JP2022550862A - 液体クラスに無関係な正確なピペッティングを行うための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本出願は、計量液体（３２）を、作動ガスを用いて、計量液体（３２）の流動特性又は／及び湿潤特性とは無関係にピペッティングするため、すなわち吸引又は／及び分注するためのピペット装置（１０）及びピペッティング方法に関するものであり、ピペット管（１２）は、その既知の基準温度（Ｔ∞）がより低い基準温度領域に位置している第１の動作領域（ＡＢ１）と、その既知の動作温度（ＴＡＢ２）が前記基準温度領域よりも高い動作温度領域内に位置する第２の動作領域（ＡＢ２）と、を有している。

Description

本発明は、作動ガスを用いた計量液体のピペッティングのため、すなわち吸引又は／及び分注するためのピペット装置に関するものであり、当該ピペット装置は、
－管軸に沿って延在するピペット管、
－ピペット管内で管軸に沿って移動可能であるピペットピストン、
－計量液体を受容するための受容空間であって、受容空間は、ピペット管内で管軸に沿って、一方の端部におけるピペット開口部から、他方の端部におけるピペットピストンのピペット開口部に対向する計量側ピストン面まで延在しており、ピペット管内には、計量側ピストン面に直接接して作動ガスが受容されており、作動ガス基準体積は、作動ガス基準圧力下で受容空間内に存在する作動ガスの体積によって決定されている受容空間、
－力が伝達されるようにピペットピストンに連結された駆動装置であって、ピペットピストンを管軸に沿って変位させるように構成された駆動装置、
－管軸に沿ったピペットピストンの位置を検出し、検出した位置を表す位置検出信号を出力する位置検出装置、
－ピペット管内の作動ガスの圧力を検出し、検出した圧力を表す圧力検出信号を出力する圧力検出装置、及び、
－制御装置、
を含んでおり、
制御装置は、駆動装置を、
－圧力検出信号、
－作動ガス基準圧力、及び、
－決定された、ピペッティングされるべき目標計量液体体積、
に従って、ピストン運動によってもたらされる、圧力変化に誘発される作動ガスの基準体積の変化を考慮して作動するように構成されており、制御装置はさらに、目標計量液体体積のピペッティングに必要なピストン運動を、連続する複数の運動ステップにおいて行うように構成されている。

本発明はさらに、ピペット装置を用いて、計量液体を正確にピペッティングするための方法に関する。

本出願に係るピペット装置とピペッティング方法とは、専らいわゆる「空気置換」法のピペッティングプロセスに関するものであり、空気置換法では、ピペッティングされるべき計量液体と、ピペットピストンの計量液体に対向するピストン面と、の間に、作動ガス体積を有する、封じ込められた作動ガス量が存在しており、当該作動ガス体積の値は、少なくともピペット管に受容されるべき計量液体の体積の桁の範囲にある。一般的に、計量側ピストン面と計量液体との間に封じ込められる作動ガスの体積は、ピペット管に受容される計量液体の体積よりも大きい。

この際、本出願において、場合によってピペット装置に連結されたピペットチップは、ピペット管の一部と見なされる。一般的に、計量液体は、このようなピペットチップにのみ吸引され、ピペットチップから、より正確にはピペットチップに吸引された容器から分注される。この際、さらに、ピペットチップは一般的に、計量液体で完全には満たされない。封じ込められた作動ガス量の体積は、一般的に、５０μｌから１０００μｌの間である。これは、先行技術にも本発明にも同様に当てはまる。

この際、受容される、又は、吐出される計量液体の量に関するピペッティングプロセスの精度は、例えば計量液体の粘度、密度、ピペット管の材料に関する湿潤挙動、及び、表面張力等の、計量液体の特性に依存する。上述の異なる特性を有する異なる液体が、ピストンの変位経路及び変位速度等の、同じピペッティングパラメータを有する同じピペット装置でピペッティングされる場合、一般的に、いずれの方向においてピペッティングプロセスが進行するかに応じて、両方の液体に関して、分注又は吸引される計量液体の量が異なる結果になる。

これまで、ピペッティング技術において、この状況は、計量液体を、同じ又は十分に類似したピペッティング特性を有する液体のクラスに区分することによって考慮されてきた。このように形成された液体クラスのそれぞれに関して、ピペット装置のデータ記憶装置には、補正値が保存されていてよく、当該補正値は、ピペットピストンを、ピペッティングされる計量液体の実際の体積が、ピペッティングされるべき目標の体積と可能な限り正確に一致するように変位させるために、ピペッティングパラメータに適用される。例えば、大きな流れ抵抗を有する、特に高い粘度を有する液体に関して、大きな流れ抵抗を補償し、所望の計量液体量を可能な限り正確にピペッティングするために、ピペットピストンが進むべき体積は、ピペットピストン運動によってピペッティングされるべき計量液体体積よりも、特定の係数の分だけ大きくてよく、又は／及び、ピペッティングの間のピペットピストンの変位速度が、基準値から低下していてもよい。

液体を空気置換法で可能な限り正確にピペッティングすることを可能にするために、ピペッティングされるべき液体の液体クラスを知らなければならないことは、不利である。実際に、多数の計量液体に関して、液体クラスと、当該クラスに結びついた補正値と、が存在する。しかしながら、未知のクラスの計量液体をピペッティングすべき場合、例えば様々な液体の混合から成り、１つの液体クラスに割り当てられていない計量液体をピペッティングすべき場合に、著しい困難が生じる。この場合、未知の計量液体を正確にピペッティングすることを可能にするために、複雑な実験を通じて、未知の計量液体を液体クラスに割り当てるか、又は、新しい液体クラスを設定し、定義しなければならない。

冒頭に挙げた種類のピペット装置は、特許文献１から知られている。特許文献１は、ピペット装置を開示しており、当該ピペット装置においては、ピペットピストンの運動によってもたらされる、ピペット管内に封じ込められた作動ガス体積における圧力変化が考慮され、これによって、ピペット管に封じ込められた作動ガス体積を、ピペッティングするピストン運動の終了後に、可能な限り正確に決定することが可能であり、この可能な限り正確な決定から、ピペット管内に存在する計量液体の体積を推測することが可能である。この際、特許文献１は、その説明によると、理想気体方程式を前提としている。しかしながら、実際には、特許文献１において教示された圧力変化によって誘発される作動ガスの体積変化の補償は、ボイル－マリオットの法則の特殊な場合に基づいている。なぜなら、特許文献１は、作動ガスの純粋に等温の状態変化を前提としているからである。

付加的に、特許文献１から知られたピペッティング方法は、純粋に経験に基づく計量液体の残量を考慮しており、当該残量は、ピペット管のピペット開口部を通るピペッティングを行うピストン運動の終了後に、おそらくは慣性によって流れる。特許文献１は、後から流れる残量の正確な原因に関しては記載しておらず、単に、残量を決定するための経験的な事情を指摘しているに過ぎない。

特許文献２からは、ピペット管が２つの異なる温度調節を行われた領域、すなわち、より高い作動ガス温度を有する、ピペットピストンのより近くに位置する領域と、より低い作動ガス温度を有する、ピペット開口部のより近くに位置する領域と、を有しているピペット装置が知られている。従って、ピペットピストンが動く場合、作動ガスは、一方の領域から他方の領域へと移動し、移動方向に応じて加熱又は冷却され、この結果、再び、加熱又は冷却された作動ガス量の体積変化が生じる。特許文献２は、ピペッティングされるべき目標体積を、温度によって誘発される作動ガスの体積変化の分だけ補正し、対応して増大した、又は、減少した目標体積をピペッティングすることを教示している。

特許文献２において教示された目標ピペッティング体積の温度補償は、等圧の状態変化、すなわち加熱又は冷却された作動ガスの一定の圧力を前提とするゲイ―リュサックの法則に従って行われる。

加えて、特許文献３からは、閉じられた容器に受容された材料体積を非接触に決定するための方法及び装置が知られている。このために、閉じられた容器に含まれるガスの、まさに１つの状態変数、すなわち圧力、体積、温度又は量の値が変更され、これによってもたらされる当該ガスの残りの状態変数の変化から、理想気体方程式を用いて、ガス体積と、最終的には材料体積と、が推測される。

欧州特許第１２５０９５６号明細書 米国特許第５８９５８３８号明細書 独国特許出願公開第１９６５１２５２号明細書

これまでの記載内容に基づき、本発明の課題は、計量液体の液体クラスを事前に決定せず、かつ、粘度、密度、湿潤性、表面張力等のピペッティングに関係する計量液体の物理的特性を事前に決定せずに、計量液体の正確なピペッティングを可能にする技術的教示を記載することにある。

本発明の第１の態様によると、本課題は、冒頭に挙げた種類のピペット装置によって解決され、当該ピペット装置のピペット管は、その既知の基準温度がより低い基準温度領域に位置している第１の動作領域と、その既知の動作温度が基準温度領域よりも高い動作温度領域内に位置する第２の動作領域と、を有しており、制御装置は、第１のピペットピストン運動ステップの後で、後続のピペットピストン運動ステップに関して、
－圧力変化に誘発された、ピペット管内に封じ込められた作動ガス体積の第１の動作領域に位置する部分の体積変化を表す第１の補正変数を、位置検出信号、圧力検出信号及び作動ガス基準圧力を基に決定し、
－圧力変化及び温度変化に誘発された、ピペット管内に封じ込められた作動ガス体積の第２の動作領域に位置する部分の体積変化を表す第２の補正変数を、位置検出信号、圧力検出信号、作動ガス基準圧力、既知の動作温度及び既知の基準温度に基づいて決定し、
ピペットピストンの目標ステップ運動体積を、
－後続のピストン運動ステップに割り当てられるステップ基準体積、
－進行中のピペッティングプロセスにおける、ピペットピストンの計量側ピストン面のこれまでの変位体積、
－第１の補正変数、及び、
－第２の補正変数、
を考慮して、又は、基にして決定し、決定された目標ステップ運動体積に従って駆動装置を作動するように構成されている。

作動ガス基準圧力は、好ましくは、ピペッティングプロセス開始時点での作動ガスの圧力である。吸引プロセス前のピペット管が、専ら作動ガスで満たされている場合、作動ガス基準圧力は、好ましくはピペット装置の周囲圧力である。なぜなら、ピペット管内の作動ガスは、周囲雰囲気のガスと、ピペット開口部を通じて、圧力補正を行うように接触しているからである。吸引プロセスの開始時点において、すでにある程度の量の計量液体がピペット管内に受容されている場合、作動ガス基準圧力は再び、周囲圧力であるか、又は、吸引プロセス開始時点での作動ガス圧力であってよい。同じことは、分注プロセスにも当てはまる。分注プロセスの開始時点において、ピペット開口部を通って分注されるある程度の量の計量液体が、ピペット管に常に受容されている。この場合も、作動ガス基準圧力は、分注プロセス開始時点での作動ガス圧力か、又は、周囲圧力であってよい。

本出願において「ピペッティングプロセス」又は「進行中のピペッティングプロセス」は、目標計量液体量の受容又は吐出が、ピペッティング結果として割り当てられているピペッティングプロセスを表している。

作動ガス基準体積は、ピペット管内でのピペットピストンの所定の位置における、例えばピペットピストンがその下死点に位置し、ピペット管が専ら作動ガスで満たされており、ピペット開口部が開放されている基準状態における、専ら作動ガスで満たされた、ピペット開口部と計量側ピストン面との間に存在するピペット管の死容積であってよく、これによって、作動ガスとピペット装置の外部環境との圧力による連通が可能である。当該死容積は、ピペット開口部を計量液体容器に浸すことによって、外部環境から物理的に分離され得る。計量液体容器の液面にピペット開口部を載置する場合、外部環境から分離されたピペット管内の作動ガスにおいては、周囲圧力が優位である。

