EP3820615A1 - Verfahren und vorrichtung zum mischen und thermostatisieren flüssiger medien - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum mischen und thermostatisieren flüssiger medien

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Publication number
EP3820615A1
EP3820615A1 EP19742671.1A EP19742671A EP3820615A1 EP 3820615 A1 EP3820615 A1 EP 3820615A1 EP 19742671 A EP19742671 A EP 19742671A EP 3820615 A1 EP3820615 A1 EP 3820615A1
Authority
EP
European Patent Office
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cuvette
temperature
cuvettes
liquid media
block
Prior art date
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Pending
Application number
EP19742671.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhard MARIK
Arnold Bartel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meon Medical Solutions and Co KG GmbH
Original Assignee
Meon Medical Solutions and Co KG GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Meon Medical Solutions and Co KG GmbH filed Critical Meon Medical Solutions and Co KG GmbH
Publication of EP3820615A1 publication Critical patent/EP3820615A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5025—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures for parallel transport of multiple samples
    • B01L3/50255—Multi-well filtration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1822—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using Peltier elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0433—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces vibrational forces
    • B01L2400/0439—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces vibrational forces ultrasonic vibrations, vibrating piezo elements

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for mixing and
  • cuvettes of a cuvette array that are lined up next to one another are introduced, the cuvettes of the cuvette array being form-fitting in receptacles one at a time
  • Block temperature thermostatted cuvette blocks are arranged.
  • a sample-reagent mixture in a cuvette for example by means of optical methods such as extinction, fluorescence, scattered light or luminescence measurement, homogenization of the sample-reagent mixture by circulation or stirring is absolutely necessary in a first step , while in a second step the sample-reagent mixture is brought to a target temperature stabilized at about 0.1 ° C.
  • a target temperature stabilized at about 0.1 ° C.
  • a temperature between 25 and 42 ° C, preferably between 36.5 and 37.5 ° C, which is constantly stabilized to about 0.1 ° C is desirable.
  • the kinetics of enzymatic and immunochemical detection reactions depend on the temperature, the kinetics generally increasing with an increase in temperature.
  • Biological sample components such as proteins (e.g. albumin, globulins and enzymes) are components of e.g. blood plasma and urine to be determined, but denature with increasing speed when temperatures> 40 ° C are exceeded, while enzymes and antibodies are essential
  • Pre-thermostatted block made of highly thermally conductive material or a circulated heat transfer medium can be thermostatted without using a separate control circuit for each cuvette, consisting of a temperature sensor, heating element and electronic control unit.
  • Thermostatization of liquid media in the sense of the invention includes both heating a sample reagent mixture and particle-containing media or mixtures (suspensions), including the stabilization of an achieved one
  • Liquor etc.
  • this includes both homogeneous liquid media and heterogeneous liquid-liquid
  • Reagents used can be in the form of suspended magnetic beads or, for example, colloidal latex particles in the mixture
  • a cuvette in the sense of the present invention denotes one side
  • a cuvette in the sense of the present invention has at least one for the
  • a temperature-controlled cuvette arrangement has become known.
  • a thermostattable cuvette block 55 is provided with a plurality of receiving shafts 56 into which cuvettes 57 can be inserted.
  • the cuvettes 57 which are tapered downwards and have lateral measuring windows 58, are positively inserted into a U-shaped, highly heat-conducting adapter 59, which makes thermal contact with the cuvette block 55 via the walls 60 of the receiving shaft 56.
  • the sample-reagent mixture in each of the cuvettes 57 can be optically measured in each case through a measuring channel 61 in the cuvette block 55.
  • the disadvantage here is that the temperature of the sample-reagent mixture only heats up slowly to the temperature of the cuvette block. This makes it difficult to achieve a high sample throughput in an analyzer because the
  • JP 2007-303964 A discloses - as shown in FIG. 1b of the present application - a device for thermostatting cuvettes 62, which are arranged in receptacles of a rotatable carousel 63.
  • the device has a piezoelectric substrate 64 fastened to the side wall of each cuvette 62, on which both an electrode structure of an interdigital transducer (IDT) as an ultrasound transducer 65 and a temperature sensor 66 for the non-invasive measurement of the temperature of the cuvette contents are integrated.
  • IDT interdigital transducer
  • a temperature control unit 68 of a control unit 69 connected via sliding contacts 67 forms, together with the driver unit 70 for the ultrasound transducer 65, a control circuit in order to thermostate a reaction mixture in the cuvette 62.
  • the sample-reagent mixture is heated directly to the target temperature by absorbing ultrasonic energy.
  • each cuvette 62 requires a glued-on piezoelectric substrate 64 with an integrated temperature sensor 66, which must be brought into contact with an electronic control unit 68. Furthermore, the temperature measured on the substrate of the ultrasonic transducer 65 can be falsified by the self-heating of the ultrasonic transducer and thus does not correspond to the temperature of the sample-reagent mixture in the cuvette 62.
  • the temperature sensor 66 is not in contact with the liquid, but can only record the temperature of the liquid indirectly via the heat conduction of the vessel wall of the cuvette 62, as a result of which, in particular when the liquid is heated quickly and required for a high sample throughput, the temperature increases in the Liquid cannot be measured with sufficient speed and accuracy to be able to rule out a permanent or temporary exceeding of the target temperature by a critical value for the sample components.
  • a measurement of the temperature in the liquid for example with the aid of a submersible probe, cannot be carried out without disadvantages, since this can lead to a carryover of sample material into other cuvettes.
  • EP 1 995 597 Al (OLYMPUS) describes a device for stirring
  • Liquids in cuvettes 71 are known, which - as shown in FIG. 1c of the present application - are arranged on a rotatable cuvette carousel 72, with a sound generator 73 on the side wall of each cuvette
  • the sound generator 73 is used only for mixing and stirring the
  • the resulting heat input is undesirable.
  • the heat input can be reduced by limiting the operating time
  • Ultrasonic generator can be minimized.
  • an individual Peltier element 76 for each cuvette 71 can be directly attached to the substrate of the adhesive by means of an actuator 75
  • the signal generator 77 for the sound generator 73 is controlled by a driver unit 78 of a control unit 74.
  • Cuvette carousels a predetermined ultrasound entry into the cuvette to achieve a predefinable target temperature of the cuvette contents.
  • a temperature measurement of the liquid can be carried out from above with a stationary infrared sensor but depending on the rotating position of the carousel, only on a specific one Cuvette, and cannot be performed on several cuvettes of the carousel at the same time.
  • known infrared sensors have the disadvantage that they only measure because of the measurement of long-wave infrared
  • JP 2007-010345 A describes an ultrasonic stirring device with which the content L of a cuvette 81 can be mixed.
  • a piezoceramic ultrasound generator (thickness transducer 83) is glued to the bottom 82 of the cuvette 81, the shape and the material of the cuvette bottom forming an acoustic lens 84 in order to collect the ultrasound energy at point F bundle just below the liquid surface.
  • the thickness transducer 83 made of lead zirconate titanate (“sounding body”) has a flat disk 85 with electrical contacts 86 that are flat on both sides, with a diameter that is larger than that of the cell bottom 82.
  • thermostatted water bath of a cuvette carousel are arranged.
  • a stirring station in the form of a
  • the individual cuvettes of the cuvette carousel must each be fed to the stirring station in a disadvantageous manner.
  • the object of the invention is to improve a method and a device for mixing and thermostatting liquid media which are introduced into rows of cuvettes of a cuvette array in such a way that the time from the introduction of the liquid media into the cuvette until it reaches a
  • the device has a cuvette block with form-fitting receptacles for the cuvettes which is regulated to a predeterminable block temperature, which block is equipped with a thermostat and is in thermal contact with the individual cuvettes in that at least one ultrasonic transducer is attached to each cuvette for introducing ultrasound energy into the cuvettes, and that the ultrasound transducer is designed as a piezoelectric oscillator and is connected to a control unit that controls the at least one ultrasound transducer as a function of parameter values of the liquid media.
  • the method according to the invention for mixing and thermostatting liquid media which are introduced for the determination of analytes in rows of cuvettes of a cuvette array, the cuvettes of the cuvette array being arranged positively in recordings of a cuvette block thermostatted to a block temperature, are characterized by the following steps: a) Heating the empty cuvettes to a predefinable target temperature of 25 to 42 ° C, preferably 36.5 to 37.5 ° C, by heat conduction from the thermostated cuvette block, whose block temperature TBL 0.1 to 1 ° C, preferably 0.1 to 0.5 ° C, is above the target temperature, b) adding one or more liquid media with a lower one
  • the liquid media in the cuvette having an initial temperature below the target temperature, c) heating the liquid media with the aid of the thermostatted one
  • Cuvette blocks in order to achieve the specified target temperature, d) in the heating phase by heat conduction according to point c), before reaching the target temperature, additional introduction of a predetermined amount of ultrasound energy with the aid of at least one (contacting) ultrasound transducer attached to each cuvette for increasing the heating rate, and e) simultaneous mixing of the liquid media with the aid of the in point d)
  • thermal energy from two different heat sources is thus supplied to the cuvette contents.
  • a predetermined, non-conductive input of thermal energy is carried out by means of ultrasound. This means that the contents of the cuvette can be heated more quickly to a precisely specifiable target temperature (without exceeding the Target temperature) can be reached, whereby the cuvette contents are simultaneously mixed by the input of the ultrasonic energy.
  • the main entry of thermal energy is made by heat conduction and a relatively smaller entry by means
  • one or more liquid media are preferably added when the cuvette block has reached the target temperature
  • the amount of ultrasound energy introduced in point d) is determined as a function of parameter values of the liquid media added in point b), such as amount, heat capacity, viscosity, thermal conductivity and temperature.
