DE19923222A1

DE19923222A1 - Verfahren und Vorrichtung zum genauen Positionieren einer Pipette in einer Analyseeinrichtung

Info

Publication number: DE19923222A1
Application number: DE1999123222
Authority: DE
Inventors: Jakob Tittel; Christof Rosner
Original assignee: Biotul AG I K
Current assignee: JANDRATEK GMBH, 96346 WALLENFELS, DE
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2000-12-07
Anticipated expiration: 2019-05-21
Also published as: DE19923222C2

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum genauen Positionieren mindestens einer Pipette in einer Analyseeinrichtung bereit, bei der die exakte Position der Pipette (2) in X- und Z-Richtung bezüglich der Probengefäße (1) der Analyseeinrichtung bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum genauen Positionieren einer Pipette in einer Analyseeinrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung die genaue Positionierung der Pipette bzw. Pipettenspitze bezüglich der Probengefäße.

In der kombinatorischen Chemie bzw. Biochemie müssen sehr große Bibliotheken von Chemikalien getestet werden. Dazu ist es notwendig, eine große Anzahl von verschiedenen Flüssigkeiten von entsprechenden Vorratsgefäßen - meistens Mikrotiterplatten - in Reaktionsgefäße, Küvetten oder chemische Sensoren zu pipettieren. Diese Vorgehensweise ist als "High Throughput Screening" bekannt. Für dieses High Throughput Screening ist ein Durchsatz in der Größenordnung von an die 10.000 Tests pro Tag erwünscht. Um diese hohe Anzahl von Tests pro Tag mit vertretbarem Aufwand durchführen zu können, werden entsprechende Pipettierroboter verwendet. In der Regel verwenden solche Tests bzw. Analysegeräte zum Pipettieren Pipettierroboter mit festmontierten Metallnadeln, vergleichbar mit den aus der Medizin bekannten Injektionsnadeln. Dies hat den Vorteil, daß die Position der Nadelspitze zum einen bekannt und zum anderen auch konstant ist. Ein Nachteil der Verwendung solcher festmontierter Nadeln besteht jedoch in der Gefahr einer Verschleppung von Verunreinigungen der Proben, weil die Nadeln auch bei sehr sorgfältiger Reinigung nicht rückstandsfrei sauber werden. Dies kann gerade bei Arbeiten mit DNA zu beträchtlichen Problemen führen. Eine Möglichkeit, diese Probleme der Probenverschleppung vollständig zu umgehen, besteht in der Verwendung von Einmalpipettenspitzen bzw. Einwegpipettenspitzen, die nach jedem Pipettiervorgang ausgetauscht werden. Dies hat jedoch zur Folge, daß der Pipettierroboter in der Lage sein muß, die Einwegpipettenspitzen aus einem Vorratsbehälter selbständig zu entnehmen und dann damit die Pipettierung durchzuführen. Diese Aufnahme von neuen Pipettenspitzen nach jeder Testreihe führt ebenso wie mechanische Unzulänglichkeiten und Ungenauigkeiten der Pipettenspitzen selbst (z. B. unterschiedliche Länge und Krümmung des Schaftes der Pipettenspitze) dazu, daß sich die Position der Pipettenspitzen bezüglich der Probengefäße bei jeder neuen Testreihe verändert und nicht konstant ist. Um nun mechanisch genau pipettieren zu können, was beim Pipettieren aus beispielsweise 1536er Mikrotiterplatten notwendig ist, muß zunächst die Pipettenspitzenposition gemessen bzw. ermittelt werden.

