DE4436595A1

DE4436595A1 - Pipettiergerät mit Speicherfunktion

Info

Publication number: DE4436595A1
Application number: DE4436595A
Authority: DE
Inventors: Francis Gomes
Original assignee: Manostat Corp
Current assignee: Manostat Corp
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2014-10-14
Also published as: CA2117929C; GB9420495D0; GB2282883B; GB2282883A; CA2117929A1; DE4436595C2; US5509318A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein motorisiertes und automati siertes Pipettiergerät und auf elektronisch gesteuerte Vorrich tungen, die eine Speicherfähigkeit aufweisen, zum Ansaugen und/oder Abgeben einer vorbestimmten Menge oder Mengen von Flüssigkeit. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein pistolenartiges Pipettiergerät, das programmierbar ist, um automatisch gleichmäßige Flüssigkeitsmengen abzugeben oder auf zusaugen.

Der einschlägige Stand der Technik, auf den hier Bezug genommen wird, ist in den US-PS 3 963 061, 4 475 666, 5 090 255, 4 967 606, 4 448 752 und 4 896 270 beschrieben.

Motorisch angetriebene und/oder automatische Pipettiergeräte bekannter Art verwendeten und verwenden pistolenartige Pumpen zur Erzeugung eines Saugeffektes oder eines Drucks zum Fördern von Flüssigkeiten. Diese Pumpenarten sind für die vorgegebenen Aufgaben zwar im allgemeinen geeignet, haben jedoch verschie dene Nachteile. An erster Stelle seien die konstruktiven Anfor derungen an einen Kolben-Zylinder-Mechanismus genannt, der enge Toleranzen, gute Dichtungen, Ventile, Ventilsitze und Mechanis men zum Betätigen der Ventile und Übertragungseinrichtungen zum Kuppeln eines Elektromotors mit dem Kolben haben muß. Diese Konstruktion erhöht unweigerlich die Herstellungs- und Montage kosten der zahlreichen Präzisionsteile und die Wartungs- und Ersatzkosten von Teilen bei Abnutzung. Der zweite Nachteil ist die Schwierigkeit oder häufig Unmöglichkeit, Teile zu reinigen, die von den gepumpten Flüssigkeiten verschmutzt oder kontami niert worden sind. Wo eine Reinigung noch möglich ist, sind Zeit und Kosten jedoch ein wesentlicher Nachteil. Ein weiter Nachteil ist der Lärm und/oder die Vibration, die manche Hoch geschwindigkeitspumpen hervorrufen.

Wie bereits zuvor angegeben, stellen die bekannten und gegen wärtig im Einsatz befindlichen automatischen Pipettiergeräte eine so wesentliche Verbesserung gegenüber manueller Pipettie rung dar, daß Benutzer und Hersteller die elektromotorisch angetriebene Kolben-Zylinder-Pumpe als Standardvorrichtung in großem Umfang akzeptiert und die Anstrengungen zur Weiterent wicklung auf andere Aspekte des Betriebes gerichtet haben, wie beispielsweise auf elektronische Steuerungen, bessere oder andere Motoren, Ventile für die Pumpen und Materialien.

Für andere Funktionen gibt es andere Pumpenarten, die dort, nicht aber bei Hand-Pipettiergeräten im Einsatz sind, was augenscheinlich verschiedene Gründe hat. Beispielsweise ist ein peristaltischer Pumpentyp (Schlauchpumpe) bei automatischen Hand-Pipettiergeräten nicht eingesetzt worden, weil zum einen die im wesentlichen universellen Kolben-Zylinder-Pumpen eine bekannte und zuverlässige sowie anerkannte Einheit sind, und zum anderen weil Schlauchpumpen traditionell entweder für kon tinuierlichen Durchfluß oder für Flüssigkeiten oder für beides und dann nur in stationären Geräten eingesetzt werden.

Jeder der Nachteile der traditionellen und gegenwärtig im Ein satz befindlichen automatischen Pipettiergeräte mit Kolben- Zylinder-Pumpen der oben beschriebenen Art ist dadurch beisei tegetan worden, daß man entweder das Problem akzeptiert hat oder kompliziertere und teurere Ventile, Motoren und zugehörige Steuereinrichtungen verwendet hat oder im Falle eines kontami nierten Gerätes dieses einfach weggeworfen hat.

Die vorliegende Erfindung verwendet eine neue Kombination von Komponenten und schafft eine Verbesserung in allen unten beschriebenen Bereichen.

Die Erfindung ist in verschiedenen Ausführungsarten in den Ansprüchen 1, 7 und 22 beschrieben. Vorteilhafte Ausführungen davon sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Das neue Pipettiergerät hat weniger Teile, hat weniger teure Teile, die Teile sind einfach und preiswert zu reinigen oder ersetzbar, und sie sind hoch zuverlässig. Das Pipettiergerät ist auf einfache Weise mit einer elektronischen Schaltung ver bunden, um hohe Genauigkeit einer automatisch wiederholbaren Ansaugung oder Abgabe zu erzielen. Durch Verwendung einer peri staltischen Pumpe, d. h. einer Schlauchpumpe, in Kombination mit dem Drehausgang eines Elektromotors und einer optischen Abtast vorrichtung zum Messen der Drehung des Pumpenrotors und/oder des Motorrotors wird eine hohe Genauigkeit und zuverlässige Wiederholbarkeit bei einem Bruchteil der Kosten früherer Geräte erreicht.

