DE4102336A1 - Pipettiereinrichtung mit temperierbarem pipettierroehrchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperierungsvorrichtung für Pipettiereinrichtungen, vorzugsweise zur Verwandlung in medizinisch-chemischen Analysegeräten.

In diesen Analysegeräten werden kleine Flüssigkeitsmengen mit Hilfe von Pipettiereinrichtungen aus verschiedenen Vorratsbe­ hältnisen in ein Meßgefäß transportiert, wo die Mischung mit verschiedenen Verfahren meist optisch untersucht wird. Die Pi­ pettiereinrichtungen haben die Aufgabe, die transportierten Flüs­ sigkeiten möglichst genau zu dosieren. Die Pipettiervorrichtung besteht üblicherweise aus einer sehr präzise gearbeiteten Mikro­ literspritze, in der ein sehr genau eingeschliffener Kolben mit­ tels eines elektronisch/mechanischen Antriebs das jeweils erfor­ derliche Volumen aufsaugt. Diese Mikroliterspritze ist mittels eines dünnen, flüssigkeitsgefüllten Schlauches mit der eigent­ lichen Pipette, die aus einer dünnen Glas- oder Metallkapillaren besteht, verbunden. Durch die Flüssigkeitsbewegung in der Spritze und im Schlauch wird das zu pipettierende Volumen in die Pipette aufgesaugt, bzw. aus dieser in das Meßgefäß abgegeben.

Der Transport des Pipettiervolumens nach dem Aufnehmen aus dem Vorratsgefäß in das Meßgefäß erfolgt üblicherweise mittels einer elektromechanisch angetriebenen Transfereinheit, die eine Bewe­ gung der Pipette in zwei oder auch in drei Ebenen ermöglicht.

Die Genauigkeit des angewandten Meßverfahrens hängt neben der genauen Dosierung der Flüssigkeitschargen auch von einer exakten Einhaltung der Untersuchungstemperatur im Meßgefäß ab. Da die Flüssigkeiten in den Vorratsgefäßen im allgemeinen unterschied­ liche Ausgangstemperaturen haben, müssen sie vor der Durchführung der Messung zunächst auf Untersuchungstemperatur gebracht werden. Dies geschieht üblicherweise im Meßgefäß durch Temperaturausgleich mit der thermostatisierten Umgebung. Dieser Ausgleichsvorgang erfordert beträchtliche Zeit, insbesondere wenn die Anforderungen an die Temperaturgenauigkeit sehr hoch sind. Die Entwicklungstendenzen bei den medizinisch-chemischen Analyse­ geräten sind gegenwärtig dadurch gekennzeichnet, daß die Testver­ fahren zunehmend verfeinert werden und die Geanauigkeitsanforde­ rungen an die Meßtemperatur deshalb steigen. Außerdem ist eine Entwicklung von manuellen bzw. halbautomatischen Geräten hin zu vollautomatischen Analysegeräten mit hohem Durchsatz und kurzen Taktzeiten erkennbar. Dies erfordert eine schnelle Anpassung der Temperaturen der Flüssigkeitschargen von der jeweiligen Ausgangs­ temperatur an die Untersuchungstemperatur. Es sind daher Pipet­ tiersysteme bekannt, die die Flüssigkeitschargen beim Transport zum Meßgerät bereits vortemperieren und dadurch einen wesentlich schnelleren Temperaturangleich ermöglichen.

Eine Pipettiervorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs ist aus der DE-38 38 626 A1 bekannt. Bei dieser erfolgt die Vortemperierung mit thermostatisierter Flüssigkeit, die im Kreislauf aus einem thermostatisierten Vorrat wärmetau­ schend an die Pipette vorbeiströmt. Diese Vortemperiereinrichtung hat den Vorteil, daß sie klein ist und eine geringe Masse hat, es können aber auch nur sehr kleine Flüssigkeitsmengen in der Grö­ ßenordnung einiger Mikroliter temperiert werden. Außerdem ist sie frei von Betriebsgeräuschen. Der Flüssigkeitswärmetauscher hat weiterhin den Nachteil, daß sich die Temperatur nicht direkt an der Pipette, sondern nur im weit entfernten Vorratsbehälter re­ geln läßt, so daß sich nur eine beschränkte Temperiergenauigkeit erreichen läßt. Außerdem erfordert der Flüssigkeitswärmetauscher einen sehr hohen Montage-und Wartungsaufwand. Es besteht die Gefahr schleichender schwer erkennbarer Fehler bei einer Flüssig­ keitsleckage bzw. Luftzutritt.

