WO2006116892A1 - Vorrichtung und verfahren zum bewegen von flüssigkeitsbehältern - Google Patents

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WO2006116892A1
WO2006116892A1 PCT/CH2006/000243 CH2006000243W WO2006116892A1 WO 2006116892 A1 WO2006116892 A1 WO 2006116892A1 CH 2006000243 W CH2006000243 W CH 2006000243W WO 2006116892 A1 WO2006116892 A1 WO 2006116892A1
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support
movement
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liquid container
support unit
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Adi Zuppiger
Roland Fuchs
Urs Knecht
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Tecan Trading Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/20—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes
    • B01F31/22—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes with supporting means moving in a horizontal plane, e.g. describing an orbital path for moving the containers about an axis which intersects the receptacle axis at an angle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/20—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes
    • B01F31/24—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes the containers being submitted to a rectilinear movement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/20—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes
    • B01F31/27—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes the vibrations being caused by electromagnets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2101/00—Mixing characterised by the nature of the mixed materials or by the application field
    • B01F2101/23—Mixing of laboratory samples e.g. in preparation of analysing or testing properties of materials

Definitions

  • the invention relates to a device for moving liquid containers, which comprises a carrying unit designed to receive liquid containers; a base unit, against which the support unit is mounted substantially horizontally freely swinging by means of connecting elements; and moving means for moving the support unit relative to the base unit.
  • Automated plants usually comprise a single pipetting device or several pipetting devices, which are used on liquid containers that are located on the working table of a workstation. Such workstations are often
  • robots now operating on Cartesian or polar coordinates, can be used to process samples at such a workstation.
  • Such robots can be liquid containers, such as. e.g. Wear sample tubes or microplates and reposition.
  • Such robots can also be used as a so-called “robotic sample processor” (RSP), such as a pipetting device for aspirating and dispensing, or as a dispenser for distributing liquid samples
  • RSP robottic sample processor
  • Such equipment is capable of automatically processing large numbers of liquid samples over long periods of hours and days without the need for a human operator to intervene in the processing process.
  • shakers move the liquid container itself.
  • Such shakers moving the liquid containers in a thermostatted bath are known, for example, from US 3,601,372:
  • the carrying device of this shaking device is not free swinging but fixed, but still connected via three crankshaft movably connected to a stationary intermediate floor and can perform a corresponding deflection of the crankshaft corresponding circular motion on one of these crankshaft downward permanent magnets are attached, which is a magnetic coupling to an outside
  • the arrangement of the motor bath and the permanent magnet driven by a fixed motor drive and the wing at least mechanically decoupled from each other.
  • shakers perform a rapid circular motion with a hollow rubber dome in which a test tube or sample tube is held by hand.
  • shakers which move a platform in a horizontal plane linear or circular; For example, baths for dyeing polyacrylamide gels, for example, are applied to these platforms.
  • rocking platforms are known.
  • US Pat. No. 5,409,312 discloses a device with which a magnetic stirrer can be converted into a magnetically driven orbital shaker.
  • This device consists of a horizontally arranged, quadrangular base plate and a likewise quadrangular, arranged parallel thereto support plate.
  • Arranged in the corners and opposite each other are four ball bearings which allow the support plate to receive a liquid vessel to effect a free or circular orbital motion.
  • the support plate has a circular magnet in the center on its underside, and is thus magnetic coupled with the rotatable magnet of the magnetic stirrer.
  • such magnetic stirrers are known to give off strong vibrations to their surroundings, in particular to the table on which they stand.
  • US Pat. No. 6,508,582 discloses an electromagnetically driven microplate linear shaker which vibrates a support plate connected by leaf springs to a base plate up to frequencies of 120 Hz (7,200 reciprocal movements per minute).
  • the microplates be they a single standard plate, a single "deep-well micropattern" or entire stacks thereof, are fixed to the support plate by means of tensioners. "On the one hand, these fixtures are not suitable for automated or robotic loading of the support plate with such microplates must be feared here too the delivery of strong vibrations to the pad, because the direct movement of the support plate and all liquid container disposed thereon requires a correspondingly strong electromagnet.
  • the published patent application US 2003/0081499 A1 discloses an electromagnetically or mechanically driven multidirectional shaker for microplates or sample tubes.
  • a first support plate is suspended from leaf springs, so that they can swing in a certain first direction substantially horizontally and freely.
  • a second support plate is suspended from leaf springs so that they can swing in a direction perpendicular to the first direction, the second direction substantially horizontally and freely.
  • the vibrations are generated by two in the respective vibration direction directed electromagnets by a support fixed to the respective support plate core is provided for each support plate, which is partially inserted into each of the E lektromagnete.
  • the support plates are generated by two aligned perpendicular to the respective direction of vibration electric motors with directly acting on the edge of the respective support plate eccentric drive wheels; In this case, springs counteract the eccentric drive wheels.
  • the delivery of strong vibrations to the surface must be feared because the direct movement of the support plate and all attached thereto ordered liquid container requires a correspondingly strong electromagnet or a correspondingly strong electric motor.
  • the present invention is based on the object to propose an alternative device for moving liquid containers, which eliminates or at least minimizes the disadvantages of the prior art.
  • Such a device according to the invention for moving liquid containers comprises:
  • Movement means for moving the support unit relative to the base unit is characterized in that the carrying unit comprises at least one supporting element on which at least one moving mass is movably mounted. In this case, this at least one movement mass interacts with a movement means fastened to the same support element and is movable by this movement means. The movements of these at least one movement mass displace the same carrying support element and the liquid container accommodated with the support unit into corresponding countermovements.
  • the inventive method is characterized in that at least one support element of this support unit, on which at least one movement mass is movably mounted, with a - on that- attached to the same support element - moving means that interacts with this at least one moving mass, is moved so that the movements of these at least one moving mass offset the same supporting support member and the liquid container accommodated with the support unit in corresponding countermovements.
  • Figure 1 is a side view of an inventive, horizontally freely oscillating support unit for receiving liquid containers.
  • Fig. 2 is a bottom view of the support unit of Figure 1 with permanent magnets as a stop suspension and drive support.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the support unit of FIG. 1 taken along the line A-- A;
  • FIG. 4 shows a 3D view of a first, particularly preferred embodiment of the device according to the invention for moving liquid containers with a first and a second support element, which oscillate essentially at right angles to each other;
  • 5 shows a 3D view of the device constructed as a stackable module of FIG. 4 with a drawer device for loading the horizontally freely oscillating support unit with a liquid container;
  • 6 is a plan view of a second, particularly preferred embodiment of the device according to the invention with a first and second support element;
  • FIG. 7 shows a vertical partial section through the second embodiment of the device according to the invention along the section line B-B in FIG. 6.
  • Figures 1, 2 and 3 illustrate the side, bottom and elevation of a unit of a day device 1 for moving liquid containers 2.
  • the support unit 3 is designed for receiving liquid containers 2. Die die'sstechniks practicern 2 Sind in der Zeichnungtim.
  • Such liquid containers in the form of sample tubes can be placed in suitable racks or racks (not shown) on the support unit.
  • Liquid containers in the form of microplates with e.g. 96 or 384 or more or fewer wells (see Figures 3 and 5) can also be parked on the support unit 3.
  • Retaining springs 4 or other suitable, attached to the support unit means (not shown) prevent that put on the support unit 3 or placed liquid container 2 to slide around when moving the support unit or otherwise move uncontrollably.
  • Such means also include clamping levers, which can be opened by robotic grippers, so that a fully automatic feeding of the support unit 3 with liquid containers 2 and a secure holding these liquid containers on the surface of the support unit 3 is possible.
  • the carrying unit 3 is mounted so as to oscillate substantially horizontally freely relative to a base unit 5 (not shown here, see FIG. 4) by means of connecting elements 7.
  • Figure 1 shows a side view of an inventive, horizontally freely oscillating support unit 3 for receiving liquid containers 2.
  • a movement mass 8 is movably arranged, which is movable by a moving means 6.
  • This movement mass 8 comprises a movable magnet 9 designed as a so-called oscillator, which can be moved back and forth by means of a movement means 6 in the form of an electromagnetic coil in the direction of the axis of symmetry 11 (see FIG.
  • the magnet is connected to a plate 10, which is preferably made of iron and forms a closed circle with the magnet 9.
  • the plate 10 thus also belongs to the movement mass. 8
  • the electromagnetic coil 6 is fixedly mounted on the support unit 3.
