DE2658486B2

DE2658486B2 - Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung für kleine Flüssigkeitsmengen mit direkter Einstellung ihrer Volumina in Milliliter- sowie Mikrolitereinheiten und mit auswechselbaren Kolbenpumpenmodulen

Info

Publication number: DE2658486B2
Application number: DE2658486A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ihlefeldt; Herwig Mandl; Paul Dipl.-Phys. Dr. 8013 Haar Schmider
Original assignee: Beckman Instruments GmbH
Current assignee: Beckman Instruments GmbH
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DE2658486A1; JPS5387292A; DE2658486C3; GB1568778A; SE7714535L; US4223558A; CH625339A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Pipettier- und Verdüiinungsvorrichtung für kleine Flüssigkeitsmengen mit direkter digitaler Einstellung ihrer Volumina in Milliliter- bzw. Mikrolitereinheiten und mit austauschbaren Kolbenpumpenmodulen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zur Durchführung einer großen Anzahl :-on Analysen ergibt sich in der Laborpraxis der verschiedensten Arbeitsgebiete, beispielsweise in der Medizin, Biologis, Chemie und auch Industrie, die Notwendigkeit, Flüssißkeitsproben unterschiedlicher Viskosität quantitativ im Mikro- sowie Milliliterbereich zu pipettieren und mit Reagenzien zu verdünnen. Für diese Art der Probenbehandlung werden daher Vorrichtungen verwendet, die als Doppelkolbenpumpenanordnung mit Ventilen in den Pumpmodulen für den Einlaß- und Auslaßkan.il ausgeführt sind, wobei durch geeignete Schaltstellungen der Ventile Probe und Reagens während des Ansaugtaktes gleichzeitig aufgenommen und während des Ausstoßtaktes seriell abgegeben werden. Die Genauigkeitsforderung ist in bezug auf die Einstellung der Flüssigkeitsvolumina und der Bemessung auch sehr kleiner abgegebener Flüssigkeitsmengen äußerst hoch.

Zur Erfassung eines größeren Volumenbereichtis verwendet man gewöhnlich austauschbare Kolbenpumpenmodule mit unterschiedlichem Kolbendurchmesser, wobei den verschiedenen Gesamtvolumina der Pumpenzylinder stets ein konstanter Kolbenweg zugeordnet ist. Darüber hinaus werden nach dem Stand der Technik die Kolben unter Zwischenschaltung geeigneter Übertragungselemente von je einem Schrittmotor angetrieben, so daß der gesamte Kolbenweg innerhalb des Pumpenzylinders einer definierten Schrittzahl des Motors für den Kolbenantrieb entspricht.

Aus der deutschen Patentschrift 23 29 136 ist eine

Dosiereinrichtung mit auswechselbarer Kolbenpumpeneinheit bekannt bei welcher die Volumeneinsteilmittel als Ein-Aus-Schalter ausgebildet sind, durch die ein bestimmter Kolbenhub eingestellt werden kann. Außerdem ist jede Kolbenpumpeneinheit mit Volumenanzeigemitteln in Form einer Digitalskala versehen, deren Ziffern bei eingebauter Pumpeneinheit jeweils an den entsprechenden Schaltern zu liegen kommen. Auf diese Weise ist es möglich, verschiedene Flüssigkeitsvolumina, die auf der entsprechenden Pumpeneinheit angegeben sind, direkt einzustellen. Derartige Vorrichtungen mit direkter Einstellung der Flüssigkeitsvolumina sind insofern nachteilig, daß jedes Pumpenmodul mit einer spezifisch auf ihr Gesamtvolumen abgestimmten Digitalskala versehen werden muß, die in Verbindung mit den zugeordneten Schaltern nur eine grobe, inkrementale Abstufung für φο Einstellung verschiedener

Volumina liefert Ferner ist durch eine Druckschrift der Firma

Micromesure AG, Bonaduz, Schweiz, ein »Digital Diluter Dispenser« der Firma Hamilton bekanntgeworden, der zwei auswechselbare Pumpenmodule enthält und durch austauschbare Ventilblöcke als Verdünnungsoder Dosiergerät verwendet werden kann. Der Kolben einer gasdichten »Hamilton-Spritze« wird über eine Zahnstange und Zahnriemenübersetzung als Übertragungselemente durch einen Schrittmotor angetrieben.

