DE102012016020A1

DE102012016020A1 - Pipettiervorrichtung, Pipettierbehälter und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012016020A1
Application number: DE102012016020.8A
Authority: DE
Inventors: Burkhardt Reichmuth; Michael Schicke; Volker Plickert; Wilko Hein; Herbert Belgardt; Klaus Schürbrock
Original assignee: Eppendorf SE
Current assignee: Eppendorf Se De
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2014-02-13
Also published as: US20140051182A1; US9795958B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pipettiervorrichtung zum Pipettieren von Laborproben in einen mit der Pipettiervorrichtung verbindbaren Pipettierbehälter, der insbesondere erfindungsgemäß gestaltet ist, der eine Behälterseite und einen ersten Verbindungsabschnitt aufweist, durch den der Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbindbar ist, und an dieser Behälterseite eine Informationsträgereinrichtung mit mindestens einem Informationsabschnitt aufweist, der eine Information trägt; die Pipettiervorrichtung aufweisend eine elektrische Informationsleseeinrichtung, mit der eine auf der Informationsträgereinrichtung enthaltene Information lesbar ist, wenn der Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbunden ist, und die mindestens eine elektrische Sensoreinrichtung aufweist, die mindestens einen Sensorabschnitt aufweist, gegenüber dem ein Messraum ausgebildet ist, wobei die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, den Informationsgehalt mindestens eines Informationsabschnitts zu lesen, wenn dieser in dem Messraum angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner einen mit der Pipettiervorrichtung verwendbaren Pipettierbehälter oder Adapterelement und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Pipettiervorrichtung, und einen Pipettierbehälter zur Verbindung mit der Pipettiervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung des Pipettierbehälters.
Solche Pipettiervorrichtung werden vor allem im Labor zum Transport und Übertragen von fluiden Proben verwendet, insbesondere zur Dosierung der Proben. Bei Pipettiervorrichtungen werden z. B. flüssige Proben mittels Unterdruck in Pipettenspitzen eingesaugt, dort gelagert, und am Zielort wieder aus diesen ausgestoßen.
Zu den Pipettiervorrichtungen gehören z. B. handbetriebene Pipetten und Dispenser. Unter einer Pipette wird ein Gerät verstanden, bei der die vom Gerät durch eine einzelne Betätigung abgegebene Probenmenge im Wesentlichen der in das Gerät aufgesaugten Probenmenge entspricht. Bei einem Dispenser wird dagegen eine mehreren Abgabemengen entsprechende aufgenommene Probenmenge schrittweise wieder abgegeben. Zudem wird zwischen Einkanalgeräten und Mehrkanalgeräten unterschieden, wobei Einkanalgeräte nur einen einzigen Abgabekanal enthalten und Mehrkanalgeräte mehrere Abgabekanäle enthalten, die insbesondere das parallele Abgeben/Aufnehmen der Probe erlauben.
Beispiele für handbetriebene Pipetten sind die Eppendorf Reference^® und die Eppendorf Research^® der Eppendorf AG, Hamburg, Deutschland; ein Beispiel für einen handbetriebenen Dispenser ist die Multipette^® plus der Eppendorf AG; ein Beispiel für eine elektronische Pipette ist die Eppendorf Xplorer^® der Eppendorf AG; Beispiele für elektronische Dispenser sind die Multipette stream^® und Xstream^® der Eppendorf AG.
Die DE 43 42 178 C2 beschreibt eine bekannte Pipettiervorrichtung, nämlich eine Repetierpipette, die ein Dispenser ist. Bei diesem Dispenser ist der Verdrängungskolben nicht wie bei einer Pipette, die nach dem Luftpolsterprinzip arbeitet, im Geräteschaft angeordnet, sondern ist Teil des Pipettierbehälters, in dem die Laborprobe aufgenommen wird, welches nach Art einer Spritze gestaltet ist. Der Dispenser arbeitet nach dem Direktverdrängerprinzip. Dabei ist der Verdrängungskolben der Spritze während dem Dosieren einer Probenflüssigkeit im Wesentlichen nicht durch ein Luftpolster von der Probenflüssigkeit getrennt sondern mit diesem im direkten Kontakt, wodurch ein besonders genaues Dosieren möglich ist. Der zur Spritze gehörige Verdrängungskolben ist an eine Bewegungseinrichtung gekoppelt, die im Geräteschaft des Dispensers angeordnet ist. Der zusätzliche Vorteil der Spritze gemäß der genannten Druckschrift ist insbesondere, dass der Pipettierbehälter einen Informationsträger aufweist. Eine am Verbindungsabschnitt des Dispensers angeordnete, mechanisch-elektrisch arbeitende Sensoreinrichtung mit mehreren mechanischen Mikroschaltern dient dem Auslesen einer Information. Diese Information wird von einer elektrischen Steuereinrichtung des Dispensers, die im Geräteschaft angeordnet ist, dazu verwendet, den Typus des mit dem Dispenser verbundenen Spritze festzustellen und daraus insbesondere das maximal zulässige Befüllungsvolumen der Spritze zu erkennen. Anhand dieser Informationen wird von der Steuereinrichtung ferner das Steuerprogramm ausgewählt, welches die vom Benutzer vorgegebenen gewünschten Probenvolumen in entsprechende Kolbenbewegungen übersetzt.
Der Sensor der bekannten Sensoreinrichtung verwendet eine Abtasteinrichtung, die sieben Auslesebereiche an der Spritze ausliest. Die Auslesebereiche sind konzentrisch um die Kolbenachse an der Verbindungsseite der Spritze angeordnet und dem Kopfabschnitt des Dispensers zugewandt. Jeder Auslesebereich weist einen Vorsprung auf (oder nicht), der bei der Verbindung der Spritze mit dem Dispenser einen mechanischen Taststift der Abtasteinrichtung des Sensors drückt und so aktiviert (oder nicht) und so einen elektrischen Stromkreis schließt (oder nicht). Durch das relativ große Volumen der beweglichen Bauteile der Abtasteinrichtung und das im Vergleich dazu meist vergleichsweise geringe Platzangebot an einem Pipettierbehälter ist die Anzahl der möglichen Auslesebereiche und damit die Anzahl der durch die Auslesebereiche codierbaren und unterscheidbaren Informationen relativ begrenzt. Ferner neigen die beweglichen Bauteile zum Verschleiß und sind nur aufwändig zu warten.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Pipettiervorrichtung zu schaffen, die insbesondere einen zuverlässigen Betrieb der Pipettiervorrichtung ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Pipettiervorrichtung gemäß Anspruch 1 und den Pipettierbehälter für die Pipettiervorrichtung gemäß Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung zum Pipettieren von Laborproben in einen mit der Pipettiervorrichtung verbindbaren Pipettierbehälter, insbesondere einen erfindungsgemäßen Pipettierbehälter, der an einer Behälterseite einen ersten Verbindungsabschnitt aufweist, durch den der Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbindbar ist, und an dieser Behälterseite eine Informationsträgereinrichtung mit mindestens einem Informationsabschnitt aufweist, der eine Information trägt, weist auf:
eine Verbindungseinrichtung, durch die der Pipettierbehälter in einer Verbindungsposition mit der Pipettiervorrichtung verbindbar ist, und eine elektrische Informationsleseeinrichtung, mit der in der Verbindungsposition die Information lesbar ist, wobei die Informationsleseeinrichtung mindestens eine elektrische Sensoreinrichtung aufweist, die mindestens einen Sensorabschnitt und diesem gegenüberliegend mindestens einen Messraum aufweist, in dem der mindestens eine Informationsabschnitt an der Behälterseite in der Verbindungsposition zumindest teilweise anordenbar ist, wobei die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, in dem mindestens einen Messraum eine von dem mindestens einen Informationsabschnitt beeinflusste Messung durchzuführen, durch welche diese Information ermittelbar ist.
Die erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung bietet insbesondere den Vorteil, dass keine mechanischen Stellelemente der Pipettiervorrichtung notwendig sind, um den Informationsgehalt des Informationsabschnitts zu erfassen. Vielmehr wird ein Messraum der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung bereitgestellt, damit die Messung ohne mechanische Kontaktübertragung erfolgen kann, indem der Informationsabschnitt in der Verbindungsposition des Pipettierbehälters mit der Pipettiervorrichtung in diesem Messraum angeordnet und dort gemessen wird. Dadurch kann eine Sensoreinrichtung kompakter gestaltet werden. Ferner wird der Verschleiß der Pipettiervorrichtung reduziert und der Betrieb der Pipettiervorrichtung wird zuverlässiger. Darüber hinaus bietet die Bereitstellung des Messraums den Vorteil, dass der für die Messung zuständige Sensorabschnitt über diesen Messraum zur Reinigungs- oder Wartungszwecken leicht einsehbar und behandelbar ist. Auch dadurch wird der Betrieb der Pipettiervorrichtung zuverlässiger.
Unter einer Pipettiervorrichtung wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung verstanden, mittels der ein Fluid durch Ansaugen in einen Pipettierbehälter für das Fluid übertragbar ist, und insbesondere von dort wieder abgegeben werden kann. Bei einer Pipettiervorrichtung wird ein Fluid mittels eines Unterdrucks in das Behältnis eingesaugt. Der Unterdruck wird in der Regel durch einen in einem Zylinder beweglichen Kolben einer Bewegungseinrichtung erzeugt. Der Kolben wird insbesondere manuell oder maschinell bewegt, insbesondere durch elektrischen Antrieb. Der Unterdruck kann mithilfe eines expandierbaren Luftvolumens zwischen Fluid und fluidseitigem Kolbenende erzeugt werden. Alternativ dazu wird beim Direktverdrängerprinzip das fluidseitige Kolbenende in unmittelbaren Kontakt mit dem Fluid gebracht oder zumindest in unmittelbare Nähe des Fluids gebracht.
Die Pipettiervorrichtung ist vorzugsweise eine Pipette oder ein Dispenser. Die Pipettiervorrichtung kann ferner handbetrieben oder elektrisch betrieben sein und dazu insbesondere eine handbetriebene oder eine elektrisch betriebene Bewegungseinrichtung aufweisen. Es kann sich bei einer Pipettiervorrichtung um ein Einkanalgerät oder ein Mehrkanalgerät handeln.
Die Pipettiervorrichtung ist vorzugsweise für den Transfer, insbesondere das Dosieren, von kleinen Fluidmengen ausgestaltet. Darunter werden insbesondere Fluidvolumina im Bereich zwischen 0,5 μl bis 200 ml verstanden. Diese Fluide sind meist wässrige Flüssigkeiten, können aber z. B. auch andere anorganische oder organische Flüssigkeiten sein. Die Genauigkeit der Dosierung liegt, vorzugsweise gemessen nach EN ISO 8655, für die systematische Messabweichung (SMA) jeweils vorzugsweise bei SMA = +/–(0,02–0,08) μl bei einem wässrigen Fluidvolumen V = 1 μl, SMA = +/–(0,08–0,16) μl bei V = 10 μl, SMA = +/–(0,6–1,0) μl bei V = 100 μl. Die relative systematische Messabweichung (SMA/V) beträgt vorzugsweise zwischen 5–50 Promille. Die systematische Messabweichung ist die Abweichung des dosierten Volumens vom Nennvolumen oder vom gewählten Volumen der Pipettiervorrichtung. Sie kann durch Mittelwertbildung aus zehn Messungen ermittelt werden.
Die Pipettiervorrichtung ist vorzugsweise eine handgehaltene Vorrichtung. Zu diesem Zweck weist sie vorzugsweise einen Griffabschnitt auf. Vorzugsweise ist der Basiskörper als Griffabschnitt ausgebildet, der von der Hand des Benutzers gegriffen wird, um die Pipettiervorrichtung zu halten, und insbesondere zu bewegen und zu bedienen. Vorzugsweise ist die Pipettiervorrichtung für eine einhändige Bedienung ausgebildet, so dass alle für das Pipettieren erforderlichen Vorgänge einhändig ausgeführt werden können. Die Pipettiervorrichtung kann aber auch Bestandteil einer Laborvorrichtung sein, z. B. eines Laborautomaten.
Der Basiskörper weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, in dem die Bewegungseinrichtung zumindest teilweise oder vollständig angeordnet sein kann. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung zumindest teilweise oder vollständig in dem Basiskörper angeordnet.
Die Bewegungseinrichtung dient der Bewegung des Fluids zu dessem Transfer und dient insbesondere der Aufnahme des Fluids in den Behälter und Abgabe des Fluids aus dem Behälter. Bei einer handbetriebenen Bewegungseinrichtung weist diese vorzugsweise ein Betätigungselement auf, insbesondere einen Bedienknopf, durch dessen Betätigung der Benutzer die Kraft zur Bewegung des Fluids aufbringt. Bei einer elektrisch betriebenen Bewegungseinrichtung wird die Kraft zur Bewegung der Bewegungseinrichtung mittels einer elektrischen Energiequelle aufgebracht, die insbesondere eine Batterie oder ein Akkumulator sein kann und die ein Bestandteil der Pipettiervorrichtung, insbesondere des Basiskörpers sein kann. Die Bewegungseinrichtung weist vorzugsweise eine Kolbeneinrichtung mit einem Kolben auf, der in einem Zylinder der Kolbeneinrichtung bewegbar ist, um in diesem Zylinder einen Unterdruck zu erzeugen. Die Bewegungseinrichtung kann aber auch dazu ausgebildet sein, um einen Kolben zu bewegen, der nur teilweise oder gar nicht Bestandteil der Pipettiervorrichtung ist, wie das z. B. bei der Bewegung des Kolbens eines Spritzenbehälters der Fall ist.
Vorzugsweise weist die Pipettiervorrichtung mindestens eine Benutzerschnittstelle, insbesondere ein Bedienelement auf, das insbesondere der Eingabe- und/oder Ausgabe von Informationen zwischen Benutzer und der Steuereinrichtung dient. Das Bedienelement kann mindestens einen Bedienknopf oder Tastatur, mindestens ein Display oder Touchscreen und/oder mindestens einen Lautsprecher aufweisen.
Die Informationsleseeinrichtung weist vorzugsweise eine Anzahl N von Sensoreinrichtungen auf, wobei N vorzugsweise N >= 1 ist, insbesondere N > 1. Vorzugsweise ist 7 <= N <= 16, da in diesem Bereich die gewünschte Information effizient codiert und geräteseitig ausgelesen werden kann, insbesondere wenn eine Sensoreinrichtung nur eine beschränkte Anzahl M von unterscheidbaren Messzuständen erfassen kann und/oder soll, was ebenfalls aus Gründen der Effizienz bevorzugt ist. Eine Information ist vorzugsweise aus mindestens einem Informationsabschnitt am Pipettierbehälter, insbesondere einer Anzahl N_P > 1 von Informationsabschnitten, hierbei vorzugsweise N_P = N, als Code auslesbar. Die Informationsleseeinrichtung kann eine elektrische Steuereinrichtung aufweisen, die insbesondere zur Auswertung der Messsignale der mindestens einen Sensoreinrichtung ausgebildet ist. Es ist bevorzugt, dass die elektrische Steuereinrichtung zur Auswertung der Messsignale separat von der Informationsleseeinrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise wird im Bereich der Informationsleseeinrichtung Platz gespart und eine kompaktere Bauweise bzw. eine dichtere Integration von Sensoreinrichtungen in diesem Bereich ermöglicht.
Die Sensoreinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, den Informationsgehalt des im Messraum angeordneten Informationsabschnitts ohne die Übertragung mechanischer Kräfte von dem Pipettierbehälter auf einen Abschnitt der Sensoreinrichtung, insbesondere den Sensorabschnitt der Sensoreinrichtung, erfassen zu können. Dies wird vorliegend auch als „nicht-mechanische” Messung bezeichnet. Insbesondere wird in der Verbindungsposition keine mechanische Kraft vom Pipettierbehälter oder dessen Informationsabschnitt auf die Sensoreinrichtung übertragen. Die Sensoreinrichtung weist vorzugsweise keine beweglichen Teile auf. Das von der Sensoreinrichtung zu ermittelnde Messsignal kann insbesondere ohne Bewegung von Teilen erzeugt und/oder erfasst werden. Das Messsignal kann insbesondere nicht-mechanisch erzeugt werden. Gegenüber bekannten Sensoreinrichtungen, die einen mechanischen, und damit relativ verschleißanfälligen Schalter aufweisen, bietet sich der Vorteil eines geringeren Verschleißes und damit geringeren Wartungsaufwands der Pipettiervorrichtung.
Die mindestens eine Sensoreinrichtung ist vorzugsweise zur nicht-mechanischen Messung ausgebildet. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sensoreinrichtung eine optische Sensoreinrichtung, die eine optische Eigenschaft des Informationsabschnitts erfasst. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sensoreinrichtung eine kapazitative Sensoreinrichtung, die eine durch den Informationsabschnitt bewirkte Änderung eines Kapazitätswerts erfasst. Beide bevorzugten Ausführungsformen werden weiter unten noch ausführlicher beschrieben.
