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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf Labortechnologie und betrifft die Überwachung von Flüssigkeit in einem Gefäß nach einem Flüssigkeitshandhabungsverfahren (Verteilung oder Entfernen). Die Erfindung kann insbesondere in automatisierten Multikanalinstrumenten wie Verteilern, Waschvorrichtungen und Kennzeichenlesern verwendet werden.
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Technischer Hintergrund
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In Laboren werden viele Arten von Platten verwendet, die eine Mehrzahl von Gefäßen für Flüssigkeiten umfassen. Ein typisches Beispiel ist die so genannte Mikrotitrationsplatte, die eine Matrix von 8 × 12 Gefäßen (oder Quellen) mit 9 mm Beabstandung aufweist. Es gibt auch automatische Instrumente zum Verteilen von Flüssigkeit in oder Absaugen von Flüssigkeit aus den Gefäßen. Um einen schnellen Betrieb zu erzielen, werden oft Multikanalinstrumente verwendet. Beispielsweise werden mit den Mikrotitrationsplatten oft Achtkanalinstrumente verwendet. Solche Instrumente umfassen üblicherweise eine peristaltische Pumpe mit einem gemeinsamen Rotor für die verschiedenen Kanäle. Beispielsweise beschreibt die
WO 8806138 solch ein Verteilungsinstrument. Beispiele für kommerziellen Produkte sind Multidrop
TM Verteiler (Thermo Fisher Scientific Oy, Finnland). Solche Verteilungsinstrumente können auch mit einem optischen Messapparat verbunden werden.
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Ein Problem bei den oben genannten Multikanalinstrumenten ist, dass einer oder mehrere Kanäle verstopft sein können. Dies führt zu einem Fehler bei dem Betrieb des Instruments, so dass die Flüssigkeit nicht hinein in oder hinaus aus einem Gefäß verteilt wird, wenn es erforderlich ist. Wenn der Fehler nicht bemerkt wird, kann ein ernsthafter Fehler passieren, beispielsweise bei klinischen Analysen.
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US 2009/0032064 beschreibt ein Plattenwaschsystem, bei dem die Verteil- oder Absaugrohre in einem spezifischen Flüssigkeitstank unter Verwendung von Ultraschallwellen gewaschen werden. Das Dokument beschreibt auch ein System zum überwachen, ob das Verteilungs- oder Absaugverfahren richtig funktioniert. Das Überwachen wird kapazitiv, mit Ultraschall, optisch oder durch direkte Kontaktmessungen ausgeführt. Das Dokument stellt nicht die Details für die technische Implementation der optischen Überwachung bereit. Es ist nur eine fotometrische optische Dichtenmessung einer gefärbten Testflüssigkeit beschrieben, die in einem separaten Fotometer ausgeführt wird.
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In einigen Fotometern ist es auch möglich, die Höhe der Flüssigkeitssäule in der Quelle einer Microtitrationsquelle fotometrisch zu messen. Solche Instrumente sind beispielsweise VarioskanTM und Multiskan GoTM Instrumente (Thermo Fisher Scientific Oy, Finnland). Das Ziel ist es, die exakte Länge des Lichtweges herauszufinden, wobei diese Länge in einigen Prozeduren benötigt wird, beispielsweise bei DNA Konzentrationsmessungen. Diese Messungen werden bei 1000 nm ausgeführt.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Nun wurde eine Erfindung entsprechend der Ansprüche gemacht.
