DE102004021665B4 - Schüttelgerät für Probengefäße und Verfahren zum Schütteln von Probengefäßen - Google Patents
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Abstract
Schüttelgerät (1) für Probengefäße (2),
insbesondere Mikrotiterplatten, mit einer die Probengefäße (2) haltenden
Schwingplatte (3) und einem Erregerantrieb (4) zur Erzeugung der
Schwingbewegungen der Schwingplatte (3), wobei die Schwingplatte
(3) durch wenigstens vier Federelemente (5, 6) schwingfest mit einer Gerätebasis
(9) verbunden und in einer Schwingebene gehalten ist, und wobei
die Schwingplatte (3) und die mit ihr verbundenen Federelemente
(5, 6) ein Resonanz-Schwingsystem bilden, welches vom Erregerantrieb (4)
in eine Resonanzschwingung versetzbar ist, wobei die Federelemente
(5, 6) ein aus jeweils mehreren Einzelfedern (10, 11, 12, 13, 14)
bestehendes Federpaket aufweisen, und wobei die Einzelfedern (10,
11, 12, 13, 14) Stabfedern sind.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Schüttelgerät für Probengefäße und ein Verfahren zum Schütteln von Probengefäßen.
- Derartige Schüttelgeräte werden unter anderem zum Mischen von chemischen, biologischen oder pharmazeutischen Proben in Laboren verwendet. Dazu werden die Mischungskomponenten in Probengefäße z.B. Mikrotiterplatten gefüllt und auf einer, auch als Probengefäßträgertisch bezeichneten, Schwingplatte des Schüttelgerätes angeordnet. Diese wird dann zum Vermischen der Mischungskomponenten in Schwingungen versetzt, so dass sich die Mischungskomponenten der Proben in gewünschter Weise vermengen können.
- In modernen Laboren ist es heute üblich, als Probengefäße standardisierte Mikrotiterplatten zu verwenden, die in einer einzigen Platte eine Vielzahl von Probengefäßen aufweisen. Durch Verwendung dieser Mikrotiterplatten können so in einem Schüttelvorgang eine ganze Reihe von unterschiedlichen Proben oder sogenannten Bibliotheken gleichzeitig geschüttelt werden. Dies verbessert zum einen die Arbeitseffizienz der Labore und vergrößert zum anderen in wünschenswerter Weise die Zahl der Proben, die überhaupt parallel bzw. gleichzeitig untersucht werden können. Daher werden Schüttelgeräte für Mikrotiterplatten in modernen Laboren insbesondere für sogenannte High-throughput Screening (HTS) Verfahren benötigt, bei denen die Proben automatisiert z.B. durch Roboter bearbeitet werden können.
- Ein gut dafür geeignetes Schüttelgerät für übliche Mikrotiterplatten ist das in der
DE 20018633 U1 offenbarte Schüttelgerät mit Magnetantrieb und automatischer Schwingplattenzentrierung. Mit diesem Gerät gelingt es in sehr kurzer Zeit durch kreisförmige Schwingbewegungen der Schwingplatte in einer horizontalen Ebene, die Proben in den Probengefäßen kräftig und gut durchzuschütteln, danach wieder schnell anzuhalten und in einer definierten Grundstellung robotergerecht zu zentrieren. - Um den Durchsatz und die Größe der gleichzeitig analysierbaren Bibliotheken weiter zu vergrößern, ist in der jüngsten Zeit ein Bedarf an Schüttelgeräten für Mikrotiterplatten mit gegenüber den bisher üblichen Größen nochmals verkleinerten Probengefäßen stark angewachsen.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schüttelgerät für Probengefäße und ein Verfahren zum Schütteln von Probengefäßen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen möglichst kleine Probengefäße bzw. Mikrotiterplatten mit einer großen Anzahl möglichst kleiner Probengefäßen verwendet werden können.
- Diese Aufgabe wird mit dem Schüttelgerät für Probengefäße gemäß Anspruch 1 und mit dem Verfahren gemäß Anspruch 13 dadurch gelöst, dass die Schwingplatte in Resonanzschwingungen versetzt wird. Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Die Erfindung bezieht sich also auf ein grundsätzlich bekanntes Schüttelgerät für Probengefäße, insbesondere Mikrotiterplatten, mit einer die Probengefäße haltenden Schwingplatte und einem Erregerantrieb zur Erzeugung der Schwingbewegungen der Schwingplatte. Üblicherweise werden bei Schüttelgeräten elektrische Antriebe dazu benutzt, die Schwingplatte in Schwingungen zu versetzen, wobei aber grundsätzlich auch andere Antriebsformen verwendet werden können. Die bekannten Antriebe umfassen Unwuchterreger, piezo-elektrische Schwingungserreger, hydraulische Antriebe oder Magnetantriebe, wobei einzelne oder mehrere Antriebe auf der Gerätebasis angeordnet sind und in der Regel über ein geeignetes Kupplungsmittel mit der Schwingplatte so verbunden sind, dass sie diese in Schwingungen versetzen können. Um eine sichere und positionsstabile Lagerung der Mikrotiterplatten während des Schüttelvorganges zu erreichen, sind auf den Schwingplatten der Schüttelgeräte im Allgemeinen Haltevorrichtungen wie z.B. bewegliche Positionierstücke oder Vertiefungen bzw. Ausnehmungen an den Schwingplatten vorgesehen, die die Mikrotiterplatten während des Schüttelvorganges auf der Schwingplatte in Position halten.
