JP7333319B2 - ピペット装置、液体ハンドリングシステム、およびピペット制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体を吸引および／または分配のためのピペット装置に関する。このようなピペット装置は、サンプル流体を迅速かつ確実に処理する必要のある医療、製薬、および化学実験室で一般的に使用される自動化流体処理システムの一部とすることができる。本発明はさらに、液体処理システムおよびピペット装置におけるピペット制御方法に関する。

医療、製薬、または化学業界で大規模なサンプル分析を行うラボでは、液体を迅速かつ確実に処理するためのシステムが必要である。サンプル流体のピペットは、これらのプロセスの中核である。したがって、自動化された実験室システムは、通常、例えば、作業台上に配置された液体容器で動作する１以上のピペット装置を備える。１以上のロボット（特にロボットアーム）は、そのような作業台表面で動作するように使用してもよい。これらのロボットは、サンプルチューブやマイクロプレートなどの液体コンテナを運ぶことができる。専用ロボットは、液体を吸引および分配、または単に流体を搬送するための１以上のピペット装置を備えるロボットサンプルプロセッサ（ＲＳＰ）として実装できる。中央処理装置またはコンピュータは通常これらのシステムを制御する。このようなシステムの主な利点は、完全なハンズフリー操作である。したがって、これらのシステムは、人間の介入なしで一度に数時間または数日間実行できる。

ピペット装置が、未定義の流体（例えば、未定義の液体クラス）をピペットできないことは、最新技術における問題である。したがって、一般的に使用されるピペット装置では、ピペットを可能にするために、使用されるサンプル流体の液体クラスを入力する必要がある。それぞれの液体クラスの入力は面倒で時間がかかり、エラーの原因となる。

したがって、本発明の目的は、最新技術の問題を解決するピペット装置、液体処理システム、およびピペット装置におけるピペットの制御方法を提供することである。この目的は、独立請求項１、１６および１７によるピペット装置、液体処理システムおよびピペットを制御する方法によって解決される。本発明によるピペット装置および方法の特定の実施形態は、従属請求項で与えられる。

本発明は、サンプル流体を吸引および／または分配するための開口部が設けられた第１端と、圧力生成手段に動作可能に接続された第２端とを有するピペットチューブを備えるピペット装置であって、サンプル流体の吸引および／または分配に基づいてサンプル流体の少なくとも１つの測定値を決定し、サンプル流体測定信号を出力するのに適した少なくとも１つの測定ユニットと、前記測定ユニットの出力と、圧力生成手段の入力とに操作可能に結合された制御回路と、を備え、前記制御回路は、サンプル流体測定信号に基づいて前記圧力生成手段を制御するように構成されるピペット装置を提供する。本発明は、サンプル流体の測定値のリアルタイム測定に基づいて、液体クラスを入力する必要なしに、未定義の流体をピペットすることができるピペット装置を提供する。サンプル流体の少なくとも１つの測定値は、ピペット装置が閉ループ制御で圧力生成手段を制御することを可能にする。本発明は、吸引された流体の挙動に基づいて、流体がピペッドチューブに流れ込むとき、またはピペッドチューブから流れ出るときに、吸引パラメータを適合させることを可能にする。

提案されたピペット装置の実施形態では、制御回路は、サンプル流体測定信号の時間の関数として圧力生成手段を制御するように構成されている。一例では、本発明をオフラインモードで使用して、自動で液体クラスを最適化できる。このアプローチでは、本発明のピペット装置のピペッドチューブを最適化できる。さらに、オンライン方式では、本発明を閉ループピペットに使用できる。このアプローチでは、ピペットチューブを顧客のアプリケーション内で使用できる。

提案されたピペット装置の実施形態では、少なくとも１つの測定ユニットは、容量測定ユニットを備える。このアプローチは、例えば圧力生成手段の容量制御された動作、例えばシリンダ内のプランジャの容量制御された動きを可能とする。

提案されたピペット装置の実施形態では、容量測定ユニットは、ピペッドチューブ内のサンプル流体の容量レベルを決定し、それを表す容量測定信号を制御回路に入力するのに適している。この態様では、ピペット操作された流体のリアルタイム制御を信頼できる方法で達成可能である。本発明はまた、流体の移動のチェック、過剰なピペットおよびピペットされた容量制御を回避することを備えるプロセスの安全性を提供できる。さらなるアプローチでは、本発明のピペット装置は、より短い時間でのワークフローのセットアップおよび顧客の流体への信頼できる適合を達成する能力を備える、自動化された液体クラス最適化を達成する。