  • the amount of ultrasound energy to be introduced can be determined in the factory in a test or calibration step, for example, by test measurements and / or calculations, with corresponding information in the form of
  • Storage data or optically readable codes is provided by the user.
  • the method according to the invention effectively prevents any local hotspots that occur during rapid heating, since the introduction of
  • Ultrasonic energy is regulated by control codes, which are stored, for example, in an analysis protocol and were determined as a function of parameter values of the liquid, in such a way that the liquid in the cuvette is heated and always circulated at the same time.
  • the temperature of the cuvette contents can never be higher than that of the cuvette block pre-thermostatted to a final temperature compatible with the sample. This can largely cause thermal damage to biological samples and reagents from hotspots or a short-term exceeding of the target temperature
  • the temperature control is technically particularly simple and reliable
  • TBL coherent, thermally conductive material
  • An asymptotic approach to the block temperature TBL is typical for the heating of the cuvette contents from a pre-thermostatted heat source, so that the heating takes place first quickly and then slowly. Since the block temperature TBL is never fully reached, a slightly lower temperature of TBL- X is accepted as the target temperature in block thermostatting, which is typically in the range of 0.1-1 ° C., preferably in the thermostatting of biological samples as part of an optical measurement of certain analytes from 0.1 - 0.5 ° C, is below the block temperature and must not change by more than 0.1 ° C during the measurement (s) (see Fig. 5a, 5b).
  • the ultrasound energy according to point d) can be in several directions.
  • Pulses are introduced into the liquid media in a pulsed manner.
  • Liquid) favorable signal form can be selected, starting from a
  • the amplitude of the fundamental frequency of the ultrasound transducer can be modulated by an impressed, in comparison, lower frequency, the amplitude being able to be varied between a full modulation (100%) of the signal and until the signal is switched off (0%).
  • An amplitude modulation with the amplitude ratio (100: 0) would correspond to a burst pattern. It can in both cases
  • Modulation waveforms such as sine, square, sawtooth or the like for
  • the fundamental frequency of the ultrasound transducer is preferably one
  • Modulation frequency of the amplitude from 1 to 100 Hz impressed.
  • the basic frequencies of suitable designs are between approximately 200 kHz and 10 MHz, preferably approximately 0.5 to 10 MHz. If glued-on interdigital transducers are used, the basic frequencies of suitable designs (depending on the size and dimension of the transducer and the substrate) are around 10 to 200 MHz, preferably around 50-150 MHz.
  • the ultrasonic transducers can also be pressed against the individual cuvettes using spring force.
  • Fig. 2b shows the device of FIG. 2a with the front part removed
  • FIG. 3a shows the device according to Fig. 2a in a sectional view along line III-III in Fig. 2a,
  • FIG. 3b is a sectional view of a cuvette and its surroundings along line IV-IV in Fig. 3a,
  • Fig. 3c a cuvette including ultrasonic transducer of the invention
  • FIG. 4 shows a block diagram for the electronic control of the device for mixing and thermostatting liquid media according to FIG. 2a
  • Fig. 5a is a temperature diagram showing a first
  • 5b is a temperature diagram to illustrate a second
  • Embodiment of a thermostatting and mixing process of a liquid Embodiment of a thermostatting and mixing process of a liquid.
  • Thermostating liquid media relate to examples of the prior art and have already been explained in detail in the introduction to the description above.
  • Thermostatization of liquid media serves to thermostatize the liquid media introduced into the cuvettes 201 of a cuvette array 200 which are arranged next to one another.
  • the example shown is a linear, stationary cuvette array 200.
  • the individual cuvettes 201 of the cuvette array 200 are in one
  • thermostattable cuvette block 820 with a high thermal capacity compared to the cuvettes, and made of a highly thermally conductive material, for example made of anodized aluminum, the walls of the funnel-shaped receptacles 823 in the region of the lower half of the cuvette being at least 10%, preferably at least 20%, of the walls touch the cuvettes 201 in a form-fitting manner to ensure optimal heat transfer.
  • the cuvette block 820 consists of a base part 821 with the receptacles 823 and a removable front part 822, the cuvette block 820 with the front part 822 removed being shown in FIG. 2b.
  • Thermostat device 830 arranged, which has a cooling and heating device, for example in the form of one or more Peltier elements 831 and cooling fins 832.
  • a cooling and heating device for example in the form of one or more Peltier elements 831 and cooling fins 832.
  • Temperature sensor 833 arranged.
  • connection surfaces 824 can be seen, which can also be used for attaching a cooling and heating device, for example Peltier elements. Furthermore, the front part 822 has openings 825 corresponding to the measurement windows 202 of the cuvettes 202 in order to enable optical measurement of the liquid media in the cuvettes 201.
  • An ultrasonic transducer 840 for example a thickness transducer, is attached to the bottom 204 of each cuvette 201, e.g. glued or injected during the manufacture of the cuvette, with which ultrasonic energy can be introduced into the cuvette 201.
  • the ultrasonic energy introduced is used both for mixing the liquid media and for targeted heating - in addition to the base load from the
  • the ultrasound transducer 840 is designed as a piezoelectric thickness transducer which, as shown in detail in FIG. 3c, essentially consists of one
  • Contact electrodes 841 and 843 exist.
  • the electrode 841 on the side of the cuvette is plated through via lateral contact strips 844 to the lower electrode 843 and forms crescent-shaped contact surfaces 845 there.
  • Spring contact board 846 supported contact block 847 is provided, which has four contact springs 848, two of which contact the crescent-shaped contact surfaces 845 and two the lower contact electrode 843 of the ultrasonic transducer 840.
  • the cuvette 201 has a collar 205 on the filling opening 207 and stop strips 206 on opposite sides, with which the cuvette 201 is held in the cuvette block 820 against the pressure of the contact springs 848.
  • the edge of the spring contact board 846 is inserted in a horizontal groove 826 of the cuvette block 820 and is supported on the decoder board 850 which carries downwards and whose circuits are explained in more detail in FIG. 4.
  • FIG. 4 shows a block diagram for the electronic control of the device for mixing and thermostatting liquid media according to FIG. 2a, which comprises the functional blocks personal computer 588, controller board 860, decoder board 850, cuvette block 820, and a temperature control circuit 870.
  • the controller board 860 has an FPGA (Field Programmable Gate Array) as the processor 861 and serves to control the decoder board 850 and the
  • the personal computer 588 can, for example, be connected to the controller board 860 via an Ethernet interface and, depending on the mixing and thermostatting task to be carried out, transmits corresponding orders in one of the cuvettes 201 of the cuvette block 820 for executing firmware programs on the controller board 860 and serves for
  • cuvettes 201 with the associated ultrasound transducers 840 are arranged at the positions K1 to K16 and PI to P16, with a Peltier element in each case for the thermostatting in the example shown in the positions PE1 to PE4 or TI to T4 831 including assigned
  • the temperature control circuit 865 thus has four temperature control circuits 866 each made of a Peltier element 831, a temperature sensor 833 and a PID (proportional, Integral, derivative) controller RI to R4 and is connected via an interface to controller board 860 for data exchange (receiving parameters such as temperature setpoints and returning measured temperatures of temperature control circuit 865 to controller board 860).
  • PID proportional, Integral, derivative
  • the decoder board 850 is also connected to the controller board 860 via an interface and receives control signals from it for the selection of individual ultrasonic transducers 840 via the one implemented on the decoder board 850
  • the oscillator circuit 852 receives control signals for adapting the frequency, duty cycle (duty ratio, duty factor, or duty cycle), burst pattern (burst pattern), amplitude, phase and ON and OFF states of the signal generation of the oscillator.
  • the oscillator circuit 852 comprises a voltage-controlled oscillator (VCO) 853, the frequency signal of which via a
  • Burst generator 854 can be modulated.
  • the amplitude of the modulated signal can also be adjusted via a controllable preamplifier 855 and a downstream amplifier output stage 856.
  • the final amplified signal is transformed up to the required operating voltage of the ultrasonic transducers 840 via a transmitter, and one of the 16 piezoelectric ultrasonic transducers 840 on the cuvettes 201 on the cuvette block 820 is connected to the cuvettes 201 via the optoswitches from S1 to S16 selected by the decoder circuit 851.
  • FIGS. 2a, 2b shows a first example of a thermostatting process according to the invention of a sample-reagent mixture in a cuvette which is arranged in a thermostattable cuvette block (see FIGS. 2a, 2b).
  • the temperature profile a shows the heating of the sample-reagent mixture only by the cuvette block thermostatted to the temperature TBL, the target temperature (corresponds to a temperature TBL- X slightly below the temperature TBL) at which the sample-reagent mixture can be measured only for the first time Time t 2 is reached.
  • the required target temperature is reached much earlier, at time ti, when ultrasound boosts are introduced in the time periods M and A to C, as is shown in the temperature curve ⁇ .
  • the cuvette block is thermostatted at an essentially constant electrical power PBL.
  • Block temperature TBL is 0.1 to 1 ° C above the target temperature and stabilization of the block temperature with an accuracy of 0.1 ° C.
  • the sample-reagent mixture is after Pipette into the cuvette at an initial temperature of 10-15 ° C if the pipetted reagents come from a storage area cooled to 5 ° C and heat up to 10-15 ° C in the pipettor and in the supply lines.
  • Delivery of an ultrasound signal for a predefined cumulative mixing period M which in the case of an ultrasound signal with the average electrical power PP introduces an amount of energy M x PP into the sample-reagent mixture and results in a calculated temperature rise DT M , which is based on variable data from the analysis to be carried out known properties of the sample-reagent mixture such as heat capacity, viscosity, thermal conductivity and its volume and constant, stored in the device
  • Reagents require stirring processes from 1 to 3, depending on the stirring task
  • the temperature rise DTM of a 2-second stirring pulse for example, depending on the intensity, being around 3 ° C.
