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Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von Flüs-
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sigkeiten unter Verwendung einer automatisierten Pipette Die Erfindung
betrifft allgemein automatisierte Pipetten. Näherhin betrifft die Erfindung eine
automatisierte Pipette zum Verdünnen und Mischen einer Probenflüssigkeit.
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Bei vielen Meß- und Prüfgeräten, wie beispielsweise immunonephelometrischen
Instrumenten etwa der in der US-Patentschsift 4 157 871 beschriebenen Art, sind
aufeinanderfolgende Handhabungen und Behandlungen der zu untersuchenden Probensubstanz
erforderlich. Diese Behandlungen und Handhabungen erfordern einen großen Aufwand
an Zeit der Bedienungsperson, falls eine Anzahl von Messungen an vielen Proben vorgenommen
werden sollen. Zur Erzielung guter Ergebnisse muß die Bedienungsperson für jede
Probe eine Reihe von Verfahrensschritten in der richtigen
Aufeinanderfolge
wiederholen. Beim manuellen Pipettieren sind unter anderem Verfahrensschritte der
Identifizierung einer Anzahl von Proben sowie zahlreicher Probenverdünnungen erforderlich.
Da die Probenbehandlungen gewöhnlich von Rand ausgerührt werden, kommt es infolge
von Ermüdung und Langeweile der Bedienungsperson häufig zu fehlerhaften Ergebnissen.
Außerdem hat die verringerte Motivation der Bedienungsperson infolge von Ermüdung
und Langeweile allgemein ein Absinken der Arbeitsleistung zur Folge, was erhöhte
Bedienungskosten für das Laboratorium mit sich bringt. Manuelle Verdünnungsvorgänge
bringen eine beträchtliche Verlängerung der für die Durchführung der Probenuntersuchung
erforderlichen Zeit mit sich und können so eine Verzögerung der Resultate zur Folge
haben.
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Eine besondere Schwierigkeit,wie sie bei der manuellen Probenhandhabung
bei Verwendung eines Meß- und Testinstruments, wie beispielsweise eines Nephelometers,
auftritt, besteht im Problem einer unvollständigen Durchmischung der Probe und des
Verdünnungsmittels. Xåhrend einer Analyse müssen häufig Reihenverdünnungen vorgenommen
werden. Hierzu muß jeweils von jeder aufeinanderfolgenden Verdünnung ein bestimmter
Bruchteil der Probe entnommen, in den nächsten Behälter überführt und dort mit dew
gewünschten Volumen des Verdünnungsmittels gemischt werden. Hierbei ist es außerordentlich
wichtig, daß eine gründliche Durchmischung gewährleistet ist, bevor die Probe in
den nächsten Behälter überführt wird. Eonzentrationsgradienten infolge unzureichender
Durchmischung der Losungen haben die Verschleppung beträchtlicher Fehler in sämtliche
aufeinanderfolgenden Verdünnungen zur Folge.
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ri manueller Ausführung der Reihenverdunnungen kann die
Bedienungsperson
eine angemessene ausreichende Durchmischung gewährleisten, und zwar durch Rühren,
kräftiges Schütteln, und durch Verwendung von Zusatzvorrichtungen, wie beispielsweise
einem Vortex-Mischer, oder unter Verwendung einer Injizierspritze oder einer Gummikugelpipette
zum wiederholten Aufziehen und Ausstoßen der Lösung.
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Das manuelle Mischen führt jedoch, wie oben erwähnt, zur Ermüdung
der Bedienungsperson und langweilt diese. Eine angemessene Durchmischung ist besonders
bedeutsam in einer biologischen Lösung, da die großen Moleküle in biologischen Lösungen
nicht sehr rasch diffundieren und sich nicht sehr rasch vermischen.
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Für Serienverdünnungen ist häufig die Verwendung einer großen Anzahl
von Behältern erforderlich. In modernen Laboratorien finden dabei in großem Umfange
Einweg- bzw.
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Wegwerf-Proberöhrchen und -behälter für diesen Zweck Anwendung. Es
ist auch allgemein üblich geworden, ein magnetisches Material mit geeignetem Überzug
in einen Flüssigkeitsbehälter einzubringen und durch benachbarte Anordnung eines
rotierenden Magneten ein Umrühren zu bewirken. Die Anordnung und Aufrechterhaltung
der großen Anzahl von Probenröhrchen und Magnet-Rührwerken für Reihe verdünnung
wird jedoch sehr lästig und aufwendig. Noch lästiger uud aufwendiger wird dieses
Erfordernis, falls eine chemische Analysesequenz automatisiert wird. Lose Rührelemente,
wie sie in großer Zahl für automatisierte Testuntersuchungen in großem Maßstab benötigt
werden, stellen vor Haushaltsprobleme. Außerdem wird bei Verwendung einer Anzahl
von Verdünnungsstationen die erforderliche magnetische Kopplung mit dem äußeren
Antriebsmagneten kompliziert. Andere derzeit bekannte Anordnungen
beruhen
auf der Ausnutzung der Geschwindigkeit einer ?lüssigkeitsinjektion für die Durchmischung.
