WO2008092895A2 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der stoffmenge in kleinen kavitäten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der stoffmenge in kleinen kavitäten Download PDF

Info

Publication number
WO2008092895A2
WO2008092895A2 PCT/EP2008/051131 EP2008051131W WO2008092895A2 WO 2008092895 A2 WO2008092895 A2 WO 2008092895A2 EP 2008051131 W EP2008051131 W EP 2008051131W WO 2008092895 A2 WO2008092895 A2 WO 2008092895A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
substance
samples
cavities
sample
mass
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/051131
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2008092895A3 (de
Inventor
Jörg Auge
Axel Hoppe
Hendrik Arndt
Original Assignee
Institut Für Automation Und Kommunikation (Ifak) E.V. Magdeburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut Für Automation Und Kommunikation (Ifak) E.V. Magdeburg filed Critical Institut Für Automation Und Kommunikation (Ifak) E.V. Magdeburg
Priority to US12/524,739 priority Critical patent/US20100218600A1/en
Publication of WO2008092895A2 publication Critical patent/WO2008092895A2/de
Publication of WO2008092895A3 publication Critical patent/WO2008092895A3/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/292—Light, e.g. infrared or ultraviolet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/508—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above
    • B01L3/5085—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above for multiple samples, e.g. microtitration plates
    • B01L3/50851—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above for multiple samples, e.g. microtitration plates specially adapted for heating or cooling samples
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/14—Process control and prevention of errors
    • B01L2200/143—Quality control, feedback systems
    • B01L2200/147—Employing temperature sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0654—Lenses; Optical fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1861—Means for temperature control using radiation