Ein Sensoreinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, mindestens ein Messsignal zu erzeugen, das für einen vorbestimmten Messzustand charakteristisch ist. Der Messzustand ist durch die eindeutige und unterscheidbare Anordnung mindestens eines Informationsabschnitts relativ zu mindestens einem Messraum gekennzeichnet. Unter zwei unterscheidbaren Messzuständen wird vorliegend verstanden, dass zwei verschiedene Anordnungen aus jeweils einem Messraum und einem Informationsabschnitt in verschiedenen Zuständen vorliegen, die mit der Sensoreinrichtung unterschieden werden können. Die Anzahl M > 0 von unterscheidbaren Messzuständen von vorzugsweise mindestens einer Sensoreinrichtung oder vorzugsweise jeder Sensoreinrichtung ist vorzugsweise 2 <= M <= 16, besonders bevorzugt 2 <= M <= 8, noch bevorzugter 3 <= M <= 8, vorzugsweise M = {2 oder 3}, noch bevorzugter M = 3. Indem eine größere Anzahl von Messzuständen, insbesondere mehr als 2 Messzustände, von einer Sensoreinrichtung unterschieden werden können, wird der Vorteil erzielt, dass die Pipettiervorrichtung eine relativ geringere Anzahl an Sensoreinrichtungen aufweisen kann, um dieselbe maximale Anzahl Z von unterscheidbaren Informationen unterscheiden zu können. Dabei kann das für die Anordnung der Informationsleseeinrichtung an der Pipettiervorrichtung erforderliche Volumen klein gehalten werden, wenn weniger Sensoreinrichtungen benötigt werden. Dadurch wird die Bauweise der Pipettiervorrichtung kompakter. Die Anzahl M wird vorliegend auch als Messauflösung der Sensoreinrichtung bezeichnet.
Die Information repräsentiert vorzugsweise die mit der Pipettiervorrichtung verbundene Art von Pipettierbehälter, die insbesondere durch das vorbestimmte, maximale Aufnahmevolumen des Pipettierbehälters für die fluide Probe gekennzeichnet ist. Ist diese Information bekannt, kann ferner die Pipettiervorrichtung in Abhängigkeit vom Messergebnis und z. B. in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert für ein Pipettiervolumen die zum Erreichen dieses Pipettiervolumens erforderlichen Maßnahmen automatisch steuern. Z. B. kann in Abhängigkeit von der Information und von einem benutzerdefinierten Sollwert der erforderliche Kolbenhub in einer Dispenserspritze vom Dispenser automatisch gesteuert werden, um das gewünschte Sollvolumen zu erreichen.
Der Messraum ist der Freiraum an der Sensoreinrichtung, innerhalb dem die Sensoreinrichtung zum Auslesen der Information von mindestens einem Informationsabschnitt messen kann. Der Messraum kann definiert werden als der Freiraum, der an den Sensorabschnitt, oder an die Sensorfläche des Sensorabschnitts angrenzt. Der Messraum kann auch definiert werden als der Freiraum, der an den mindestens einen Informationsabschnitt eines Pipettierbehälters angrenzt, wenn dieser in der Verbindungsposition angeordnet ist. Der Messraum kann auch als der Freiraum definiert werden, der in der Verbindungsposition, insbesondere der Messposition, durch den mindestens einen Informationsabschnitt eingenommen wird. Der Messraum kann ferner durch mehrere oder alle diese Definitionen bestimmt sein.
Die Sensoreinrichtung weist vorzugsweise mindestens eine Begrenzungswand auf, die den mindestens einen Messraum begrenzt. Auf diese Weise wird der Bereich der Messung gegen Einflüsse von außerhalb des Messraums geschützt. Vorzugsweise verläuft diese Begrenzungswand im Wesentlichen in axialer Richtung. Vorzugsweise ist der Messraum in zumindest einer radialen Richtung, die zu dieser Achse senkrecht steht, durch diese Begrenzungswand abgeschirmt. Dadurch können aus radialer Richtung keine oder in geringerem Maße schädliche Einflüsse in den Messbereich gelangen, z. B. Fremdkörper, Feuchtigkeit oder Strahlung. Ferner kann so der mindestens eine Informationsabschnitt in axialer Richtung parallel zu dieser Begrenzungswand in den Messraum überführt werden, wenn der Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbunden wird. Diese Begrenzungswand kann zugleich als eine Führungseinrichtung zum Führen der Verbindungsbewegung ausgebildet sein oder Teil einer solchen Führungseinrichtung sein.
Vorzugsweise weist die Pipettiervorrichtung eine Führungseinrichtung zum Führen des Pipettierbehälters an der Pipettiervorrichtung während der Verbindungsbewegung auf. Die Führungseinrichtung dient insbesondere der Ausrichtung des Pipettierbehälters, insbesondere des mindestens einen Informationsabschnitts, gegenüber der Pipettiervorrichtung, insbesondere der Sensoreinrichtung, insbesondere dem Sensorabschnitt, insbesondere der Sensorfläche. Die Ausrichtung ist vorzugsweise so, dass ein Informationsabschnitt des Pipettierbehälters in dieser Verbindungsposition senkrecht gegenüber dem Sensorabschnitt, insbesondere der Sensorfläche, angeordnet ist.
Die Begrenzungswand ist vorzugsweise auf dem Substrat angeordnet, auf dem auch die mindestens eine Sensoreinrichtung angeordnet ist. Dadurch wird eine kompakte Bauweise und ein unmittelbarer Schutz der Sensoreinrichtung ermöglicht. Die Begrenzungswand kann aber auch einem anderen Bauteil der Pipettiervorrichtung zugeordnet sein. Der Abstand D_W der Begrenzungswand von dem Sensorabschnitt, insbesondere der Sensorfläche, ist vorzugsweise so gewählt, dass die Messung weder durch äußere Einflüsse gestört wird noch in inakzeptabler Weise durch die benachbarte Begrenzungswand selber beeinflusst wird. Der minimale Abstand der Begrenzungswand vom Sensorabschnitt in einer radialen Richtung beträgt vorzugsweise zwischen 0,0–5,0, vorzugsweise zwischen 0,0 bis 3,0, vorzugsweise zwischen 0,0 bis 2,0, vorzugsweise zwischen 0,0 bis 1,0 (Angaben in Millimetern). Die Begrenzungswand kann sich ausgehend von der Ebene der Sensorfläche in axialer Richtung erstrecken. Sie kann aber auch in einem Abstand oberhalb der Sensorfläche angeordnet sein. Eine Begrenzungswand kann insbesondere so angeordnet sein, dass sie zwischen zwei oder mehr Messfreiräumen angeordnet ist, die jeweils einer Sensoreinrichtung zugeordnet sind. Dadurch kann verhindert werden, dass sich die Messungen in den Messfreiräumen verschiedener Sensoreinrichtungen gegenseitig beeinflussen.
Die Sensorfläche der Sensoreinrichtung ist vorzugsweise eine Detektorfläche, durch die insbesondere ein Messzustand oder eine Änderung des Messzustands im Messraum erfasst wird, insbesondere eine Oberfläche, und/oder insbesondere eine im wesentlichen planare Fläche, die vorzugsweise über ihre gesamte Ausdehnung oder zumindest über einen Bruchteil f < 1 dieser Ausdehnung gegenüber Änderungen senkrecht oberhalb dieser Detektorfläche, bzw. senkrecht im Abstand parallel dieser Detektorfläche, sensibel ist, so dass insbesondere die Sensoreinrichtung senkrecht oberhalb dieser Ausdehnung der Sensorfläche Messungen durchführen kann. Die Richtungsbezeichnung nach „oben” setzt hierbei voraus, dass die Sensorfläche in Richtung der positiven z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems weist, wobei die negative z-Achse die Richtung der Gravitation im Standort des Betrachters bezeichnen kann. Angrenzend an diese Sensorfläche oder teilweise oder vollständig innerhalb oder senkrecht unterhalb der Ebene der Sensoroberfläche kann mindestens ein weiteres Sensorelement angeordnet sein, insbesondere ein Emitterelement, z. B. eine Lichtquelle. Die Sensorfläche kann vollständig oder teilweise der Messung dienen, insbesondere vollständig oder teilweise von einem abgestrahlten oder reflektierten Licht getroffen oder durchquert werden.
Die Sensorfläche ist vorzugsweise derart planar ausgebildet, dass minimale und maximale Höhenwerte der Sensorfläche senkrecht zu dieser Sensorfläche einen maximalen Abstand d_max nicht überschreiten, wobei vorzugsweise d_max aus einer Gruppe von Werten {1,000 mm; 0,100 mm; 0,050 mm; 0,010 mm; 0,005 mm; 0,0005 mm} ausgewählt ist. Vorzugsweise ist die Sensorfläche derart planar ausgebildet, dass sie im wesentlichen kantenfrei und/oder stufenfrei ist. Auf diese Weise ist insbesondere eine Verschmutzung leichter zu reinigen. Ferner kann die Messung genauer oder empfindlicher durchgeführt werden.
Vorzugsweise weist die Pipettiervorrichtung oder die Sensoreinrichtung eine Abdeckeinrichtung auf, die die Sensorfläche teilweise oder vorzugsweise vollständig bedeckt. Die Abdeckeinrichtung kann eine Schutzplatte, Schutzkappe oder Schutzschicht sein. Sie kann in Abhängigkeit von der Art der Sensoreinrichtung gewählt werden, um die Messfunktion der Sensoreinrichtung nicht zu stören oder um diese sogar zu verbessern. Möglich und bevorzugt ist, dass diese Abdeckeinrichtung ein Metall aufweist oder aus Metall besteht. Das Metall ist insbesondere ein chemisch inertes Metall, vorzugsweise Hartgold oder eine Gold-Nickel-Legierung. Das Material, das die Abdeckeinrichtung aufweist oder aus dem die Abdeckeinrichtung besteht, kann aber auch ein Kunststoff sein, vorzugsweise ein flüssigkristallines Polymer (engl. liquid crystal polymer, LCP), vorzugsweise Parylene, oder jeweils vorzugsweise Epoxidharz, Polyamid, Polycarbonat, Polypropylen oder Polyurethan. Vorzugsweise ist das Material transparent für eine Messstrahlung, z. B. sichtbares Licht. Es ist aber auch möglich und bevorzugt, dass dieses Material für die Messstrahlung nicht transparent ist.
Die Pipettiervorrichtung weist vorzugsweise eine Verbindungseinrichtung auf, um den Pipettierbehälter in einer Verbindungsposition mit der Pipettiervorrichtung zu verbinden. Das Verbinden des Pipettierbehälters oder eines erfindungsgemäßen Adapterelements mit der Pipettiervorrichtung erfolgt mit einer Verbindungsbewegung. Diese verläuft vorzugsweise parallel zu einer gedachten Achse, zum Beispiel in der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, die durch die Pipettiervorrichtung verläuft oder weist zumindest eine Komponente parallel zu dieser Achse auf. Vorzugsweise ist die Verbindungseinrichtung als Steckverbindung ausgestaltet und weist dazu insbesondere eine Rasteinrichtung auf, mittels der der Pipettierbehälter in der Verbindungsposition mit der Pipettiervorrichtung verrastet.
Die Verbindungsposition ist vorzugsweise die Ausleseposition des Pipettierbehälters relativ zur Pipettiervorrichtung, in der die Information vom Informationsträger ausgelesen wird. Vorzugsweise ist mindestens eine Verbindungsposition vorgesehen, in der ein Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbunden sein kann. Vorzugsweise sind mehrere mögliche Verbindungspositionen und/oder Auslesepositionen vorgesehen, in denen ein Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbunden sein kann. Die Verbindungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass mit dem Verbinden des Pipettierbehälters mit der Pipettiervorrichtung die Verbindungsposition hergestellt wird und gleichzeitig die Ausleseposition hergestellt wird. Die Verbindung des Pipettierbehälters mit der Pipettiervorrichtung mit dieser Verbindungseinrichtung fixiert den Pipettierbehälter vorzugsweise in der Verbindungsposition; auf diese Weise ist ein zuverlässiges Auslesen der Information möglich. Die Verbindungseinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, dass die Verbindung vom Benutzer lösbar ist. Vorzugsweise ist die Verbindungseinrichtung für eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung eingerichtet. Bei Formschlussverbindungen (engl.: positive connection) entstehen Verbindungen zur Lagesicherung zwischen Bauteilen oder Kraftübertragung durch das Ineinandergreifen von Teilekonturen der Verbindungselemente (siehe Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 21. Auflage, 2005, Springer Verlag, Kapitel G, 1.5.1).
Vorzugsweise weist die Verbindungseinrichtung einen Verbindungsabschnitt auf, der insbesondere zum Eingriff eines Eingriffsabschnitts ausgebildet ist, der vorzugsweise am Pipettierbehälter vorgesehen ist. Der Eingriffsabschnitts kann mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Vertiefung aufweisen. Vorzugsweise ist die Informationsleseeinrichtung in diesem Verbindungsabschnitt und/oder an diesen Verbindungsabschnitt angrenzend angeordnet und vorzugsweise unlösbar mit diesem verbunden. Dadurch kann eine zusätzliche Verbindung oder Positionssicherung des Pipettierbehälters mit der Pipettiervorrichtung für den Zweck des Auslesens der Information vermieden werden.
Vorzugsweise ist die Verbindungseinrichtung dazu ausgebildet, den Pipettierbehälter, insbesondere dessen mindestens einen Informationsabschnitt, in der Verbindungsposition in einem vorbestimmten Abstand D zu der Pipettiervorrichtung, insbesondere zum Sensorabschnitt oder zur Sensorfläche, zu halten und insbesondere zu verhindern, dass ein vorbestimmter minimaler Abstand D = D_min unterschritten wird. Der Abstand D wird vorzugsweise senkrecht zur Sensorfläche und/oder parallel zu der Achsenrichtung der Pipettiervorrichtung gemessen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Messung beziehungsweise das Auslesen der Information zuverlässig und reproduzierbar erfolgt und dass insbesondere die Sensoreinrichtung durch die Verbindung des Pipettierbehälters mit der Pipettiervorrichtung nicht beschädigt wird.
Vorzugsweise weist die Pipettiervorrichtung eine Abstandseinrichtung auf, die die Informationsträgereinrichtung, insbesondere den Informationsabschnitt, in der Verbindungsposition in einem vorbestimmten Abstand D = D_min zur Sensoreinrichtung, insbesondere zum Sensorabschnitt, insbesondere zur Sensorfläche, hält, wobei vorzugsweise 0,000 mm < D_min < 3,000 mm oder vorzugsweise 0,000 mm < D_min < 1,000 mm oder vorzugsweise D_min = 0,000 mm ist. Vorzugsweise weist die Abstandseinrichtung mindestens ein Anschlagelement auf, an dem mindestens ein zweites Anschlagelement, das vorzugsweise am Pipettierbehälter vorgesehen ist, anschlägt, wenn der Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbunden wird und die Verbindungsposition hergestellt wird. Vorzugweise ist das erste Anschlagelement nicht dieser Sensorabschnitt oder die Sensorfläche, sondern ein separates Anschlagelement, das insbesondere Stoßkräfte und Vibrationen beim Verbinden oder der Verbindung des Pipettierbehälters mit der Pipettiervorrichtung aufnimmt und insbesondere verhindert, dass die Sensoreinrichtung beschädigt wird. Dabei ist es aber möglich, dass der Pipettierbehälter, insbesondere der mindestens eine Informationsabschnitt, den Sensorabschnitt oder die Sensorfläche in der Verbindungsposition zumindest teilweise, vollständig oder über einen bestimmten Flächenabschnitt berührt, da insbesondere auf diese Weise das Messsignal einer optischen oder kapazitativen Messung optimiert werden kann. Insbesondere dann, wenn der Sensorabschnitt oder Sensorfläche eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, in dem sie zum Beispiel eine Schutzschicht aufweist, kann auch vorgesehen sein, dass das erste Anschlagelement der Sensorabschnitt oder die Sensorfläche ist, oder deren Bestandteil ist.
Mit einer solchen Anordnung von Anschlagelementen kann ein minimaler Abstand D_min festgelegt sein. Eine solche Abstandseinrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die mindestens eine Sensoreinrichtung in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach einem optischen Messprinzip arbeitet oder wenn die mindestens eine Sensoreinrichtung in der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach einem kapazitativen Messprinzip arbeitet. Für beide Messprinzipien ist ein präzise reproduzierbarer Abstand D von großer Bedeutung, um eine zuverlässige Messung und den zuverlässigen Betrieb der Pipettiervorrichtung zu gewährleisten. Aber auch für andere nicht-mechanische Messprinzipien ist die Einhaltung des Abstands D wichtig.
Vorzugsweise ist die Abstandseinrichtung dazu ausgebildet, den Abstand D zu vergrößern, wenn der Pipettierbehälter gegenüber der Pipettiervorrichtung um eine Achse gedreht wird oder mit einer zur Achse senkrechten Bewegungskomponente bewegt wird. Dazu weist die Abstandseinrichtung zum Beispiel mindestens ein erstes Distanzierelement auf, das insbesondere ein Rampenelement sein kann. Das Distanzierelement ist vorzugsweise so angeordnet, dass der Abstand D bei einer solchen Bewegung vergrößert wird, indem zum Beispiel ein zweites Distanzierelement, das vorzugsweise am Pipettierbehälter vorgesehen ist, mit dem ersten Distanzierelement zusammenwirkt. Das zweite Distanzierelement kann zum Beispiel an der Rampe eines Rampenelements in einer Richtung senkrecht zur Achse entlang gleiten und dabei in Richtung der Achse verschoben werden.