Das neue, automatische Hand-Pipettiergerät ist mit jeder Stan dard-Glas- oder -Plastikpipette zum Ansaugen und/oder Abgeben einer vorbestimmten Flüssigkeitsmenge betriebsfähig. Das Gerät umfaßt ein Gehäuse, von dem ein Teil einen Handgriff ausbildet und in dem eine Schlauchpumpe angeordnet und befestigt ist, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Die Pumpenleitung erstreckt sich zu einem Mündungsteil des Geräts, der mit einer Pipette verbindbar ist. Zum Betätigen des Motors und der Pumpe, damit die Motordrehung eine entsprechend genaue Flüssigkeits menge durch den Auslaß der angeschlossenen Pipette an zusaugen oder abzugeben verursacht, sind Steuereinrichtungen vorgesehen. Die Drehung des Rotorteils des Motors oder des Rotorteils der Schlauchpumpe wird von einem optischen Sensor erfaßt, gemessen und im Speicher des Geräts gespeichert.

Im Betrieb kann dieses Pipettiergerät veranlaßt werden, eine exakte Flüssigkeitsmenge anzusaugen oder aufzunehmen, wobei die Größe dieser Menge im Speicher gespeichert wird. Nach dem Abge ben dieser Flüssigkeitsmenge kann das Gerät nachfolgend zur automatischen Ansaugung exakt identischer Mengen eingesetzt werden, indem das Gerät lediglich angewiesen wird, den Befehl aus dem Speicher zu wiederholen, und der Speicher veranlaßt wird, den Motor um ein geeignetes Maß drehen zu lassen, bis die entsprechende Flüssigkeitsmenge jeweils angesaugt und nachfol gend abgegeben worden ist.

Augenscheinlich kann der optische Sensor dazu verwendet werden, die Pumpendrehung zu ermitteln, wenn die Pumpe in Gegenrichtung läuft, um Flüssigkeit abzugeben, und er kann somit eine exakte, abgegebene Flüssigkeitsmenge ermitteln und bestimmen und kann diesen Wert im Speicher speichern. Anschließend kann das Gerät so betrieben werden, daß es aufeinanderfolgend exakt gleiche Mengen wie die erste Menge abgibt, indem einfach ein eingebau ter Rechner veranlaßt wird, den Motor in der entgegengesetzten Wirkungsrichtung zu betreiben, um eine Abgabe der Flüssigkeit in geeigneter Menge hervorzurufen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeich nungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht des Gehäuses und der Komponenten des neuen Geräts;

Fig. 2 eine teilweise weggeschnittene rückseitige Ansicht, die Komponenten der Schlauchpumpe zeigt;

Fig. 3 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 1, die jedoch zusätzlich den Pipettenadapter zeigt;

Fig. 4 eine teilweise weggeschnittene Draufsicht, die den Batteriepack zeigt;

Fig. 5 eine Schemazeichnung der Fluidströmungs- und Grundsteuerungseinrichtungen;

Fig. 6 ein Flußdiagramm der Betriebsarten des Gerätes;

Fig. 7 die Steuerschaltung des Geräts;

Fig. 8 eine Seitenteildarstellung des Pumpenrotors, und

Fig. 9 eine stirnseitige Darstellung des Pumpenrotors von Fig. 8.

Das neue Gerät 10 hat als Hauptbestandteile ein Gehäuse 12, einen Batteriepack 24, ein Anzeigefeld 26, eine Motor-Pumpen- Anordnung 40, eine Einlaßleitung 55, eine Pipettenadapterman schette 76, einen Mikrosteuerer 100 und einen Optokoppler 102.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen das neue Gerät 10, das ein Gehäuse 12 aus linken und rechten Gehäuseschalen 12L und 12R aufweist. Die rechte Gehäuseschale ist in Fig. nicht gezeigt, weil sie wegge schnitten ist. Fig. 2 zeigt die linke Gehäuseschale 12L teil weise und die rechte Gehäuseschale 12R vollständig gestrichelt. Die linken und rechten Gehäuseschalen bilden zusammen das Gehäuse 12, von dem ein Mittenabschnitt einen Handgriff 14 bil det, der in den Fig. 1 und 3 erkennbar ist. Das Gehäuse bildet ferner eine Pumpenkammer 16 am unteren Ende mit einem Pumpen deckel 18 an der Rückseite des Gehäuses gemäß Fig. 3 aus. Wei terhin ist in dem Gehäuse eine Batteriekammer 20 mit einem Bat terieabdeckteil 22 im oberen Bereich ausgebildet, und in der Kammer 20 befindet sich ein Batteriepack 24.

