JP5384527B2 - ピペットの状態を検査する方法、ピペット作業方法、ピペット作業装置、およびピペット作業装置のための吸込管 - Google Patents

Description

本発明は、吸込管とピペット先端部とを含むピペットの状態検査をする方法、そのような方法を適用したピペット作業方法、ピペット作業装置、および、これらの方法を実施することができるピペット作業装置のための吸込管構造に関する。

たとえば分析化学においては、非常に少ない液体量を高い精度で調量することがしばしば必要となり、そのような場合、ピペットが用いられるのが通常である。とりわけ自動化されたピペット作業方法では、ピペットの状態を正確に知ることが重要であり、すなわち、特に正確な機能性や充填容積が重要である。さらに、液体に近づけたときにピペットが液体表面に接する時点を知ることが有益である。

特許文献１に記載されている方法では、超音波発生器のピン状の端部が液体に着水する。着水時点を表す目安を得るために、超音波共振周波数が観察される。特許文献２には、ピペットの先端部に２つの同心的な電極が設けられており、これらの電極が液体と接触したときに短絡し、そのようにして液体表面への到達に関する信号を出すことができる方法が記載されている。これ以外の方法でも、液体に着水したときにキャパシタンスが変化する、導電性のピペット先端部が利用される。

着水による液体の汚染リスクを減らすために、たとえば交換可能なピペット先端部が用いられる。このような使い捨て先端部を、たとえば導電性の先端部として、あるいは別個の電極を備える先端部として特別に構成することで、場合によっては高いコストが発生する。

特許文献３に記載されている方法は、液体表面の方向に発信される超音波パルスの進行時間を評価することによって液体表面との間隔を測定するが、そのためには相応の測定構造が必要となる。

特許文献４は、ピペット内部にある空気柱が励起されて振動する着水センサを記載している。ピペットがたとえば液体中にあるとき、ピペットの吸込穴が開いているか閉じているかに応じて、ピペットの吸込管にある空気柱の振動特性が変化する。空気柱で振動を励起するために音響源が必要である。その一方で、ピペット内部での検知可能な圧力上昇によって着水時点が決定される場合、ピペットの吸込穴を通る定義された空気流が非常に正確に調整されなくてはならない。

米国特許第５，４２８，９９７号明細書 米国特許出願公開第２００３／０２００８０１号明細書 米国特許第５，７０５，７５０号明細書 米国特許第５，４６５，６２９号明細書

本発明の課題は、簡単かつ低コストな方式で正確なピペット作業プロセスを可能にする、ピペットの状態検査をする方法、ピペット作業方法、ピペット作業装置のための吸込管構造、およびピペット作業装置を提供することにある。

この課題は、請求項１の構成要件を備えるピペットの状態検査をする方法、請求項１７、２０、２１、２２または２３のいずれか１項の構成要件を備えるピペット作業方法、請求項２４の構成要件を備えるピペット作業装置のための吸込管構造、または請求項３５の構成要件を備えるピペット作業装置によって解決される。

好ましい実施形態は、従属請求項の対象となっている。

本発明による方法は、吸込管とピペット先端部とを含むピペットの状態検査に利用されるものである。超音波が吸込管の壁部に入力結合され、超音波信号の減衰が周波数依存的に測定される。測定された周波数依存的な減衰は、周波数依存的な減衰の少なくとも１つの基準測定と比較され、または、基準測定に基づく校正曲線と比較される。この比較により、ピペットが機能性のある状態にあるかどうかが決定され、および／またはピペットが液体を含んでいるかどうか、もしくは液体と接触しているかどうかが決定される。

予想される推移に対する誤差は、たとえば警告信号を生成するために利用することができる。

すなわち本発明の方法では、ピペットの壁部へ超音波が入力結合されたときに引き起こされる、超音波信号の減衰が検知のために利用される。壁部、ピペット先端部、および超音波発生器を含むシステムで超音波により励起される振動は、ピペット状態の変化に対して非常に高い感度で反応する。たとえばピペットが損傷しているとき、あるいは、たとえばピペット先端部などの一部分が欠落しているとき、このことは、超音波信号の減衰に反映される。さらに、システムで励起される振動は、たとえばピペットが液体に着水したときや、液体の吸込みのときに生じる追加の表面密度に対して非常に高い感度で反応する。

周波数依存的な減衰を測定するために、たとえばある程度の帯域幅をもつ周波数領域で超音波信号を発信し、周波数を分析する測定装置を用いて、たとえばネットワークアナライザを用いて、測定された信号を評価することができる。別の方法態様では、入力結合された周波数が時間とともに変更される。

たとえば、選択された特定の特性、個々の値、または測定された周波数依存的な減衰信号の推移を、基準測定と比較することができる。基準測定は１つまたは複数の閾値の規定も含むことができ、相応の測定値がこの閾値を上回ることを、または下回ることを、検知のために評価することができる。

場合により、さまざまに異なる条件下での基準測定から組み合わされた校正曲線を、比較のために援用することもできる。

測定された周波数依存的な減衰を比較するための少なくとも１つの基準測定は、同一構造のピペットで実施されたものでなくてはならない。しかしながら、相違するピペットの構成によって生じることが考えられる誤差を回避するために、実際の測定でも用いられる吸込管とピペット先端部とを備えるピペットが使用されると特別に好ましい。