目標計量液体体積は、一般的に、ピペッティングプロセスの目標値として設定され、従って知られている。

ピペットピストン運動ステップに関するステップ基準体積は、ピペッティングされるべき目標計量液体体積とは無関係に設定可能であり、つまり、例えばピペット装置の構造及び運動学を考慮して予め決定されていてよい。

代替的に制御装置が、目標計量液体体積を前提として、後続のピペットピストン運動ステップに関して、ステップ基準体積を、計量側ピストン面が行うべき移動に関する基準的な程度として決定することが可能である。これは例えば、データ記憶装置に保存された計算式を用いることによって行われ得るものであり、当該計算式は、目標計量液体体積をピペッティングするピペッティングプロセスの実施のための、ピペットピストン運動ステップの所定の数に従って、さらに、ピペッティングプロセスの間にピペッティングされるべき目標計量液体体積に従って、１つ又は複数のピペットピストン運動ステップに関して、ステップ基準体積を算出する。これは代替的には、生データとしてのピペットピストン運動ステップの数及び目標計量液体体積に基づいて、各ピペットピストン運動ステップにステップ基準体積を割り当てている所定のデータ相関から、ステップ基準体積を読み出すことによっても行われ得る。

ステップ基準体積は、ピペットピストン運動ステップの所定の数に関して明確に決定された一連の値であってよい。ステップ基準体積は、代替的に、例えば目標計量液体体積と、ピペットピストン運動ステップの所定の数と、から成る商であってよい。ピペットピストン運動ステップの所定の数は、目標計量液体体積が、全てのピペットピストン運動ステップに均等に分配されるべきである場合、ピペッティングプロセスのピペットピストン運動ステップの総数であってよい。

好ましくは、目標計量液体体積が分配されるピペットピストン運動ステップの数は、ピペッティングプロセスのピペットピストン運動ステップの総数よりも小さいので、ピペッティングプロセスは付加的に、ピストンが目標計量液体体積のピペットピストン運動ステップよりも小さい運動体積で、より多い量の計量液体を受容するためではなく、圧倒的又は専ら既にピペット管内に受容された計量液体体積を補正するために移動するピペットピストン運動ステップを含んでいる。しかしながら、ステップ基準体積の値は、好ましくは、ピペッティングプロセスの各ピペットピストン運動ステップにわたって異なっており、これによって、これまでに得られた液体のピペッティングに関する知識及び経験を考慮することができる。例えば、ピペッティングの際、特に吸引の際、ピペッティングプロセス開始時点により近いピペットピストン運動ステップに関する増分ステップ基準体積の値は、好ましくは、ピペッティングプロセスの終了時点に近いピペットピストン運動ステップに関する値よりも大きい。このように、ピペッティングの際、特に吸引の際の計量液体のあふれ挙動又は／及び後流挙動が考慮され得る。

所定の、又は、上述したように決定可能であるステップ基準体積は、それぞれ後続のピペットピストン運動ステップに関する、管軌道に沿ったピペットピストンの基準運動ステップサイズとして用いられる。目標計量液体量に合わせたステップ基準体積と、同一のピペットピストン運動ステップに割り当てられた目標ステップ運動体積とは、その値に関して、目標計量液体量とは無関係に予め決定された、同一のピペットピストン運動ステップのステップ基準体積と、割り当てられた目標ステップ運動体積と、よりも大きく異なりはしないであろう。しかしながら、これは、ピペッティングの成功にとって何ら重要ではない。なぜなら、ピペットピストン運動ステップの決定された目標ステップ運動体積のいずれの部分がステップ基準体積に基づいており、いずれの部分が、ステップ基準体積を目標ステップ運動体積に対して補足するステップ補正運動体積に基づいているかは、根本的に重要ではないからである。

本出願において議論されている、ピペッティングプロセスの液体クラスとは無関係の開ループ制御又は閉ループ制御は、ピペットピストンと相互作用を有するピペット管内の作動ガスゆえに、計量液体ではなく、作動ガスに焦点を合わせており、従って、好ましくは作動ガスの挙動を極めて良好に予測する理想気体方程式に基づいているので、本出願では、ピペットピストンの移動距離は体積として表されている。体積は、理想気体方程式で直接処理される。それぞれの構成を通じて知られた計量側ピストン面の大きさに基づいて、ステップ体積は、容易に、管軌道に沿ったピペットピストンステップサイズに換算され、ピペットピストンは、対応する運動のために作動され得る。

制御装置は、電子データ処理装置であってよく、例えば少なくとも１つの集積回路を含んでいる。好ましくは、制御装置は、データ記憶装置を有しており、データ記憶装置内には、動作プログラムと動作データとが保存されており、動作プログラム及び動作データに基づいて、電子データ処理装置は、制御命令を駆動装置に出力する。

作動ガスは、任意の作動ガスであってよい。多くの適用事例では、単純に空気であろう。しかしながら、例えば処理されるべき計量液体が要求する場合には、例えばヘリウム若しくはアルゴン等の希ガス、又は、例えば窒素若しくは二酸化炭素等の準不活性ガスであってもよい。

進行中のピペッティングプロセスにおける、後続のピペットピストン運動ステップまでの、計量側ピストン面のこれまでの変位体積は、進行中のピペッティングプロセスにおいて、計量側ピストン面によって、管軌道に沿った変位を通じて押しのけられた体積である。当該変位体積は、これまでにピペッティングプロセスにおいて行われたピペット操作を考慮している。従って、変位体積は、進行中のピペッティングプロセスにおいて、後続のピペットピストン運動ステップまでに行われるピペッティング作業に関する基準である。

ピペットピストンのこれまでの運動で、ピペット管内に存在する量の作動ガスが操作された。当該作動ガスは、変位させられたか、又は／及び、その体積が変更され、つまり、例えば吸引の際には膨張し、分注の際には圧縮された。上述の補正変数である第１の補正変数及び第２の補正変数は、ピペッティングプロセスにおけるこれまでのピペットピストン運動の作動ガスに与える作用を、可能な限り正確に決定するために用いられ得る。続けて、操作された作動ガスを通じてピペット管内に存在する計量液体の量を、可能な限り正確に決定することが可能である。

ピペットピストン運動の段階的な実施と、後続のピペットピストン運動ステップそれぞれに関する、上述のパラメータを用いた目標ステップ運動体積の決定と、によって、ピペッティングプロセスでピペッティングされるべき目標計量液体体積が、高い精度でピペッティングされ得る。

単純化するために、ピペット管を２つの動作領域に区分して観察する。基本的に、さらなる動作領域が決定されることは排除すべきではないが、２つの動作領域で既に、高精度のピペッティング結果には十分である。当該動作領域は、その内部で優勢な温度によって異なっており、ここでは、作動ガスの温度が重要である。第１の動作領域における作動ガスは、より低い基準温度領域にあり、第１の動作領域に関しては、第１の補正変数は、圧力変化に誘発された体積変化のみを考慮する。第２の動作領域における作動ガスは、より高い動作温度領域にあり、第２の動作領域に関しては、第２の補正変数は、作動ガスの圧力変化及び温度変化に基づいた体積変化を考慮する。

体積変化の原因としての圧力変化は、それまでのピペットピストンの運動によってもたらされる。ピペッティングプロセス開始以降のピペットピストンの当該運動によって、作動ガスの圧力は、当初の作動ガス圧力、特に作動ガス基準圧力から、現在の作動ガス圧力に変化した。この圧力変化は再び、ピペット管内の計量液体の量の変化の原因となる。なぜなら、例えば摩擦等の他の物理的効果の他に、ピペット管内で優勢な作動ガスの圧力は、ピペット管内である程度の量の計量液体が保持されることにとって重要だからである。従って、現在の作動ガス圧力と、ピペッティングプロセス開始時点での作動ガス圧力、特に作動ガス基準圧力と、の差は、ピペット管に受容された計量液体量の変化に関する基準である。しかしまた、ピペッティングプロセスの間における作動ガス圧力の変化と共に、ピペット管内に封じ込められた作動ガスの体積も、当初の作動ガス体積から変化した作動ガス体積へと変化した。当該体積変化は、先行するピペットピストン運動ステップの後でピペットピストン内に存在する計量液体量を特定すべき場合、後続のピペットピストン運動ステップそれぞれに関して考慮される。

第１の動作領域は、好ましくは比較的一定な外部条件下にある領域である。第１の動作領域は、好ましくは、例えば一定又は略一定の周囲温度を有する周囲雰囲気内に配置されている。第１の動作領域は、好ましくは、残りのピペット装置と解除可能に連結可能なピペットチップと、場合によっては周囲雰囲気に曝露される、ピペット管の装置に固定された部分と、を含んでいる。これらの部分については、これらの部分が、持続的に、周囲雰囲気の一定の温度レベルにあることを想定しても、大きく間違ってはいない。

ピペット管の第２の動作領域は、第１の動作領域とは異なり、直接には周囲雰囲気に曝露されない、又は／及び、その温度が周囲雰囲気の影響を決定的には受けないピペット管の部分であってよい。第２の動作領域に関しては、ピストン運動に起因する圧力変化によってもたらされた作動ガスの体積変化が補正されるだけではなく、基準温度と動作温度との間の温度変化によってもたらされた作動ガスの体積変化も補正される。

補正値の決定と、各ピペットピストン運動ステップ前における補正値の適用と、によって、一方では、各運動ステップに際して行われる補正の値は、補正が、ピペッティングプロセス全体に関して一度決定される場合よりも小さくなる。他方では、各ピペットピストン運動ステップの前における、目標ステップ運動体積に対するステップ基準体積の補正によって、ピペッティング量に関して精度の高いピペッティングが得られる。

本出願において、位置検出装置が、管軸に沿ったピペットピストンの位置を検出すると記載された場合、これは、検出結果がピペットピストン位置を表す限りにおいて、ピペットピストン位置の直接の検出も、ピペットピストン位置の間接の検出も含んでいる。なぜなら、位置検出装置が、ピペットピストンの位置を表す位置検出信号を出力できる、という目標が達成されるからである。対応することが、圧力検出装置によるピペット管内の作動ガスの圧力に検出にも、変更すべきところは変更して適用される。作動ガス圧力も、検出結果がピペット管内の作動ガス圧力を表す限りにおいて、直接又は間接に検出され得る。

本発明は、ピペット開口部と計量側ピストン面との間におけるピペット管容積の観察を出発点としている。ピペット開口部と計量側ピストン面との間に存在する全容積は、作動ガスか、又は、作動ガス及び計量液体で満たされている。以下において、本発明を、分注プロセスに比べて高い精度で制御することが難しい吸引プロセスを例に説明する。加えて、一般的に、分注プロセスの初期状態は、吸引によって形成されるので、吸引プロセスは、各ピペッティングプロセスの始めにあると見なすことができる。

吸引プロセスの開始時点では、ピペット管内でのピペット開口部と計量側ピストン面との間における計量側ピストン面の既知の位置、すなわちピペットピストンの既知の位置と同等である当該位置には、専らその体積が作動ガス死容積Ｖ_Ｔと表される作動ガスが存在している。ピペット開口部を外部の計量液体容器にわずかに浸し、これによって、死容積Ｖ_Ｔが、外部環境から分離されるが、毛管現象によってピペット開口部を通ってピペット管内に計量液体が進入することがない場合、周囲から分離された作動ガス死容積Ｖ_Ｔを、作動ガス基準体積として用いることが有意義である。当該時点における作動ガスの圧力は、作動ガス基準圧力であり、従って、周囲圧力ｐ_∞である。作動ガスの温度は、周囲温度Ｔ_∞である。

まず、本発明の背後に存在する基本原則を説明するために、ピペット管の、２つの異なる温度調節を行われた動作領域への区分を無視すべきである。計量液体と計量側ピストン面との間に封じ込められた作動ガスの量は、さらなるピペッティングプロセスに関して、ピペット管内での気化プロセス及びピペット管からの漏出プロセスを無視した場合、一定であり続ける。これに対して、封じ込められた作動ガスの体積は、一定ではあり続けない。

