-
Die
Erfindung betrifft eine Pipettenspitze sowie eine optische Messvorrichtung.
-
Pipettenspitzen
haben einen länglichen, rohrförmigen Körper, der
an ihrem einen Ende eine Pipettieröffnung und an ihrem anderen
Ende eine Aufstecköffnung
zum Aufstecken einer Pipettiervorrichtung hat. Derartige Pipettiervorrichtungen
umfassen einen Kolben in einem Zylinder, der verschoben wird und
so eine Luftsäule
bewegt, durch die Flüssigkeit
in die aufgesteckte Pipettenspitze eingesogen und danach wieder
abgegeben werden kann. Als Pipettiervorrichtungen sind Handpipetten
oder Dosierstationen bekannt. Die Pipettenspitzen sind aus Kunststoff
hergestellt und werden im Allgemeinen nach einmaliger Verwendung
weggeworfen.
-
Im
Labor werden Pipettiervorrichtungen mit den beschriebenen Pipettenspitzen
zum Dosieren oder zum Umfüllen
von flüssigen
Proben verwendet. Es kommt in der täglichen Laborpraxis häufig vor, dass
flüssige
Proben in einem Photometer gemessen werden. In diesem Fall wird
ein bestimmtes Probenvolumen, etwa 1 ml, in die Pipettenspitze eingesaugt,
dann das Probenvolumen in eine Glasküvette abgegeben, die Küvette in
das Photometer gesetzt und gemessen.
-
Nachteilig
ist, dass bei der genannten Vorgehensweise viele Arbeitsschritte
nötig sind,
was den Zeitaufwand erhöht
und auch mit der Gefahr von Verwechslungen beim Pipettieren verbunden
ist. Außerdem
wird die Küvette
verschmutzt, was zusätzlichen Reinigungsaufwand
erfordert.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Pipettenspitze vorzuschlagen, durch
die der Arbeitsaufwand verringert und die Genauigkeit der Messung erhöht wird.
-
Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Wand der Pipettenspitze mindestens einen transparenten
Bereich aufweist. Durch den transparenten Bereich ist es möglich, eine
in der Pipettenspitze befindliche Probe optisch zu vermessen, ohne dass
die Probe vorher in eine Küvette
pipettiert werden muss. Durch dieses Merkmal ist es also überraschenderweise
möglich,
den Arbeitsschritt des Umpipettierens einzusparen. Indem ein oder
mehrere Pipettierschritte entfallen, werden Handhabungsfehler beim
Pipettieren ausgeschlossen oder minimiert und außerdem wird dadurch die Genauigkeit
der Messung erhöht.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend erläutert.
-
Der
transparente Bereich ist vorteilhaft in optischer Qualität als Messfenster
ausgebildet. Hierdurch erlaubt die Pipettenspitze optische Messungen mit
hoher Genauigkeit.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind zwei Messfenster gegenüberliegend
angeordnet. Hierdurch kann das Messlicht eines Photometers durch
das erste Messfenster in die Pipettenspitze eindringen, ein in der
Pipettenspitze befindliches Probenvolumen durchstrahlen und aus
dem zweiten Messfenster austreten wie bei einer Küvette. Da
beide Messfenster planparallel zueinander angeordnet sind, hängt das
gemessene Signal nicht von der vertikalen Position der Pipettenspitze
ab, was die Messgenauigkeit erhöht.
-
Ein
verbessertes Signal/Rauschverhältnis ergibt
sich dadurch, dass die Abmessungen der beiden Messfenster den Abmessungen
eines zu vermessenden Sehfeldes entsprechen.
-
Die
beiden Messfenster weisen einen Abstand von etwa 100 μm zueinander.
Ein derartiger Abstand entspricht vorteilhafterweise der Tiefenschärfe einer
für die
Vermessung der Pipettenspitze geeigneten Messvorrichtung.
-
Indem
die Pipettenspitze einen sich konusförmig erweiternden Abschnitt
aufweist, kann sie auf Pipettiervorrichtungen, beispielsweise handelsübliche Handpipetten,
aufgesteckt werden.
