EP2514515A1

EP2514515A1 - Mischkammer, Kartusche sowie darauf bezogenes Verfahren zum Mischen einer ersten und zweiten Komponente

Info

Publication number: EP2514515A1
Application number: EP12156188A
Authority: EP
Inventors: Martina Daub; Juergen Steigert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: DE102011007779A1; EP2514515B1; US9555383B2; US20120269030A1; CN102743999A

Abstract

Offenbart wird eine Mischkammer (124) aufweisend: einen Behälter (500) zur Aufnahme einer ersten und einer zweiten Komponente (502, 504); eine Hindernisstruktur (506), welche dazu eingerichtet ist, sich unter Einwirkung einer Zentrifugalkraft (142) oder Magnetkraft, die auf die Mischkammer (124) wirkt, in der ersten und zweiten Komponente (502, 504) in dem Behälter (500) zu bewegen und diese miteinander zu vermischen; und ein Verbindungsstück (508), welches mit dem Behälter (500) einerseits und mit der Hindernisstruktur (506) andererseits verbunden ist.

Description

Stand der Technik

Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 30 36 538 C2 eine Schwenkbecherzentrifuge zum Zentrifugieren von Blut. Zweck solcher Zentrifugen ist die Stofftrennung im Zentrifugiergutraum unter Ausnutzung der Massenträgheit: Partikel oder Flüssigkeiten mit höherer Dichte wandern aufgrund der höheren Trägheit nach außen. Dabei verdrängen sie die Bestandteile mit niedrigerer Dichte, die hierdurch zur Mitte gelangen.

