DE202014002452U1 - Centrifuge for automatic sample preparation in a serial procedure - Google Patents
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Abstract
Zentrifuge mit einem Zentrifugengehäuse (9), in dem ein Rotorraum (11) definiert ist, in welchem ein Rotor (3) zur Aufnahme eines Probengefäßes (13) mit zumindest einer zu zentrifugierenden Substanz und zur Aufnahme eines Referenz-Probengefäßes (13') mit zumindest einer Referenzsubstanz angeordnet und drehbar gelagert ist, und wobei der Rotor (3) Schwingtassen (5, 5') jeweils zur Aufnahme von Probengefäß (13) sowie Referenz-Probengefäß (13') aufweist.Centrifuge with a centrifuge housing (9), in which a rotor space (11) is defined, in which a rotor (3) for receiving a sample vessel (13) with at least one substance to be centrifuged and for receiving a reference sample vessel (13 ') at least one reference substance is arranged and rotatably mounted, and the rotor (3) has oscillating cups (5, 5 ') in each case for receiving the sample vessel (13) and the reference sample vessel (13').
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zentrifuge für eine automatische Probenvorbereitung bei einem seriellen Verfahrensablauf innerhalb eines vollautomatischen Analysensystems, insbesondere im Bereich der LC-MS-Analytik.The present invention relates to a centrifuge for automatic sample preparation in a serial process sequence within a fully automatic analysis system, in particular in the field of LC-MS analysis.
Zentrifugen sind in unterschiedlichsten Ausführungen bekannt. Allen Ausführungen gemeinsam ist das Prinzip, daß ein Rotor, der eine zu separierende Substanz aufweist, in einem Behälter von einem Antrieb mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Dadurch findet die gewünschte Trennung von in dem Rotor befindlichen Substanzen statt. Ein Maß für die Geschwindigkeit, mit welcher der Rotor jeweils gedreht wird, ist die Umdrehungszahl pro Zeiteinheit. Je nach Art der Zentrifuge und ihrem Verwendungszweck sind die Unterschiede hier sehr groß. So gibt es Zentrifugen mit Umdrehungszahlen im Bereich von bis zu 150000 U/min und solche mit Umdrehungszahlen im Bereich von einigen tausend U/min. Mit der Umdrehungszahl korrespondiert die relative Zentrifugalbeschleunigung, abgekürzt als RZB oder international als RCF (relative centrifugal force) bezeichnet.Centrifuges are known in various designs. Common to all embodiments is the principle that a rotor having a substance to be separated is rotated in a container by a drive at high speed. As a result, the desired separation of substances located in the rotor takes place. A measure of the speed at which the rotor is rotated in each case is the number of revolutions per unit time. Depending on the type of centrifuge and its intended use, the differences here are very large. So there are centrifuges with speeds in the range of up to 150000 rev / min and those with speeds in the range of a few thousand rpm. With the number of revolutions corresponds the relative centrifugal acceleration, abbreviated as RZB or internationally referred to as RCF (relative centrifugal force).
Außerdem ist zwischen solchen Zentrifugen zu unterscheiden, die auf dem Boden stehen und dort befestigt sind, und Zentrifugen, die auf einem Tisch installiert werden. Bodenzentrifugen werden in der Regel direkt betrieben, indem der die zu trennenden Substanzen aufweisende Rotor auf einer rotierenden Ausgangswelle des als Antrieb dienenden Motors angebracht ist. Für Tischzentrifugen ist es bereits bekannt, den Rotor über einen Riemenantrieb anzutreiben. Wie der
Als Besonderheit bei der Ausgestaltung des Zentrifugenrotors sind sogenannte Schwingbecher oder Schwingtassen zu nennen. Solche Schwingbecher bzw. Schwingtassen sind schwingbar an den Rotor gekoppelt, um den Längsachsen der von den Schwingbechern/Schwingtassen getragenen Probengefäße ein Schwenken von einer senkrechten Ausrichtung, in welcher die Probengefäße üblicherweise in den Rotor positioniert werden, nach außen in eine waagerechte Ausrichtung zu ermöglichen, wenn sich der Rotor während des Zentrifugiervorgangs dreht. Um die dynamischen Kräfte während des Zentrifugierens auszugleichen, sind Schwingbecher-/Schwingtassenrotoren typischerweise so ausgeführt, daß sie die Schwingbecher/Schwingtassen im wesentlichen symmetrisch um die Rotationsachse bewegen.As a special feature in the design of the centrifuge rotor so-called swing cup or rocker cups are mentioned. Such swing cups are swingably coupled to the rotor to allow the longitudinal axes of the sample cups carried by the swing cups to pivot outwardly from a vertical orientation in which the sample cups are typically positioned in the rotor outward into a horizontal orientation. when the rotor rotates during the centrifuging process. To balance the dynamic forces during centrifugation, swing bucket / swing cup rotors are typically designed to move the bucket cups substantially symmetrically about the axis of rotation.