-
Die
Pipettenspitze ist im Einkomponentenspritzgussverfahren hergestellt.
Dies ermöglicht
eine kostengünstige
Herstellung.
-
Als
besonders geeignetes Material für
die Pipettenspitze hat sich Polymethylmethacrylat herausgestellt.
-
Bei
einer Messung sollte der Messlichtstrahl senkrecht auf die Oberfläche des
ersten Messfensters treffen. Um die Pipettenspitze sicher im entsprechenden
Winkel in einem Photometer anzuordnen, weist die Pipettenspitze
an ihrer Außenseite
eine Führung
auf, mittels derer sie drehfest in einer Messvorrichtung angeordnet
werden kann.
-
Vorteilhafterweise
ist die Pipettenspitze als Einwegartikel ausgebildet. Durch den
einmaligen Gebrauch wird sichergestellt, dass die Pipettenspitze nicht
verunreinigt ist. Außerdem
wird die Reinigung der benutzten Pipettenspitze unnötig.
-
Die
Erfindung umfasst außerdem
eine optische Messvorrichtung, welche zur Aufnahme und Vermessung
einer Pipettenspitze, insbesondere nach den Ansprüchen 1 bis
9, ausgebildet ist.
-
Für die optische
Messvorrichtung sind eine Lichtquelle zur Beleuchtung einer Probe,
ein Detektor und eine Optik zur Abbildung der Probe auf den Detektor
vorgesehen. Der Detektor ist ein beliebiges photoempfindliches Element.
Durch eine solche Anordnung kann beispielsweise die Absorption einer Probe
in der Pipettenspitze gemessen werden. Die von der Lichtquelle abgegebene
Strahlung umfasst einen Wellenlängenbereich
im sichtbaren und nichtsichtbaren Bereich. Beispielsweise kann die
Lichtquelle auch durch UV-Strahlung Fluoreszenz in der Probe anregen,
welche dann durch den Detektor gemessen wird.
-
Um
möglichst
reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten, sollten die Messfensterflächen immer
senkrecht zur optischen Achse der Messvorrichtung ausgerichtet sein
und in dieser Position drehfest gehalten werden. Hierfür ist eine
Einrichtung vorgesehen, welche insbesondere eine Klemmfeder aufweist,
die in die hierfür
vorgesehene Führung
der Pipettenspitze eingreift.
-
Nach
der Vermessung der in der Pipettenspitze befindlichen Probe wird
diese oft nicht mehr benötigt
und kann entsorgt werden. Zum Entsorgen weist die Messvorrichtung
einen Behälter
auf.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist als Detektor ein Detektorarray vorgesehen, und zwar insbesondere
ein CCD-Chip, ein Complementary Metal-Oxide Semiconductor-Chip, ein Electron
Multiplying CCD-Chip, ein Diodenarray oder ein APD Array. Bei dieser
Art von Detektoren wird ein zweidimensionales Abbild der Probe in
der Pipettenspitze auf den Detektor projiziert. Dadurch können zusätzliche
Parameter der Probe bestimmt werden. Eine Anwendung liegt beispielsweise
in der Bestimmung der Anzahl von Partikeln in einer flüssigen Probe.
-
Als
besonders günstig
hat sich dafür
ein Detektor mit einer vertikalen und horizontalen Auflösung von
4 bis 10 μm
pro Pixel erwiesen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine vertikale
und horizontale Auflösung
von 5,2 μm
vorgesehen.
-
Wenn
die Optik die Probe vergrößert auf dem
Detektor abbildet, ist vorteilhafterweise auch die Bestimmung von
sehr kleinen Partikeln möglich.
So kann zum Beispiel die Anzahl von Bakterien in einer biologischen
Probe bestimmt werden. Für
starke Vergrößerungen
kann die Optik mikroskopartig ausgebildet sein.
-
Zur
Belichtung des Detektors weist die Messvorrichtung einen, vorzugsweise
elektronischen, Verschluss auf, der eine Belichtung in einem einstellbaren
Zeitraum ermöglicht.
