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Die
Erfindung betrifft eine zur Montage einer Mikropipette bestimmte
Halterung, die gleichzeitig Mittel zur Messung von Kräften
aufweist, die beim Andruck der Mikropipette an einen Gegenstand
auf sie ausgeübt werden.
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Eine
heute weit verbreitete Arbeitsmethode der Elektrophysiologie ist
die so genannte Patch-Clamp-Technik. Diese Arbeitsmethode diente ursprünglich
allein der Erforschung von Ionenströmen und anderer elektrischer
Phänomene an Zellmembranen und zeichnet sich im Wesentlichen
dadurch aus, dass eine einzelne Zelle auf die Spitze einer mit einer
spezifischen Lösung gefüllten Mikropipette aufgebracht
und dann untersucht wird. Insbesondere werden die hohen elektrischen
Widerstände (Gigaseals) gemessen, die sich zwischen der
Pipettenspitze und der Zellmembran ausbilden und durch die in der
Pipette befindliche Lösung beeinflusst werden können.
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Da
die beschriebene Methode nur Erkenntnisse über das elektrische
Verhalten der Zellen liefert, besteht in neuerer Zeit ein erhöhtes
Bedürfnis daran, mit der Patch-Clamp-Technik auch das Verhalten
von Zellmembranen, Zellkernen, Organellen od. dgl. insbesondere
unter dem Einfluss bestimmter Pharmaka zu studieren. Zu diesem Zweck
interessiert z. B., wieviel Kraft zum Durchstechen von Zellmembranen,
Zellkernen od. dgl. benötigt wird oder um wieviel diese
im Moment des Durch stechens eingedrückt worden sind und
welche Veränderungen sich ergeben, wenn eine Zelle durch
Injektion mit Pharmaka, Viren od. dgl. manipuliert wird. Hierzu
ist es bekannt, einerseits die Zellen wie üblich z. B.
mittels Unterdruck fest an die Spitze einer Halte-Pipette anzuheften,
andererseits mittels einer Injektion-Pipette auf die Membran oder
andere Bestandteile der an der Halte-Pipette hängenden
Zellen einzuwirken, um sie z. B. zu durchstechen und ggf. ausgewählte Pharmaka
od. dgl. in das Zellinnere zu injizieren.
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Zur
Führung der Injektion-Pipetten während dieser
Vorgänge ist es bekannt, die Pipetten durch Kleben an einer
Halterung zu befestigen, die ihrerseits an einem beweglichen Arm
eines Mikroroboters moniert wird. Zur Messung der auf die Zellmembran ausgeübten
Kräften bzw. der Auslenkungen der Injektion-Pipette gegenüber
der Halterung dienen beispielsweise piezoelektrische Polymerfilme
(z. B. A. Pillarisetti et al in "Force Feedback Interface
for Cell Injektion", Proceedings of the First Joint Eurohaptics Conference
and Symposium an Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator
Systems, 2005 IEEE), die entsprechend der Auslenkung der
Pipettenspitze oder der auf sie ausgeübten Kraft verbogen werden.
Eine andere bekannte Möglichkeit besteht darin, die Injektion-Pipette
mittels Federn an einer Tragkonstruktion verschiebbar zu lagern
und die Verschiebungen mittels kammartig ineinander greifender Kondensatorplatten
kapazitiv zu messen (z. B. Y. Sun et al in "Mechanical Property
Characterization of Mouse Zona Pellucida", IEEE Transactions an
Nanobioscience, Vol. 2, No. 4, December 2003, Seiten 279–286).
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Ein
Hauptnachteil der bisher bekannten Halterungen der hier interessierenden
Art besteht darin, dass die sehr feinen Mikropipetten durch Kleben
mit der Halterung verbunden werden müssen. Der Bruch einer
Pipette erfordert daher in der Regel einen Austausch der kompletten
Halterung einschließlich der daran haftenden, restlichen
Teile der Pipette, was wegen der ebenfalls mit der Halterung verbundenen Sensoren
erhebliche Kosten verursacht. Dasselbe gilt, wenn es erwünscht
ist, die Injektions-Pipetten öfters auszutauschen. Außerdem
ist es schwierig, die Pipette stets so mit der Halterung zu verbinden,
dass sich im Hinblick auf die Sensoren gleiche Verhältnisse ergeben,
so dass nach jedem Pipettenwechsel umständliche und zeitaufwändige
Justierarbeiten unvermeidlich sind. Weiterhin kann nicht ohne weiteres sichergestellt
werden, dass die Pipette durch den Mikroroboter exakt axial, d.