Die WO 91/17445 beschreibt eine Vorrichtung zum Abgeben von Flüssigkeiten, die eine Lichtschranke verwendet, um die Anwesenheit einer Pipette zu erfassen. Die Anordnung der Lichtschranke ist derart, daß eine sich den Probengefäßen nähernde Pipette den Lichtstrahl der Lichtschranke kreuzt, so daß eine Ist-Position der Pipettenspitze relativ zu den Probengefäßen als Bezugspunkt bestimmt werden kann. Ausgehend von diesem Bezugspunkt wird die Pipette anschließend um eine vorgegebene Wegstrecke weiter in Richtung der Probengefäße bewegt, bevor die Abgabe der Flüssigkeit erfolgt. Eine an die Lichtschranke angeschlossene Auswerteschaltung gibt den Wert "1" aus, solange der Lichtstrahl nicht unterbrochen ist. Sobald der Lichtstrahl unterbrochen wird und die gemessene Intensität unter einem vorgegebenen Grenzwert fällt, wird das Signal "0" ausgegeben. Wenn das Signal umschaltet, ist wegen des vorgegebenen Grenzwertes die Position der Pipette bekannt. Dieser Intentsitätsschwellwert kann dabei abhängig von der verwendeten Pipette eingestellt werden. Dieses herkömmliche Verfahren erfordert und erlaubt jedoch nur eine Höhenpositionierung der Pipette bezüglich der Probengefäße, die von der Einstellung des Referenzwertes abhängig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum genauen Positionieren einer Pipette in einer Analyseeinrichtung bereitzustellen, wobei eine exakte Bestimmung der Position der Pipette relativ zu den Probengefäßen der Analyseeinrichtung in zwei Dimensionen möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, mit einer Detektoreinrichtung die Bewegung der Pipette entlang mindestens zweier unterschiedlicher Bahnen zu erfassen.

Vorzugsweise wird die Pipette zur Bestimmung einer ersten Position (z. B. in X- Richtung) so an der Detektoreinrichtung vorbeigeführt, daß beim Passieren der Detektoreinrichtung diese ein entsprechendes Signal ausgibt. Beispielsweise ist die Detektoreinrichtung eine Lichtschranke, deren Lichtstrahl während der Kreuzung mit der Pipette unterbrochen wird und ein entsprechendes Signal zur Bestimmung der Position ausgibt. Zur Ermittlung einer zweiten Position der Pipette wird diese zunächst so an die Detektoreinrichtung herangeführt, daß erst ein Wegbewegen von der Detektoreinrichtung ein entsprechendes Positionserfassungssignal ergibt. Falls als Detektoreinrichtung die erwähnte Lichtschranke verwendet wird, bedeutet dies, daß die Pipette zunächst in den Lichtstrahl eingebracht wird, diesen unterbricht, aber erst beim Wegbewegen der Pipette (z. B. in Z-Richtung) ein Signalverlauf erzeugt wird, der für die Positionsbestimmung verwendet wird. Vorzugsweise wird zusätzlich oder alternativ eine dritte Position (z. B. in Y-Richtung) auf diese Weise bestimmt.

Vorzugsweise wird die Pipette zunächst parallel zu den in Reihe angeordneten Probengefäßen bewegt, um die Position in X-Richtung zu ermitteln; anschließend erfolgt die Ermittlung der Position in Z-Richtung durch eine Bewegung der Pipette senkrecht zu den Probengefäßen. In einer alternativen Ausführungsform können diese Bewegungen in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird als Detektoreinrichtung eine CCD-Zeile oder eine Diodenzeile verwendet. In diesem Fall wird die Pipettenspitze nur in Z-Richtung bewegt, um die entsprechende Position bzgl. der Probengefäße zu ermitteln. Eine gesonderte Bewegung der Pipette parallel zu den Probengefäßen zur Ermittlung der X-Position entfällt bei dieser Ausführungsform, da sich die Pipette ohnehin im Erfassungsbereich der Detektorzeile befindet.

Alternativ wird als Detektoreinrichtung eine CCD-Chip verwendet. Hier wird der Schatten der Pipettenspitze auf dem CCD-Chip abgebildet und somit die Pipettenposition ermittelt.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabgabevorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Erfassung der Position der Pipettenspitze;

Fig. 3a eine Darstellung der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung;

Fig. 3b eine schematische Darstellung, die die Verarbeitung der Meßsignale veranschaulicht;

Fig. 4 das von der X-Position der Pipettenspitze abhängige Detektorsignal; und

Fig. 5 das von der Z-Position der Pipettenspitze abhängige Detektorsignal.