Definitions

  • Microtiter plates have been used in numerous fields of biology, pharmacy or medical technology in recent decades to facilitate the parallel handling of many samples. They are used for photometric or fluorimetric screening tests, in cell culture technology or for storage of samples. Microtiter plates are now offered in a variety of variants, usually made of transparent plastics such as polystyrene or polypropylene. Typical arrangements have 96, 384 or more recently even 1536 so-called wells, but there are also different array arrangements. In the 96-well microtiter plates, the maximum fill volume of a cell is i.d.R. between 300 and 400 ⁇ l, with the 384er array about 100 ⁇ l and with the 1536er-array about 10 ⁇ l.
  • the preferred working volume is usually about 20 to 80% of the maximum possible Füilvolumens. Problems with the handling of microtiter plates can cause the evaporation of small sample quantities, but also the formation of menisci at the Wellwandungen. The automatic and parallel filling of microtiter plates by appropriate dispenser heads may lead to incorrect dosages.
  • the invention relates to a method and apparatus for determining in parallel the mass and / or volume of the swatch in each single well of microtiter plates.
  • US Pat. No. US005307144A discloses a photometric method for detecting biochemical or biological reactions, for example on an enzymatic basis.
  • light is generated by a monochromatic light source and subsequently passed through all wells of the microtiter plate.
  • an array of detectors is arranged, which determines the intensity of the transmitted light. As a function of the wavelength of the light generated, it is possible thereby to obtain information on reaction progress or present substance concentrations.
  • a determination of the filling level of the individual wells is not the objective of the method and the device described.
  • European Patent EP0648536A1 proposes and describes a multi-vessel assembly for instrumental analysis.
  • the aim of the proposed arrangement is to adjust the surface tension on the liquid surface by using two different materials so that the formation of menisci is minimal and forms a nearly planar liquid surface, which greatly simplifies analytical investigations
  • the diameter of the individual WeIIs in the microtiter plates is only a few millimeters, which requires a very highly spatially resolved and focused measurement
  • microtiter plates usually consist of optically almost transparent plastic, the liquids in the wells are often just as optically almost transparent
  • the Wells are usually designed as a cylinder, the depth of which corresponds approximately to the diameter, the liquid level to be determined, however, is only significantly less than half the cylinder depth, which complicates the metrological accessibility of the interface
  • a method for determining the level or the amount of sample in the individual wells or wells of a microtiter plate, which can be used for online quality control in automatically filled microtiter plates, is not known.
  • microtiter plate is usually constructed of a very poor thermal conductivity material and the wells usually through air gaps with also worse Thermal conduction are separated from each other, carry out thermal compensation processes between the wells only very slowly and thus have little adverse effect on a measurement.
  • the metrological problem of filling level measurement can thus be converted to a measurement of the temperature.
  • the microtiter plate is fed with defined energy. This can be done for example by hot plates or radiant heaters, but also in the form of microwave radiation, which is absorbed in the samples depending on their dipole moment.
  • infrared thermal imaging cameras are available.
  • the specific heat capacity of the samples must be known.
  • the filling level or the sample volume can be calculated with the aid of an evaluation unit, such as a connected PC with the infrared camera 1 using suitable calibration algorithms from the measured temperature values.
  • an evaluation unit such as a connected PC with the infrared camera 1 using suitable calibration algorithms from the measured temperature values.
  • the colors are now assigned directly fill levels or sample volume. For example, for use in quality testing, it would be advisable to assign the nominal value of the sample volume to the color green. An underfill could then be signaled for example by yellows or blues, overcrowding by reds. In this case, the color change of the determined levels can be assigned fluently or leaps in the sense of areas.
  • the level of containers can be measured with infrared cameras. The different heat capacity of the filling material and the air above it is used. Thus, the level can be visually recognized by the container wall due to temperature differences as a boundary layer. However, the level is determined here as a geometric dimension and not derived as in the inventive method from a temperature.
  • the metrological problem of a spatially resolved level measurement that is, a geometric size
  • the metrological problem of a spatially resolved temperature measurement is transferred into the metrological problem of a spatially resolved temperature measurement.
  • a base support (1) for example, a microtiter plate
  • Cavities (2) which may have different geometric shapes, but typically have a round cross section and a height that corresponds approximately to the diameter of the cavities.
  • Samples filled, wherein the metering device (3) usually has many arranged in a row or in an array metering orifices (4). After the dosing process, individual or unintentional different or different can occur in the individual cavities
  • Sample quantities are located, which require a different level level.
