DE102015202748A1

DE102015202748A1 - Einbringen einer Flüssigkeit in eine Vertiefung einer Probenaufnahmeplatte

Info

Publication number: DE102015202748A1
Application number: DE102015202748.1A
Authority: DE
Inventors: Marco Klühr; Marcel Kanter; Oliver Patrick Welzel
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2015-02-16
Filing date: 2015-02-16
Publication date: 2016-08-18
Also published as: US20160236190A1; CN105891528B; CN105891528A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit (1) in eine Vertiefung (2, 2-1, 2-2) einer Probenaufnahmeplatte (3, 3-1, 3-3) mit einer steuerbaren Dispensiervorrichtung (15) offenbart, bei welchem der Vorgang des Einbringens der Flüssigkeit (1) in das Einbringen eines ersten Flüssigkeitsvolumens (5) und das Einbringen eines zweiten Flüssigkeitsvolumens (6) unterteilt wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Dispensiervorrichtung (15) zum Einbringen einer Flüssigkeit (1) in eine Vertiefung (2, 2-1, 2-2) einer Probenaufnahmeplatte (3, 3-1, 3-2) mit einer Steuereinrichtung (18), die einen Aktor (17) derart steuert, dass aus einer Öffnung eines Dispenserkopfs (16) ein erstes Flüssigkeitsvolumen (5) und ein zweites Flüssigkeitsvolumen (6) ausgegeben werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit in eine Vertiefung einer Probenaufnahmeplatte, im Folgenden ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit auch Titerplatte genannt, mit einer steuerbaren Dispensiervorrichtung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Dispensiervorrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit in eine Vertiefung einer Probenaufnahmeplatte.
In der Biologie und der Chemie gibt es eine Vielzahl von Anwendungen, bei welchen Flüssigkeiten in die einzelnen Vertiefungen, auch Well genannt, einer Titerplatte eingebracht werden müssen. Insbesondere in automatisierten Verfahren werden dabei Titerplatten mit einer Vielzahl von Wells genutzt.
Zum Füllen der Wells können dabei manuell bedienbare Pipetten oder automatische Pipettieranlagen verwendet werden. In automatisierten Systemen ist dabei die Zeit begrenzt, welche zum Füllen der Wells zur Verfügung steht, bzw. es ist wünschenswert, die benötigte Zeit zu reduzieren.
In automatischen Pipettieranlagen können dazu z.B. mehrere Pipetten gleichzeitig genutzt werden, um in einem Arbeitsschritt mehrere der Wells gleichzeitig zu füllen.
Die Geschwindigkeit, mit welcher jedes einzelne Well befüllt werden kann, ist aber dennoch begrenzt, da es bei einer zu hohen Einfüllgeschwindigkeit zu einem Überschwappen der Flüssigkeit aus dem Well kommen kann. Dies ist beispielhaft in 8 dargestellt. In 8 ist in vier zeitlich sequenziellen Darstellungen zu erkennen, wie ein Tropfen T einer Flüssigkeit F aus einer Pipette P in ein Well W abgesondert wird. Dabei zeigt die linke, erste Darstellung, wie der Tropfen T die Pipette P verlässt. Die zweite Darstellung zeigt den Tropfen T kurz vor dem Auftreffen auf dem Boden des Wells W. In der dritten Abbildung ist zu erkennen, wie die Flüssigkeit F an den Seitenwänden des Wells emporsteigt. War die Geschwindigkeit der Flüssigkeit F beim Austritt aus der Pipette P zu groß, steigt die Flüssigkeit F, wie in der vierten, rechten Darstellung zu erkennen, über den Rand des Wells W und es kommt zu unerwünschten Verunreinigungen oder Kontaminierungen (in 8 durchgestrichen) der Umgebung des Wells.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, eine Pipettiergeschwindigkeit zum Befüllen eines Wells zu erhöhen, ohne eine Verunreinigung der Umgebung des Wells zu riskieren.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und zum anderen durch eine Dispensiervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
Erfindungsgemäß sieht das Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit in eine Vertiefung einer Probenaufnahmeplatte mit einer steuerbaren Dispensiervorrichtung das Ausstoßen eines ersten Flüssigkeitsvolumens, welches z.B. ein Tropfen sein kann, der Flüssigkeit aus der Dispensiervorrichtung in die Vertiefung mit einer ersten Geschwindigkeit und das Ausstoßen eines zweiten Flüssigkeitsvolumens der Flüssigkeit aus der Dispensiervorrichtung in die Vertiefung mit einer zweiten Geschwindigkeit vor. Dabei ist die zweite Geschwindigkeit größer, als die erste Geschwindigkeit. Die erste und die zweite Geschwindigkeit bezeichnen dabei jeweils die Geschwindigkeit der Flüssigkeit an der Ausgangsöffnung der Dispensiervorrichtung. Die Vertiefung der Probenaufnahmeplatte kann z.B. auch Well oder Reaktionskammer genannt werden. Unter einer Probenaufnahmeplatte ist jedes plattenförmige Gebilde zu verstehen, welches Vertiefungen zur Aufnahme einer Substanz oder eines Materials aufweist. Eine Probenaufnahmeplatte kann z.B. auch Reagenzienplatte, Verdünnungsplatte oder dergleichen genannt werden.