Fig. 1 zeigt eine Platte 1, wie etwa eine Mikrotiterplatte, und eine Lichtschranke 3a, 3b. Eine Lichtquelle 3a, wie eine Laserdiode oder eine LED, gibt einen in sich im wesentlichen parallelen Lichtstrahl 4 aus, der von einem Photodetektor 3b, wie eine Photodiode oder ein Phototransistor, empfangen wird. Die Pipette 2 wird zum Ermitteln der genauen Position entlang einer ersten Bahn A bewegt, so daß der Lichtstrahl 4 im wesentlichen senkrecht gekreuzt wird. Dabei muß die Pipette in Z- Richtung so nahe an der Mikrotiterplatte bewegt werden, daß auf jeden Fall der gesamte Lichtstrahl unterbrochen wird. Das sich ergebende, von der X-Position der Pipette abhängige Detektorsignal ist in Fig. 4 gezeigt. Dort ist zu sehen, daß die Intensität des vom Photodetektor der Lichtschranke empfangenen Lichtstrahls stark abnimmt, wenn die Pipette in den Lichtstrahl eintritt. In einer mittleren Position erreicht der Intensitätsverlauf ein Minimum, um dann wieder anzusteigen, wenn sich die Pipette wieder aus dem Lichtstrahl herausbewegt. Die X-Position in bezug auf die Lichtschranke wird aus dem Minimum des Intensitätsverlaufs und/oder aus dem Mittelwert der beiden Flanken bei halber Höhe ermittelt.

Alternativ oder zusätzlich kann die Meßkurve durch eine Parabelfunktion angenähert werden.

In einem zweiten Schritt wird nun die Pipettenspitze mittig zum Lichtstrahl positioniert und in Z-Richtung nach oben aus dem Lichtstrahl herausbewegt. Das sich ergebende Detektorsignal ist in Fig. 5 dargestellt. Die Intensität des empfangenen Lichtstrahls steigt mit zunehmender Bewegung der Pipette aus dem Lichtstrahl heraus an, bis sie ein Maximum erreicht, wenn der Strahl ungehindert auf den Photodetektor trifft. Die exakte Position in Z-Richtung der Pipette wird aus dem Mittel der Maximal- und Minimalwerte berechnet werden. Alternativ oder zusätzlich wird der Wendepunkt in der ansteigenden Flanke des Intensitätsverlaufs als exakte Z-Position der Pipette definiert.

Fig. 2 veranschaulicht noch einmal schematisch, wie die Pipettenspitze 2 den Lichtstrahl zwischen Leuchtdiode 3a und Photodiode 3b durchkreuzt.

Nachdem die exakte Position der Pipettenspitze ermittelt ist, wird diese dann mit allen anderen Positionen (Sensor, Mikrotiterplatte, Abfall, usw.) verrechnet. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Bestimmung der Position der Pipettenspitze in der Reichweite des Pipettierroboters vorzusehen.

Fig. 3a zeigt die in der Erfindung verwendete Verstärkerschaltung. Die aus einer Leuchtdiode und einem Photodetektor bestehende Detektiereinrichtung wird mit einer Eingangsspannung versorgt, um das notwendige Lichtsignal aussenden und messen zu können. Das Ausgangssignal, das dem Intensitätsverlauf entspricht, wird einem Verstärker zugeführt.

Die Ermittlung der Position der Pipette erfolgt wie in Fig. 3b veranschaulicht. Der vom Photodetektor detektierte Intensitätsverlauf wird analogdigital gewandelt und einem Mikrocomputer zugeführt. Dort wird der Intensitätsverlauf ausgewertet, indem beispielsweise durch mathematische Analyse das Maximum (X-Richtung) oder der Wendepunkt (Z-Richtung) der Kurve ermittelt wird. Somit kann die exakte Position der Pipette bestimmt werden, indem das gesamte positionsabhängige Signal aufgenommen und ausgewertet wird, unabhängig von eventuell vorgegebenen Referenzwerten wie bei herkömmlichen Verfahren. Insbesondere hat diese Anordnung den Vorteil, daß beliebige Pipetten vermessen werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet sehr genau, weitgehend unabhängig von der Form und Größe der Pipettenspitze und/oder der Form und Größe des Lichtstrahls der Lichtschranke und weitgehend unabhängig davon, ob die Pipettenspitze aus einem lichtdurchlässigen Material besteht oder nicht und/oder den Lichtstrahl bündelt oder anderweitig beeinflußt.

