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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pipettiervorrichtung zur Handhabung einer flüssigen Probe sowie ein Verfahren zum Überwachen der Aspiration einer Flüssigkeit mit einer solchen Pipettiervorrichtung.
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Bei Pipettierrobotern, die eine große Anzahl von Pipettiervorrichtungen umfassen, die jeweils gleichzeitig und automatisch mit einer Flüssigkeitsprobe befüllt werden können, kommt eine nicht automatisierte, visuelle Inspektion aufgrund der Menge an zu überprüfenden Kapillaren nicht infrage. Nichtsdestotrotz erfordert die Prozesssicherheit einer exakten Pipettierung, dass unzureichend aspirierte Proben, verstopfte Kapillaren und andere Fehler möglichst schnell und automatisch erkannt werden.
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Bei Luftpolsterpipetten (engl. air displacement pipettes) sind Verfahren bekannt, die den Abstand zwischen der elektrisch leitenden Kapillarenspitze und der zu pipettierenden Flüssigkeit messen und entsprechend auswerten können, wie z. B. die kapazitive Flüssigkeitsspiegelerfassung (capacitive liquid level detection; cLLD) und die druckbasierte Flüssigkeitsspiegelerfassung (pressure liquid level detection; pLLD). Die Kombination beider Verfahren wird derzeit bei Luftpolsterpipetten verwendet. Sie ist jedoch aufwändig und damit mit hohen Kosten verbunden.
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Die kapazitive Flüssigkeitsspiegelerfassung cLLD war eine der ersten Techniken bei der Überwachung von Pipettierrobotern. Sie arbeitet nach dem Prinzip des Erfassens des kapazitiven Potentials zwischen zwei elektrisch leitenden Oberflächen, die sich nahe beieinander befinden und voneinander durch ein nicht leitendes Medium isoliert sind. Wenn eine elektrische Spannung bzw. ein Potential an die Schaltungsanordnung angelegt wird, befinden sich die elektrisch leitende Kapillarenspitze und die ebenfalls elektrisch leitende Flüssigkeit auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen, wobei die Schaltungsanordnung dabei eine bestimmte elektrische Ladung speichert.
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Für direktverdrängende Kolbenhubpipetten, auch Direktverdränger-Pipetten genannt (engl. positive displacement pipettes), bei denen ein in einer Kapillare verschiebbarer Kolben direkt mit der Flüssigkeit in Verbindung steht und damit das Luftpolster eliminiert ist, existieren bisher keine ausreichend wirksamen Vorrichtungen oder Verfahren, um die Qualität der Aspiration mit zu beurteilen. Direktverdrängende Kolbenhubpipetten haben sich jedoch zum Pipettieren von zähflüssigen Medien wie hochkonzentrierten Proteinlösungen, Ölen, Harzen, Fetten bis zu einer Viskosität von 50 000 mm2/s als sehr zweckmäßig erwiesen.
