DE202006010293U1

DE202006010293U1 - Pipettiergerät mit Computerprogrammprodukt zum Akzeptieren oder Verwerfen von pipettierten Flüssigkeitsproben

Info

Publication number: DE202006010293U1
Application number: DE202006010293U
Authority: DE
Original assignee: Tecan Trading AG
Current assignee: Tecan Trading AG
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2016-07-01
Also published as: US7964160B2; US20070025882A1

Abstract

Pipettiergerät (1) umfassend:
(a) eine Pipettenspitze (2) zum Aufnehmen und Abgeben von Flüssigkeitsproben,
(b) eine über eine Pumpleitung (3) mit der Pipettenspitze (2) verbundene Pumpe (4) zum Erzeugen eines Unterdrucks oder Überdrucks in der Pipettenspitze (2);
(c) einen durch die Pipettenspitze (2) und/oder die Pumpleitung (3) definierten Fluidraum (5);
(d) eine mit diesem Fluidraum (5) wirkverbundene Mess-Sonde (6) zum Erfassen von in diesem Fluidraum (5) sich während dem Pipettieren ergebenden physikalischen Parametern; und
(e) eine Gerätesteuerung (7) mit einem Prozessor (8), in welchem ein aktiviertes Computerprogrammprodukt die Steuerung (7) des Pipettiergeräts (1) befähigt, pipettierte Flüssigkeitsproben auf Grund der erfassten physikalischen Parameter individuell zu akzeptieren oder zu verwerfen,
dadurch gekennzeichnet, dass dieses Pipettiergerät zudem umfasst:
(f) einen Speicher (9) zum Abspeichern einer aktuellen, während des Pipettierens erfassten Messkurve (41) und einer simulierten Kurve (42) für einen solchen Pipettiervorgang; und
(g) ein Computerprogrammprodukt, welches...

Description

Die Erfindung betrifft gemäss dem unabhängigen Anspruch 1 ein Pipettiergerät mit einer Pipettenspitze zum Aufnehmen und Abgeben von Flüssigkeitsproben; einer über eine Pumpleitung mit der Pipettenspitze verbundenen Pumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks oder Überdrucks in der Pipettenspitze; einem durch die Pipettenspitze und/oder die Pumpleitung definierten Fluidraum; einer mit diesem Fluidraum wirkverbundenen Mess-Sonde zum Erfassen von in diesem Fluidraum sich während dem Pipettieren ergebenden physikalischen Parametern und mit einer Gerätesteuerung, die einen Prozessor umfasst, in welchem ein aktiviertes Computerprogrammprodukt die Steuerung des Pipettiergeräts befähigt, Pipettierungen und damit auch die jeweils pipettierten Flüssigkeitsproben auf Grund der erfassten physikalischen Parameter individuell zu akzeptieren oder zu verwerfen.
Im technischen Bereich des Liquidhandling, insbesondere beim Pipettieren von Flüssigkeiten besteht seit langem das Bedürfnis, pipettierte Proben nach vorbestimmten Qualtitätskriterien zu beurteilen. Vor allem beim automatischen Pipettiren von Flüssigkeiten in Mikroplatten mit beispielsweise 96, 384 oder 1536 Wells ist es von Vorteil, die aktuellen Adressen der vorschriftgemäss erstellten Probenvolumina, vor allem aber auch diejenigen der unbrauchbaren Proben in der jewei ligen Mikroplatte zu kennen. Auch beim Pipettieren von Flüssigkeitsproben aus anderen Behältern, wie z.B. Trögen, Probenröhrchen etc., sollen die akzeptierbaren Pipettierungen von den zu verwerfenden unterschieden werden.
Von den bekannten Pumpen zum Betreiben eines Pipettiergeräts sollen hier nur einige als Beispiele und keinesfalls abschliessend erwähnt werden.
Aus dem Dokument EP 1 207 396 A1 ist eine Vorrichtung zum Abgeben (Dispensieren) von Flüssigkeitsproben bekannt, die eine Leitung für den Durchlass einer Systemflüssigkeit und ein Ventil zum Abschliessen dieser Leitung an deren einem Ende sowie eine Pipettenspitze an deren anderem Ende umfasst. Zudem umfasst diese bekannte Vorrichtung eine Messeinrichtung zum Erfassen des Flusses der Systemflüssigkeit in dieser Leitung, Steuermittel zum Erzeugen eines Flusses in dieser Leitung in der einen oder anderen Richtung und elektronische Auswertemittel, die auf mit der Messeinrichtung erfasste Daten reagieren und die auf das Ventil und auf die Steuermittel einwirken, damit eine Flüssigkeitsprobe in die Pipettenspitze aufgenommen und danach eine bestimmte Probenmenge abgegeben wird.
Aus US 6,938,504 B2 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem der Druck in einer Wegwerf-Pipettenspitze während dem Pipettieren dauernd überwacht wird. Der aktuelle Druckverlauf wird aufgezeichnet und grafisch oder mathematisch mit dem Toleranzbereich eines vorher festgelegten Druckverlaufs verglichen. Falls der aktuelle Druckverlauf innerhalb der Toleranzgrenzen verläuft, wird die Probe akzeptiert. Zusätzlich zu direkten Aussagen über den Erfolg oder Misserfolg eines Pipettiervorganges ermöglicht dieses Vorgehen die Identifikation von systematischen Fehlern. Dieses Verfahren mag für immer gleiche, homogene Proben genügen, es ist jedoch mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, wenn die zu pipettierenden Proben eine grosse Inhomogenität aufweisen. Solche sind z.B. bei Reihenuntersuchungen von Blutproben zu beobachten, deren Viskosität von 1 mPas bis 6 mPas betragen kann. Müssen derartige Abeichungen in den Toleranzbereich eingerechnet werden, so ergibt sich ein derart breiter „akzeptabler Bereicht", der nicht mehr geeignet ist, das Auftreten von Blutklumpen („CLOTS") oder Luftblasen nachzuweisen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein alternatives Pipetiergerät der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches mit einem Computerprogrammprodukt ausgestattet ist, das die Steuerung dieses Pipetiergeräts befähigt, eine Pipettierung auch von variabeln Flüssigkeitsproben auf Grund der erfassten physikalischen Parameter individuell zu akzeptieren oder zu verwerfen.