Die Pipettiervorrichtung weist vorzugsweise eine elektrische Steuereinrichtung auf. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise mit der Informationsleseeinrichtung signalverbunden. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, mittels der Informationsleseeinrichtung die Information gemäß einem Ausleseverfahren auszulesen. Das Ausleseverfahren sieht vorzugsweise eine zeitlich sequentielle Abfrage der Sensoreinrichtungen vor. Aufgrund der Abfrage wird der mindestens eine, von einer Sensoreinrichtung gemessene Messwert der Steuereinrichtung verfügbar gemacht, so dass er von einer Auswerteeinrichtung der Steuereinrichtung ausgewertet werden kann.
Die elektrische Steuereinrichtung weist vorzugsweise mindestens eine Leiterplatte und vorzugsweise Komponenten mit integrierten Schaltkreisen (ICs) auf, die vorzugsweise auf mindestens einer Leiterplatte angeordnet sind. Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung programmierbare elektrische Schaltkreise auf. Die Steuereinrichtung weist vorzugsweise eine Signalverarbeitungseinrichtung auf, mit der der mindestens eine Messsignal erfasst wird und zur Steuerung einer Funktion der Pipettiervorrichtung verwendet wird. Der Messwert der mindestens einen Sensoreinrichtung kann entweder als analoges Messsignal, z. B. elektrisches Spannungssignal vorliegen oder als digitaler Wert. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise zur Verarbeitung von analogen Signalen ausgebildet, was als analoge Signalverarbeitungseinrichtung bezeichnet wird, mit der insbesondere der mindestens eine Messwert als analoges Signal erfasst wird und zur Steuerung einer Funktion der Pipettiervorrichtung verwendet wird, insbesondere analog ausgewertet wird. Vorzugsweise weist die Signalverarbeitungseinrichtung eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung auf, die insbesondere eine Recheneinheit (CPU), Datenbusse, Datenspeicher, einen Mikroprozessor, ein oder mehrere Schnittstellen zur vorrichtungsinternen oder -externen Datenübertragung, und/oder ein oder mehrere Signalverbindungen, z. B. leitungsgebunden oder drahtlos, zu anderen elektrischen Einrichtungen aufweist. Besonders bevorzugt ist der Datenbus ein I²C-Datenbus („Inter-Integrated Circuit”), da dieser mit relativ geringem Bauraum, wenigen Anschlüssen und relativ einfacher Steuerungsprogramme realisiert werden kann, was insbesondere bei Pipettiervorrichtungen vorteilhaft ist, deren Bauraum im Bereich der Verbindungseinrichtung zur Verbindung mit dem Pipettierbehälter begrenzt ist. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, den mindestens einen Messwert digital zu erfassen, insbesondere digital zu verarbeiten, insbesondere digital auszuwerten und insbesondere digital zu speichern.
Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung einen Messwertspeicher, insbesondere Messdatenspeicher, zur Speicherung des mindestens einen Messwertes auf. Dadurch können verschiedene erfindungsgemäße Gestaltungen der Pipettiervorrichtung realisiert werden. Der Messdatenspeicher ist vorzugsweise in einem physikalisch wiederbeschreibbaren Speicherbaustein untergebracht, z. B. RAM, FLASH-Speicher, EEPROM, kann aber auch in anderen Speicherbausteinen angeordnet sein.
Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung mindestens einen Programmdatenspeicher auf, in dem ein Programmcode speicherbar ist. Der Programmcode ist vorzugsweise dazu ausgebildet, den mindestens einen Messwert zu verwenden, und diesen auszuwerten.
Unter einer Pipettiervorrichtung oder einer Steuereinrichtung, die zur Ausbildung einer bestimmten Funktion gestaltet ist, wird vorliegend eine solche Pipettiervorrichtung oder Steuereinrichtung verstanden, die nicht nur zur Durchführung dieser Funktion prinzipiell geeignet ist, z. B. nach Aufspielen einer Software, sondern bereits alle Mittel besitzt, um diese Funktion tatsächlich zu erfüllen, indem sie z. B. den erforderlichen Programmcode bzw. die erforderliche Software bereits besitzt, insbesondere in Form einer Firmware der Pipettiervorrichtung. Die Mittel zur Ausführung dieser Funktion umfassen insbesondere eine Auswerteeinrichtung. Insbesondere können Mittel zur Ausführung dieser Funktion, insbesondere die Auswerteeinrichtung, z. B. entsprechend ausgestaltete elektrische Schaltkreise aufweisen, die z. B. ein analoges Signal, das den Messwert darstellt, auswerten und z. B. mittels einer Komparatorschaltung mit einem Referenzsignal (Referenzwert) vergleichen. Insbesondere im Falle eines digital vorliegenden Messwertes können diese Mittel eine digitale Signalverarbeitungsanlage aufweisen. Zur Auswertung des mindestens einen Messwertes weist die Steuereinrichtung vorzugsweise eine elektrische Auswerteeinrichtung auf.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, das Ausleseverfahren zu starten, vorzugsweise automatisch zu starten, d. h. insbesondere ohne weitere Tätigkeit eines Benutzers, wenn (insbesondere sobald) ein Pipettierbehälter, insbesondere durch einen Benutzer, in die Verbindungsposition mit der Pipettiervorrichtung gebracht wird. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, das Ausleseverfahren aufgrund eines Interrupt-Signals zu starten, das vorzugsweise erzeugt wird, wenn der Pipettierbehälter mit der Pipettevorrichtung verbunden wird.
Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Anzahl N > 1 von Sensoreinrichtungen in einem vorbestimmten Zeitmuster, insbesondere Takt, zeitlich nacheinander auszulesen, das insbesondere durch einen Zeitgeber der Steuereinrichtung vorgegeben sein kann.
Es ist auch möglich und bevorzugt, dass das Ausleseverfahren eine gleichzeitige Abfrage der Sensoreinrichtungen vorsieht. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, eine Anzahl N > 1 von Sensoreinrichtungen gleichzeitig abzufragen.
Das Ausleseverfahren kann auch zeitverzögert vom Moment der Verbindung des Pipettierbehälters mit der Pipettevorrichtung in der Verbindungsposition gestartet werden. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass diese Verbindung zuverlässig hergestellt ist. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, ein Testverfahren durchzuführen, bevor entweder das Ausleseverfahren gestartet wird oder die im Ausleseverfahren gewonnene Information mittels eines Auswerteverfahrens ausgewertet wird. Das Testverfahren kann in das Ausleseverfahren integriert sein. Das Testverfahren kann vorsehen, die korrekte Position des an der Pipettiervorrichtung angebrachten Pipettierbehälters zu überprüfen, vorzugsweise einen Abstand zwischen der Pipettiervorrichtung und einem an der Pipettiervorrichtung angebrachten Pipettierbehälter zu bestimmen und mit einem vorbestimmten Sollwert zu vergleichen. Falls der gemessene Abstand innerhalb eines zulässigen Bereichs des Sollwert liegt, kann das Ausleseverfahren automatisch gestartet werden, andernfalls kann zum Beispiel über eine Benutzerschnittstelle der Pipettiervorrichtung ein Warnsignal an den Benutzer oder ein Informationsverarbeitungssystem ausgegeben werden. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, mindestens eine Sensoreinrichtung der Informationsleseeinrichtung für das Testverfahren zu verwenden. Es ist aber auch möglich und bevorzugt, dass die Pipettiervorrichtung ein anderes, mit der elektrischen Steuereinrichtung signalverbundenes Sensorelement aufweist, das insbesondere ein Abstandssensor sein kann. Ein im Testverfahren ermittelter Messwert kann insbesondere als Referenz- oder Kalibrierwert für weitere Messungen der Informationsleseeinrichtung verwendet werden.
Vorzugsweise ist die Informationsleseeinrichtung und/oder die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, mittels mindestens eines Kalibrierungselementes kalibriert zu werden. Ein Kalibrierungselement weist vorzugsweise mindestens einen solchen oder vorzugsweise ähnlichen Informationsabschnitt auf, der auch am erfindungsgemäßen Pipettierbehälter vorgesehen ist. Insbesondere kann ein Pipettierbehälter als Kalibrierungselement verwendet werden. Dabei wird ein Kalibrierungselement oder ein bekannter Pipettierbehälter mit bekannter Anordnung mindestens eines Informationsabschnitts mit der Pipettiervorrichtung verbunden und der mindestens eine Messwert, der mit der mindestens einen Sensoreinrichtung ermittelt wird, wird als Referenzwert in der Pipettiervorrichtung oder der Steuereinrichtung gespeichert. Vorzugsweise wird mindestens einer der M unterscheidbaren Messzustände einer Sensoreinrichtung kalibriert, oder vorzugsweise jeder dieser Messzustände, was insbesondere durch eine Anzahl M_K = M Kalibrierungselementen erfolgen kann. Diese Kalibrierung kann werksseitig erfolgen oder bei einer Wartung der Pipettiervorrichtung durch das Wartungspersonal oder den Benutzer durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt die Kalibrierung bei einer Verbindung, vorzugsweise bei vorbestimmten Ereignissen, z. B. bei vorbestimmtem Zeitpunkt oder dem Ergebnis einer Zählung von, oder vorzugsweise bei jeder Verbindung eines erfindungsgemäßen Pipettierbehälters mit der Pipettiervorrichtung, indem insbesondere mindestens ein Informationsabschnitt des Pipettierbehälters automatisch als Kalibrierelement in einem Testverfahren verwendet wird.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, ein Testverfahren durchzuführen, mit dem mindestens ein Standardzustand der Pipettiervorrichtung überprüft wird. Der Standardzustand kann der bestückte Zustand oder vorzugsweise der unbestückte Zustand der Pipettiervorrichtung sein, in dem kein Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbunden ist. Durch das Testverfahren kann insbesondere ermittelt werden, ob die Sensorfläche in einem zulässigen Zustand ist, oder ob eine Reinigung der Sensorfläche oder Wartung der Pipettiervorrichtung erforderlich ist. In Abhängigkeit vom Ergebnis des Testverfahrens kann zum Beispiel von der Pipettiervorrichtung ein Warnsignal über eine Benutzerschnittstelle der Pipettiervorrichtung an den Benutzer ausgegeben werden. Ferner kann ermittelt werden, ob die Pipettiervorrichtung bestückt ist. Das Ergebnis kann automatisch ausgewertet werden und kann einen weiteren Schritt bewirken, z. B. einen Wechsel des Betriebszustands der Pipettiervorrichtung, z. B. -in Abhängigkeit von der Zeit- in einen Ruhezustand, in dem weniger Energie verbraucht wird als im Betriebszustand, in dem ein Pipettieren möglich ist.
Die mindestens eine Sensoreinrichtung ist vorzugsweise zur Messung einer Kapazität, insbesondere der Kapazität im Messraum ausgebildet. Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung gemäß dem Prinzip der kapazitativen Näherungsschalter ausgebildet. Dabei wird ein elektrischer Kapazitätswert gemessen, insbesondere die Dielektrizitätszahl ε_r des Messraums. Durch das Einbringen des Informationsabschnitts in den Messraum ändert sich dieser Kapazitätswert, was erfasst werden kann. Die Größe dieses Kapazitätswerts kann insbesondere vom Abstand des Informationsabschnitts zum Sensorabschnitt, insbesondere der Sensorfläche, abhängen. Sie kann ferner vom Material des Informationsabschnitts abhängen. Auf diese oder ähnliche Weise kann der Informationsgehalt des Informationsabschnitts festgelegt werden und ist als eindeutig unterscheidbarer Messzustand von der kapazitativen Sensoreinrichtung bestimmbar. Eine bevorzugte Ausgestaltung einer Informationsleseeinrichtung gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung weist deshalb ein Trägersubstrat auf, das insbesondere ein laminiertes Substrat ist, dass an der Oberseite einer Elektrodenanordnung mit fingerartig ineinandergreifenden Elektroden aufweist, welche eine Sensoreinrichtung bildet.
Die Informationsleseeinrichtung, insbesondere die mindestens eine Sensoreinrichtung ist vorzugsweise auf einem Substrat angeordnet. Dieses Substrat ist vorzugsweise ein plattenartiges Bauteil, dass insbesondere senkrecht zur Achse in der Pipettiervorrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise ist dieses Substrat fest mit der Führungseinrichtung verbunden, d. h. bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Pipettiervorrichtung nicht in Relation zu der Führungseinrichtung verschiebbar, die die Verbindungsbewegung führt. Vorzugsweise ist eine Verbindungseinrichtung vorgesehen, die das Substrat und die Führungseinrichtung fest verbindet, so dass sich die Relativposition von Substrat und Führungseinrichtung unter normalen Betriebsbedingungen, d. h. bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Pipettiervorrichtung, nicht ändert. Diese Verbindung kann eine direkte Verbindung der Führungseinrichtung und des Substrats sein oder das Substrat und die Führungseinrichtung können über ein weiteres Bauteil der Pipettiervorrichtung indirekt fest miteinander verbunden sein. Durch diese feste Verbindung wird erreicht, dass die Verbindungsposition zuverlässig und reproduzierbar erzeugbar ist und das Auslesen der Information stets zuverlässig erfolgen kann.
Das Substrat kann eine Leiterplatte sein oder mit einer Leiterplatte verbunden sein, in die elektrische Leitungen integriert sind. Die Leitungen können, insbesondere im Bereich der Sensoreinrichtung, einseitig und/oder beidseitig und/oder in mehreren Schichten auf dieser Leiterplatte angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Leiterplatte eine zumindest abschnittsweise verformbare, insbesondere zumindest teilweise elastisch verformbare Leiterplatte, so dass deren Anordnung in der Pipettiervorrichtung flexibler ist. Vorzugsweise ist das Substrat im Bereich der Sensoreinrichtungen nicht verformbar gestaltet, um eine zuverlässige Anordnung der Sensoreinrichtungen in Relation zueinander und insbesondere in Relation zur Pipettiervorrichtung und dem mit diesem verbundenen Pipettierbehälter zu gewährleisten.
Vorzugsweise weist die Sensoreinrichtung mindestens eine Elektrode auf, die insbesondere parallel zum Sensor, insbesondere zu der Sensorfläche, ausgebildet ist. Die Elektrode kann eine planare Elektrodenfläche aufweisen oder einen linienartigen Verlauf aufweisen, der insbesondere in einer geraden Linie oder mehrere geraden Linien oder einer oder mehrerer gekrümmten Linien folgen kann. Der Verlauf der Elektrode kann insbesondere mäanderartig sein. Insbesondere bei einer kapazitativen Sensoreinrichtung kann eine zweite Elektrode vorgesehen sein, die insbesondere auf Masse geschaltet ist, und die in einem Abstand zur ersten Elektrode angeordnet ist und insbesondere parallel zu dieser ersten Elektrode verlaufen kann. Paarweise Elektroden können jeweils Fingerelemente aufweisen, die interkalierend bzw. kammartig zu den Fingerelementen der gegenüberliegenden Elektrode angeordnet sind. Diese Elektroden können mäanderartig interkalierend angeordnet sein. Eine erste Elektrode kann als Kernelektrode, insbesondere Kreiselektrode, ausgebildet sein und die zweite Elektrode kann als Lochelektrode im Wesentlichen in der Ebene dieser Kernelektrode außerhalb der Kernfläche der Kernelektrode angeordnet sein, so dass die Kernelektrode im Loch der Lochelektrode angeordnet ist. Die zweite Elektrode kann auch parallel zur Kernelektrode, insbesondere unterhalb der Kernelektrode, angeordnet sein und kann insbesondere als Becherelektrode ausgebildet sein, indem sich mindestens eine Seitenwand der Becherelektrode ausgehend von einem Bodenabschnitt der Becherelektrode bis zur Höhe der Kernelektrode erhebt, wobei die Elektroden insbesondere immer beabstandet sind.
Vorzugsweise weist die Sensoreinrichtung mindestens ein Senderelement auf und mindestens ein Empfängerelement, die vorzugsweise parallel zu einer Sensorfläche des Sensorabschnitts angeordnet sind. Vorzugsweise sind das Senderelement und das Empfängerelement innerhalb dieser Sensorfläche angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass die Sensoreinrichtung kompakt gestaltet werden kann und dass insbesondere das Senderelement und das Empfängerelement gegenüber (insbesondere in Bezug auf die Sensorfläche senkrecht gegenüber) diesem Messraum und somit gegenüberliegend dem mindestens einen Informationsabschnitt angeordnet sein können. Vorzugsweise sind das Senderelement und das Empfängerelement in einem minimalen Abstand D_SE voneinander angeordnet, der insbesondere klein ist oder sogar gleich Null ist, wobei vorzugsweise 0 <= D_SE <= 1,00 mm oder vorzugsweise 0 <= D_SE <= 5,00 mm.