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Gemäß der Erfindung wird ein Flüssigkeitshandhabungsverfahren ausgeführt, wobei bei diesem Verfahren Flüssigkeit in einem Flüssigkeitshandhabungsapparat in ein Gefäß verteilt oder aus diesem abgesaugt wird. Nach dem Verfahren wird die optische Dichte des Gefäßes vertikal in dem Flüssigkeitshandhabungsapparat gemessen, um das verbleibende Flüssigkeitsvolumen zu detektieren und so zu überwachen, ob das Verfahren wie beabsichtigt abgeschlossen wurde. Somit kann beispielsweise überprüft werden, dass nach einem Verteilungsschritt das Gefäß wirklich Flüssigkeit enthält oder dass nach einem Abgesaugschritt das Gefäß wirklich leer ist (abgesehen von einem prinzipiell verbleibenden Rest). Üblicherweise wird eine Serie von Verteilungen und Absaugungen durchgeführt und die Überprüfungsmessung kann nach jeden Schritt durchgeführt werden. Üblicherweise wird eine eine Mehrzahl von Gefäßen umfassende Matrixplatte verwendet, so dass das Verfahren bei mehreren Gefäßen im selben Schritt ausgeführt wird.
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Im aktuellen Kontext bezieht sich das Merkmal ”Flüssigkeitshandhabungsverfahren” in seiner einfachsten Bedeutung auf einen Verteilungs- oder Absaugverfahren einer einzelnen Quelle. Bevorzugt wird eine Mehrzahl von Quellen, wie beispielsweise Quellen in einer Reihe einer Quellenplatte oder Quellen einer ganzen Quellenplatte, gleichzeitig in einem einzigen Flüssigkeitshandhabungsverfahren gehandhabt.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird die Messung der optischen Dichte bei der Wellenlänge 1150 nm–1250 nm bestimmt, bevorzugt bei der Wellenlänge 1175 nm–1220 nm. Bei der optimalen Wellenlänge von 1100 nm–1230 nm für das Auslesen der Weglänge ist die Wasserabsorption 1.25 A für 10 mm Weglänge. Wenn die Auslesegenauigkeit ungefähr zehn mA ist, ist die entsprechende minimale Flüssigkeitsweglänge 0.08 mm. Folglich können sehr dünne Flüssigkeitsfilme vermessen werden.
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Ein Apparat nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Ausführen von mindestens einem Flüssigkeitshandhabungsverfahrens in mindestens einem Gefäß, wobei bei diesem Verfahren Flüssigkeit in das Gefäß hinein verteilt oder aus dem Gefäß heraus abgesaugt wird, eine Lichtquelle zum vertikalen Übertragen von Licht in das Gefäß, um zu überwachen, ob das Verfahren wie beabsichtigt erfolgte, und einen Detektor zum Empfangen des Lichts vertikal aus dem Gefäß, wobei die Lichtquelle und der Detektor dafür ausgelegt worden sind, die optische Dichte des Gefäßes mit seinem Inhalt zu messen zum Bestimmen des Flüssigkeitsvolumens in dem Gefäß, wobei die Messung der optischen Dichte bei der Wellenlängen von 1150 nm–1250 nm bestimmt wird, bevorzugt bei der Wellenlängen von 1175 nm–1225 nm.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Messung der optischen Dichte auch bei einer zweiten Wellenlänge bestimmt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der Apparat eine Mehrzahl von Gefäßen und eine Mehrzahl von Lichtquellen und Detektoren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die verwendete Lichtquelle eine pulsmodulierte LED, wobei die Nachrichteninformation in den Änderungen der Amplitude codiert ist. Die modulierte LED erlaubt das Dämpfen des Umgebungslichteffekts für die Messung. Bei der LED Modulation ist die Zeit zwischen An- und Ausschalten der LED ungefähr 10 ns. Dies erlaubt Rechteckwellenmodulationen mit mehr als 10 MHz. Wenn die Auslesezeit für ein einzelnes Gefäß 10 ms ist und die Modulationsfrequenz 10 kHz ist, können 1000 Pulse kombiniert werden, um ein einzelnes Weglängenergebnis zu erzeugen. Dies wird als eine gute Umgebungslichtdämpfung angesehen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der Apparat einen vor dem Detektor angeordneten Interferenzfilter, um eine zusätzliche Umgebungslichtdämpfung zu erzielen, denn die Filterbandbreiten vorteilhaft ungefähr 10% im Vergleich zu der Detektorbandbreite ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Ausführen von mindestens einem Flüssigkeitshandhabungsverfahren in mindestens einem Gefäß einen automatischen Verteiler und eine Waschvorrichtung mit robotischen Manipulatoren.
