DE69101706T2

DE69101706T2 - Verfahren und vorrichtung zum pipettieren von flüssigkeiten aus einem geschlossenen gefäss.

Info

Publication number: DE69101706T2
Application number: DE69101706T
Authority: DE
Inventors: Charles Collier; Maio William Di; James Seago
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: Dade Behring Inc
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1991-05-20
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2011-05-21
Also published as: CA2083489A1; EP0531427A1; JP2511606B2; WO1991019181A1; JPH05509158A; DE69101706D1; US5130254A; EP0531427B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Pipettieren von Flüssigkeiten aus einem geschlossenen Behälter und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren der Druckdifferenzen zwischen dem Inneren und dem Äußeren eines geschlossenen Behälters, wodurch ein genaueres Pipettieren der Flüssigkeiten möglich ist.

Hintergrund der Erfindung

Bei automatischen chemischen Analyseeinrichtungen ist es wünschenswert, Reagenzien in einem geeigneten Behälter aufzubewahren. Ein derartiger Behälter läßt den Zugriff durch Perforieren des Behälterdeckels zur Fluidentnahme zu und schließt die Perforation in dem Behälterdeckel nach der Fluidentnahme automatisch wieder. Dieser Wiederverschließvorgang, der als Selbstheilung bekannt ist, ist für die Kontrolle der Unversehrtheit des Reagens über die Zeit wesentlich. Ein derartiger Behälter wird zur Verwendung mit dem Dimension Clinical Chemistry System von E.I. du Pont de Nemours and Co., Wilmington, DE 19898 vertrieben. Ein anderer derartiger Behälter und eine andere derartige Deckelkonstruktion sind in einer veröffentlichten Patentanmeldung mit dem Titel "Lid Structure", EPO 89 115 518.6, veröffentlicht am 28. Februar 1990 (EP-A-0 355 803), beschrieben.
Gleichzeitig jedoch behindert die wiederverschließbare Deckel- /Behälter-Struktur, die das Leben des Reagens verlängert, eine automatische chemische Analyseeinrichtung bei der genauen Entnahme von Fluid aus dem Behälter. Dies liegt daran, daß das flexible oder elastomere Material, das für den Deckel verwendet wird, die Pipettiersonde oder -nadel dicht umschließt, wenn die Sonde sich in dem Behälter befindet. Wenn das Fluid entnommen wird, wird ein Vakuum erzeugt, da die Dichtung das Eindringen von Luft nicht zuläßt. Dieses Vakuum könnte die Pipettierleistung beeinträchtigen.
Dieser Vakuumzustand dauert, von vielen Variablen abhängig, eine Zeitlang an, doch hat man schon beobachtet, daß er Tage anhalten kann. So macht sich die Wirkung sowohl bei dem unmittelbar erfolgten Ansaugvorgang als auch bei denen bemerkbar, die in der Zukunft durchgeführt werden könnten. Die Auswirkung von wiedeholten Ansaugvorgängen bei demselben Behalter kann dies auch noch steigern. Somit wird das Vakuum bei jeder Fluidentnahme immer größer.
Gleichermaßen wird die Genauigkeit ständig beeinträchtigt. Wenn die Reagenspumpe versucht, 100% der gewünschten Menge zu entnehmen, liegt das, was tatsächlich aus dem Behälter entnommen wird, bei weniger als 100%, üblicherweise im Bereich von 90 bis 95%. Dies ist zu erwarten; die Reagenspumpe erzeugt ein Vakuum, um Fluid einzusaugen, während das Vakuum in dem Behälter dazu neigt, das Fluid herauszuziehen. Die Pumpe fördert tatsächlich weniger als die gewünschte Menge.
Die Genauigkeit der Reagenszufuhr wird ebenfalls durch das Vakuum beeinträchtigt. Bei dem Behältervakuum läßt sich eine größere Streubreite oder größere Ungenauigkeit beobachten. Diese Ungenauigkeit ist u.a. auf Gas in der Fluidleitung, unterschiedliche Vakuumpegel, die unterschiedliche Wirkungen haben, und das Zurückschnellen des Fluidmeniskus beim Zurückziehen der Sonde aus dem Behälter zurückzuführen.
