DE68903665T2

DE68903665T2 - Balg-pipette und ihre verwendung.

Info

Publication number: DE68903665T2
Application number: DE8989303869T
Authority: DE
Inventors: Raymond Francis Eas Jakubowicz; Johannes Jacobus Eastman Porte
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Ortho Clinical Diagnostics Inc
Priority date: 1988-04-20
Filing date: 1989-04-19
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2009-04-20
Also published as: DE68903665D1; US4852620A; CA1288741C; EP0338797A3; EP0338797A2; JPH0573467B2; JPH02164457A; EP0338797B1

Description

Die Erfindung betrifft Flüssigkeitsansaug- und abgabevorrichtungen, wie z.B. Pipetten.
Pipetten und automatische Ansaugvorrichtungen sind vorzugsweise für die Verwendung von Einweg-Pipettenspitzen oder Einweg-Behältern vorgesehen und weisen Mittel zur Befestigung solcher Einweg- Pipettenspitzen oder -behälter sowie Mittel auf, mit denen der Inhalt der Pipettenspitzen oder -behälter Druck zusammengedrückt oder entleert wird. Die Druck erzeugenden Mittel umfassen eine Kolbenkammer, einen Kolben und Mittel zum Hin- und Herbewegen des Kolbens. In den meisten Fällen sind am Kolben Dichtungsringe vorgesehen, die an der Innenwandung der Kolbenkammer oder der Außenwandung des Kolbens mit Reibung angreifen.
Da diese Dichtungsringe dem Verschleiß unterworfen sind, wurden bereits früher als Alternativlösung Balgen vorgeschlagen, da diese wesentlich haltbarer sind. Solche Balgen können vorgespannt und einfach von Hand zusammendrückbar sein, wie dies in US-Patent 4 296 071 offenbart ist, oder von einem Motor angetrieben werden, wie dem US-Patent 4 041 995, Fig. 6 und 8 zu entnehmen ist. Jede dieser vorgeschlagenen Lösungen wirft jedoch Fertigungsprobleme auf. Bei einem einfachen Balg, wie er in US-Patent 4 041 995 beschrieben ist, erweist es sich als schwierig, das Basisteil des Balgs am Boden der Kolbenkammer zu befestigen, weil dieser unzugänglich ist. Man könnte zwar das Kammergehäuse aus mehreren Teilen zusammenmontieren, aber nicht zuletzt aus Gründen der einfachen Handhabung wird meist ein einstückig ausgebildetes Gehäuse bevorzugt.
Man hat auch versucht, anstelle eines Balgs eine flache, aus einem Elastomeren bestehende Membran zu verwenden, wie sie beispielsweise in US-Patent 4 444 062 beschrieben ist, da sich eine solche Membran am oberen Ende der Kolbenkammer befestigen läßt. Bei der Vorwärtsbewegung des Kolbens - s. Fig. 4 des US-Patents 4 444 062 - wird die Membran (68) so gespannt, daß sie eine zylindrische Form annimmt. Dabei treten jedoch folgende Nachteile auf: Die elastomere Membran kann unter der hohen Beanspruchung, der sie ausgesetzt wird, reißen, so daß ihre Lebensdauer sehr begrenzt ist. Außerdem führt sie zu einer nichtlinearen Flüssigkeitsverdrängung, da ihr Querschnitt sich mit der Vorwärtsbewegung des Kolbens verändert. Bei einem Balg treten solche Nachteile nicht auf. Eine flache Membran ist also kein geeigneter Ersatz für einen Balg.