Die digitale Flüssigkeitsvolumeneinstellung erfolgt in Prozent des maximalen Pumpenmodulvolumens, und zwar in dem Bereich von 1 % — 99%, wobei die Zeit für einen vollen Kolbenhub zwischen 3 und 10 Sekunden regelbar ist Nachteilig bei diesem bekannten Gerät ist, daß die Voreinstellung von beispielsweise auszugebenden Flüssigkeitsvolumina nur in Prozenten des maximalen Pumpenmodulvolumens möglich ist woraus resultiert, daß für die Einstellung der Zahlenwerte an dem 2stelligen Digitalwahlschalter erst eine Prozentumrechnung des Verhältnisses von maximalem Pumpenvolumen zu gewünschtem Fliissigkeitsvolumen vorzunehmen ist. Diese Methode beinhaltet daher Fehlerquellen, die nicht auszuschließen sind. Weiterhin können mit dem Pumpenmodul Flüssigkeitsmengen, die 100% des maximal aufnehmbaren Pumpenvolumens entsprechen, weder angesaugt noch ausgestoßen werden.

Bei einer großen Anzahl von Analysen müssen im Labor oft Flüssigkeitsproben in Mikro- oder Millilitermengen mit sehr unterschiedlicher Viskosität dosiert werden. Um ein geringes Totvolumen in den Zuleitungen und den Umschaltventilen der Pipettier- und

so Verdünnungsvorrichtungen zu erreichen, wird der Innendurchmesser der Schläuche und der Bohrungen in den Ventilkörpern möglichst klein gehalten.

Die Lineargeschwindigkeit der Flüssigkeiten in den Leitungen ist deshalb während des Ansaug- und Ausstoßtaktes sehr hoch und kann Werte bis zu einigen Zentimetern pro Sekunde annehmen. Bei der bekannten Vorrichtung der Firma Hamilton, die einen Schrittmotorantrieb verwendet, ist es weiterhin nachteilig, daß die elektrische Steuerung der An- und Auslaufcharakteristik der Kolbenbewegung nach einer fest vorgegebenen Exponentialfunktion erfolgt, welche unabhängig von dem Gesamtvolumen des Pumpenmoduls und der vorgewählten Kolbengeschwindigkeit ist. Hierbei kann in dem Pumpenkörper während des Ansaugtaktes

es kurzzeitig ein Unterdruck und damit ein Entgasen der .zu dosierenden Flüssigkeiten, sowie während des

Ausstoßtaktes ein Überdehnen der Schläuche auftreten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung der vorstehend genannten Art anzugehen, bei der die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden werden und die mit Hilfe von Digitalschaltern eine direkte Flüssigkeitsvolumenvorwahl in Mikro- bzw. Milliliter-Einheiten für den Nutzbereich zwischen 1 und 110% des Pumpenmodulvolumens gewährleistet, derart daß als kleinstes Inkrement für Pumpenmodule mit einem Gesamtvolumen von kleiner lOOOul der Wert 1 μ! und für Pumpenmodule mit einem Gesamtvolumen größer oder gleich ΙΟΟΟμΙ der Wert 10 μΐ einstellbar ist Ferner soll bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die An- und Auslaufcharakteristik der Kolbenbewegung nach einer von dem Gesamtvolumen des Pumpenmoduls sowie der vorgewählten Kolbengeschwindigkeit abhängigen, nicht linearen Funktion gesteuert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, wie im Patentanspruch 1 angegeben.

Für die Kontrolle der komplexen Ablaufsteuerung Kissen sich Mikroprozessoren einsetzen. Mit diesen Bausteinen der modernen Elektronik ist die Logistik der Geräteprogrammierung mit Hilfe der Pumpenmodule in einfachster Weise für die direkte Vorwahl der Flüssigkeitsvolumina, die An- und Auslaufcharakteristik der Kolbenbewegung und die Ventilschaltung durchzuführen. Zweckmäßig werden kommerziell erhältliche Mikroprozessoren, mit geeigneter Peripherie verwendet Der Einsatz von Mikroprozessoren ermöglicht ferner, sämtliche Geräteparameter über eine bit-seriell bzw. bit-parallele Datenleitung durch Fernbedienung einzustellen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Vorderansicht der Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung mit zwei austauschbaren Pumpenmodulen,

F i g. 2 eine schematische Vorderansicht der Kolbenantriebselemente,

F i g. 3 eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Durchführung der An- und Auslaufsteuerung der Kolbenbewegung,

F i g. 4 eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Durchführung der direkten Flüssigkeitsvolumenvorwahl.