  • the oscillator 9 or "moving magnet” is movably mounted on the carrying unit 3.
  • This bearing comprises two slide bars 12, which are slidably mounted in respective pairs of bushes 13.
  • Two stop plates 14 limit the horizontal mobility of the oscillator 9 and the moving mass 8, respectively.
  • strong stop magnets 14 are arranged on the transverse flanges 15 and also against the abutment surfaces 16 directed against the stop plates 14.
  • the support unit 3 consisting of a single support element 20 can perform a rotating pendulum movement which is opposite to the rotational movement of a circulating movement mass 8.
  • This alternative, circular movement of the moving mass 8 can be effected by an electric motor, to whose drive shaft the moving mass 8 is eccentrically mounted (not shown).
  • the support unit 3 is to perform a rotational movement without using rotating electric motors and eccentrically arranged movement masses 8, the support unit 3 preferably comprises two support elements 20, 21.
  • FIG. 4 shows a particularly preferred first embodiment of the device according to the invention for moving liquid containers with a first and a second support element 20, 21.
  • these two support members 20,21 which are suspended on leaf springs 22, swing substantially at right angles to each other.
  • the support unit 3 moves freely in any substantially horizontal direction.
  • the base unit 5 comprises bent-up support members 23 which carry at least one leaf spring 22 on each side of the base unit 4.
  • two or more leaf springs are used on one (see Fig. 4) or on both sides. The additional leaf springs enhance the spring action, but they also reduce the achievable with the movement of the moving mass 8 deflection.
  • the number and / or spring strength of the leaf springs 22 can be adapted to the requirements.
  • leaf springs 22 and connecting elements 7 are clamped here hanging and wear upturned hanging parts 24 of the first support member 20.
  • This first support member 20 includes bent-up support members 25 on which also formed as leaf springs 22 connecting elements 7 are in turn suspended hanging. These leaf springs 22 are also clamped clamped down on the support member 21. Again, three leaf springs are preferably provided, which connect the first and second support members 20,21 together.
  • the horizontal portion 27 of the raised portion 26 of the second support member 21 forms the effective support surface 28 of the support unit 3, which comprises the first and second support member 20,21.
  • each of these support elements 20, 21 is equipped with a respective movement mass 8 and a respective movement means 6 as shown in Figures 1 to 3.
  • the corresponding axis of symmetry 11 "(and direction of movement) for the second support element 21 is shown in Figure 4.
  • the axis of symmetry 11 '(and direction of movement) of the first support element 20 is at right angles to the axis of symmetry 11" shown and is likewise indicated here.
  • the movement masses or oscillators 8 are preferably linearly movable on friction-minimized plain bearings and mounted laterally at least approximately free of play.
  • linear guides for sliding bearings of the oscillators can also be provided.
  • the support surface 28 moves freely swinging in all directions in a substantially horizontal plane.
  • substantially torsion-resistant leaf springs made of steel generally applies that two support elements 20,21 must be used.
  • the support member 20 substantially horizontal oscillations exclusively in the X-direction and the support member 21 substantially horizontal oscillations exclusively, for example, in the perpendicular Y-direction.
  • This arrangement successfully prevents or minimizes unwanted and uncontrollable swinging of the liquid container bearing support surface 28 of the support member 3 into a pendulum motion about a Z-axis. Such a swinging may occur, in particular, with wings 28 suspended from cords or wires which carry a microplate with asymmetrically only partially filled and partially empty wells.
  • the embodiment of a device for moving liquid containers shown in Figure 4 is completely insensitive to unilateral loading. Even several, one-sided filled, stacked microplates are moved without problems and controlled. Thus, solid particles can be kept in suspension in virtually any liquid containers, emulsified unstable emulsions and mixing processes can be supported.
  • a shock-free shaking or mixing of cell cultures by the device according to the invention is made possible. Due to the free-swinging movement of the support surface 28 even a vortex effect in the liquid containers can be achieved without the device emitting vibrations to the immediate environment.
  • the free-swinging suspension of all support elements 20, 21 and the movement means 6 and movement masses 8 inherent in these free-swinging support elements do not cause any radial forces on the device so that it does not "emigrate.”
  • the preferred suspension of the support elements 20, 21 on leaf springs does not cause any signs of fatigue in the attachment and also small uncontrolled loosening of screws by vibration.
  • the actual movement of the support plate and thus also the liquid container 2 is determined for each direction of movement in the X- and Y-axis by means of a Hall sensor.
  • This real movement detection is used as an actuating variable in the control of the movement means 6 and movement masses 8.
  • the driving of the movement means 6 with 2 frequencies and 2 deflections.
  • the deflection of the support surface 28 of the height and the diameter of the liquid container 2, in particular the wells of a microplate can be adjusted. The smaller the deflection, the higher the frequency can be selected.
  • the preferred deflection is about 1/3 to 1/2 of the well diameter, which corresponds to a preferred deflection of about 3 mm, for example, in deep-well microplates.
  • the Frequency of an individually controlled, inventive device 0.1 to over 4000 Hz.
  • cyclic movement pattern can be generated with the free-swinging suspension of the two support members 20,21 in Fig. 4 and by these free-swinging support elements inherent motion means 6 and movement masses.
  • These can be serrated stars, circles, rotating figure-eight figures and complex circular or elliptical movements, which correspond to the course of a freeform, in particular a Lissajous figure.
  • motion sensors preferably Hall sensors, enable the sensing of the effective movements of the support plate or reservoir 2 in both the X and Y directions of a substantially horizontal plane.
  • the support surface 28 is provided with a non-slip coating, such as e.g. a rubber mat or the like and / or provided with retaining springs 4 or other holding means.
  • a device 1 preferably comprises a blocking device with which the carrying unit 3 and the liquid container 2 accommodated therewith are fixed in a predetermined position. Depending on the selected spring constant and / or number of leaf springs, the support surface 28 is kept so quiet that even such a blocking device can be dispensed with.
  • devices 1 which comprise a housing 31 having on its top 32 an opening 33 through which a liquid container 2, in particular a microplate, can be placed on the support unit 3, the support unit 3 a fixing mechanism 4 for holding of the liquid container 2.
  • the fixing mechanism 4 for holding the liquid container 2 on the support unit 3 is preferably detachably formed by a micro-plate handling robot.
  • such a housing 31 can also comprise a bottom 34, a cover 35 and side walls 36 (base and cover removed for a better overview) and a slide 37 movably mounted in this housing 31.
  • the housing 31 on at least one side of an opening 38 through which the slide 37 is extendable to receive a liquid container 2, in particular a microplate, to pull into the housing 31 and store on the support unit 3.
  • a support unit comprises a fixing device 4 (not shown) for holding the liquid container 2.
  • Such devices shown in FIG. 5 are preferably designed as a stackable module, wherein the bottom 34 and the cover 35 are formed as lower and upper stacking surfaces, by they have mutually complementary relief structures, such as ribs and depressions and the like.
  • all the devices or groups thereof may be individually formed as incubators, cold rooms, or merely as shakers.
  • Such stackable devices can be used as modules for populating a workstation or a so-called “robotic sample processor” (RSP).
  • RSP robottic sample processor
  • such devices 1 are preferably designed as incubators by comprising a temperature-controlled heating plate and arranged on the bottom 34 and cover 35 and on all sides 36 heat insulation, which also closes all the openings 33,38.
  • preferred devices 1 are designed as a cooling space by comprising a temperature-controlled cooling plate and arranged on the bottom 34 and cover 35 and on all sides 36 heat insulation, which also closes all openings 38.
  • Peltier elements or so-called "heat pipes" are used for the incubators or cold rooms.
  • the designated as the support surface 28 part of the support unit 3 may also be formed as a contiguous support frame or as a separate multi-surface.
  • each rotatable movement mass 8 is magnetically connected to a rotating part of a movement means 6.
  • the moving means 6 is an electric motor, which is attached to the base unit 5 and on the drive axle, a permanent or permanent magnet is mounted eccentrically.
  • the corresponding movement masses 8 are then connected via a rotation axis to the support elements 20, 21 or to the support unit 3.
  • the axis of rotation of the moving means 6 is arranged substantially in the geometric axis of the corresponding moving mass 8.
  • the movement masses 8 also have an eccentrically mounted permanent magnet, which represents the opposite pole to the permanent magnet of the corresponding movement means 6.
  • This arrangement is particularly suitable for automated multiple arrangements of fermenters or incubators in biotechnology, which at one of their Have outer walls or at its lid or bottom rotatable movement masses 8 with at least one permanent magnet.
