DE2658486C3

DE2658486C3 - Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung für kleine Flüssigkeitsmengen mit direkter digitaler Einstellung ihrer Volumina in Milliliter- sowie Mikrolitereinheiten und mit auswechselbaren Kolbenpumpenmodulen

Info

Publication number: DE2658486C3
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: 1980-04-24
Also published as: DE2658486A1; SE7714535L; US4223558A; DE2658486B2; JPS5387292A; GB1568778A; CH625339A5

Description

JO

Die Erfindung betrifft eine Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung für kleine Flüssigkeitsmengen mit _J5 direkter digitaler Einstellung ihrer Volumina in Milliliter- bzw. Mikrolitereinheiten und mit austauschbaren Kolbenpumpenmodulen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zur Durchführung emer großen Anzahl von Analysen ergibt sich in der Laborpraxis der verschiedensten Arbeitsgebiete, beispielsweise in der Medizin, Biologie, Chemie und auch Industrie, die Notwendigkeit, Flüssigkeitsproben unterschiedlicher Viskosität quantitativ im Mikro- sowie Milliliterbereich zu pipettieren und mit _Vl Reagenzien zu verdünnen. Für diese Art der Probenbehandlung werden daher Vorrichtungen verwendet, die als Doppelkolbenpumpenanordnung mit Ventilen in den Pumpmodulcn für den Einlaß- und Auslaßkanal ausgeführt sind, wobei durch geeignete Schaltstellungen -_n der Venlilc Probe und Reagens während des Ansaugtaklcs gleichzeitig aufgenommen und während des Ausstoßtaktes seriell abgegeben werden. Die Genauigkeitsforderung ist in bezug auf die Einstellung der Flüssigkeitsvolumina und der Bemessung auch sehr _v; kleiner abgegebener Flüssigkeitsmengen äußerst hoch.

Zur Erfassung eines größeren Volumenbereiches verwendet man gewöhnlich austauschbare Kolbenpumpenmodule mit unterschiedlichem Kolbendurchmesser, wobei den verschiedenen Gesamtvolumina der Pum- _w, pen/.ylinder stets ein konstanter Kolbenwcg zugeordnet ist. Darüber hinaus werden nach dem Stand der Technik clic Kolben unter Zwischenschaltung geeigneter Übertragungselemente von je einem Schrittmotor angetrieben, so daß der gesamte Kolbenweg innerhalb des _h-, Piimpcn/.ylitulcrs eitler definierten Schritt/Mihl des Motors für den Kolbenanirieh entspricht.

Am dei deutschen Patentschrift 23 29 136 ist eine Dosiereinrichtung mit auswechselbarer Kolbenpumpeneinheit bekannt, bei welcher die Volumeneinstellmittel 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 die Einstellung verschiedener Volumina liefert.

Ferner ist durch eine Druckschrift der Firma Micruinesure 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 Zalinriemenübersetzung 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 Zahlenwertc an dem 2stelligen Digitalwahlschalter erst eine Prozenlumrcchnung des Verhältnisses von maximalem Pumpenvolumen zu gewünschtem Flüssigkeitsvolumen vorzunchnit-n ist. Diese Methode beinhaltet daher Fehlerquellen, die nicht auszuschließen sind. Weiterhin können mil dem Pumpenmodul Fliissigkeitsmengen, 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 Millilitcrmengen mit sehr unterschiedlicher Viskosität dosiert werden. Um ein geringes Totvolumen in den Zuleitungen und den Umschaltventilen der Pipeitier- und 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 Auslaufcharakterislik der Kolbcnbewegung nach einer fest vorgegebenen Exponentialfunktion erfolgt, welche unabhängig von dem Gesamtvolumen des Pumpcnmodiils und der vorgewählten Kolbengeschwindigkcit ist. Hierbei kann in dem Pumpenkörper während des Ansaugtaktes kurzzeitig ein Unterdruck und damit ein Entgasen der /u dosierenden Flüssigkeiten, sowie während des Ausstoßtafel 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 Tumpenmodule mit einem Gesamtvolumen von kleiner 1000 μΙ der Wert 1 μΙ und für Pumpenmodule mit einem Gesamtvolumen größer oder gleich 1000 μΐ der Wert 10 μΙ einstellbar ist. Ferner soll bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die An- und Auslaufcharakteristik der Kolbenbewegung nach einer von dem Gesamtvolumen des Pumpenmoduis 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 lassen 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

Fig. 1 eine perspektivische Vorderansicht der Pipettier- und Verdünnungsvorrichtung mit zwei austauschbaren Pumpenmodulen,

F i g. 2 eine schematische Vorderansicht der Kolbcnantriebselemcnte,

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 Flüssigkeitsvolumcnvorwahl.