浸された状態において、計量側ピストン面が、変位体積Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}の分だけ、ピペット開口部から離れるように移動する場合、このように形成された当初優勢であった周囲圧力に対する陰圧に基づいて、計量液体の体積Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}が、容器からピペット開口部を通ってピペット管内に流入する。受容された計量液体の体積Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}を知ることは、精度の高い吸引プロセスのために非常に重要である。ピペット管内には、初期温度とは異なる作動ガス温度Ｔ_１において、作動ガス基準圧力とは異なる作動ガス圧力ｐ_１が存在している。つまり、当初の作動ガス死容積Ｖ_Ｔは、まずＶ_{Ｋｏｌｂｅｎ}の分だけ拡大し、その後、流入した計量液体体積Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}の分だけ縮小した。従って、ピペット管内でのピペットピストン運動の後に存在する作動ガス体積Ｖ_ｌは、以下のように得られる：

方程式１

理想気体方程式

又は

を用いて、上述の初期条件から得られる：

方程式２

方程式１及び２を用いて、未知の変数に関して、体積Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}が得られる：

方程式３

すなわち、ピペットピストンの運動によって体積Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}の分だけ受容される計量液体の量Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}は、既知のＶ_Ｔにおいて算出可能であるが、これは、ｐ_∞及びｐ_１が圧力検出装置によって検出可能である場合、Ｔ_∞及びＴ_１が温度検出装置によって検出可能である場合、又は、Ｔ_∞及びＴ_１が既知であり、Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}が位置検出装置によって検出可能である場合である。

とは言え、本発明では、ピペット管の異なる温度調節が行われた動作領域による複雑化が生じる。一般的には、第１の動作領域はピペット開口部の近くに位置しており、他方、第２の動作領域は計量側ピストン面の近くに位置している。本発明の好ましいさらなる発展形態によると、第１の動作領域はピペット開口部で始まり、ピペット開口部からピペット管内に至る一方で、第２の動作領域は、ピペット装置の熱源に沿って存在している。計量側ピストン面が第２の動作領域にある場合、ピペット開口部と計量側ピストン面との間には、ピペット装置の構造に依存して、第１の動作領域と第２の動作領域とが、好ましくは互いに隣り合い、境を接している。上述のピペット管に封じ込められた作動ガス体積Ｖ_１は、第１の動作領域の体積部分_ＡＢ１Ｖ_１と、第２の動作領域の体積部分_ＡＢ２Ｖ_１と、から構成されている。

方程式４

基本的に、本出願において、第１の動作領域に割り当てられた値は「ＡＢ１」で、第２の動作領域に割り当てられた値は「ＡＢ２」で表される。

当初の作動ガス死容積Ｖ_Ｔが、両方の動作領域内に延在している場合、方程式４は、既に、当初の作動ガス死容積Ｖ_Ｔに適用され得る（以下の方程式４’を参照）：

方程式４’

代替的に、計量液体と計量側ピストン面との間に封じ込められた作動ガス体積は、ピペッティングプロセスの間のピペットピストン運動と共に初めて、当該作動ガス体積が、変位プロセスの後で両方の動作領域に延在するように変位し得る。当初の作動ガス死容積Ｖ_Ｔが、差し当たり１つの動作領域においてのみ延在する場合、当該動作領域は、一般的に、第１の動作領域である。

好ましくは、単純化して、第１の動作領域が、一定して、例えば周囲温度Ｔ_∞によって表される第１の温度レベルにあるという仮定が前提とされる。しかしながら、いずれの別の温度Ｔ_ＡＢ１であってもよい。しかしながら、上述の理由から、周囲温度が第１の動作領域の一定の温度であるという仮定は有意義である。従って、計量液体は一般的に、第１の動作領域においてのみ吸引されるので、吸引された計量液体は、可能な限り加熱されないか、又は、特に好ましくは、ピペット管内で温度が変化しない。

計量側ピストン面が、上述の例示的な吸引プロセスの開始時点において、その下死点又は下死点の近くに位置する、という好ましい場合を前提とするならば、計量液体の受容のために、可能な限り大きなピストン行程が利用可能であり、吸引プロセスの間、又は、吸引プロセスの部分ステップの間に、ピペットピストンによって押しのけられた体積Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}は、第１の動作領域又は／及び第２の動作領域に位置し得る。従って、極めて一般的に、以下が有効である：

方程式５

_ＡＢ１Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}は０であってよく、ピストン運動全体は、第２の動作領域内にある。_ＡＢ１Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}が０ではない場合、最初は_ＡＢ２Ｖ_Ｔ＝０が有効でなくてはならない。なぜなら、当初の作動ガス死容積Ｖ_Ｔは、ピストン運動によって、まず第１の動作領域内でのみ、管軌道に沿って変位するが、第１の動作領域と第２の動作領域との間で作動ガスの変位は生じないからである。

つまり、概ね、ピストン運動の際、作動ガスは第１の動作領域において、等温に膨張する、又は、圧縮されることを前提としてよい。これは、計量側ピストン面によって押しのけられる体積の、第１の動作領域に位置する部分_ＡＢ１Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}にも当てはまる。

ピペッティングプロセスの間に、計量液体と計量側ピストン面との間に封じ込められた作動ガスの全体積が、第１の動作領域にのみ存在する限りにおいて、ピペッティングプロセスの開ループ制御又は閉ループ制御は、問題がない。なぜなら、作動ガスの変化は、等温状態変化と見なされ、処理されるからである。本発明は、計量側ピストン面が第２の動作領域内を移動する、又は、第２の動作領域内に移動し始める場合に、効果を発揮する。

これに対して、ピストン運動の第２の動作領域に位置する体積部分に相当する作動ガスの体積_ＡＢ２Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}は、第１の動作領域と第２の動作領域との間で変位する。吸引の際は、第１の動作領域から第２の動作領域への変位が生じ、分注の際は、逆方向の変位が生じる。第２の動作領域では、作動ガスの温度Ｔ_ＡＢ２は、Ｔ_ＡＢ２＞Ｔ_∞である。作動ガスの第１の動作領域と第２の動作領域との間における変位と共に、作動ガスの温度変化が行われる。

等温及び等圧のピストン運動の際、計量側ピストン面によって押しのけられるピペット管内の体積は、ピペット管内の計量液体の量の変化に相当するであろう。なぜなら、ピペット管内で作動ガスが存在しない場所には、計量液体が存在するに違いないからである。

しかしながら、ピストン運動は、作動ガスの等圧状態変化をもたらすことができない。なぜなら、作動ガスにおける圧力変化のみが、計量液体への仕事を行うことが可能であり、計量液体をピペット開口部を通って変位させることができるからである。

第１の動作領域と、より温度の高い第２の動作領域と、の間で作動ガスが変位するので、ピストン運動によってもたらされる作動ガスの状態変化は、等温でなくてもよい。

上述の仮定に基づいて、ピストン運動の第２の動作領域に位置する部分は、作動ガス体積_ＡＢ２Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}を、第１の動作領域と第２の動作領域との間で変位させる。これによって、作動ガス体積_ＡＢ２Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}の温度は、吸引の際はＴ_∞からＴ_ＡＢ２に、分注の際はＴ_ＡＢ２からＴ_∞に変化する。付加的に、当該作動ガス体積は、ピストン運動によってもたらされる圧力変化の影響を受ける。

ピストン運動の第１の動作領域に位置する部分は、作動ガス体積_ＡＢ１Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}の圧力の変化のみをもたらす。この際、計量側ピストン面によって総じて押しのけられた体積に対応する作動ガス体積Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}は、圧力変化及び温度変化に基づいて、以下の値の分だけ変化する：

方程式６

ピペット管のピペット開口部から、ピペット開口部の構造的形状を通して延在する第１の動作領域は、ピペット管内に、体積Ｖ_ＡＢ１を有する。ピストン運動によってもたらされる、ピペット管内に受容された計量液体の体積Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}が、計量側ピストン面によって押しのけられた体積Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}に差し当たり相当するという単純化した仮定のもとに、第１の動作領域には、計量側ピストン面が第２の動作領域にある場合、作動ガスのシステム固有の残留体積_ＡＢ１Ｖ_{ｓｙｓ，ｒｅｓｔ}が残存しており、当該残留体積に関しては、以下の式が有効である：

方程式７

Ｖ_Ｔは、計量側ピストン面が始めに、つまりピペッティングプロセスの開始時点において、第２の動作領域内にある場合、第２の動作領域にある当初の体積_ＡＢ２Ｖ_ｉｎｉｔの分だけ、Ｖ_ＡＢ１よりも大きくてよい。Ｖ_ＴがＶ_ＡＢ１よりも小さい場合、計量側ピストン面は、まず第１の動作領域と第２の動作領域との境界まで、_ＡＢ１Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}の分だけ変位しなければならない。従って、方程式７は最も一般的に、方程式５を考慮して以下のように表される：

方程式７^＊

_ＡＢ２Ｖ_ｉｎｉｔ又は_ＡＢ１Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}のみが、０とは異なっていてよい。なぜなら、_ＡＢ１Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}は、常に方程式から減じられ、_ＡＢ１Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}は重要ではないからである。

好ましいことに、Ｖ_ＡＢ１≧Ｖ_Ｔであり、論理的に矛盾せずに_ＡＢ２Ｖ_ｉｎｉｔ＝０が有効である場合、例えば第１の動作領域は、ピペット開口部を始点として、計量側ピストン面の下死点又はその他の開始位置を越えるので、方程式７^＊は、単純化して、以下のように記載される：

方程式７’

システム固有の残留体積は、定義の通り、第１の動作領域にのみ存在するので、「ＡＢ１」という添え字は以下において、システム固有の残留体積を表す際には省略される。従って、システム固有の残留体積Ｖ_{ｓｙｓ，ｒｅｓｔ}は、ピペット装置の記載された動作状態において、ピペット管のきわ、又は、ピペット管内の作動ガスに対向する計量液体のメニスカスから、ピペット開口部から離れた第１の動作領域の境界まで延在しているので、システム固有の残留体積は、場合によっては第１の動作領域に位置する、ピストン運動の間に計量側ピストン面によって押しのけられた体積_ＡＢ１Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}の部分も含んでいる。システム固有の残留体積Ｖ_{ｓｙｓ，ｒｅｓｔ}は、上述の仮定に従うと、ピストン運動によって等温状態変化を経験し、これによって、システム固有の残留体積Ｖ_{ｓｙｓ，ｒｅｓｔ}は、以下の値ΔＶ_{ｓｙｓ，ｒｅｓｔ}の分だけ変化する：

方程式８

方程式７^＊及び方程式７’は、第１の動作領域において計量側ピストン面によって押しのけられた体積が、システム固有の残留体積において既に考慮されていることを直に示している。第１の動作領域に位置するピストン運動の部分と、その専ら圧力変化によって誘発されたシステム固有の残留体積の変化と、を考慮して、かつ、さらに、両方の動作領域は互いに圧力を補償するように連通可能であるから、両方の動作領域には同じ作動ガス圧力ｐ_ＡＢ２＝ｐ_ＡＢ１が存在する、という有意義な仮定のもと、方程式６からは、第２の動作領域に位置するピストン運動の部分のみが残存する。これは、方程式６及び方程式８から、以下の方程式９を導く：

方程式９

方程式８及び方程式９の体積変化の分だけ、ピペット管内に受容された計量液体の体積は、ピペット管内での計量液体の受容をもたらすピストン運動の体積とは異なっている。これは、式によって表すと、以下を意味している：

方程式１０

方程式６、方程式７及び方程式８を用いて、方程式９は以下のようにも表される：

方程式１０’

別のグループ化では、方程式１０’から以下の方程式１０”が生じる：

方程式１０”

