DE60203486T2 - Verfahren und vorrichtung zum mischen von flüssigen proben in einem behälter mittels rotierender magnetischer felder - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum mischen von flüssigen proben in einem behälter mittels rotierender magnetischer felder Download PDF

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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05Stirrers
    • B01F27/11Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/116Stirrers shaped as cylinders, balls or rollers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01F33/452Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers using independent floating stirring elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum einheitlichen Mischen von flüssigen Proben, Reagentien oder anderen Lösungen in einem Behälter. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum schnellen und einheitlichen Mischen einer Flüssigkeit unter Verwendung eines Paars sich in der Nähe der Seiten des Behälters drehender Magnetfeldquellen zur Erzeugung einer Wirbelmischwirkung in der Flüssigkeit zur Verfügung.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Analyseautomaten in der Mikrobiologie und der klinischen Chemie weisen das Vorliegen von Mikroorganismen und Analyten in Körperflüssigkeiten wie Urin, Blutserum, Plasma, Hirnwasser, Sputum u.ä. nach. Analyseautomaten in der Mikrobiologie und der klinischen Chemie verbessern die Produktivität und versetzen klinische Laboratorien in die Lage, ein hohes Testaufkommen zu bewältigen. Automatisierte Systeme liefern schnellere und präzisere Ergebnisse und Krankenhausärzten wertvolle Informationen über die Arten von Antibiotika oder Medikamenten, mit denen mit Infektionen oder Krankheiten diagnostizierte Patienten wirksam behandelt werden können. In einem vollautomatischen Analysegerät sind viele verschiedene Vorgänge nötig, um Mikroorganismen oder Analyte und eine wirksame Art von Antibiotikum oder Medikament zu bestimmen. Bei allen diesen Vorgängen ist es oft notwendig, dass die Flüssigkeitsproben von Patienten und Proben in Verbindung mit verschiedenen Reagentien und Antibiotika sehr einheitlich gemischt werden, woraus sich ein Bedarf an kostengünstigen, platzsparenden Hochgeschwindigkeitsmischern ergibt.
  • Analysegeräte wie die oben beschriebenen führen eine Vielzahl von Analysevorgängen an mikrobiologischen Flüssigkeitsproben durch und bei den meisten davon ist es entscheidend, dass die biologische Probe eines Patienten, besonders wenn sie sich im flüssigen Zustand befindet, einheitlich mit Analysereagentien oder Verdünnungsmitteln oder anderen Flüssigkeiten oder sogar rehydratisierten Zusammensetzungen vermischt und einem Analysemodul in einem einheitlich vermischten Zustand vorgelegt wird. In einem biochemischen Analysegerät kann es der Fall sein, dass andere Flüssigkeiten wie Kulturflüssigkeit vor dem Einsatz einheitlich gerührt werden müssen. Zur Bereitstellung eines einheitlichen Probenlösungsgemischs sind verschiedene Verfahren wie Rühren, Mischen, Mahlen mit einer Kugelmühle usw. verwendet worden. Bei einem beliebten Verfahren wird eine Pipette verwendet, um eine Portion einer flüssigen Lösung in einem Flüssigkeitsbehälter abwechselnd anzusaugen und freizugeben. Magnetmischer sind in Klinik- und Laborgeräten auch besonders nützlich; dabei wird eine Lösung aus einer Flüssigkeitsprobe und flüssigen oder nicht löslichen Reagentien, die hier als Probenflüssigkeitslösung bezeichnet wird, einer Wirbelmischung unterzogen. Bei diesen Magnetmischern wird üblicherweise ein Magnetfeld unter dem Boden eines Behälters gedreht oder es läuft ein Magnetfeld darunter um, so dass sich ein magnetisch sensibles Mischglied in einer allgemein kreisförmigen Bahn in einer Ebene im Behälter am Boden des Behälters dreht. Bei solchen Magnetmischern ist es also notwendig, dass ein magnetisch sensibles Mischglied in nächster Nähe des Behälterbodens, im Wesentlichen in Kontakt mit diesem, angeordnet wird.
  • Magnetmischer, die veranlassen, dass sich ein magnetisch sensibles Mischglied am Boden oder an der Oberfläche einer Flüssigkeit in einem Behälter dreht oder dort umläuft, sind bei Probenbehältern mit einem so genannten Zwischenboden nicht einsetzbar. Behälter mit Zwischenboden haben dieselbe allgemeine Größe wie standardmäßige Behälter, weisen aber in einem vorbestimmten Abstand über dem eigentlichen Boden des Behälters einen zusätzlichen Zwischenboden auf. Behälter mit Zwischenboden lassen sich vielerorts vorteilhaft einsetzen, beispielsweise wenn die physische Größe der Ansaugmittel, mit denen Patientenproben aus einem Behälter entnommen werden, verringert werden soll. In solchen Fällen wird die von der Ansaugvorrichtung zurückzulegende vertikale Strecke verkürzt, da sich die Oberfläche der Flüssigkeitsprobe näher am oberen Rand ihres Behälters befindet. Durch die Verwendung von Behältern mit Zwischenboden ist es auch möglich, unüblich kleine Flüssigkeitsproben in Behältern zu handhaben, die über eine große Fläche für Balkencodeangaben verfügen. In anderen Fällen und aus verschiedenen Gründen ist möglicherweise nur ein geringes Patientenprobenvolumen verfügbar, und dank Behältern mit Zwischenboden ist es möglich, ein unüblich geringes Probenvolumen ohne spezielle Handhabungsvorrichtungen, die dazu ausgelegt sind, in unüblich kleinen Probenbehältern betrieben zu werden, in einem Analyseautomat zu transportieren. Beim magnetischen Wirbelmischen kann es andererseits aus Gründen der Mischeffizienz wünschenswert sein, dass sich die Mischenergiequelle, das Mischglied, irgendwo in einem zu mischenden Probenvolumen befindet und nicht oben oder unten im Probenbehälter. Aus Gründen der Mischeffizienz kann es sogar weiterhin wünschenswert sein, dass die Drehenergiequelle während des Mischvorgangs vertikal bezüglich der Probenflüssigkeit bewegt werden kann, anstatt das Mischglied in einer feststehenden Ebene im Probenbehälter anzuordnen.
