-
Die Erfindung betrifft Pipetten zur Aufnahme und Abgabe einer Flüssigkeit mit einem in einem Zylinder längsverschieblich geführten Kolben und einer Betätigungseinrichtung zum Antrieb des Kolbens. Die Betätigungseinrichtung über- oder untersetzt den Antrieb.
-
Bei einer Kolbenhubpipette gleitet ein Kolben in einem umliegenden Zylinder. Dabei muss die volumenbestimmende Komponente genau auf die andere Komponente abgestimmt sein, wodurch ein dichtes System entsteht. Auf dem unteren Ende des Zylinders befindet sich eine Pipettenspitze, welche ausgetauscht werden kann. Dies ermöglicht ein Arbeiten mit verschiedenen Medien, da durch ein Austauschen der Pipettenspitze eine Kontamination oder Vermischung mit anderen Substanzen vermieden werden kann. Beim Dosiervorgang wird zunächst der Kolben durch Betätigen einer Dosiertaste nach unten bewegt. Anschließend wird die Pipettenspitze in das zu dosierende Medium getaucht. Beim Entlasten der Dosiertaste wird der Kolben, meist durch eine Feder, wieder nach oben befördert. Die Luft welche sich im Röhrchen und der Pipettenspitze befindet, das sogenannte Luftpolster, muss nun einen größeren Raum ausfüllen, wodurch der Druck sinkt. Dadurch drückt der höhere Umgebungsdruck eine bestimmte Menge an Flüssigkeit in die Pipettenspitze, bis sich wieder ein Kräftegleichgewicht eingestellt hat. Möchte man das Medium z. B. in ein Näpfchen einer Mikrotiterplatte dosieren, so muss der Kolben wieder durch Betätigen der Dosiertaste nach unten gedrückt werden.
-
Die Firma BRAND GMBH + CO KG bietet für das Dosieren von Medien, schon seit Langem ein breites Produktportfolio an, welches kontinuierlich erweitert und verbessert wird. Darunter befinden sich auch die Kolbenhubpipetten der Reihe „Transferpette®“. Mit diesen Pipetten kann je nach Ausführung und Spitzengröße ein Volumen von 0,1 µl (0,0001 ml) bis 10000 µl (10 ml) dosiert werden. Außerdem gibt es die „Transferpette®“. noch als 8- und 12-Kanal Ausführung, wodurch mehrere Pipettiervorgänge auf einmal durchgeführt werden können.
-
In Laboren wird zunehmend versucht, die Abläufe und Dosieraufgaben zu automatisieren, um Personal und damit langfristig Kosten zu sparen. Trotz dieses Trends, werden für die meisten Dosieraufgaben weiterhin Menschen benötigt, da diese flexibler auf verschiedene Aufgaben reagieren können.
-
Diese Kolbenhubpipetten erzielen bei gleichmäßiger, ruckfreier Handhabung hohe Genauigkeiten. Jedoch können bei realen Dosierarbeiten diese Randbedienungen nicht immer sichergestellt werden. Durch das individuelle händische Betätigen der Dosiertaste wird bei herkömmlichen Kolbenhubpipetten die Genauigkeit der Volumendosierung beeinflusst.
-
Der Volumenfehler entsteht in der Regel beim Aufsaugen der Flüssigkeit. Wird zu schnell oder ungleichmäßig aufgesaugt, kann es zum Abreißen des Flüssigkeitsfadens kommen. Je nach Geschwindigkeit und wie gleichförmig gedrückt, bzw. der Bedienknopf entspannt wird, wird mehr oder weniger Volumen pipettiert als gewünscht.
-
In dem Patent
DE 100 49 507 B4 wurde versucht diese ungleichmäßige Bewegung zu glätten, indem die Finger-/Daumen-Bewegung in einen pneumatischen oder hydraulischen Mechanismus umgewandelt wird. Dadurch soll die Kolbengeschwindigkeit besser steuerbar sein und somit die Genauigkeit erhöht werden. Bei der Funktionsweise wird die Kraft des Bedieners zunächst über den Förderkolben in den Förderzylinder eingeleitet. In diesem Zylinder befindet sich entweder ein Gas oder ein Fluid. Durch das Betätigen des Bedienknopfes, wird das Volumen im Förderzylinder verkleinert. Dadurch entsteht ein Überdruck, welcher dazu führt, dass das verwendete Medium über ein Rückschlagdrosselventil in den unteren Dosierzylinder gedrückt wird. Dementsprechend vergrößert sich der Druck im Dosierzylinder, wodurch der Dosierkolben nach unten gedrückt wird und den daran wirkverbundenen Kolben zur Flüssigkeitsdosierung antreibt. Durch diesen Antrieb findet der eigentliche Pipettiervorgang statt, indem sich der Kolben in einem umliegenden Zylinder auf und ab bewegt und die Flüssigkeit in die Pipettenspitze einsaugt. Hierdurch wird eine Rückstellfeder gestaucht, welche den Kolben anschließend wieder nach oben drückt. Diese Funktionsweise ähnelt stark dem der Transferpette®.
