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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zum zuverlässigen An- bzw. Absaugen von
kleinen Aliquoten (in dem Mikroliterbereich) einer flüssigen Probe
aus einem Behälter,
z.B. einem Testrohr oder einer Viole. Die Vorrichtung zum Absaugen
bzw. Ansaugen von Flüssigkeit
der Erfindung ist insbesondere in biologischen und chemischen Instrumenten
verwendbar bzw. nützlich,
welche automatisch kleine, jedoch präzise Volumina von Flüssigkeit
aus einem Testrohr oder einer Viole für eine nachfolgende Verwendung
oder Analyse abziehen müssen.
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Stand der
Technik
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Flüssigkeitstransportsysteme sind
zum Absaugen von kleinen Volumina einer Flüssigkeitsprobe aus einem Behälter an
einem Ort und zum Verteilen der abgesaugten Probe in eine Reaktionskammer
an einem anderen Ort bekannt. Derartige Systeme werden beispielsweise
in Hämatologieinstrumenten
verwendet, die adaptiert sind, um automatisch eine Blutprobe zu
analysieren. In derartigen Instrumenten wird die Spitze eines Absaugkopfs
oder eine Nadel in eine Viole, enthaltend eine Blutprobe, auf ein
Niveau unter jenem der Probe in der Viole abgesenkt. Ein negativer
Druck bzw. Unterdruck (Vakuum) wird dann an den Testkopf angelegt,
um die gesamte oder einen Teil der Probe in und durch den Testkopf
zu einem Ort abzusaugen, wo die abgesaugte Probe in kleinere und
präzise
Volumina für
eine Analyse segmentiert bzw. unterteilt werden kann.
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Um relativ kleine Volumina von flüssigen bzw.
Flüssigkeitsproben,
die in einer Viole enthalten sind, abzusaugen oder um sicherzustellen,
daß die gesamten
Inhalte einer eine Flüssigkeit
enthaltenden Viole durch ein Absaugsystem der oben beschriebenen
Art extrahiert werden, ist es notwendig, daß die Spitze des Absaugkopfs
den inneren Boden der Viole während
dem Absaugverfahren kontaktiert. In jenen Systemen, in welchen die
Violen und die Absaugköpfe
von einer Standardgröße sind,
kann ein virtueller Kontakt zwischen der Testkopfspitze und dem
Violenboden durch präzises
Steuern bzw. Regeln sowohl der Position der Viole als auch der vertikalen
Verlagerung des Absaugkopfs sichergestellt werden. Jedoch in jenen
Systemen, in welchen die Violengröße (Länge) variabel ist, kann ein
Erreichen des gewünschten Kontakts
problematisch sein. Verschiedene Schemata wurden für ein Detektieren
entwickelt, daß die Spitze
des Absaugkopfs immer in die Flüssigkeit während dem
Absaugen eingetaucht ist; siehe beispielsweise die Offenbarung des
gemeinsam bzw. allgemein übertragenen
U.S. Patents Nr. 4,326,851 von Bello et al. In allen diesen Schemata
ist es üblich, eine
nach unten gerichtete Bewegung des Absaugkopfs, bevor die Testkopfspitze
den Boden der Viole kontaktiert, aufgrund einer Gefahr eines Zerbrechens der
Viole anzuhalten; als ein Ergebnis können kleine Volumina der Probe
in der Viole nicht entfernt werden und/oder der letzte Tropfen eines
relativ großen
Volumens von Flüssigkeit
kann nicht an- bzw. abgesaugt werden.
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U.S. Patent Nr. 4,715,413 offenbart
einen anderen Zugang zum Aufrechterhalten eines Kontakts zwischen
der Spitze einer Absaugkanüle
oder einem Testkopf und dem Boden eines eine Flüssigkeit enthaltenden Behälters. Dieses
Patent offenbart, daß der
eine Flüssigkeit
enthaltende Behälter
auf einer rückstellfähigen bzw.
