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Die
Erfindung betrifft eine Einweg-Multiwell-Filtereinrichtung zur Verwendung
bei biologischen und biochemischen Versuchen, die mit vorhandener
Ausrüstung
verwendet werden kann und mit dieser kompatibel ist.
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In
pharmazeutischen und biologischen Forschungslaboratorien haben Platten
mit einer Vielzahl von Wells traditionelle Probier- bzw. Reagenzröhrchen für Versuch
und Analyse ersetzt. Viele Jahre lang wurden Multiwellplatten für Laboratorien
in Anordnungen von 1 Well bis 384 Wells und mehr hergestellt. Die
Wells von Multiwellplatten werden bezeichnenderweise als Reaktionsgefäße verwendet,
in denen verschiedene Versuche durchgeführt werden. Die Arten der analytischen
und diagnostischen Versuche sind zahlreich. Die typischen Anwendungsbereiche
schließen
unter anderem Zellkulturen, Arzneimittelentdeckung und -forschung,
Immunologie und Molekularbiologie ein. Nach dem gegenwärtigen industriellen
Standard werden Multiwellplatten mit 96 Wells in einer 8 × 12 Matrix
ausgelegt (wechselseitig senkrecht zueinander 8 und 12 Wellreihen).
Zusätzlich
sind die Höhe,
die Länge
und die Breite der Wellplatten mit 96 Wells standardisiert. Diese
Standardisierung hat zur Entwicklung einer großen Menge von Hilfsausrüstung geführt, die
spezifisch für
Formate mit 96 Wells entwickelt ist.
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Viele
Versuche oder Tests benötigen
ein Gemisch von partikelförmigem
oder Zellmaterial in einem flüssigen
Medium. Das Gemisch wird dann einer Verbindung mit Reagenzien, Trennungs-
und Waschschritten unterworfen. Das Endprodukt einer solchen Analyse
ist oft ein Rest von Feststoff, der für eine weitere Analyse extrahiert
werden kann.
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Die
Trennung von Feststoffen von einem flüssigen Medium wird häufig durch
Filtrieren durchgeführt.
Die Trennung wird in oder auf dem Filterwerkstoff durchgeführt, indem
die Flüssigkeit
durch ihn hindurchgeleitet wird. Die Flüssigkeit kann entweder durch
einen Druckunterschied oder Zentrifugalkraft durch die Membrane
getrieben werden. Filterplatten, die an ein standardisiertes Format
mit 96 Wells angepasst sind, sind bekannt, wie in den US-Patentschriften Nr.
4,427,415 und 5,047,215 offenbart ist. Ein bedeutsames Problem,
das sich bei Filterplatten herausgestellt hat, die an eine Verwendung
mit einer Wellplatte mit 96 Wells angepasst sind, besteht darin,
dass zwischen den Wells eine Querkontamination auftreten kann. Wenn
ein einheitliches Filterblatt zwischen zwei Kunststoffteile eingelegt
ist, die in einem Format mit 96 Wells geformt sind, kann nach dem
Befeuchten des Filterwerkstoffs Flüssigkeit von einem Well durch
das Papier wie durch einen Docht zu benachbarten Wells gelangen, wodurch
die in diesem Well enthaltene Probe kontaminiert wird. Eine Lösung für dieses
Problem wird in den US-Patentschriften Nr. 4,948,442 und 5,047,215 angeboten.
In diesen Patentschriften ist eine Filterplatte für 96 Wells
offenbart, die ein zwischen zwei Kunststoffplatten angeordnetes
Filterblatt umfasst. Eine der Platten weist eine Reihe von rückgratartigen Erhebungen
auf, welche das Filterblatt schneiden, wenn die Platten mit Ultraschall
zusammengeschweißt
werden. Durch Schneiden des Filterblattes rund um jeden Well wird
die Möglichkeit
einer Dochtwirkung zwischen benachbarten Wells wirksam beseitigt.
Ein Problem bei dieser Konstruktion besteht darin, dass sie das
Produktangebot auf Membranen beschränkt, die durch dieses Verfahren
geschnitten werden können
und auf Plattenwerkstoffe, die ultraschallschweißbar sind. Tatsächlich besteht
die Möglichkeit
der Dochtbildung und Querkontamination dennoch, wenn der Filterwerkstoff
beim Schweißvorgang
nicht vollständig
durchtrennt wird.
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Die
US-Patentschrift Nr. 4,427,415 offenbart eine Filterplatte mit einer
einteiligen Konstruktion, die Wells mit Ablauflöchern im Boden aufweist und
zur Aufnahme von Filterscheiben in den Wells geeignet ist. Dochtbildung
ist bei dieser Platte offensichtlich kein Problem, weil einzelne
Filterscheiben verwendet werden im Gegensatz zu einem einheitlichen
Blatt aus Filterpapier. Die in dieser Platte verwendeten Filterscheiben
werden in jeden Well einzeln eingelegt und sind am Boden des Wells
nicht befestigt. Eine Gefahr besteht bei dieser unten nicht befestigten
Filterscheibe darin, dass etwas Flüssigkeit aus dem Well am Filter
vorbei und darunter gelangen könnte und
dadurch der Filtration entgeht, was zur Kontamination des Filtrates
führt.