Eine ebenfalls temperierbare Pipettiereinrichtung ist aus der DE 26 26 332 C2 bekannt. Bei dieser ist die Vortemperiereinrichtung als eine die Pipette umgebende elektrische Heizeinrichtung aus­ gebildet. Mit dieser Einrichtung läßt sich die pipettierte Flüs­ sigkeit nur aufheizen, eine Abkühlung, wie mit Hilfe eines Flüs­ sigkeitswärmetauschers, ist nicht möglich. Außerdem ist die Heiz­ einrichtung relativ voluminös, so daß ein tiefes Eintauchen der Pipette in die üblichen schlanken Vorratsgefäße nicht möglich ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pipettiervorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 zu schaffen, die auf technisch einfache Weise eine exakte, sehr schnelle Heizung bzw. Kühlung auch größerer Flüssigkeitsmengen in der Pipette erlaubt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs.

Erfindungsgemäß wird die Pipette vorzugsweise in Form einer ebenen Metallspirale aufgewendelt, die zwischen zwei Platten verspannt ist. Die Heizung bzw. Kühlung erfolgt über Peltier­ elemente, die an der Außenseite der Platten angebracht sind und die sekundärseitig über Kühlkörper je nach Betriebsweise Wärme aus der Umgebung aufnehmen bzw. an diese abgeben. Die Temperie­ rung der pipettierten Flüssigkeit ist wegen der relativ hohen Wärmekapazität der Vorrichtung regelungstechnisch sehr einfach ausführbar. Da kein Flüssigkeitskreislauf verwendet wird, müssen lediglich elektrische Zuleitungen zu der Temperiervorrichtung vorgesehen werden. Der auf möglichst engem Raum mehrfach gewun­ dene Temperierbereich schafft eine möglichst große Wärmeübertra­ gungsfläche.

Die vorliegende Erfindung kann sowohl bei bekannten automatischen Pipettiereinrichtungen zum Ersatz deren Temperierungsmaßnahmen als auch in Handpipetten zur Temperierung eingesetzt werden. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Merkmale von Patentanspruch 2 sind auf mögliche und bevor­ zugte Ausführungsformen gerichtet, wie das Röhrchen in dem Tem­ perierbereich mehrfach gewunden sein kann.

Die Merkmale der Patentansprüche 3 und 4 sind auf alternative Möglichkeiten gerichtet, wie das Pipettierröhrchen im Tempe­ rierbereich in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem metallischen Wärmeleiter gebracht werden kann.

Mit den Merkmalen von Patentanspruch 5 wird die Temperierung auch bei kleinen Flüssigkeitsmengen erreicht, die nicht bis in den mehrfach gewundenen Temperierbereich hinein gelangen.

Die Merkmale von Patentanspruch 6 sind an sich üblich; sie tragen zu dem angestrebten schnellen Wärmeübergang bei.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale erge­ ben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Ansicht der wesentlichen Bauelemente einer erfindungsgemäßen Pipettier­ einrichtung;

Fig. 2 demgegenüber vergrößert eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A von Fig. 1 zur Erläuterung von Details des eigentlichen Temperierbereichs;

Fig. 3 eine Ansicht einer Ausführungsform, bei der das Pipettierröhrchen im Temperierbereich spiralig geformt ist;

Fig. 4 eine Ansicht entsprechend Fig. 3, wobei die Spirale eckiger geformt ist;

Fig. 5 eine Ansicht entsprechend Fig. 3 oder 4, wobei das Pipettierröhrchen mäanderförmig geformt ist.

Fig. 1 zeigt die wesentlichen Bauelemente einer Pipettierein­ richtung. Daraus ist ein Schlauch 1 ersichtlich, der auf ein oberes Ende eines Pipettierröhrchens 2 aufgesetzt ist.

Dieses geht in einen Temperierbereich über, in dem das Röhrchen mehrfach gewunden ist. Ausführungsbeispiele hierfür zeigen die Fig. 3 bis 5.

In diesem Temperierbereich ist das Röhrchen zwischen zwei Metallplatten 3, 4 eingespannt.

Auf den Außenseiten der Platten 3, 4 sitzen Peltierelemente 5 und auf deren Außenseiten wiederum befinden sich Kühlkörper 6.