Im Zusammenhang mit der Balgkonstruktion ergibt sich noch eine weitere Schwierigkeit. Viele Pipetten besitzen eine Abstoßeinrichtung für die Einweg-Pipettenspitze. Diese Einrichtung besteht aus einer Stange, die sich von der Lagerfläche für die Pipettenspitze aus zurück in das der Einweg-Pipettenspitze am nächsten liegende Ende der Kolbenkammer erstreckt. Die Stange muß im richtigen Augenblick verschoben werden, beispielsweise indem der Kolben so weit bewegt wird, bis er mit der Stange in Berührung kommt. Ist jedoch ein Balg zwischen dem Kolben und dem Ende der Kammer angeordnet, an dem sich die Stange befindet, so ist eine übermäßig große Kraft erforderlich, um die Stange zu betätigen. Der Kolben muß nämlich nicht nur den Widerstand der Stange und der Pipettenspitze überwinden, sondern auch den Balg zusammendrücken.
Aus all diesen Gründen konnten Balgen trotz ihrer größeren Haltbarkeit bis jetzt nur bis zu einem gewissen Grad die Kolbendichtungen ersetzen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen als Ersatz für einen Kolbenring geeigneten, einfach herstellbaren Balg zu schaffen, der die funktionsgemäße Abstoßung der Pipettenspitze nicht behindert.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß ein Faltenbalg verwendet wird, der im Gegensatz zu den bis jetzt zum Abstoßen der Pipettenspitze verwendeten Balgen in umgekehrter Lage angeordnet ist.
Insbesondere ist gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Pipette vorgesehen, die einen Durchflußkanal sowie Mittel aufweist, die in dem Durchflußkanal ein wirksames Vakuum oder einen sich vom Atmosphärendruck unterscheidenden Druck erzeugen und die eine Kolbenkammer umfassen, deren eines Ende mit dem Durchflußkanal in Strömungsverbindung steht, sowie einen Kolben, einen in der Kammer bewegbar gelagerten Faltenbalg und Betätigungsmittel zum Vor- und Zurückbewegen des Kolbens aufweisen. Die Pipette ist dadurch gekennzeichnet, daß der Faltenbalg ein offenes Basisteil und ein geschlossenes Kopfteil und eine vorgeformte, im allgemeinen zylindrische Seitenwandung besitzt, die sich zwischen dem Basisteil und dem Kopfteil erstreckt, daß die Seitenwandung des Faltenbalgs eine Innenfläche und eine Außenfläche besitzt, das Basisteil mit der Kammer abdichtend verbunden ist und das Kopfteil an dem Kolben so befestigt ist, daß die Außenfläche der Seitenwandung und die Kolbenkammer das auf den Durchflußkanal wirkende Luftvolumen bestimmen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird die vorstehende Aufgabe durch ein Verfahren zum Ansaugen und Abgeben von Flüssigkeit mit einer Pipette der vorstehend beschriebenen Art gelöst, bei dem
a) die Pipette in eine Flüssigkeitsquelle eingetaucht wird,
b) in dem Durchflußkanal durch Zusammendrücken des Faltenbalgs mittels des Kolbens ein Teilvakuum erzeugt wird, wobei Flüssigkeit in die Pipettenspitze eingesaugt wird,
c) die Pipette relativ zu der Flüssigkeitsguelle und einem Element, auf das die Flüssigkeit aufgebracht werden soll, bewegt wird, und
d) in dem Durchflußkanal ein Partialdruck erzeugt wird, der ausreicht, um mindestens einen Teil der Flüssigkeit herauszudrükken, indem der Kolben in eine Richtung bewegt wird, in der der Faltenbalg aus seinem in b) erzeugten zusammengedruckten Zustand wieder in seinen ausgedehnten Zustand gelangt.
Ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Pipette mit einer Druckerzeugungseinrichtung versehen ist, die die einem Balg eigene unbegrenzte Haltbarkeit besitzt, ohne daß die sonst bei der Herstellung von Balgen üblichen Probleme auftreten.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine Pipette vorgesehen ist, bei der ein Faltenbalg in der Druckerzeugungseinrichtung so angeordnet ist, daß der von dem Faltenbalg ausgeübte Widerstand die Betätigung der Abstoßstange für die Pipettenspitze nicht behindert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Teilansicht einer dem Stand der Technik entsprechenden Pipette mit einem Faltenbalg und einem Kolben,
Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer erfindungsgemäßen Pipette, und
Fig. 3 eine teilweise im Schnitt dargestellte Teilansicht, die Fig. 2 entspricht, jedoch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsforin näher erläutert, wobei die Vorrichtung eine in die Hand nehmbare Pipettiervorrichtung ist, die für die Verwendung mit einer Einweg-Pipettenspitze einer einzigen Größe vorgesehen und durch einen Motor betätigbar ist. Die Erfindung ist aber ebenso für eine Pipette geeignet ist, die maschinell betätigt wird und/oder in der Pipettenspitzen mehr als einer Größe verwendet werden können, wie beispielsweise in US-Patent 4 593 837 beschrieben. Ebenso ist die Erfindung sowohl für eine Anordnung geeignet, bei der der Kolben der Pipette durch einen Motor betätigbar ist, wie dies im vorliegenden Fall beschrieben wird, als auch für eine Anordnung, bei der eine Stange von Hand gegen die Kraft einer Rückstellfeder verschoben wird.
Wie ohne weiteres ersichtlich, ist ein Balg, ganz gleich ob er in der erfindungsgemäßen Weise befestigt oder aber unbefestigt ist, im Grunde nichts anderes als eine besondere Form einer gefalteten Membran mit mehreren Falten. Der Ausdruck "gefaltet" bedeutet im vorliegenden Fall, daß in der Seitenwandung der Membran mindestens eine Faltung vorhanden ist, im Gegensatz zu einer fest gespannten Membran, die wegen des großen Widerstands, der ihrer Verschiebung bei der Bewegung des Kolbens entgegenwirkt, für eine Verwendung nicht geeignet ist.
Fig. 1 zeigt eine Pipette herkömmlicher Bauart. Die Pipette 10 besitzt ein Gehäuse 12 und ist an einem Ende mit Betätigungselementen 14 versehen. An oder benachbart dem Ende 16 ist eine (nicht dargestellte) Pipettenspitze befestigt. Ein in einer Kolbenkammer 20 angeordneter Kolben 23 erzeugt das Teilvakuum und den Druck, die erforderlich sind, um Flüssigkeit in die Pipettenspitze zu saugen bzw. Flüssigkeit aus der Pipettenspitze abzugeben. Ein Durchflußkanal 18 erstreckt sich vom Ende 21 der Kolbenkammer 20 bis zum Pipettenende 16. Der Kolben 23 ist bewegbar gelagert und von einem Motor 24 angetrieben. Anstelle von O-förmigen Dichtungsringen ist ein Faltenbalg 30 vorgesehen, dessen Basisteil 32 fest mit dem Kammerende 21 verschweißt ist. Das Kopfteil 33 des Balgs ist mit dem Kolben 23 verbunden. Zwischen dem Basisteil 32 und dem Kopfteil 33 erstreckt sich eine im allgemeinen zylindrische, eine Anzahl von Falten aufweisende Seitenwandung 34, die eine Innenfläche 35 und eine Außenfläche 37 besitzt. Bei der vorliegenden Anordnung ist es die Innenfläche 35 der Seitenwandung 34, die das wirksame Vakuum oder den Druck erzeugt, die eine Luftströmung in dem Durchflußkanal 18 und eine Flüssigkeitsströmung in der (nicht dargestellten) Pipettenspitze bewirken. Das von der Außenfläche 37 und der Kolbenkammer 20 bestimmte Luftvolumen hat auf den Durchflußkanal 18 keinen Einfluß. Vielmehr erfolgt ein Druckausgleich mit der Atmosphäre über eine Entlüftungsöffnung 39.
