DE68910610T2

DE68910610T2 - Automatischer Wirbelmischer.

Info

Publication number: DE68910610T2
Application number: DE89115515T
Authority: DE
Inventors: Joshua Benin; Maio William G Di; Carl F Morin
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: Dade Chemistry Systems Inc
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1989-08-23
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: EP0355801A2; JPH0290059A; EP0355801B1; KR900002832A; CA1302400C; ATE97018T1; EP0355801A3; KR970011313B1; DE68910610D1; US4848917A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein automatisches Gerät zum Erzeugen eines Wirbels in flüssigen Materialien, die in länglichen Kammern enthalten sind.
Bekannt ist, daß das Erzeugen eines Wirbels in einer Kammer oder in einem Reaktionsgefäß ein wirksames Mittel zum Mischen dessen Inhalts ist. Bei herkömmlichen Laborverwirbelungseinrichtungen findet eine Tragschale oder eine elastische Kammeraufnahmefläche Anwendung, die exzentrisch an einem Motor angebracht sind, um das untere Ende der Kammer bei einer hohen Geschwindigkeit in eine Kreisbahn oder einen Orbit zu versetzen und dadurch in dem von der Kammer gehaltenen Fluid einen wirksamen Wirbel zu erzeugen. Beispiele für diese Art der Vorrichtung sind die in US-A-4 555 183 und US-A-3 850 580 offenbarten. Diese Vorrichtungen sind dahingehend manuell zu betätigen, daß ein Bediener die Kammer oder das Gefäß in Kontakt mit der exzentrisch bewegbaren Einrichtung halten muß, um den Wirbel in dem in der Kammer oder dem Gefäß befindlichen Fluid zu erzeugen.
US-A-4 555 183 offenbart die Verwendung eines exzentrisch rotierenden Zylinders, der einen Becher zur Aufnahme des unteren Bereichs eines Labortestrohres, das als Reaktionsgefäß verwendet wird, in einer V-förmigen Vertiefung aufweist. Das Rohr kann lediglich durch Anheben oder Absenken des Rohres entfernt oder in den Becher eingesetzt werden.
Eine derartige Verwirbelungsvorrichtung wäre äußerst vorteilhaft bei einem automatisierten Instrument zur chemischen Analyse, da sie nicht-invasiv ist und da daher der Nachteil der mit einer ungenügend gereinigten invasiven Vermischungseinrichtung zusammenhängenden Verunreinigung umgangen wird. Eine Vorrichtung, die diese Art des Vermischens in ein automatisiertes Testgerät einbringt, ist in einem Artikel von Wada et al. unter der Überschrift "Automatic DNA Sequencer: Computer Program Micro Chemical Manipulator for the Maxim-Gilbert Sequencing Method", Review of Scientific Instruments 54 (11), November 1983, Seiten 1569-1572, offenbart. Bei der in diesem Artikel offenbarten Vorrichtung sind mehrere Kammern oder Reaktionsgefäße in einem Zentrifugenrotor flexibel gehalten. Ein Rotationsrüttler ist an einem vertikal bewegbaren Zylinder angebracht. Wenn eine Vermischung erwünscht ist, wird die Kammer oder das Reaktionsgefäß in einer Mischstation unmittelbar oberhalb des Rotationsrüttlers positioniert. Der vertikal bewegbare Zylinder wird derart nach oben bewegt, daß er den Boden der Kammer oder des Reaktionsgefäßes mit dem rotierenden vibrierenden Gummiteil des Rotationsrüttlers berührt. Der vibrierende Gummiteil weist einen V-förmigen Querschnitt auf, um mit einem Testrohr mit V-förmigem Boden in Eingriff zu gelangen. Der exzentrische Antrieb für diesen Rotationsrüttler ist an einem Lager angebracht und macht die Verwendung einer Rotationshemmkupplung erforderlich.
Diese Art der Vorrichtung ist deshalb nicht immer zufriedenstellend, weil der Antriebsmechanismus komplexer als erforderlich ist, und ferner müssen die Testrohre ziemlich fest und dennoch flexibel angebracht sein, derart, daß ihre Bewegung möglich ist, ohne daß sie aus dem Antriebsmechanismus herausrutschen.