h. parallel zu ihrer Längsachse bewegt wird, so dass auch
aus diesem Grund genaue Justierungen erforderlich sind. Schließlich
ist es nicht ganz einfach, die Pipette mit den erforderlichen Schlauchleitungen
zu verbinden, weil das angeklebte Pipettenende nicht frei zugänglich
ist.
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Ausgehend
davon besteht das technische Problem der Erfindung darin, eine Halterung
für Mikropipetten zu schaffen, die ein leichtes Auswechseln der
Pipetten ermöglicht, einfach handhabbar ist, dennoch eine
hohe Empfindlichkeit im Hinblick auf die Messung der Kräfte
oder Auslenkungen hat und eine exakt axiale Führung der
Pipette gewährleistet.
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Gelöst
wird dieses Problem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass die Halterung mit beweglichen
Klemmbacken versehen ist, die radial zur Pipette bewegt werden können,
um diese wahlweise einzuspannen oder freizugeben. Dadurch ist das
Auswechseln der Pipette ebenso wie das Anbringen von Schläuchen äußerst einfach
und beliebig oft durchführbar. Die Halterung ist somit
ohne weiteres wieder verwendbar. Eine hohe Empfindlichkeit ist deshalb
erreichbar, weil die Anordnung leicht so getroffen werden kann,
dass die stabförmigen Halteelemente direkt und ohne Zwischenschaltung
weiterer Bauteile auf die Sensoren einwirken. Dadurch, dass die
Halteelemente und ihre Klemmbacken in wenigstens zwei Ebenen angeordnet
werden, ist es weiterhin möglich, eine axiale Verschiebung
der Pipetten sicherzustellen. Schließlich wird eine Halterung
geschaffen, die gleichzeitig der auswechselbaren Einspannung der
Pipetten und der Messung ihrer Auslenkungen oder der auf sie wirkenden
Kräfte dient.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher
erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch
eine übliche, zur Durchführung der Patch-Clamp-Technik
geeignete Vorrichtung;
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2 schematisch
eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Halterung
für eine Mikropipette in einer Klemmstellung;
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3 einen
Schnitt längs der Linie III-III der 2;
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4 und 5 je
eine schematische Darstellung eines Antriebs für ein Halteelement
der Halterung nach 2 und 3 in einer
Klemm- und einer Offenstellung eines zugehörigen Halteelements;
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6 und 7 den 2 und 3 entsprechende
Ansichten der Halterung in einer Offenstellung;
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8 und 9 grob
schematische, perspektivische Darstellungen der erfindungsgemäßen Halterung
bei ihrer Anwendung auf eine Zelle; und
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10 eine
den 3 und 6 entsprechende Ansicht der
Halterung bei der Ausübung einer Kraft mittels der Pipette
auf eine Zelle.
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1 zeigt
schematisch die übliche Durchführung der Patch-Clamp-Technik.
Eine Schale 1 ist mit dem zu untersuchenden Zellmaterial
gefüllt. Eine innen hohle Halte-Pipette 2 ist
an einem Mikromanipulator 3 befestigt und in Richtung der
Schale 1 bewegbar, um in bekannter und daher nicht dargestellter
Weise eine einzelne, übertrieben groß dargestellte
Zelle 4 an ihrer Spitze anzulagern. An einer dem Mikromanipulator 3 gegenüber
liegenden Seite der Schale 1 ist ein weiterer Mikromanipulator 5 angeordnet,
an dem eine Halterung 6 montiert ist, die eine ebenfalls innen
hohle Injektion-Pipette 7 trägt. Diese weist einen
Schaft 7a und eine sich von diesem aus konisch verjüngende
Spitze 7b auf und kann mittels des Mikromanipulators 5 vorzugsweise
axial in Richtung der Zelle 4 bewegt werden, um mit ihrer
feinen Spitze 7b gegen die die Zelle 4 umgebende
Membran zu drücken oder diese zu durchstechen. Durch weiteres
Vorschieben der Injektionspipette 7 ist es auch möglich,
innere Bestandteile der Zelle 4 zu manipulieren, d. h.
einzudrücken, zu durchstechen oder mit durch die Injektion-Pipette 7 geleiteten
Pharmaka zu behandeln. Die Halterung 6 ist üblicherweise
mit Sensoren od. dgl. versehen, mittels derer die Kraft gemessen
werden kann, die auf die Spitze 7b der Injektion-Pipette 7 bei
ihrer Einwirkung auf die Zelle 4 ausgeübt wird.
