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ERFINDUNGSGEBIET
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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.
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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE DARSTELLUNG DER
ERFINDUNG
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Deutlicher
geht die Erfindung aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen, die Teil dieser Anmeldung sind,
hervor. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Aufriss einer magnetischen Mischvorrichtung, die bei
der Durchführung
der vorlie genden Erfindung mit Probenbehältern mit Zwischenboden vorteilhaft
verwendet werden kann;
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2 eine
Draufsicht auf eine Mischscheibe von oben, die bei der Durchführung der
Erfindung nach 1 eingesetzt werden kann;
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3A–3K 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;
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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;
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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;
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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
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7 eine
Querschnittsansicht eines Mischglieds, das vorteilhaft in der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.