Wie oben angegeben, ist ein Wirbelmischen bei den meisten automatisierten chemischen Analyseeinrichtungen wünschenswert und kann erforderlich werden, wenn feste Trägermaterialien, wie beispielsweise Glasperlen oder magnetische Partikel, verwendet werden. Derartige Partikel neigen häufig dazu, auf den Boden der Kammer oder des Reaktionsgefäßes abzusinken. Beispielsweise können bei heterogenen Immunproben magnetische Partikel als eine Basis zum Separieren der Reagenzien von Ligand- Antikörper-gebundenen Partikeln verwendet werden. Ein besonders wünschenswerter Partikel für diese Verwendung ist der Chromdioxidpartikel, der in US-A-4 661 408 offenbart ist. Diese Partikel neigen dazu, sich mit einer Rate abzusetzen, die zu einer nicht gleichförmigen Probe oder Reagensmischung führen kann. Daher ist es wünschenswert, daß die Reagenzien und/oder Reaktionsmischungen vor dem Entnehmen von Reagenzien regelmäßig vermischt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein relativ einfaches, kostengünstiges und dennoch wirksames automatisches Gerät zur Erzeugung eines Wirbels in flüssigen Materialien zur Verwendung in einer automatischen chemischen Analyseeinrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorzugsweise geht die Rotationsachse durch die Senkung hindurch und bildet mit der Fläche der Kupplung einen spitzen Winkel. Ferner ist bevorzugt, daß die Bohrung einen Umfangsrand aufweist, der auf dem Zentrum der Senkung liegt.
Bei dieser Vorrichtung wirkt die Senkung, die die Ausgestaltung einer kraterähnlichen Vertiefung in der Kupplungsfläche aufweist, derart, daß sie das Ansatzende der Kammer in ein in der Endfläche der Kupplung ausgebildetes Antriebsloch bzw. -bohrung führt. Das Loch muß derart angeordnet sein, daß es die Achse oder das Zentrum der Senkung einschließt, und zwar derart, daß, wenn die Kupplung translatorisch bewegt wird, um das Ansatzende der Kammer zu berühren, die rotierende Kupplung an dem Ansatzende angreift. Wenn der obere Bereich der Kammer flexibel angebracht ist, erzeugt diese am Boden der Kammer erzeugte Nutations- oder Orbitbewegung zum Erzeugen der gewünschten Vermischung einen Flüssigkeitswirbel in der Kammer.
Erfindungsgemäß ist jede Kammer auf einer Transporteinrichtung angeordnet, welche nach einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Reagensscheibe ist. An ihren oberen Bereichen sind die Kammern von Kammerträgern gehalten, die gemäß dem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung auf der Reagensscheibe angeordnete Behälterleisten sind.
Zum besseren Verständnis der Erfindung dient ihre folgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung dieser Erfindung bilden und in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bestandteile in allen Figuren der Zeichnungen beziehen, welche zeigen:
Figur 1 ist eine Draufsicht der Verarbeitungskammer eines Instrumentes zur chemischen Analyse, bei dem ein Kettentransport für die Reaktionsgefäße und ein Reagensscheibenträger für eine Behälterleiste verwendet wird, die eine Kammer aufweist, bei der der nicht-invasive Wirbelmischantrieb dieser Erfindung verwendet werden kann;
Figur 2 ist eine isometrische Ansicht der Behälterleiste mit vielen Behältern und einer Kammer, die bei dem Wirbelmischantrieb dieser Erfindung verwendet werden kann;
Figur 3 ist eine schematische Ansicht eines bei dieser Erfindung verwendeten Wirbelkupplungsmechanismus;
Figur 4 ist eine Draufsicht auf die Endfläche des Wirbelkupplungsmechanismus von Fig. 3; und
Figur 5 ist eine fragmentarische, teilweise quergeschnittene Seitenansicht, die den Betrieb des Wirbelkupplungsmechanismus der Fign. 3 und 4 darstellt.
In Fig. 1 ist ein Instrument zur chemischen Analyse dargestellt, bei dem das nicht-invasive Mischgerät dieser Erfindung verwendet werden kann. Die Analyseeinrichtung, die herkömmlich sein kann, weist eine Verarbeitungskammer 10 mit einer Antriebsanordnung 12 auf, die derart betreibbar ist, daß sie die einzelnen Reaktionsgefäße 14 reihenweise translatorisch zu in der Verarbeitungskammer 10 befindlichen verschiedenen Verarbeitungsstationen 16 bewegt. Die Verarbeitungskammer 10 weist eine Reagensladestation 18, eine Probenausgabestation 22, eine Waschstation 24, eine Mischstation 27, eine Meßstation 28, eine Reagensscheibe 30 zum Halten von Probenbehälterleisten 40, ein Probenkarussell 32 und Übertragungsarme 34 zum Übertragen von Proben und Reagenzien zu den Reaktionsgefäßen 14 auf.