Alternativ kann mittels der Sensoren z. B. die Auslenkung gemessen
werden, die die Injektion-Pipette 7 ab Berührung
der Zellmembran bis zum völligen Durchstechen der Zellmembran
erfährt.
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Sowohl
die Halte- als auch die Injektion-Pipette bestehen vorzugsweise
aus dünnen Glasröhrchen. Die Halte-Pipette 2 hat
an ihrer Spitze einen Außendurchmesser von z. B. einigen μm
und einen Innendurchmesser von 0,5 μm, während
die Spitze 7a der Injektion-Pipette 7 einen Außendurchmesser von
z. B. ca. 0,5 μm und einen Innendurchmesser von z. B. ca.
100 nm hat. Bei beiden Pipetten 2, 7 handelt es
sich um Mikropipetten, und die nachfolgend beschriebene, erfindungsgemäße
Halterung ist grundsätzlich zur Aufnahme beider Pipettenarten
sowie anderer, ähnlicher Pipetten geeignet. Daher wird die
Erfindung nachfolgend zwar anhand einer Halterung beschrieben, die
insbesondere zur Aufnahme einer Injektion-Pipette dient, weil die
erfindungsgemäß zu lösenden Probleme
vor allem bei der Anwendung von Injektion-Pipetten auftreten, doch
ist klar, dass die Halterung auch für andere Pipettenarten
im Mikrobereich angewendet werden kann.
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Im Übrigen
sind Vorrichtungen der aus 1 ersichtlichen
Art dem Fachmann aus den oben angegebenen Dokumenten allgemein bekannt,
so dass auf die Erläuterung weiterer Einzelheiten verzichtet werden
kann.
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2 und 3 zeigen
ein bisher für am besten gehaltenes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Halterung 10 für
eine Mikropipette 11, von der nur ein von der Halterung 10 erfasster Schaft 11a dargestellt
ist und die nachfolgend kurz allgemein als Pipette bezeichnet wird.
Außerdem zeigt 3 eine Achse 12 der
Halterung 10, die die z-Achse eines gedachten Koordinatensystems
ist. Diese z-Achse definiert gleichzeitig einerseits diejenige Achse,
die eine Mittelachse der Pipette 11 in dem in die Halterung 10 eingespannten
Zustand einnimmt (3) und gibt andererseits diejenige
axiale Richtung (Pfeil v in 3)
an, parallel zu welcher die Pipette 11 mittels des nur
schematisch angedeuteten Manipulators 5 bewegt werden soll.
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Nach 2 und 3 enthält
die Halterung 10 im Ausführungsbeispiel in einer
oberen Ebene eine Gruppe von vier stabförmigen Halteelementen 14,
die kreuzförmig und in gleichen Winkelabständen von
90° um die Achse 12 bzw. die Pipette 11 herum angeordnet,
radial zur Achse 12 erstreckt und vorzugsweise im Wesentlichen
in einer Ebene angeordnet sind, die parallel zur xy-Ebene des gedachten
Koordinatensystems liegt. Nicht dargestellte Mittelachsen der Halteelemente 14 stehen
daher radial und vorzugsweise senkrecht zur Achse 12.