Hinter dem Batterieabdeckteil befindet sich ein Anzeigefeld 26 mit einer Reihe von Indikatoren LED1, LED2 und LED3, die den Betriebszustand des Gerätes anzeigen. Dicht vor LED1 befindet sich das Stellrad eines ein Potentiometers 27, dessen Funktion später beschrieben wird. An der Innenseitenfläche des Hand griffs 14 sind zwei Auslöser 28 und 29 angebracht, deren Funk tion ebenfalls später beschrieben wird.

Innerhalb der Pumpenkammer 16 ist eine Motor-Pumpen-Anordnung 40 untergebracht, wie in den Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, die einen Gleichstrommotor 42, Befestigungseinrichtungen 44 für den Motor, eine zentrale Antriebswelle (nicht dargestellt) des Motors, einen von der Antriebswelle gedrehten Pumpenrotor 46 und eine von dem Rotor getragene Serie von vier Walzen 48 umfaßt, wobei jede Walze auf einer eigenen Welle 49 gelagert ist, die in Stirnplatten 50 enden. Der Rotor trägt ferner gewisse optische Markierungen, die später beschrieben werden und zum Zusammenwirken mit einem optischen Sensor 60 eines Optokopplers 102 bestimmt sind, wie in den Fig. 3, 8 und 9 dar gestellt, was ebenfalls später erläutert wird.

Die Schlauchpumpe der Motor-Pumpen-Anordnung umfaßt den Haupt pumpschlauch 52, der in den Fig. 1 und 2 erkennbar ist. Der Schlauch 52 läuft als Schleife um die vier Walzen 48 und endet in Kupplungselementen 53 und 54, die die Enden des Schlauches 52 sicher festlegen. Von der Kupplung 54 erstreckt sich eine Einlaßleitung 55 zum Pipettenadapter 70; von der Kupplung 53 erstreckt sich eine Be- und Entlüftungsleitung 58 zu einer Öff nung 59 im Gehäuse (Fig. 1), die mit der Atmosphäre in Verbin dung ist.

Das Gehäuse 12 hat einen sich nach unten erstreckenden kreis förmigen Kragen 72, der ein Außengewinde aufweist. Ein im wesentlichen drehsymmetrisches Adaptergehäuse 74 mit Innenge winde an seinem oberen Ende ist auf den Kragen 72 lösbar aufge schraubt. Innerhalb dieses Adaptergehäuses 74 befindet sich eine flexible und nachgiebige Pipettenadaptermanschette 76, die das obere Ende einer Pipette lösbar aufnehmen und fest greifen kann, wenn es in die Manschette eingesetzt ist und dort über einen Nippel 78 geschoben ist, der sich von einem hydrophoben Filter 80 nach unten erstreckt. Unmittelbar oberhalb des Filter 80 befindet sich eine Filterdichtung 82, die mit einem Fitting 84 am Ende der Einlaßleitung 55 gekuppelt ist. Die Pumpe 40 steht somit über dem Pumpschlauch 52, die Einlaßleitung 54, das Fittung 84, die Filterdichtung 82, den Filter 80, den Nippel 78 und die Manschette 72 mit einer Pipette in Verbindung. Das Adaptergehäuse 74 kann leicht vom Gehäusekragen 72 abgeschraubt werden, um Pipettenmanschette 76, Filter 80 oder Dichtung 82 für Reinigung oder Ersatz zugänglich zu machen.

Der elektrische, mechanische und Fluidströmungsbetrieb wird unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm von Fig. 6, die Schaltung von Fig. 7 und eine Betriebsanleitung am Ende dieser Beschrei bung erläutert. Die für das Gerät nach der vorliegenden Erfin dung verwendete, in Fig. 7 dargestellte Schaltung enthält einen Mikrosteuerer 100. Dieser kann z. B. vom Typ MC68HC705J2 sein und enthält einen ROM, in dem ein Programm zum Steuern des Betriebs des erfindungsgemäßen Geräts gespeichert ist.

Der Motor 44 ist ein reversibler Gleichstrommotor, dessen Anschlüsse mit gesonderten Schaltarmen der Ansaug- und Abgabe schalter S1, S2 verbunden sind. Im ungedrückten Zustand dieser Schalter sind beide Schaltarme mit dem Kollektor des Schalt transistors Q1 verbunden. Der leitfähige Zustand dieses Tran sistors wird durch den Logikpegel am Anschluß PB4 des Mikro steuerers über den Transistor Q4 gesteuert. Wenn der Transistor Q1 in den Leitfähigkeitszustand gesteuert ist und einer der beiden Schalter S1 und S2 geschlossen wird, dann wird dem Motor ein Betriebsstrom zugeführt. Die Schalter S1 und S2 werden nur alternativ in ihrer Betriebsstellung mit V_cc verbunden, so daß dem Motor stets nur von einem dieser Schalter Strom zugeführt werden kann, der in der einen Richtung fließt, wenn der Schal ter S1 geschlossen ist, und in der anderen Richtung fließt, wenn der Schalter S2 geschlossen ist, um es zu ermöglichen, die Motorwelle in der einen oder anderen Richtung anzutreiben. Da der Mikrosteuerer 100 die Leitfähigkeit des Schalttransistors Q1 beeinflussen kann, ist er in der Lage, eine Motordrehung zu verhindern, indem er den Schalttransistor Q1 in den Sperrzustand versetzt.