-
In
DE 100 49 507 B4 weist der Förderzylinder einen größeren Querschnitt als der des Dosierzylinders auf. Dadurch entsteht ein Geschwindigkeitsunterschied, wobei sich der Dosierkolben schneller als der Förderkolben bewegt. Das Verhältnis des Förderkolbens zum Dosierkolben ist entscheidend. Der Dosierkolben kann einen größeren Hub mit einem geringeren Hub des Förderkolbens durchgeführt werden. Nachteilig an diesem Antriebssystem ist die hohe Bedienkraft des Förderkolbens. Des Weiteren hat das Übersetzungsverhältnis ebenfalls einen Einfluss auf das übertragene Kraftverhältnis.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Antriebssystem mit integrierter Übersetzung für Pipetten der eingangs genannten Art zu schaffen, die ergonomischer zu bedienen, funktional verbessert und kostengünstiger herzustellen sind.
-
Die Aufgabe wird durch eine Pipette der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Erfindungsgemäß ist ein Pipette zur Aufnahme und Abgabe einer Flüssigkeit mit einem in einem Zylinder längsverschieblich geführten Kolben und einer den Antrieb des Kolbens über- oder untersetzender Betätigungseinrichtung versehen. Die Betätigungseinrichtung weist einen Förderzylinder mit einem Förderkolben und einen mit dem Förderzylinder fluidverbundenen Dosierzylinder mit einem Dosierkolben auf, dessen Querschnittsfläche größer oder kleiner als die Querschnittsfläche des Förderkolbens ist. Der Förderkolben ist gegenüber dem Förderzylinder und der Dosierkolben gegenüber dem Dosierzylinder jeweils mit einer Dichtung abgedichtet beweglich. Die Dichtung hat einen ersten Befestigungsabschnitt zur Verbindung an dem Förder- oder Dosierkolben, einen zweiten Befestigungsabschnitt zur Verbindung an dem jeweiligen Förder- oder Dosierzylinder und einen zwischen dem ersten und zweiten Befestigungsabschnitt angeordneten flexiblen Bereich. Durch die leichte Verformbarkeit des flexiblen Bereichs sind die Antriebskräfte sehr gering und praktisch keine Reibung vorhanden. Die Antriebskräfte werden nicht wie im Stand der Technik durch Haft- und Gleitreibung ungleich. Auch tritt kein Verschleiß an Dichtungen mit einem flexiblen Bereich auf.
-
Nach bevorzugter Ausführung ist die Dichtung eine Rollmembran. Rollmembranen zeichnen sich durch minimale Reibung und geringen Verschleiß mit langer Lebensdauer aus. Der benötigte Bauraum für die Rollmembran ist um den Kolben herum angeordnet. Sie benötigen keine Wartung und keine Schmierung. Gegenüber O-Ringen oder Lippendichtungen bieten sind absolute Dichtigkeit.
In vorteilhafter Weise ist die Dichtung ein Faltenbalg. Im Unterschied zu Rollmembranen benötigen Faltenbälgen Bauraum auch in der Länge. Bedingt durch die mehrdimensionale Deformation ist der Kraftaufwand für die Bewegung nicht gleichförmig und steigt bei maximaler Stauchung und Streckung geringfügig an. Faltenbälge sind bei Druckschwankungen im Volumen konstant. Auch deren einfacher Aufbau ermöglicht eine kostengünstige Ausführung.
-
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pipette ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren und deren Beschreibung.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnung der bevorzugten Ausführung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 zeigt in Schnittansicht eine erfindungsgemäße Pipette gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in betätigtem Zustand
- 2 zeigt die Pipette von 1 in unbetätigtem Zustand
- 3 zeigt eine Detailansicht von 1
- 4 zeigt eine Detailansicht von 2
- 5 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer alternativen Betätigungseinrichtung
-
Die Pipette 1 nach den 1 und 2 besteht aus einem Verdrängerteil 2 und einer Betätigungseinrichtung 3 sowie aus einem nicht vollständig dargestellten Gehäuse 4. In dem Gehäuse ist die Betätigungseinrichtung 3 angeordnet und das Verdrängerteil 2 befestigt. Bei einer manuell betätigten Pipette ragt ein zum Antrieb der Betätigungseinrichtung 3 dienender Dosierknopf 5 aus dem Gehäuse 4 heraus. Eine mittels Aktor betätigte Betätigungseinrichtung 3 benötigt dagegen einen Hubantrieb mit Steuereinrichtung und Energieversorgung, die in bzw. an dem Gehäuse angeordnet sind.