Das Problem ist bekannt, und im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Reduzierung der Auswirkungen dieses Vakuumphänomens, das in den abgedichteten Behältern entsteht, verwendet worden. So offenbart Gustavsson in U.S. 4 673 404 eine Adaptervorrichtung zum Entlüften und Ausgleichen von Druck in einem abgedichteten Behälter. Eine Lüftungsnadel durchsticht den Verschluß des abgedichteten Gefäßes, wodurch das Gefäß durch ein Filter entlüftet werden kann. Eine Ansaugnadel kann durch das Dichtungsteil und den Gefäßverschluß in das Gefäß eindringen, um Fluid aus dem Gefäß anzusaugen. Zwar trägt dieser Ansatz zur Lösung des Problems bei, doch entstehen dadurch auch unnötige Einstichlöcher in der Abdeckung, wodurch aufgrund von Verdunstung ein Fluidverlust aus dem Gefäß in dem Behälter verursacht werden kann.
Ein weiterer Ansatz wurde von Averette in U.S.-Patent 4 815 325 vorgenommen. Wie aus Figur 4A hervorgeht, verwendet Averette eine koaxiale Sonde, um Fluid aus einem abgedichteten Behälter anzusaugen. Nachdem die Sonde das Dichtungsteil des Gefäßes durchdrungen hat, kann Fluid aus dem Gefäß durch das Innenrohr der koaxialen Sonde zu der Ansaugrohrleitung gesaugt werden. Während des Ansaugens wird Luft durch die Lüftungsrohrleitung in das Gefäß und abwärts durch den äußeren Ringraum der Sonde zu der Öffnung in der Seite der koaxialen Sonde ventiliert. Zwar ist dies eine zufriedenstellende Alternative, doch können in den Fällen, in denen die Gefahr einer gegenseitigen Kontaminierung besteht, durch Mitführung verursachte Probleme groß sein.
Ringrose et al. offenbart in dem U.S.-Patent 3 872 730 eine Vorrichtung zum Nehmen von Proben aus einem geschlossenen Blutröhrchen, wie beispielsweise einem "Vacutainer"-Röhrchen. Eine Doppel-Nadel-Sonde durchdringt den Verschluß des Röhrchens, wodurch die erste Nadel das Röhrcheninnere zur Atmosphäre hin ventilieren und das zweite Röhrchen Fluid aus dem Röhrchen ansaugen kann. Auch hier führt die doppelte Durchdringung, die bei jeder Probenentnahme auftritt, zur schnelleren Verschlechterung der Unversehrtheit der Dichtung des Behälters.
Schließlich offenbart das U.S.-Patent 4 756 201 (Uffenheimer) eine Vorrichtung zum Nehmen von Proben aus einem geschlossenen Blutröhrchen, wie beispielsweise einem "Vacutainer"-Röhrchen. Wie aus Figur 1 bei Uffenheimer hervorgeht, ist, wenn die Sonde zuerst durch den Verschluß in das Röhrchen eindringt, das Scherventil derart angeordnet, daß die Umgebungsluft in der Ausgleichskammer in das Röhrchen ventiliert werden kann. Nach der Ventilierung wird das Scherventil wieder an seinem Platz angeordnet, so daß die Pume aus dem Röhrchen ansaugen kann.
Diese Anordnung, bei der zum Unterbinden einer Kontaminierung des Behälters mit Fluid Luft in dem System vom Ventil an bis zu der Sonde erforderlich ist, stellt nicht immer eine wünschenswerte Lösung für dieses Problem dar.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Viele der Nachteile der Verfahren nach dem Stand der Technik zum Entnehmen von Proben aus abgedichteten Behältern werden unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung dieser Erfindung bedeutend verringert. Zunächst ist diese Erfindung ein Verfahren zum Entnehmen von Flüssigproben aus einem geschlossenen Probenbehälter mit einer Achse, wobei der Behälter einen quer zur Achse liegenden Elastomerverschluß aufweist, unter Verwendung einer Roboteransaugsonde, die lineare Bewegungsgrade entlang der Achse und orthogonal zur Achse aufweist, mit den Schritten: (a) Einführen der Sonde durch den Verschluß in den Behälter, (b) Bewegen der Sonde orthogonal zur Achse zum Dehnen des Verschlusses, wodurch neben der Sonde ein Durchlaß zur Atmosphäre geöffnet wird, (c) Aufbringen eines Vakuums in der Sonde, wodurch eine Probe aus dem Behälter angesogen wird, und (d) Abziehen der Sonde aus dem Behälter, wodurch der Verschluß eine Ansaugwirkung auf die Sonde ausübt, wodurch der Inhalt des Behälters konserviert wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens dieser Erfindung wird die Sonde orthogonal zu ihrer vor Schritt (b) eingenommenen axialen Position, d.h. bevor sie aus dem Behälter abgezogen wird, rückgeführt. Die Verwendung des Verfahrens dieser Erfindung erhöht die Genauigkeit, mit der Flüssigkeiten pipettiert werden, in bedeutendem Maße. Dies geschieht auf einfache Weise durch Verringern der Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren der abgedicheten Behälter durch den einfachen Ansatz des Bewegens der Sonde seitlich zur Achse des Behälters. Keine zusätzlichen mechanischen Merkmale der Erfindung, wie beispielsweise Nadeln usw., sind erforderlich. Ferner werden durch die von dem Deckel des Behälters ausgeübte Wischfunktion jegliche Tröpfchen, die ansonsten zu einer Ungenauigkeit beim Pipettieren beitragen könnten, entfernt.
