DE102011118612A1

DE102011118612A1 - Vorrichtung zur Steuerung einer Pipettiervorrichtung

Info

Publication number: DE102011118612A1
Application number: DE201110118612
Authority: DE
Inventors: Christine Schaller; Siegfried Wessel; Felix Ahlborg; Michael Falkert; Markus Morrin; Bianca Maltzahn
Original assignee: Euroimmun Medizinische Labordiagnostika AG
Current assignee: Euroimmun Medizinische Labordiagnostika AG
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: DE102011118612B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pipettiervorrichtung (1) mit wenigstens zwei Gefäßen (3), zwei Pipettenspitzen (2) und zwei Stelleinheiten (4), wobei die Pipettenspitzen (2) durch die Stelleinheiten (4) getrennt von einander jeweils relativ zu den Gefäßen (3) bewegbar sind, mit einer Messeinheit (9) zur Detektion einer Phasengrenze zwischen zwei in einem Gefäß (3) befindlichen Medien, wobei die Messeinheit (9) einen aus einer Spule und einer Messkapazität gebildeten Schwingkreis aufweist und eine Frequenzabweichung von einer Grundfrequenz erfasst, anhand der eine Kapazitätsänderung, die durch eine Berührung der Phasengrenze mit der Pipettenspitze (2) bewirkt wird, erfasst wird, und mit einer Steuereinheit (10), die unter Berücksichtigung der erfassten Kapazitätsänderung ein Stellsignal erzeugt, das an wenigstens eine der Stelleinheiten (4) zur Beeinflussung der Bewegung der dieser Stelleinheit (4) zugeordneten Pipettenspitze (2) übertragen wird. Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Schalteinheit (5) vorgesehen und derart verschaltet ist, dass die wenigstens zwei Pipettenspitzen (2) zumindest zeitweise getrennt von einander mit der Messeinheit (9) verbindbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pipettiervorrichtung mit wenigstens zwei Gefäßen, zwei Pipettenspitzen und zwei Stelleinheiten, wobei die Pipettenspitzen durch die Stelleinheiten getrennt von einander jeweils relativ zu den Gefäßen bewegbar sind. Ferner ist eine Messeinheit zur Detektion einer Phasengrenze zwischen zwei in einem Gefäß befindlichen Medien vorgesehen, die die Pipettenspitzen wenigstens zeitweise mit einem Messsignal versorgt und anhand einer Signaländerung eine Kapazitätsänderung aufgrund einer Bewegung der Pipettenspitze durch die Phasengrenze erfasst. Unter Berücksichtigung der erfassten Kapazitätsänderung erzeugt eine Steuereinheit ein Stellsignal, das an wenigstens eine der Stelleinheiten zur Beeinflussung der Bewegung der Pipettenspitze übertragen wird.
Es sind zahlreiche Anwendungen und Geräte in Laboren bekannt, für die es von großer Bedeutung ist, den Füllstand in Reagenzgläsern, Titerplatten oder anderen Gefäßen zu ermitteln. In der Regel kommt es bei den verwendeten Messeinrichtungen darauf an, in einem Gefäß eine Phasengrenze zwischen Luft oder einem Gas und einem Medium zu bestimmen, um beispielsweise erkennen zu können, wann eine Pipettenspitze eine Flüssigkeitsoberfläche erreicht.
Besonders im Bereich der Laborautomation ist es wichtig, die Füllstandsgrenze in einem Gefäß zuverlässig zu ermitteln, um die Dosierung von Proben und/oder der erforderlichen Reagenzien mit der gewünschten Genauigkeit durchführen zu können. Der Vorgang der Ermittlung einer Flüssigkeitsgrenze wird auch als Level Detection (LLD) bezeichnet.
Die Level Detection kommt vornehmlich bei Pipettiervorrichtungen von Laborautomaten zum Einsatz. Bei derartigen Geräten ist es einerseits wichtig sicher zu stellen, dass die Pipettennadeln nicht zu tief in ein Medium eintauchen, um unnötige Verschmutzungen zu vermeiden. Andererseits sollte stets die Flüssigkeitsmenge, die von derartigen Pipettennadeln aufgenommen wird, möglichst genau bestimmt werden. Häufig wird eine Pipettennadel etwa 2 mm unter die Flüssigkeitsoberfläche eingetaucht, um sicher zu gehen, dass die Eintauchtiefe ausreichend ist, um das Ansaugen von Luft zuverlässig zu vermeiden. Die Detektion einer Phasengrenze zwischen einer Flüssigkeit und Luft erfolgt üblicherweise auf kapazitivem weg. Es sind unterschiedliche Kapazitätsmessverfahren bekannt. Bei einem bekannten Messverfahren erfolgt zunächst die Anregung mittels eines Sinussignals um dann schließlich eine Signalphasenverschiebung zu detektieren. Ebenso wird in manchen Fällen eine Kapazität über einen Widerstand aufgeladen und dann eine direkte Entladung über einen Transistor vorzunehmen.
Neben den zuvor erwähnten Messmethoden ist es weiterhin bekannt, zunächst einen aus einer Spule und einer Messkapazität bestehenden Schwingkreis zu bilden und mit einer Grundfrequenz zu betreiben. Die Kapazitätsänderung wird hier durch Auswerten der Resonanzfrequenz und der Detektion eines Frequenzsprungs ermittelt, da sich mit steigender Kapazität die Frequenz verringert.
Ausgehend von den bekannten Messmethoden liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Messverfahren zur Detektion einer Flüssigkeitsgrenze in einem Probengefäß derart weiterzubilden, dass auch bei der Überwachung der Flüssigkeitsoberflächen mehrerer nebeneinander angeordneter Probengefäße keine Messfehler aufgrund einer gegenseitigen Beeinflussung der Probengefäße auftreten. Das anzugebende Verfahren sollte weiterhin eine besonders präzise und schnelle Detektion der Flüssigkeitsoberfläche in den Probengefäßen ermöglichen, um mit Hilfe entsprechender Messwerte auch das Verfahren, insbesondere der Verfahrgeschwindigkeit, automatisch gesteuerter Mehrnadelpipettierer zu steuern.
Die vorstehende Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figur näher erläutert.
