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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pipettiervorrichtung zur Aspiration und Dispensation von Dosierflüssigkeiten, umfassend:
- - wenigstens ein sich längs einer Zylinderachse erstreckendes Führungsrohr, wobei die Zylinderachse eine längs ihrer Erstreckungsrichtung verlaufende axiale Richtung, eine orthogonal hierzu verlaufende radiale Richtung und eine um sie umlaufende Umfangsrichtung definiert,
- - einen in dem Führungsrohr relativ zu diesem axial beweglich aufgenommenen Kolben,
- - eine zur zeitlich vorübergehenden oder zur dauerhaften Ankopplung einer Pipettierspitze ausgebildete Kopplungsformation, und
- - eine Antriebsvorrichtung, um den Kolben relativ zum Führungsrohr zu einer axialen Bewegung anzutreiben,
wobei das Führungsrohr ein kopplungsseitiges Längsende aufweist, welches näher bei der Kopplungsformation gelegen ist, und ein dem kopplungsseitigen Längsende entgegengesetztes wartungsseitiges Längsende aufweist, welches weiter von der Kopplungsformation entfernt gelegen ist, wobei der Kolben wenigstens einen Permanentmagneten umfasst und wobei die Antriebsvorrichtung eine das Führungsrohr wenigstens teilweise in Umfangsrichtung umgebende bestrombare Spulenanordnung aufweist.
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Eine gattungsgemäße Pipettiervorrichtung ist aus der
WO 2011/083125 A1 bekannt. Nachteilig an dieser Pipettiervorrichtung ist, dass jede Art von Dichtung, mit welcher der Pipettierkolben gegenüber seinem Führungsrohr abgedichtet ist, sehr schnell verschleißt. Dies liegt an den hohen Beschleunigungen und Verzögerungen, die mit dem Magnetkolben, also einem Pipettierkolben mit wenigstens einem Permanentmagneten, und der das Führungsrohr umgebenden Spulenanordnung erreichbar sind. Der Magnetkolben und die Spulenanordnung bilden einen Linearantrieb.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäße Pipettiervorrichtung derart weiterzubilden, dass sie dem gegenüber herkömmlichen Pipettiervorrichtungen ohne linearmotorischen Antrieb erhöhten Dichtungsverschleiß gerecht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Pipettiervorrichtung der eingangs genannten Art, bei welcher das wartungsseitige Längsende des Führungsrohrs offen oder durch einen bestimmungsgemäß lösbar angeordneten Deckel öffenbar verschlossen ist, sodass ein dem wartungsseitigen Längsende des Führungsrohrs näher gelegenes Entnahmelängsende des Kolbens durch ein äußeres Magnetfeld axial aus dem Führungsrohr hinaus bewegbar ist.
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Diese Ausgestaltung, die nur mit dem vorliegend diskutierten linearmotorischen Antrieb des Kolbens realisierbar ist, gestattet somit ein einfaches Ausfahren des Magnetkolbens längs der Zylinderachse aus dem Führungsrohr. Dabei muss der Kolben lediglich so weit aus dem Führungsrohr herausbewegt werden, dass dieser durch Hand- oder Werkzeugangriff vollständig aus dem Führungsrohr herausgezogen werden kann. Es sind daher keine aufwändigen Montagearbeiten notwendig, wie sie beim Austausch eines mit herkömmlichen mechanischen Antrieben gekoppelten Pipettierkolbens notwendig sind, etwa mit einem durch einen Spindeltrieb oder Schneckenradantrieb angetriebenen Kolben, bei welchem üblicherweise zwischen dem Kolben und dem wartungsseitigen Längsende des Führungsrohrs wenigstens eine Kolbenstange vorgesehen ist, welche den Kolben mit der Antriebsvorrichtung verbindet.
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Lediglich ein Abnehmen eines bestimmungsgemäß lösbar am wartungsseitigen Längsende des Führungsrohrs angeordneten Deckels kann erforderlich sein, falls das wartungsseitige Längsende zur Vermeidung von Schmutzeinfall mit dem Deckel bestimmungsgemäß lösbar verschlossen ist.
