DE3115567A1

DE3115567A1 - Verfahren zur gewaehrleistung der aufnahme und abgabe eines gewuenschten fluessigkeitsvolumens, sowie automatisierte pipette hierfuer

Info

Publication number: DE3115567A1
Application number: DE19813115567
Authority: DE
Inventors: Gerald L. Orange Calif. Klein
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1980-04-18
Filing date: 1981-04-16
Publication date: 1982-04-08
Also published as: IT1205243B; US4399711A; BE888456A; JPS56158949A; IT8121265A0

Description

-^:Pate nt&n watte "Diρ^;. -1 η g. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

^ Lf- _ Dipl.-ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

1 6. April '(

Unser Zeichen: 17 191

Beckman Instruments, Inc., Fullerton, CaI., USA

Verfahren zur Gewährleistung der Aufnahme und Abgabe eines gewünschten Flüssigkeitsvolumens sowie automatisierte Pipette hierfür

Die Erfindung "betrifft allgemein das Gebiet der automatisj erten Pipetten. Näherhin betrifft die Erfindung eine automatisierte Pipette mit einer Vorrichtung zur Gewährleistung der Aufnahme des vollen gewünschten Volumens.

Bei vielen Meß- und Testinstrumenten, wie beispielsweise immunonephelometrisehen Instrumenten etwa der in der US-Patentschrift 4- 157 871 beschriebenen Art, sind aufeinanderfolgende Behandlungen und Handhabungen der zu untersuchenden Probensubstanz erforderlich. Diese Behandlungen und Handhabungen beanspruchen einen großen Teil der Zeit des Benutzers, wenn eine Reihe von Untersuchungen an vielen Proben durchgeführt wird. Zur Erzielung guter Resultate mußte die Bedienungsperson dabei eine Anzahl von Verfahrenssehritten in der richtigen Aufeinanderfolge für

O'ede Probe durchführen. Beim manuellen Pipettieren gehören dazu die Verfahrensschritte der Identifizierung einer Anzahl von Proben, und es kann die Aufnahme eines genauen Volumens erforderlich sein. Da die Probenbehandlungen und -handhabungen gewöhnlich von Hand vorgenommen werden, führen Ermüdung und Langeweile der Bedienungsperson häufig zu fehlerhaften Ergebnissen. Außerdem trägt die durch Ermüdung und Langeweile bedingte verringerte Motivation des Bedienungspersonals allgemein zu einer verminderten Arbeitsproduktivität bei, was erhöhte Bedienungskosten für das Laboratorium mit sich bringt. Außerdem kann ein auch nur geringfügiger Fehler der Bedienungsperson in Fällen, wo genaue Volumina verwendet werden müssen, zu unbeständigen oder fehlerhaften Ergebnissen führen.

Eine besonders große Bedeutung bei der Probenhandhabung kommt der Genauigkeit der Substanzmenge, sei es der Probensubstanz, eines Verdünnungsmittels oder eines Reagens, die aufgenommen werden muß, um genaue, reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten, zu. Mangelhafte Genauigkeit bei der Probenmenge kann bei jedem Untersuchungsvorgang zu einem gewichtigen Problem werden. Dieses Problem kann sowohl bei manueller als auch bei automatisierter Probenhandhabung auftreten. Beispielsweise kann beim manuellen Pipettieren die Bedienungsperson geringfügig mehr oder weniger Substanz als erforderlich aufnehmen. Meniskusablesung, eine Neigung der Pipette und ähnliche Faktoren können zu Meßfehlern führen. Die Genauigkeit hängt damit vom Grad der intuitiven Geschicklichkeit oder von der Sorgfalt der Bedienungsperson ab. Bei einer automatisierten Pipettiervorrichtung sind die Bewegungsvorgänge des Instrumentariums sehr genau definiert und die