Die erfindungsgemäße Dispensiervorrichtung, worunter z.B. auch Pipettiervorrichtungen fallen, zum Einbringen einer Flüssigkeit in eine Vertiefung einer Probenaufnahmeplatte, weist einen Dispenserkopf mit einer Öffnung auf, welcher ausgebildet ist, die einzubringende Flüssigkeit aufzunehmen. Ferner ist ein Aktor vorgesehen, welcher mit dem Dispenserkopf gekoppelt ist und ausgebildet ist, die Flüssigkeit aus dem Dispenserkopf bzw. der Öffnung des Dispenserkopfs auszustoßen bzw. zu dispensieren. Dabei kann der Aktor z.B. aus einer Kolbenspritze mit einer geeigneten Antriebsmechanik oder dergleichen bestehen. Ferner kann der Aktor selbst ausgebildet sein, die Flüssigkeit, z.B. aus einem Reservoir, bereitzustellen. Alternativ kann die Flüssigkeit auch von einer separaten Einrichtung bereitgestellt werden. Unter einem Dispenserkopf ist jedes Element zu verstehen, welches genutzt werden kann, um die Flüssigkeit zu dispensieren. Beispielsweise kann der Dispenserkopf eine Pipettenspitze, eine Stahlnadel, Glaskapillare oder dergleichen aufweisen. Dabei kann der Dispenserkopf z.B. zylindrisch oder spitz zulaufend ausgebildet sein. Weitere Formen sind ebenfalls möglich.
Schließlich ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche ausgebildet ist, den Aktor derart zu steuern, dass dieser ein erstes Flüssigkeitsvolumen der Flüssigkeit aus der Öffnung in die Vertiefung mit einer ersten Geschwindigkeit ausstößt und ein zweites Flüssigkeitsvolumen der Flüssigkeit aus der Öffnung in die Vertiefung mit einer zweiten Geschwindigkeit ausstößt, welche größer ist, als die erste Geschwindigkeit.
Wird ein Flüssigkeitsvolumen der Flüssigkeit in eine leere Vertiefung eingebracht, wird die maximal nutzbare Geschwindigkeit durch die geometrischen Eigenschaften der Vertiefung und die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit begrenzt, da sonst ein Überschwappen der Flüssigkeit stattfinden würde, wie oben dargestellt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, den Vorgang des Einbringens der Flüssigkeit auf zwei Teilvorgänge aufzuteilen. Dabei wird ein erstes Flüssigkeitsvolumen der Flüssigkeit mit der ersten Geschwindigkeit in die Vertiefung eingebracht.
Dieses erste Flüssigkeitsvolumen dient daraufhin als Dämpfer für ein zweites Flüssigkeitsvolumen, das nach dem ersten Flüssigkeitsvolumen mit einer höheren Geschwindigkeit als das erste Flüssigkeitsvolumen in die Vertiefung eingebracht wird. Die Flüssigkeit, welche mit dem ersten Flüssigkeitsvolumen bereits in die Vertiefung eingebracht wurde, stellt eine gewisse Menge an potentieller Energie dar und kann einen Teil der kinetischen Energie der Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens aufnehmen und diesen abbremsen.
Folglich ist die kinetische Energie, die dieses zweite Flüssigkeitsvolumen aufweisen kann, bevor es zu einem Überschappen der Flüssigkeit aus der Vertiefung kommt, gegenüber einem nicht abgebremsten Flüssigkeitsvolumen größer. Das zweite Flüssigkeitsvolumen kann daher mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit in die Vertiefung eingebracht bzw. eingespritzt werden, ohne dass es zu einem Überschwappen der Flüssigkeit kommt.
Die Trennung eines einzelnen Einbringvorgangs in zwei Teilvorgänge führt daher zu einer Verkürzung der für den gesamten Vorgang benötigten Zeit.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden können.
Die maximal mögliche erste Geschwindigkeit hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. In einer Ausführungsform kann die erste Geschwindigkeit derart bestimmt werden, dass die durch das erste Flüssigkeitsvolumen in die Vertiefung eingebrachte Flüssigkeit bei einem Auftreffen auf eine Wandung der Vertiefung nicht aus der Vertiefung herausfließt. Dazu können z.B. Variablen, wie eine Größe des ersten Flüssigkeitsvolumens, die Menge und Form des ersten Flüssigkeitsvolumens, eine Viskosität der Flüssigkeit, eine Tiefe der Vertiefung, eine Geometrie der Vertiefung, eine Oberflächenspannung der Flüssigkeit und dergleichen berücksichtigt werden. Das gleiche gilt für die zweite Geschwindigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens, wobei für diesen der dämpfende Effekt des ersten Flüssigkeitsvolumens ebenfalls berücksichtigt werden kann.
Die maximal möglichen Geschwindigkeiten für das erste Flüssigkeitsvolumen und das zweite Flüssigkeitsvolumen können auf unterschiedliche Art und Weise bestimmt werden. Beispielsweise können die erste Geschwindigkeit und/oder die zweite Geschwindigkeit experimentell bestimmt werden. Dazu können in einer Ausführungsform für eine vorgegebene Flüssigkeit erfindungsgemäße Einbringvorgänge mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen und die Aufnahmen z.B. visuell oder automatisiert, z.B. mittels eines Bilderkennungssystems, geprüft und ausgewertet werden und die Geschwindigkeit iterativ angepasst werden, bis die maximal möglichen Geschwindigkeiten für das erste Flüssigkeitsvolumen und das zweite Flüssigkeitsvolumen erreicht sind. Dies ermöglicht eine einfache Anpassung der ersten und der zweiten Geschwindigkeit an der konkreten Dispensiervorrichtung mit der tatsächlich eingesetzten Flüssigkeit.