周波数依存的な減衰は、たとえば定義された時点で測定することができる。遺漏のない監視を可能にするために、減衰信号の連続的の測定が好ましい。

使用するシステムの少なくとも１つの固有モードが存在している周波数領域が、測定のために選択されるのが好ましい。そうすれば、たとえば測定された減衰信号の共振周波数の値を、基準測定の共振周波数の値と比較することが、または、さまざまに異なる条件下での共振周波数に基づく校正曲線と比較することが、簡単な方法で可能である。別の実施形態では、固有モードの共振振幅が比較される。固有モードのこれ以外の特性も比較のために利用することができ、たとえば固有モードの半値幅や面積を利用することができる。

このとき、主として横モードが励起されるように超音波が吸込管の壁部へ入力結合されるように、本方法を実施するための構造が選択されると特別に好都合である。そのために、たとえば好ましくはせん断運動が吸込管に及ぼされるように、圧電アクチュエータが吸込管に取り付けられると好ましい。横モードは、たとえばピペット先端部が液体に着水したときに生じる表面密度に対して、非常に高い感度を有している。

本発明による方法の１つの簡単な実施形態は、超音波を吸込管の壁部へ入力結合するために圧電アクチュエータが使用されることを意図している。圧電アクチュエータは低コストであり、たとえば吸込管の外壁へ簡単に取り付けることができる。圧電アクチュエータは、たとえばジルコン酸チタン酸鉛セラミックを含むことができる。

たとえば着水の時点、着水深さ、またはピペットの充填高さに対するアクチュエータの感度を高めるために、追加質量を圧電アクチュエータと協働させることができる。このような追加質量により、たとえばピペットが着水したとき、またはピペットに液体が吸いこまれたとき、もしくはピペットから液体が吐出されるとき、周波数または減衰の変化の値を大きくすることができる。

そのために本方法の１つの簡単な実施形態は、吸込管と反対を向いている方の圧電アクチュエータの側に取り付けられた、簡単な仕方としては接着された、追加質量が用いられることを意図している。吸込管の重量の０．１倍から１０倍、好ましくは０．５倍から２倍に相当する追加質量が特別に好都合である。

圧電アクチュエータは超音波送信機としてだけでなく、減衰された超音波信号の受信機としても利用することができるのが好ましい。

超音波信号について適用される周波数領域は、使用するピペット幾何学形状の固有の特性によって規定され、すなわち、特に吸込管の寸法と材質、使用するピペット先端部、および場合により存在する追加質量によって規定され、固有モードを励起することができる周波数領域が選択される好ましい。たとえば、ピペット材料における音速と、ピペットの特徴的な幾何学的な長さ、特にその全長との商の１倍から１０倍に相当する範囲から超音波周波数が選択されると、高い感度を実現可能である。

汚染リスクを回避するために、使い捨てピペットを用いるのが好ましい。そのために２部分からなるピペットを用いることができ、第１の部分は吸込管を含んでおり、第２の部分は、好ましくは取外し可能に構成されたピペット先端部を含んでいる。

状態検査をする本発明の方法により、特に２部分からなるピペットの場合、ピペットが完全に揃っているかどうかを決定することができる。とりわけ使い捨てピペット先端部を用いる自動化された方法の場合に、本方法を好ましく適用可能である。ピペット先端部の存在確認を、操作者による目視検査をすることなく行うことができるからである。ピペット先端部の欠落は吸込管の周波数依存的な超音波減衰に反映され、そのようにして良好に検証可能である。このことは、非常に多数のピペットがロボットにより並行して操作される、自動化されたピペット作業方法が適用される場合に特別に好ましい。

ピペットの状態検査をする本発明の方法は、ピペット作業方法で好ましく適用することができる。その場合、本発明の方法により、たとえばピペット先端部がピペット作業される液体に接触しているかどうか、ピペットの状態を検査することができる。そのために、測定された周波数依存的な減衰を、液体と接触していないピペットで実施された周波数依存的な減衰の基準測定と比較することができる。たとえば共振周波数信号のずれや平滑化を非常に厳密に検知することができ、それにより、着水時点を正確に決定することができる。

このようにして検知可能な液体へのピペット先端部の着水の後、液体がピペットに吸い込まれる。そして、液体をピペットで他の場所へ運ぶことができ、再びピペットから吐出することができる。

このような方法態様では、吸込管とピペット先端部とを備えるピペットが、ピペット作業されるべき液体の表面の上方にある一点から液体の方向へ降下していくと特別に簡単である。降下プロセス中に周波数依存的な減衰を測定することができ、そのようにして、着水前の基準信号を得る。さらに降下していくことは、ピペット先端部が液体表面に接触することにつながり、それによって周波数依存的な減衰信号が変化する。すなわち、この好ましい実施形態では、液体の方向へのピペットの降下中に周波数依存的な減衰が測定され、周波数依存的な減衰信号の変化から、液体表面へのピペット先端部の接触時点を決定する。

ピペット作業プロセスを特徴づけることができるようにするために、本発明の１つの実施形態では、周波数依存的な減衰信号から、液体中での着水深さに関わるピペットの状態が推定される。ピペット先端部が液体に深く着水するほど、ピペットが液体の外部にある基準測定に対して、周波数依存的な減衰信号が強く変化する。

本発明によるさらなるピペット作業方法では、ピペットへ液体が吸い込まれている間に周波数依存的な減衰信号が監視され、そのようにして、周波数依存的な減衰に同じく影響を及ぼす、すでに吸い込まれた液体量に関する情報を得る。そして、吸い込まれた液体をピペットで別の場所へ運んで、再び放出することができる。

最後に、本発明によるさらなるピペット作業方法では、ピペットからの液体の吐出中に監視される周波数依存的な減衰信号から、ピペット作業プロセスの終了時にピペットが完全に空になった状態にいつ達したかを非常に正確に決定することができる。この方法態様については、周波数依存的な基準信号が吐出プロセス中に監視される。

