DE102020117404A1

DE102020117404A1 - Verfahren zur Überwachung eines Flüssigkeitsdosiervorgangs

Info

Publication number: DE102020117404A1
Application number: DE102020117404.7A
Authority: DE
Inventors: Adrian Siemers; Saqib Sawar Satti; Stephan Hackel
Original assignee: Analytik Jena GmbH Analysenmessgeraete und Laboreinrichtungen
Current assignee: Analytik Jena Gmbh+co Kg De
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-01-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Überwachung eines Flüssigkeitsdosiervorgangs in einer zumindest teilweise mit einem Gas gefüllten Pipette (1), wobei ein zeitlicher Verlauf des Drucks (p(t)) des Gases in der Pipette (1) während des Flüssigkeitsdosiervorgangs erfasst wird. Erfindungsgemäß wird im Falle einer sprungartigen Änderung des zeitlichen Verlaufs des Drucks (p(t)), insbesondere im Falle des Vorhandenseins eines Peaks für den zeitlichen Verlauf des Drucks (p(t)), eine Diagnose über den Flüssigkeitsdosiervorgang gestellt. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, welches ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt, sowie ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere ein computerimplementiertes Verfahren, zur Überwachung eines Flüssigkeitsdosiervorgangs in einer zumindest teilweise mit einem Gas gefüllten Pipette.
Liquid Handling bezeichnet im Allgemeinen den Umgang mit Flüssigkeiten in einem Labor, beispielsweise in einem physikalischen, chemischen, biochemischen oder biologischen Labor. Zur Dosierung von Flüssigkeiten, beispielsweise im Rahmen von Misch- oder Analysevorgängen, sind in diesem Zusammenhang unterschiedliche Pipettierverfahren und entsprechende Pipettierwerkzeuge verfügbar, welche sich zur manuellen und/oder automatisierten Abarbeitung der jeweiligen Liquid Handling Prozesse (Liquid Handling Workflows) dienen.
Beim druckbasierten Pipettierverfahren wird innerhalb der Pipette ein Kolben verfahren, um jeweils Druckänderungen zu bewirken. Beim Ansaugen von Flüssigkeit - einer Aspiration - wird die Pipettenspitze zunächst in die jeweils aufzunehmende Flüssigkeit eingetaucht. Hierdurch wird ein durch die Pipettenspitze und einen Kolben der Pipette begrenztes Volumen innerhalb der Pipettenspitze von der Umgebung abgetrennt. Die Gasmenge in diesem Volumen bleibt dann zunächst im Wesentlichen konstant, abgesehen von Verdampfungs- und Kondensationsvorgängen. Durch eine Ansaug-Bewegung des Kolbens von der Pipettenspitze weg, wird das Volumen vergrößert und der Druck sinkt entsprechend. Ab einem bestimmten Wert für den Druckunterschied zwischen dem Gasdruck innerhalb des Volumens und dem Umgebungsdruck beginnt Flüssigkeit durch die Pipettenspitzen-Öffnung in das Volumen einzuströmen. Durch die einströmende Flüssigkeit wiederum ändert sich die Änderungsgeschwindigkeit des Volumens und des Gasdrucks.
Bei der Abgabe der Flüssigkeit aus der Pipettenspitze - einer Dispensation - dagegen wird das Volumen durch eine Ausschiebe-Bewegung des Kolbens auf die Pipettenspitze zu verkleinert, so dass der Druck steigt. Ab einem bestimmten Wert für den Druckunterschied zwischen dem Gasdruck innerhalb des Volumens und dem Umgebungsdruck beginnt also in diesem Fall die Flüssigkeit durch die Pipettenspitzen-Öffnung auszuströmen.
Zur Optimierung des jeweiligen Flüssigkeitsdosiervorgangs kann u.a. der Druck in der Pipette, insbesondere der Pipettenspitze, erfasst werden, um die Flüssigkeitsoberfläche zu detektieren. Auf diese Weise muss die Pipettenspitze nicht unnötig weit in die Flüssigkeit eintauchen. Eine Verschleppung von Flüssigkeit, die außen an der Pipettenspitze anhaften und das Ergebnis des Flüssigkeitsdosiervorgangs verfälschen kann, wird hierdurch deutlich reduziert. Zudem kann durch ein zu tiefes Eintauchen der Pipettenspitze zu einem Überlauf des jeweiligen die Flüssigkeit enthaltenen Gefäßes kommen.
Für viele Flüssigkeitsdosiervorgänge ist ein fehlerfreier Ablauf von großer Wichtigkeit, wie beispielsweise im pharmazeutischen oder medizinischen Bereich. Insbesondere betrifft dies die Frage, ob die jeweiligen Flüssigkeitsmengen korrekt transferiert wurden. Es ist somit wünschenswert, Flüssigkeitsdosiervorgänge bezüglich des Auftretens von Fehlern überwachen zu können. Zu diesem Zweck sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt geworden.
Eine Möglichkeit besteht darin zu überwachen, ob der Gasdruck in dem Volumen innerhalb der Pipettenspitze unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt. Neben dem Unterschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts kann auch die Änderungsgeschwindigkeit des Drucks innerhalb des Volumens, insbesondere dessen zeitlicher Verlauf, überwacht werden.
Aus der EP1295132B1 ist ein Verfahren zum Aspirieren einer Flüssigkeit mit einer Möglichkeit zur Überwachung des Vorgangs hinsichtlich unerwünschter Ereignisse bekannt geworden, bei welcher das Druckprofil vor, während und nach der Aspiration direkt im Anschluss an den Aspirationsprozess mittels dreier verschiedener Tests analysiert wird. Zur Durchführung der Tests werden Algorithmen zur Verfügung gestellt, von denen jeder ein positives Resultat ausgeben muss, damit ein weiterer Transfer der jeweiligen Proben stattfinden kann.
In der EP2217905B1 ist eine Methode beschrieben, die dazu dient zu ermitteln, ob eine ausreichende Flüssigkeitsmenge aspiriert worden ist. Dazu wird die Standardabweichung der Residuen von einer linearen Regressions-Analyse des Aspirations-Druckprofils über einen verkürzten Endabschnitt einer Druck-Kurve, welche repräsentativ für die Aspiration ist, gebildet. Wenn die Standardabweichung größer als ein kritischer Wert ist, wurde zumindest das gewünschte Flüssigkeitsvolumen aspiriert.
Im Fall der in der EP2031403A1 beschriebenen Lösung werden Interpolationspunkte anhand einer Wahrscheinlichkeitsfunktion, beispielsweise die Varianz, ermittelt, wobei die Wahrscheinlichkeitsfunktion einer Vielzahl an Tests gewonnen wird, in denen eine Familie an Druckverlaufskurven des Flüssigkeitsdosierungsvorgangs oder eines ähnlichen Flüssigkeitsdosierungsvorgangs statistisch kombiniert werden