Alternativ können die erste Geschwindigkeit und/oder die zweite Geschwindigkeit auch rechnerisch bestimmt werden. Dazu können Gleichungen der Fluiddynamik z.B. in Kombination mit einer Strömungsanalyse nach der Finite-Elemente-Methode genutzt werden. Dies ermöglicht eine theoretische Berechnung der ersten Geschwindigkeit und der zweiten Geschwindigkeit im Voraus. Ferner kann in einer Ausführungsform eine Kombination der zwei genannten Möglichkeiten genutzt werden. So können rechnerisch bestimmte erste und zweite Geschwindigkeiten experimentell überprüft und optimiert werden.
Zur weiteren Feineinstellung des Einbringvorgangs kann das Verfahren das Abwarten einer vorgegebenen Wartezeit zwischen dem Ausstoßen des ersten Flüssigkeitsvolumens und dem Ausstoßen des zweiten Flüssigkeitsvolumens vorsehen. Dies ermöglicht es, den Einbringvorgang weiter zu optimieren und an die jeweilige Vertiefung bzw. Flüssigkeit anzupassen. Die Wartezeit bezeichnet allgemein die Zeit zwischen dem aktiven Ausstoßen des ersten Flüssigkeitsvolumens und dem aktiven Ausstoßen des zweiten Flüssigkeitsvolumens. Dabei kann die Wartezeit diejenige Zeit angeben, während der die Flüssigkeit zwischen dem Ausstoßen des ersten Flüssigkeitsvolumens und dem Ausstoßen des zweiten Flüssigkeitsvolumens aus der Dispensiervorrichtung bzw. der Öffnung mit einer Geschwindigkeit fließt, die unter 20%, insbesondere unter 10% bevorzugt unter 5%, der ersten Geschwindigkeit liegt, oder während welcher zwischen dem Ausstoßen des ersten Flüssigkeitsvolumens und dem Ausstoßen des zweiten Flüssigkeitsvolumens aus der Dispensiervorrichtung bzw. der Öffnung keine Flüssigkeit fließt.
In einer Ausführungsform kann dabei die vorgegebene Wartezeit zumindest in Abhängigkeit einer Größe des ersten Flüssigkeitsvolumens und/oder des zweiten Flüssigkeitsvolumens und/oder einer Viskosität der Flüssigkeit und/oder einer Oberflächenspannung der Flüssigkeit und/oder einer Tiefe der Vertiefung und/oder einer Geometrie der Vertiefung bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung unterteilt in einer Ausführungsform den Einbringvorgang folglich in drei Teilvorgänge, das Einbringen des ersten Flüssigkeitsvolumens, das Abwarten der vorgegebenen Wartezeit und das Einbringen des zweiten Flüssigkeitsvolumens. Dabei kann jeder einzelne dieser Teilvorgänge an die jeweiligen Bedingungen im Detail angepasst werden. Auf diese Weise kann die Gesamtdauer des Einbringvorgangs optimiert werden.
Befindet sich die Flüssigkeit des ersten Flüssigkeitsvolumens in der Vertiefung noch in Bewegung, kann es vorkommen, dass die Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens diese Bewegung verstärkt und es zu einem Überlaufen der Flüssigkeit aus der Vertiefung kommt. Daher kann in einer Ausführungsform die vorgegebene Wartezeit derart bestimmt werden, dass die durch das erste Flüssigkeitsvolumen in die Vertiefung eingebrachte Flüssigkeit in einen Ruhezustand übergeht, bevor das zweite Flüssigkeitsvolumen ausgestoßen wird. Unter einem Ruhezustand ist zu verstehen, dass auf der Oberfläche der Flüssigkeit nahezu keine Bewegung stattfindet.
Alternativ kann in einer Ausführungsform die vorgegebene Wartezeit derart bestimmt werden, dass kein Abriss der durch das erste Flüssigkeitsvolumen in die Vertiefung eingebrachten Flüssigkeit von der durch das zweite Flüssigkeitsvolumen in die Vertiefung eingebrachten Flüssigkeit auftritt. Eine solche Variante ermöglicht ein schnelles Einbringen der zwei Flüssigkeitsvolumina nacheinander bei dennoch vorhandener Dämpfung des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch das erste Flüssigkeitsvolumen.
Üblicherweise entsteht bei einem Auftreffen eines Flüssigkeitsvolumens auf eine Fläche in der Mitte des Flüssigkeitsvolumens eine Flüssigkeitsansammlung, die senkrecht von der Fläche zurückprallt. Diesen Effekt nutzt die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform, in welcher die vorgegebene Wartezeit derart bestimmt wird, dass das zweite Flüssigkeitsvolumen auf die, nach einem Auftreffen des ersten Flüssigkeitsvolumens auf eine Wandung der Vertiefung, aus der Vertiefung aufsteigende Flüssigkeit des ersten Flüssigkeitsvolumens beim Aufsteigen auftrifft. Bei dieser Ausführungsform trifft das zweite Flüssigkeitsvolumen die Flüssigkeit, welche von der Wandung der Vertiefung zurückprallt, in dem Moment, in welchem diese eine große Geschwindigkeit bzw. kinetische Energie besitzt, die der Geschwindigkeit bzw. kinetischen Energie des zweiten Flüssigkeitsvolumens entgegengerichtet ist. Dadurch wird der Dämpfungseffekt maximiert und eine höhere zweite Geschwindigkeit wird möglich. Die oben beschriebene Dämpfung kann auch bei nicht senkrecht zurückprallendem ersten Flüssigkeitsvolumen und geeignet ausgebildeter Dispensiervorrichtung genutzt werden.