さらに本発明によるさらなるピペット作業方法は、ピペット作業プロセスでピペットの中にある液体の種類を決定するために、ピペットの状態検査をする本発明の方法を適用する。たとえば、異なる密度をもつ異なる液体は、それが中にある吸込管の異なる超音波減衰挙動を引き起こす。その意味で、吸込管の減衰信号を対応する基準測定と比較することで、液体の種類の決定にも利用することができる。液体を含んでいる吸込管の減衰に影響を及ぼすことができる、液体のこれ以外の物理的特性または化学的特性も、特徴づけのために援用することができる。

特に着水時点を決定するため、液体水位を監視するため、または吐出プロセスを監視するために本発明の方法が適用される場合、校正曲線を形成するために複数回の基準測定を組み合わせることができるのが好ましい。

本発明は、特に、特許請求に係る本発明のピペット作業方法またはピペット作業プロセスでの状態検査方法の２つまたはそれ以上の組み合わせも包含している。

液体のピペット作業をするためのピペット作業装置のための本発明による吸込管構造は、吸込管に取り付けられ、吸込管の壁部へ超音波を入力結合する役目をする超音波発生器を有している。事前設定された周波数領域で超音波信号を出すために、制御装置が超音波発生器を制御する役目をし、減衰された超音波信号を受信するために受信装置が設けられている。

最後に、本発明による吸込管構造は吸込装置を有しており、液体を吸込管の中へ吸引するために、または吸込管を通して吸引するために、この吸込装置を用いて吸込管に負圧を生成することができる。これは、たとえば吸込管の中で案内されるピペット吸込ピストンであってよい。

このような本発明の吸込管構造は、特に、本発明によるピペット作業方法および本発明による状態検査方法のために用いることができる。それによって特に、吸込管とともにピペットを構成するために吸込管に装着される使い捨てピペット先端部を使用することが可能である。吸込管の壁部への超音波信号の入力結合、および減衰された超音波信号の測定は、本発明による方法を実施するために上述した仕方で適用することができる。

本発明による吸込管構造の好ましい実施形態は、本発明による方法の上述した各実施形態およびその利点からの類推により明らかである。

特に本発明による吸込管構造で周波数依存的な測定を実施するために、制御装置と受信装置は、広帯域の超音波信号または時間的に可変な超音波信号を制御または受信するために構成されていてよい。

本発明による吸込管構造の１つの好ましい実施形態では、減衰された超音波信号を好ましくはその共振周波数および／または共振振幅の観点から周波数依存的に評価するために構成された評価装置が設けられている。このような評価装置により、ピペット作業プロセスおよびピペット作業プロセスの監視を簡単な仕方で自動化することができる。

評価装置は、基準測定またはこれに基づいて作成された校正曲線がデータが比較のために保存された記憶装置を含むこともできる。

本発明による吸込管構造において超音波発生器が吸込管の壁部の外面に設けられると、液体による超音波発生器の汚染が回避される。

超音波発生器と協働する、特にこれと接着された追加質量の使用は、超音波発生器の感度を向上させる役目を果たすことができる。追加質量の好ましいオーダーは、吸込管の重量の０．１倍から１０倍の範囲内、好ましくは０．５倍から２倍の範囲内である。

圧電アクチュエータを超音波発生器として使用するのが特別に低コストかつ簡単である。

本発明による吸込管構造は、ピペット全体の一体化された構成要素であってよい。しかしながら、少なくとも２部分からなるピペットを備えるピペット作業装置で本発明による吸込管構造を使用するのが特別に好ましく、このとき第１の部分は本発明による吸込管構造を含んでおり、第２の部分はピペット先端部を含んでいる。このとき、たとえば使い捨て部品として構成されていてよいピペット先端部の簡単な交換を可能にするために、ピペット作業装置の２つの部分は、ピペット先端部交換プロセスを容易に構成するために互いに取外し可能なように構成されていると特別に好ましい。