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Des Weiteren kann bei dem Apparat der Erfindung die Messung der optischen Dichte eingestellt werden, automatisch, mit einer benutzerdefinierten Frequenz oder manuell ausgeführt zu werden.
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Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen bilden einen Teil der schriftlichen Beschreibung der Erfindung. In den Zeichnungen zeigt
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1 einen Achtkanal-Verteilungs- oder Absaugkopf eines Flüssigkeitsverteilers und
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2 ein Waschverfahren und eine Volumendetektion mit einer Microtitrationsplatte.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung wird die optische Dichte eines Gefäß mit seinem Inhalt vertikal nach einem Flüssigkeitshandhabungsverfahren gemessen, um zu detektieren, ob das Verfahren wie beabsichtigt war. Somit kann detektiert werden, ob beispielsweise die Verstopfung eines Schlauchs einen Fehler in dem Verfahren verursacht hat. Typischerweise werden solche Verfahren mit einer Matrixplatte ausgeführt, die mehrere Gefäße umfasst, beispielsweise mit einer so genannten Mikrotitrationsplatte, so dass eine Mehrzahl von Gefäßen, d. h. Quellen einer Platte, in jedem Schritt gehandhabt werden.
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Wenn Verstopfungen nicht bemerkt und zum richtigen Zeitpunkt korrigiert werden, führen sie zu versteckten Fehlern in dem ausgeführten Verfahren. Dies kann verständlicherweise sehr entscheidend sein, beispielsweise bei einer klinischen Laboranalyse von Patientenproben, da es zu falschen positiven oder negativen Testergebnissen führt. Verteilungsdüsen sind typischerweise sehr schmal (beispielsweise < 0.5 mm), was das Verstopfungsrisiko erhöht. Eine Quelle von festen Verstopfungspartikeln sind Silikonschlauchpartikel von den peristaltischen Pumpen, die typischerweise in dieser Art von Instrumenten verwendet wird. Wenn die Verfahren automatisiert sind, erhöhen sich natürlich die Anzahl an Verfahren, die nacheinander durchgeführt werden, womit sich natürlich das Risiko eines Fehlers vergrößert. Mit einer Vielzahl Köpfe wird Flüssigkeit Reihe nach Reihe in Quellen verteilt. Eine Reihe enthält beispielsweise acht Quellen. In einem Mehrfachkopf, in dem es eine gemeinsame Druckquelle für alle Rohre gibt, werden potentielle Verstopfungen auch nicht durch den Druck entfernt. Verteilungs- und Absaugschritte werden typischerweise zum Beispiel in EIA (enzyme immune assay) und ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) Verfahren verwendet. Es kann eine große Anzahl an Verteilungen und Absaugungen geben (sogar beispielsweise 17 in einem typischen ELISA Verfahren). Zwischen den Verteilungen werden die Quellen geleert und dies kann durch Absaugen mit einem Mehrfachkopf gemacht werden. Der letzte Schritt bei diesem Verfahren ist das Messen einer optischen Dichte, um die Konzentration an Zielsubstanz zu berechnen. Die endgültige Messung der optischen Dichte kann in einem separaten Apparat ausgeführt werden oder der Messapparat kann in dem Verteilungs- und Absaugapparat integriert werden.
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Die Volumendetektion gemäß der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt nach jeder Absaugung und insbesondere nach jedem Flüssigkeitshandhabungsverfahren, d. h. nach jedem Absaugen oder Verteile, ausgeführt. Der Volumendetektionsapparat ist mit dem Verteilungs- und Absaugapparat integriert, so dass die Volumendetektion leicht während des Verfahrens des Verteilungs- und Absaugapparat ausgeführt werden kann.