  • In der US-PS 5,586,823 wird ein Magnetrührer beschrieben, der eine Flasche mit einem Boden und einem Rührstab mit relativ geringer Magnetisierung, der auf dem Boden der Flasche liegt, umfasst. Ein relativ starker Permanentmagnet befindet sich unter und nahe an dem Flaschenboden, und es liegen Mittel vor zum kontinuierlichen Drehen des externen Permanentmagneten um eine im Wesentlichen lotrecht zum Flaschenboden verlaufende Achse. Das sich drehende Magnetfeld bewirkt, dass sich der Rührstab kontinuierlich in einer parallel zum und über dem Flaschenboden verlaufenden Ebene in der Flüssigkeit dreht.
  • In der US-PS 5,547,280 wird ein Magnetrührer mit zweiteiligem Gehäuse beschrieben, der einen unteren Antrieb und einen oberen Teil aufweist, der eine Montagefläche für einen Probenbehälter mit einem Mischmagnet bildet. Die Trennfläche zwischen dem oberen und dem unteren Teil ist in der Arbeitsposition ungefähr horizontal. Der obere Teil ist aus Glas hergestellt und in seiner Arbeitsposition eng an eine gegenüberliegende Fläche des unteren Teils angedrückt, so dass ein Magnetrührer bereitgestellt ist, der gegen aggressive Dämpfe abgedichtet ist.
  • In der US-PS 5,078,969 wird ein Rührer beschrieben, der auf einem Reaktionsgefäß positioniert ist und für das Färben von biologischen Proben auf Objektträgern in einem Gefäß verwendet wird. Der Boden des Gefäßes ist perforiert und besteht aus Glas, so dass der magnetische Fluss hindurchgeht, um einen einen Rührstab an einen magnetischen Antriebsarm zu koppeln. Das Gefäß sitzt auf einer Plattform und der Magnetrührer ist unter der Plattform antriebsmäßig montiert und betreibbar. Der Magnetantrieb hat einen Motor mit einem magnetischen Antriebsarm wie einen Permanentmagnet und eine drehzahlstellbare Steuerung zur Steuerung der Winkelgeschwindigkeit des magnetischen Arms.
  • Aus der US-PS 4,728,500 ist ein Rührer bekannt, der ein magnetisch durchlässiges Gefäß umfasst, das mindestens ein magnetisches Kügelchen und eine magnetische Vorrichtung mit einem Abstandshalter enthält, der mehrere in Längsrichtung positionierte, darauf angeordnete parallel zueinander verlaufende Magnetstäbe aufweist. Die Stäbe können in Längsrichtung unter dem Gefäß bewegt werden, um ein oszillierendes Magnetfeld zu erzeugen, das eine elliptische Bewegung der Kügelchen erzeugt.
  • Aus der US-PS 4,534,656 ist ein Magnetrührgerät bekannt, bei dem der Rührer auf der Oberfläche einer zu rührenden Flüssigkeit aufschwimmt. Der Rührer wird gedreht, allgemein um die vertikale Achse der Flasche, und kann seine Höhe in Bezug auf den Flaschenboden verändern, wenn der Flüssigkeitspegel in der Flasche geändert wird. Der schwimmende Rührer wird durch einen Führungsstab auf eine Drehbewegung und, wenn sich der Flüssigkeitspegel ändert, auf eine vertikale Bewegung beschränkt; ein Magnetantrieb steht bereit, um den Rührer in eine Drehbewegung zu versetzen, wodurch die Flüssigkeit in der Flasche vermischt wird.
  • Aus der US-PS 4,162,855 ist ein Magnetrotor mit einer mittleren Nabe bekannt, deren Oberfläche mit einem von sich aus hochschlüpfrigen Material überzogen ist und an der ein sich radial erstreckender magnetischer Flügel montiert ist. Der Magnetrotor ist in einem mittleren Ringabschnitt eines Käfigs montiert, der mehrere sich vom Ring aus erstreckende Rahmenglieder aufweist, um zu verhindern, dass der sich drehende Flügel die Wände des Gefäßes in Eingriff nimmt. Da die äußeren Glieder den Käfig innerhalb des Gefäßes in Position halten, kann der Magnetrotor im Käfig "schwimmen" und sich frei und mit äußerst geringen Reibungskräften hinsichtlich des Gefäßes drehen, um die sich darin befindende Substanz zu rühren.