In einer Ausführungsform kann die vorgegebene Wartezeit, ebenso, wie die erste Geschwindigkeit und/oder die zweite Geschwindigkeit, experimentell, insbesondere basierend auf Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die vorgegebene Wartezeit basierend auf Gleichungen der Fluiddynamik, insbesondere mittels einer Analyse nach der Finite-Elemente-Methode, berechnet werden.
Zur feineren Justierung des Ausstoßens des ersten Flüssigkeitsvolumens und des zweiten Flüssigkeitsvolumens kann neben der ersten Geschwindigkeit bzw. der zweiten Geschwindigkeit jeweils eine maximale Beschleunigung und/oder eine maximale Variation der Beschleunigung, im Englischen auch Jerk genannt, und/oder ein Glättungsfaktor vorgegeben werden. Der Jerk und der Glättungsfaktor können dabei insbesondere für Aktoren angegeben werden, die auf einem Elektromotor basieren, um z.B. die Losbrechmomente in dem Elektromotor berücksichtigen zu können.
Mögliche Werte der ersten Geschwindigkeit des ersten Flüssigkeitsvolumens können z.B. 0.5 m/s bis 1 m/s, insbesondere auch 0.3 m/s bis 0.45 m/s oder auch 0.1 m/s bis 0.15 m/s sein.
Mögliche Werte der zweiten Geschwindigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens können z.B. 0.6m/s bis 1.5m/s, insbesondere auch 0.35 m/s bis 0.6 m/s oder auch 0.2 m/s bis 0.3 m/s sein.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dispensiervorrichtung;
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verkürzung des Einbringvorgangs gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Dispensiervorrichtung und ein entsprechendes Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Einbringvorgangs;
5 eine weitere Darstellung einer erfindungsgemäßen Dispensiervorrichtung;
6 ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs des Einbringvorgangs für eine vorgegebene Vertiefungsgeometrie;
7 ein weiteres Diagramm eines zeitlichen Verlaufs des Einbringvorgangs für eine weitere vorgegebene Vertiefungsgeometrie;
8 einen bekannten Pipettiervorgang, wie oben bereits beschrieben.
1 zeigt das Ausstoßen, S1, des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 und das Ausstoßen, S2, des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6. das erste Flüssigkeitsvolumen 5 wird dabei mit einer ersten Geschwindigkeit 7 ausgestoßen, die geringer ist, als die zweite Geschwindigkeit 8, mit welcher das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 ausgestoßen wird.
Mit gestrichelten Linien dargestellt ist das Abwarten einer vorgegebenen Wartezeit 9, welches als Option in einer Ausführungsform vorgesehen sein kann.
Die erste Geschwindigkeit 7 wird erfindungsgemäßen derart gewählt, dass durch das Ausstoßen, S1, des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 die Flüssigkeit 1 in die Vertiefung 2 eingebracht wird, ohne dass diese über den Rand der Vertiefung 2 schwappt. Dabei kann die erste Geschwindigkeit 7 für unterschiedliche Geometrien der Vertiefung 2, unterschiedliche Flüssigkeiten 1, insbesondere mit unterschiedlichen Viskositäten und Oberflächenspannungen, und unterschiedliche Mengen der einzubringenden Flüssigkeit 1 angepasst werden, sodass jeweils die maximal mögliche erste Geschwindigkeit 7 genutzt wird.
Die Menge an Flüssigkeit 1, welche durch das erste Flüssigkeitsvolumen 5 in die Vertiefung 2 eingebracht wird, kann dabei derart gewählt werden, dass sich ein optimales Verhältnis aus Dämpfung des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 und maximaler erster Geschwindigkeit 7 für das erste Flüssigkeitsvolumen 5 ergibt.
Ebenso wird die zweite Geschwindigkeit 8 entsprechend eingestellt, dass diese den maximal möglichen Wert für das Einbringen des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 annimmt, ohne dass Flüssigkeit 1 über den Rand der Vertiefung 2 schwappt.
Dazu können die erste Geschwindigkeit 7 und die zweite Geschwindigkeit 8 z.B. experimentell bestimmt werden. Beispielsweise kann mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera ein Einbringvorgang aufgezeichnet und analysiert werden. Dabei kann die jeweilige Geschwindigkeit 7, 8, z.B. ausgehend von einer maximal möglichen Geschwindigkeit 7, 8 der Dispensiervorrichtung 15 nach und nach reduziert werden. Der umgekehrte Ansatz, bei welchem die Geschwindigkeit 7, 8 nach und nach erhöht wird, ist ebenfalls möglich.
Alternativ bzw. im Vorgang zu der experimentellen Bestimmung der ersten Geschwindigkeit 7 und der zweiten Geschwindigkeit 8 kann die Geometrie zumindest des Dispenserkopfs 16 (siehe 2), der Dispensiervorrichtung 15 und die Geometrie der Vertiefung 2 in einem FEM-Simulationssystem nachgebildet werden und die maximal möglichen Geschwindigkeiten 7 und 8 durch eine Strömungssimulation bestimmt werden.