提案されたピペット装置の実施形態では、容量測定ユニットは第１電極を備え、前記第１電極と第２電極が測定コンデンサを形成するように構成され、第２電極はピペット内に存在するサンプル流体によって少なくとも部分的に提供される。測定コンデンサは容量の関数として、ピペットチューブ内のサンプル流体の容量レベルを決定するように構成された計算手段に動作可能に接続されている。このアプローチでは、静電容量を使用して、ピペットチューブ内に吸引された液体量を決定できる。ピペットチューブ内に吸引された流体は、第２電極、または第１電極とコンデンサを形成する液体電極として機能する。

提案されたピペット装置の実施形態では、第１電極はピペッドチューブによって構成されている。一例では、第１電極は、ピペッドチューブの外側に固定されている。第１電極は、ピペッドチューブの軸方向に延びるフィルム状に形成できる。この測定コンデンサの静電容量は、ピペットチューブ内のサンプル流体の容量の関数である。静電容量信号により、ピペットチューブ内のサンプル流体の容量をリアルタイムで決定できる。

提案されたピペット装置の実施形態では、制御回路は、容量測定信号および時間の関数として圧力生成手段を制御するように構成されている。

提案されたピペット装置の実施形態では、少なくとも１つの測定ユニットは圧力測定ユニットを備える。このアプローチは、圧力生成手段の圧力に基づく制御を達成する。一例では、この圧力に基づく制御は、容量に基づく制御を置き換えることができる。別の例では、容量に基づく制御と圧力に基づく制御は同時に機能させることができる。容量および圧力の次に、圧力生成手段の制御は、同様にさらなる測定値に基づいて達成することができる。

提案されたピペット装置の実施形態では、圧力測定ユニットは、ピペッドチューブの内部の圧力レベルを決定し、それを表す圧力測定信号を制御回路に入力するのに適している。このアプローチは、圧力、例えば圧力生成手段のシリンダ内のプランジャの圧力制御された動きに基づく圧力生成手段の制御を可能にする。

提案されたピペット装置の実施形態では、制御回路は、圧力測定信号および時間の関数として圧力生成手段を制御するように構成されている。

一実施形態では、提案されたピペット装置は、容量測定信号、少なくとも１つの圧力生成手段の駆動パラメータおよび時間のうちの少なくとも１つに基づいて少なくとも１つのサンプル流体の特性を決定するのに適した決定ユニットをさらに備える。少なくとも１つの圧力生成手段の駆動パラメータは、圧力生成手段のシリンダに対するプランジャのそれぞれの位置の情報、プランジャの移動速度などの情報を備えることができる。一例では、プランジャの移動速度、移動曲線などを使用して、サンプル流体の粘度から結論を導き出すことができる。

一実施形態では、提案されたピペット装置は、圧力測定信号、容量測定信号、少なくとも１つの圧力生成手段の駆動パラメータおよび時間の少なくとも１つに基づいて少なくとも１つのサンプル流体特性を決定するのに適した決定ユニットをさらに備える。

提案されたピペット装置の実施形態では、サンプル流体の特性は、サンプル流体の液体クラス、粘度および表面張力のうちの少なくとも１つを備える。本発明は、サンプル流体のそれぞれの液体クラスを確実に決定することを可能にする。

提案されたピペット装置の実施形態では、圧力生成手段は、プランジャと、ピペット装置によって構成されたシリンダとの組み合わせを備え、前記プランジャは、シリンダ内の圧力を変化させるのに適合し、円周方向に密封されるようにして前記シリンダ内で軸方向に移動可能であると共に、プランジャをシリンダに対して移動させるように構成された移動手段を備える。提案されたピペット装置の実施形態では、移動手段は、制御回路の出力に動作可能に結合される。

本発明はさらに、請求項１から１５のいずれか１項に記載のピペット装置を備える自動液体処理システムを対象とする。

さらに、本発明は、請求項１から１５のいずれか１項に記載のピペット装置でピペットを制御する方法を対象とする。前記方法は、
ａ）ピペットチューブの第１端をサンプル流体に浸すステップと、
ｂ）サンプル流体をピペットチューブに吸引または分配するステップと、
ｃ）サンプル流体の吸引および/または分配に基づいて、サンプル流体の少なくとも１つの測定値を決定するステップと、
ｄ）サンプル流体の測定値を表すサンプル流体測定信号を生成するステップと、
ｅ）前記サンプル流体測定信号を制御回路に入力するステップと、
ｆ）サンプル流体測定信号に基づいて、制御回路によって圧力生成手段を制御するステップと、
ｇ）ステップｂ）に戻るステップと、
を備える。