Bei derartigen Anordnungen wird wird Gt:iwäh£1eittiii' einer wi@hsamen Durchmischung
die Form des Behältergefäßes kritisch.
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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Durchmischung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Verdünnung von Flüssigkeiten.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist die Verdünnungsapparatur ein mit dem Mundstück
bzw. der Spitze einer automatisierten Pipette verbundenes 2-Stück auf. Dieses U-Stück
bzw.
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-Zweigleitung ist mit einer Verdünnungsmittelvorratsquelle verbunden
und steht in Strömungsverbindung mit einer sich axial durch das Mundstück bzw. die
Spitze der Pipette erstreckenden Leitung. Durch einen an dem Hauptkörper der Pipette
angeordneten Kolben mit schrittschaltmotor wird ein hydrostatischer Druck durch
das Mundstück bzw.
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die Spitze ausgeübt. Das Verdünnungsmittel wird dem Mundstück bzw.
der Spitze durch die T-Zweigleitung zugeführt. Der von dem Kolben und Schrittschaltmotor
ausgeübte hydrostatische Druck bewirkt die Vereinigung der Probensubstanz und des
Verdünnungsmittels durch wiederholtes Aufziehen und Ausstoßen der Probensubstanz
und des Verdünnungsmittels durch eine Düsenöffnung hoher Geschwindigkeit am Ende
des Mundstücks bzw. der Spitze. Auf diese Weise wird eine gründliche Durchmischung
gewährleistet.
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Insgesamt wird somit durch die Erfindung ein Verfahren zur Mischung
zweier Flüssigkeiten, insbesondere zur Mischung einer Probenflüssigkeit und einer
Verdünnungsflüssigkeit, sowie eine automatisierte Pipette zur Durchfüh--awng dieses
Verfahrens geschaffen, wobei mittels der an
eine Vorratsquelle der
Verdünnungsflüssigkeit anschließbaren automatisierten Pipette die Probenflüssigkeit
und die Verdünnungsflüssigkeit durch wiederholtes zyklisches Aufsaugen der beiden
Flüssigkeiten in die Pipette und Ausstoßen aus dieser miteinander vermischt werden.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen Fig. 1 in geschnittener Seitenansicht eine
automatisierte Pipette mit einer T-Zweigleitung gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung, Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des aufeinanderfolgenden
Ablaufs von Arbeitsschritten bei der erfindungsgemäßen, nicht körperlich in die
Flüssigkeiten eingreifenden Mischmethode.
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Fig. 1 zeigt eine als Ganzes mit 11 bezeichnete automatisierte Pipette.
Diese automatisierte Pipette 11 schließt ein Hohlkörperteil 12 und ein an diesem
befestigtes Misch-T-Stück 24 auf. Mit dem hohlen Misch-U-Stück 24 steht eine abnehmbare
Spitze bzw. ein Mundstück 21 in Verbindung, das mit einer durchgehenden axialen
Leitung 22 versehen ist. Die Leitung 22 erstreckt sich durch die Spitze 21, das
Misch-T-Fitting 24 und den Hohlkörperteil 12. Die Verbindung der Spitze bzw. des
Mundstücks 21 mit dem Misch-U-Fitting 24 ist mittels einer Spitzen-Dichtung 23 abgedichtet.
Die Misch-T-Zweigleitung 24 ist mit dem Hohlkörperteil 12 in Strömungsverbindung
verbunden und
kann ihrerseits an einem Verdünnungsmittel-Spender
20 angeschlossen werden. Das Misch-2-Stück 24 steht mit der Leitung 22 in Strömungsverbindung
und erstreckt sich zum Umfangsrand der Pipette 11, wo es mit einer von dem Verdünnungsmittel-Spender
20 kommenden Leitung verbunden ist. Mit einem Schrittschaltmotor 13 ist eine Führungs-oder
Spindelschraube 14 verbunden. Mit der Führungs- bzw.