elastischen Lagerung abgestützt
sein kann, um das Risiko einer Zerstörung bzw. Beschädigung der
Kanüle
und/oder des Behälter, wenn
die Kanülenspitze
den Behälterboden
kontaktiert, zu verhindern. Dieses Patent offenbart auch eine Vorrichtung
zum Abtasten bzw. Erfassen einer nach oben gerichteten Kraft auf
den Kanülensupport, wie
sie durch den Behälterboden
bewirkt wird, der der Abwärtsbewegung
der Kanülenspitze
widersteht. Ein derartiges Abtasten wird durch piezoelektrische kapazitive,
elektromagnetische oder magnetostriktive Sensoren zur Verfügung gestellt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Im Hinblick auf die vorhergehenden
Diskussion ist es ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung
zum Absaugen von Flüssigkeit
der beschriebenen Art zur Verfügung
zu stellen, eine, welche von dem Standpunkt, daß der letzte Tropfen von Flüssigkeit
in einem Behälter
zuverlässig
an- bzw. abgesaugt
werden kann, verbessert ist.
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Dieses Ziel wird durch eine Vorrichtung
gemäß Anspruch
1 erreicht, wobei zusätzliche
Merkmale in den abhängigen
Ansprüchen
definiert sind.
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Die Erfindung und ihre zahlreichen
Vorteile werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausbildung offensichtlich werden, wobei auf die
beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Darstellung bzw. Illustration eines Instruments,
in welchem die Erfindung verwendbar bzw. nützlich ist;
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2 ist
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung;
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3A, 3B und 3C sind Querschnittsdarstellungen der
Vorrichtung von 2, die
einen eine Flüssigkeit
enthaltenden Behälter
und einen Absaugkopf in verschiedenen Relativ-Positionen zeigen; und
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSBILDUNGEN
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Indem nun auf die Zeichnungen Bezug
genommen wird, illustriert 1 ein
Hämatologie-Instrument 10,
das adaptiert ist, um in einer konventionellen Weise eine Blutprobe
zu analysieren, die in einem Behälter,
z.B. einen Testrohr oder einer Viole, enthalten ist. Ein derartiges
Instrument umfaßt
ein Probeneinbring/ausbringtor 12, welches schwenkbar an
dem Instrumentengehäuse
festgelegt ist, zur Bewegung zwischen einer offenen Position, wie
sie in 1 und 3A gezeigt ist, und einer
geschlossenen Position, wie sie in 3B und 3C gezeigt ist. In seiner
offenen Position ist das Tor bereit, einen Behälter V, enthaltend eine Blutprobe
für eine
Analyse aufzunehmen oder auszubringen. In seiner geschlossenen Position
ordnet das Tor den Behälter
vertikal direkt unter einem Absaugkopf des Instruments in einem Pfad
einer Vertikalbewegung des Testkopfs an, wie dies unten erklärt werden
wird.
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2 illustriert
schematisch eine bevorzugte Vorrichtung zum Sicherstellen, daß die Spitze
T eines Absaugkopfs P, der verwendet wird, um eine flüssige Probe
S an- bzw. abzusaugen, die in einem Behälter V enthalten ist, in Kontakt
mit dem Innenseitenboden B des eine Flüssigkeit enthaltenden Behälters während des
Absaugens der Probe verbleibt. Wie dies dargestellt ist, arbeitet
ein Schrittmotor 20 oder dgl., um selektiv ein gezahntes
Ritzel 22 zu drehen, das positioniert ist, um in eine gleitbar
festgelegte Getriebezahnstange 24 einzugreifen, an welche
der Absaugkopf mechanisch gekoppelt ist. Wenn sich das Ritzel 22 im
Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn bewegt, bewegt sich die
Zahnstange 24 nach oben oder unten, wodurch eine Vertikalbewegung des
Absaufkopfs innerhalb des Behälters
produziert wird. Wenn sich der Kopf vertikal nach unten von einer
Position oberhalb des Behälters
bewegt, durchstößt seine
Spitze T einen Gummistoppel 24, der ein Ende des eine Probe
enthaltenden Behälters
umschließt.
Eine fortgesetzte Bewegung nach unten des Absaugkopfs bewirkt, daß die Kopfspitze
den Innenseitenboden des Behälters
kontaktiert bzw. mit diesem in Eingriff gelangt, wodurch es ermöglicht wird, daß sehr kleine
Probenvolumina abgesaugt werden. In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung sind Bodenabtastmittel zur Verfügung gestellt, um sicherzustellen,
daß die
Testkopfspitze T nicht nur den Behälterboden während einer Absaugung kontaktieren,
sondern auch in Kontakt mit dem Behälterboden während einer Absaugung verbleibt.
