
(111) in der dargestellten Ausführungsform mindestens
auf die Breite der Behältereinheit (150) ausgeweitet
und in kleiner Distanz zur oberen Kante (154) der Behältereinheit
und in dieser Ebene, näherungsweise parallel zur Behältereinheit
(150), positioniert. Die parallelen Strahlen der Lichtscheibe
(113) verlaufen als virtuelle Rasterlinien parallel zu
einer Rasterlinie der Behältereinheit, zum Beispiel der Randstrahl
(113a) zur Rasterlinie auf der Strecke zwischen den Behältern
(151a), (151b). Durch den kleinen Abstand zwischen
der Lichtscheibe (113) und der oberen Kante (154)
der Behältereinheit (150) können die
einzelnen Behälter (151) mit einer Übertragungseinheit
nur durch Eindringen in die Lichtscheibe (113) erreicht
werden, wie es in der 1B mit Hilfe einer Übertragungseinheit (160)
in Form einer Spritzenpumpe (161) schematisch dargestellt
ist. Der Kanal (162) an einer Spritzenpumpe (161)
wird in einen Behälter (151t) eingeführt.
Durch die Betätigung des Kolbens (161b) mit dem
Griff (161c) wird Flüssigkeit in den Spritzenkörper
(161a) aufgenommen oder aus ihm abgegeben. Dadurch entsteht
eine Flüssigkeitsübertragung in beide Richtungen.
Durch Einführung des Kanals in den Behälter wird
der Lichtstrahl in einem Bereich der aktuellen Rasterlinie (170)
unterbrochen oder geändert. Die parallelen Strahlen der
Lichtscheibe (113) werden durch eine Detektoreinheit (120)
detektiert. Die Detektoreinheit besteht aus einzelnen Detektorelementen
(121), die zu den einzelnen Rasterlinien einer Behältereinheit (150)
zugeordnet sind. Es wird mindestens ein Detektorelement zu einer
Rasterlinie zugeordnet. Eine größere Anzahl von
Detektorelementen (121), als die Anzahl der Rasterlinien
der Behältereinheit zwischen (151b), (151c),
kann vorteilhaft zur Erhöhung der lateralen Auflösung
(ihren. Durch die Veränderung des Lichtstrahls mit einem
Kanal (162) entsteht eine Verringerung der Lichtintensität
auf dem aktuellen Detektorelement (121t). Die Detektionssignale
von Detektorelementen werden durch eine Elektronikeinheit verarbeitet
(130), in der ein Signalverlauf (131) generiert
wird. Auf der aktuellen Rasterlinie (170) wird ein verringertes
Signal als Signaländerung (131t) erfasst. Die Überwachungseinheit
beinhaltet eine Visualisierungseinheit (140), womit der
Signalverlauf dargestellt wird. Die Visualisierungseinheit (140)
besteht aus mindestens einer Reihe von optischen Visulisierungselementen
(141), die vorzugsweise räumlich zu den einzelnen
Rasterlinien zugeordnet sind. Das Detektionssignal (131)
wird durch die Verbindungsleitungen (132a), (132b)
und durch den Signalumformer (133) zu den Visualisierungselementen
(141) geführt. In dem Umformer (133)
wird das Signal gepegelt (133a), wodurch ein Schaltsignal
für die Visualisierungselemente entsteht. Die aktuelle
Position eines Kanals auf einer Rasterlinie (170) wird
für den Anwender durch ein optisches Signal (141t)
dargestellt. Als Visualisierungselement wird ein optisches Leuchtelement
in dem sichtbaren optischen Spektrum verwendet, vorzugsweise eine
Leuchtdiode. Zu den Visulisierungselementen (141) für
die Detektionssignale kann eine zweite Reihe von Visulisierungselementen
(142) zugeordnet werden, womit eine Vorauswahl als Vorgabe
(142t) dargestellt werden kann. Die Vorauswahl kann durch
ein Stellelement einer Auswahlvorrichtung (143) erzielt
werden. Vorzugsweise wird ein Drehknopf (143a) verwendet, der
mit den Visualisierungselementen (142) für die Vorauswahl
durch eine Leitung (143b) verbunden ist. Durch die Koinzidenz
der beiden Visualisierungssignale (141t), (142t)
kann eine richtige Positionierung eines Kanals (162) zu
einem Behälter (151t) in einer Dimension für
den Anwender leicht erkannt werden. Durch eine, in der Zeichnung
nicht dargestellte Einheit, kann die Koinzidenz zusätzlich
optisch oder akustisch signalisiert werden, was die Überwachung der
Flüssigkeitsübertragung für den Anwender
weiter unterstützt und dessen Arbeit erleichtert und sicherer macht.