  • Ultrasonic power PP is determined by tests on various sample-reagent mixtures and stored in the device.
  • an optical signal from an analyte measurement can be continuously measured from the sample-reagent mixture and the
  • thermal characteristics is calculated. ) Hold a pause> 0.5 s, for example to cool down the
  • TBL- X Reaching a target temperature TBL- X which is below the temperature of the cuvette block by the value x, where x is for example at a fixed value of 0.1-1 ° C, preferably 0.1-0.5 ° C.
  • the target temperature is fixed and in the example shown is between 36.5 and 37.5 ° C.
  • the temperature constancy during the subsequent optical measurement of an analyte concentration should be around 0.1 ° C.
  • Target temperature of 36.5 to 37.5 ° C thanks to the thermostatted cuvette block, whose block temperature TBL is 0.1 to 1 ° C above the target temperature and stabilization of the block temperature with an accuracy of 0.1 ° C.
  • Example 2 (as in Example 1) fill an empty cuvette with a sample reagent mixture which has an initial temperature To.
  • the sample-reagent mixture has one after pipetting into the cuvette
  • Reagents require stirring processes from 1 to 3, depending on the stirring task
  • the temperature rise DT M of a 2-second stirring pulse for example, depending on the intensity, being approximately 3 ° C.
  • the mixing time M required to obtain a stable measurement signal, a washing or incubation process can be given
  • Ultrasonic power PP is determined by tests on various sample-reagent mixtures and stored in the device.
  • an optical signal from the sample-reagent mixture can be measured continuously, for example a signal that correlates with an analyte concentration, and the mixing process can be stopped as soon as a stable signal is obtained, the temperature drop DT M - as mentioned - is calculated from known thermal characteristics.
  • Adherence to a pause> 0.5 s for example for cooling the cuvette bottom and, if necessary, a glue point to the ultrasonic transducer.
  • the temperature T ßL -y is calculated from the expected temperature rise and, depending on the operating scenario , is subject to an inaccuracy of one or more ° C, which is why T B Ly is set below the desired target temperature TBL-X. From this temperature, the temperature is entered into the cuvette content purely via heat conduction between the cuvette block and the cuvette content.
  • the target temperature is fixed and in the example shown is between 36.5 and 37.5 ° C.
  • the temperature constancy during the period of one subsequent optical measurement of an analyte concentration should be around 0.1 ° C.
  • mixing of two or more liquids individually introduced into one of the cuvettes 201 can in some cases not take place with sufficient mixing quality or mixing speed if the mixing is carried out exclusively via the introduced ultrasound energy from an external source
  • Ultrasonic transducers such as that attached to the cuvette 201
  • Ultrasonic transducer 840 Ultrasonic transducer 840.
  • the reagent liquids to be mixed that are introduced into one of the cuvettes 201 can have a high viscosity and / or a large viscosity
  • Buffer solutions that are placed in a cuvette for mixing.
  • the liquids can be introduced, for example, using a known x-y-z laboratory robot with an automatic pipettor.
  • steps 1) and 2) can be repeated several times.
  • the ultrasound mixing can be started by applying ultrasound before or during step 1) and 2) and can be carried out continuously or discontinuously, but in any case after a sequence of steps 1) and 2).
  • Reagent in aqueous solution in the cuvette 201 Reaspiration of 50 pl_ of the liquid volume already pipetted into the cuvette and re-release of the reaspired liquid volume into the cuvette 201

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (810) und ein Verfahren zum Mischen und Thermostatisieren flüssiger Medien, die zur Bestimmung von Analyten in aneinander gereihten Küvetten (201) eines Küvettenarrays (200) eingebracht sind, wobei die Vorrichtung (810) einen auf eine vorgebbare Blocktemperatur geregelten Küvettenblock (820) mit formschlüssigen Aufnahmen (823) für die Küvetten (201) aufweist. Erfindungsgemäß ist der Küvettenblock (820) mit einer Thermostatisiereinrichtung (830) ausgestattet und steht mit den einzelnen Küvetten (201) in thermischem Kontakt, wobei an jeder Küvette (201) zumindest ein Ultraschall-Wandler (840) zum Einbringen von Ultraschallenergie in die Küvetten (201) befestigt ist. Der Ultraschall-Wandler (840) ist als piezoelektrischer Schwinger ausgeführt und steht mit einer Steuereinheit (860) in Verbindung, die den zumindest einen Ultraschall-Wandler (840) in Abhängigkeit von Parameterwerten der flüssigen Medien ansteuert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Mischen und Thermostatisieren flüssiger Medien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen und
Thermostatisieren flüssiger Medien, die zur Bestimmung von Analyten in
aneinander gereihten Küvetten eines Küvettenarrays eingebracht werden, wobei die Küvetten des Küvettenarrays formschlüssig in Aufnahmen eines auf eine
Blocktemperatur thermostatisierten Küvettenblocks angeordnet sind.
In der klinischen Diagnostik, der Analytik und der Mikrobiologie werden
routinemäßig Analysen durchgeführt, bei denen die Notwendigkeit besteht, vor allem mit optischen Verfahren eine schnelle und exakte Bestimmung von
bestimmten Eigenschaften und Inhaltsstoffen (Analyte) von flüssigen Proben, exakt und reproduzierbar durchführen zu können.
Zur Vorbereitung der Messung von Analytkonzentrationen in einem in einer Küvette befindlichen Proben-Reagenzgemisch, beispielsweise mittels optischer Verfahren wie Extinktions-, Fluoreszenz-, Streulicht-, oder Lumineszenzmessung, ist in einem ersten Schritt eine Homogenisierung des Proben-Reagenziengemisches durch Umwälzen oder Rühren zwingend erforderlich, während in einem zweiten Schritt das Proben-Reagenziengemisch auf eine auf etwa 0.1°C stabilisierte Zieltemperatur zu bringen ist. Bei der Analyse von biologischen Proben, insbesondere bei der Analyse von Körperflüssigkeiten wie Blut, Blutplasma, Urin und Liquor ist eine auf etwa 0.1°C konstant stabilisierte Temperatur zwischen 25 und 42°C, vorzugsweise zwischen 36.5 und 37.5°C, erwünscht. Insbesondere die Kinetik enzymatischer und immunchemischer Nachweisreaktionen hängt von der Temperatur ab, wobei die Kinetik mit Temperaturerhöhung allgemein zunimmt.
Zur Erreichung eines hohen Probendurchsatzes ist es erforderlich, die jeweilige Zieltemperatur bei der die Messung beginnen kann, möglichst schnell zu erreichen. Ein Überschießen der Zieltemperatur beim Aufheizen der Flüssigkeit ist aufgrund der Empfindlichkeit vieler Proben, wie z.B. biologische Proben unbedingt zu vermeiden. Biologische Probenbestandteile wie Proteine (z.B. Albumin, Globuline und Enzyme) sind zu bestimmende Bestandteile von beispielsweise Blutplasma und Urin, die aber bei Überschreiten von Temperaturen >40°C mit zunehmender Geschwindigkeit denaturieren, während Enzyme und Antikörper wesentliche
Bestandteile vieler Reagenzien sind. Insbesondere kann es durch lokale Hotspots an heißen Gefäßwänden bei hohen Wärmestromdichten zur Denaturierung von biologischen Proben oder Reagenzien kommen, selbst wenn die erreichte mittlere Temperatur des Proben-Reagenzgemischs noch keinen kritischen Wert erreicht. Hierdurch würde das Ergebnis einer durchzuführenden Messung des Analyten im Proben-Reagenzgemisch verfälscht und unbrauchbar gemacht.
Des Weiteren besteht die Erfordernis, den Inhalt mehrerer Küvetten, die in einem Analysegerät zu unterschiedlichen Zeitpunkten befüllt werden, auf die
Zieltemperatur zu thermostatisieren, wobei es von Vorteil ist, wenn mehrere
Küvetten durch Wärmeleitung aus einem auf eine konstante Temperatur
vorthermostatisierten Block aus hoch wärmeleitfähigem Material oder einem umgewälzten Wärmeträger thermostatisiert werden können, ohne für jede Küvette einen separaten Regelkreis, bestehend aus Temperaturfühler, Heizelement und elektronischer Regeleinheit, einzusetzen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden einige wesentliche, in der gegenständlichen Anmeldung verwendete technische Begriffe näher definiert:
Thermostatisieren flüssiger Medien :
Das Thermostatisieren von flüssigen Medien im Sinne der Erfindung umfasst sowohl das Aufheizen eines Proben-Reagenzgemischs als auch von partikelhaltigen Medien oder Gemischen (Suspensionen) inklusive der Stabilisierung einer erreichten
Zieltemperatur.
Die zu thermostatisierenden„flüssigen Medien" umfassen wässrige, rührbare Gemische einer flüssigen Probe (zB. biologische Proben wie Blutplasma, Urin,
Liquor, etc.) mit ein oder mehreren Reagenzien. Dies umfasst erfindungsgemäß sowohl homogene flüssige Medien als auch heterogene flüssig-flüssig
(Dispersionen) oder flüssig-fest (Suspensionen) Gemische. Insbesondere
eingesetzte Reagenzien können in Form von suspendierten magnetischen Beads oder als beispielsweise kolloidal vorliegende Latexpartikel in das Gemisch
eingebracht werden.