Es ist auch möglich und bevorzugt, dass das mindestens eine Senderelement und das mindestens eine Empfängerelement einander gegenüberliegend an gegenüberliegenden Seiten des Messraums oder eines Abschnitts des Messraums angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich insbesondere eine Sensoreinrichtung realisieren, die nach dem Prinzip einer Lichtschranke arbeitet. Eine logische „1” kann realisiert werden, indem im Messraum der Lichtschranke ein Informationsabschnitt angeordnet ist, der die Lichtübertragung stört. Der ungestörte Empfang kann eine logische „0” repräsentieren, indem insbesondere kein Informationsabschnitt im Messraum angeordnet ist. Vorzugsweise ist diese Sensoreinrichtung dazu ausgebildet, die Eingriffstiefe eines Informationsabschnitts in einen solchen Messraum zu messen. Dazu kann ein Empfängerelement mit geeigneter Ortsauflösung verwendet werden oder es können eine Vielzahl von übereinander oder nebeneinander angeordneten Empfängerelementen oder Senderelementen verwendet werden, wobei eine Anzahl von gegenüberliegenden komplementären Senderelementen und Empfängerelementen vorgesehen sein kann oder eine andere Anzahl, zum Beispiel eine geringere Anzahl, zum Beispiel jeweils nur ein einziges, Komplementärelement (Sender- oder Empfängerelement) vorgesehen sein kann.
Die mindestens eine Sensoreinrichtung ist vorzugsweise zur Messung einer optischen Eigenschaft des Informationsabschnitts ausgebildet, insbesondere zur Messung eines von einem Informationsabschnitt reflektierten optischen Signals ausgebildet.
Das Senderelement einer optischen Sensoreinrichtung ist vorzugsweise ein vertikal emittierender Laser (VCSEL), da solche Lichtquellen bei kompaktem, auf dem IC-Substrat integrierbaren Aufbau, gleichzeitig eine hohe Leuchtkraft, insbesondere einen geringen Energieverbrauch und insbesondere ein relativ geringes Verhältnis von Leuchtkraft/Energieverbrauch aufweisen.
Das Senderelement einer optischen Sensoreinrichtung ist ferner vorzugsweise eine LED, insbesondere Infrarot-LED. Die Verwendung einer Lichtquelle aus sichtbarem Licht, insbesondere mit Wellenlängen zwischen 380 nm und 780 nm, bietet den Vorteil, dass die Sensorfunktion leichter vom Benutzer überprüfbar ist und ferner, dass sichtbares Licht gut für Reflektionsanordnungen geeignet ist, um das gesendete Licht zu reflektieren und wieder zu empfangen. Die Verwendung von Infrarot-Licht, insbesondere mit Wellenlängen zwischen 780 nm und 1000 nm, bietet den Vorteil, dass die Sensorfläche von einer für sichtbares Licht nicht-transparenten Materialschicht, insbesondere einer Schutzschicht oder Verschmutzungen, bedeckt sein kann, was die Auswahl an verfügbaren Materialschichten im Vergleich zur Verwendung von sichtbar emittierenden LED's erhöht und das Auslesen zuverlässiger macht.
Eine Pipettiervorrichtung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform weist vorzugsweise die folgenden Merkmale und Vorteile alleine oder in Kombination auf: Die Informationsleseeinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, das Auslesen anhand des Pegels eines optischen Reflexionssignals durchzuführen, wobei insbesondere an den Positionen einer Sensoreinrichtung in der Informationsleseeinrichtung ein optisches Senderelement und ein insbesondere dem zugeordnetes, im Reflexionsfeld angeordnetes lichtempfindliches Empfängerelement positioniert und befestigt ist, wobei insbesondere das emittierte Licht durch eine definiert ausgeformte Reflexionsgeometrie an einer Außenseite, am einem Kragen oder einem Rand des Pipettierbehälters zum Empfängerelement zurückreflektiert wird und einen auswertbaren Fotostrom erzeugt.
Vorzugsweise ist als Senderelement ein vertikal emittierter Laser (sog. VCSEL) als Chip angeordnet. Vorzugsweise ist im Empfangsbereich des Empfängerelements eine Pin-Fotodiode als Chip angeordnet, die insbesondere eine fotoempfindliche Fläche besitzt, die insbesondere ausreichend groß ist um möglichst viel reflektiertes Licht aufzufangen. Vorzugsweise ist die Fotodiode neben dem Sender angeordnet. Vorzugsweise kann das Senderelement direkt auf dem Empfängerelement positioniert sein.
Vorzugsweise werden zum Auslesen die Senderelemente einzeln hintereinander getaktet angesteuert und die zugeordneten Empfängerelemente nacheinander getaktet abgefragt und insbesondere die elektrischen Pegel bezüglich Ihrer Intensität bewertet.
Vorzugsweise sind das Senderelement und das Empfängerelement zusammen auf einer Sensorplatine angeordnet, und insbesondere durch eine für die Sendewellenlänge optisch transparente Kappe verschlossen, die als Anschlag für die Pipettenoberkante dienen kann. Vorzugsweise ist diese Verschlusskappe aus einem Material gefertigt, dass im Wesentlichen nur für die Sendewellenlänge transparent ist. Alternativ ist vorzugsweise die Oberfläche mit einer Filterschicht ausgestattet, die im Wesentlichen nur für die Sendewellenlänge transparent ist. Vorzugsweise ist der Zwischenraum zwischen Sender- und Empfängerelement mit einem optisch transparenten Material vergossen, das insbesondere im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie die Verschlusskappe besitzt, und das beim Sensorbetrieb durchstrahlt wird.
Vorzugsweise sind an der Außenseite, am Kragen oder an der Kante des Pipettierbehälters, die/der bei dem Auslesen vorzugsweise über den Senderelementen angeordnet ist, Geometrieabschnitte (d. h. insbesondere geometrische Ausgestaltungen des Pipettierbehälters oder eines seiner Bauteile) angeordnet, die insbesondere so ausgeführt sind, dass sie Licht mit definierter Intensität reflektieren oder dass sie in definierter Weise vom Licht durchstrahlt werden (insbesondere bei Transparenz der Geometrieabschnitte), so dass diese definierten Pegeln und somit definierten Messzuständen des gemessenen Messsignals zugeordnet werden können. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei transparenten Materialien des Pipettierbehälters beziehungsweise des mindestens einen Informationsabschnitts solche Geometrieabschnitte genutzt werden, die die Totalreflexion nutzen, indem insbesondere mindestens ein Prismenelement am Pipettierbehälter oder an der Informationsleseeinrichtung angeformt ist, das das durch die Außenseite den Kragen oder Rand des Pipettierbehälter erreichende Licht an den schrägen Prismawänden zum größten Teil total-reflektiert und damit zum Empfängerelement reflektiert wird.
Vorzugsweise wird bei transparenten Materialien des Prismenelements ein 3. Pegel dadurch erreicht, indem dieses Prismenelement so gekippt ist, dass im Wesentlichen die Hälfte des Lichtes reflektiert wird, weil ein Teil des Lichtes die schräge Wandung durchstrahlen kann. Vorzugsweise wird bei der Auswertung der Pegel vom Prozessor eine dynamische Schwelle zur Auswertung berechnet, so dass die Werte bestimmten Klassen zuordenbar sind. Dabei wird vorzugsweise ein Referenzwert verwendet, der in einem Testverfahren der Pipettiervorrichtung bestimmbar ist. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass zur Vermeidung des Einflusses von Umgebungslicht die Senderelemente und Empfängerelemente so getaktet werden, dass das ungetaktete Umgebungslicht elektronisch herausgefiltert werden kann (z. B. gemäß dem Lock-in-Prinzip).
Die Erfindung betrifft ferner einen Pipettierbehälter zur Verwendung mit einer Pipettiervorrichtung, insbesondere der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung, der an einer Behälterseite einen ersten Verbindungsabschnitt aufweist, durch den der Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbindbar ist, und der eine Informationsträgereinrichtung mit mindestens einem Informationsabschnitt aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Adapterelement, das mit einem Pipettierbehälter verbindbar ist, zur Verwendung mit der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung, das an einer Adapterseite den ersten Verbindungsabschnitt aufweist, durch den das Adapterelement und damit der mit diesem verbundene Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbindbar ist, wobei das Adapterelement eine Informationsträgereinrichtung mit mindestens einem Informationsabschnitt aufweist. In diesem Fall kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Benutzer das Adapterelement, das die passende Information trägt, am Pipettierbehälter montiert, der insbesondere ein kommerziell erhältlicher und insbesondere ein nicht-erfindungsgemäßer Pipettierbehälter sein kann.
Das Adapterelement weist eine Verbindungseinrichtung auf, mit der das Adapterelement lösbar oder unlösbar mit diesem Pipettierbehälter verbindbar ist, insbesondere mit einer Stirnseite des Pipettierbehälters verbindbar ist, die dessen Durchlassöffnung für das Fluid gegenüberliegt. Die Verbindungseinrichtung ist vorzugsweise auf der Seite des Adapterelements angeordnet, die dem mindestens einen Informationsabschnitt gegenüberliegt. Auf diese Weise kann ein nicht-erfindungsgemäßer Pipettierbehälter so angepasst werden, dass er mit der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung, insbesondere mit deren Informationsleseeinrichtung, zusammenwirkt, um die erfindungsgemäßen Vorteile eines solchen Pipettiersystems zu erreichen. Die Ausführungen, die in dieser Beschreibung bezüglich des mindestens einen Informationsabschnitts an einem erfindungsgemäßen Pipettierbehälter gemacht werden, gelten in gleicher Weise für den mindestens einen Informationsabschnitt an einem erfindungsgemäßen Adapterelement. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Pipettierbehälters gelten deshalb analog für das erfindungsgemäße Adapterelement. Ein mit einem erfindungsgemäßen Adapterelement versehener Pipettierbehälter ist ein erfindungsgemäßer Pipettierbehälter.
Die Erfindung betrifft ferner einen Satz von mehreren solchen Adapterelementen, bei dem jedes Adapterelement eine andere, nämlich adapterspezifische, Information trägt. Das Adapterelement weist vorzugsweise eine Verbindungseinrichtung zur Verbindung mit einem Pipettierbehälter auf, die insbesondere Pipettierbehälter-spezifisch ausgebildet ist, so dass ein bestimmter Typ von Adapterelement nur mit einem bestimmten Typ von Pipettierbehälter verbunden werden kann. Dadurch kann eine Fehlbestückung des Adapterelementes und insbesondere eine Fehlbestimmung der Information, insbesondere des Maximalvolumens des Behälters, mittels der Informationsleseeinrichtung vermieden werden.
Ein Pipettierbehälter ist ein Behälter, der zumindest eine Wandung, insbesondere mindestens eine Seitenwand und mindestens eine Stirnwand, aufweist, die einen Innenraum begrenzt und eine Öffnung, durch die ein Fluid vorzugsweise in den Innenraum gesaugt werden kann und vorzugsweise, insbesondere durch Gravitation und/oder Überdruck, wieder abgegeben werden kann. Vorzugsweise weist der Behälter einen zylinderartigen Innenraum auf und insbesondere einen darin angeordneten beweglichen Kolben, durch den im Innenraum insbesondere eine Druckänderung bewirkbar ist. Der Behälter weist einen Verbindungsabschnitt auf, bezeichnet als erster Verbindungsabschnitt, der mit der Verbindungseinrichtung oder dem Verbindungsabschnitt der Pipettiervorrichtung verbindbar ist und der an einer Behälterseite angeordnet ist, vorzugsweise an einer Stirnwand des Behälters. In der Verbindungsposition ist der Verbindungsabschnitt des Behälters vorzugsweise unbeweglich mit der Pipettiervorrichtung und insbesondere deren Basiskörper verbunden. Der Verbindungsabschnitt weist vorzugsweise einen Eingriffsabschnitt auf und weist insbesondere mindestens einen Vertiefungsabschnitt und/oder mindestens ein Vorsprungselement oder Flansch auf oder wird von diesem gebildet. Mittels eines solchen Bauteils kann eine formschlüssige Verbindung zwischen Pipettierbehälter und Pipettiervorrichtung erreicht werden. Vorzugsweise ist an der Behälterseite, an welcher der erste Verbindungsabschnitt angeordnet ist auch die Informationsträgereinrichtung angeordnet.
Die Informationsträgereinrichtung, insbesondere der mindestens eine Informationsabschnitt, ist vorzugsweise fest, das heißt nicht zerstörungsfrei lösbar, mit der Behälterseite verbunden und ist vorzugsweise integral mit der Behälterseite verbunden, insbesondere hergestellt durch ein Gussverfahren unter Verwendung von Kunststoff. Vorzugsweise erstreckt sich der mindestens eine Informationsabschnitt in der Verbindungsposition in axialer Richtung. Vorzugsweise ist der mindestens eine Informationsabschnitt dazu ausgebildet, um in axialer Richtung, insbesondere durch eine translationale Verbindungsbewegung des Pipettierbehälters, insbesondere in Richtung des mindestens einen Messraum, bewegt zu werden und insbesondere in den mindestens einen Messraum einzugreifen. Der mindestens eine Informationsabschnitt ist in der Messposition vorzugsweise an den Messraum angrenzend angeordnet oder im Messraum angeordnet.
Vorzugsweise sind mehrere Informationsabschnitte, insbesondere eine Anzahl N von Informationsabschnitten, die insbesondere der Anzahl der Sensoreinrichtungen entspricht, vorgesehen. Diese sind vorzugsweise parallel zu einer Ebene angeordnet und insbesondere nebeneinander an der Behälterseite angeordnet. Mehrere Informationsabschnitte können entlang einer Kreisbahn, insbesondere rotationssymmetrisch oder nicht-rotationssymmetrisch verteilt, insbesondere asymmetrisch verteilt, angeordnet sein.
Ein Pipettierbehälter ist vorzugsweise eine Dispenserspitze, kann aber z. B. auch eine Pipettenspitze sein. Die Dispenserspitze arbeitet nach dem Spritzenprinzip. Sie weist ein Behälterzylinder auf, dessen Fluidaufnahmeraum von einem im Zylinder angeordneten Kolben im Volumen variiert wird. Der Kolben wird in der Verbindungsposition vorzugsweise mit einer Bewegungseinrichtung der Pipettiervorrichtung gekoppelt, so dass dieses Volumen vom Dispenser gesteuert wird. Vorzugsweise ist der mindestens eine Informationsabschnitt fest, insbesondere integral, mit einer Behälterseite der Dispenserspitze verbunden, und insbesondere nicht mit dem Kolben der Dispenserspitze verbunden.
Ein herkömmlicher Pipettierbehälter ist ein solcher, der zum Anmeldetag der vorliegenden Patentanmeldung oder danach kommerziell erhältlich ist. Insbesondere ist ein herkömmlicher Pipettierbehälter ein solcher Pipettierbehälter, der nicht erfindungsgemäß ausgestaltet ist.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Informationsabschnitt zur vorbestimmten Reflektion eines vorgegebenen optischen Signals ausgebildet, insbesondere zur Totalreflektion ausgebildet, insbesondere zur zumindest anteiligen oder im wesentlichen vollständigen Totalreflektion eines vorgegebenen optischen Signals ausgebildet. Totalreflektion kann insbesondere durch die Verwendung von optischen reflektierenden oder lichtdurchlässigen Materialien mit geeigneten Brechungsindizes erreicht werden.
Totalreflektion entsteht, wenn Licht durch ein optisch dichteres Medium, z. B. transparenten Kunststoff, innerhalb eines bestimmten kritischen Winkels auf eine Grenzfläche trifft, hinter der sich ein optisch weniger dichtes Medium befindet, z. B. Luft. Vorzugsweise weist der Informationsabschnitt ein Prismenelement auf, das in der Verbindungsposition zur Reflektion, insbesondere zur Totalreflektion eines aus der Richtung der Sensoreinrichtung einfallenden Lichts ausgebildet und angeordnet ist. Vorzugsweise weist der Informationsabschnitt mindestens einen oder mehrere Reflektionsabschnitte auf, durch die ein einfallendes Licht in vorbestimmter Weise reflektiert wird, so dass das reflektierte Licht für den Informationsabschnitt charakteristisch ist. Soll eine Messauflösung von M = 3 erreicht werden, müssen lediglich drei Konfigurationen von Reflektionsabschnitten vorgegeben werden, die ein in vorbestimmter Weise einfallendes Licht in vorbestimmter und unterscheidbarer Weise reflektieren, so dass der Messzustand von der mindestens einen Sensoreinrichtung eindeutig bestimmt werden kann.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Informationsabschnitt zur vorbestimmten Änderung des Kapazitätswertes in einem Messraum ausgebildet ist, in dem der Informationsabschnitt angeordnet wird.
Als erfindungsgemäß wird ferner ein Pipettiersystem angesehen, das eine erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung und mindestens einen erfindungsgemäßen Pipettierbehälter oder einen Satz von erfindungsgemäßen Pipettierbehältern aufweist, oder mindestens ein erfindungsgemäßes Adapterelement oder einen Satz von erfindungsgemäßen Adapterelementen, wobei ein solcher Pipettierbehälter oder ein solches Adapterelement jeweils zur Verwendung mit der Pipettiervorrichtung und insbesondere zum Zusammenwirken mit deren Informationsleseeinrichtung ausgebildet ist. Die Pipettierbehälter eines Satzes von erfindungsgemäßen Pipettierbehältern weisen vorzugsweise jeweils ein anderes, nämlich Pipettierbehälter-spezifisches, Maximalvolumen auf und ihr mindestens ein Informationsabschnitt trägt vorzugsweise jeweils eine andere, nämlich Pipettierbehälter-spezifische, Information, die insbesondere Rückschlüsse auf den Typ und/oder das Maximalvolumen des jeweiligen Pipettierbehälters erlaubt.
