DE10209348A1

DE10209348A1 - Verfahren und Anordnung zum automatisierten Übertragen von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10209348A1
Application number: DE10209348A
Authority: DE
Inventors: Klaus Grohmann; Johannes Jansen
Original assignee: Grohmann Engineering GmbH
Current assignee: Tesla Automation GmbH
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2002-03-02
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit aufeinanderfolgenden, automatisierten Flüssigkeitsübertragungen, wobei jede Flüssigkeitsübertragung mindestens einen Übertragungsvorgang von einer Flüssigkeit in Mengen kleiner als ein Mikroliter mittels beweglich angeordneter Übertragungswerkzeuge umfasst. DOLLAR A Um die Verfahrensdauer bei der Übertragung von Flüssigkeiten zu verkürzen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass jedes für eine vorangehende Flüssigkeitsübertragung gebrauchte Übertragungswerkzeug durch ein ungebrauchtes Übertragungswerkzeug ersetzt wird. Durch diese Maßnahme kann der bisher notwendige, zeitraubende Reinigungsschritt der Übertragungswerkzeuge entfallen. DOLLAR A Außerdem betrifft die Erfindung eine zweckmäßige Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit aufeinanderfolgenden, automatisierten Flüssigkeitsübertragungen, wobei jede Flüssigkeitsübertragung mindestens einen Übertragungsvorgang von einer Flüssigkeit im µl-Bereich oder kleiner mittels beweglich angeordneter Übertragungswerkzeuge umfasst.
Für die Probenvorbereitung und Analyse kann es erforderlich sein, Reagenzflüssigkeiten in kleinsten Mengen, beispielsweise auf Testplatten oder zu Testgefäßen zu übertragen. Die Reagenzflüssigkeiten überträgt ein kleines Werkzeug, das von der Reagenzflüssigkeit eine definierte Flüssigkeitsmenge aufnehmen und speichern kann.
Aus dem Stand der Technik sind Pintools bekannt, die Flüssigkeitsmengen in einem Bereich von Picolitern bis in den Submikroliterbereich während eines Übertragungsvorgangs übertragen können. Die Übertragungswerkzeuge werden zur Übertragung der Reagenzflüssigkeit aus den Vorratsgefäßen zu einem Übertragungsziel, z. B. einer Testplatte oder zu Testgefäßen, von einem automatisierten Antrieb bewegt. Die Dauer eines automatisierten Übertragungsvorgangs kann unter einer Sekunde, beispielsweise 100 Millisekunden, liegen, so dass sich dieses automatisierte Übertragungsverfahren grundsätzlich für das massenhafte Übertragen von Reagenzflüssigkeiten eignet.
Zeitaufwendig ist jedoch die automatisierte Reinigung der Übertragungswerkzeuge nach Abschluss einer Flüssigkeitsübertragung. Eine Flüssigkeitsübertragung ist beispielsweise dann abgeschlossen, wenn nach einem oder normalerweise mehreren Übertragungsvorgängen die zu übertragende Flüssigkeit gewechselt wird und/oder wenn eine definierte Anzahl von Übertragungsvorgängen durchgeführt oder Übertragungsvorgänge zu ausgewählten Übertragungszielen sämtlich durchgeführt wurden.
Insbesondere bei einem Wechsel der Flüssigkeit ist die Reinigung der Übertragungswerkzeuge wichtig, um das Risiko einer Kontamination durch die zuvor übertragene Reagenzflüssigkeit während der folgenden Flüssigkeitsübertragung zu vermeiden. Der Reinigungsprozess lässt sich jedoch nicht beliebig verkürzen. Er kann z. B. etwa 10 Sekunden dauern und verlangsamt damit bei aufeinanderfolgenden Flüssigkeitsübertragungen den gesamten Übertragungsprozess erheblich. Hinzu kommt, dass möglicherweise trotz einer Reinigung eine geforderte Sterilität nicht gewährleistet ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das die Verfahrensdauer verkürzt, wenn aufeinanderfolgende Flüssigkeitsübertragungen erforderlich sind. Außerdem soll eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, den Reinigungsschritt entfallen zu lassen. Im einzelnen wird die Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass jedes für eine vorangehende Flüssigkeitsübertragung gebrauchte Übertragungswerkzeug durch ein ungebrauchtes Übertragungswerkzeug ersetzt wird.