Aus dem Stand der Technik sind wie eingangs zitiert, sowohl Pipettiergeräte mit Flussmessung als auch mit Druckmessung zur Prozessüberwachung beim Pipettieren bekannt. Die vorliegende Erfindung bietet für beide dieser bekannten Überwachungsmethoden einen alternativen Lösungsansatz, der durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 definiert wird, indem das erfindungsgemässe Pipettiergerät der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet ist, dass es zudem einen Speicher zum Abspeichern einer aktuellen, während des Pipettierens erfassten Messkurve und einer simulierten Kurve für einen solchen Pipettiervorgang sowie ein Computerprogrammprodukt umfasst, welches in aktiviertem Zustand den Prozessor dieses Pipettiergeräts befähigt, diese simulierte Kurve zu generieren und der aktuellen Messkurve iterativ anzunähern um eine Iterationskurve zu erstellen und dann die Pipettierung an Hand von in der aktuellen Messkurve bestehenden Messkurventeilen, die von definierten Schwellenwerten in Bezug auf entsprechende Kurventeile der Iterationskurve abweichen, einer von mehreren Entscheidungsqualitäten zuzuordnen. Zusätzliche erfinderische Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden Festplatten und Arbeitsspeicher, z.B. RAM (Random Access Memory), von Computern bzw. Prozessoren als „Speicher" betrachtet, wobei ein RAM als Speicher bevorzugt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun an Hand eines ausgewählten Beispiels mit Druckerfassung näher erläutert:
1. Aufbau einer simulierten Kurve
Das erfindungsgemässe Pipettiergerät umfasst vorzugsweise ein modulares, konfigurierbares Computerprogrammprodukt, das auf einer Kombination von einem physikalischen Modell und einer Kurvenparameter-Analyse beruht. Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird eine Druckkurve in einer Wegwerf-Pipettenspitze während der Flüssigkeitsaufnahme (Aspiration) und/oder Flüssigkeitsabgabe (Dispens) simuliert, wobei ein einzelner Pipettenkanal vorzugsweise als ein System mit zwei oder drei nicht-linear miteinander verbundenen, oszillierenden Massen modelliert wird. Entsprechende Systeme von Differentialgleichungen wurden aufgestellt und numerische Lösungen wurden ermittelt. Dabei wurden in einem Pipettiergerät, das mit einer Kolbenpumpe ausgestattet ist, der Diluter mit dessen Kolben, die in einem Fluidraum des Pipettiergerätes als Flüssigkeitssäule vorhandene Systemflüssigkeit und die Probenflüssigkeit in der Pipettenspitze in das Modell einbezogen. Eine grosse Anzahl von Effekten, wie z.B. die viskose Dämpfung, die Oberflächenspannung, die Dichte und der hydrostatische Druck einer solchen Systemflüssigkeit und einer Probenflüssigkeit, die Geometrie einer Wegwerf-Pipettenspitze, die Auswirkung eines Bewegungsimpulses auf die Probe, die sich daraus ergebenden Kräfte und der Druckverlauf in der Pipettenspitze stellen zu beachtende Parameter dar, welche die ausgewählte Flüssigkeitsklasse charakterisieren, deren genaue Grösse ist jedoch unbekannt. Andere Parameter wurden nicht als physikalische Variablen implementiert, sondern als in das System einzugebende Parameter, wie z.B. die sogenannte Flüssigkeitsklasse, die durch einen Satz Parameter definiert wird, das zu pipettierende Probenvolumen und der Typ der verwendeten Pipettenspitze.
Die Flüssigkeitsklasse umfasst dabei Variabeln wie Pumpentyp, Pumpendimensionen, Rampenparameter und die Fördergrössen der verwendeten Pumpe, die Verwendung und das Volumen eines „AIR GAP" (vgl. z.B. EP 1 207 396 A1 , Absatz 45), die Ein- und Austauchgeschwindigkeit der Pipettenspitze, die Eintauchtiefe der Pipettenspitze und die Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen der Bewegungen der Pipettenspitze. Es wurden bisher vier solche Flüssigkeitsklassen für Wasser, Äthanol, Dimethylsulfoxid (DMSO) und Blut (Serum/Plasma) mit den dazugehörenden auf langjähriger Erfahrung basierenden Variablen definiert.
Das zu pipettierende Probenvolumen (beispielsweise 25 μl) wird als „Wunschgrösse" eingegeben und definiert ein Sollvolumen. Das tatsächlich pipettierte Probenvolumen kann mit anderen Methoden (Photometrie, Gravimetrie) verifiziert werden.
Die Art der zu verwendenden Pipettenspitze hängt vom aktuellen Anwendungsgebiet, der Art der Probe und der Anzahl von zu pipettierenden Volumina ab. Wenn die Gefahr einer Kreuzkontamination mit anderen Proben ausgeschlossen werden muss, kommen bevorzugt Wegwerf-Pipettenspitzen (normalerweise aus Kunststoff) zum Einsatz. Sollen jedoch grosse Mengen desselben Probenmaterials in vielen Probeneinheiten verteilt werden, so werden bevorzugt Pipettiernadeln (meistens aus Stahl) verwendet.
Zu diesen vorbekannten, in den Prozessor bzw. in einen Prozessorspeicher einzugebenden Variabeln kommen weitere, vorzugsweise ebenfalls im Prozessor gespeicherte Pipettierparameter, die von der ausgewählten Flüssigkeitsklasse abhängen, deren genaue Grösse jedoch unbekannt ist. Solche Parameter sind beispielsweise die Viskosität und die Dichte der Probenflüssigkeit. Zudem können weitere Parameter, wie z.B. die Umgebungstemperatur und der Luftdruck berücksichtigt werden.