Ferner wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Entnehmen von Flüssigproben aus einem geschlossenen Probenbehälter mit einer Achse geschaffen, wobei der Behälter einen quer zur Achse liegenden Elastomerverschluß aufweist und die Vorrichtung aufweist: eine Roboteransaugsonde, wobei die Sonde Linearbewegung entlang der Achse des Behälters und orthogonal zu der Achse ausführt, eine Einrichtung zum Aufbringen eines Vakuums in der Sonde, und eine Einrichtung zum Steuern der Bewegung der Robotersonde, wobei die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie bewirkt: Anfängliches Einführen der Sonde durch den Verschluß in den Behälter und anschließend Bewegen der Sonde orthogonal zur Achse zum Dehnen des Verschlusses, wodurch neben der Sonde ein Durchlaß zur Atmosphäre geöffnet wird, gefolgt vom Aufbringen eines Vakuums in der Sonde durch die Einrichtung zum Aufbringen, dadurch Ansaugen einer Probe aus dem Behälter und Abziehen der-Sonde aus dem Behälter, wodurch der Verschluß eine Ansaugwirkung auf die Sonde ausübt, wodurch der Inhalt des Behälters konserviert wird. Die Vorrichtung ist durch die Steuereinrichtung weiter verbessert, die derart angeordnet ist, daß sie bewirkt, daß die Sonde vor der orthogonalen Bewegung orthogonal zu ihrer Ausgangsposition rückgeführt wird. Wünschenswerterweise ist die Sonde mit einer Außenhülse zum Stützen ihrer Seitwärbsbewegung beim Dehnen des Deckels versehen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der Erfindung dient die folgende Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, welche zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise geschnitten, teilweise als Blockdiagramm, einer erfindungsgemäß konstruierten Pipette.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt die gemäß dieser Erfindung konstruierte Vorrichtung, die zur Reduzierung eines in einem abgedichteten Probenbehälters 10 vorhandenen Vakuums oder Drucks dient, so daß Flüssigkeiten mit einem hohen Grad an Genauigkeit aus dem Behälter pipettiert werden können. Der herkömmliche Behälter 10 kann aus jedem geeigneten Material, das üblicherweise für solche Zwecke verwendet wird, konstruiert werden. Solche Behälter sind auf dem freien Markt erhältlich und brauchen nur chemisch inert zu sein. Der Behälter 10 weist auf seinem Oberteil einen Abdichtungs- oder Verschlußdeckel 12 auf, der wiederum aus jeglichem geeigneten Material bestehen kann. Zwar ist dies nicht von Bedeutung, doch wird bevorzugt, daß die verwendeten Behälter einen Verschluß der mit dem Du Pont's Dimension Clinical Chemistry System (E.I. du Pont de Nemours and Company) verkauften Art aufweisen. Derartige Behälter haben einen Elastomerverschluß 12, der eine Elastomerschicht aus geeignetem Material, wie beispielsweise Silikongummi, aufweist, das ein dreilagiges Laminat aus einem Polyesterfilm, einer Polyvinylidenchloridschicht und einer Polypropylenbahn bedeckt. Das Laminat verringert die Verdunstung und die Elastomerschicht ist selbstheilend und übt zum Abwischen der Sonde eine "Wisch"-Wirkung aus. Ein ähnliches Laminat ist in der DeBenedictis-Anmeldung beschrieben. Die spezielle verwendete Deckelstruktur ist nicht von Bedeutung, sofern sie, wie im folgenden beschrieben, elastomer ist.
Eine Sonde 14 zum Durchdringen des Deckels 12 des Behälters 10 entlang der Behälterachse 16 ist durch eine Rohrleitung 18 an einer Vakuumpumpe 20 angebracht. Die Sonde 14 ist hohl und koaxial von einer um diese befestigten Hülse 22 gestützt und in einem Halter 24 angebracht. Die Hülse und die Sonde können aus jedem geeigneten Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, bestehen. Der Halter 24 seinerseits ist derart ausgestaltet, daß er über ein Lenkergestänge 26 in einer XZ-Richtung horizontal und vertikal) von einem Servomotor 28 bewegt werden kann, der von einer Steuereinrichtung 30 gesteuert wird. Die Pumpe 20 wird ebenfalls in ähnlicher Weise von der Steuereinrichtung 30 gesteuert. Die Steuereinrichtung 30 kann eine beliebige der herkömmlichen, Mikroprozessorchips verwendenden Steuereinrichtungen oder eine andere sein. Für diese Erfindung kann jede beliebige Robotersteuereinrichtung verwendet werden. Vorzugsweise kann die