Als erfindungsgemäß wird ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Pipettierbehälters zur Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung angesehen. Der Pipettierbehälter kann vorzugsweise auch mit einer herkömmlichen Pipettiervorrichtung verwendet werden, insbesondere wenn die Verbindungsanschlüsse geeignet, nämlich in herkömmlicher Weise ausgebildet sind; in diesem Fall ist die erfindungsgemäße Gestaltung des Pipettierbehälters derart, dass auch eine Verwendung mit einer herkömmlichen Pipettiervorrichtung möglich ist. Dies bietet für den Benutzer eine größere Flexibilität.
Als erfindungsgemäß wird ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Pipettierbehälters zum Bereitstellen von an einer Informationsträgereinrichtung des Pipettierbehälters angebrachten Informationen angesehen, die mit einer erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung ermittelbar sind. Erfindungsgemäß ist dabei ferner die Verwendung des erfindungsgemäßen Pipettierbehälters zur Ermittlung dieser Informationen mit der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Pipettierbehälters oder eines erfindungsgemäßen Adapterelements, aufweisend die Schritte, dass ein Gussverfahren, insbesondere Spritzgiessverfahren verwendet wird, um insbesondere einen Einweg-Labor-Pipettierbehälter oder ein Adapterelement herzustellen, insbesondere den mindestens einen Informationsabschnitt einstückig mit mindestens einem weiteren Bestandteil des Pipettierbehälters oder dem Adapterelement herzustellen. Das Verfahren sieht vorzugsweise vor, den Pipettierbehälter oder das Adapterelement aus einem einzigen Material herzustellen. Es ist aber auch möglich und bevorzugt, den Pipettierbehälter oder das Adapterelement aus zwei oder mehr Materialien und insbesondere aus mehreren Bestandteilen herzustellen. Vorzugsweise wird mindestens ein Bereich des Pipettierbehälters oder des Adapterelements, insbesondere der mindestens eine Informationsabschnitt, beschichtet, insbesondere bedampft, insbesondere mit einer metallischen Schicht, um vorzugsweise die Messsignale zu verbessern, indem z. B. die Reflektivität gegenüber einem von der Sensoreinrichtung gesendeten Signals, insbesondere optischen Signal, erhöht wird.
Der Pipettierbehälter, der mit dem Verbindungsabschnitt der Pipettievorrichtung verbindbar ist, ist vorzugsweise zur Aufnahme eines Fluidvolumens ausgebildet. Dieser Behälter kann eine Pipettenspitze oder eine Dispenserspitze sein, die insbesondere jeweils einen beweglichen Kolben aufweisen können. In letzt genanntem Fall ist der Behälter insbesondere nach dem Spritzenprinzip gestaltet und wird auch als Spritzenbehälter bezeichnet. Diese Behälter sind vorzugsweise aus Kunststoff und sind vorzugsweise Verbrauchsartikel, werden also nach einmaliger Verwendung vorzugsweise nicht gereinigt sondern entsorgt. Sie können aber auch aus anderen Materialien sein und insbesondere wiederverwendbar sein.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Pipettierbehälters lassen sich ferner aus der Beschreibung der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung und deren bevorzugten Ausgestaltungen ableiten. Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung lassen sich ferner aus der Beschreibung des erfindungsgemäßen Pipettierbehälters und dessen bevorzugten Ausgestaltungen ableiten.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung und des erfindungsgemäßen Pipettierbehälters und weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Wesentlichen gleiche Bauteile.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung, die hier ein elektrischer Dispenser ist, mit dem ein als Dispenserspitze ausgestalteter erfindungsgemäßer Pipettierbehälter verbunden ist.
2a zeigt die Dispenserspitze aus 1.
2b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pipettierbehälters.
3 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung in einem Ausführungsbeispiel.
4a zeigt schematisch den Verbindungsabschnitt der Pipettiervorrichtung aus 3, und zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pipettierbehälters.
4b entspricht 4a, wobei der Pipettierbehälter in der Verbindungsposition angeordnet und mit der Pipettiervorrichtung verbunden ist.
5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h und 5i zeigen jeweils eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung von Sensoreinrichtungen zu einer Informationsleseeinrichtung einer erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung.
6a, 6b, 6c, 6d, und 6e zeigen jeweils eine bevorzugte Ausführungsform einer Sensoreinrichtung einer Informationsleseeinrichtung einer erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung.
7a, 7b und 7c zeigen jeweils in Aufsicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Informationsleseeinrichtung einer erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung, mit ringförmigem Trägersubstrat und entlang eines Kreisrings angeordneten Sensoreinrichtungen.
8a zeigt eine Anordnung von Sensoreinrichtungen, bei der gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung optische Sensoreinrichtungen angeordnet sind.
8b zeigt eine optische Sensoreinrichtung zur Messung einer charakteristischen Lichtreflektion, die bei der ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung verwendet werden kann.
9a zeigt verschiedene Messzustände der optischen Sensoreinrichtung aus 8b jeweils mit einer anderen bevorzugten Ausgestaltung eines für Licht nicht transparenten Informationsabschnitts für einen erfindungsgemäßen Pipettierbehälter.
9b zeigt verschiedene Messzustände der optischen Sensoreinrichtung aus 8b jeweils mit einer anderen bevorzugten Ausgestaltung eines für Licht transparenten Informationsabschnitts für einen erfindungsgemäßen Pipettierbehälter.
10a zeigt eine isometrische Ansicht einer Informationsleseeinrichtung, welche die Anordnung von Sensoreinrichtungen gemäß 8a und die Sensoreinrichtungen gemäß 8b aufweist.
10b zeigt eine isometrische Ansicht der Informationsleseeinrichtung aus 10a mit darüber angeordneter Schutzkappe.
10c entspricht der 10b, wobei die Schutzkappe in ihrer Montageposition angeordnet ist.
10d entspricht der 10c, wobei zusätzlich eine Abstandseinrichtung gezeigt ist.
10e zeigt isometrisch die Informationsleseeinrichtung aus 10a, und einen Teilabschnitt eines erfindungsgemäßen Pipettierbehälters, der in der Verbindungsposition angeordnet ist.
10f ist eine Seitenansicht der 10e, wobei der Strahlengang bei der optischen Messung einer Sensoreinrichtung gezeigt ist.
11a zeigt eine Anordnung von Sensoreinrichtungen, bei der gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung kapazitative Sensoreinrichtungen angeordnet sind.
11b zeigt einen Querschnitt des Aufbaus einer kapazitativen Sensoreinrichtung, die für die zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung verwendbar ist.
12a, 12b und 12c zeigen jeweils in einem seitlichen Querschnitt und in einer Aufsicht eine bevorzugte Ausführungsform der Elektrodenanordnung einer kapazitativen Sensoreinrichtung, die für die zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung verwendbar ist.
In den nachfolgend erläuterten Figuren wird ein kartesisches Koordinatensystem verwendet, um die relativen Positionen der Bauteile der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung und des erfindungsgemäßen Pipettierbehälters zu erläutern. Die Richtungsbezeichnung „oben” entspricht der Richtung der positiven z-Achse.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung, die hier ein elektrischer Hand-Dispenser 1 zum Aspirieren und Dispensieren von flüssigen Laborproben ist, mit dem ein als Dispenserspitze 2 ausgestalteter erfindungsgemäßer Pipettierbehälter verbunden ist. Der Dispenser 1 weist einen Basiskörper 3 auf, der in seinem oberen Abschnitt 4 ein optisches Display 5 aufweist, über das der Benutzer z. B. Informationen zum erkannten Pipettierbehälter, zum im Pipettierbehälter enthaltenen Probenvolumen der flüssigen Laborprobe, und zum eingestellten Dispensiervolumen, das in einem Abgabeschritt abzugeben ist, oder andere Informationen erhält. Der Dispenser 1 ist dazu eingerichtet, über die Informationsleseeinrichtung eine auf der Informationsträgereinrichtung der Dispenserspitze 2 enthaltene Information auszulesen. Aus dieser Information bestimmt der Dispenser 1 automatisch den Typ der Dispenserspitze 2, insbesondere deren Maximalvolumen. Aufgrund dieser Information ist die Pipettiervorrichtung 1 insbesondere dazu befähigt, aus einem vom Benutzer vorgegebenen Dispensiervolumen den erforderlichen Kolbenhub zu berechnen. Dieser ist insbesondere vom Querschnitt (senkrecht zur z-Achse) des zylinderförmigen Innenvolumens des Behälters der Dispenserspitze 2 abhängig. Über das Betätigungselement 6 kann der Benutzer die Abgabe des Dispensiervolumens oder die Aufnahme eines Volumens starten. Der Abgabevorgang und Aufnahmevorgang wird darüber hinaus vom Dispenser 1 automatisch gesteuert. Eine (nicht gezeigte) Bewegungseinrichtung im Inneren des Basiskörpers 3 bewegt den in der Dispenserspitze 2 angeordneten Kolben, wodurch mittels Druckänderung im Innenvolumen des Behälters eine Flüssigkeit abgegeben oder aufgenommen wird.
Die Dispenserspitze 2 ist in einer Verbindungsposition fest mit dem Basiskörper 3 der Pipettiervorrichtung verbunden. Über eine (hier nicht gezeigte) Verbindungseinrichtung kann die Dispenserspitze 2 vom Benutzer auf dem Verbindungsabschnitt der Pipettiervorrichtung 1 aufgesteckt werden. Mittels des Entriegelungsknopfes 7 der Pipettiervorrichtung kann die Verbindung vom Benutzer gelöst werden.
2a zeigt die Dispenserspitze 2 aus 1 mit einem Maximalvolumen von 50 ml. Die Dispenserspitze 2 weist einen zylinderartigen Behälter 8 auf, an dessen unteren Ende eine hohlkegelförmige Spitze 9 mit einer Behälteröffnung 10 angeordnet ist. Gegenüberliegend der Behälteröffnung 10 weist die Dispenserspitze das Adapterelement 17 auf, das die als Deckelabschnitt ausgebildete Stirnwand 11 des Pipettierbehälters bildet und das lösbar an dem Behälter 8 befestigt ist. Die Stirnwand des Behälters kann aber auch integral mit dem Behälter 8 verbunden sein und das Adapterelement kann parallel dieser Stirnwand angeordnet sein. Der Deckelabschnitt 11 weist einen zylinderartigen Verlängerungsfortsatz 13 auf, an dessen Ende der als Verbindungsflansch 12 ausgebildete Verbindungsabschnitt integral angeformt ist. Somit ist der Verbindungsabschnitt 12 fest mit dem Adapterelement 17, und das Adapterelement 17 fest mit dem Behälters 8 des Pipettierbehälters 2 verbunden.
2b zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Pipettierbehälters 2', der Dispenserspitze 2' mit einem Maximalvolumen von 10 ml, bei dem die Informationsträgereinrichtung integral mit dem Behälter 8' des Pipettierbehälters 2' verbunden ist. Die Dispenserspitze 2' weist einen zylinderartigen Behälter 8' auf, an dessen unteren Ende eine hohlkegelförmige Spitze 9' mit einer Behälteröffnung 10' angeordnet ist. Gegenüberliegend der Behälteröffnung 10' weist die Dispenserspitze die Stirnwand 11' (nicht sichtbar) des Behälters auf, die integral mit dem Behälter 8 verbunden ist. Integral an diese Stirnwand 11' angeformt ist der als Verbindungsflansch 12' ausgebildete Verbindungsabschnitt.
An der dem Behältnis abgewandten Seite weist der Verbindungsabschnitt 12 (bzw. 12') eine Vielzahl von Informationsabschnitten 14 (bzw. 14') der Informationsträgereinrichtung der Dispenserspitze auf. Die Informationsabschnitte sind derart entlang einer Kreisbahn am Verbindungsabschnitt angeordnet, dass sie den Kolben 15 (bzw. 15') konzentrisch umgeben. Gezeigt ist in 2a und 2b nur das obere Ende des Kolbens der Dispenserspitze, der als Befestigungsabschnitt ausgestaltet ist, welcher zur Befestigung mit der Bewegungseinrichtung des Dispensers dient. Die Information ist auf den Informationsabschnitten derart codiert, dass sie unabhängig von der Winkelstellung der Rotation des Pipettierbehälters um die z-Achse ausgelesen und erfasst werden kann. Die Infomation, die auf den Informationsabschnitten des Pipettierbehälters enthalten ist, bezeichnet den Typ des Pipettierbehälters, insbesondere dessen Pipettierbehälter-spezifisches Maximalvolumen.
3 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Hand-Pipettiervorrichtung 20 in einem Ausführungsbeispiel. Die Pipettiervorrichtung 20 weist einen als Griffabschnitt gestalteten Basiskörper 21 auf, der sich entlang der gedachten Achse mit der Achsenrichtung A erstreckt und an dessen oberen Ende ein vom Benutzer manuell bedienbares Betätigungselement 22 vorgesehen ist. Die Pipettiervorrichtung 20 weist eine elektrische Steuereinrichtung 23 auf. Die Steuereinrichtung umfasst eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung von Messsignalen der im unteren Bereich 25 des Basiskörpers angeordneten Sensoreinrichtungen, die über eine Signalleitungseinrichtung 24 mit der Steuereinrichtung verbunden sind. Die Steuereinrichtung weist ferner eine Datenverarbeitungseinrichtung zum digitalen Verarbeiten von Daten auf, die insbesondere als Auswerteeinrichtung zur Auswertung der Messsignale dient. Die Steuereinrichtung ist ferner dazu ausgebildet, aus den Messsignalen die Information zu bestimmen, die eindeutig auf den mit der Pipettiervorrichtung 20 verbundenen Pipettierbehälter rückschließen lässt. Ferner ist in die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von Parametern, die vom Benutzer über die Benutzerschnittstelle 26 eingegeben werden, den Vorgang der Abgabe eines Flüssigkeitsvolumens und der Aufnahme eines Flüssigkeitsvolumens präzise zu steuern.
Im unteren Bereich 25 des Basiskörpers der Pipettiervorrichtung 20 befindet sich der zweite Verbindungsabschnitt der Pipettiervorrichtung, in dem eine Verbindungseinrichtung vorgesehen ist, um einen erfindungsgemäßen Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung 20 zu verbinden.
4a zeigt schematisch einen Verbindungsabschnitt, der z. B. an der Pipettiervorrichtung 20 aus 3 vorgesehen sein kann und zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pipettierbehälters 30. Der Pipettierbehälter 30 weist einen Behälter 31 mit einer hohlkegelförmigen Spitze 36 mit der Behälteröffnung 37 auf, durch die eine flüssige Laborprobe in den Behälter aufgesaugt und aus diesem wieder abgegeben werden kann. An mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten des Behälters 31 sind Verbindungselemente 32, 33 vorgesehen, mit denen der Pipettierbehälter 30 fest an komplementären Verbindungselemente 42, 43 einer Pipettiervorrichtung in einer Verbindungsposition arretiert werden kann. In einer bevorzugten Gestaltung der Verbindungseinrichtung zwischen Pipettiervorrichtung und Pipettierbehälter weist diese vorzugsweise einen Verbindungsflansch (siehe 2a, 2b) auf und vorzugsweise eine Rasteinrichtung an der Pipettiervorrichtung, wobei die Rasteinrichtung gefederte Klemmbacken umfassen kann. Der Behälter 31 weist eine Stirnseite 34 auf, mit der eine Anzahl von Informationsabschnitten fest verbunden sind. Diese Stirnseite liegt der Vielzahl von Sensoreinrichtungen der Informationsleseeinrichtung gegenüber, wenn der Pipettierbehälter 30 durch eine Verbindungsbewegung entlang der Richtung B mit der Pipettiervorrichtung verbunden wird und auf die Pipettiervorrichtung aufgesteckt wird.
Die Informationsleseeinrichtung 44 weist eine Trägerplatte 45 auf, auf der eine Anzahl von Sensoreinrichtungen 46 in einer Ebene nebeneinander liegend angeordnet sind.
Eine Sensoreinrichtung 46 weist ein Substrat 46a' auf, auf dem ein Sensorabschnitt 46b' angeordnet ist. Der Sensorabschnitt 46b' dient der Durchführung einer Messung an einem Informationsabschnitt 35, wenn dieser in der Verbindungsposition im Messraum 50 und dem Sensorabschnitt 46b' senkrecht gegenüberliegend angeordnet ist. Die Sensoreinrichtungen sind über eine elektrische Leitungseinrichtung 46c', vorzugsweise einen I²C-Datenbus, mit der Steuereinrichtung der Pipettiervorrichtung verbunden.