Vorzugsweise sind zudem im Prozessor bzw. im Prozessorspeicher Parameter gespeichert, die von der Probenflüssigkeit unabhängig und ebenfalls unbekannt sind. Solche Parameter umfassen beispielsweise den Öffnungsdurchmesser der Pipettenspitze und die Benetzbarkeit der Pipettenspitze.
Alle diese Variablen und Parameter werden gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des in einem Pipettiergerät aktivierbaren Computerprogrammprodukts dazu verwendet, eine simulierte Kurve für einen Pipettiervorgang zu erstellen, die prinzipiell dem Druckverlauf (oder dem Flussverlauf in einem mit Flusssensor ausgerüsteten Gerät) in diesem Fluidraum des Pipettiergeräts entspricht. Vorrichtungen und Verfahren zum Messen eines Druckverlaufs in einem Pipettiergerät sind einerseits seit langem bekannt (vgl. z.B. US 4,340,390 ; US 4,675,301 ; US 4,794,085 ) und sind andererseits in speziellen Fällen auch in neuerer Zeit patentiert worden (vgl. z.B. US 6,938,504 ). Auch Vorrichtungen und Verfahren zum genauen Messen des Flussverlaufs in einer Leitung (vgl. z.B. CH 695 166 A5 ; US 2003/0049877 A1 und US 6,550324 B1 ) uns insbesondere in einem Pipettiergerät (vgl. z.B. US 6,898,981 B1 ) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Das Berücksichtigen möglichst vieler Variablen dient dazu, bereits in einem ersten Anlauf eine sinnvoll simulierte Kurve zu erstellen. Je mehr Parameter in dieser Phase unberücksichtigt bleiben, desto länger dauert das spätere Anpassen der simulierten Kurve an eine aktuelle Messkurve.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Fluid" eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch verstanden. Ein „Fluidraum" bzw. ein „fluidgefüllter Raum" enthält somit ein Gas, eine Flüssigkeit und/oder ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch oder kann eines oder mehrere dieser Elemente enthalten.
2. Anpassen der simulierten Kurve
Wegen der physikalischen Natur der anzupassenden bzw. „zu fittenden" Modellparameter können sinnvolle Toleranzbereiche definiert werden, innerhalb derer diese Parameter variieren können. Das Fitting wird für die Aspiration und den Dispens unabhängig voneinander ausgeführt. Für die Probenaufnahme (Aspiration) wurden acht Parameter und für die Probenabgabe (Dispens) wurden vier Parameter gewählt. Um die für das Anpassen („Fitting") benötigte Zeit zu minimieren, wurden in diesem Beispiel anfangs mehrere Variabeln aus der Messkurve extrahiert, um den geeignetsten Startpunkt für das Fitting zu finden. Auf diesem Startpunkt basierend, wurde die Parameter für das Aspirieren Schritt für Schritt angepasst, wie dies in den 1 bis 5 dargestellt ist. Dabei zeigen
1 Schritt 1, bei dem die Probendichte, der Benetzungskontaktwinkel und das Vorhandensein einer Systemflüssigkeit in Betracht gezogen wurden;
2 Schritt 2, bei dem die Aspiriergeschwindigkeit und der Radius der Pipettenspitze in Betracht gezogen wurden;
3 Schritt 3, bei dem die Viskosität der Probe in Betracht gezogen wurde;
4 Schritt 4, bei dem die statische (Diluter/Kolben) Reibung in Betracht gezogen wurde;
5 Schritt 5, bei dem das Dämpfungsverhaltung der Systemflüssigkeit in Betracht gezogen wurde. Diese Kurve wird in der Folge als Iterationskurve bezeichnet.
Diese Prozedur wurde für die Probenabgabe (Dispens) entsprechend, jedoch wie vorstehend erwähnt mit nur vier ausgewählten Parametern durchgeführt (nicht gezeigt).
In 1 liegen – nach einem ersten Anpassungsschritt, bei dem die Probendichte, der Benetzungskontaktwinkel und das Vorhandensein einer Systemflüssigkeit in Betracht gezogen wurden – die Anfangssignale der Messkurve 41 und der simulierten Kurve 42 auf dem gleichen Niveau und definieren im Mittel den Nullpunkt des Druckes. Trotz eines recht ähnlichen Verlaufes dieser beiden Kurven liegen die beiden grossen stark abfallenden Flanken (links), die beiden leicht abfallenden Plateaus (Mitte) und auch die beiden schnell aufsteigenden Flanken (rechts) noch deutlich auseinander. Die Signale am Ende der beiden Kurven stimmen jedoch bereits sehr gut überein.
In 2 liegen – nach einem zweiten Anpassungsschritt, bei dem die Aspiriergeschwindigkeit und der Radius der Pipettenspitze in Betracht gezogen wurden – die beiden grossen stark abfallenden Flanken (links) der Messkurve 41 und der Kurve 42 praktisch auf einander. Die beiden leicht abfallenden Plateaus (Mitte) und auch die beiden schnell aufsteigenden Flanken (rechts) sind sich ein bisschen näher gekommen, liegen jedoch noch deutlich auseinander.
In 3 liegen – nach einem dritten Anpassungsschritt, bei dem die Viskosität der Probe in Betracht gezogen wurde – die beiden grossen stark abfallenden Flanken (links) praktisch auf einander. Die beiden leicht abfallenden Plateaus (Mitte) der Messkurve 41 und der Kurve 42 sind sich noch näher gekommen und sind einander zum Teil überlagert. Die beiden schnell aufsteigenden Flanken (rechts) liegen jetzt praktisch auf einander. Auffallend sind jedoch noch die starken Unterschiede beim Einschwingen in die leicht abfallenden Plateaus.