  • These fermenters are then preferably equipped with stirring devices, which are operatively connected to the movement masses 8.
  • This active compound may be mechanical or magnetic in nature. If these fermenters are transported (preferably remotely controlled) from one stirring station to the next, the movement means 6 of the next stirring station, which are arranged identically or differently, interact with one or more of the moving masses 8 of the fermenter, so that one of the stirring stations receives appropriate movement in the fermenter available liquid can be provided.
  • Stirring stations may also differ in temperature and in other physical or chemical parameters. Alternatively, the entire fermenter can be suspended free-swinging and be brought by the masses of movement 8 in corresponding countermovements.
  • the support unit 3 of the inventive device comprises a first and second support member 20,21 with at least two attached to this second support member 21, rotatable movement masses 8 and the associated movement means.
  • each of these two engine couples controlled synchronously.
  • the movement mass 8 being visible only at one.
  • the timing belt 42 dampening against a possible rocking of vibrations.
  • the very close positioning of the wheels 43 with their eccentrically arranged masses of movement on a common central axis 44 additionally helps to minimize the occurrence of undesirable torques.
  • the two support elements 20, 21 of the support unit 3 are preferably arranged and formed the same, as has already been shown and explained in connection with Figures 4 and 5.
  • Conductivity of the brake plate or of the support element 20, 21 For example, a copper plate is braked more strongly than a steel or aluminum plate, because the induced currents are higher due to the better electrical conductivity of copper.
  • Air gap The greater the air gap 46, that is to say the distance between the permanent magnet 45 and the support element 20 (see Fig. 7), the smaller the maximum braking effect.
  • Such an eddy current brake with a permanent magnet 45 has, inter alia, the advantage that it represents a completely passive system which does not require any control.
  • each such individual eddy current brake is provided for each of the support elements 20,21 . Even a system with leaf spring suspensions can be improved by the use of such eddy current brakes.

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Abstract

Betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern (2). Die Vorrichtung umfasst eine zum Aufnehmen von Flüssigkeitsbehältern (2) ausgebildete Trageinheit (3); eine Basiseinheit (5), gegenüber welcher die Trageinheit (3) mittels Verbindungselementen (7) im wesentlichen horizontal frei schwingend gelagert ist; und Bewegungsmittel (6) zum Bewegen der Trageinheit (3) gegenüber der Basiseinheit (5). Die erfindungsgemässe Vorrichtung (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinheit (3) zumindest ein Tragelement (20,21) umfasst, an welchem mindestens eine Bewegungsmasse (8) beweglich befestigt ist. Dabei steht diese mindestens eine Bewegungsmasse (8) mit einem - an demselben Tragelement (20,21) befestigten - Bewegungsmittel (6) in Wechselwirkung und ist durch dieses bewegbar. Dadurch versetzen die Bewegungen dieser mindestens einen Bewegungsmasse (8) das dieselbe tragende Tragelement (20,21) und die mit der Trageinheit (3) aufgenommenen Flüssigkeitsbehälter (2) in entsprechende Gegenbewegungen.

Description

-I .¬
Vorrichtung und Verfahren zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern
Die Erfindung betrifft gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 eine Vorrichtung zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern, die eine zum Aufnehmen von Flüssigkeitsbehältern ausgebildete Trageinheit; eine Basiseinheit, gegenüber welcher die Trageinheit mittels Verbindungselementen im wesentlichen horizontal frei schwingend gelagert ist; und Bewegungsmittel zum Bewegen der Trageinheit gegenüber der Basiseinheit umfasst.
Industriezweige, die sich z.B. in der pharmazeutischen Forschung bzw. in der klinischen Diagnostik mit biochemischen Techniken befassen, benötigen Anlagen zum Verarbeiten von Flüssigkeitsvolumina und Flüssigkeitsproben. Automatisierte Anlagen umfassen üblicherweise ein einzelnes Pipetiergerät oder mehrere Pipe- tiergeräte, welche an Flüssigkeitsbehältern eingesetzt werden, die sich auf dem Arbeitstisch einer Arbeitsstation befinden. Solche Arbeitsstationen sind oftmals
fähig, unterschiedlichste Arbeiten an diesen Flüssigkeitsproben auszuführen, wie z.B. optische Messungen, Pipettieren, Waschen, Zentrifugieren, Inkubieren und Filtrieren. Ein oder mehrere Roboter, operieren diese nun nach kartesischen oder polaren Koordinaten, können zur Probenbearbeitung an einer solchen Arbeitsstation eingesetzt werden. Solche Roboter können Flüssigkeitsbehälter, wie. z.B. Probenröhrchen oder Mikroplatten tragen und umplatzieren. Solche Roboter können auch als sogenannte „robotic sample processor" (RSP), wie z.B. als Pipetier- gerät zum Aspirieren und Dispensieren, oder als Dispenser zum Verteilen von Flüssigkeitsproben eingesetzt werden. Vorzugsweise werden solche Anlagen durch einen Rechner kontrolliert und gesteuert. Ein entscheidender Vorteil solcher Anlagen besteht darin, dass grosse Zahlen von Flüssigkeitsproben über lange Zeiträume von Stunden und Tagen automatisch bearbeitet werden können, ohne dass ein menschlicher Operator in den Bearbeitungsprozess eingreifen muss.
Seit langem bekannte Rührgeräte („Stirrer") verwenden einen in die Flüssigkeit eines ortsfest gehaltenen Flüssigkeitsbehälters getauchten, bewegten Körper zum Mischen der in dieser Flüssigkeit vorhandenen Stoffe. Dabei werden diese Rührkörper mechanisch direkt von aussen (wie bei einem Küchenmixer) oder mittels Magnetkoppelung angetrieben (vgl. z.B. US 4,199,265 oder EP 1 188 474).
Dagegen bewegt ein in praktisch allen Labors, die sich mit dem Mischen von Stoffen mit Flüssigkeiten beschäftigen, ebenfalls bekannter Schüttler („Shaker") den Flüssigkeitsbehälter selbst. Solche Schüttler, welche die Flüssigkeitsbehälter in einem thermostatisierten Bad bewegen, sind z.B. aus US 3,601,372 bekannt: Die Tragvorrichtung dieses Schüttelgerätes ist nicht frei schwingend sonder fest, aber doch über drei Kurbelwellen beweglich mit einem ruhenden Zwischenboden verbunden und kann eine der Auslenkung der Kurbelwellen entsprechende Kreisbewegung ausführen. An einer dieser Kurbelwellen sind nach unten gerichtete Permanentmagnete befestigt, welche eine Magnetkupplung zu einem ausserhalb des Wasserbades angeordneten und über einen festsitzenden Motor angetriebenen Permanentmagneten herstellen. Durch diese Anordnung sind der Motoran- trieb und die Tragfläche zumindest mechanisch voneinander entkoppelt. Andere Schüttler führen eine schnelle Kreisbewegung mit einer Gummi-Hohlkalotte aus, in welche von Hand ein Reagenzglas oder ein Probenröhrchen gehalten wird. Ebenfalls sind Schüttler bekannt, welche eine Plattform in einer horizontalen Ebene linear oder kreisförmig bewegen; auf diese Plattformen werden z.B. Bäder zum Anfärben beispielsweise von Polyacrylamid-Gelen aufgelegt. Auch wippende Plattformen sind bekannt.
Weitere, jedoch mit Solenoid-Antrieben ausgestattete Schüttler sind aus den Patenten US 5,259,672, GB 2 254 423, FR 934 278 und EP 1 201 297 bekannt. Allen diesen Vorrichtungen ist gemeinsam, dass sie Erregerspulen und Polkerne umfassen, wobei die Erregerspulen an einer Tragvorrichtung und die Polkerne an einer Grundplatte bzw. einem Gehäuse (oder umgekehrt) befestigt sind. Durch diese Anordnung der beiden Hauptbestandteile der Solenoide und die damit Verbundene zumindest magnetische Koppelung zwischen der Tragvorrichtung und dem Gehäuse ergibt sich der Nachteil, dass Erschütterungen der Umgebung auf die Tragvorrichtung und Vibrationen der Tragvorrichtung an die Umgebung übertragen werden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird immer von einer Vorrichtung zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern gesprochen, es handelt sich also um einen Schüttler, der die Flüssigkeitsbehälter zum Mischen, Schütteln oder Rühren von Stoffgemischen bewegt. Solche Stoffgemϊsche können Suspensionen, Lösungen und Emulsionen umfassen.