体積Ｖ_Ｔは、ピペット装置の純粋に構造的な大きさであり、従って知られている。第２の動作領域で優勢である温度Ｔ_ＡＢ２を知り、位置検出装置によって検出可能な、計量側ピストン面によって押しのけられる体積Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}と、その第２の動作領域における部分_ＡＢ２Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}と、を知り、圧力検出装置によって検出可能な、ピペット管内の作動ガスの圧力ｐ_ＡＢ１を知り、初期パラメータｐ_∞、Ｔ_∞を知ることで、方程式１０”、方程式１０’又は方程式１０の内の１つを用いて、ピペット管内に受容された計量液体の体積を、各ピペットピストン運動ステップに関して、計量液体のピペッティング特性とは無関係に、近似的に算出することが可能である。

温度の商

は、定義に基づいて、常にプラスであり、１よりも大きい。圧力の商

は同様に、常にプラスであり、規則的に１より大きい。なぜなら、ピペット管内の作動ガス圧力は、マイナスにはなり得ず、大抵の場合、ピペット管内に受容された計量液体をピペット管内に保持し得るためには、周囲圧力よりも小さくないといけないからである。特定の計量液体のピペット管に受容された体積が小さい場合に、例外が生じ得るのは、当該計量液体が、毛管力によってピペット管内に保持され得る場合のみである。この場合、ｐ_ＡＢ１は、周囲圧力ｐ_∞よりも大きくてよい。

方程式１０において、項ΔＶ_{ｓｙｓ，ｒｅｓｔ}は、本出願の意味における第１の補正変数の例であり、項_ＡＢ２ΔＶ_{Ｋｏｌｂｅｎ}は、本出願の意味における第２の補正変数である。

方程式１０’において、項

は、本出願の意味における第１の補正変数の例であり、項

は、本出願の意味における第２の補正変数の例である。

方程式１０”において、項

は、本出願の意味における第１の補正変数の例であり、項

は、本出願の意味における第２の補正変数の例である。

方程式１０、方程式１０’及び方程式１０”において、Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}は、進行中のピペッティングプロセスにおける、計量側ピストン面のこれまでの変位体積の大きさである。方程式１０、方程式１０’及び方程式１０”の全ては、ピペット装置の同じ状態に関して、Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}の同じ値をもたらす。

ピペッティングプロセスの終わりには、Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}は、目標計量液体量を極めて正確に表現する。上で定義したピペット装置の基準状態を出発点とする吸引プロセスの場合、Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}は、ピペッティングプロセスの終わりには、目標計量液体量に極めて正確に対応する、ピペッティングされた計量液体量である。ピペット管内の計量液体の初期量_{Ｓｔａｒｔ}Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}から開始されるピペッティングプロセスの場合、目標計量液体量に極めて正確に対応する、ピペッティングされた計量液体量は、ピペッティングプロセスの終わりには、ピペット管内の計量液体の初期量と最終量との差、すなわちＶ_{ｌｉｑｕｉｄ}－_{Ｓｔａｒｔ}Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}である。しかし、このような「予め満たされた」ピペット管の初期状態自体は、再び、最初は作動ガスのみでピペット管が満たされている吸引プロセスに戻らねばならないので、「予め満たされた」動作状態は、同様に、吸引プロセスの上述の描写によって導出される。対応することは、その初期状態が同じく、予め吸引が行われていなくてはならない分注プロセスにも当てはまる。

既に示したように、制御装置は、特に正確なピペッティング結果を得るために、後続のピペットピストン運動ステップに関して、進行中のピペッティングプロセスにおけるピペットピストンの計量側ピストン面のこれまでの変位体積、第１の補正変数及び第２の補正変数に基づいて、受容空間内に存在する計量液体量に関する推定値を決定するように構成されていてよい。このような推定値は、例えば、上述の方程式１０、方程式１０’及び方程式１０”の内の少なくとも１つを用いて決定され得る。Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}－_{Ｓｔａｒｔ}Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}は、ピペット管内のピペッティングされた計量液体の体積を、各ピペットピストン運動ステップ後の体積として決定することを可能にする推定値である。_{Ｓｔａｒｔ}Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}＝０に関して、すなわち上述の基準状態を始点とする計量液体の吸引の際は、Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}自体が推定値である。

制御装置はさらに、後続のピペットピストン運動ステップに関して、このように決定された推定値を、ステップ基準体積と比較し、比較結果に基づいて、目標ステップ運動体積を決定するように構成されていてよい。例えば、目標ステップ運動体積は、推定値とステップ基準体積との差分値に従って決定され得る。この際、好ましくは、より大きな差分値は、より小さな差分値よりも大きな目標ステップ運動体積をもたらす。

この際、ステップ運動体積は、好ましくは累積ステップ運動体積として用いられ、累積ステップ運動体積は、ピペットピストンが過去の運動ステップで進めた各ステップ運動体積全ての合計を表している。この際、上述の説明によると、好ましくは、ピペッティングプロセスの最後の運動ステップ終了後の累積ステップ運動体積は、体積として言及される目標計量液体量に相当する。従って、推定値と累積ステップ運動体積との比較は、累積ステップ運動体積によって表される、これまでに実施された運動ステップに割り当てられた目標計量液体体積と、推定値によって表される、実際にピペッティングされた実際の計量液体体積と、の比較に対応する。

差分値は、制御装置によって、比例又は／及び微分又は／及び積分変換要素を通じて、ステップ補正運動体積に変換され得る。比例変換要素は、比例ステップ補正運動体積の値を、差分値を基に、実験又は経験によって決定されるべき比例係数を用いて決定する。微分変換要素は、微分ステップ補正運動体積の値を、現在の差分値と以前の差分値との間の差を基に、つまり差分値の変化を基に、実験又は経験によって決定されるべき微分重み付け係数を用いて決定する。積分変換要素は、積分ステップ補正運動体積の値を、差分値の合計を基に、現在の差分値を含めて、実験又は経験によって決定されるべき積分重み付け係数を用いて決定する。

後続のピペットピストン運動ステップの目標ステップ運動体積は、ステップ補正運動体積の分だけ補正された、後続のピペットピストン運動ステップに割り当てられたステップ基準体積であってよい。

制御装置は、好ましくは、連続するピペットピストン運動ステップを、特定の推定値とステップ基準体積との差分値が所定の差の閾値を下回るまで、特に所定の数の直接連続するピペットピストン運動ステップに関して下回るまで実施するように構成されている。この場合、一般的に、目標計量液体量は、差の閾値によって決定されるピペッティング精度でピペッティングされている。この中断に関する基準は、特に、付加的な条件下で、ステップ基準体積が累積ステップ基準体積であり、ピペッティングプロセスが、累積ステップ基準体積が目標計量液体量に相当する程度まで進行している、という高精度のピペッティング結果をもたらす。

代替的に、制御装置が、高い表面張力を有する粘性の計量液体も正確にピペッティングするために確実に事足りる所定の数の直接連続するピペットピストン運動ステップを実施するように構成されていてもよい。その結果、粘性の低い計量液体の場合、実質的に所定の数のピペットピストン運動ステップに達する前に、感知できるほどのピペットピストン運動がもはや行われない。なぜなら、推定値は、既に極めて早くから、目標計量液体量に概ね一致しているからである。

高精度のピペッティング結果を得るために、制御装置は、毎秒１００以上、好ましくは１０００以上、特に好ましくは１００００以上のピペットピストン運動ステップを実施するように構成されていてよい。ピペットピストンで得られる力学の限界に基づいて、制御装置は、毎秒１０００００より少ないピペットピストン運動ステップを実施するように構成されている。

制御装置は、既に詳細に記載したように、後続のピペットピストン運動ステップに割り当てられたステップ基準体積を、目標計量液体体積に従って、データ記憶装置から読み出すこと、又は／及び、目標計量液体体積に基づいて算出することができる。

ステップ基準体積は、増分ステップ基準体積であってよく、増分ステップ基準体積は、計量側ピストン面の現在地を始点として、後続の１つのピペットピストン運動ステップに関して、計量側ピストン面が、この次の運動ステップの間に進むべきステップ基準体積を表している。有利には、それまでの増分ステップ基準体積から合計によって得られた、増加するステップ数を通したステップ基準体積の累積値は、累積値が初期値から、目標計量液体体積の少なくとも９５％、好ましくはまさに１００％の値にまで増加する第１のステップ領域と、第１のステップ領域に続く、累積値が目標計量液体体積の９５％から１０５％の範囲、好ましくはまさに１００％の値を離れない第２のステップ領域と、を有している。

ステップ基準体積は、代替的に、上記において累積ステップ基準体積とも表した、絶対ステップ基準体積であってもよく、絶対ステップ基準体積は、ピペッティングプロセスの開始時点における計量側ピストン面の開始位置を始点とした、計量側ピストン面の最終位置を表している。やはり、絶対又は累積ステップ基準体積の値は、増加するステップ数を通して、絶対ステップ基準体積の値が初期値から、目標計量液体体積の少なくとも９５％、好ましくはまさに１００％の値にまで増加する第１のステップ領域と、第１のステップ領域に続く、絶対ステップ基準体積の値が目標計量液体体積の９５％から１０５％の範囲、好ましくはまさに１００％の値を離れない第２のステップ領域と、を有している。

有利には、ピペッティングプロセス全体に占める第２のステップ領域の割合は、ピペットピストン運動ステップの数に関して、２０％より大きく、好ましくは３０％より大きく、従って、ピペッティングプロセスの終了近くには、ピペットピストンが主に補正運動を行っている減速段階が存在しており、これによって、目標計量液体量と実際にピペッティングされる計量液体量との一致の精度が高められる。当該段階において行われるピペットピストン運動ステップは、一般的に、第１のステップ領域におけるよりも小さい目標ステップ運動体積を有しており、これによって、阻害されない、十分に安定したピペッティングプロセスの制御が可能になる。従って、第２のステップ領域では、ピペッティングが進行する際の相互の障害の形成と、その補正とは、目標ステップ運動体積が小さいゆえに、略排除され得る。同じ理由から、好ましくは第２のステップ領域は、第１のステップ領域と少なくとも同じステップ数、又は、より多くのステップ数を有しており、又は／及び、好ましくは第１のステップ領域と少なくとも同じ時間的長さにわたって、又は、より長い時間的長さにわたって継続する。

不確かな場合には、ピペッティングプロセスの開始は、第１のステップ領域の開始と一致すべきであり、すなわち増分ステップ基準体積の当初の値が０ではない時点で開始すべきである。本発明に係るピペット装置及び本発明に係るピペッティング方法においては、ピペット開口部を計量液体容器に浸した時点から既に、ステップ基準体積がさらに０の値のみを有しているにも関わらず、例えば毛管力によってのみもたらされるピペット開口部を通過する計量液体の障害に抵抗するために、ピペットピストンの運動が生じ得る。しかしながら、このようなピストン運動は、任意の長さで持続し得る補正運動に過ぎない。本発明に係るピペッティングプロセスは、不確かならば、ピペットピストンが、増分ステップ基準体積が当初の０から０とは異なる値に変化することによって、動き始める場合に開始する。この際、時間的に直接連続する２つの累積又は絶対ステップ基準体積の差は、増分ステップ基準体積と同等である。

外部の影響を受ける可能性がわずかである、可能な限り安定した制御方法のために、制御装置は、決定された目標ステップ運動体積を、以下の３つのパラメータ：
－後続のピペットピストン運動ステップ終了時点での計量側ピストン面の目標最終位置、
－後続のピペットピストン運動ステップの間の、ピストン面の目標変位速度、及び、
－後続のピペットピストン運動ステップの時間的長さ、
の内の、少なくとも２つのパラメータの数量化によって決定するように構成されていてよい。