Kennzeichnend für eine solche Faltenbalgkonstruktion ist, daß sie sich kaum unterhalb ein in der Zeichnung mit "x" markiertes Niveau zusammendrücken läßt. Dadurch verbleibt in dem Balg ein Restluftvolumen, dessen Höhe mit "h" angegeben ist.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich besteht die erfindungsgemäße Verbesserung der Pipette darin, daß der Balg umgekehrt wirkt und nun die Außenfläche des Balgs das Luftvolumen bestimmt, welches das wirksame Vakuum oder den Druck erzeugt, der eine Flüssigkeitsströmung in der Pipettenspitze bewirkt. Die in dieser Weise ausgebildete Pipette 40 besitzt ähnliche Merkmale wie die in Fig. 1 dargestellte bekannte Ausführungsform, nämlich ein Gehäuse 42, das ebenfalls eine Druckerzeugungseinrichtung enthält und auf dem Schaltelemente 44 (bekannter Art) angeordnet sind. Am gegenüberliegende Ende 46 ist eine konische Fläche 47 vorgesehen, an der andeutungsweise dargestellte Einweg-Pipettenspitzen angebracht werden können. Ein Durchflußkanal 48 nimmt einen Teil des Endes 46 ein und erstreckt sich zu diesem von einer Kolbenkammer 50 aus, die sich im Innern des Gehäuses 42 befindet. Die Kolbenkammer 50 besitzt einander im allgemeinen gegenüberliegende Enden 51 und 52 . Ein von einem herkömmlichen Linearmotor 54 über eine Antriebswelle 56 angetriebener Kolben 53 ist in der Kolbenkammer 50 hin- und herbewegbar gelagert. Bei dem Motor 54 kann es sich beispielsweise um einen Motor vom Typ K92211-P2 handeln, wie er unter dem Warenzeichen AIRPAX von der North American Phillips Company angeboten wird.
Zum Abstoßen der Einweg-Pipettenspitze T nach ihrer Verwendung ist eine Abstoßstange 60 in dem Gehäuse 42 gelagert. Das eine Ende 62 der Stange ist benachbart der Fläche 47 angeordnet und steht mit einer Einweg-Pipettenspitze in Berührung. Das gegenüberliegende Ende 64 ist benachbart dem Ende 51 der Kolbenkammer 50 angeordnet und ragt in diese hinein. Die Stange 60 ist parallel zu dem Durchflußkanal 48 so gelagert, daß sie in der üblichen Weise durch den Kolben 53 betätigt hin- und herschiebbar ist.
Wie bereits erwähnt spielt der Faltenbalg 70 als Druckerzeugungseinrichtung für die Pipette eine wesentliche Rolle. Er besitzt ein offenes Basisteil 72 , eine dehnbare, im allgemeinen zylindrische Seitenwandung 74 und ein geschlossenes Kopfteil 73. Die Welle 56 erstreckt sich also durch das Basisteil 72 hindurch ins Innere des Faltenbalgs und ist an dem Kolben 53 befestigt, der am Kopfteil 73 des Faltenbalgs angebracht ist. Das Basisteil 72 ist am Kammerende 52 befestigt, das sich von dem Ende 51 unterscheidet. Es ist also nicht die Innenfläche 75, sondern die Außenfläche 77, die zusammen mit der Kolbenkammer 50 das aktive Luftvolumen für die Druckbeaufschlagung oder Leerung des Durchflusskanals 48 bestimmt. Der Druckausgleich mit der Atmosphäre erfolgt über eine Entlüftungsöffnung 79.
Bei dieser Anordnung ist das Restluftvolumen auf ein Minimum reduziert, da der Balg bei vollständiger Ausdehnung fast das gesamte Volumen der Kolbenkammer 50 einnimmt. Außerdem benötigt der Motor 54 verglichen mit der Kraft, die zum vollständigen Zusammendrücken eines solchen Faltenbalgs sonst aufgewendet werden muß, nur ein Mindestmaß an Kraft, um den Kolben 53 in die dieser vollständigen Ausdehnung entsprechende Lage oder sogar noch weiter zu bewegen.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß der Faltenbalg nicht vollständig zusammengedrückt werden muß, damit der Kolben 53 so weit ausgefahren wird, daß er mit dem Ende 64 der Abstoßstange 60 in Berührung kommt, sondern daß er vielmehr nur geringfügig über seine (in Fig. 2 dargestellte) Ausgangsstellung hinaus bewegt werden muß - wodurch der Motor 54 nur minimal beansprucht wird und das ganze Drehmoment des Motors für das Abstoßen der Pipettenspitze zur Verfügung steht.