Das US-Patent 5,409,312 offenbart eine Vorrichtung, mit welcher ein Magnetrüh- rer in einen magnetgetriebener Orbitalschüttler umgebaut werden kann. Diese Vorrichtung besteht aus einer horizontal angeordneten, viereckigen Basisplatte und einer ebenfalls viereckigen, parallel dazu angeordneten Tragplatte. In den Ecken und einander gegenüber angeordnet sind vier Kugellager, welche der ' Tragplatte zum Aufnehmen eines Flüssigkeitsgefässes das Ausführen einer freien oder kreisförmigen Orbitalbewegung ermöglichen. Die Tragplatte weist im Zentrum an ihrer Unterseite einen kreisförmigen Magneten auf, und ist so magnetisch mit dem drehbaren Magneten des Magnetrührers gekoppelt. Solche Magnetrüh- rer sind jedoch bekannt dafür, dass sie starke Vibrationen an ihre Umgebung, insbesondere an den Tisch, auf dem sie stehen, abgeben.
Das US-Patent 6,508,582 offenbart einen elektromagnetisch angetriebenen Linearschüttler für Mikroplatten, welche eine über Blattfedern mit einer Basisplatte verbundene Tragplatte bis zu Frequenzen von 120 Hz (7'200 reziproke Bewegungen pro Minute) vibrieren lässt. Die Mikroplatten, seien dies nun eine einzelne Standardplatte, eine einzelne „Deep-Well Mikropatte" oder ganze Stapel derselben, sind mittels Spannvorrichtungen auf der Tragplatte fixiert. Einerseits eignen sich diese Spannvorrichtungen nicht für eine automatisierte oder robotisierte Beschickung der Tragplatte mit solchen Mikroplatten. Andererseits muss auch hier die Abgabe von starken Vibrationen an die Unterlage befürchtet werden, weil die direkte Bewegung der Tragplatte und aller darauf angeordneten Flüssigkeitsbehälter einen entsprechend starken Elektromagneten erfordert.
Die publizierte Patentanmeldung US 2003/0081499 Al offenbart einen elektromagnetisch oder mechanisch angetriebenen Multidirektionalschüttler für Mikroplatten oder Probenröhrchen. Gegenüber einer Basisplatte ist eine erste Tragplatte an Blattfedern aufgehängt, so dass sie in einer bestimmten ersten Richtung im wesentlichen horizontal und frei schwingen kann. An dieser ersten Tragplatte ist eine zweite Tragplatte so an Blattfedern aufgehängt, dass diese in einer zur ersten Richtung rechtwinkligen, zweiten Richtung im wesentlichen horizontal und frei schwingen kann. Die Schwingungen werden durch zwei in die jeweilige Schwingungsrichtung ausgerichtete Elektromagnete erzeugt, indem für jede Tragplatte ein an die jeweilige Tragplatte fixierter Kern vorgesehen ist, der in jedes der E- lektromagnete teilweise eingeführt ist. Alternativ werden die Tragplatten durch zwei senkrecht zu der jeweiligen Schwingungsrichtung ausgerichtete Elektromotoren mit direkt den Rand der jeweiligen Tragplatte beaufschlagenden Exzenter- Triebrädern erzeugt; in diesem Fall wirken Federn den Exzentertriebrädern entgegen. Auch hier muss die Abgabe von starken Vibrationen an die Unterlage befürchtet werden, weil die direkte Bewegung der Tragplatte und aller darauf ange- ordneten Flüssigkeitsbehälter einen entsprechend starken Elektromagneten oder einen entsprechend starken Elektromotor erfordert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative Vorrichtung zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern vorzuschlagen, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt oder zumindest minimiert.
Diese Aufgabe wird gemäss einem ersten Aspekt dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen wird. Ein solche er- findungsgemässe Vorrichtung zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern umfasst:
• eine zum Aufnehmen von Flüssigkeitsbehältern ausgebildete Trageinheit;
• eine Basiseinheit, gegenüber welcher die Trageinheit mittels Verbindungselementen im wesentlichen horizontal frei schwingend gelagert ist, und
• Bewegungsmittel zum Bewegen der Trageinheit gegenüber der Basiseinheit. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinheit zumindest ein Tragelement umfasst, an welchem mindestens eine Bewegungsmasse beweglich befestigt ist. Dabei steht diese mindestens eine Bewegungsmasse mit einem - an demselben Tragelement befestigten - Bewegungsmittel in Wechselwirkung und ist durch dieses Bewegungsmittel bewegbar. Die Bewegungen dieser mindestens einen Bewegungsmasse versetzen das dieselbe tragende Tragelement und die mit der Trageinheit aufgenommenen Flüssigkeitsbehälter in entsprechende Gegenbewegungen.
Diese Aufgabe wird gemäss einem zweiten Aspekt dadurch gelöst, dass ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 vorgeschlagen wird. Bei einem solchen erfindungsgemässen Verfahren zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern, insbesondere unter Verwendung einer eben genannten Vorrichtung, werden Flüssigkeitsbehälter mit einer Trageinheit - die mittels Verbindungselementen gegenüber einer Basiseinheit im wesentlichen horizontal frei schwingend gelagert ist - aufgenommen und diese Trageinheit wird gegenüber der Basiseinheit mit Bewegungsmitteln bewegt. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Tragelement dieser Trageinheit, an welchem mindestens eine Bewegungsmasse beweglich befestigt ist, mit einem - an dem- selben Tragelement befestigten - Bewegungsmittel, das mit dieser mindestens einen Bewegungsmasse in Wechselwirkung steht, so bewegt wird, dass die Bewegungen dieser mindestens einen Bewegungsmasse das dieselbe tragende Tragelement und die mit der Trageinheit aufgenommenen Flüssigkeitsbehälter in entsprechende Gegenbewegungen versetzt.
Zusätzliche, bevorzugte und erfinderische Merkmale ergeben sich jeweils aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung bzw. das erfindungsgemässe Verfahren wird nun an Hand von schematischen, den Umfang der Erfindung nicht beschränkenden Zeichnungen von beispielhaften Ausführungsformen im Detail erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen, horizontal frei schwingenden Trageinheit zum Aufnehmen von Flüssigkeitsbehältern;
Fig. 2 eine Untersicht der Trageinheit von Fig. 1 mit Permanentmagneten als Anschlagfederung und Antriebsunterstützung;
Fig. 3 einen Querschnitt der Trageinheit von Fig. 1 entlang der Linie A-- A;
Fig. 4 eine 3D-Ansicht einer ersten, besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern mit einem ersten und zweiten Tragelement, welche im wesentlichen rechtwinklig zueinander schwingen;
Fig. 5 eine 3D-Ansicht der als stapelbares Modul ausgebildeten Vorrichtung von Fig. 4 mit einer Schubladeneinrichtung zum Beschicken der horizontal frei schwingenden Trageinheit mit einem Flüssigkeitsbehälter; Fig. 6 eine Draufsicht auf eine zweite, besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem ersten und zweiten Tragelement;
Fig. 7 einen vertikalen Teilschnitt durch die zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang der Schnittlinie B--B in Fig. 6.
Die Figuren 1, 2 und 3 stellen den Seiten-, Grund- und Aufriss einer Tageinheit einer Vorrichtung 1 zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern 2 dar. Die Trageinheit 3 ist zum Aufnehmen von Flüssigkeitsbehältern 2 ausgebildet. Solche Flüssigkeitsbehälter in From von Probenröhrchen können in dafür geeigneten Gestellen oder Racks (nicht gezeigt) auf die Trageinheit gestellt werden. Flüssigkeitsbehälter im der Form von Mikroplatten mit z.B. 96 oder 384 bzw. mehr oder weniger Wells (vgl. Figuren 3 und 5) können ebenfalls auf der Trageinheit 3 abgestellt werden. Haltefedern 4 oder andere geeignete, an der Trageinheit angebrachte Mittel (nicht gezeigt) verhindern, dass auf die Trageinheit 3 gestellte oder gelegte Flüssigkeitsbehälter 2 beim Bewegen der Trageinheit herumrutschen oder sich sonst unkontrolliert bewegen. Solche Mittel umfassen auch Klemmhebel, welche von Robotergreifern geöffnet werden können, so dass ein vollautomatisches Beschicken der Trageinheit 3 mit Flüssigkeitsbehältern 2 und ein sicheres Halten dieser Flüssigkeitsbehälter auf der Oberfläche der Trageinheit 3 möglich ist. Die Trageinheit 3 ist gegenüber einer Basiseinheit 5 (hier nicht gezeigt; vgl. Fig. 4) mittels Verbindungselementen 7 im wesentlichen horizontal frei schwingend gelagert.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen, horizontal frei schwingenden Trageinheit 3 zum Aufnehmen von Flüssigkeitsbehältern 2. An der Trageinheit 3 ist hier eine Bewegungsmasse 8 beweglich angeordnet, welche durch ein Bewegungsmittel 6 bewegbar ist. Diese Bewegungsmasse 8 umfasst einen als so genannten Schwinger ausgebildeten, bewegbaren Magneten 9, welcher durch ein Bewegungsmittel 6 in Form einer elektromagnetischen Spule in Richtung der Symmetrieachse 11 (vgl. Fig. 2) hin und her bewegt werden kann. Der Magnet ist mit einer Platte 10 verbunden, die vorzugsweise aus Eisen besteht und mit dem Magneten 9 einen geschlossenen Kreis bildet. Die Platte 10 gehört damit ebenfalls zur Bewegungsmasse 8.
