DE69627492T2

DE69627492T2 - Verfahren zur korrektur eines flüssigkeitsabgabefehlers und flüssigkeitsabgabevorrichtung

Info

Publication number: DE69627492T2
Application number: DE69627492T
Authority: DE
Inventors: Hannu Harjunmaa; Osmo Suovaniemi
Original assignee: Biohit Oy
Current assignee: Biohit Oy
Priority date: 1995-07-07
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2016-07-06
Also published as: EP0837731B1; WO1997002893A1; DE837731T1; ATE237400T1; US5895838A; AU6307496A; FI961337A; FI961337A0; DE69627492D1; EP0837731A1; FI101864B; FI101864B1; JPH11509623A

Description

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Eliminierung eines temperaturabhängigen Abgabefehlers in Verbindung mit der Abgabe von Flüssigkeiten.
Insbesondere wird die Erfindung in Verbindung mit einem Abgabeverfahren verwendet, bei welchem die Abgabe mittels zweier Kammern erfolgt, die über einen Gaskanal miteinander verbunden sind, wobei die erste Kammer zusätzlich zum Gaskanal mit der abzugebenden Flüssigkeit in Verbindung steht, und die zweite Kammer mit Ausnahme des Gaskanals gasdicht ist, wobei zum Aufnehmen der Flüssigkeit in die Abgabevorrichtung das Volumen der zweiten Kammer vergrößert wird, wodurch Gas von der ersten Kammer her einströmt und in der Folge abzugebende Flüssigkeit in die erste Kammer fließt, bis ein Druckgleichgewicht zwischen den Kammern erreicht worden ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist auch eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung, die zwei Kammern aufweist, die über einen Gaskanal miteinander verbunden sind, wobei die erste Kammer zusätzlich zum Gaskanal mit der abzugebenden Flüssigkeit in Verbindung steht, und die zweite Kammer mit Ausnahme des Gaskanals gasdicht ist und Einrichtungen zum Regulieren ihres Volumens enthält.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird typisch, aber nicht ausschließlich, angewendet, wenn Flüssigkeiten unter Verwendung einer elektronischen oder mechanischen Pipette pipettiert werden, und es erlaubt die Eliminierung oder zumindest eine wesentliche Reduzierung eines Flüssigkeitsabgabefehlers, der sich aus der Temperaturdifferenz zwischen der Probe und der Pipette ergibt.
In Laboranalysen ist das Pipettieren und Abgeben von Proben und Reagenzien, die üblicherweise in flüssiger Form vorliegen, der im Verfahren schwierigste Schritt, um eine Genauigkeit von beispielsweise weniger als einem halben Prozent Genauigkeit sowie Reproduzierbarkeit zu erreichen. Die Pipettiergenauigkeit unter Verwendung des älteren Verfahrens liegt gewöhnlich in der Größenordnung von einem Mikroliter (mit einer Ungenauigkeit von sogar 5 bis 10%, insbesondere bei kleinen Volumina), wenn nicht darunter (Rodgerson et al., Clin. Chem. 20/l, 43-50, 1974 und Pardue et al., Clin. Chem. 20/8, 1028-1042, 1974). Unter Verwendung moderner Verfahren von heute liegt die Genauigkeit sowohl mechanischer als auch elektronischer Pipetten im Bereich von 0,1 bis 5% (Suovaniemi: Dissertation, ISBN 952-90-5248-0, Universität Helsinki, 1994). Das Dokument EP-A-0 337 460 zeigt eine Fluidabgabevorrichtung, die ein Temperaturkompensationssystem umfaßt.
Die Pipettierungenauigkeit hängt sowohl von der Vorrichtung als auch von ihrem Benutzer ab. Die Wirkung des menschlichen Fehlers ist häufig offensichtlicher, insbesondere in Verbindung mit der Verwendung von mechanischen Pipetten, verglichen mit der Verwendung von elektronischen Pipetten. Die Qualität der Pipettenspitze und die Art und Weise ihrer Verwendung hat ihren eigenen kleinen Effekt, mit der Ausnahme, wenn die Spitze von Hand an der Pipette angebracht wird. In diesem Fall kann die Spitze verunreinigt oder zusammengepreßt werden, so daß die Spitze während der ersten Pipettiervorgänge ihre Form wiedergewinnt und in Verbindung damit zu viel Flüssigkeit in die Spitze zieht. Dieser Fehler kann zum Beispiel unter Verwendung vertikal gepackter Spitzen oder durch äußerst vorsichtige Handhabung der Spitzen ohne Änderung ihrer Form beim Anbringen an einer Pipette eliminiert werden. Die Verwendung einer elektronischen Pipette beseitigt die menschlichen Pipettierfehler, ebenso die Verwendung einer automatischen Kalibrierung einer elektronischen Pipette in Verbindung mit jeder Benutzung (Hattori, Super Pipetter Seminar: Standardized Risk Factor and Support to Validation, Biohit 1994). Eine Verbesserung dieser Faktoren führt normalerweise zu Pipettierergebnissen, die nur 0,1-0,5% genauer sind.