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Die Messung wird bevorzugt durch Messung der Absorption durch das Gefäß hindurch ausgeführt. Die Messung wird bevorzugt bei 1150 nm–1250 nm ausgeführt, insbesondere bei 1175 nm–1220. In diesem Wellenlängenbereich ist die Absorptionskurve von Wasser, dessen Absorptionskurve sehr steil nach 1000 nm ansteigt, relativ flach, so dass es möglich ist, eine breite Messbandbreite mit hohen Signalniveaus zu verwenden, was eine schnelle Messung ermöglicht. Des Weiteren weist dieser Wellenlängenbereich auch ein optimales Absorptionsniveau für Messungen eines Flüssigkeitsvolumens auf. Dieser Wellenlängenbereich erfordert jedoch spezielle Detektoren, wie beispielsweise InGeA Detektoren. Das Problem mit den Lösungen des Standes der Technik ist, dass bei dem Wellenlängenbereich um 1000 nm die Absorption von Wasser zu niedrig für eine zuverlässige Detektion von dünnen Wasserfilmen ist. Allgemein verwendete Instrumente mit vertikalen Gefäßlesern, beispielsweise Plattenleser, sind nicht in der Lage, Absorption über 1000 nm zu detektieren, da die üblicherweise verwendeten Lichtquellen und Detektoren nicht in der Lage sind, diese Wellenlänge nahe IR zu erreichen.
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Eine Licht emittierende Dioden-(LED-)Lichtquelle wird bevorzugt verwendet, um Licht in das Gefäß zu übertragen. Eine LED Quelle stellt bestimmte Vorteile bereit:
- – hohe Intensität
- – geringer Energieverbrauch
- – leichte Hardware (kein Lampenwechsel ist erforderlich)
- – die Möglichkeit, Modulation zu verwenden, insbesondere mit hoher Frequenz, und
- – leichte Filterung (da die LED nahezu das richtige Wellenlängenband erzeugt).
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Es können auch Filter zum Begrenzen der Bandbreite verwendet werden.
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Die Erfindung kann auch wenn Multigefäßplatten verwendet werden mit nur einer Lichtquelle und einem Detektor ausgeführt werden.
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Detaillierte Beschreibung einiger Ausführungsbeispiel der Erfindung
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1 zeigt einen Mehrfachkopf 1 für Flüssigkeitsverteilung oder -absaugung. Der Kopf umfasst acht Düsen 2, die mit einer gemeinsamen Verteilungsmannigfaltigkeit 3 verbunden sind, und ein Zuführkanal 4 zum Zuführen von Flüssigkeit in die Verteilungsmannigfaltigkeit. Hier ist die dritte Spitze von links verstopft, so dass keine Flüssigkeit oder höchstens nur eine geringe Menge durch diese Spitze hinaus fließt.
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2 zeigt eine Anordnung, bei der die Quellen 6 von einer 8·12 Mikroquellenplatte 5 in einem Waschapparat gehandhabt werden, der einen Waschkopf 1.2 mit acht Verteilungsspitzen 2a und acht Absaugspitzen 2b umfasst. Der Kopf ist nach oben und unten beweglich. Wenn die Reihe an Quellen, die zu handhaben sind, unter den Kopf kommen, wird er von einer oberen Position abgesenkt, so dass die Spitzen in die Quellen eintreten. Nach der Handhabung wird der Kopf angehoben und die Platte wird bewegt, so dass die nächste Reihe unter den Kopf kommt. Bevor die Platte in den Waschapparat verbracht wird, wurden typischerweise Proben in die Quellen verteilt. Dann wurden die Proben inkubiert, so dass Zielsubstanz aus den Proben an die Flächen der Quelle gebunden ist. Dann ist der erste Schritt in dem Waschapparat das Entleeren der Quellen. Dann werden die Quellen einer Serie von Waschschritten unterzogen, bei denen Flüssigkeit, typischerweise Wasser, in die Quellen verteilt wird und danach aus den Quellen abgesaugt wird. Zielsubstanz kann auch an magnetische Partikel gebunden sein, die in dem Vorgang verwendet werden.