Die EP1412759 wiederum schlägt vor, eine Zustandsgröße eines in der Pipette vorhandenen Mediums während des Dosierungsvorgangs zu erfassen und diese Information zur Beurteilung des Vorgangs heranzuziehen. Dabei wird die Zustandsgröße über den gesamten zeitlichen Verlauf mit einem Zustandsgrößen-Sollwertebereich verglichen, so dass zu beliebigen Zeitpunkten während der Dosierung auftretende abnormale Werte der wenigstens einen Zustandsgröße auffindbar sind und so der Dosierungsvorgang zuverlässig beurteilt werden kann.
Alle genannten Verfahren gehen mit vergleichsweise hohem Rechenaufwand einher. Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zur Beurteilung eines Flüssigkeitsdosiervorgangs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1, durch das Computerprogramm nach Anspruch 8 sowie durch das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Überwachung eines Flüssigkeitsdosiervorgangs in einer zumindest teilweise mit einem Gas gefüllten Pipette, wobei ein zeitlicher Verlauf des Drucks des Gases in der Pipette während des Flüssigkeitsdosiervorgangs erfasst wird. Erfindungsgemäß wird im Falle einer sprungartigen Änderung des zeitlichen Verlaufs des Drucks, insbesondere im Falle des Vorhandenseins eines Peaks für den zeitlichen Verlauf des Drucks, eine Diagnose über den Flüssigkeitsdosiervorgang gestellt.
Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Beurteilung des Flüssigkeitsdosiervorgangs in Echtzeit. Die Zeitdauer zur Beurteilung des Flüssigkeitsdosiervorgangs ist entsprechend bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Zuverlässigkeit der Diagnose vergleichsweise kurz, was sich positiv auf die benötigte Zeitdauer des Flüssigkeitsdosiervorgangs auswirkt. Es müssen ferner keine, insbesondere aufwendigen, Algorithmen implementiert werden. Es versteht sich von selbst, dass neben einer Detektion einer sprunghaften Änderung des zeitlichen Verlaufs des Drucks auch eine umfassendere Analyse der Druckverlaufskurve möglich sind und entsprechend zumindest eine weitere Aussage zur Beurteilung des Flüssigkeitsdosiervorgangs aus der Druckverlaufskurve ableitbar ist.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei der Verwendung von vergleichsweise flachen Gefäßen für die jeweilige Flüssigkeit, wie beispielsweise im Falle von Multiwellplatten. Hier kann eine ggf. zeitaufwendige Detektion der Flüssigkeitsoberfläche vor der eigentlichen Durchführung des Pipettiervorgangs vorteilhaft entfallen. Bei einem Fehler während des Pipettiervorgangs, beispielsweise wenn in einem Gefäß nicht ausreichend Flüssigkeit vorhanden ist, kann dies mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zuverlässig erkannt werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei der Diagnose um eine Aussage über die korrekte Aufnahme eines Zielvolumens einer zu dosierenden Flüssigkeit.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn im Falle des Vorhandenseins einer sprungartigen Änderung des zeitlichen Verlaufs des Drucks, insbesondere eines Peaks, eine Meldung darüber ausgegeben wird, dass das Zielvolumen nicht aufgenommen wurde.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein vorgebbares Intervall für eine Geschwindigkeit zur Durchführung des Flüssigkeitsdosierungsvorgangs gewählt. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Angabe für eine Geschwindigkeit der Kolbenbewegung und/oder eine Bewegung der Pipettenspitze. Weitere Einflussgrößen, die zur Festlegung des Intervalls für die Geschwindigkeit berücksichtigbar sind, sind beispielsweise gegeben durch die Form der Pipettenspitze und/oder eine oder mehrere physikalische und/oder chemische Eigenschaften der Flüssigkeit, beispielsweise die Viskosität.
In Zusammenhang mit der Geschwindigkeit ist es wiederum von Vorteil, wenn eine maximale Geschwindigkeit zur Durchführung des Flüssigkeitsdosierungsvorgangs ermittelt wird. Dabei handelt es sich um eine obere Grenzgeschwindigkeit, welche noch eine zuverlässige Detektion der sprunghaften Änderung der Druckverlaufskurve ermöglicht.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der zeitliche Verlauf des Drucks mit einer Bewegung eines Kolbens einer Pipette korreliert wird. Aus der Korrelation mit der Kolbenbewegung können zusätzliche Aussagen über den Flüssigkeitsdosiervorgang abgeleitet, oder verschiedene Fälle, welche einen charakteristischen Verlauf der Druckkurve hervorrufen können, voneinander unterschieden werden.
Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn überprüft wird, ob die sprungartige Änderung des zeitlichen Verlaufs des Drucks, insbesondere der Peak, auftritt, während sich der Kolben bewegt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Computerprogramm zur Überwachung eines Flüssigkeitsdosiervorgangs in einer zumindest teilweise mit einem Gas gefüllten Pipette mit computerlesbaren Programmcodeelementen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen auszuführen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm und zumindest einem computerlesbaren Medium, auf dem zumindest das Computerprogramm gespeichert ist.
Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen mutatis mutandis auch auf das erfindungsgemäße Computerprogramm und auf das Computerprogrammprodukt anwendbar sind.
Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: (a) eine exemplarische Druckverlaufskurve eines korrekt ablaufenden, druckbasierten Pipettiervorgang, für welchen für unterschiedliche Bereiche (b) die jeweiligen Bewegungsabläufe innerhalb der Pipette skizziert sind, und
2: (a) eine exemplarische Druckverlaufskurve eines nicht korrekt ablaufenden, druckbasierten Pipettiervorgang, für welchen für unterschiedliche Bereiche (b) die jeweiligen Bewegungsabläufe innerhalb der Pipette skizziert sind.