Der Pumpenrotor mit den Scheiben 101, der in den Fig. 1, 7, 8 und 9 dargestellt ist, wird von der Welle des Motors 44 in Dre hung versetzt. Eine der Scheiben 101 ist mit mehreren sich radial erstreckenden Streifen versehen, die gleichmäßig um ihre Oberfläche verteilt sind, um in regelmäßiger Winkelverteilung angeordnete Schwarz/Weiß-Übergänge zu schaffen. Ein Optokoppler 102, wie in Fig. 7 gezeigt, besteht aus einer LED 103, die Licht auf Scheibe 101 richtet, und einem Fototransistor 104, der so angeordnet ist, daß er das von der Scheibe 101 reflek tierte Licht der LED 103 aufnimmt. Als Folge davon gibt der Fototransistor einen Impuls für jeden Schwarz/Weiß-Übergang der Winkeldrehung der Scheibe 101 und daher der Motorwelle ab. Diese Impulse werden dem Anschluß PA4 des Mikrosteuerers über einen Verstärker 105 zugeführt. Der Mikrosteuerer kann mit der LED 103 so verbunden sein, daß er sie über den Anschluß PB3 und den Transistor Q2 erregt, um die LED in Betriebspausen abschal ten zu können, während der die Spannungspegel im System so ein gestellt werden, daß der Stromverbrauch minimiert wird, so daß der Mikrosteuerer nur auf Signale anspricht, die seinem Unter brechungsanschluß IRQ zugeführt werden.

Immer wenn der Mikrosteuerer ermittelt, daß der Motor während längerer, vorbestimmter Zeit nicht in Drehung versetzt worden ist, weil keiner der beiden Schalter S1 und S2 gedrückt worden ist, versetzt er das Gerät in den Wartezustand. Wenn nämlich keiner der Schalter S1 und S2 gedrückt wird, dann wird dem Anschluß PA4 kein Drehzahlimpuls zugeführt, und das Programm des Mikrosteuerers erkennt dieses als ein Fehlen einer Schal terbetätigung. Die vorbestimmte Zeit kann beispielsweise 15 min. sein. Im Wartezustand werden alle Ausgänge des Mikrosteu erers auf Pegel gesetzt, bei denen die Schaltung einen minima len Stromverbrauch hat, und der Mikrosteuerer spricht nur auf einen Unterbrechungsbefehl an, der seinem IRQ-Anschluß zuge führt wird.

Der Schaltarm des Schalters S1 ist außerdem mit dem invertie renden Eingang eines Operationsverstärkers 106 verbunden, des sen Ausgang mit dem IRQ-Anschluß und dem Anschluß PA2 des Mikrosteuerers verbunden ist.

Im Wartezustand des Mikrosteuerers setzt das Ausgangssignal am Anschluß PB4 den Transistor Q1 in seinen Sperrzustand. In einem solchen Zustand führt das Drücken des Ansaugschalters S1 zur Zuführung eines hohen Logiksignalpegels zum Operationsverstär ker 106, worauf dieser ein Logiksignal niedrigen Pegels an den Unterbrechungsanschluß des Mikrosteuerers führt. Vergleichbar legt das Drücken des Schalters S2 einen hohen Logiksignalpegel an den Eingang des Operationsverstärkers 106 aufgrund des Stromflusses durch den Motor 44, weil der Widerstand des Motors geringer als der niedrigere Widerstand des Spannungsteilers 107 ist, der mit dem invertierenden Anschluß des Operationsverstär kers 106 verbunden ist. Folglich führt das Drücken einer der Schalter S1 und S2 zur Zuführung eines niedrigen Logiksignal pegels zum IRQ-Anschluß. Dieser niedrige Signalpegel ruft eine Unterbrechungs-Subroutine hervor, die den Mikrosteuerer in sei nen Betriebs- oder Bereitschaftszustand rückversetzt.

Wenn der Mikrosteuerer in einen Betriebs- oder Bereitschafts zustand rückversetzt worden ist, bringt der Ausgang des Anschlusses PB4 den Transistor Q1 in seinen Leitfähigkeitszu stand. Dementsprechend gelangt nun die dem Operationsverstärker 106 zugeführte Spannung auf hohem Logikpegel, wenn der Schal ter, der die Unterbrechungsroutine hervorgerufen hat, der Ansaugschalter S1 war. Der Schaltarm des Schalters S1 befindet sich im wesentlichen auf Massepotential, wenn er nicht gedrückt ist; der Ausgang des Operationsverstärkers ist jedoch auf logisch niedrigem Pegel, wenn der Schalter, der die Unterbre chungsroutine hervorgerufen hat, der Abgabeschalter S2 war. Diese Logikpegel, die dem Anschluß PA2 zugeführt werden, ermög lichen es somit dem Programm des Mikrosteuerers zu ermitteln, ob der Motor 44 in einer Richtung läuft, die Flüssigkeit zum Fitting 84 fördert oder davon wegfördert.