Die Aufnahmeeinheit (180) bewirkt, dass eine Behältereinheit
(150) wiederholt, immer nur in eine definierte laterale
Position gebracht wird.
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Für
eine vollständige zweidimensionale Erfassung einer Position
wird eine zweite Überwachungseinheit (020) zu
einer ersten eindimensionalen Überwachungseinheit (010)
senkrecht und überlappend zugeordnet, wie es in der 2 dargestellt ist.
Die zweite Überwachungseinheit ist vorzugsweise auf die
zweite Breite einer Behältereinheit (150) angepasst.
Die beiden Überwachungseinheiten (010), (020)
bilden zusammen eine zweidimensionale Überwachungsvorrichtung
(030) mit einer gemeinsamen Aufnahemeinheit (180).
Die zweite Überwachungseinheit besteht ebenso aus einem
parallelen Lichtquellenmodul (210), das von einer Lichtquelle (211)
durch eine Ausweitungsoptik (212) eine Lichtscheibe (213)
erzeugt. Außerdem besteht sie aus einer Detektoreinheit
(220), die aus einzelnen Detektorelementen (221)
zusammengesetzt ist. Durch Veränderung oder Unterbrechung
des parallelen Lichtstrahls durch ein Kanal (162) entsteht
ebenso eine Reduzierung der Lichtintensität auf dem aktuellen Detektorelement
(221t) in der zweiten Dimension, was in einem elektrischen
Signal (231t) resultiert. Das Signal (231) aus
der Elektronikeinheit (230) wird durch einen Signalumformer
(233) zur zweiten Visualisierungeinheit (240)
zugeführt und mit den Visualisierungselementen (241)
als Signal optisch dargestellt (241t). Vorzugsweise wird
eine zweite Reihe von Visualisierungselementen für die
Vorauswahl (242) mit einer Auswahlvorrichtung (243)
eingesetzt. Durch die zweidimensionale Anordnung der Überwachungseinheit
(030) wird eine aktuelle Position (151t) auf den
senkrechten Rasterlinien (170), (270) schnell und
eindeutig erfasst und visualisiert. Bei einer vorherigen Auswahl
der aktuellen Rasterlinien in beiden Richtungen (142t),
(242t) kann eine Koinzidenz für den Anwender visuell
schnell und sicher erfasst werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die zweidimensionale Überwachungsvorrichtung
(030) mit einer Elektronikeinheit (032) zur analogen
oder digitalen Verarbeitung der Signale ergänzt. Eine vollständige Überwachungsvorrichtung (040)
ist in der 3 schematisch dargestellt. Die Detektionssignale
(131) und (231) werden durch die Verbindungen
(311) zu einem Elektronikmodul (310), vorzugsweise
für die Digitalisierung und Prozessierung, zugeführt.
Die Signale aus der Vorauswahl (143), (243) können
auch durch die Verbindungen (312) zu dem Elektronikmodul
(310) zugeführt werden. Dadurch steht eine vollständige
Information über die Vorauswahl und über die aktuelle
Flüssigkeitsübertragung dem Anwender zur Verfügung.
Die digitalen Signale können auf einem internen Speichermedium
(320) oder auch extern (330) gespeichert werden.
Es besteht außerdem die Möglichkeit, durch eine
Schnittstelle (340) digitale Signale mit einem Rechner
(033) auszutauschen. Die digitale Verarbeitung der Signale
im Elektronikmodul (310) bietet weitere vorteilhafte Möglichkeiten
für die Bedienung und Visualisierung, die in der Zeichnung
nicht weiter dargestellt aber für jeden Fachmann leicht
vorstellbar sind. Es können zu den Überwachungssignalen
zum Beispiel zusätzliche Informationen über die
Behältereinheit gespeichert werden, die durch einen Barcodeleser
erfasst werden. Die Anordnung in der 3 ist speziell
für eine Behältereinheit (150) in Form
einer Mikrotiterplatte mit 96 Behältern schematisch dargestellt.