Vorteile der Erfindung

Die in dem Anspruch 1 definierte Mischkammer, die in dem Anspruch 10 definierte Kartusche sowie das in dem Anspruch 15 definierte Verfahren weisen gegenüber herkömmlichen Lösungen den Vorteil auf, dass - anstelle des bekannten Trennens von beispielsweise zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte - ein effektives Mischen der beiden Flüssigkeiten erreicht werden kann. Dazu wird die Hindernisstruktur unter Einwirkung der Zentrifugalkraft und/oder Magnetkraft in den beiden Flüssigkeiten in dem Behälter bewegt, wodurch diese miteinander vermischt werden.
Außerdem lässt sich die Mischkammer umfassend den Behälter, die Hindernisstruktur und das Verbindungsstück - aufgrund der Tatsache, dass diese ein zusammenhängendes Teil bilden - beispielweise in einer Kartusche einfach montieren.
Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
"Komponente" meint vorliegend eine Flüssigkeit, ein Gas oder einen Partikel. Mit der "ersten und zweiten Komponente" können auch nur zwei unterschiedliche Zustände desselben Stoffs gemeint sein: Beispielsweise kann die erste Komponente als ein verklumpter Anteil und die zweite Komponente als ein flüssiger Anteil desselben Stoffs ausgebildet sein.
"Magnetkraft" meint vorliegend die auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem elektrischen Feld oder einen Magneten, insbesondere Permanentmagneten, in einem magnetischen Feld wirkende Kraft.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischkammer ist das Verbindungsstück einstückig mit dem Behälter und/oder der Hindernisstruktur gebildet. Mit "einstückig" ist vorliegend gemeint, dass das Verbindungsstück, der Behälter und/oder die Hindernisstruktur aus ein und demselben Material gebildet sind. Beispielsweise können somit das Verbindungsstück, der Behälter und/oder die Hindernisstruktur einfach im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischkammer ist das Verbindungsstück mit einem Rahmen verbunden, welcher mit dem Behälter verbunden, insbesondere verklebt, ist. Auch durch diese Maßnahme lässt sich die Hindernisstruktur einfach mit dem Behälter verbinden. Der Rahmen kann insbesondere mit einem oberen, umlaufenden Rand des Behälters verbunden sein. Anstelle des Rahmens könnte auch ein anderes Bauteil verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischkammer ist das Verbindungsstück flexibel oder mit einem Gelenk ausgebildet. Dadurch kann die Beweglichkeit, um die Hindernisstruktur in der ersten und zweiten Komponente in dem Behälter zu bewegen, einfach bereitgestellt werden, wobei gleichzeitig die einteilige Ausgestaltung von Verbindungsstück, Behälter und Hindernisstruktur erhalten bleibt. Mit "einteilig" ist vorliegend gemeint, dass die entsprechenden Teile, insbesondere das Verbindungsstück, der Behälter und die Hindernisstruktur, ein zusammenhängendes Teil bilden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischkammer ist das Verbindungsstück elastisch ausgebildet, um eine Rückstellkraft, die der Zentrifugalkraft und/oder Magnetkraft entgegenwirkt, zu erzeugen. Unterschreitet die Zentrifugalkraft und/oder Magnetkraft einen vorbestimmten Schwellwert oder fällt sie gänzlich weg, so bewegt sich mittels dieser Ausgestaltung die Hindernisstruktur selbsttätig aus der ersten und zweiten Komponente in dem Behälter wieder heraus und/oder die Hindernisstruktur bewegt sich in Richtung des Drehpunkts durch die erste und zweite Komponente hindurch. Wird also eine entsprechende Zentrifuge mit der Mischkammer derart betrieben, dass die Drehzahl der Zentrifuge um den vorgenannten Schwellwert herum oszilliert, so bewegt sich die Hindernisstruktur ständig aus der ersten und zweiten Komponente heraus und wieder in diese herein und/oder in der ersten und zweiten Komponente hin und her, so dass die erste und zweite Komponente gut vermischt werden.
Alternativ kann die Rückstellkraft auch von einer weiteren Magnetkraft erzeugt werden. In diesem Fall braucht das Verbindungsstück nicht elastisch vorgesehen werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischkammer ist das Verbindungsstück mit einem Rand oder Boden des Behälters verbunden. Dies ist in fertigungstechnischer Hinsicht vorteilhaft.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischkammer ist an der Hindernisstruktur ein Dorn vorgesehen, welcher dazu eingerichtet ist, eine eine Öffnung in dem Boden des Behälters verschließende Membran unter Einwirkung der Zentrifugalkraft und/oder Magnetkraft zu durchstoßen. Somit lässt sich durch entsprechende Wahl der Drehzahl einer Zentrifuge mit der Mischkammer ein Loch in der Membran erzeugen, durch welches die erste und zweite Komponente aus dem Behälter ausströmen können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischkammer ist die Hindernisstruktur als ein Balken, ein Rechen, ein Sieb oder eine Gitterstruktur ausgebildet. Diese Strukturen sind sämtlich gut geeignet, die erste und zweite Komponente miteinander zu vermischen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischkammer ist das Verbindungsstück derart asymmetrisch in Bezug auf die Hindernisstruktur angeordnet, dass die Hindernisstruktur das Verbindungsstück unter Einwirkung der Zentrifugalkraft und/oder Magnetkraft, insbesondere elastisch, tordiert. Mittels dieser Ausgestaltung lässt sich die Hindernisstruktur um eine zusätzliche Achse drehen. Die erste Drehachse ergibt sich beispielsweise daraus, dass das Verbindungsstück flexibel oder elastisch ausgebildet ist und sich somit unter Einwirkung der Zentrifugalkraft und/oder Magnetkraft verbiegt. Eine weitere Drehachse ergibt sich nun dadurch, dass das Verbindungsstück asymmetrisch in Bezug auf die Hindernisstruktur angeordnet ist, wobei sich mittels des Tordierens des Verbindungsstücks die weitere Drehachse ergibt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Kartusche weiterhin auf: eine erste Trommel, welche eine erste Kammer aufweist, eine Verstelleinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die erste Trommel um deren Mittelachse zu drehen, wenn die Zentrifugalkraft einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, um dadurch die erste Kammer mit einer zweiten Kammer leitend zu verbinden, wobei die erste und/oder zweite Kammer als die Mischkammer ausgebildet ist. Vorteilhaft lassen sich somit - unter entsprechender Wahl der Drehzahl einer Zentrifuge mit der Kartusche - die erste und/oder zweite Komponente zwischen der ersten und zweiten Kammer transferieren. Je nachdem, ob die erste und/oder zweite Kammer als Mischkammer ausgebildet ist, können die entsprechenden Komponenten in der ersten und/oder zweiten Kammer effektiv gemischt werden. Mit "leitend" ist vorliegend flüssigkeits-, gas- und/oder partikelleitend gemeint.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kartusche umfasst die Verstelleinrichtung eine erste Schräge, welche mit einer zweiten Schräge der ersten Trommel zusammenwirkt, um diese aus einer ersten Stellung, in welcher diese mit einem Gehäuse der Kartusche in Drehrichtung um die Mittelachse formschlüssig in Eingriff steht, in eine zweite Stellung entlang der Mittelachse und entgegen der Wirkung eines Rückstellmittels zu verbringen, in welcher der Formschluss aufgehoben ist und sich die erste Trommel um die Mittelachse dreht. Somit wird ein einfacher Mechanismus bereitgestellt, um die erste Trommel zwischen zumindest zwei definierten Stellungen in der Drehrichtung um die Mittelachse zu verstellen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kartusche ist die zweite Kammer und/oder eine dritte Kammer der ersten Trommel bezogen auf die Mittelachse vor- oder nachgelagert, wobei bevorzugt die erste Kammer mittels der Verstelleinrichtung wahlweise mit der zweiten Kammer oder der dritten Kammer leitend verbindbar ist. Die Mischkammer kann also der ersten Trommel vor- und/oder nachgelagert oder auch in der ersten Trommel selbst vorgesehen sein. Außerdem kann die Mischkammer bevorzugt mit unterschiedlichen weiteren Kammern - je nach Bedarf - wahlweise verbunden werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kartusche ist eine zweite Trommel, welche die zweite Kammer aufweist, und/oder eine dritte Trommel vorgesehen, welche die dritte Kammer aufweist. Genauso kann jedoch auch beispielsweise die zweite Trommel die zweite Kammer und die dritte Kammer aufweisen. Gleiches gilt für die dritte Trommel. Indem mehrere Trommeln mit insbesondere mehreren Kammern vorgesehen werden, welche zueinander verstellt werden, lassen sich verschiedenste Prozesse mittels der Kartusche automatisch ausführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

