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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren
zum Prüfen
der Integrität
des Zustands und des Betriebs einer Pipettiervorrichtung zum Handhaben
von Flüssigkeitsproben
in Reagenzgläsern.
Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System
und ein Verfahren für
eine automatisierte Pipettiervorrichtung, welche Druckwandler einsetzt,
um das Vorhandensein und die Integrität von gefilterten Pipettenspitzen
an der Düse
der Vorrichtung nachzuweisen.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
Vielzahl von Methodiken der Molekularbiologie, wie z.B. die Nucleinsäuresequenzierung, die
direkte Detektion bestimmter Nucleinsäuresequenzen durch Nucleinsäurehybridisierung
und Nucleinsäuresequenz-Amplifikationstechniken,
erfordern, dass die Nucleinsäuren
(DNA oder RNA) von den restlichen zellulären und nicht zellulären Probenkomponenten
getrennt werden. Dieser Prozess umfasst im Allgemeinen die Schritte
des Auffangens einer Probe, welche die Zellen, die von Interesse,
sind, enthält,
in einem Probenröhrchen.
Die Probe wird dann mit Wärme
oder mit Wärme
plus einem Reagens behandelt, wodurch bewirkt wird, dass die Zellen
aufreißen
und die Nucleinsäuren
(DNA oder RNA) in die Lösung
im Röhrchen
freisetzen. Alternativ wird das Probenröhrchen in eine Zentrifuge gegeben
und zentrifugiert, um die Zellen von anderen Probenkomponenten zu
trennen. Das resultierende Pellet wird danach mit einem geeigneten
Puffer resuspendiert und lysiert, wie obenstehend beschrieben. Die
freie Nucleinsäuren
enthaltende, lysierte Lösung wird
mit einer Pipette oder irgendeinem geeigneten Instrument aus dem
Probenröhrchen
herausgenommen. Die Lösung
wird dann in andere Röhrchen
oder Mikrotitermulden übertragen,
welche Reagenzien enthalten, die für die gewünschte, stromabwärts erfolgende
Anwendung notwendig sind. Eine derartige Anwendung, die Amplifikation
und Detektion spezifischer Nucleinsäuresequenzen, erfordert das
Hinzufügen
von Startsequenzen, Fluorescein-Sonden, Enzymen und anderen Reagenzien.
Die Nucleinsäuren werden
dann in einem Apparat, wie z.B. dem BDProbeTEC®-ET-System,
das von Becton, Dickinson and Company hergestellt und im U.S.-Patent
Nr. 6,043,880 von Andrews et al. beschrieben wird, detektiert.
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Um
eine Pipettiervorrichtung richtig zu steuern, um Flüssigkeit
aus einem Probenbehälter
wie z.B. einem Probenröhrchen
zu ziehen, ist es erforderlich, den Pegel der Probenflüssigkeit
im Röhrchen
zu kennen, so dass die Pipette bis zur passenden Tiefe abgesenkt
werden kann. Es ist auch notwendig festzustellen, ob die Pipettenspitze
richtig mit der Pipettiervorrichtung verbunden wurde. Frühere Verfahren zum
Ermitteln des Pegels einer Flüssigkeit
in einem Behälter
umfassen die Anwendung einer Detektion der elektrischen Leitfähigkeit.
Dieses Verfahren erfordert die Verwendung elektrisch leitfähiger Pipettenspitzen,
die mit einem sensitiven Verstärker
verbunden sind, welcher geringe Veränderungen in der elektrischen
Kapazität
der Pipettenspitze detektiert, wenn diese mit einer ionischen Flüssigkeit
in Kontakt gerät. Die
Pipettenspitzendetektion wird bei diesem bekannten System erzielt,
indem das Ende der leitfähigen
Pipettenspitze mit einem Schutzleiter in Berührung gebracht wird. Die Nachteile
dieser Vorgehensweise umfassen die höheren Kosten für leitfähige Pipettenspitzen
und die Tatsache, dass das Verfahren nur mit ionischen Flüssigkeiten
wirksam funktioniert. In anderen Worten, wenn die Flüssigkeit
nicht leitfähig
ist, wird sie keinen geeigneten elektrischen Pfad schaffen, um den
Stromkreis zwischen den elektrischen Leitern in der Pipettenspitze
zu vervollständigen.
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Ein
System und ein Verfahren zum Messen des Flüssigkeitspegels in einem Pipettenröhrchen wurde
im U.S.-Patent Nr. 4,780,833 beschrieben. Das System und das Verfahren
von Atake umfassen das Aufbringen einer Saugwirkung auf die zu messende
Flüssigkeit,
das Halten der Flüssigkeit
in (einem) Mikropipettenröhrchen
und das Versehen der Röhrchen
mit einem Speicherteil, der einen großen Innendurchmesser aufweist,
und einem schlanken röhrenförmigen Abschnitt
mit kleinerem Durchmesser. Ein Druckmesser zum Messen der Potentialhöhe im Röhrchen oder
in den Röhrchen
ist inkludiert. Wenn die im Pipettenröhrchen gemessene, hydraulische
Druckhöhe
und das spezifische Gewicht der Flüssigkeit bekannt sind, kann
die im Pipettenröhrchen
enthaltene Flüssigkeitsmenge
bestimmt werden.
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Vorrichtungen,
die bei Methodiken der Molekularbiologie verwendet werden, können die
obenstehend erwähnte
Pipettenvorrichtung umfassen, und zwar mit einer Robotik, um präzise gesteuerte Bewegungen
zum sicheren und sorgfältigen
Befördern
von biologischen Probenflüssigkeiten
von einem Behälter
zum anderen zu ermöglichen.
Typischerweise sind diese Robotervorrichtungen zum Ankoppeln an
eine oder mehrere der zuvor erwähnten
Pipettenspitzen in der Lage und verwenden eine Luftpumpe oder eine
andere geeignete Druckregelvorrichtung, um die biologische Probenflüssigkeit
in die Pipettenspitzen zu ziehen. Derzeit besitzen diese Robotersysteme
jedoch keinen geeigneten Mechanismus um festzustellen, ob irgendwelche
Pipettenspitzen defekt sind oder vom Roboter richtig erfasst wurden.