Die elektromagnetische Spule 6 ist fest an der Trageinheit 3 montiert. Der Schwinger 9 oder „moving magnet" ist an der Trageinheit 3 beweglich gelagert. Diese Lagerung umfasst zwei Gleitstäbe 12, die in je einem Paar Büchsen 13 gleitend gelagert sind. Zwei Anschlagplatten 14 begrenzen die horizontale Beweglichkeit des Schwingers 9 bzw. der Bewegungsmasse 8. Damit die Querflansche 15 des Schwingers 9 nicht an den Anschlagplatten 14 aufschlagen, sind an den Querflanschen 15 und auch an den gegen diese gerichteten Anschlagflächen 16 der Anschlagplatten 14 starke, gegen einander gleichgepolte Dauermagnete 17 angeordnet. Durch die abstossende Wirkung der sich jeweils gegenüber stehenden gleichnamigen Pole dieser starken Dauermagnete 17 werden die Querflansche 15 zudem nach dem Abbremsen in die Gegenrichtung beschleunigt, so dass diese Dauermagnete 17 - zumindest in unmittelbarer Nähe der Anschlagplatten 13 auch als Antrieb wirken. Je nach Stäke und Anzahl der Dauermagnete 17 kann diese Anschlagfederung bzw. diese Antriebswirkung verstärkt oder abgeschwächt werden. Wird nun die an der Trageinheit 3 beweglich angeordnete Bewegungsmasse 8 durch dieses Bewegungsmittel 6 bewegt, so versetzt die Bewegung dieser Bewegungsmasse 8 die Trageinheit 3 und die damit aufgenommenen Flüssigkeitsbehälter 2 (vgl. Fig. 3) in eine entsprechende Gegenbewegung in Richtung der Gleitstäbe 12 (in Fig. 3 in die Zeichnungsebene hinein bzw. daraus heraus).
Es ist klar, dass es für eine lineare Bewegung der Trageinheit 3 genügt wenn nur eine Bewegungsmasse 8 daran befestigt ist. Soll die Trageinheit 3 eine komplexere Bewegung ausführen, so kann an dieser eine rotierende Bewegungsmasse 8 befestigt werden. Allerdings muss die gezeigte lineare Lagerung mit zwei Gleitstäben 12 durch eine andere Lagerung ersetzt werden, welche der Trageinheit 3 eine der rotierenden Bewegungsmasse 8 entgegen gesetzte Rotationsbewegung ermöglicht. Zu diesem Zweck kann die Trageinheit 3 an biegeschlaffen Elementen 18, wie an Schnüren, schlanken Spiralfedern und dergleichen, aufgehängt werden. Alternativ dazu kann die Trageinheit 3 auch auf federsteifen Elementen 19, wie Drähten, breiten Spiralfedern und dergleichen ab gestützt werden. So kann die aus einem einzigen Tragelement 20 bestehende Trageinheit 3 eine rotierende Pendelbewegung ausführen, welche der Rotationsbewegung einer kreisenden Bewegungsmasse 8 entgegengesetzt ist. Diese alternative, kreisende Bewegung der Bewegungsmasse 8 kann durch einen Elektromotor bewirkt werden, an dessen Antriebswelle die Bewegungsmasse 8 exzentrisch befestigt ist (nicht gezeigt).
Soll die Trageinheit 3 eine Rotationsbewegung ausführen, ohne dass sich drehende Elektromotoren und exzentrisch angeordnete Bewegungsmassen 8 verwendet werden, so umfasst die Trageinheit 3 bevorzugt zwei Tragelemente 20,21.
In Figur 4 ist eine besonders bevorzugte, erste Ausführungsform der erfindungs- gemässen Vorrichtung zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern mit einem ersten und zweiten Tragelement 20,21 dargestellt. Dabei schwingen diese beiden Tragelemente 20,21, welche an Blattfedern 22 aufgehängt sind, im wesentlichen rechtwinklig zueinander. Durch die Addition der Schwingungsbewegungen der beiden Tragelemente 20,21 bewegt sich die Trageinheit 3 frei in jeder beliebigen im wesentlichen horizontalen Richtung. Tatsächlich umfasst die Basiseinheit 5 hochgebogene Tragteile 23, welche auf jeder Seite der Basiseinheit 4 mindestens je eine Blattfeder 22 tragen. Zur Verbesserung der horizontalen Stabilität werden auf einer (vgl. Fig. 4) oder auf beiden Seiten zwei oder mehr Blattfedern eingesetzt. Die zusätzlichen Blattfedern verstärken die Federwirkung, sie vermindern jedoch auch die mit der Bewegung der Bewegungsmasse 8 erzielbare Auslenkung. Je nach dem Gewicht des zu bewegenden Flüssigkeitsbehälters und je nach den Anforderungen an die Beschleunigung der Bewegungsmasse 8, d.h. die Anforderungen an die Beschleunigungen der Flüssigkeiten in den auf der Trageinheit 3 anwesenden Flüssigkeitsbehälter 2 kann die Anzahl und/oder Federstärke der Blattfedern 22 den Erfordernissen angepasst werden.
Die an den hochgebogenen Tragteilen 23 der Basiseinheit 4 befestigten Blattfedern 22 bzw. Verbindungselemente 7 sind hier hängend eingeklemmt und tragen hochgebogene Hängeteile 24 des ersten Tragelements 20. Dieses erste Tragelement 20 umfasst hochgebogene Tragteile 25, an welchen ebenfalls als Blattfedern 22 ausgebildete Verbindungselemente 7 wiederum hängend eingeklemmt sind. Diese Blattfedern 22 sind auch am heruntergebogenen Tragelement 21 eingeklemmt befestigt. Auch hier sind bevorzugt drei Blattfedern vorgesehen, welche die ersten und zweiten Tragelemente 20,21 miteinander verbinden.
Die horizontale Partie 27 des hochgebogenen Teils 26 des zweiten Tragelements 21 bildet die effektive Tragfläche 28 der Trageinheit 3, welches das erste und zweite Tragelement 20,21 umfasst. Vorzugsweise ist jedes dieser Tragelemente 20, 21 mit je einer Bewegungsmasse 8 und je einem Bewegungsmittel 6 entsprechend der Darstellung in den Figuren 1 bis 3 ausgerüstet. Für das zweite Tragelement 21 ist die entsprechende Symmetrieachse 11" (und Bewegungsrichtung) in Figur 4 eingezeichnet. Die Symmetrieachse 11' (und Bewegungsrichtung) des ersten Tragelements 20 liegt rechtwinklig zur gezeigten Symmetrieachse 11" und ist hier ebenfalls angedeutet. Die Bewegungsmassen oder Schwinger 8 sind bevorzugt auf reibungsminimierten Gleitlagern linear beweglich und seitlich zumindest annähernd spielfrei gelagert. Wenn speziell hohe Anforderungen an die Gleitlager gestellt werden, können auch Linearführungen zum gleitenden Lagern der Schwinger vorgesehen werden. Durch die Überlagerung der Bewegungen der ersten und zweiten Tragelemente 20,21 bewegt sich die Tragfläche 28 in allen Richtungen in einer im wesentlichen horizontalen Ebene frei schwingend.