Figur 1: schematisch einen Schnitt durch eine Kartusche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figuren 2A-2G: perspektivische Ansichten verschiedener Bauteile der Kartusche aus Figur 1;
Figuren 3A-3E: verschiedene Betriebszustände der Kartusche aus Figur 1;
Figuren 4A-4E: Detailansichten einer Verstelleinrichtung entsprechend den verschiedenen Betriebszuständen aus Figur 3A-3E;
Figur 5A: in einer Schnittansicht eine Mischkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 5B: in einer Schnittansicht eine Variante gegenüber Figur 5A gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Figuren 6A-6E: Draufsichten verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Mischkammern.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Figur 1 zeigt in einer Schnittansicht eine Kartusche 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Kartusche 100 umfasst ein Gehäuse 102 in Form eines Röhrchens. Beispielsweise kann das Gehäuse 102 als ein 5 bis 100 mL, insbesondere 50 mL, Zentrifugenröhrchen, 1.5 mL oder 2 mL Eppendorfröhrchen oder alternativ als eine Mikrotiterplatte (z.B. 20 µL pro Kavität) ausgebildet sein. Die Längsachse des Gehäuses 102 ist mit 104 bezeichnet.
In dem Gehäuse 102 sind beispielsweise eine erste Trommel 108, eine zweite Trommel 106 und eine dritte Trommel 110 aufgenommen. Die Trommeln 106, 108, 110 sind hintereinander und mit ihren jeweiligen Mittelachsen koaxial mit der Längsachse 104 angeordnet.
Das Gehäuse 102 ist an seinem einen Ende 112 geschlossen ausgebildet. Zwischen dem geschlossenen Ende 112 und der zu diesem benachbart angeordneten dritten Trommel 110 ist ein Rückstellmittel beispielsweise in Form einer Feder 114 angeordnet. Die Feder 114 kann in Form einer Spiralfeder oder eines Polymers, insb. eines Elastomers, ausgebildet sein. Das andere Ende 116 des Gehäuses 102 ist mittels eines Verschlusses 118 verschlossen. Bevorzugt kann der Verschluss 118 abgenommen werden, um die Trommeln 106, 108, 110 aus dem Gehäuse 102 zu entnehmen. Alternativ kann auch das Gehäuse 102 selbst zerlegbar sein, um die Trommeln 106, 108, 110 zu entnehmen oder an die Kammern, beispielsweise die Kammer 136, zu gelangen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Feder 114 zwischen dem Verschluss 118 und der zweiten Trommel 106 angeordnet, sodass die Feder 114 zum Erzeugen einer Rückstellkraft gedehnt wird. Auch andere Anordnungen der Feder 114 sind denkbar.
Eine jeweilige Trommel 106, 108, 110 kann eine oder mehrere Kammern aufweisen:

So umfasst beispielsweise die zweite Trommel 106 mehrere Kammern 120 für Reagenzien sowie eine weitere Kammer 122 zur Aufnahme einer Probe, beispielsweise einer Blutprobe, die von einem Patienten entnommen wurde.