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Das
EP-A-0 359249 betrifft eine wegwerfbare Rohrplatte zur Verwendung
in Verbindung mit einer herkömmlichen
Mikrotiterplatte mit 96 Wells. Die Rohrplatte weist 96 Wells auf,
die darin ausgebildet und am Boden durch eine Platte oder Platten
mit einer Einrichtung zum Herausziehen von Filtrat mittels Vakuum
verschlossen sind. Jede Rohrplatte weist ein unabhängiges Vakuumleitungssystem
auf. Von der unteren Fläche
jeder Wellbodenplatte hängt
eine Vielzahl von Randelementen nach unten, wobei jedes Randelement
mit einem der Wells der Rohrplatte axial fluchtet und darin ein
Filtratentleerungsdurchlass ausgebildet ist. Die Randelemente weisen
eine solche Länge
auf, dass sie in Sammelwells einer herkömmlichen Multiwellplatte bis
zu einer Stelle ca. 1–2 mm
unterhalb der Lippe oder oberen Fläche der Sam melplatte hineinreichen,
damit die getrennte Sammlung von Filtrat von jedem der verschiedenen Wells
der Rohrplatte ermöglicht
ist. Das Randelement dient auch als Führung zur Aufnahme eines Lochstempels.
Bei vollendeter Filtration kann die Rohrplatte umgedreht werden
und durch Verwendung des Lochstempels wird ein kreisförmiger Abschnitt
des Filtermediums aus jedem Well zusammen mit einem aus dem Boden
der Wellbodenplatte geschnittenen kreisförmigen Stanzstück entfernt.
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Die
US-Patentschrift Nr. 5,516,490 betrifft eine Multiwellplatte, bei
der eine Querkontamination von Proben durch die Verwendung einer
elastischen Dichtung verhindert wird, die einen überwiegenden Teil der Oberseite
der Platte bedeckt und durch eine Abdeckplatte zusammengepresst
wird.
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Durch
die Erfindung werden verschiedene Probleme von Filterplattenkonstruktionen
des Standes der Technik gelöst,
indem eine Multiwell-Filterplatte geschaffen wird, bei der 1) Filter
ohne Verwendung von Leim oder potentiell kontaminierenden chemischen
Klebstoffen sicher an der Platte befestigt sind, 2) eine ausgedehnte
Vielfalt von Filterwerkstoffen verwendet werden kann, 3) eine große Anzahl thermoplastischer
Bauteile in ihrer Konstruktion verwendet werden kann und 4) keine
Querkontamination durch Dochtwirkung von Flüssigkeit zwischen benachbarten
Wells auftritt. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung
bietet auch einen konischen Stutzen an, der dafür ausgelegt ist, dass austretende
Flüssigkeit
Tröpfchen
erzeugt anstatt einer seitlichen Strömung entlang dem Boden der
Platte. Ferner umgibt ein Ring oder Rand die Unterseite jedes Filterwells.
Der Rand passt in einen entsprechenden Well einer Auffangplatte
und ist dafür
konstruiert, Querkontamination zu verhindern, die andernfalls durch
Verspritzen von Filtrat auftreten kann.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine wegwerfbare Filtereinrichtung
für chemische
und biologische Versuche zu schaffen, in der eine große Anzahl
von Proben gleichzeitig untersucht werden können. Weitere Aufgaben der
Erfindung sind: Schaffung einer Filterplatte, die mit vorhandenen
Gruppenplatten mit 96 Wells, wie sie von der Industrie standardisiert
sind, kompatibel ist; Schaffung einer Filterplatte, die durch automatisierte Roboterversuchsausrüstung handhabbar
ist; Schaffung einer Filterplatte mit einzelnen Wells, die am Boden
einen Tragrost aufweisen, um zu helfen, das Filterelement zu tragen,
ein Reißen
zu verhindern und eine gleichmäßige Verteilung
des gefilterten Materials auf dem Filter zu ermöglichen; Schaffung einer Filterplatte,
bei der Flüssigkeit
von einem Well nicht mit Flüssig keit
von einem benachbarten Well vermischt werden kann (die Filterplatte
mit der vorliegenden Konstruktion verhindert ein Seitwärtsfließen oder
eine Querkoppelung der Flüssigkeit
durch die Membrane zu bzw. mit anderen Wells); Verhinderung einer
Querkontamination von Filtrat nach dem Durchgang durch das Filter
und dem Durchgang zu einer Auffangplatte; Schaffung einer Filterplatte
mit einer zweiteiligen Konstruktion, in der jedes einzelne Wellfilter
sicher zwischen gegeneinander gesetzten Platten befestigt ist, die
gegeneinander einsatzgeformt sind, und Schaffung eines einzigartigen
Verfahrens für
das Herstellen von Filterplatten.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
wird durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
einer Filterplatte geschaffen, das folgende Schritte umfasst:
- a) Formen eines Einsatzes mit einer Matrix
untereinander verbundener Vertiefungen, wobei jede Vertiefung eine
Bodenwand, einen sich von der Bodenwand aufwärts erstreckenden äußeren Rand
mit einem vorbestimmten Durchmesser und eine durchgehende Öffnung aufweist;
- b) Anordnen einer Filterscheibe so in jeder der Vertiefungen,
dass die Filterscheibe auf der oberen Fläche der Bodenwand aufliegt,
- c) Formen einer Wellplatte gegen den Einsatz, wobei die Wellplatte