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Das Prinzip einer Messanordnung zur kapazitiven, berührenden und/oder berührungslosen Überwachung eines Füllstandes von leitfähigen Medien ist beispielsweise in der
DE 10 2011 013 559 B3 beschrieben.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pipettiervorrichtung zur Handhabung einer flüssigen Probe bereitzustellen, die einfach und damit kostengünstig aufgebaut ist sowie eine direkte Aspirationsüberwachung für direktverdrängende Kolbenhubpipetten zuverlässig ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfüllt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß bereitgestellt wird eine Pipettiervorrichtung zur Handhabung einer flüssigen Probe mit einem Kolben, der innerhalb einer Kapillare verschiebbar angeordnet ist, wobei ein unterer Bereich des Kolbens mit der Innenfläche der Kapillare fluiddicht ausgebildet ist, und wobei zumindest Teile von Kolben und Kapillare als von der Pipettiervorrichtung lösbar ausgebildet sind, wobei der Kolben als elektrisch leitfähig und die Kapillare als nicht elektrisch leitfähig ausgebildet sind und an dem Kolben ein elektrisches Referenzsignal anliegt. Mit einer derartigen Pipettiervorrichtung lässt sich die Aspiration einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit auf einfache Weise überwachen, denn die Potentialdifferenz und damit die Kapazität zwischen dem elektrisch leitfähigen Kolben und der ebenfalls elektrisch leitfähigen zu aspirierenden Flüssigkeit verändert sich je nach Position des Kolbens, je nach aspirierter Menge und je nach aktueller Konsistenz der zu aspirierenden Flüssigkeit.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Pipettiervorrichtung eine elektrische Schaltung, insbesondere eine kapazitive Messschaltung aufweist, die zur Erzeugung des Referenzsignals und/oder zur Messung eines Auswertesignals und/oder zur Auswertung des Auswertesignals geeignet ist. Mit einer derartigen elektrischen Schaltung lassen sich beispielsweise für bestimmte Flüssigkeiten Soll-Kurven für einen korrekten Verlauf der Aspiration ermitteln, die bei der Messung von Ist-Kurven als Referenz dienen und entsprechend ausgewertet werden können, um eine Aussage über die Qualität des Aspirationsvorgangs zu treffen.
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Bevorzugt weist die Pipettiervorrichtung des Weiteren eine Antriebseinrichtung zur Bewegung des Kolbens innerhalb der Kapillare, eine erste Halteeinrichtung, mittels der der Kolben befestigbar ist, und eine zweite Halteeinrichtung auf, mittels der die Kapillare befestigbar ist. Mit der Antriebseinrichtung ist die Voraussetzung für eine automatisierte, mit einstellbarer Geschwindigkeit verlaufende Aspirationsbewegung des Kolbens durch einen Pipettierroboter gewährleistet. Es ist jedoch anzumerken, dass das Prinzip der vorliegenden Erfindung auch bei einem manuellen Betätigen der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung zum Tragen kommt. Die erste bzw. zweite Halteeinrichtung schafft ebenfalls die Voraussetzung für eine automatisierte Pipettierung. Sowohl die erste als auch die zweite Halteeinrichtung sind bevorzugt so eingerichtet, dass sie beispielsweise mit mechanischen Schaltern, die anhand von Stellmotoren betrieben werden, automatisiert, d. h. ohne manuelle Steuerung, betätigt werden können.
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Mit weiterem Vorteil ist das elektrische Referenzsignal ein hochfrequentes Taktsignal. Mit einem derartigen Taktsignal lässt sich auf einfache Art und Weise die elektrische Schaltung so aufbauen, dass sie eine zügige, effektive und zuverlässige Auswertung des Auswertesignals ermöglicht.
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Zwischen der ersten und der zweiten Halteeinrichtung ist bevorzugt ein elektrisches Isolierelement angeordnet. Damit ist für eine entsprechende elektrische Isolierung der ersten und der zweiten Halteeinrichtung bzw. des Kolbens und der Kapillare und damit für die potentialmäßige Trennung der wichtigen funktionalen Bestandteile gesorgt.
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Vorteilhafterweise weist die erste bzw. die zweite Halteeinrichtung jeweils eine Spannzange, eine um die Spannzange herum angeordnete Spannhülse und ein Federelement auf, wobei ein axiales Verschieben der Spannhülse in Richtung der Kraft des Federelements in eine radiale Kraft zum Halten eines zu befestigenden Gegenstands umgesetzt wird. Eine derartige mechanische Konstruktion ist zuverlässig, einfach und robust aufgebaut und ermöglicht das "Schalten" der Halteeinrichtungen mittels einfach aufgebauter Betätigungsantriebe, die beispielsweise elektrisch, pneumatisch, hydraulisch oder mit einem Piezo- oder vergleichbaren Antrieb ausgestaltet sein können.