In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt exemplarisch eine Druckverlaufskurve p(t), d.h. den zeitlichen Verlauf des Drucks p des Gases 2 in der Pipette 1 während eines Flüssigkeitsdosiervorgangs in Form eines druckbasierten Pipettiervorgangs. Verschiedene Bereiche der Kurve p(t) sind mit Buchstaben gekennzeichnet und die jeweils zugrundeliegenden Bewegungsabläufe innerhalb der Pipette 1 in 1b skizziert.
Im Bereich a ist der Druck p zunächst konstant. Dies entspricht einem Eintauchen der Pipettenspitze 1 in den mit der Flüssigkeit 2 gefüllten Behälter 3. Im Bereich b beginnt eine durch den Pfeil 4 gekennzeichnete Kolbenbewegung von der Pipettenspitze 1 weg. Dies führt, wie in der Beschreibungseinleitung bereits erläutert, zu einem Absinken des Drucks p_G des Gases G in dem Volumen. Dieser Druckabfall wird häufig auch zur Detektion der Flüssigkeitsoberfläche herangezogen.
Im Bereich c erfolgt dann die Flüssigkeitsaufnahme in die Pipette 1, sobald die Differenz des Umgebungsdrucks pu und des Gasdrucks p_G des Volumens einen bestimmten Wert überschreitet. Dies ist gefolgt von einem statischen Bereich d, welcher einem Haltedruck p_H der Flüssigkeit 2 in der Pipette 1 entspricht. In diesem Bereich findet keine weitere Kolbenbewegung statt. Schließlich kommt es im Bereich e zu einer durch den Pfeil 5 gekennzeichneten Ausschiebe-Bewegung des Kolbens und damit zu einer Flüssigkeitsabgabe aus der Pipette 1.
In 2a ist nun der zeitliche Verlauf des Drucks p(t) für den Fall, dass der Flüssigkeitsdosiervorgang nicht korrekt abläuft, dargestellt. Die Bereiche a, b, d und e entsprechen den in 1 dargestellten entsprechenden Bereichen und werden hier deshalb hier nicht erneut erläutert. Ein deutlicher Unterschied zu der in 1 dargestellten Kurve ist jedoch in Bereich c sichtbar. Zur besseren Übersichtlichkeit ist dieser Bereich deshalb in zwei weitere Teilbereiche c1 und c2 unterteilt. Für diese beiden Teilbereiche sind erneut die Bewegungsabläufe des Flüssigkeitsdosiervorgangs in 2b illustriert.
Während der Ansaug-Bewegung des Kolbens 4sinkt das Flüssigkeitslevel unter das Ende 6 der Pipettenspitze 1. Dadurch wird eine neue Oberfläche gegen die Oberflächenspannung der Flüssigkeit 3 erzeugt. Die hierzu notwendige Arbeit hängt dabei direkt von der Oberflächenspannung und resultiert in einem sprungartigen Absinken des Drucks p_G in der Pipette 1. Je langsamer die Kolbenbewegung 4, umso ausgeprägter die sprungartige Änderung bzw. der Peak in der Druckverlaufskurve p(t). Durch die weitere Kolbenbewegung 4 kommt es schließlich im Bereich c2 zum Abriss des Flüssigkeitsfilms und entsprechend zu einem abrupten Anstieg des Drucks p. Dieser Peak ist somit charakteristisch für einen Flüssigkeitsdosiervorgang in Form einer Aspiration, bei welcher das Zielvolumen nicht vollständig aufgenommen wurde.
Bezugszeichenliste