  • In der US-PS 4,911,555 wird ein Magnetrührer beschrieben, bei dem ein einzelner Antriebsmotor und Magnetfeldanker oder Rotor mehrere Proben in mehreren Probenbehältern unter Verwendung von herkömmlichen in den Probenbehältern enthaltenen Rührmagneten drehen. Der Rotor stützt ein Paar Antriebsmagneten, die völlig unabhängig sind, um unabhängig mit den Rührmagneten zusammenzuwirken.
  • Aus dem Studium der verschiedenen Magnetmischer, die in der Technik bekannt sind, ergibt sich dementsprechend ein ungedeckter Bedarf an einem verbesserten magnetischen Wirbelmischer, mit dem kleinvolumige Flüssigkeitsproben, die sich in Behältern mit Zwischenboden befinden, magnetisch gemischt werden können. Darüber hinaus besteht Bedarf an einem Magnetmischer, der für eine einheitliche Mischwirkung in Flüssigkeitsproben sorgt, die sich in Röhrchen mit Zwischenboden in einem Probenröhrchengestell befinden, ohne die Probenröhrchen aus dem Gestell zu nehmen, um so die Notwendigkeit zeitraubender und sperriger Mechanismen zur Transferierung des Röhrchens an einen anderen Ort zu Mischzwecken auszuschalten. Es besteht weiterhin Bedarf an einem magnetischen Mischverfahren mit höherer Effizienz, indem das Mischglied während des Mischvorgangs entlang einer Achse des Probenbehälters bewegt wird, wie dies für Flüssigkeitsproben mit niedriger Viskosität nötig sein kann.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Viele dieser Nachteile des Standes der Technik werden durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder der erfindungsgemäßen Verfahren überwunden. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Mischen einer in einem Behälter enthaltenen flüssigen Lösung bereit, indem ein frei angeordnetes, magnetisch sensibles Mischglied dazu veranlasst wird, sich in einem allgemein kreisförmigen Muster in einer Ebene über dem physischen Boden des Behälters zu drehen oder umzulaufen. Das magnetische Mischglied kann eine kugelförmige oder rechteckige Form haben und wird dazu veranlasst, sich in der Lösung zu drehen, indem man ein Paar Magnetfeldquellen außerhalb des Flüssigkeitsbehälters in einer Ebene über dem physischen Boden des Behälters in einem allgemein kreisförmigen Muster umlaufen lässt. Die Drehung der Magnetfeldquellen wird so gesteuert, dass die auf das magnetische Mischglied einwirkenden kombinierten Magnetfelder es dazu veran lassen, sich zu drehen und eine Mischbewegung in der flüssigen Lösung zu erzeugen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind die Magnetfeldquellen sich diametral gegenüberliegend entlang den Seiten und in nächster Nähe eines Zwischenbodens eines Flüssigkeitsprobenbehälters angeordnet und werden mit einer koordinierten Bewegung gedreht. Bei einer alternativen Ausführungsform werden die Magnetfeldquellen an sich diametral gegenüberliegenden Positionen entlang einem Flüssigkeitsprobenbehälter gedreht, und der Flüssigkeitsprobenbehälter wird bezüglich der Magnetfeldquellen nach oben oder unten bewegt.
  • Bei allen diesen Ausführungsformen können mehrere flüssige Lösungen in Flüssigkeitsbehältern in einem Gestell gleichzeitig gemischt werden, indem das Gestell durch die umlaufenden Magnetfelder bewegt wird, während die Behälter im Gestell bleiben. Bei einer Ausführungsform hat das kleine magnetische Mischglied die Form eines Balls und kann zum Zeitpunkt der Herstellung des Flüssigkeitsprobenbehälters automatisch ausgegeben oder im Instrument leicht in einen Flüssigkeitsprobenbehälter geladen werden. Ein solches kugelförmiges Mischglied kann in großer Stückzahl zu sehr geringen Kosten hergestellt werden, so dass es im Gegensatz zu bekannten Rührgliedern, bei denen es sich üblicherweise um teure kunststoffbeschichtete Permanentmagneten handelt, die daher wiederholt verwendet werden, was die Kontaminierungsgefahr erhöht, nach einer einzigen Verwendung weggeworfen werden kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Deutlicher geht die Erfindung aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die Teil dieser Anmeldung sind, hervor. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Aufriss einer magnetischen Mischvorrichtung, die bei der Durchführung der vorlie genden Erfindung mit Probenbehältern mit Zwischenboden vorteilhaft verwendet werden kann;
  • 2 eine Draufsicht auf eine Mischscheibe von oben, die bei der Durchführung der Erfindung nach 1 eingesetzt werden kann;
  • 3A3K schematische Darstellungen der koordinierten Bewegung eines Paars Magnetfeldquellen, die in einer Ebene über dem physischen Boden eines Behälters umlaufen, wie es die vorliegende Erfindung lehrt;
  • 4 einen schematischen Aufriss einer alternativen beispielhaften magnetischen Mischvorrichtung, bei der Magnetfeldquellen an gegenüberliegenden Stellen eines Flüssigkeitsprobenbehälters mit Zwischenboden gedreht werden und der Behälter zwischen den sich drehenden Magnetfeldquellen bewegt werden kann, wie es die vorliegende Erfindung lehrt;