- Die Erfindung hat den Vorteil, dass sich durch die Resonanzschwingungen der Schwingplatte sehr große bis zum 40-fachen der Erdbeschleunigung reichende Beschleunigungskräfte erzielen lassen, die auf das in den Probengefäßen befindliche Probenmaterial wirken. Diese hohen Beschleunigungskräfte erzeugen innerhalb kürzester Zeit hohe Drehgeschwindigkeiten im Probenmaterial, so dass sich darin sehr schnell Wirbel bilden, die eine hervorragende Durchmischung des Probenmaterials erzeugen. Dieser gute Wirkungsgrad der Durchmischung ermöglicht. es, sehr kleine Probengefäße zu verwenden. Da die Bildung von Wirbeln innerhalb der Probengefäße von der Rotationsgeschwindigkeit und der Größe der Probengefäße abhängt, erfordern kleine Gefäßgrößen bzw. kleine Durchmesser größere Rotationsgeschwindigkeiten als große Probengefäße.
- Durch das Erregen der Schwingplatte zu Resonanzschwingungen wird es möglich, Mikrotiterplatten mit 1536 oder mehr Probengefäßen, auch als Wells bezeichnet, innerhalb von Sekunden hervorragend zu durchmischen. Dabei sind Probengefäße mit eckiger Grundfläche grundsätzlich vorteilhafter als runde Probengefäße, da sich die Probenflüssigkeit in den Eckbereichen stärker verfängt, daher leichter in Drehungen versetzt wird und sich so schneller Wirbel bilden können.
- In einer bevorzugten Weiterbildung des Schüttelgerätes bilden die Schwingplatte und die mit ihr verbundenen Federelemente ein Resonanz-Schwingsystem. Dabei beeinflusst die Federsteifigkeit der Federelemente im Wesentlichen die Systemfedersteifigkeit und gibt damit einen Bereich für die Eigenfrequenz des Systems vor. Die sich dann tatsächlich einstellende Systemeigenfrequenz hängt dann jedoch von den üblichen Schwingungsparametern von Schwingsysteme wie der bewegten Masse, der Frequenz, der Amplitude und anderen die Resonanzschwingung beeinflussenden Parametern ab. Außerdem wird die Schwingplatte ausschließlich von den Federelementen getragen und gestützt. Die Auslenkung der Federelemente an ihren freien Enden bestimmt ferner den Hub der Schwingplatte in allen Richtungen. Somit hat die Erfindung den Vorteil, dass nur wenige Bauteile erforderlich sind.
- Die in automatisierten Laboren eingesetzten Schüttelgeräte müssen so stillgesetzt werden können, dass die Probengefäße zuverlässig in eine Stellung gelangen, die einen definierten Zugriff eines Roboters, z. B. eine Bestückung und Entnahme mittels Robotergreifern ermöglichen. In einer vorteilhaften Weiterbildung nehmen daher die Federelemente zum Einstellen einer Grundstellung der Schwingplatte im Ruhezustand eine definierte Stellung ein. Dabei können also z.B. auch die zur Schaffung des Resonanz-Schwingsystems angeordneten Federelemente auch zur Justierung der Schwingplatte im Ruhezustand benutzt werden. In diesem Fall entfallen also zusätzliche grundsätzlich durch Schwingungen zerstörbare Bauteile, wie z.B. Rückstellstifte, die sonst für die Ausrichtung der Schwingplatte in einer vorgegebene Grundstellung benötigt wurden. Auch kann durch Anordnung von sich selbst zurückstellenden Federelementen ein im Stand der Technik üblicher aufwendiger Regelungsmechanismus am Antrieb entfallen, da die Schwingplatte durch die in ihre Ausgangsstellung von alleine zurückschwingenden Federelemente justiert wird.
- Für die Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Syntheseprodukte in den Probengefäßen ist es zwingend erforderlich, dass über die Oberfläche auf der Schüttelplatte durch geeignete Feststellmechanismen befestigte Probengefäße und die darin befindlichen Proben identische Schüttelbewegungen in einer Horizontalebene ausführen. Daher kommt der Abstützung der Schüttelplatte, die auch als Probengefäß-Trägertisch bezeichnet wird, gegenüber der Gerätebasis große Bedeutung zu. Diese muss sicherstellen, dass die Schüttelplatte nur translatorische Bewegungen ausführt.
