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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Dosiervorrichtung.
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Dosiervorrichtungen
werden im Labor zum Dosieren von Flüssigkeiten eingesetzt. Im allgemeinen
haben sie eine Verdrängungsvorrichtung
mit einem Verdrängungsorgan,
durch dessen Verlagerung eine Flüssigkeit
oder eine Luftsäule
bewegt wird. Sie sind insbesondere in den folgenden Ausführungen bekannt:
Nach
dem Luftpolsterprinzip arbeitende Dosiervorrichtungen haben eine
Kolben-Zylinder-Einheit,
mittels der eine Luftsäule
verschiebbar ist, um Flüssigkeit
in eine Pipettenspitze einzusaugen und aus dieser auszustoßen. Hierbei
kommt die Kolben- Zylinder-Einheit
nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit.
Nur die Pipettenspitze, die zumeist aus Kunststoff besteht, wird
benetzt und kann nach Gebrauch ausgetauscht werden.
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Bei
als Direktverdränger
arbeitenden Dosiervorrichtungen wird hingegen eine Spritze mit Probenflüssigkeit
befüllt.
Kolben und Zylinder der Spritze werden von der Flüssigkeit
benetzt, so daß die
Spritze vor dem Dosieren einer anderen Flüssigkeit zumeist durch eine
neue Spritze ersetzt oder gereinigt wird. Auch die Spritze besteht
zumeist aus Kunststoff.
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Kolbenlose
Dosiervorrichtungen weisen beispielsweise eine Pipettenspitze mit
einem ballonartigen Endabschnitt auf, der zum Einsaugen von Flüssigkeit
expandiert und zum Ausstoßen
komprimiert wird. Solche Pipettenspitzen sind auch schon als Austauschteil
konzipiert worden.
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Dispenser
sind Dosiervorrichtungen, die eine aufgenommene Menge einer Flüssigkeit
repetitiv in kleinen Teilmengen abgeben können.
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Außerdem gibt
es Mehrkanal-Dosiervorrichtungen, die mehrere Dosiervorrichtungen
umfassen, um gleichzeitig mehrere Mengen Flüssigkeit zu dosieren.
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Luftpolster-,
Direktverdränger-
und kolbenlose Dosiervorrichtungen können ein unveränderliches oder
ein veränderliches
Dosiervolumen aufweisen. Eine Veränderung des Dosiervolumen wird
zumeist durch Verändern
der Verdrängung
der Verdrängungseinrichtung
erreicht. Beispielsweise kann hierfür der Verschiebeweg des Kolbens
oder der Verformungsgrad des ballonartigen Endabschnittes verändert oder
die Verdrängungseinrichtung
ausgetauscht werden.
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Bei
manuellen Dosiervorrichtungen wird die Verdrängungseinrichtung allein durch
die Körperkraft des
Anwenders angetrieben. Daraus ergeben sich die folgenden Vorteile:
Der Bediener erhält
eine taktile Rückmeldung.
Jede Änderung
der zur Betätigung erforderlichen
Kraft wird sofort bemerkt. So kann der Bediener kontrollieren, ob
die Dosiervorrichtung korrekt arbeitet. Die Geschwindigkeit der
Aufnahme und der Abgabe der Flüssigkeit
kann vom Bediener direkt und verzögerungsfrei variiert werden.
Auch ist eine Abgabe der Flüssigkeit
in einem freien Strahl möglich.
Ein Kontakt zwischen Dosiervorrichtung und einem Gefäß für die Flüssigkeit
kann hierbei vermieden werden. Ferner ist die Dosiervorrichtung
unabhängig von
einer Energieversorgung. Sie kann vom Anwender intuitiv benutzt
werden. Eine aufwendige Einweisung oder Programmierung ist nicht
erforderlich.
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Bei
manuellen Dosiervorrichtungen nachteilig ist, daß die Arbeit durch den hohen
Kraftbedarf ermüdend
ist. Häufiges
Arbeiten mit manuellen Dosiervorrichtung kann gesundheitliche Schäden hervorrufen.