Küvette :
Eine Küvette im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet ein allseitig
verschlossenes, nach oben hin offenes und thermostatisierbares Gefäß zur
Aufnahme von Proben- und Reagenzienflüssigkeiten und der sich daraus
ergebenden Reaktionsgemische und dient zur Vermessung der Reaktionsgemische mittels photometrischer, turbidimetrischer und luminometrischer Verfahren. Eine Küvette im Sinne der vorliegenden Erfindung weist zumindest ein für das
angewandte optische Messverfahren durchlässiges, in einer Seitenwand der Küvette angeordnetes Fenster auf oder ist zur Gänze optisch transparent ausgeführt. Küvettenarrav:
Bezeichnet eine Vielzahl aneinander gereihter Küvetten. Wenn diese ortsfest angeordnet sind und während des gewöhnlichen Messbetriebs nicht bewegt werden, kann man von einem stationären Küvettenarray sprechen.
Stand der Technik:
Aus der DE 27 26 498 Al (HELLMA) ist eine temperierbare Küvettenanordnung bekannt geworden. Wie in Fig. la der gegenständlichen Anmeldung dargestellt, ist ein thermostatisierbarer Küvettenblock 55 mit mehreren Aufnahmeschächten 56 vorgesehen, in die Küvetten 57 eingesetzt werden können. Die nach unten konisch zulaufenden, seitliche Messfenster 58 aufweisenden Küvetten 57 sind formschlüssig in einen U-förmigen, gut wärmeleitenden Adapter 59 eingesetzt, der über die Wände 60 des Aufnahmeschachts 56 den thermischen Kontakt zum Küvettenblock 55 herstellt. Das Proben-Reagenziengemisch in jeder der Küvetten 57 kann jeweils durch einen Messkanal 61 im Küvettenblock 55 optisch vermessen werden.
Nachteilig dabei ist, dass sich die Temperatur des Proben-Reagenziengemisches nur langsam auf die Temperatur des Küvettenblocks aufheizt. Somit wird das Erreichen eines hohen Probendurchsatzes in einem Analysator erschwert, da die
Thermostatisierung bei der Analyse einer Probe stets zu den Prozessen mit dem höchsten Zeitbedarf zählt.
Die JP 2007-303964 A (OLYMPUS) offenbart - wie in Fig. lb der gegenständlichen Anmeldung dargestellt - eine Vorrichtung zur Thermostatisierung von Küvetten 62, die in Aufnahmen eines drehbaren Karussells 63 angeordnet sind. Die Vorrichtung weist ein an der Seitenwand jeder Küvette 62 befestigtes piezoelektrisches Substrat 64 auf, auf welchem sowohl eine Elektrodenstruktur eines Interdigitalwandlers (IDT) als Ultraschall-Wandler 65, als auch ein Temperatursensor 66 zur nicht- invasiven Messung der Temperatur des Küvetteninhalts integriert ist. Eine über Schleifkontakte 67 angeschlossene Temperatur-Regeleinheit 68 einer Steuereinheit 69 bildet zusammen mit der Treibereinheit 70 für den Ultraschall-Wandler 65 einen Regelkreis, um eine Reaktionsmischung in der Küvette 62 zu thermostatisieren. Dabei wird das Proben-Reagenzgemischs durch Absorption von Ultraschallenergie direkt bis zur Zieltemperatur erwärmt.
Nachteilig ist hierbei, dass jede Küvette 62 ein angeklebtes piezoelektrisches Substrat 64 mit integriertem Temperatursensor 66 benötigt, der mit einer elektronischen Regeleinheit 68 in Kontakt gebracht werden muss. Weiters kann die auf dem Substrat des Ultraschall-Wandlers 65 gemessene Temperatur durch die Eigenerwärmung des Ultraschall-Wandlers verfälscht werden und entspricht somit nicht der Temperatur des Proben-Reagenzgemischs in der Küvette 62. Weiters befindet sich der Temperatursensor 66 nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit, sondern kann die Temperatur der Flüssigkeit nur indirekt über die Wärmeleitung der Gefäßwand der Küvette 62 aufnehmen, wodurch insbesondere bei einer für einen hohen Probendurchsatz erforderlichen, raschen Erwärmung der Flüssigkeit, der Temperaturanstieg in der Flüssigkeit nicht mit ausreichender Schnelligkeit und Genauigkeit gemessen werden kann, um eine dauernde oder vorübergehende Überschreitung der Zieltemperatur um einen für die Probenbestandteile kritischen Wert ausschließen zu können. Andererseits ist eine Messung der Temperatur in der Flüssigkeit, beispielsweise mithilfe eines Tauchfühlers nicht ohne Nachteile durchführbar, da es hierdurch zu einer Verschleppung von Probenmaterial in andere Küvetten kommen kann.
Aus der EP 1 995 597 Al (OLYMPUS) ist eine Vorrichtung zum Rühren von
Flüssigkeiten in Küvetten 71 bekannt, die - wie in Fig. lc der gegenständlichen Anmeldung dargestellt - auf einem drehbaren Küvettenkarussell 72 angeordnet sind, wobei an der Seitenwand jeder Küvette ein Schallerzeuger 73
(Interdigitalwandler (IDT)) zur Einstrahlung von Ultraschallenergie in die Küvette 71 angeklebt ist. Gemäß EP 1 995 597 Al werden unterschiedliche Maßnahmen ergriffen, um eine durch Absorption von Schallenergie auftretende, unerwünschte Temperaturerhöhung des Küvetteninhalts zu begrenzen und eine Verfälschung der Analyseergebnisse durch thermische Schädigung zu verhindern.
Der Schallerzeuger 73 dient ausschließlich zum Mischen und Rühren des
Küvetteninhalts, wobei der dabei entstehende Wärmeeintrag unerwünscht ist. Der Wärmeeintrag kann durch Begrenzung der Betriebsdauer, der
Amplitudenmodulation oder Variation der Betriebsfrequenz des
Ultraschallgenerators minimiert werden. Gemäß einer weiteren Maßnahme zur Begrenzung des Wärmeeintrags kann mittels eines Aktuators 75 für jede Küvette 71 ein eigenes Peltier-Element 76 direkt an das Substrat des angeklebten
Schallerzeugers 73 angelegt werden, um dieses während des Betriebs aktiv zu kühlen. Die Steuerung der Leistung des Peltier-Elements 76 erfolgt über
gespeicherte Betriebsparameter, wobei am Peltier-Element keine
Temperaturmessung vorgesehen ist. Der Signalgenerator 77 für den Schallerzeuger 73 wird von einer Treibereinheit 78 einer Steuereinheit 74 angesteuert.
Die EP 1 995 597 Al offenbart weder eine Thermostatisierung des
Küvettenkarussells, noch einen vorbestimmten Ultraschalleintrag in die Küvette zur Erreichung einer vorgebbaren Zieltemperatur des Küvetteninhalts.
Um den Misch- bzw. Rührvorgang präziser zu regeln und zu gewährleisten, dass ein schädlicher Temperaturwert beim Rühren nicht überschritten wird, kann gemäß einer Ausführungsvariante der EP 1 995 597 Al eine Temperaturmessung der Flüssigkeit von oben mit einem stationären Infrarot-Sensor durchgeführt werden, die aber je nach Drehposition des Karussells nur an jeweils einer bestimmten Küvette, und nicht gleichzeitig an mehreren Küvetten des Karussells durchgeführt werden kann. Weiters besteht bei bekannten Infrarot-Sensoren der Nachteil, dass diese aufgrund der Messung von langwelligem Infrarot nur
Oberflächentemperaturen messen können, die von der tatsächlichen Bulk- Temperatur abweichen können und zusätzlich durch eine geringfügige Änderung der Emissivität, beispielsweise durch variable Meniskusbildung oder Schaumbildung an der Oberfläche der Flüssigkeit, verfälscht werden können.
Da eine Temperaturmessung mittels des vorgesehenen Infrarot-Sensors die
Oberflächentemperatur der Flüssigkeit wiedergibt, wird die Temperatur der
Flüssigkeit nur lokal und somit nur mit einer für eine präzise Thermostatisierung ungenügenden Genauigkeit erfasst. Wie bei der zuvor genannten indirekten
Flüssigkeitstemperatur-Messung über die Gefäßwand (JP 2007-303964 A), kommt es auch hier zu Messfehlern, die in einer Regelschleife zur Thermostatisierung der Flüssigkeit beim schnellen Aufheizen von biologischen Substanzen über bestimmte Temperaturen zu einer thermischen Schädigung führen kann.
Die JP 2007-010345 A (OLYMPUS) beschreibt eine Ultraschall-Rührvorrichtung, mit welcher der Inhalt L einer Küvette 81 vermischt werden kann. Wie in Fig. Id der gegenständlichen Anmeldung dargestellt, ist an Boden 82 der Küvette 81 ein piezokeramischer Ultraschall-Erzeuger (Dickenschwinger 83) angeklebt, wobei die Form und das Material des Küvettenbodens eine akustische Linse 84 bildet, um die Ultraschall-Energie im Punkt F knapp unterhalb die Flüssigkeitsoberfläche zu bündeln. Der Dickenschwinger 83 aus Blei-Zirkonat-Titanat ("sounding body") weist eine plane Scheibe 85 mit beidseitig flächiger, elektrischer Kontaktierung 86 auf, mit einem Durchmesser der größer ist als jener des Küvettenbodens 82.
