DE4318089A1 - System zur automatischen Probennahme, Probenbereitstellung und Probenvorbereitung flüssiger und fester Proben - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Probennahme, Probenbereitstellung und Probenvorbereitung flüssiger und fester Proben für die chemische Analytik zu automatisieren.

Dabei werden bei der Probennahme die Proben in starre Behälter, z. B. aus Glas, abgefüllt. Diese Probenbehälter sind meist in runden oder recht­ eckigen Gestellen oder in einer Kette untergebracht. Durch geeignete Vorrichtungen werden Probenbehälter oder Probenzuführung bewegt und die Probe in das jeweilige Probengefäß eingefüllt.

Bei der Probenbereitstellung werden ähnliche Systeme verwendet.

Bei flüssigen Proben, die keiner Probenvorbereitung mehr bedürfen, erfolgt der Transport der Probenge­ fäße bzw. des Entnahmesystems mit mehreren meist elektrisch angetriebenen Achsen. Das Entnahmesystem saugt die Probe entweder an oder fördert die Probe mit einem Überdruck, der entweder durch Einleiten eines Gases oder durch Eindrücken des passend ge­ formten Deckels erzeugt wird. Aufwendigere Systeme, die auch Probenvorbereitungsschritte vornehmen können, arbeiten zum Teil ebenfalls mit einem in mehreren Koordinaten verfahrbaren Arm. Für die Handhabung fester Proben mit umfangreicher Proben­ vorbereitung werden oft Laborroboter mit meist 5 bis 7 Achsen eingesetzt.

Bei diesen Systemen ist allerdings insbesondere zur Durchführung von Probenvorbereitungsschritten außer dem aufwendigen Handhabungssystem eine große Ar­ beitsfläche zur Bereitstellung der Proben, der Hilfsgefäße für verschiedene Behandlungsschritte und der sonstigen erforderlichen Hilfsmittel wie z. B. Einmalfilter nötig. Da die vom Handhabungssystem erreichbare Arbeitsfläche begrenzt ist, sind oft aufwendige Speichervorrichtungen für die Hilfsmittel erforderlich. Die Zerkleinerung fester Proben erfor­ dert eine aufwendige und nicht immer zufriedenstel­ lende Reinigung des Zerkleinerungswerkzeugs. Hilfs­ gefäße müssen oft von Hand bereitgestellt sowie nach Gebrauch entleert und gespült werden.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die automatischen Probennahme, Probenbereitstellung und Probenvorbereitung zu vereinfachen und zu verbilligen und den Arbeitsauf­ wand zu verringern.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Platzbedarf zur Bereit­ stellung von Proben, Probenbehältern und gegebenen­ falls Hilfsmitteln sowie der apparative Aufwand vor allem bei der Probenvorbereitung wesentlich ver­ ringert werden. Es kann eine sehr große Anzahl von Proben gesammelt bzw. bereitgestellt werden. Die Zerkleinerung von festen Proben ist ohne Verschmut­ zung des Zerkleinerungswerkzeugs möglich. Durch den einmaligen Gebrauch des kostengünstig herstellbaren Bandes entfallen Verunreinigungsgefahr durch unsau­ bere Gefäße und Reinigungsaufwand.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben.

In Patentanspruch 2 wird die Gestaltung der Beutel zur weiteren Behandlung der Probe z. B. durch in das Band eingearbeitete Filter beschrieben, die dadurch ebenfalls einfach bereitgestellt werden.

In Patentanspruch 3 wird dargelegt, wie auf einfa­ che Weise ein Ventil im Kanal zwischen zusammenge­ hörigen Beuteln realisiert werden kann. Damit kann z. B. der Weg durch einen Filter erst nach Homogeni­ sierung der Lösung freigegeben werden, so daß die filtrierte Lösung dieselbe Konzentration wie die Rohlösung aufweist.

Die Patentansprüche 4 u. 5 beschreiben zwei Möglich­ keiten, die in den Beuteln enthaltene Flüssigkeit mit einer für viele Einsatzbereiche ausreichenden Genauigkeit dosiert abzugeben.