Dieses Ausführungsbeispiel bedeutet aber keine Einschränkung
der Erfindung. Es können alle Formen der handelsüblichen
oder speziellen Behältereinheiten in allen Konfigurationen
verwendet werden, bei denen die oberen Kanten der einzelnen Behälter
(154) näherungsweise in einer Ebene angeordnet
und die Behälter zu einem Raster, fest oder lose, durch
eine Grundplatte (153) oder einen Rahmen (152)
(1B) verbunden sind. Die Aufnahmeeinheit (180)
kann so gebildet werden, dass die Behältereinheiten in
beliebiger Form und Anordnung aufgenommen werden können.
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Für
praktische Applikationen kann es vorteilhaft sein, eine nicht symmetrische
Behältereinheit in beiden Orientierungen zu verwenden.
In 4 ist eine symmetrische zweidimensionale Überwachungseinheit
(031) mit einer symmetrischen Aufnahmeeinheit (181)
dargestellt. Hier ist nur der zentrale Bereich dargestellt, weitere
Einheiten und Verbindungen können zum Beispiel aus den
Zeichnungen 2 oder 3 entnommen
werden. Die Einheiten in beiden Richtungen (011), (020)
sind der maximalen Breite einer Behältereinheit angepasst
und sind vorzugsweise identisch gebildet, wonach eine Behältereinheit
in einer (150) oder anderer (250) Orientierung
verwendet werden kann. Dadurch steht dem Anwender ein vergrößertes
Rasterfeld zur Verfügung, wo er eine aktuelle Behälterposition
(251t) auf dem Schnittpunkt der Rasterlinien (170),
(270) erfassen und visualisieren kann.
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Für
eine erfindungsmäßige Funktion der Überwachungsvorrichtung
ist es erforderlich, eine parallele Lichtscheibe (113)
zu erzeugen, die mindestens die Breite einer Behälterreihe
aufweist und mit parallelen Strahlen mindestens auf der Länge
einer Behältereinheit verläuft, wobei die Längen 50–150
mm, aber auch 1–50 mm oder 150–300 mm oder auch
größer betragen können. In 5A ist eine
derartige Anordnung in eindimensionaler Ausführung mit
einer zylindrischen Ausweitungsoptik (410) dargestellt.
Ein paralleler Strahl (413) von einer Lichtquelle (111)
wird, wie in der Zeichnung dargestellt, durch zwei zylindrische
optische Elemente (411), (412) in einer Dimension
ausgeweitet (414), so dass ein paralleler Strahl (415)
entsteht, der sich als Lichtscheibe (113) über
die Behältereinheit (150) ausbreitet und auf die
Detektoreinheit (120) einfällt. Die parallele
Lichtscheibe (130) deckt mindestens eine Rasterlinie ab,
vorzugsweise ist sie auf die Breite der Behältereinheit
ausgedehnt. In 5B ist eine weitere Ausführungsform
als eine prismatische Ausweitungsoptik (420) schematisch
in Draufsicht dargestellt. Ein paralleler Lichtstrahl mit beliebigem
Queerschnittprofil (422) wird durch ein prismatisches Element
(421) auf einen parallelen Strahl (423) ausgeweitet,
der als Lichtscheibe (113) über eine Behältereinheit
(150) verläuft. Der Faktor für eine Querschnittwandlung
hängt mit dem Einfallswinkel des Strahls (422)
auf die Fläche des Prismas (421a) zusammen. Der
Faktor gibt das Verhältnis der Breite der Strahlen am Eintritt
(422) und am Austritt (423) wieder. Bei einer
praktischen Umsetzung liegt der Faktor im Bereich 10–100.
Für eine optimale Gerätekonfiguration kann der
Strahl auch mehrstufig ausgeweitet werden, was eine beliebige Kombination
von optischen Anordnungen ermöglicht. In einer nicht dargestellten, bevorzugten
Anordnung wird ein paralleler Strahl zuerst durch zylindrische Optik
ausgeweitet und anschließend mit einem prismatischen Element
auf die erforderliche Breite gebracht. Die in den Zeichnungen 5A und 5B dargestellten
optischen Schaltungen stellen statische Anordnungen dar.