  • 5 einen schematischen Aufriss einer magnetischen Mischvorrichtung, bei der Magnetfeldquellen an gegenüberliegenden Stellen eines herkömmlichen Flüssigkeitsprobenbehälters gedreht werden und der Behälter zwischen den sich drehenden Magnetfeldquellen bewegt werden kann, wie es die vorliegende Erfindung lehrt;
  • 6A und 6B schematische Aufrisse einer magnetischen Mischvorrichtung von vorne und von der Seite, die zum Mischen mehrerer in Flüssigkeitsprobenbehältern enthaltener flüssiger Lösungen ohne Herausnehmen der Behälter aus einem Stützgestell bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, und
  • 7 eine Querschnittsansicht eines Mischglieds, das vorteilhaft in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt die Elemente einer magnetischen Mischvorrichtung 10 mit einem Paar Magnetfeldquellen 12, die an diametral gegenüberliegenden Stellen entlang einem Flüssigkeitsbehälter 14 angeordnet sind und eine so große Magnetkraft haben, dass die kombinierten nicht einheitlichen Magnetkräfte, die auf ein Mischglied 16 einwirken und durch Umlaufen der Magnetfeldquellen 12 erzeugt werden, eine wirksame Mischbewegung in einer flüssigen Probe 18 in dem Flüssigkeitsbehälter 14 erzeugen. Bei einer hochwirksamen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den Magnetfeldquellen 12 um stabförmige Magneten 12, die gegenüberliegende Nordpol- und Südpolenden aufweisen und sich an Positionen entlang der Seite des Behälters 14 diametral gegenüberliegen, die dem Ort eines Zwischenbodens 20 im Behälter 14 entsprechen. Der Flüssigkeitsbehälter 14 umfasst einen unteren leeren Abschnitt 13, der Luft enthält und von einem oberen die Flüssigkeitsprobe 18 enthaltenden Abschnitt 15 getrennt und abgedichtet ist. Aus praktischen Gründen versetzt ein Paar Motoren 22 die Motorwellen 24 mit Scheiben 26 in Drehung, in denen jeweils ein stabförmiger Magnet 12 untergebracht ist, dessen zylindrische Achsen das Nordpolende N und ein gegenüberliegendes Südpolende S schneiden.
  • 2 ist eine Draufsicht auf eine solche Scheibe 26, in der die stabförmigen Magneten 12 untergebracht sind, von oben, wobei die Achse A eines solchen stabförmigen Magneten 12 gezeigt wird. Durch die Drehung der Scheiben 26 durch die Motorwellen 24 in einem koordinierten Muster, wie im Weiteren beschrieben, wird ein kombiniertes, sich drehendes Magnetfeld erzeugt, das auf das Mischglied 16 wirkt und es veranlasst, sich in einem allgemein kreisförmigen Muster in der Flüssigkeit 18 zu drehen, wodurch in der Flüssigkeit 18 eine wirbelartige Mischbewegung entsteht. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung durchgeführt werden, indem man die Richtung der Drehbewegung der Magnetfeldquellen 12 wäh rend des Mischens umkehrt oder abwechselt, um eine scherende Rührmischbewegung der Flüssigkeit 18 zu erzeugen.
  • Das Mischglied 16 kann beispielsweise wie ein Stab oder ein Ball 16 aus ferromagnetischem oder semiferromagnetischem Material geformt sein (siehe 7). Im Weiteren soll der Begriff ferromagnetisch eine Substanz bezeichnen, die eine so hohe magnetische Permeabilität besitzt, dass ihre Position durch ein umlaufendes oder sich drehendes Magnetfeld beeinflusst wird. Das Mischglied 16 ist so groß und besitzt eine so hohe magnetische Permeabilität, dass die durch die Magnetfeldquellen 12 erzeugten Magnetfeldkräfte größer als die auf das Mischglied 16 einwirkende Schwerkraft sind. Auch der Begriff magnetisch soll eine Substanz bezeichnen, die unabhängig zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Lage ist. Der Flüssigkeitsbehälter 14 besteht aus einem nicht magnetischen Material und kann in einem oberen Teil eines aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigten Mischständers gestützt sein, wobei der Mischständer auch einen unteren Teil hat, der zur Unterbringung eines Motors 22 ausgelegt ist.
  • Es hat sich herausgestellt, dass unter Verwendung der oben beschriebenen Kombination aus umlaufenden stabförmigen Mischmagneten 12 und dem Mischglied 16 eine äußerst wirkungsvolle Misch- oder Rührwirkung in der Flüssigkeitsprobe 18 erzeugt wird, wenn die stabförmigen Magneten 12 in derselben ersten Richtung an diametral gegenüberliegenden Stellen des Flüssigkeitsbehälters 14 in einem Muster umlaufen, durch das das Mischglied 16 veranlasst wird, in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung umzulaufen. Es hat sich herausgestellt, dass bei den wirkungsvollsten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die relative Drehung der stabförmigen Magneten 12 so gesteuert wird, dass die getrennten Magnetfelder der beiden getrennten stabförmigen Magneten 12 zueinander um 90 Grad phasenverschoben sind. Daher wirken die getrennten Magnetfelder zusammen und erzeugen ein einziges Magnetfeld, das sich in einer der Drehrichtung der stabförmigen Magneten 12 entgegengesetzten Richtung dreht.