In dem die gebrauchten Übertragungswerkzeuge ersetzt werden, kann der zeitraubende Reinigungsschritt zwischen zwei Flüssigkeitsübertragungen völlig entfallen. Hinzu kommt, dass das Risiko einer Kontamination durch vorangehende Flüssigkeitsübertragungen ausgeschlossen ist.
Wahlweise ist es möglich, jedes gebrauchte Übertragungswerkzeug beispielsweise in einen Abfallbehälter abzuwerfen oder aus der Betriebsposition herauszubringen. Dabei ist unter Betriebsposition diejenige Position des Übertragungswerkzeuges in einem Werkzeugkopf zu verstehen, in der sich das Übertragungswerkzeug befindet, um für Übertragungsvorgänge von Flüssigkeiten eingesetzt zu werden.
Um das erfindungsgemäße Verfahren wirtschaftlich durchführen zu können, kann eine Anordnung mit mehreren Übertragungswerkzeugen zum Einsatz kommen, bei der die hintereinander angeordneten Übertragungswerkzeuge ein in einem Werkzeugkopf geführtes Band bilden, das in Längsrichtung mittels eines Antriebs verschieblich angeordnet ist. Die Anordnung einer Vielzahl von Übertragungswerkzeugen zu einem Band ermöglicht es, die Übertragungswerkzeuge schnell wechselbar, beispielsweise als aufrollbares Band, insbesondere Stanzgitterband, in der Anordnung vorzuhalten. Ein aufrollbares Band ist auch für solche Übertragungswerkzeuge sinnvoll, die nicht abgeworfen, sondern lediglich durch Abrollen der ungebrauchten und Aufrollen der gebrauchten Übertragungswerkzeuge platzsparend in die Betriebsposition bzw. aus der Betriebsposition heraus gebracht werden sollen.
Wenn die Übertragungswerkzeuge gruppenweise hintereinander angeordnet sind, lassen sich die Übertragungsvorgänge während einer Flüssigkeitsübertragung parallelisieren und damit der Gesamtdurchsatz der übertragenen Flüssigkeit erhöhen. Die jeweils zu einer Gruppe zusammengefassten Übertragungswerkzeuge befinden sich insbesondere nebeneinander in paralleler Anordnung.
Sollen die gebrauchten Übertragungswerkzeuge abgeworfen werden, befinden sich zwischen den Übertragungswerkzeugen vorzugsweise Sollbruchstellen, beispielsweise in Form einer Materialschwächung des Bandes. Insbesondere wenn die Übertragungswerkzeuge gruppenweise hintereinander angeordnet sind, kann sich die Sollbruchstelle an der Werkzeugspitze befinden.
Bei einzeln hintereinander angeordneten Übertragungswerkzeugen befindet sich die für die Flüssigkeitsaufnahme entscheidende Werkzeugspitze zumeist zwischen zwei parallel verlaufenden Randstreifen. Weist das Übertragungswerkzeug einen oder mehrere derartige Randstreifen auf, befindet sich die Sollbruchstelle vorzugsweise dort. Die Werkzeugspitze ragt zumindest teilweise über jede Sollbruchstelle hinaus, ist jedoch bevor sie zum Einsatz gelangt zwischen den Randsteifen geschützt.
Um die gebrauchten Übertragungswerkzeuge von dem verbleibenden Band zu trennen, umfasst die Anordnung eine Trennvorrichtung, beispielsweise eine Schere oder einen Biegemechanismus.
In einer Ausgestaltung der Erfindung von einzeln hintereinander angeordneten Übertragungswerkzeugen ist es vorgesehen, dass zwischen jeder Werkzeugspitze und einem die Übertragungswerkzeuge verbindenden Randstreifen eine Biegelinie verläuft, so dass zumindest die Werkzeugspitze aus der Bandebene abbiegbar ist. Die Werkzeugspitzen verlaufen in dieser Ausführungsform der Erfindung nicht grundsätzlich in Achsrichtung des Bandes, sondern können auch parallel zueinander in einem definierten Winkel von beispielsweise 90° zur Längsachse des Bandes liegen. Die Biegelinie zwischen Randstreifen und Werkzeugspitze fällt zweckmäßigerweise mit dem äußeren Rand des Randstreifens zusammen. Die Abbiegung erfolgt während des Übertragungsvorgangs beispielsweise kurz vor der Aufnahme der Flüssigkeit aus dem Vorratsgefäß durch einen Führungsmechanismus, der zumindest die Werkzeugspitze beispielsweise um 90° aus der Bandebene abbiegt.
Gleichzeitige Übertragungsvorgänge von Flüssigkeiten sind auch dann möglich, wenn bei einem bandförmigen Übertragungswerkzeug nach Anspruch 11 mehrere aus der Bandebene abgebogene Werkzeugspitzen gleichzeitig zum Einsatz kommen.