従って、計量側端面の位置だけではなく、変位速度も規定され得る。例えば、上述の制御装置のデータ記憶装置には、目標計量液体量の様々な値に関して、又は／及び、ステップ基準体積の様々な値に関して、様々な変位速度又は運動継続時間が保存されていてよい。

既に方程式１０、方程式１０’及び方程式１０”を用いて示したように、制御装置は、第２の動作領域に位置する作動ガスの部分と、圧力の商と温度の商とから成る積と、に基づいて、第２の補正変数を形成するように構成されていてよく、圧力の商は、検出された作動ガス圧力と作動ガス基準圧力とから成る商であり、温度の商は、動作温度と基準温度とから成る商である。

同様に、計量側ピストン面の高精度かつ高速の運動のためには、駆動装置が、そのロータがピペットピストンであるリニアモータを含んでいると有利である。この場合、駆動装置は、ピペットピストンに十分に高い駆動力を与えるために、好ましくは複数の給電可能なコイルを含んでおり、当該コイルは、駆動区間に沿って、径方向において、ピペット管の外側に配置されている。ピペットピストンへの可能な限り均一な駆動力を得るために、コイルは、好ましくはピペット管を管軸の周りの周方向において閉じるように包囲している。少なくとも一時的に給電されたコイルは、熱源を形成するので、第２の動作領域は、駆動区間を含んでいる。従って、計量側ピストン面によって、計量側ピストン面の変位の際に押しのけられる体積は、好ましくは完全に第２の動作領域内にある。可能な限り良好に予測可能である熱的条件の理由から、第１の動作領域は、管軌道に沿って、コイルの配置領域まで達している。従って、好ましくは、コイルの配置領域のピペット開口部側の長手方向端部からピペット開口部まで延在するピペット管の部分は、ピペット装置の外部環境に対して露出しており、第１の動作領域を形成している。

基本的に、動的熱平衡において、第２の動作領域でピペット装置が動作している間に、既知の動作温度が生じ得る。この平衡動作温度は、上述のデータ記憶装置に保存されていてよく、ピペッティングプロセスの制御に用いられ得る。しかしながら、第２の動作領域におけるセンサによる温度の検出は、繰り返し新たに生じる熱平衡状態への信頼よりも、確実かつ正確である。従って、本発明の好ましいさらなる発展形態に係るピペット装置は、動作温度を検出するための温度センサを有しており、当該温度センサは、動作温度を表す動作温度信号を出力する。

同一のピペット管を用いた、異なる計量液体の連続するピペッティングによる汚染を回避するために、ピペット管は、好ましくは、連結構造及び連結構造に解除可能に連結されるピペットチップを備えた、装置に固定された管部分を有している。ピペットチップは、ピペット開口部を有している。計量液体は、ピペットチップ内にのみピペッティングされ、装置に固定された管部分にはピペッティングされない。

ピペッティングプロセスの間の圧力及び温度に誘発される作動ガス基準体積の変化に加えて、作動ガスを囲む領域における不可避の漏出も、ピペッティング精度に不利な影響を与え得る。作動ガスは、例えばピペットピストンの側を通り過ぎるか、又は、ピペットチップの連結のための連結構造を越えて流れ得る。従って、好ましくは、制御装置は、ピペット管の漏出を表す第３の補正変数を決定するように構成されており、制御装置は、ピペットピストンの目標ステップ運動体積を、付加的に、第３の補正変数に基づいて決定するように構成されている。この場合、例えば、上述の方程式１０は以下のように修正され得る：

方程式１１

この際、好ましくは、第３の補正変数として、漏出体積ΔＶ_{Ｌｅｃｋａｇｅ}が前提とされる。第３の補正変数は、好ましくは、漏出パラメータとしての、構造に左右される漏出率Ｋ_Ｌと、ピペット管内部の圧力ｐ_ＡＢ１と周囲圧力ｐ_∞との圧力差と、圧力差の作用時間と、に依存する：

方程式１２

第３の補正変数として、漏出体積を数量化するために、制御装置は、第３の補正変数を、圧力検出信号と、時間的長さ、特にピペットピストン運動ステップの時間的長さと、に基づいて決定するように構成されていてよい。

制御装置はさらに、第３の補正変数を、漏出パラメータＫ_Ｌに基づいて決定するように構成されていてもよい。漏出パラメータは、所与のピペット装置に関して、時間と共に変化し得るので、制御装置は、漏出パラメータの値を更新するために、さらに、手動での制御入力に基づいて、又は、所定の自動制御によって、最初に決定された作動ガス圧力の漏出の影響を受ける経時的変化の検出を実施して、漏出パラメータを決定するように構成されていてよい。

例えば、制御装置は、手動の制御入力に基づいて、又は、所定の自動制御によって、例えば規則的な所定の時間的間隔において、装置に固定された管部分に、閉じられたピペット開口部を有する、又は、ピペット開口部を有さないピペットチップを連結し、ピペットピストンの運動を通じて、ピペット管内の作動ガスの所定の圧力を調整し、所定の時間的長さにわたる作動ガス圧力の変化を検出することができる。所定の時間的長さにわたる作動ガス圧力の変化から、及び、ピペット管内の作動ガス圧力とピペット装置の周囲圧力との圧力差から、制御装置は漏出パラメータを数量化することができる。

ピペット装置は、周囲圧力を検出するための圧力センサを有し得る。代替的に、周囲圧力は、手動で、入力装置を通じて入力され得る。

本発明は、冒頭に挙げた課題を、ピペット装置を用いて、特に上述したように、さらなる発展形態を有するピペット装置を用いて、計量液体の流動特性又は／及び湿潤特性とは無関係に、計量液体を正確に計量するための方法によっても解決し、ピペット管は、その既知の基準温度がより低い基準温度領域内にある第１の動作領域と、その既知の動作温度が基準温度領域よりも高い動作温度領域内にある第２の動作領域と、を有しており、当該方法は、ピペット管内で移動可能であるように受容されたピペットピストンの段階的な変位を実施し、当該方法は、ピペットピストンの第１の運動ステップの後、後続のピペットピストン運動ステップに関して、以下の方法ステップを含んでいる：
－作動ガスの圧力を検出するステップ、
－ピペットピストンの位置を検出するステップ、
－ピペット管内に封じ込められた作動ガス体積の第１の領域に位置する第１の部分の、圧力変化に誘発された体積変化を表している第１の補正変数を、検出されたピペットピストン位置、検出された作動ガス圧力及び作動ガス基準圧力に基づいて決定するステップ、
－ピペット管内に封じ込められた作動ガス体積の第２の動作領域に位置する部分の、圧力変化にも温度変化にも誘発された体積変化を表している第２の補正変数を、検出されたピペットピストン位置、検出された作動ガス圧力、作動ガス基準圧力、既知の動作温度及び既知の基準温度に基づいて決定するステップ、
－受容空間内に存在する計量液体に関する推定値を、検出されたピペットピストン位置、以前のピペットピストン位置、第１の補正変数及び第２の補正変数に基づいて決定するステップ、
－後続のピペットピストン運動ステップに割り当てられたステップ基準体積を決定する、又は、データ記憶装置から呼び出すステップ、
－推定値とステップ基準体積とを比較するステップ、
－後続のピペットピストン運動ステップにおけるピペットピストンの変位のために、目標ステップ運動体積を決定するステップ、及び、
－目標ステップ運動体積の分だけピペットピストンを変位させるステップ。

動作温度は既知であってよい。なぜなら、動作温度は、ピペット装置の動作中に、平衡温度として第２の動作領域に生じるからである。しかしまた、当該方法は、ピペット管の第２の動作領域における動作温度を検出するステップを有していてもよい。

好ましくは前記方法に従って動作する、上述のピペット装置のさらなる発展形態は、本発明に係る方法のさらなる発展形態でもあり、逆もまた然りである。

以下に、本発明を添付の図面を用いて詳細に説明する。示されているのは以下の図である。

本出願に係るピペッティング方法としての本発明に係る吸引方法の開始時点における、本出願に係るピペット装置の本発明に係る実施形態を示す図である。 ピペッティング方法の間において、第１の比較的小さく吸引が進行した後の、図１に係るピペット装置を示す図である。 ピペッティング方法の間において、第２の比較的大きく吸引が進行した後の、図１及び図２に係るピペット装置を示す図である。 本発明に係る吸引プロセスのグラフを、ステップ基準体積、ピペット管内に受容された計量液体の体積に関する推定値、及び、計量側ピストン面によって押しのけられた体積の描写と共に示す図である。 計量されるべき目標計量液体体積に従う、単なるピストン行程の制御を伴う、従来の吸引プロセスのグラフを示す図である。

図１から図３には、本発明に係るピペット装置が全体として１０で示されている。当該ピペット装置は、ピペット管１２を含んでおり、ピペット管１２は、装置に固定された管部分であるシリンダ１３と、シリンダ１３と解除可能に連結可能なピペットチップ２６と、によって形成されている。ピペット管１２は、直線状の管軸として形成された管軌道Ｋに沿って延在している。当該ピペット管１２内では、ピストン１４が、管軌道Ｋに沿って移動できるように受容されている。

ピストン１４は、図１においてのみ参照符号が付された２つのエンドキャップ１６を含んでおり、当該エンドキャップの間には、複数の永久磁石１８（当該例の場合は３つの永久磁石１８）が受容されている。永久磁石１８は、管軌道Ｋに沿って分離度が高い磁界を得るために、管軸Ｋに沿って分極しており、同種の極が互いに対向するように、対で配置されている。当該配置の結果、ピストン１４を始点とする磁界が生じ、当該磁界は、管軸Ｋの周りで概ね同形であり、つまり、管軸Ｋに関して概ね回転対称であり、管軸Ｋに沿って、磁界強度の高勾配を有しており、これによって、同種ではない分極区域が、管軌道Ｋに沿って高い分離度で交互に現れる。従って、例えば単に象徴的に示したホールセンサ１９によって、管軸Ｋに沿ったピストン１４の位置を検出する際に、高い位置分解能が得られ、外側磁界のピストン１４への非常に効率的な連結が得られる。

エンドキャップ１６は、例えば、アメリカのコネチカット州ノーウォークのＡｉｒｐｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社の市販されているピストンから知られているように、好ましくは低摩擦の、グラファイトを含む材料から形成されている。当該材料によってもたらされる小さい摩擦を可能な限り完全に排除可能にするために、シリンダ１３は、好ましくはガラスシリンダとして構成されており、これによって、ピストン１４が管軸Ｋに沿って移動する際に、グラファイトを含む材料は、極めて低摩擦にガラス面を摺動する。

従って、ピストン１４は、リニアモータ２０のロータを形成しており、リニアモータ２０のステータは、ピペット管１２を包囲するコイル２２（図面では例として４つのコイルのみが示されている）によって形成されている。

明確に指摘しておくべきことに、図１から図３は、単に本発明に係るピペット装置１０の粗い概略的な縦断面を示しているのに過ぎず、正確な縮尺で示されていると理解すべきではない。さらに、部材が複数である場合、例えば３つの永久磁石１８及び４つのコイル２２といったように、任意の部材数で示されている。実際には、永久磁石１８の数もコイル２２の数も、図示された数より多くてもよいし、少なくてもよい。

リニアモータ２０、より正確にはそのコイル２２は、信号を伝達するようにコイル２２と接続された制御装置２４によって作動する。コイルに給電するための電流の伝達、及び、コイルによる磁界の形成も、信号と見なされる。制御装置２４は、ピペット管１２内の作動ガス３４の圧力を表す圧力検出信号を、圧力センサ３８から受信し、ピペットピストン１４の位置を表す位置検出信号を、ホールセンサ１９から受信し、以下において言及されるピペット管１２の第２の動作領域ＡＢ２における作動ガス３４の温度を表す温度検出信号を、温度センサ２３から受信する。図１では、温度センサ２３は、ピペットピストン１４によって隠されており、図２及び図３においてのみ視認可能である。