eine obere Wand und eine Bodenwand mit einer Matrix von Wells mit
einem vorbestimmten Durchmesser aufweist, welche sich durch die
Platte erstrecken, wobei jeder Well offene Enden jeweils an der
oberen Wand und der Bodenwand aufweist, wobei jeder Well eine untere
Wand aufweist, und wobei die Matrix der Vertiefungen der Matrix
der Wells so entspricht, dass jede der unteren Wände mit einer entsprechenden
Vertiefung fluchtet, wobei ein Außendurchmesser jeder der unteren
Wände kleiner
als der Innendurchmesser des äußeren Randes
jeder der entsprechenden Vertiefungen ist, wodurch die untere Wand
innerhalb des Randes der entsprechenden Vertiefung sitzt und dadurch
eine überlappende
Verbindung zwischen jeder der Vertiefungen und der unteren Wand
gebildet ist, und wodurch die untere Wand die Filterscheibe gegen die
Bodenwand der Vertiefung presst und dadurch die Filterscheibe an
ihrem Platz sichert.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel wird
durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer
Multiwellplatte geschaffen, das folgende Schritte umfasst:
- a) Formen eines Einsatzes mit einer Matrix
untereinander verbundener Ringe, wobei jeder Ring eine im Wesentlichen
ebene Stützfläche und
einen äußeren Rand
mit einem vorbestimmten Durchmesser aufweist;
- b) Ausstanzen einzelner Scheiben aus einer Platte und Drücken dieser
Scheiben so in Kontakt mit der Stützfläche eines entsprechenden Ringes, dass
die Scheibe im Wesentlichen die gesamte Öffnung des Ringes bedeckt;
- c) Formen einer Wellplatte gegen den Einsatz, wobei die Wellplatte
eine obere Wand und eine Bodenwand mit einer Matrix von Wells mit
vorbestimmtem Durchmesser aufweist, welche sich durch die Platte
erstrecken, wobei jeder Well offene Enden jeweils an der oberen
Wand und der Bodenwand aufweist, wobei die Matrix der Ringe so der
Matrix der Wells entspricht, dass jeder Well mit einem entsprechenden
Ring fluchtet, wobei der Well innerhalb des Randes des entsprechenden
Ringes sitzt und dadurch eine überlappende Verbindung
zwischen jeweils einem der Ringe und der Wells gebildet ist, und
wodurch der Well die Scheibe gegen die Stützfläche des Ringes presst und dadurch
die Scheibe an ihrem Platz sichert.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel wird
durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer
Multiwellplatte geschaffen, das folgende Schritte umfasst:
- a) Beschaffen einer geformten Einsatzplatte
aus untereinander verbundenen Ringen, wobei jeder Ring einen vorbestimmten
Durchmesser, einen im Wesentlichen ebenen Abschnitt und einen sich von
dem ebenen Abschnitt aufwärts
erstreckenden ringförmigen
Rand aufweist;
- b) Anordnen einer Stanzform auf der Einsatzplatte, wobei die
Stanzform eine Matrix von Bohrungen aufweist, die Bohrungen jeweils
den Durchmesser eines Ringes haben, und so angeordnet sind, dass
jede Bohrung stellungsgemäß mit einem
Ring der Einsatzplatte aus Ringen fluchtet;
- c) Bedecken der Stanzform mit einer Schicht eines Werkstoffs;
- d) Anordnen einer Matrix von Stempeleinheiten oberhalb des Werkstoffs,
wobei jede Einheit stellungsgemäß mit einer
entsprechenden Bohrung der Stanzform ausgerichtet ist, wobei jede
Einheit einen verschiebbar innerhalb eines zylindrischen Lochstempels
angeordneten Ausstoßkolben
aufweist, wobei jeder Lochstempel eine sich über den Ausstoßkolben
hinaus erstreckende kreisringförmige
untere Schneidkante aufweist, und wobei jede dieser Einheiten einen
Außendurchmesser
aufweist, der so mit dem Durchmesser der entsprechen den Bohrung
im Wesentlichen identisch ist, dass jede dieser Einheiten sicher
in die entsprechende Bohrung einpassbar ist;
- e) Niederdrücken
der Matrix von Stempeleinheiten durch den Werkstoff, wodurch eine
Scheibe aus dem Werkstoff an jeder dieser Schneidkanten und so geschnitten
wird, dass eine untere Fläche des
Ausstoßkolbens
diese Scheibe berührt,
wobei sich die Matrix von Stempeleinheiten in jede dieser Bohrungen
so erstreckt, dass jede dieser Stempeleinheiten zumindest teilweise
innerhalb einer entsprechenden Bohrung aufgenommen ist;
- f) Ausfahren jedes der Ausstoßkolben und der zugehörigen Scheibe
bis zur Berührung
mit jedem ebenen Abschnitt des Ringes der Einsatzplatte, während jeder
Lochstempel innerhalb der Bohrung eingeschlossen bleibt;
- g) Ablegen jeder Scheibe auf dem ebenen Abschnitt eines jeden
entsprechenden Ringes;
- h) Herausziehen jeder der Stempeleinheiten aus jeder der Bohrungen;
und
- i) Formen einer Wellplatte mit einer Matrix offenendiger, in
Größe und Lage
den Ringen entsprechender Wells so gegen die Einsatzplatte, dass jeder
Well sicher innerhalb des ringförmigen
Randes jedes entsprechenden Ringes sitzt, wobei ein Außendurchmesser
jedes dieser Wells kleiner als der Innendurchmesser des ringförmigen Randes des
entsprechenden Ringes ist und dadurch eine überlappende Verbindung zwischen
jedem Well und jedem Rand gebildet ist.