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Eine
eindimensionale Ausweitung eines parallelen Lichtstrahls mit einer
Ausweitungsoptik (430) kann auch dynamisch erfolgen, wie
es in der Zeichnung 6A dargestellt ist. Ein paralleler
Strahl (435) von einer Lichtquelle (111) wird
durch einen Strahlteiler (431) bis auf einen drehbaren
Spiegel (433) geführt. Der Strahl wird durch Drehung
des Spiegels (433) dynamisch, winkelmäßig
abgelenkt und virtuell ausgeweitet (436). Durch eine nachgeschaltete
zylindrische Optik (434) wird sie in eine parallele Richtung
(438) geführt, wodurch eine dynamische parallele
Lichtscheibe (114) erzeugt wird. Durch schnelles Drehen
des Spiegels (433) können Kanäle (162)
bei der Flüssigkeitsübertragung detektiert werden.
Bevorzugt wird ein Galvanospiegel verwendet. Ein durch den Spiegel
(433) abgelenkter Strahl (436c) wird als dynamischer
Lichtscheibenstrahl (438c) parallel zu den Rasterlinien (171)
geführt, von einem Spiegel (440) auf 180° reflektiert,
als reflektierter Strahl (439c), (437c), (437d)
auf den Strahlteiler (431) geführt und anschließend
als geteilter Strahl (437e) auf einen Detektor (432)
vom Strahlengang abgelenkt. Wenn ein Kanal (162) im Strahlengang (438c),
(439c) steht, wird mit dem Detektor (432) ein Signal
erfasst, das auf eine Elektronikeinheit weitergegeben wird, wie
es in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben
wurde. Die dynamischen parallelen Strahlen (438) werden
bevorzugt auf die Breite einer Behältereinheit (150)
ausgeweitet, vom Spiegel (440) als parallele dynamische
Strahlen (439) reflektiert, durch zylindrische Optik (434)
als Strahlen (437) zu den drehbaren Spiegel geführt.
In einer abgewandelten Version, die in der Zeichnung 6B dargestellt
ist, wird kein Spiegel verwendet, sondern der Strahl (438c)
wird auf einem Kanal reflektiert oder gestreut (439d) und
anschließend detektiert (432).
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Die
statischen oder dynamischen Ausweitungen eines parallelen Strahls
können auch beliebig nebeneinander zusammengesetzt werden,
wie es in der 7A schematisch mit zwei Modulen
dargestellt ist. Die Strahlausweitungseinheit (450) besteht aus
zusammengesetzten Lichtquellenmodulen, die als einzelne Module nebeneinander
angeordnet sind, so das wieder ein näherungsweise zusammengehängter
Strahl (113) aus den einzelnen Strahlen entsteht. In dem
Ausführungsbeispiel nach 7A werden
zwei Lichtquellenmodule (451), (455) angezeigt, die
von den Lichtquellen (452), (456) durch Ausweitungsoptiken
(453), (457) parallele Lichtscheiben (454),
(458) erzeugen, die dicht nebeneinander angeordnet sind
und eine gemeinsame parallele Lichtscheibe (113) formen.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Detekotoreinheit in
einzelne Module zu trennen, wie es auch in 7A dargestellt
ist. Danach wird die Detektoreinheit modular aufgebaut (460). Die
modulare Detektoreinheit (460) im Ausführungsbeispiel
besteht aus zwei separaten Modulen (461), (462),
die nebeneinander dicht angeordnet sind. In der modularen Detektoreinheit
(460) wird zu jeder Rasterlinie vorzugsweise mindestens
ein Detektorelement zugeordnet. Für jeden Fachmann ist
es leicht erkennbar, dass die modulare Strahlausweitungseinheit
(450) und die modulare Detektoreinheit (460) nicht
nur auf zwei Module begrenzt sind, sondern es kann eine beliebige
Anzahl von Modulen verwendet werden. In einer abgewandelten Ausführungsform
in 7B wird zu jeder einzelnen Rasterlinie eine Lichtquelle
(471) mit parallelem Strahl (472) diskret zugeordnet.
Die Lichtquellen (471) bilden ein zusammengesetztes Lichtquellenmodul
(470) für die Erzeugung einer parallelen Lichtscheibe
mit diskreten Strahlen.
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Die
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutern
die Grundidee der Erfindung und stellen bevorzugte Lösungen
dar. Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf die in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen begrenzt, sondern weitere abgewandelte
Lösungen und Anordnungen können davon abgeleitet
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 20307590
U1 [0011]
- - DE 202005017946 U1 [0012]