Der Optokoppler 102 liefert Impulse an den Anschluß PA4 des Mikrosteuerers bei Ermittlung jedes Durchgangs eines Schwarz/Weiß- Übergangs an der Scheibe 101, d. h. für jede Winkelverstel lung der Motorwelle. Das Programm des Mikrosteuerers zählt diese Impulse, wodurch die Speicherung eines Wertes möglich wird, der der Winkelverstellung der Motorwelle entspricht. Man sieht, daß wenn die Drehrichtung des Motors umgekehrt wird, indem der andere der beiden Schalter S1 und S2 gedrückt wird, die resultierende Zählung während der Zeit des Drückens dieses anderen Schalters von dem zuvor gespeicherten Zählergebnis sub trahiert wird, während wenn derselbe Schalter erneut gedrückt wird, eine weitere Zählung zu dem gespeicherten Wert hinzuad diert wird. Dementsprechend kann in den Speicher des Mikrosteu erers kontinuierlich ein Wert eingespeichert werden, der der gewünschten Menge Flüssigkeit entspricht, die von der Bedienper son visuell bestimmt worden ist.

Um eine Steuerung der Motordrehzahl zu ermöglichen, sind die Endanschlüsse des Potentiometers 27 zwischen V_cc und Masse geschaltet, und der Schleifer des Potentiometers ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 110 verbunden, der als Komparator dient. Eine in Serie geschaltet RC-Zeitkon stantenschaltung ist zwischen V_cc und Masse geschaltet, wobei der Verbindungspunkt von Widerstand und Kondensator mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 110 ver bunden ist. Ein Signalausgang vom Anschluß PB5 des Mikrosteu erers 100 ist über einen Transistor Q3 ebenfalls mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 110 ist dem Anschluß PA6 des Mikrosteuerers zugeführt. In dieser Schaltung entspricht die Stellung des Schleifers des Potentiometers 27 der gewünschten Motordrehzahl. Um diese Drehzahl zu bestimmen, führt der Mikro steuerer dem Transistor Q3 einen Impuls zu, um den Ladekonden sator der Zeitkonstantenschaltung 111 kurzzuschließen und dadurch den nicht-invertierenden Anschluß des Operationsver stärkers auf niedrigen Pegel zu bringen. Im Anschluß an diesen Impuls lädt sich die Zeitkonstantenschaltung auf, wodurch die Spannung am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstär kers ansteigt. Wenn diese Spannung jene am invertierenden Ein gang erreicht, wird der resultierende Signalübergang am Ausgang des Operationsverstärkers dem Mikrosteuerer zugeführt. Die Zeit, die zwischen der Abgabe eines Impulses vom Anschluß PB5 und dem Empfang des Übergangs am Anschluß PA6 verstreicht, ist proportional der gewünschten Drehzahl des Motors 44. Das Pro gramm des Mikrosteuerers steuert die Ausgabe von Treiberimpul sen zum Motor über den Anschluß PB4 mit einer Rate, die der oben erwähnten Zeitdauer zwischen der Impulsabgabe am Anschluß PB5 und der Zuführung eines Signalübergangs zum Anschluß PA6 entspricht. Dementsprechend wird die Drehzahl des Motors vom Potentiometer 27 unabhängig von anderen Betriebsfunktionen der Vorrichtung gesteuert.

Wie oben diskutiert, hat der Schalter S3 eine Handstellung, eine Speichereinstellstellung und eine Speicherbetriebsstel lung. In der Schaltung von Fig. 7 ist der Speichereinstellkon takt des Schalters S3 mit dem Anschluß PA0 des Mikrosteuerers verbunden, und der Handkontakt dieses Schalters ist mit dem Anschluß PA1 des Mikrosteuerers verbunden. In der Handstellung des Schalters sind die Schalter S1 und S2 unter manueller Steu erung betriebsfähig, um es der Bedienperson zu ermöglichen, das Volumen der durch die Pumpe strömenden Luft direkt zu beein flussen unabhängig der Zeitdauer, die der Schaler S1, S2 gedrückt wird, und von der Drehzahl des Motors, die durch das Potentiometer 27 eingestellt worden ist.