Die Flüssigkeitsaufnahme durch die Übertragungswerkzeuge basiert insbesondere auf der Kapillarwirkung bzw. der Benetzungswirkung einer Oberfläche, die in Folge der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten in engen Hohlräumen fester Körper, beispielsweise in Spalten, Haarröhrchen und Poren oder auch an den Oberflächen der Übertragungswerkzeuge, auftreten. Die Oberflächen der Übertragungswerkzeuge erfordern eine bestimmte Beschaffenheit, insbesondere eine geringe Oberflächenrauheit.
Wenn die Übertragungswerkzeuge aus bandförmigen Material ausgestanzt werden, kann z. B. eine Kapillarwirkung zwischen zwei parallel dicht nebeneinander verlaufenden Stegen erzielt werden, die zusammen die Werkzeugspitze bilden.
Die Abgabe der infolge der Kapillarwirkung bzw. Benetzungswirkung aufgenommen Flüssigkeit erfolgt durch die Übertragung eines Impulses auf das Übertragungswerkzeug in Richtung des Übertragungsziels, auf das die Flüssigkeit übertragen werden soll. Der Impuls kann mit oder ohne Berührung des Übertragungsziels erzeugt werden.
Ein berührungslose Impulserzeugung ist beispielsweise mit einem elektrischen Auslösemechanismus möglich, der sich den umgekehrten Piezoeffekt zunutze macht, der darauf beruht, dass Quarzkristalle sich bei elektrischer Aufladung mechanisch deformieren. Die Deformation wird zur Ausübung des Impulses genutzt. Alternativ kann die Abgabe der Flüssigkeit durch eine mechanische Deformation der Kavität in der Werkzeugspitze berührungslos ausgelöst werden, indem der Tropfen sozusagen aus dem Übertragungswerkzeug herausgepresst wird und die Oberfläche der Testplatte benetzt. Das Übertragungswerkzeug hat hierzu einen definierten Abstand zur Testplatte einzuhalten, damit die übertragenen Volumen reproduzierbar sind.
Die bandförmigen Übertragungswerkzeuge können aus Stahlblech, Kunststoff, Keramik oder Glas sowie Kombinationen der vorgenannten Materialien bestehen. Wird das Band aus Stahlblech gefertigt, lassen sich die Übertragungswerkzeuge, insbesondere die Werkzeugspitzen und gegebenenfalls die Randstreifen aus dem Bandmaterial preiswert ausstanzen. Des weiteren lassen sich insbesondere metallische Bänder, jedoch auch Bänder aus Kunststoff zu Rollen aufwickeln, die platzsparend in die Anordnung, insbesondere einen beweglich angeordneten Werkzeugkopf, einsetzbar sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1a in einem Stanzgitterband einzeln hintereinander angeordnete Übertragungswerkzeuge,
Fig. 1b ein aufgerolltes Stanzgitterband nach Fig. 1a mit einem Werkzeugkopf,
Fig. 2 ein Mehrfachband mit gruppenweise hintereinander angeordneten Werkzeugen,
Fig. 3a einzeln hintereinander zu einem Band angeordnete Übertragungswerkzeuge mit aus der Bandebene abbiegbaren Werkzeugspitzen,
Fig. 3b die Anordnung eines Bandes nach Fig. 3a an einem Werkzeugkopf mit einem wirksamen Übertragungswerkzeug sowie
Fig. 3c die Anordnung eines Werkzeugbandes nach Fig. 3a an einem Werkzeugkopf mit mehreren wirksamen Übertragungswerkzeugen.
Fig. 1b zeigt ein in einem Werkzeugkopf 1 geführtes Band 2, das von einer Vielzahl hintereinander angeordneter Übertragungswerkzeuge 3 gebildet wird. Das Band 2 ist in Längsrichtung 4 mittels eines in dem Werkzeugkopf 1 angeordneten, nicht dargestellten Antriebs verschieblich angeordnet.
Das durch den Werkzeugkopf 1 geführte Band 2 ist zum automatisierten Übertragen von Flüssigkeiten beweglich angeordnet, beispielsweise mittels eines Roboterarms, an dem sowohl der Werkzeugkopf als auch das platzsparend auf eine Abrolleinheit 5 aufgewickelte Band befestigt ist.
Die das Band 2 bildenden Werkzeuge 3 bestehen aus zwei im Abstand parallel zueinander laufenden Randstreifen 5a, 5b, die jeweils im vorderen Drittel durch einen Steg 6 miteinander verbunden sind. Von dem Steg 6 erstreckt sich ein verjüngender Sockel 7, der in die Werkzeugspitze 8 übergeht. Zwei parallele Abschnitte 9a, 9b bilden eine Kavität 11, für die Aufnahme der zu übertragenden Flüssigkeit. Um die erwünschte Kappilarwirkung zu erzielen, ist der Abstand zwischen den Abschnitten 9a, 9b in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung der zu übertragenden Flüssigkeiten zu bestimmen und beträgt beispielsweise 0,2 mm. Auf den Oberflächen der Abschnitte 9a, 9b sind Kontaktflächen 13a, 13b angeordnet, die in Kontaktfahnen 14a, 14b im Bereich des Sockels 7 übergehen. An den Kontaktfahnen 14a, 14b kann eine Widerstands- oder Kapazitätsmesseinrichtung angeschlossen werden, die den Übergangswiderstand bzw. die Kapazität zwischen den Abschnitten 9a, 9b ermittelt. Damit lässt sich feststellen, ob die Kavität 11 mit Flüssigkeit gefüllt ist, da diese den Übergangswiderstand bzw. die Kapazität zwischen den Abschnitten 9a, 9b verändert.