Für den Einsatz von im wesentlichen verwindungssteifen Blattfedern aus Stahl gilt im allgemeinen, dass zwei Tragelemente 20,21 eingesetzt werden müssen. Dabei führt beispielsweise das Tragelement 20 im wesentlichen horizontale Pendelbewegungen ausschliesslich z.B. in der X-Richtung und das Tragelement 21 im wesentlichen horizontale Pendelbewegungen ausschliesslich z.B. in der dazu rechtwinkligen Y-Richtung aus. Diese Anordnung verhindert oder minimiert erfolgreich ein unerwünschtes und unkontrollierbares Aufschwingen der einen Flüssigkeitsbehälter tragenden Tragfläche 28 des Tragelements 3 in eine Pendelbewegung um eine Z-Achse. Ein solches Aufschwingen kann insbesondere bei an Schnüren oder Drähten aufgehängten Tragflächen 28 auftreten, die eine Mikroplatte mit asymmetrisch nur teilweise gefüllten und teilweise leeren Wells tragen. Die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern ist dagegen völlig unempfindlich gegenüber einseitiger Beladung. Sogar mehrere, einseitig gefüllte, aufeinander gestapelte Mikroplatten werden ohne Probleme und kontrolliert bewegt. Somit können in praktisch beliebigen Flüssigkeitsbehältern Festpartikel in Suspension gehalten, unstabile Emulsionen emulgiert und Mischprozesse unterstützt werden.
Insbesondere für in der Biotechnologie verwendete Inkubatoren oder Fermenter wird ein stossfreies Schütteln bzw. Mischen von Zellkulturen durch die erfin- dungsgemässe Vorrichtung ermöglicht. Durch das freischwingende Bewegen der Tragfläche 28 ist sogar ein Vortex-Effekt in den Flüssigkeitsbehältern erzielbar, ohne dass die Vorrichtung Vibrationen an die unmittelbare Umgebung abgeben würde. Durch die freischwingende Aufhängung aller Tragelemente 20,21 und durch die diesen freischwingenden Tragelementen inhärenten Bewegungsmittel 6 und Bewegungsmassen 8 entstehen keine radialen Kräfte an der Vorrichtung, so dass diese nicht „auswandert". Die bevorzugte Aufhängung der Tragelemente 20,21 an Blattfedern verursacht keinerlei Ermüdungserscheinungen in der Befestigung und auch klein unkontrolliertes Lösen von Schrauben durch Vibrationen.
Bevorzugt wird für jede Bewegungsrichtung in der X- und in der Y-Achse mittels je eines Hall-Sensors die wirkliche Bewegung der Tragplatte und damit auch der Flüssigkeitsbehälter 2 ermittelt. Diese echte Bewegungserfassung wird als Stell- grösse in der Ansteuerung der Bewegungsmittel 6 und Bewegungsmassen 8 verwendet. Speziell bevorzugt wird das Ansteuern der Bewegungsmittel 6 mit 2 Frequenzen und 2 Auslenkungen. Dabei kann die Auslenkung der Tragfläche 28 der Höhe und dem Durchmesser der Flüssigkeitsbehälter 2, insbesondere der Wells einer Mikroplatte angepasst werden. Je kleiner die Auslenkung ist, desto höher kann die Frequenz gewählt werden. Die bevorzugte Auslenkung beträgt ca. 1/3 bis 1/2 des Well-Durchmessers, was beispielsweise bei Deep-Well Mikroplatten einer bevorzugten Auslenkung von ca. 3 mm entspricht. Bevorzugt beträgt die Frequenz einer individuell angesteuerten, erfindungsgemässen Vorrichtung 0.1 bis über 4000 Hz.
Neben linearen Pendelbewegungen in jeder beliebigen Richtung in der im wesentlichen horizontalen Ebene der Tragplatte können mit der freischwingenden Aufhängung der zwei Tragelemente 20,21 in Fig. 4 und durch die diesen freischwingenden Tragelementen inhärenten Bewegungsmittel 6 und Bewegungsmassen 8 beliebige, vorzugsweise zyklische Bewegungsmuster erzeugt werden. Dies können vielgezackte Sterne, Kreise, sich drehende Achterfiguren und komplexe kreisförmige oder elliptische Bewegungen sein, welche dem Verlauf einer Freiform, insbesondere einer Lissajous-Figur entsprechen. Wiederum ermöglichen Bewegungssensoren, vorzugsweise Hall-Sensoren, das Erfassen der effektiven Bewegungen der Tragplatte bzw. der Flüssigkeitsbehälter 2 sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung einer im wesentlichen horizontalen Ebene. Vorzugsweise ist die Tragfläche 28 mit einem rutschsicheren Belag, wie z.B. einer Gummimatte oder ähnlichem und/oder mit Haltefedern 4 oder anderen Haltemitteln versehen.
Es ist bevorzugt, das Pipettieren von Proben direkt aus einem Flüssigkeitsbehälter 2 auf der Tragfläche 28 heraus oder in einen solchen hinein durchzuführen. Die Analyse der Proben mittels optischer Auswertung, Erfassung deren pH oder Temperatur, aber auch der robotisierte Einsatz einer Pinzette zum Entfernen von Probenteilen ist grundsätzlich wünschbar. Bevorzugterweise umfasst deshalb eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 eine Blockierreinrichtung, mit welcher die Trageinheit 3 und damit aufgenommene Flüssigkeitsbehälter 2 in einer vorbestimmten Position fixiert werden. Je nach der gewählten Federkonstante und/oder Anzahl der Blattfedern wird die Tragfläche 28 so ruhig gehalten, dass sogar auf eine solche Blockiereinrichtung verzichtet werden kann.
Speziell bevorzugt sind auch Vorrichtungen 1, welche ein Gehäuse 31 umfassen, welches an seiner Oberseite 32 eine Öffnung 33 aufweist, durch welche ein Flüssigkeitsbehälter 2, insbesondere eine Mikroplatte, auf der Trageinheit 3 abgelegt werden kann, wobei die Trageinheit 3 einen Fixiermechanismus 4 zum Festhalten des Flüssigkeitsbehälters 2 umfasst. Damit dieses Ablegen robotisiert bzw. auto- matisiert erfolgen kann, ist der Fixiermechanismus 4 zum Festhalten des Flüssigkeitsbehälters 2 auf der Trageinheit 3 vorzugsweise durch einen Mikroplatten- handlingroboter lösbar ausgebildet.
Wie aus der Figur 5 ersichtlich ist, kann ein solches Gehäuse 31 zudem einen Boden 34, einen Deckel 35 und Seitenwände 36 (Boden und Deckel zur besseren Übersicht abgenommen) sowie einen in diesem Gehäuse 31 beweglich gelagerten Schieber 37 umfassen. Dabei weist das Gehäuse 31 an zumindest einer Seite eine Öffnung 38 auf, durch welche der Schieber 37 ausfahrbar ist, um einen Flüssigkeitsbehälter 2, insbesondere eine Mikroplatte, aufzunehmen, in das Gehäuse 31 zu ziehen und auf der Trageinheit 3 abzulegen. Eine solche Trageinheit um- fasst eine Fixiervorrichtung 4 (nicht dargestellt) zum Halten des Flüssigkeitsbehälters 2. Solche, in Figur 5 gezeigte Vorrichtungen sind vorzugsweise als stapelbares Modul ausgebildet, wobei der Boden 34 und der Deckel 35 als untere und obere Stapelflächen ausgebildet sind, indem sie zueinander komplementär ausgebildete Reliefstrukturen, wie Rippen und Mulden und dergleichen aufweisen. In einem solchen Stapel von Vorrichtungen 1, die sich alle in einem individuellen Gehäuse 31 befinden, können alle Vorrichtungen oder Gruppen derselben individuell als Inkubatoren, Kühlräume, oder lediglich als Schüttler ausgebildet sein. Solche stapelbaren Vorrichtungen können als Module zum Bestücken einer Arbeitsstation oder eines sogenannten „robotic sample processor" (RSP) eingesetzt werden.