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Daher
besteht ein Bedarf an einem System und Verfahren zum Feststellen,
wann eine defekte Pipettenspitze von einer Robotervorrichtung, die
beim Vorgang des Übertragens
einer Flüssigkeitsprobe verwendet
wird, erfasst wurde.
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Kurzfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Anwendung der bestehenden
Pipettentechnologie, um den Zustand einer Pipettenspitze zu bestimmen,
welche von einer Robotervorrichtung erfasst wurde, die eine Probenübertragung
durchführt,
so dass die Pipettenspitze vor dem Einführen in die Flüssigkeitsprobe
ausgesondert werden kann, wenn sie defekt ist, wodurch eine Verschwendung
der Probe oder ein inakzeptabler Umgang mit der Probe verhindert
wird.
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Diese
und andere Aufgaben der Erfindung werden im Wesentlichen durch das
Bereitstellen eines Verfahrens zum Bestimmen des Zustands einer Pipettenspitze
erfüllt,
umfassend die Schritte des Messens des Drucks in einer Düse, des
Erfassens einer Pipettenspitze mit der Düse, des Bestimmens, ob sich
der Druck in der Düse
beim Erfassen der Pipettenspitze ändert, und des Ermittelns des
Zustands der erfassten Pipettenspitze auf Basis der Luftdruckveränderung.
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Eine
wiederum weitere Aufgabe der Erfindung wird im Wesentlichen durch
das Bereitstellen eines weiteren Verfahrens zum Bestimmen des Zustands
einer Pipettenspitze erfüllt,
umfassend das Messen des Drucks in einer Düse, das Erfassen einer Pipettenspitze
mit der Düse,
das Bestimmen eines maximalen Luftdrucks in der Düse beim
Erfassen der Pipettenspitze und das Ermitteln des Zustands der erfassten
Pipettenspitze auf Basis der Geschwindigkeit der Luftdruckveränderung
nach Erreichung des maximalen Luftdrucks.
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Ein
System zum Bestimmen des Zustands einer Pipettenspitze wird bereitgestellt,
umfassend eine Luftpumpe, die mit einer Düse in Verbindung steht, und
einen Druckwandler, der dazu angepasst ist, eine Luftdruckveränderung
in der Düse
zu messen, während
die Pipettenspitze von der Düse
erfasst wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
neuartigen Merkmale und Vorteile der Erfindung sind unter Bezugnahme
auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung der spezifischen
Ausführungsformen
am besten zu verstehen, und zwar, wenn diese in Verbindung mit den
angeschlossenen Zeichnungen gelesen wird, wobei:
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1 eine
typische Ausführung
eines robotischen Pipettiersystems zum Handhaben von Flüssigkeitsproben
darstellt, bei dem ein System und ein Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen;
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2 ein
konzeptionelles Blockschaltbild ist, das eine Querschnittsansicht
einer Pipettiervorrichtung und einer Pipettenspitze darstellt, die
bei dem in 1 gezeigten System verwendet
werden;
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3 eine
Vorderansicht einer gewerblichen Anwendung der Pipettiervorrichtung
darstellt;
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4 eine
Ansicht der Pipettiervorrichtung von der rechten Seite darstellt;
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5 eine
perspektivische Unteransicht der Pipettiervorrichtung darstellt;
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6 eine
perspektivische Vorderansicht der Pipettiervorrichtung darstellt;
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7 ein
konzeptionelles Blockschaltbild einer Steuerpultanordnung darstellt,
die bei dem in 1 gezeigten System verwendet
wird;
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8 einen
Graph zeigt, der ein Beispiel des Luftdrucks in Abhängigkeit
von der Zeit während
der Erfassung der Pipettenspitze bei einer nicht defekten Pipettenspitze
darstellt;
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9 einen
Graph zeigt, der ein Beispiel des Luftdrucks in Abhängigkeit
von der Zeit während
der Erfassung einer Pipettenspitze und deren anschließendes Ausstoßen im Falle
einer defekten Pipettenspitze darstellt;
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10 einen
Graph zeigt, der ein Beispiel des Luftdrucks in Abhängigkeit
von der Zeit während des
Ausstoßens
einer nicht defekten Pipettenspitze darstellt;
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11 einen
Graph zeigt, der ein Beispiel des Luftdrucks in Abhängigkeit
von der Zeit während des
Einführens
einer Pipettenspitze in eine Flüssigkeitsprobe
darstellt;
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12 ein
Fließdiagramm
eines Beispiels eines ersten Verfahrens gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt; und
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13 ein
Fließdiagramm
eines Beispiels eines zweiten Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
verschiedenen Merkmale der Erfindung werden nun unter Bezugnahme
auf die Figuren beschrieben, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet sind.
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Die 1 und 2 zeigen
eine typische Ausführung
einer robotischen Pipettiersystem-Pipettiervorrichtung und einer
Pipettenspitze zum Handhaben von Flüssigkeitsproben, wobei ein
System und ein Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zur Anwendung kommen. Die Pipettiervorrichtung 200,
die am Ende eines Roboterarms 102 angebracht ist, kann
Einweg-Pipettenspitzen 202 aus einer Halterung entnehmen,
und zwar an der Düse 204 der
Pipettiervorrichtung.
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Die
Einweg-Pipettenspitzen 202 werden zum Übertragen von biologischen
(Flüssigkeits)-Proben 218 von
einem Behälter 216 zum
anderen in einem Diagnosevorgang verwendet. Jede Übertragung
einer Flüssigkeitsprobe 218 erfordert
eine neue Pipettenspitze 202, um eine Kreuzkontamination
zwischen den Flüssigkeitsproben 218 zu
verhindern. Zusätzlich
enthält
jede Pipettenspitze 202 einen Filter 206, der
verhindert, dass die Flüssigkeitsprobe 218 die Düse 204 der
Pipettiervorrichtung 200 verunreinigt. Wie in 2 gezeigt,
wird bei der Pipettiervorrichtung 200 ein Druckregelapparat,
z.B. die Luftpumpe 210 mit dem Kolben 210A, verwendet.