Aus der EP 1 128 185 A2 und der EP 2 275 823 Al (beide HITACHI) sind jeweils automatische Analysatoren bekannt geworden, deren Küvetten in einem
thermostatisierten Wasserbad eines Küvettenkarussells angeordnet sind. An einer Position der Wand des Wasserbades ist eine Rührstation in Form eines
piezoelektrischen Ultraschallwandlers angeordnet, mit welchem Ultraschall zum Rühren des Küvetteninhalts durch das Wasserbad hindurch in die Küvette
eingestrahlt werden kann. Die einzelnen Küvetten des Küvettenkarussells müssen in nachteiliger Weise jeweils der Rührstation zugeführt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen und Thermostatisieren flüssiger Medien, die in aneinander gereihten Küvetten eines Küvettenarrays eingebracht werden, derart zu verbessern, dass die Zeitdauer vom Einbringen der flüssigen Medien in die Küvette bis zum Erreichen einer
vorgegebenen Zieltemperatur verkürzt wird, ohne dass Gefahr besteht, das Proben- Reagenziengemisch thermisch zu schädigen. Weiters soll das Proben- Reagenziengemisch beim Erreichen der Zieltemperatur optimal vermischt sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung einen auf eine vorgebbare Blocktemperatur geregelten Küvettenblock mit formschlüssigen Aufnahmen für die Küvetten aufweist, der mit einer Thermostatisiereinrichtung ausgestattet ist und mit den einzelnen Küvetten in thermischem Kontakt steht, dass an jeder Küvette zumindest ein Ultraschall-Wandler zum Einbringen von Ultraschallenergie in die Küvetten befestigt ist, sowie dass der Ultraschall-Wandler als piezoelektrischer Schwinger ausgeführt ist und mit einer Steuereinheit in Verbindung steht, die den zumindest einen Ultraschall-Wandler in Abhängigkeit von Parameterwerten der flüssigen Medien ansteuert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Mischen und Thermostatisieren flüssiger Medien, die zur Bestimmung von Analyten in aneinander gereihten Küvetten eines Küvettenarrays eingebracht werden, wobei die Küvetten des Küvettenarrays formschlüssig in Aufnahmen eines auf eine Blocktemperatur thermostatisierten Küvettenblocks angeordnet sind, zeichnet sich durch folgende Schritte aus: a) Erwärmen der leeren Küvetten auf eine vorgebbare Zieltemperatur von 25 bis 42°C, vorzugsweise von 36,5 bis 37,5°C, durch Wärmeleitung aus dem thermostatisierten Küvettenblock, dessen Blocktemperatur TBL 0,1 bis 1°C, vorzugsweise 0,1 bis 0,5°C, über der Zieltemperatur liegt, b) Zugabe eines oder mehrerer flüssiger Medien mit einer niedrigeren
Temperatur als die Zieltemperatur in zumindest eine der Küvetten, wobei die flüssigen Medien in der Küvette eine unter der Zieltemperatur liegende Ausgangstemperatur aufweisen, c) Erwärmen der flüssigen Medien mit Hilfe des thermostatisierten
Küvettenblocks, um die vorgegebene Zieltemperatur zu erreichen, d) in der Erwärmungsphase durch Wärmeleitung gemäß Punkt c), vor dem Erreichen der Zieltemperatur, zusätzliche Einbringung einer vorbestimmten Menge an Ultraschallenergie mit Hilfe zumindest eines an jeder Küvette befestigten (kontaktierenden) Ultraschall-Wandlers zur Erhöhung der Erwärmungsrate, sowie e) gleichzeitiges Mischen der flüssigen Medien mit Hilfe der in Punkt d)
eingebrachten Ultraschallenergie.
Erfindungsgemäß wird somit dem Küvetteninhalt Wärmeenergie aus zwei unterschiedlichen Wärmequellen zugeführt. Neben dem Eintrag von Wärmeenergie durch Wärmeleitung (konduktiver Eintrag) erfolgt ein vorbestimmter, nicht konduktiver Eintrag von Wärmeenergie mittels Ultraschall. Damit kann eine in Bezug auf den rein konduktiven Eintrag raschere Erwärmung des Küvetteninhalts auf eine genau vorgebbare Zieltemperatur (ohne Überschreitung der Zieltemperatur) erreicht werden, wobei der Küvetteninhalt durch den Eintrag der Ultraschallenergie gleichzeitig gemischt wird. Der Haupteintrag an Wärmeenergie erfolgt dabei durch Wärmeleitung und ein relativ kleinerer Eintrag mittels
Ultraschall.
In Punkt b) erfolgt die Zugabe eines oder mehrerer flüssiger Medien bevorzugt dann, wenn der Küvettenblock die Zieltemperatur erreicht hat
Insbesondere ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die in Punkt d) eingebrachte Menge an Ultraschallenergie in Abhängigkeit von Parameterwerten der in Punkt b) zugegebenen flüssigen Medien, wie Menge, Wärmekapazität, Viskosität, thermische Leitfähigkeit und Temperatur, ermittelt wird.
Die einzubringende Menge an Ultraschallenergie kann beispielsweise in einem Test- oder Kalibrierschritt werkseitig durch Versuchsmessungen und/oder Berechnungen ermittelt werden, wobei dann eine entsprechende Information in Form von
Speicherdaten oder optisch einlesbarer Codes anwenderseitig zu Verfügung gestellt wird.
Nach Fertigstellung der Kalibrierung für alle vorgesehenen Analytbestimmungen sind anwenderseitig, im laufenden Betrieb der Vorrichtung zum Mischen und Thermostatisieren flüssiger Medien, keine Maßnahmen erforderlich, die benötigte Menge an Ultraschall-Energie für die jeweilige Analytbestimmung zu ermitteln, da auf die entsprechenden Werte aus der Test- und Kalibrierphase zugegriffen werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden allfällige, beim schnellen Aufheizen auftretende, lokale Hotspots effektiv unterbunden, da das Einbringen von
Ultraschallenergie durch Steuercodes geregelt wird, die beispielsweise in einem Analyseprotokoll abgelegt sind und in Abhängigkeit von Parameterwerten der Flüssigkeit ermittelt wurden, derart, dass die Flüssigkeit in der Küvette erhitzt und stets gleichzeitig umgewälzt wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht somit darin, dass durch die
Parametrisierung der eingebrachten Menge an Ultraschallenergie die Temperatur des Küvetteninhalts niemals größer werden kann als jene des auf eine für die Probe verträgliche Endtemperatur vorthermostatisierten Küvettenblocks. Hierdurch kann eine thermische Schädigung biologischer Proben und Reagenzien durch Hotspots oder eine kurzfristige Überschreitung der Zieltemperatur weitgehend
ausgeschlossen werden.
Technisch besonders einfach und zuverlässig ist die Temperierung
aneinandergereihter Küvetten mithilfe eines Küvettenblocks aus einem
zusammenhängenden, wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise einem Block aus eloxiertem Aluminium. Typisch für die Erwärmung des Küvetteninhalts aus einer vorthermostatisierten Wärmequelle ist eine asymptotische Annäherung an die Blocktemperatur TBL, sodass die Erwärmung zunächst rasch, und dann immer langsamer erfolgt. Da die Blocktemperatur TBL nie ganz erreicht wird, wird bei einer Blockthermostatisierung eine etwas darunterliegende Temperatur von TBL-X als Zieltemperatur akzeptiert, die bei der Thermostatisierung von biologischen Proben im Rahmen einer optischen Messung bestimmter Analyte typischerweise im Bereich von 0.1 - 1°C, vorzugsweise von 0.1 - 0.5°C, unter der Blocktemperatur liegt und sich während der Messung(en) im Rahmen der Analyse nicht um mehr als 0.1°C ändern darf (siehe Fig. 5a, 5b).
Erfindungsgemäß kann die Ultraschall-Energie gemäß Punkt d) in mehreren
Teilmengen (Boosts) gepulst in die flüssigen Medien eingebracht werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn zumindest eine Teilmenge der in Punkt d) eingebrachten Ultraschall-Energie im Hinblick auf die Pulsdauer, die Frequenz und die Amplitude zum Vermischen der flüssigen Medien in der Küvette optimiert wird.
Hierbei kann eine für ein kombiniertes Mischen (durch Erzeugung einer Konvektion in der Flüssigkeit) und Erhitzen (durch die Absorption von Ultraschall in der
Flüssigkeit) günstige Signalform gewählt werden, ausgehend von einer
Grundfrequenz des Ultraschall-Wandlers, welche durch eine aufgeprägte, im
Vergleich niedrigere Frequenz moduliert sein kann. Weiters kann auch die
Amplitude der Grundfrequenz des Ultraschall-Wandlers durch eine aufgeprägte, im Vergleich niedrigere Frequenz moduliert sein, wobei die Amplitude zwischen einer Vollaussteuerung (100%) des Signals, bis zur Abschaltung des Signals (0%) variiert werden kann. Eine Amplitudenmodulation mit dem Amplitudenverhältnis (100:0) würde hierbei einem Burst-Muster entsprechen. Es können in beiden Fällen
Modulationssignalformen wie Sinus, Rechteck, Sägezahn oder Ähnliches zum
Einsatz kommen.
Besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf das Vermischen der in die Küvette eingebrachten flüssigen Medien können erzielt werden, wenn der Ultraschall- Wandler mit einer Grundfrequenz von 200 kHz bis 200 MHz, beispielsweise bei Verwendung eines Dickenschwingers mit ca. 0,5 MHz bis 10 MHz, und bei
Verwendung eines Interdigital-Wandlers mit ca. 50 MHz bis 150 MHz, betrieben wird.
Bevorzugt wird der Grundfrequenz des Ultraschall-Wandlers eine
Modulationsfrequenz der Amplitude von 1 bis 100 Hz aufgeprägt.
Zur Vermischung und Erhitzung von wässrigen Reagenzien- und Probenflüssigkeiten bei der Durchführung von Analysen in entsprechenden Küvetten hängt die
Grundfrequenz vorteilhaft einsetzbarer Ultraschall-Wandler von der Art des verwendeten Ultraschall-Wandlers ab. Werden angeklebte Dickenschwinger aus Piezokeramik verwendet, liegen Grundfrequenzen geeigneter Bauformen (je nach Größe und Dimension des Substrats) zwischen etwa 200 kHz und 10 MHz, vorzugsweise bei etwa 0,5 bis 10 MHz. Werden angeklebte Interdigital-Wandler verwendet, liegen Grundfrequenzen geeigneter Bauformen (je nach Größe und Dimension des Wandlers, sowie des Substrats) bei etwa 10 bis 200 MHz, vorzugsweise bei etwa 50-150 MHz.