  • 3A–K sind schematische Draufsichten auf den Mischer 10 von oben und veranschaulichen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei in Scheiben 26 untergebrachte stabförmige Mischmagneten 12 von den Motorwellen 24 im Uhrzeigersinn gedreht werden, so dass die zylindrischen Achsen der stabförmigen Magneten lotrecht zueinander bleiben. Somit sind die Magnetfelder der beiden getrennten stabförmigen Magneten 12 zueinander um 90 Grad phasenverschoben, wie oben beschrieben. Eine solche synchronisierte Drehung erzeugt ein einzelnes Magnetfeld, das sich in einer der Drehrichtung der stabförmigen Magneten 12 entgegengesetzten Richtung dreht, wodurch sich das Mischglied 16 entgegen dem Uhrzeigersinn in der im Flüssigkeitsbehälter 14 enthaltenen Flüssigkeitsprobe 18 dreht. Wie in 1 gezeigt, sind die Scheiben 26 vertikal entlang der Seite des Behälters 14 angeordnet, einer Stelle, die dem Ort des Zwischenbodens 20 in dem Behälter 14 entspricht, so dass in der Flüssigkeitsprobe 18 ein wirkungsvoller wirbelartiger Mischvorgang erfolgt, obwohl der untere Abschnitt 13 Luft enthält und vom oberen die Flüssigkeitsprobe 18 enthaltenden Abschnitt 15 getrennt ist. 3A–K geben eine "Zeitlupen"-Beschreibung des erfindungsgemäßen Mischvorgangs.
  • 3A zeigt zwei Scheiben 26L und 26R, die die stabförmigen Mischmagneten 12L und 12R umfassen und diametral auf gegenüberliegenden linken bzw. rechten Seiten eines die zu mischende Probe 18 enthaltenden Flüssigkeitsbehälters 14 angeordnet sind. Die Scheiben 26L und 26R sind im Wesentlichen identisch, haben aber zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung verschiedene Nummern in 3A–K. 3A zeigt die Scheibe 26R in einer stationären Ausgangsposition, so dass beispielsweise das Mischglied 16 mit dem Südpolende S des Mischmagnets 12R entlang der zylindrischen Achse AR des Magneten 12R fluchtet. In dieser Mischungsausgangsposition ist die Scheibe 26L so ausgerichtet, dass die zylindrische Achse AL des Mischmagneten 12L lotrecht zur zylindrischen Achse AR steht. Selbstverständlich können die relativen Positionen des Nordpolendes N und des Südpolendes S bei beiden Magneten 12L und 12R umgekehrt sein, was einen identischen Mischvorgang ergäbe. Die Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen dem Mischmagneten 12R und dem Mischmagneten 12L wird während des gesamten erfindungsgemäßen Mischvorgangs aufrechterhalten, um ein Nettomagnetfeld zu erzeugen, das sich in einer der Drehrichtung der stabförmigen Magneten 12R und 12L entgegengesetzten Richtung dreht.
  • 3B zeigt ein erstes Mischstadium nach der Ausgangsposition von 3A, in dem die beiden Scheiben 26L und 26R etwa 45 Grad im Uhrzeigersinn gedreht worden sind. In dieser Position ergibt sich aus den veränderten Positionen der Mischmagneten 12L und 12R ein anderes Nettomagnetfeld als das aus 3A. In diesem ersten Mischstadium wird veranlasst, dass das Mischglied 16 aufgrund der veränderten Positionen der Mischmagneten 12L und 12R auch etwa 45 Grad entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird. Aufgrund der Tatsache, dass sich das Mischglied 16 in der Ausgangsposition in 3A in nächster Nähe des Magneten 12R befindet, läuft es dem Südpolende S des Magneten 12R nach, weil es das stärkste nächstliegende Magnetfeld bietet. Während des gesamten Mischvorgangs bewegt sich das Mischglied 16 durch die zu mischende Flüssigkeit, da veranlasst wird, dass sich das Mischglied 16 in einem Muster bewegt, das seinen physischen Abstand vom nächstliegenden Magnetfeld auf ein Minimum reduziert. Wie oben beschrieben, hat sich herausgestellt, dass in der Lösung 18 eine äußerst wirkungsvolle Mischwirkung erzeugt werden kann, indem die Mischmagneten 12L und 12R so gedreht werden, dass die durch die zylindrische Achse des Mischmagneten 12L gezogene gestrichelte Linie AL lotrecht zu der durch die zylindrische Achse des Mischmagneten 12R gezogene gestrichelte Linie AR bleibt.
  • 3C zeigt ein zweites Mischstadium nach dem ersten Mischstadium von 3B, in dem die beiden Scheiben 26L und 26R insgesamt etwa 55 Grad im Uhrzeigersinn gedreht worden sind. In dieser Position ergibt sich aus den veränderten Positionen der Mischmagneten 12L und 12R ein anderes Nettomagnetfeld als das aus 3B. In diesem zweiten Mischstadium ist das Mischglied 16 ungefähr gleich weit vom Magnetpol N des Magneten 12L und dem Magnetpol S des Magneten 12R entfernt, und wenn die Scheiben 26, in denen die stabförmigen Mischmagneten 12 untergebracht sind, etwas weiter im Uhrzeigersinn gedreht werden, übt der Mischmagnet 12L eine größere Anziehungskraft auf das Mischglied 16 aus als der Mischmagnet 12R, so dass sich das Mischglied 16 auf einer Bahn auf den Magneten 12L zu bewegt, die eher linear als kreisförmig ist. Dies geschieht zweimal bei jeder 360-Drehung des Mischglieds 16 auf seiner allgemein kreisförmigen Mischbahn.