Für die Herstellung des Faltenbalgs 70 geeignete Materialien sind u.a. Nickellegierungen, d.h. beispielsweise Legierungen mit einer Federkonstanten von weniger als 1,75 N/cm.
Eine Entlüftungsöffnung 79 dient zum Druckausgleich zwischen dem Inneren des Faltenbalgs 70 und der Atmosphäre.
Der Faltenbalg kann auch (nicht dargestellt) als Druckerzeugungseinrichtung in einer zweiten Kammer dienen, wie sie beispielsweise bei Pipetten erforderlich ist, die für die Aufnahme von zwei Pipettenspitzen unterschiedlicher Größe vorgesehen sind. Hierbei kann die Welle 56 mit einer Kupplung in Eingriff gelangen, die getrennte, jeweils mit einem Kolben und dem entsprechenden Faltenbalg verbundene Antriebswellen schiebt oder zieht.
Der Motor der Pipette wird in üblicher Weise mittels Schaltern 44 betätigt, wobei eine gedruckte Schaltung (nicht dargestellt) verwendet wird, um die in dem Gehäuse 42 erforderlichen Kontakte herzustellen.
Die genaue Lage des Basisteils des Faltenbalgs gegenüber dem Motor ist für die Erfindung nicht wesentlich. Dies ist aus Fig. 3 ersichtlich, in der Teile, die den in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten ähnlich sind, jeweils das gleiche, jedoch mit dem Zusatz "a" versehene Bezugszeichen tragen.
Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weist auch hier eine Pipette 40a einen Motor 54a und eine Antriebswelle 56a auf, an der ein in einer Kolbenkammer 50a beweglicher Kolben 53a befestigt ist. Ein Durchflußkanal 48a verbindet das Ende 51a der Kolbenkammer 50a mit dem Ende 46a, an dem Flächen 47a zur Lagerung einer Pipettenspitze vorgesehen sind. Der Faltenbalg 70a ist wie im vorhergehenden Beispiel am Kopfteil 73a mit dem Kolben 53a verbunden. Wiederum ist es die Außenfläche 77a der Wandung 74a, die zusammen mit der Kolbenkammer 50a das wirksame Luftvolumen zur Druckbeaufschlagung und Leerung des Durchflußkanals 48a bestimmt. Im vorliegenden Falle ist jedoch das Basisteil 72a des Faltenbalgs 70a am Ende 51a der Kolbenkammer 50a und nicht an einer im Abstand von diesem befindlichen Stelle befestigt. Außerdem mündet der Durchflußkanal 48a in dem Ende 51a an einer außermittig angeordneten Stelle 80, so daß eine Verbindung mit der Luft außerhalb des Faltenbalgs 70a und nicht innerhalb des Faltenbalgs 70a hergestellt ist. Der Druckausgleich mit der Atmosphäre erfolgt über eine Entlüftungsöffnung 79a. (Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Pipettenspitze vorzugsweise mittels eines externen, nicht dargestellten Abstoßsystems abgestoßen.)
In Fällen, in denen es nicht in erster Linie auf die unbegrenzte Haltbarkeit des Faltenbalgs ankommt, kann dieser auch (nicht dargestellt) durch eine elastomere Membran ersetzt werden, die so vorgeformt ist, daß sie eine einem Faltenbalg ähnliche zylindrische Form besitzt. Durch diese vorgegebene Form wird vermieden, daß die Membran reißt, wie dies bei Verwendung einer flachen, dehnbaren Membran, die bei jedem Gebrauch neu verformt werden muß, häufig der Fall ist.