In 4 liegen – nach einem vierten Anpassungsschritt, bei dem die statische (Diluter/Kolben) Reibung in Betracht gezogen wurde – die beiden grossen stark abfallenden Flanken (links) wieder etwas auseinander. Die beiden leicht abfallenden Plateaus (Mitte) sind sich sehr nahe gekommen und sind einander zum Teil überlagert. Insbesondere die Werte vor dem Anstieg der rechten Flanke liegen jetzt sehr nahe beieinander. Die beiden schnell aufsteigenden Flanken (rechts) liegen praktisch auf einander und die starken Unterschiede beim Einschwingen der Messkurve 41 und der simulierten Kurve 42 in die leicht abfallenden Plateaus sind reduziert worden.
In 5 liegen – nach einem fünften Anpassungsschritt, bei dem das Dämpfungsverhaltung der Systemflüssigkeit in Betracht gezogen wurde – die beiden grossen stark abfallenden Flanken (links) nahe beieinander und verlaufen praktisch parallel zueinander. Die beiden leicht abfallenden Plateaus (Mitte) sind sich sehr nahe gekommen und sind einander zum Teil überlagert. Insbesondere die Werte vor dem Anstieg der rechten Flanke liegen jetzt sehr nahe beieinander. Die beiden schnell aufsteigenden Flanken (rechts) liegen nun aufeinander und die starken Unterschiede beim Einschwingen in die leicht abfallenden Plateaus sind weiter reduziert worden. Die hier erhaltene simulierte Kurve 42 wird in der Folge als Iterationskurve 43 bezeichnet. Die hier beispielhaft bezeichneten Messkurventeile 44 werden mit den entsprechenden Iterationskurventeilen 46 verglichen, wobei eine Abweichung dieser beiden Kurventeile, die grösser ist als die hier gerade erreichten Schwellenwerte 45, als Entscheidungskriterium zum Akzeptieren oder Verwerfen der Pipettierung genommen werden kann.
Wie gezeigt stimmen die mit diesem Modell simulierten Kurven weitgehend mit tatsächlich gemessenen Druckkurven überein. Allerdings weisen die simulierten Kurven keinerlei Signal-Rauschen auf. Dieses Rauschen macht sich vor allem in den leicht abfallenden Plateaus bemerkbar und trägt dort wesentlich zur Unterscheidbarkeit der beiden Kurven bei. Es wurde zudem aufgezeigt, dass die simulierte Kurve 42 durch ein Anpassen der physikalischen Parameter mittels speziell entwickelten Fitting-Routinen bis zu einer sehr guten Übereinstimmung der Itera tionskurve 43 mit der tatsächlich gemessenen Druckkurve 41 gebracht werden konnte.
Alle im Zusammenhang mit dem Erfassen des Druckverlaufs im Fluidraum eines erfindungsgemässen Pipettiergeräts erwähnten Vorteile und Merkmale gelten sinngemäss auch für das Erfassen des Flusses im Fluidraum eines erfindungsgemässen Pipettiergeräts.
3. Vergleich der Iterationskurve mit der aktuellen Messkurve
Basierend auf spezifischen Unterschieden zwischen diesen beiden Kurven für das Aspirieren oder das Dispensieren können nun korrekt pipettierte Proben von inkorrekt pipettierten Proben unterschieden werden. Dabei werden vorzugsweise spezifische Diskriminatoren verwendet, um Fehler zu qualifizieren und in speziellen Fällen sogar potentielle Fehler zu quantifizieren.
Während des Pipettierens können unterschiedliche Fehler passieren, welche auf Eigenschaften der pipettierten Proben, der verwendeten Pipettenspitzen und Gefässe sowie der verwendeten Pipettiergeräte zurückgeführt werden können. Alle diese Fehler manifestieren sich durch spezifische Signaturen oder Veränderungen in den gemessenen Druck- oder Flusskurven. An Hand dieser Signaturen können deshalb diese Fehler erkannt und voneinander unterschieden werden. Damit das erfindungsgemässe Pipettiergerät möglichst flexibel und für alle nur denkbaren Anwendungen einsetzbar ist wurden bisher etwa 100 Unterscheidungsparameter identifiziert. Auf der Grundlage von ganzen Sätzen aus Druck- oder Flusskurven die stellvertretend für unterschiedlichen Pipettieranwendungen stehen, wurden die am besten geeigneten Parameter ausgewählt und in den hier vorgeschlagenen Unterscheidungsalgorithmus implementiert. Die Details solcher Unterscheidungsparameter und deren Kombination mit entsprechenden Algorithmen sind an sich bekannt und werden hier deshalb nicht ausführlich erläutert.
4. Mögliche Verwendungen der Modellparameter
Die Ausführung des Pipettierens hängt von mehreren Parametern ab, zu denen die Umweltbedingungen, die Probeneigenschaften und die Instrumenteigenschaf ten zählen. Zumindest teilweise mussten diese Parameter in das physikalische Modell des bereits beschriebenen Pipettierkanals eingebaut werden. Wegen der Natur des physikalischen Modells und des Einpassens oder Fittings werden die für das Fitting bzw. das Anpassen der simulierten Kurve an die Messkurve verwendeten Parameter im Laufe des Verfahrens vom Prozessor des erfindungsgemässen Pipettiergeräts als Näherungswerte ausgegeben. Aus diesem Grunde kann das Resultat des Anpassungsprozesses nicht nur verwendet werden, um korrekte Pipettierkurven von unkorrekten zu unterscheiden.