Die Sensorabschnitte 46b' sind durch eine Abdeckschicht 47 abgedeckt und durch diese vom Messraum 50 getrennt. Die Abdeckschicht 47 ist der Informationsleseeinrichtung 44 zugeordnet und bildet die gemeinsame Sensorfläche der Sensorabschnitte 46b' der Sensoreinrichtungen. Durch die Abdeckschicht 47 werden die mechanisch empfindlichen Sensorabschnitte gegen mechanische Beeinträchtigung, Schmutz oder chemische Veränderungen durch aggressive Flüssigkeiten oder Dämpfe, die von den pipettierten Laborproben stammen können, geschützt. Die Abdeckschicht ist vorzugsweise aus einem chemisch inerten Material gefertigt oder weist dieses auf, wobei das Material zudem die Messung der Sensoreinrichtungen im wesentlichen nicht behindert. Die Wahl des Materials kann somit von dem mit der Sensoreinrichtung realisierten Messprinzip abhängen. Senkrecht zu der Ebene, in der die Sensoreinrichtungen angeordnet sind, erstrecken sich Begrenzungswände 48. Durch diese wird der Messraum 50 in Richtung radial einwärts bezüglich der Achse A gegen Beeinträchtigungen geschützt, zum Beispiel gegen Strahlung oder Verschmutzung. Dadurch wird die Messung der Sensoreinrichtungen zuverlässiger.
Der Verbindungsabschnitt 41 der Pipettiervorrichtung enthält in dem von ihm umhüllten Innenvolumen im wesentlichen alle wichtigen Bauteile, durch die der Pipettierbehälter 30 in einer vorbestimmten Verbindungsposition mit der Pipettiervorrichtung verbunden werden kann. Die Verbindungselemente 42, 43 sind Teil einer Verbindungseinrichtung, mit der der Pipettierbehälter fest, aber vom Benutzer lösbar, mit der Pipettiervorrichtung verbunden werden kann. Die Begrenzungswände 48 übernehmen hier zwei weitere wichtige Funktionen.
Einerseits dienen die Begrenzungswände 48 als Führungseinrichtung, mit der der Pipettierbehälter 30 während der Verbindungsbewegung B in die Verbindungsposition geführt wird, indem komplementäre Führungsabschnitte 39 des Pipettierbehälters 30 an der Innenseite der Begrenzungswände entlang gleiten. Die Führungseinrichtung dient vorzugsweise der Führung der Bewegung in Verbindungsrichtung B, vorliegend entlang der Achse A der Pipettiervorrichtung. Auf diese Weise wird die Verbindungsposition präzise erreicht. Die Verbindungsposition ist in 4b gezeigt.
Andererseits dienen, wie in 4b gezeigt ist, die Begrenzungswände 48 als Abstandseinrichtung. Durch die Abstandseinrichtung wird erreicht, dass sich die Informationsabschnitte 35 der Informationsträgereinrichtung des Pipettierbehälters in der Verbindungsposition, die hier auch die Messposition ist, in einem Mindestabstand D_min von der Oberfläche der Informationsleseeinrichtung, nämlich der Sensorfläche 47, befinden. Dazu wirken die Begrenzungswände 48 als Anschlagelemente, an denen komplementäre Anschlagelemente 38 am Pipettierbehälter 30 anschlagen, wie in a und 4b gezeigt ist. Durch die Abstandseinrichtung wird erreicht, dass sich die Sensoreinrichtungen in der Messposition in einem definierten Abstand zu den Informationsabschnitten befinden, und mittels der Funktion der Führungseinrichtung allgemein in einer definierten Relativposition zu den Informationsabschnitten befinden. Für viele Arten von Sensoreinrichtungen ist ein Abstand im Bereich 0,000 mm <= D_min <= 5,000 mm geeignet, um zuverlässige Messungen durchzuführen und die zu identifizierenden Messzustände eindeutig zu erfassen. Der Abstand D_min sollte so gewählt werden, dass das Aufstecken des Pipettierbehälter auf die Pipettiervorrichtung nicht zu einer mechanischen Belastung der Sensorfläche 47 führt, wobei ein Berühren der Sensorfläche (D_min = 0,000 mm) erlaubt sein kann. Durch die Abstandseinrichtung werden mechanische Stöße absorbiert und die Sensoreinrichtungen auf diese Weise geschützt
5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h und 5i zeigen jeweils eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung von Sensoreinrichtungen zu einer Informationsleseeinrichtung einer erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung. Im Gegensatz zu den Darstellungen in den 4a und 4b sind die Sensoreinrichtungen hier nach oben gerichtet gezeigt.
5a zeigt die Informationsleseeinrichtung 44a, aufweisend ein Substrat 45a mit Sensoreinrichtungen 46a, die parallel zueinander und nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind, und aufweisend den Messraum 50, der oberhalb der Sensoreinrichtungen angeordnet ist und der Bereiche aufweist, die jeweils der planaren Oberfläche der Sensoreinrichtungen 46a senkrecht gegenüberliegen. Die Sensoreinrichtungen 46a sind hier auf der Oberfläche des Substrats 45a angeordnet. Der Messraum 50 grenzt hier unmittelbar an die Oberfläche der Sensorabschnitte 46a an. Mit einer solchen Anordnung sind empfindliche und genaue Messungen möglich. Die Anordnung kann ferner einfach inspiziert und gewartet werden.
5b zeigt die Informationsleseeinrichtung 44b, aufweisend ein Substrat 45b mit Sensoreinrichtungen 46b, die parallel zueinander und nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind, und aufweisend den Messraum 50, der oberhalb der Sensoreinrichtungen angeordnet ist und der Bereiche aufweist, die jeweils der planaren Oberfläche der Sensorabschnitte 46b senkrecht gegenüberliegen. Die Sensoreinrichtungen 46b sind hier auf der Oberfläche des Substrats 45b angeordnet. Es ist eine Abdeckschicht 47b vorgesehen, die die Oberflächen der Sensorabschnitte jeweils kontaktiert und diese schützt. Die Abdeckschicht 47b dient als gemeinsame Sensorfläche und schützt die darunter liegenden Sensorabschnitte. Eine solche Anordnung kann einfach gereinigt, inspiziert und gewartet werden.
5c zeigt die Informationsleseeinrichtung 44c, aufweisend ein Substrat 45c mit Sensoreinrichtungen 46c, die parallel zueinander und nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind, und aufweisend den Messraum 50, der oberhalb der Sensoreinrichtungen angeordnet ist und der Bereiche aufweist, die jeweils der planaren Oberfläche der Sensorabschnitte 46c senkrecht gegenüberliegen. Die Sensoreinrichtungen 46c sind hier in das Substrat 45c eingebettet. Die Oberflächen der Sensorabschnitte liegen in derselben Ebene, in der auch die Oberfläche des Substrats liegt. Eine solche Anordnung kann einfach gereinigt, inspiziert und gewartet werden.
5d entspricht 5c. Es ist zusätzlich eine Abdeckschicht 47d vorgesehen, die die Oberflächen der Sensorabschnitte jeweils kontaktiert und diese schützt. Die Abdeckschicht 47d dient als gemeinsame Sensorfläche und schützt die darunter liegenden Sensorabschnitte. Eine solche Anordnung kann einfach gereinigt, inspiziert und gewartet werden.
5e zeigt die Informationsleseeinrichtung 44e, aufweisend ein Substrat 45e mit Sensoreinrichtungen 46e, die parallel zueinander und nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind, und aufweisend den Messraum 50, der oberhalb der Sensoreinrichtungen angeordnet ist und der Bereiche aufweist, die jeweils der planaren Oberfläche der Sensorabschnitte 46e senkrecht gegenüberliegen. Die Sensoreinrichtungen 46e sind hier in dem Substrat 45e versenkt angeordnet. Die Oberflächen der Sensorabschnitte liegen unterhalb der Ebene, in der die Oberfläche des Substrats liegt. Abschnitte 49e, 51e sind in der Ebene seitlich außerhalb der Sensorabschnitte angeordnet und Abschnitte 52e sind in der Ebene zwischen den Sensorabschnitten angeordnet. Die Abschnitte 49e, 51e und 52e des Substrats, die sich im wesentlichen senkrecht zu dieser Ebene erstrecken, bilden jeweils eine Begrenzungswand der Teilbereiche des Messraums 50 und schützen diese Teilbereiche nach außen beziehungsweise gegeneinander. Eine solche Anordnung kann einfach inspiziert und gewartet werden und erlaubt störungsfreie und genaue Messungen.
5f entspricht der 5a, wobei Abschnitte 49f und 51f vorgesehen sind, die sich im wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Sensorflächen erstrecken und seitlich außerhalb der Sensorabschnitte angeordnet sind und die als Begrenzungswände des Messraums 50 nach außen dienen. Eine solche Anordnung kann einfach inspiziert und gewartet werden und erlaubt störungsfreie und genaue Messungen.
5g entspricht der 5a, wobei Abschnitte 52g vorgesehen sind, die sich im wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Sensorflächen erstrecken und zwischen den Sensorabschnitten angeordnet sind und die als Begrenzungswände des Messraums 50 nach innen dienen, so dass sich die unterschiedlichen Teilbereiche des Messraums oberhalb unterschiedlicher Sensoreinrichtungen nicht gegenseitig stören. Eine solche Anordnung kann einfach inspiziert und gewartet werden und erlaubt störungsfreie und genaue Messungen.
5h entspricht der 5a, wobei Abschnitte 49h, 51h, und 52h vorgesehen sind, die sich im wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Sensorflächen erstrecken die als Begrenzungswände des Messraums 50 dienen und den Messraum 50 zusätzliche in drei individuelle Messräume 50', 50'' und 50''' unterteilen, so dass sich die unterschiedlichen Messräume oberhalb unterschiedlicher Sensoreinrichtungen nicht gegenseitig stören. Eine solche Anordnung kann einfach inspiziert und gewartet werden und erlaubt störungsfreie und genaue Messungen.
5i zeigt die Informationsleseeinrichtung 44i, aufweisend ein Substrat 45i mit Sensoreinrichtungen 46i, die parallel zueinander angeordnet sind. Eine Sensoreinrichtung weist jeweils einen ersten Sensorabschnitt 46i' auf und einen zweiten Sensorabschnitt 46i'' auf, die parallel zueinander angeordnet sind und sich gegenüber liegen. Zwischen dem ersten und zweiten Sensorabschnitt ist ein Messraum 50', 50'' oder 50''' angeordnet, in den von oben ein Informationsabschnitt eingreifen kann. Eine solche Anordnung einer Sensoreinrichtung ist insbesondere zur Realisierung eines Lichtschrankenprinzips geeignet. Der Messraum grenzt hier jeweils unmittelbar an die Oberfläche der ersten und zweiten Sensorabschnitte an, die jeweils auch mit einer Abdeckschicht oder Kappe geschützt werden könnten. Mit einer solchen Anordnung sind störungsfreie und fehlerreduzierte Messungen möglich. Die Anordnung kann ferner einfach inspiziert und gewartet werden. Die Sensorabschnitte können auf eigenen Sensorsubstraten, zumindest teilweise oder alle auf gemeinsamen Sensorsubstraten und insbesondere auf Abschnitten des Substrats 45i befestigt sein.
6a, 6b, 6c, 6d, und 6e zeigen jeweils eine bevorzugte Ausführungsform einer Sensoreinrichtung einer Informationsleseeinrichtung einer erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung. Im Gegensatz zu den Darstellungen in den 4a und 4b sind die Sensoreinrichtungen auch hier nach oben gerichtet gezeigt.
6a zeigt die Sensoreinrichtung 60a. Diese ist auf dem Substrat 61 einer Informationsleseeinrichtung angeordnet. Die Sensoreinrichtung weist einen Sensorabschnitt 61a auf, der einen ersten Sensorabschnitt 62a aufweist, der insbesondere elektrisch betrieben ist und an die Leitung 63a angeschlossen ist und der ferner einen zweiten Sensorabschnitt 64a aufweist, der insbesondere elektrisch betrieben ist und an die Leitung 65a angeschlossen ist. Der erste Sensorabschnitt und der zweite Sensorabschnitt liegen nebeneinander und ihre Sensorfläche liegt in derselben Ebene, welche die gemeinsame Sensorfläche 67a bildet. Oberhalb der Sensorfläche 67a befindet sich der Messraum 50, der unmittelbar an die Sensorfläche angrenzt. Eine derartige Anordnung ist für kapazitative Messungen geeignet, bei denen die Änderung der Dielektrizitätskonstante des Messraums oder eines anderen Kapazitätswertes des Messraums detektiert wird. Eine solche Anordnung ist ferner zum Beispiel auch für Reflexionsmessungen geeignet. Dabei bildet der erste Sensorabschnitt einen Senderelement und der zweite Sensorabschnitt ein Empfängerelement. Das emittierte Medium, zum Beispiel eine akustische Welle oder eine elektromagnetische Welle (vorzugsweise Licht) werden in charakteristischer Weise am Informationsabschnitt reflektiert, der in der Messposition senkrecht oberhalb der Sensorfläche angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein charakteristisches Messsignal erzeugt, das für die Information oder zumindest einen Bruchteil in der Information charakteristisch ist.
6b zeigt die Sensoreinrichtung 60b. Diese ist auf dem Substrat 61 einer Informationsleseeinrichtung angeordnet. Die Sensoreinrichtung weist einen Sensorabschnitt 61b auf, der einen ersten Sensorabschnitt 62b aufweist, der insbesondere elektrisch betrieben ist und an die Leitung 63b angeschlossen ist und der ferner einen zweiten Sensorabschnitt 64b aufweist, der insbesondere elektrisch betrieben ist und an die Leitung 65b angeschlossen ist. Der erste Sensorabschnitt ist in dem zweiten Sensorabschnitt eingebettet angeordnet oder auf dem zweiten Sensorabschnitt angeordnet. Vorzugsweise sind der erste und der zweite Sensorabschnitt von einer Trennschicht getrennt, die insbesondere elektrisch isolierend ist. Die Sensorflächen des ersten und zweiten Sensorabschnitts können in derselben Ebene liegen, welche die gemeinsame Sensorfläche 67b bildet. Oberhalb der Sensorfläche 67b befindet sich der Messraum 50, der unmittelbar an die Sensorfläche angrenzt. Eine solche Anordnung ist zum Beispiel für Reflexionsmessungen oder kapazitative Messungen geeignet.
6c zeigt die Sensoreinrichtung 60c. Diese ist auf dem Substrat 61 einer Informationsleseeinrichtung angeordnet. Die Sensoreinrichtung weist einen Sensorabschnitt 61c auf, der einen ersten Sensorabschnitt 62c aufweist, der insbesondere elektrisch betrieben ist und an die Leitung 63c angeschlossen ist und der ferner einen zweiten Sensorabschnitt 64c aufweist, der insbesondere elektrisch betrieben ist und an die Leitung 65c angeschlossen ist. Der erste und der zweite Sensorabschnitt sind parallel zueinander und gegenüberliegend angeordnet. Sie sind vom Messraum 50 getrennt, der jeweils an die Sensorfläche des ersten und zweiten Sensorabschnitt angrenzt. Ein erster Abschnitt 61c' des Sensorabschnitts 61c dient als Träger des ersten Sensorabschnitts und ein zweiter Abschnitt 61c'' des Sensorabschnitts 61c dient als Träger des zweiten Sensorabschnitts. Die Anordnung ist insbesondere als Lichtschrankenanordnung geeignet, indem insbesondere der erste Sensorabschnitt als Senderelement dient und der zweite Sensorabschnitt als Empfängerelement dient. Dabei wird ein Messstrahl (vorzugsweise Lichtstrahl) verwendet, der den Messraum 50 durchquert, wobei der Empfang von einem Informationsabschnitt in charakteristischer Weise gestört wird, wenn dieser in der Messposition im Messraum angeordnet ist. Die Anordnung ist aber auch für kapazitative Messungen geeignet.
6d zeigt die Sensoreinrichtung 60d. Diese ist auf dem Substrat 61 einer Informationsleseeinrichtung angeordnet. Die Sensoreinrichtung ist zweigeteilt und weist separat voneinander einen ersten Sensorabschnitt 62d auf, der von einem ersten Sensorsubstrat 61d' getragen wird, das von einem ersten Abschnitt 61' des Substrats 61 gestützt wird, und einen zweiten Sensorabschnitt 64d, der von einem zweiten Sensorsubstrat 61d'' getragen wird, das von einem zweiten Abschnitt 61'' des Substrats 61 gestützt wird. Auch diese Anordnung ist, wie in 6c, als Lichtschranken-Anordnung oder zur kapazitativen Messung zu verwenden.