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Mit
wenigen Worten: die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren
zum Herstellen einer Filterplatte. Die Filterplatte weist eine zweiteilige
Konstruktion auf. Sie umfasst eine Wellplatte vorzugsweise mit 96
Wells, wobei jeder Well an beiden Enden offen ist, wobei sie gegen
einen Harvesterplate- bzw. Sammelplatteneinsatz geformt ist, der
vorzugsweise 96 Vertiefungen aufweist, von denen jede eine Filterscheibe
enthält,
wobei jede Vertiefung mit einem entsprechenden und einschlägigen Well
der Wellplatte fluchtet, und wobei der Durchmesser der Vertiefung größer als
der Durchmesser des Wells ist, so dass der Well am äußeren Rand
der Vertiefung haftet, wodurch eine überlappende Verbindung erzeugt
ist. Die überlappende
Verbindung dient auch dem Zweck, die Filterscheibe sicher am Einsatz
zu befestigen, ohne dass Leim oder chemische Klebstoffe erforderlich sind.
Während
des Spritzgießprozesses
stellen extrem hohe Drücke
in der Form sicher, dass die Ränder
der Filterscheibe gegen den Einsatz gepresst werden.
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Das
zusammengesetzte Filterplattenerzeugnis weist eine Vielzahl untereinander
verbundener Wells mit gleichförmigem
Durchmesser auf. Jeder Well wird durch eine kreisförmige Seitenwand
begrenzt. Jede der Seitenwände
ist mit der Seitenwand von mindestens zwei benachbarten Wells verbunden.
Jeder der Wells ist an einem Ende offen. Ferner weist die Platte
am Boden jedes der Wells eine Bodenwand auf, die mit der Seitenwand
verbunden ist, wobei jede der Bodenwände eine darin befindliche Öffnung aufweist.
Ein konischer Ablaufstutzen, der eine Außenfläche und einen inneren Durchlass
aufweist, steht mit der Öffnung
in der Bodenwand in Verbindung und erstreckt sich von einer Stelle
radial innerhalb der Seitenwand nach unten. Schließlich ist eine
Filterscheibe auf der Oberseite der Bodenwände der Wells angeordnet. Die
Ränder
jeder Filterscheibe sind zwischen einem unteren Abschnitt der Seitenwand
jedes Wells und einem Abschnitt der Oberseite der Bodenwand jedes
Wells eingeklemmt. Die Bodenwände
weisen eine darin befindliche Öffnung
auf. Die Öffnung
nimmt vorzugsweise die Form eines trichterförmigen Stutzens an. Vorzugsweise
erstreckt sich ein Tragrost über
die Öffnung,
um eine Abstützung
für die
Filterscheibe zu schaffen.
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Das
Verfahren zum Herstellen der Platte umfasst verschiedene Schritte,
nämlich:
Formen eines Einsatzes mit einer Vielzahl von Vertiefungen, Ausstanzen
von Filterscheiben in bzw. auf die Bodenfläche der Vertiefung, und Einsatzformen
einer Wellplatte gegen den Einsatz und die Filterscheiben, so dass die
Wells der Wellplatte mit entsprechenden Vertiefungen des Einsatzes
fluchten und dadurch eine überlappende
Verbindung gebildet ist, welche die Filterscheibe wirksam an ihrem
Platz festhält.
Das Verfahren kann auf die Anwendung beim Herstellen von Multiwellplatten
ausgedehnt werden, die kein Filter aufweisen, aber einen Wellboden
aus einem anderen Werkstoff als die Seitenwände benötigen.
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Es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht eines erfindungsgemäßen Einsatzes,
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2 eine
Seitenansicht des erfindungsgemäßen Einsatzes,
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3 einen
Teilquerschnitt des Einsatzes der 1, geschnitten
entlang der Linie 3-3
in 1,
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4 eine
dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Einsatzes,
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5 eine
vergrößerte Ansicht
der Ecke des Einsatzes der 4,
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6A–6C Querschnittsdarstellungen eines
dreistufigen Verfahrens zum Ausstanzen von Filterscheiben aus einem
normierten Blatt Filterpapier und Einfügen der Scheiben in den Einsatz,
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7A–7D quergeschnittene
dreidimensionale Ansichten des erfindungsgemäßen Formungsverfahrens, wodurch
eine Wellplatte gegen einen Einsatz geformt wird,
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8A–8D quergeschnittene
zweidimensionale Ansichten des in 7 dargestellten Formungsverfahrens,
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9 eine
erfindungsgemäße Multiwellfilterplatte,
bei der ein Eckenabschnitt herausgezogen ist,
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10 eine
Vergrößerung der
Ecke der Multiwellfilterplatte der 9, die einen
Querschnitt zweier benachbarter Wells darstellt,
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11 eine
erfindungsgemäße Multiwellplatte,
bei der ein Eckenabschnitt herausgezogen ist, und
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12 eine
Vergrößerung der
Ecke der Multiwellplatte der 11, die
einen Querschnitt zweier benachbarter Wells darstellt.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer Einsatz 10 dargestellt.