Gemäß der Erfindung wird nun ein Verfahren zur Eliminierung oder zumindest wesentlichen Reduzierung temperaturabhängiger Abgabefehler bereitgestellt, die in Flüssigkeitsabgabeverfahren auftreten, die auf einem Luftverdrängungsprinzip basieren. Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den angefügten Ansprüchen erfüllt.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturänderung des von der ersten Kammer in die zweite Kammer strömenden Gases gemessen wird, und die in der zweiten Kammer hervorgerufene Änderung oder Zunahme des Volumens zur Aufnahme der Flüssigkeit wird auf der Basis der gemessenen Temperaturänderung korrigiert, so daß die gewünschte Flüssigkeitsmenge in der ersten Kammer aufgenommen wird.
Gemäß der Erfindung wird diese Temperaturänderung vor Aufnahme der Flüssigkeitsprobe mit Temperaturfühlern gemessen, die in jeder Kammer geeignet angeordnet sind, wobei einer die Temperatur des Gases in der ersten Kammer und der zweite die in der zweiten Kammer herrschende Temperatur mißt, das heißt die Temperatur, welche das Gas erreicht, das während der Aufnahme der Flüssigkeitsprobe von einer Kammer zur anderen strömt. Die Differenz dieser Temperaturen entspricht der Temperaturänderung des Gases, das von der ersten zur zweiten Kammer strömt.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren unter Verwendung nur eines einzigen Fühlers ausgeführt werden, der in der zweiten Kammer angeordnet ist. Dieser Fühler mißt zuerst die Temperatur der zweiten Kammer vor der Aufnahme der Flüssigkeitsprobe und ein zweites Mal während der Aufnahme der Flüssigkeitsprobe die Temperatur des Gases, das von der ersten Kammer zur zweiten Kammer strömt, wobei die Differenz besagte Temperaturänderung ist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist außerdem eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung des oben erwähnten Typs, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Temperaturfühler zum Messen der Temperaturänderung des Gases, das von einer Kammer über den Gaskanal zur anderen strömt, und eine Einrichtung zum Zuführen eines entsprechenden Korrekturbefehls zur Volumenregulierungseinrichtung in der zweiten Kammer vorgesehen sind.
Gemäß der Erfindung können beide Kammern einen Fühler enthalten oder alternativ kann nur die zweite Kammer einen Fühler enthalten.
Im Folgenden wird die Erfindung in Anwendung auf eine Flüssigkeitsabgabe mittels Pipettieren und eine elektrische Pipette beschrieben, aber die Erfindung ist nicht auf Pipetten beschränkt, sondern kann im Bereich der angefügten Ansprüche auf eine Reihe von Flüssigkeitsabgabesystemen angewendet werden.
Die Erfindung basiert auf der Beobachtung, daß die Luftmenge, die im Aufziehstadium des Pipettierens von der Pipettenspitze in den Pippettenkörper strömt, schnell die Temperatur des Pipettenkörpers erreicht. Die Änderung des Volumens des Luftraums im Körper, die durch Bewegen des Kolbens der Pipette, um Flüssigkeit in die Pipettenspitze zu ziehen, hervorgerufen wird, ist gleich dem gewählten Pipettiervolumen, d. h. dem Pipetteneinstellwert. Als Folge der Kolbenbewegung nimmt der Druck im Körper ab und strömt Luft von der Spitze in den Körper, bis die Drücke im wesentlichen wieder im Gleichgewicht sind. Für den Fall, daß die Temperatur des Luftraums in der Spitze und die im Pipettenkörper nicht gleich sind, unterscheidet sich nach Ausgleich der Temperaturen das Endvolumen der bewegten Luftmenge im Pipettenkörper von dem Volumen, das eigentlich aus der Spitze entfernt werden sollte. Die Differenz zwischen dem nominalen und realen Volumen der transferierten Luftmenge ist auch der volumetrische Fehler der in der Spitze aufgenommenen Flüssigkeit.