Die Reagensscheibe 30 ist derart ausgestaltet, daß sie eine Reihe vielkammeriger Behälterleisten 40 halten kann. Eine für diesen Zweck bevorzugte Behälterleiste 40 ist die in der mitanhängigen Anmeldung unter dem Titel "Vortexing liquid container" beschriebene. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, weist diese Behälterleiste 40 mehrere Behälter 38 und eine Kammer 50 auf, die hintereinander derart angeordnet sind, daß sie eine Behälterleiste 40 bilden. Wie in US-A-4 720 734 beschrieben ist, kann die Behälterleiste 40 in jeder geeigneten Weise hergestellt werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Behälterleiste 40 ein aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise einem Inertkunststoff, ausgebildetes starres Umfangsband 36 auf. Das Band 36 ist entweder mit jedem der Behälter 38 verbunden oder einstückig damit ausgebildet, derart, daß im bevorzugten Fall die Behälterleiste 40 sich generell nach Art eines im wesentlichen länglichen Keiles von einem ersten Rand zu einem zweiten Rand verjüngt. Dieses keilförmige Planprofil für die Behälterleiste 40 erleichtert die Anbringung mehrerer derartiger Behälterleisten 40 derart, daß sie umfangsmäßig benachbart sind und sich generell radial über die drehbare Platte der Reagensscheibe 30 erstrecken. Es sollte jedoch in Betracht gezogen werden, daß die einzelnen Behälter 38 jegliche vorbestimmte Ausgestaltung haben können und allein oder zusammen in jeder geeigneten Anzahl angeordnet verwendet werden können und im Umfang dieser Erfindung bleiben.
Jede der Behälterleisten 40 weist entweder eine einzelne Kammer 50 oder eine Kammer 50 zusammen mit mehreren Behältern 38 auf, die durch generell gegenüberliegende Paare von generell parallelen und einstückig ausgebildeten Seitenwänden und Endwänden begrenzt sind, und jede der Kammern 50 und Behälter 38 ist aus einem geeigneten Inertkunststoffmaterial ausgebildet. Die oberen Flächen der Seitenwände und der Endwände zusammen mit der oberen Fläche des Bandes und dessen angrenzende Bereiche bilden eine im wesentlichen planare Dichtungsfläche 41, die das offene obere Ende der Behälter 38 umfangsmäßig umgibt. Typischerweise kann jeder der Behälter 38 durch einen abwärts geneigten umgekehrten pyramidenförmigen Boden geschlossen sein. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Seitenwände jedes Behälters 38, jedoch nicht diejenigen der Wirbelkammer, mit dem Umfangsband 36 verbunden. Das Band 36 verläuft geringfügig unterhalb der unteren Enden der Behälter 38 und bildet somit die Stützstruktur, wodurch die innere Leiste auf eine geeignete Arbeitsfläche gesetzt werden kann. Die mehreren Behälter 38 können in verschiedenen Konfigurationen, als Quadrat, Rechteck usw. angeordnet sein.
Alle der benachbarten Behälter 38 sind voneinander durch einen vorbestimmten Spalt beabstandet, um die Wärme- und Dampfisolierung der Behälter 38 zu verbessern. Vorzugsweise wird die Behälterleiste 40 durch Spritzgießen geformt und aus Polypropylen hergestellt. Alternativ dazu können Polyethylen oder andere geeignete Konstruktionsmaterialien verwendet werden, doch ist Polypropylen bevorzugt aufgrund seiner Eigenschaft, häufig gebogen werden zu können und nicht zu brechen.
Die Kammer 50 ist röhrenförmig und länglich und weist eine Längsachse auf. Die Kammer 50 weist ferner einen Rand auf, der eine Umfangsanbringungsfläche bildet, die ähnlich den von den Behältern 38 und dem Band 36 zur Verfügung gestellten Umfangsanbringungsflächen ist. Die Kammer 50 ist lediglich durch einen einstückigen dünnen Kunststoffinger, der ein flexibles Gelenk 46 bildet, mit dem Band 36 verbunden. Das flexible Gelenk 46 ist auf eine durch das Band 36 und den dem Endbehälter oder der Kammer benachbarten Behälter gebildete Ecke gerichtet. Der Finger aus Kunststoff ist unmittelbar unterhalb des Randes angeordnet, so daß er eine oben auf der Kammer 50 und den Behältern 38 angeordnete Dampfabdichtung nicht störend beeinflußt.
