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Die
Erfindung betrifft einen Zentrifugen-Rotor mit einer Rotor-Nabe,
die an eine Antriebswelle entlang einer Rotations-Achse einer Zentrifuge
anschließbar
ist, und wenigstens eine Ausnehmung zur Halterung eines Proben-Bechers,
dessen Probe beim Zentrifugieren durch Fliehkraft in Richtung Becherboden
gepresst wird, aufweist, gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Insbesondere
ist der Gegenstand der Erfindung auf das Gebiet der zentrifugalen
Behandlung von biologischen Proben gerichtet, wie es beispielsweise
in der
DE 24 25 165
C2 oder der
US
5575197 A (Polymerase-Kettenreaktion) angegeben ist.
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Aus
der
DE 38 05 896 C1 ist
ein Zentrifugen-Rotor mit einer an eine Antriebswelle anschließbaren Rotor-Nabe
bekannt, der zur Aufnahme mehrerer Proben-Becher vorgesehen ist;
dabei sind an sich im wesentlichen radial zur Rotorachse erstreckenden
gegenüberliegenden
Traversen Schwenklager vorgesehen, die zur Halterung von Proben-Bechern
dienen; während
des eigentlichen Zentrifugiervorganges sind die Proben-Becher soweit
ausgeschwenkt, dass ihre Öffnung
zur Aufnahme des Probenmaterials in Richtung der Rotorachse gerichtet ist.
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Als
problematisch erweist sich die Beladung einer solchen Zentrifuge
mit nur einer einzigen Halterung für Kapillar-Röhrchen,
wie es z. B. bei der Zentrifugation von Mikroreaktionsgefäßen vorkommen kann;
in einem solchen Fall muss die für
einen gleichmäßigen Rotorlauf
notwendige Beladungssymmetrie durch Einbringen einer Ausgleichsmasse
auf der zum Proben-Becher mit Halterung radial gegenüberliegenden
Seite des Rotors erzwungen werden, wobei aufgrund der erforderlichen
Präzision
mit einem erheblichen Aufwand im Laborbetrieb zu rechnen ist.
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Weiterhin
ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 88 06 991 U1 eine Vorrichtung zum Beseitigen
der Unwucht eines Rotors bekannt, wobei der Rotor koaxial ringförmige Nuten
aufweist, die in die Rotorwandung eingebracht und nach Art von Schwalbenschwanznuten
gestaltet sind. in diese Nuten werden Ausgleichsgewichte aus einem
bei Normaltemperatur knetbaren, formbeständigen Material – wie z.
B. Blei oder Bleilegierung – eingedrückt, so dass
die Ausgleichsgewichte im Be reich ihrer Außenfläche mit der Oberfläche des
Rotors im Bereich der Nuten bündig
abschließen.
Mit Hilfe dieser Vorrichtung soll die Unwucht eines Rotors vermieden
werden.
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Die
Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine verhältnismäßig einfache Anordnung für einen
Zentrifugen-Rotor anzugeben, bei dem auch ein einzelnes Trägersystem
mit Probenmaterial zentrifugiert werden kann; darüber hinaus
soll auch einfache Bedienbarkeit gewährleistet sein, die keine besonderen Maßnahmen
hinsichtlich Unwucht-Ausgleich erfordert. Trägersysteme gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 sind beispielsweise aus der
DE 32 15 636 A1 sowie der
US 4 798 579 A bekannt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Zentrifugen-Rotor mit einer Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin,
dass der Rotor im Wesentlichen plattenförmig (scheibenförmig) ausgebildet
ist und wenigstens eine Ausnehmung zur starren Halterung des Proben-Bechers
aufweist, wobei der Proben-Becher mit seinem Boden in radialer Richtung
von der Rotations-Achse aus gesehen durch ein die Ausnehmung begrenzendes
peripheres Rahmenteil im Randbereich des Rotors abgestützt wird
und in axialer Richtung der Rotor-Achse gesehen durch sein Gewicht
und durch Anschlagelemente des Bechers auf dem die Ausnehmungen
begrenzenden Rand gehalten wird.
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Erfindungsgemäß wird die
einfache und sichere Halterung von Proben-Bechern im Zentrifugen-Rotorbewirkt,
wobei die Arretierung des jeweiligen Proben-Bechers in axialer Richtung
des Rotors mit Hilfe von Anschlagelementen durch das Bechergewicht
bewirkt wird und bei der Zentrifugation durch die Fliehkraft radial
an das periphere Rahmenteil gepresst wird.