次に、一例としての実施形態と構成を用いて本発明について説明し、その際に模式的な図面を援用する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
吸込管（１２）とピペット先端部（１４）とを含むピペット（１０）の状態検査をする方法であって、
超音波が吸込管（１２）の壁部に入力結合され、
超音波信号の減衰が周波数依存的に測定され、
測定された周波数依存的な減衰が周波数依存的な減衰の少なくとも１つの基準測定と比較されることで、または基準測定に基づく校正曲線と比較されることで、ピペット（１４）が機能性のある状態にあるかどうかが決定され、そして／またはピペット（１４）が液体を含んでいるかどうか、もしくは液体と接触しているかどうかが決定される方法。
（項目２）
少なくとも１つの基準測定に使用された同一のピペット（１０）がピペット作業方法のために使用される、項目１に記載の方法。
（項目３）
周波数依存的な減衰は連続的に測定される、項目１または２のいずれか１項に記載の方法。
（項目４）
周波数依存的な減衰は測定された信号の少なくとも１つの固有モードが位置する周波数領域で評価される、項目１から３のいずれか１項に記載の方法。
（項目５）
比較のために少なくとも１つの固有モードの共振周波数が比較される、項目４に記載の方法。
（項目６）
比較のために少なくとも１つの固有モードの共振振幅が比較される、項目４または５のいずれか１項に記載の方法。
（項目７）
超音波は主として横モードが励起されるように吸込管（１２）の壁部に入力結合される、項目１から６のいずれか１項に記載の方法。
（項目８）
超音波は、好ましくはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックを含む圧電アクチュエータ（１８）により生成される、項目１から７のいずれか１項に記載の方法。
（項目９）
圧電アクチュエータは吸込管（１２）の壁部に取り付けられており、好ましくはその外面に取り付けられている、項目８に記載の方法。
（項目１０）
感度を高めるために圧電アクチュエータ（１８）と協働する追加質量（１９）が好ましくは吸込管重量の０．１倍から１０倍の範囲内で利用される、項目８または９のいずれか１項に記載の方法。
（項目１１）
追加質量（１９）は吸込管（１２）と反対を向いている方の圧電アクチュエータ（１８）の側に取り付けられており、好ましくは接着されている、項目１０に記載の方法。
（項目１２）
圧電アクチュエータ（１８）は減衰された超音波信号の受信にも利用される、項目８から１１のいずれか１項に記載の方法。
（項目１３）
周波数依存的な減衰を測定するために利用される超音波周波数は、ピペット材料における音速と、ピペットの特徴的な幾何学的な長さ、特にその全長との商の１倍から１０倍の範囲から選択される、項目１から１２のいずれか１項に記載の方法。
（項目１４）
少なくとも２つの部分からなるピペット（１０）が用いられ、第１の部分は吸込管（１２）を含んでおり、好ましくは第１の部分から取外し可能な第２の部分はピペット先端部（１４）を含んでいる、項目１から１３のいずれか１項に記載の方法。
（項目１５）
上記第２の部分として使い捨て部材（１４）が使用される、項目１４記載の方法。
（項目１６）
周波数依存的な減衰信号に基づき、ピペット（１０）が完全であるかどうかが決定され、特にピペットの取外し可能な第２の部分（１４）が存在しているかどうかが決定される、項目１４または１５のいずれか１項に記載の方法。
（項目１７）
吸込管（１２）とピペット先端部（１４）とを含むピペット（１０）で液体のピペット作業をするピペット作業方法において、項目１から１５のいずれか１項に記載の方法によりピペット先端部（１４）がピペット作業されるべき液体（２２）と接触しているかどうか検査され、ピペット先端部（１４）の着水後に液体がピペットへ吸い込まれる方法。
（項目１８）
ピペット（１０）がピペット作業されるべき液体の表面（２２）の上方の点から液体の方向（Ａ）へと降下し、降下中に周波数依存的な減衰が測定されて、周波数依存的な減衰信号の変化から液体表面（２２）へのピペット先端部（１４）の到達時点を決定する、項目１７に記載のピペット作業方法。
（項目１９）
周波数依存的な減衰信号から、好ましくは少なくとも１つの基準測定との比較によって、特別に好ましくは校正曲線をなすように組み合わされた各基準測定との比較によって、液体におけるピペット（１０）の着水深さが推定される、項目１７または１８のいずれか１項に記載のピペット作業方法。
（項目２０）
吸込管（１２）とピペット先端部（１４）とを含むピペット（１０）で液体のピペット作業をするピペット作業方法において、項目１から１５のいずれか１項に記載の方法によりピペット（１０）が液体を含んでいるかどうか決定され、周波数依存的な減衰信号から、好ましくは少なくとも１つの基準測定との比較によって、特別に好ましくは校正曲線をなすように組み合わされた各基準測定との比較によって、ピペット（１０）の中の液体量が推定される方法。
（項目２１）
吸込管（１２）とピペット先端部（１４）とを含むピペット（１０）で液体のピペット作業をするピペット作業方法において、項目１から１５のいずれか１項に記載の方法によりピペットが液体を含んでいるかどうか決定され、周波数依存的な減衰信号から、好ましくは少なくとも１つの基準測定との比較によって、ピペット（１０）の中の液体の種類が推定される方法。
（項目２２）
吸込管（１２）とピペット先端部（１４）とを含むピペット（１０）で液体のピペット作業をするピペット作業方法において、項目１から１５のいずれか１項に記載の方法によりピペット作業プロセス後にピペット（１０）が完全に空になっているかどうか検査される方法。
（項目２３）
項目１から１６のいずれか１項に記載の方法によりピペットの機能性が検査される、項目１７から２２のいずれか１項に記載のピペット作業方法。
（項目２４）
特に項目１から２３のいずれか１項に記載の方法を実施するための、液体のピペット作業をするピペット装置のための吸込管構造において、
吸込管（１２）の壁部へ超音波を入力結合するために吸込管（１２）に取り付けられた超音波発生器（１８）と、
所定の周波数領域で超音波信号を出すために超音波発生器（１８）を制御するための制御装置と、
減衰された超音波信号を受信するための受信装置（１８）と、
液体を吸込管の中へ吸い込むため、または吸込管を通して吸い込むために、負圧を吸込管に生成することができる吸込装置とを備えている吸込管構造。
（項目２５）
吸込装置は吸込管（１２）の中で案内されるピペット吸込ピストンを含んでいる、項目２４に記載の吸込管構造。
（項目２６）
超音波発生器（１８）と制御装置は広帯域の超音波信号を出すことができるように構成されており、受信装置は広帯域の超音波信号を受信できるように構成されている、項目２４または２５のいずれか１項に記載の吸込管構造。
（項目２７）
超音波発生器（１８）と制御装置は可変な超音波信号を出すために構成されており、受信装置は可変な超音波信号を受信するために構成されている、項目２４または２５のいずれか１項に記載の吸込管構造。
（項目２８）
減衰された超音波信号を好ましくはその共振周波数および／または共振振幅の観点から周波数依存的に評価するための評価装置を有している、項目２６または２７のいずれか１項に記載のピペット作業装置のための吸込管構造。
（項目２９）
基準測定のデータを保存するための記憶装置を備えている、項目２４から２８のいずれか１項に記載の吸込管構造。
（項目３０）
超音波発生器（１８）は吸込管（１２）の壁部の外面に取り付けられている、項目２４から２９のいずれか１項に記載のピペット作業装置のための吸込管構造。
（項目３１）
超音波発生器（１８）に設けられた、好ましくは固定的に接着された追加質量（１９）を備えている、項目２４から３０のいずれか１項に記載のピペット作業装置のための吸込管構造。
（項目３２）
追加質量（１９）は吸込管（１２）と反対を向いている方の超音波発生器の側に設けられている、項目３１に記載のピペット作業装置のための吸込管構造。
（項目３３）
追加質量（１９）は吸込管重量の０．１倍から１０倍の範囲内であり、好ましくは０．５倍から２倍の範囲内である、項目３１または３２のいずれか１項に記載のピペット作業装置のための吸込管構造。
（項目３４）
超音波発生器は圧電アクチュエータ（１８）を含んでいる、項目２４から３３のいずれか１項に記載のピペット作業装置のための吸込管構造。
（項目３５）
項目２４から３４のいずれか１項に記載の吸込管構造を備えているピペット作業装置。
（項目３６）
少なくとも２部分からなるピペット（１０）を有しており、第１の部分は項目２４から３４のいずれか１項に記載の吸込管構造を含んでおり、第２の部分はピペット先端部（１４）を含んでいる、項目３５に記載のピペット作業装置。
（項目３７）
上記少なくとも２つの部分は互いに取外し可能である、項目３６に記載のピペット作業装置。