Erfindungsgemäß ist eine Pipettiervorrichtung mit wenigstens zwei Gefäßen, zwei Pipettenspitzen, zwei Stelleinheiten, wobei die Pipettenspitzen durch die Stelleinheiten getrennt von einander jeweils relativ zu den Gefäßen bewegbar sind, einer Messeinheit zur Detektion einer Phasengrenze zwischen zwei in einem Gefäß befindlichen Medien, wobei die Messeinheit einen aus einer Spule und einer Messkapazität gebildeten Schwingkreis aufweist und eine Frequenzabweichung von einer Grundfrequenz erfasst, anhand der eine Kapazitätsänderung, die durch eine Berührung der Phasengrenze mit der Pipettenspitze bewirkt wird, erfasst wird, und mit einer Steuereinheit, die unter Berücksichtigung der erfassten Kapazitätsänderung ein Stellsignal erzeugt, das an wenigstens eine der Stelleinheiten zur Beeinflussung der Bewegung der dieser Stelleinheit zugeordneten Pipettenspitze übertragen wird, derart weitergebildet worden, dass wenigstens eine Schalteinheit vorgesehen und derart verschaltet ist, dass die wenigstens zwei Pipettenspitzen zumindest zeitweise getrennt von einander mit der Messeinheit verbindbar sind.
Die erfindungsgemäße technische Lösung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die einzelnen Pipettenspitzen bzw. Pipettennadeln getrennt mit der Messeinheit verbunden werden, so dass die einzelnen Pipettenspitzen nacheinander dahingehend überprüft werden, ob sie bereits die Flüssigkeitsoberfläche berührt haben. Vorzugsweise erfolgt die Umschaltung der Messeinheit auf die einzelnen Pipettenspitzen mit Hilfe eines Multiplexers.
In einer besonderen Ausführungsform verfügt die Pipettiervorrichtung über wenigstens zehn nebeneinander angeordnete Pipettenspitzen bzw. Pipettennadeln, die jeweils einzeln parallel zu dem Schwingkreis der Messeinheit zugeschaltet werden. Gemäß einer speziellen Weiterbildung verfügt das RC-Glied des Schwingkreises über einen Kondensator mit einer Kapazität von 200 pF und einem ohmschen Widerstand von 22 kΩ. Sobald eine Pipettenspitze eine Flüssigkeitsoberfläche berührt ändert sich die Kapazität, was zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises gegenüber der Grundfrequenz führt. Die Grundfrequenz liegt bevorzugt zwischen 48 und 520 kHz, insbesondere bei 500 kHz.
Zur Erzeugung der Grundfrequenz wird bevorzugt ein frei schwingender Oszillator verwendet. Bei einer Kapazitätsänderung an einer Pipettenspitze, beim Eintauchen eine Kapazitätserhöhung, kommt es zu einer Verringerung der Frequenz. Um bei einer derart hohen Frequenz eine geeignete Auflösung des Messsignals zu erhalten, ist auf bevorzugte Art ein Frequenzteiler vorgesehen, der ein Signal niedrigerer Frequenz erzeugt. Bei dem verwendeten Signal handelt es sich vorzugsweise um ein Dreieck- oder Rechtecksignal.
Für die Auswertung wird ein Mikrocontroller mit hoher Taktfrequenz verwendet, wobei das Referenzsignal eine Frequenz von mindestens 80 MHz, vorzugsweise von 100 MHz aufweist.
Zur Verbesserung der Auswertung ist ein Zähler vorgesehen, der über den Mikrocontroller geschaltet wird. Der Zähler erfasst die eingehenden Signalimpulse und ist in der Lage aus 1 bis 256 Impulsen einen Ausgangsimpuls zu erzeugen. In einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist der Zähler derart ausgeführt, dass aus 16 Impulsen des Eingangssignals ein Impuls eines Ausgangssignals generiert wird. Dieses gegenüber dem Eingangssignal quasi verlangsamte Ausgangssignal wird an den Controller übermittelt, so dass dieser das Signal auswerten kann. Sobald der Controller mit der Auswertung eines Signalimpulses fertig ist, startet er den Zähler erneut.
Sobald aufgrund einer Frequenzänderung im Schwingkreis eine Kapazitätsänderung an einer Pipettenspitze oder -nadel festgestellt wird, wird der Verfahrvorgang gestoppt. Auf bevorzugte Weise wird darüber hinaus auch der seit der Berührung der Flüssigkeitsoberfläche zurückgelegte Verfahrweg berechnet und die Pipettenspitze bzw. die Pipettennadel entsprechend zurück verfahren.
Die Figur zeigt in einer schematischen Ansicht die wesentlichen Elemente einer erfindungsgemäß ausgeführten Pipettiervorrichtung 1. Die Pipettiervorrichtung 1 verfügt über zehn Pipettennadeln 2, die in entsprechende Probengefäße mit einer flüssigen Probe eingefahren werden. Um die Pipettennadeln 2 einzeln verfahren zu können, ist an jeder Pipettennadel eine geeignete Stelleinheit 4 vorgesehen.
Die Pipettennadeln 2 sind über einen Multiplexer 5 mit einer Messeinheit 9 derart verbunden, das an jeder Nadel nacheinander für 30 μs eine Kapazitätsänderung überwacht wird. Hierfür ist ein Schwingkreis mit einer Grundfrequenz von 500 kHz vorgesehen, wobei aus einer Änderung der Resonanzfrequenz gegenüber der Grundfrequenz auf eine Kapazitätsänderung an einer Nadel 4 und somit auf eine Berührung der Flüssigkeitsoberfläche geschlossen werden kann. Das Messsignal mit der vorgenannten Grundfrequenz wird von einem freien Oszillator 5 erzeugt.
Aufgrund der hohen Frequenz des Eingangssignals wird dieses zunächst an einen Frequenzteiler übertragen. Hierbei ist ein Zähler 7 vorgesehen, der Impulse des Eingangssignals, wie zuvor beschrieben, zu einem Ausgangssignal zusammenfasst. Die Auswertung des Signals erfolgt schließlich mit Hilfe des Mikrocontrollers 8. Sobald an einer Pipettennadel eine Kapazitätsänderung detektiert wird, da diese eine Flüssigkeitsoberfläche berührt oder durchstoßen hat, geht ein Signal an eine zentrale Steuereinheit 10, die wiederum ein Stellsignal für die entsprechende Stelleinheit 4 generiert, so dass der Verfahrvorgang der Pipettennadel 2 gestoppt und bei Bedarf die Nadel um die seit der Berührung der Flüssigkeitsoberfläche bereits zurückgelegte Wegstrecke zurückgefahren werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Pipettiervorrichtung
2: Pipettenspitze
3: Probengefäß
4: Stelleinheit
5: Schalteinheit
6: Oszillator
7: Zähler
8: Mikrocontroller
9: Messeinheit
10: Steuereinheit