F i g. 1 zeigt eine Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung für Mikro- und Millilitermengen mit einem Gehäuse 1, auf dem zwei austauschbare Pumpenmodule 2 angeordnet sind, von denen die Pumpenzylinder mittels Umschaltventile 3 mit einem nicht dargestellten Einlaß- und Auslaßkanal verbunden sind. Die Kolben der beiden Verdrängerpumpen 2 werden durch je einen separaten Schrittmotor angetrieben. Die Pumpenmodule 2 sind, ausgenommen ihre Kolbendurchmesser, identisch, so daß für die verschiedenen Gesamtvolumina stets ein konstanter Kolbenweg resultiert.

Auf der Rückseite der beiden Pumpenmodule 2 sind Kodierstifte 4 angebracht mit denen das Gesamtvolumen des gerade verwendeten Pumpenmoduls 2 nach einem einfachen Binärkode in die Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung einprogrammiert wird. Zur Aufnahme und Arretierung der Pumpenmodule 2 dient eine Spannhalterung 5, die einen einfachen Austausch der Pumpenmodule 2 gewährleistet. Bei der Positionierung der Pumpenmodule 2 rasten nicht nur die Kodierstifte 4, sondern auch die Führungsstifte 6 für die Umschaltventile 3 in dem Gerät ein. Digitale 3stellige Wahlschalter 7 ermöglichen unabhängig von dem gerade verwendeten Pumpenmodul 2 eine direkte Flüssigkeitsvolumenvorwahl in Mikro- bzw. Millilitereinheiten. Falls mit den in Position befindlichen Pumpenmodulen 2 die gewünschten Volumina nicht s realisiert werden können, erfolgt ejie optische Anzeige 8. Flüssigkeitsvolumina in dem Bereich zwischen 1 und 110% des Pumpen Volumens werden als realisierbar erkannt Mit den Schaltern 9 kann separat für die beiden Pumpenmodule 2 digital die je nach den Erfordernissen

ίο geeignete Geschwindigkeit der Kolbenbewegung in Zahlen werten von 0—9 vorgewählt werden, wobei der Zahlenwert 0 einer Geschwindigkeit Null und der Zahlenwert 9 einer maximalen Geschwindigkeit von etwa 5 see für den vollen Kolbenhub zu einem

is kompletten Arbeitszyklus entspricht Mit den Drucktastenschaltern 10, 11 und 12 kann wahlweise ein einzelner Kolbenansaugtakt ein einzelner Kolbenausstoßtakt oder ein vollständiger Arbeitszyklus ausgelöst werden. Der Schalter 13 dient zum Ein- bzw.

Ausschalten des Gerätes.

Zum Antrieb des Kolbens eines Pumpenmoduls 2 wird gemäß F i g. 2 ein Schrittmotor 14 verwendet der mittels eines Zahnriemens 15 mit einer Kugelumlaufspindel 16 in Eingriff steht Die unter der Einwirkung des Schrittmotores 14 und der Zahnriemenübertragung sich drehende Kugelumlaufspindel 16 trägt eine vorgenannte Gewindemutter 17, an der zur Bewegung des Pumpenkolbens ein Hebel 18 befestigt ist Um die Rotationsbewegung der Kugelumlaufspindel 16 in eine senkrechte Linearbewegung des Hebels 18 zu übertragen, ist der Hebel 18 zwischen zwei parallelen Führungsgliedern 19 bewegbar angeordnet. Die Führungsglieder 19 sind zusammen mit der Kugelumlaufspindel 16 in einem gemeinsamen Block 20 aufgenommen. Die Mitnahme des Kolbens erfolgt über ein an dem

Hebel 18 ausgebildetes Teil 21, in welchem eine mit dem Kolben fest verbundene Kugel 22 bei einem Austausch

des Pumpenmoduls 2 automatisch geführt wird.

Um eine Schaumbildung der Flüssigkeit in dem

Pumpenzylinder und eine Verformung der flexiblen Schlauchleitungen zu vermeiden, wird eine Anlauf- und Auslaufcharakteristik des Kolbenhubes an dem oberen und unteren Totpunkt der Bewegung eingeführt, die durch eine elektrische Steuerung der Kolbenbewegung nach einer exponentiellen Geschwindigkeitsfunktion gekennzeichnet ist wobei als Bestimmungsgrößen für das Zeitglied der Exponentialfunktion die vorgewählte Kolbengeschwindigkeit vo und das Gesamtvolumen V des eingesetzten Pumpenmoduls 2 verwendet werden.

Für die in diesen Bereichen sich ändernde Kolbengeschwindigkeit ν gilt die Beziehung

,«,ve J

wobei

V₀ = digital vorgewählte Kolbengeschwindigkeit, V = Gesamtvolumen des eingesetzten Pumpenmo-

duls 2,

r = Zeit der Anlauf- bzw. Auslaufsteuerung und

k\, C = Geräteparameter.