Die der zweiten Trommel 106 nachgeschaltete erste Trommel 108 umfasst eine Mischkammer 124, in welcher die Reagenzien aus den Kammern 120 mit der Probe aus der Kammer 122 gemischt werden. Außerdem umfasst die erste Trommel 108 beispielsweise eine weitere Kammer 126, in welcher das Gemisch 128 aus der Mischkammer 124 durch eine feste Phase 130 strömt. Bei der festen Phase 130 kann es sich um eine Gelsäule, eine Silicamatrix oder einen Filter handeln.
Die der ersten Trommel 108 wiederum nachgeschaltete dritte Trommel 110 umfasst eine Kammer 132 zur Aufnahme eines Abfallprodukts 134 aus der Kammer 126. Weiterhin umfasst die dritte Trommel 110 eine weitere Kammer 136 zur Aufnahme des gewünschten Endprodukts 138.
Die Kartusche 100 weist eine äußere Geometrie auf, so dass diese in eine Aufnahme einer Zentrifuge, insbesondere in eine Aufnahme eines Ausschwingrotors oder Festwinkelrotors einer Zentrifuge, eingesetzt werden kann. Während des Zentrifugierens wird die Kartusche 100 um einen in Figur 1 schematisch angedeuteten Drehpunkt 140 mit hoher Drehzahl gedreht. Der Drehpunkt 140 liegt dabei auf der Längsachse 104, so dass eine entsprechende Zentrifugalkraft 142 entlang der Längsachse 104 auf jeden Bestandteil der Kartusche 100 wirkt.
Ziel ist es nun, dass mittels geeigneter Steuerung der Drehzahl verschiedene Prozesse innerhalb der Kartusche 100 gesteuert werden. So soll beispielsweise die Mischkammer 124 zunächst mit der Kammer 122 fluidisch verbunden werden, um die Probe aus der Kammer 122 aufzunehmen. Hiernach soll die Mischkammer 124 mit den Kammern 120 verbunden werden, um die Reagenzien aus diesen aufzunehmen. Anschließend sollen die Reagenzien und die Probe in der Mischkammer 124 drehzahlgesteuert gemischt werden. Ähnlich sollen auch die Prozesse in den Kammern 126, 132 und 136 drehzahlgesteuert werden.
Die Figuren 2A-2G zeigen perspektivisch verschiedene Bauteile der Kartusche 100 aus Figur 1. Anhand der Figuren 2A-2G soll nachfolgend insbesondere eine Verstelleinrichtung 300 (siehe Fig. 3A) erläutert werden, welche die drehzahlabhängige Steuerung der vorstehend erwähnten Prozesse ermöglicht.
Wie in Figur 2A gezeigt, weist das Gehäuse 102 an seiner Innenseite Vorsprünge 200 auf. Die Vorsprünge 200 stehen radial hin zur Längsachse 104 von der Gehäuseinnenwand 202 ab. Die Vorsprünge 200 bilden zwischen sich Schlitze 204, welche sich entlang der Längsachse 104 erstrecken. Die Vorsprünge 200 sind an ihrem einen Ende jeweils mit einer Schräge 206 gebildet. Die Schrägen 206 weisen weg von dem Drehpunkt 140 im Betrieb der Zentrifuge mit der Kartusche 100.
Figur 2B zeigt das Ende 112 des Gehäuses 102, welches gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine abnehmbare Kappe ausgebildet ist. Das Ende 112 weist an seinem inneren Umfang mehrere Nuten 208 auf, welche sich entlang der Längsachse 104 erstrecken.
Figur 2C zeigt die zweite Trommel 106 mit den Kammern 120, 122. Die zweite Trommel 106 weist an ihrer Außenwand 210 mehrere Vorsprünge 212 auf, welche sich von der Außenwand 210 radial nach außen erstrecken. Im zusammengebauten Zustand der Kartusche 100 greifen die Vorsprünge 212 der zweiten Trommel 106 in die Schlitze 204 des Gehäuses 102 ein. Dadurch ist ein Drehen der zweiten Trommel 106 um die Längsachse 104 gesperrt. Die zweite Trommel 106 ist jedoch entlang der Längsachse 104 in den Schlitzen 204 verschieblich. Die zweite Trommel 106 weist weiterhin an ihrer Außenwand 210, insbesondere an ihrem der ersten Trommel 108 zugewandten Ende 214, eine kronenartige Kontur 216 auf, welche eine Vielzahl von Schrägen 218, 220 umfasst. Zwei Schrägen 218, 220 bilden jeweils einen Zacken der kronenartigen Kontur 216 aus. Die Schrägen 218, 220 weisen ebenfalls weg von dem Drehpunkt 140 im Betrieb der Zentrifuge mit der Kartusche 100.
Figur 2D zeigt eine Ansicht der zweiten Trommel 106 aus Figur 2C von unten. Die dem Ende 214 zugeordnete Unterseite 222 der zweiten Trommel 106 weist mehrere Öffnungen 224 auf, um die Kammern 120, 122 mit der Mischkammer 124 der ersten Trommel 108 flüssigkeits-, gas- und/oder partikelleitend (nachfolgend "leitend") zu verbinden. Alternativ oder zusätzlich können die Öffnungen 224 auch die Kammern 120, 122 mit der Kammer 126 der ersten Trommel 108 leitend verbinden. Eine jeweilige leitende Verbindung bestimmt sich nach der Position einer jeweiligen Öffnung 224 bezüglich der Kammern 124, 126. Diese Position wird durch Drehen der ersten Trommel 108 gegenüber der zweiten Trommel 106 erzielt, wie an späterer Stelle noch näher erläutert wird.
Figur 2E zeigt eine Lanzetteneinrichtung 226, welche in Figur 1 nicht dargestellt ist. Die Lanzetteneinrichtung 226 umfasst eine Platte 228 mit einem oder mehreren Dornen 230, welche jeweils benachbart zu einer Öffnung 232 in der Platte 228 angeordnet sind. Die Dorne 230 dienen dazu, drehzahlgesteuert eine jeweilige Öffnung 224 in der Unterseite 222 der zweiten Trommel 106 zu durchzustoßen, woraufhin insbesondere Flüssigkeit aus der entsprechenden Kammer 120, 122 durch die Öffnung 232 hindurch in die Kammern 124 oder 126 fließt.