- Daher wird die Schwingplatte bevorzugt durch vier Elemente schwingfest mit einer Gerätebasis verbunden und in einer Schwingebene gehalten. Hierbei übernehmen die vier Federelemente, die bei einer rechteckigen Schwingplatte vorzugsweise in deren vier äußersten Ecken angeordnet sind, die Kopplung der Schwingplatte an eine üblicherweise möglichst schwer ausgeführte Gerätebasis. So werden die bei der Schwingung der Schwingplatte erzeugten Kräfte über die Federelemente in die Gerätebasis eingeleitet und von dieser aufgenommen. Gleichzeitig erfolgt über die vier Federelemente die Lagerung der Schwingplatte derart, dass sich diese nur in einer dadurch definierten Schwingebene, also in zwei vorgegebenen Dimensionen, bewegen kann. Bei einer üblicherweise horizontalen Anordnung der Schwingplatte werden daher nur Bewegungen, die in der Horizontalen liegen, ermöglicht.
- Jedes Federelement weist mehrere Einzelfedern auf. Es kann sich dabei um alle gängigen Formen von Federn handeln, wobei auch Drehmomentfedern verwendet werden können. Es kommen grundsätzlich alle handelsüblichen Ausführungsformen von Federn, wie zum Beispiel Stabfedern oder Spiralfedern, aus allen geeigneten Materialien, wie zum Beispiel, Federstahl oder dauerelastischem Kunststoff in Frage.
- Weiterhin weist jedes Federelement ein aus mehreren Einzelfedern bestehendes Federpaket auf, wobei es sich bei den Einzelfedern bevorzugt um Stabfedern handelt. Einzelne Stabfedern müssten aufgrund der hohen Belastung durch die Resonanzschwingungen relativ massiv sein. Dies erfordert aber aus schwingungstechnischen Gründen wiederum eine größere Länge der Einzelfeder bzw. Stabfeder, wodurch sich in unerwünschter Weise die Bauhöhe des Schüttelgerätes vergrößert. Durch die Bündelung mehrerer relativ dünner Einzelfedern bzw. Stabfedern kann man insgesamt kürzere Federn verwenden, dadurch die Gerätehöhe verkleinern und gleichzeitig eine gute Dauerfestigkeit der Federelemente erreichen. Außerdem wird durch die parallele Anordnung der Stabfedern innerhalb des Federpaketes ohne zusätzliche Hilfsmittel gewährleistet, dass sich die Schwingplatte nur in der Schwingebene bewegt.
- Bevorzugt weist jedes Federelement an seiner der Schwingplatte zugewandten Seite einen plattenseitigen Sockel und an seiner der Gerätebasis zugewandten Seite einen basisseitigen Sockel auf, zwischen denen die Einzelfedern gehalten sind. Diese Sockel übernehmen dabei zwei Funktionen. Zum Einen dienen sie der effektiven Krafteinleitung von der Basis bzw. der Schwingplatte in die Feder, zum Anderen übernehmen sie bei Anordnung mehrerer Einzelfedern sprich der Bildung von Federpaketen eine Bündelungsfunktion. So können sich die einzelnen in den Sockeln an ihren Enden gehaltenen Einzelfedern nicht gegenüber den anderen Federenden verschieben und es ergeben sich gleichmäßige bzw. homogene Schwingungseigenschaften der Federpaketen. Es wird mit anderen Worten eine gleichmäßige Verformung des Gesamtpaketes entsprechend einer Einzelfeder ermöglicht. Zudem wird so auch die Handhabung der Federelemente insgesamt verbessert, was bei der Herstellung und Wartung des Schüttelgerätes große Vorteile hat.
- Es ist dabei von Vorteil, wenn sowohl der plattenseitige Sockel mit der Schwingplatte als auch der basisseitige Sockel mit der Gerätebasis jeweils biegesteif verbunden sind. Dies ergibt im Zusammenspiel mit den selbst biegesteif ausgeführten Sockeln ein besonders stabiles Schwingverhalten der Schwingplatte gegenüber der Gerätebasis.
- Weiterhin ist esvorteilhaft, wenn die plattenseitigen Sockel der Federelemente einstückig mit der Schwingplatte verbunden sind. Mit einstückig wird dabei eine aus einem Teil bestehende Konstruktion von plattenseitigem Sockel und Schwingplatte bezeichnet, die z.B. in einem einzigen Herstellungsschritt wie einem Gussverfahren hergestellt ist. Dies ergibt eine besonders steife Verbindung der beiden Teile, die sich gut und schnell herstellen lässt.
- In einer weiteren Weiterbildung weisen sowohl der plattenseitige Sockel als auch der basisseitige Sockel jeweils wenigstens eine Ausnehmung mit einem aufgeweiteten Rand zur biegesteifen Halterung wenigstens einer Einzelfeder auf. Die Ausnehmung dient dabei der Einspannung der Einzelfeder in den Sockel, wobei die Einzelfedern zusätzlich in den Ausnehmungen verpresst, verklebt oder verschweisst sein können. Der aufgeweitete Rand der Ausnehmung sichert eine gute Verformbarkeit der Federstäbe im Bereich der Einspannung. Dadurch verändern sich die effektiven Federlängen und somit die Federeigenschaften der Einzelfedern nicht.