本発明の方法を使用して、処理の安全性を保証し、さらにオフラインモードで液体クラスを自動的に最適化できる。例では、顧客はピペットで入れたい液体をリキッドハンドリングシステムにロードできる。リキッドハンドリングシステムは、いくつかの反復ピペットステップを実行して、これらの液体を特徴付け、液体クラスを自動的に最適化する。最適化後、顧客はワークフローに最適化された液体クラスとともに標準ピペットチューブを使用できる。さらに、顧客は顧客アプリケーションでオンラインにてピペットチューブを使用できる。サンプル流体の測定信号は、圧力生成手段、例えば閉ループ制御におけるピペット装置のプランジャを制御するために直接使用できる。すべての流体サンプルのピペットを最適化し、オンラインで調整できる。本発明は、特にピペットされたサンプル流体が大きな粘度および／または表面張力範囲を有する場合に大幅に改善される。

提案された方法の実施形態では、サンプル流体の少なくとも１つの測定値は、ピペットチューブ内のサンプル流体の容量レベル、ピペットチューブ内の圧力レベル、および少なくとも１つの圧力生成手段の駆動パラメータのうちの少なくとも１つである。

提案された方法の実施形態では、ステップｄ）は、ピペットチューブ内のサンプル流体の容量レベルを表す容量測定信号を生成するステップを備える。提案された方法のさらなる実施形態では、ステップｄ）は、ピペッドチューブの内部の圧力レベルを表す圧力測定信号を生成するステップを備える。

提案された方法の実施形態では、ステップｆ）は、容量測定信号、圧力測定信号および時間のうちの少なくとも１つの関数として圧力生成手段を制御するステップを備える。一実施形態では、提案された方法は、容量測定信号、少なくとも１つの圧力生成手段駆動パラメータおよび時間のうちの少なくとも１つに基づいて少なくとも１つのサンプル流体の特性を決定するステップをさらに備える。

一実施形態では、提案された方法は、圧力測定信号、容量測定信号、少なくとも１つの圧力生成手段駆動パラメータおよび時間のうちの少なくとも１つに基づいて少なくとも１つのサンプル流体特性を決定するステップをさらに備える。
上述の実施形態の任意の組み合わせは、さらなる可能な実施形態の主題であることを明確に指摘する。矛盾をもたらす実施形態のみが除外される。

本発明の一態様によるピペット装置を概略的に示す図。 ピペットチューブ内の液量測定のアプローチの模式図。

図１は、ピペットチューブ１４内のサンプル流体１２を吸引および／または分配するためのピペット装置１０を概略的に示す。サンプル流体１２は、使い捨てチップ１６を介してピペットチューブ１４に吸引または分配される。ピペットチューブ１４は、一体的に、すなわち使い捨てチップなしで形成できる。ピペッドチューブ１４の反対側の端部は、プランジャ／シリンダ装置、ポンプなどの圧力生成手段１８に動作可能に接続されている。図示の例では、圧力生成手段１８は、シリンダ２２に挿入されるプランジャ２０の組み合わせを備える。前記プランジャ２０は、シリンダ２２内の圧力を変化させるのに適しており、円周方向に密閉されるようにして前記シリンダ２２内で軸方向に移動可能となっている。さらに、シリンダ２２に対してプランジャ２０を移動させるように構成された移動手段２４（概略的に二重矢印として示す。）を備える。

ピペット装置１０は、ピペットチューブ１４の内部の圧力レベルを決定するのに適しており、ピペットチューブ１４に動作可能に結合された圧力測定ユニット２６をさらに備える。またピペット装置１０は、ピペットチューブ１４に設けた容量測定ユニット２８を備える。容量測定ユニット２８は、その開口部近傍にピペットチューブ１４に固定された電極３０を備える。容量測定部２８の詳細については後述する。

圧力測定ユニット２６および容量測定ユニット２８は共に、サンプル流体１２の吸引および／または分配に基づいてサンプル流体の測定値を決定するのに適している。特に、圧力測定ユニット２６は、圧力レベルを決定するのに適している。一方、容量測定ユニット２８は、ピペットチューブ１４の内部の容量レベルを決定するのに適している。