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Die
Halteelemente 14 sind an ihren der Achse 12 zugewandten
Enden mit je einer Klemmbacke 15 versehen, deren Innenfläche
vorzugsweise eine an die äußere Mantelfläche
der Pipette 11 angepasste Krümmung besitzt. Wie
insbesondere aus 4 am Beispiel eines einzelnen
Halteelements 14 ersichtlich ist, sind die Halteelemente 14 außerdem
an von den Klemmbacken 15 und von der Achse 12 entfernten
Stellen mittels Federn 16 bis 19 an einer weiter
unten näher erläuterten Tragkonstruktion verschiebbar
gelagert. Tatsächlich sind gemäß 2 mittels
gleichartiger Federn 16 bis 19 z. B. zwei relativ
zur Achse 12 diametral gegenüber liegende Halteelemente 14 parallel
zur x-Achse und die beiden anderen Halteelemente 14 parallel
zur y-Achse beweglich gelagert. Dadurch ist es möglich,
die Halteelemente 14, wie in 2 durch
Doppelpfeile angedeutet ist, in einer vorgeschobenen Klemmstellung
anzuordnen (2 bis 4), in denen
die Federn 16 bis 19 eine entspannte Lage einnehmen
und die Klemmbacken 15 am Umfang eines Kreises angeordnet sind,
dessen Durchmesser etwas kleiner als der Außendurchmesser
der Pipette 11 ist, oder in einer Offen- oder Freigabestellung
zurückzuziehen (5 bis 7), in der
die Federn 16 bis 19 elastisch so vorgespannt
sind, dass sie aus dieser Stellung heraus selbsttätig in
die Klemmstellung zurückkehren können.
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Die
Federn 16 bis 19 bestehen vorzugsweise aus Blattfedern,
deren Mittelebenen parallel zur Achse 12 und so angeordnet
sind, dass die Mittelebenen der Federn 16 bis 19,
die mit den parallel zur gedachten x-Achse angeordneten Halteelementen 14 verbunden
sind, in parallel zur gedachten yz-Ebene liegenden Ebenen und die
Federn 16 bis 19 der beiden anderen Halteelemente 14 in
Ebenen liegen, die parallel zur gedachten xz-Ebene angeordnet sind.
Weiterhin sind z. B. gemäß 4 die Federn 16, 17 auf einer
Seite und die beiden Federn 18, 19 auf der anderen
Seite des betreffenden Halteelements 14 und jeweils parallel
zueinander angeordnet und mit ihren einen Enden am Halteelement 14,
mit ihren davon entfernten Enden dagegen an Ankern 20 bzw. 21 befestigt,
die starr an der Tragkonstruktion befestigt sind.
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Besonders
vorteilhaft ist es ferner, jedes Halteelement 14 mit insgesamt
vier Paaren von Federn 16, 17 bzw. 18, 19 zu
versehen. Das ergibt sich z. B. aus 4, wonach
parallel zu den Federn 16 bis 19 ein zweiter Satz
von entsprechend ausgebildeten und angeordneten Federn 16a bis 19a vorhanden
ist, wobei ein Paar 16a, 17a an der einen Seite
des Halteelements 14 und an einem Anker 20a und
ein zweites Paar 18a, 19a an der anderen Seite
des Halteelements 14 und an einem Anker 21a befestigt
ist.
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Bei
dem bisher für am besten gehaltenen Ausführungsbeispiel
weisen die Halteelemente 14 je einen vorderen, vergleichsweise
schlanken, die Klemmbacke 15 tragenden Abschnitt 22 und
einen hinteren, vergleichsweise breit ausgebildeten Abschnitt 23 auf,
der gemäß 2 bis 5 jeweils
mit den Federn 16 bis 19 und gegebenenfalls 16a bis 19a verbunden
ist. Außerdem ist der vordere Abschnitt 22 als
biegbarer Stab oder Balken (Cantilever), der hintere Abschnitt dagegen
als eine im Wesentlichen starre Platte ausgebildet, die sich beim Verbiegen
des Abschnitts 22 nicht ebenfalls verbiegt.
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Die
Tragkonstruktion für die Halteelemente 14 enthält
vorzugsweise eine massive Platte 24, an deren ebener, parallel
zur gedachten xy-Ebene liegender Oberseite die Anker 20, 21 und 20a, 21a mittels
Abstandhaltern 25 (3) so befestigt
sind, dass sich die Federn 16 bis 19 bzw. 16a bis 19a und
mit ihnen die Halteelemente 14 mit einem geringen Abstand
oberhalb der Platte 24 befinden und frei beweglich sind.
In ihrem Zentrum weist die Platte 24 ein mit der Achse 12 koaxiales
Loch 26 auf, das groß genug ist, um die zu haltende
Pipette 11 aufnehmen zu können (2).