Wenn der Schalter S3 auf Speichereinstellung gestellt ist, spricht der Mikrosteuerer entsprechend an, um die Anzahl von Zählungen, die seinem Anschluß PA4 zugeführt sind, zwischenzu speichern. Diese Zählung entspricht der Winkelverstellung der Motorwelle während der Zeit, für die der Schalter auf Speicher einstellung gestellt worden ist. Die zwischengespeicherte Zäh lung wird für eine Drehrichtung der Welle erhöht und für die entgegengesetzte Drehrichtung vermindert in Abhängigkeit von der Betätigung der Schalter S1 und S2. Wenn der Schalter S3 auf Speicherbetrieb im Anschluß an die Zwischenspeicherung einer Zählung in der Speichereinststellstellung gestellt wird, dann wird die zwischengespeicherte Zählung im nicht-flüchtigen Spei cher gespeichert, obgleich der Schalter S3 in die Handstellung bewegt worden ist, bevor er in die Speicherbetriebsstellung gebracht worden ist. Die gespeicherte Zählung entspricht einer Flüssigkeitsaufnahme oder Flüssigkeitsabgabe oder Speicherung, je nachdem, welcher der Schalter S1 und S2 im Anschluß an die erstmalige Einstellung des Schalters S3 in die Speichereinstel lstellung erstmals gedrückt worden ist.

Wenn der Schalter S3 sich in der Speicherbetriebsstellung befindet und die gespeicherte Zählung der Flüssigkeitsaufnahme entspricht, dann führt eine Betätigung des Schalters S1 zur Aufnahme einer Flüssigkeitsmenge, die der gespeicherten Zählung entspricht. Wenn der Schalter S2 zu diesem Zeitpunkt betätigt wird, kann die Pipette geleert werden, wobei die Entleerungs menge nicht notwendigerweise dem gespeicherten Zählwert ent spricht. Wenn der Schalter sich in der Speicherbetriebsstellung befindet und der gespeicherte Zählwert der Flüssigkeitsabgabe entspricht, dann führt in gleicher Weise die Betätigung des Schalters S2 zur Abgabe einer Flüssigkeitsmenge, die der gespeicherten Zählung entspricht, und die Betätigung des Schal ters S1 bewirkt das Laden der Pipette in einem Umfang, der nicht notwendigerweise dem gespeicherten Zählwert entspricht.

Um den Betrieb des Gerätes zu vereinfachen, sind drei LEDs mit gesonderten Anschlüssen des Mikrosteuerers verbunden. LED1 ent spricht der Aufnahme von Flüssigkeit, LED2 entspricht der Abgabe von Flüssigkeit und LED3 entspricht einem Batterieent ladezustand. Wenn der Schalter S3 sich in der Handstellung befindet, sind LED1 und LED2 so angesteuert, daß sie abwech selnd blinken, bis entweder der Schalter S1 oder der Schalter S2 gedrückt wird, in welchem Falle nur eine dieser LEDs, die dem gedrückten Schalter entspricht, leuchtet. In gleicher Weise sind LED1 und LED2 so angesteuert, daß sie alternierend blin ken, wenn der Schalter S3 anfänglich in die Speichereinstell stellung gestellt ist, und wenn dann einer der Schalter S1 und S2 gedrückt wird, leuchtet nur jene LED, die dem zuerst gedrückten Schalter S1 bzw. S2 entspricht, weiter, um der Bedienperson anzuzeigen, ob der eingestellt Zählwert der Auf nahme oder Abgabe von Flüssigkeit entspricht.

Wenn der Schalter S3 in die Speicherbetriebsstellung gestellt ist, leuchtet nur jene LED, die den Aufnahme- oder Abgabezu ständen des gespeicherten Zählwertes entspricht.

Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung enthält weiterhin eine Batterieüberwachungsschaltung 105, die mit dem Anschluß PA3 verbunden ist und den Entladezustand der Batterie prüft. Wenn der Mikrosteuerer an diesem Anschluß ein Signal empfängt, steuert er die LED3 an, die den niedrigen Ladezustand der Batterie anzeigt.

In der Schaltung von Fig. 7 können die Operationsverstärker vom Typ LP339N sein. Geeignete Komponenten für die Transistoren sind in der Zeichnung angegeben.

Wenn im Betrieb der Schaltung die Flüssigkeit ohne automatische Steuerung ihres Volumens aufzunehmen oder abzugeben ist, wird der Schalter S3 in die Handstellung gestellt, und die Schalter S1 und S2 werden je nach Wunsch betätigt, um Flüssigkeit aufzu nehmen oder abzugeben.

Wenn das Gerät kalibriert werden soll, um automatisch ein vor bestimmtes Flüssigkeitsvolumen aufzunehmen oder abzugeben, wird der Schalter S3 in die Speichereinstellstellung gebracht. Wenn das bestimmte Volumen aufzunehmen ist, dann wird der Schalter S1 gedrückt, bis das Gerät das gewünschte Volumen aufgenommen hat, und wenn das Volumen einem abzugebenden Volumen entspre chen soll, wird der Schalter S2 gedrückt, bis die gewünschte Menge abgegeben ist. Wenn bei diesem Vorgang gewünscht wird, das kalibrierte aufzunehmende oder abzugebende Volumen in Abhängigkeit vom Betätigen der Schalter S1 und S2 einzustellen, kann der jeweilige Schalter anschließend betätigt werden, um das Volumen zu steigern oder zu vermindern. Das gewünschte Volumen kann optisch bestimmt werden, d. h. in Abhängigkeit davon, daß die Bedienperson visuell ermittelt, daß das richtige Volumen aufgenommen oder abgegeben worden ist.