Ein erfindungsgemässes Pipettiergerät, in dessen Steuerung sich das hier beschriebene Computerprogrammprodukt bevorzugt aktivieren lässt, so dass dieses befähigt wird, Pipettierungen und damit auch die jeweils pipettierten Flüssigkeitsproben auf Grund der erfassten physikalischen Parameter individuell zu akzeptieren oder zu verwerfen, ist in der Schweizer Patentanmeldung CH 01223/05 des gleichen Anmelders offenbart. Dieses Pipettiergerät beruht auf der Druckmesstechnik und ist in den 6 bis 11 schematisch und in bevorzugten, beispielhaften Ausführungsformen dargestellt. Dabei zeigt:
6 einen Vertikalschnitt durch eine Pipettiervorrichtung;
7 einen Teilschnitt durch eine elektromechanische Variante einer alternativen, pumpen-unabhängigen Impulseinheit;
8 einen Vertikalschnitt durch ein zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Geräts bzw. Systems, gemäss einer ersten Ausführungsform und gemäss einer ersten Verwendung;
9 einen Vertikalschnitt durch ein zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Geräts bzw. Systems, gemäss einer zweiten Ausführungsform und gemäss einer zweiten Verwendung;
10 einen Vertikalschnitt durch ein zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Geräts bzw. Systems, gemäss einer dritten Ausführungsform und gemäss einer dritten Verwendung;
11 einen Vertikalschnitt durch ein zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Geräts bzw. Systems, gemäss einer dritten Ausführungsform und gemäss einer vierten Verwendung.
6 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Pipettiergerät 1. Dieses zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Gerät bzw. System umfasst eine Kolbenpumpe. Diese Pumpe 4 ist beispielsweise eine „CAVRO XP3000 plus Modular Digital Pump" (Tecan Systems Inc., 2450 Zanker Road, San José, CA 95138, USA) oder eine Balgpumpe, wie sie z.B. aus US 5,638,986 bekannt ist. Angetrieben wird der Kolben 15 durch den Motor M. Diese Vorrichtung umfasst zudem eine an sich bekannte, wegwerfbare Pipettenspitze 2, die auf eine einen Fluidraum 5 enthaltende, rohrförmige Pipette aufgesteckt ist. Die Pipettenspitze 2 ist an einer Halterung 21 befestigt. Im Fluidraum 5 befindet sich eine Säule 12, die durch eine Systemflüssigkeit 13 gebildet wird. Der Fluidraum 5 erstreckt sich vom aktiven Teile der Pumpe, d.h. vom Kolben 15, über eine entsprechend den Geräterfordernissen ausgebildete Pumpleitung 3, die Systemflüssigkeitssäule 13 und ein AIR-GAP 22 bis zur Spitze der Pipettenspitze 2. Die ganze, wegnehmbare bzw. wegwerfbare Pipettenspitze 2 ist mit einem Gas (üblicherweise Luft) gefüllt und leicht in eine Flüssigkeitsprobe eingetaucht, die sich in einem Behälter befindet. Das Eintauchen der Pipettenspitze 12 in die Probenflüssigkeit bewirkt im Fluidraum 5 Druckveränderungen bzw. Druckschwankungen. Diese Druckveränderungen bewirken im pneumatisch mit dem Fluidraum 5 verbundenen (vorzugsweise durch eine flexible Membran 23 getrennten) Messraum 24 ebenfalls Druckveränderungen, welche vom Druckfühler 6 aufgenommen und in Messsignale umgewandelt werden. Diese Messsignale werden von dem Prozessor 8 verarbeitet und können als Druckkurve 41 (vgl. 1–5) auf einem Bildschirm 25 oder einem Drucker 26 wiedergegeben und damit einem Operator angezeigt werden. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen zusätzlichen Druckfühler 6' im Bereich der Pumpleitung 3, welche als sogenanntes „Tubing" die Pipette mit der Kolbenpumpe 4 verbindet. Dieser zusätzliche Druckfühler 6' ist vorzugsweise ebenfalls mit dem Prozessor 8 verbunden (nicht gezeigt). Alternative Pipettenspitzen umfassen die gezeigten Wegwerftips aus inertem Kunststoffmaterial, z.B. aus kostengünstigem Polypropylen. Auch Stahlnadeln (mit oder ohne z.B. mit Titan, Platin oder Teflonderivaten beschichteten Spitzen) sind ebenfalls verwendbar und werden dann vorzugsweise als fix installierte, nicht wegwerfbare Pipettenspitzen verwendet.
7 zeigt einen Teilschnitt durch eine elektromechanische Variante eines alternativen, pumpen-unabhängigen Impulsgebers 19, mit welchem ebenfalls Druckveränderungen im Fluidraum 5 erzeugbar sind. Die Pumpleitung 3 wird durch einen Zylinder 27 geführt. Im Innern dieses Zylinders 27 ist ein Kolben 28 mit einem Keil 29 angeordnet, der im wesentlichen rechtwinklig gegen die geschlossene Oberfläche der Pumpleitung 3 bewegbar ist. Der Keil 29 ist vorzugsweise aus weichem Kunststoffmaterial und/oder weist ein abgerundete Kante auf, damit die Pumpleitung 3 nicht beschädigt wird. Es können auch andere Formen für den Keil 29 gewählt werden, wie Kugeln oder Körper mit ebenen oder gekrümmten Flächen. Ein vorzugsweise fester Boden 30 schliesst den Zylinder 27 auf der dem Kolben 28 gegenüber liegenden Seite ab. Diese Bewegung deformiert reversibel die Pumpleitung 3, was den besagten Impuls auslöst. Es können Einzelimpulse oder auch Impulsserien ausgelöst werden, so dass die Fluidsäule nur kurz bewegt oder aber in eine Schwingung versetzt werden kann. Vorzugsweise kann dieser Impulsgeber unabhängig vom Bewegen der Pipette in einer X-, Y- oder Z-Richtung und unabhängig vom Betrieb der Pumpe 4 betrieben werden. Dieser Impulsgeber 19 eignet sich vorzüglich zum Detektieren von Gasblasen in der Systemflüssigkeit 13, welche sich im Fluidraum 5 befindet. Als Antrieb dient z.B. eine Spule 31.