  • the fill levels in the individual cavities (2) can be determined according to the invention in that energy is subsequently supplied to the cavities, ideally the same amount of energy for each individual cavity.
  • the energy can, for example, as Heat is supplied by radiation.
  • heat for example, by means of a heating plate through the bottom of the base support (1) are impressed by heat conduction.
  • other high-energy radiation sources such as a microwave, is possible. If the amount of energy supplied per cavity is ideally identical, the sample in the cavity heats up the more strongly the less amount of sample is present. According to equation (1) there is a clear correlation between energy and sample quantity.
  • Thermal compensation processes between the individual cavities for example, only proceed very slowly in the case of microtiter plates since the material of the base carrier or the air between the cavities has a very poor thermal conductivity.
  • the detection of the sample temperature on the sample amount with known sample properties.
  • the use of an infrared thermal imaging camera as detector (6) is recommended.
  • the heat image contains the sought-after information on the fill level in the individual cavities.
  • an evaluation unit (7) which is connected to the detector (6), it is possible to determine the desired fill levels from the measured temperature values for deposited material properties, which can be displayed by means of a visualization device (8).
  • the method according to the invention and the device described above based thereon can be retrofitted very well in existing automatic filling systems, since in the ideal case no intervention in the existing filling method has to take place. All facilities work without contact.
  • the energy source may be mounted behind the inflator over the often-existing conveyor, as well as the detector. Only the optical transparency of the medium between detector and sample must be given. The supply of energy must be such that on the one hand the samples are not thermally damaged, on the other hand temperature differences are achieved, which can be quantified with commercially available infrared thermal imaging cameras with sufficient accuracy.
  • the method can also be used for substance identification instead of filling level determination.
  • the amount of heat introduced is directly proportional to the sample mass and the specific heat capacity of the substance.
  • the temperature increase produced and subsequently measured in the respective sample now depends on the density and the specific heat capacity.
  • the inventive method allows the determination of levels in small cavities or sample containers by the described transfer of determining a geometric size by measuring the temperature.
  • the method according to the invention and devices based thereon are therefore particularly suitable for the field of quality control with microtiter plates filled automatically and at high cycle rates.
  • automatic dosing different sources of error can lead to a fault filling of individual wells as a random and one-time, but also as a systematic error.
  • Conceivable are:
  • a 100% test of filled cavities or wells in microtiter plates can be realized with a high test accuracy. Since the test device can work completely contact-free, the expenditure for assembly and integration in existing systems is reduced to a minimum. Interventions in the design of automatic filling systems and their dispenser heads are not necessary, the procedural processes can be largely or completely maintained. The comparatively high price of an infrared thermal imager is thus considerably reduced. Ensuring product quality at a hitherto unknown high level makes rapid amortization of the test equipment based on the method according to the invention appear possible at high throughput and production rates.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Bestimmung der Masse, des Volumens oder der Art von Stoffproben in zahlreichen kleinen Kavitäten (2), insbesondere von Wells in Mikrotiterplatten. Das Verfahren sieht vor, dass den teilweise oder vollständig mit Proben gefüllten Kavitäten Energie durch eine Energiequelle (5) zugeführt wird. Hierdurch erwärmen sich die Proben in Abhängigkeit von ihrer Masse mehr oder minder stark. Die Bestimmung der Stoffmenge in den einzelnen Kavitäten wird somit auf eine Temperaturmessung zurückgeführt. Das parallele Erfassen der Probentemperatur in den einzelnen Kavitäten kann vorteilhafterweise durch eine Infrarotkamera als Detektor (6) erfolgen. Das Gesamtsystem, das im Wesentlichen aus einer Energiequelle und einem Detektor besteht, kann durch die Implementierung geeigneter Kalibrier- und Messroutinen in einer Auswerteeinheit (7) so aufgebaut werden, dass die Stoffmengen in den einzelnen Kavitäten direkt angezeigt werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Stoffmenge in kleinen Kavitäten
Stand der Technik
Mikrotiterplatten haben in den letzten Jahrzehnten in zahlreichen Bereichen der Biologie, der Pharmazie oder der Medizintechnik Einzug gehalten, urn die parallele Handhabung vieler Proben zu erleichtern. Sie werden für photometrische oder fluorimetrische Screening-Tests eingesetzt, in der Zellkulturtechnik oder auch zur Lagerung von Proben. Mikrotiterplatten werden mittlerweile in vielfältigen Varianten angeboten, meist aus transparenten Kunststoffen wie Polystyrol oder Polypropylen hergestellt. Typische Anordnungen weisen 96, 384 oder neuerdings sogar 1536 sogenannte Wells auf, es gibt jedoch auch hiervon abweiche Arrayanordnungen. In den 96er-Mikrotiterplatten beträgt das maximale Füllvolumen eines WeIIs i.d.R. zwischen 300 und 400 μl, beim 384er-Array etwa 100 μl und beim 1536er-Array etwa 10 μl. Das bevorzugte Arbeitsvolumen beträgt meist etwa 20 bis 80 % des maximal möglichen Füilvolumens. Probleme beim Umgang mit Mikrotiterplatten kann die Verdunstung der kleinen Probenmengen, aber auch die Ausbildung von Menisken an den Wellwandungen bereiten. Bei der automatischen und parallelen Befüllung von Mikrotiterplatten durch entsprechende Dispenserköpfe kann es zu Fehldosierungen kommen.