Im Patentanspruch 6 wird eine einfache Möglichkeit zur Entnahme von Flüssigkeit aus dem verschlossenen Beutel beschrieben. An dem Beutel sind keine beson­ deren Vorkehrungen nötig, was die Herstellung des Bandes vereinfacht.

Im Patentanspruch 7 wird angegeben, wie der teilent­ leerte Beutel wieder verschlossen werden kann.

Mit der in Patentanspruch 8 angegebenen Hilfsvor­ richtung ist das Befüllen des auf einer Seite offen­ en Beutels problemlos möglich.

Patentanspruch 9 beschreibt die einfache photo­ metrische Messung im geschlossenen Beutel.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Bevor­ ratung und Probenvorbereitung zur Wirkstoffgehalts­ bestimmung von Tabletten wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen der vielen identischen Abschnitte des für diese Aufgabe verwendeten Bandes.

Die beiden Perforationen 1 dienen zur Erleichterung des Transports und als Bezug für die Lage der ein­ zelnen Teile des Beutelsystems und die Kodierung 2. Die Kodierung dient zur Erkennung des Beutelanfangs und zur Zuordnung der einzelnen Beutel des Bandes zu den eingegebenen Proben nach einer Störung wie z. B. einem Stromausfall, bei dem die gespeicherte Infor­ mation über die exakte Position des Bandes verloren gehen kann.

Der große, nach oben offene Auflösebeutel 3 dient zur Aufnahme von jeweils einer Tablette. Die Ta­ blette wird in diesem Beutel zerkleinert, dann wird Lösungsmittel zugefügt und die löslichen Komponenten herausgelöst. Während dieser Arbeitsschritte wird der Kanal 4 durch Aufdrücken eines beweglichen Stempels abgeschlossen.

Der eingeschweißte Filter 5 hält unlösliche Bestand­ teile der Tablette zurück, wenn die Lösung in den bis auf den Filteranschluß allseitig geschlossenen Aufnahmebeutel 6 gedrückt wird. Dort wird die fil­ trierte Lösung durch Einstechen einer Hohlnadel entnommen, nachdem das Füllen dieses Beutels durch die Bewegung einer leicht angedrückten Tastplatte festgestellt wurde.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des Handhabungsautomaten. Von einer Vorratsrolle 1 wird das Band 2 durch die Arbeitsstationen auf eine Aufwickelrolle 3 geführt. Die einzelnen Arbeitsstationen sind jeweils um einen Abschnitt des Bandes versetzt angeordnet, so daß die Arbeitsstationen die Bearbeitungsschritte an den aufeinanderfolgenden Proben parallel durchführen.

Nach dem Ablauf eines jeden Arbeitsschrittes wird das Band mit den Beuteln einen Abschnitt weiterbe­ fördert.

Den Transport und die exakte Positionierung des Bandes besorgen zwei über einen Zahnriemen miteinan­ der verbundene, elektrisch angetriebene Stachelwal­ zen 3 sowie der Kodeleser 4.

Die gesamte Steuerung der Anlage erfolgt über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Steuerrechner mit entsprechender Peripherie.

An der Aufgabestation 5 werden die beiden Seitenwän­ de des Auflösebeutels mit Vakuumsaugnäpfen auseinan­ dergezogen und die Tablette von Hand in den Auflöse­ beutel eingelegt. Anschließend wird das Band um einen Abschnitt weitergefahren. Während die Tablet­ ten eingefüllt werden, sind die nachfolgenden Ar­ beitsstationen inaktiv und lassen das Band ungehin­ dert zur Aufwickelrolle durch. So kann eine große Anzahl von Tabletten bereitgestellt werden, wobei jeweils Daten zur Identifizierung der Tabletten am Datensystem eingegeben werden. Gegebenenfalls können die Tabletten vor dem einlegen in die Beutel noch gewogen werden, wobei die Wägedaten automatisch in das Datensystem übertragen werden. Da jedoch bei Tabletten der Wirkstoffgehalt pro Tablette bestimmt werden muß, ist diese Wägung nicht unbedingt erfor­ derlich.