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Um sicherzustellen, dass die Flüssigkeit richtig in jede der Quellen verteilt wird und richtig aus jeder der Quellen abgesaugt wird, gibt es die Flüssigkeitssäulendetektionsstation 7. Die Station umfasst für jede Reihe von Quellen eine Lichtquelle 8 zum vertikalen Aussenden von Licht durch die Quelle nach oben, einen Detektor 9 zum Detektieren des transmittierten Lichts. Die Station umfasst ferner einen Filter 10 für das transmittierte Licht. Von dem Detektor werden die Signale für weitere Verarbeitung und Analyse weitergeleitet. Es gibt nur eine Detektionsstation und diese bewegt sich transversal über die Quellenreihe, so dass jede Quelle vermessen wird. Alternativ kann sich die Platte bewegen und die Detektionsstation stationär sein.
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2 zeigt einen Schritt, in dem Flüssigkeit (Proben- oder Waschflüssigkeit) von der Quelle 5 (beispielsweise in einer EIA oder ELISA Prozedur) entfernt wird, wobei die Platte nach rechts bewegt wird. Nach dem Entleerungsschritt ist der grundsätzlich am Boden verbleibende Flüssigkeitsfilm der Quelle ungefähr 0,1 mm dick. Bei der Flüssigkeitssäulendetektionsstation 7 wird überprüft, dass die Quellen wirklich geleert wurden. Das Überprüfen wird auch nach dem Verteilungsschritt ausgeführt, um zu überprüfen, dass Flüssigkeit wirklich in jede Quelle richtig verteilt wurde. Bevorzugt wird der Prozess so ausgeführt, dass das Flüssigkeitshandhabungsverfahren zuerst überall auf der Platte ausgeführt wird, wobei danach alle Quellen überprüft werden. Wenn gewünscht, kann das Verfahren und die Überprüfung Reihe um Reihe erfolgen, was natürlich langsamer ist.
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Die Flüssigkeitssäulendetektionsstation 7 misst die IR Absorption in dem Wellenlängenbereich 1175 nm–1220 nm. Dieser Bereich wurde als vorteilhaft für die Messung der Absorption durch Wasser erkannt. Eine LED Lichtquelle (beispielsweise LED1200-03; InGaAsP Material, 5 mW optische Leistung) ist besonders geeignet. Das Licht wird moduliert. Wenn die Messzeit einer Quelle 10 ms ist und die Modulationsfrequenz 10 kHz ist, können 100 Pulse kombiniert werden, um ein einziges Weglängenergebnis zu erzeugen. Dies kann in Bezug auf die Umgebungslichtdämpfung als eine gute Situation betrachtet werden, die als inhärent bei der Benutzung des Apparats erwartet ist. Nun jedoch können auch prinzipiell höhere Frequenzen verwendet werden, wenn sie erforderlich sind, da die LED An-Ausschalt-Zeit etwa 10 ns ist. Das modulierte Signal kann unter Verwendung von Synchrondetektion gemessen werden.
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InGaAs-PIN Detektoren (beispielsweise PT511-2) sind für den fraglichen Wellenlängenbereich geeignet. Der Konversionszuwachs des Detektorbeleuchtungsstroms kann erwartungsgemäß 0,5 A/W sein. Wenn die Modulationspulsbreite 50% ist, können doppelte LED Ströme für die Messung verwendet werden. Folglich ist es möglich, 10 mW optische Pulse mit 50% Modulation zu verwenden. Wenn 1/100 der Energie durch den Detektor gesammelt wird, wird der Detektor 100 mW optische Energie erhalten. Der Detektorumwandlungsfaktor ist ungefähr 0,5 A/W und folglich kann der Detektor ein Stromniveau von 50 mA produzieren.