- Zudem ist es vorteilhaft, wenn zur Hubbegrenzung wenigstens ein Anschlag in definiertem Abstand zu einem plattenseitigen Sockel wenigstens eines Federelementes angeordnet ist. Es wird also ein die maximale seitliche Auslenkung, sprich Hub, der Schwingplatte nicht an der Platte selbst, sondern an einem Federelement begrenzt. Dies hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass zusätzliche gegebenenfalls auch störungsanfällige Bauteile zwischen der Gerätebasis und der Schwingplatte zur Hubbegrenzung entfallen, da die Sockel der Federelemente stabil genug sind, um diese zusätzliche Aufgabe ohne weiteres übernehmen können.
- Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn der Anschlag eine den plattenseitigen Sockel umgebende Ausnehmung in der Gerätebasis ist. So können Teile der Gerätebasis die sowie so schon vorhanden sind zur Hubbegrenzung verwendet werden. Dies verringert die Zahl der im Gerät verbauten Teile. Diese Ausnehmung in der Gerätebasis ist zweckmäßig kreisförmig ausgeführt, um eine in jeder Richtung gleich maximale Hubbegrenzung zu schaffen, wobei der plattenseitige Sockel zumindest im Bereich der Ausnehmung ebenfalls eine kreiszylinderförmige Außenform haben sollte. Dann ergibt sich bei zentrierter Anordnung des Federelementsockels in der Ausnehmung durch die Differenz der beiden Durchmesser der in jeder Schwingungsichtung gleiche maximale Hub.
- Auch ist es gut, wenn zur Geräuschdämpfung ein Dämpfungselement zwischen dem Anschlag und dem der Hubbegrenzung dienenden plattenseitigen Sockel angeordnet ist. Dies reduziert die durch das Anschlagen des Sockels am Anschlag entstehenden Schlaggeräusche und verringert auch die mechanischen Einwirkungen auf den Sockel durch die Schläge. Somit wird also sowohl das Arbeitsgeräusch gesenkt, als auch die Haltbarkeit und Festigkeit des Sockels verbessert.
- Besonders bevorzugt wird eine Ausführung des Schüttelgerätes, die eine mit dem Erregerantrieb verbundene Regelungsvorrichtung zur Regelung des Schwingungsverhaltens der Schwingplatte aufweist. Diese Regelungsvorrichtung überwacht das Schwingungsverhalten des Gerätes und regelt automatisch den Antrieb so, dass die Resonanzschwingungen zunächst erzeugt werden und dann gerade für eine vorbestimmte Zeit gleichmäßig erhalten werden. Die Regelungsvorrichtung ermittelt dabei in Abhängigkeit der Beladung der Probenbehälter durch geeignete Messungen z.B. der Auslenkung das Schwingverhalten der Schwingplatte und steuert den Antrieb so an, dass sich die gewünschten Schwingungen einstellen. Dies führt zu einem insgesamt sehr stabilen Schwingverhalten der Schwingplatte und spart auch Energie, da die Regelungsvorrichtung während der Resonanzschwingung kaum noch Antriebsleistung vom Antrieb anfordert. Zudem kann z.B. über eine in der Regelungsvorrichtung implementierte Anfahrautomatik ein Überschwappen des Probenmaterials beim Beginn der Schwingungsbewegung durch sanftes In-Bewegung-Setzen der Schwingplatte verhindert werden.
- Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Erregerantrieb ein Magnetantrieb ist und zur Regelung des Schwingungsverhaltens eine Strommessung durchgeführt wird. Bei dieser besonders gut und fein regelbaren Antriebsform sind z.B. vier Elektromagnete kreuzförmig angeordnet und treiben einen in der Kreuzmitte beweglich gelagerten Anker kreisförmig an. Hierbei kann dann durch Einstellung der Magnetstärke auf einfache Weise während des Betriebs sowohl die Amplitude als auch die Frequenz verändert werden. Dabei erfolgt die Ermittlung des tatsächlichen Schwingungsverhaltens der Schwingplatte z.B. durch Messung des Antriebsstroms. Insbesondere kann so auf eine aufwendige Anordnung zusätzlicher oftmals schwingungsempfindlicher Messmittel am Schüttelgerät verzichtet werden.
- Weiterbildend ist an der Gerätebasis eine Dämpfungsvorrichtung angeordnet, die z.B. der Schallreduzierung dient. Diese Dämpfungsvorrichtung kann dabei eine Schaumstoffmatte oder ähnliches sein.
- Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass, zum Schütteln von auf einer Schwingplatte angeordneten Probengefäßen, insbesondere Mikrotiterplatten, die Schwingplatte in Resonanzschwingungen versetzt und für eine vorgegebene Zeit in Resonanzschwingungen gehalten wird. Durch die Erzeugung von Resonanzschwingungen werden die Probengefäße sehr stark beschleunigt. Dies führt zu besonders starken Turbulenzen in den Proben, wobei dieser Effekt hier dazu verwendet wird, die Probengefäße bei gleicher Durchmischungsqualität und Durchmischungszeit kleiner auszuführen.