Der Boden der Kammer 50 ist derart ausgebildet, daß er einen sich abwärts erstreckenden vorspringenden Spitzenbereich 48 aufweist, der derart ausgestaltet ist, daß ein Antrieb vom exzentrischen oder orbitalen Typ daran angreifen kann, um eine Nutationsbewegung des Bodenbereichs der Kammer 50 zu erzeugen oder die Kammer 50 zu einer Schwenkbewegung um das flexible Gelenk 46 anzutreiben. Das Band bildet eine kurze Einfassung um die Kammer 50 herum, derart, daß die Kammer 50 frei für eine derartige Nutationsbewegung ihres unteren Bereiches ist.
Während die Behälter 38, falls erwünscht, offen gelassen werden können, wenn Reagenzien darin gelagert sind, so ist es doch am besten, eine Dampfsperre und einen selbstdichtenden Deckel zu verwenden, um ein mehrfaches Durchbohren mittels einer Sonde zum Entnehmen der Reagenzien zu gestatten. Aus diesem Grund kann ein geeignetes Laminat auf den oberen Rand jeder der Kammern 50 und Behälter 38 in der Behälterleiste 40 heißgesiegelt werden. Dies kann ein von einer elastomerischen selbstheilenden Struktur, wie beispielsweise Silikongummi, bedecktes Drei-Lagen-Laminat sein. Das Laminat ist mit einer Außenschicht aus Polyesterfilm, einer Polyvinylidenchloridbeschichtung auf dem Polyesterfilm und einer Außensperrschicht aus Polypropylen zusammengesetzt. Diese Drei-Lagen-Schicht ist unmittelbar um den Rand der Kammer 50 herum geschlitzt, um die Nutationsbewegung des Bodens der Kammer 50 zu erleichtern.
Gemäß dieser Erfindung ist ein automatisch angreifbarer Nutationsantrieb für die Kammer 50 vorgesehen. Dieser Antrieb weist eine Kupplungsstange 52 auf, die von einer Dreh-Bewegungseinrichtung 54, wie beispielsweise einem Schrittmotor, die mittels einer Antriebskupplung betrieben wird, gedreht wird. Die Dreh-Bewegungseinrichtung 54 selbst ist derart angebracht, daß sie von einer Linear- Bewegungseinrichtung 58 angetrieben wird, die durch das Gestänge 60 betrieben wird, um die Kupplungsstange 52 derart aufwärts zu bewegen, daß sie den vorspringenden Spitzenbereich 46 berührt.
Die Endfläche 62 der Kupplungsstange 52 weist eine Rotationsachse 64 und eine darin ausgebildete Senkung 66 auf. Das Zentrum oder die Achse 68 der Senkung 66 wird ferner durch eine Bohrung 70 gebildet. Die Bohrung 70 muß durch das Zentrum 68 der Senkung 66 hindurchgehen. In ähnlicher Weise muß die Senkung 66 versetzt von der Achse sein, aber dennoch die Achse 64 der Kupplungsstange 52 einschließen. Der Winkel, den die Senkung mit der Endfläche 62 bildet, muß ein spitzer Winkel und vorzugsweise in der Größenordnung von 30º sein. Ferner liegt vorzugsweise der Umfangsrand der Bohrung 70 direkt auf dem Zentrum 68 der Senkung.
Wie am deutlichsten aus Fig. 5 hervorgeht, ist die Kammer 50, die Teil der Behälterleiste 40 bildet, bei ihrem Betrieb an ihrem oberen Bereich durch das Gelenk 46 an der Behälterleiste 40 angebracht. Die Kupplung 52 wird während des Drehens aufwärts bewegt, wie durch den Pfeil 72 angezeigt, bis an dem vorspringenden Spitzenbereich 48 die Senkung angreift, die den vorspringenden Spitzenbereich 48 in die Bohrung 70 führt. Die Verwendung der Bohrung 70 sorgt für einen sicheren, festen Kontakt an dem vorspringenden Spitzenbereich 48, derart, daß nur wenig Ausdruck auf die Kammer 50 angewendet werden muß, um die Nutationsbewegung des Bodens der Kammer 50 zu bewirken. Die Kupplungsvorrichtung ist somit ein wirksamer, sicherer Weg zum Bewirken der Nutationsbewegung.
Die Kupplungsstange 52 kann aus jedem geeigneten Material hergestellt werden. Vorzugsweise wird ein Kunststoffmaterial verwendet. Jeder der geeigneten technischen Kunststoffe kann verwendet werden; jedoch wird bevorzugt, ABS-Kunststoff, der unter der Handelsbezeichnung Cycolac X-17 verkauft wird, zu verwenden.