Der Begriff Einsatz ist als Harvesterplate bzw. Sammelplatte definiert,
die befähigt
ist, Filterelemente zu halten. Der Einsatz 10 ist aus vorzugsweise
hydrophobem thermoplastischem Werkstoff geformt und weist in seinem
Inneren vorzugsweise 96 selbständige
und gesonderte Vertiefungen 12 auf. Im Idealfall stimmen
die Abstände
des Mittelpunktes jeder Vertiefung 12 mit den Abständen zwischen
den Mittelpunkten von Wells der industriell standardisierten Gruppenplatte
mit 96 Wells überein. Jede
Vertiefung 12 weist an ihrem äußeren Umfang eine ringförmige Lippe
oder einen ringförmigen
Rand 14 auf. Die einzelnen Vertiefungen 12 sind
durch Anfügen
der Umfänge
benachbarter Vertiefungen zusammengefügt. Innerhalb des Umfanges
des Randes 14 weist jede Vertiefung eine im Wesentlichen ebene
Bodenwand 16, die zur Lagerung einer Filter scheibe fähig ist,
und einen abgesenkten Mittelbereich auf, der einen konischen Ablauftrichter
als inneren Durchlass 25 bildet. Ferner weist jede Vertiefung vorzugsweise
einen den Ablauftrichter teilweise überdeckenden Tragrost 18 auf,
der dafür
vorgesehen ist, Filtermaterial, das auf die ebene Bodenwand 16 einer
Vertiefung aufgelegt ist, während
der Filtrierung vor dem Reißen
zu bewahren, wobei der für
den Strömungsmittelfluss
offene Filterbereich maximiert wird.
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2 zeigt
eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Einsatzes. Jede Vertiefung
weist ein trichterförmiges
durchgehendes Ablaufloch auf. Vorzugsweise ist unterhalb des ebenen
Flächenbereiches
der Vertiefung ein ringförmiger
Rand 20 ausgebildet. Der ringförmige Rand dient zwei Funktionen. Erstens
dient der ringförmige
Rand 20 als Führungssystem,
wenn die Filterplatte mit einer 96 Wells enthaltenden Auffangplatte
ausgerichtet wird. Der Rand 20 passt in einen entsprechenden
Well in der Wellplatte mit 96 Wells, in die Filtrat übertragen
werden soll. Wenn sie einmal mit der Auffangplatte in Eingriff steht,
wird jede seitliche Bewegung der Filterplatte durch die Vielzahl
von Rändern
unterdrückt,
die in den entsprechenden Wells der Auffangplatte sitzen. Zweitens
dient der Rand 20 dazu, jede Kontamination zwischen Wells
einer Auffangplatte zu minimieren, indem er vor Aerosolen oder Spritzern
flüssigen
Filtrates schützt,
wenn es in die Auffangplatte übertritt.
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3 zeigt
einen Querschnitt einer Vertiefung 12 eines erfindungsgemäßen Einsatzes.
Die Vertiefung weist eine im Wesentlichen flache Bodenwand 16 zum
Lagern einer Filterscheibe, einen ringförmigen Rand 14 rund
um den Umfang, einen Tragrost 18, einen ringförmigen Rand 20 und
einen als Ablauf dienenden konischen Stutzen mit einem Ablaufloch 22 auf,
der sich von der Bodenwand 16 nach unten erstreckt, wobei
er vorzugsweise an einer Stelle oberhalb des Endpunktes des Randes
endet. Der Stutzen weist eine äußere Fläche 24 und
den inneren Durchlass 25 auf, der mit der Bodenwand 16 der
Vertiefung 12 in Verbindung steht. Der innere Durchlass 25 ist
vorzugsweise trichterförmig
ausgebildet. Die Öffnung
oder das Ablaufloch 22 des Stutzens, wo sich der innere
Durchlass 25 und die äußere Fläche 24 des
Stutzens treffen, ist relativ zum Durchmesser der Bodenfläche der
Vertiefung vorzugsweise ziemlich klein. Der kleine Durchmesser und
die Oberflächenenergie
des Materials beabsichtigen, den Inhalt eines Filterwells vom Fließen abzuhalten,
bis eine deutliche Triebkraft aufgebracht wird. Die konische äußere Fläche 24 des
Stutzens ist so konstruiert, dass ihre Oberfläche den inneren Durchlass 25 schneidet,
um eine scharfe Kante zu bilden. Der Zweck der scharfen Kante besteht
darin, das ablaufende Strömungsmittel
zu Bildung eines Tröpfchens zu veranlassen
anstatt einen seitlichen Fluss zu irgendeinem benachbarten Well
zu erlauben, durch den eine Querkontamination des Filtrates entlang
der unteren Fläche
des Einsatzabschnittes der Filterplatte verursacht wird. Zusätzlich verursacht
die Kante die Bildung kleinerer Tröpfchen an der Öffnung als sie
anderenfalls ohne eine Kante gebildet würden. Im Idealfall wird eine
abgeschrägte
Kante am unteren Ende des Randes vorgesehen (nicht dargestellt).
Der Zweck dieser Abschrägung
ist es, die Filterplatte in die korrekte Stellung über der
Auffangplatte zu führen.