Deshalb sind die Halteelemente 14 natürlich so
lang, dass sie die Öffnung 26 zumindest teilweise überbrücken
und sich an die Pipette 11 anlegen können.
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Die
erfindungsgemäße Halterung 10 weist ferner
Mittel zur Bewegung der Halteelemente 14 quer zur Achse 12 auf.
Im Ausführungsbeispiel dienen diese Mittel dazu, die Halteelemente 14 gegen die
Kraft der Federn 16 bis 19 und 16a bis 19a in
eine radial zurückgezogene Offen- bzw. Freigabestellung (5 bis 7)
zurückzuziehen. Die Mittel bestehen vorzugsweise aus einem
elektrostatischen Antrieb und weisen wenigstens einen ersten Satz 27 von
kammartig angeordneten Kondensatorplatten und einen zweiten Satz 28 von
kammartig angeordneten Kondensatorplatten auf. Die Kondensatorplatten
sind mit ihren Mittelebenen parallel zur Achse 12 und parallel
zur Bewegungsrichtung des jeweiligen Halteelements 14 angeordnet,
wie insbesondere 4 zeigt. Außerdem ist
der Satz 27 an der Tragkonstruktion, insbesondere an dessen
Platte 24 befestigt, wohingegen der Satz 28 am
betreffenden Halteelement 14 oder dessen Abschnitt 23 befestigt
ist. Die Kondensatorplatten sind außerdem in Bewegungsrichtung
so angeordnet, dass sie im entspannten Zustand der Federn 16 bis 19 und 16a bis 19a (= Klemmstellung)
nur teilweise kammartig im Eingriff sind (4). Wird
dagegen an die Kondensatorplatten eine elektrische Spannung angelegt
(z. B. 100 V Gleichspannung), dann wird dadurch der bewegliche Satz 28 von
Kondensatorplatten in den stationären Satz 27 von
Kondensatorplatten hineingezogen (5 bis 7)
mit der Folge, dass das betreffende Halteelement 14 in
seine Offenstellung bewegt und radial von der Achse 12 entfernt
wird. In dieser Lage bilden die Klemmbacken 15 einen Kreis,
dessen Durchmesser größer als der Außendurchmesser
der Pipette 11 ist.
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Vorzugsweise
ist an jeder Seite der Halteelemente 14 je ein elektrostatischer
Antrieb mit den Sätzen 27, 28 von Kondensatorplatten
vorgesehen, um eine verkantungsfreie, geradlinige Bewegung der Halteelemente 14 sicherzustellen.
Alternativ ist es natürlich auch möglich, auf
jeder Seite mehrere Sätze 27, 28 von
Kondensatorplatten vorzusehen oder am freien Ende des Abschnitts 23 nur
einen einzigen, zentral angeordneten Satz von Kondensatorplatten abzuordnen.
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Zum
Anlegen einer elektrischen Spannung an die Antriebe 27, 28 dienen
Anschlüsse 30, 31 und 30a, 31a.
Die Anschlüsse 30, 30a werden auf Erdpotential
gelegt und führen z. B. über auf die Oberseite der
Platte 24 aufgebrachte Leiterbahnen zu den Ankern 20a und 21a,
von dort über die Federn 16a bis 19a zum
Abschnitt 23 des betreffenden Halteelements 14 und
von dort zu dem beweglichen Satz 28 von Kondensatorplatten.
Dagegen sind die Anschlüsse 31, 31a direkt
mit dem stationären Satz 27 von Kondensatorplatten
verbunden. An die Anschlüsse 30, 31 bzw. 30a, 31a wird,
wenn die Halteelemente 14 zurückgezogen werden
sollen, eine ausreichend hohe Spannung angelegt.