8 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Geräts bzw. Systems, gemäss einer ersten Ausführungsform und gemäss einer ersten Verwendung. Diese Vorrichtung umfasst einen Fluidraum 5, der mit einem Messraum 24 in Verbindung steht. Diese Verbindung ist hier als ein direkter, offener Durchgang zwischen den beiden Räumen 5, 24 ausgebildet. Der Innendruck des Messraums 24 wird mit einer als Druckfühler ausgebildeten Mess-Sonde 6 überwacht, der mit einem Prozessor 8 verbunden ist. In einer alternativen Ausführungsform könnte der Druckfühler 6 direkt mit dem Fluidraum 5 verbunden sein (nicht gezeigt). Der ganze Fluidraum 5 der Pipette oder Pipettenspitze 2, ist hier mit einem Gas 14 gefüllt. Die Pipettenspitze 2 berührt die Oberfläche einer Flüssigkeit, die als Probe in einem Behälter vorgelegt ist. Solche Behälter können eine beliebige Form und einen beliebigen Inhalt aufweisen und sind z.B. als Probenröhrchen, Wells einer Mikroplatte, Tröge, oder Petrischale ausgebildet. Beim Eintauchen der Pipettenspitze in die Probenflüssigkeit erfährt die Gassäule 14 im Fluidraum 5 Druckveränderungen bzw. Druckschwankungen.
9 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Geräts bzw. Systems, gemäss einer zweiten Ausführungsform und gemäss einer zweiten Verwendung. Diese Vorrichtung umfasst einen Fluidraum 5, der mit einem Messraum 24 in Verbindung steht. Tatsächlich bildet hier der Fluidraum 5 gleichzeitig auch den Messraum 24. Der Innendruck des Messraums 24 wird mit einer als Druckfühler ausgebildeten Mess-Sonde 6 überwacht, die mit einem Prozessor 8 verbunden ist. Der Fluidraum 5 einer Pipette oder Pipettenspitze 2 berührt die Oberfläche einer Flüssigkeit. Beim Eintauchen der Pipettenspitze in die Flüssigkeit erfährt die Systemflüssigkeitssäule 13 im Fluidraum 5 Druckveränderungen bzw. Druckschwankungen.
10 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Geräts bzw. Systems, gemäss einer dritten Ausführungsform und gemäss einer dritten Verwendung. Diese Vorrichtung umfasst einen Fluidraum 5, der mit einem Messraum 24 in Verbindung steht. Diese Verbindung ist hier als eine zwischen den beiden Räumen 5, 24 abdichtend angeordnete, flexible Membran 23 ausgebildet. Der Innendruck des Messraums 24 wird mit einem Druckfühler 6 überwacht, der mit einem Prozessor 8 verbunden ist. Ein erster Teil des Fluidraums, der hier nur den hinteren Teil des Fluidraums 5 einer Pipette oder Pipettenspitze 2 umfasst, ist hier mit einem AIR-GAP 22 und mit Systemflüssigkeit 13 gefüllt. Die Systemflüssigkeit 13 kann hier aber auch weggelassen werden. Vorzugsweise ist, vor allem in der ersten Ausführungsform (vgl. 8), in welcher diese Verbindung als ein direkter, offener Durchgang zwischen den beiden Räumen 5, 24 ausgebildet ist, das AIR-GAP 22 in der Region des Messraums 24 angeordnet. Bei der hier vorliegenden Ausführungsform ist dies jedoch nicht zwingend, weil die Membran 23 den Messraum 24 vor eindringender Proben- oder Systemflüssigkeit schützt. Die Pipettenspitze 2 ist etwas in die Flüssigkeit eingetaucht und Probenflüssigkeit wurde bereits in die Pipettenspitze 2 aufgezogen. Beim Aufziehen bzw. Aspirieren von Probenflüssigkeit erfährt die Fluidsäule im Fluidraum 5, die hier Probenflüssigkeit, ein Gas 14 und eventuell Systemflüssigkeit 13 umfasst, Druckveränderungen bzw. Druckschwankungen.
11 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Geräts bzw. Systems, gemäss einer dritten Ausführungsform und gemäss einer vierten Verwendung. Diese Vorrichtung ist gleich ausgebildet wie die in 10 gezeigte. Der ganze Fluidraum 5 einer Pipette oder Pipettenspitze 2, ist hier im Bereich der Spitze mit einem AIR-GAP 22 und sonst mit Systemflüssigkeit 13 gefüllt. Bei der hier vorliegenden Ausführungsform schützt die Membran 23 den Messraum 24 vor eindringender Systemflüssigkeit 13. Die Pipettenspitze 2 ist etwas in die Flüssigkeit eingetaucht. Beim Aufnehmen von Probenflüssigkeit erfährt die Fluidsäule im Fluidraum 5, die hier ein Gas 14 und Systemflüssigkeit 13 umfasst, Druckveränderungen bzw. Druckschwankungen.
Abweichend von den gezeigten Kolbenpumpen 4, bei der das Bewegungsmittel 11 der Kolben 15 ist, kann das erfindungsgemässe Pipettiergerät 1 auch mit einer Mikropumpe ausgerüstet sein, welche eine Membran 16 und/oder einen Aktuator 17 umfasst (nicht gezeigt), die in diesem Fall als Bewegungsmittel 11 ausgebildet sind. Entsprechende Mikropumpen sind seit langem bekannt und beispielsweise in EP 1 142 624 A2 oder US 6,179,584 B1 beschrieben. Eine ebenfalls verwendbare, alternative Zahnradpumpe (nicht gezeigt), bei der das Zahnrad 18 dieses Bewegungsmittel 11 darstellt, ist beispielsweise in DE 1 703 406 A1 beschrieben. Auch andere Pumpen, wie z.B. allseits bekannte Peristaltikpumpen, können zur Förderung der Systemflüssigkeit verwendet werden.