Claims

1. Vorrichtung zum genauen Positionieren mindestens einer Pipette (2) in einer Analyseeinrichtung mit
einer Einrichtung (3a, 3b) zum Detektieren der Lage der Pipette (2) bezüglich der Probengefäße (1) der Analyseeinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (3a, 3b) eine erste Position der Pipette (2) auf einer ersten Bahn einer Bewegung der Pipette (2) relativ zu den Probengefäßen (1) und mindestens eine zweite Position auf einer zugehörigen zweiten Bahn einer Bewegung der Pipette (2) relativ zu den Probengefäßen (1) detektiert.

2. Verfahren zum genauen Positionieren mindestens einer Pipette (2) in einer Analyseeinrichtung mit den Schritten:

a) Bewegen der Pipette (2) relativ zu Probengefäßen (1) der Analyseeinrichtung entlang einer ersten Bahn; und
b) Detektieren einer ersten Position der Pipette (2) auf der ersten Bahn mit einem Lichtstrahl;

gekennzeichnet durch die Schritte

a) Positionieren der Pipette (2) im Lichtstrahl;
b) Bewegen der Pipette (2) relativ zu den Probengefäßen (1) entlang mindestens einer zweiten Bahn; und
c) Detektieren mindestens einer zweiten Position der Pipette (2) auf der zweiten Bahn mit dem Lichtstrahl.

3. Vorrichtung oder Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Bahn parallel oder senkrecht zu den Probengefäßen (1) verläuft und die zweite Bahn senkrecht oder parallel zu den Probengefäßen (1) verläuft.

4. Vorrichtung oder Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die erste Position der Pipette (2) detektiert wird, wenn die Pipette (2) durch den Lichtstrahl bewegt wird.

5. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Position der Pipette (2) detektiert wird, wenn die Pipette (2) aus dem Lichtstrahl herausbewegt wird.

6. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zum Detektieren der ersten und zweiten Position der Pipette (2) eine Intensitätsmessung erfolgt.

7. Vorrichtung oder Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Intensitätsverlaufsmessung erfolgt.

8. Vorrichtung oder Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Position aus dem Minimum des Intensitätsverlaufs und/oder aus dem Mittelwert der beiden Flanken des Intensitätsverlaufs bei annähernd halber Höhe ermittelt wird und/oder die Meßkurve durch eine Parabel angenähert wird.

9. Vorrichtung oder Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die zweite Position aus dem Mittel der Maximal- und Minimalwerte und/oder aus dem Wendepunkt des Intensitätsverlaufs ermittelt wird.

10. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zum Detektieren eine Lichtschranke verwendet wird.

11. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Detektoreinrichtung eine CCD-Zeile oder Diodenzeile aufweist.

12. Vorrichtung oder Verfahre nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Detektoreinrichtung einen CCD-Chip aufweist.

13. Verfahren zum genauen Positionieren mindestens einer Pipette (2) in einer Analyseeinrichtung mit den Schritten:

a) Bewegen der Pipette (2) entlang einer Bahn senkrecht zu Probengefäßen (1) der Analyseeinrichtung; und
b) Detektieren der Position der Pipette auf der Bahn,

dadurch gekennzeichnet, daß zum Detektieren eine sich entlang der Probengefäße (1) erstreckende Detektoreinrichtung verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Detektoreinrichtung eine CCD-Zeile oder eine Diodenzeile aufweist.

15. Verfahren zum genauen Positionieren mindestens einer Pipette (2) in einer Analyseeinrichtung durch Detektieren der Position der Pipette (2) durch Abbilden des Schattens der Pipette auf eine Detektoroberfläche.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein CCD-Chip als Detektor verwendet wird.