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Volumenverdrängung ist standardisiert, um Unachtsamkeitsfehler zu vermeiden. Jedoch hängt die Genauigkeit inkrementeller, schrittweiser Messungen von der jeweiligen Übertragung exakter Volumina ab und es ist wichtig zu wissen, daß das gewünschte Volumen übertragen wurde. Bei den Roboter-Bewegungen einer automatisierten Pipette ist die Eindringtiefe in den Flüssigkeitsbehälter genau definiert. Falls jedoch das EFiveau der Lösung unter die Lage der Ansaugspitze absinkt, kann es dahin kommen, daß nur ein unvollständiges Volumen aufgenommen wird. Bei manueller Arbeitsweise kann der Labortechniker die Pipettensjitze weiter absenken, um ein größeres Volumen aufzunehmen.. In einem automatisierten System kann ein Roboter diese Entscheidung nicht in einfacher Weise treffen.

Die Erfindung sieht daher ein Pipettierverfahren und eine automatisierte Pipette mit einer Vorrichtung vor, welche die Aufnahme des vollen Volumens der gewünschten Flüssigkeit gewährleistet. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kann hierzu im Bereich des Mundstücks bzw. der Spitze der automatisierten Pipette eine Vorrichtung zur Ausbreitung eines elektromagnetischen Signals angeordnet sein und entsprechend auf der der Signalquelle gegenüberliegenden Seite des Mundstücks bzw. der Spitze eine auf das übertragene elektromagnetische Signal ansprechende Detektorvorrichtung. Das ausgesandte elektromagnetische Signal muß daher das Mundstück bzw. die Pipette durchsetzen, bevor es in der Detektorvorrichtung nachgewiesen wird. Der Unterschied in den Brechungsindizes verschiedener Stoffe wird zur Feststellung ausgenutzt, ob eine Substanz in dem Mundstück bzw. der Spitze der Pipette vorhanden ist. Näherhin gestatten Reflexionen unter einem kritischen

Winkel beim Übergang des elektromagnetischen Signals von einem Material mit einem bestimmten Brechungsindex zu einem Material mit einem davon verschiedenen Brechungsindex die gewünschte Bestimmung oder Feststellung des Vorliegens einer Substanz in der Spitze bzw. dem Mundstück. Auf diese Weise erhält man ein qualitatives Maß für das Vorliegen oder Fehlen der Substanz in dem Mundstück bzw. der Spitze. Da die geometrische Konfiguration der automatisierten Pipette bekannt ist, ist die Anwesenheit einer Substanz in dem Mundstück bzw. der Pipette, nachdem die Substanz in die automatisierte Pipette aufgezogen wurde, ein Anzeichen dafür, daß eine gewünschte Mindestmenge der Substanz in der automatisierten Pipette vorhanden ist. Auf diese Weise wird die Aufnahme eines vollständigen genauen Volumens zur Abgabe an eine gewünschte Station gewährleistet.

Gemäß weiterer bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele sieht die Erfindung eine automatisierte Pipette mit optischen Detektorvorrichtungen zum Nachweis des Vorliegens einer Flüssigkeit in der Spitze bzw. dem Mundstück vor«.

Im folgenden werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen

Fig. 1 in geschnittener Seitenansicht eine automatisierte Pipette gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 in schein at i scher Darstellung eine Veranschaulichung der aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte bei der Durchführung des erfindungsgemäßen

Verfalirens zur Gewährleistung der Aufnahme eines vollen Volumens.

Fig. 1 zeigt eine als Ganzes mit 11 bezeichnete automatisierte Pipette. Diese Pipette 11 weist einen Hohlkörpert· il 12 auf. In einem Schrittschaltmotor 13 ist eine lührungs- oder Spindelschraube 14 angebracht. Mit der Führungs- bzw. Spindelschraube 14- steht eine Antriebsmutter 1^ in Eingriff, die mit einem Keil 16 zur Verdrehungssicherung versehen ist. An der Antriebsmutter 15 ist ein Kolben 17 befestigt, derart, daß er durch Drehung der Führungs- bzw. Spindelschraube 14 verstellbar ist. Die Führungs- bzw. Spindelschraube 14 kann teleskopartig in den hohlen Kolben 17 eindringen. Eine Kolbendichtung 18 mit Haltering 19 definieren einen Innenraum mit bekanntem Volumen.