Die Ultraschall-Wandler können auch mittels Federkraft an die einzelnen Küvetten angepresst werden.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von zum Teil schematischen
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen :
Fig. la bis Fig. Id unterschiedliche Vorrichtungen zum Mischen und
Thermostatisieren flüssiger Medien gemäß Stand der Technik,
Fig. 2a eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Mischen und Thermostatisieren flüssiger Medien in einer dreidimensionalen Darstellung,
Fig. 2b die Vorrichtung gemäß Fig. 2a mit abgenommenem Vorderteil des
Küvettenblocks,
Fig. 3a die Vorrichtung gemäß Fig. 2a in einer Schnittdarstellung nach Linie III- III in Fig. 2a,
Fig. 3b eine Schnittdarstellung einer Küvette samt deren Umgebung nach Linie IV-IV in Fig. 3a,
Fig. 3c eine Küvette samt Ultraschall-Wandler der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß Fig. 2a in einer dreidimensionalen Ansicht,
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur elektronischen Ansteuerung der Vorrichtung zum Mischen und Thermostatisieren flüssiger Medien gemäß Fig. 2a
Fig. 5a ein Temperaturdiagramm zur Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels eines Thermostatisier- und Mischvorganges einer Flüssigkeit, sowie
Fig. 5b ein Temperaturdiagramm zur Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels eines Thermostatisier- und Mischvorganges einer Flüssigkeit.
Die in den Fig. la bis ld dargestellten Vorrichtungen zum Mischen und
Thermostatisieren flüssiger Medien betreffen Beispiele zum Stand der Technik und wurden bereits in der voranstehenden Beschreibungseinleitung ausführlich dargelegt.
Funktionsgleiche Teile sind in den einzelnen Ausführungsvarianten der Erfindung mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in den Fig. 2a, 2b und 3a dargestellte Vorrichtung 810 zum Mischen und
Thermostatisieren flüssiger Medien dient dazu, die in den aneinander gereihten Küvetten 201 eines Küvettenarrays 200 eingebrachten flüssigen Medien zu thermostatisieren. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um ein lineares, stationäres Küvettenarray 200.
Die einzelnen Küvetten 201 des Küvettenarrays 200 sind in einem
thermostatisierbaren Küvettenblock 820 mit einer im Vergleich zu den Küvetten hohen Wärmekapazität, sowie aus einem hoch wärmeleitfähigem Material, beispielsweise aus eloxiertem Aluminium, angeordnet, wobei die Wände der trichterförmigen Aufnahmen 823 im Bereich der unteren Küvettenhälfte zumindest 10%, bevorzugt zumindest 20%, der Wände der Küvetten 201 formschlüssig berühren, um eine optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten. Der
Küvettenblock 820 besteht aus einem Basisteil 821 mit den Aufnahmen 823 und einem abnehmbaren Vorderteil 822, wobei in Fig. 2b der Küvettenblock 820 mit abgenommenem Vorderteil 822 dargestellt ist.
Am Küvettenblock 820, beispielsweise am Basisteil 821, ist eine
Thermostatisiereinrichtung 830 angeordnet, die eine Kühl- und Heizeinrichtung, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Peltier-Elemente 831 sowie Kühlrippen 832 aufweist. Zur Regelung der Temperatur des Küvettenblocks 830 ist in einer Aufnahme zwischen dem Basisteil 821 und dem Peltier-Element 831 ein
Temperatursensor 833 angeordnet.
Am abnehmbaren Vorderteil 822 des Küvettenblocks 820 sind Anschlussflächen 824 erkennbar, die ebenfalls für die Anbringung einer Kühl- und Heizeinrichtung, beispielsweise Peltier-Elemente, genutzt werden können. Weiterhin weist das Vorderteil 822 mit den Messfenstern 202 der Küvetten 202 korrespondierende Öffnungen 825 auf, um eine optische Vermessung der flüssigen Medien in den Küvetten 201 zu ermöglichen.
Am Boden 204 jeder Küvette 201 ist ein Ultraschall-Wandler 840, beispielsweise ein Dickenschwinger, befestigt, z.B. angeklebt oder bei der Herstellung der Küvette mitgespritzt, mit welchem Ultraschallenergie in die Küvette 201 eingebracht werden kann. Die eingebrachte Ultraschallenergie wird sowohl zum Mischen der flüssigen Medien als auch zum gezielten Zuheizen - neben der Grundlast aus der
Thermostatisierung durch den Küvettenblock 820 - verwendet. Der Ultraschall-Wandler 840 ist als piezoelektrischer Dickenschwinger ausgeführt, der - wie in Fig. 3c im Detail dargestellt - im Wesentlichen aus einem
scheibenförmigen, piezoelektrischen Element 842 und beidseitigen
Kontaktelektroden 841 und 843 besteht. Die küvettenseitige Elektrode 841 ist über seitliche Kontaktstreifen 844 zur unteren Elektrode 843 durchkontaktiert und bildet dort halbmondförmige Kontaktflächen 845.
Für jede Küvette 201 und deren Ultraschall-Wandler 840 ist ein von einer
Federkontaktplatine 846 unterstützter Kontaktblock 847 vorgesehen, der vier Kontaktfedern 848 aufweist, von welchen zwei die halbmondförmige Kontaktflächen 845 und zwei die untere Kontaktelektrode 843 des Ultraschall-Wandlers 840 kontaktieren. Die Küvette 201 weist an der Füllöffnung 207 einen Kragen 205 sowie an gegenüberliegenden Seiten Anschlagleisten 206 auf, mit welcher die Küvette 201 - gegen den Druck der Kontaktfedern 848 - im Küvettenblock 820 gehalten wird.
Die Federkontaktplatine 846 ist randseitig in einer waagrechten verlaufenden Nut 826 des Küvettenblocks 820 eingesteckt und stützt sich an der nach unten fortragenden Dekoderplatine 850 ab, deren Schaltungen in Fig. 4 näher erläutert werden.
In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild zur elektronischen Ansteuerung der Vorrichtung zum Mischen und Thermostatisieren flüssiger Medien gemäß Fig. 2a dargestellt, welches die Funktionsblöcken Personal Computer 588, Controllerboard 860, Dekoderplatine 850, Küvettenblock 820, sowie eine Temperaturregelschaltung 870 umfasst.
Das Controllerboard 860 weist einen FPGA (Field-Programmable-Gate-Array) als Prozessor 861und dient zur Steuerung der Dekoderplatine 850 sowie der
Temperaturregelschaltung 865. Der Personal Computer 588 kann beispielsweise über eine Ethernet Schnittstelle an das Controllerboard 860 angebunden sein und übermittelt je nach auszuführender Misch- und Thermostatisieraufgabe in einer der Küvetten 201 des Küvettenblocks 820 entsprechende Aufträge zur Ausführung von Firmware-Programmen auf dem Controllerboard 860, sowie dient zur
Rückübermittlung von Kontrolldaten wie beispielsweise der gemessenen
Temperaturen für die Thermostatisierung des Küvettenblocks 820.
Im Küvettenblock 820 sind jeweils an den Positionen Kl bis K16 bzw. PI bis P16 Küvetten 201 samt den zugeordneten Ultraschall-Wandlern 840 angeordnet, wobei für die Thermostatisierung im dargestellten Beispiel in den Positionen PE1 bis PE4 bzw. TI bis T4 jeweils ein Peltier-Element 831 samt zugeordnetem
Temperatursensor 833 vorgesehen ist
Die Temperaturregelschaltung 865 weist somit vier Temperaturregelkreise 866 jeweils aus Peltier-Element 831, Temperatursensor 833 und PID (Proportional, Integral, Derivativ)-Regler RI bis R4 auf und ist über eine Schnittstelle mit dem Controllerboard 860 zum Datenaustausch verbunden (Erhalt von Parametern wie Temperatur-Setpoints und Rückübermittlung gemessener Temperaturen der Temperaturregelschaltung 865 an das Controllerboard 860).
Die Dekoderplatine 850 ist ebenfalls über eine Schnittstelle an das Controllerboard 860 angebunden und erhält von diesem Steuersignale zur Auswahl einzelner Ultraschallwandler 840 über die auf der Dekoderplatine 850 implementierte
Dekoderschaltung 851 und den zugehörigen Optoschaltern 851 in den Positionen S1 bis S16, sowie Steuersignale zur Parametrisierung der Oszillatorschaltung 852. Die Oszillatorschaltung 852 erhält Steuersignale zur Anpassung von Frequenz, Tastgrad (duty ratio, duty factor, oder duty cycle), Burst-Muster (burst pattern), Amplitude, Phase sowie ON und OFF Zuständen der Signalerzeugung des Oszillators. Die Oszillatorschaltung 852 umfasst einen spannungskontrollierten Oszillator 853 (voltage-controlled oscillator, VCO), dessen Frequenzsignal über einen
Burstgenerator 854 moduliert werden kann. Die Amplitude des modulierten Signals kann weiter über einen regelbaren Vorverstärker 855, sowie eine nachgeschaltete Verstärkerendstufe 856 angepasst werden. Das endverstärkte Signal wird über einen Überträger auf die benötigte Betriebsspannung der Ultraschall-Wandler 840 hochtransformiert, und über den jeweils von der Dekoderschaltung 851 selektierten Optoschalter aus S1 bis S16 einem der 16 piezoelektrischen Ultraschall-Wandler 840 an den Küvetten 201 auf dem Küvettenblock 820 zugeschaltet.