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Bei
elektrischen Dosiervorrichtungen wird die Verdrängungseinrichtung mittels eines
elektrischen Antriebsmotors angetrieben. Der Bediener muß zur Steuerung
der Vorgänge
elektrische Taster bzw. Schalter betätigen. Diese Dosiervorrichtungen haben
den Vorteil, daß die
Bedienung keinen erheblichen Kraftbedarf erfordert.
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Nachteilig
ist jedoch, daß der
Benutzer keine direkte Rückmeldung über die
im System wirkenden Kräfte
erhält,
beispielsweise bei einem Lastanstieg durch Verstopfung der Pipettenspitze
oder Spritze. Auch ist eine Abgabe der Flüssigkeit im Freistrahl nur stark
eingeschränkt
möglich.
Bei leerem Akku oder Batterie muß die Arbeit eingestellt werden. Änderungen
der Geschwindigkeit der Aufnahme und Abgabe der Flüssigkeit
müssen
programmiert werden. Während
des Dosiervorganges sind meist keine Änderungen möglich.
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Die
US 5 389 341 offenbart eine
motorgetriebene Pipette mit einem Betätigungsknopf, bei der die Verlagerung
eines Betätigungsknopfes
die Bewegung eines Kolben über
ein elektronisches Steuerungssystem steuert. Die Verlagerung des
Betätigungsknopfes
wird über
einen elektronischen Wegsensor abgefragt und das Abfrage-Ergebnis
wird elektronisch über
einen Schrittmotor in die Antriebsbewegung der Verdrängungseinrichtung
umgesetzt. Diese elektrische Dosiervorrichtung hat die vorbeschriebenen
Nachteile.
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Aus
der
EP 181,956 A1 ist
eine Pipette bekannt, die zentral in der Symmetrieachse unter einem Servosatz
einen aus Zylinder und Kolben bestehenden Dosierblock aufweist.
Der Servosatz wird durch einen im Oberteil eines als Handgriff ausgebildeten Körpers axial
eingesetzten, mit einer hohlen, über den
Körper
hinausragenden Drucktaste abgeschlossenen steifen Bolzen gebildet.
Der Kolben ist mittels eines freien, dünnen Verbindungsstückes axial
mit dem Bolzen des Servosatzes verbunden.
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Aus
der WO 02/40163 A1 ist eine Vorrichtung zur Aufnahme und/oder Abgabe
von Proben einer Flüssigkeit
bekannt, welche eine Bewegungseinheit umfaßt, wobei diese Bewegungseinheit
einen Hohlkörper
mit einem Hohllraum, der mit einer Systemflüssigkeit im Wesentlichen füllbar ist,
und mit einem auf den Hohlraum wirkenden Bewegungselement zum Aspirieren
und/oder Dispensieren der Flüssigkeit
umfaßt.
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Die
DE 693 13 737 T2 bezieht
sich auf eine Pipette und einem Körper, einem darin angeordneten Zylinder
und einem im Zylinder angeordneten Kolben, der mittels eines Motors
und eines Getriebemechanismus im Zylinder bewegbar ist. Ferner ist
ein elektronisches Steuersystem zum Steuern der Bewegung des Kolbens
vorhanden.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Dosiervorrichtung
zu schaffen, die dem Bediener eine taktile Rückmeldung über die wirksamen Kräfte, eine
Variation der Geschwindigkeit der Aufnahme und Abgabe der Flüssigkeit beim
Dosieren, die Abgabe der Flüssigkeit
im Freistrahl und eine einfache Benutzung erleichtert bzw. ermöglicht und
den Kraftbedarf für
die Betätigung
gegenüber
manuellen Pipetten vermindert.
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Die
Aufgabe wird durch eine Dosiervorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Dosiervorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung hat
- – eine
manuell betätigbare
Betätigungseinrichtung,
- – einen
der Betätigungseinrichtung
zugeordneten Sensor zum Erfassen einer auf die Betätigungseinrichtung
manuell ausgeübten
Kraft,
- – einen
elektrischen Antriebsmotor,
- – eine
mit dem Sensor und dem elektrischen Antriebsmotor verbundene elektrische
Steuerung zum Steuern des Antriebsmotors beim Erfassen einer auf
die Betätigungseinrichtung
ausgeübten Kraft
durch den Sensor,
- – eine
mit dem Sensor, dem elektrischen Antriebsmotor und der elektrischen
Steuerung verbundene elektrische Spannungsversorgung und
- – eine
mit der Betätigungseinrichtung
und dem elektrischen Antriebsmotor über eine Kopplungseinrichtung
verbundene Verdrängungseinrichtung zum
Dosieren von Flüssigkeit.