Zusätzlich
stellt, um sicherzustellen, daß der
letzte Tropfen von Probe abgesaugt werden kann, ein derartiger Kontakt
sicher, daß Luft
nicht intermittierend in den Absaugkopf gezogen wird, wodurch irgendeine
Chance einer zu kurzen oder nur teilweisen Absaugung minimiert wird bzw.
ist.
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Indem immer noch auf 2 Bezug genommen wird, ist der Behälter V seitlich
zwischen einem Paar von Federklemmen 28 gehalten bzw. abgestützt, welche
eine seitliche Abstützung
für den
Behälter
zur Verfügung
stellen, während
es ihm ermöglicht
wird, sich axial entlang seiner Längsachse zu bewegen. Die Basis
des Behälters
V ist auf einer Plattform 30 abgestützt, welche auf einer Schrauben- oder
Kompressionsfeder 32 aufruht, die durch das Instrumentengehäuse H abgestützt ist.
Die Feder 32 dient dazu, um den Behälter in einer nominal vertikalen
Position abzustützen,
wenn keine externe, nach unten gerichtete Kraft auf den Behälter aufgebracht ist,
d.h. wenn der Absaugkopf nicht in Kontakt entweder mit dem Behälterstopfen 26 oder
dem Behälterboden
ist. So wird die Federkonstante der Feder 32 so gewählt, daß die nach
oben gerichtete Kraft, die sie auf den Boden der Plattform 30 ausübt, durch
die nach unten gerichtete Kraft des Behälters und seine Inhalte ausgeglichen
wird, um die Plattform in ihrer Nenn- bzw. Nominalposition (wie
in 2 gezeigt) zu positionieren.
Die Feder 32 trägt
ein sich horizontal erstreckendes Fahnen- bzw. Flagglied 34,
welches während
einer nach unten gerichteten Bewegung der Plattform 30 wirkt,
um einen Lichtstrahl LB, der zwischen einer optischen Quelle 36 und
einem Empfänger 38 eines
konventionellen optischen Sensors 40 ausgebildet wird,
zu unterbrechen. Die Ausgabe des optischen Sensors wird verwendet,
um eine Motorsteuer- bzw. -regelschaltung 42 zu steuern
bzw. zu regeln, welche funktioniert, um selektiv den Schrittmotor 20 mit
Energie zu versorgen oder energielos zu machen. Wie dies erkannt
werden wird, wird, wenn der Absaugkopf von einer Position oberhalb des
Behälters
zu einer Position bewegt wird, in welcher die Kopfspitze T zu Beginn
die obere Oberfläche eines
Behälterstopfens 26 kontaktiert
und diesen dann durchstößt, eine
nach unten gerichtete Kraft auf den Behälter und seine darunterliegende
Kompressionsfeder ausgeübt,
wodurch die Feder veranlaßt wird,
sich zu komprimieren, und das Flagglied 34 veranlaßt wird,
sich vertikal nach unten zu bewegen. Um ein vorzeitiges Stoppen
der nach unten gerichteten Bewegung des Absaugkopfs während eines
Durchstoßens
des Behälterstopfens
zu verhindern, muß die
Position des optischen Sensors unter jenem Niveau liegen, welches
durch das Flagglied während des
Durchstoßens
des Stopfens erreicht wird. Nach dem Durchstoßen des Stopfens wird eine
kleinere, nach unten gerichtete Kraft auf den Behälter ausgeübt, bis
die Testkopfspitze schließlich
den Behälterboden
kontaktiert. Danach wird, wenn bzw. da fortgesetzt wird, den Testkopf
nach unten gegen den Behälterboden
anzutreiben, der Behälter
beginnen, sich nach unten gegen die nach oben gerichtete Kraft zu bewegen,
die durch die Feder ausgeübt
wird, bis das Flagglied eine Position erreicht, in welcher es den
optischen Strahl des optischen Sensors 40 unterbricht. Zu
diesem Zeitpunkt wird der optische Sensor ein Signal produzieren,
welches die Motorsteuer- bzw. -regelschaltung veranlaßt, eine
weitere Bewegung des Testkopfs nach unten zu stoppen bzw. anzuhalten. So
muß die
Federkonstante der Feder 32 so gewählt werden, daß sie (a)
nicht so nachgiebig ist, um es dem Flagglied zu ermöglichen,
den optischen Sensor während
eines Durchstechens des Stopfens zu erreichen, wodurch eine Bewegung
des Testkopfs nach unten vorzeitig unterbrochen würde, und
sie (b) nicht so steif ist, daß die
Testkopfspitze brechen oder anders den Behälter beschädigen wird, bevor das Flagglied
seine den optischen Strahl unterbrechende Position erreicht.