Der innere Teil der Luftpumpe 210 ist ein Luftpumpenzylinder 214 und
steht mit dem Druckwandler 208 in Verbindung, welcher den
Luftdruck in dem Hohlraum misst, der innerhalb der Luftpumpen 210-Düse 204 der
Pipettiervorrichtung 200 und der Pipettenspitze 202 gebildet wird.
In 2 werden auch die Ausgangsposition 212 und
die Overdrive-Position 224, die das Ausmaß der Hin-
und Herbewegung des Kolbens 210 in der Luftpumpe 210 überträgt, gezeigt.
Diese Merkmale werden nachstehend im Detail besprochen.
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Die 3–6 zeigen
verschiedene Ansichten einer gewerblichen Anwendung der Pipettiervorrichtung 200 und
der Pipettenspitze 202, die in den 1 und 2 dargestellt
sind. 3 zeigt eine Vorderansicht. In 3 ist
der Motor 302 als mit einer Gewindespindel 304 verbunden
dargestellt. Die Gewindespindel 304 wiederum ist ebenso
mit einer Kolbenantriebsstange 306 verbunden. Die Kolbenantriebsstange 306 ist
an den Betätigungsstangen 310A und 310B angeschlossen,
und die beiden Betätigungsstangen 310A, 310B sind
mit einer Ausstoßstange 312 verbunden.
Die Federn 310A (linke Seite) und 310B (rechte
Seite) wirken auf den Gehäuseteil 314 ein,
um der Abwärtsbewegung
der Kolbenantriebsstange 306 und der Betätigungsstangen 310A, 310B sowie
der Ausstoßstange 312 standzuhalten.
Die Federn 308A, 308B sind jedoch hauptsächlich dazu
bestimmt, dabei zu helfen, die zuvor erwähnten Bestandteile in ihre
Ruheposition zurückzubringen.
Die Kombination aus Motor 302, Gewindespindel 304,
Kolbenantriebsstange 306, Federn 308A, 308B,
Betätigungsstangen 310A,
B und Ausstoßstange 312 schließt die Spitzenabwurfanordnung
ein.
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Die
Spitzenabwurfanordnung ist dazu ausgelegt, ein leichtes Einführen der
Pipettenspitzen 202 in die Düsen 204 zu ermöglichen
und dabei dennoch ein verlässliches
Mittel und eine verlässliche
Methode zum richtigen Ausstoßen
gebrauchter und/oder defekter Pipettenspitzen 202 bereitzustellen.
Die Ausstoßstange 312 bewerkstelligt
das physische Ausstoßen
der Pipettenspitzen 202. Die Ausstoßstange 312 besitzt
eine Mehrzahl von Löchern,
wobei jedes Loch ein Hindurchtreten der Düse 204 ermöglicht,
so dass diese in einer Pipettenspitze 202 aufgenommen werden
könnte.
Die Pipettenspitze 202 kann jedoch nicht durch die Ausstoßstange 312 hindurchtreten,
da es am untersten Ende der Pipettenspitze 202 einen Flansch 203 gibt,
der eine Ausdehnung aufweist, die größer als der Körper der
Pipettenspitze 202 und größer als der Durchmesser der Löcher in
der Ausstoßstange 312 ist.
Zusätzlich
gibt es Pipettenspitzen-Adapter 316 mit einem oberen Adapterflansch 318A und
einem unteren Adapterflansch 318B. Der obere Adapterflansch 318A und der
untere Adapterflansch 318B passen zur Pipettenspitze 202,
wodurch eine Zweipunktdichtung geschaffen wird, die wiederum eine
luftundurchlässige Grenzfläche zwischen
der Pipettiervorrichtung 200 und der Pipettenspitze 202 schafft.
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Um
die Pipettenspitzen 202 auszustoßen, dreht der Motor 302 die
Gewindespindel 304, welche wiederum die Kolbenantriebsstange 306 niederdrückt. Während sich
die Kolbenantriebsstange 306 nach unten bewegt, drückt sie
die Betätigungsstangen 310A, 310B nach
unten. Diese Bewegung bewirkt, dass sich die Ausstoßstange 312 nach
unten bewegt, bis die Ausstoßstange 312 auf
die Flansche 203 der Pipettenspitzen 202 trifft.
Der Flansch 203 und die Ausstoßstange 312 geraten
in Kontakt, und während
die Ausstoßstange 312 ihre
Abwärtsbewegung
fortsetzt, stößt sie die
Pipettenspitzen 202 aus deren angepasster Verbindung mit
der Düse 204.
Danach schaltet der Motor 302 um, und alle Bestandteile
der Spitzenabwurfanordnung bewegen sich in die entgegengesetzte
Richtung. Die Federn 308A, 308B, die durch die
Abwärtsbewegung
zusammengedrückt wurden,
dekomprimieren sich nun und helfen dabei, die gesamte Abwurfanordnung
in ihre Ruheposition zu treiben. Die 4–6 zeigen
verschiedene Ansichten der Pipettiervorrichtung 200 und
der Pipettenspitze 202. 4 ist eine
Ansicht von rechts; 5 ist eine perspektivische Unteransicht;
und 6 ist eine perspektivische Vorderansicht.
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7 stellt
ein konzeptionelles Blockschaltbild einer Steuerpultanordnung dar,
die bei dem in 1 gezeigten System verwendet
wird. Im Stand der Technik ist wohlbekannt, dass ein Roboterarm 102 von
einem Steuerpult 726 aus gesteuert werden kann, das zu
einem Steuersystem 700 gehört. Das Steuerpult 726 kann
einen Prozessor 716 und einen Speicher 718 enthalten,
der die ausführbare
Software (Systemsoftware) 722 speichert, welche den Betrieb
des Roboterarms 102 und der Pipettiervorrichtung 200 steuert.