Herausragende Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen:

• Das in dem erfindungsgemässen Pipettiergerät aktivierbare Computerprogrammprodukt beruht auf einem – eigentlich konterintuitiven – Approach, gemäss welchem unter Verwendung eines physikalischen Modells und unter Berücksichtigung von praktischem Know-How eine Kurve simuliert, diese einer aktuellen Messkurve angenähert und schliesslich mit der Messkurve verglichen wird, indem: – ein mathematisches Modell zum Errechnen einer simulierten Kurve verwendet wird, wobei alle wesentlichen Parameter berücksichtigt werden; – die simulierte Kurve der aktuellen Messkurve angenähert wird, wobei veränderliche Parameter (wie z.B. Probenviskosität, Oberflächenspannung, Dichte der Probenflüssigkeit und die Geometrie der Pipettenspitze) systematisch verändert werden, um eine Iterationskurve zu erhalten; – die aktuelle Messkurve mit der Iterationskurve verglichen wird, wobei eine Analyse von kurvenspezifischen Elementen (wie z.B. Steigungen, Maxima, Nulldurchgänge) durchgeführt wird; – eine Klassifikation jeder einzelnen Pipettierung auf Grund dieses Vergleichs der Messkurve mit der Iterationskurve erstellt wird, wobei bestimmbare Kriterien, wie z.B. der Anteil des Fehlvolumens als Basis dienen, und – diese Klassifikation einer Pipettierung der entsprechenden Probe zugeordnet wird.
• Das erfindungsgemässe Pipetiergerät umfasst vorzugsweise ein Computerprogrammprodukt, welches in drei Ebenen auf spezifische Applikationen anpassbar ist: – das Unterscheiden von Parametern („Strictness"), wobei diese „Strictness" den Toleranzbereich zwischen einem Iterationskurventeil 46 und dem entsprechenden Messkurventeil 44 definiert. Unterscheidungsmerkmale dieser Kurven umfassen (vgl. 5) Unterschiede im Überschwingen, in der Steigung, in den Wendepunkten, in lokalen Maxima und Minima sowie in den Überschneidungen ihrer Plateaus 41, 43; – das Vertauschen oder Kombinieren von zur Zeit etwa 100 Unterscheidungsmerkmalen, das als sogenanntes „Plug In" programmiert ist; – der Wechsel des physikalischen Modells.
• Das erfindungsgemässe Pipettiergerät erlaubt eine sehr spezifische und zugleich eine sehr empfindliche Fehlerkontrolle: Das Erfassen von tolerierbaren Veränderungen des Druckverlaufs bzw. des Flussverlaufs im erfindungsgemässen Pipettiergerät erlaubt das positive Erfassen von pipettierten Volumina mit einem vernachlässigbaren Volumendefizit und das Unterscheiden von solchen Volumina, die ein nicht-tolerierbares Fehlvolumen aufweisen.

1: Pipettiergerät
2: Pipettenspitze
3: Pumpleitung
4: Pumpe
5: Fluidraum
6: Mess-Sonde
7: Gerätesteuerung
8: Prozessor
9: Speicher
10: fluidgefüllter Raum
11: Bewegungsmittel
12: Säule
13: Systemflüssigkeit
14: Gas, Gassäule
15: Kolben
16: Membran
17: Aktuator
18: Zahnrad
19: Impulsgeber
20: Pipettenspitzenöffnung
21: Halterung
22: AIR-GAP
23: flexible Membran
24: Messraum
25: Bildschirm
26: Drucker
27: Zylinder
28: Kolben
29: Keil
30: fester Boden
31: Spule
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41: Messkurve
42: simulierte Kurve
43: Iterationskurve
44: Messkurventeile
45: Schwellenwerte
46: Iterationskurventeile

Claims

Pipettiergerät (1) umfassend: (a) eine Pipettenspitze (2) zum Aufnehmen und Abgeben von Flüssigkeitsproben, (b) eine über eine Pumpleitung (3) mit der Pipettenspitze (2) verbundene Pumpe (4) zum Erzeugen eines Unterdrucks oder Überdrucks in der Pipettenspitze (2); (c) einen durch die Pipettenspitze (2) und/oder die Pumpleitung (3) definierten Fluidraum (5); (d) eine mit diesem Fluidraum (5) wirkverbundene Mess-Sonde (6) zum Erfassen von in diesem Fluidraum (5) sich während dem Pipettieren ergebenden physikalischen Parametern; und (e) eine Gerätesteuerung (7) mit einem Prozessor (8), in welchem ein aktiviertes Computerprogrammprodukt die Steuerung (7) des Pipettiergeräts (1) befähigt, pipettierte Flüssigkeitsproben auf Grund der erfassten physikalischen Parameter individuell zu akzeptieren oder zu verwerfen, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Pipettiergerät zudem umfasst: (f) einen Speicher (9) zum Abspeichern einer aktuellen, während des Pipettierens erfassten Messkurve (41) und einer simulierten Kurve (42) für einen solchen Pipettiervorgang; und (g) ein Computerprogrammprodukt, welches in aktiviertem Zustand den Prozessor (8) dieses Pipettiergeräts (1) befähigt, diese simulierte Kurve (42) zu generieren und der aktuellen Messkurve (41) iterativ anzunähern um eine Iterationskurve (43) zu erstellen und dann die Pipettierung an Hand von in der aktuellen Messkurve (41) bestehenden Messkurventeilen (44), die von definierten Schwellenwerten (45) in Bezug auf entsprechende Kurventeile (46) der Iterationskurve (43) abweichen, einer von mehreren Entscheidungsqualitäten zuzuordnen.
Pipettiergerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Sonde (6) ein Druckmessfühler ist, wobei die während dem Pipettieren erfasste Messkurve den Druckverlauf im Fluidraum (5) dieses Pipettiergeräts (1) darstellt.
Pipettiergerät (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmessfühler über einen fluidgefüllten Raum (10) pneumatisch mit dem Fluidraum (5) wirkverbunden ist und das Pipettiergerät (1) ein Bewegungsmittel (11) umfasst, das in fluidischer Wirkverbindung mit einer Säule (12) aus Systemflüssigkeit (13) steht, die sich innerhalb des Fluidraums (5) befindet und das zum Erzeugen einer vertikalen Bewegung dieser Flüssigkeitssäule (13) ausgebildet ist, wobei der Druckmessfühler zum Erfassen der durch die vertikale Bewegung dieser Flüssigkeitssäule (13) im fluidgefüllten Raum (10) erzeugten Druckschwankungen ausgebildet ist.