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Grundsätzlich kann der wenigstens einen Permanentmagneten aufweisende Magnetkolben (Pipettierkolben) mit einem ausreichend starken Magnetfeld einer beliebigen Magnetfeldquelle aus seinem Führungsrohr herausbewegt werden. Da jedoch die Antriebsvorrichtung bereits eine Spulenanordnung als Magnetfeldquelle aufweist, um den Kolben im Betrieb längs der Zylinderachse des Führungsrohrs zu verlagern, ist bevorzugt die Spulenanordnung Quelle des externen Magnetfelds zum Ausfahren des Entnahmelängsendes des Kolbens. Dadurch kann die Anzahl an Bauteilen gering gehalten werden, die zur Herstellung der Pipettiervorrichtung benötigt werden.
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Um den Kolben in möglichst kleiner axialer Ortsauflösung längs der Längsachse positionsgenau bewegen zu können, weist die Spulenanordnung vorzugsweise wenigstens drei gesonderte Spulenstränge auf, wobei jeder Spulenstrang an eine andere Phase einer mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Stromversorgung angeschlossen ist. Bevorzugt wechseln sich Wicklungen unterschiedlicher Spulenstränge längs der Zylinderachse in axialer Folge ab.
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Da in der Regel in Laboren aus rasterartig angeordneten Behältern aspiriert und in solche dispensiert wird, beispielsweise aus Mikrotiterplatten mit rasterartig darin ausgebildeten „Wells“, weist die Pipettiervorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Erhöhung ihrer Betriebseffizienz bevorzugt eine rasterartig angeordnete Mehrzahl von parallelen Führungsrohren auf, von denen in jedem ein axial beweglicher, wenigstens einen Permanentmagneten aufweisender Kolben aufgenommen ist, und deren wartungsseitige Längsenden jeweils offen oder durch einen bestimmungsgemäß lösbar angeordneten Deckel öffenbar verschlossen sind, und von denen jedes teilweise in Umfangsrichtung von einer bestrombaren Spulenanordnung als Teil der Antriebsvorrichtung umgeben ist. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass die Pipettiervorrichtung nur ein einziges Führungsrohr und damit nur einen Pipettierkanal aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zum Austausch eines linearmotorisch angetriebenen Kolbens einer Pipettiervorrichtung wie sie oben beschrieben ist, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
- - Bestromen der Spulenanordnung derart, dass ein dem wartungsseitigen Längsende des Führungsrohrs näher gelegenes Entnahmelängsende des Kolbens durch ein äußeres Magnetfeld am wartungsseitigen Längsende axial aus dem Führungsrohr hinaus bewegt wird.
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Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens sei oben auf die Erläuterungen der Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
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Falls das Führungsrohr an seinem wartungsseitigen Längsende zur Verhinderung von Schmutzeinfall durch einen bestimmungsgemäß lösbar angeordneten Deckel verschlossen sein sollte, umfasst das Verfahren bevorzugt den Schritt eines Abnehmens eines bestimmungsgemäß lösbar angeordneten Deckels vom wartungsseitigen Längsende des Führungsrohrs.
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Zum Austausch des linearmotorisch angetriebenen Kolbens weist das Verfahren bevorzugt weiter ein Herausziehen des Kolbens aus dem Führungsrohr oder/und ein Einstecken eines weiteren Kolbens in das Führungsrohr auf. Somit kann, wie oben bereits erläutert wurde, der Magnetkolben linearmotorisch wenigstens einen Abschnitt weit aus dem Führungsrohr herausbewegt werden, so dass ein das Entnahmelängsende aufweisender Endbereich des Kolbens nicht mehr durch das Führungsrohr umgeben ist und daher umgriffen werden kann. Ab diesem Zeitpunkt kann der Kolben in einfachster Weise herausgezogen, gewartet oder durch einen neuen oder bereits gewarteten Kolben ersetzt und der für den weiteren Betrieb der Pipettiervorrichtung vorgesehene Kolben kann in das Führungsrohr eingesetzt werden.
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Um die Pipettiervorrichtung nach einem Kolbentausch möglichst schnell in einen betriebsbereiten Zustand zu versetzen, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt weiterhin den Schritt des Verfahrens des Kolbens in eine Referenzposition, insbesondere in eine durch einen mechanischen Anschlag definierte Referenzposition.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es stellt dar:
- 1 eine grobschematische Längsschnittansicht durch eine Ausführungsform eines Magnetkolbens der vorliegenden Erfindung, und
- 2a-2c eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer grobschematisch dargestellten Pipettiervorrichtung mit dem im Führungsrohr beweglich aufgenommenen Magnetkolben von 1 in unterschiedlichen Relativpositionen relativ zum Führungsrohr und der das Führungsrohr umgebenden Spulenanordnung als Antriebsvorrichtung.