- Bevorzugt wird die Schwingplatte dazu in einer horizontalen Schwingebene gehalten. Dies ist insbesondere bei nicht verschlossenen Probenbehältnissen zweckmäßig, kann sich aber auch bei der Durchmischung bestimmter Probenmaterialien als vorteilhaft erweisen und ergibt zudem eine einfacher zu kontrollierende, weil nur in einer Ebene erfolgende, Resonanzschwingung der Schwingplatte.
- Vorzugsweise wird die Resonanzschwingung der Schwingplatte dadurch eingestellt, dass zunächst die Schwingungsfrequenz der Schwingplatte bei konstanter Amplitude bis zum Erreichen der Resonanzfrequenz variiert wird und danach die Amplitude in Abhängigkeit der zu vermischenden Füllung der Probengefäße auf einen vorgegebenen Amplitudenwert eingestellt wird. Dabei kann z.B. über eine Gewichtsmessung die Probenmasse vor Beginn der Durchmischung ermittelt werden und in Abhängigkeit davon bereits vordefiniert Schwingungsparameter am Erregerantrieb eingestellt werden.
- Zudem wird bevorzugt mit einer Strommessung am Erregerantrieb die Resonanzschwingung ermittelt. Die Resonanzschwingung kann dann elektronisch sehr schnell und genau z.B. durch Messung eines Stromminimums beim Erreichen erfasst werden.
- Auch wird vorteilhafter Weise das Schwingungsverhalten der Schwingplatte durch eine Regelungsvorrichtung geregelt, die automatisch die Resonanzfrequenz und die Schwingungsamplitude an die Beladung der Schwingplatte anpasst. Dies reduziert den Aufwand manuell vorzunehmender Einstellungen und führt zu einer wesentlich schnelleren und einheitlicheren Schwingungserzeugung.
- Es ist dabei besonders zweckmäßig, wenn wenigstens ein mit der Schwingplatte verbundenes Federelement ein Resonanz-Schwingsystem bildet, wobei das Federelement zum Einstellen einer Grundstellung der Schwingplatte im Ruhezustand stets eine definierte Stellung einnimmt. So kann bereits über die Federsteifigkeit des Federelementes ein grundsätzliches Schwingungsverhalten des Schwingsystems vorbestimmt und gegebenenfalls schnell und einfach durch Tausch gegen ein Federelemente mit einer anderen Steifigkeit verändert werden. Dies kann z.B. beim Schütteln mit einer großen Bandbreite der zu schüttelnden Probenmengen zweckmäßig sein.
- Auch ergibt sich durch das Federelement eine automatische Rückführung der Schwingplatte in eine für die automatisierte Beladung der Probengefäße notwendige Grundstellung. So führt das eigentlich zur Erreichung bestimmter Schwingungseigenschaften verwendete Federelement dazu, dass auf zusätzliche Bauteile zur Grundstellungseinstellung verzichtet werden kann.
- Das schüttelgerät wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Darin zeigen schematisch:
-
1 eine räumliche Ansicht eines Schüttelgerätes für Probengefäße; -
2 einen Querschnitt durch das Schüttelgerät entlang einer Schnittlinie II – II; -
3 eine räumliche Ansicht unter eine mit vier Federelementen bestückte Schwingplatte; und -
4 einen Schnitt durch ein Federelement. -
1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Schüttelgeräts1 für Probengefäße in Form einer Mikrotiterplatte. Das Gerät1 weist eine über einer Gerätebasis9 angeordnete Schwingplatte3 auf. Auf der Schwingplatte3 sind zur Halterung einer hier einer nicht dargestellten rechteckigen Mikrotiterplatte acht Positionierstücke25 vorgesehen, von denen jeweils zwei zueinander rechtwinklig angeordnet sind, um die Mikrotiterplatte an ihren vier Ecken zu halten. - An dem Schüttelgerät
1 ist, dass wie in2 und3 zu sehen ist, unterhalb der Schwingplatte3 vier Federelemente5 ,6 schwingungsfest so angebracht sind, dass sie zusammen mit der Schwingplatte3 ein Resonanz-Schwingsystem bilden. In diesem Masse-Feder-System ist die Schwingplatte daher über die Federelemente5 ,6 an die vergleichsweise schwer ausgeführte Gerätebasis9 elastisch angebunden. Um ein Verrutschen des Schüttelgerätes1 auf dem Untergrund zu verhindern, sind dabei unterhalb der Gerätebasis9 rutschfeste Gummifüße30 angeordnet. Denkbar sind aber auch Lösungen, bei denen die Geräteplatte am Untergrund zum Beispiel mit Schrauben oder Klebstoff befestigt ist. - Die vier Federelemente halten die Schwingplatte