  • 3D–F zeigen eine Reihe von Mischstadien nach dem zweiten Mischstadium in 3C, in denen die beiden Scheiben 26L und 26R insgesamt etwa 180 Grad im Uhrzeigersinn von der Ausgangsposition in 3A aus gedreht worden sind. In jedem dieser Stadien ergibt sich aus den veränderten Positionen der Mischmagneten 12L und 12R ein anderes Nettomagnetfeld als das aus einem früheren Stadium. Während dieser Stadien wird veranlasst, dass das Mischglied 16 aufgrund der 180-Grad-Drehung der Mischmagneten 12L und 12R etwa 360 Grad entgegen dem Uhrzeigersinn umläuft. Während des gesamten Mischvorgangs drehen sich die Scheiben 26, in denen die stabförmigen Mischmagneten 12 untergebracht sind, weiter in einem Muster, das so gesteuert ist, dass die zylindrische Achse AL des Mischmagneten 12L lotrecht zur zylindrischen Achse AR des Mischmagneten 12R bleibt. In dem in 3F dargestellen Mischstadium sind die Scheibe 26L, die Scheibe 26R und das magnetische Mischglied 16 einer magnetischen Position und Ausrichtung, die den in 3A dargestellten entspricht. Durch den kontinuierlichen Betrieb der Motoren 22 drehen sich die Motorwellen 24 kontinuierlich im Uhrzeigersinn, so dass sich auch die Scheiben 26L und 26R kontinuierlich im Uhrzeigersinn drehen, wie in Fig. G-H-i-J-K gezeigt, wodurch sich die Drehung des Mischglieds 16 entgegen dem Uhrzeigersinn, wie in 3A–F gezeigt, wiederholt. Aufgrund der durch die Drehbewegung des Mischglieds 16 in der Flüssigkeit 18 erzeugte viskose Scherwirkung wird in der Flüssigkeit 18 eine wirbelartige Mischwirkung erzeugt. Somit ist erwiesen, dass durch die vorliegende Erfindung das frei angeordnete, magnetisch sensible Mischglied 16 im Gegensatz zu einem Mischglied, das entweder oben oder unten am Probenbehälter angeordnet ist, an einer beliebigen Stelle im Volumen der zu mischenden Probe in einem allgemein kreisförmigen Muster oszilliert.
  • 4 zeigt die Elemente einer alternativen Ausführungsform der magnetischen Mischvorrichtung 10, bei der der Behälter 14 vertikal zwischen den umlaufenden Mischmagneten 12 bewegt wird, so dass das auf das Mischglied 16 einwirkende sich drehende Magnetfeld dieses dazu veranlasst, dass es sich in mehreren unterschiedlichen Höhen oder Ebenen in der Flüssigkeit 18 dreht. In gleicher Weise kann diese alternative Ausführungsform ausgeführt werden, indem der Behälter 14 stationär gehalten wird und die zum Drehen der Mischmagneten 12 wie oben beschrieben vorgesehenen Motoren 22 vertikal entlang den Seiten des Behälters 14 bewegt werden. Die Bewegung des Behälters 14 "nach oben und/oder unten" zwischen den Scheiben 26L und 26R, die die Mischmagneten 12L und 12R umfassen, wird durch einen Zweirichtungspfeil 27 in 4 angedeutet. Bei dieser alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Mittel zur Erzeugung einer wirbelartigen Mischwirkung in dem gesamten Volumen der Flüssigkeit 18 bereitgestellt; eine Beschränkung der Drehung des Mischglieds 16 auf die Nähe des Zwischenbodens 20 des Behälters 14 besteht also nicht.
  • Bei einer in 5 gezeigten und 4 ähnlichen Ausführungsform kann ein herkömmlicher Behälter 30 ohne Zwischenboden, aber gefüllt mit zu mischender Flüssigkeit 18 vertikal zwischen den umlaufenden Mischmagneten 12 bewegt werden, so dass das auf das Mischglied 16 wirkende sich drehende Magnetfeld dieses dazu veranlasst, dass es sich in mehreren unterschiedlichen Höhen oder Ebenen in der Flüssigkeit 18 dreht, wodurch die gesamte Flüssigkeit 18 gemischt wird. Eine solche Ausführungsform ist besonders dann nützlich, wenn die Flüssigkeit 18 eine so geringe Viskosität hat, dass eine durch ein lediglich in der Nähe des Bodens 32 des Behälters 30 wirkendes Mischglied 16 erzeugte wirbelartige Mischwirkung bei der Erzeugung einer Mischwirkung in der gesamten Flüssigkeit 18 wirkungslos oder zu zeitraubend wäre. Die in 5 gezeigte Ausführungsform ist auch dann nützlich, wenn es nicht erwünscht ist, einen herkömmlichen Magnetrührer unter einen herkömmlichen Behälter zu positionieren, wie es bei Labormischvorrichtungen üblicherweise der Fall ist. Dies kann sich beispielsweise dann ergeben, wenn es wichtig ist, die Größe von Vorrichtungen in Laboranalyseautomaten so klein wie möglich zu halten.