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Das
Steuersystem 700 ist im Allgemeinen dazu konzipiert, zahlreiche
Roboterarme 102 steuern zu können. Die Anzahl der Roboterarme 102,
die von einem einzigen Steuerpult aus gesteuert werden können, hängt von
mehreren Faktoren ab, einschließlich
der Verarbeitungsfähigkeit
des Prozessors 716 am Steuerpult, der Datenerfassungsgeschwindigkeiten,
der Speichermenge, der Schwierigkeit der Tätigkeiten, welche die Roboterarme
durchführen
müssen,
und der Frage, wie viele Daten bezüglich der Umweltbedingungen
oder des Herstellungsprozesses selbst erfasst werden müssen, ohne darauf
beschränkt
zu sein.
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Wie
weiters in 7 gezeigt wird, umfasst ein
typisches Steuersystem das Steuerpult 726, die Daten- und
Steuerkabeln 704A–C
und 706, die mit der Anzeige 724 verkoppelt werden
können,
den Motor 702 (der die Bewegung des Kolbens 210A steuern
kann), den Druckwandler 208 und den Roboterarm 102.
Bei manchen besonderen Anwendungen könnten die Daten- und Steuerkabeln 704A–C auch ein
durchgehendes Kabel bilden. Wie obenstehend besprochen, umfasst
das Steuerpult 726 den Speicher 718, der die Systemsoftware 722 enthält, und kann
durch eine interne Sammelschiene 724 mit dem Prozessor 716 verbunden
sein. Der Prozessor 716 kann durch eine zweite interne
Sammelschiene 726, die gesammelte Daten zu und von einem
Netzwerk-PC 730 übertragen
kann, an einer Netzwerkkarte 720 angeschlossen sein. Der
Prozessor 716 kann durch die interne Sammelschiene 724 mit
einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC) 714 und den Ein-Ausgabe-Vorrichtungen (I/O) 708A kommunizieren.
I/O 708B ist eine andere Art von Schnittstelle.
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Da
sie analoge Signale empfängt,
erfordern diese häufig
eine spezielle Verkabelung und spezielle Kopplungstechniken, um
eine Störkopplung
auf das Signal zu verhindern. Die I/O 708B werden aus diesen
Gründen
oftmals von rein digitalen Signalen getrennt. Das von I/O 708B empfangene,
analoge Signal wird zunächst
abhängig
von der Beschaffenheit des analogen Signals und des ADC 712 von
einem AMP/Filter 714 verarbeitet, der einen Verstärker, einen
Filter oder sogar einen Level-Shifter enthalten kann.
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Es
wird gezeigt, dass das Steuersystem 700, das in Verbindung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird, einen einzigen ADC 712 und Verstärkerschaltkreis 714 aufweist.
Im Allgemeinen könnte
der Verstärker 714 auch
einen Filter umfassen, der je nach der Beschaffenheit des vom Steuerpult 726 empfangenen,
analogen Signals erforderlich sein könnte. Das Steuerpult 726 kommuniziert über den
Steuer/Datenbus 704B mit dem Roboterarm 102. Der
Steuerbus 704A überträgt Steuerdaten
vom Prozessor 716 zum Roboterarm 102 und empfängt Daten
vom Roboterarm 102, die dem Prozessor 716 gemeldet
werden. Auf diese Weise erhält
der Roboterarm 102 Bewegungssteuerdaten, und Bewegungsdaten,
welche die Bewegung des Roboterarms 102 anzeigen, werden
zurück
in den Prozessor 716 gespeist, wodurch ein Mittel zum Überprüfen der
Bewegung und Positionieren des Roboterarms 102 geschaffen
wird. Solche Daten können
die relative und absolute Position auf drei Achsen (x, y und z),
sowie die relative und absolute Geschwindigkeit, Beschleunigung
und sogar Winkelgeschwindigkeiten und Beschleunigungsmessungen auf
den drei Achsen umfassen.
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Das
Steuersystem 700 kommuniziert in ähnlicher Weise mit dem Motor 302.
Der Steuer/Datenbus 704A überträgt Steuerdaten zum Motor 302,
welcher die Bewegung des Kolbens 210A der Luftpumpe 210 steuert.
Der Druckwandler 208 gibt ein analoges Druckwandler (APT)-Signal 732 aus,
das auf einer analogen Signalleitung 706 übertragen
wird, die mit den I/O 708B am Steuerpult 726 verbunden
ist. Für die
Verwendung in der biotechnischen und pharmazeutischen Industrie
ist der Druckwandler 208 in der Lage, Druck mit einer Auflösung von
0,5 psi festzustellen. Nachdem es an den I/O 708B empfangen wurde,
wird das APT-Signal 732 in den AMP/Filter 714 eingegeben,
welcher das konditionierte APT-Signal 734 dann an den ADC 712 ausgibt.
Der ADC 712 wandelt das konditionierte APT-Signal 734 in
ein digitales Wort um, das vom Prozessor 716 verarbeitet
werden kann. Auf diese Weise bestimmt der Prozessor 716 den
Luftdruck in der Pipettiervorrichtung 200 und die erfindungsgemäßen Verfahren,
einschließlich
des Bestimmens des Flüssigkeitsvolumens
in der Pipettenvorrichtung 200, des Bestimmens, ob die
Pipettenspitze 202 in die Flüssigkeitsprobe 218 eingetreten
ist oder nicht, und des Bestimmens, ob eine defekte Pipettenspitze 202 vom
Roboterarm erfasst wurde oder nicht und wann sie ausgesondert wurde,
falls sie nicht defekt war.
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Die 8 zeigt
einen Graph, der ein Beispiel des Luftdrucks in Abhängigkeit
von der Zeit während der
Erfassung der Pipettenspitze bei einer nicht defekten Pipettenspitze
darstellt. Während
des Erfassens der Pipettenspitze 202 bewegt der Roboterarm 102 die
Pipettiervorrichtung 200 zu einer Halterung, die eine oder
mehrere Pipettenspitzen 202 enthält (Zeitpunkt T0 in 8).