Diese Konstruktion ist beabsichtigt, um die Platte für ein Roboteranordnungssystem
leicht handhabbar zu gestalten.
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Die 4 und 5 zeigen
den Einsatz 10 von oben und in einer dreidimensionalen
Ansicht. Der Einsatz 10 enthält eine Matrix von Vertiefungen 12, die
auf der standardmäßig mit
96 Wells versehenen Standardplatte basiert. Jede Vertiefung 12 weist
um ihren Umfang herum einen ringförmigen Rand 14 auf. Ein
System von Tragrosten 18 schafft eine Lagerung über jedem
Ablaufloch. Ein Tragrost besteht aus einer Reihe von geformten Streben 15,
die sich über die Öffnung in
der Bodenwand 16 der Vertiefung 12 erstrecken.
Die Streben 15 erstrecken sich über den inneren Durchlass 25 des
Stutzens, sind an den Wänden
des inneren Durchlasses befestigt und ragen bis zu einer Ebene,
normal der oberen Fläche der
Bodenwand der Vertiefung nach oben. Der Tragrost erzeugt über die
gesamte Bodenwand der Vertiefung eine im Wesentlichen flache Oberfläche. Die Bodenwand
kann daher eine Lagerung für
eine Filterscheibe bieten und jedes Reißen der Scheibe verhindern,
während
sie dennoch ermöglicht,
dass das Filtrat in den trichterförmigen Durchlass gezogen wird. Das
System von Tragrosten ermöglicht
ferner, dass Flüssigkeit
von einer größeren Fläche durch
die Filterscheibe geseiht wird als bei Einrichtungen nach dem Stand
der Technik. Dies erzeugt eine gleichmäßigere Verteilung gefilterten
Materials auf der Scheibe und ermöglicht einen gleichmäßigeren
Fluss von Flüssigkeit
durch die Platte.
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Die 6A–6C zeigen
den Arbeitsvorgang des Ausstanzens und Einfügens einer Filterscheibe in
eine Vertiefung des Einsatzes. Ein geformter Einsatz 10 wird
in einer Stanzmaschine mit vorzugsweise 96 Lochstempeln 26 angeordnet,
die so bemessen sind, dass sie Membranen ausschneiden, die in die
entsprechenden 96 Vertiefungen 12 des Einsatzes passen.
Ein Filterblatt 28 aus dem gewünschten Werkstoff ist zwischen
dem Einsatz 10 und dem Lochstempel 26 angeordnet.
Eine Reihe von fluchtenden Bohrungen 30 in einer Stanzform bzw.
Matrize des Stanzwerkzeugs wird zwischen dem Filterblatt 28 und
jeder Vertiefung 12 des Einsatzes angeordnet. Das Einfügen der
Filterscheibe findet vorzugsweise in einem zweistufigen Arbeitsgang statt,
zuerst erfolgt ein Ausstanzen, dann ein Einfügen.
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Zur
Klarheit: 6A zeigt nur eine einzelne Vertiefung 12.
Eine vorzugsweise in gehärtetem Stahl
ausgebildete Bohrung 30, ist zwischen der Vertiefung 12 und
einem Filterblatt 28 angeordnet. Oberhalb des Filterblattes 28 ist
ein zylindrischer Ausstoßkolben 32 angeordnet.
Der Ausstoßkolben 32 weist eine
Bodenwand auf und ist von einem zylindrischen Lochstempel 26 umgeben.
Der Ausstoßkolben 32 ist verschiebbar
innerhalb des Lochstempels 26 eingebaut. Der Lochstempel 26 endet
an seiner Basis in einer kreisringförmigen Schneidkante 34.
Der Lochstempel und der Ausstoßkolben
bilden eine Stanzeinheit und sind von einer Buchse 36 umgeben.
Der Außendurchmesser
des Lochstempels 26 ist ungefähr der gleiche wie der Innendurchmesser
der Bohrung 30, so dass der Ausstoßkolben und die Bohrung einen
engen Gleitsitz bilden. Der Durchmesser der Bohrung 30 ist
ungefähr
identisch mit dem Durchmesser der Vertiefung 12. 6B zeigt
den Ausstoßkolben 32,
wie er nach unten in die Bohrung 30 gedrückt ist.
Die Schneidkante 34 des Lochstempels hat das Filterblatt 28 durchtrennt,
so dass eine Filterscheibe 38 ausgeschnitten und in die
Bohrung 30 geschoben ist. In 6C ist
das Ausfahren des Lochstempels 26 in die Bohrung 30 beendet,
während
der Ausstoßkolben 32 das
Schieben der Filterscheibe 38 nach unten in die Vertiefung 12 und
gegen deren Bodenwand 16 fortgesetzt hat. Der Ausstoßkolben 32 und
der Lochstempel 26 werden dann zurückgezogen und lassen einen
Einsatz 10 zurück,
bei dem eine Filterscheibe 38 bündig mit der Bodenwand 16 der
Vertiefung 12 angeordnet ist. Wie schon angedeutet, ist
natürlich
klar, dass die beschriebene Reihenfolge gleichzeitig bei einer Mehrzahl
von Wells, z.B. 96 Wells durchgeführt wird. Die Vertiefung 12, wie
sie in den 6A–6C dargestellt
ist, ist nur eine von einer Matrix von Vertiefungen, die einen Einsatz 10 bilden.