Figur 2F zeigt die erste Trommel 108 mit den Kammern 124, 126. Am Boden 234 der Kammer 126 ist beispielsweise eine Öffnung 236 für ein leitendes Verbinden der Kammer 126 mit den Kammern 132, 136 der dritten Trommel 110 vorgesehen. Die erste Trommel 108 weist an ihrer Außenwand 238 mehrere Vorsprünge 240 auf. Die Vorsprünge 240 sind dazu eingerichtet, in die Schlitze 204 (genauso wie die Vorsprünge 212 der zweiten Trommel 106) einzugreifen. Solange die Vorsprünge 240 mit den Schlitzen 240 in Eingriff stehen, ist ein Drehen der ersten Trommel 108 um die Längsachse 104 gesperrt. Allerdings sind die Vorsprünge 240 samt der ersten Trommel 108 entlang der Längsachse 104 in den Schlitzen 204 beweglich. Die Vorsprünge 240 weisen Schrägen 242 auf, welche in Richtung des Drehpunkts 140 im Betrieb der Zentrifuge mit der Kartusche 100 weisen und korrespondierend zu den Schrägen 206 und 220 gebildet sind.
Figur 2G zeigt die dritte Trommel 110 mit den Kammern 132, 136. Die dritte Trommel 110 weist Vorsprünge 244 auf, welche von der Außenwand 246 der dritten Trommel 110 jeweils abstehen. Die Vorsprünge 244 sind dazu eingerichtet, in die Nuten 208 des Endes 112 zu greifen, so dass die dritte Trommel 110 in der Längsrichtung 104 in den Nuten 208 verschieblich ist. Ein Drehen der dritten Trommel 110 um die Längsachse 104 ist somit jedoch gesperrt.
Die Figuren 3A-3E zeigen mehrere Betriebszustände beim Betrieb der Kartusche 100 aus Figur 1, wobei eine zusätzliche Trommel 302 dargestellt ist, was jedoch vorliegend nicht weiter relevant ist. Die Figuren 4A-4E korrespondieren jeweils mit den Figuren 3A-3E und illustrieren die Bewegung der Schrägen 206, 218, 220, 242 relativ zueinander. Ergänzend sei jedoch darauf hingewiesen, dass Figur 3B einen Betriebszustand der Kartusche 100 zeigt, welcher fortgeschrittener ist als der in Figur 4B gezeigte Zustand. In den Figuren 3A-3E ist das Gehäuse 102 teilweise durchsichtig dargestellt, um einen Blick auf das Innere freizugeben.
Die Vorsprünge 200, die Schlitze 204, die Schrägen 206, die Vorsprünge 212, die Schrägen 218, 220, die Vorsprünge 240 sowie die Schrägen 242 bilden im Zusammenspiel mit der Rückstellfeder 141 die vorstehend erwähnte Verstelleinrichtung 300 zum definierten Verdrehen der ersten Trommel 108 gegenüber der zweiten Trommel und dritten Trommel 110 um die Längsachse 104.
Die Figuren 3A und 4A zeigen eine erste Stellung, in welcher die Vorsprünge 240 der ersten Trommel 108 in die Schlitze 204 eingreifen und somit ein Drehen der ersten Trommel 108 um die Längsachse 104 gesperrt ist. Wird nun die Drehzahl der Zentrifuge erhöht, so drückt die zweite Trommel 106 mittels der Schrägen 220 der Kontur 216 auf die Schrägen 242 der ersten Trommel 108 gegen die Wirkung der Feder 114, wobei die Feder 114 komprimiert wird. Dadurch bewegt sich die erste Trommel 108 in einer Richtung weg von dem Drehpunkt 140, wie durch die entsprechenden Pfeile in den Figuren 4A und 4B angedeutet. Diese Bewegung wird solange fortgesetzt, bis die Vorsprünge 240 außer Eingriff mit den Vorsprüngen 200 gelangen. In dieser zweiten Stellung ist ein Drehen der ersten Trommel 108 um die Längsachse 104 freigegeben, wie in Figur 4C veranschaulicht. Aufgrund des Zusammenwirkens der Schrägen 220 und 242, die beispielsweise jeweils unter einem Winkel von 45° in Bezug auf die Längsachse 104 ausgerichtet sind, ergibt sich eine Kraftkomponente, welche die erste Trommel 108 automatisch dreht, wenn diese in die zweite Stellung gelangt, wie durch in Figur 4C nach links gerichteten Pfeile angedeutet.
Wird die Drehzahl nun wieder reduziert, was mit einer entsprechenden Reduzierung der Zentrifugalkraft einhergeht, so drückt die Feder 114 die erste Trommel 108 mittels der dritten Trommel 110 wieder in Richtung des Drehpunkts 140. Dadurch wird die zweite Trommel 106 samt ihrer Schrägen 220 ebenfalls wieder in Richtung des Drehpunkts 140 bewegt, wodurch die Schrägen 242 der ersten Trommel 108 gegen die Schrägen 206 des Gehäuses 102 zum Liegen kommen und entlang dieser unter Ausführung einer weiteren Drehbewegung der ersten Trommel 108 in eine dritte Stellung gleiten, wie in den Figuren 4D und 4E dargestellt. In der dritten Stellung sind die Vorsprünge 240 der ersten Trommel 108 wieder in den Schlitzen 204 des Gehäuses 102 angeordnet, so dass ein weiteres Drehen der ersten Trommel 108 um die Längsachse 104 wieder gesperrt ist.
Der vorstehend beschriebene Prozess kann beliebig oft wiederholt werden, um die erste Trommel 108 definiert gegenüber der zweiten Trommel 106 und dritten Trommel 110 zu drehen.
Figur 5A zeigt in einem Schnitt die Mischkammer 124 aus Figur 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Allerdings wäre es genauso möglich, eine der Kammern 120, 122 der zweiten Trommel 106 oder auch eine der Kammern 132, 136 der dritten Trommel 110, welche der ersten Trommel 108 vor- bzw. nachgeschaltet sind, entsprechend der Mischkammer 124 auszubilden.
Die Mischkammer 124 umfasst einen Behälter 500 zur Aufnahme von wenigstens zwei Komponenten. Bevorzugt handelt es sich um solche Komponenten, welche mittels der zweiten Trommel 106 bereitgestellt werden. Beispielsweise können die Komponenten als Reagenzien oder Proben, insbesondere Blutproben, ausgebildet sein. Figur 5A zeigt den Behälter 500, wie dieser ein Gemisch aus zwei Flüssigkeiten 502, 504 enthält. Die Flüssigkeiten 502, 504 können dieselbe oder eine unterschiedliche Dichte aufweisen. Das in dem Behälter 500 aufnehmbare Flüssigkeitsvolumen beträgt typischerweise bis zu 3 mL.