3 in einer horizontalen Schwingebene, so dass sich die Schwingplatte3 nur innerhalb der Ebene bewegen kann. Dieser Effekt ergibt sich daraus, dass die Federelemente5 ,6 jeweils ein Federpaket aus fünf parallel zueinander angeordneten, aus Federstahl bestehenden Stabfedern10 ,11 ,12 ,13 und14 aufweisen, die sich in ihrer Längsrichtung nicht nennenswert verformen. Die zylindrisch runden Stabfedern weisen in ihren Schwingrichtungen gleiche Federkonstanten, Federsteifigkeiten und insgesamt geringe Dämpfungseigenschaften auf. - Wie aus der
3 ersichtlich ist, sind die vier Federelemente5 ,6 mit der Schwingplatte3 jeweils über plattenseitige Sockel15 verbunden. An ihrem anderen Ende weisen die vier Federelemente5 ,6 jeweils basisseitige Sockel16 auf, mit denen die Federelemente5 ,6 an der Gerätebasis9 befestigt werden. Bei den hier gezeigten Sockeln15 bzw. 16 handelt es sich um biegesteife massiv ausgeführte Metallkörper in denen die einzelnen Stabfedern10 ,11 ,12 ,13 und14 biegesteif gehalten werden. - Sowohl die plattenseitigen Sockel
15 als auch die basisseitigen Sockel16 sind jeweils kreiszylindrisch ausgeführt, wobei die plattenseitigen Sockel15 einen kleineren Außendurchmesser als die basisseitigen Sockel16 haben. Die Federelemente5 ,6 sind in ebenfalls kreiszylindrische Ausnehmungen22 eingesetzt, die in der Gehäusewand31 der Gerätebasis9 gebildet sind. - Zur biegesteifen Befestigung der Federelemente
5 ,6 an der Gerätebasis9 weisen die Ausnehmungen22 genau die Breite des basisseitigen Sockels16 auf, so dass sich dieser nicht gegenüber der Gerätebasis9 verdrehen kann. Die basisseitigen Sockel16 weisen an ihren Unterseiten jeweils vier Schraubenlöcher33 auf. Über diese werden die basisseitigen Sockel16 mit jeweils vier nicht näher gezeigten Schrauben an die Gerätebasis9 angeschraubt. - Demgegenüber ermöglichen die schmaler ausgeführten und mit der Schwingplatte
3 einstückig verbundenen, weil angegossenen, plattenseitigen Sockel15 , dass die Schwinglatte3 über eine Kupplungsstange34 von einem Erregerantrieb4 in horizontaler Richtung hin und her bewegt werden kann. Der maximale Hub der Schwingplatte3 ergibt sich aus dem Abstand zwischen dem Durchmesser der Ausnehmungen22 und der plattenseitigen Sockel15 . Somit dienen die Federelemente5 ,6 der Hubbegrenzung der Schwingplatte3 . Zur Dämpfung des durch das Anschlagen der plattenseitigen Sockel15 an den Anschlägen21 sind ringförmige Dämpfungselemente23 , z. B. aus Gummi, in den Anschlägen21 eingelassen, wobei es auch möglich ist, die Dämpfungselemente23 an den Sockeln15 zu befestigen. - Die Sockel
15 und16 der Federelemente5 ,6 verbinden zum einen die einzelnen Federstäbe10 ,11 ,12 ,13 ,14 so miteinander, so dass sich diese wie eine einzige Feder gemeinsam verformen. Zum anderen dienen die Sockel15 ,16 der wirksamen Übertragung der Schwingungskräfte wie etwa der Fliehkräfte, von der Schwingplatte3 in die Federelemente5 ,6 und von den Federelementen5 ,6 in die Gerätebasis9 . Dazu sind, wie in der3 dargestellt, die Federstäbe10 ,11 ,12 ,13 und14 über die gesamte Höhe zumindest der basisseitigen Sockel16 in Ausnehmungen18 jeweils durch die Sockel15 und16 gesteckt und in Ausnehmungen17 ,18 mit den Sockeln15 ,16 fest verpresst. In dem in4 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Federelementes5 durchdringen die Ausnehmungen17 ,18 die Sockel15 ,16 nicht vollständig sondern sind buchsenförmig geformt. Die äußeren Ränder der Ausnehmungen17 und18 weisen jeweils konisch aufgeweitete Ränder32 auf, die dazu dienen im Übergangsbereich zwischen dem Federstab und dem jeweiligen Sockel16 eine definierte Auslenkung im Resonanzbetrieb zuzulassen. - Gegenüberliegend ist der plattenseitige Sockel
15 einstückig mit der Schwingplatte3 verbunden. Bei der in1 und3 gezeigten Ausführungsform der Schwingplatte3 handelt es sich um ein Druckgussteil, so dass die plattenseitigen Sockel15 zusammen mit Verstärkungselementen35 und einer Kupplungsaufnahme36 für ein Kupplungsstange34 in einem Stück hergestellt worden sind. - Aufgrund der biegefesten Ausführung und Befestigung der Sockel