ピペット装置１０は、圧力測定ユニット２６および容量測定ユニット２８の両方の測定値を受信する制御回路３２をさらに備える。特に、制御回路３２には、圧力レベルを表す圧力測定信号が入力される。さらに、制御回路３２には、ピペットチューブ１４の内部の容量レベルを表す容量測定信号が入力される。ここで、前記容量レベルは、圧力測定ユニット２６によって決定される。制御回路３２の出力は、圧力生成手段２４の入力に接続され、前記制御回路３２は、受信した圧力測定信号および／または容量測定信号に基づいて前記圧力生成手段２４を制御するように構成されている。

一態様では、制御回路３２は、圧力測定信号および／または時間に関する容量測定信号の関数として圧力生成手段２４を制御するように構成されている。本発明のピペット装置１０は、サンプル流体１２の吸引および／または分配に基づいて、容量測定信号、圧力測定信号、少なくとも１つの圧力生成手段の駆動パラメータ、および時間のうちの少なくとも１つに基づいて少なくとも１つのサンプル流体の特性を決定できる。サンプル流体の特性は、サンプル流体１２の液体クラス、粘度および表面張力のうちの少なくとも１つを備える。一例では、圧力測定信号および容量測定信号は、閉ループ回路の圧力生成手段１８のプランジャ２０を制御するために直接使用される。そうすることで、すべてのサンプル流体１２のピペットを最適化し、オンラインで調整することができる。本発明は、特にピペットされたサンプル流体１２が大きな粘度および／または表面張力を有する場合に、ピペット性能を改善可能とする。

図２は、ピペットチューブ１４の内部の液位検出のアプローチを概略的に示す。特に、この図は、上述の容量測定ユニット２８（図１参照）を形成するピペットチューブ１４の一部を概略的に示す。容量測定ユニット２８は、少なくとも部分的にピペットチューブ１４の外壁に取り付けた第１電極３０を備える。容量測定ユニット２８は、サンプル流体の容量によって少なくとも部分的に提供される第２電極１２をさらに備える。したがって、ピペッドチューブ１４内に吸引されたサンプル流体１２は、液体電極として機能し、第１電極３０および第２電極１２は、測定コンデンサを形成する。前記測定コンデンサは、測定コンデンサの容量の関数として、ピペッドチューブ１４内のサンプル流体１２の容量レベルを決定するように構成された計算手段（図示せず）に動作可能に接続されている。ピペッドチューブ１４内に吸引されたサンプル流体１２は、静電容量を利用して決定される。測定コンデンサの静電容量は、管状のピペッドチューブ１４内の流体サンプル容量の関数である。したがって、測定された静電容量は、ピペッドチューブ１４内のサンプル流体１２の容量をリアルタイムで決定することを可能にする。

Claims (17)