Aus der vorstehenden Gleichung folgt daß sich die Dauer der An- bzw. Auslaufsteuerung der Kolbenbewegung um so mehr verlängert, je größer das Gesamtvolumen Vdes eingesetzten Pumpenmoduls 2 und je größer die vorgewählte Kolbengeschwindigkeit i'o ist. Als

Ausführungsbeispiel wird die elektrische Steuerung des Kolbenhubes nach vorstehender Gleichung (1) an Hand eines in F i g. 3 dargestellten Schaltungsprinzips näher erläutert. Durch die an dem Pumpenmodul 2 angebrachten Kodierstife 4 werden Schalter 23 betätigt, über weiche die Information des Gesamtvolumens V von dem eingesetzten Pumpenmodul 2 nach einem einfachen Binärkode in einen Speicher 24 eingelesen wird. Ferner wird die an dem Geräteschalter 9 vorgewählte Kolbengeschwindigkeit vo in binär kodierter Form dem ι ο Speicher 24 zugeführt. Der Speicher 24 dekodiert die eingelesenen Informationen beispielsweise über FET-Schalter 26 derart, daß sich in einer Widerstandsmatrix 27 der Gcsamtwidcrstand R als Funktion des Produktes aus dem Gesamtvolumen V des Pumpenmoduls 2 und der vorgewählten Kolbengeschwindigkeit Vo ergibt. Der Gesamtwiderstand R genügt folglich der Gleichung

R = kr V-V₀

(2)

20

wobei An = Geräteparameter.

Der nach der Widerstandsmatrix 27 angeordnete Kondensator 28 wird über den Gesamtwiderstand R und einer von der Kolbengeschwindigkeit vo abhängigen Gleichspannung 29 mit Hilfe eines Digital-Analogwandlers 30 aufgeladen, so daß für die Ladespannung U die Beziehung gilt:

U = U₀ I -e"

(3)

LO = Spannung (proportional zu ιό),

t = Zeit der Anlaufsteuerung,

R = Gesamtwiderstand der Matrix und

C = Kapazität des Kondensators. Setzt man Gleichung (2) in Gleichung (3) ein, so wird

U = U₀

(4)

30

35

40

Die Ladespannung U wird anschließend über einen Analog-Freque'.izwandler 31 in eine proportionale Frequenz / umgewandelt, die durch die Gleichung gegeben ist:

/ = k₂ ■ U₀ (l - e-

(5)

wobei ki eine Gerätekonstante bedeutet Aus dieser letzten Gleichung folgt, daß die Drehzahl des Schrittmotors 14, die proportional der Frequenz / ist, exponentiell zunimmt und hierdurch die Kolbengeschwindigkeit während des Anlaufes eine Änderung bis zur vorgewählten Geschwindigkeit v₀ gemäß der Gleichung (1) erfährt, wobei Jt₃ ·/= f gesetzt ist und k₃ eine Gerätekonstante bedeutet Die gleiche Funktion gemäß Gleichung (1) wird auf den Kolbenweg während des Auslaufvorganges gespiegelt

Eine Ausführungsform für eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Kolbenhubes in Abhängigkeit von der digital vorgewählten Flüssigkeitsmenge und dem Gesamtvolumen des eingesetzten Pumpenmoduls 2 wird nach F i g. 4 näher erläutert