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In
einer bevorzugten ersten Ausführungsform
der Erfindung weist der Zentrifugen-Rotor nur eine einzige Ausnehmung
als Halterung des Proben-Bechers auf, wobei auf der der Ausnehmung
radial gegenüberliegenden
Seite wenigstens eine Bohrung zum Unwuchtausgleich des Rotors vorgesehen ist.
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Dabei
erfolgt der Unwuchtausgleich bei der Herstellung des Rotors durch
Materialentnahme im Bereich der sogenannten Wucht-Bohrung.
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Darüber hinaus
kann entlang eines von der Rotations-Achse durch die Wucht-Bohrung
des Rotors führenden
Strahls wenigstens eine weitere Bohrung zur Aufnahme eines Steckstiftes
oder eines Schraubbolzens vorgesehen sein, um dem Anwender eine
Tarierung des Rotors zu ermöglichen,
sofern vorgegebene Toleranzen der Beladung überschritten werden.
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Weiterhin
ist im Bodenbereich des Proben-Bechers eine Blindbohrung für den Unwuchtausgleich
des kompletten Rotors (mit Becher) vorgesehen.
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Somit
weist der Rotor nur eine Ausnehmung zur Halterung des Proben-Bechers
auf, wobei auf der radial gegenüberliegenden
Seite des Rotors eine Wucht-Bohrung für einen Unwuchtausgleich im
Rotor vorgesehen ist; dabei wird vorteilhafterweise bereits bei
der Herstellung mittels der Wucht-Bohrung im Rotor in Verbindung
mit der Wucht-Bohrung im Boden des Proben-Bechers die für den Rotor erforderliche Auswuchtung
erzielt, wobei dann bei der späteren Anwendung
verschiedene Rotoren und Proben-Becher beliebig austauschbar sind.
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Als
vorteilhaft erweist es sich, dass es nicht mehr erforderlich ist,
mindestens zwei gleichartige Trägersysteme,
wie z. B. Adaptergestelle oder Mikrotiterplatte radial gegenüberliegend
zu verwenden, wobei ein nachträgliches
Austarieren im Rahmen einer zulässigen
Gefäßbestückung nicht
mehr notwendig ist. Dieses wird u. a. dadurch erreicht, daß der Rotor
scheibenförmig
ausgeführt
ist und seine Rotormasse mit ca. 2000 g relativ hoch zur zulässigen Beladung
gewählt
wird. Das Verhältnis
Rotormasse einschließlich
Proben-Becher zu zulässiger
Beladung liegt im Bereich von 50:1 bis 200:1. Der scheibenförmige Aufbau
gewährleistet
eine nahezu gleichgroße Ausprägung der
Hauptträgheitsmomente
um die Drehachse z in x- und y-Richtung (Jx = Jy).
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Durch
diese Homogenität
wird das Laufverhalten des Rotors weiter verbessert.
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Weiterhin
ist ein sicheres und eindeutiges Einsetzen des Proben-Bechers möglich, wobei
auch dessen Schutzrand die eigentlichen Proben-Gefäße vor Beschädigungen
bei der Handhabung schützt.
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Darüberhinaus
bildet der Proben-Becher eine Auffangeinrichtung für Glassplitter
und Flüssigkeit
bei einem eventuellen Gefäßbruch während des Zentrifugiervorganges.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Rotor zwei oder ein geradzahliges Vielfaches
von sich radial gegenüberliegende
Ausnehmungen zur Halterung von Proben-Bechern auf. Dabei ist wenigstens
eine Ausnehmung zur Halterung eines Proben-Bechers vorgesehen, wobei eine Bohrung
im Becherboden als Unwucht-Ausgleich in Verbindung mit dem Rotor
dient. Dabei kann in zwei sich radial gegenüberliegende Ausnehmungen jeweils
ein Proben-Becher eingesetzt werden; weiterhin ist es möglich eine
Mehrzahl von sich paarweise gegenüberliegenden Ausnehmungen mit
Proben-Bechern zu bestücken,
beispielsweise bei einem Rotor mit vier Ausnehmungen, die in gleichen
Abständen
auf dem Rotor angeordnet sind und jeweils mit einem Proben-Becher
bestückt werden.