Steuereinrichtung die von E.I. du Pont de Nemours and Company zur Verwendung mit ihrem Dimension System verwendete sein. Beliebige andere Steuereinrichtungen sind für diesen Zweck geeignet, immer vorausgesetzt, daß sie die Fähigkeit haben, die Sonde seitlich und vertikal zu bewegen, und zwar mit einer Kraft von ungefähr drei oder vier Pounds.
Beim Betrieb dieser Erfindung wird die Sonde 14 zunächst geringfügig abseits des Mittelpunkts der Achse 16 des Behälters 10 positioniert. Der Betrag dieses Versatzes variiert mit den verwendeten Materialien und dem Deckeldurchmesser und der Sondengröße, kann jedoch üblicherweise in der Ordnung von 0,2 cm sein. Unter der Steuerung der Steuereinrichtung 30 (FIG. 1) wird die Sonde 14 nach unten bewegt, um den Deckel 12 des Behälters 10 zu durchdringen. Die Abwärtsbewegung der Sonde wird gestoppt, gerade ehe die Spitze 34 der Hülse 22 den Deckel 12 berührt. Üblicherweise kann dieses Spiel in der Ordnung von 0,015 cm sein, um eine Kontaminierung der Stützhülse mit dem Reagens zu vermeiden.
Als nächstes wird die Sonde 14 erfindungsgemäß seitwärts bewegt, so daß sie auf der Achse 16 des Behälters liegt. Dadurch wird der Elastomerbereich des Deckels 12 ausreichend gedehnt, so daß Luft durch die erweiterte Öffnung in dem Deckel entweichen kann und somit ein Druckausgleich zwischen dem in dem Behälter 10 und dem auf der Außenseite des Behälters, d.h. der Atmosphäre, stattfinden kann. Wenn die bei den Dimension Systems verwendete Art von Behälter verwendet wird, zerreißt die Seitwärtsbewegung der Sonde auch die Filmschichten, die einen Teil des Elastomerdeckels darstellen. Viele Deckel wurden bereits bei einer Seitwärtsbewegung von nur 0,010 cm effektiv entlüftet. Um jedoch eine angemessene Lüftung zu gewährleisten, wurde eine Seitwärtsbewegung von 0,020 cm als sicheres Vorgehen durchgeführt. Selbstverständlich kann bei Deckeln mit unterschiedlicher Dicke eine stärkere oder eine geringere Seitwärtsbewegung erforderlich sein, um ein angemessene "Leck" um die Nadeln zur Lüftung des Behälters zu schaffen.
Selbstverständlich muß der Behälter gegen Seitwärtsbewegung gesichert sein. FIG. 1 zeigt dies beim Bezugszeichen 40, das einen Halter für den Behälter bezeichnen kann. Der Halter ist an einer starren Stütze 42 angebracht. Der Halter kann ein Ring, eine Klammer oder ein beliebiger anderer Mechanismus sein, der eine seitliche Bewegung des Behälters verhindert. Zwar ist eine Bewegung der Sonde zur Mittellinie des Behälters, d.h. der Achse, bevorzugt, doch kann die Sondenbewegung, wie gewünscht, auch eine sehnenförmige oder eine nach radial außen gerichtete sein. Die Bewegung zur Achse ermöglicht generell die größte Sondentiefe.
Als nächstes wird die Pumpe 20 von der Steuereinrichtung betätigt und der Inhalt des Behälters 10 angesogen, um die gewünschte Probenentnahme durchzuführen. Dieses Ansaugen findet in der Zeit statt, in der das durch Erweitern des Elastomerdeckels 12 gebildete Lüftungsloch offen ist, um die "Lüftung" zu bilden. Die Sonde wird durch eine orthogonale oder seitliche Rückführbewegung in ihre Ausgangsposition relativ zu der Achse 16 rückgeführt. Schließlich wird die Sonde aus dem Behälter abgezogen.
Der gerade beschriebene Mechanismus ermöglicht ein relativ einfaches Verfahren und schafft eine Vorrichtung zur Lüftung eines abgedichteten Probenbehälters zur Atmosphäre hin. Keine zusätzlichen Lüftungsnadeln, -teile oder -mechanismen sind erforderlich. In dem System oder an anderer Stelle sind keine zusätzlichen Ventile erforderlich und dennoch erreicht es bei den Volumina der genommenen Proben eine relativ hohe Genauigkeit.

