DE19605006C1

DE19605006C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion und Bestimmung des Volumens von in Gefäßen eingebrachten Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE19605006C1
Application number: DE19605006A
Authority: DE
Inventors: Gerd Prof Dr Ing Stanke
Original assignee: FOERDERUNG ANGEWANDTER INFORMA
Current assignee: FOERDERUNG ANGEWANDTER INFORMA
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2016-01-31

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion und Bestimmung des Volumens von in Gefäßen eingebrachten Flüssigkeiten, wobei das Volumen über ein optisches Bild und dessen Analyse bestimmt wird.

Die Erfindung liegt im Bereich der Kontrolle bei der Dosierung von kleineren Flüs sigkeitsvolumina (z. B. 5 µl-50 µl) insbesondere für chemische und klinische Analy sen. Vorwiegend für Anwendungen, bei denen durch sogen. Pipettierroboter in kurzer Zeit eine Vielzahl derartiger Volumina in Mikrotiterplatten, die jeweils eine größere Anzahl, z. B. 8×12, von Minigefäßen aufweisen, eingebracht werden müssen und bei denen für eine zuverlässige analytische Auswertung sichergestellt sein muß, daß ein Flüssigkeitsvolumen tatsächlich in jedes Minigefäß der Mikrotiterplatte abgelegt wurde.

Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, die sich sowohl mit der Dosierung als auch der Vermessung kleinerer Flüssigkeitsvolumina befassen. Dabei werden opti sche und nichtoptische (kapazitive oder eintauchende) Verfahren verwendet. In der DE 42 11 003 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren des Volumens einer ausgetragenen Flüssigkeit beschrieben, bei der im Prozeß des Austragens (Abtropfens, Ausspritzens) die zeitliche Länge des Tropfstrahls außerhalb des Gefäßes und unabhängig vom Durchmesser des Strahls optisch gemessen wird. Die DE 43 14 249 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung des Flüssigkeitspegels. Dabei wird das Gefäß mit der Flüssigkeit durchleuchtet und elektro-optisch ein Signal ausgewertet, das den oberen Flüssigkeitspegel zu detektieren gestattet. Das Japanische Patent mit der Publikationsnummer 06313723 A betrifft ein Verfahren für die Messung der Füllstand höhe in Gefäßen auf Grund der Absorption eines Infrarotstrahls. Die DE 43 30 412 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dosieren von Flüssigkeiten, bei dem das Flüssigkeitsvolumen an einem Transferelement gemessen wird, dies ist insbesondere für extrem kleine Volumina bis ca. 1 µl geeignet.

Nachteilig bei den beschriebenen Verfahren (DE 42 11 003 A1, DE 43 30 412 A1) ist, daß das Volumen vor dem Einbringen in den eigentlichen Zielort, z. B. Mikrogefäße in Mikrotiterplatten, gemessen wird, so daß nicht sicher gesagt werden kann, ob die abzulegende Flüssigkeit ihr Ziel erreicht hat. Nachteilig bei dem beschriebenen Verfahren (DE 43 30 412 A1) ist weiterhin, daß die Volumenbestimmung des Tropfens abhängig von der Oberflächenstruktur des konkreten Transferelementes ist, für ein neues Transferelement eine neue Kalibrierung erfolgen muß und daß bei nichtkreisförmigen Querschnitten der Transferelemente mit mehreren Strahlbündeln gemessen werden muß. Nachteilig bei dem Verfahren (DE 43 14 249 A1) ist, daß die Signalgewinnung zur Volumenberechnung quer zur Flüssigkeitssäule erfolgt, sie somit nicht für Mengen von Gefäßen, die in Batterien, so wie es z. B. in Mikrotiterplatten der Fall ist, angeordnet sind, geeignet sind. Nachteilig bei diesen ist auch, daß eine Flüssigkeitssäule im Gefäß vorhanden sein muß, Tropfen auf dem Boden oder an einem Teil der Gefäßwand, so wie es z. B. typisch für Mikrotiterplatten ist, nicht entsprechend sicher detektiert werden können. Nachteilig bei dem in JP 06313723 A beschriebenen Verfahren ist, daß nur eine eindimensionale Signalerhebung erfolgt, also Flüssigkeitsvolumina, die sich nicht als Säule, sondern als Tripfen ausbilden, nicht in ihrer Form und damit nicht in ihrem Volumen bestimmt werden können, nachteilig ist auch, daß im gewählten IR-Bereich nichtdurchscheinende Flüssigkeiten nicht vermessen werden können.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrich tung zu schaffen, die es gestatten, das Volumen eines Reagenz- oder Probetropfens oder eines Volumens nach seinem Einbringen in das Zielgefäß (z. B. ein Gefäß in einer Mikrotiterplatte) zu bestimmen, wobei vorzugsweise der Volumenbereich ab 5 µl in Betracht zu ziehen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 bzw. Anspruch 5 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Verweis auf die angefügten Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 teilweise vereinfacht den Gesamtaufbau einer Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion und Bestimmung der in Mikro gefäßen eingebrachten Volumen;