Erfindungsgemäß kann der Ablauf des Einbringvorgangs unterschiedliche Ausprägungen aufweisen. Beispielsweise kann das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 dann ausgestoßen werden, wenn die Flüssigkeit 1 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 nahezu zur Ruhe gekommen ist. Dies ermöglicht ein sicheres Einbringen des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 ohne ein Überlaufen der Flüssigkeit 1 aus der Vertiefung 2.
Alternativ kann das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 so ausgestoßen werden, dass kein Abriss zwischen der Flüssigkeit 1 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 und der Flüssigkeit 1 des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 stattfindet. Diese Variante ermöglicht ein rasches Ausstoßen des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 nach dem ersten Flüssigkeitsvolumen 5, wobei eine dämpfende Wirkung des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 aufrechterhalten wird.
Da ein Teil 12 der Flüssigkeit 1 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 nach dem Auftreffen auf der Wandung der Vertiefung 2 zumindest teilweise senkrecht zur Wandfläche zurückschwappt (siehe 5), kann in einer weiteren Ausführungsform das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 exakt so ausgestoßen werden, dass dieser den Teil 12 der zurückschwappenden Flüssigkeit 1 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 in der Aufstiegsphase trifft. Dadurch wird der dämpfende Effekt der Flüssigkeit 1 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 maximiert.
Die Wahl des Zeitpunkts für das Ausstoßen des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 kann jeweils durch eine geeignete Wahl einer vorgegebenen Wartezeit 9 zwischen dem Ausbringen des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 und dem Ausbringen des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 erfolgen. Die Wartezeit 9 kann dabei, ebenso wie die erste Geschwindigkeit 7 oder die zweite Geschwindigkeit 8, experimentell oder rechnerisch bestimmt werden und gibt in einer Ausführungsform diejenige Zeit an, zu welcher die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit fließt, die unter 20%, insbesondere unter 10% vorzugsweise unter 5%, der ersten Geschwindigkeit liegt, oder während welcher aus der Dispensiervorrichtung bzw. dem Dispenserkopf keine Flüssigkeit fließt.
Zur feineren Justierung des Ausstoßens des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 und des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 kann neben der ersten Geschwindigkeit 7 bzw. der zweiten Geschwindigkeit 8 jeweils eine maximale Beschleunigung und/oder eine maximale Variation der Beschleunigung, im Englischen auch Jerk genannt, und/oder ein Glättungsfaktor vorgegeben werden.
Weitere Einflussgrößen für die Berechnung dieser Parameter können z.B. der Abstand des Dispenserkopfs 16 zu der Titerplatte, 3, 3-1, 3-2, der Durchmesser des Auslasses des Dispenserkopfs 16, die Geometrie der Vertiefungen 2, 2-1, 2-2 sowie die Flüssigkeit 1 selbst, bzw. die Viskosität und Oberflächenspannung der Flüssigkeit 1, sein. Bei einer Ausführungsform der Dispensiervorrichtung 15 mit einer Kolbenspritze und einer entsprechenden Antriebsmechanik, kann auch der Antriebsmotor, die Spindelleistung einer Antriebsspindel, die Übersetzung der Antriebsspindel oder dergleichen Einfluss auf die Auswahl der Parameter haben. Alternativ kann in der Dispensiervorrichtung 15 auch ein pneumatisches bzw. hydraulisches Antriebssystem vorgesehen sein.
2 zeigt eine Ausführungsform der Dispensiervorrichtung 15 zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Einbringvorgangs.
Die Dispensiervorrichtung 15 weist eine Steuereinrichtung 18 auf, die einen Aktor 17 ansteuert, welcher aus dem Dispenserkopf 16 bzw. der Öffnung des Dispenserkopfs 16 Flüssigkeitsvolumina 5, 6 ausstößt. Dabei steuert die Steuereinrichtung 18 den Aktor 17 derart an, dass die Flüssigkeit 1 mittels zweier nacheinander ausgestoßener Flüssigkeitsvolumina 5 und 6 in die Vertiefung 2 eingebracht wird.
Zur Veranschaulichung dieses Vorgangs zeigt 2 die Dispensiervorrichtung 15 zu sieben Zeitpunkten t1–t7, begonnen mit der ersten Darstellung links oben bis zu der letzten Darstellung rechts unten. Der Übersichtlichkeit halber sind die Steuereinrichtung 18 und der Aktor 17 lediglich in der ersten Darstellung gezeigt.
Zum ersten Zeitpunkt t1 bildet sich das erste Flüssigkeitsvolumen 5 an dem Dispenserkopf 16. Zum zweiten Zeitpunkt t2 löst sich das erste Flüssigkeitsvolumen 5 von dem Dispenserkopf 16 und fließt in die Vertiefung 2. In der dritten Darstellung zum dritten Zeitpunkt t3 ist zu erkennen, dass das erste Flüssigkeitsvolumen 5 in der Vertiefung 2 leicht zurückschwappt, während sich das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 bereits an dem Dispenserkopf 16 bildet. Zum vierten Zeitpunkt t4 fließt das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 bereits von dem Dispenserkopf 16 nach unten in Richtung der inzwischen ruhig liegenden Flüssigkeit 1 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5. Die fünfte Darstellung zeigt, wie das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 zum fünften Zeitpunkt t5 auf die Flüssigkeit 1 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 trifft und diese in eine leichte Schwingung versetzt, wodurch eine Dämpfung der Bewegung des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 erfolgt. Zum sechsten Zeitpunkt t6 hat sich das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 von dem Dispenserkopf 16 gelöst und die Flüssigkeit schwappt in der Vertiefung 2 auf und ab, ohne dabei über den Rand der Vertiefung 2 überzutreten. Zum Zeitpunkt t7 hat sich die Flüssigkeit 1 in der Vertiefung beruhigt.