Wünschenswert wäre daher ein messtechnisches Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und möglichst genauen Bestimmung des Füllstandes, das heißt der Masse und/oder des Volumens der Stoffprobe in jedem einzelnen Well einer Anordnung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur parallelen Bestimmung der Masse und/oder des Volumens der Stoffprobe in jedem einzelnen Weil von Mikrotiterplatten.
Im US-Patent US005307144A wird ein photometrisches Verfahren zur Erfassung von biochemischen oder biologischen Reaktionen beispielsweise auf enzymatischer Basis vorgestellt. Dabei wird durch eine monochromatische Lichtquelle Licht erzeugt und nachfolgend durch alle Wells der Mikrotiterplatte geleitet. Über der Mikrotiterplatte ist ein Array von Detektoren angeordnet, dass die Intensität des transmittierten Lichtes ermittelt. In Abhängigkeit von der Wellenlänge des erzeugten Lichts können dadurch Aussagen zu Reaktionsverläufen oder vorliegenden Stoffkonzentrationen gewonnen werden. Eine Bestimmung des Füllstandes der einzelnen Wells ist nicht Zielstellung des Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtung.
Im europäischen Patent EP0648536A1 wird eine Mehrgefäßanordnung zur Instrumental- Analyse vorgeschlagen und beschrieben. Zielstellung der vorgeschlagenen Anordnung ist es, durch Einsatz zweier unterschiedlicher Materialien die Grenzflächenspannung an der Flüssigkeitsoberfläche so einzustellen, dass die Ausbildung von Menisken minimal ist und sich eine nahezu planare Flüssigkeitsoberfläche bildet, die analytische Untersuchungen sehr vereinfacht
Für die Bestimmung von Füllständen bei größeren Probenmengen existieren eine Vielzahl unterschiedlicher Messverfahren und kommerzieller, hierfür nutzbarer Messgeräte. Hierzu zählen insbesondere: die kapazitive Füllstandsmessung die Ultraschall-Füllstandsmessung die Füllstandsmessung mit Radar oder Mikrowellen die hydrostatische Füllstandsmessung die gravimetrische Füllstandsmessung neben weiteren mehr oder minder bedeutsamen Messverfahren. Die beschriebene Aufgabenstellung der Füllstandsmessung in Mikrotiterplatten weist zahlreiche besondere messtechnische Probleme auf:
1. Der Durchmesser der einzelnen WeIIs in den Mikrotiterplatten beträgt nur wenige Millimeter, was eine sehr stark ortsaufgelöste und fokussierte Messung erfordert
2. Die quantitativ zu erfassenden Füllstände bzw. Probenmengen sind außerordentlich klein und verlangen im Extremfall Auflösungen im Nanoüter- bzw. Nanogrammbereich
3. Je kleiner die zu erfassenden Probenmengen sind, desto mehr Wells - und damit auch Messstellen - weisen die Arrays auf
4. Die Messung sollte schnell erfolgen, was ein sequentielles Scannen der Einzelfüllstände (vor allem bei großen Arrays) nahezu ausschließt
5. Die Mikrotiterplatten bestehen meist aus optisch nahezu transparentem Kunststoff, die Flüssigkeiten in den Wells sind oft ebenso optisch nahezu transparent
6. Die Wells sind meist als Zylinder ausgebildet, deren Tiefe etwa dem Durchmesser entspricht, der zu bestimmende Flüssigkeitsstand beträgt jedoch nur deutlich weniger als die Hälfte der Zylindertiefe, was die messtechnische Zugänglichkeit der Grenzfläche erschwert
7. Die Flüssigkeit bildet in den Wells, vor allem in den sehr kleinen, Menisken an den Wandungen aus, die eine messtechnische Grenzflächenerfassung ebenso erschweren
Ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes bzw. der Probenmenge in den einzelnen Kavitäten bzw. Wells einer Mikrotiterplatte, das für eine Online-Qualitätskontrolle bei automatisch befüllten Mikrotiterplatten zum Einsatz kommen kann, ist nicht bekannt.
Wesen der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und die darauf basierenden Vorrichtungen sollen diese Problemstellung lösen.
Ein ortsaufgelöstes schnelles und daher paralleles Messen an sehr vielen Stellen gestatten heutzutage nur kamerabasierte Messverfahren. Die Erfassung der Füllstände in den einzelnen Wells erweist sich mit einer normalen Kamera jedoch auf Grund der zuvor aufgeführten Gründe (vor allem 2, 5, 6, 7) als außerordentlich problematisch. Eine Ja-/Nein- Aussage zur Befüllung der Wells lässt sich auf diesem Weg sicherlich realisieren. Eine Quantifizierung der Einzelfüllstände mit einer Genauigkeit von wenigen Prozent ist so nicht mit vertretbarem Aufbau realisierbar.
Um trotzdem mit kamerabasierten Systemen die Problemstellung zu lösen, musste ein Weg gefunden werden, die geometrische Größe Füllstandshöhe auf eine andere physikalische Größe, die eineindeutig mit der Füllstandshöhe korreliert, umzusetzen. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch das Einbringen einer definierten Menge Energie. Gelingt es, jedem einzelnen Well eine gleich große Menge an Energie direkt in Form von Wärme zuzuführen oder so zuzuführen, dass die Energie in der Flüssigkeit in Wärme umgesetzt wird, so gilt: aQ = m-c -aT = p -V c-3T = p - AWell hP -c -3T (1),
wobei Q die Wärmemenge, m die Probenmasse, c die spezifische Wärmekapazität der Probe, p deren Dichte und V deren Volumen bezeichnen. Wird in die Wells eine identische Wärmemenge Q eingebracht, so führen unterschiedliche Probenvolumen V bzw. Füllstandshöhen hP in den WeIIs mit der Grundfläche Awβii zu einer unterschiedlichen Temperaturerhöhung in den Proben. Bei identischem Probenmaterial gilt daher, je kleiner das Probenvolumen, desto größer die Temperaturerhöhung in der Probe.
Da die Mikrotiterplatte in der Regel aus einem sehr schlecht wärmeleitendem Material aufgebaut ist und die Wells meist durch Luftzwischenräume mit ebenfalls schlechter Wärmeleitung voneinander separiert sind, vollziehen sich thermische Ausgleichsvorgänge zwischen den Wells nur sehr langsam und wirken sich somit kaum nachteilig auf eine Messung aus.