Enthält
die Probe Partikel, dann bewegen sich diese mit einer Sedimentationsgeschwindigkeit.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer Belichtungszeit von 300 ms oder
kürzer
ein auswertbares Bild gemessen werden kann.
-
Zur
Betrachtung und Auswertung von mit der Messvorrichtung aufgenommenen
Bildern und Daten ist eine mit dem Detektor verbundene Datenverarbeitungseinheit
mit einem Display vorgesehen.
-
Außerdem weist
die Datenverarbeitungseinheit oder der Detektor eine Schnittstelle
zum Anschluss eines Rechners auf, insbesondere eine USB-, FireWire-
(IEEE 1394) oder Ethernet-Schnittstelle. Hiermit können Bilder
und Daten, beispielsweise Absorptionswerte, auf einen Rechner übertragen, gespeichert
und ausgewertet werden.
-
Die
Datenverarbeitungseinheit der Messvorrichtung oder ein an deren
Schnittstelle angeschlossener Computer ist programmtechnisch dafür eingerichtet,
die Anzahl und/oder Eigenschaften von Partikeln in der Probe zu
bestimmen. Die Partikel sind vorzugsweise biologische Zellen oder
Bakterien. Ein Programm wertet das vom Detektor gelieferte, digitale
Abbild der Partikel aus. Diese heben sich auf dem Abbild vom Rauschen
als Pixel oder Pixelgruppen mit erhöhter oder erniedrigter Intensität ab. Das
Programm erkennt diese, indem es alle Pixel berücksichtigt, deren Intensität über oder
unter einem bestimmten Grenzwert liegt und die Pixel mit ähnlicher
Intensität
benachbart sind. Eine solche Pixelgruppe wird dann als ein Partikel
gezählt.
-
Die
Erfindung umfasst außerdem
eine Vorrichtung zur Aufnahme einer Pipettenspitze, insbesondere
nach den Ansprüchen
1 bis 9, für
Photometer oder Mikroskope. Mittels der Vorrichtung können die
Geräte
zur Vermessung der Pipettenspitze eingerichtet werden.
-
Der
Vorrichtung kann auch als Nachrüstsatz ausgebildet
sein, beispielsweise als Einsatz, der in den Strahlengang handelsüblicher
Photometer oder Mikroskope gesetzt wird. Diese können damit nachträglich zur
Vermessung der Pipettenspitze aufgerüstet werden. Geeignet sind
hierfür
alle Arten von optischen Mikroskopen oder Photometern, etwa einfache
Photometer oder Spektralphotometer zur Messung einer Absorptionskurve über einen
bestimmten Wellenlängenbereich.
-
Die
Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten
den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
-
Funktionsmäßig gleiche
Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Die
Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
-
1 eine
perspektivische Ansicht der Pipettenspitze;
-
2 eine
perspektivische Ansicht der Pipettenspitze mit Führungen;
-
3a einen
Vertikalschnitt einer Vorderansicht der Pipettenspitze;
-
3b einen
Vertikalschnitt einer Seitenansicht der Pipettenspitze;
-
4 einen
Horizontalschnitt der Pipettenspitze;
-
5 perspektivische
Ansicht der Messvorrichtung mit Pipettenspitze;
-
6 perspektivische
Detailansicht der Messvorrichtung mit Aufnahmeeinrichtung und Pipettenspitze;
-
7 einen
Vertikalschnitt einer Seitenansicht der Messvorrichtung mit Pipette;
-
Die
nachfolgend beschriebenen und in den Figuren dargestellten bevorzugten
Ausführungsformen
der Pipette 1 und der Messvorrichtung 10 sind aufeinander
abgestimmt, um die Anzahl von biologischen Zellen, die Zelldichte
oder die Lebend/Todbestimmung aus einem Zellkulturansatz in einer
Probe zu messen. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Verwendung
beschränkt.
-
Die 1 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Pipettenspitze 1 schräg von oben.