  • Bei allen Ausführungsformen ist das Mischglied 16 aus einem ferromagnetischen oder semiferromagnetischen Material gebildet, und durch das einfache Drehen der Mischmagneten 12 durch die Motoren 22 werden entsprechende umlaufende Magnetfeldkräfte am Mischglied 16 im Behälter 14 erzeugt. Die Magneten 12 können beispielsweise aus Neodymium-Eisen-Bor (NdFeB) oder anderen ähnlichen Materialien gebildete Permanentmagneten umfassen. Das erfolgreiche Mischen einer flüssigen Lösung mit niedriger Viskosität ist bei Verwendung eines 5000-UpM-Motors 22 von Maxon Motor Co., Fall River, MA, mit den Mischmagneten 12 mit einem Durchmesser von ¼ Zoll, einer Länge von ¾ Zoll und einer Feldstärke von 4000 Gauß, die diametral gegenüber und mit einem Abstand von etwa 1/16 Zoll von der Außenseite des Behälters 14 angeordnet sind, in etwa ½ Sekunde erfolgreich abgeschlossen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der magnetischen Mischvorrichtung 10 können mehrere Flüssigkeitsbehälter 14 in einen Mischerblock 44 für mehrere Röhrchen platziert werden (siehe 6A und 6B), der dazu ausgelegt ist, dass mehrere röhrchenartige Flüssiglösungsbehälter 14 in einer linearen Anordnung untergebracht werden können. Der Block 44 wird durch ein beliebiges herkömmliches motorisiertes Mittel 38 in der durch Pfeil 36 gezeigten Richtung in die Nähe der umlaufenden Magnetfeldquellen 12 transportiert, so dass die jeweils mit Mischgliedern 16 ausgestatteten Zwischenböden 20 der Behälter 14 in der Nähe der umlaufenden Mischmagneten 12 positioniert sind. In diesem Fall kann der Mischerblock 44 zwischen den umlaufenden Mischmagneten 12 transportiert werden, und die flüssigen Lösungen 18 in den Flüssigkeitsbehältern 14 werden gemischt, wenn die einzelnen Flüssigkeitsbehälter 14 in deren Nähe positioniert werden. Bei einer solchen Ausführungsform besteht die Notwendigkeit, einzelne Flüssigkeitsbehälter 14 aus dem Block 44 herauszunehmen und an einen getrennten Ort zu transportieren, wie dies in herkömmlichen Analyselaboratorien der Fall ist, nicht mehr, wodurch Betriebsraum und die Kosten für zusätzliche automatisierte Mechanismen eingespart werden können. Im Vergleich zu 5 können herkömmliche Röhrchen 30 gegen Röhrchen 14 mit Zwischenboden ausgetauscht werden, und die Scheiben 26 werden in der Nähe des Bodens 32 der Röhrchen 30 positioniert, so dass sich die magnetische Mischvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung auch beim Mischen von Flüssigkeiten in mehreren herkömmlichen Röhrchen einsetzen lässt.
  • 7 ist eine beispielhafte, Darstellung eines kugelartigen Mischglieds 16, das einen inneren Kern 40 aus ferromagnetischem oder semiferromagnetischem Material wie einer Eisenlegierung umfasst, der wahlweise mit einer dünnen Schicht 42 aus schützendem, wasserdichtem Material wie Kunststoff, Lack, Epoxy u.ä. beschichtet sein kann. Ein solches kugelartiges Mischglied 16 kostet sehr wenig, üblicherweise weniger als 1 US-Cent, und ist beispielsweise als Chromlegierung-Mahlkugel SAE-52100 von Epworth Mill, South Hoover, MI, erhältlich. Die Oberfläche des Mischglieds 16 kann mit verschiedenen Kunststoffschichten 42 wie SURLyNTM-, TEFLONTM-, Polyethylen- oder Parylenkunststoffen in einer Dicke von etwa 25 Mikrometer beschichtet sein, um eine Kontaminierung (Rost, Eisenoxid usw.) zu verhindern und dadurch die Integrität einer flüssigen Lösung aufrechtzuerhalten. Derartige Beschichtungsleistungen sind beispielsweise von PCS, Katy, TX erhältlich. Im Gebrauch können mehrere dieser Mischglieder 16 in einem strohhalmartigen Magazin geliefert und unter Verwendung einer beliebigen von mehreren herkömmlichen Abgabevorrichtungen automatisch in den Flüssigkeitsbehälter 14 ausgegeben werden. Als Alternative können die Mischglieder 16 bereits vor der Verwendung des magnetischen Mischgeräts 10 im Flüssigkeitsbehälter 14 angeordnet sein, und mehrere Flüssigkeitsbehälter 14 können in einem herkömmlichen Röhrchengestell gestützt sein, so dass die flüssige Lösung im Flüssigkeitsbehälter 14 ohne Herausnehmen der Flüssigkeitsbehälter 14 aus dem Gestell einheitlich gemischt werden kann.