Mit dem Hohlkörperteil 12 steht ein abnehmbares Mundstück bsw. Spitzenteil 21 in Strömungsverbindung, das mit einer durchgehenden Axialleitung 22 versehen ist. Mittels einer Mundstückdichtung 23 ist das Mundstück bzw. die Spitze 21 mit dem Hohlliirperteil 12 dicht schließend verbunden. Das Hohlkörperteil 12 ist in einem Bereich benachbart einer Volumenbestimmungsvorrichtung, welche Mittel zur Ausbreitung eines elektromagnetischen Signals sowie Mittel zum Nachweis des elektromagnetischen Signals aufweisen kann, durchsichtig ausgebildet. Als Mittel zur Ausbreitung des elektromagnetischen Signals kann eine Licht emittierende Diode (IED) 24 und als Detektorvorrichtung ein Phototransistor 25 vorgesehen sein.

In den Figg. 2a bis 2g ist die automatisierte Pipette 11 zur besseren Veranschaulichung vereinfacht dargestellt. Tatsächlich entspricht die Pipette 11 in den Figg. 2a bis 2g der Pipette 11 in Fig. 1. Die Figg. 2a bis 2g veranschaulichen die Verfahrensschritte, die erforderlich sind, um die Aufnahme eines vollen Volumens einer Flüssigkeit 26 aus einem ersten Behälter 27 und eine genaue Abgabe des Volumens an einen zweiten Behälter 28 zu gewährleisten.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Arbeitsweise beschrieben. Die automatisierte Pipette 11 ist mit einer Bestimmungsvorrichtung versehen, welche die LED 24 und den Phototransistor 25 umfaßt. Das Arbeitsprinzip der Bestimmungsvorrichtung beruht darauf, daß das Vorhandensein oder das Fehlen eines Strömungsmittels in der Leitung 22 eine Änderung der im Phototransistor 25 von der LED 24 empfangenen Energiemenge bewirkt. Bei ungefüllter Leitung 22 ist die vom Phototransistor 25 aufgenommene Energie verhältnismäßig niedrig. Sobald die Leitung 22 gefüllt ist, ist die empfangene Energiemenge hoch. Dies beruht auf Reflexionen unter kritischem Winkel durch das durchsichtige Material des Mundstücks bzw. der Spitze 21. Der durch einen Unterschied der Brechungsindizes an der Grenzfläche zwischen den verschiedenen Stoffen bedingte Unterschied des kritischen Winkels bewirkt die Änderung der vom Phototransistor 25 aufgenommenen Energie von einem hohen auf einen niedrigen Wert. Für Luft ist ein Brechungsindex von 1,0 anzunehmen, für Wasser von 1,333 und die meisten Werkstoffe für das Mundstück bzw. die Spitze 21 besitzen Brechungsindizes nahe 1,50. Der Unterschied zwischen Luft und dem Mundstück beträgt daher 0,5»