Das messtechnische Problem der Füllstandshöhenmessung kann so auf eine Messung der Temperatur umgesetzt werden. Dazu wird der Mikrotiterplatte definiert Energie zugeführt. Dies kann beispielsweise durch Heizplatten oder Heizstrahler erfolgen, jedoch ebenso in Form von Mikrowellenstrahlung, die in den Proben in Abhängigkeit von deren Dipolmoment absorbiert wird.
Als Detektorarray für die ortsaufgelöste Temperaturmessung bieten sich Infrarot- Wärmebildkameras an. Für die Bestimmung des Probenvolumens aus den ermittelten Temperaturmesswerten muss die spezifische Wärmekapazität der Proben bekannt sein. Dann kann mit Hilfe einer Auswerteeinheit, beispielsweise einen mit der Infrarotkamera verbundenen PC1 unter Verwendung geeigneter Kalibrieralgorithmen aus den Temperaturmesswerten die Füllstandshöhe bzw. das Probenvolumen berechnet werden. Für die Darstellung der Ergebnisse empfiehlt sich weniger eine numerische Anzeige, als vielmehr eine Falschfarbendarstellung wie sie auch bei Wärmebüdern üblich ist. Die Farben sind jedoch nunmehr direkt Füllständen bzw. Probenvolumen zugeordnet. Für den Einsatz in der Qualitätsprüfung würde es sich beispielsweise empfehlen, den Sollwert des Probenvolumens der Farbe grün zuzuordnen. Eine Unterfüllung könnte dann beispielsweise durch Gelb- oder Blautöne, eine Überfüllung durch Rottöne signalisiert werden. Dabei kann der Farbtonwechsel den ermittelten Füllständen fließend oder auch sprunghaft im Sinne von Bereichen zugeordnet werden.
Dass mit Infrarotkameras der Füllstand von Behältern gemessen werden kann, ist hinlänglich bekannt. Dabei wird die unterschiedliche Wärmekapazität des Füllgutes und der sich darüber befindlichen Luft genutzt. So lässt sich der Füllstand durch die Behälterwand auf Grund von Temperaturunterschieden als Grenzschicht optisch erkennen. Der Füllstand wird hierbei jedoch als geometrisches Abmaß bestimmt und nicht wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einer Temperatur abgeleitet.
Bekannt ist auch das Verfahren der Impuls-Thermografie. Hierbei wird das thermische Gleichgewicht einer Probe durch das Einbringen von Energie gestört. Ist die zu untersuchende Probe nicht homogen, sondern weist Fehlstellen, Einschlüsse o.a. auf, so zeigen sich diese Fehlstellen auf Grund der unterschiedlichen Wärmekapazität und des unterschiedlichen Wärmeleitvermögens.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch die messtechnische Problemstellung einer ortsaufgelösten Füllstandsmessung, d.h., einer geometrischen Größe, in die messtechnische Problemstellung einer ortsaufgelösten Temperaturmessung überführt.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung entsprechend dem erfindungsgemäßen
Verfahren ist in Fig. 1 dargestellt.
In einem Basisträger (1), beispielsweise einer Mikrotiterplatte, befinden sich zahlreiche
Kavitäten (2), die unterschiedliche geometrische Ausprägungsformen aufweisen können, typischerweise jedoch einen runden Querschnitt und eine Höhe aufweisen, die etwa dem des Durchmessers der Kavitäten entspricht.
In die einzelnen Kavitäten (2) werden beispielsweise durch eine Dosiereinrichtung (3)
Proben eingefüllt, wobei die Dosiereinrichtung (3) in der Regel viele in einer Zeile oder in einem Array angeordnete Dosieröffnungen (4) aufweist. Nach dem Dosiervorgang können sich in den einzelnen Kavitäten willentlich oder unbeabsichtigt unterschiedliche
Probenmengen befinden, die ein unterschiedliches Füllstandsniveau bedingen.
Die Bestimmung der Füllstände in den einzelnen Kavitäten (2) kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass den Kavitäten nachfolgend Energie zugeführt wird, idealerweise jeder einzelnen Kavität die gleiche Energiemenge. Die Energie kann dabei beispielsweise als Wärme durch Strahlung zugeführt werden. Ebenso kann Wärme beispielsweise mit Hilfe einer Heizplatte durch den Boden des Basisträgers (1) durch Wärmeleitung eingeprägt werden. Neben dem Einprägen von Wärmeenergie ist auch die Nutzung anderer energiereicher Strahlungsquellen, beispielsweise einer Mikrowelle, möglich. Ist die zugeführte Energiemenge je Kavität im Idealfall identisch, so erwärmt sich die Probe in der Kavität umso stärker, je weniger Probenmenge vorhanden ist. Gemäß Gleichung (1) besteht eine eindeutige Korrelation zwischen Energie- und Probenmenge. Thermische Ausgleichsvorgänge zwischen den einzelnen Kavitäten laufen beispielsweise bei Mikrotiterplatten nur sehr langsam ab, da das Material des Basisträgers bzw. die Luft zwischen den Kavitäten ein sehr schlechtes Wärmeleitvermögen aufweisen. Somit kann durch die Erfassung der Probentemperatur auf die Probenmenge bei bekannten Probeneigenschaften geschlossen werden. Für die parallele und ortsaufgelöste Erfassung von Temperaturen empfiehlt sich der Einsatz einer Infrarot-Wärmebildkamera als Detektor (6). Im Wärmebild befinden sich die gesuchten Informationen zum Füllstand in den einzelnen Kavitäten. Durch eine Auswerteeinheit (7), die mit dem Detektor (6) verbunden ist, lassen sich aus den gemessenen Temperaturwerten bei hinterlegten Stoffeigenschaften die gesuchten Füllstände ermitteln, die mit Hilfe einer Visualisierungseinrichtung (8) zur Anzeige gebracht werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die darauf basierende, zuvor beschriebene Vorrichtung lässt sich bei bestehenden automatischen Befüllanlagen sehr gut nachrüsten, da im Idealfall kein Eingriff in das vorhandene Befüllverfahren erfolgen muss. Sämtliche Einrichtungen arbeiten berührungslos. Die Energiequelle kann hinter der Befülleinrichtung über der oft existierenden Fördereinrichtung montiert werden, ebenso der Detektor. Lediglich die optische Transparenz des Mediums zwischen Detektor und Probe muss gegeben sein. Die Zufuhr der Energie muss so erfolgen, dass einerseits die Proben thermisch nicht geschädigt werden, andererseits Temperaturunterschiede erzielt werden, die mit kommerziell verfügbaren Infrarot-Wärmebildkameras hinreichend genau quantifiziert werden können.