Der Roboterarm 102 positioniert danach die Düse 204 der
Pipettiervorrichtung 200 über einer Pipettenspitze 202 und
drückt
die Düse 204 in
den Pipettenspitzenaufnahmebehälter 202A (Zeitpunkt
T1 in 8). Während die
Düse 204 in
die Pipettenspitze 202 gedrückt wird, wird Luft durch den
Filter 206 gepresst. Dies geschieht in 8 zwischen
T1 und T2. Wiederum
unter Bezugnahme auf 2 würde Luft durch die Düse 204,
den Filter 206 und aus der Öffnung 220 der Pipettenspitze 202 strömen. Da
der Filter 206 den Luftstrom begrenzt, wird ein vorübergehender
Anstieg des Luftdrucks bewirkt. Beim Beschreiben der Ausführungsformen
der Erfindung besteht die angewandte Konvention, dass jeder vom
Druckwandler 208 registrierte Luftdruckanstieg als positiver
Wert dargestellt ist (über
der x-Achse). Dies ist der Fall, wenn Luft in die Pipettenspitze 202 dringt.
Beim Ablassen von Luft oder beim Erzeugen eines Vakuums zeigt sich,
dass der Luftdruck fällt
oder zu einem negativen Wert wird.
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Der
zwischen der Düse 204 und
der Luftpumpe 210 montierte Druckwandler 208 detektiert diesen
vorübergehenden
Luftdruckanstieg und ermöglicht
der Systemsoftware 722 zu erkennen, dass eine nicht defekte
Pipettenspitze 202 erfasst wurde und dass sich der Filter 206 in
der Pipettenspitze 202 befindet.
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Zum
Zeitpunkt T2 hat der vom Messwandler 208 gemessene
Luftdruck einen Höchstwert
erreicht und beginnt, vom Zeitpunkt T2 bis
T3 abzunehmen. Während der Zeitperiode von T2 bis T3 ermöglicht der Filter 206 eine
Abnahme des Luftdrucks auf 0. Dies geschieht, da der Filter 206 durchlässig ist.
Die Zeiträume
T1 bis T2 und T2 bis T3 hängen vom
Typ des Filters 206 ab (d.h. von den Materialien und vom
Herstellungsverfahren, die eingesetzt werden), sowie von der Frage,
wie schnell die Düse 204 in
die Pipettenspitze 202 eingeführt wird (für den Zeitraum von T1 bis T2). Bei manchen
Anwendungen ist es erforderlich, dass der Luftdruck auf 0 zurückkehrt.
Es ist zu beachten, dass bei einer defekten Pipettenspitze 202,
die vollständig
blockiert war, d.h. bei geringer oder nicht vorhandener Durchlässigkeit
des Filters 206, das Luftdruck-Zeit-Diagramm ähnlich aussehen würde wie
jenes der 8. Der Hauptunterschied würde darin
bestehen, dass die Zeit, welche die Luft benötigen würde, um durch den Filter 206 aus
der Pipettenspitze 202 auszutreten (falls dies überhaupt möglich wäre), viel
länger
wäre. In 8 ist
dies durch die gestrichelten Linien der 8 dargestellt. Es
ist zu beachten, dass die gestrichelte Linie der 8 zum
Zeitpunkt T3 schlussendlich auf Null zurückkehrt.
An sich könnte
es möglich
sein, aufgrund eines vollständig
oder teilweise blockierten Filters 206 zwischen einer nicht
defekten Pipettenspitze 202 und einer defekten Pipettenspitze 202 zu
unterscheiden, und zwar mittels einer Untersuchung der Abnahmerate
des Luftdrucks in Abhängigkeit
von der Zeit, nachdem nach der Einführung der Pipettenspitze 202 ein
maximaler Luftdruck erreicht wurde. Obwohl dies möglicherweise
auf Versuchsbasis durchgeführt
werden muss, kann ein solches Verfahren die Ermittlung defekter
Pipettenspitzen 202 aufgrund der blockierten Filter 206 sicherstellen.
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Wenn
zwischen T1 und T2 kein
Anstieg des Luftdrucks festgestellt wird, befiehlt die Systemsoftware 722 dem
Roboterarm 102, die Pipettenspitze 202 nicht anzunehmen
und an der nächsten
Position eine neue Pipettenspitze 202 zu erfassen. Das
Ausstoßen
einer defekten Pipettenspitze 202 wird im Detail unter
Bezugnahme auf 9 besprochen.
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9 zeigt
einen Graph, der ein Beispiel des Luftdrucks in Abhängigkeit
von der Zeit während
der Erfassung einer Pipettenspitze und deren anschließendes Ausstoßen im Falle
einer defekten Pipettenspitze darstellt. In 9 bewegt
sich der Roboterarm 102 zum Zeitpunkt T0,
um die Pipettenspitze 202 zu erfassen. Zum Zeitpunkt T1 wird die Pipettenspitze 202 erfasst,
und die Düse
wird in der Zeitperiode, die von T1 und
T2 begrenzt wird, eingeführt. Wie zuvor besprochen,
gäbe es
eine positive Veränderung
des vom Druckwandler 208 gemessenen Luftdrucks, wenn eine
nicht defekte Pipettenspitze 202 erfasst würde. In
diesem Fall ist die Pipettenspitze 202 jedoch defekt, und
die Systemsoftware 722 stellt fest, dass keine Luftdruckveränderung
stattgefunden hat. Daher bewegt der Roboterarm 102 vom
Zeitpunkt T2 bis T3 die
Pipettenvorrichtung 200 in eine Position, in der die defekte
Pipettenspitze 202 ausgesondert werden kann.
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Beim
Zurückweisen
der Pipettenspitze 202 bewegt sich der Roboterarm 102 von
der Position des Erfassens der Pipettenspitze 202 in einen
Bereich, wo gebrauchte oder defekte Pipettenspitzen 202 ausgesondert
werden können, üblicherweise
in einen Abfallbehälter.
Dies geschieht von Zeitpunkt T2 bis Zeitpunkt
T3. Die Pipettenspitzen 202 werden
von der Pipettiervorrichtung 200 abgeworfen, indem der Kolben 210A der
Luftpumpe 210 in die Overdrive-Position 224 im
Luftpumpenzylinder 214 getrieben wird, welche in die Spitzenabwurfanordnung
eingreift und defekte Pipettenspitzen 202 in einen Abfallbehälter wirft.