Pipettiergerät (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmessfühler direkt im Fluidraum (5) angeordnet ist und das Pipettiergerät (1) ein Bewegungsmittel (11) umfasst, das in fluidischer Wirkverbindung mit einer Säule (12) aus Gas (14) steht, die sich innerhalb des Fluidraums (5) befindet und das zum Erzeugen einer vertikalen Bewegung dieser Gassäule (14) ausgebildet ist, wobei der Druckmessfühler zum Erfassen der durch die vertikale Bewegung dieser Gassäule (14) erzeugten Druckschwankungen im Fluidraum (5) ausgebildet ist.
Pipettiergerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Sonde (6) ein Flussmessfühler ist, wobei die während dem Pipettieren erfasste Messkurve den Flussverlauf im Fluidraum (5) dieses Pipettiergeräts (1) darstellt.
Pipettiergerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Bewegungsmittel (11) umfasst, das in fluidischer Wirkverbindung mit einer Säule (12) aus Systemflüssigkeit (13) steht, die sich innerhalb des Fluidraums (5) befindet, und das zum Erzeugen einer vertikalen Bewegung dieser Flüssigkeitssäule (13) ausgebildet ist, wobei der Flussmessfühler zum Erfassen der durch die vertikale Bewegung dieser Flüssigkeitssäule (13) in diesem Fluidraum (5) erzeugten Flussschwankungen ausgebildet ist.
Pipettiergerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Bewegungsmittel (11) umfasst, das in fluidischer Wirkverbindung mit einer Säule (12) aus Gas (14) steht, die sich innerhalb des Fluidraums (5) befindet, und das zum Erzeugen einer vertikalen Bewegung dieser Gassäule (14) ausgebildet ist, wobei der Flussmessfühler zum Erfassen der durch die vertikale Bewegung dieser Gassäule (14) in diesem Fluidraum (5) erzeugten Flussschwankungen ausgebildet ist.
Pipettiergerät (1) nach einem der Ansprüche 3, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4) als Kolbenpumpe ausgebildet ist, und dass der Kolben (15) der Pumpe (4) dieses Bewegungsmittel (11) ist.
Pipettiergerät (1) nach einem der Ansprüche 3, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4) als Mikropumpe ausgebildet ist, und dass eine Membran (16) und/oder ein Aktuator (17) der Pumpe (4) dieses Bewegungsmittel (11) ist.
Pipettiergerät (1) nach einem der Ansprüche 3, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4) als Zahnradpumpe ausgebildet ist, und dass das Zahnrad (18) der Pumpe (4) dieses Bewegungsmittel (11) ist.
Pipettiergerät (1) nach einem der Ansprüche 3, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Bewegungsmittel (11) unabhängig von der Art und Anordnung der Pumpe (4) als Impulsgeber (19) ausgebildet ist, der auf die Pumpleitung (3) einwirkend ausgebildet ist.
Pipettiergerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktivierte Computerprogrammprodukt den Prozessor (8) dieses Pipettiergeräts (1) befähigt: (a) aus vorbekannten, in den Prozessor eingegebenen Variabeln, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, welche einen einer Flüssigkeitsklasse zugeordneten Parametersatz, ein zu pipettierendes Flüssigkeitsvolumen und einen Typ einer zu verwendenden Pipettenspitze umfasst; (b) aus typischen, im Prozessor gespeicherten und die ausgewählte Flüssigkeitsklasse charakterisierenden Pipettierparametern, deren genaue Grösse unbekannt ist und die ausgewählt sind aus einer Gruppe, welche die Viskosität und die Dichte der Probenflüssigkeit umfasst; und (c) aus typischen, im Prozessor gespeicherten und von der Probenflüssigkeit unabhängigen, unbekannten Parametern, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, welche den Öffnungsdurchmesser der Pipettenspitze und die Benetzbarkeit der Pipettenspitze umfasst; eine simulierte Kurve (42) für einen Pipettiervorgang zu erstellen, die grundsätzlich dem Druckverlauf oder dem Flussverlauf in diesem Fluidraum (5) entspricht.
Pipettiergerät (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Parametersatz einer Flüssigkeitsklasse aus Variabeln besteht, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, welche den Typ, die Rampenparameter und die Fördergrössen der verwendeten Pumpe (4), das Verwenden und das Volumen eines „AIR GAP", die Ein- und Austauchgeschwindigkeit der Pipettenspitze, die Eintauchtiefe der Pipettenspitze, Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen der Bewegungen der Pipettenspitze umfasst.
Pipettiergerät (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das aktivierte Computerprogrammprodukt den Prozessor (8) dieses Pipettiergeräts (1) befähigt, die simulierte Modellkurve (42) der aktuellen Messkurve (41) durch Variation der unbekannten Parameter der Gruppen (b) und (c) anzunähern, bis die Iterationskurve (43) erhalten wird.
Pipettiergerät (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das aktivierte Computerprogrammprodukt den Prozessor (8) dieses Pipettiergeräts (1) befähigt: (a) die Iterationskurve (43) in deren charakteristischen Teile (46) zu zerlegen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Wendepunkte, Perioden, Frequenzen, lokale Maxima und Minima sowie Steigungen umfasst; (b) Abweichungen in den entsprechenden Teilen (44) der aktuellen Messkurve (41) gegenüber definierten Schwellenwerten (45) in Bezug auf die entsprechenden Iterationskurventeile (46) festzustellen, und an Hand dieser Abweichungen die Pipettierung einer von mehreren Entscheidungsqualitäten zuzuordnen.
Pipettiergerät (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das aktivierte Computerprogrammprodukt den Prozessor (8) dieses Pipettiergeräts (1) befähigt, die Pipettierung einer Entscheidungsqualität zuzuordnen, die ausgewählt ist aus der Gruppe die gebildet wird durch: (a) akzeptierte Pipettierung, und (b) verworfene Pipettierung.