Neuerdings besteht immer mehr Bedarf nach effizienten Analysensystemen, z. B. einem solchen Analysensystem, mit welchem Proben unterschiedlicher Art, insbesondere Proben aus dem biologisch-medizinischen Bereich, beispielsweise Blutproben, im Rahmen einer Reihenuntersuchung nicht nur untersucht, sondern für diese Untersuchung effizient vorbereitet werden können. Dazu gehört, daß diese Proben zunächst methodenspezifisch aufgearbeitet werden müssen, um sie erst dann dem eigentlichen Meßgerät zuzuführen.Recently, there is an increasing demand for efficient analysis systems, eg. B. such an analysis system with which samples of different types, especially samples from the biological-medical field, such as blood samples, not only examined in the context of a screening, but can be prepared efficiently for this investigation. This includes that these samples must first be processed method specific, in order to then supply them to the actual meter.
Wenn beispielsweise Blutplasma-Untersuchungen mittels LC-MS durchzuführen sind, muß das Blutplasma verdünnt, mit einem internen Standard versetzt und ein Fällungsmittel hinzugegeben werden. Die so behandelte Probe wird dann geschüttelt und zentrifugiert, damit der Überstand als meßbare Probenlösung der LC-MS zugeführt werden kann. Solche für eine Analyse erforderlichen vorbereitenden Schritte, wie hier am Beispiel der LC-MS-Analyse erläutert, sind teilweise umständlich und zeitintensiv. Sie verlangsamen daher den Prozeß, bis ein Ergebnis erhalten werden kann, erheblich. Es sind bisher Methoden bekannt, welche mehrere aufwendige und voneinander getrennte Arbeitsschritte, insbesondere die schon genannten methodenspezifischen Aufarbeitungsschritte benötigen, die zudem unterschiedliche zeitliche Abläufe für die einzelnen Proben zur Folge haben können. D. h. die Aufarbeitung ist zumeist in mehrere Arbeitsschritte aufgeteilt, die parallel, d. h. nebeneinander und von dem eigentlichen Meßsystem abgekoppelt, durchgeführt werden. Daraus ergeben sich eine Vielzahl von möglichen Fehlern, welche das analytische Ergebnis verfälschen oder ganz unbrauchbar machen können. Die dabei herkömmlich verwendeten Zentrifugen sind so aufgebaut, daß gleichzeitig mehrere Proben zentrifugiert werden und sie werden nicht den Anforderungen gerecht, welche eine automatische und serielle Funktionsweise erfordert. Da insbesondere im biologisch-medizinischen Bereich auch sehr kleine Probenmengen mit ganz unterschiedlicher Matrix aufgearbeitet und vermessen werden müssen, können herkömmliche Zentrifugen schon deshalb nicht verwendet werden.For example, if blood plasma assays are to be performed by LC-MS, the blood plasma must be diluted, an internal standard added, and a precipitant added. The thus treated sample is then shaken and centrifuged to allow the supernatant to be delivered as a measurable sample solution to the LC-MS. Such preparatory steps required for an analysis, as explained here using the example of the LC-MS analysis, are sometimes cumbersome and time-consuming. They therefore slow the process considerably until a result can be obtained. Methods have hitherto been known which require a number of complex and separate work steps, in particular the method-specific work-up steps already mentioned, which can also result in different time sequences for the individual samples. Ie. the work-up is usually divided into several steps, the parallel, d. H. next to each other and decoupled from the actual measuring system, performed. This results in a large number of possible errors which can falsify the analytical result or make it completely useless. The centrifuges conventionally used are constructed so that several samples are simultaneously centrifuged and they do not meet the requirements, which requires automatic and serial operation. Since even in the biological-medical field even very small sample quantities with very different matrix have to be worked up and measured, conventional centrifuges can not therefore be used.