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1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines nachfolgend auch als „Kolbenbaugruppe“ bezeichneten Magnetkolbens der Pipettiervorrichtung der vorliegenden Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet.
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Die Kolbenbaugruppe 10 erstreckt sich längs einer Kolbenachse K und umfasst ein zur Kolbenachse K konzentrisches Hüllrohr 12, welches eine Art Außenskelett der Kolbenanordnung 10 bildet. Aus Festigkeitsgründen kann das Hüllrohr 12 aus einem nicht-magnetischen und nicht magnetisierbaren Metall gebildet sein, beispielsweise aus einem hochlegierten nicht-rostenden Stahl. Aus Gewichtserwägungen kann das Hüllrohr jedoch auch aus Kunststoff gebildet sein, aus Festigkeitsgründen insbesondere aus gefülltem, vor allem faserverstärktem Kunststoff.
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Eine Hüllrohrachse H fällt somit mit der Kolbenachse K zusammen.
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In dem Hüllrohr 12 sind bevorzugt mehrere Permanentmagnetanordnungen 14a, ... 14i ... bis 14m längs der Kolbenachse K aufeinanderfolgend angeordnet, wobei zwischen jeweils zwei unmittelbar axial aufeinanderfolgenden Permanentmagnetanordnungen 14i, 14j ein bevorzugt ferromagnetischer Trennkörper 16 angeordnet ist.
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Alle Trennkörper 16 sind vorliegend gleich ausgebildet und weisen eine wesentlich geringere axiale Länge auf als die beiderseits an sie angrenzenden Permanentmagnetanordnungen 14i, 14j.
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Die Permanentmagnetanordnungen 14a bis 14m sind derart angeordnet, dass an den zwischen zwei einander axial nächstgelegenen Permanentmagnetanordnungen 14i, 14j gleichnamige Pole aufeinander zu weisen bzw. an den zwischen diesen Permanentmagnetanordnungen gelegenen Trennkörper angrenzen. Beispielsweise kann in 1 der Nordpol der Permanentmagnetanordnung 14a an den Trennkörper 16 angrenzen. Ebenso kann der Nordpol der Permanentmagnetanordnung 14b an den zwischen den Permanentmagnetanordnungen 14a und 14b gelegenen Trennkörper 16 angrenzen. Somit sind die Permanentmagnetanordnungen 14a bis 14m längs der Kolbenachse K mit alternierender Polarisierung angeordnet, um im Bereich der Trennkörper 16 einen axial möglichst ausgeprägten Magnetfeldgradienten zu erzeugen.
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Das aus der Anordnung der Permanentmagnetanordnungen 14a bis 14m mit alternierender Polarisierung resultierende Magnetfeld dient sowohl dazu, eine möglichst effektive Ankopplung des Kolben-Magnetfelds an das Magnetfeld der das Führungsrohr 30 (siehe 2a-2c) umgebenden Spulenanordnung 32 anzukoppeln, um einen möglichst positionsgenauen, effektiven linearmotorischen Antrieb bereitzustellen, als auch dazu, eine möglichst hochauflösende Positionserfassung der Kolbenposition zu erzielen, beispielsweise durch Hall-Sensoren außerhalb des Führungsrohrs 30 längs der Kolbenachse (nicht dargestellt).
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Vorliegend ist jede Permanentmagnetanordnung 14a bis 14m durch genau einen Permanentmagneten gebildet. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, wenn dies aus fertigungstechnischen Erwägungen hilfreich sein könnte, eine Permanentmagnetanordnung mit einem Nord- und einem Südpol aus mehreren Permanentmagneten oder aus einer Kombination von Permanentmagneten und magnetisierbaren Bauteilen zu bilden.
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Die Permanentmagnetanordnungen 14a bis 14m und die zwischen diesen angeordneten Trennkörper 16 können durch einen Klebstofffilm mit der Innenwandung des Hüllrohrs 12 verklebt und somit positionsgesichert sein. Hierzu kann das Hüllrohr 12 vor dem Einführen der Permanentmagnetanordnungen und der Trennkörper 16 an seiner Innenwand mit Klebstoff bestrichen werden. Zusätzlich oder alternativ können die Permanentmagnetanordnungen und Trennkörper an ihren Mantelflächen mit Klebstoff bestrichen werden.