図１は、本発明に基づいて構成されたピペット作業装置の下側領域である。 図２は、着水深さが異なるときの周波数依存的な減衰信号である。 図３は、ピペットの着水深さに依存する共振周波数のグラフである。 図４は、ピペットの液体容積が異なるときの周波数依存的な減衰である。 図５は、液体容積に依存する共振周波数のグラフである。

図１は、ピペット先端部１４を備えるピペット１０の下側端部を示している。ピペット先端部は鍔１６を有しており、この鍔によって吸込管１２に嵌め込まれている。ピペット先端部１４はたとえばポリプロピレンでできている。

部分的にのみ図示されている吸込管１２は、完全自動化されたロボットシステムへピペット作業のために利用することができる。吸込管１２の中にはそれ自体公知の仕方で吸込ピストンがあり、この吸込ピストンは、液体をピペットへ吸い込むため、または吐き出すために、電動式のスピンドルを通じて駆動することができる。

別の実施形態では、ピストンは、ホースを介して吸込管と接続された外部装置に設けられている。別案として、たとえば相応のポンプのような吸込装置も吸込管に接続されていてよい。

符号１８は、超音波送信機および超音波受信機として利用される圧電式のアクチュエータを表している。たとえばジルコン酸チタン酸鉛セラミックのような圧電材料からなる素子が利用されるのが好ましい。圧電式のアクチュエータ１８は、たとえば２本の細いケーブルを有する引込線２０を介して、たとえば相応にプログラミングされたマイクロプロセッサを含む、図示しない制御・評価ユニットと接続されている。

圧電アクチュエータ１８は、たとえばエポキシ接着剤で吸込管１２に取り付けられている。圧電アクチュエータは、好ましくはせん断運動を吸込管１２に及ぼすことができる方向を向いており、それによって横モードが主として励起される。

吸込管１２と反対を向いている方の圧電アクチュエータ１８の側には、圧電アクチュエータの感度を高めるために追加質量１９が配置されていてよい。追加質量は、たとえば吸込管の重量の０．１倍から１０倍に相当していてよい。

圧電式のアクチュエータは、特に、嵌め込まれたピペット先端部１４と、アクチュエータ１８と、場合により追加質量１９とを有する、使用する吸込管１２からなるシステムの固有モードの周波数領域で、振動を励起することができるように選択されている。典型的な場合、このような固有モードは、圧電式のジルコン酸チタン酸鉛素子によって良好に励起可能である１０から８０ｋＨｚの範囲内にある。

制御・評価ユニットを含む測定システムは、定義された出力を高周波インターバルで圧電アクチュエータ１８に送ることができ、圧電アクチュエータ１８に再び到達する減衰された超音波信号を測定するように構成されており、感度はたとえば１０μＶの範囲内にある。減衰を周波数依存的に測定できるようにするために、評価装置はたとえばネットワークアナライザを含んでいる。評価装置は、測定または特徴的な測定値を、記憶装置に保存されている基準測定またはそこから形成された校正曲線と比較するように構成されている。

図１ではピペット１０は、ピペット作業されるべき液体の液体表面２２のすぐ上にある状態で示されている。そのためにピペットは、たとえばピペット作業ロボットによって、液体表面２２へ近づく方向Ａに降下させることができる。

吸込管１２はたとえばピペット作業ロボットでできる限り振動が減衰されるように懸架されており、それにより、ロボットの機械的構造で生じる振動がピペットに伝わることがなく、圧電アクチュエータ１８による減衰された超音波振動の測定に誤差が出ないようになっている。吸込管１２は、本例ではピペット作業ロボットに固定的に取り付けられてはおらず、それは、圧電アクチュエータ１８により励起されてその減衰が測定のために利用される固有モードが、固定的な取付けによって妨げられることがないためである。ただし、場合により生じるロボットの振動が十分に小さい場合や、測定の評価にあたって考慮される場合には、固定的な取付けがあり得ないわけではない。