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Die
erfindungsgemäße Halterung 10 ist schließlich
mit Mitteln zur Messung von in Richtung der Achse 12 erfolgenden
Auslenkungen der Klemmbacken 15 relativ zu der Platte 24 und
damit relativ zur Tragkonstruktion versehen. Diese Mittel enthalten
z. B. piezoresistive Sensoren 32, die in den biegbaren
Abschnitt 22 eingebaut sind. Die Sensoren 32 sind
zweckmäßig nahe an der Verbindungsstelle des Canilever-Abschnitts 22 mit
dem Abschnitt 23 angeordnet, wo die Biegung des Cantilever-Abschnitts 22 zu
den stärksten lokalen, mechanischen Spannungsänderungen
führt, um ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis zu
erhalten. Vorzugsweise werden jeweils vier derartige Sensoren 32 vorgesehen,
die über die Federn 16 bis 19 und von
den Ankern 20, 21 nach außen geführte
Leiterbahnen mit weiteren elektrischen Anschlüssen 33, 34 bzw. 33a, 34a verbunden
sind und in bekannter Weise zu einer Brückenschaltung zusammengefasst
werden. Die Sensoren 32 werden vorzugsweise in Form von
piezoresistiven Schichten an geeigneten Stellen in die Abschnitte 22 integriert. Piezoresistive
Sensoren dieser Art und die Auswertung der von ihnen beim Verbiegen
der Abschnitte 22 abgegebenen elektrischen Signale sind
dem Fachmann z. B. von Kraftmikroskopen (AFM) her bekannt und brauchen
daher nicht näher erläutert werden.
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Die
bisherige, auf eines der Halteelemente 14 gerichtete Beschreibung
trifft vorzugsweise auf alle vier aus 2 ersichtlichen
Halteelemente 14 zu, die zweckmäßig sämtlich
identisch ausgebildet und an derselben Platte 24 (2 und 3)
montiert sind.
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Schließlich
schlägt die Erfindung vor, die beschriebenen Halteelemente 14 nicht
nur in einer aus 2 und 3 ersichtlichen,
oberen Ebene vorzusehen, sondern in wenigstens einer zweiten, in z-Richtung
von ersten Ebene beabstandeten Ebene eine weitere Gruppe von Halteelemente
unterzubringen. Zweckmäßig ist die Anordnung und
Ausbildung der weiteren Halteelemente identisch zu denen der oben
beschriebenen Gruppe von Halteelementen 14, weshalb in 3 und 7 für
die zweite Gruppe dieselben, jedoch zusätzlich mit dem
Buchstaben a versehenen Bezugszeichen 14a, 15a, 24a, 25a, 26a verwendet
wurden. Da sich im Übrigen keine Unterschiede zu den in
der ersten Ebene angeordneten Gruppe von Halteelementen 14 ergeben,
ist eine erneute Beschreibung überflüssig. Es
sei lediglich erwähnt, dass auch die Platte 24a identisch
zur Platte 24 ausgebildet ist und dieser parallel und in
Richtung der Achse 12 mit Abstand gegenüber steht.
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Aus 3 ist
schließlich ersichtlich, dass die beiden Platten 24, 24a mittels
Montageplatten 35 und 35a, die ebenfalls Bestandteile
der gemeinsamen Tragkonstruktion sind, an dem 1 entsprechenden
Mikromanipulator 5 befestigt werden. Dieser ist so eingerichtet,
dass er die Platten 35, 35a und damit eine eingespannte
Pipette 11 exakt parallel zur Achse 12 verschieben
kann.
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Die
Anwendung der beschriebenen, am Mikromanipulator 5 befestigten
Halterung 10 erfolgt in zwei Stufen. In einer ersten Stufe
wird der Antrieb 27, 28 durch Anlegen je einer
Spannung an die Anschlüsse 30, 31 und 30a, 31a aktiviert.
Dadurch werden die beiden Sätze 27, 28 von
Kondensatorplatten unter gleichzeitiger Verbiegung und damit Vorspannung
der Federn 16 bis 19, 16a bis 19a in
gegenseitigen Eingriff gebracht.
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Infolgedessen
werden die Halteelemente 14 in ihre Offenstellung bzw.
ihre das Einführen und/oder Entnehmen der Pipette 11 ermöglichende Freigabestellung
zurückgezogen (5 bis 7). Nach
dem Einführen einer neuen Pipette 11 in die Löcher 26, 26a der
Platten 24, 24a werden die Antriebe 27, 28 durch
Abschalten der Spannungen deaktiviert, wodurch die Federn 16 bis 19, 16a bis 19a selbsttätig radial
nach vom vorgeschoben werden und mit ihren Klemmbacken 15, 15a die
Pipette 11 zwischen sich festklemmen (2 und 3).