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Ein Klebstoffauftrag zwischen Permanentmagnetanordnungen 14a bis 14m und ihnen jeweils benachbarten Trennkörpern 16, etwa auf die sich jeweils berührenden Stirnseiten, ist zwar grundsätzlich möglich, jedoch nicht nötig, so dass die Packung aus Permanentmagnetanordnungen 14a bis 14m und dazwischen angeordneten Trennkörpern 16 axial möglichst dicht gebaut werden kann.
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Das Hüllrohr 12 ist vorliegend bevorzugt kreiszylindrisch. Die Permanentmagnetanordnungen 14a sind vorliegend bevorzugt massiv-kreiszylindrisch, ebenso wie die weichmagnetischen, vorzugsweise ferromagnetischen Trennkörper 16.
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Das Hüllrohr 12 weist einenends ein Dichtungs-Längsende 18 auf und weist ein dem Dichtungs-Längsende 18 entgegengesetztes weiteres Längsende 20 auf.
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Am Dichtungs-Längsende 18 ist bevorzugt eine Dichtungsanordnung 22 in Form eines Dichtungsbauteils vorgesehen. Am entgegengesetzten Längsende 20 kann ebenfalls ein Dichtungsbauteil 22 oder das in 1 dargestellte Zentrierbauteil 24 angeordnet sein.
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Das Dichtungsbauteil 22 weist einen Verbindungsabschnitt 26 auf, welcher axial in das Hüllrohr 12 an dessen Dichtungs-Längsende 18 einragt und ebenfalls mittels eines Klebstoffs mit der Innenwand des Hüllrohrs 12 verklebt sein kann.
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Weiter weist das Dichtungsbauteil 22 einen Dichtungsabschnitt 28 auf, welcher in axialer Richtung vom Hüllrohr 12 weg absteht. Dieser Dichtungsabschnitt 28 weist bevorzugt eine Hülsenformation 34 auf, welche beispielsweise glockenförmig sich in Richtung vom Hüllrohr 12 axial weg aufweitend ausgebildet sein kann. Ein Abschnitt der Hülsenformation 34 steht radial über das Hüllrohr 12 über, um ungestört durch das Hüllrohr 12 in Anlage an das Führungsrohr 30 gelangen zu können und somit seine Dichtungsfunktion erfüllen zu können.
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Die Dichtungsanordnung bzw. Dichtungsbauteil 22 kann eine zentrale Ausnehmung 36 aufweisen, in welche ein Werkzeug oder eine Gewindestange eingedreht werden kann, um beispielsweise das Dichtungsbauteil 22 aus dem Hüllrohr 12 herausziehen zu können oder um dieses radial gegen die Innenwand des Hüllrohrs 12 pressen zu können und damit stärker am Hüllrohr 12 verankern zu können.
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Der radial über das Hüllrohr 12 überstehende Bereich des Hülsenabschnitts 34 bildet eine um die Kolbenachse K umlaufende Dichtlippe 38.
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Auch das beispielhaft am anderen Längsende 20 des Hüllrohrs 12 gezeigte Zentrierbauteil 24 weist einen Festlegeabschnitt 40 auf, welcher analog zum Verbindungsabschnitt 26 axial in das Hüllrohr 12 vom Längsende 20 her eingeführt ist. Auch der Festlegeabschnitt 40 kann durch Klebstoff adhäsiv mit der Innenwandung des Hüllrohrs 12 verbunden sein. Das Zentrierbauteil 24 weist darüber hinaus einen Zentrierabschnitt 42 auf, welcher axial über das Hüllrohr 12 hinaus von diesem weg absteht, wobei ein Wirkabschnitt 44 des Zentrierabschnitts 42 eine radial größere Abmessung aufweist als das Hüllrohr 12 und über dieses hinaus entweder längs des gesamten Umfangs oder in Abschnitten um den Umfang herum verteilt radial vorsteht. Bevorzugt ist der radiale Überstand des Wirkabschnitts 44 geringer als der radiale Überstand des Hülsenabschnitts 34 des Zentrierbauteils 22, um unnötige Reibungswiderstände am Zentrierbauteil 24 zu vermeiden. Das Zentrierbauteil 24 dient zusammen mit dem Dichtungsbauteil 22 dazu, einen Kontakt des Hüllrohrs 12 mit dem ihn betriebsmäßig umgebenden Führungsrohr zu vermeiden.