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was bedeutet, daß der von der LED 24 kommende elektromagnetische Strahl zu einem großen Teil von dem Phototransistor 25 weg reflektiert wird. Ist die Leitung 22 mit einer typischerweise wäßrigen Flüssigkeit gefüllt, so beträgt der Brechungsindexunterschied 0,17 und es wird nur ein geringerer Teil der Strahlenergie von dem Phototransistor 25 weg abgelenkt. Dies ermöglicht eine qualitative Messung des Vorhandenseins oder Fehlens eines Strömungsmi^tels in der Leitung 22. Aus der Geometrie der Spitze 21 und des Hohlkörperteils 12 ist die Flüssigkeitsmenge begannt, die oberhalb und unterhalb des quer verlaufenden Lichtstrahls enthalten sein kann.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der automatisierten Pipette 11 und der zugehörigen Bestimmungsvorrichtung anhand der Figg. 2a bis 2g beschrieben. Gemäß Fig. 2a wird das Mundstück bzw. die Spitze 21 in Flüssigkeit 2G in einem Becher 27 eingetaucht. Gemäß Fig. 2b wird das gewünschte Flüssigkeitsvolumen 26 durch den Kolben 17 nach oben aufgezogen, zusammen mit einer kleinen Flüssigkeitsüberschußmenge. Der Betrag der aufgenommenen Überschußflüssigkeit wird durch die Systemtoleranzen bestimmt. D. h. die Überschußmenge dient zur Kompensation bezüglich totem Gang in dem System und bezüglich einer Ungenauigkeit in der Ablesungslinie zwischen der LED 2Λ und dem Phototransistor 25.

Gemäß Fig. 2c wird das Mundstück bzw. die Spitze 21 aus der Lösung zurückgezogen. Gemäß Fig. 2d wird ein Volumen entsprechend dem gewünschten Volumen zusätzlich der halben aufgenommenen Überschußflüssigkeit in den Hohlkörperteil 12 durch den Kolben 17 aufgesogen. Falls während

dieses Ansaug- bzw. Einziehvorgangs die dem Phobotransistor 25 zugeführte Signalenergie ihren hohen Wert behält, ist die Flüssigkeitssäule zusammenhängend-kontinuierlich und es ist zumindest das gewünschte Flüssigkeitsvolumen in die automatisierte Pipette 11 aufgezogen. Falls aus irgendeinem Grund weniger als die gewünschte Flüssigkeitsmenge angesaugt wurde, würde während des Ansaughubs Luft an dem Phototransistor 25 vorbeiwandern und das Signal würde auf einen niedrigen Wert absinken. Auf diese Weise ist die Strömungskontinuität gesichert.

Gemäß Fig. 2e wird die automatisierte Pipette nunmehr in einen Behälter 27 herabgelassen und die gewünschte Menge zusätzlich etwa der halben überschußmenge wird unter Rückstellung des Kolbens 17 in die Spitze 21 zurückgebracht. Die andere Hälfte der Überschußmenge wird in den Behälter 27 ausgestoßen, um zu vermeiden, daß am Ende der Leitung 22 ein Luftvolumen verbleibt. Gemäß Fig. 2f wird nun die automatisierte Pipette 11 überführt und die Spitze 21 in einen leeren Behälter 28 herabgelassen. Sodann wird das genaue gewünschte Substanzvolumen in den Behälter 28 abgegeben. Gemäß Fig. 2g wird nunmehr die automatisierte Pipette 11 zurückgezogen und das kleine Volumen verbleibender Überschußflüssigkeit (etw* die halbe Menge der angesaugten Überschußflüssigkeit) «rird in einen geeigneten Behälter abgegeben und die Pipette gewaschen.

Die Aufnahme des Überschußvolumens ist notwendig. Infolge von System-Toleranzen und Totgang in dem System wäre es ansonsten unmöglich, mit einem genauen Volumen zu arbeiten. Unter der Annahme, daß das System vor Beginn der

Arbeitssequenz in dem Sinne geprüft und "abgeglichen" wurde, daß die Ansaugrichtung bereits eingeschlagen ist und sodann der Totgang aufgenommen wird, wird während des Ansaughubs das gewünschte Volumen und die Überschußmenge in die Leitung 22 eingezogen. Während des zweiten Ansaugvorgangs in Fig. 2d gelangt die Flüssigkeitssäule in dem Mundstück bzw. der Spitze 21 weiter nach oben, mit nachfolgender Luft. Falls der Phototransistor 25 während dieses zweiten Einziehvorgangs irgendeine Strömungsdiskontimrität feststellt, istöstm das aufgenommene Volumen kleiner als das gewünschte Volumen. Die Bestimmungsvorrichtung wirkt somit in der Weise, daß sie auf die Strömungskontinuität und nicht auf ein spezielles Volumen anspricht.