図１に示すようなピペットは次のように使用される。

制御・評価ユニットから引込線２０によって、たとえば１０から８０ｋＨｚの周波数領域にある高周波信号が圧電アクチュエータ１８へ供給される。それにより、吸込管１２で固有振動が励起される。図２では曲線１００は、液体水位２２の上方にあり、その意味で０ｍｍだけ液体に着水しているピペットで測定される減衰をデシベルの単位で一例として示している。ピペット先端部１４と、アクチュエータ１８と、場合により存在する追加質量１９とを有する吸込管１２からなるシステムでの固有モードの励起による、入力結合された超音波振動の減衰が示されている。１ｍｌピペットを用いた測定が示されている。

吸込管１２で励起された振動は、圧電式のアクチュエータの変形を引き起こし、それによってアクチュエータで電圧が誘導される。適当な測定装置により、システムの電気的な応答が高周波の励起信号と比較され、固有モードが励起されたときに差異が最大となる。固有モードは主として吸込管１２、ピペット先端部１４、および場合により存在する追加質量１９の特性によって規定され、または、ピペット作業されるべき液体による各部材の表面密度によって規定される。

ピペット１０は、たとえばピペット作業ロボットにより液体表面２２へ向かう方向Ａに動かされる。先端部が液体に触れた瞬間、減衰が変化する。共振周波数がずれて共振振幅は小さくなる。図２には、さまざまに異なる着水深さを例にとって、このことが示されている。符号１０２はピペットが１ｍｍだけ液体に着水したときの信号を示しており、符号１０４はピペットが２ｍｍだけ液体に着水したときの信号を示しており、符号１０６はピペットが３ｍｍだけ液体に着水したときの信号を示している。

図３のグラフにプロットされているような減衰と共振周波数との関係が明らかとなる。着水深さの負の値は、ピペットが液体表面の上方で相応の間隔をおいているときの測定を表しており、その意味で互いに等しい。図３のようなグラフを、場合により記入された基準点が曲線によってフィッティングされた後で、たとえば校正曲線として利用することができる。

減衰信号の共振周波数が大きい周波数の方へずれているとき、このことは、ピペットが液体に着水していることを表している。着水深さそのものは、たとえば図３に示すようなグラフを用いて決定することができる。

ピペット１０の先端部１４が液体２２に接触するとすぐに、もしくは液体に着水するとすぐに、ピペット作業ロボットによりそれ自体公知の方法で、ピペットの吸込ピストンを用いて液体をピペットに吸い込むことができる。その間にも、圧電アクチュエータ１８によって吸込管１２の壁部へ入力結合される超音波信号の周波数依存的な減衰を測定することができる。これに相当する測定曲線が、一例として図４に１ｍｌピペットについて示されている。符号２００は、ピペットが空のときの周波数依存的な減衰信号の測定曲線を表している。符号２０２は、２５μｌの液体で充填されたピペットでの測定を表している。符号２０４は、５０μｌの液体で充填されたピペットについての測定曲線を表しており、それに対して符号２０６は、７５μｌの液体で充填されたピペットについての測定曲線である。最後に符号２０８は、１００μｌの液体で充填されたピペットでの減衰の測定であり、それに対して符号２１０は、１５０μｌの液体で充填されたピペットで行われた測定曲線を表している。図５に示す充填容積に依存する、周波数依存的な減衰信号についての関係が明らかにわかる。

このグラフからも、どれだけの容積がピペット中に正確に存在しているのかを、測定された共振周波数に読み取ることができる。図５のようなグラフを、場合により記入された基準点が曲線によってフィッティングされた後で、たとえば校正曲線として利用することができる。

ピペットの吐出プロセスのときも、液体がピペットから再び完全に吐出されたかどうか、またはいつ完全に吐出されたかを、同じく正確に決定することができる。そのために、同じく周波数依存的に減衰を監視することができ、基準測定または一例として図５に示す校正曲線との比較によって、信号が空のピペットの信号にいつ一致するかを決定することができる。

ここに示しているグラフとは異なり、たとえば、同じく着水深さまたは充填容積に依存する共振振幅を評価することもでき、その様子は図２および図４に明らかに見ることができる。さらに別の方法は、共振曲線の面積または半値幅の評価を意図している。

着水の時点、着水深さ、およびピペットの充填容積に関する圧電アクチュエータ１８の感度は、ピペットと反対を向いている方の圧電アクチュエータ１８の側に接着された、たとえば吸込管重量の０．１倍から１０倍の追加質量によって高めることができる。このような追加質量により、ピペットが液体に着水したとき、またはピペットに液体が吸い込まれたとき、もしくはピペットから液体が吐出されるときの周波数や減衰の変化の値が大きくなる。

ピペット作業プロセスの前または途中で、状態検査をする本発明の方法により、ピペットが適正な状態にあるかどうか検査することができる。たとえばピペット先端部や吸込管における不具合や非密閉性は、測定される周波数依存的な減衰信号に現れる。ピペット先端部１４が吸込管１２に嵌め込まれていないときも、そのことは周波数依存的な減衰信号に影響を及ぼし、対応する基準測定からの逸脱が起こる。

ピペット作業プロセスの後、以後の測定の液体の汚染を防ぐために、たとえばポリプロピレンで製作された簡素で低コストなピペット先端部を取り換えることができる。

本発明による方法、および本発明による装置では、吸込管１２の壁部に超音波が入力結合される。吸込管への入力結合は簡単な方法で可能であり、たとえばピペット容積部への入力結合よりも容易であり、圧電アクチュエータにより容易にアクセス可能な周波数領域で実現することができる。ピペット先端部は特別な構成や特別な素材を必要としないので、使い捨て部材として構成されていてよい。