Fig. I zeigt eine Pipelticr- und Verdünnungsvorrichtung für Mikro- und Millilitermengen mit einem Gehäuse !,auf dem zwei austauschbare Pumpcnmodule 2 angeordnet sind, von denen die Pumpenzylinder mittels Umschaltventilc 3 mit einem nicht dargestellten Einlaß- und Auslaßkanal verbunden sind. Die Kolben der beiden Verdrängerpumpen 2 werden durch je einen separaten Schrittmotor angetrieben. Die Pumpenmodu-Ic 2 sind, ausgenommen ihre Kolbendurchmcsser. identisch, so daß für die verschiedenen Gesamtvolumina stets ein konstanter Kolbenweg resultiert.

Auf der Rückseite der beiden Pumpenniodule 2 sind Kodicrstifte 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 Spannhaltcrung 5, die einen einfachen Austausch der Pumpenmodul:: 2 gewährleistet. Bei der Positionierung der Pumpenmodulc 2 rasten nicht nur die Kodierstifte 4, sondern avx.h die Führungsstifte 6 für die Umschaltventilc 3 in dem Gerät ein. Digitale 3stclligc Wählschalter 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 realisiert werden können, erfolgt eine optische Anzeige 8. Flüssigkeitsvolumina in dem Bereich zwischen 1 und 110% des Pumpenvolumens werden als realisierbar erkannt. Mit den Schaltern 9 kann separat für die beiden Pumpenmodule 2 digital die je nach den Erfordernissen geeignete Geschwindigkeit der Kolbenbewegung in Zahlenwerten 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 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 . <im Ein- bzw. Ausschalten des Gerätes.

Zum Antrieb des Kolbens eines Pumpenmoduls 2 wird gemäß Fig. 2 ein Schrittmotor 14 verwendet, der mittels eines Zahnriemens 15 mit einer Kugelumlaufspindel IC 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 befestig; 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 KolDenbcwegung nach einer exponentiellcn Geschwindigkeitsfunktion gekennzeichnet ist. wobei als Bestimmungsgrößen für das Zeitgüed der Exponentialfunktion die vorgewählte Kolbengeschwindigkeit vo und das Gesamtvolumen V des eingesetzten Pumpenmoduis 2 verwendet werden. Für die in diesen Bereichen sich ändernde Kolbcngeschwindigkeit vgiltdic Beziehung

(I - e n, ■ „,'· Vc )

wobei

v_a = digital vorgewählte Kolbengcschwindigkcit,
V = Gesamtvolumen des eingesetzten Pumpenmodu Is 2,

I = Zcii der Anlauf- bzw. Auslaufstciieiting und
k\. C = Gerateparameter.

Aus der vorstchcncK-n Gleichung folgt, daß sich die Dauer der An- bzw. Auslaufstciierung der Kolbcnbewcgung um so mehr verlängert, je größer das Gesamtvolumen V des eingesetzten Pumpenmoduis 2 und je größer die vorgewählte Kolbenge<,chwindigkpit vo ist. Als

Aiisführungsbeispiel wird clic elektrische Steuerung des Kolbenhubes nnc'i vorstehender Gleichung (I) an Hand eines in F-" i g. J dargestellten Schiiltiingsprin/ips naher erläutert. Durch die an dem l'umpenmodiil 2 angebrachten Kodierstifc 4 werden Schalter 23 betätigt, über welche die Information des Gesamtvolumens I \on dem eingesetzten Pumpcnmodiil 2 nach einem einfachen Binarkode in einen Speicher 24 eingelesen wird. Ferner wird die an dem Geriiteschalter 9 vorgewählte Kolbcngcschwimligkcit in in binär kodierter l-'orni dem Speicher 24 zugeführt. Der Soeicher 24 dekodiert die eingclesenen Informationen beispielsweise über ITT-Schalter 26 derart, duIJ sich in einer Widerstandsmatrix 27 der Gesamlwiderstand W als Funktion des Produktes aus dem Gesamtvolumen V des Pumpenmoduls 2 und der vorgewählten Kolbengcschwindigkcii ιό ergibt. Der Gesamt widerstand R genüg I folglich drr Gleichung

A,

wobei k\ = Cieräteparameter.

Der nach der Widerstandsmatrix 27 angeordnete Kondensator 28 wird über der. Gesamtwiderstand R und einer von der Kolbengeschwindigkeil in abhängigen Gleichspannung 29 mit FFilfe eines Digital-Analogwandlers 30 aufgeladen, so daß für die Ladespannung I' die Beziehung gilt:

C ■■ C₁₁ Μ

l.'l

I¹» = Spannung (proportional zu ιό).

/ = Zeit der Anlaufsteuerung.

R = Gesamt widerstand der Matrix und

C" = Kapazität des Kondensators.