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Weiterhin
ist es vorteilhafterweise möglich, bei
sich zwei gegenüberliegenden
Ausnehmungen in eine erste Ausnehmung einen Proben-Becher einzubringen,
während
in die radial gegenüberliegende zweite
Ausnehmung ein der Masse und Außenkontur des
Proben-Bechers entsprechender Ausgleichkörper eingesetzt wird. Dabei
ist der Ausgleichskörper mittels
einer Bohrung zum Unwuchtausgleich des Rotors geeignet, wie es bereits
an Hand der Unwucht-Bohrung
für den
Proben-Becher beschrieben ist.
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Der
Proben-Becher ist für
beide bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Zentrifugen-Rotors
in seinem Innern axial symmetrisch ausgebildet, wobei eine innere
Symmetrieachse des Bechers sich durch seinen Boden und durch die
zur Probenaufnahme vorgesehene Öffnung
erstreckt.
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Der
Proben-Becher ist zur Aufnahme eines formschlüssig einsetzbaren Trägersystems
mit darin eingesetzten Probengefäßen vorgesehen.
Dabei sind die Probengefäße als Röhrchen ausgebildet,
deren Rohrachse parallel zur Achse des Bechers verläuft.
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Im
Inneren ist der Proben-Becher im Bereich seines Bodens mit einer
Auffangrinne versehen, um bei Röhrchenbruch
eventuell austretendes Probenmaterial aufzunehmen. Weiterhin weist
der Proben-Becher im Bereich seiner Öffnung einen mantelförmig umlaufenden
Schutzrand auf, um die im Trägersystem
befindlichen Probegefäße bei deren Handhabung
gegen versehentliche Zerstörung
zu schützen.
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Weiterhin
ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Proben-Bechers für beide
Ausführungsformen
des Zentrifugen-Rotors der Proben-Becher auf seiner Außenseite
im Bereich des Bodens mit einer Griffmulde zur Positionierung in
der Ausnehmung bzw. zur Entnahme des Proben Bechers aus der Ausnehmung
versehen.
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Vorteilhafterweise
ist der Gegenstand der Erfindung auf dem Gebiet der Probenvorbereitung
zur DNA-Amplifikation (Polymerase Kettenreaktion) einsetzbar.
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Nachfolgend
ist der Gegenstand der Erfindung anhand der 1, 2, 3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 5, 6, 7 und 8a und 8b näher erläutert.
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1 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht einen mit Proben-Becher vollbestückten Rotor,
wobei auch das Trägersystem
für die
Proben und die Gefäße mit dem
Probenmaterial schematisch dargestellt sind.
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2 zeigt
einen Proben-Becher von der Bodenseite her gesehen.
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3a zeigt
einen Längsschnitt
des Proben-Bechers entlang der Linie AA der 3b, während 3c eine
dazu um 90° verdrehte
Ansicht durch 3b darstellt.
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4a zeigt
den Rotorkörper 1 in
einer Draufsicht, während 4b einen
Schnitt entlang der Linie BB nach 4a darstellt.
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5 zeigt
ein beispielhaftes Trägersystem mit
darin befindlichen Probengefäßen. Das
Trägersystem
ist hier zylinderförmig
ausgebildet, kann aber auch jede beliebig andere Form aufweisen,
wie z. B. Miktrotiterplatten.
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6 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Rotorkörpers ohne eingesetzten Proben-Becher.
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7 zeigt
einen Rotor mit zusätzlichen Bohrungen
zur Tarierung mittels Steckstiften bzw. einschraubbaren Bolzen durch
den Anwender.
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8 zeigt einen Zentrifugen-Rotor mit zwei sich
gegenüberliegenden
Ausnehmungen für
zwei Proben-Becher bzw. für
einen Proben-Becher und einen gegenüberliegenden Ausgleichskörper, der
in Masse und Außen-Kontur
einem Proben-Becher entspricht.
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Gemäß 1 verläuft die
Bohrung zur Arretierung des Zentrifugen-Rotors 1 auf einer
hier nicht dargestellten Antriebswelle einer Zentrifuge senkrecht
zur scheibenförmigen
bzw. plattenförmigen Oberfläche des
Rotorkörpers 1 entlang
einer hier symbolisch dargestellten Rotations-Achse 17,
die durch eine zur Befestigung auf der Antriebswelle vorgesehene
Rotor-Nabe 9 führt.