Die Pumpenmodule 2 sind derart ausgeführt, daß der

maximale Kolbenhub in den Pumpenzylindern unabhängig von ihren unterschiedlichen Gesamtvolumina immer gleich ist. Jeder einzelne von dem Impulsgenerator 36 erzeugte und das Tor 35 durchlaufende Impuls einer relativ hochfrequenten Impulsfolge wird von dem Schrittmotor 14 exakt in einen Drehschritt umgesetzt, der zu einem definierten Kolbenweg führt. Unter diesen Voraussetzungen ist dem maximalen Kolbenhub der Pumpenmodule 2 stets die gleiche Anzahl von Impulsen oder Drehschritten des Antriebsmotors 14 als Gerätekonstante zugeordnet Die Anzahl von Impulsen, welche zur Ausgabe einer am Schalter 7 digital vorgewählten Flüssigkeitsmenge führt, ist spezifisch von dem Gesamtvolumen des eingesetzten Pumpenmodnls 2 abhängig. Die Zahl, welche dem Gesamtvolumen des eingesetzten Pumpenmoduls 2 entspricht wird über eine Kodiermatrix 32 in eine Rechenschaltung 33 eingegeben. Die direkte Flüssigkeitsvolumenvorwahl erfolgt mit dem Schalter 7, an dessen Ausgang eine Zahl in kodierter Form ansteht, die einerseits dem vorgewählten Flüssigkeitsvolumen entspricht und andererseits für den Impulszähler 34 die Anfangszahl bedeutet, von der dieser Impulszähler 34 auf Null abzählt Der Zählerstand wird einem Komparator 38 zugeführt, dem über die Festverdrahtung 39 eine Referenzzahl Null eingeprägt ist. Bei Erreichen des Zählerstandes Null liegt Koinzidenz vor, durch die eine Sperrung des Tores 35 und damit eine Beendigung der Kolbenbewegung bewirkt wird. Mit der Starttaste 11 wird das Tor 35 angesteuert und gleichzeitig die ZahL welche dem vorgewählten Flüssigkeitsvolumen entspricht in kodierter Form in den Impulszähler34 eingelesen, gespeichert sowie die Zähifunktion freigegeben. Die von dem Impulsgenerator 36 gelieferte Impulsfolge wird bei geöffnetem.Tor 35 durch die Rechenschaltung 33 geteilt, wobei der Divisor in der Kodiermatrix 32 gespeichert ist. Die Ausgangsimpulsfolge der Rechenschaltung 33 wird dem Impulszähler 34 zugeleitet, der seinerseits von der vorgewählten Anfangszahl auf Null abzählt Der Komparator 38 vergleicht laufend seine Referenzzahl mit dem Zählerstand. Bei Erreichen des Zählerstandes Null wird das Tor 35 gesperrt und damit der Pipettier- oder Verdünnungsvorgang beendet. Auf diese Weise ist eine absolute Zuordnung von vorgewähltem Flüssigkeitsvolumen und entsprechendem Kolbenhub gewähleistet. Wenn beispielsweise dem maximalen Kolbenhub 800 Impulse bzw. 800 Drehschritte des Antriebsmotors 14 zugeordnet sind und ein Pumpenmodul 2 mit einem Gesamtvolumen von 100 μΙ eingesetzt ist, dann wird in der Kodiermatrix 32 die Zahl 8 als Divisor für die Rechenschaitung 33 gespeichert Aus einer direkten Einstellung eines Flüssigkeitsvolumens von beispielsweise 26 μΐ mit dem Schalter 7 resultiert, daß durch Auslösen der Starttaste 11 der Impulszähler 34 von der Anfangszahl 26 auf Null abzählt und bis zur Sperrung des Tores 35 bei Erreichen des Zählerstandes Null eine Zahl von 8 χ 26 = 208 Impulsen zu dem Schrittmotor 14 gelangt, wodurch der Kolben einen für das Ansaugen oder Ausstoßen der vorgewählten Flüssigkeitsmenge erforderlichen Hub ausführt Auf diese Weise ist es möglich, das zu pipettierende oder zu verdünnende Flüssigkeitsvolumen in Mikro- bzw. Millilitereinheiten für den Nutzbereich zwischen 1 und 110% des Pumpenmoduls 2 direkt und mit hoher Genauigkeit einzustellen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung mit auswechselbaren Kolbenpumpeneinheiten, deren Kolben unabhängig durch je einen elektrischen, von einem frequenzregelbaren Impulsgenerator gespeisten Schrittmotor antreibbar sind, mit digitalen Volumeneinstellmitteln, durch die ein bestimmter Kolbenhub einstellbar ist, mit Einstellmitteln für verschiedene Kolbengeschwindigkeiten, mit einer digitalen Impulszählvorrichtung für die jeweils abgegebene Flüssigkeitsmenge und mit einer elektrischen Steuerung der An- und Auslaufcharakteristik der Kolbenbewegung nach einer exponentiellen Beschleunigungsfunktion sowie einer direkten Fernsteuerung durch einen Prozeß rechner, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenhub durch eine dem Nennvolumen der eingebauten Pumpeneinheit (2) aufgebrachte Kodierung (4,32), die in eine Matrix-Rechenschaltung (33) eingreift, derart bestimmt ist, daß die angesaugte oder ausgestoßene Flüssigkeitsmenge dem digital direkt vorgewählten Flüssigkeitsvolumen in Mikroliter- oder Millilitereinheiten entspricht, und daß der Exponent der Beschleunigungsfunktion für die Kolbenbewegung durch die digital vorgewählte Kolbengeschwindigkeit und das Nennvolumen der Pumpeneinheit (2) bestimmt ist