Beispiel 1

Eine Reihe von Experimenten wurden durchgeführt, wobei sowohl Behälter mit als auch ohne Deckel verwendet wurden. Die verwendeten Behälter waren die, die zur Verwendung mit dem Dimension System vertrieben wurden, welche einen Deckel aus einem Elastomer- und Filmlaminat aufweisen. Durchführung verschiedener Techniken zum Pipettieren aus einem Behälter %C.V.* Signifikant Behälter mit Deckel Behälter ohne Deckel Behälter mit Deckel, jedoch entlüftet Behälter mit Deckel, bei dem das erfindungsgemäße Seitenbewegungsverfahren (0,20) cm angewendet wird nein, Vergleichsbasis Ja, besser wobei: %C.V. = (Standardabweichung/Mittelwert)* 100
Die Signifikanz wird durch Durchführung eines F-Tests bestimmt, um festzustellen, ob die beobachtete Differenz, bei gegebener Datenpopulationszahl, statistisch signifikant ist.
Diese Ergebnisse zeigen, daß die beste Leistung erzielt wird, wenn der Behälter während des Pipettierens entlüftet werden kann. Es kann entweder eine externe Lüftung oder eine Seitenbewegung verwendet werden. Das erfindungsgemäße Seitenbewegungsverfahren ist am besten, weil es keine Sekundärlüftungsmechanismen mit den zugehörigen Nachteilen erfordert. Es sei außerdem angemerkt, daß sich bei dem Seitenbewegungsverfahren die beste Leistung ergibt, sogar eine bessere als beim Pipettieren aus einem Behälter ohne Deckel. Dies wird der von dem Behälterdeckel durchgeführten Abwischfunktion zugeschrieben. Durch dieses Abwischen wird die Außenseite der Sonde "abgewischt", wodurch jegliche Tröpfchen, die zur Ungenauigkeit beim Pipettieren beitragen, entfernt werden.