Die Mischkammer 124 weist weiterhin eine Hindernisstruktur 506 auf, welche dazu eingerichtet ist, sich unter Einwirkung einer Zentrifugalkraft (wenn also die Drehzahl der Zentrifuge einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet) durch die Flüssigkeiten 502, 504 zu bewegen, um diese dadurch zu vermischen.
Weiterhin ist ein Verbindungsstück 508 vorgesehen, welches die Hindernisstruktur 506 mit dem Behälter 500 verbindet. Die Hindernisstruktur 506 bildet somit mit dem Verbindungsstück 508 und dem Behälter 500 ein einziges Teil aus, welches gut zu handhaben, insbesondere gut zu montieren ist. Gleichzeitig ist die Hindernisstruktur 506 jedoch beweglich gegenüber dem Behälter 500 vorgesehen, um ihre Mischfunktion zu erfüllen.
Beispielsweise kann die Hindernisstruktur 506 samt dem Verbindungsstück 508 und dem Behälter 500 aus einem Stück gefertigt sein, das heißt aus demselben Material hergestellt sein. Dies lässt sich beispielsweise einfach durch Spritzgießen der Hindernisstruktur 506, des Verbindungsstücks 508 und des Behälters 500 erreichen.
Alternativ kann das Verbindungsstück 508 an seinem behälterseitigen Ende mit einem Rahmen 510 (da es sich um ein anderes Ausführungsbeispiel handelt, ist der Rahmen 510 gestrichelt dargestellt) verbunden sein. Der Rahmen 510 ist wiederum mit dem Behälter 500, insbesondere einem oberen, umlaufenden Rand 512 des Behälters 500, verbunden, insbesondere verklebt. Gemäß einer Ausgestaltung kann die Hindernisstruktur 506 mit dem Verbindungsstück 508 und dem Rahmen 510 einstückig, insbesondere durch Spritzgießen, hergestellt sein.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5A ist das Verbindungsstück 508 elastisch ausgebildet. Zweck dieser Ausgestaltung ist es, für eine selbsttätige Rückstellung der Hindernisstruktur 506 nach einer Reduzierung der Drehzahl der Zentrifuge zu sorgen. Das heißt, die Hindernisstruktur 506 verschwenkt um den Anbindungspunkt 522 des Verbindungsstück 508 an den Behälter 500 oder Rahmen 510, wenn die Drehzahl einen vorbestimmten Schwellwert (z.B. eine Drehzahl entsprechend 1000 g Beschleunigung der Mischkammer 124) überschreitet, von dem Drehpunkt 140 unter Einwirkung der Zentrifugalkraft weg in die Flüssigkeiten 502, 504 hinein bzw. durch diese hindurch. Wird die Drehzahl wieder unter den vorbestimmten Schwellwert reduziert, so schwenkt die Hindernisstruktur 506 aufgrund der Elastizität des Verbindungsstücks 508 wieder zurück in Richtung des Drehpunkts 140. Somit lässt sich durch Steuerung der Drehzahl die Bewegung der Hindernisstruktur 506 und damit das Mischen der Flüssigkeiten 502, 504 steuern. Die Mischkammer 124 ist typischerweise für eine Drehzahl entsprechend 10000 g Beschleunigung ausgelegt. "g" meint hier die Erdbeschleunigung.
Das Mischen wird einmal durch die Bewegung der Hindernisstruktur 506 bewirkt. Hinzu kommt, dass, wenn die Mischkammer 124 mit der vorstehend beschriebenen Kartusche 100 verwendet wird, sich die Mischkammer 124 selbst entlang der Längsrichtung 104 von dem Drehpunkts 140 weg bzw. zu diesem hin bewegt, wie vorstehend beschrieben. Dadurch ergibt sich ein weiterer Mischeffekt.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung könnte anstelle eines elastischen Verbindungsstücks 508 auch ein steifes Verbindungsstück verwendet werden, welches mittels eines Gelenks mit dem Behälter 500 verbunden ist. Eine Rückstellung könnte dann durch eine separate Feder vorgesehen werden.
Des Weiteren kann die Mischkammer 124 so ausgelegt werden, dass weitere Prozessschritte und Strukturen integriert sind, z.B. Sedimentationsstrukturen oder Kanal-oder Siphonstrukturen zum Weiterleiten und Schalten der Flüssigkeiten 502, 504.
Der Behälter 500, die Hindernisstruktur 506 und/oder das Verbindungsstück 508 können aus demselben oder unterschiedlichen Polymeren hergestellt sein. Bei dem einen oder mehreren Polymeren handelt es sich insbesondere um Thermoplaste, Elastomere oder thermoplastische Elastomere. Beispiele sind Cyclo-olefin Polymer (COP), Cyclo-olefin Copolymer (COC), Polycarbonate (PC), Polyamide (PA), Polyurethane (PU), Polypropylen (PP), Polyethylene terephthalate (PET) oder Poly(methyl methacrylate) (PMMA).
Die Hindernisstruktur 506 und das Verbindungsstück 508 können jeweils einen Querschnitt aufweisen, welcher in deren jeweiliger Längsrichtung variiert. "Längsrichtung" meint hier insbesondere eine Richtung weg von dem Behälter 500.