Der Temperaturausgleich im Pipettenkörper erfolgt schnell, da der Luftkanal dort relativ eng ist, d. h. der Abstand aller Luftmoleküle zur nächstgelegenen Wand klein ist, normalerweise weniger als 1 mm. Zudem ist die spezifische Wärmekapazität von Luft klein, vergleichen mit der spezifischen Wärmekapazität des Materials des Körpers. Die in den Körper eintretende Luft erreicht die Temperatur des Körpers bevor die Spitze aus der Probe heraus gehoben worden ist, weswegen das geänderte Volumen der transferierten Luft direkt das Pipettierergebnis beeinflußt. Am Anfang und am Ende des Pipettierens sind die Drücke innerhalb und außerhalb der Pipette im wesentlichen im Gleichgewicht und irgendwelche vorübergehenden Druckunterschiede beeinflussen das Endergebnis nicht.
Eine wichtige Konsequenz dieser Beobachtung ist, daß es keine Notwendigkeit gibt, die Temperatur der Flüssigkeit zu messen. Entscheidend ist die Temperatur des Luftraums, aus welchem sich die Luft in den Pipettenkörper bewegt und insbesondere die Temperaturdifferenz zwischen diesem Luftraum und dem Körper. Nach einigen Pipettierungen erreicht der Luftraum innerhalb der Spitze im wesentlichen die Temperatur der Flüssigkeit, aber das Messen der Temperatur des Luftraums in der Spitze macht eine Korrektur möglich, die von Anfang an richtig ist. Es ist außerdem zu beobachten, daß die Korrektur gemäß dieser Erfindung auch irgendeinen Fehler korrigiert, der sich aus einer abweichenden Spitzentemperatur ergibt. Eine solche Situation ist vorhanden, wenn zum Beispiel eine Spitze mit warmen Fingern angebracht wird.
Im Folgenden wird eine Korrekturformel hergeleitet, die in Verbindung mit einer elektrischen Pipette von dem Prozessor verwendet wird, damit er in der Lage ist, die Bewegung des Kolbens ausgehend von dem eingestellten Wert zu ändern, so daß unter allen Temperaturbedingungen die Flüssigkeitsmenge, die aufgezogen werden soll, die gewünschte Größe hat.
Die Formel zur Berechnung wird aus dem Gay-Lussacschen Gesetz hergeleitet, das feststellt, daß bei einem konstanten Druck das Volumen eines Gases proportional zu seiner absoluten Temperatur ist. Es wird angenommen, daß die absolute Temperatur des Pipettenkörpers TP und die absolute Temperatur des Luftraums der Spitze TK ist (siehe auch Fig. 1). Das nominale Pipettiervolumen, d. h. der eingestellte Wert, ist V. Im Anfangsstadium wird die Spitze in die Flüssigkeit eingetaucht, aber nicht so tief, als daß der hydrostatische Druck in der Lage wäre, Flüssigkeit wesentlich in die Spitze zu drängen. Nun wird der Kolben in einem Ausmaß entsprechend dem Volumen V zurückgezogen und der Druck innerhalb des Pipettenkörpers nimmt ab. Da es eine Neigung zur Wiederherstellung des Druckgleichgewichts gibt, strömt Luft einer Temperatur von TK in einer volumetrischen Menge V von der Spitze in den Pipettenkörper. Diese Luftmenge ist nun der Temperatur Tp ausgesetzt. Mit anderen Worten, das neue Volumen V' der transferierten Luft ist gemäß dem Gesetz von Gay-Lussac:
V' = (Tp/TK)·V
Da am Ende ein Druckgleichgewicht hergestellt sein muß, muß ein weiteres Luftvolumen
Δv = V-V' = (1-TP/TK)·V
zwischen der Spitze und dem Körper transferiert werden.
Da diese Luft aufgrund des Druckgleichgewichts von der Spitze kommt, muß sie durch ein gleiches Volumen von Flüssigkeit ersetzt werden und der Pipettierfehler ist ΔV. Er ist positiv (zu großes Pipettierergebnis), wenn TK> Tp und negativ (zu kleines Pipettierergebnis), wenn TK< Tp. Bei den positiven Ergebnissen gibt es einen zusätzlichen kleinen Überschuß, da auch ΔV der Temperatur Tp ausgesetzt ist. Dies hat keine praktische Konsequenz, kann aber, falls gewünscht, leicht berücksichtigt werden.
Das tatsächliche Pipettierergebnis V" als Funktion des nominalen Volumens (die Bewegung des Kolbens) V und der Temperaturen ist folglich