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Spindelschraube 14 steht eine mit Verdrehungssicherungskeil 16 versehene
Antriebsmutter 15 in Eingriff. Mit der Antriebsmutter 15 ist ein Kolben 17 verbunden.
Die Führungs- bzw. Spindelschraube 14 kann teleskopartig in den Hohlkolben 17 eindringen.
Eine Kolbendichtung 18 mit Haltevorrichtung 19 definieren in dem Hohlkörperteil
12 einen Innenraum mit einem abgeschlossenen Volumen.
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In Fig. 2 ist die automatisierte Pipette 11 aus Fig. 1 vereinfacht
dargestellt. Das Misch-v-Stück bzw. -Fitting 24 ist mit dem Hohlkörperteil 12 so
verbunden, daß die Misch-Zweigleitung in Strömungsverbindung mit der leitung 22
in der Spitze bzw. dem Mundstück 21 steht. Der Kolben 17 ist in dem Hohlkörperteil
12 angeordnet, wie in Pig. 1 mit näheren Einzelheiten veranschaulicht. Der Kolben
17 übt einen hydrostatischen Druck auf eine Probensubstanz 25 in einem Behälter
26 aus. In dem T-Stück 24 ist eine Verdünnungsmittelsubst anz 27 enthalten.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beschrieben. Gemäß Fig. 2a wird zu Beginn der Ausführung des erfindungsgemäßen Mischverfahrens
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zunächst die Pipettenspitze 21 in die Probensubstanz
25 herabgelassen; es sei angekommen, daß das System "vorbereitet" ist. D. h. in
das
Misch-T-Stück 24 ist Verdünnungsmittel 27 gepumpt, während
das übrige Volumen in der automatisierten Pipette 11 leer ist. Gemäß Fig. 2b kann
Probensubstanz aufgenommen werden, und zwar mittels einer Saugvorrichtung oder mittels
einer mit dem Misch-9-Stück 24 verbundenen Verdünnungsvorrichtung, wie beispielsweise
einer mit festem Verdünnungsverhältnis arbeitenden Verdünnungsvorrichtung 20. Gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform saugt der Verdünnungsmittel-Spender 20 Verdünnungsmittel
27 durch das Misch-U-Stück zurück wieder auf, wodurch Probensubstanz 25 in die Leitung
22 gezogen wird. Das Aufziehen der Probe kann auch durch eine Aufwärtsbewegung des
Xolbens 17 erfolgen. Die Probensubstanz 25 ist somit in die Leitung 22 aufgestiegen,
während das Verdünnungsmittel sich rückwärts in Richtung auf den Verdünnungs-Spender
20 und von dem Misch-T-Stück 24 und der Leitung 22 weg verschoben hat. Falls die
Probensubstanz 25 durch Verschiebung des Kolbens 17 hochgezogen worden sein sollte,
würde das Verdünnungsmittel in dem Misch-g-Stück 24 stationär verbleiben. Zwischen
der Probe 25 und dem Misch-U-Stück 24 ist ein kleines Luftvolumen 28 erforderlich,
um eine vorzeitige Vermischung der Flüssigkeiten und eine mögliche Kontamination
von in dem Nisch-T-Stück 24 verbleibendem Verdünnungsmittel zu vermeiden.
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Gemäß Fig. 2c wird die automatisierte Pipette 11 zu einem benachbarten
leeren Behälter bewegt. Im allgemeinen wird es sich hierbei um einen aus einer Reihe
von Behältern 26 in einem Probengestell handeln. Von dem Verdünnungsmittel-Spender
20 (Fig. 1) wird eine vorgegebene Menge Verdünnungsmittel 27 über das Misch-U-Stück
24 in die Leitung 22 abgegeben. Gemäß Fig. 2d beginnt der Nischzyklus
mit
einer Abwärtsbewegung des Kolbens 17, wodurch das gesamte in der Leitung 22 enthaltene
Verdünnungsmittel 27 zusammen mit der Probensubstanz 25 aus der Leitung 22 in den
Behälter 26 ausgedrückt wird. Da der Luftraum 28 zwischen der Probenflüssigkeit
und dem Verdünnungsmittel klein, bezogen auf das Gesamtvolumen, ist, wird die Wirkungsweise
des Instruments hiervon nicht gestört oder das Ergebnis nachteilig beeinflußt. Gemäß
Fig. 2e wird durch eine Aufwärtsbewegung des Kolbens 17 ein Volumen des Verdümiungsmittel-Proben-Gemischs
in die Leitung 22 aufgezogen. Dieses Volumen muß kleiner sein als das Volumen unterhalb
der Misch-T-Zweigleitung 24, um eine Eontamination von in der Misch-Zweigleitung
24 verbliebenem Verdünnungsmittel 27 zu vermeiden. Die in den Figg. 2d und 2e veranschaulichten
Verfahrensschritte werden zyklisch so oft wiederholt, wie es für eine wirksame Vermischung
erforderlich ist. In der Praxis hat sich gezeigt, daß drei Zyklen für eine gründliche
Durchmischung ausreichen. Wichtig ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit am Austritt
der Leitung 22 groß ist. Dies kann durch schnelles Pumpen und/oder durch entsprechend
kleine Abmessungen der Mündungsöffnung in der Leitung 32 am Ende des Mundstücks
bzw. der Spitze 21 erreIcht werden.