In abgewandelter Form kann das Verfahren auch zur Stoffidentifikation statt zur Füllstandshöhenbestimmung eingesetzt werden. Gemäß Gleichung (1) ist die eingebrachte Wärmemenge direkt proportional zur Probenmasse und zur spezifischen Wärmekapazität des Stoffes. Für den Fall, dass sichergestellt werden kann, dass die Wells der Mikrotiterplatte alle mit dem gleichen Volumen befülit worden sind, hängt die erzeugte und nachfolgend gemessene Temperaturerhöhung in der jeweiligen Probe nunmehr von der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität ab. Somit ließen sich Stoffe identifizieren, die hinreichend unterschiedliche Dichten und Wärmekapazitäten aufweisen.
Ökonomische Relevanz der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Bestimmen von Füllständen in kleinen Kavitäten oder Probenbehältern durch die beschriebene Überführung des Bestimmens einer geometrischen Größe durch das Messen der Temperatur.
Das Verfahren wird umso konkurrenzloser je kleiner die Probenmengen und je größer die Anzahl der zu bestimmenden Füllstände. Daher wird der Bestimmung von Füllständen in Mikrotiterplatten mit teilweise mehr als 1.000 parallel zu bestimmenden Probenmengen die größte ökonomische Relevanz beigemessen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und darauf basierende Vorrichtungen eignen sich daher besonders für den Bereich der Qualitätskontrolle bei automatisch und in hohen Taktraten befüllten Mikrotiterplatten. Beim automatischen Dosieren können unterschiedliche Fehlerquellen zu einer Fehibefüllung von einzelnen Wells als zufälliger und einmaliger, jedoch auch als systematischer Fehler führen. Denkbar sind dabei:
• das nicht vollständige Befüllen von Dispenserköpfen, so dass nachfolgend zu wenig Flüssigkeit in die jeweiligen Weils abgegeben wird
• das Haftenbleiben von Flüssigkeitsresten an den Dispensernadeln, die zunächst zu einigen Unterfüllungs-, nachfolgend zu einem oder mehreren Überfüllungsvorgängen führen kann
• mechanische Beschädigungen am Dispenserkopf, so dass die eindeutige Zuordnung von Dispensernadel und darunter befindlichem Well nicht mehr gegeben ist oder unkorrekte Mengen dosiert werden
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich eine 100 %-Prüfung von befüllten Kavitäten bzw. Wells in Mikrotiterplatten mit einer hohen Prüfgenauigkeit realisieren. Da die Prüfvorrichtung vollständig berührungslos arbeiten kann, reduziert sich der Aufwand für die Montage und die Integration in bestehende Anlagen auf ein Minimum. Eingriffe in die Konstruktion der automatischen Befüllanlagen und ihren Dispenserköpfen sind nicht notwendig, die verfahrenstechnischen Abläufe können weitgehend oder vollständig beibehalten werden. Der vergleichsweise hohe Preis einer Infrarot-Wärmebildkamera relativiert sich dadurch erheblich. Die Sicherung der Produktquaiität auf einem bisher nicht bekannten hohen Niveau lässt bei hohen Durchsatz- und Produktionsraten eine schnelle Amortisation der auf dem erfindungsgemäßen Verfahren beruhenden Prüfeinrichtung möglich erscheinen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Masse und/oder des Volumens und/oder der Art von Stoffproben in einer oder zahlreichen in einem Array angeordneten Kavitäten (2) dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiequelle (5) den teilweise oder vollständig mit Stoffproben gefüllten Kavitäten (2) Energie zuführt, die die Stoffproben in Abhängigkeit von der Stoffprobenmasse und/oder den Stoffprobeneigenschaften unterschiedlich stark erwärmen und ein Detektor (6) die Probentemperatur in jeder Kavität bestimmt, so dass aus der Probentemperatur:
• bei bekannten Probeneigenschaften die Masse und/oder das Volumen der Stoffmenge bestimmt werden kann und somit das messtechnische Problem der Stoffmengenbestimmung in den Kavitäten auf der Basis einer Temperaturmessung gelöst wird oder
• bei bekannter Masse und/oder bekanntem Volumen Stoffproben mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften unterschieden werden können und somit das messtechnische Problem der Stoffidentifikation auf der Basis einer Temperaturmessung gelöst wird.
2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Detektor (6) um eine berührungslos messende Infrarot-Wärmebildkamera handelt.
3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotkamera mit einer Auswerteeinheit (7) verbunden ist, die aus den Wärmebildern mit Hilfe zuvor in der Auswerteeinheit gespeicherter Stoff- und Kalibrierdaten die Stoffmengen in den einzelnen Kavitäten berechnet und nachfolgend mit Hilfe einer Visualisierungseinrichtung (8) zur Anzeige bringt und/oder speichert.
4. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) ein PC ist.
5. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (5) den Stoffproben direkt thermische Energie durch Wärmestrahlung und/oder Wärmeleitung und/oder Konvektion zuführt.
6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (5) Mikrowellen emittiert, die insbesondere von polaren Flüssigkeitsproben absorbiert werden und dadurch die Probentemperatur erhöhen.
7. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Proben um reine Flüssigkeiten, um Suspensionen, Emulsionen oder in Lösungsmitteln gelöste Feststoffe handelt.
8. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den in einem Array angeordneten Kavitäten um Wells einer Mikrotiterplatte handelt.
9. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung und das Verfahren zur Qualitätskontrolle von automatisch mit Hilfe einer Dosiereinheit (3) befüllten Mikrotiterplatten eingesetzt wird.
PCT/EP2008/051131 2007-01-31 2008-01-30 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der stoffmenge in kleinen kavitäten WO2008092895A2 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/524,739 US20100218600A1 (en) 2007-01-31 2008-01-30 Device and method for determining the quantity of substance in small cavities