In 2 ist deutlich zu erkennen, wie die Flüssigkeit 1 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 den Fall des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 dämpft. Folglich kann das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 mit einer deutlich höheren zweiten Geschwindigkeit 8 aus dem Dispenserkopf 16 ausgestoßen werden, als ohne das erste Flüssigkeitsvolumen 5.
3 zeigt ein Diagramm, in welchem die Geschwindigkeit der Flüssigkeit 1 über die Zeit dargestellt ist. Eine erste, gestrichelt dargestellte Kurve zeigt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit 1, für den Fall, dass die gesamte Flüssigkeit 1 mit lediglich einem Flüssigkeitsvolumen eingebracht wird. Dabei steigt die Geschwindigkeit von 0 m/s bei 0s in etwa linear bis 13m/s bei 0,05s an, um dann bis 0,07s auf 0 m/s abzufallen. Diese erste Kurve bildet mit der Abszissenachse in etwa ein Dreieck.
Eine zweite, gepunktet dargestellt Kurve zeigt dagegen die Geschwindigkeit der Flüssigkeit 1, wenn diese mit zwei Flüssigkeitsvolumina 5, 6 in die Vertiefung 2 eingebracht wird. Es ist zu erkennen, dass die erste Geschwindigkeit 7 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 bei 0,01s ca. 2 m/s erreicht. Ab ca. 0,02s steigt die Geschwindigkeit von 0 m/s auf die zweite Geschwindigkeit von ca. 20 m/s an um dann bis 0,06s auf 0 m/s abzufallen.
Die Beschleunigung, mit welcher die Flüssigkeit 1 des Flüssigkeitsvolumens bei der ersten Linie beschleunigt wird, wird dabei durch die Geometrie der Vertiefung 2 bzw. die Gefahr der Verunreinigung begrenzt. Dagegen wird mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung diese Beschleunigungsgrenze aufgehoben und in dem dargestellten Beispiel kann für das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 die durch die Mechanik begrenzte maximal mögliche Beschleunigung bzw. Endgeschwindigkeit genutzt werden.
Lediglich beispielhaft seien hier für eine beispielhafte Geometrie der Vertiefung 2, wie z.B. in 2 gezeigt, folgende maximalen Werte für das Ausbringen des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 genannt:
Geschwindigkeit des Kolbens der Kolbenspritze: ca. 20mm/s
Geschwindigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6: 20m/s
Beschleunigung des Kolbens der Kolbenspritze: 350mm/s²
Variation der Beschleunigung des Kolbens: 30000–100000 mm/sec
Dämpfungsfaktor: 0,006–0,01 mm/s³
Die maximale erste Geschwindigkeit 7 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 kann dabei ca. 2–3 m/s betragen, wobei auch die Beschleunigung geringer ist, als bei dem zweiten Flüssigkeitsvolumen 6.
Die Fläche, für welche die zweite Kurve einen höheren Wert aufweist als die erste Kurve, ist mit A bezeichnet. Dagegen sind die Flächen, für welche die erste Kurve über der zweiten Kurve liegt, mit B und C gekennzeichnet. Es gilt dabei das Verhältnis A = B + C. Es wird also beide Male die gleiche Menge an Flüssigkeit 1 ausgebracht.
Ferner ist in dem Diagramm zwischen dem Ausbringen des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 und dem Ausbringen des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 die Wartezeit 9 gekennzeichnet.
Deutlich zu erkennen ist, dass der erfindungsgemäße Vorgang des Einbringens der Flüssigkeit 0,01s schneller abgeschlossen ist, als der herkömmliche Vorgang. Bei einer Titerplatte 3, 3-1, 3-2 mit hunderten von Vertiefungen 2 können so bis zu mehrere Sekunden eingespart werden.
In 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 bereits ausgebracht wird, wenn das erste Flüssigkeitsvolumen 5 sich noch nicht von dem Dispenserkopf 16 gelöst hat. Es findet also kein Abriss zwischen dem ersten Flüssigkeitsvolumen 5 und dem zweiten Flüssigkeitsvolumen 6 statt. Dies ist in dem Geschwindigkeits-/Zeit-Diagramm links neben der Darstellung des Dispenserkopfs 16 darin zu erkennen, dass die Geschwindigkeit zwischen der ersten Geschwindigkeit 7 für das ersten Flüssigkeitsvolumen 5 und der zweiten Geschwindigkeit 8 für das zweiten Flüssigkeitsvolumen 6 nicht auf 0 zurückgeführt wird. Die Achsen des Diagramms der 4 sind nicht mit Maßzahlen versehen, da diese für unterschiedliche Flüssigkeiten 1 und unterschiedliche Geometrien des Dispenserkopfs 16 und der Vertiefung 2 unterschiedlich ausfallen und nur der prinzipielle Kurvenverlauf dargestellt werden soll.