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Mit weiterem Vorteil ist die erste Halteeinrichtung mit einem elektrisch nicht leitenden ersten Halteelement verbunden, wobei das Halteelement von der Antriebseinrichtung bewegbar ist und eine Signalelektrode zum Einspeisen des Referenzsignals umfasst. Das erste Halteelement ist beispielsweise aus einem nicht elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial gebildet. Entsprechend ist die zweite Halteeinrichtung vorteilhafterweise an einem elektrisch nicht leitenden zweiten Halteelement angeordnet, das auf einer elektrisch leitenden, auf dem Erdpotential liegenden Grundplatte angeordnet ist, und mit einer Abschirmelektrode der elektrischen Schaltung verbunden. Diese Anordnung bietet eine gute Zugänglichkeit für die elektrischen Verbindungen und ermöglicht es, mit der elektrischen Schaltung auch andere Funktionen an der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung zu überprüfen.
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Des Weiteren erfindungsgemäß ist ein System zum Überwachen der Aspiration einer Flüssigkeit, umfassend eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Pipettiervorrichtungen, wie sie oben beschrieben wurden, eine Vorrichtung zum Verfahren der Pipettiervorrichtungen in X- und/oder Y-Richtung, eine programmierbare Steuervorrichtung, insbesondere zur Auswertung von Überwachungsvorgängen, und eine Anzeigevorrichtung, insbesondere zur Darstellung von Überwachungsvorgängen. Ein solches System kann auch als Pipettierroboter bezeichnet werden, der geeignet ist, den Pipettiervorgang jeder von ihm umfassten Pipettiervorrichtung zu überwachen.
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Weiterhin erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Überwachen der Aspiration einer Flüssigkeit, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Pipettiervorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, Bereitstellen einer Messschaltung zur Erzeugung des Referenzsignals an einer Signalelektrode, Bereitstellen einer Flüssigkeit mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, Eintauchen des Kolbens in die Flüssigkeit, Aspirieren der Flüssigkeit in der Kapillare durch Bewegen des Kolbens und Aufnehmen und Auswerten eines Auswertesignals in der Messschaltung. Das oben erwähnte Verfahren nutzt ein kapazitives Messverfahren, wobei die sich verändernde Kapazität eines Kondensators, dessen eine Elektrode aus dem Kolben und dessen andere Elektrode aus dem auf dem Erdpotential liegenden Behälter der zu aspirierenden Flüssigkeit besteht, erfasst und ausgewertet wird. Dabei wird berücksichtigt, dass sich die Kapazität des Kondensators durch das Bewegen der Elektrode, d. h. des Kolbens, verändert. In ähnlicher Weise kann als Messgröße die Menge oder die Beschaffenheit des Dielektrikums, also der zu aspirierende Flüssigkeit, verwendet werden. Je nach Qualität der Aspiration verändern sich die elektrischen Eigenschaften des Dielektrikums, woraus im Vergleich zu einer optimal verlaufenden Aspiration entsprechende Auswertungen bestimmt werden können. Dabei kann anstelle des Schrittes Eintauchen des Kolbens in die Flüssigkeit auch nur das Berühren der Flüssigkeitsoberfläche mit der Spitze des Kolbens angewendet werden, denn wie oben beschrieben lässt sich durch den Kapazitätsverlauf bei Annäherung des Kolbens an die Flüssigkeitsoberfläche auch deren Abstand ähnlich dem Verfahren bei Luftverdrängerpipetten messen.
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Das Auswertesignal weist bevorzugt bestimmte Eigenschaften auf, die charakteristisch für Aspirationsfehler sind. Darunter fallen beispielsweise folgende Aspirationsfehler, wobei die Auflistung nicht abschließend ist und die Eigenschaften nicht kumulativ bei einer Aspiration auftreten müssen: Sprünge im Verlauf des Auswertesignals, langsame, nicht lineare Änderungen im Auswertesignal, abnormales bzw. erhöhtes Rauschen im Auswertesignal und Steigung des Auswertesignals. Zur Erklärung wird auf die Darstellung von beispielhaften Signalverläufen weiter unten verwiesen.