Davon ausgehend lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zentrifuge bereitzustellen, mit welcher eine automatische Probenvorbereitung und -analyse in einem seriellen Verfahrensablauf, insbesondere im Bereich der Flüssigkeitschromatograpie und ganz besonders im Bereich der gekoppelten LC-MS-Analyse, d. h. durch weitere Kopplung mit einem Massenspektrometer, ermöglicht wird.Based on this, the object of the present invention was to provide a centrifuge with which an automatic sample preparation and analysis in a serial process sequence, in particular in the field of liquid chromatography, and especially in the area of coupled LC-MS analysis, ie by further coupling with a mass spectrometer.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Zentrifuge mit einem Zentrifugengehäuse, in dem ein Rotorraum definiert ist, in welchem ein Rotor zur Aufnahme eines Probengefäßes mit zumindest einer zu zentrifugierenden Substanz und zur Aufnahme eines Referenz-Probengefäßes mit zumindest einer Referenzsubstanz angeordnet und drehbar gelagert ist, und wobei der Rotor Schwingtassen jeweils zur Aufnahme von Probengefäß sowie Referenz-Probengefäß aufweist.This object is achieved by a centrifuge with a centrifuge housing in which a rotor space is defined, in which a rotor for receiving a sample vessel with at least one substance to be centrifuged and for receiving a reference sample vessel with at least one reference substance is arranged and rotatably mounted, and wherein the rotor has rocker cups respectively for receiving sample vessel and reference sample vessel.
Die in vorgelagerten Schritten für die Analyse vorbereiteten Proben, wobei zu diesen Schritten je nach Art der Probe eine Fällung, Flüssig-Flüssig-Extraktion, Festphasen-Extraktion, Filtrierung, Derivatisierung und/oder thermische Inkubation gehören können, wobei für die Proben insbesondere kleine Probenmengen charakteristisch sind, können mit der erfindungsgemäßen Zentrifuge seriell, d. h. eine nach der anderen, abzentrifugiert und direkt aus dem Probenbehältnis der eigentlichen Analyse zugeführt werden.Depending on the nature of the sample, these steps may include precipitation, liquid-liquid extraction, solid-phase extraction, filtration, derivatization and / or thermal incubation, with small sample quantities for the samples in particular are characteristic, with the centrifuge according to the invention serially, d. H. one after the other, centrifuged and fed directly from the sample container to the actual analysis.
Die erfindungsgemäße Zentrifuge zeichnet sich in einer Weiterbildung durch eine senkrechten Anordnung der Schwingtassen des Rotors für die Aufnahme des Probengefäßes und für die Aufnahme des Referenz-Probengefäßes, und einer bis zu waagerechten Anordnung bei Einwirken der Zentrifugalkraft bei dem Betrieb der Zentrifuge in dem Probengefäß und dem Referenz-Probengefäß aus, wobei die Zentrifugalkraft von oben nach unten, in Richtung auf den Boden des Zentrifugengehäuses, wirksam ist. Das Probengefäß wie auch das Referenz-Probengefäß, welches ein Referenzgewicht enthält, werden somit vorzugsweise jeweils senkrecht in den dafür vorgesehenen Schwingtassen des Rotors positioniert. Wirkt nun während des Zentrifugierens die Zentrifugalkraft auf die Probe in dem Probengefäß ein, kann das Probengefäß aufgrund der Schwingtassen durch die einwirkende Zentrifugalkraft nach außen geschwenkt werden, so daß die Zentrifugalkraft in dem Probengefäß von oben nach unten, in Richtung auf den Boden des Zentrifugengehäuses, wirksam ist.The centrifuge according to the invention is characterized in a development by a vertical arrangement of the rocker cups of the rotor for receiving the sample vessel and for receiving the reference sample vessel, and up to a horizontal arrangement under the action of centrifugal force in the operation of the centrifuge in the sample vessel and the Reference sample vessel, wherein the centrifugal force from top to bottom, towards the bottom of the centrifuge housing, is effective. The sample vessel as well as the reference sample vessel, which contains a reference weight, are thus preferably each positioned vertically in the rocker cups of the rotor provided for this purpose. If, during centrifuging, the centrifugal force acts on the sample in the sample vessel, the centrifugal force in the sample vessel can be swiveled outwardly by the centrifugal force due to the centrifugal force, so that the centrifugal force in the sample vessel is directed from top to bottom towards the bottom of the centrifuge housing. is effective.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Zentrifuge eine Schnittstelle zu einer Steuerungseinheit auf, so daß sie vollautomatisch gesteuert und geregelt ist.According to a preferred embodiment, the centrifuge according to the invention has an interface to a control unit, so that it is fully automatically controlled and regulated.