Claims

1. Verfahren zum Entnehmen von Flüssigproben aus einem geschlossenen Probenbehälter mit einer Achse, wobei der Behälter einen quer zur Achse liegenden Elastomerverschluß aufweist, unter Verwendung einer Roboteransaugsonde, die lineare Bewegungsgrade entlang der Achse und orthogonal zur Achse aufweist, mit den Schritten:

(a) Einführen der Sonde durch den Verschluß in den Behälter,

(b) Bewegen der Sonde orthogonal zur Achse zum Dehnen das Verschlusses, wodurch neben der Sonde ein Durchklaß zur Atmosphäre geöffnet wird,

(c) Aufbringen eines Vakuums in der Sonde, wodurch eine Probe aus dem Behälter angesogen wird, und

(d) Abziehen der Sonde aus dem Behälter, wodurch der Verschluß eine Ansaugwirkung auf die Sonde ausübt, wodurch der Inhalt des Behälters konserviert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem zusätzlichen Schritt das orthogonalen Rückführens der Sonde zu ihrer vor Schritt (b) eingenommenen axialen Position.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Sonde gegen Biegen abgestützt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Sonde gegen Biegen abgestützt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Sonde entlang der Achse in den Behälter eingeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, mit dem zusätzlichen Schritt des orthogonalen Rückführens der Sonde zu ihrer vor Schritt (b) eingenommenen axialen Position.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Sonde gegen Biegen abgestützt ist.

8. Vorrichtung zum Entnehmen von Flüssigproben aus einem geschlossenen Probenbehälter mit einer Achse, wobei der Behälter einen quer zur Achse liegenden Elastomerverschluß aufweist und die Voriichtung aufweist:

eine Roboteransaugsonde, wobei die Sonde Linearbewegung entlang der Achse des Behälters und orthogonal zu der Achse ausführt,

eine Einrichtung zum Aufbringen eines Vakuums in der Sonde, und

eine Einrichtung zum Steuern der Bewegung der Robotersonde, wobei die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie bewirkt:

Anfängliches Einführen der Sonde durch den Verschluß in den Behälter und anschließend

Bewegen der Sonde orthogonal zur Achse zum Dehnen des Verschlusses, wodurch neben der Sonde ein Durchlaß zur Atmosphäre geöffnet wird, gefolgt vom

Aufbringen eines Vakuums in der Sonde durch die Einrichtung zum Aufbringen,

dadurch Ansaugen einer Probe aus dem Behälter und Abziehen der Sonde aus dem Behälter, wodurch der Verschluß eine Ansaugwirkung auf die Sonde ausübt, wodurch der Inhalt des Behälters konserviert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie das orthogonale Rückführen der Sonde zu ihrer vor der orthogonalen Bewegung eingenommenen Ausgangsposition bewirkt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Sonde zylindrisch und teilweise von einer koaxial angeordneten Hülse umschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die orthogonale Bewegung wenigstens 0,1 cm beträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Sondeneinfassung vor der orthogonalen Bewegung der Sonde dem Verschluß innerhalb von 0,2 cm annäherbar ist.