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Mit besonderem Vorteil umfasst das erfindungsgemäße Verfahren im Falle eines Aspirationsfehlers das Bereitstellen einer entsprechenden Anzeige auf einer Anzeigevorrichtung. Dazu wird ein Ist-Verlauf mit einem Soll- oder Referenzverlauf eines Aspirationsvorgangs einer vorbestimmten Flüssigkeit mit einer vorbestimmten Geometrie von Kapillare und Kolben und einer vorbestimmten Aspirationsgeschwindigkeit automatisiert verglichen. Dabei kann für den Fall des Feststellens eines Aspirationsfehlers der Abbruch des Pipettiervorgangs ausgelöst werden, um beispielsweise die Ursache für den Aspirationsfehler möglichst schnell zu beseitigen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung zur Handhabung einer flüssigen Probe, anhand derer das Prinzip der vorliegenden Erfindung dargestellt werden soll;
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2 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung;
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3 ein Schaltbild einer elektrischen Schaltung zur Verwendung mit der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung; und
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4–7 beispielhafte Signalverläufe für überwachte Aspirationsvorgänge, die mit der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung durchgeführt wurden.
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1 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild, anhand dessen das erfinderische Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert werden soll. Die hier lediglich schematisch dargestellte Pipettiervorrichtung 1 umfasst einen Kolben 3, der innerhalb einer Kapillare 5 axial verschieblich angeordnet ist, um eine Flüssigkeit bzw. flüssige Probe 30, die sich in einem Behälter 32 befindet, zu aspirieren bzw. zu dispensieren. Der Kolben 3 der Pipettiervorrichtung 1 ist als elektrisch leitfähig ausgebildet und die Kapillare 5, in der sich der Kolben 3 bewegt, ist als nicht elektrisch leitfähig ausgebildet. Da der Behälter 32 auf dem Erdungspotential liegt, lässt sich der in 1 dargestellte Aufbau schematisch als ein Kondensator darstellen mit einer ersten Elektrode, die durch den Kolben 3 dargestellt ist, eine zweite Elektrode, die durch den auf dem Erdungspotential liegenden Behälter 32 dargestellt ist, und einem dazwischen angeordneten, die Elektroden voneinander trennenden Dielektrikum, das durch die Flüssigkeit bzw. die flüssige Probe 30 gebildet ist. Wie in der Elektrotechnik üblich, wird der Kondensator durch ein Ersatzschaltbild 34 dargestellt, das eine Kapazität C und einen Widerstand R aufweist.
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Die elektrische Schaltung weist des Weiteren einen Signalgenerator 36 auf, der ein periodisches Referenzsignal erzeugt. Die Leitung zwischen dem Signalgenerator 36 und dem Kolben 3 ist durch einen (Ersatz-)Widerstand R repräsentiert. Mittels eines A/D-Wandlers 38 ist in 1 schematisch dargestellt, dass an der elektrischen Schaltung ein Auswertesignal abgenommen wird, anhand dessen die Qualität der Aspiration der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung beurteilt wird.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung, die für den Einsatz in einem Pipettierroboter optimiert ist, so dass eine Vielzahl von matrixartig senkrecht und parallel zueinander angeordneten Pipettiervorrichtungen eine entsprechende Mehrzahl von Pipettiervorgängen gleichzeitig durchführen können. In der Pipettiervorrichtung 1 der 2 erkennt man im unteren Bereich eine Kapillare 5, in der ein Kolben 3 angeordnet ist und sich innerhalb der Kapillare 5 bewegen kann, um eine (nicht dargestellte) Flüssigkeit zu aspirieren bzw. zu dispensieren. Gehalten werden der Kolben 3 bzw. die Kapillare 5 von entsprechenden Halteeinrichtungen, die derart eingerichtet sind, dass der Kolben 3 bzw. die Kapillare 5 als auswechselbares Verbrauchsmaterial lösbar in der Pipettiervorrichtung 1 angeordnet ist. Das zugrunde liegende Funktionsprinzip einer hier verwendeten direktverdrängenden Kolbenhubpipette ist dem Fachmann bekannt und wird deshalb an dieser Stelle nicht detailliert ausgeführt.