Die Pipettenspitze 1 hat einen oberen Abschnitt 3,
der sich konusförmig
erweitert und nach oben geöffnet
ist. Die Pipettenspitze 1 kann mit dieser oberen Öffnung 4 auf eine
handelsübliche
Pipettiervorrichtung (nicht gezeigt), wie zum Beispiel eine Handpipette
aufgesteckt werden. Die Pipettenspitze 1 hat außerdem einen
unteren Abschnitt 5 mit zwei transparenten Messfenstern 2 in
optischer Qualität.
Die Flächen
der Messfenster 2 sind planparallel zueinander angeordnet.
Die Pipettenspitze 1 ist kostengünstig im Einkomponentenspritzgussverfahren
aus Polymethylmethacrylat hergestellt. Wird eine besonders hohe optische
Qualität
der Messfenster 2 benötigt,
kann die Pipettenspitze 1 im Zweikomponentenspritzgussverfahren
werden, wobei die Messfenster 2 umspritzt sind.
-
Mittels
der Messfenster 2 kann eine (nicht gezeigte) flüssige Probe,
die sich im Innern der Pipettenspitze 1, also zwischen
den beiden Messfenstern 2 befindet, optisch analysiert
werden. Für
eine Messung wird die Pipettenspitze 1 auf eine Pipettiervorrichtung
aufgesteckt. Eine flüssige
Probe wird mit der Pipettiervorrichtung in die Pipettenspitze 1 eingesogen.
Danach wird die Pipettenspitze 1 in den Strahlengang einer
Messvorrichtung 10 (siehe 4) gebracht.
Das Messlicht durchstrahlt dann die beiden Messfenster 2 und
die Probe kann direkt in der Pipettenspitze 1 vermessen
werden.
-
2 zeigt
eine andere Ausführungsform der
Pipettenspitze 1. Es ist erkennbar, dass die Pipettenspitze 1 nicht
vollständig
rotationssymmetrisch ist wie bekannte Pipettenspitzen, sondern Führungen 6 aufweisen.
Durch die Führungen 6 ist
es möglich,
die Pipettenspitze 1 drehfest in einer bestimmten Position
zu fixieren und die Messfensterflächen bei einer Messung immer
senkrecht zur optischen Achse einer Messvorrichtung 10 zu
halten.
-
Die 3a und 3b zeigen
Vertikalschnitte der Pipettenspitze 1, und zwar jeweils
von vorne und von der Seite. Das flüssige Probenvolumen, das beim
Ansaugen aufgenommen wird, beträgt
etwa 21 μl.
-
4 zeigt
einen Horizontalschnitt der Pipettenspitze, wobei die Schnittebene
im unteren Abschnitt 5 im Bereich der Messfenster 2 liegt.
Die beiden Messfenster 2 sind in einem Abstand von etwa 100 μm zueinander
angeordnet. Mit den Seitenwänden 7 umgrenzen
sie bei diesem Abstand ein Probenvolumen.
-
5 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Messvorrichtung 10. Die
Messvorrichtung 10 ist aus einem Blickwinkel dargestellt,
der sie schräg
von vorne und von der Seite zeigt. Es handelt sich um ein kompaktes
Gerät,
das von einem Gehäuse 13 umschlossen
wird. Im vorderen Bereich befindet sich für die Pipettenspitzen 1 eine
Aufnahmeeinrichtung 12, von der nur ein Teil der Öffnung 11 sichtbar
ist. In diese ist eine Pipettenspitze 1 gesteckt.
-
6 zeigt
perspektivische Detailansicht der Messvorrichtung 10 mit
der Aufnahmeeinrichtung 12 und eingesteckter Pipettenspitze 1.
Eine Pipettiervorrichtung ist nicht dargestellt. Damit die Aufnahmeeinrichtung 12 sichtbar
ist, ist die Messvorrichtung 10 ohne Gehäuse 13 dargestellt.
Die Pipette 1 ist durch eine obere Öffnung 11 in die Aufnahmeeinrichtung 12 eingesteckt.