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007005618A DE102007005618A1 (de) 2007-01-31 2007-01-31 Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Stoffmenge in kleinen Kavitäten
DE102007005618.6 2007-01-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2008092895A2 true WO2008092895A2 (de) 2008-08-07
WO2008092895A3 WO2008092895A3 (de) 2008-10-30

Family

ID=39521993

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2008/051131 WO2008092895A2 (de) 2007-01-31 2008-01-30 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der stoffmenge in kleinen kavitäten

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20100218600A1 (de)
DE (1) DE102007005618A1 (de)
WO (1) WO2008092895A2 (de)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012173118A (ja) * 2011-02-21 2012-09-10 Fujitsu Ltd 温度計測システムおよび温度計測方法
US8550704B2 (en) 2011-11-16 2013-10-08 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Method for detecting automobile differential fill omission
GB201319759D0 (en) 2013-11-08 2013-12-25 Thomsen Lars Device and method for heating a fluid chamber
WO2016196504A1 (en) 2015-06-01 2016-12-08 Digital Hospital, Inc. Dosage confirmation apparatus
DE102015214414B4 (de) * 2015-07-29 2020-10-22 Berthold Technologies Gmbh & Co. Kg Verfahren und System zur Ermittlung biologischer Eigenschaften von Proben
DE102016117754B4 (de) 2016-09-21 2019-03-21 Netzsch-Gerätebau GmbH Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung zur thermischen Analyse von Proben

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020070208A1 (en) * 2000-12-12 2002-06-13 3-Dimensional Pharmaceuticals, Inc. Microtiter plate with integral heater
US20020155036A1 (en) * 1998-08-13 2002-10-24 Symyx Technologies, Inc. Multi-temperature modular reactor and method of using same
US20020197731A1 (en) * 1996-10-09 2002-12-26 Symyx Technologies, Inc. Infrared spectroscopy imaging of libraries
US20030082633A1 (en) * 2000-10-03 2003-05-01 Martin Mark T. Directed microwave chemistry
US20040175760A1 (en) * 1996-10-09 2004-09-09 Symyx Technologies, Inc. Analysis of chemical data from images
US20050028587A1 (en) * 2003-01-27 2005-02-10 Baer Thomas M. Apparatus and method for heating microfluidic volumes and moving fluids