V" = V + ΔV = (2-Tp/TK)·V
Die Korrektur kann in einer elektronischen Pipette auf direkte Weise ausgeführt werden. Die Temperaturen können kontinuierlich in bestimmten kurzen Zeitintervallen oder nur beim Drücken auf den Pipettierknopf gelesen werden und gemäß diesen und dem nominalen Volumen wird dem Kolben ein Aktivierungsbefehl entsprechend VK (das korrigierte Volumen) zugeschickt:
VK = V/(2-Tp/TK)
Im Folgenden wird Bezug genommen auf die beiliegende Zeichnung, in welcher Fig. 1 auf eine allgemeine und schematische Weise eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, Fig. 2 auf eine schematische Weise eine erfindungsgemäße Pipette zur Ausführung des Verfahrens zeigt und Fig. 3 ein Konstruktions- und Befestigungssystem für einen Fühler zum Messen der Temperatur zeigt.
In Fig. 1 sind zwei gasgefüllte Kammern zur Aufnahme von Flüssigkeit gezeigt, eine erste Kammer 1 und eine zweite Kammer 2, die über einen Gaskanal 3 miteinander verbunden sind und deren Innendruck am Beginn und am Ende der Aufnahme der Flüssigkeitsprobe im wesentlichen im Gleichgewicht ist. Das Volumen der zweiten Kammer 2 kann durch geeignete Mittel, beispielsweise mittels eines Hubkolbens 4, der in der Kammer 2 gasdicht angebracht ist, vergrößert werden, um Flüssigkeit aufzunehmen. Die erste Kammer 1 kann so geschaffen sein, um mit der Flüssigkeit 5 in Verbindung zu stehen. Als Folge der durch die Bewegung des Kolbens hervorgerufenen Druckdifferenz fließt Flüssigkeit in die Kammer 1, bis das Druckgleichgewicht im wesentlichen hergestellt ist. Das in der Kammer 1 aufgenommene exakte Flüssigkeitsvolumen wird daraufhin in eine oder mehrere Schalen abgegeben. In dem System bewegt sich somit eine Gasmenge von einer Kammer zur anderen, deren Menge dem aufzuziehenden Flüssigkeitsvolumen entspricht, deren Volumen sich jedoch während des Aufziehens der Flüssigkeit oder danach ändert, falls die Temperatur der Kammern nicht einheitlich ist. Wenn diese Änderung des Gasvolumens nicht berücksichtigt werden kann, ergibt sich ein Abgabefehler.
Fig. 2 zeigt eine Pipette, die einen Zylinderraum, der den Luftraum 9 der Pipette bildet, wobei der Zylinderraum eine Gasverbindung mit der Pipettenspitze 8 hat, einen Hubkolben 4 im Zylinderraum sowie nicht weiter dargestellte Betriebseinrichtungen für den Kolben aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Pipette Fühler 6 und 7 zum Messen der Temperatur auf. Eine geeignete Einrichtung zum Messen der Temperatur ist zum Beispiel ein NTC-Widerstand (Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten), der als Temperaturfühler dient. Solche Widerstände sind bekannt und im Handel erhältlich. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Temperatur des Gases von den Fühlern 6 und 7 in der Spitze 8 und im Luftraum 9 vor Aufnahme der Flüssigkeitsprobe gemessen und die gemessene Temperaturdifferenz wird verwendet, um einen Korrekturbefehl an die Betriebseinrichtungen zu schicken, um den Kolben gemäß der vorstehend hergeleiteten Formel zu bewegen.
In Fig. 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform zum Anbringen eines Fühlers an der Abgabevorrichtung, zum Beispiel an einem Pipettenkörper, gezeigt. In Fig. 3 ist in einem vergrößerten Maßstab eine auswechselbare Spitze 8 offenbart, in welche der untere Teil des Pipettenkörpers mit seinem Gaskanal 3 hineinragt, der sich in den Luftraum 9 der Pipette erstreckt. Der Fühler 6 ist an einer griffähnlichen Vorrichtung 10 befestigt, die zum Körper hin offen ist, und ist zwischen den Beinen des Griffs angebracht, wobei sich der Fühler 6 in den Luftraum der Spitze erstreckt. Außer als Befestigungseinrichtung dient die griffähnliche Vorrichtung 10 auch als Einrichtung zum Schutz des Fühlers. Es ist offensichtlich, daß auch der Fühler 7 in dem Luftraum auf eine Weise konstruiert sein kann, die der gezeigten Ausführungsform entspricht. Die Vorrichtung 10 muß so bemessen sein, daß weder sie noch der Fühler 6 in Kontakt mit der abzugebenden Flüssigkeit gebracht wird.