6e zeigt die Sensoreinrichtung 60e. Diese ist ähnlich der Sensoreinrichtung 60d aufgebaut. Zusätzlich ist die Sensoreinrichtung 60e zur Messung mit einer Ortsauflösung aufgebaut, indem z. B. festgestellt wird, bis zu welcher Eingriffstiefe ein Informationsabschnitt, der von oben in den Messraum 50 ein geführt wird, in diesen eingreift. Dazu ist für jede Position bezüglich der z-Achse, entlang der hier insbesondere auch die Verbindungsbewegung B stattfindet, eine eigene Messposition eingerichtet, der jeweils mindestens ein Sensorabschnitt zugeordnet ist und der vorliegend insbesondere jeweils paarweise ein erster Sensorabschnitt 62e', 62e'', der jeweils als Empfängerelement dient, und ein zweiter Sensorabschnitt 64e', 64e'', der jeweils als Senderelement dient, zugeordnet sind. Greift ein für den Messstrahl nicht-transparenter Informationsabschnitt zum Beispiel bis zur Tiefe der ersten Messposition M1 in den Messraum ein, so kann ein logisches Wertepaar (1, 1) gemessen werden. Greift ein für den Messstrahl nicht-transparenter Informationsabschnitt zum Beispiel nur bis zur Tiefe der zweiten Messposition M2 in den Messraum ein, so kann ein logisches Wertepaar (0, 1) gemessen werden. Greift ein für den Messstrahl nicht-transparenter Informationsabschnitt zum Beispiel gar nicht in den Messraum ein, so kann ein logisches Wertepaar (0, 0) gemessen werden. Auf diese Weise weist die Sensoreinrichtung 60e bereits eine Messauflösung von M = 3 auf. Ein weiterer logischer Messwert (1, 0) kann einfach definiert werden, indem der Informationsabschnitt auf der Position M2 eine Öffnung oder Aussparung aufweist, durch die der Messstrahl M2 ungehindert durchtreten kann. Die Messauflösung der Sensoreinrichtung 60e liegt dann bei M = 4. Allgemein kann eine Anzahl M_L von Messpositionen vorgesehen sein, um eine Ortsauflösung bzw. Messauflösung von bis zu 2^^M_L (d. h.: zwei hoch M_L) zu erreichen. Je höher die Messauflösung in z-Richtung ist, desto weniger Sensoreinrichtungen müssen nebeneinander, d. h. in seitlicher Richtung (z. B. innerhalb der x-y-Ebene) vorgesehen werden.
7a, 7b und 7c zeigen jeweils in Aufsicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Informationsleseeinrichtung einer erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung, mit ringförmigem Trägersubstrat und entlang eines Kreisrings angeordneten Sensoreinrichtungen. Die konzentrische Anordnung einer Vielzahl von Sensoreneinrichtungen oder Sensorabschnitten in konstanten Abständen erlaubt es dem Benutzer, den Pipettierbehälter in beliebigen Drehwinkelstellungen um die Richtung der Verbindungsbewegung B herum auf die Pipettiervorrichtung aufzustecken; dies gilt insbesondere in Kombination mit einer Führungseinrichtung und insbesondere bei geeigneter Auswahl der Kodierung der Information auf der Informationsträgereinrichtung. Die Verwendung der Pipettiervorrichtung wird dadurch komfortabler.
In 7a, 7b und 8a sind auf dem Kreisumfang der Informationsleseeinrichtung jeweils 7 Positionen angeordnet. Es gibt pro Position z. B. zwei logische Messzustände, „Sensor empfängt” „ja” oder „nein”. Da die Drehposition des Pipettierbehälters beim Einsetzen beliebig ist, wird die Zahl der Codiermöglichkeiten eingeschränkt. Es scheiden auch die Codiermöglichkeiten aus, bei denen alle Kontakte betätigt oder nicht betätigt sind, da damit kein Referenzpegel vorliegt. Somit ergeben sich mit den 7 Sensoreinrichtungen in Summe 11 Codiermöglichkeiten, 11 verschiedene Arten von Pipettierbehälter können erkannt werden.
7a zeigt die Informationsleseeinrichtung 70a. Diese weist ein kreisringförmiges Substrat 71a auf, in dem ein kreisförmiges Loch 74a vorgesehen ist, das bei einer als Dispenser ausgestalteten Pipettiervorrichtung zum Rücktritt des Kolbens eines Pipettierbehälters dienen kann, wenn dieser in der Verbindungsposition an der Pipettiervorrichtung angeordnet ist. Vom Außenrand des Substrats 71a kann sich eine seitliche Begrenzungswand 72a nach oben erstrecken, die den Messraum oberhalb der Sensoreinrichtungen 73a abschirmt. Benachbarte Sensoreinrichtungen sind entlang einer gedachten Kreisbahn um den Mittelpunkt des Substrats 71 jeweils in demselben konstanten Abstand angeordnet. Die Sensoreinrichtungen 73a weisen jeweils eine Sensorfläche auf, die parallel zur x-y-Ebene liegt und senkrecht zur z-Achse bzw. zur Richtung B der Verbindungsbewegung.
7b zeigt die Informationsleseeinrichtung 70b, die jener in 7a ähnlich ist. Die Sensoreinrichtungen 73b unterscheiden sich aber von den Sensoreinrichtungen 73a. Die Sensoreinrichtungen 73b weisen jeweils eine Sensorfläche auf, die senkrecht zur x-y-Ebene liegt und parallel zur z-Achse bzw. zur Richtung B der Verbindungsbewegung. Eine Sensoreinrichtung 73b ist ähnlich aufgebaut wie die Sensoreinrichtung 60c, 60d oder 60e (siehe 6c, 6d oder 6e) und weist paarweise gegenüberliegende Sensorabschnitte 73b' und 73b'' auf. Sie kann insbesondere eine vertikale Ortsauflösung M1, M2 (bzw. M_L) aufweisen und/oder eine horizontale Ortsauflösung M1, M2 (bzw. M_L') aufweisen, so dass sich eine gesamte Messauflösung von (M_L·M_L') ergeben kann. Dabei ist es insbesondere möglich, eine geringere Anzahl von Senderelementen zu verwenden als Empfängerelemente.
7c zeigt die Informationsleseeinrichtung 70c, die jener in 7a ähnlich ist. Die gerade Anzahl von ersten Sensorabschnitten 73c', die als Senderelemente ausgebildet sind und die gerade Anzahl von Sensorabschnitten 73c'', die als Empfängerelemente ausgebildet sind, weisen jeweils eine Sensorfläche auf, die senkrecht zur x-y-Ebene liegt und parallel zur z-Achse bzw. zur Richtung B der Verbindungsbewegung. Die Messstrahlung (vorzugsweise Licht) eines Senderelements ist jeweils so ausgerichtet, dass es jede der beiden benachbarten Empfängerelemente treffen kann. Senderelemente und Empfängerelemente sind im Kreis Umfangsrichtung jeweils abwechselnd nebeneinander angeordnet; zwischen einem Senderelement und einem Empfängerelement befindet sich jeweils ein Messraum 50', 50'', in den in der Messposition ein Informationsabschnitt eingreifen kann. Benachbarte Paare von Senderelement 76c, (erster Sensorabschnitt) und Empfängerelement 73c (zweiter Sensorabschnitt) bilden jeweils eine Sensoreinrichtung. Die auf dem Kreisumfang jeweils benachbarten Sensoreinrichtungen können z. B. zeitlich nacheinander betrieben werden, um jeweils ein gemeinsames Empfängerelement 73c' zu verwenden. Alternativ kann zumindest teilweise simultan gemessen werden und es können die Senderelemente eine z. B. mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen modulierte Messstrahlung verwenden, die nach Wechselwirkung mit einem Informationsabschnitt per Lock-In-Verfahren von einer Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz ausgewertet wird, um die für einen Informationsabschnitt charakteristische Information zu erhalten. Auch eine Ortsauflösung (M1, M2) bzw. (M3, M4) kann vorgesehen sein. Auf diese Weisen kann die Anzahl der für eine gewünschte Messauflösung notwendigen Sensorabschnitte 73c', 73c'' reduziert werden.
8a zeigt eine Anordnung von Sensoreinrichtungen, bei der gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung optische Sensoreinrichtungen angeordnet sind.
Gemäß 8b wird vorgeschlagen, dass eine Sensoreinrichtung als Senderelement eine Lichtquelle 81 aufweist, die in Richtung der Informationsträgereinrichtung 90 abstrahlt. Am Pipettierbehälter werden an den Lichtauftrittsflächen des Informationsabschnitts unterschiedliche Geometrien angeordnet, die das Licht mit unterschiedlichen Reflexionsgrad reflektieren. Auf der Sensoreinrichtung sind, mittelbar oder unmittelbar neben dem Senderelement 81, Licht detektierende Empfängerelemente 82 angeordnet, auf die das Licht mit unterschiedlichem Anteil zurückreflektiert wird. Das empfangene Licht wird in elektrischen Strom umgewandelt und durch eine Auswertelektronik den jeweiligen Messpositionen zugeordnet.
Die einzelnen Lichtquellen werden zeitlich nacheinander getaktet angesteuert und die Detektoren abgefragt. Durch die zeitliche Zuordnung kann der Reflexionsgrad der einzelnen Positionen nacheinander abgefragt werden und bestimmten Entscheidungspegeln zugeordnet werden. Da die Zykluszeiten nur wenige ms betragen, kann im Bruchteil von Sekunden die Codierung Mikroprozessorgesteuert abgefragt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, als Lichtquellen Vertikal Emittierende Laser, sogenannte VCSEL zu verwenden. Bei der Herstellung von Vertikal Emittierende Lasern werden Halbleiterbeschichtungsprozesse ähnlich der von LED's genutzt, bei denen der Laserresonator auf einem Wafer durch mehrere Beschichtungsprozesse übereinander kostengünstig aufgebaut und durch Maskenprozesse so strukturiert, dass das Laserlicht vertikal zur Substratebene abgestrahlt wird. Durch die laserspezifischen Eigenschaften wird das kohärente Licht – vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 850 nm – mit einem geringen Abstrahlwinkel von ca. 10 bis 15° Öffnungswinkel zur Normalen emittiert, so dass keine zusätzliche Fokussieroptik benötigt wird. Vertikal emittierende Laser (VCSEL) verfügen weiterhin über eine geringe Schwelle und eine hohe Quantenausbeute, so dass bereits bei geringen Strömen von wenigen pA auswertbare Strahlleistungen emittiert werden. Dadurch wird der Batterie-Betrieb der mobilen Pipettiervorrichtung möglich. Alternativ können auch LED's als Strahlungsquelle zum Einsatz kommen.
Als Empfängerelement bzw. Lichtdetektor bieten sich PIN-Fotodioden an. Um einen möglichst großen Anteil der reflektierten Lichts aufzufangen, wird vorgeschlagen, die Fotodioden möglichst dicht neben dem VCSEL-Chip direkt auf dem gleichen Träger anzuordnen. In einem anderen Ausführungsbauspiel ist es auch denkbar, den VCSEL direkt auf einer Fotodiode zu montieren und zu kontaktieren (analog der Anordnung in 6b). Denkbar ist auch die Verwendung von Bauelementen, in denen Sender und Empfänger (VCSEL und Fotodiode) auf einem Chip integriert sind (analog der Anordnung in 6a, 6b, 6c).
Die Codiergeometrien an dem Pipettenrand sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie das Licht mit unterschiedlichen Reflexionsgrad bzw. Transmissionsgrad passieren oder reflektieren. Für die Auswertung ist es wichtig, dass die vom Detektor empfangenen Lichtpegel definierten Klassen zugeordnet werden können. Resultierend aus der Aufgabenstellung, dass eine der Positionen der Pipetten als Bezugsposition gekennzeichnet werden soll, wird ferner die weitere bevorzugte Ausführungsform vorgeschlagen, 3 deutlich voneinander unterscheidbare Pegel detektieren zu können (Messauflösung M = 3). Da die Pipetten aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden können, die für das Laserlicht unterschiedliche optische Transparenz aufweisen, werden unterschiedliche Geometrien vorgeschlagen, die insbesondere für unterschiedliche Materialien verwendbar sind.
Bild 8a und 8b zeigten das Funktionsprinzip einer solchen Informationsleseeinrichtung mit solchen Sensoreinrichtungen:
Als Grundplatte dient eine Leiterplatte 83, die als Kreisronde ausgeführt ist. Auf dieser Leiterplatte sind auf einem Kreis mit gleichmäßig geteilten Winkelsektoren an 7 Positionen (P_a .... P_g) in Kavitäten 84 die Sendebauelemente als Senderchip 81 positioniert. Unmittelbar neben dem Senderchip ist jeweils ein Empfängerchip 82 positioniert. Die Chips sind jeweils mit Bonddrähten 85a und 85b kontaktiert, sie verbinden die elektrischen Kontakte auf dem Chip mit den Leiterbahnen 86 auf der Leiterplatte. Die Kavitäten sind mit einem optisch transparenten Material 87 (vorzugsweise einem Polymer) vergossen und schützen so als gegossene Abdeckschicht die Bauelemente. Die Leiterplatte weist alle weiteren zur elektrischen Funktion notwendigen Bauelemente auf, die in der Prinzipskizze nicht mit dargestellt sind.
Auf die Informationsleseeinrichtung wird der Pipettierbehälter im Mindestabstand D_min aufgesetzt, Bauteil 90 stellt einen Ausschnitt der als Informationsträgereinrichtung dienenden Kante (auch bezeichnet als Unterkante) einer Stirnseite des Pipettierbehälter dar. In der Kante der Stirnseite des Pipettierbehälter befindet sich als Informationsabschnitt eine Codierstufe 92, die durch eine bestimmte Codiergeometrie (bzw. eine Anzahl M von unterscheidbaren Codiergeometrien) realisiert ist.
Der VCSEL 81 emittiert einen Lichtstrahl mit einem bestimmen Öffnungswinkel. Das Licht trifft auf die Oberfläche der Pipette in der Codierstufe und wird reflektiert. Dabei gelangt mindestens ein Teil des Lichtes auf den Empfängerchip und wird darin in einen elektrischen Impuls (Fotostrom) gewandelt. Der reflektierte Anteil unterscheidet sich z. B. danach, wie diese Codiergeometrie ausgebildet ist, insbesondere welchen Winkel sie aufweist, insbesondere nach der Art des Materials und insbesondere nach der Oberflächenrauhigkeit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsform mit optischen Sensoreinrichtungen, die insbesondere für eine Reflexionsmessung ausgebildet sind, besteht darin, geeignete Codiergeometrien zu finden, bei denen der Wirkungsgrad der optischen Kopplung zwischen dem Senderelement, insbesondere Laser, und dem Empfängerelement, insbesondere der Fotodiode, möglichst definierte Pegel erzeugen. Vorzugsweise werden 3 deutlich voneinander unterscheidbare Messzustände ermöglicht, nämlich repräsentiert durch minimale/maximale Kopplung und ein dazwischen gelegener Pegel (Medium). Eine weitere bevorzugte Aspekt besteht darin, keine zusätzliche Fertigungsprozesse einzuführen. Die Pipettierbehälter sollen mit den gleichen bisher praktizierten Fertigungsverfahren hergestellt werden. Ein zusätzlicher Aufwand durch Aufbringen, Aufkleben oder Bedrucken des Pipettierbehälters mit der Informationsträgereinrichtung soll vorzugsweise vermieden werden. Derartige Schritte sind aber möglich und vorzugsweise als Alternative auch vorgesehen.
9a und 9b zeigen die Systematik der erfindungsgemäßen Codiergeometrien:
Die Pipetten und in den Schacht eingeführte Adapter werden aus unterschiedlichen Materialien gefertigt, es handelt sich um für Licht transparente (9b) und nicht transparente (9a) Materialien. Für alle dieser Materialien werden Geometrien vorgeschlagen, in der jeweils eine maximale, minimale optische Kopplung und möglichst dazwischen liegende Kopplungswirkungsgrade realisiert werden können.
Die Teilbilder 1A bis 4B zeigen jeweils einen Ausschnitt des Sensors mit nebeneinander positionierten Laser- und Fotoempfängerchip auf der Basisplatine, vergossen mit einem optisch transparenten Material. Auf der Oberseite wird der Rand einer Pipette mit unterschiedlichen Geometrien positioniert.
Für nicht transparente Materialien – Varianten 1A bis 4A in 9a – gilt, dass das Licht nur an der Unterkante des Pipettierbehälters, die der Informationsleseeinrichtung zugewandt ist, reflektiert werden kann. Bei der Geometrie 1A trifft das Licht auf eine Pipettenflanke 20', die derart geneigt ist, dass möglichst viel emittiertes Licht vom VCSEL auf die Fotodiode trifft. Bei der Variante 2A, bei der möglichst wenig Licht auf den Detektor gekoppelt werden soll, ist die Flanke so geneigt, dass möglichst das Licht vollständig weg reflektiert wird. Bei der Variante 3A weist der Pipettierbehälter ein Loch auf, so dass gleichfalls kein Licht auf den Empfänger gelangen kann.
Bei der Variante 4A weist der Unterrand des Pipettierbehälters eine zurückstehende Flanke auf, so dass das Licht nur zum Teil auf den Detektor zurückreflektiert werden kann. In der 9a und b sind jeweils auch die Koppelwirkungsgrade (in %) angegeben, die in einer Simulation errechnet und durch praktische Versuche bestätigt wurden.
Bei transparenten Materialien kann davon ausgegangen werden, dass das Licht fast vollständig durch die Unterseite des Pipettierbehälters in das Material eintritt. Im Fall 2A – parallele transparente Wandung – und 3B – Loch in der Pipette – werden jeweils nur minimale Lichtanteile zurück reflektiert. In einem weiteren Aspekt dieser bevorzugten Ausführungsform wird bei transparenten Materialien – siehe Bild 1B – an der Außenseite eine prismatische Pyramide als Prismenelement angeformt. Trifft das in die Pipette eingetretene Licht auf die geneigte Flanke, ist der Austrittswinkel vom dichteren in das dünnere Medium (Luft) größer als der Eintrittswinkel, es kommt zur Totalreflexion des größten Teils des Lichtes. Das Licht wird an der gegenüberliegenden Flanke erneut reflektiert und gelangt zurück auf den Empfänger. Es wurde gezeigt, dass bis zu 14 Prozent des Lichtes auf diese Weise zum Empfänger zurückreflektiert wird.
