DE4423267A1 - Pipettiersystem für flüssige Proben - Google Patents

Description

Pipettiersysteme dienen dazu, definierte Volumina an Flüssigkeiten aus Vorratsgefäßen zu entnehmen und für die weitere Bearbeitung bereitzustellen. Dabei wird die Flüssigkeit zunächst in ein Zwischengefäß gesaugt und dann wieder aus diesem herausgedrückt. In automatischen Analysesystemen werden zum Ansaugen und Ausstoßen eines definierten Volumens fast aus­ schließlich Vorrichtungen verwendet, bei denen ein mit Flüssigkeit oder Gas gefüllter Hohlraum mecha­ nisch (durch Verschieben eines Kolbens oder einer Membran) in seinem Volumen verändert wird.

Bei diesen Systemen ist allerdings ein erheblicher Aufwand an Bauelementen nötig, um die reproduzierba­ re Volumenveränderung zu bewirken. Als Antrieb wird normalerweise entweder ein Schrittmotor oder ein Gleichstrommotor verwendet. Während der Drehwinkel des Schrittmotors durch die Anzahl der ausgeführten Schritte bestimmt wird, ist bei dem Gleichstrommotor zur Bestimmung des Drehwinkels ein zusätzlicher Weggeber nötig. Beide Antriebsarten benötigen außer­ dem ein Maschinenelement, das den Drehwinkel repro­ duzierbar in eine Wegstrecke umsetzt (üblicherweise eine Spindel) Außerdem wird meistens ein Getriebe zur Erhöhung des Drehmoments und zur Verringerung der Drehzahl benötigt. Zur Kontrolle der Pipettier­ vorrichtung ist weiterhin eine Steuerung notwendig. Wenn sehr kleine Volumina dosiert werden müssen, ist die Herstellung des benötigten sehr kleinen verän­ derlichen Volumenelementes mit zusätzlichen Schwie­ rigkeiten verbunden.

Außer dem hohen Herstellungsaufwand wirken sich auch die begrenzte Lebensdauer und durch die hohe Anzahl von Bauelementen bedingte, relativ geringe Zuverläs­ sigkeit nachteilig aus. Dies trifft besonders für Anwendungen zu, bei denen die Systeme ohne Beauf­ sichtigung arbeiten müssen.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Pipettiersystem zu ver­ einfachen und eine höheren Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu erzielen.

Dieses Problem wird durch die Verwendung eines gasgefüllten, temperierten Hohlraumes zum Ansaugen und Ausstoßen gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allem darin, daß der konstruktive Aufwand we­ sentlich verringert und durch die geringe Anzahl an Bauelementen und den Wegfall mechanisch bewegter Teile eine erheblich gesteigerte Zuverlässigkeit erzielt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben.

In den Patentansprüchen 2 und 3 werden zwei mögliche Methoden zur Kontrolle der angesaugten bzw. abgege­ benen Flüssigkeitsmenge dargelegt.

Es lassen sich bei dem Verfahren nach Patentanspruch 2 auch sehr kleine Volumina genau abmessen, wenn ein entsprechend kleines gasgefülltes Volumen verwendet wird.

In den Patentansprüchen 4 und 5 werden zwei zweckmä­ ßige Mittel zur Temperierung des gasgefüllten Volu­ mens angegeben. Im Patentanspruch 6 schließlich wird eine einfache Methode zur Temperaturmessung bei einer Ausführung nach Patentanspruch 5 angegeben. Bei bekannten Temperaturen des temperierbaren Volu­ mens und des daran anschließenden Leitungsstückes und den Voraussetzungen, daß sich der Druck im System nur vernachlässigbar ändert und das Ideale Gasgesetz anwendbar ist, läßt sich das angesaugte oder ausgestoßene Volumen einfach berechnen. Wenn das temperierbare Volumen V vor dem Arbeits­ schritt die (absolute) Temperatur T₁ und nachher die Temperatur T₂ aufweist, beträgt die Molzahländerung δn bei konstantem Druck p:

Diese Molzahländerung ruft bei konstantem Druck und der Umgebungstemperatur T_u, die in der angeschlosse­ nen Leitung herrscht, eine Volumenänderung δV her­ vor:

Nach T₂ aufgelöst:

Wird als temperierbarer Hohlraum eine dünnwandige Metallkapillare geringen Innendurchmessers verwen­ det, die durch einen hindurchgeleiteten elektrischen Strom beheizt wird, werden kurze Aufheiz- und Ab­ kühlzeiten und eine gute Temperaturkonstanz über die Länge erreicht. Wird darüber hinaus noch die Tempe­ ratur über die geheizte Länge der Kapillare gemit­ telt, lassen sich bei geringem Aufwand sehr gute Genauigkeiten erreichen.

Als Kapillarenwerkstoff bietet sich entweder Nickel (hoher Temperaturkoeffizient des elektrischen Wider­ standes) oder aber geeignete Legierungen (Edelstahl, Monel) an, die bei geringerem Temperaturkoeffizient einen höheren Widerstand haben (einfachere Ansteue­ rung). Durch die Wahl des Innendurchmessers der Kapillare kann der Kompromiß zwischen hoher Abkühl­ geschwindigkeit (bei einer längeren Kapillare mit kleinem Innendurchmesser) und geringer Leistungsauf­ nahme (bei einer kürzeren Kapillare mit rel. großem Innendurchmesser) bei gegebener Temperaturerhöhung beliebig gewählt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

In diesem Beispiel wird das Pipettiersystem zur Probenahme in einem System zur Abwasseranalyse, z. B. an einem Gewässer oder einem Kanal, verwendet.

Aufbau

Das System besteht aus einer nicht dargestellten Pumpe, dem Überlaufbecken 13, einem in mehreren Koordinaten verfahrbaren Probenspitzenhalter 7, einer darauf aufgesteckten Probenspitze 8, einem mit dem Probenspitzenhalter luftdicht verbundenen Schlauch 6, der wiederum luftdicht mit einer Metall­ kapillare 3 verbunden ist, einer vom Microcontroller 1 schaltbaren Konstantstromquelle 9, die mit den Enden des beheizbaren Teils der Kapillare 3 verbun­ den ist, einem Instrumentenverstärker 5, dessen Eingänge mit der Kapillare so verbunden sind, daß der Verstärker die Differenzspannung, die durch den Stromfluß durch die Kapillare hervorgerufen wird, verstärkt an einen Analogeingang des Microcontrol­ lers 1 anlegt, einem Druckgeber und einem am nicht­ beheizten Teil der Kapillare befindlichen Tempera­ turgeber, die jeweils eine druckproportionale bzw. temperaturproportionale Spannung an den Controller weitergeben, Gefäße 11 zur Aufnahme des abgemessenen Probevolumens, sowie einem Vorrat an Probenspitzen 12.

Nicht dargestellt ist ein massiver Metallmantel, der die Kapillare umgibt und damit vor Beeinträchtigun­ gen durch stark schwankende Umgebungstemperaturen schützt.

Funktion:

Der Microcontroller 1 steuert das Pipettiersystem. Durch die Schnittstelle 10 ist er mit der übergeord­ neten Steuerung verbunden.

Das zu analysierende Abwasser wird von einer Pumpe (nicht dargestellt) kontinuierlich in das Überlauf­ becken 13 gepumpt. Zur Entnahme eines definierten Volumens der Flüssigkeit wird zunächst die Metallka­ pillare durch Einschalten der Konstantstromquelle 9 aufgeheizt. Die Temperatur wird dabei über den elektrischen Widerstand der Metallkapillare und dieser wiederum durch den Spannungsabfall, den der konstante Heizstrom liefert, ermittelt. Zum Abgleich von Thermospannungen und dem Nullpunktsfehler des Verstärkers wird bei abgeschaltetem Heizstrom die Nullspannung gemessen und vom bei Stromdurchfluß ermittelten Meßwert abgezogen. Wenn die vom Programm vorgesehene Temperatur erreicht ist, wird die aus­ wechselbare Probenahmespitze 8 in das Überlaufbecken eingetaucht. Dabei wird die Temperatur der Kapillare durch kurze Heizimpulse konstant gehalten, wobei bei jedem Heizimpuls die Temperatur der Kapillare gemes­ sen wird.