Claims

1. Verfähren zum Korrigieren eines temperaturabhängigen Abgabefehlers, der während der Abgabe einer Flüssigkeit auftritt, wobei die Abgabe mittels zweier Kammern erfolgt, die über einen Gaskanal miteinander verbunden sind, wobei die erste Kammer zusätzlich zum Gaskanal mit der abzugebenden Flüssigkeit in Verbindung steht, und die zweite Kammer mit Ausnahme des Gaskanals gasdicht ist, wobei es eine Differenz der Gastemperaturen in der ersten und zweiten Kammer gibt, wobei zur Aufnahme von Flüssigkeit in die Abgabevorrichtung das Volumen der zweiten Kammer vergrößert wird, wodurch Gas von der ersten Kammer her einströmt und in der Folge abzugebende Flüssigkeit in die erste Kammer fließt, bis ein Druckgleichgewicht zwischen den Kammern erreicht worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Temperatur des von der ersten Kammer in die zweite Kammer strömenden Gases gemessen wird und die in der zweiten Kammer hervorgerufene Volumenänderung zur Aufnahme der Flüssigkeit auf der Basis der gemessenen Temperaturänderung korrigiert wird, so daß die gewünschte Flüssigkeitsmenge in der ersten Kammer aufgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innentemperatur beider Kammern vor Aufnahme der Flüssigkeitsprobe mittels Fühler gemessen wird, die getrennt in jeder Kammer angebracht sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Änderung der Gastemperatur ein in der zweiten Kammer angeordneter Fühler verwendet wird, der vor Aufnahme der Flüssigkeitsprobe die Innentemperatur der Kammer mißt und während der Aufnahme der Flüssigkeitsprobe die Temperatur des Gases mißt, das von der ersten Kammer zur zweiten strömt.

4. Flüssigkeitsabgabevorrichtung mit zwei Kammern (1, 2), die über einen Gaskanal miteinander verbunden sind, wobei die erste Kammer (1) zusätzlich zum Gaskanal (3) mit der abzugebenden Flüssigkeit (5) in Verbindung steht, und die zweite Kammer (2) mit Ausnahme des Gaskanals gasdicht ist und Einrichtungen (4) zum Regulieren ihres Volumens enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (6, 7) zum Messen der Änderung der Temperatur des von einer Kammer zur anderen strömenden Gases und Einrichtungen zum Zuführen eines entsprechenden Korrekturbefehls zur Volumenregulierungseinrichtung (4) in der zweiten Kammer (2) vorgesehen sind.

5. Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kammern (1, 2) einen Temperaturfühler (6, 7) aufweisen.

6. Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur die zweite Kammer (2) einen Temperaturfühler (7) aufweist.

7. Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler NTC-Fühler sind.

8. Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Regulieren des Volumens in der zweiten Kammer ein in der Kammer gasdicht angebrachter Kolben ist.

9. Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer eine Pipettenspitze (8) ist.

10. Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste Kammer aus einer vorzugsweise abnehmbaren Pipettenspitze (8) besteht und die zweite Kammer aus einem in einem Pipettenkörper gebildeten Luftraum (9) besteht, der mittels eines durch den Körper verlaufenden Kanals (3) mit der Pipettenspitze in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler über eine Befestigungsvorrichtung (10) in unmittelbarer Nähe zum Gaskanal zwischen der Spitze und dem Luftraum am Körper befestigt ist.

11. Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung (10) griff-ähnlich ist und der Fühler zwischen den Schenkeln des Griffs angebracht ist, wobei die Enden der Schenkel am Körper der Vorrichtung befestigt sind.