Setzt man Gleichung (2) in Gleichung(3) ein. so wird

L - Li,- (l - ο" I₁-I-¹T_n-C ) 14)

Die Ladespannung i/wird anschließend über einen Analog-Frequenzwandler 31 in eine proportionale Frequenz f umgewandelt, die durch die Gleichung gegeben ist:

/ = k₂- Li, (l - e"

I?I

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 v_n gemäß der Gleichung(1) erfährt, wobei k₃ ■ f= !'gesetzt ist und kj 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 Pumpenmoduie 2 sind derart ausgeführt, daß der

maximale Kolbenhub in den l'umpcnzylindern unabhan gig von ihren unterschiedlichen Gesamtvolumina imine gleich ist. leder einzelne von dem Impulsgenerator i< erzeugte und das Tor 55 durchlaufende Impuls eine relativ hochfrequenten Impulsfolge wird von ilen Schrittmotor 14 exakt in einen Drchschrilt umgesetz der zu einem definierten Kolbcnweg führt. Unter diese Voraussetzungen ist dem maximalen Kolbenhub tie Pumpenmodule 2 stets die gleiche Anzahl von Impulse oder ürchschritten des Antriebsmotor* 14 als Geräte konstante zugeordnet. Dk \nzahl von Impulsen, welch /ur Ausgabe einer am Schalter 7 digital vorgewählte Fliissigkeitsmenge führt, ist spezifisch von dem Gesamt volumen des eingesetzten Pumpenmoduls 2 abhängig Die Zahl, welche dem Gesamtvolumen des eingesetzte Pumpenmoduls 2 entspricht, wird über eine Kodieinia tri\ 32 in eine Rechenschaltung 33 eingegeben. Dii direkte i'iussigkeitsvoiumenvorwahi erfolgt mit den Schalter 7. an dessen Ausgang eine Zahl in kodierte Form ansteht, die einerseits dem vorgewählten Flüssig keitsvolumen entspricht und andererseits für dci Impulszähler 34 die Anfangszahl bedeutet, von de dieser Impulszähler 34 auf Null abzählt. Der Zählcrstanc wird einem Komparator 38 zugeführt, dem über di< I cstverdrahtung 39 eine Refcrcnzzahl Null eingcpräg ist. Bei Erreichen des Zählerstandes Null lieg Koiii/.iocn/ vor. durch die eine Sperrung des Tores 3' und damit eine Beendigung der Kolbcnbewcgunj bewirkt wird. Mit der Slartlaste Il wird das Tor 3 angesteuert und gleichzeitig die Zahl, welche den vorgewählten Flüssigkeitsvolurnen entspricht, in kodier ter Form in den Impulszähler 34 eingclescn. gespeichert sowie die Zählfunktion freigegeben. Die von den Impulsgenerator 36 gelieferte Impulsfolge wird be geöffneteiuTor 35 durch die Rechenschaltung 33 geteilt wobei der Divisor in der Kodiermatrix 32 gespeichcr ist. Die Ausgangsimpulsfolge der Rechenschaltung 3; wird dem Impulszähler 34 zugeleitet, der seinerseits vor der vorgewählten Anfangszahl auf Null abzählt. De Komparator 38 vergleicht laufend seine Referenzzah mit dem Zählerstand. Bei Erreichen des Zählerstände Null wird das Tor 35 gesperrt und damit der Pipettier oder Verdünnungsvorgang beendet. Auf diese Weise is eine absolute Zuordnung von vorgewähltem Flüssig keitsvolumen und entsprechendem Kolbenhub gewäh leistet. Wenn beispielsweise dem maximalen Kolbenhul 800 Impulse bzw. 800 Drehschritte des Antriebsmotor 14 zugeordnet sind und ein Pumpenmodul 2 mit einen Gesamtvolumen von 100 μΙ eingesetzt ist, dann wird it der Kodiermatrix 32 die Zahl 8 als Divisor :iir di( Rechenschaltung 33 gespeichert. Aus einer direkter Einstellung eines Flüssigkeitsvolumens von beispiels weise 26 μΐ mit dem Schalter 7 resultiert, daß durcl Auslösen der Starttaste 11 der Impulszähler 34 von de Anfangszahl 26 auf Null abzählt und bis zur Sperrung des Tores 35 bei Erreichen des Zählerstandes Null eim Zahl von 8 χ 26 = 208 Impulsen zu dem Schrittmoto 14 gelangt, wodurch der Kolben einen für das Ansaugei oder Ausstoßen der vorgewählten Flüssigkeitsmengi erforderlichen Hub ausführt. Auf diese Weise ist e: möglich, das zu pipettierende oder zu verdünnendt Fiüssigkeitsvolumen in Mikro- bzw. Millilitereinheitei für *den Nutzbereich zwischen 1 und 110% de: Pumpenmoduls 2 direkt und mit hoher Genauigkei einzustellen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnunsen

Claims

IO

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 ,₅ Beschleunigungsfunktion sowie einer direkten Fernsteuerung durch einen Prozeßrechner, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenhub durch eine dem Nenn volumen der eingebauten Pumpeneinheit (2) aufgebrachte Kodierung (4,32), die in eine _2Ü Matrix-Rechenschaltung (33) eingreift, derart bestimmt ist, daß die angesaugte oder ausgestoßene Flüssigkeitsmenge dem digital direkt vorgewählten Flüssigkeitsvolumen in Mikroliter- oder Milliliter einheiten entspricht, und daß der Exponent der Bcschleunigungsfunktion für die Kolbenbewegung durch die digital vorgewählte Kolbengeschwindigkeit und das Nennvolumen der Pumpeneinheit (2) bestimmt ist.