Der Rotor 1 wird während
seiner Herstellung bereits mit einem Standard-Wuchtausgleich versehen,
wobei in der auch als Wuchtbohrung bezeichneten Bohrung 8 gerade so
viel Werkstoff des Rotorkörpers
entfernt ist, dass dieser zusammen mit Proben-Becher 2,
dem darin befindlichen Trägersystem 3 und
den eingesetzten Proben-Gefäßen 4 austariert
ist. Dabei ist auch der Proben-Becher 2 mit einem Wuchtausgleich
für die Kombination
Rotor und Proben-Becher versehen, so dass Rotor 1 und Proben-Becher 2 jeweils
beliebig austauschbar sind. Dies bedeutet, dass ein vollbestückter Rotor 1 trotz
seiner extrem asymmetrischen Bestückung so weit ausbalanciert
ist, dass jede nachträgliche
Einjustierung überflüssig ist.
Die Proben-Gefäße 4 sind
vorzugsweise als geschlossene Glaskapillargefäße ausgebildet, wobei zusätzlich ein Schutzrand 5 im
Bereich der Öffnung 21 des
Proben-Bechers 2 dafür
sorgt, dass die Gefäße bei der Handhabung
nicht beschädigt
werden. Der geschlossene Bodenbereich von Proben-Becher 2 bildet mit seiner
Auffangrinne gleichzeitig eine Auffangeinrichtung für Glassplitter
und Flüssigkeit
bei einem eventuellen Gefäßbruch von
Proben-Gefäßen. Der
Proben-Becher 2 wird durch sich gegenüberliegende, seitliche Anschlagelemente 7 als
Führungseinrichtung
in axialer Richtung des Rotors 1 gesehen durch sein Eigengewicht
abgestützt;
in radialer Richtung des Rotors 1 gesehen erfolgt die Abstützung des
Becher-Bodens während
des Zentrifugiervorgangs durch den peripheren Abstützbereich 14 des
Rotors infolge Fliehkraft.
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In
einer praktischen Ausführungsform
weist der Rotor ein Gesamtgewicht von ca. 2000 g auf, wobei das
Gewicht des Bechers ca. 350 g und das des Trägersystems ca. 150 g beträgt; das
Gewicht des eigentlichen Rotorkörpers
liegt bei ca. 1490 g; die zulässige
Beladungsunwucht beträgt
10 g.
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Anhand 2 ist
Proben-Becher 2 erkennbar, wobei im Bodenbereich des Bechers
die zur einfachen Handhabung erforderliche Griffmulde 6 erkennbar
ist. Mit Hilfe der als Anschlagelemente 7 ausgebildeten
Führungseinrichtung
wird Becher 2 in einer sicheren Position in Ausnehmung 12 des
Rotorkörpers 1 aufgrund
des Bechergewichts arretiert; weiterhin ist der Schutzrand 5 des
Proben-Bechers erkennbar.
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In 3a ist
der Schnitt AA des vom Bodenbereich mit Griffmulde 6 her
sichtbaren Bechers 2 gemäß 3b zu
sehen, wobei hier die Auffangrinne 11 für Flüssigkeiten bei Bruch von Probengefäßen sowie
eine Wucht-Bohrung 10 im Bodenbereich des Bechers im Längsschnitt
erkennbar sind.
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3c zeigt
einer um 90° gedrehte
Ansicht gemäß 3b.
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4a zeigt
in einer Draufsicht den Rotorkörper,
wobei sowohl die Bohrung entlang der Rotations-Achse 17 als
Rotor-Nabe 9 mit Arretiervorrichtung 13 für einen
Mitnehmerstift der Antriebswelle erkennbar sind und weiterhin Ausnehmung 12 für den Proben-Becher
und die Wucht-Bohrung 8 zum
Austarieren einer Rotor-Unwucht bei der Herstellung erkennbar sind.
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Der
in 4b dargestellte Längsschnitt entlang der Linie
BB nach 4a lässt die Wucht-Bohrung 8,
die Rotor-Nabe 9 als Bohrung entlang der Rotations-Achse
sowie die Ausnehmung 12 zur Halterung eines Proben-Bechers
erkennen; dabei ist auch der während
des Zentrifugiervorganges besonders belastete periphere Bereich
beziehungsweise Rahmenteil 14 zur Abstützung des Proben-Bechers 2 sichtbar.