Um insbesondere in Richtung der Achse 12 einen festen Sitz
der Pipette 11 zu garantieren, kann vorgesehen sein, wie
nur in 3 angedeutet ist, deren Außenmantel mit
Umfangsnuten 36, 36a zu versehen, in welche die Klemmbacken 15, 15a eintreten
und dadurch in z-Richtung eine formschlüssige statt nur
kraftschlüssige Verbindung herstellen. Die erste Stufe
der Anwendung ist damit beendet.
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Die
zweite Stufe beginnt, wie in 8 und 9 vereinfacht
dargestellt ist, mit der Verschiebung der gesamten, am Mikromanipulator 5 (3) befestigten
Tragkonstruktion in Richtung eines Pfeils v auf eine entsprechend 1 gehaltene
Zelle 4 zu. Wenn eine Spitze 11b der Pipette 11 die
Zellmembran erreicht, die aus den Platten 24, 24a und
den Montageplatten 35, 35a gebildete Tragkonstruktion jedoch
weiter axial in Richtung des Pfeils v bewegt wird,
dann wird die Zellmembran zunächst, wie aus 9 ersichtlich
ist, allmählich eingedrückt. Das hat, wie 10 in
einem vergrößerten Schnitt zeigt, zur Folge, dass
die biegbaren Abschnitte 22, 22a der Halteelemente 14, 14a aufgrund
der von der Zellmembran ausgeübten Gegenkraft F verbogen
werden. Die dadurch von den Sensoren 32 (4)
abgegebenen, elektrischen Signale werden mit nicht dargestellten
Auswerteschaltungen ausgewertet und in Kraft- oder Wegsignale umgewandelt.
Daraus können z. B. die allmählich zunehmenden
Kräfte errechnet werden, die sich bis zu dem Moment ergeben,
in welchem die Pipettenspitze 11b die Zellmembran durchsticht.
In diesem Moment kehren die biegbaren Elemente 22 abrupt
in ihre Grundstellungen gemäß 3 und 7 zurück.
Alternativ können aus den Signalen der Sensoren 32 die
Auslenkungen der Abschnitte 22, 22a bzw. der Klemmbacken 15, 15a relativ
zur Tragkonstruktion bis zum Durchstechen der Zellmembran ermittelt
werden, so dass festgestellt werden kann, um wieviel eine Zellmembran
gemäß 9 eingedrückt werden
kann, bevor sie platzt. Entsprechende Untersuchungen können
auch an in den Zellen vorhandenen Bestandteilen durchgeführt
werden.
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Nach
Beendigung der beschriebenen Messungen wird der Mikromanipulator 5 in
die Ausgangsstellung nach 7 zurückgefahren.
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Neben
der Vorteilen, dass die Halterung 10 mit den Sensoren 32 und
allen zugehörigen Teilen beliebig oft wieder verwendbar
ist und die Pipetten 11 jederzeit leicht ausgewechselt
werden können, bringt die Erfindung vor allem auch den
Vorteil mit sich, dass eine vergleichsweise starre Führung
der Pipette 11 in Richtung der Achse 12 möglich
ist. Dies wird einerseits dadurch erreicht, dass wenigstens je zwei Halteelemente 14 in
wenigstens zwei übereinander liegenden Ebenen angeordnet
sind (vgl. 8 und 9), was
eine unerwünschte Neigung der Pipette 11, sich
beim Andrücken an eine Zellmembran od. dgl. schräg
zur Achse 12 zu stellen, nahezu ausschließt. Dies
gilt insbesondere dann, wenn jede Gruppe von Halteelementen 14, 14a nicht
nur zwei, um 180° beabstandete, sondern drei, um je 120° beabstandete
oder, wie gezeigt, vier oder auch noch mehr Halteelemente 14, 14a enthält.
Andererseits tragen die Federn 16 bis 19, 16a bis 19a,
insbesondere wenn sie in der beschriebenen Weise als Blattfedern
ausgebildet sind, dazu bei, Verschwenkungen der eingespannten Pipette 11 quer
zur Achse 12 weitgehend zu vermeiden.