5 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 exakt so aus dem Dispenserkopf 16 abgegeben wird, dass dieser auf eine zurückschwappende Flüssigkeit 12 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 auftrifft, während diese aufsteigt. Auf diese Art kann, wie oben bereits dargestellt, der Dämpfungseffekt maximiert werden, da die Flüssigkeit 12 des ersten Flüssigkeitsvolumens 5 und die Flüssigkeit 1 des zweiten Flüssigkeitsvolumens 6 in entgegengesetzten Richtungen aufeinanderprallen und sich gegenseitig abbremsen.
6 und 7 dienen der Veranschaulichung unterschiedlicher erster und zweiter Geschwindigkeiten 7, 8 und unterschiedlicher Wartezeiten 9 in Abhängigkeit der Geometrie der Vertiefungen 2-1, 2-2 auf den Titerplatten 3-1, 3-2.
Die Geometrie der Vertiefung 2-1 der 6 ist trichterförmig, bzw. im Querschnitt dreieckig. Die Geometrie der Vertiefung 2-2 der 7 dagegen ist quadratisch.
Im Vergleich der 6 zur 7 ist zu erkennen, dass das erste Flüssigkeitsvolumen 5 in 6 über einen größeren Zeitraum ausgebracht wird, als das erste Flüssigkeitsvolumen 5 der 7. Ferner wird das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 der 6 deutlich später und langsamer ausgebracht, bei ca. 0,04s mit ca. 12m/s, während das zweite Flüssigkeitsvolumen 6 der 7 bereits bei ca. 0,03s mit ca. 15m/s ausgebracht wird.
Die Trichterform der Vertiefung 2-1 der 6 begünstigt mit ihren schrägen Flächen das Zurückschwappen der Flüssigkeit 1. Daher muss die Flüssigkeit 1 langsamer in die Vertiefung 2-1 der 6 eingebracht werden, als in die Vertiefung 2-2 der 7.
In den 6 und 7 wird deutlich, dass der Einbringvorgang für unterschiedliche Vertiefungen 2, 2-1, 2-2 jeweils individuell eingestellt werden muss, um ein zurückschwappen der Flüssigkeit 1 zu vermeiden.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren und Dispensiervorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso ist nicht ausgeschlossen, dass als einzelne Einheiten dargestellte Elemente der vorliegenden Erfindung, aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
Bezugszeichenliste

1: Flüssigkeit
2, 2-1, 2-2: Vertiefung
3, 3-1, 3-2: Titerplatte
5: erster Tropfen
6: zweiter Tropfen
7: erste Geschwindigkeit
8: zweite Geschwindigkeit
9: Wartezeit
12: aufsteigende Flüssigkeit
15: Pipettiervorrichtung
16: Pipettenspitze
17: Druckerzeugungseinrichtung
18: Steuereinrichtung
t1–t7: Zeitpunkte
A, B, C: Flächen
F: Flüssigkeit
P: Pipette
T: Tropfen
W: Well

Claims

Verfahren zum Einbringen einer Flüssigkeit (1) in eine Vertiefung (2, 2-1, 2-2) einer Probenaufnahmeplatte (3, 3-1, 3-2) mit einer steuerbaren Dispensiervorrichtung (15), mit den Schritten: – Ausstoßen (S1) eines ersten Flüssigkeitsvolumens (5) der Flüssigkeit (1) aus der Dispensiervorrichtung (15) in die Vertiefung (2, 2-1, 2-2) mit einer ersten Geschwindigkeit (7); und – Ausstoßen (S2) eines zweiten Flüssigkeitsvolumens (6) der Flüssigkeit (1) aus der Dispensiervorrichtung (15) in die Vertiefung (2, 2-1, 2-2) mit einer zweiten Geschwindigkeit (8); wobei die zweite Geschwindigkeit (8) größer ist, als die erste Geschwindigkeit (7).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Geschwindigkeit (7), insbesondere in Abhängigkeit einer Größe des ersten Flüssigkeitsvolumens (5) und/oder einer Viskosität der Flüssigkeit (1) und/oder einer Tiefe der Vertiefung (2, 2-1, 2-2) und/oder einer Geometrie der Vertiefung (2, 2-1, 2-2), derart bestimmt wird, dass die durch das erste Flüssigkeitsvolumen (5) in die Vertiefung (2, 2-1, 2-2) eingebrachte Flüssigkeit (1) bei einem Auftreffen auf eine Wandung der Vertiefung (2, 2-1, 2-2) nicht aus der Vertiefung (2, 2-1, 2-2) herausfließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die zweite Geschwindigkeit(8), insbesondere in Abhängigkeit einer Größe des zweiten Flüssigkeitsvolumens (6) und/oder einer Viskosität der Flüssigkeit (1) und/oder einer Tiefe der Vertiefung (2, 2-1, 2-2) und/oder einer Geometrie der Vertiefung (2, 2-1, 2-2), derart bestimmt wird, dass die durch das zweiten Flüssigkeitsvolumen (6) und/oder das erste Flüssigkeitsvolumen (5) in die Vertiefung (2, 2-1, 2-2) eingebrachte Flüssigkeit (1) durch ein Auftreffen der durch das zweite Flüssigkeitsvolumen (6) eingebrachten Flüssigkeit (1) auf die durch das erste Flüssigkeitsvolumen (5) eingebrachte Flüssigkeit (1) nicht aus der Vertiefung (2, 2-1, 2-2) herausfließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Geschwindigkeit (7) und/oder die zweite Geschwindigkeit (8) experimentell, insbesondere basierend auf Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, bestimmt werden; und/oder wobei die erste Geschwindigkeit (7) und/oder die zweite Geschwindigkeit (8) basierend auf Gleichungen der Fluiddynamik, insbesondere mittels einer Analyse nach der Finite-Elemente-Methode, berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend Abwarten (S3) einer vorgegebenen Wartezeit (9) zwischen dem Ausstoßen des ersten Flüssigkeitsvolumens (5) und dem Ausstoßen des zweiten Flüssigkeitsvolumens (6).