Wenn die Probenahmespitze eingetaucht ist, wird die Temperatur der Kapillare auf die berechnete Tempera­ tur verringert. Die gewünschte Flüssigkeitsmenge wird eingesaugt. Dann wird nach einer kurzen Warte­ zeit und gegebenenfalls nach einer durch das Druck­ signal hervorgerufenen Korrektur die Probenahmespit­ ze 8 aus dem Überlaufbecken herausgezogen und über ein Gefäß 11 gebracht. Während dieses Vorgangs wird wieder die Kapillarentemperatur konstant gehalten. Schließlich wird durch Temperaturerhöhung in der Kapillare über die Temperatur beim Ansaugen hinaus das abgemessene Probevolumen vollständig ausgesto­ ßen.

Die somit genau abgemessene Probenmenge im Gefäß 11 kann dann mit bekannten Verfahren analysiert werden. Der Drucksensor dient zum einen dazu, eine eventuel­ le Verstopfung der Probenahmespitze zu erkennen, zum andern zur Dichtheitsprüfung. Dazu wird die Proben­ ahmespitze auf eine dichtende Unterlage gedrückt (nicht dargestellt) und durch Temperaturerhöhung der Kapillare der Druck im System erhöht. Bleibt der Druck nun während einer Wartezeit konstant, ist das System dicht.

Bei einer eventuellen Verstopfung der Probenahme­ spitze kann diese automatisch gewechselt werden. Wenn eine zusätzliche Fehlerkontrolle nicht erfor­ derlich ist und die normalerweise auftretenden Druckänderungen bei der Kalibrierung berücksichtigt werden, kann zur Vereinfachung des Aufbaus auf den Drucksensor verzichtet werden. In Anwendungen, in denen eine relativ konstante Umgebungstemperatur herrscht und keine hohe Genauigkeit gefordert ist, kann auch auf die Messung der Temperatur der unge­ heizten Kapillare verzichtet werden. Alternativ kann auch dieses Kapillarenstück thermostatisiert werden. Anstelle der auswechselbaren Probenahmespitze kann auch eine Ventilschaltung zum Spülen der Spitze verwendet werden.

Claims (6)

1. Pipettiervorrichtung, vorzugsweise zum Einsatz in automatischen Analysesystemen, bestehend aus einem temperierbaren gasgefüllten Hohlraum konstanten Volumens, luftdicht verbunden mit einer gasgefüllten Leitung (Rohr oder Schlauch), die wiederum mit einem zur Aufnahme der Flüssigkeit bestimmten, einseitig geöffneten Hohlraum luftdicht verbunden ist, sowie gegebenenfalls weiteren Bauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugen und/oder Ausstoßen der Flüssigkeit durch Temperaturänderung in dem gasgefüllten Hohl­ raum erfolgt.

2. Pipettiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abmessung der Flüssigkeit die Temperatur des Gasvolumens in kontrollierter Weise geändert wird.

3. Pipettiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abmessung der Flüssigkeit ein Sensor an dem zur Aufnahme der Flüssigkeit bestimmten Hohlraum verwendet wird.

4. Pipettiervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der temperierbare gasgefüllte Hohlraum mit Peltierelementen temperiert wird.

5. Pipettiervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der temperierbare gasgefüllte Hohlraum durch ein Metallrohr bzw. eine Metallkapillare gebildet wird und durch Stromdurchfluß durch das Metallrohr oder eine auf das Metallrohr aufgebrachte, isolierte Heizwicklung temperiert wird.

6. Pipettiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Metallrohres und damit im stationären Fall auch die Temperatur des einge­ schlossenen Gases aus dem elektrischen Widerstand des geheizten Rohrstückes oder eines Teiles davon ermittelt wird.