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Da in dem Hohlkörperteil 12 ein totes Luftvolumen vorliegt, kann es
sein, daß beim Ein- und Auspumpen der Flüssigkeit die jeweiligen Volumen nicht genau
der differentiellen Verschiebung des Kolbens 17 entsprechen.
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Außerdem wird Flüssigkeit in der Leitung 22 verbleiben, da der Druckanstieg
und das lotvolumen der aufwärts gerichteten Kapillarkraft das Gleichgewicht halten.
Daher muß der Kolben 17 beim letzten Abwärtshub weiter abwärts
geschoben
werden, um jegliches kleine Volumen von Proben-Verdünnungsmittel-Gemisch, das infolge
der Kapillar- und Volumendifferenzverschiebung aus dem Mischzyklus zurückbleiben
kann, auszustoßen. Gemäß Fig. 2g wird sodann das Mundstück bzw. die Spitze 21 aus
dem Behälter 26 herausgezogen. Der Kolben 17 kann in seine ursprüngliche obere Ausgangsstellung
rückgestellt werden oder aber auch in seiner unteren Stellung verbleiben, falls
die Probenaufnahme mittels des Kolbens 17 erfolgen soll. Die Spitze bzw. das Mundstück
21 kann sodann wiederum in den Behälter 26 zur Aufnahme des Gemischs für die nächste
Reihenverdünnung eingeführt werden, oder aber die automatisierte Pipette 11 kann
zu einem anderen Behälter gebracht werden, falls die Verdiinnungoabgeschlossen ist.
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Da die Vermischung der Probe und des Verdünnungsmittels automatisch
erfolgt, werden Ermüdung und Langeweile für die Bedienungsperson vermieden. Dies
hat eine genauere und gründlichere Durchmischung zur Folge, wodurch wiederum bessere
und genauere Ergebnisse erzielt werden. Außerdem kann die Mischung schneller erfolgen,
wodurch die Gesamtmeßdauer verkürzt wird. Die in den Figg. 2a bis 2g veranschaulichte
Vorgehensweise und Anordnung erfordert keinerlei zusätzliche Vorrichtungen innerhalb
oder außerhalb der Behälter, und das einzige in die Behälter eintretende Element
ist das Mundstück bzw. die Spitze 21, die ohnehin vorhanden sein muß. Die Durchmischung
erfolgt durch Strömungsbewegung, wodurch bessere Ergebnisse bei optischer Vermessung
der Proben erzielt werden. Die Einfuhrung von Luft bei den bekannten Vorrichtungen,
die mit Luftblasendurchgasung zur Vermischung arbeiten, kann optische Beeinträchtigungen
zur Folge haben. Auch die
Anwendung von Rührstäben und -stangen
wird erübrigt, wodurch die Anordnung weniger kompliziert und in der Herstellung
und der Betriebsweise wirtschaftlicher wird.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele
beschrieben, denen jedoch keinerlei einschränkende Bedeutung zukommt und die in
mannigfacher Weise abgewandelt werden können, ohne daß hierdurch der Rahmen der
Erfindung verlassen wird. Während beispielsweise die Erfindung vorstehend anhand
der Vermischung und Verdünnung einer Probensubstanz für nephelometrische Messungen
beschrieben wurde, eignet sie sich ebenso zur vorteilhaften Anwendung bei anderen
Test- und Versuchsapparaturen. Die Erfindung kann vorteilhaft praktisch bei jeder
Test- bzw. Versuchs apparatur Anwendung finden, bei welcher eine Vermischung und
Verdünnung einer Probensubstanz erforderlich ist. Während des weiteren die Erfindung
in der Anwendung zur Verdünnung einer Probe beschrieben wurde, eignet sie sich mit
Vorteil auch zur Anwendung in all den Fällen, wo zwei oder mehrere Flüssigkeiten
miteinander vereinigt und innig vermischt werden sollen.
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