Claims

Pipettiervorrichtung (1) mit wenigstens zwei Gefäßen (3), zwei Pipettenspitzen (2) und zwei Stelleinheiten (4), wobei die Pipettenspitzen (2) durch die Stelleinheiten (4) getrennt von einander jeweils relativ zu den Gefäßen (3) bewegbar sind, mit einer Messeinheit (9) zur Detektion einer Phasengrenze zwischen zwei in einem Gefäß (3) befindlichen Medien, wobei die Messeinheit (9) einen aus einer Spule und einer Messkapazität gebildeten Schwingkreis aufweist und eine Frequenzabweichung von einer Grundfrequenz erfasst, anhand der eine Kapazitätsänderung, die durch eine Berührung der Phasengrenze mit der Pipettenspitze (2) bewirkt wird, erfasst wird, und mit einer Steuereinheit (10), die unter Berücksichtigung der erfassten Kapazitätsänderung ein Stellsignal erzeugt, das an wenigstens eine der Stelleinheiten (4) zur Beeinflussung der Bewegung der dieser Stelleinheit (4) zugeordneten Pipettenspitze (2) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schalteinheit (5) vorgesehen und derart verschaltet ist, dass die wenigstens zwei Pipettenspitzen (2) zumindest zeitweise getrennt von einander mit der Messeinheit (9) verbindbar sind.
Pipettiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (5) einen Multiplexer aufweist.
Pipettiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pipettenspitzen (2) nacheinander mit der Messeinheit (9) verbunden sind.
Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pipettenspitzen (2) jeweils zwischen 25 und 35 μs mit der Messeinheit verbunden sind.
Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten zehn unabhängig von einander verfahrbare Pipettenspitzen (2) vorgesehen sind.
Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfrequenz des Schwingkreises zwischen 480 und 530 kHz liegt.