1: Pipette
2: Flüssigkeit
3: Gefäß
4: Ansaug-Bewegung des Kolbens
5: Ausschiebe-Bewegung des Kolbens
6: Ende der Pipettenspitze
p: Druck
t: Zeit
p(t): Druckverlaufskurve
a-e, c1, c2: Bereiche der Druckverlaufskurve
G: Gases in der Pipette
pG: Druck des Gases
PU: Umgebungsdruck
PH: Haltedruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1295132 B1 [0008]
EP 2217905 B1 [0009]
EP 2031403 A1 [0010]
EP 1412759 [0011]

Claims

Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Überwachung eines Flüssigkeitsdosiervorgangs in einer zumindest teilweise mit einem Gas gefüllten Pipette (1), wobei ein zeitlicher Verlauf des Drucks (p(t)) des Gases in der Pipette (1) während des Flüssigkeitsdosiervorgangs erfasst wird, gekennzeichnet dadurch, dass im Falle einer sprungartigen Änderung des zeitlichen Verlaufs des Drucks (p(t)), insbesondere im Falle des Vorhandenseins eines Peaks für den zeitlichen Verlauf des Drucks (p(t)), eine Diagnose über den Flüssigkeitsdosiervorgang gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Diagnose um eine Aussage über die korrekte Aufnahme eines Zielvolumens einer zu dosierenden Flüssigkeit (2) handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei im Falle des Vorhandenseins einer sprungartigen Änderung des zeitlichen Verlaufs des (p(t)), insbesondere eines Peaks, eine Meldung darüber ausgegeben wird, dass das Zielvolumen nicht aufgenommen wurde.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 wobei ein vorgebbares Intervall für eine Geschwindigkeit zur Durchführung des Flüssigkeitsdosierungsvorgangs gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine maximale Geschwindigkeit zur Durchführung des Flüssigkeitsdosierungsvorgangs ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zeitliche Verlauf des Drucks (p(t)) mit einer Bewegung (4,5) eines Kolbens einer Pipette (1) korreliert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei überprüft wird, ob die sprungartige Änderung des zeitlichen Verlaufs des Drucks (p(t)), insbesondere der Peak, auftritt, während sich der Kolben bewegt (4,5).
Computerprogramm zur Überwachung eines Flüssigkeitsdosiervorgangs in einer zumindest teilweise mit einem Gas gefüllten Pipette (1) mit computerlesbaren Programmcodeelementen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm nach Anspruch 6 und zumindest einem computerlesbaren Medium, auf dem zumindest das Computerprogramm gespeichert ist.