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3016095B2 (ja) * 1990-11-29 2000-03-06 セイコーインスツルメンツ株式会社 熱重量測定装置
JPH05157684A (ja) 1991-12-02 1993-06-25 Seikagaku Kogyo Co Ltd 吸光光度計
CH687592A5 (de) 1993-10-18 1997-01-15 Eidgenoess Munitionsfab Thun Mehrgefaessanordnung zur Instrumental-Analyse.
US6063633A (en) * 1996-02-28 2000-05-16 The University Of Houston Catalyst testing process and apparatus
DE10225994B3 (de) * 2002-06-12 2004-03-11 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Prüfung zahlreicher, verschiedener Materialproben
US7279131B2 (en) * 2004-07-01 2007-10-09 Uop Llc Method and apparatus for mass analysis of samples

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020197731A1 (en) * 1996-10-09 2002-12-26 Symyx Technologies, Inc. Infrared spectroscopy imaging of libraries
US20040175760A1 (en) * 1996-10-09 2004-09-09 Symyx Technologies, Inc. Analysis of chemical data from images
US20020155036A1 (en) * 1998-08-13 2002-10-24 Symyx Technologies, Inc. Multi-temperature modular reactor and method of using same
US20030082633A1 (en) * 2000-10-03 2003-05-01 Martin Mark T. Directed microwave chemistry
US20020070208A1 (en) * 2000-12-12 2002-06-13 3-Dimensional Pharmaceuticals, Inc. Microtiter plate with integral heater
US20050028587A1 (en) * 2003-01-27 2005-02-10 Baer Thomas M. Apparatus and method for heating microfluidic volumes and moving fluids

Also Published As

Publication number Publication date
US20100218600A1 (en) 2010-09-02
DE102007005618A1 (de) 2008-08-07
WO2008092895A3 (de) 2008-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2008092895A2 (de) Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der stoffmenge in kleinen kavitäten
May et al. Terahertz in-line sensor for direct coating thickness measurement of individual tablets during film coating in real-time
DE102010038329B4 (de) IR-Spektrometer mit berührungsloser Temperaturmessung
KR101884108B1 (ko) 산란광(pta)을 이용한 입자 추적 분석 방법 및 모든 유형의 액체 내에서 나노미터 크기 오더의 입자를 검출 및 식별하기 위한 장치
US11156508B2 (en) Devices and methods for monitoring and controlling temperature in a microfluidic environment
DE112012002529B4 (de) Nukleinsäurevervielfältigungsvorrichtung und Nukleinsäureanalysevorrichtung
Kuentz Analytical technologies for real-time drug dissolution and precipitation testing on a small scale
DE19646505A1 (de) Vorrichtung zur Durchführung von Untersuchungen an Zellproben und dergleichen
Ryu et al. Infrared thermo-spectroscopic imaging of styrene radical polymerization in microfluidics
DE112012002800B4 (de) Nukleinsäure-Testvorrichtung
US7075652B1 (en) Apparatus and method for measuring temperature dependent properties of liquid
EP1849857B1 (de) Mikroeinspritzvorrichtung und Mikroeinspritzverfahren
Chan et al. ATR-FTIR spectroscopic imaging with expanded field of view to study formulations and dissolution
KR20160020766A (ko) 실시간 분자진단용 흡광도 다중측정 장치
US10900006B2 (en) Method and apparatus to mitigate evaporation in high throughput measurements
DE4321688C2 (de) Kalorimeter zur präzisen Messung von Temperatursignalen in Flüssigphasen
US11376583B2 (en) Microfluidic device and method for analysing samples
Nagazi et al. Phase transitions in polymorphic materials probed using space-resolved diffusing wave spectroscopy
CN111521591B (zh) 用于微滴式数字pcr仪的计数校准装置、制备及使用方法
CN210198918U (zh) 检测装置
DE102007062250A1 (de) Vorrichtung zur Untersuchung chemischer und/oder biologischer Proben
DE602005002085T2 (de) Wegwerfprobenträger für Verwendung mit thermischen Sensoren
US20220326167A1 (en) Fast, Single Injection Well Plate Micro-Calorimeter Using Photonic Sensors
US20220252468A1 (en) Differential Scanning Micro-Calorimeter Using an Ultra-Sensitive Photonic Sensor
DE10348958B4 (de) Verfahren zur Bestimmung der Temperatur von wässrigen Flüssigkeiten mit optischen Mitteln

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08708446

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: FESTSTELLUNG EINES RECHTSVERLUST NACH REGEL 112(1) EPUE - 28.10.2009 (FORM 1205A)

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12524739

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08708446

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2