Es sind die transparenten Messfenster 2 der Pipette 1 sichtbar,
die senkrecht zu einer optischen Achse (nicht gezeigt) der Messvorrichtung 10 positioniert
sind. Durch die Führungen 6 und
Anschläge
der Pipettenspitze 1 wird diese in eine korrekte Messposition
zur Optik 16, 17 und zum Detektor 18 zwangsgeführt, um
reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Um die Pipette 1 in
dieser Position zu fixieren, ist eine Klemmfeder 14 vorgesehen.
-
7 zeigt
einen Vertikalschnitt einer Seitenansicht eines Teils der Messvorrichtung 10 mit
einer Pipette 1. Eine Pipettenspitze 1 ist von
oben in die Aufnahmeeinrichtung 12 eingesteckt. Sie wird von
einer Klemmfeder 14 im Strahlengang 20 fest gehalten.
Im vorderen Bereich der Messvorrichtung 10 befindet sich
eine Leuchtdiode 15 (nicht gezeigt) als Lichtquelle. Hinter
der Aufnahmeeinrichtung 12 ist eine Optik angeordnet, die
aus zwei asphärischen Linsen 16 und
einem Filter 17 besteht. Hinter der Optik 16, 17 befindet
sich als lichtempfindlicher Detektor ein CMOS-Chip 18,
der einen elektronischen Verschluss aufweist. Der CMOS-Chip 18 selbst
hat eine vertikale und horizontale Auflösung von 5,2 μm. Die tatsächlich messbare
Auflösung
der Messvorrichtung 10 beträgt 2,08 μm bei 2,5-facher Vergrößerung.
-
Der
CMOS-Chip 18 ist mit einer Elektronik und einer USB-Schnittstelle
verbunden.
-
Die
Messvorrichtung 10 und die Pipettenspitze 1 sind
in den dargestellten Ausführungsformen
besonders für
die Messung von biologischen Proben geeignet. Als biologische Probe
kommt zum Beispiel eine Blutprobe in Frage, in der die Anzahl an
Blutkörperchen
bestimmt werden soll. Ebenso kann die Probe Milch sein, in der die
Anzahl von Bakterien bestimmt werden soll. Sind die Zellen mit Trypanblau angefärbt, dann
können
mit der beschrieben Vorrichtung sehr gut tote und lebende Zellen
in einem Zellkulturansatz unterschieden werden.
-
Die
Zellen zeigen sich auf dem vom CMOS-Chip gelieferten Bild als Pixel
oder Pixelgruppen bei Messungen mit erhöhter oder erniedrigter Intensität. Bei Phasenkontrastbildern
oder Anwendung von anderen Kontrastverfahren zeigen sich die Zellen
mit erniedrigter Intensität.
Darüber
hinaus gibt es Messverfahren, wo Suspensionszellen durch Defokussierung
einen Linseneffekt erzeugen, welcher einen helleren Fleck im Zentrum
der Zelle erzeugt. In diesem Fall sind die genannten 100 μm Spaltabstand zwischen
den Messfenstern 2 der Pipettenspitze 1 vorteilhaft,
weil aufgrund der Tiefenschärfe
der Optik der Linseneffekt gemessen werden kann, wenn die numerischen
Apertur der Optik kleiner als 0,1 ist.
-
Ein
Messvorgang läuft
typischerweise wie folgt ab: Die Pipettenspitze 1 wird
auf eine Handpipette (nicht gezeigt) gesteckt und damit ein definiertes
Volumen der Probe in die Pipettenspitze 1 eingesaugt. Die
Pipettenspitze 1 wird dann mittels der Handpipette in die Öffnung 11 gesteckt
und nach unten gedrückt.
Die Handpipette bleibt während
der Messung auf der Pipettenspitze 1 aufgesteckt. Sie ist dann
im Strahlengang der Messvorrichtung 10 durch die Klemmfeder 14 fixiert.
Durch das Hereindrücken wird
außerdem
ein Mikroschalter (nicht gezeigt) betätigt, der die Leuchtdiode 15 anschaltet
und danach den Verschluss auslöst.