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Die
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung
ist eine Kombination aus einer manuellen und aus einer elektrischen
Dosiervorrichtung. Die vom Bediener auf die Betätigungseinrichtung ausgeübte Kraft
wird ganz oder teilweise der Verdrängungseinrichtung zugeführt. Zusätzlich erfaßt der Sensor
die vom Bediener ausgeübte
Kraft und steuert die Steuerung den Antriebsmotor so, daß der Verdrängungseinrichtung eine
zusätzliche
Kraft zugeführt
wird, die die vom Bediener eingeleitete Kraft unterstützt. Infolgedessen kann
die Dosiervorrichtung mit einem Bruchteil der bei einer manuellen
Dosiervorrichtung aufzubringenden Kraft bedient werden. Im Gegensatz
zu elektrischen Dosiervorrichtungen geht die vom Bediener eingebrachte
Energie nicht verloren, sondern addiert sich zur Antriebsenergie
des Motors hinzu. Der Antriebsmotor unterstützt nur die Kraft für die Betätigung der
Verdrängungseinrichtung.
Er muß das
Verdrängungsorgan
der Verdrängungseinrichtung
(z.B. Kolben oder ballonartiger Endabschnitt) nicht positionieren.
Die Positionierung kann durch den Bediener gesteuert werden und/oder
durch die Mechanik der Dosiervorrichtung, z.B. durch eine herkömmliche
Begrenzung des Betätigungsweges
mittels eines Anschlages. Hierdurch wird ein besonders preiswerter elektrischer
Antrieb möglich.
Weitere Vorteile der Dosiervorrichtung sind:
Der Bediener erhält eine
taktile Rückmeldung.
Jede Änderung
der für
die Betätigung
erforderlichen Kraft wird sofort bemerkt. Die Geschwindigkeit für die Aufnahme
und Abgabe der Flüssigkeit
kann direkt und verzögerungsfrei
variiert werden. Die Abgabe der Flüssigkeit in einem freien Strahl
ist besser als bei einer herkömmlichen
manuellen Dosiervorrichtung, weil sich die Kraft des Bedieners und
die Kraft des Antriebsmotors addieren. Die Dosiervorrichtung kann intuitiv
benutzt werden. Eine aufwendige Einweisung oder Programmierung ist
nicht erforderlich. Steht die elektrische Spannungsversorgung nicht
zur Verfügung
(z.B. bei leerem Akku oder Batterie), kann weitergearbeitet werden.
Es ist lediglich ein höherer Kraftaufwand
erforderlich. Ein Motor und ein Akku oder eine Batterie kann kleiner
als bei einer herkömmlichen
Dosiervorrichtung ausgelegt werden, da diese Elemente die Energie
des Bedieners nicht ersetzen, sondern nur ergänzen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Betätigungseinrichtung
ein manuell axial verschiebbarer Betätigungsknopf. Die Dosiervorrichtung
ist dann bedienbar wie eine herkömmliche
manuelle oder elektronische Pipette bzw. Dispenser.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Betätigungseinrichtung
entgegen der Kraft einer Feder betätigbar. Auch dies entspricht
herkömmlichen
Pipetten bzw. Dispensern. Die Rückbewegung
der Betätigungseinrichtung
kann dann durch die Federkraft gesteuert werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Betätigungseinrichtung
bis zum Erreichen eines Anschlages betätigbar. Hierdurch wird die
genaue Positionierung des Verdrängungsorgans
der Verdrängungseinrichtung
festgelegt. Auch dies entspricht herkömmlichen manuellen Pipetten
oder Dispensern. Eine Veränderbarkeit
der Dosiermenge ist ebenfalls in herkömmlicher Weise durch einen
verstellbaren Anschlag erreichbar.