Nach Fig. 1 kann eine Hülse 7, ebenfalls aus Metall, vorgesehen sein, die in gut wärmeleitendem Kontakt mit wenigstens einer der Platten 3, 4 steht. Durch diese Hülse 7 ist die Spitze 8 des Röhrchens 2 geführt.

Die Pipette ist also als langes dünnes Kapillar-Rohr in Form einer ebenen Spirale aufgewendelt. Dies kann mäanderförmig wie in Fig. 5 oder spiralförmig wie in Fig. 3, 4 ausgeführt sein.

Am unteren Ende ist die Pipette zur exakten Aufnahme und Abgabe der Flüssigkeit konisch verjüngt. Am oberen Ende wird der flexi­ ble Schlauch 1 angeschlossen, der zu einem nicht dargestellten Dilutor führt, welcher die Flüssigkeitsaufnahme und -abgabe durch die Pipette steuert und zusätzlich über den Verbindungs­ schlauch Verdünnungmittel in ein Meßgefäß bzw. zur Spülung der Pipette aus einem externen Reservoir zuführt. Die vorzugsweise spiralförmig aufgewendelte Pipette wird zwischen den zwei ebenen Platten 3, 4 aus gut wärmeleitfähigem Material verspannt, deren Oberflächen Vertiefungen entsprechend der Form des Pipettenröhr­ chens aufweisen, um zur Erreichung eines guten Wärmeübergangs einen innigen Kontakt zwischen den Platten und der Pipette zu gewährleisten.

Die beiden Platten 3, 4 tragen auf der gegenüberliegenden Seite jeweils das Peltierelement 5, welches je nach Betriebsweise die Platten mit der dazwischen befindlichen, aufgewendelten Pipette heizt bzw. kühlt.

Die Peltierelemente ihrerseits tragen jeweils den Kühlkörper 6, um über Natur- bzw. Zwangskonvektion sekundärseitig eine gute thermische Ankopplung an die Umgebungsluft zu ermöglichen.

Zur Regelung der Peltierelemente kann in einer der Platten bzw. zwischen beiden Platten ein Temperatursensor angebracht sein, der die jeweilige Temperatur ermittelt. Ein externer PID-Regler führt den Vergleich mit der Solltemperatur durch und regelt die an die Peltierelemente 5 angelegte elektrische Leistung.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Außendurchmesser der Pipette ca. 1 bis 2 mm und die Länge der gewendelten Pipette liegt bei ungefähr 0,5 m. Die Kantenlänge der Platten beträgt jeweils wenige cm. Die Vorrichtung ist zur Temperierung von Flüssigkeitsvolumina in der Größenordnung von bis zu 1 ml vorgesehen.

Um in sehr schlanke hohe Vorratsgefäße möglichst tief eintauchen zu können, wird die Pipettenspitze 8 auf der Unterseite der Tem­ periereinheit über eine Länge von ca. 10 cm vertikal aus dieser herausgeführt. Die Temperierung sehr kleiner aufgenommener Flüs­ sigkeitsvolumina, die nicht bis in den eigentlichen Wärmetau­ scherbereich gelangen, erfolgt durch die in diesem Bereich auf die Pipette aufgepreßte Hülse oder Manschette 7 aus sehr gut wärmeleitfähigem Material, die an die beiden Platten 3 und 4 angeflanscht ist und für einen schnellen Temperaturausgleich sorgt. Unterstützt wird dies dadurch, daß vor einem jeden Pipet­ tierschritt eine geeignete Menge vortemperierter Verdünnungsflüs­ sigkeit in einer Waschstation aus dem Wärmetauscherbereich lang­ sam ausgespült wird, so daß die Pipettenspitze 8 die Solltempera­ tur annimmt. Wegen der vergleichsweise hohen thermischen Kapazi­ tät der Pipettenspitze wird eine im Anschluß hieran aus einem Vorratsgefäß aufgenommene sehr kleine Flüssigkeitsmenge durch den thermischen Ausgleichsvorgang innerhalb gewisser Toleranzen auf Solltemperatur gebracht.