Um den Wert des Volumens zu speichern, das in der Speicherein stellstellung des Schalters S3 erreicht worden ist, wird der Schalter S3 nun in die Speicherbetriebsstellung versetzt. Wenn der gespeicherte Wert einem aufzunehmenden Volumen entspricht, führt das Drücken des Schalters S1 automatisch dazu, daß das Gerät jenes Volumen aufnimmt. In diesem Falle führt das Drücken des Schalters S2 zur Abgabe von Flüssigkeit ohne Rücksicht auf die gespeicherte Volumengröße. Wenn andererseits das gespei cherte Volumen einem abzugebenden Volumen entspricht, führt das Drücken des Schalters S2 automatisch dazu, daß das Gerät ein Flüssigkeitsvolumen abgibt, das dem gespeicherten Wert ent spricht, während ein Drücken des Schalters S2 in diesem Falle dazu führt, daß das Gerät Flüssigkeit ohne Rücksicht auf den gespeicherten Wert aufnimmt.

Die Drehgeschwindigkeit des Motors kann jederzeit eingestellt werden unabhängig von anderen Betriebsfunktionen lediglich durch Einstellen am Potentiometer 27, um die gewünschte Dreh zahl zu erhalten.

Die bevorzugte Ausführungsform der hier offenbarten Erfindung ersetzt Speicherpipetten, die die jeweilige Flüssigkeitsver drängung messen, durch eine neue Kombination einer Schlauch pumpe und eines optischen Sensors zur indirekten Messung der Fluidverdrängung durch den Motor und die Winkelverstellung der Pumpe. Diese Schlauchpumpe verdrängt außerdem Luft, was positi ven oder negativen Druck hervorruft, der die Flüssigkeit ver drängt. In diesem Gerät ist die Genauigkeit besser als 1% für Volumina für 0,1 bis 25 ml. Wenn bei diesem Gerät keine Konta minierung auftritt, müssen nur die flexiblen Schläuche 55, 52 und/oder 58 ersetzt werden.

Änderungen an dieser Ausführungsform sind leicht möglich. So kann der Motor von äußeren Quellen versorgt werden, oder man kann das Gerät als Durchflußpumpe einsetzen. Im Speicherpipet tenbetrieb muß eine Kalibrierung typischerweise nur zu Anfang jeder Sitzung ausgeführt werden, um Unterschieden in der zu verdrängenden Flüssigkeit und der Labor- oder Umgebungsatmo sphäre Rechnung zu tragen.

Einige der speziellen Komponenten dieser bevorzugten Ausfüh rungsform sind weiter unten erläutert, aber Ersatz mit äquiva lenter Funktion ist augenscheinlich auswählbar. Das Gehäuse besteht aus ABS-Kunststoff vom Typ Cycolac T1000 der Firma General Electric, und die Teile sind durch Standardbefesti gungseinrichtungen, wie Schrauben 86 und 88 nach Fig. 3 zusam mengehalten. Der Motor ist ein Gleichstromgetriebemotor mit 3,2 V Betriebsspannung, 250 mA Betriebsstrom und 45 mNm Drehmoment, 1000 U/min, maximales Drehmoment 45 mNm bei 3,2 V Gleichstrom. Der Batteriepack hat eine Kapazität von 600 mAh und enthält drei Zellen der Type AA. Das Gerät kann offenkundig mit äußeren elektrischen Stromquellen betrieben werden. Dieses Gerät kann im kontinuierlichen Ansaug- oder Abgabeströmungsbetrieb einge setzt werden. Die Pumpenleitung 55 besteht aus Silikongummi Durometer 55 ± 5 Shore A, 3/32′′ Innendurchmesser und 1/32′′ Wanddicke. Die Einlaß- und Entlüftungsleitungen bestehen im wesentlichen aus demselben Schlauchmaterial.

Der Optokopplersensor ist eine Kombination LED und Reflektions detektorgruppe von Minneapolis Honeywell. Das hydrophobe Filter hat ein Polypropylengehäuse mit einer Tetraflourethylenscheibe, 25 mm und Porengröße 0,2 µm. Der Mikrosteuerer ist ein Modell der Firma Motorola Semiconductor Corp. U1: Micro Controller IC, Teil Nr. MC68HC705 und U2: Quad Comparator der Firma National Semiconductor Corp., Teil Nr. LP339.

Nachfolgend wird eine Betriebsanleitung des erfindungsgemäßen Geräts gegeben.

Einschalten

Kurzzeitiges Drücken des Ansaugschalters (S1) oder Abgabeschal ters (S2) schaltet das Gerät ein.

Pumpendrehzahlsteuerung

Ansaug- und Abgabegeschwindigkeit können durch das Potentio meter (27) jederzeit sowohl in der manuellen als auch in der Speicherbetriebsart eingestellt werden.