1. サンプル流体（１２）を吸引および／または分配するための開口部が設けられた第１端と、圧力生成手段（１８）に動作可能に接続された第２端とを有するピペットチューブ（１４）を備えるピペット装置（１０）であって、サンプル流体（１２）の吸引および／または分配に基づいてサンプル流体の測定値を決定し、サンプル流体測定信号を出力するのに適した少なくとも１つの測定ユニット（２６、２８）と、前記測定ユニット（２６、２８）の出力と、圧力生成手段（１８）の入力とに操作可能に結合された制御回路（３２）と、を備え、前記制御回路（３２）は、サンプル流体測定信号に基づいて前記圧力生成手段（１８）を制御するように構成されたピペット装置（１０）において、
   前記少なくとも１つの測定ユニット（２６、２８）は、容量測定ユニット（２８）を備え、前記容量測定ユニット（２８）は、前記ピペットチューブ（１４）内の前記サンプル流体（１２）の容量レベルを決定し、前記制御回路（３２）の入力を表す容量測定信号を提供するのに適しており、
   前記制御回路（３２）は、前記容量測定信号および時間の関数として前記圧力生成手段（１８）を制御するように構成され、
   前記容量測定ユニット（２８）は、少なくとも部分的に前記ピペットチューブ（１４）の外壁に取り付けられた第１電極（３０）と、前記ピペットチューブ（１４）内に存在する前記サンプル流体（１２）によって少なくとも部分的に形成された第２電極（１２）とを備え、前記第１電極（３０）および前記第２電極（１２）は、測定コンデンサを形成するように構成され、前記測定コンデンサは、容量の関数として前記ピペットチューブ（１４）内の前記サンプル流体（１２）の容量レベルを決定するように構成される計算手段に動作可能に接続され、
   前記容量測定信号および時間の少なくとも１つに基づいて、少なくとも１つのサンプル流体の特性を決定するのに適した決定ユニットをさらに備え、
   前記サンプル流体の特性が、前記サンプル流体の液体クラス、粘度、および表面張力のうちの少なくとも１つを備える、ピペット装置（１０）。
2. 前記制御回路（３２）が、時間に対するサンプル流体測定信号の関数として圧力生成手段（１８）を制御するように構成されている、請求項１に記載のピペット装置（１０）。
3. 前記第１電極（３０）は、前記ピペットチューブ（１４）によって構成される、請求項１又は２に記載のピペット装置（１０）。
4. 前記少なくとも１つの測定ユニット（２６、２８）が圧力測定ユニット（２６）を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のピペット装置（１０）。
5. 前記圧力測定ユニット（２６）が、ピペットチューブ（１４）の内部の圧力レベルを決定し、その圧力レベルを示す圧力測定信号を制御装置（３２）に入力するのに適している、請求項４に記載のピペット装置（１０）。
6. 前記制御回路（３２）が、圧力測定信号および時間の関数として圧力生成手段（１８）を制御するように構成されている、請求項５に記載のピペット装置（１０）。
7. 前記決定ユニットは、さらに、前記圧力測定信号に基づいて、前記少なくとも１つのサンプル流体の特性を決定するのに適している、請求項６に記載のピペット装置（１０）。
8. 前記圧力生成手段（１８）が、ピペット装置（１０）によって構成されるプランジャ（２０）とシリンダ（２２）との組み合わせを備え、前記プランジャ（２０）が、シリンダ（２２）内の圧力を変化させるのに適し、シリンダ（２２）内を円周方向にシールされた状態で軸方向に移動可能であり、シリンダ（２２）内でプランジャ（２０）を移動するように構成された移動手段（２４）を備える、請求項１から７のいずれか１項に記載のピペット装置（１０）。
9. 前記移動手段（２４）が、前記制御回路（３２）の出力に動作可能に結合されている、請求項８に記載のピペット装置（１０）。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のピペット装置（１０）を備える、自動液体処理システム。
11. 請求項１から９のいずれか１項に記載のピペット装置（１０）でピペットを制御する方法であって、
    ａ）ピペットチューブ（１４）の第１端をサンプル流体（１２）に浸すステップと、
    ｂ）サンプル流体（１２）をピペットチューブ（１４）内または外に吸引および/または分配するステップと、
    ｃ）サンプル流体の吸引および／または分配に基づいてサンプル流体（１２）の測定値を決定するステップと、
    ｄ）サンプル流体の測定値を表すサンプル流体測定信号を生成するステップと、
    ｅ）前記サンプル流体測定信号を制御回路（３２）に入力するステップと、
    ｆ）前記サンプル流体測定信号に基づいて制御回路（３２）によって圧力生成手段（１８）を制御するステップと、
    ｇ）ステップｂ）に戻るステップと、
    を備える、方法。
12. 前記サンプル流体の測定値が、ピペットチューブ（１４）内のサンプル流体の容量レベル、ピペットチューブ（１４）内の圧力レベル、および少なくとも１つの圧力生成手段の駆動パラメータの少なくとも１つである、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ステップｄ）が、ピペットチューブ（１４）内のサンプル流体の容量レベルを表す容量測定信号を生成するステップを備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ステップｄ）が、ピペットチューブ（１４）の内部の圧力レベルを表す圧力測定信号を生成するステップをさらに備える、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記ステップｆ）が、容量測定信号、圧力測定信号および時間のうちの少なくとも１つの関数として圧力生成手段（１８）を制御するステップを備える、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記制御回路（３２）の入力を表す容量測定信号、少なくとも１つの圧力生成手段の駆動パラメータおよび時間の少なくとも１つに基づいて、少なくとも１つのサンプル流体特性を決定するステップをさらに備える、請求項１３から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記ピペットチューブ（１４）の内部の圧力レベルを表す圧力測定信号、前記制御回路（３２）の入力を表す容量測定信号、少なくとも１つの圧力生成手段の駆動パラメータおよび時間の少なくとも１つに基づいて、少なくとも１つのサンプル流体特性を決定するステップをさらに備える、請求項１４または１５に記載の方法。

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