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Der Kolben 3 wird von einer ersten Halteeinrichtung gehalten, die eine erste Spannzange 11, eine Kolbenstange 12, eine erste Spannhülse 13, eine Haltefeder 14 und ein erstes Federelement 15 umfasst. Im oberen Bereich ist die erste Halteeinrichtung an einem ersten Halteelement 9 befestigt, das in der dargestellten Ausführungsform aus einem nicht leitenden Kunststoff ausgebildet ist und mit einer (nicht dargestellten) Antriebseinrichtung verbunden ist, um die erste Halteeinrichtung mit dem Kolben 3 zu bewegen.
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Die erste Spannzange 11 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und weist im oberen Bereich, der mit dem ersten Halteelement 9 in Verbindung steht, einen Flansch auf, der als Anschlag für das erste Federelement 15 dient. Das erste Federelement 15 ist um den mittleren Bereich der ersten Spannzange 11 herum angeordnet und dient dazu, die Wechselwirkung zwischen der ersten Spannzange 11 und der ersten Spannhülse 13 zu beeinflussen. Die erste Spannhülse 13 ist um die erste Spannzange 11 herum angeordnet und weist deshalb ebenfalls eine im Wesentlichen rohrförmige Form auf. Im oberen Bereich weist die erste Spannhülse 13 einen flanschartigen Bereich auf, dessen Funktion weiter unten näher erläutert werden wird. Ebenfalls im oberen Bereich weist die erste Spannhülse eine zylinderförmige Ausnehmung auf, damit sich das erste Federelement 15 darin bis zum Boden der Ausnehmung bewegen kann. Sowohl die erste Spannzange 11 als auch die erste Spannhülse 13 sind aus elektrisch leitendem Material ausgebildet.
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In ihrem unteren Bereich weist die erste Spannzange 11 einen konisch auseinanderlaufenden Bereich auf, so dass sich dort eine Art Spannbacken ausbilden. In diesem Bereich der Spannbacken endet auf deren äußerer Oberfläche der rohrartige untere Bereich der ersten Spannhülse 13. Im Inneren der ersten Spannzange 11 ist im oberen und mittleren Bereich eine Kolbenstange 12 angeordnet, die über eine Haltefeder 14 mit dem ersten Halteelement 9 verbunden ist. Im unteren Bereich der ersten Spannzange 11 endet die Kolbenstange 12 und bildet einen Anschlag für den Kolben 3, wobei ein Zapfen 4, der das obere Ende des Kolbens 3 darstellt, an das untere Ende der Kolbenstange 12 anstößt und von den Spannbacken der ersten Spannzange 11 umschlossen und gehalten wird, sofern die erste Halteeinrichtung sich in der geschlossenen Stellung befindet.
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Außen um den mittleren und unteren Bereich der ersten Halteeinrichtung herum ist eine zweite Halteeinrichtung angeordnet, die eine zweite Spannzange 19, eine zweite Spannhülse 21, sowie ein zweites Federelement 13 umfasst. Die zweite Spannzange 19 erstreckt sich wie erwähnt außen um den mittleren und unteren Bereich der ersten Halteeinrichtung herum und ist mit einem zweiten Halteelement 17 der Pipettiervorrichtung 1 verbunden. Sowohl die zweite Spannzange 19 als auch die zweite Spannhülse 21 sind aus elektrisch leitendem Material ausgebildet. Zwischen der zweiten Spannzange 19 und der ersten Spannhülse 13 ist eine Isolierhülse 16 angeordnet, um die elektrischen Potentiale der ersten und zweiten Halteeinrichtung klar voneinander zu trennen.