自動化されたピペット作業方法での適用が特別に好ましい。その場合、ピペット作業ロボットによって場合により非常に大量の個数で複数のピペットが並行して充填されて、吸い込まれた液体が吐出される。このとき特別に重要なのは、操作員の目視による点検は行われないのが普通なので、個々のピペットを厳密に検査、監視できるようにすることである。本発明による方法、および本発明による装置は、厳密な機能検査と状態検査を可能にするので、そのために特別に適している。さらに、ピペットの充填水位および／またはピペットに含まれる液体の種類を簡単な仕方で決定可能である。１つの重要な用途は、たとえば血液試料のプールである。

１０ ピペット
１２ 吸込管
１４ ピペット先端部
１６ 鍔
１８ 圧電アクチュエータ
１９ 追加質量
２０ 引込線
２２ 液体表面
１００、１０２、１０４、１０６、２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０ 周波数依存的な減衰信号
Ａ 降下方向

Claims (44)

1. ピペット（１０）の状態を検査する方法であって、前記ピペットは、吸込管（１２）とピペット先端部（１４）とを含み、前記方法は、
   超音波信号を前記吸込管（１２）の壁部に入力結合することであって、前記超音波信号は、前記吸込管の前記壁部に取り付けられた圧電アクチュエータによって生成され、前記圧電アクチュエータは、前記吸込管と反対を向いている側の追加質量と接触しており、前記追加質量は、前記圧電アクチュエータの感度を高めるように構成されている、ことと、
   複数の周波数を含む所定の周波数領域内で、前記吸込管の前記壁部における前記超音波信号の周波数依存的な減衰を周波数の関数として測定することと、
   前記所定の周波数領域内の前記測定された周波数依存的な減衰と、前記周波数依存的な減衰の少なくとも１つの基準測定、または、前記基準測定に基づく校正曲線とを比較することであって、この結果、比較を形成し、前記ピペット（１０）が液体を含んでいるかどうか、または、液体と接触しているかどうかを決定する、ことと
   を含む、方法。
2. 前記少なくとも１つの基準測定に使用されたものと同一のピペット（１０）が、請求項１に記載の方法のために使用される、請求項１に記載の方法。
3. 前記周波数依存的な減衰は、連続的に測定される、請求項１または２のいずれか１項に記載の方法。
4. 前記周波数依存的な減衰は、前記測定された超音波信号の少なくとも１つの固有モードが位置する所定の周波数領域で評価される、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記比較のために少なくとも１つの固有モードの共振周波数が比較される、請求項４に記載の方法。
6. 前記比較のために少なくとも１つの固有モードの共振振幅が比較される、請求項４または５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記超音波信号は、横モードが励起されるように前記吸込管（１２）の前記壁部に入力結合される、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記圧電アクチュエータ（１８）は、前記減衰された超音波信号を受信するためにも使用される、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記周波数依存的な減衰を測定するために使用される超音波周波数は、ピペット材料における音速と、前記ピペットの特徴的な幾何学的な長さとの商の１倍から１０倍の範囲から選択される、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記ピペットは、少なくとも２つの部分からなるピペット（１０）であり、第１の部分は、前記吸込管（１２）を含んでおり、第２の部分は、前記ピペット先端部（１４）を含んでいる、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記ピペット先端部は、使い捨て部材（１４）である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記周波数依存的な減衰信号は、前記ピペット（１０）が完全であるかどうか、および、前記ピペットの第２の部分（１４）が存在しているかどうかを決定するために使用される、請求項１０または１１のいずれか１項に記載の方法。
13. ピペット（１０）で液体のピペット作業をするピペット作業方法であって、前記ピペットは、吸込管（１２）と、ピペット先端部（１４）とを含み、前記方法は、
    前記ピペット先端部を前記液体に着水させることと、
    前記ピペット先端部へ前記液体を吸い込ませることと
    を含み、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法は、前記ピペット先端部（１４）が前記液体（２２）と接触しているかどうか、および、前記ピペット先端部（１４）を着水させるステップ後に、前記液体が前記ピペット先端部へ吸い込まれるかどうかを検査するために使用される、ピペット作業方法。
14. 前記ピペット先端部（１４）は、ピペット作業されるべき液体の表面（２２）の上方の点から液体の方向（Ａ）へと降下させられ、この降下動作中に、複数の周波数を含む所定の周波数領域内で、前記周波数依存的な減衰が測定され、この結果、前記周波数依存的な減衰信号の変化から液体表面（２２）への前記ピペット先端部（１４）の到達時点を決定する、請求項１３に記載のピペット作業方法。
15. 前記周波数依存的な減衰信号から、前記液体における前記ピペット（１０）の着水深さが推定される、請求項１３または１４のいずれか１項に記載のピペット作業方法。
16. ピペット（１０）で液体のピペット作業をするピペット作業方法であって、前記ピペットは、吸込管（１２）と、ピペット先端部（１４）とを含み、前記方法は、
    前記ピペット先端部を前記液体に着水させることと、
    前記ピペットへ前記液体を吸い込ませることと
    を含み、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法は、前記ピペット先端部（１４）が液体を含んでいるかどうかを決定するために使用され、前記周波数依存的な減衰信号から、前記ピペット（１０）の中の液体の量が推定される、ピペット作業方法。