Fig. 2 eine Ausführungsform eines geeigneten Strukturierungsmusters, das in der Kamera ein erwartetes Bildmuster zu erzeugen gestattet und das durch die in die Mikrogefäße eingebrachten Flüssigkeitsvolumina in seinem Erschei nungsbild gestört wird;

Fig. 3 das Detail einer Ausführung einer Mikrotiterplatte, das genau ein Gefäß umfaßt, in dem ein Flüssigkeitsvolumen abgelegt ist;

Fig. 4 ein über die Kamera von oben aufgenommenes typisches Bild, in dem durch die in dieser Ausführungsform durchsichtigen Gefäße die regelmäßig verformten Strukturierungen in den Teilen, wo sich keine Flüssigkeit befindet, zu sehen sind und in den Teilen mit Flüssigkeit eine Störung dieser Regel mäßigkeit zu sehen ist;

Fig. 5 einen Ausschnitt einer Ausführungsform der Gesamtanordnung, in der die Kamera durch eine in einem bekannten Winkel angebrachten Projektions einrichtung ergänzt ist.

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Verfahren zur Detektion und Bestimmung abgelegter Flüssig keitsvolumina. Die Kamera 4 nimmt ein Bild der Szene mit einem Gefäß 2 aus einer Mikrotiterplatte 3, in dem sich ein Flüssigkeitsvolumen 5 befindet und in dem durch die in Fig. 3 im Detail gezeigte Gefäßwand 6 die Strukturierung 1 zu sehen ist, auf und leitet dieses Bild an eine nicht weiter ausgeführte Auswerteeinheit 8, die z. B. ein Personalcomputer sein kann, weiter. Ein typisches Erscheinungsbild der durch die Kamera aufgenommenen Szene zeigt die Fig. 4, wobei mit 7a die Teile der Struk turierung 1 gekennzeichnet sind, die einer erwartungsgemäßen regelmäßigen Deformation in ihrer optischen Abbildung durch die Gefäßwand 6 unterliegen und in der mit 7b die Teile dieser Strukturierung 1 gekennzeichnet sind, die einer weiteren Deformation, die auch eine vollständige Abschattung sein kann, durch das einge brachte Flüssigkeitsvolumen unterliegen. Die Flächenbereiche dieser Deformation können durch an sich bekannte Verfahren der Bildverarbeitung in der Auswerteein heit 8 berechnet werden, so daß diese Bereiche unter Nutzung der bekannten Gefäßgeometrie und feststehender physikalischer Parameter der Flüssigkeit wie Oberflächenspannung, Adhäsion und Dichte zur Voluminaberechnung nach physi kalischen Gesetzmäßigkeiten, die in Formeln gefaßt sind, dienen. Fig. 3 zeigt ein Gefäß 2 mehr im Detail mit der Gefäßwand 6, wobei zugelassen ist, daß sich die Strukturierung auch direkt auf der inneren Seite der Gefäßwand 6a oder der äußeren Seite der Gefäßwand 6b oder in der Gefäßwand 6 befindet. Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf eine Ausführungsform der Strukturierung 1; in Fig. 1 ist diese Strukturierung 1 nur als Seitenschnitt angedeutet. Fig. 5 zeigt eine vorteilhafte Ausführung mit der Kamera 4 und dem Projektor 9, der gestattet, ein definiertes Lichtmuster, z. B. einen Punkt, zu projizieren. Der Hauptstrahl 10 der Kamera 4 und der Hauptstrahl 11 des Projektors 9 befinden sich in einem definierten und bekannten Winkel 12, so daß in der Auswerteeinheit 8 der Ort des Lichtpunktes des projizierten Lichtmusters im Bild bestimmt werden kann und über die bekannten Verfahren der Triangulation unter Ausnutzung der Bekanntheit der Entfernung 13 des Mittelpunktes des Linsensystems 14 vom Gefäß 2 und der Parameter der Kamera 4 die Entfernung des aktuellen Flüssigkeitspegels von dem Linsensystem der Kamera 4 berechnet werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Strukturierung
1a Strukturierungslinien
2 Gefäß
3 Mikrotiterplatte
4 Kamera
5 Flüssigkeitsvolumen
6 Gefäßwand
6a Strukturierung auf der inneren Gefäßwand
6b Strukturierung auf der äußeren Gefäßwand
7 typisches Erscheinungsbild des Gefäßes mit Flüssigkeitsvolumen und sichtbarer Strukturierung
7a Abbild der Teile der Strukturierung durch die die Gefäßwand deformiert ist
7b Abbild der Teile der Strukturierung durch die die Flüssigkeit und Gefäßwand deformiert sind
8 Auswerteeinheit
9 Projektionseinheit
10 Hauptstrahl Kamera
11 Hauptstrahl Projektor
12 Winkel zwischen Hauptstrahl Kamera und Hauptstrahl Projektionseinheit
13 Entfernung Linsensystem Gefäß
14 Mittelpunkt Linsensystem