Der Vorgang, durch den dies geschieht, wurde obenstehend im Detail
unter Bezugnahme auf die 3–7 beschrieben.
Da die Pipettenspitze 202 defekt ist (d.h., da kein Filter 206 vorhanden
ist), kommt es zu keiner Luftdruckveränderung, obwohl sich der Kolben 210A in
die Overdrive-Position 224 bewegt hat. Die gesamte Luft
strömt
einfach durch die uneingeschränkte Öffnung 220 der
Pipettenspitze 202 heraus.
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Da
sich der Kolben 210A dann in seine Ausgangsposition bewegt,
was zum Zeitpunkt T4 geschieht, verändert sich
der Luftdruck nicht. Dies ist deshalb so, weil es innerhalb der
Pipettiervorrichtung 200 keine Beschränkung des Luftstroms gibt.
Nach dem Zurückweisen
der defekten Pipettenspitze 202 kann der Roboterarm 102 die
Pipettiervorrichtung 200 in ihre Startposition oder in
eine Position zum Erfassen einer neuen Pipettenspitze 202 bewegen. Während der
Roboterarm die Pipettiervorrichtung 200 bewegt, regeneriert
sich der Kolben 210A nach seiner Overdrive-Operation.
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10 zeigt
einen Graph, der ein Beispiel des Luftdrucks in Abhängigkeit
von der Zeit während des
Ausstoßens
einer nicht defekten Pipettenspitze darstellt. In 10 wird
davon ausgegangen, dass eine nicht defekte Spitze bereits erfasst
und möglicherweise
verwendet wurde, dass es aber in jedem Fall wünschenswert ist, diese auszustoßen und
eine neue Pipettenspitze 202 für eine neue Verwendung zu erfassen.
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In 10 beginnt
der Motor 302 zum Zeitpunkt T1,
den Kolben 210A in die Overdrive-Position 224 zu
bewegen. Dieser Vorgang hat auch zur Folge, dass die Gewindespindel 304 in
die Spitzenabwurfanordnung eingreift, was letztendlich die Ausstoßstange 312 dazu
bringt, die nicht defekte(n) Pipettenspitze(n) 202 von
der Düse
bzw. den Düsen 204 herunterzustoßen. Da
es sich dabei um nicht defekte Pipettenspitzen 202 handelt,
beschränkt
der Filter 206 die Luft, die aus dem Luftpumpenzylinder 214 gepresst wird,
und der Luftdruck steigt. Der Druckwandler 208 misst diesen
Luftdruckanstieg und diese Informationen werden dem Steuerpult 726 und
schließlich
dem Prozessor 716 mitgeteilt.
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Zum
Zeitpunkt T2 hat sich die Spitzenabwurfanordnung
in eine Position bewegt, in der die Ausstoßstange 312 die Pipettenspitze 202 von
der Düse 204 wegdrücken sollte.
Zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 kommt es zu einem plötzlichen Luftdruckabfall, und
der gemessene Luftdruck sollte für
ein richtiges Ausstoßen
auf einen Skalenwert von Null oder annähernd Null fallen. Im Allgemeinen
kann die Ausstoßperiode
unvermittelt sein, sie könnte
aber auch graduell erfolgen; beim korrekten Ausstoßen einer nicht
defekten Pipettenspitze 202 erfolgt der Luftdruckabfall
von T2 bis T3 allerdings
sehr schnell. Daher sollte eine gewisse kurze Zeit später, nämlich bei T4, ein nachfolgender Luftdruck-Skalenwert Null oder annähernd Null
anzeigen, was darauf hinweist, dass vom Druckwandler 208 kein
signifikanter Luftdruck gemessen wurde.
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Wenn
allerdings zum Zeitpunkt T4 nach wie vor
ein erheblicher Luftdruck-Skalenwert
besteht, könnte
dies darauf hinweisen, dass das Ausstoßen der Pipettenspitze 202 nicht
erfolgreich durchgeführt wurde.
Der gemessene Luftdruck würde
dann durch die gestrichelten Linien der 10 angezeigt
werden. Der Prozessor 716 erkennt, dass der Luftdruck bis
zum Zeitpunkt T4 oder sogar T5 auf
Null hätte
zurückkehren
sollen, dies aber nicht getan hat. Daher unternimmt er einen erneuten
Versuch, den Spitzenabwurfvorgang durchzuführen. Wie im Falle der Erfassung
einer nicht defekten Pipettenspitze 202, welche unter Bezugnahme
auf 8 besprochen wurde, beginnt der Luftdruck schließlich aufgrund
der durchlässigen
Beschaffenheit des Filters 206 zu sinken. Dies zeigt sich
am Druckabfall bei T5. Vom Zeitpunkt T5 bis T6 kehrt der
Kolben 210A in seine Ausgangsposition 212 zurück und bewirkt,
dass der Luftdruck auf Null oder annähernd Null zurückgeht.
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Einige
Zeit später,
bei T7, beginnt der Ausstoßvorgang
von neuem. Der gemessene Luftdruck steigt, und zum Zeitpunkt T8 hat sich die Abwurfanordnung wieder in
die Position bewegt, in der das Ausstoßen hätte stattfinden sollen.
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Durch
Messung des Luftdrucks durch den Druckwandler 208 kann
der Prozessor 716 somit rasch feststellen, ob die nicht
defekte Pipettiespitze 202 richtig ausgestoßen wurde,
und kann, falls dies nicht geschehen ist, den Spitzenabwurfvorgang
reaktivieren.
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11 zeigt
einen Graph, der ein Beispiel des Luftdrucks in Abhängigkeit
von der Zeit während des
Einführens
einer Pipettenspitze in eine Flüssigkeitsprobe
darstellt. Während
der Übertragung
der Flüssigkeitsproben 218 besteht
ein Bedarf, die Tiefe, bis zu der die Pipettenspitze 202 in
den Behälter 216 getaucht
wird, zu beschränken,
um ein Überfließen zu verhindern
und den Flüssigkeitsaufbau
an der Außenfläche der
Pipettenspitze 202 minimal zu halten. Dies wird bewerkstelligt,
indem der Druck innerhalb der Pipettenspitze 202 überwacht
wird, während
diese in die Flüssigkeitsprobe 218 getaucht
wird, um festzustellen, wann das Einführen der Pipettenspitze 202 stattgefunden
hat.