Wenn alle Tabletten bereitgestellt sind, wird der automatische Ablauf gestartet. Zu Beginn wird das Band mit den Tabletten auf die Vorratsrolle zurück­ gespult, so daß sich der Auflösebeutel mit der ersten Tablette in der Zerkleinerungsstation 6 befindet. Dort wird die Tablette durch Zusammenpres­ sen des Beutels mit zwei harten, glatten Stahlplat­ ten zerkleinert, um ein schnelleres Lösen der lösli­ chen Bestandteile in der nachfolgenden Lösestation zu erreichen.

In der Lösestation 7 wird der Kanal zum Filter mit einem Stempel verschlossen. Dann wird mit einer Dosierspritzeneinheit 8 die benötigte Lösungsmittel­ menge in den Auflösebeutel eingefüllt, wobei wieder die beiden Seitenwände auseinandergezogen werden. Danach wird der Beutelinhalt durch Durchwalken mit einem Rollensatz homogenisiert und anschließend der Kanal zum Filter wieder freigegeben.

In der Filtrier- und Entnahmestation 9 wird der Auflösebeutel oben durch einen seitlich aufgedrück­ ten Stempel verschlossen und anschließend der Beu­ telinhalt durch Andrücken einer seitlichen Druck­ platte durch das Filter gedrückt. Dabei stützt sich der Beutel an einer feststehenden Widerlagerplatte ab. Wenn der Aufnahmebeutel ausreichend gefüllt ist, wird die Hohlnadel eingestochen. Die filtrierte Lösung fließt durch den im Aufnahmebeutel herrschen­ den Druck durch die angeschlossene Leitung 11 durch die an einem HPLC-Einspritzventil angeschlossene Probenschleife 12. Wenn ein genügend großes Spülvo­ lumen durch die Probenschleife geflossen ist, was durch die Bewegung der Druckplatte kontrolliert wird, wird das Einspritzventil umgeschaltet und die HPLC-Analyse beginnt. Gegebenenfalls kann die HPLC- Analyse wiederholt werden.

Wenn keine Lösung mehr benötigt wird, werden Nadel und Druckplatte zurückgezögen und das Band kann weitertransportiert werden. An der Entleerstation 10 werden beide Beutel aufgestochen und die restliche Flüssigkeit durch Durchziehen des Bandes zwischen zwei Walzen herausgequetscht, so daß das Band ohne Probleme auf der Aufwickelrolle platzsparend aufge­ rollt werden kann. Die auslaufende Lösung wird einem Abfallbehälter 13 zugeführt.

Alternativ zur HPLC-Analyse der Tabletteninhalts­ stoffe kann eine spektralphotometrische Analyse durchgeführt werden. Dazu wird der Aufnahmebeutel wie vorher beschrieben mit der filtrierten Lösung gefüllt. Dann werden die beiden Lichtleiterendstücke eines Lichtleiterphotometers auf den gefüllten Entnahmebeutel aufgesetzt und so zusammengedrückt, daß noch eine kleine Flüssigkeitsschicht durch­ strahlt wird. Anschließend wird ein Nullabgleich durchgeführt bzw. der Nullwert für die spätere Berechnung der Absorption gespeichert. Nun werden die Lichtleiterendstücke auseinandergezogen, wobei die unter Druck stehende Beutelwand weiter an den Endstücken anliegt, so daß eine größere Schichtdicke durchstrahlt wird. Der nun gemessene Absorptions­ wert, eventuell abzüglich des bei kleinerer Schicht­ dicke gemessenen Wertes, gibt nun die Absorption der Lösung für die Differenz der Schichtdicken an. Fehler durch die Absorption des Beutelmaterials werden weitgehend ausgeschaltet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für die automatisierte Probennahme und Probenbereitstel­ lung von Abwasserproben ist in Fig. 3 dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Das Band für diese Anwendung besteht lediglich aus einzelnen, oben offenen Beuteln aus einem thermopla­ stischen Kunststoff. Die Filtration der Proben wird bereits im Probennahmegerät durchgeführt.