17. ピペット（１０）で液体のピペット作業をするピペット作業方法であって、前記ピペットは、吸込管（１２）と、ピペット先端部（１４）とを含み、前記方法は、
    前記ピペット先端部を前記液体に着水させることと、
    前記ピペットへ液体を吸い込ませることと
    を含み、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法は、前記ピペットが液体を含んでいるかどうかを決定するために使用され、前記周波数依存的な減衰信号から、前記ピペット（１０）の中の液体の種類が推定される、ピペット作業方法。
18. ピペット（１０）で液体のピペット作業をするピペット作業方法であって、前記ピペットは、吸込管（１２）と、ピペット先端部（１４）とを含み、前記方法は、
    前記ピペット先端部を前記液体に着水させることと、
    前記ピペットへ前記液体を吸い込ませることと、
    前記ピペットから前記液体を分配することと
    を含み、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法は、前記ピペット作業動作後に前記ピペット（１０）が完全に空になっているかどうかを検査するために使用される、ピペット作業方法。
19. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法によりピペットの機能性が検査される、請求項１３から１８のいずれか１項に記載のピペット作業方法。
20. 液体のピペット作業をするピペット装置のための吸込管構造であって、
    吸込管（１２）に取り付けられ、かつ、前記吸込管（１２）の壁部へ超音波信号を入力結合する役目を担う超音波発生器（１８）であって、前記超音波発生器は、追加質量と接触しており、前記追加質量は、前記吸込管と反対を向いている方の前記超音波発生器の側に提供されており、前記追加質量は、前記超音波発生器の感度を高めるように構成されている、超音波発生器（１８）と、
    複数の周波数を含む所定の周波数領域で超音波信号を出すために超音波発生器（１８）を作動するための作動装置と、
    前記所定の周波数領域内の周波数の関数として、前記吸込管の前記壁部において減衰された超音波信号を受信するための受信装置（１８）と、
    液体を前記吸込管の中へ吸い込むため、または、液体を前記吸込管を通して吸い込むために、負圧を前記吸込管に生成することができる吸込装置と
    を含む、吸込管構造。
21. 前記吸込装置は、前記吸込管（１２）の中で案内されるピペット吸込ピストンを含んでいる、請求項２０に記載の吸込管構造。
22. 前記超音波発生器（１８）および前記作動装置は、広帯域の超音波信号を出すことができるように構成されており、前記受信装置は、広帯域の超音波信号を受信できるように構成されている、請求項２０または２１のいずれか１項に記載の吸込管構造。
23. 前記超音波発生器（１８）および前記作動装置は、可変な超音波信号を出すために構成されており、前記受信装置は、可変な超音波信号を受信するために構成されている、請求項２０または２１のいずれか１項に記載の吸込管構造。
24. 前記減衰された超音波信号を前記周波数の関数として評価するための評価装置をさらに含む、請求項２２または２３のいずれか１項に記載の吸込管構造。
25. 前記減衰された超音波信号の基準測定からのデータを保存するための記憶装置をさらに含む、請求項２０から２４のいずれか１項に記載の吸込管構造。
26. 追加質量（１９）は、前記吸込管の重量の０．１倍から１０倍の範囲内である、請求項２０に記載の吸込管構造。
27. 前記超音波発生器は、圧電アクチュエータ（１８）である、請求項２０から２６のいずれか１項に記載の吸込管構造。
28. 請求項２０から２７のいずれか１項に記載の吸込管構造を含む、ピペット作業装置。
29. 少なくとも２つの部分からなるピペット（１０）をさらに含み、第１の部分は、請求項２４に記載の吸込管構造を含んでおり、第２の部分は、ピペット先端部（１４）を含んでいる、請求項２８に記載のピペット作業装置。
30. 前記少なくとも２つの部分は、互いに取外し可能である、請求項２９に記載のピペット作業装置。
31. 前記圧電アクチュエータは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックを含む、請求項１に記載の方法。
32. 前記圧電アクチュエータは、前記吸込管の前記壁部の外に取り付けられている、請求項１に記載の方法。
33. 前記追加質量は、前記吸込管の重量の０．１倍から１０倍の範囲内である、請求項１に記載の方法。
34. 前記追加質量は、前記吸込管と反対を向いている方の前記圧電アクチュエータの側に接着されている、請求項１に記載の方法。
35. 前記ピペットの前記特徴的な幾何学的な長さは、前記ピペットの長さである、請求項９に記載の方法。
36. 前記少なくとも２つの部分からなるピペットの前記第２の部分は、前記第１の部分から取外し可能である、請求項１０に記載の方法。
37. 前記液体における前記ピペットの前記着水深さは、少なくとも１つの基準測定との比較を通して前記周波数依存的な減衰信号から推定される、請求項１５に記載の方法。
38. 前記ピペットの前記着水深さは、校正曲線を構成するために組み合わされる基準測定との比較を通して前記周波数依存的な減衰信号から推定される、請求項１５に記載の方法。
39. 前記ピペットの中の前記液体の量は、少なくとも１つの基準測定との比較を通して前記周波数依存的な減衰信号から推定される、請求項１６に記載の方法。
40. 前記ピペットの中の前記液体の量は、校正曲線を構成するために組み合わされる基準測定との比較を通して前記周波数依存的な減衰信号から推定される、請求項１６に記載の方法。
41. 前記ピペットの中の前記液体の種類は、少なくとも１つの基準測定との比較を通して前記周波数依存的な減衰信号から推定される、請求項１７に記載の方法。
42. 前記減衰された超音波信号を前記周波数の関数として評価することは、前記広帯域の超音波信号の前記共振周波数、前記共振振幅、または、前記共振周波数および前記共振振幅の両方に関するものである、請求項２４に記載の方法。
43. 前記追加質量は、前記超音波発生器に接着されている、請求項２０に記載の方法。
44. 前記追加質量は、前記吸込管の重量の０．５倍から２倍の範囲内である、請求項２６に記載の方法。
    

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