シリンダ１３の計量側端部１３ａには、それ自体知られた方法で、ピペットチップ２６が解除可能に取り付けられており、ピペットチップ２６は、ピペット管１２を、シリンダ１３を越えるように延長している。ピペットチップ２６の、シリンダ１３の計量側長手方向端部１３ａとの接続は、同様に粗く概略的にのみ示されている。

ピペットチップ２６は、ピペットチップの内部において、ピペッティング空間２８を画定しており、ピペッティング空間２８は、連結部から離れた長手方向端部２６ａにおいて、専らピペット開口部３０を通じてアクセス可能である。

図１から図３に示された吸引プロセスの例では、ピペッティング空間２８に計量液体３２の量３１が受容される。図１には、吸引プロセス開始時点におけるピペット装置１０の動作状態が示されており、当該動作状態では、ピペット管１２は、ピペットチップ２６及びそのピペット開口部３０で、まさに計量液体容器４０の液面３２ａに接触しており、これによって、作動ガス３４は、ピペット開口部３０と計量側ピストン面１４ａとの間に封じ込められている。当該例では、計量側ピストン面１４ａは、管軌道Ｋに関して軸方向において、計量開口部３０の方を指し示すエンドキャップ１６の端面によって形成されている。

ピストン１４と計量液体３２との間には、本明細書で考察される「空気置換方式」のピペッティング方法の場合、作動ガス３４が持続的に存在しており、作動ガス３４は、ピストン１４と計量液体３２との間において力を伝達するための媒介として用いられる。

図１に示した動作状態では、計量側ピストン面１４ａと、計量液体３２によって閉じられたピペット開口部３０と、の間には、作動ガス死容積Ｖ_Ｔを有する作動ガス３４が封じ込められている。計量側ピストン面１４ａは、ピペット装置１０の初期状態では、後続の吸引プロセスのために、好ましくは下死点に位置している。下死点において、計量側ピストン面１４ａは、第１の動作領域ＡＢ１に存在しており、第１の動作領域は、ピペット開口部３０から、リニアモータ２０の軸方向始点まで達している。第１の動作領域ＡＢ１では、ピペット管１２は、径方向外側において直接周囲雰囲気によって湿らされているので、第１の動作領域ＡＢ１に封じ込められた作動ガス３４の温度Ｔ_ＡＢ１は、周囲温度Ｔ_∞に一定して一致する。ピペッティング空間２８は、計量液体３２の液面３２ａにピペット開口部３０を載置する直前まで、周囲雰囲気と接触することができたので、図１のピペット装置１０の動作状態において、封じ込められた作動ガス３４の圧力ｐ_ＡＢ１は、周囲圧力ｐ_∞である。図１は、続く吸引プロセスの基準状態におけるピペット装置１０を示している。従って、挙げられるパラメータ値は、基準値である。

構造上、軸方向において、第１の動作領域ＡＢ１には第２の動作領域ＡＢ２が続いており、第２の動作領域ＡＢ２は、軸方向において、リニアモータ２０の長さにわたって、又は、リニアモータのコイル２２の配列にわたって延在している。管軌道Ｋに沿ってピペットピストン１４を駆動するために給電可能なコイル２２は、熱源であり、その延在方向に沿って、すなわち第２の動作領域ＡＢ２に沿って動作する際に、第２の動作領域ＡＢ２におけるピペット管１２内部の温度Ｔ_ＡＢ２が、第１の動作領域ＡＢ１における温度Ｔ_ＡＢ１よりも高くなることをもたらす。第２の動作領域ＡＢ２における上昇した温度Ｔ_ＡＢ２は、図２及び図３に示された温度センサ２３によって検出されるか、又は、既知である。なぜなら、ピペット装置１０が持続的に動作する中で、一定の上昇した平衡温度Ｔ_ＡＢ２が生じるからである。

計量液体３２と、計量液体の吸引及び分注に必要な、材料に依存するパラメータとが、未知である。

図１の初期状況から出発して、所定の量の計量液体３２が、ピペット管１２に吸引されるべきである。このために、ピペットピストン１４は、１００Ｈｚから５００００Ｈｚの間のステップ周波数で、管軌道Ｋに沿って吸引方向に、すなわちピペット開口部３０から離れる方向に動かされる。当該運動は、制御装置２４によって制御される。

手動の入力、ネットワークに支援されたデータ照会、又は、さらなる特に図示されていないセンサを通じて、制御装置２４は、周囲圧力及び周囲温度を問い合わせる。さらに、制御装置２４は、制御装置２４のデータ記憶装置に保存された、好ましくは吸引されるべき目標計量液体量に依存するピペットピストン運動ステップの数を読み出す。代替的に、このピペットピストン運動ステップの数は、制御装置２４によって、式を用いて算出され得るか、又は、手動の入力によって制御装置２４に入力され得る。

既知の吸引されるべき目標計量液体量を前提として、制御装置は、対応して満たされたデータ記憶装置の照会を通じて、又は、各ピペットピストン運動ステップに関する式を用いた算出を通じて、ステップ基準体積を、計量側ピストン面１４ａの大きさを知った上で、ピペットピストン運動ステップの開始時点におけるピストン位置から出発して進むべき増分ステップ基準体積として、又は、計量側ピストン面１４ａの大きさを知った上で、ピペットピストン運動ステップ終了時点での最終位置を表している累積ステップ基準体積として得る。補正値として、ステップ補正運動体積が、例えば０の値によって初期化される。

計量側ピストン面１４ａは、第１のピペットピストン運動ステップにおけるコイル２２の対応する給電を用いて、目標ステップ運動体積を、当該運動ステップに関するステップ基準体積と当該運動ステップに関するステップ補正運動体積との合計に対応して、ピペット開口部３０から離れるように変位させる。この第１のステップに関するステップ補正運動体積は、例として、０の初期化値を有しているので、この場合、目標ステップ運動体積は、ステップ基準体積である。

ピペットピストン運動ステップは、計量側ピストン面１４ａの開始位置を始点として、完全にピペット管１２の第１の動作領域ＡＢ１内に位置するので、計量側ピストン面１４ａの運動によってもたらされる、封じ込められた作動ガス３４の状態変化は、等温状態変化のように扱われる。

圧力センサ３８によって、封じ込められた作動ガス３４の圧力ｐ_ＡＢ１が検出され、当該圧力は、ピストン運動が行われているゆえに、当初の周囲圧力ｐ_∞よりも小さい。

上述の方程式１０’、又は、漏出損失が考慮されるべき場合は上述の方程式１１を通じて、既知のＶ_{Ｋｏｌｂｅｎ}、この場合は第１のステップ基準体積に相当するＶ_{Ｋｏｌｂｅｎ}を用いて、かつ、ピストン面１４ａが第１の動作領域において専ら移動するゆえに_ＡＢ２Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}＝０を用いて、かつ、封じ込められた作動ガス３４の測定された圧力ｐ_ＡＢ１を用いて、第１のピペットピストン運動ステップの後でピペット管１２内に存在する計量液体の量Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}が、推定体積として評価される。

ステップ基準体積及び推定体積Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}を用いて、例えば差分形成によって、差分値が形成され、当該差分値は、ステップ基準体積と推定値Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}との値の差を表している。

差分値に基づいて、原則的に知られているＰＩＤ制御を通じて、ステップ補正運動体積が補正値として算出され、当該補正値を用いて、後続のピペットピストン運動ステップのステップ基準体積が、目標ステップ運動体積に対して修正される。このために、差分値は、比例変換要素、微分変換要素及び積分変換要素を用いて、ステップ補正運動体積に換算される。各変換要素は、実験によって決定された重み付け係数で重み付けされていてよい。

ピペットピストン運動ステップのカウンターは、１ずつ値を増やされ、ピペットピストン運動ステップの最大数に依然として達しない場合、次のピペットピストン運動ステップに割り当てられたステップ基準体積が用いられ、例えば合計又は差分の形成によって、予め決定されたステップ補正運動体積を用いて、目標ステップ運動体積に対して修正される。計量側ピストン面１４ａは、次に、目標ステップ運動体積に対応して、その面の大きさを考慮して動かされる。すなわち、目標ステップ運動体積は、計量側ピストン面１４ａの大きさの値によって分割され、管軌道Ｋに沿ったピストン面１４ａの変位経路が得られる。

上述したように、封じ込められた作動ガス３４の圧力ｐ_ＡＢ１が新たに検出され、方程式１０’から、又は、漏出損失を考慮すべき場合には方程式１１から、既知のＶ_{Ｋｏｌｂｅｎ}及び_ＡＢ２Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}＝０及び封じ込められた作動ガス３４の測定された圧力ｐ_ＡＢ１を用いて、ピペットピストン運動ステップが行われた後でピペット管１２内に存在する計量液体の量Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}が推定される。

上述のステップ基準体積と推定値Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}との差分値の形成が新たに行われ、当該差分値から、上述のさらなるステップ補正運動体積の算出が行われる。このさらなるステップ補正運動体積は、やはり、次の目標ステップ運動体積の決定に用いられる。続いて、ステップカウンターのインクリメントと、計量側ピストン面１４ａの新たな移動と、が行われる。

この順序は、記載された方法で反復して、計量側ピストン面１４ａが、第１の動作領域ＡＢ１と第２の動作領域ＡＢ２との間の境界に到達するまで行われるので、ピストン面１４ａのさらなる移動は、もはや第１の動作領域ＡＢ１においては行われず、第２の動作領域ＡＢ２において行われる。

次に、計量側ピストン面１４ａが第２の動作領域ＡＢ２において動かされる場合、ピストン面１４ａの移動と共に、封じ込められた作動ガス３４の第１の動作領域ＡＢ１と第２の動作領域ＡＢ２との間における変位がもたらされるので、基本的に上述の進行は維持されるが、推定値Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}の決定に用いられ得る上述の方程式１０、方程式１０’又は方程式１０”又は方程式１１では、０とは異なる現在値_ＡＢ２Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}が用いられる。これによって、第１の動作領域ＡＢ１と第２の動作領域ＡＢ２との間における作動ガスの変位と、その温度変化とが、圧力変化に加えて考慮される。

つまり、新たに、計量側ピストン面１４ａが、最後に算出された目標ステップ運動体積に従って変位する。封じ込められた作動ガス３４の圧力ｐ_ＡＢ１は、圧力センサ３８によって検出され、第２の動作領域ＡＢ２における作動ガスの温度Ｔ_ＡＢ２は、温度センサ２３によって検出される。第１の動作領域ＡＢ１における作動ガスの温度Ｔ_ＡＢ１は、概ね一定であると想定され、上述の考量から、周囲温度Ｔ_∞と同一視される。

次に、検出されたパラメータを用いて、方程式１０、方程式１０’又は方程式１０”又は方程式１１に基づいて、ピペット管１２内に受容された計量液体３２の体積に関する推定値Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}が決定される。推定値と、最新のピペットピストン運動ステップに割り当てられたステップ基準体積と、を比較することによって、差分値が決定され、当該差分値に基づいて、上述のその原則が知られたＰＩＤ制御を用いて、ステップ補正運動体積が決定される。このステップ補正運動体積を用いて、ステップ基準体積が、目標ステップ運動体積に対して修正される。

ステップカウンターのインクリメントの後、ピペッティングプロセスに関する最大ステップ数に依然として達していない場合、次のピペットピストン運動ステップは、計量側ピストン面１４ａの移動に関する目標規準値としての目標ステップ運動体積で実施される。

この進行は、ピペッティングプロセスに関して特定の最大ステップ数に到達するまで、又は、差分値、場合によっては連続するステップの所定の数が、所定の閾値を下回るまで、反復されるので、方程式１０、方程式１０’又は方程式１０”又は方程式１１で決定された、ピペット管内に存在する計量液体３２の推定体積は、十分正確に、目標計量液体量に一致する。