Ferner ist die Bohrung 30 nur eine Bohrung einer Stanzform
mit einer Matrix von Bohrungen, die stellungsgemäß mit dem Einsatz fluchten.
In gleicher Weise ist die Stanzeinheit, die einen von einem Lochstempel 26 umgebenen
Ausstoßkolben 32 umfasst,
eine von einer Matrix von Stanzeinheiten, die stellungsgemäß mit einzelnen
Bohrungen der Stanzform und einzelnen Vertiefungen des Einsatzes
ausgerichtet sind. Vorzugsweise umgibt die Buchse 36, die
eine Buchse eines Präzisionsträgers oder
einer Führungsplatte
ist, als Schutzmaßnahme jede
Stanzeinheit.
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Die 7A–7D und 8A–8D stellen
die Einsatzformtechnik dar, die angewendet werden kann, um die erfindungsgemäße Filterplatte zu
erhalten. Die 7A–7D zeigen
die Formtechnik eines Filterwells, bzw. eines Abschnittes einer
Platte von vorzugsweise 96 un tereinander verbundenen Filterwells,
in dreidimensionaler Darstellung. Die 8A–8D zeigen
die gleichen Schritte in Querschnitten. Die Form, die diesen Einsatz
aufnimmt, hat eine Hohlraumgeometrie, welche eine standardisierte
Wellplatte mit 96 Wells gegen den Einsatz formt, wobei der Einsatz
den Boden der Platte bildet. Die Form der 7A weist
zwei Teile auf, eine obere Form 40 und eine untere Form 42.
Die untere Form 42 ist so ausgelegt, dass sie sowohl ein Nest 44 für den vorgeformten
Einsatz 10 bildet als auch äußere geformte Oberflächen des
fertigen Teils erzeugt. Die obere Form 40 weist einen Satz
von 96 Kernzapfen 46 auf, die sowohl dazu dienen, die Innenflächen der
Wells zu formen als auch jede der Filterscheiben 38 zu
schützen
und an ihrem Platz zu halten, während
der Werkstoff in die Form fließt.
Die Durchmesser der Kernzapfen 46 sind vorzugsweise kleiner
als die Durchmesser der Filterscheiben 38, so dass die äußeren Ränder der
Filterscheiben bei geschlossener Form dem Formhohlraum zugewandt sind
und so auch in die Form fließendem
Werkstoff ausgesetzt sind. Die 7B und 8B zeigen
die geschlossene Form, wobei die obere Form 40 und die
untere Form 42 zusammengepresst sind. Der Kernzapfen 46 drückt die
Filterscheibe 38 an ihren Platz. Werkstoff fließt durch
einen Anschnitt in die Form und fließt durch den Hohlraum, wodurch
die Wellplatte 48 geformt wird. Der Anschnitt ist an einer solchen
Stelle angeordnet, dass der Formfluss optimiert wird. Die geformte
Wellplatte ist vorzugsweise eine Platte mit 96 Wells, die sich durch
die Platte erstrecken, wobei jeder Well jeweils an seiner oberen Fläche und
seiner Bodenfläche
offene Enden aufweist. Die 7C und 8C zeigen
die Form nachdem der thermoplastische Werkstoff die Form gefüllt und
die Wellplatte 48 geformt hat. Die 7D und 8D zeigen
die fertige Ware nachdem sie aus der Form genommen wurde. Der Flansch 56 schließt natürlich an
die entsprechenden Flansche an benachbarten Wells an. Die Wellplatte 48 berührt die
Filterscheiben 38 rund um den gesamten Umfang jeder unteren
Wand 50 jedes Wells. Der äußere Rand 14 jeder
Vertiefung 12 und die unter Wand 50 jedes Wells
binden während
des Formprozesses wirklich zusammen ab und bilden entlang ihres
gesamten Umfanges überlappende
Verbindungen 52. Überall wo
der neue Werkstoff den Einsatz direkt berührt, werden die Werkstoffe
verklebt. Die Wellplatte 48 und der Einsatz 10 sind
bei jedem Well entlang der überlappenden
Verbindung 52 wirksam geklebt. Die Wellplatte 48 wird
so gegen den äußeren Rand
der Filterscheibe 38 geformt, dass sie gegen die Bodenwand 16 des
Einsatzes 10 sicher in die richtige Lage gebracht ist.
Abhängig
vom Membranenwerkstoff wird die Filterscheibe 38 in einigen
Fällen
an dem Werkstoff kleben, der die untere Wand 50 des Wells
bildet, wodurch die Membrane zusätzlich
an ihrem Platz gesichert ist.
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Die
beschriebene Einsatzformtechnik verleiht einen weiteren Vorteil
gegenüber
Presssitztechniken oder Techniken, die ein Zusammenschweißen zweier
Platten mittels Ultraschall erfordern. Thermoplastische Werkstoffe
haben eine Tendenz, nach einer Abkühlung ihre Form geringfügig zu ändern. Das Fluchten
zwischen zwei getrennt geformten Teilen kann durch diesen Abkühlungsprozess
gefährdet werden,
was zuweilen zu einem ungenauen Sitz zwischen Teilen führt. Weil
die Wellplatte gegen den Einsatz geformt wird, ist jedoch beim erfindungsgemäßen Verfahren
ein reproduzierbarer zuverlässiger Sitz
garantiert. Dadurch ist der Sitz zwischen Platten, wie er beschrieben
wurde, von Natur aus einem Sitz überlegen,
der durch Zusammenpassen zweier getrennt geformter Teile erzielt
wurde.