Um einen vollständigen Temperaturangleich der Flüssigkeitsmenge in der Pipettenspitze zu ermöglichen, ist in einer anderen, er­ findungsgemäßen Variante vorgesehen, die Pipettenspitze während der Transferbewegung vom Vorratsgefäß zum Meßgefäß berührungslos induktiv zu erwärmen. Zu diesem Zweck wird die Spitze von einer Induktionsspule umgeben, die so angebracht ist, daß sich die Spitze nach dem Herausheben aus dem Vorratsgefäß innerhalb der Spule befindet. Infolge der berührungslosen Erwärmung wird eine Verschleppung der Pipettiersubstanz von der Pipettennspitze ver­ mieden.

Mit dieser Ausführungsvariante kann die Pipettenspitze beheizt, nicht jedoch gekühlt werden; es sind jedoch hiervon nur kleine Flüssigkeitsvolumen von ca. 10-20 µl betroffen. Zudem wurde in Versuchen überraschenderweise festgestellt, daß infolge der Ver­ dunstung beim Temperaturausgleich im Meßgefäß ein Ausgleich der Temperaturen von einer über der Solltemperatur liegenden Flüs­ sigkeitstemperatur sehr viel schneller erfolgt als bei einer zu niedrigen Flüssigkeitstemperatur.

Die Steuerung des induktiven Heizimpulses kann erfindungsgemäß entweder über einen rechnerisch gesteuerten Impuls erfolgen, der sich auf die Temperatur im Vorratsgefäß bezieht, oder die induk­ tive Heizungsregelung erfolgt über einen an der Pipettenspitze angebrachten Temperatursensor.

In der beschriebenen Weise ist es möglich, Pipettiervolumina be­ liebiger Größe in einer sehr schnellen und exakten Weise auf eine vorgegebene Solltemperatur zu temperieren, wobei der größere An­ teil des Wärmetransfers mittels des vorstehend beschriebenen pel­ tierelementtemperierten Metallblocks erfolgt, während die in der Pipettenspitze befindliche Flüssigkeitsmenge mittels der indukti­ ven Heizung oder auch über die Hülse 7 erwärmt wird.

Es ergibt sich also insgesamt trotz der direkten Temperierung an der Pipette eine relativ einfache, kleine und leichte Konsstruk­ tion mit geringem Montage- und Fertigungsaufwand und sehr hoher Betriebsssicherheit, die wegen der großen Kontaktfläche zwischen der gewendelten oder mäanderförmig geformten Pipette und dem Wär­ meträger eine sehr schnelle und exakte Temperierung ohne lästige Geräuschentwicklung durch Umwälzpumpen ermöglicht.

Gegenüber der dargestellten Ausführungsform sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Varianten möglich.

Beispielsweise kann die Pipette etwa mäanderförmig gewendelt werden. Anstelle der verspannten Platten kann die gewendelte Pipette in einer Matrix aus gut wärmeleitfähigem Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt eingegossen werden. Die Pipet­ tierspitze kann am Übergang zum Wärmetauscherbereich mit einer Schraubverbindung befestigt werden, um ein schnelles Auswechseln zu ermöglichen.

In einer weiteren Variante kann die beschriebene Temperierungs­ vorrichtung in einer Handpipette eingebaut werden. In diesem Fall ist die elektrische Versorgung von Steuerelektronik und Peltier­ elementen über Batterien bzw. Akku oder Netzkabel zu realisieren.

Claims (7)

1. Pipettiereinrichtung mit einem temperierbaren Pipet­ tierröhrchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Pipettierröhrchen (2) in einem mehrfach gewundenen Bereich gut wärmeleitend an einem metallischen oder anders­ artigen gut wärmeleitenden Wärmeträger (3, 4) anliegt, an dem ebenfalls in gut wärmeleitendem Kontakt wenigstens ein Pel­ tierelement (5) anliegt.

2. Pipettiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pipettierröhrchen (2) in dem Temperierbereich spiralförmig oder mäanderförmig geformt ist.

3. Pipettiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pipettierröhrchen (2) zwischen Metallplatten (3, 4) eingespannt ist, die Vertiefungen entsprechend der Form des Pipettierröhrchens (2) haben, in die das Röhrchen (2) ein­ gesetzt ist.

4. Pipettiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pipettierröhrchen (2) in einem Metallblock eingegossen ist.

5. Pipettiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Wärmeleiter (3, 4) einen hülsenförmigen Fortsatz (7) hat, in dem sich der Auslaß des Pipettier­ röhrchens aus dem Temperierbereich befindet.

6. Pipettiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Pipettierröhrchen (2) aus Metall besteht.

7. Pipettiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktionsspule zum Erwärmen der Pipettenspitze (8) vorgesehen ist.