有利には、ピペッティングプロセスに関して設けられたピペットピストン運動ステップの数を通じたステップ基準体積の推移は、直線状ではなく、累減するように選択されている。すなわち、累積ステップ基準体積又は累積増分ステップ基準体積の値の増加は、該当するもの次第で、ピペッティングプロセスの開始時点において、ピペッティングプロセスの終了近くにおけるよりも大きい。この際、少なくともピペッティングプロセスのピペットピストン運動ステップの最後の３０％に関するステップ基準体積の値は、２つの比較値の内の大きい方の値に関して１０％以上は変化しない。ステップ基準体積の累減的推移の利点は、ピペッティングプロセスの終わりに向かって、差分値から決定された補正値が、計量側ピストン面１４ａの運動に与える影響が優勢になる点にある。従って、ピペッティングプロセスの終わり近くには、例えばピペットピストン運動ステップの最後の３０％の間には、差分値及び差分値から得られる補正値（ステップ補正運動体積）の決定によって、異なる計量液体の異なる流動特性の影響は解消され得る。

異なる計量液体は、粘度、密度、表面張力、湿潤性、ピペット管の材料に対する挙動等のピペッティングに関連する影響変数に依存して、異なった速さで、所望の目標計量液体量に収斂するであろう。ピペットピストン運動ステップの数を十分大きく選択すると、比較的高い密度及び高い粘度を有する計量液体も、その正確な液体パラメータを知らずとも、正確にピペッティングされ得ることが保証され得る。

図４Ａには、本発明に係るピペッティングプロセスの実施例として、吸引プロセスのグラフが示されている。図４Ａの座標系のｘ座標は、時間を秒で示しており、つまり０秒から１６秒が示されている。ｙ座標は、体積をマイクロリットル（μｌ）で示しており、つまり－５μｌから２０μｌが示されている。

吸引されるべき目標計量液体体積は、１０μｌである。吸引されるべき計量液体はグリセリンである。

参照符号４２で、ステップ基準体積の推移が、累積値として示されている。吸引プロセスの開始後ｔ＝５秒までは、値は０μｌであり、５秒から１０秒の時間領域において、０μｌから１０μｌの目標計量液体体積まで直線的に増加する。従って、ピペッティングプロセスは、ｔ＝５ｓにおいて初めて開始する。１０秒から１５秒の時間領域において、ステップ基準体積は、１０μｌの目標計量液体体積の値であり続ける。従って、５秒から１０秒の時間領域は、上述した意味における第１のステップ領域４４を形成しており、当該ステップ領域では、累積ステップ基準体積は、目標計量液体体積の少なくとも９５％まで増大する。１０秒から１５秒の領域は、上述の意味における第２のステップ領域４６を形成しており、当該ステップ領域では、累積ステップ基準体積は、目標計量液体体積の９５％から１０５％の領域を離れない。より正確には、累積ステップ基準体積は、第１のステップ領域４４において０％から、目標計量液体体積のまさに１００％にまで増大し、第２のステップ領域４６において、目標計量液体体積のまさに１００％であり続ける。

図４Ａでは、参照符号４８で、ピペッティングプロセスの間に計量側端面１４ａによって押しのけられる体積が示されている。

ピペッティングプロセス開始時点における０位置から出発して、計量側端面１４ａによって押しのけられた体積は、差し当たりマイナスである。すなわち、計量側端面１４ａは、分注方向において、毛管力によってもたらされるグリセリンのピペットチップ２６への流入に対して抵抗するために、ピペット開口部３０に接近する。

実際に、計量側端面１４ａの運動体積及び累積目標ステップ運動体積に相当する、計量側端面１４ａによって押しのけられた体積と、ステップ基準体積と、の体積差５０は、上述したように算出されたステップ補正運動体積である。

参照符号５２で、ピペット管１２又は受容空間２８に受容された計量液体体積の、上述したように算出された推定値が示されている。

図４Ａに示されているように、まずピペットピストン１４の運動によって、単にグリセリンのピペットチップ２６内への毛管流入が、ステップ基準体積４２による規準値に従って妨げられる。

次に、ステップ基準体積４２の値が、５秒の時点において、大きくなり始める場合、計量液体は、差し当たりステップ基準体積４２未満であり続けるが、ステップ基準体積４２が１０秒の時点において、一定して到達した目標計量液体体積であり続ける場合、ステップ基準体積を超過する。

第１のステップ領域４４に続く第２のステップ領域４６は、既に詳しく記載したように、概ね目標計量液体体積を受容空間２８に受容した後で、計量側端面１４ａの補正運動によって、計量液体のあふれ又は後流の傾向を修正するために用いられる。目標計量液体体積は、大部分が既に第１のステップ領域４４において受容空間２８に受容されているので、計量側端面１４ａの各目標ステップ運動体積は、第２のステップ領域４６において、第１のステップ領域４４におけるよりも小さく、これによって総じて、ピペッティングプロセスの高い計量精度がもたらされる。図示された例では、第２のステップ領域４６は、第１のステップ領域４４と略同じ長さで継続しており、従って、ピペットピストン１４の略同じ数の運動ステップを含んでいる。

図４Ｂには、ピペットピストン１４が、計量側端面１４ａの表面積を考慮して、所望の目標計量液体体積の分だけ引き上げられる場合、ピペットピストン１４の純粋に経路と時間とで制御された吸引運動に際して、グリセリンがどのような挙動を示すかが記されている。

本図でも、ｘ座標は時間を秒で表し、ｙ座標は体積をμｌで表している。

図４Ｂでは、参照符号４２’で、計量側端面１４ａの目標運動軌道が示されている。目標運動軌道は、正確に、図４Ａにおける累積ステップ基準体積に一致する。

参照符号４８’で、目標運動軌道４２’に経路と時間とで制御されて従う計量側端面１４ａの運動曲線が示されている。計量側端面１４ａを、目標運動軌道４２’に従って、経路と時間とによって制御することは、技術的には問題はないので、計量側端面１４ａは、目標規準値に非常に正確に従っている。

参照符号５２’で、ピペットチップ２６に受容される計量液体体積が、経時的に示されている。図４Ｂのグラフから非常に良く認識できることに、ピペットピストン１４による対応するトリミングを行わずに、約ｔ＝１秒の時点で、グリセリンは、毛管力によってのみ動かされて、ピペット開口部３０を通ってピペットチップ２６の受容空間２８に流入し始める。ｔ＝１秒において、どちらの場合も、すなわち図４Ａ及び図４Ｂの場合も、ピペット開口部３０が計量液体３２に浸される。

時点ｔ＝５ｓにおいて、ピストン運動の開始と共に、グリセリンもさらに、ピペットチップ２６の受容空間２８に流入し始めるが、今回は、ピペット運動によって作動ガス３４内に形成された周囲圧力に対する陰圧によって動かされる。

時点ｔ＝１０ｓでピストン運動が終了した後、陰圧がピペット管１２内（それと共に受容空間２８内）で、陰圧がグリセリンによって受容空間２８内に形成された液柱２９と概ね力平衡にある程度に減少するまで、グリセリンはさらに、ピペット開口部３０を通って受容空間２８に流入する。しかしながら、それによって、ピペットピストン１４がグリセリン受容の原動機構として、１０μｌの移動を実施するにも関わらず、約８μｌよりも少ないグリセリンのみが受容空間２８に受容される。

従来のピペッティングシステムでは、制御装置２４のデータ記憶装置には、液体クラスが保存されているであろう。当該液体クラスには、グリセリンが割り当てられ、当該液体クラスからは、ピペットピストン１４の目標運動体積が、所望の１０μｌを始点として増大しなくてはならない分の係数が引き出されるので、ピペットチップ２６には、ピストン運動の終わりには、所望の１０μｌのグリセリンが受容されていることであろう。当該係数は、実験室において経験によって決定されるべきものである。

図４Ａと図４Ｂとの比較が示すように、本発明によって、所望の目標計量液体体積を、記載された体積ベースの制御に基づいて、計量液体の液体クラスを知らずとも、かつ、計量液体の具体的な流動特性を知らずとも、高精度でピペッティングすることが可能であり、さらに、従来の経路で、又は、経路と時間とで運動を制御するピペットピストン１４よりも短時間において高精度でピペッティングすることすら可能である。

１０ ピペット装置
１２ ピペット管
１３ シリンダ、装置に固定された管部分
１３ａ 計量側端部
１４ ピペットピストン
１４ａ 計量側ピストン面
１６ エンドキャップ
１８ 永久磁石
１９ ホールセンサ、位置検出装置
２０ リニアモータ、駆動装置
２２ コイル
２３ 温度センサ
２４ 制御装置
２６ ピペットチップ
２６ａ 長手方向端部
２８ ピペッティング空間、受容空間
２９ 受容空間に存在する計量液体量、液柱
３０ ピペット開口部
３１ 量
３２ 計量液体
３２ａ 液面
３４ 作動ガス
３８ 圧力センサ、圧力検出装置
４０ 計量液体容器
４２ ステップ基準体積
４２’ 目標運動軌道
４４ 第１のステップ領域
４６ 第２のステップ領域
４８ ピペッティングプロセスの間に計量側端面１４ａによって押しのけられる体積
４８’ 計量側端面１４ａの運動曲線
５０ 体積差
５２ 計量液体体積の推定値
５２’ ピペットチップ２６に受容される計量液体体積
ＡＢ１ 第１の動作領域
ＡＢ２ 第２の動作領域
Ｋ 管軌道、管軸
ｐ_ＡＢ１ 検出された作動ガス圧力
ｐ_∞ 作動ガス基準圧力
Ｔ_ＡＢ２ 動作温度
Ｔ_∞ 基準温度
_ＡＢ１Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ} 計量側ピストン面によって押しのけられる体積の、第１の動作領域に位置する部分
_ＡＢ２Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ} ピストン運動の第２の動作領域に位置する体積部分に相当する作動ガスの体積
Ｖ_１ ピペット管に封じ込まれた作動ガス体積
Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ} 変位体積
Ｖ_Ｔ 作動ガス基準体積
Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ} 受容空間に存在する計量液体量に関する推定値
Ｖ_{ｓｙｓ，ｒｅｓｔ} システム固有の残留体積

Claims (20)