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Die im Wesentlichen rohrförmig ausgebildete zweite Spannzange 19 weist in ihrem oberen Bereich auf der Außenseite einen flanschartigen Bereich auf, der als Anschlag für das zweite Federelement 23 dient, das die zweite Spannzange 19 umgibt. Das andere Ende des zweiten Federelements 23 stößt an einen Anschlag innerhalb einer zylinderförmigen Ausnehmung der zweiten Spannhülse 21 an, so dass das zweite Federelement 23 zwischen der zweiten Spannzange 19 und der zweiten Spannhülse 21 gehalten ist. Der untere Bereich der zweiten Spannzange 19 verläuft im Wesentlichen konisch anwachsend an, so dass die in diesem Bereich um die zweite Spannzange 19 herum angeordnete zweite Spannhülse 21 die äußere Oberfläche der zweiten Spannzange 19 berührt und dort für eine Spann- oder Klemmwirkung für die Kapillare 5 sorgt, wie weiter unten detailliert beschrieben ist.
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Das zweite Halteelement 17 weist auf seiner nach oben zeigenden Oberfläche eine Abschirmelektrode 27 auf, gegen die der flanschartige, obere Bereich der ersten Spannhülse 13 durch die Kraft des ersten Federelements 15 gedrückt wird. Das zweite Halteelement 17 ist in dieser bevorzugten Ausführungsform aus einem nicht elektrisch leitenden Kunststoffmaterial ausgebildet und steht auf einer Grundplatte 7 eines Gehäuses der Pipettiervorrichtung 1, wobei das Gehäuse auf einem elektrischen Erdpotential liegt.
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Im Folgenden wird die Halte- bzw. Spannfunktion der ersten und zweiten Halteeinrichtung beschrieben.
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Die Klemmmechanismen der ersten und zweiten Halteeinrichtung bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung funktionieren nach demselben Prinzip: Ein offenes Ende einer rohrförmigen Spannzange wird derart über ein Ende eines zu klemmenden bzw. zu haltenden Gegenstandes geschoben, so dass sich zwischen den beiden Elementen lediglich ein kleiner Zwischenraum ergibt. Anschließend wird eine außen um die Spannzange herum angeordnete Spannhülse axial bewegt, so dass sich eine innere Oberfläche des unteren Bereichs der Spannhülse gegen die konisch nach außen sich erweiternde äußere Oberfläche eines Endes der Spannzange bewegt und damit eine radiale Kraft auf die Spannzange ausübt, die nach innen gerichtet ist und einen innerhalb der Spannzange befindlichen Gegenstand festklemmt bzw. festspannt. Das axiale Verschieben der äußeren Spannhülse bewirkt damit durch die Interaktion mit der Spannzange eine radial wirkende Klemmkraft auf den zu klemmenden bzw. zu spannenden Gegenstand.
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Bei der hier dargestellten Ausführungsform wird der Kolben 3 von der ersten Halteeinrichtung und die Kapillare 5 von der zweiten Halteeinrichtung geklemmt. Da Kolben 3 und Kapillare 5 zusammen das Verbrauchsmaterial bei der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung 1 bilden, denn nach einem Pipettiervorgang müssen aus Hygienegründen sowohl Kolben als auch Kapillare ausgetauscht werden, klemmen die erste zweite Halteeinrichtung beim Einschieben des Kolbens 3 und der Kapillare 5 diese fest, allerdings unabhängig voneinander, denn der Kolben 3 muss beweglich innerhalb der Kapillare 5 sein.
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An dieser Stelle ist anzumerken, dass die innerhalb der ersten Halteeinrichtung angeordnete Kolbenstange 12 derart eingerichtet ist, dass sie nicht notwendigerweise von der ersten Spannzange 11 fixiert werden muss, sobald die erste Spannhülse 13 entsprechend axial verschoben wird und den Zapfen 4 des Kolbens 3 fixiert. Die Funktion der Kolbenstange ist es insbesondere, einen Anschlag für den Kolben 3 zu bilden, wenn dieser von unten eingeschoben wird. Ebenso dient die Kolbenstange 12 zum Auswerden des Kolbens 3. Damit ist es für die Funktionalität der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung unerheblich, ob das Material der Kolbenstange 12 elektrisch leitfähig ist oder nicht.