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Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Halterung 10 erfolgt
vorzugsweise unter Anwendung bekannter Mikrosystemtechniken, ausgehend
von üblichen Halbleitermaterialien. Die Platten 24, 24a können
z. B. aus Silizium-Einkristallen, insbesondere aus einem SOI-Wafer
(SOI = Silizium-on/auf-Isolator) mit je einer unteren und oberen
Siliziumschicht und einer dazwischen angebrachten SiO2-Schicht
hergestellt werden, wie es der üblichen SOI-Technik entspricht.
Im Anschluss daran wird der gesamte, in einer Ebene liegende Teil
der Halterung 10 unter Anwendung üblicher Ätztechniken
als integrierte Baueinheit hergestellt, ohne dass zusätzliche
Zusammenbauten im Mikrobereich erforderlich sind. Dabei ist es möglich,
die beiden Platten 24 und 24a und die auf ihnen
befindlichen Elemente separat voneinander herzustellen und dann
mit Hilfe der Montageplatten 35, 35a zu einer
einstückigen Tragkonstruktion zusammenzufügen.
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Die
beschriebene Halterung 10 kann z. B. mit einer Auflösung
von 10 nm im Hinblick auf die Auslenkungen der biegbaren Abschnitte 22 oder
mit einer Kraftauflösung von 0,05 μN bis 5,0 μN
hergestellt werden. Die radiale Klemmwirkung kann z. B. mit einer
Kraft von 40 kN/m ausgeübt werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt, das auf vielfache Weise abgewandelt werden
kann. Das trifft zunächst auf die als Biegebalken ausgebildeten
Abschnitte 22 der Halteelemente 14, 14a zu.
Es wäre beispielsweise möglich, die Halteelemente 14, 14a als über
ihre ganze Länge im Wesentlichen starre Bauteile auszubilden
und die Klemmbacken 15, 15a dadurch in Richtung
der Achse 12 zu verschieben, dass die rückseitigen
Federn 16 bis 19, 16a bis 19a um
ihre Längsachsen entsprechend verdrillt werden. Weiter können
andere Antriebe vorgesehen werden, beispielsweise in Form von Magneten,
piezoelektrischen Stellantrieben od. dgl., wobei jeweils der Vorteil
besteht, dass die Halteelemente 14, 14a nur in zwei
definierte Stellungen, nämlich die Klemmstellung und die
Freigabestellung bewegt werden müssen. Möglich
wäre es auch, die Klemmstellung mit geeigneten Antriebsmitteln
und die Freigabestellung mit Hilfe der Federn 16 bis 19, 16a bis 19a herzustellen.
Weiter kann die Messung der Kraft oder Auslenkung mit anderen als
piezoresistiven Mitteln erfolgen, insbesondere z. B. mit laseroptischen
oder kapazitiven Mitteln. Denkbar wäre es beispielsweise,
insbesondere wenn das gesamte Halteelement 14, 14a im Wesentlichen
starr ausgebildet ist, die Messung mit Hilfe der vorhandenen Sätze 27, 28 von
Kondensatorplatten oder mit Hilfe von zusätzlichen Sätzen
von Kondensatorplatten vorzunehmen. Da sich in diesem Fall beim
Verschwenken der Halteelemente 14, 14a auch die
relativen Abstände und Lagen der Kondensatorplatten ändern,
können diese Änderungen als Maß für
die axiale Verschiebung der Pipette 11 dienen. Das gilt
um so mehr, als in der Klemmstellung keine Spannung an den Kondensatorplatten
anliegt und diese daher zum Anlegen zum Messspannungen verwendet
werden können. Weiterhin brauchen die Halteelemente 14, 14a nicht
notwendig in zur z-Achse senkrechten Ebenen liegen, da ihre Verbiegung oder
Verschwenkung auch möglich ist, wenn sie mit der Achse 12 Winkel
bilden, die von 90° abweichen. Schließlich versteht
sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und
dargestellten Kombinationen angewendet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - A. Pillarisetti
et al in "Force Feedback Interface for Cell Injektion", Proceedings
of the First Joint Eurohaptics Conference and Symposium an Haptic
Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, 2005
IEEE [0004]
- - Y. Sun et al in "Mechanical Property Characterization of Mouse
Zona Pellucida", IEEE Transactions an Nanobioscience, Vol. 2, No.
4, December 2003, Seiten 279–286 [0004]