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Es
ist möglich,
den Sensor von außen
an der Betätigungseinrichtung
angreifen zu lassen. Gemäß einer
Ausgestaltung ist der Sensor in die Betätigungseinrichtung integriert.
Es kann sich beispielsweise um einen plattenförmigen, druckempfindlichen Sensor
handeln, der in einem Betätigungsknopf senkrecht
zur Betätigungsrichtung
integriert ist. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist der Sensor in eine Betätigungsfläche der
Betätigungseinrichtung integriert.
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist der Sensor ein Force Sensing Resistor
(kraftabhängiger
Widerstand), abgekürzt:
FSR. Ein FSR-Sensor ändert
seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von einer auf eine
aktive Oberfläche
eingeleiteten Kraft. Die Widerstandsänderung kann an Anschlüssen des
Sensors gemessen werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung steuert die Steuerung den Antriebsmotor immer dann
konstant an, wenn der Sensor eine manuell auf die Betätigungseinrichtung
ausgeübte
Kraft detektiert. Der Antriebsmotor kann dann beispielsweise eine
Grundreibung des Systems ganz oder teilweise überwinden, so daß der Bediener
nur noch die zusätzliche
Kraft für
die Verlagerung des Verdrängungsorgans
und gegebenenfalls eines Teils der Systemreibung aufbringen muß.
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Gemäß einer
Ausgestaltung steuert die Steuerung den Antriebsmotor in Abhängigkeit
von der vom Sensor erfaßten
Kraft. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung steuert die Steuerung den Antriebsmotor in
mindestens einer Stufe, wobei bei mehreren Stufen die Höhe der Antriebsleistung
mit der vom Sensor erfaßten
Kraft ansteigt. Gemäß einer Ausgestaltung
steuert die Steuerung den Antriebsmotor proportional zu der auf
den Sensor ausgeübten Kraft.
Gemäß einer
Ausgestaltung schaltet die Steuerung den Antriebsmotor ab, wenn
der Sensor einen starken Anstieg der Kraft erfaßt, die typisch für das Erreichen
des Anschlages ist.
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Die
Betätigungseinrichtung
und der Antriebsmotor über
eine Kopplungseinrichtung sind mit der Verdrängungseinrichtung verbunden.
Bei der Kopplungseinrichtung kann es sich um ein Getriebe handeln.
Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Betätigungseinrichtung über eine
Stange mit der Verdrängungseinrichtung
verbunden. Dies ermöglicht
insbesondere bei einer als Kolben-Zylinder-Einheit ausgeführten Verdrängungseinrichtung
eine sehr einfache Konstruktion. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist
der elektrische Antriebsmotor mit der Stange gekoppelt. Diese Kopplung
ist z.B. mit einem Ritzel, das mit einer Zahnung auf der Zahnstange
kämmt,
ausgeführt.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist der Bedienknopf betätigbar, bis ein mit der Stange
verbundener Anschlag an einem festen Gegenanschlag anliegt.
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Die
Erfindung ist auf sämtliche
eingangs erwähnten
Ausführungen
von Dosiervorrichtungen anwendbar. Ausgestaltungen beziehen sich
auf Dosiervorrichtungen, die eine Verdrängungseinrichtung mit einem
Kolben in einem Zylinder aufweisen, auf Direktverdränger- und
auf Luftpolster-Dosiervorrichtungen. Bei einer Direktverdränger-Dosiervorrichtung umfaßt die Verdrängungseinrichtung
ein Aufnahmevolumen Für
Flüssigkeit
mit einer Durchgangsöffnung
zur Umgebung und bei einer Luftpolster-Dosiervorrichtung ist die Verdrängungseinrichtung
mit einem Aufnahmevolumen für
Flüssigkeit
mit einer Durchgangsöffnung
zur Umgebung verbunden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Betätigungseinrichtung
mit einer Einrichtung zum Lösen und/oder
Abwerfen einer Pipettenspitze und/oder Spritze gekoppelt. Der Kraftaufwand
für das
Lösen und/oder
Abwerfen einer Pipettenspitze und/oder Spritze wird durch die Erfindung
ebenfalls reduziert.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Dosiervorrichtung eine Handdosiervorrichtung.