-
Das Verdrängerteil 2 weist einen Zylinder 6 und einen im Zylinder 6 längsverschieblich geführten Kolben 7 auf. Am Verdrängerteil 2 wird in den 1 und 2 am linken Ende des Zylinders 6 eine Pipettenspitze angefügt und geht eine dichte Verbindung ein. Die Pipettenspitze ist in den 1 und 2 nicht gezeigt. Die Bewegung des Kolbens 7 im Zylinder 6 verdrängt ein eingeschlossenes Luftvolumen im Zylinder 6 und in der angefügten Pipettenspitze, wodurch Flüssigkeit in die Pipettenspitze aufgenommen und abgegeben wird. Der Kolben 7 wird durch eine Rückstellfeder 8 aus dem Zylinder 6 zur Aufnahme der Flüssigkeit bewegt.
-
Die Betätigungseinrichtung 3 weist einen Förderzylinder 9 mit einem Förderkolben 10 und einen Dosierzylinder 11 mit einem Dosierkolben 12 auf. Der Förderzylinder 9 ist mit dem Dosierzylinder 11 fluidverbunden. Eine Leitung 13 verbindet die Volumen des Förder- und Dosierzylinders 9, 11 und dient zum Überleiten für ein in den Volumen des Förder- und Dosierzylinders 9, 11 eingeschlossenes Medium. Die Querschnittsfläche des Dosierkolbens 12 ist größer oder kleiner als die Querschnittsfläche des Förderkolbens 10. Mit den unterschiedlichen Querschnittsflächen über- oder untersetzt die Betätigungseinrichtung 3 den Antrieb. Der Dosierkolben 12 ist mit einer Hubstange 14 verbunden, die den Kolben 7 in den Zylinder 6 antreibt.
-
Die Hubstange 14 weist bei einem manuell betätigten Dosierknopf 5 einen Anschlag 15 auf, der mit einem Überhubanschlag 16 zusammenwirkt. Der Überhubanschlag 16 ist gegenüber dem nicht vollständig dargestellten Gehäuse mit einer Feder 17 vorgespannt.
-
Der Förderkolben 10 ist gegenüber dem Förderzylinder 9 mit einer ersten Dichtung 18 abgedichtet beweglich. Die erste Dichtung 18 weist einen ersten Befestigungsabschnitt 19 zur Verbindung an dem Förderkolben 10, einen zweiten Befestigungsabschnitt 20 zur Verbindung an dem Förderzylinder 9 auf. An den Befestigungsabschnitten 19, 20 ist die erste Dichtung 18 fluiddicht angefügt. Die erste Dichtung 18 weist zwischen dem ersten und zweiten Befestigungsabschnitt 19, 20 angeordnet einen flexiblen Bereich 21 auf. Der flexible Bereich 21 ist elastisch verformbar und ermöglicht die Bewegung des Förderkolbens 9.
-
In der in den 1 und 2 bevorzugten Ausführung ist zwischen dem Dosierzylinder 11 und dem Dosierkolben 12 eine weitere, gleichartige zweite Dichtung 18' wie zwischen dem Förderzylinder und -kolben 9, 10 vorgesehen. Die zweite Dichtung 18' kann auch in anderer Ausführung, beispielsweise eine konventionelle Dichtung mit einem O-Ring vorgesehen sein. Alternativ ist die dargestellte erste Dichtung 18 zwischen Dosierzylinder und -kolben 11, 12 und die andere Ausführung am Förderzylinder und -kolben 9, 10 vorgesehen.
-
In 2 drängt die Rückstellfeder 8 die Hubstange 14, den Dosierkolben 12 und Förderkolben 10 in Richtung der Bewegung des Kolbens 7 bei der Aufnahme von Flüssigkeit. Der Weg wird durch eine Begrenzung in Form einer Stufe im Förderkolben 10 begrenzt. In weiteren nicht gezeigten Ausführungen ist die jeweilige Begrenzung an dem Anschlag 15 der Hubstange 14 oder dem Dosierkolben 12, jeweils zum Gehäuse 4 hin wirkend. Die Ausführung der Begrenzung, ist wie in 2 gezeigt, als Weganschlag ausgeführt.
-
Die Begrenzung ist vorzugsweise einstellbar, anzeigbar und justierbar ausgeführt. Die Ausführung der Begrenzung der „Transferpette®“ kann hier zur Anwendung kommen.