15 ,16 ergibt sich eine besonders gute Kraftübertragung zwischen den Federstäben10 ,11 ,12 ,13 ,14 und den Sockeln15 ,16 , so dass sich beim Schwingen eine S-förmige Verformungsfigur in den einzelnen Feder ausbildet, wobei die Endstücke der Federstäbe10 ,11 ,12 ,13 ,14 orthogonal zur Schwingebene in den Sockeln einmünden. Mit anderen Worten ausgedrückt, können über die Sockel15 ,16 der Federelemente5 ,6 Drehmomente von der Feder in das jeweils angrenzende Bauteil übertragen werden. Dies führt zu einem besonders stabilen Schwingverhalten der Schwingplatte3 in der Schwingebene. - Wie weiter aus der
2 hervorgeht, befindet sich am Erregerantrieb4 eine Regelungsvorrichtung24 die den Erregerantrieb4 so regelt, dass die Schwingplatte3 gerade in Resonanzschwingungen versetzt und gehalten wird. Dabei misst die Regelungsvorrichtung24 den Strom des Antriebs4 , der bei Resonanz eine charakteristische Größe hat, und ermittelt daraus das Schwingungsverhalten der Schwingplatte3 . - Unterhalb der Gerätebasis
9 ist eine Dämpfungsvorrichtung in Form eine Dämmmatte aus Schaumstoff angeordnet, die der Schallreduktion dient. Bei geeigneter Ausführung kann die Dämpfungsvorrichtung auch als schwingungsdämpfende rutschsichere Unterlage für das Schüttelgerät1 dienen. - Das eigentliche Schütteln der auf der Schwingplatte
3 angeordneten Mikrotiterplatten2 , erfolgt der Art, dass die Schwingplatte vom Erregerantrieb4 über das mit der Schwingplatte3 in Eingriff stehende Kupplungsteil34 durch Überlagerung von Sinuns- und Cosinus-förmigen Schwingungen in eine kreis- oder ellipsenartige Bewegung versetzt wird. Dabei fesseln die Federelemente5 ,6 die Schwingplatte3 an die horizontale Schwingebene und geben in Richtung der Ebene jeweils nach. Bei Erreichen der Resonanzschwingung mit der 40-fachen Erdbeschleunigung in der Schwingplatte3 werden von der rund 60 g schweren Schwingplatte3 Belastungswerte von 1 kg pro Federelement5 ,6 erzeugt. - Zur Erreichung der Resonanzschwingung in der Schwingplatte
3 wird zunächst der Antrieb4 von einer Regelungsvorrichtung24 so angesteuert, dass bei zunächst geringer Amplitude, die auch als Hub bezeichnet werden kann, oder Auslenkung der Schwingplatte3 die Frequenz, also die Zahl der Hin- und Herbewegungen pro Zeiteinheit, der Schwingplatte 3 langsam gesteigert wird, bis die Regelungsvorrichtung24 durch Strommessung am Antrieb4 feststellt, dass die Schwingplatte3 in Resonanz schwingt. Die Frequenz wird anders ausgedrückt durch Wobbeln ermittelt. Die Bestimmung der Resonanzschwingung erfolgt wiederum durch Ausnutzung des Effekts, dass sich also die Impedanz des Erregerantriebs ändert, wobei der Strom bei Erreichen der Resonanzschwingung im Erregerantrieb4 absinkt, wenn die Schwingplatte3 in Resonanz schwingt. Diese Stromveränderung wird von der Regelungsvorrichtung24 durch geeignete Messmittel ermittelt und derart verarbeitet, dass sie die Antriebsleistung des Erregerantriebs4 so regelt, dass die Schwingplatte3 für die festgelegte Dauer von z.B. einigen Sekunden gerade noch in Re sonanzschwingungen gehalten wird. Im Folgenden wird dann die Amplitude der Schwingung auf einen vorher festgelegten Wert gesteigert. - Dieser Amplitudenwert wird unter Berücksichtigung der Befüllung der Mikrotiterplatte
2 gewählt. So ist bei größerer Beladung eine geringere Amplitude und bei weniger großer Beladung eine höhere Amplitude wählbar. Grundsätzlich sollte das Probenmaterial nicht aus den Probenfächern überschwappen, so dass dies die oberste Grenze der Amplitude darstellt. Andererseits soll in möglichst kurzer Mischzeit ein effektives Vermischen der Probenmaterialien in den Probengefäßen2 erreicht werden, so sich hieraus die untere Grenze der Amplitude ergibt. Bei der Einstellung der Amplitude kann es zu Änderungen in der Frequenz kommen, so dass die Regelungsvorrichtung iterativ Amplitude und Frequenz der Schwingung an die vorgegebenen Werte anpasst. - Beim Schütteln in der Resonanzfrequenz ergeben sich dann besonders in eckigen Probengefäßen
2 bzw. Wells26 schnell Turbulenzen durch die die Probenflüssigkeit als Welle verschoben wird. Dann vermischen sich die schweren und langsamer schwingenden Feststoffe bzw. Partikel gut mit der Flüssigkeit.