Zu Beginn der Abgabe besteht eine Unsicherheit hinsichtlich des Beginns der Bewegung des Kolbens 17 infolge von Toleranzen und Totgängen zwischen der Antriebsmutter 15, der Führungs- bzw. Spindelschraube 14 und dem Verdrehungssi cherungsk eil 16 mit der zugehörigen Nut. Diese Faktoren werden als Totgang bezeichnet. Der Verfahrensschritt gemäß Fig. 2e, bei welchem die halbe Uberschußmexige herausgepumpt wird, gewährleistet jedoch, daß das Mundstück bzw. die Spitze 21 etwas mehr als das gewünschte abzugebende Volumen enthält, und die Vorschubrichtung des Kolbens 17 ist dann für eine spiel- und totgangfreie Abgabe eingestellt. Nunmehr kann gemäß Fig. 2f das genaue gewünschte Volumen abgegeben werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, d. h. bei Verwendung der Pipette 11 in Verbindung mit einem Nephelometer, sollen beispielsweise 42 ul Flüssigkeit für eine

Probenuntersuchung aufgenommen und abgegeben werden. Zu diesem Zweck werden 50 /il Flüssigkeit 26 in die Leitung 22 eingezogen (Fig. 2b), entsprechend den gewünschten 42 yul Flüssigkeitsvolumen plus 8 ul Überschußflüssigkeit. Sodann wird die Strömungskontinuität überwacht (Figg. 2c und 2d). 4· Ail (entsprechend der halben Überschußmenge) werden in den Behälter 27 zurückgegeben, zur Rückstellung jeglichen Spiels und Totgangs in dem Mechanismus der automatisierten Pipette (Fig. 2e). Sodann wird die automatisierte Pipette 11 aus dem Behälter 27 herausgenommen und zu der Reaktionszelle 28 überführt. Die automatisierte Pipette 11 wird herabgelassen und gibt 42/Ul Flüssigkeit 26 in die Reaktionszelle 28 ab (Fig. 2f) und wird sodann zurückgezogen, unter Überführung in eine Waschstation, wo zurückbleibende Überschußflüssigkeit entfernt wird (Fig. 2g).

Die Erfindung wurde vorstehend speziell anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, der jedoch keinerlei einschränkende Bedeutung zukommen soll und die in mannigfachen Einzelheiten abgewandelt werden kann, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So kann die Erfindung, die vorstehend in Anwendung mit einem Nephelometer beschrieben wurde, vorteilhaft für andere Test-' und Untersuchungsapparaturen Anwendung finden. Tatsächlich kann die Erfindung vorteilhaft bei jeder Testapparatur Anwendung finden, bei welcher die Aufnahme und Abgabe eines genauen Volumens erforderlich ist. Die aufzunehmende Überschußflüssigkeitsmenge hängt zum großen Teil von den jeweiligen Systemtoleranzen ab und kann daher zwischen verschiedenen Systemen und Anwendungsfällen variieren. Anstelle der vorstehend beschriebenen

optischen Meßfühler könnten Leitfähigkeitssonden oder dergleichen zur Überwachung der Strömungskontinuität verwendet werden.

Zus ammenfassung

Ge jenstand der Erfindung ist eine automatisierte Pipette mi j einer Vorrichtung zur Gewährleistung der Aufnahme und Abgabe eines exakten Volumens. Kittels einer optischen Vorrichtung wird das Vorhandensein einer Flüssigkeit in der Spitze der Pipette überwacht. Indem das Volumen an der optischen Vorrichtung vorbei eingezogen bzw. angesaugt wird, wird die Strömungskontinuität bestimmt.