Des weiteren sind solche Vorrichtungen 1 bevorzugt als Inkubator ausgebildet, indem sie eine temperaturgesteuerte Heizplatte und eine an Boden 34 und Deckel 35 sowie an allen Seiten 36 angeordnete Wärmeisolation umfasst, die auch alle Öffnungen 33,38 verschliesst. Alternative, bevorzugte Vorrichtungen 1 sind als Kühlraum ausgebildet, indem sie eine temperaturgesteuerte Kühlplatte und eine an Boden 34 und Deckel 35 sowie an allen Seiten 36 angeordnete Wärmeisolation umfasst, die auch alle Öffnungen 38 verschliesst. Vorzugsweise kommen Peltier-Elemente oder sogenannte „heat pipes" für die Inkubatoren oder Kühlräume zum Einsatz. Von den gezeigten oder beschriebenen Vorrichtungen abweichende Vorrichtungen zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern sind Teil der vorliegenden Erfindung, wenn an deren Trageinheit ein oder mehrere Bewegungsmittel 6 und eine oder mehrere Bewegungsmassen 8 beweglich angeordnet sind, welche durch diese Bewegungsmittel bewegbar sind und welche durch ihre Bewegungen die Trageinheit und die damit aufgenommenen Flüssigkeitsbehälter in entsprechende Gegenbewegungen versetzen.
Der als Tragfläche 28 bezeichnete Teil der Trageinheit 3 kann auch als ein zusammenhängender Tragrahmen oder als eine getrennte Mehrfachfläche ausgebildet sein.
In Abweichung von den bisher gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass jede rotierbare Bewegungsmasse 8 mit einem rotierenden Teil eines Bewegungsmittels 6 magnetisch verbunden ist. Vorzugsweise ist dann das Bewegungsmittel 6 ein Elektromotor, welcher an der Basiseinheit 5 angebracht ist und an dessen Antriebsachse ein Permanent- oder Dauermagnet exzentrisch befestigt ist. Die entsprechenden Bewegungsmassen 8 sind dann ü- ber eine Drehachse mit den Tragelementen 20,21 bzw. mit der Trageinheit 3 verbunden. Dabei ist die Drehachse der Bewegungsmittel 6 im wesentlichen in der geometrischen Achse der entsprechenden Bewegungsmasse 8 angeordnet. Zudem weisen die Bewegungsmassen 8 ebenfalls einen exzentrisch befestigten Dauermagneten auf, welcher den Gegenpol zum Dauermagneten des entsprechenden Bewegungsmittels 6 darstellt. Dadurch, dass die beiden gegenpoligen Dauermagnete von Bewegungsmittel 6 und entsprechender Bewegungsmasse 8 sich um die gemeinsame geometrische Achse drehen, gegenüber welcher sie im wesentlichen um das gleiche Mass exzentrisch versetzt an ihren individuellen Drehachsen befestigt sind, entsteht eine sich drehende, magnetische Kopplung zwischen je einem Bewegungsmittel 6 und einer diesem zugeordneten Bewegungsmasse 8.
Diese Anordnung eignet sich besonders für automatisierte Mehrfachanordnungen von Fermentern oder Inkubatoren in der Biotechnologie, welche an einer ihrer Aussenwände oder an ihrem Deckel oder Boden drehbare Bewegungsmassen 8 mit zumindest je einem Dauermagneten aufweisen. Diese Fermenter sind dann bevorzugt mit Rührvorrichtungen ausgerüstet, welche mit den Bewegungsmassen 8 wirkverbunden sind. Diese Wirkverbindung kann mechanischer oder magnetischer Natur sein. Werden diese Fermenter (vorzugsweise ferngesteuert) von einer Rührstation zur nächsten befördert, so treten die gleich oder unterschiedlich angeordneten Bewegungsmittel 6 der nächsten Rührstation mit einer oder mehreren der Bewegungsmassen 8 des Fermenters in Wechselwirkung, so dass eine der Rührstation angemessene Bewegung in der sich im Fermenter befindenden Flüssigkeit zur Verfügung gestellt werden kann. Die Rührstation können sich auch in der Temperatur und in anderen physikalischen oder chemischen Parametern unterscheiden. Alternativ können auch die ganzen Fermenter freischwingend aufgehängt sein und durch die Bewegungsmassen 8 in entsprechende Gegenbewegungen gebracht werden.
Auch wenn diese Ausführungsform nur an Hand von Fermentern besprochen wurde, so eignet sie sich ebenso für andere Behälter, in welchen Flüssigkeiten speziell schonend gerührt oder sonstwie bewegt werden sollen.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den Figuren, auch wenn diese in der Beschreibung nicht erwähnt sein sollten.
Gemäss einer besonders bevorzugten, zweiten Ausführungsform (vgl. Figuren 6 und 7) umfasst die Trageinheit 3 der erfindungsgemässen Vorrichtung ein erstes und zweites Tragelement 20,21 mit zumindest zwei an diesem zweiten Tragelement 21 befestigten, rotierbaren Bewegungsmassen 8 und den dazu gehörenden Bewegungsmitteln 6. Ganz speziell bevorzugt ist das symmetrische Anordnen von vier Elektromotoren 40 unter dem zweiten Tragelement 21, wobei die Drehachsen 41 dieser Elektromotoren 40 in den Ecken eines Quadrates angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist es, die Drehrichtung der Elektromotoren (und damit auch die Drehrichtung der vorzugsweise über Zahnriemen 42 angetriebenen, im Zentrum dieses Quadrats angeordneten Räder 43), die sich diagonal gegenüber liegen, in gleicher Richtung zu wählen. Zudem wird jedes dieser zwei Motoren- paare synchron angesteuert. Mit dieser Anordnung und Betriebsweise heben sich allfällig auftretende Momente gegenseitig auf, so dass ein sehr ruhiger Lauf der Räder 43 mit den innerhalb der Räder angebrachten Bewegungsmassen 8 (vgl. Fig. 7 und 8) oder ausserhalb der Räder angebrachten Bewegungsmassen 8 (nicht dargestellt) ergibt. In Fig. 7 sind der Übersichtlichkeit halber nur zwei der total vier Räder gezeichnet, wobei nur bei einem die Bewegungsmasse 8 sichtbar ist. Zudem wirken die Zahnriemen 42 dämpfend gegen ein allfälliges Aufschaukeln von Vibrationen. Das gegenseitig sehr nahe Anordnen der Räder 43 mit ihren exzentrisch daran angeordneten Bewegungsmassen auf einer gemeinsamen zentralen Achse 44 hilft zusätzlich das Auftreten von unerwünschten Drehmomenten zu minimieren. Die beiden Tragelemente 20, 21 der Trageinheit 3 sind vorzugsweise gleich angeordnet und ausgebildet, wie dies bereits im Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 gezeigt und erläutert wurde.
Abweichend von dieser Darstellung könnten auch zwei sich entweder in X- Richtung oder in Y-Richtung z.B. in Richtung der Symmetrieachsen 11' oder 11" (vgl. Fig. 4) linear hin und her bewegende Bewegungsmassen 8 und die damit verbundenen Bewegungsmittel 6 verwendet werden.
Alle die hier und weiter oben beschriebenen Bewegungen können als eigentliche Pendelbewegungen der Tragfläche 28 um einen Massenschwerpunkt bezeichnet werden, wobei dieser Massenschwerpunkt im Zusammenhang mit der in Fig. 6 und 7 gezeigten, zweiten, bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen durch die Masse des Tragelements 21 und aller daran befestigter Bewegungsmittel 6 und Bewegungsmassen 8 bestimmt wird.
Im Zusammenhang mit dem Aufhängen der Tragflächen 28 bzw. der Tragelemente 20,21 an biegeschlaffen Elementen wurde das Problem eines eventuellen, unerwünschten Aufschwingens bereits angesprochen. Sollte dieses Problem bei der Verwendung von biegeschlaffen Elementen oder bei der zweiten Ausführungsform (vgl. Fig. 6 und 7) auftreten, so wird dieses Aufschwingen bevorzugt mit dem Einbau einer Wirbelstrombremse erfolgreich minimiert oder eliminiert. Wie allgemein bekannt, beruhen Wirbelstrombremsen oder auch „Hysterese- bremsen" auf dem folgenden Prinzip: Bewegt sich eine Metallplatte (hier ein Tragelement 20 oder 21 aus beispielsweise Chromstahl oder Aluminium) in einem äusseren Magnetfeld (hier im Magnetfeld eines auf einer Grundplatte der Basiseinheit 5 fixierten Permanentmagneten 45; vgl. Fig. 6 und 7), werden in dieser Metallplatte Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme erzeugen selbst wieder ein Magnetfeld, das dem äusseren Magnetfeld entgegengesetzt ist. Der elektrische Widerstand der Metallplatte bildet für die Wirbelströme einen ohmschen Verbraucher, wodurch die Bewegungsenergie in Wärme umgesetzt wird. Die Magnetisierbarkeit der Metallplatte bzw. der Tragelemente 20, 21 spielt keine Rolle, allein die elektrische Leitfähigkeit derselben ist entscheidend. Die Stärke der Bremswirkung ist von mehreren Parametern abhängig:
• Leitfähigkeit der Bremsplatte bzw. des Tragelements 20,21: Eine Kupferplatte wird beispielsweise stärker abgebremst als eine Stahl- oder Aluminiumplatte, da die induzierten Ströme aufgrund der besseren elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer höher sind.