Claims

1. Verfahren zum Detektieren und Bestimmen des Volumens von in Gefäßen ein gebrachten Flüssigkeiten unter Nutzung einer Bilderfassung sowie Bildverar beitung und Bildauswertung, mit den weiteren Merkmalen, daß

- sich an der Gefäßwand oder hinter bzw. unter der Gefäßwand oder in der Gefäßwand eine Strukturierung befindet,
- mindestens ein Bild des Gefäßes mit dem sich gegebenenfalls darin befind lichen Flüssigkeitsvolumen und der Strukturierung aufgenommen wird und nachfolgend
- die aufgenommenen Bilder verarbeitet und ausgewertet werden derart, daß die Störungen im Abbild der Strukturierung durch Verzerrungen und/oder Veränderungen in der Regelmäßigkeit und/oder durch Abschattungen als Kriterium für das Vorhandensein und als Berechnungsgrundlage für die Größe des Volumens der Flüssigkeiten dienen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Volumens berechnet wird unter Berücksichtigung der Parameter Detektionsfläche, Dichte und Oberflächenspannung der Flüssigkeit sowie Form des Gefäßes.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliches Berechnungskriterium die Entfernung zwischen Bild erfassungssystem und Flüssigkeitspegel verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung durch Triangulation bestimmt wird.

5. Vorrichtung zum Detektieren und Bestimmen des Volumens von in Gefäßen eingebrachten Flüssigkeiten mit einer Kamera und einer Auswerteeinheit zur Bildverarbeitung und Bildauswertung,
mit den weiteren Merkmalen, daß
sich an der Gefäßwand oder hinter bzw. unter der Gefäßwand oder in der Gefäßwand eine Strukturierung befindet, die Kamera (4) derart angeordnet ist,
daß sie ein Bild des Gefäßes mit dem sich gegebenenfalls darin befindlichen Flüssigkeitsvolumen und der Strukturierung aufnimmt, und daß in der Auswerteeinheit die Störungen im Abbild der Strukturierung durch Verzerrungen und/oder Veränderungen in der Regelmäßigkeit und/oder durch Abschattungen als Kriterium für das Vorhandensein und als Berechnungsgrundlage für die Größe des Volumens der Flüssigkeit dienen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (2) in einer Mikrotiterplatte aus durchsichtigem Material ist und das Bild der Strukturierungslinien (1a) der Strukturierung (1) von der Kamera (4) durch das Gefäß (2) hindurch aufgenommen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (4) durch eine Projektionseinheit (9), die ein definiertes Lichtmuster projiziert, so ergänzt ist, daß die Entfernung (13) von der Kamera (4) zum Pegel der Flüssigkeit (5) durch Triangulation bestimmt wird.