Claims (17)
- Schüttelgerät (
1 ) für Probengefäße (2 ), insbesondere Mikrotiterplatten, mit einer die Probengefäße (2 ) haltenden Schwingplatte (3 ) und einem Erregerantrieb (4 ) zur Erzeugung der Schwingbewegungen der Schwingplatte (3 ), wobei die Schwingplatte (3 ) durch wenigstens vier Federelemente (5 ,6 ) schwingfest mit einer Gerätebasis (9 ) verbunden und in einer Schwingebene gehalten ist, und wobei die Schwingplatte (3 ) und die mit ihr verbundenen Federelemente (5 ,6 ) ein Resonanz-Schwingsystem bilden, welches vom Erregerantrieb (4 ) in eine Resonanzschwingung versetzbar ist, wobei die Federelemente (5 ,6 ) ein aus jeweils mehreren Einzelfedern (10 ,11 ,12 ,13 ,14 ) bestehendes Federpaket aufweisen, und wobei die Einzelfedern (10 ,11 ,12 ,13 ,14 ) Stabfedern sind. - Schüttelgerät nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (
5 ,6 ) zum Einstellen einer Grundstellung der Schwingplatte (3 ) im Ruhezustand eine definierte Stellung einnehmen. - Schüttelgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Federelement (
5 ,6 ,7 ,8 ) an seinem der Schwingplatte (3 ) zugewandten Ende einen plattenseitigen Sockel (15 ) und an seinem der Gerätebasis (9 ) zugewandten Ende einen basisseitigen Sockel (16 ) aufweist, zwischen denen die Einzelfedern (10 ,11 ,12 ,13 ,14 ) gehalten sind. - Schüttelgerät nach Anspruch 3, wobei der plattenseitige Sockel (
15 ) mit der Schwingplatte (3 ) und der basisseitige Sockel (16 ) mit der Gerätebasis (9 ) jeweils biegesteif verbunden sind. - Schüttelgerät nach Anspruch 3, wobei die plattenseitigen (
15 ) Sockel der Federelemente (5 ,6 ,7 ,8 ) einstückig mit der Schwingplatte (3 ) verbunden sind. - Schüttelgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei sowohl die plattenseitigen Sockel (
15 ) als auch die basisseitigen Sockel (16 ) jeweils wenigstens eine Ausnehmung (17 ,18 ) mit einem aufgeweiteten Rand (19 ,20 ) zur biegesteifen Halterung wenigstens einer Einzelfeder (10 ,11 ,12 ,13 ,14 ) aufweisen. - Schüttelgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei zur Hubbegrenzung wenigstens ein Anschlag (
21 ) in definiertem Abstand zu einem plattenseitigen Sockel (15 ) wenigstens eines Federelementes (5 ,6 ,) angeordnet ist. - Schüttelgerät nach Anspruch 7, wobei der Anschlag (
21 ) eine den plattenseitigen Sockel (15 ) umgebende Ausnehmung (22 ) in der Gerätebasis (9 ) ist. - Schüttelgerät nach Anspruch 7 oder 8, wobei zur Geräuschdämpfung ein Dämpfungselement (
23 ) zwischen dem Anschlag (21 ) und dem der Hubbegrenzung dienenden plattenseitigen Sockel (15 ) angeordnet ist. - Schüttelgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Schüttelgerät (
1 ) eine mit dem Erregerantrieb (4 ) verbundene Regelungsvorrichtung (24 ) zur Regelung des Schwingungsverhaltens der Schwingplatte (3 ) aufweist. - Schüttelgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei der Erregerantrieb (
4 ) ein Magnetantrieb ist und zur Regelung des Schwingungsverhaltens eine Strommessung durchgeführt wird. - Schüttelgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei an der Gerätebasis (
9 ) eine Dämpfungsvorrichtung (25 ) angeordnet ist. - Verfahren zum Schütteln von auf einer Schwingplatte (
3 ) angeordneten Probengefäßen (2 ), insbesondere Mikrotiterplatten, wobei ein Schüttelgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird, und wobei die Schwingplatte (3 ) in Resonanzschwingungen versetzt und für eine vorgegebene Zeit in Resonanzschwingungen gehalten wird. - Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schwingplatte (
3 ) in einer horizontalen Schwingebene gehalten wird. - Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Resonanzschwingung der Schwingplatte (
3 ) dadurch eingestellt wird, dass zunächst die Schwingungsfrequenz der Schwingplatte (3 ) bei konstanter Amplitude bis zum Erreichen der Resonanzfrequenz variiert wird und danach die Amplitude in Abhängigkeit der zu vermischenden Füllung der Probengefäße (2 ) auf einen vorgegebenen Amplitudenwert eingestellt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei mit einer Strommessung am Erregerantrieb (
4 ) die Resonanzschwingung ermittelt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das Schwingungsverhalten der Schwingplatte (
3 ) durch eine Regelungsvorrichtung (24 ) geregelt wird, die automatisch die Resonanzfrequenz und die Schwingungsamplitude an die Beladung der Schwingplatte (3 ) anpasst.
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