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Auch das Zentrierbauteil 24 kann eine von seinem freien Längsende her zugängliche Ausnehmung 46 aufweisen, in welche ein Werkzeug zur erleichterten Entnahme des Zentrierbauteils 24 aus dem Hüllrohr 12 einführbar und festlegbar ist. Die Ausnehmung 46 kann entgegen der Darstellung in 1 axial bis in den Bereich des Hüllrohrs 12 hineinreichen und zur Verpressung des Zentrierbauteils 24 radial gegen die Innenwandung des Hüllrohrs 12 dienen. Das Zentrierbauteil 24 und das Dichtungsbauteil 22, welche bevorzugt einstückig gebildet sind, sind vorzugsweise aus Kunststoff gebildet, und zwar aus einem gefüllten ferroplastischen Kunststoff, wobei die Kunststoffmatrix bevorzugt Polytetrafluorethylen oder ein Polyolefin ist und darin Festkörper-Partikel aus Glimmer oder aus Graphit eingebettet sind. Dadurch wird ein besonders reibungs- und verschleißarmer Kontakt mit dem die Kolbenbaugruppe 10 betriebsmäßig umgebenden Führungsrohr 30 ermöglicht.
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In den 2a bis 2c ist die Kolbenbaugruppe 10 von 1 in unterschiedlichen Relativpositionen gezeigt.
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Durch entsprechende Bestromung der Spulenanordnung 32 kann die permanentmagnetische Kolbenbaugruppe 10 längs der im Betrieb mit der Kolbenachse K zusammenfallenden Zylinderachse Z des Führungsrohrs 30 hochgenau und schnell bewegt werden.
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Das Führungsrohr 30 weist ein einer in 2 nicht dargestellten Kopplungsformation näher gelegenes Kopplungslängsende 48 und ein diesem entgegengesetztes wartungsseitiges Längsende oder Wartungslängsende 50 auf.
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Axial schließt sich an das Kopplungslängsende 48 ein Bereich der in den 2a bis 2c nicht dargestellten Pipettiervorrichtung an, zu welcher das Führungsrohr 30 gehört, an der eine Kopplungsformation in an sich bekannter Weise zur lösbaren zeitlich vorübergehenden Ankopplung einer Pipettierspitze vorgesehen ist.
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Das wartungsseitige Längsende 50 des Führungsrohrs 30 ist im dargestellten Beispiel offen. Es kann auch durch einen bestimmungsgemäß lösbar am wartungsseitigen Längsende 50 angeordneten Deckel 52 verschlossen sein, welcher einen Endanschlag der Kolbenbaugruppe 10 zur Begrenzung von deren axialem Bewegungsweg in Richtung zum wartungsseitigen Längsende 50 hin bildet.
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Nach etwaigem entfernen des lösbaren Deckels 52 kann die Kolbenbaugruppe 10 in einfacher Weise wenigstens so weit aus dem Führungsrohr 30 axial herausbewegt werden, dass ihr vom Zentrierbauteil 24 gebildetes Entnahmelängsende 54 nicht mehr vom Führungsrohr 30 umgeben ist und somit von Hand oder durch ein Werkzeug ergriffen werden kann. Dadurch ist es möglich, die Kolbenbaugruppe 10 vollständig axial aus dem Führungsrohr 30 herauszuziehen und aus dem Führungsrohr vollständig zu entfernen.
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Eine gewartete oder eine neue Kolbenbaugruppe 10 kann dann mit dem einem das Dichtungsbauteil 22 aufweisenden Kolben-Dichtungs-Längsende 56 vorauseilend axial in das Führungsrohr 30 eingeschoben werden (s. 2c), und zwar so weit, bis ein von der Spulenanordnung 32 erzeugbares Magnetfeld so ausreichend mit dem Magnetfeld der Permanentmagnetanordnungen 14a bis 14m koppelbar ist, das die Kolbenbaugruppe 10 durch das Magnetfeld der Spulenanordnung 32 vollständig in das Führungsrohr 30 eingezogen werden kann. Der Deckel 52 kann daraufhin erforderlichenfalls erneut an dem wartungsseitigen Längsende 50 des Führungsrohrs 30 angebracht werden.
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Um die Pipettiervorrichtung nach einem Austausch der Kolbenbaugruppe 10 erneut betriebsbereit herzurichten, kann die Spulenanordnung 32 die eingezogene Kolbenbaugruppe 10 in eine beispielsweise durch mechanischen Anschlag bestimmte definierte Referenzposition fahren, wo ihre Sensorik auf die bekannte Position referenziert wird. Anschließend ist die Pipettiervorrichtung wieder mit hoher Dynamik und hoher Genauigkeit betriebsbereit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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