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Das elektrische Referenzsignal wird, kommend von der (in 2 nicht dargestellten) elektrischen Schaltung über eine Signalelektrode 25 eingespeist, die an dem ersten Halteelement 9 angeordnet und elektrisch leitend mit der ersten Spannzange 11 verbunden ist. Das Referenzsignal wird entsprechend über die erste Spannzange 11 von dessen oberem Bereich in den unteren Bereich geleitet und dort auf den zwischen den Backen der ersten Spannzange 11 gehaltenen Zapfen 4 des Kolbens 3 geleitet. Da der Zapfen 4 ebenso wie der gesamte Kolben 3 elektrisch leitfähig ausgebildet ist, ist auch die (in 2 nicht dargestellte) Spitze des Kolbens 3 auf demselben elektrischen Potential wie die Signalelektrode 25. Dem gegenüber ist die Kapillare 5 als elektrisch nicht leitend ausgebildet, woraus sich das in 1 dargestellte Ersatzschaltbild ergibt.
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3 zeigt ein Schaltbild einer beispielhaften elektrischen Schaltung zur Verwendung mit der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung. Die elektrische Schaltung 50 ist beispielsweise in einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung angeordnet, die den gesamten Ablauf sämtlicher in einem Pipettierroboter zu steuernden Vorgänge steuert, u. a. den Ablauf beim Aspirieren oder Dispensieren einer Flüssigkeit bzw. flüssigen Probe 30 aus einem Behälter 32 mit der erfindungsgemäßen Pipettiervorrichtung 1. Die elektrische Schaltung 50 weist eine zentrale Verarbeitungseinheit oder CPU 52 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Mikroprozessor dargestellt ist, der einen Pulswellenmodulator als Signalgenerator sowie einen D/A-Wandler und einen A/D-Wandler zur Signalverarbeitung aufweist. Des Weiteren weist die elektrische Schaltung 50 einen Impedanzkonverter 54, zwei Verstärker 60, einen Synchrongleichrichter 56, einen Tiefpassfilter 58, einen Mischer 62 sowie zwei ESD-Bauelemente 64 auf, wobei die ESD-Bauelemente 64 jeweils in den Leitungen hin zum Kolben bzw. zur Signalelektrode und zur Abschirmelektrode ausgebildet sind und die empfindlichen elektronischen Bauelemente vor elektromagnetischen Störsignalen schützen sollen.
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Das von dem Pulswellenmodulator der CPU 52 generierte hochfrequente Referenzsignal wird über die Bauelemente 54 und 64 auf den Kolben geleitet und legt damit ein elektrisches Potential an den Kondensator, bestehend aus dem Kolben 3, dem Dielektrikum 30 und der Erdungselektrode, wie im Ersatzschaltbild aus 1 dargestellt. An der Abschirmelektrode 27, in 2 auf der Oberseite des zweiten Halteelements 17 angeordnet, wird ein entsprechendes Signal abgenommen und als Auswertesignal in die CPU 52 geleitet. Dem Fachmann ist eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt, eine für die erfindungsgemäße Pipettiervorrichtung geeignete elektrische Schaltung bereitzustellen. Aus diesem Grund wird hier nur eine beispielhafte Ausführungsform erläutert und auf Einzelheiten der elektronischen Signalverarbeitung verzichtet.