Damit ist die erfindungsgemäße Zentrifuge besonders für eine serielle Probenvorbereitung geeignet und vorbereitet. Der Begriff der seriellen Probenvorbereitung bedeutet dabei im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, daß eine Probe nach der anderen in fortlaufender Folge zentrifugiert und anschließend der Analyse zugeführt wird. Es werden nicht mehrere Proben zur gleichen Zeit in der Zentrifuge bearbeitet.Thus, the centrifuge according to the invention is particularly suitable for a serial sample preparation and prepared. The term "serial sample preparation" in the context of the present invention means that one sample after the other is centrifuged in continuous succession and then fed to the analysis. It will not process multiple samples at the same time in the centrifuge.
Damit dieses fortlaufende Zentrifugieren möglichst fehlerfrei durchgeführt werden kann, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Zentrifuge vorgesehen, daß die Schwingtassen zur Aufnahme des Probengefäßes und des Referenz-Probengefäßes jeweils an einer definierten Position an dem Rotor, in dem Rotorraum, angeordnet sind. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, daß die Schwingtassen in einer vorherbestimmten, definierten Winkelposition stehenbleiben bzw. gehalten werden können, damit dann in dieser Position das Probengefäß und/oder das Referenz-Probengefäß, bzw. das Referenzgewicht, vollautomatisch in der jeweiligen Schwingtasse positioniert oder aus dieser wieder entfernt werden kann.In order for this continuous centrifuging to be carried out as error-free as possible, it is provided according to a further advantageous embodiment of the centrifuge that the rocker cups for receiving the sample vessel and the reference sample vessel are each arranged at a defined position on the rotor, in the rotor chamber. In this way it can be ensured that the rocker cups can stand or be held in a predetermined, defined angular position, so that then in this position, the sample vessel and / or the reference sample vessel, or the reference weight, fully automatically positioned in the respective rocker or can be removed from this again.
Wenn die Zentrifuge als ein Automat ausgebildet ist, der mit einem Roboter zusammenwirkt, welcher zumindest einen Arm zum Beladen und Entladen der Zentrifuge aufweist, ist dies besonders vorteilhaft für einen vollautomatischen Betrieb.If the centrifuge is designed as an automaton which cooperates with a robot which has at least one arm for loading and unloading the centrifuge, this is particularly advantageous for fully automatic operation.
In diesem Fall ist es auch vorteilhaft, wenn das den Rotorraum aufnehmende Zentrifugengehäuse in seinem oberen, dem Boden des Gehäuses abgewandten Bereich eine Öffnung zur Aufnahme des Probengefäßes und des Referenz-Probengefäßes in den Rotorraum aufweist, mit einem Deckel zum Öffnen und Schließen des Rotorraumes, der – vorzugsweise waagerecht – verschiebbar ausgebildet ist, wobei die genannte Öffnung einen Teil der Fläche des oberen Gehäusebereichs einnimmt und der Deckel bei dem Öffnen in dem Bereich des Rotorraums verbleibt.In this case, it is also advantageous if the rotor chamber accommodating centrifuge housing has in its upper, the bottom of the housing remote area an opening for receiving the sample vessel and the reference sample vessel in the rotor chamber, with a lid for opening and closing the rotor space, is - preferably horizontally - slidably formed, said opening occupies part of the surface of the upper housing portion and the lid remains in the opening in the region of the rotor space.