Weiterhin kann die Hindernisstruktur 508 an ihrem freischwingenden Ende eine zusätzliche Masse, beispielsweise in Form eines verdickten Bereichs oder einer Metallisierung, aufweisen, um den Trägheitseffekt und somit die Schwingungsamplitude bei Variation der Drehzahl zu vergrößern.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Hindernisstruktur 508 zumindest einen Magneten auf, welcher mittels eines insbesondere elektrischen oder magnetischen Felds bewegt werden kann. Der Magnet, z.B. eine Metallisierung oder ein Permanentmagnet, beispielsweise aus Eisen, ist an der Hindernisstruktur 508 angebracht. Die Mittel, insbesondere Spulen oder Permanentmagnete, zum Erzeugen des Felds sind z.B. im Zentrifugengehäuse untergebracht. Die Hindernisstruktur 508 wird dann entgegen der Zentrifugalkraft 142 ausgelenkt, sowie sich der Zentrifugenrotor samt der Mischkammer 124 durch das Feld bewegt. Somit kann die Hindernisstruktur 508 auch bewegt werden, um dadurch die Flüssigkeiten 502, 504 zu vermischen, wenn die Drehzahl der Zentrifuge konstant gehalten wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Feld selbst auch hinsichtlich seiner Stärke und Orientierung gesteuert werden, um die Hindernisstruktur 508 zu bewegen. In diesem Fall kann sogar ein Mischen ohne Zentrifuge erfolgen.
Figur 5B zeigt eine Mischkammer 124 gemäß einer Variation gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5A.
Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5A das Verbindungsstück 508 bevorzugt an dem oberen Rand 512 behälterseitig befestigt ist, ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5B das Verbindungsstück 508 behälterseitig an einem Boden 514 des Behälters 500 befestigt.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die Hindernisstruktur 506 an ihrem freien Ende einen Dorn 516 aufweisen. In dem Boden 514 des Behälters 500 ist eine Öffnung 518 vorgesehen, welche von einer Membran 520 verschlossen wird, um ein Ausströmen der Flüssigkeiten 502, 504 aus dem Behälter 500 zu verhindern.
Übersteigt die Drehzahl einen vorbestimmten Schwellwert, so bewegt sich der Dorn 516 aufgrund des Verschwenkens der Hindernisstruktur 506 um den Anbindungspunkt 522 in die Membran 520 hinein und zerstört diese dadurch. Somit können die Flüssigkeiten 502, 504 aus dem Behälter 500 ausströmen. Der Schwellwert liegt bevorzugt oberhalb des Schwellwerts für das Mischen der Flüssigkeiten 502, 504 mittels der Hindernisstruktur 506. Damit ist sichergestellt, dass die Flüssigkeiten 502, 504 zunächst vermischt werden und hiernach erst die Membran 520 durchstochen wird.
Beispielsweise kann die Öffnung 518 mit einer nachgeschalteten Kammer, beispielsweise der Kammer 126 der ersten Trommel 108, siehe Figur 1, oder einer der Kammern 132, 136 der dritten Trommel 110 verbunden sein.
Die Figuren 6A-6E zeigen in einer Draufsicht aus Figur 5A verschiedene Ausgestaltungen der Hindernisstruktur 506, welche für ein Vermischen der Flüssigkeiten 502, 504 besonders geeignet sind.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 6A ist die Hindernisstruktur 506 in Form eines Balkens ausgebildet.
Figur 6B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei mehrere der insbesondere balkenförmigen Hindernisstrukturen 506 vorgesehen sind, welche jeweils über ein Verbindungsstück 508 mit dem Behälter 500 verbunden sind.
Die Balken 506 gemäß den Ausführungsbeispielen 6A und 6B weisen z.B. eine Breite von 0,1-3 mm auf. Der Abstand zwischen den Balken 506 (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6B) kann z.B. ebenfalls zwischen 0,1-3 mm betragen. Von den Balken 506 können Seitenstege abgehen (nicht dargestellt).
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6C ist die Hindernisstruktur 506 in Form eines Rechens ausgebildet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6D ist die Hindernisstruktur 506 in Form eines Siebs, insbesondere in Form einer Platte 600 mit mehreren Löchern 602 ausgebildet. Die Löcher 602 können kreisförmig oder rechteckig ausgebildet sein. Ein Durchmesser eines jeweiligen Lochs 602 kann zwischen 0,1 und 3 mm betragen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6E ist die Hindernisstruktur 506 in Form einer Gitterstruktur ausgebildet.
Weiterhin ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6E - und dies ist ganz allgemein auf sämtliche vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiele anwendbar - ein Schwerpunkt 604 der Hindernisstruktur 506 mit einem Versatz 606 in Bezug auf die Längserstreckung des Verbindungsstücks 508 angeordnet. Diese Ausgestaltung wird vorliegend als "asymmetrische" Anordnung der Hindernisstruktur 506 in Bezug auf das Verbindungsstück bezeichnet. Somit ergibt sich, dass das Verbindungsstück 508 unter Einwirkung der Zentrifugalkraft nicht nur gebogen, wie es beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5A der Fall ist, sondern darüber hinaus tordiert wird. Folglich wird die Hindernisstruktur 506 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6E um zwei unterschiedliche Achsen geschwenkt, wodurch das Vermischen der Flüssigkeiten 502, 504 noch weiter verbessert werden kann.
Obwohl die Erfindung vorliegend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf keineswegs beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass die für die erfindungsgemäße Mischkammer vorliegend beschriebenen Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele entsprechend auf die erfindungsgemäße Kartusche sowie auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Mischen einer ersten und einer zweiten Komponente anwendbar sind, und umgekehrt. Auch mehr als zwei Komponenten können verarbeitet werden. Ferner wird darauf hingewiesen, dass "ein" vorliegend keine Vielzahl ausschließt.