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Wie oben beschrieben, verändert sich während der Aspiration von Flüssigkeit 30 mittels der Pipettiervorrichtung 1 aus dem Behälter 32 die Kapazität der Anordnung, und der zeitliche Verlauf des Auswertesignals ist ein Maß für die Veränderung der Kapazität. Dies kann entsprechend von der elektrischen Schaltung 50 ausgewertet werden, und zwar für bestimmte Aspirationsvorgänge, bei denen vorher eine entsprechende Sollkurve ermittelt wurde. Die Sollkurve steht für einen einwandfreien Aspirationsvorgang und damit einen bestimmten Signalverlauf des Auswertesignals in der elektrischen Schaltung 50. Wird nun ein tatsächlicher Ist-Verlauf bei einem Aspirationsvorgang derselben Geometrie und derselben Flüssigkeit durchgeführt, so ergibt sich eine Istkurve des Auswertesignals in der elektrischen Schaltung 50, die mit der vorher festgelegten Sollkurve verglichen werden kann. Aus dem entsprechenden Verlauf des Ist-Auswertesignals bei der Aspiration ergeben sich charakteristische Verläufe, die beispielsweise für bestimmte fehlerhafte Vorgänge während der Aspiration kennzeichnend sind oder auch für bestimmte Eigenschaften der Flüssigkeit.
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In den 4 bis 7 sind beispielhaft charakteristische Verläufe von Ist-Auswertesignalen für bestimmte Flüssigkeiten aufgezeichnet. 4 zeigt beispielsweise die Aspiration von 300 µl Leitungswasser mit einer Aspirationsgeschwindigkeit vasp von 150 µl/s. Der Kurvenverlauf ist nahezu linear abfallend, woraus sich ergibt, dass die Aspiration ordnungsgemäß abgelaufen ist. Der Kurvenverlauf zeigt keine besonderen Vorkommnisse.
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5 zeigt die sogenannte schlürfende Aspiration von 300 µl Leitungswasser mit einer Aspirationsgeschwindigkeit vasp von 150 µl/s. Deutlich erkennt man, dass nach einem etwa 70 ms dauernden Zeitraum ein starker Sprung im Signalverlauf stattfindet. Der Sprung steht für die Aspiration von Luft, d. h. es wurde eine Inhomogenität der aspirierten Flüssigkeit detektiert. Nach weiteren ca. 70 ms erkennt man einen stark abfallenden Verlauf des Signals mit unregelmäßiger Steigung, was ebenfalls auf eine Anomalität in der aspirierten Flüssigkeit hindeutet wie z.B. weitere kleine schaumartige Lufteinschlüsse.
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6 zeigt eine Aspiration von 300 µl Seifenwasser mit einer Aspirationsgeschwindigkeit vasp von 150 µl/s, wobei zunächst feiner Schaum auf der Oberfläche des Seifenwassers aspiriert wurde. Deutlich erkennt man dies am Signalverlauf in den ersten ca. 80 ms. Danach ist der Verlauf der Signalkurve nahezu linear und relativ gleichmäßig.
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7 zeigt ebenfalls eine Aspiration von 300 µl Seifenwasser mit einer Aspirationsgeschwindigkeit vasp von 150 µl/s, wobei Schaum und Seifenwasser gemischt aspiriert wurde. Auch hier ist klar sichtbar, dass der Signalverlauf auf keine reine Aspiration von Seifenwasser hindeutet, sondern auf Unregelmäßigkeiten.
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Es versteht sich, dass die beispielhaft angegebenen Signalverläufe der 4 bis 7 nur eine kleine Auswahl zeigen. Dem Fachmann steht es frei, die Erfindung entsprechend anzuwenden für verschiedenste Konfigurationen von Pipettengeometrien, Aspirationsgeschwindigkeiten und -mengen sowie Arten von Flüssigkeiten. Die Auswertung der Istkurven muss folglich mit einer gewissen Unschärfe und Toleranz durchgeführt werden, um nicht eigentlich ordnungsgemäß abgelaufene Aspirationsvorgänge als fehlerhaft zu qualifizieren und umgekehrt fehlerhafte Aspirationsvorgänge als ordnungsgemäß einzustufen.
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Mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird eine Pipettiervorrichtung zur Handhabung einer flüssigen Probe bereitgestellt, die einfach und damit kostengünstig aufgebaut ist und eine direkte Aspirationsüberwachung für direktverdrängende Kolbenhubpipetten zuverlässig ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011013559 B3 [0006]