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die vorgegebene Wartezeit (9) zumindest in Abhängigkeit einer Größe des ersten Flüssigkeitsvolumens (5) und/oder des zweiten Flüssigkeitsvolumens (6) und/oder einer Viskosität der Flüssigkeit (1) und/oder einer Tiefe der Vertiefung (2, 2-1, 2-2) und/oder einer Geometrie der Vertiefung (2, 2-1, 2-2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei die vorgegebene Wartezeit derart bestimmt wird, dass die durch das erste Flüssigkeitsvolumen (5) in die Vertiefung (2, 2-1, 2-2) eingebrachte Flüssigkeit (1) in einen Ruhezustand übergeht, bevor das zweite Flüssigkeitsvolumen (6) ausgestoßen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei die vorgegebene Wartezeit derart bestimmt wird, dass kein Abriss der durch das erste Flüssigkeitsvolumen (5) in die Vertiefung (2, 2-1, 2-2) eingebrachten Flüssigkeit (1) von der durch das zweite Flüssigkeitsvolumen (6) in die Vertiefung (2, 2-1, 2-2) eingebrachten Flüssigkeit (1) auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei die vorgegebene Wartezeit derart bestimmt wird, dass das zweite Flüssigkeitsvolumen (6) auf die, nach einem Auftreffen des ersten Flüssigkeitsvolumens (5) auf eine Wandung der Vertiefung (2, 2-1, 2-2), aus der Vertiefung (2, 2-1, 2-2) aufsteigende Flüssigkeit (12) des ersten Flüssigkeitsvolumens (5) beim Aufsteigen auftrifft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die vorgegebene Wartezeit (9) experimentell, insbesondere basierend auf Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, bestimmt wird; und/oder wobei die vorgegebene Wartezeit (9) basierend auf Gleichungen der Fluiddynamik, insbesondere mittels einer Analyse nach der Finite-Elemente-Methode, berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei für das Ausstoßen des ersten Flüssigkeitsvolumens (5) und/oder des zweiten Flüssigkeitsvolumens (6) ferner eine maximale Beschleunigung und/oder eine maximale Variation der Beschleunigung und/oder ein Glättungsfaktor vorgegeben wird.
Dispensiervorrichtung (15) zum Einbringen einer Flüssigkeit (1) in eine Vertiefung (2, 2-1, 2-2) einer Probenaufnahmeplatte (3, 3-1, 3-2), mit: – einem Dispenserkopf (16) mit einer Öffnung, welcher ausgebildet ist, die einzubringende Flüssigkeit (1) aufzunehmen; – einem Aktor (17), welcher mit dem Dispenserkopf (16) gekoppelt ist und ausgebildet ist, die Flüssigkeit (1) aus der Öffnung des Dispenserkopfs (16) auszustoßen; und – einer Steuereinrichtung (18), welche ausgebildet ist, den Aktor (17) derart zu steuern, dass dieser ein erstes Flüssigkeitsvolumen (5) der Flüssigkeit (1) aus der Öffnung des Dispenserkopfs (16) in die Vertiefung (2, 2-1, 2-2) mit einer ersten Geschwindigkeit (7) ausstößt und ein zweites Flüssigkeitsvolumen (6) der Flüssigkeit (1) aus der Öffnung des Dispenserkopfs (16) in die Vertiefung (2, 2-1, 2-2) mit einer zweiten Geschwindigkeit (8), welche größer ist, als die erste Geschwindigkeit (7), ausstößt.
Dispensiervorrichtung (15) nach Anspruch 12, wobei die Steuereinrichtung (18) ausgebildet ist, die erste Geschwindigkeit (7) und/oder die zweite Geschwindigkeit (8) und/oder eine Wartezeit (9) zwischen dem Ausstoßen des ersten Flüssigkeitsvolumens (5) und dem Ausstoßen des zweiten Flüssigkeitsvolumens (6), insbesondere in Abhängigkeit einer vorgegebenen Größe des ersten Flüssigkeitsvolumens (5) und/oder des zweiten Flüssigkeitsvolumens (6) und/oder einer Viskosität der Flüssigkeit (1) und/oder einer Tiefe der Vertiefung (2, 2-1, 2-2) und/oder einer Geometrie der Vertiefung(2, 2-1, 2-2), derart vorzugeben, dass durch das Einbringen der Flüssigkeit (1) keine Flüssigkeit (1) aus der Vertiefung (2, 2-1, 2-2) herausfließt.
Dispensiervorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 12 und 13, wobei die Steuereinrichtung (18) ausgebildet ist, neben der ersten Geschwindigkeit (7) und/oder der zweiten Geschwindigkeit (8) und/oder der Wartezeit (9) eine maximale Beschleunigung und/oder eine maximale Variation der Beschleunigung und/oder einen Glättungsfaktor vorzugeben.