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Das
Vorhandensein von Flüssigkeiten 218 in einem
Behälter 216 wird
durch Messung des vom Druckwandler 208 erzeugten Signals
festgestellt. Sogar eine kurze Einführung, z.B. von mehreren Millimetern,
der Pipettenspitze 202 in die Flüssigkeitsprobe 218 verursacht
eine Druckveränderung,
welche durch den Druckwandler 208 und die Systemsoftware 722 leicht
feststellbar ist.
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Das
mehrere Millimeter tiefe Einführen
der Pipettenspitze 202 in die Flüssigkeit 218 zwecks
Erzielung verlässlicher
Ergebnisse könnte
jedoch unter bestimmten Umständen
nicht vorteilhaft sein. Manchmal ist sehr wenig Flüssigkeit
vorhanden, mit der sparsam umgegangen werden sollte, oder die Flüssigkeit
muss so rasch wie möglich übertragen
werden. Ein alternatives Verfahren zum Feststellen, wann die Einführung der
Pipettenspitze 202 stattgefunden hat, besteht daher darin,
die Pipettenspitze 202 durch die Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche 222 zu bewegen,
während
die Pumpe 210 saugt. Auf diese Weise wird ein entsprechendes
Signal erhalten, wenn die Öffnung 220 der
Pipettenspitze 202 anfangs durch die Flüssigkeit 218 fährt. Diese
Vorgehensweise ermöglicht
die Detektion geringerer Flüssigkeitsvolumen 218 in
kleinen Behältern 216.
Die Detektion von Volumen, die so klein wie ein Millimeter sind,
ist möglich,
da die Pipettenspitze 202 nur die Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche 222,
eine sehr geringe Menge, durchdringen muss.
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Unter
Bezugahme auf 11 bewegt der Roboterarm 102 vor
dem Einführen
der Pipettenspitze 202 in die Flüssigkeitsprobe 218 die
Pipettiervorrichtung 200 während der Zeitperiode von T0 bis T1 in die richtige
Position. Vom Zeitpunkt T1 bis T2 wird die Pipettenspitze 202 in
die Flüssigkeitsprobe 218 bewegt.
Während
die Pipettenspitze 202 in die Flüssigkeit getaucht wird, komprimiert
die Flüssigkeitsprobe 218 die
Luft im Inneren der Pipettenspitze 202. Diese Verdichtung
wird als Druckskalenwert P1 registriert. Nachdem
ein vorbestimmter Druck, P1, erreicht wurde,
befiehlt die Systemsoftware 722 dem Roboterarm 102,
das Weiterbewegen der Pipettenspitze 202 in den Behälter 216 zu
stoppen. Dies geschieht zum Zeitpunkt T2.
Die Pipettiervorrichtung 200 saugt dann die Flüssigkeitsprobe 218 in
die Öffnung 220 der
Pipettenspitze 202, welche in der Flüssigkeitsprobe 218 eingetaucht
ist. Dies geschieht von Zeitpunkt T2 bis
T3, und der Druck verändert sich von P1 zu
P2. P2 ist negativ,
da die Luftpumpe 210 ein Vakuum erzeugt, um die Flüssigkeitsprobe 218 in
die Pipettenspitze 202 zu ziehen. Während Flüssigkeit in die Pipettenspitze 202 gezogen
wird, bewegt der Roboterarm 102 die Pipettenspitze 202 nach
unten in den Behälter 216,
und zwar mit einer Geschwindigkeit, die auf der Sauggeschwindigkeit
und dem Durchmesser des Behälters 216 beruht.
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Das
Volumen der in die Pipettenspitze gesaugten Flüssigkeit kann mittels des Druckwandlers 208 nachgeprüft werden.
Das U.S.-Patent Nr. 4,780,833 beschreibt zum Beispiel ein System
und ein Verfahren zum Bestimmen des Volumens einer in eine ähnliche
Pipettiervorrichtung 200 gezogenen Flüssigkeitsprobe, indem der Ansaugdruck über der Flüssigkeitssäule gemessen
wird, wobei das spezifische Gewicht der Flüssigkeit bekannt ist.
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Zum
Zeitpunkt T3 wird das Ansaugen der Pipettenspitze 202 gestoppt.
Der gemessene Luftdruck sinkt von P2 auf
P3. P3 ist der Luftdruck,
der mit dem Flüssigkeitsvolumen
in der Pipettenspitze 202 direkt übereinstimmt. P2 ist
der Luftdruck, der dem Volumen der angesaugten Flüssigkeit
plus der Reibungskraft der angesaugten Flüssigkeitsprobe 218A hin
zur Pipettenspitzen 202 (Innenwandfläche)-Grenzfläche aufgrund
der Oberflächenspannung
entspricht. Während
die Flüssigkeit
hochgezogen wird, widersetzt sie sich der Bewegung durch Reibung;
diese Reibung wird von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit verursacht
oder ist direkt proportional zu dieser. Beim Beenden des Ansaugens
enden auch die Bewegung der Flüssigkeit
und die Reibung aufgrund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit.
Zum Zeitpunkt T4 ist der gemessene Luftdruck
somit zum Gewicht der angesaugten Flüssigkeitsprobe 218A äquivalent, und
aufgrund der Verwendung von deren spezifischem Gewicht (das von
vornherein bekannt ist) ist das Volumen der Flüssigkeit ebenfalls bekannt.
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Von
Zeitpunkt T4 bis T5 bewegt
der Roboterarm 102 auf Befehl der Systemsoftware 322 die
Pipettenvorrichtung 200 an eine andere Stelle, wo sich ein
weiterer Behälter 216A zum
Hineingeben der angesaugten Flüssigkeit
befinden könnte.