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Gemäß einer
Ausgestaltung weist die Spannungsversorgung mindestens einen Akku
und/oder mindestens eine Batterie auf.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung
wird anhand der anliegenden Zeichnung erläutert, welche die Dosiervorrichtung
in einem grobschematischen Längsschnitt
zeigt.
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Die
Dosiervorrichtung 1 hat ein zylindrisches Gehäuse 2,
aus dem – in
der Zeichnung – oben
ein axial betätigbarer
Betätigungsknopf 3 herausragt.
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Der
Betätigungsknopf 3 ist über eine
Stange 4 mit einem Kolben 5 verbunden. Der Kolben 5 ist
in einem Zylinder 6 geführt.
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Auf
der Stange 4 ist eine Tellerscheibe 7 befestigt.
Im Gehäuse 2 ist
eine Ringscheibe 8 fixiert. Zwischen Tellerscheibe 7 und
Ringscheibe 8 ist eine Schraubenfeder 9 angeordnet.
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Am
unteren Ende des Gehäuses 2 ist
eine Spritze oder Pipettenspitze 10 fixiert. Diese ist
unten konisch ausgeführt
mit einer Durchtrittsöffnung 11 für Flüssigkeit.
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Bei
einer Ausgestaltung mit einer Spritze 10 gehören der
Zylinder 6 und der Kolben 5 zur Spritze hinzu.
Dann weist das Gehäuse 2 eine
Verbindung mit dem Zylinder 6 und der Kolben 5 eine
Verbindung mit der Stange 4 auf.
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Bei
einer Ausgestaltung mit einer Pipettenspitze 10 gehört der Zylinder 6 zum
Gehäuse 2 und der
Kolben 5 ist dauerhaft an der Stange 4 fixiert.
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In
dem Betätigungsknopf 3 ist
ein Drucksensor 12 integriert. Dieser ist einer Betätigungsfläche 13 des
Betätigungsknopfes 3 zugeordnet,
die außen liegt.
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Im
Gehäuse 2 befindet
sich ein elektrischer Antriebsmotor 14, der auf seiner
Antriebswelle ein Ritzel 15 trägt, das mit einer Zahnung 16 auf
der Stange 4 kämmt.
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Im
Gehäuse 2 ist
eine elektronische Steuerung 17 untergebracht, die mit
dem Drucksensor 12 und dem Antriebsmotor 14 gekoppelt
ist. Ein Akku 18 ist als Spannungsversorgung für den Drucksensor 12,
den Antriebsmotor 14 und die elektronische Steuerung 17 ebenfalls
im Gehäuse 2 vorhanden.
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Die
Kraft zur Betätigung
des Betätigungsknopfes 3 wird über die
Stange 4 direkt in den Kolben 5 eingeleitet. Darüber hinaus
wird über
den Drucksensor 12 das Vorhandensein und die Höhe einer Kraft
erfaßt.
Die Steuerung 17 steuert den Antriebsmotor 14 in
Abhängigkeit
von der vom Drucksensor 12 ermittelten Betätigungskraft.
Infolgedessen treibt der Antriebsmotor 14 die Stange 4 mit
einer Kraft vor, die mit ansteigender Kraft auf den Betätigungsknopf 3 steigt.
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Wenn
der Federteller 7 durch die Federscheibe 8 bzw.
die vollständig
komprimierte Feder 9 gestoppt wird und der Bediener den
Bedienknopf 3 entlastet, wird der Kolben 5 und
der Bedienknopf 3 durch die vorgespannte Feder 9 in
die Ausgangslage zurück
bewegt. Der spannungslose Antriebsmotor 14 läuft hierbei
ohne weiteres mit.
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In
bekannter Weise wird beim Verlagern des Kolbens 5 nach
unten Luft bzw. Flüssigkeit
aus der Spritze bzw. Pipettenspitze 10 ausgestoßen und beim
Verlagern in Gegenrichtung eingesogen.