Das Probennahmegerät besteht aus einer Vorratsspule 1 für das leere Band, ein Befüllsystem 2 mit Pumpe, Filter und einer Vorrichtung zum Zuschweißen der gefüllten Beutel und einer Aufwickelrolle 3, die sich in einer Tiefkühlkammer 4 befindet.

Den Transport und die exakte Positionierung des Bandes besorgen zwei über einen Zahnriemen miteinan­ der verbundene, elektrisch angetriebene Stachelwal­ zen 5 sowie der Kodeleser 6.

Die gesamte Steuerung der Anlage erfolgt über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Steuerrechner mit entsprechender Peripherie.

Zum Befüllen der Beutel werden die oberen Seitenwän­ de mit Saugdüsen auseinandergezogen und eine abge­ messene Menge der filtrierten Probe in den Beutel eingefüllt. Dann wird der Beutel durch Zuschweißen verschlossen. Das Band wird um einen Abschnitt weiterbefördert und die nächste Probe kann abgefüllt werden.

Da die gefüllten Beutel sogleich tiefgekühlt werden, können die Proben eine längere Zeit gelagert werden, ohne sich wesentlich zu verändern.

In geeigneten Zeitabschnitten wird die Rolle mit den gefrorenen Proben entnommen und durch eine leere Rolle ersetzt. Die zu den auf der Rolle vorhandenen Proben gehörenden Daten (Zeit der Probennahme usw.) werden vom Steuerrechner auf einen Datenträger übertragen.

Im Labor wird das Band in einen Probengeber (Fig. 4) eingelegt. Die Daten vom Probennehmer werden einge­ lesen und es wird angegeben, welche Mengen welcher Proben in das Analysegerät übertragen werden sollen. Der Aufbau des Probengebers ähnelt dem Probennahme­ gerät, allerdings sind hier beide Rollen 1 u. 2 in Kühlkammern 3 untergebracht.

Zwischen Vorratsrolle 1 und der Probenabgabevorrich­ tung 4 ist ein Auftauthermostat 5 angeordnet, in dem die gefrorenen Beutel durch Überleiten tem­ perierten Wassers aufgetaut werden.

Die Probenabgabevorrichtung 4 besteht aus einer Druckplatte, einer Widerlagerplatte, einer beweg­ lichen Hohlnadel und einer Schweißeinrichtung zum Zuschweißen der Einstichstelle.

Zur Probenabgabe an ein Analysengerät wird der betreffende Beutel zunächst im Auftauthermostat aufgetaut. Dann wird er in die Probenabgabevorrich­ tung gebracht.

Dort wird er zunächst mit der Druckplatte unter Druck gesetzt. Die Position der Druckplatte wird für eine Kontrolle des Inhalts verwendet. Die Hohlnadel wird eingestochen und Probenflüssigkeit fließt zum Analysengerät (z. B. HPLC-Probenschleife). Ist die benötigte Menge abgegeben worden (ersichtlich aus der Bewegung der Druckplatte), wird auch die zweite Beutelwand durchstochen und dadurch der Probenfluß beendet. Die Hohlnadel schiebt sich dabei in ein Loch in der Widerlagerplatte. Ein die Hohlnadel umgebender, zylinderförmiger Stempel wird auf den Beutel aufgedrückt, so daß die beiden Beutelhälften fest aneinander gedrückt werden. Anschließend werden die beiden Beutelhälften durch Erhitzen der Vorder­ seite des Stempels miteinander verschweißt. Nach einer Abkühlpause wird zuerst die Hohlnadel und dann der Stempel zurückgezogen.

Um mehrere Probenentnahmen zu ermöglichen, wird die Probenentnahme im Datensatz der Probe vermerkt. Außerdem wird die entnommene Menge registriert. Bei der nächsten Probennahme aus diesem Beutel wird dann der Beutel etwas in Transportrichtung verschoben, so daß die Nadel an einer nichtverschweißten Stelle eingestochen werden kann.