Claims

1. Pipette (40; 40a) mit einem Durchflußkanal (48; 48a) und Mitteln (44, 50, 51, 52, 53, 54, 56, 70, 72, 73, 74, 75, 77; 50a, 51a, 53a, 54a, 56a, 70a, 72a, 73a, 74a, 77a), die in dem Durchflußkanal (48; 48a) ein wirksames Vakuum oder einen sich vom Atmosphärendruck unterscheidenden Druck erzeugen und eine Kolbenkammer (50; 50a), deren eines Ende (51; 51a) mit dem Durchflußkanal (48; 48a) in Strömungsverbindung steht, sowie einen Kolben (53; 53a), einen in der Kolbenkammer (50; 50a) bewegbar gelagerten Faltenbalg (70, 72, 73, 74, 75, 77; 70a, 72a, 73a, 74a, 77a) und Betätigungsmittel (54,56; 54a, 56a) zum Vor- oder Zurückbewegen des Kolbens (53, 53a) umfassen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Faltenbalg (70, 72, 73, 74, 75, 77; 70a, 72a, 73a, 74a, 77a) ein offenes Basisteil (72) und ein geschlossenes Kopfteil (73; 73a) und eine im allgemeinen vorgeformte zylindrische Seitenwandung (74; 74a) besitzt, die sich zwischen dem Basisteil (72) und dem Kopfteil (73; 73a) erstreckt, daß die Seitenwandung (74; 74a) des Faltenbalgs eine Innenfläche (75; 75a) und eine Außenfläche (77; 77a) besitzt, das Basisteil (72) mit der Kammer (50; 50a) verschweißt ist und das Kopfteil (73; 73a) an dem Kolben (53; 53a) so befestigt ist, daß die Außenfläche (77; 77a) der Seitenwandung und die Kolbenkammer (50; 50a) das auf den Durchflußkanal (48; 48a) wirkende Luftvolumen bestimmen.

2. Pipette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faltenbalg (70, 72, 73, 74, 75, 77) mit der Kammer (50) an einem Ende (52) verschweißt ist, das sich von dem mit dem Durchflußkanal (48) in Strömungsverbindung stehenden Ende (51) unterscheidet.

3. Pipette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (46, 47) vorgesehen sind, mit denen eine Einweg-Pipettenspitze (T) in einer den Durchflußkanal umgebenden Stellung gehalten ist, sowie Mittel (60, 62, 64), mit denen die Einweg-Pipettenspitze (T) von den Haltemitteln (46, 47) abgestoßen wird, wobei diese Abstoßmittel (60, 62, 64) eine Stange (60) aufweisen, deren eines Ende (64) an dem mit dem Durchflußkanal (48) in Strömungsverbindung stehenden Ende (51) der Kammer (50) gleitbar so gelagert ist, daß sie mit dem Kolben (53) in Eingriff gelangt, wenn dieser vollständig bis zum Ende (51) der Kammer bewegt worden ist.

4. Verfahren zum Ansaugen und Abgeben von Flüssigkeit mittels einer Pipette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in mehreren Arbeitsschritten

a) die Pipette in eine Flüssigkeitsquelle eingetaucht wird,

b) in dem Durchlaßkanal durch Zusammendrücken des Faltenbalgs mittels des Kolbens ein Teilvakuum erzeugt wird, wobei Flüssigkeit in die Pipettenspitze gesaugt wird,

c) die Pipette relativ zu der Flüssigkeitsguelle und dem Element, auf das die Flüssigkeit aufgebracht werden soll, bewegt wird, und

d) in dem Durchflußkanal ein Partialdruck erzeugt wird, der ausreicht, um mindestens einen Teil der Flüssigkeit herauszudrücken, indem der Kolben in eine Richtung bewegt wird, in der der Faltenbalg aus seinem in b) erzeugten zusammengedrückten Zustand wieder in seinen ausgedehnten Zustand gelangt.