Da das Licht aus dem Laser nicht nur senkrecht abgestrahlt wird, sondern zum Teil, auch mit anderen Winkeln – dem sogenannten Öffnungswinkel, ist auch der Abstrahlwinkel eines Teils des Lichtes kleiner als der Totalreflexionswinkel. Dieser Effekt wird dazu genutzt, um den Pegel „Medium” s. 4B zu erzeugen. Hier wird das angeformte Prisma genau so geneigt, dass möglichst genau die Hälfte des Lichtes aus Variante 1A zurückreflektiert wird. Rechnerisch ergibt sich ein Flankenwinkel für die Flanke 22' von etwa 37°.
10a zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Informationsleseeinrichtung, 10a die bestückte Trägerplatine der Informationsleseeinrichtung, 10d die komplette Informationsleseeinrichtung mit einer vorteilhaften, weil schützenden, Abdeckkappe.
Die Geometrie der Basisplatine 131 ist in einem weiteren Aspekt der Erfindung so ausgelegt, dass sie in eine Hand-Pipettiervorrichtung passt, insbesondere in das Gehäuse einer herkömmlichen Pipettiervorrichtung und dafür Führungslöcher 132 aufweist. Auf einem Umgebungskreis 133 mit definiertem zentralen Radius befinden sich auf regelmäßigen Kreissegmenten jeweils 7 VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting-Laser)-Chips (134a bis g) und jeweils mit gleichem Abstand daneben ein Fotodiodenchip (135a bis g). Die Platine weist weiterhin in der Zeichnung nicht dargestellt Leitbahnen für die elektrischen Verbindungen und Bonddrähte zur Kontaktierung der Chips auf. Diese stellen auch die elektrische Verbindung zu den anderen Bauelementen auf der Platine her, die der Signalverarbeitung dienen. Dies sind der Mikroprozessor 136, ein magnetischer Schalter 137 und ein Steckverbinder-Buchse 138, der die elektrische Verbindung zum Gerät und die Stromversorgung herstellt.
10d zeigt die Informationsleseeinrichtung verschlossen. Auf der bestückten Sensorplatine befindet sich eine Abdeckkappe 139. Die Kappe besteht aus einem Material, dass für Wellenlänge der Laser durchlässig ist. Optional kann sie so ausgeführt sein, dass sie gleichzeitig für Wellenlänge des Umgebungslichtes undurchlässig ist. Die Kappe kann auf ihrer Oberseite auch einen Filter aufweisen, der nur für die Senderwellenlänge durchlässig ist.
Der Raum zwischen Kappe und den Platine wird mit einem für die Sendewellenlänge transparentem Polymer 310 vollständig vergossen, dessen Brechungsindex an den der Kappe angepasst ist, insbesondere angenähert oder angeglichen ist. Vorteilhaft ist dabei, wenn insbesondere der Strahlengang zwischen Fotodiode und Sender vollständig verfüllt ist, damit das Licht am Übergang zu dünnerem Material (beispielsweise einem Hohlraum) nicht zusätzlich gestreut werden kann.
Die Kappe weist an ihrem Oberrand Konturen 311 auf mit Rampenelementen, die mit an dem Pipettierbehälter angeformten Strukturen, insbesondere mindestens einem Abstandselement oder Anschlagselement, derart korrespondieren, dass beim Verdrehen der Pipette die Oberfläche des Pipettierbehälters von der Sensorfläche weggedrückt und distanziert wird und damit das Zerkratzen der Sensoroberfläche verhindert wird. Die Rampenelemente sind Teil einer Abstandseinrichtung.
10e und 10f zeigen die Informationsleseeinrichtung mit aufgesetztem Pipettierbehälter 140. In den Bildern ist der Pipettierbehälter in der Mitte des Schaftes getrennt, und nur der Teil dargestellt, der auf einer Abstandseinrichtung der Informationsleseeinrichtung aufliegt. Der Pipettierbehälter weist an seinem unteren Schaft siebenmal ein angeformtes Prisma 141 auf. In den Bildern ist der Deckel und der Verguss nicht mit dargestellt. Man erkennt die Platine und die darauf montierten Sender und Empfänger als Chip, den VCSEL 134 und die Fotodiode 135. Das Licht aus dem VCSEL – dargestellt durch die Pfeile – durchstrahlt das Gusspolymer, den Deckel und gelangt in den Unterrand des Pipettierbehälter. An der schrägen Wandung des angeformten Prismas wird das Licht reflektiert (Totalreflexion), gelangt an die zweite Prismenflanke, wird dort erneut reflektiert und gelangt durch die Kappe und das Polymer zurück auf die Fotodiode, die neben dem VCSEL angeordnet ist.
Der Sensor fragt getaktet nacheinander alle 7 Informationsabschnitte ab, indem er jeweils die VCSEL separat ansteuert. Jeder VCSEL hat hier eine separate Ansteuerleitung. Die Fotodioden können gleichzeitig abgefragt werden und in Reihe geschaltet sein. Weil bekannt ist, welcher VCSEL zu einem bestimmten Zeitpunkt angesteuert wird, kann daraus geschlussfolgert werden, von welcher der Fotodiode der empfangene Fotostrom stammt. Der empfangene Fotostrom kann nur von der zugehörigen, benachbarten Fotodiode stammen.
Um zwei voneinander zu unterscheidende Signalpegel zweier Messzustände zu bestimmen, die zur Reflexion von zwei unterschiedlichen Symmetrien an Informationsabschnitten stammen, wird für die empfangenen elektrischen Ströme von den Fotodioden eine dynamische Schwelle errechnet und eingeführt. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass für drei Messestände signifikante und charakteristische Pegel des Messsignals erkannt und daraus die Information abgeleitet werden können.
In bestimmten Anwendungsfällen kann es notwendig sein, störendes Umgebungslicht in der Auswertung der Pegel zu eliminieren. Dazu wird vorgeschlagen die VCSEL im Betrieb mit einer bestimmten Frequenz zu modulieren. Die Empfänger – Fotodioden – empfangen dann jeweils das mit der Frequenz überlagerte Gleichlicht. Das empfangene Licht wird verstärkt und demoduliert. Der Empfänger kann dann den Gleichlichtanteil eliminieren und die Intensität des modulierten Signals auswerten.
Die Vorteile des optischen Sensors gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform liegen darin, dass kein Verschleiß der Sensoreinrichtung vorliegt. Es gibt keine mechanisch bewegten Teile in der Informationsleseeinrichtung, die ausfallen können. Die Lebensdauer der optischen Bauelemente ist ausreichend hoch. Der Sensor weist nur noch eine ebene Fläche auf, die leicht gereinigt werden kann. Die Lösung kann so erweitert werden, dass ein dritter Messzustand oder weitere Messzustände eingeführt werden. Somit erhöht sich die Zahl der Codiermöglichkeiten. Die Lösung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform hat nur einen geringen Platzbedarf, da die optischen Bauteile nur relativ geringe Abmessungen aufweisen.
11a zeigt eine Anordnung von Sensoreinrichtungen, bei der gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung kapazitative Sensoreinrichtungen angeordnet sind.
11b zeigt einen Querschnitt des Aufbaus einer kapazitativen Sensoreinrichtung, die für die zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung verwendbar ist.
Die Verwendung einer oder mehrerer kapazitativer Sensoreinrichtungen 201 erlaubt eine zuverlässige Detektion der verschiedenen Informationsabschnitte bei verbesserter Haltbarkeit gegenüber einer mechanischen Lösung.
Bei kapazitativen Sensoreinrichtungen handelt es sich um berührungslose Schalter. Die kapazitativer Sensoreinrichtungen basieren insbesondere auf dem Prinzip der kapazitiven Näherungsschalter. Die als Sensoreinrichtungen dienenden Primärsensoren sind hier in das Substrat der Informationsleseeinrichtung integrierte Kapazitäten. Der Kapazitätswert eines solchen Primärsensors ändert sich, wenn sich Objekte seiner Oberfläche nähern, z. B. der Informationsabschnitt 203 mit einer möglichen Kavität 204, deren Dielektrizitätszahl ε_r grösser ist als die von Luft (ε_r ~ 1). Diese Änderung wird von einer Elektronik ausgewertet, die hier direkt auf der Platine der Informationsleseeinrichtung integriert ist. Die Primärsensoren sind vorzugsweise im Außenbereich des Sensorrings 201 (wo die Befestigungs-Nuten sind) möglichst blind, damit nicht Führungsrippen neben einer Vertiefung fälschlicherweise detektiert werden, und die Vertiefung folglich nicht als solche erkannt wird. Nach innen müssen die Primärsensoren ebenfalls wenig sensitiv sein, um insbesondere den passierenden Kolben einer Dispenserspitze nicht zu detektieren. Damit ergibt sich für die Primärsensoren der in 11b mit 202 bezeichnete Sensitivitätsbereich.
Für die bevorzugte Gestaltung der Primärsensoren wird vorgeschlagen, den Ausgleich zwischen zwei bevorzugten, sich aber teilweise widersprechenden Aspekten zu finden. Einerseits wird bevorzugt, dass die Sensoren möglichst klein sind, um Fehldetektionen zu vermeiden, lateral aufgrund von Führungsrippen, oder axial aufgrund von einem schlecht zentrierten Zylinderschafts, womöglich mit flacheren, wellenförmigen Vertiefungen. Andererseits soll die Fläche des Primärsensors so groß wie möglich sein, um eine große Änderung des Kapazitätswerts und damit ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu ermöglichen, selbst wenn die Informationsträgereinrichtung nicht überall in demselben Abstand D, (vorzugsweise D = D_min) über dem Ring 201 angeordnet sind. Für die Primärsensoren stehen drei Layout-Varianten zur Diskussion. Diese sind in 12a–12c dargestellt.
12a, 12b und 12c zeigen jeweils in einem seitlichen Querschnitt und in einer Aufsicht eine bevorzugte Ausführungsform der Elektrodenanordnung einer kapazitativen Sensoreinrichtung, die für die zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung verwendbar ist.
In Laborversuchen wurde bei einer planaren, ringförmigen Kapazität gemäss dem Typ aus ein Kapazitätswert von etwa 1 pF gemessen. Bei einem Finger-Layout gemäss dem Typ in 12a wurde eine Kapazität von etwa 5 pF gemessen. Eine über der Sensorfläche aufgesetzte Informationsträgereinrichtung veränderte den Wert in beiden Fällen um etwa 100 fF. Besonders bevorzugt ist die Variante der Elektrodenanordnung in 12a. Diese hat sich hinsichtlich der Messempfindlichkeit als am besten geeignete Variante erwiesen. Die Feldlinien sind durch die Finger-Struktur relativ scharf begrenzt. Die laterale Ausdehnung des Feldes und seine räumliche Tiefe sind entsprechend gering. Durch die Fingeranordnung erhält man aber auch eine große aktive Oberfläche, die eine bestmögliche Detektion verspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4342178 C2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN ISO 8655 [0013]
Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 21. Auflage, 2005, Springer Verlag, Kapitel G, 1.5.1 [0031]

Claims

Pipettiervorrichtung (1; 20) zum Pipettieren von Laborproben in einen mit der Pipettiervorrichtung verbindbaren Pipettierbehälter (2; 2'; 140), der insbesondere gemäß Anspruch 10–12 gestaltet ist, der eine Behälterseite (11; 11'; 34) und einen ersten Verbindungsabschnitt (12; 12'; 32, 33) aufweist, durch den der Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbindbar ist, und an dieser Behälterseite eine Informationsträgereinrichtung mit mindestens einem Informationsabschnitt (14; 14'; 35; 92; 141) aufweist, der eine Information trägt, aufweisend eine Verbindungseinrichtung (12; 12'; 32, 33, 42, 43), durch die der erste Verbindungsabschnitt des Pipettierbehälters in einer Verbindungsposition mit der Pipettiervorrichtung verbindbar ist, und eine elektrische Informationsleseeinrichtung (44; 44a–i; 70a-c), mit der in der Verbindungsposition die Information lesbar ist, wobei die Informationsleseeinrichtung mindestens eine elektrische Sensoreinrichtung (46; 46a–h; 46i', 46i''; 60a–e; 73a–b) aufweist, die mindestens einen Sensorabschnitt (46b'; 46a–h; 46i', 46i''; 61a–d; 61d', 61d''; 61e', 61e''; 73b', 73b''; 73c', 73c'') und diesem gegenüberliegend mindestens einen Messraum (50; 50', 50'', 50''') aufweist, in dem der mindestens eine Informationsabschnitt des Pipettierbehälters in der Verbindungsposition zumindest teilweise anordenbar ist, wobei die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, in dem mindestens einen Messraum eine von dem mindestens einen Informationsabschnitt beeinflusste Messung durchzuführen, durch welche diese Information ermittelbar ist.
Pipettiervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Pipettiervorrichtung eine Abstandseinrichtung (38, 48) aufweist, die die Informationsträgereinrichtung in der Verbindungsposition in einem vorbestimmten Abstand von zumindest D = D_min zur Sensoreinrichtung beabstandet, wobei 0,000 mm <= D_min < 5,000 mm.
Pipettiervorrichtung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensorabschnitt eine an den Messraum angrenzende Sensorfläche (47; 67a; 67b) aufweist, die im wesentlichen planar ausgebildet ist.
Pipettiervorrichtung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Informationsleseeinrichtung eine Anzahl N > 1 von Sensoreinrichtungen aufweist, deren Sensorabschnitte eine gemeinsame, an den mindestens einen Messraum angrenzende Sensorfläche aufweisen, die im wesentlichen planar ausgebildet ist.
Pipettiervorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei über der Sensorfläche eine Abdeckeinrichtung angeordnet ist.
Pipettiervorrichtung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, die eine elektrische Steuereinrichtung aufweist, die mit der Informationsleseeinrichtung signalverbunden ist, welche eine Anzahl N > 1 von Sensoreinrichtungen aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, mittels der Informationsleseeinrichtung die Information gemäß einem Ausleseverfahren auszulesen, dass eine zeitlich sequentielle Abfrage der Sensoreinrichtungen vorsieht.
Pipettiervorrichtung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Sensoreinrichtung zur Messung von drei unterscheidbaren Messwerten ausgebildet ist, wobei ein Messwert eindeutig einem Messzustand M eines Informationsabschnitts zuordenbar ist.
Pipettiervorrichtung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Sensoreinrichtung zur Messung einer Kapazität, insbesondere der Kapazität im Messraum ausgebildet ist.
Pipettiervorrichtung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Sensoreinrichtung zur Messung einer optischen Eigenschaft des Informationsabschnitts ausgebildet ist, insbesondere eines von einem Informationsabschnitt reflektierten optischen Signals ausgebildet ist.
Pipettierbehälter (2; 2'; 140) zur Verwendung mit einer Pipettiervorrichtung (1; 20), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Pipettierbehälter eine Behälterseite (11; 11'; 34) und einen ersten Verbindungsabschnitt (12; 12'; 32, 33) aufweist, durch den der Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbindbar ist, und eine an dieser Behälterseite angeordnete Informationsträgereinrichtung aufweist, die mindestens einen Informationsabschnitt (14; 14'; 35; 92; 141) aufweist.
Pipettierbehälter gemäß Anspruch 10, wobei der mindestens eine Informationsabschnitt zur vorbestimmten Reflektion, insbesondere zur zumindest anteiligen oder im wesentlichen vollständigen Totalreflektion eines vorgegebenen optischen Signals ausgebildet ist.
Pipettierbehälter gemäß Anspruch 10, wobei der mindestens eine Informationsabschnitt zur vorbestimmten Änderung der Kapazität eines Messraums der Pipettiervorrichtung ausgebildet ist, in dem der Informationsabschnitt angeordnet wird.
Adapterelement (17), zur Verwendung mit einer Pipettiervorrichtung (1; 20), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Adapterelement mit einem Pipettierbehälter verbindbar ist und eine Seite (11) und einen ersten Verbindungsabschnitt (12) aufweist, durch den der Pipettierbehälter mit der Pipettiervorrichtung verbindbar ist, und eine an dieser Seite (11) angeordnete Informationsträgereinrichtung aufweist, die mindestens einen Informationsabschnitt (14) aufweist.
Verwendung eines Pipettierbehälters gemäß Anspruch 10 bis 12 oder eines Adapterelements gemäß Anspruch 12 zur Verbindung mit einer Pipettiervorrichtung, insbesondere gemäß Anspruch 1 bis 9.
Verfahren zur Herstellung eines Pipettierbehälters gemäß Anspruch 10 bis 12, oder eines Adapterelements gemäß Anspruch 13, aufweisend den Schritt, dass ein Kunststoff-Gussverfahren verwendet wird, um einen Pipettierbehälter oder ein Adapterelement jeweils im Wesentlichen aus Kunststoff herzustellen.