Claims (9)

1. System zur automatischen Probennahme, Probenbereit­ stellung und Probenvorbereitung für die Analyse fester und flüssiger Proben, bestehend aus Proben­ träger und Handhabungsautomat für den Probenträger, wobei als Probenträger ein vorzugsweise zum ein­ maligen Gebrauch vorgesehenes Band mit einer Viel­ zahl von eingeformten Beuteln zur Probenaufnahme, gegebenenfalls einer oder mehrerer Perforation(en) zum Transport des Bandes, sowie gegebenenfalls einer maschinenlesbaren Informationsspur zur automatischen Zuordnung von Proben und Beuteln bei der Befüllung und der Analyse verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß Band und Beutel durch zweckmäßige Wahl von Material und Abmessungen eine ausreichende Elastizität auf­ weisen, so daß das Band mit leeren oder nur teilwei­ se gefüllten Beuteln platzsparend aufgerollt sowie auf einfache Weise durch den Handhabungsautomat transportiert werden kann und durch Kraftausübung auf den jeweils bearbeiteten Beutel in geeigneten Arbeitsstationen die Zerkleinerung fester Proben, die Dispergierung und Auflösung von zerkleinerten oder pulverförmigen Proben in einem Lösungsmittel, die Verdünnung und homogene Vermischung flüssiger Proben mit einer anderen Flüssigkeit oder der Trans­ port der Flüssigkeit aus dem Beutel z. B. in das Analysengerät ermöglicht wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einzelne Beutel jeweils mit einem oder mehreren anderen Beuteln durch Kanäle über zwischen­ geschaltete Baugruppen zur weiteren Behandlung der Flüssigkeiten wie z. B. Filter verbunden ist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle so ausgebildet sind, daß sie sich durch einen beweglichen Stempel, der seitlich gegen den Kanal drückt, verschließen lassen, wobei eine feststehende Platte als Widerlager dient.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dosierte Abgabe der flüssigen Probe durch eine angeschlossene Entnahmeleitung durch kontrol­ lierten seitlichen Druck auf den Beutel erfolgt, wobei die Bewegung der Druckplatte zusammen mit den bekannten Beutelabmessungen zur Volumenkontrolle herangezogen wird.

5. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dosierte Abgabe der flüssigen Probe durch eine angeschlossene Entnahmeleitung durch kontrol­ liertes Durchziehen des Beutels durch einen engen, die beiden Beutelseiten aneinanderpressenden Spalt erfolgt, wobei die Bewegung des Beutels durch den Spalt zusammen mit den bekannten Beutelabmessungen zur Volumenkontrolle herangezogen wird.

6. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der Entnahmeleitung durch Einste­ chen einer Hohlnadel in den Beutel erfolgt, gegebe­ nenfalls nachdem dieser unter Druck gesetzt und dadurch an der Einstichstelle aufgebläht worden war.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Wiederverschließen des Beutels nach einer teilweisen Probenentnahme die Rückseite des Beutels durch weiteres Vorschieben der Nadel ebenfalls durchstochen wird, der Beutel eventuell entspannt wird und die beiden Beutelseitenwände an der Durch­ stichstelle zusammengepreßt, die Nadel entfernt und die Beutelwände ringförmig miteinander ver­ schweißt werden.

8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum leichteren manuellen oder automatischen Einfüllen von Probe oder Reagenzien eine oder beide Beutelseiten mit Vakuumsaugnäpfen und gegebenenfalls einem zusätzlichen Antrieb zur Seite gezogen werden.

9. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spektralphotometrische Analyse der Probe mit Hilfe eines Lichtleiterphotometers erfolgt, wobei die Endstücke der Lichtleiter derart auf beiden Seiten des unter Druck stehenden Beutels aufgesetzt werden, daß durch verändern des Abstandes der beiden Endstücke die durchstrahlte Flüssigkeitsschichtdicke eingestellt werden kann. Dabei wird bei mindestens zwei Schichtdicken gemessen und mit den bekannten Gesetzmäßigkeiten der durch die Beutelwand sowie durch Schwankungen im optischen System hervorgerufe­ ne Fehler beseitigt. Anstelle der Lichtleiter­ endstücke können auch bewegliche Fenster aus einem lichtdurchlässigen Material verwendet werden, wenn der Beutel durch den Strahlengang eines Photometers geführt wird.