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Da die LED ein ein wenig zu breites Spektralband (ungefähr 1100 nm–1300 nm) produziert, wird ein Filter verwendet um das Band auf den gewünschten Bereich zu begrenzen. Der Filter kann ein festbeschichteter Interferenzfilter sein (beispielsweise Edmund Optics T85-908; Mittelwellenlänge 1200 nm ± 5 nm, Bandbreite 50 nm ± 5 nm, Transmission > 90%). Wenn der Filter vor dem Detektor platziert wird, ist eine Umgebungslichtdämpfung erzielt, denn der Filterbandpass (50 nm) ist ungefähr 10% der Detektorbandbreite (ungefähr 600 nm).
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In einem wie in 2 beschriebenen Apparat ist erwartbar, dass eine Platte mit einer Geschwindigkeit von 200 mm je Sekunde durchgeführt werden kann. Die Plattenausleseweglänge ist ungefähr 100 mm, so dass die Plattenauslesezeit 0,5 s ist. Bei dem Ausleseprozess wird Beschleunigung und Abbremsung einer relativen Bewegung benötigt. Beides kann weniger als 0,5 Sekunden sein, so dass die totale Auslesezeit weniger als 2 Sekunden ist. Dies erlaubt Messungen nach jedem Waschschritt ohne in schädlicher Weise die Waschzeiten zu verlängern. Wenn nur eine Säule verwendet wird (”strip washer”) wird nur in etwa 1,5 Sekunden der totalen Messzeit für alle Bewegung benötigt.
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Mit der beschriebenen Anordnung ist es möglich die Flüssigkeitssäulenhöhe mit ungefähr 0,1 mm Höhe zu detektieren.
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Der Apparat kann modifiziert werden, so dass die Messung bei zwei Wellenlängen ausgeführt wird. Die andere Wellenlänge kann beispielsweise für Leermessungen verwendet werden. Eine präzise Leersubtraktion würde die Genauigkeit erhöhen, gleichzeitig würden die Komplexität und die Kosten des Apparats signifikant erhöht werden. Da jedoch die Wasserabsorption bei 1200 nm relativ hoch ist, sollte eine einzelne Messung ausreichend sein. Wenn gewünscht, können Restplastik- und Wasserflächenreflexionsverluste von den Ergebnissen subtrahiert werden, da Reflexionsverluste extrem stabil sind und somit ein vorbestimmter Wert verwendet werden kann.
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Ferner kann der Apparat eingestellt werden, die Messung der optischen Dichte automatisch, bei einer benutzerdefinierten Frequenz oder manuell auszuführen.
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Anstatt einfach zu überprüfen, dass die Flüssigkeit aus der Quelle entfernt wurde oder in die Quelle verteilt wurde, ist es möglich, das Volumen der Proben bei verschiedenen Schritten zu messen. Folglich kann beispielsweise der gesamte ELISA Prozess hinsichtlich Flüssigkeitsvolumen dokumentiert sein, was den Prozess mehr IVD-ähnlich (für In-Vitro-Diagnose akzeptierter Prozess) macht. Folglich kann beispielsweise das Flüssigkeitsvolumen eines ganzen ELISA Prozess überprüft und dokumentiert werden, um Bestätigung des komplexen Prozesses zu erhalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- Mehrfachkopf
- 1.2
- Waschkopf
- 1.3
- Leerungskanal
- 1.4
- Verteilungskanal
- 2
- Düsen
- 2a
- Verteilungsspitzen
- 2b
- Absaugspitzen
- 3
- Verteilungsmannigfaltigkeit
- 4
- Zuführkanal
- 5
- Mikroquellenplatte
- 6
- Quellen
- 7
- Flüssigkeitssäulendetektionsstation
- 8
- Lichtquelle (IR LED 1100 nm–1300 nm)
- 9
- Detektor (IR-Detektor)
- 10
- Filter (1200 nm)
- 11
- Plattenbewegung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 8806138 [0002]
- US 2009/0032064 [0004]