Patentansprüche:

Claims

Patentanspr ü c h e

/1 .J Verfahren zur Gewährleistung der Aufnahme und Abgabe eines gewünschten Flüssigkeitsvolumens mittels einer automatisierten Pipette, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

(a) das gewünschte Flüssigkeitsvolumen zusätzlich einer vorgegebenen Flüssigkeitsüberschußmenge wird in ein Mundstück bzw. eine Spitze der automatisierten Pipette aufgezogen (Fig. 2b);

(b) das aufgezogene Flüssigkeitsvoluraen wird an einem Meßfühler vorbei weiter aufgezogen und hierbei die unterbrechungsfreie Kontinuität des aufgezogenen Volumens überwacht (Figg. 2c und 2d);

(c) das aufgezogene Flüssigkeitsvolumen wird in das Mundstückteil bzw. die Spitze der automatisierten Pipette zurückgeführt und hierbei gleichzeitig ein !Peil der Überschußflüssigkeitsmenge ausgestoßen (Fig. 2e);

(d) das gewünschte Flüssigkeitsvolumen wird an einer gewünschten Stelle abgegeben (Fig. 2f).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man anschließend den in dem Mundstück bzw. der Spitze verbliebenen Teil der Überschußflüssigkeitsmenge ausstößt und die

automatisierte Pipette wäscht und spült (Jig. 2g).
3· Automatisierte Pipette zur Überführung von Substanzen, mit einem einen Innenraum bekannten Volumens definierenden Hohlkörperteil (12), einem an dem Hohlkörperteil gehalterten Mundstück bzw. Spitzenteil (21), mit einer sich durch dieses hindurch erstrekkenden axialen Leitung (22), wobei die Leitung mit dem Innenraum in Strömungsverbindung steht und mit den zu überführenden Substanzen in Strömungsverbindung gebracht werden kann, sowie mit mit dem Hohlkörperteil zusammenwirkenden Mitteln (17) zur Verschiebung der Substanzen, gekennz eichnet durch an einer vorgegebenen Stelle entlang dem Mundstück bzw. der Spitze (21) angeordnete Mittel (24, 25) zur Bestimmung des Vorliegens von Substanzen in der Leitung (22).
4. Pipette nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Bestimmung des Vorhandenseins von Substanzen in der Leitung eine benachbart dem Mundstück bzw. der Spitze (21) angeordnete Vorrichtung (24) zur Ausbreitung eines elektromagnetischen Signals durch das Mundstück bzw. die Spitze sowie eine ebenfalls benachbart dem Mundstück bzw. der Spitze angeordnete Vorrichtung (25) zup Nachweis des durch die axiale Leitung (22) hindurchgelassenen elektromagnetischen Signals aufweisen.
5· Pipette nach Anspruch 4, dadurch

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gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zur Ausbreitung eines elektromagnetischen Signals eine Lichtquelle (24) und die Nachweisvorrichtung einen Photodetektor (25) aufweist.
6. Pipette nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5> dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Bestimmung des Vorhandenseins von Substanzen in der Leitung (22) des Mundstücks bzw. der Spitze der Pipette eine benachbart einem vorgegebenen Punkt entlang dem Mundstück bzw. der Spitze (21) der Überführungspipette angeordnete lichtempfindliche Diode LED (24) sowie einen der lichtempfindlichen Diode (24-) gegenüberliegend, benachbart dem Mundstück bzw. der Spitze (21) angeordneten Phototransistor (25) aufweisen, derart, daß die axiale Leitung (22) des Mundstücks bzw. der Spitze (21) zwischen der lichtempfindlichen Diode (24) und dem Phototransistor (25) verläuft.

7· Pipette nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 3 his 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verschiebung der Flüssigkeiten einen in dem Hohlkörperteil bekannten Volumens verschieblichen Kolben (17) sowie einen mit dem Kolben verbundenen Schrittschaltmotor aufweisen.