In Fig. 1a sind zwischen den Übertragungswerkzeugen 3 Sollbruchstellen 12 erkennbar. Die Sollbruchstellen 12 sind so positioniert, dass die für die Flüssigkeitsaufnahme wirksame Werkzeugspitze 8, d. h. derjenige Bereich, in den sich die Kavität 11 erstreckt, vollständig über die jeweils vordere Sollbruchstelle des Übertragungswerkzeuges 3 hinausragt.
In dem Werkzeugkopf 1 befindet sich ein nicht dargestellter Schneidmechanismus, der an der materialgeschwächten Sollbruchstelle 12 ein gebrauchtes Übertragungswerkzeug abtrennt, bevor der Antrieb das Band 2 vorschiebt, so dass eine neue ungebrauchte Werkzeugspitze 8 aus dem Werkzeugkopf 1 herausragt.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bandes 15, bei dem jeweils vier zu einer Gruppe zusammengefasste Werkzeuge 16 hintereinander angeordnet sind. Die zu einer Gruppe zusammengefassten Übertragungswerkzeuge 16 sind in paralleler Ausrichtung nebeneinander angeordnet, wobei die im Band jeweils vorderen Übertragungswerkzeuge 16 zur gleichzeitigen Übertragung von Flüssigkeiten zum Einsatz gelangen. Der bei einzeln hintereinander angeordneten Übertragungswerkzeugen zweckmäßige Randstreifen 5a, 5b kann bei der gruppenweisen Anordnung entfallen, da diese aus sich heraus eine ausreichende Stabilität bietet. Die für den Abwurf einer Gruppe von Übertragungswerkzeugen 16 erforderlichen Sollbruchstellen 19 befinden sich zwischen den rückwärtigen Stegen 21 der abzuwerfenden Gruppe von Übertragungswerkzeugen sowie den Werkzeugspitzen 18 der darauffolgenden Gruppe von Übertragungswerkzeugen. Im übrigen stimmt der Aufbau der einzelnen Übertragungswerkzeuge 16 mit den Übertragungswerkzeugen 3 nach Fig. 1 überein, so dass insoweit auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird.
Fig. 3a zeigt hintereinander an einem Randstreifen 23 angeordnete Übertragungswerkzeuge 22, die allerdings nach Gebrauch nicht abgeworfen, sondern lediglich aus der Betriebsposition herausgebracht werden. In der in den Fig. 3b und 3c dargestellten Betriebspositionen befindet sich eines (Fig. 3b) oder mehrere (Fig. 3c) der Übertragungswerkzeuge 22 über einer oder mehreren Testplatten.
Bevor die Übertragungswerkzeuge 22 in die Betriebsposition 24 gebracht werden, werden sie mittels einer nicht dargestellten Biegevorrichtung, die beispielsweise im Bereich des Pfeils 25 angeordnet ist, aus der Ebene des Randstreifens 23 um 90° abgebogen, so dass das oder die Übertragungswerkzeuge 22 in der für einen Übertragungsvorgang einer Flüssigkeit erforderlichen Orientierung am Werkzeugkopf 25 und 26 zur Verfügung stehen.
Um gebrauchte Übertragungswerkzeuge 22 aus der Betriebsposition 24 zu bringen, bewegen die angetriebenen Räder 27, 28 das die Übertragungswerkzeuge 22 tragende Band 31.
Im Ausführungsbeispiel fällt die Biegelinie 32 zwischen der Werkzeugspitze 33 und den Werkzeugen 22 mit dem äußeren Rand 34 des Randstreifens 23 zusammen. Dieser Verlauf der Biegelinie ist jedoch nicht zwingend. Entscheidend ist lediglich, dass sie zwischen dem Randstreifen 23 und der Werkzeugspitze 33 verläuft. Bezugszeichenliste 1 Werkzeugkopf
2 Band
3 Übertragungswerkzeuge
4 Längsrichtung
5a, b Randstreifen
6 Steg
7 Sockel
8 Werkzeugspitze
9a, b Abschnitte
11 Kavität
12 Sollbruchstelle
13a, b Kontaktflächen
14a, b Kontaktfahnen
15 Band
16 Übertragungswerkzeuge
17 Gruppe
18 Werkzeugspitze
19 Sollbruchstelle
20 -
21 Steg
22 Übertragungswerkzeug
23 Randstreifen
24 Betriebsposition
25 Werkzeugkopf
26 Werkzeugkopf
27 Rad
28 Rad
29 Längsrichtung
30 -
31 Band
32 Biegelinie
33 Werkzeugspitze
34 Rand