-
Beim Betätigen des Dosierknopfes 5 oder eines nicht dargestellten mittels Aktor angetriebenen Hubantriebes in Richtung „A“ wird ein Hub „B“ am Förderkolben 10 ausgeführt, wie in den 1 und 2 dargestellt. Mittels der Betätigungseinrichtung 3 wird durch das verdrängte Medium der Dosierkolben 12 dabei angetrieben. Aufgrund der unterschiedlich großen Querschnittsflächen von Förder- und Dosierkolben 10, 12 ist der Hub des Dosierkolbens 12 unter- oder übersetzt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt des Förderkolbens 10 kleiner und folglich der Hub „C“ des Dosierkolbens 12 auch kleiner.
-
Der Hub „C“ des Dosierkolbens 10 treibt die Hubstange 14 an. Bei einem manuellen Antrieb ist die Bewegung der Hubstange 14 unterteilt in den zunächst nur von der Rückstellfeder 8 entgegenwirkenden Kraft im Hub „C1“. Bei der weiteren vollständigen Bewegung des Hubes „C“ wird auch der Überhubanschlag 16 im Hub „C2“ mit der weiteren von dessen Feder 17 erzeugten Gegenkraft angetrieben.
-
In der in den 1 und 2 gezeigten bevorzugten Ausführung sind die erste und zweite Dichtung 18, 18' als eine Rollmembran ausgeführt. Eine Detailansicht der Rollmembran des Dosierzylinders und -kolbens 11, 12 von 1 ist in 3 und von 2 in 4 dargestellt. In den 3 und 4 ist der flexible Bereich 21, erste und zweite Befestigungsabschnitt 19, 20 vergrößert gezeigt. Der flexible Bereich 21 ist ringförmig um den Dosierkolben 12 angeordnet und ermöglicht dessen Bewegung wie im Vergleich der 3 und 4 gezeigt.
-
In einer weiteren, bevorzugten Ausführung ist die erste und zweite Dichtung 18, 18' ein Faltenbalg. In der 5 wird eine prinzipielle Darstellung einer ersten und zweiten Dichtung 18, 18' als Faltenbälge dargestellt. Bei dieser Variante werden die jeweiligen Zylinder 9, 11 und Kolben 10, 12 durch je einen Faltenbalg ersetzt. Die Faltenbälge 18, 18' sind mit einem Fluid gefüllt und über die Leitung 13 dicht verbunden. Am unteren Faltenbalg 18' ist die Hubstange 14 angeordnet. Durch die Betätigung in Richtung „A“ faltet sich der obere Faltenbalg 18 zusammen und das verdrängte Fluidvolumen bewirkt, dass sich der untere Faltenbalg in axialer Richtung verlängert. Durch die unterschiedlich großen Querschnitte erfolgt hier eine Übersetzung der Betätigung des Dosierknopfes 5 oder des Hubantriebes in Richtung „A“ am unteren Faltenbalg 18' und an der Hubstange 14.
-
In der Industrie werden Faltenbälge häufig verwendet, um Führungen oder Wellen vor Spänen und Verschmutzungen zu schützen. Für die Aufnahme von Fluid werden sie in der Regel nicht verwendet. Deshalb sind Standardfaltenbälge meist auf beiden Seiten geöffnet und müssten für einen Funktionsaufbau sicher verschlossen werden, was in der hier dargestellten Ausführung nach den 3 und 4 wie bei einer Rollmembran mit einem ersten und zweiten Befestigungsabschnitt 19, 20 erfolgt.
-
In einfachster Form, wie die 5 zeigt, sind die Faltenbälge 18, 18' an den gegenüber der Leitung 13 befindlichen Befestigungsabschnitten verschlossen. Der Dosierknopf 5 und die Hubstange 14 sind mechanisch mit dem jeweiligen Befestigungsabschnitt verbunden.
-
Rollmembranen und Faltenbälge sind bevorzugt aus NBR hergestellt. Insbesondere Faltenbälge können auch aus weniger flexiblem Material sein, wie thermoplastischer Kunststoff oder Stahl.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Pipette
- 2
- Verdrängerteil
- 3
- Betätigungseinrichtung
- 4
- Gehäuse
- 5
- Dosierknopf
- 6
- Zylinder
- 7
- Kolben
- 8
- Rückstellfeder
- 9
- Förderzylinder
- 10
- Förderkolben
- 11
- Dosierzylinder
- 12
- Dosierkolben
- 13
- Leitung
- 14
- Hubstange
- 15
- Anschlag
- 16
- Überhubanschlag
- 17
- Feder
- 18
- erste Dichtung
- 18'
- zweite Dichtung
- 19
- erster Befestigungsabschnitt
- 20
- zweiter Befestigungsabschnitt
- 21
- flexible Bereich der Dichtung 18 und 18'
-
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 10049507 B4 [0007, 0008]