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Bezugnehmend
auf die 9 und 10 weist
die sich ergebende Filterplatte 60 eine Vielzahl von Wells 62 auf,
die in einer 8 × 12
Matrix angeordnet sind. Jeder einzelne Well ist vom andern getrennt und
jeder enthält
eine getrennte Filterscheibe 38. Es ist keine Dochtwirkung
oder Querkontamination zwischen Wells 62 in der Filterplatte 60 möglich, weil
die Filterscheiben 38 vor dem Formen und nicht als Teil des
Formens vom Filterblatt getrennt werden. Jeder einzelne Well ist
von benachbarten Wells abgeschlossen und durch die überlappende
und den Werkstoff verklebende Verbindung 52 zwischen der Wellplatte 48 und
dem Einsatz 10 ist keine Flüssigkeitswanderung möglich.
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Es
ist zu bemerken, dass das Verfahren zum Herstellen von Filterplatten
auch beim Herstellen von Filterstreifen mit 1 × N Wells oder einzelnen Filtern angewendet
werden kann. Ferner können
Filterplatten Wells in irgendeiner Anzahl aufweisen, zum Beispiel
384 Wells in einer 16 × 24
Matrix.
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Es
ist auch zu bemerken, dass das Verfahren zum Herstellen von Filterplatten
nicht auf Wells mit einem kreisförmigen
Querschnitt beschränkt
ist. Die Vertiefungen des Einsatzes und Wells der Wellplatte können oval,
quadratisch, rechteckig usw. sein. Die aus dem Blatt des Werkstoffs
ausgestanzten Scheiben werden natürlich der Form des Wells entsprechen
und daher gleichfalls oval, quadratisch, rechteckig usw. sein, indem
sie von einer entsprechend geformten Stanzeinheit ausgestanzt werden.
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Das
Verfahren zum Herstellen von Filterplatten kann auch zum Herstellen
anderer Platten angewendet werden, die einen Wellboden aus einem
anderen Werkstoff als die Seitenwände erfordern. Zum Beispiel
kann für
die Herstellung einer Multiwellplatte, die Wells mit un durchsichtigen
Seitenwänden
und transparenten Böden
aufweist, ein transparentes Blatt oder eine Folie, wie eine Fluorpolymerfolie,
an die Stelle des zuvor beschriebenen Filtermembranenwerkstoffs
gesetzt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel
und bezugnehmend auf die 11 und 12 besteht
der Einsatz 60' aus
einem geformten Träger
mit einer Matrix von Ringen 62' entsprechend der gewünschten
Multiwellplatte 61. Anstatt dass sie vom Einsatz nach unten
ragende trichterförmige Stutzen
aufweisen, wie es beim Filterplattenherstellungsprozess beschrieben
ist, sind die Ringe 62' in der
gesamten Mitte 64 offen. Jeder Ring 62' hat vorzugsweise
einen ebenen Stützabschnitt 22 bzw.
eine ebene Stützfläche in einer
Ebene parallel zur Ebene des Einsatzes 60' und einen im Wesentlichen senkrechten
ringförmigen
Rand 68, der den äußeren Umfang
des ebenen Stützabschnittes 66 bzw.
der Stützfläche umgibt.
Die Folie wird dann nach dem zuvor erörterten Verfahren gestanzt
und die einzelnen Scheiben des Folienwerkstoffs werden gegen den ebenen
Stützabschnitt
bzw. die Stützfläche des
Ringes des Einsatzes gelegt. Die Stanzausrüstung ist vorzugsweise so bemessen,
dass eine ausgestanzte Scheibe aus transparenter Folie durch den
ebenen Abschnitt bzw. die Stützfläche getragen
wird und gegen den ringförmigen
Rand passt. Eine Wellplatte wird dann gegen den Einsatz geformt,
wie zuvor beschrieben wurde. Der Werkstoff jedes ringförmigen Randes
bindet mit dem Werkstoff der Wellplatte ab und jede Scheibe aus
transparenter Folie ist zwischen dem ebenen Stützabschnitt jedes Ringes und der
Wand jedes Wells festgehalten. Die sich ergebende Platte weist Wells 74 mit
Böden 70 auf,
die aus dem transparenten Folienwerkstoff bestehen, und Seitenwände 72 aus
einem unterschiedlichen Werkstoff, zum Beispiel undurchsichtigem
Polystyrol. Das Ausstanzen einzelner Scheiben aus dem transparenten
Blatt dient auch dem Zweck, eine optische Kreuzkopplung zwischen
Wells zu verhindern, die andernfalls durch ein einheitliche Blatt
auftreten könnte.
Die Ringe 62' des
Einsatzes können
auch undurchsichtig sein und unterhalb der Fläche des Wellbodens 70 herausragen,
wodurch sie eine optische Kreuzkopplung zwischen den Wells 74 weiter
verhindern.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung offenbart wurden, können
andere Ausführungsbeispiele
wahrgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen,
wie er in den Patentansprüchen
festgelegt ist.