Claims

1. Verfahren mit aufeinanderfolgenden, automatisierten Flüssigkeitsübertragungen, wobei jede Flüssigkeitsübertragung mindestens einen Übertragungsvorgang von einer Flüssigkeit in Mengen kleiner als ein Mikroliter mittels beweglich angeordneter Übertragungswerkzeuge umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jedes für eine vorangehende Flüssigkeitsübertragung gebrauchte Übertragungswerkzeug (3, 16, 22) durch ein ungebrauchtes Übertragungswerkzeug ersetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes gebrauchte Übertragungswerkzeug (3, 16) abgeworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes gebrauchte Übertragungswerkzeug (22) aus der Betriebsposition (24) heraus gebracht wird.

4. Anordnung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit mindestens einem beweglich angeordneten Übertragungswerkzeug für automatisierte Flüssigkeitsübertragungen, dadurch gekennzeichnet, dass hintereinander angeordnete Übertragungswerkzeuge (3, 16, 22) ein in einem Werkzeugkopf (1, 25, 26) geführtes Band bilden, das in Längsrichtung (4, 29) mittels eines Antriebs verschieblich angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungswerkzeuge (3, 22) einzeln hintereinander angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruche 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungswerkzeuge (16) gruppenweise hintereinander angeordnet sind.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den hintereinander angeordneten Übertragungswerkzeugen (3, 16) Sollbruchstellen (12, 19) befinden.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sollbruchstelle an der Werkzeugspitze (18) angeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Übertragungswerkzeug (3) seitlich mindestens einen Randstreifen (5a, 5b) aufweist und sich die Sollbruchstellen (12) zwischen den Randstreifen (5a, 5b) hintereinander angeordneter Übertragungswerkzeuge befinden.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugspitze (8) zumindest teilweise über den oder die Randstreifen (5a, 5b) jedes Übertragungswerkzeuges (3) hinausragt

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Werkzeugspitze (33) und einem Randstreifen (23) eine Biegelinie (32) verläuft, so dass zumindest die Werkzeugspitze (33) aus der Ebene des Randstreifens (23) abbiegbar ist.

12. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bänder (2, 15) parallel zueinander angeordnet sind.

13. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Trennvorrichtung für jedes Band (2, 15) umfasst.

14. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Auslösemechanismus zur Abgabe der Flüssigkeit aus jedem Übertragungswerkzeug (3, 16, 22) umfasst.

15. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an der Werkzeugspitze (8, 18) Kontaktflächen (13a, 13b) angeordnet sind.

16. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (2, 15, 31) zumindest teilweise aus Stahlblech und/oder Kunststoff und/oder Keramik und/oder Glas besteht.