Claims

Mischkammer (124), aufweisend:
einen Behälter (500) zur Aufnahme einer ersten und einer zweiten Komponente (502, 504);

eine Hindernisstruktur (506), welche dazu eingerichtet ist, sich unter Einwirkung einer Zentrifugalkraft (142) und/oder Magnetkraft in der ersten und zweiten Komponente (502, 504) in dem Behälter (500) zu bewegen und diese miteinander zu vermischen; und

ein Verbindungsstück (508), welches mit dem Behälter (500) einerseits und mit der Hindernisstruktur (506) andererseits verbunden ist.
Mischkammer nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsstück (508) einstückig mit dem Behälter (500) und/oder der Hindernisstruktur (506) gebildet ist.
Mischkammer nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsstück (508) mit einem Rahmen (510) verbunden ist, welcher mit dem Behälter (500) verbunden, insbesondere verklebt, ist.
Mischkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsstück (508) flexibel oder mit einem Gelenk ausgebildet ist.
Mischkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsstück (508) elastisch ausgebildet ist, um eine Rückstellkraft, welche der Zentrifugalkraft (142) und/oder Magnetkraft entgegenwirkt, zu erzeugen.
Mischkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsstück (508) mit einem Rand (510) oder Boden (514) des Behälters (500) verbunden ist.
Mischkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an der Hindernisstruktur (506) ein Dorn (516) vorgesehen ist, welcher dazu eingerichtet ist, eine eine Öffnung (518) in dem Boden (514) des Behälters (500) verschließende Membran (520) unter Einwirkung der Zentrifugalkraft (142) und/oder Magnetkraft zu durchstoßen.
Mischkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hindernisstruktur (506) als ein Balken, ein Rechen, ein Sieb oder eine Gitterstruktur ausgebildet ist.
Mischkammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsstück (508) derart asymmetrisch in Bezug auf die Hindernisstruktur (506) angeordnet ist, dass die Hindernisstruktur (506) das Verbindungsstück (508) unter Einwirkung der Zentrifugalkraft (142) und/oder Magnetkraft, insbesondere elastisch, tordiert.
Kartusche (100) zum Zentrifugieren, aufweisend eine Mischkammer (124) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kartusche nach Anspruch 10, weiterhin aufweisend:
eine erste Trommel (108), welche eine erste Kammer (124) aufweist,

eine Verstelleinrichtung (300), welche dazu eingerichtet ist, die erste Trommel (108) um deren Mittelachse (104) zu drehen, wenn die Zentrifugalkraft (142) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, um dadurch die erste Kammer (124) mit einer zweiten Kammer (120, 122) leitend zu verbinden,

wobei die erste und/oder zweite Kammer (124) als die Mischkammer ausgebildet ist.
Kartusche nach Anspruch 11, wobei die Verstelleinrichtung (300) eine erste Schräge (220) umfasst, welche mit einer zweiten Schräge (242) der ersten Trommel (108) zusammenwirkt, um diese aus einer ersten Stellung, in der diese mit einem Gehäuse (102) der Kartusche (100) in Drehrichtung um die Mittelachse (104) formschlüssig in Eingriff steht, in eine zweite Stellung entlang der Mittelachse (104) und entgegen der Wirkung eines Rückstellmittels (114) zu verbringen, in welcher der Formschluss aufgehoben ist und sich die erste Trommel (108) um die Mittelachse (104) dreht.
Kartusche nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die zweite Kammer (120, 122) und/oder eine dritte Kammer (132, 136) der ersten Trommel (108) bezogen auf die Mittelachse (104) vor- oder nachgelagert ist, wobei bevorzugt die erste Kammer (124) mittels der Verstelleinrichtung (300) wahlweise mit der zweiten Kammer (120, 122) oder dritten Kammer (132, 136) leitend verbindbar ist.
Kartusche nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei eine zweite Trommel (106), welche die zweite Kammer (120, 122) aufweist, und/oder eine dritte Trommel (110) vorgesehen ist, welche die dritte Kammer (132, 136) aufweist.
Verfahren zum Mischen einer ersten und zweiten Komponente (502, 504) mittels einer Mischkammer (124) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einer Kartusche (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, aufweisend folgende Schritte:
Befüllen des Behälters (500) der Mischkammer (124) mit der ersten und der zweiten Komponente (502, 504); und

Erzeugen der Zentrifugalkraft (142) oder der Magnetkraft, wobei die Hindernisstruktur (506) in der ersten und der zweiten Komponente (502, 504) bewegt wird und die erste und zweite Komponente miteinander vermischt.