Das Diagramm gemäß Fig. 5a zeigt ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Thermostatisiervorganges eines Proben-Reagenzgemischs in einer Küvette, die in einem thermostatisierbaren Küvettenblock (siehe Fig. 2a, 2b) angeordnet ist.
Der Temperaturverlauf a zeigt die Erwärmung des Proben-Reagenzgemischs nur durch den auf die Temperatur TBL thermostatisierten Küvettenblock, wobei die Zieltemperatur (entspricht einer geringfügig unter der Temperatur TBL liegenden Temperatur TBL-X), bei welcher das Proben-Reagenzgemisch vermessen werden kann, erst zum Zeitpunkt t2 erreicht wird. Bereits wesentlich früher, zum Zeitpunkt ti, wird die erforderliche Zieltemperatur erreicht, wenn Ultraschall-Boosts in den Zeitspannen M sowie A bis C eingebracht werden, wie im Temperaturverlauf ß dargestellt ist. Die Thermostatisierung des Küvettenblocks erfolgt bei einer im Wesentlichen konstanten elektrischen Leistung PBL.
1) Vorerwärmung der leeren Küvetten auf eine vorgebbare Zieltemperatur von
36,5 bis 37,5°C durch den thermostatisierten Küvettenblock, dessen
Blocktemperatur TBL 0,1 bis 1°C über der Zieltemperatur liegt und Stabilisierung der Blocktemperatur mit einer Genauigkeit von 0.1 °C.
2) Befüllen einer leeren Küvette mit einem Proben-Reagenzgemisch der
Ausgangstemperatur To. Beispielsweise hat das Proben-Reagenzgemisch nach Pipettierung in die Küvette eine Ausgangstemperatur von 10-15°C, falls die zupipettierten Reagenzien aus einem auf 5°C gekühlten Lagerbereich stammen und sich im Pipettor und in den Zuführleitungen auf 10-15°C erwärmen. ) Abgabe eines Ultraschallsignals für eine vordefinierte kumulierte Mischdauer M, die bei einem Ultraschallsignal mit der gemittelten elektrischen Leistung PP eine Energiemenge M x PP in das Proben-Reagenzgemisch einbringt und einen errechneten Temperaturhub DTM bewirkt, welcher aus variablen, aus den Daten der durchzuführenden Analyse bekannten Eigenschaften des Proben- Reagenziengemischs wie Wärmekapazität, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit sowie dessen Volumen und konstanten, in der Vorrichtung hinterlegten
(abgespeicherten) Daten errechnet wird. Die in der Mischdauer M eingebrachte Energiemenge genügt, um das Proben-Reagenziengemisch ausreichend zu vermischen.
Typischerweise reicht die kumulierte Zeitdauer der zur Vermischung der
Reagenzien benötigten Rührvorgänge je nach Rühraufgabe von 1 bis 3
Sekunden, wobei der Temperaturhub DTM eines beispielsweise 2-sekündigen Rührpulses je nach Intensität etwa 3°C betragen kann.
Alternativ kann die zum Erhalt eines stabilen Messsignals oder
Inkubationsvorgangs erforderliche Mischdauer M bei gegebener
Ultraschallleistung PP durch Versuche an verschiedenen Proben- Reagenzgemischen ermittelt und in der Vorrichtung abgespeichert werden.
Als weitere alternative Methode kann ein optisches Signal einer Analytmessung aus dem Proben-Reagenzgemisch laufend gemessen werden und der
Mischvorgang abgebrochen werden, sobald ein stabiles Signal erhalten wird, wobei der Temperaturhub DTM hierbei - wie erwähnt - aus bekannten
thermischen Charakteristika errechnet wird. ) Einhalten einer Pause > 0.5 s, beispielsweise zur Abkühlung des
Küvettenbodens und gegebenenfalls einer Klebestelle zum Ultraschall-Wandler. ) Abgabe eines oder mehrerer gegebenenfalls durch Pausen > 0.5 s
unterbrochenen Ultraschallsignals bei einer errechneten Temperatur TA für einer vordefinierte kumulierte Zeitdauer A + B + C + n, die einem zusätzlichen errechneten Temperaturhub DTA + DTB + DTV + DTh entspricht, wobei nach Abgabe des letzten Ultraschallpulses eine knapp (< 5°C, vorzugsweise < 2°C) unter der Zieltemperatur TBL-X liegende, Temperatur TBL-y erreicht wird. Die Temperatur TBL-Y wird mangels Echtzeittemperaturdaten aus dem rechnerisch zu erwartenden Temperaturhub abgeschätzt, und unterliegt je nach
Betriebsszenario einer Vorhersageungenauigkeit von ein oder mehreren °C, weshalb TBL-Y entsprechend unterhalb der gewünschten Zieltemperatur TBL-X angesetzt wird. Ab dieser Temperatur erfolgt der Temperatureintrag in den Küvetteninhalt rein über Wärmeleitung zwischen dem Küvettenblock 820 und dem Küvetteninhalt.
6) Erreichen einer Zieltemperatur TBL-X, die um den Wert x unter der Temperatur des Küvettenblocks liegt, wobei x beispielsweise bei einem festgelegten Wert von 0.1 - 1°C, vorzugsweise bei 0.1 - 0.5°C liegt. Die Zieltemperatur ist festgelegt und liegt im dargelegten Beispiel zwischen 36.5 und 37.5°C. Die Temperaturkonstanz während der Zeitdauer einer darauf folgenden optischen Messung einer Analytkonzentration soll bei etwa 0.1°C liegen.
Das Diagramm gemäß Fig. 5b zeigt ein zweites Beispiels eines erfindungsgemäßen
Thermostatisiervorganges eines Proben-Reagenzgemischs in einer Küvette, die in einem thermostatisierbaren Küvettenblock (siehe Fig. 2a, 2b) angeordnet ist.
1) (wie Beispiel 1) Vorerwärmung der leeren Küvetten auf eine vorgebbare
Zieltemperatur von 36,5 bis 37,5°C durch den thermostatisierten Küvettenblock, dessen Blocktemperatur TBL 0,1 bis 1°C über der Zieltemperatur liegt und Stabilisierung der Blocktemperatur mit einer Genauigkeit von 0.1 °C.
2) (wie Beispiel 1) Befüllen einer leeren Küvette mit einem Proben- Reagenzgemisch das eine Ausgangstemperatur To aufweist. Beispielsweise hat das Proben-Reagenzgemisch nach Pipettierung in die Küvette eine
Ausgangstemperatur von 10-15°C, falls die zupipettierten Reagenzien aus einem auf 5°C gekühlten Lagerbereich stammen.
3) (wie Beispiel 1) Abgabe eines Ultraschallsignals für eine vordefinierte kumulierte Mischdauer M, die bei einem Ultraschallsignal mit der gemittelten elektrischen Leistung PP eine Energiemenge M x PP in das Proben-Reagenzgemisch einbringt und einen errechneten Temperaturhub DTM bewirkt, welcher aus variablen, aus den Daten der durchzuführenden Analyse bekannten Eigenschaften des Proben- Reagenziengemischs wie Wärmekapazität, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit sowie dessen Volumen und konstanten, im Gerät hinterlegten Daten errechnet wird.
Typischerweise reicht die kumulierte Zeitdauer der zur Vermischung der
Reagenzien benötigten Rührvorgänge je nach Rühraufgabe von 1 bis 3
Sekunden, wobei der Temperaturhub DTM eines beispielsweise 2-sekündigen Rührpulses je nach Intensität etwa 3°C betragen kann.
Alternativ kann die zum Erhalt eines stabilen Messsignals, eines Wasch- oder Inkubationsvorgangs erforderliche Mischdauer M bei gegebener
Ultraschallleistung PP durch Versuche an verschiedenen Proben- Reagenzgemischen ermittelt und im Gerät gespeichert werden. Als weitere alternative Methode kann ein optisches Signal aus dem Proben- Reagenzgemisch laufend gemessen werden, beispielsweise ein Signal, das mit einer Analytkonzentration korreliert, und der Mischvorgang abgebrochen werden, sobald ein stabiles Signal erhalten wird, wobei der Temperaturhub DTM hierbei - wie erwähnt - aus bekannten thermischen Charakteristika errechnet wird. ) (wie Beispiel 1) Einhalten einer Pause > 0.5 s, beispielsweise zur Abkühlung des Küvettenbodens und gegebenenfalls einer Klebestelle zum Ultraschall-Wandler. ) Abgabe eines oder mehrerer gegebenenfalls durch Pausen > 0.5 s
unterbrochenen Ultraschallsignale ab einer errechneten Temperatur 0.5 x (TBL - To), für eine vordefinierte kumulierte Zeitdauer A + B + n, die einem
zusätzlichen, errechneten Temperaturhub DTA + DTB + DTh entspricht, wobei nach Abgabe des letzten Ultraschallpulses eine knapp (< 5°C, vorzugsweise < 2°C) unter der Zieltemperatur TBL-X liegende Temperatur TBL-Y erreicht wird.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn ein Anteil von zumindest 30%, vorzugsweise mehr als 50%, der gesamten während des Aufheizens
eingebrachten Ultraschallenergie oberhalb einer errechneten Temperatur T = 0.5 x (TBL - T0) eingebracht wird.
Die Temperatur TßL-y wird mangels Echtzeittemperaturdaten aus dem zu erwartenden Temperaturhub rechnerisch abgeschätzt und unterliegt je nach Betriebsszenario einer Vorhersageungenauigkeit von ein oder mehreren °C, weshalb TBL-y entsprechend unterhalb der gewünschten Zieltemperatur TBL-X angesetzt wird. Ab dieser Temperatur erfolgt der Temperatureintrag in den Küvetteninhalt rein über Wärmeleitung zwischen dem Küvettenblock und dem Küvetteninhalt.