1. 作動ガス（３４）を用いた計量液体（３２）のピペッティングのため、すなわち吸引又は／及び分注のためのピペット装置（１０）であって、ピペット装置（１０）は、
   －管軸（Ｋ）に沿って延在するピペット管（１２）、
   －前記ピペット管（１２）内で前記管軸（Ｋ）に沿って移動可能であるピペットピストン（１４）、
   －計量液体（３２）を受容するための受容空間（２８）であって、前記受容空間（２８）は、前記ピペット管（１２）内で前記管軸（Ｋ）に沿って、一方の端部におけるピペット開口部（３０）から、他方の端部における前記ピペットピストン（１４）の前記ピペット開口部（３０）に対向する計量側ピストン面（１４ａ）まで延在しており、前記ピペット管（１２）内には、前記計量側ピストン面（１４ａ）に直接接して、前記作動ガス（３４）が受容されており、作動ガス基準体積（Ｖ_Ｔ）は、作動ガス基準圧力（ｐ_∞）下で前記受容空間（２８）内に存在する前記作動ガス（３４）の体積によって決定されている受容空間（２８）、
   －力が伝達されるように前記ピペットピストン（１４）に連結された駆動装置（２０）であって、前記ピペットピストン（１４）を前記管軸（Ｋ）に沿って変位させるように構成された駆動装置（２０）、
   －前記管軸（Ｋ）に沿った前記ピペットピストン（１４）の位置を検出し、検出した位置を表す位置検出信号を出力する位置検出装置（１９）、
   －前記ピペット管（１２）内の前記作動ガス（３４）の圧力を検出し、検出した圧力を表す圧力検出信号を出力する圧力検出装置（３８）、及び、
   －制御装置（２４）、
   を含んでおり、
   前記制御装置（２４）は、前記駆動装置（２０）を、
   －前記圧力検出信号、
   －前記作動ガス基準圧力（ｐ_∞）、及び、
   －決定された、ピペッティングされるべき目標計量液体体積、
   に従って、ピストン運動によってもたらされる、圧力変化に誘発される前記作動ガス基準体積（Ｖ_Ｔ）の変化を考慮して作動するように構成されており、前記制御装置（２４）はさらに、前記目標計量液体体積のピペッティングに必要なピストン運動を、連続する複数の運動ステップにおいて行うように構成されている、ピペット装置（１０）において、
   前記ピペット管（１２）は、その既知の基準温度がより低い基準温度領域に位置している第１の動作領域（ＡＢ１）と、その既知の動作温度が前記基準温度領域よりも高い動作温度領域内に位置する第２の動作領域（ＡＢ２）と、を有しており、前記制御装置（２４）は、第１のピペットピストン運動ステップの後で、後続のピペットピストン運動ステップに関して、
   －圧力変化に誘発された、前記ピペット管（１２）内に封じ込められた作動ガス体積の前記第１の動作領域（ＡＢ１）に位置する部分の体積変化を表す第１の補正変数を、前記位置検出信号、前記圧力検出信号及び前記作動ガス基準圧力（ｐ_∞）を基に決定し、
   －圧力変化及び温度変化に誘発された、前記ピペット管（１２）内に封じ込められた作動ガス体積の前記第２の動作領域（ＡＢ２）に位置する部分の体積変化を表す第２の補正変数を、前記位置検出信号、前記圧力検出信号、前記作動ガス基準圧力（ｐ_∞）、既知の前記動作温度及び既知の前記基準温度に基づいて決定し、
   前記ピペットピストン（１４）の目標ステップ運動体積を、
   －後続の前記ピペットピストン運動ステップに割り当てられるステップ基準体積、
   －進行中のピペッティングプロセスにおける、前記ピペットピストン（１４）の前記計量側ピストン面（１４ａ）のこれまでの変位体積（Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}）、
   －前記第１の補正変数、及び、
   －前記第２の補正変数、
   に基づいて決定し、決定された前記目標ステップ運動体積に従って前記駆動装置（２０）を作動するように構成されていることを特徴とするピペット装置（１０）。
2. 前記制御装置（２４）が、後続の前記ピペットピストン運動ステップに関して、進行中のピペッティングプロセスにおける前記ピペットピストンの前記計量側ピストン面（１４ａ）のこれまでの変位体積（Ｖ_{Ｋｏｌｂｅｎ}）、前記第１の補正変数及び前記第２の補正変数に基づいて、前記受容空間（２８）内に存在する計量液体量（２９）に関する推定値（Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}）を決定し、決定された前記推定値（Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}）を、前記ステップ基準体積と比較し、比較結果に基づいて、前記目標ステップ運動体積を決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のピペット装置（１０）。
3. 前記制御装置（２４）が、連続する前記ピペットピストン運動ステップを、特定の前記推定値と前記ステップ基準体積との差分値が所定の差の閾値を下回るまで実施するように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のピペット装置（１０）。
4. 前記制御装置（２４）が、所定の数の前記ピペットピストン運動ステップを実施するように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のピペット装置（１０）。
5. 前記制御装置（２４）が、特定の前記推定値（Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}）と前記ステップ基準体積との差分値を算出し、ステップ補正運動体積の前記差分値に比例する部分、又は／及び、前記差分値と少なくとも１つの先行する差分値との合計を考慮した、ステップ補正運動体積の積分の部分、又は／及び、前記差分値と先行する差分値との差を考慮した、ステップ補正運動体積の微分の部分、を特定するように構成されていることを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
6. 前記制御装置（２４）が、前記目標ステップ運動体積を、前記ステップ基準体積及び前記ステップ補正運動体積に基づいて決定する、特に、前記目標ステップ運動体積を、前記ステップ補正運動体積の分だけ修正されたステップ基準体積として決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のピペット装置（１０）。
7. 前記制御装置（２４）が、毎秒１００以上、好ましくは１０００以上、特に好ましくは１００００以上の前記ピペットピストン運動ステップを実施するように構成されており、前記制御装置が、毎秒１０００００より少ない前記ピペットピストン運動ステップを実施するように構成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
8. 前記制御装置（２４）が、後続の前記ピペットピストン運動ステップに割り当てられた前記ステップ基準体積を、前記目標計量液体体積に従って、データ記憶装置から読み出す、又は／及び、前記目標計量液体体積に基づいて算出するように構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
9. 前記ステップ基準体積が、増分ステップ基準体積であり、増加するステップ数を通した前記ステップ基準体積の累積値は、前記累積値が初期値から、前記目標計量液体体積の少なくとも９５％まで増加する第１のステップ領域（４４）と、前記第１のステップ領域（４４）に続く、前記累積値が前記目標計量液体体積の９５％から１０５％の範囲を離れない第２のステップ領域（４６）と、を有しているか、又は、
   前記ステップ基準体積が、絶対ステップ基準体積であり、増加するステップ数を通した前記絶対ステップ基準体積の値は、前記絶対ステップ基準体積の値が初期値から、前記目標計量液体体積の少なくとも９５％の値まで増加する第１のステップ領域（４４）と、前記第１のステップ領域（４４）に続く、前記絶対ステップ基準体積の値が、前記目標計量液体体積の９５％から１０５％の範囲を離れない第２のステップ領域（４６）と、を有しており、
   前記第２のステップ領域（４６）は、前記第１のステップ領域と少なくとも同じステップ数を有している、又は／及び、前記第１のステップ領域と少なくとも同じ時間的長さにわたって継続することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
10. 前記制御装置（２４）が、決定された前記目標ステップ運動体積を、以下の３つのパラメータ：
    －後続の前記ピペットピストン運動ステップの終了時点での前記計量側ピストン面（１４ａ）の目標最終位置、
    －後続の前記ピペットピストン運動ステップの間の、前記計量側ピストン面（１４ａ）の目標変位速度、及び、
    －後続の前記ピペットピストン運動ステップの時間的長さ、
    の内の、少なくとも２つのパラメータの数量化によって決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
11. 前記制御装置（２４）が、前記第２の動作領域（ＡＢ２）に位置する前記作動ガス（３４）の部分と、圧力の商と温度の商とから成る積と、に基づいて、前記第２の補正変数を形成するように構成されており、前記圧力の商は、検出された作動ガス圧力（ｐ_ＡＢ１）と前記作動ガス基準圧力（ｐ_∞）とから成る商であり、前記温度の商は、動作温度（Ｔ_ＡＢ２）と基準温度（Ｔ_∞）とから成る商であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
12. 前記駆動装置（２０）が、リニアモータを含んでおり、前記リニアモータのロータは、前記ピペットピストン（１４）であり、前記駆動装置（２０）は、複数の給電可能なコイル（２２）を含んでおり、前記コイルは、駆動区間に沿って、径方向において、前記ピペット管（１２）の外側に配置されており、前記第２の動作領域（ＡＢ２）は、前記駆動区間を含んでいるか、前記駆動区間であることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
13. 前記第１の動作領域（ＡＢ１）が、前記ピペット開口部（３０）を始点として、前記ピペットピストン（１４）に向かう方向において、好ましくは前記第２の動作領域（ＡＢ２）まで延在していることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
14. 前記ピペット装置（１０）が、動作温度（Ｔ_ＡＢ２）の検出のために温度センサ（２３）を有しており、前記温度センサは、前記動作温度（Ｔ_ＡＢ２）を表す動作温度信号を出力することを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
15. 前記ピペット管（１２）が、連結構造及び前記連結構造に解除可能に連結されるピペットチップ（２６）を備えた、装置に固定された管部分（１３）を含んでおり、前記ピペットチップ（２６）は、前記ピペット開口部（３０）を有していることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
16. 前記制御装置（２４）が、前記ピペット管（１２）の漏出を表す第３の補正変数を決定するように構成されており、前記制御装置（２４）が、前記ピペットピストン（１４）の前記目標ステップ運動体積を、付加的に前記第３の補正変数に基づいて決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）。
17. 前記第３の補正変数が、漏出体積を表しており、前記制御装置（２４）は、前記第３の補正変数を、前記圧力検出信号及び時間的長さ、特に前記ピペットピストン運動ステップの長さに基づいて決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１６に記載のピペット装置（１０）。
18. 前記制御装置（２４）が、前記第３の補正変数を、漏出パラメータに基づいても決定するように構成されており、前記制御装置（２４）はさらに、手動での制御入力に基づいて、又は、所定の自動制御によって、最初に決定された作動ガス圧力の漏出に影響を受ける経時的変化の検出を実施して、前記漏出パラメータを決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載のピペット装置（１０）。
19. ピペット装置（１０）を用いて、特に請求項１から１８のいずれか一項に記載のピペット装置（１０）を用いて、計量液体（３２）の流動特性又は／及び湿潤特性とは無関係に、前記計量液体（３２）を正確にピペッティングするための方法であって、ピペット管（１２）は、その既知の基準温度（Ｔ_∞）がより低い基準温度領域に位置している第１の動作領域（ＡＢ１）と、その既知の動作温度（Ｔ_ＡＢ２）が前記基準温度領域よりも高い動作温度領域内に位置する第２の動作領域（ＡＢ２）と、を有しており、前記方法は、前記ピペット管（１２）内で移動可能であるように受容されたピペットピストン（１４）の段階的な変位を実施し、前記方法は、前記ピペットピストン（１４）の第１の運動ステップの後、後続のピペットピストン運動ステップに関して、以下の方法ステップ：
    －前記作動ガス（３４）の圧力（ｐ_ＡＢ１）を検出するステップ、
    －前記ピペットピストンの位置を検出するステップ、
    －前記ピペット管（１２）内に封じ込められた作動ガス体積（Ｖ_１）の前記第１の動作領域（ＡＢ１）に位置する第１の部分の、圧力変化に誘発された体積変化を表している第１の補正変数を、検出された前記ピペットピストンの位置、検出された前記作動ガス圧力（ｐ_ＡＢ１）及び作動ガス基準圧力（ｐ_∞）に基づいて決定するステップ、
    －前記ピペット管（１２）内に封じ込められた作動ガス体積（Ｖ_１）の前記第２の動作領域（ＡＢ２）に位置する部分の、圧力変化にも温度変化にも誘発された体積変化を表している第２の補正変数を、検出された前記ピペットピストンの位置、検出された前記作動ガス圧力（ｐ_ＡＢ１）、前記作動ガス基準圧力（ｐ_∞）、既知の前記動作温度（Ｔ_ＡＢ２）及び既知の前記基準温度（Ｔ_∞）に基づいて決定するステップ、
    －受容空間（２８）内に存在する前記計量液体（３２）に関する推定値（Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}）を、検出された前記ピペットピストンの位置、以前の前記ピペットピストンの位置、前記第１の補正変数及び前記第２の補正変数に基づいて決定するステップ、
    －後続の前記ピペットピストン運動ステップに割り当てられたステップ基準体積を決定する、又は、データ記憶装置から呼び出すステップ、
    －前記推定値（Ｖ_{ｌｉｑｕｉｄ}）と前記ステップ基準体積とを比較するステップ、
    －後続の前記ピペットピストン運動ステップにおける前記ピペットピストンの変位のために、目標ステップ運動体積を決定するステップ、及び、
    －前記目標ステップ運動体積の分だけ前記ピペットピストン（１４）を変位させるステップ、
    を含むことを特徴とする、方法。
20. 以下のステップ：
    －前記ピペット管（１２）の前記第２の動作領域（ＡＢ２）における前記動作温度（Ｔ_ＡＢ２）を検出するステップ、
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の方法。

Images