  • Bei einem Betriebsbeispiel des vorliegenden Verfahrens zum Mischen einer flüssigen Lösung mit einer magnetischen Mischvorrichtung 10, bei dem man ein kleines kugelförmiges magnetisches Mischglied 16 in die flüssige Lösung platziert und ein Magnetfeld mit hoher Ge schwindigkeit in einem kreisförmigen Muster in nächster Nähe des Flüssigkeitsbehälters 14 umlaufen lässt, wurde eine flüssige Lösung 18 aus Wasser und rotem Nahrungsmittelfarbstoff in einem Röhrchen mit Zwischenboden und einem Durchmesser von etwa 0,6 Zoll vorgelegt. Ein magnetisches Mischglied 16 aus Chromlegierung 52100 mit einem Durchmesser zwischen 2–6 mm wurde in die Lösung im Flüssigkeitsbehälter 14 wie er aus 1 hervorgeht gegeben. Zwei stabförmige Mischmagneten 12 mit einer Größe von etwa ¼ Zoll × ¾ Zoll wurden an einem Paar Motorwellen angebracht, und der Motor wurde so gestützt, dass die Mischmagneten 12 etwa 1/16 Zoll von der Seite des Flüssigkeitsbehälters 14 entfernt waren. Der Motor wurde etwa eine halbe Sekunde mit einer Drehzahl von 5000 UpM betätigt, und es stellte sich heraus, dass die Verteilung des Farbstoffs in der Lösung gründlich und einheitlich war.
  • Es versteht sich, dass die hierin dargestellten Ausführungsformen der Erfindung die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen und dass andere Modifikationen verwendet werden können, die sich immer noch im Rahmen der Erfindung bewegen. Dementsprechend wird die vorliegende Erfindung nicht auf die in der Patentschrift genau gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern wird nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Mischen einer in einem Behälter (14) mit Zwischenboden (20) enthaltenen flüssigen Lösung (18), bei dem ein ferromagnetisches Mischglied (16) in die im Behälter (14) enthaltene flüssige Lösung (18) platziert wird und jeder eines Paars Stabmagneten (12) einzeln in einem koordinierten Muster gedreht wird, bei dem parallel zu den Achsen (AL, AR) der Magneten (12) verlaufende Linien lotrecht zueinander bleiben und ein einziges Magnetfeld erzeugen, das sich in einer zur Drehrichtung der stabförmigen Magneten (12) entgegengesetzten Richtung dreht, so dass es durch auf das Mischglied (16) einwirkende Magnetkräfte zum Umlaufen veranlasst wird, wodurch in der flüssigen Lösung (18) eine Mischbewegung erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Paar Stabmagneten (12) in nächster Nähe gegenüberliegender Seiten des Behälters (14) gedreht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stabmagneten (12) stabförmige Permanent- oder Semipermanentmagneten (12) umfassen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Mischglied (16) kugelförmig ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Mischglied (16) aus einer Eisenlegierung (40) hergestellt ist und einen Durchmesser zwischen 2 und 6 mm hat.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Mischglied (16) zur Verhinderung von Kontaminierung eine Schutzbeschichtung (42) mit einer Dicke von etwa 25 Mikrometer hat.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Schutzbeschichtung (42) ein aus der Gruppe Parylen-, SurlynTM- und TeflonTM-Kunststoffe ausgewähltes Material umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Flüssigkeitsbehälter (14) in einem Gestell (44) gestützt wird und das Gestell (44) durch die sich drehenden Stabmagneten (12) bewegt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem weiterhin der Behälter (14) vertikal bezüglich der Magneten (12) bewegt wird, so dass das Mischglied (16) durch die darauf einwirkenden Magnetkräfte zum Umlaufen veranlasst wird, wodurch eine Mischbewegung durch die gesamte flüssige Lösung (18) erzeugt wird.
  10. Vorrichtung zum Mischen einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter (14), wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Flüssigkeitsbehälter (14) mit einem Zwischenboden (20), ein kugelförmiges ferromagnetisches Mischglied (16) in der Flüssigkeit im Behälter (14), ein Paar Magnetfeldquellen (12), die an gegenüberliegenden Seiten des Behälters (14) in der Nähe des Zwischenbodens (20) positioniert sind, und Motoren zum Drehen jedes einzelnen eines Paars stabförmiger Magneten (12) in einem koordinierten Muster, bei dem parallel zu den Achsen der stabförmigen Magneten (12) verlaufende Linien lotrecht zueinander bleiben und ein einziges Magnetfeld erzeugen, das sich in einer zur Drehrichtung der stabförmigen Magneten (12) entgegengesetzten Richtung dreht, so dass es durch auf das magnetische Mischglied (16) einwirkende Magnetkräfte zum Drehen veranlasst wird, wodurch in der flüssigen Lösung (18) eine Mischbewegung erzeugt wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem die Magneten (12) in nächster Nähe der Seiten des Flüssigkeitsbehälters (14) gedreht werden.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 zum Mischen einer flüssigen Lösung (18), bei der mehrere flüssige Lösungen (18) in mehreren Flüssigkeitsbehältern (14) mit Zwischenböden (20) enthalten sind und bei der die Flüssigkeitsbehälter (14) in einem Gestell (44) gestützt werden und das Gestell (44) durch die sich drehenden Magneten (12) bewegt wird.
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