Dies hat den Vorteil, dass der Zuheizeffekt durch das zusätzliche Einbringen von Ultraschallenergie zu einem Zeitpunkt im Heizprozess erfolgt, an dem die Heizrate aus dem konduktiven Temperatureintrag des Küvettenblocks auf etwa die Hälfte gefallen ist. Ein Zuheizen ab diesem Zeitpunkt ist daher besonders effizient, da vom Ultraschallgeber eine geringere Gesamtenergie abgegeben werden muss. Hierdurch erhöht sich die Lebensdauer des Ultraschall-Wandlers und einer etwaigen Klebestelle. ) (wie Beispiel 1) Erreichen einer für die Zieltemperatur TBL-X, die um den Wert x unter der Temperatur des Küvettenblocks liegt, wobei x beispielsweise bei einem festgelegten Wert von 0.1 - 1°C, vorzugsweise bei 0.1 - 0.5°C liegt. Die
Zieltemperatur ist festgelegt und liegt im dargelegten Beispiel zwischen 36.5 und 37.5°C. Die Temperaturkonstanz während der Zeitdauer einer darauffolgenden optischen Messung einer Analytkonzentration soll bei etwa 0.1°C liegen.
Bei speziellen Mischaufgaben kann eine Vermischung zweier oder mehrerer, einzeln in eine der Küvetten 201 eingebrachter Flüssigkeiten in manchen Fällen nicht mit ausreichender Mischqualität oder Mischgeschwindigkeit erfolgen, wenn das Mischen ausschließlich über die eingebrachte Ultraschallenergie aus einem externen
Ultraschall-Wandler, wie beispielsweise dem an der Küvette 201 befestigten
Ultraschallwandler 840, erfolgt.
Beispielsweise können die zu mischenden, in eine der Küvetten 201 eingebrachten Reagenzienflüssigkeiten eine hohe Viskosität und/oder einen großen
Dichteunterschied aufweisen, wodurch das Mischen in einer mit Ultraschall beaufschlagten Küvette 201 erschwert wird. Typische Beispiele hierfür sind
Polyethylenglykol-haltige und/oder sehr konzentrierte Reagenzien- oder
Pufferlösungen, die zur Vermischung in eine Küvette eingebracht werden. (Das Einbringen der Flüssigkeiten kann beispielsweise über einen bekannten x-y-z Laborroboter mit automatischem Pipettor erfolgen.)
Um dieses Problem zu lösen, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen,
1) zumindest einen Teil des bereits in die Küvette 201 eingebrachten
Flüssigkeitsvolumens mit Hilfe der Pipettors wieder zu entnehmen,
2) und erneut in die Küvette 201 einzubringen,
3) dann den Küvetteninhalt zur vollständigen Vermischung mit Ultraschall zu beaufschlagen.
Wahlweise können die Schritte 1) und 2) mehrmals wiederholt werden.
Weiters kann die Ultraschallvermischung durch Beaufschlagung mit Ultraschall bereits vor- oder während Schritt 1) und 2) starten und kontinuierlich oder diskontinuierlich, jedenfalls aber im Anschluss auf eine Abfolge von Schritten 1) und 2) erfolgen.
Beispiel eines Mischprozesses im Rahmen der Vorbereitung der Messung einer Analytkonzentration in einer zu analysierenden Probe:
1) Pipettieren von 2-10 pL Probe (z.B. Plasma) in die Küvette 201
2) Pipettieren von 150-180 pL einer ersten Reagenzienlösung eines ersten Reagenzes in einem Lösungsmittel auf Polyethylenglykol-Basis in die Küvette 201
3) Pipettieren von 40 pL einer zweiten Reagenzienlösung eines zweiten
Reagenzes in wässriger Lösung in die Küvette 201 4) Reaspiration von 50 pl_ des bereits in die Küvette pipettierten Flüssigkeitsvolumens und Wiederabgabe des reaspirierten Flüssigkeitsvolumens in die Küvette 201
5) Wiederholung von Schritt 3) und 4)
6) Betrieb des Ultraschall-Wandlers 840 für eine definierte Zeitdauer

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Mischen und Thermostatisieren flüssiger Medien, die zur
Bestimmung von Analyten in aneinander gereihten Küvetten (201) eines Küvettenarrays (200) eingebracht werden, wobei die Küvetten (201) des Küvettenarrays (200) formschlüssig in Aufnahmen (823) eines auf eine Blocktemperatur (TBL) thermostatisierten Küvettenblocks (820) angeordnet sind, geken nzeich net du rch folgende Schritte: a) Erwärmen der leeren Küvetten (201) auf eine vorgebbare Zieltemperatur von 25 bis 42°C, vorzugsweise von 36,5 bis 37,5°C, durch Wärmeleitung aus dem thermostatisierten Küvettenblock (820), dessen Blocktemperatur (TBL) 0,1 bis 1°C über der Zieltemperatur liegt, b) Zugabe eines oder mehrerer flüssiger Medien mit einer niedrigeren
Temperatur als die Zieltemperatur in zumindest eine der Küvetten (201), wobei die flüssigen Medien in der Küvette (201) eine unter der
Zieltemperatur liegende Ausgangstemperatur (T0) aufweisen, c) Erwärmen der flüssigen Medien durch Wärmeleitung aus dem
thermostatisierten Küvettenblock (820) um die vorgegebene
Zieltemperatur zu erreichen, d) in der Erwärmungsphase durch Wärmeleitung gemäß Punkt c), vor dem Erreichen der Zieltemperatur, zusätzliche Einbringung einer vorbestimmten Menge an Ultraschallenergie mit Hilfe zumindest eines an jeder Küvette (201) befestigten Ultraschall-Wandlers (840) zur Erhöhung der
Erwärmungsrate, sowie e) gleichzeitiges Mischen der flüssigen Medien mit Hilfe der in Punkt d)
eingebrachten Ultraschallenergie.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dad u rch geken nzeich net, dass ein Anteil von zumindest 30%, vorzugsweise mehr als 50%, der in Punkt d) einzubringenden Gesamtmenge an Ultraschallenergie oberhalb einer Temperatur 0.5 x (TBL - T0) eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dad u rch geken nzeich net, dass die Ultraschall-Energie gemäß Punkt d) in mehreren Teilmengen (Boosts) gepulst in die flüssigen Medien eingebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dad u rch geken nzeich net, dass die in Punkt d) einzubringende Menge an Ultraschallenergie in Abhängigkeit von Parameterwerten der in Punkt b) zugegebenen flüssigen Medien, wie Menge, Wärmekapazität, Viskosität, thermische Leitfähigkeit und Temperatur, ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dad u rch geken nzeich net, dass die Daten der vorab ermittelten Menge an Ultraschallenergie werkseitig erhoben und abgespeichert, sowie anwenderseitig zu Verfügung gestellt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dad u rch geken nzeich net, dass zumindest eine Teilmenge der in Punkt d) eingebrachten Ultraschall- Energie im Hinblick auf die Pulsdauer, die Frequenz und die Amplitude zum Vermischen der flüssigen Medien in der Küvette optimiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dad u rch geken nzeich net, dass der Ultraschall-Wandler (840) bei Verwendung eines Dickenschwingers mit einer Grundfrequenz von ca. 0,5 MHz bis 10 MHz, betrieben wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Wandler (840) bei Verwendung eines Interdigital-Wandlers mit einer Grundfrequenz von ca. 50 MHz bis 150 MHz betrieben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dad u rch geken nzeich net, dass der Grundfrequenz des Ultraschall-Wandlers (840) eine Modulationsfrequenz der Amplitude von 1 bis 100 Hz aufgeprägt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dad u rch geken nzeich net, dass zur Unterstützung des Mischvorganges zumindest ein Teil des in die Küvette (201) eingebrachten Flüssigkeitsvolumens zumindest einmal abgesaugt und wieder in die Küvette (201) dispensiert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dad u rch geken nzeich net, dass ein optisches Signal aus dem Inhalt der Küvette (201), beispielsweise ein Proben-Reagenzgemisch, laufend gemessen wird, und der Mischvorgang abgebrochen wird, sobald eine stabiles Signal erhalten wird.
12. Vorrichtung (810) zum Mischen und Thermostatisieren flüssiger Medien, die zur Bestimmung von Analyten in aneinander gereihten Küvetten (201) eines Küvettenarrays (200) eingebracht sind, wobei die Vorrichtung (810) einen auf eine vorgebbare Blocktemperatur (TBL) geregelten Küvettenblock (820) mit formschlüssigen Aufnahmen (823) für die Küvetten (201) aufweist, dadu rch geken nzeich net, dass der Küvettenblock (820) mit einer
Thermostatisiereinrichtung (830) ausgestattet ist und mit den einzelnen Küvetten (201) in thermischem Kontakt steht, dass an jeder Küvette (201) zumindest ein Ultraschall-Wandler (840) zum Einbringen von
Ultraschallenergie in die Küvetten (201) befestigt ist, sowie dass der Ultraschall-Wandler (840) als piezoelektrischer Schwinger ausgeführt ist und mit einer Steuereinheit (860) in Verbindung steht, die den zumindest einen Ultraschall-Wandler (840) in Abhängigkeit von Parameterwerten der flüssigen Medien ansteuert.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dad u rch geken nzeich net, dass die
Thermostatisiereinrichtung (830) eine Kühl- und Heizeinrichtung,
beispielsweise zumindest ein Peltier-Element, aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dad u rch geken nzeich net, dass der Küvettenblock (820) ein Basisteil (821) mit den formschlüssigen Aufnahmen (823) für die Küvetten (201) und ein zur Entnahme der Küvetten (201) vom Basisteil (821) abnehmbares Vorderteil (822) aufweist.
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