Claims

1. Automatisches Gerät zum Erzeugen eines Wirbels in in wenigstens einer länglichen Kammer (50) enthaltenen flüssigen Materialien, wobei die Kammer (50) eine Längsachse aufweist und auf einer Transporteinrichtung (30) angeordnet ist, wobei das Gerät aufweist:

mehrere auf der Transporteinrichtung (30) angeordnete Kammerträger (40), wobei jeder Kammerträger (40) derart ausgestaltet ist, daß er die oberen Bereiche einer Kammer (50) flexibel hält, wobei jede Kammer (50) an ihrem Boden einen auf der Längsachse liegenden vorspringenden Spitzenbereich (48) aufweist,

eine drehbare Kupplung (52) mit einer Rotationsachse (64) und einer quer zu der Rotationsachse (64) verlaufenden Endfläche (62), wobei die Kupplung unter einem Bereich in der Bewegungsbahn des Kammerträgers (40) angeordnet ist,

eine Einrichtung zum Verschieben der Kupplung (52) entlang der Rotationsachse (64) zum Angreifen an dem vorspringenden Spitzenbereich (68) durch die Endfläche (62), wobei die Endfläche (62) der Kupplung (52) eine Senkung (66) definiert, deren Zentrum abseits der Rotationsachse (64) liegt,

wobei die Endfläche (62) der Kupplung (52) ferner eine Bohrung (70) in der Senkung (66) definiert, welche derart ausgestaltet ist, daß sie den vorspringenden Spitzenbereich (48) aufnimmt, wodurch,

wenn die Kupplung (52) gedreht und verschoben wird und dabei den vorspringenden Spitzenbereich (48) berührt, der vorspringende Spitzenbereich (48) von der Senkung (66) radial translatorisch entlang der Endfläche (62) der Kupplung (52) bewegt wird, um in die Bohrung (70) einzugreifen, und auf einer Kreisbahn geführt wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Rotationsachse (64) durch die Senkung (66) hindurchgeht.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Senkung (66) mit der Endfläche (62) der Kupplung (52) einen spitzen Winkel bildet.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem die Bohrung (70) einen Umfangsrand aufweist, der durch das Zentrum der Senkung (66) hindurchgeht.