Die von der Leuchtdiode 15 emittierte Strahlung durchdringt
dann das erste Messfenster 2 der Pipettenspitze 1,
die biologische Probe und das zweite Messfenster 2. Das
Bild der Probe wird von der Optik 16, die aus einem asphärischen
Linsensystem besteht, vergrößert auf
die Sensorfläche
des CMOS-Chips 18 projiziert. Der Abstand der beiden Messfenster 2 in
der Pipette beträgt 100 μm. Diese
Entfernung entspricht gerade der Tiefenschärfe der Optik 16,
so dass ein scharfes Bild projiziert wird. Der CMOS-Chip 18 wird
dann 300 ms oder kürzer
belichtet. Diese Belichtungsdauer ergibt sich daraus, dass die Zellen
in der Probe mit 3 μm
pro Sekunde nach unten sedimentieren. Da die optische Auflösung der
Messvorrichtung 10 2,08 μm
beträgt, wird
bei der genannten Belichtungszeit von 300 ms oder kürzer ein
scharfes Bild aufgenommen. Danach wird die Pipettenspitze 1 wieder
aus der Messvorrichtung 10 entnommen und die Probe entsorgt.
-
Das
aufgenommene Bild der Probe kann auf einem Display (nicht gezeigt)
der Messvorrichtung 10 betrachtet und manuell ausgewertet
werden. Außerdem
wird es mittels der USB-Schnittstelle auf einen Computer übertragen,
auf dem ein Bildverarbeitungsprogramm installiert ist. Das Programm
unterscheidet durch ein mathematisches Transformationsverfahren
Signale vom Rauschen und zählt
dann alle Signale auf, die es Partikeln oder Zellen zuordnet. Auf
diese Weise können
sehr schnell und mit hoher Genauigkeit Zellen in einer Probe gezählt werden oder
deren Eigenschaften bestimmt werden.
-
Es
ist mit dieser Vorrichtung auch möglich, biologische Zellen oder
Partikel mittels Fluoreszenz zu messen. Hierbei regt die Leuchtdiode 15 eine
Fluoreszenz in der Probe an, die gemessen wird. Hierzu wird im Strahlengang
ein geeignetes Sperrfilter 17 angeordnet, das das Anregungslicht
nicht durchlässt. Auf
diese Weise können
zum Beispiel gentechnisch veränderte
Zellen gezählt
werden, die mit dem Gen für
das grün
fluoreszierende Protein transfiziert sind.
-
Die
Erfindung ist aber nicht auf das Zählen von Zellen oder Partikeln
beschränkt.
Die Messvorrichtung 10 kann beispielsweise auch als Photometer zur
Messung der Absorption einer Probe ausgebildet sein. In diesem Fall
besteht der Detektor 18 aus einer Photodiode oder einem
Photomultiplier, da kein Bild erzeugt sondern lediglich eine Intensität gemessen wird.
Die Messfenster 2 in der Pipettenspitze 1 können einen
größeren Abstand
haben, dass es nicht auf die Tiefenschärfe ankommt und es kann ein
größeres Probenvolumen
gemessen werden.
-
Ebenso
kann die Messvorrichtung 10 eine Prismen- oder Gitteranordnung
aufweisen und als Spektralphotometer oder Zweistrahlenspektralphotometer
ausgebildet sein. Auf diese Weise kann ein Absorptionsspektrum in
einem bestimmten Wellenlängenbereich
gemessen werden.
-
- 1
- Pipettenspitze
- 2
- Messfenster
- 3
- Konus
- 4
- obere Öffnung
- 5
- unterer
Abschnitt
- 6
- Führung
- 7
- Seitenwand
- 10
- Messvorrichtung
- 11
- Öffnung der
Aufnahmeeinrichtung
- 12
- Aufnahmeeinrichtung
- 13
- Gehäuse
- 14
- Klemmfeder
- 15
- Lichtquelle
- 16
- Linse
- 17
- Filter
- 18
- Detektor
- 19
- Boden
- 20
- Strahlengang