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Die Motorsteuer- bzw. -regelschaltung 42 umfaßt vorzugsweise
eine konventionelle Mikrosteuer- bzw. -regeleinheit 44,
die programmiert ist, um auf Eingabesignale zu antworten, die eine
gewünschte Verlagerung,
Richtung, Beschleuni gung und Geschwindigkeitsprofile für den Absaugkopf
darstellen bzw. repräsentieren.
Auf Befehl generiert die Mikrosteuer- bzw. -regeleinheit bzw. der
Mikrokontroller digitale Signale für eine Stromversorgungs- bzw.
Leistungsstufe 46, welche wiederum ein entsprechendes Signal
ausgibt, um die Windungen bzw. Wicklungen des Schrittmotors 20 mit
Energie zu versorgen. Die Leistungsstufe umfaßt einen Niveauumsetzer, welcher
ein digitales Signal akzeptiert und sie in geeignete Niveaus umwandelt,
um einen Satz von Leistungstransistoren anzutreiben, die verwendet
werden, um die Wicklungen des Schrittmotors mit Energie zu versorgen.
Ein Leistungserfassungsschaltkreis 48 mißt den Strom,
der durch die Motorwicklungen fließt, mittels eines Serienwiderstands,
welcher eine Spannung proportional zu dem Strom über seine Kontakte bzw. Anschlüsse entwickelt.
Eine Steuer- bzw. Regelstufe 49 konstanter Leistung arbeitet,
um diese Spannung mit einer Bezugsspannung zu vergleichen, und moduliert
die Leistungsstufe, um die Leistung auf einem konstanten Wert zu
halten. Die Mikrosteuer- bzw. -regeleinheit antwortet auf die Ausgabe
des optischen Sensors, um einen Haltestrom in den Motorwicklungen
zu erzeugen, um zwischen der Testkopfspitze und dem Behälterboden
während
einem Probenabsaugen einen Kontakt aufrecht zu halten.
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Bezugnehmend auf 3A–3C ist eine bevorzugte Vorrichtung
zum mechanischen Implementieren des schematisch in 2 dargestellten Konzepts gezeigt. Wie
dies gezeigt ist, sind den Behälter unterstützende Komponenten 28, 30 und 32 auf
einem Rahmen F festgelegt, der starr mit dem zuvor erwähnten Instrumententor 12 verbunden
ist. Der Rahmen F ist schwenkbar an dem Instrumentengehäuse H für eine beschränkte Schwenkbewegung
um einen Schwenkzapfen 50 für eine Bewegung von der offenen
Position, die in 3A ge zeigt
ist, und die geschlossene Position, die in 3B und 3C gezeigt ist,
festgelegt bzw. montiert. Ein zweiter, optischer Sensor 44 kooperiert
mit einem Flagglied 55, welches durch den Torrahmen getragen
ist, um sicherzustellen, daß das
Tor vollständig
geschlossen ist, bevor eine Ansaugung der Probe beginnen kann. Wenn sich
das Tor in einer geschlossenen Position befindet, fällt die
Behälterlängsachse
A mit der vertikalen Achse VA, die durch den Ansaugkopf durchquert
ist, zusammen. In 3B ist
der Ansaugkopf in einer Position vor einem Eintritt in den Behälter V gezeigt,
und in 3B ist der Ansaugkopf
in einer Position gezeigt, die den Behälterboden kontaktiert und wie
er den Behälter
gegen die Kraft der Feder 32 bis zu einem Punkt nach unten
gezwungen bzw. beaufschlagt hat, an welcher das Flagglied 34 den
Lichtstrahl, der durch den optischen bzw. Opto-Sensor 40 zur
Verfügung
gestellt ist, behindert bzw. unterbrochen hat.