• Richtung des Magnetfeldes: Die größte Bremswirkung wird erzielt, wenn das Magnetfeld die bewegliche Platte senkrecht durchsetzt.
• Luftspalt: Je grösser der Luftspalt 46, also der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 45 und dem Tragelement 20 (vgl. Fig. 7) ist, desto kleiner ist die maximale Bremswirkung.
• Fläche unter dem Erregerpol: Je kleiner die Fläche unter dem Pol ist, desto geringer ist die Bremswirkung.
• Geschwindigkeit: Die Bremswirkung ist stark von der Relativgeschwindigkeit zwischen Feld und Platte abhängig, wobei eine grossere Relativgeschwindigkeit eine grossere Bremswirkung erzeugt.
Der Fachmann wird die eben aufgeführten Parameter so optimieren, dass ein Aufschwingen erfolgreich verhindert wird. Eine derartige Wirbelstrombremse mit einem Permanentmagneten 45 hat unter anderem den Vorteil, dass sie ein völlig passives System darstellt, welches keinerlei Steuerung benötigt. Für jedes der Tragelemente 20,21 wird vorzugsweise je eine solche, individuelle Wirbelstrombremse vorgesehen. Auch ein System mit Blattfederaufhängungen kann durch den Einsatz von solchen Wirbelstrombremsen noch verbessert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern (2), umfassend:
• eine zum Aufnehmen von Flüssigkeitsbehältern (2) ausgebildete Trageinheit (3);
• eine Basiseinheit (5), gegenüber welcher die Trageinheit (3) mittels Verbindungselementen (7) im wesentlichen horizontal frei schwingend gelagert ist; und
• Bewegungsmittel (6) zum Bewegen der Trageinheit (3) gegenüber der Basiseinheit (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinheit (3) zumindest ein Tragelement (20,21) umfasst, an welchem mindestens eine Bewegungsmasse (8) beweglich befestigt ist, wobei diese mindestens eine Bewegungsmasse (8) mit einem - an demselben Tragelement (20,21) befestigten - Bewegungsmittel (6) in Wechselwirkung steht und durch dieses bewegbar ist, wodurch die Bewegungen dieser mindestens einen Bewegungsmasse (8) das dieselbe tragende Tragelement (20,21) und die mit der Trageinheit (3) aufgenommenen Flüssigkeitsbehälter (2) in entsprechende Gegenbewegungen versetzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinheit (3) ein einziges Tragelement (20) umfasst mit zumindest einer an diesem Tragelement (20) befestigten, linear beweglichen oder rotierbaren Bewegungsmasse (8).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinheit (3) ein erstes und zweites Tragelement (20,21) mit zumindest zwei an diesem zweiten Tragelement (21) befestigten, linear beweglichen oder rotierbaren Bewegungsmassen (8) umfasst.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trageinheit ein erstes und zweites Tragelement (20,21) mit zumindest je einer an diesem ersten und zweiten Tragelement (21) befestigten, linear beweglichen oder rotierbaren Bewegungsmasse (8) umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsmittel (6) elektrisch angetrieben sind, wobei die linear beweglichen Bewegungsmassen (8) als Teil dieser Bewegungsmittel (6), insbesondere als „moving magnet" (9), ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsmittel (6) elektrisch angetrieben sind, wobei jede rotierbare Bewegungsmasse (8) mit einem rotierenden Teil eines dieser Bewegungsmittel (6) magnetisch oder mechanisch verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (7) zum Lagern eines ersten und/oder zweiten Tragelements (20,21) gegenüber der Basiseinheit (5) hängend oder stehend ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (7) zum Lagern des ersten Tragelements (20) gegenüber der Basiseinheit (5) und die Verbindungselemente (7) zum Lagern des zweiten Tragelements (21) gegenüber dem ersten Tragelement (20) hängende Blattfedern (22) sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Blockierreinrichtung umfasst, mit welcher die Trageinheit (3) und damit aufgenommene Flüssigkeitsbehälter (2) in einer vorbestimmten Position fixiert wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gehäuse (31) umfasst, welches an seiner Oberseite (32) eine Öffnung (33) aufweist, durch welche ein Flüssigkeitsbehälter (2), insbesondere eine Mikroplatte, auf der Trageinheit (3) abgelegt werden kann, wobei die Trageinheit (3) einen Fixiermechanismus (4) zum Festhalten des Flüssigkeitsbehälters (2) umfasst.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixiermechanismus (4) zum Festhalten des Flüssigkeitsbehälters (2) auf der Trageinheit (3) durch einen Mikroplattenhandlingroboter lösbar ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gehäuse (31) mit einem Boden (34), einem Deckel (35) und Seitenwänden (36) sowie einen in diesem Gehäuse (31) beweglich gelagerten Schieber (37) umfasst, wobei das Gehäuse (31) an zumindest einer Seite (36) eine Öffnung (38) aufweist, durch welche der Schieber (37) ausfahrbar ist, um einen Flüssigkeitsbehälter (2), insbesondere eine Mikroplatte, aufzunehmen, in das Gehäuse (31) zu ziehen und auf der Trageinheit (3) abzulegen, und wobei die Trageinheit (3) eine Fixiervorrichtung (4) zum Halten des Flüssigkeitsbehälters (2) umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie als stapelbares Modul ausgebildet ist, wobei der Boden (34) und der Deckel (35) als untere und obere Stapelflächen ausgebildet sind, indem sie zueinander komplementär ausgebildete Re lief strukturen aufweisen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Schüttel-Inkubator ausgebildet ist, indem sie eine temperaturgesteuerte Heizplatte und eine an Boden (34) und Deckel (35) sowie an allen Seiten (36) angeordnete Wärmeisolation (39) umfasst, die auch alle Öffnungen (33,38) verschliesst.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine Wirbelstrombremse mit einem Permanentmagneten (45) umfasst.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Schüttel-Kühlraum ausgebildet ist, indem sie eine temperaturgesteuerte Kühlplatte und eine an Boden (34) und Deckel (35) sowie an allen Seiten (36) angeordnete Wärmeisolation (39) umfasst, die auch alle Öffnungen (33,38) verschliesst.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Erfassen der aktuellen Bewegungen eines zumindest einen Flüssigkeitsbehälter (2) tragenden Tragelements (20,21) der Trageinheit (3) Bewegungssensoren, insbesondere Hall-Sensoren, umfasst.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Anschlagfederungen für die im wesentlichen horizontal frei schwingend gelagerten Tragelemente (20,21) in Form von gleichpolig gegeneinander gerichteten Permanentmagneten (17) umfasst.
19. Verfahren zum Bewegen von Flüssigkeitsbehältern (2), insbesondere mit einer Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 17, bei welchem Flüssigkeitsbehälter (2) mit einer Trageinheit (3) - die mittels Verbindungselementen (7) gegenüber einer Basiseinheit (5) im wesentlichen horizontal frei schwingend gelagert ist - aufgenommen werden, und bei welchem diese Trageinheit (3) gegenüber der Basiseinheit (5) mit Bewegungsmitteln (6) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Tragelement (20,21) dieser Trageinheit (3), an welchem mindestens eine Bewegungsmasse (8) beweglich befestigt ist, mit einem - an demselben Tragelement (20,21) befestigten - Bewegungsmittel (6), das mit dieser mindestens einen Bewegungsmasse (8) in Wechselwirkung steht, so bewegt wird, dass die Bewegungen dieser mindestens einen Be- wegungsmasse (8) das dieselbe tragende Tragelement (20,21) und die mit der Trageinheit (3) aufgenommenen Flüssigkeitsbehälter (2) in entsprechende Gegenbewegungen versetzt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass diese Gegenbewegungen eine lineare Hin- und Herbewegung, ein kreisförmige oder elliptische Bewegung oder eine Bewegung ist, welche dem Verlauf einer Freiform, insbesondere einer Lissajous-Figur, entspricht.
21. Verwendung einer Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 18 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 oder 20 zum Erzielen oder Aufrechterhalten von im wesentlichen homogenen Stoffgemischen in diesen Flüssigkeitsbehältem (2).
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