Denn dadurch wird der Rotorraum in dem automatischen Betrieb vorteilhaft nur partiell geöffnet und muß auch nur partiell geöffnet werden. Dies wird konstruktiv dadurch erreicht, daß die genannte Öffnung dann nur einen Teil der Fläche des oberen Gehäusebereichs einnimmt. Insbesondere verbleibt der Deckel bei dem Öffnen in dem Bereich des Rotorraums. Die genannten konstruktiven Maßnahmen erreichen so das Ziel, die erfindungsgemäße Zentrifuge möglichst klein und platzsparend auszubilden, um sie überhaupt in einem komplexen, zusammenhängenden Analysesystem mit mehreren apparativen Teilbereichen unterbringen zu können.Because of the rotor space is advantageously only partially opened in the automatic mode and must be opened only partially. This is achieved constructively in that the said opening then occupies only a part of the surface of the upper housing portion. In particular, the lid remains in the region of the rotor space during opening. The said constructive measures thus achieve the goal of designing the centrifuge according to the invention as small as possible and space-saving in order to be able to accommodate them at all in a complex, coherent analysis system with a plurality of apparatus subsections.
Bevorzugt weist die Zentrifuge einen Sensor für das Messen ihrer Beschleunigung auf, damit im Fall einer zu großen Unwucht ein Sicherheitsstopp erfolgen kann. The centrifuge preferably has a sensor for measuring its acceleration, so that a safety stop can take place in the event of excessive imbalance.
Weiterhin ist es bevorzugt, daß die Zentrifuge einen Motor aufweist, der mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden ist. Dadurch kann der Rotor auf einer definierten Positon angehalten werden und stehenbleiben.Furthermore, it is preferred that the centrifuge comprises a motor which is connected to a control and regulation unit. As a result, the rotor can be stopped on a defined position and stop.
Die erfindungsgemäße Zentrifuge ist in der Weise aufgebaut, daß Umdrehungszahlen im Bereich von 2500 bis 8000 U/min, vorzugsweise 2600 bis 7500 U/min erreicht werden. U/min bedeutet dabei Umdrehungszahl pro Minute.The centrifuge according to the invention is constructed in such a way that rotational speeds in the range of 2500 to 8000 U / min, preferably 2600 to 7500 U / min are achieved. RPM means number of revolutions per minute.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.In the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.
Es zeigen:Show it:
und
and
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich insbesondere darum, eine Zentrifuge bekannter Art konstruktiv so zu verändern, daß sie sich für eine on-line Probenvorbereitung in dem Sinn eines seriellen Betriebs eines vollautomatischen Analysensystems eignet. Dazu gehört auch die Aufgabe, die Zentrifuge in der Weise zu konstruieren, daß sie für den Einsatz mit dem genannten Ziel im Bereich einer on-line Probenvorbereitung aufgrund einer besonders platzsparenden Ausgestaltung geeignet ist.Specifically, the present invention is designed to constructively alter a centrifuge of known type to be suitable for on-line sample preparation in the sense of serial operation of a fully automated analytical system. This also includes the task of constructing the centrifuge in such a way that it is suitable for use with the stated aim in the field of on-line sample preparation due to a particularly space-saving design.
Um die genannten Ziele zu erreichen, wird eine Zentrifuge verwendet, die mit Bezug auf die weiter unten näher erläuterten
Unter der genannten Schwingtasse
Auf der Unterseite des Rotortellers
In den
Entsprechend weist die Zentrifuge
Eine vollautomatische Probenvorbereitung bedeutet, daß eine Probe
Da die Zentrifuge in ein vollautomatisches Analysensystem eingebettet ist, muß sie schon aus Platzgründen möglichst klein dimensioniert sein. Das den Rotorraum
Bei der Zentrifuge
Zusätzlich ist die Zentrifuge
Der Vollständigkeit halber ist an dieser Stelle noch zu erwähnen, daß die Beschriftung des jeweils zu analysierenden und für die Analyse entsprechend vorzubereitenden Probengefäßes
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