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In 5 ist
das beispielhafte Trägersystem 3 mit
darin befindlichen Probengefäßen 4 erkennbar, wobei
die Probengefäße 4 abgeschlossene
Kapillargefäße sind;
da das Trägersystem 3 formschlüssig in den
Proben-Becher eingebracht wird, ist die Gefäß-Achse 27 der röhrchenförmigen Probengefäße 4 parallel
zur Achse des hier nicht dargestellten Proben-Bechers ausgerichtet.
Vorzugsweise steht die Achse des Proben-Bechers und damit die Gefäß-Achse 27 senkrecht
auf der Rotations-Achse 17 des Rotors; es ist jedoch auch
möglich
die Achse des Proben-Bechers in einer Winkellage zur Rotations-Achse
zu neigen.
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6 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht Rotor 1, wobei die Wucht-Bohrung 8,
die Bohrung entlang der Rotations-Achse 17 für die Rotor-Nabe 9 sowie
die Ausnehmung 12 für
den Einsatz eines Proben-Bechers erkennbar sind. Weiterhin ist der
Anschlussbereich der Rotor-Nabe 9 für die Arretierung des
Rotorkörpers 1 auf
einer hier nicht sichtbaren Antriebswelle erkennbar, wobei eine
Aussparung 15 für an
sich bekannte Ausführungsfomen
von Mitnehmerstiften für
den Antrieb vorgesehen ist. Der eigentliche periphere Abstützbereich
für den
Becher 2 ist hier wiederum mit Position 14 bezeichnet.
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Auch
wenn in den beigefügten
Zeichnungen der Becher stets eine nicht abgeschlossene Öffnung zeigt,
die zur Rotorachse gerichtet ist, ist es auch möglich Becher mit einem kompletten
Abschluss zu versehen, so dass bei gefährlichen Substanzen keinerlei
Austritt aus dem Becherinneren bei einem eventuellen Glasbruch möglich ist.
Dadurch ist ein aerosoldichtes Arbeiten möglich. In solchen Fällen wird
der Probenbecher vorteilhafterweise mit einem Schraubverschluß abgedichtet.
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Gemäß 7 weist
der Zentrifugen-Rotor 1 entlang eines von der Rotations-Achse 17 über die Unwucht-Bohrung 8 sich
erstreckenden Strahls 29 zwei zusätzliche Bohrungen 18 auf,
die zur Aufnahme eines Steckstiftes 19 bzw. Schraubbolzens
dienen; diese Möglichkeit
ist zur Tarierung des Rotors 1 beim Anwender vorgesehen,
sofern die vorgegebene Toleranz der zulässigen Beladungsunwucht überschritten
wird.
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Aufgrund
der perspektivischen Darstellung ist der Schnitt von Rotations-Achse 17 mit
der Oberfläche
des Rotors 1 (und auch die Rotor-Nabe) nicht erkennbar.
Vorteilhafterweise läßt sich
mit Hilfe dieser zusätzlichen
Bohrungen 18 als Steckpositionen zur Tarierung des Rotors
das Anwendungsgebiet vergrößern.
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8a zeigt
eine Ansicht eines Rotors 1 mit zwei sich diametral gegenüberliegenden
Ausnehmungen 12, 12',
von denen Ausnehmung 12 zur Halterung eines Proben-Bechers
dient, der hier jedoch zwecks Vereinfachung nicht dargestellt ist;
die radial gegenüberliegende
Ausneh mung 12' entspricht
in ihrer Form der Ausnahmung 12, wobei Ausnehmung 12' nicht nur zur
Aufnahme von Proben-Bechern dient, sondern auch einen sogenannten
Ausgleichskörper
aufnehmen kann, der bezüglich
Masse und äußerer Kontur
einem Proben-Becher gemäß den 2 bzw. 3a, 3b, 3c entspricht.
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8b zeigt
einen Längsquerschnitt
entlang Linie BB der Draufsicht, wobei die Ausnehmungen 12 für Proben-Becher
bzw. Ausgleichkörper
im Schnitt erkennbar sind.