Zum Zeitpunkt T5 beginnt der Kolben 210A,
die angesaugte Flüssigkeit
auszupumpen, und zum Zeitpunkt T6 wurde
die gewünschte
Flüssigkeitsmenge
ausgestoßen. Der
resultierende Druck P4 oder P4 ist
möglicherweise
nach wie vor negativ (d.h., falls nur eine geringe Menge an angesaugter
Flüssigkeit
ausgepumpt wurde und immer noch ein Unterdruck existiert, der die Flüssigkeit
zurückhält) oder
positiv (d.h., falls die gesamte oder beinahe die gesamte Flüssigkeit
ausgepumpt wurde, was eine größere „Pump"-Kraft erfordert).
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12 stellt
ein Fließdiagramm
eines ersten Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar. Das in 12 dargestellte
Fließdiagramm zeigt
die Schritte in einem Verfahren zum Ermitteln defekter Pipettenspitzen,
wie obenstehend besprochen. Das Verfahren beginnt mit Schritt 1202,
in dem der Druckwandler 208 einen ersten Luftdruck misst, der
vom Prozessor 716 registriert wird. In Schritt 1204 bewegt
der Roboterarm 102 die Pipettiervorrichtung 200 solcherart,
dass die Düse 204 über dem Pipettenspitzenaufnahmebehälter 202A der
Pipettenspitze 202 eingeführt werden kann. In Schritt 1206 wird
ein zweiter Luftdruck gemessen und registriert, bald nachdem die
Pipettenspitze 202 über
der Düse 204 eingeführt wurde.
Der Prozessor 716 vergleicht dann den ersten Luftdruck
mit dem zweiten Luftdruck: Wenn der zweite Luftdruck größer als
der erste Luftdruck ist, wurde eine nicht defekte Pipettenspitze 202 vom
Roboterarm 102 erfasst und kann zum Erfassen von Flüssigkeiten
verwendet werden (Ja-Weg 1210 vom Entscheidungskästchen 1208).
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Wenn
allerdings der erste und der zweite Luftdruck im Wesentlichen gleich
sind, d.h., wenn bei der Erfassung der Pipettenspitze 202 durch
den Roboterarm 102 keine Luftdruckveränderung auftrat, stellt der
Prozessor 716 fest, dass eine defekte Pipettenspitze 202 erfasst
wurde, und kann diese aussondern, wobei das unter Bezugnahme auf 9 besprochene
Austoßungsverfahren
zur Anwendung kommt (Nein-Weg 1212 vom Entscheidungskästchen 1208).
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13 stellt
ein Fließdiagramm
eines zweiten Verfahrens gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung dar. Das in 13 dargestellte Fließdiagramm
zeigt die Schritte in einem Verfahren zum Feststellen, ob eine nicht
defekte Pipettenspitze ausgestoßen
wurde, wie obenstehend besprochen. Das Verfahren gemäß 13 beginnt
mit Schritt 1302. In Schritt 1302 wird der Luftdruck
vom Druckwandler 208 fortlaufend gemessen und vom Prozessor 716 registriert.
Dann, in Schritt 1304, entscheidet der Prozessor 716,
die nicht defekte Pipettenspitze 202 auszustoßen, und
bewirkt, dass der Roboterarm mit der Spitzenabwurfanordnung in Eingriff
kommt. Der Eingriff mit der Spitzenabwurfanordnung bedeutet, dass
der Motor 302 beginnt, die Luftpumpe 210 zu übersteuern
und die Gewindespindel 304 zu drehen etc., wie unter Bezugnahme
auf die 3–6 beschrieben
wurde. Während
die Kolbenstange ihre Overdrive-Position 224 erreicht, überwacht
der Prozessor 716 erneut den gemessenen Luftdruck: Zu diesem
Zeitpunkt hätte
die Spitzenabwurfanordnung die Pipettenspitze(n) 202 von
der Düse
bzw. den Düsen 204 stoßen sollen.
In Schritt 1308 vergleicht der Prozessor 716 daher
den Luftdruck, unmittelbar bevor die Kolbenstange 210 die
Overdrive-Position 224 erreicht, mit dem Luftdruck, unmittelbar
nachdem die Kolbenstange die Overdrive-Position 224 erreicht hat,
um festzustellen, ob ein beträchtlicher
und plötzlicher
Luftdruckabfall stattgefunden hat. Dieser Luftdruckabfall würde durch
Luft verursacht werden, die plötzlich
abgelassen wird, wenn die Pipettenspitze 202 mit Gewalt
von der Düse 204 heruntergestoßen und
die Druckluft im Luftpumpenzylinder 214 und im Pipettenspitzenaufnahmebehälter 202A in
die Atmosphäre
abgelassen wird. Wenn es zu einem plötzlichen und beträchtlichen
Abfall der gemessenen Luftdrücke
kommen sollte, so wurde die Pipettenspitze 202 richtig
ausgestoßen
(Ja-Weg 1310 vom Entscheidungskästchen 1308).
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Wenn
allerdings zwischen dem Zeitpunkt, unmittelbar bevor die Kolbenstange 210 die
Overdrive-Position 224 erreicht, und dem Zeitpunkt, unmittelbar
nachdem die Kolbenstange die Overdrive-Position 224 erreicht
hat, kein plötzlicher
und beträchtlicher
Abfall des Luftdrucks stattgefunden hat, stellt der Prozessor 716 fest,
dass die Pipettenspitze 202 nicht richtig ausgestoßen wurde (Nein-Weg 1712 vom
Entscheidungskästchen 1708). Dies
hat zur Folge, dass die Kolbenstange 210 in eine Zwischenposition
(d.h., zwischen ihrer Ausgangsposition und ihrer Overdrive-Position)
zurückkehrt
und den Vorgang des Ausstoßens
der Pipettenspitze 202 von neuem beginnt (d.h., sie kehrt
zu Schritt 1304 zurück).
Möglicherweise
führt sie
dies mehrere Male durch, bevor die Pipettenspitze 202 richtig
ausgestoßen
wird.
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Die
obenstehend beschriebenen Ausführungsformen
sind bloß als
Beispiele angeführt,
und es sollte selbstverständlich
sein, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Es ist natürlich möglich, die
Erfindung in anderen spezifischen Formen als den beschriebenen zu
gestalten, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.