Manuelle Betriebsart

Setze Betriebsartenschalter (S3) auf Handstellung (untere Posi tion). Ansaug-LED (LED1) und Abgabe-LED (LED2) sind ausge schaltet. Drücke S1, um die Pipette zu laden, und drücke S2, um die Pipette zu entleeren.

Speicherbetriebsarten Einstellung der Ansaugmenge

Bewege S3 in Handstellung und lade die Pipette durch Drücken von S2. Bewege S3 in Speichereinstellstellung (obere Position). LED1 und LED2 blinken abwechselnd. Drücke S1, um die gewünschte Menge in die Pipette zu laden. LED1 leuchtet weiter. Drücke S2, um die Flüssigkeitsmenge in der Pipette ggf. zu vermindern. Bewege S3 in die Speicherstellung (Mittenposition), um die gewählte Menge zu speichern. LED1 leuchtet weiter. Der vorein gestellte Wert bleibt gleich, wenn Schalter S3 in die Handstel lung bewegt und anschließend in die Speicherstellung zurückge führt wird.

Einstellung der Abgabemenge

Bewege S3 in Handstellung und lade die Pipette durch Drücken von S1. Bewege S3 in die Speichereinstellstellung. LED1 und LED2 blinken abwechselnd. Drücke S2, um die gewünschte Menge aus der Pipette zu entleeren. LED2 leuchtet weiter. S1 kann dazu verwendet werden, die Flüssigkeitsmenge ggf. zu ver größern. Bewege S3 in die Speicherposition, um die gewählte Menge zu speichern. LED1 leuchtet weiter. Der voreingestellte Wert bleibt gleich, selbst wenn S3 in die Handstellung bewegt und und dann in die Speicherstellung rückgeführt wird.

Ansaugen durch Speicher

Stelle S3 in die Speicherstellung nach Ausführung des Ansaug einstellvorgangs. LED2 leuchtet weiter. Drücke und halte S1. Das Gerät saugt die voreingestellte Flüssigkeitsmenge in die Pipette und hält an. Verwende S2, um die Pipette zu entleeren.

Abgabe durch Speicher

Stelle S3 in die Speicherstellung nach der Ausführung der Abga beeinstellung. LED2 leuchtet weiter. Verwende S1, um die Pipet te zu laden. Drücke und halte S2. Das Gerät hält an, wenn die voreingestellte Menge von der Pipette abgegeben worden ist.

Wartebetrieb

Das Gerät tritt in diese Betriebsart ein, wenn es über 15 min. nicht benutzt worden ist. Alle Verbraucher werden ausgeschal tet, einschließlich LED3. Das Gerät wird reaktiviert, wenn S1 und S2 kurz gedrückt werden.

Batterieladezustand

Die Batterieanzeige (LED3) leuchtet, wenn die Batteriespannung unter 3,1 V fällt. Das Gerät muß baldmöglich geladen werden. Das Gerät arbeitet unzuverlässig, wenn die Batteriespannung unter 3,0 V fällt.

Claims

1. Automatisches Hand-Pipettiergerät, das mit jeder Standard- Glas- oder -Kunststoffpipette verwendbar ist zum Ansaugen und/oder Abgeben einer vorbestimmten Flüssigkeitsmenge, enthal tend:

a) ein Gehäuse mit einem Handgriff und einem Pipettenadapter zum Halten einer Pipette,
b) einen Elektromotor, der vom Gehäuse gehalten wird,
c) eine Schlauchpumpe, die vom Gehäuse gehalten und von dem Motor betrieben ist,
d) eine Leitungseinrichtung, die die Pumpe mit der Pipette verbindet, wenn eine solche mit dem Pipettenadapter gekuppelt ist, und
e) eine Steuereinrichtung zum Aktivieren des Motors und der Pumpe.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Schlauchpumpe einen flexiblen und nachgiebigen Schlauch enthält, der zyklisch längs axial aufeinanderfolgenden Stellen zusammengedrückt wird, wodurch der Schlauch in seinem Innenraum eine Luftsäule verdrängt, um entweder negativen oder positiven Druck auf die in der Pipette enthaltene Flüssigkeit auszuüben.

3. Gerät nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine Einrich tung, die mit der Pumpe oder dem Motor verbunden ist, zum Bestimmen der anfänglich angesaugten oder abgegebenen Flüssig keitsmenge.

4. Gerät nach Anspruch 3, weiterhin enthaltend eine Einrichtung zum Speichern eines Wertes, der für die genannte bestimmte Flüssigkeitsmenge repräsentativ ist.

5. Gerät nach nach Anspruch 4, weiterhin enthaltend eine Ein richtung zum Abrufen dieses Wertes und eine Einrichtung zum Steuern des Motors, um die Pumpe zu betreiben und eine Ansau gung oder Abgabe von Flüssigkeit eines demselben Wert entspre chenden Volumens zu verursachen.

6. Gerät nach Anspruch 3, bei dem die Einrichtung zum Bestimmen der Flüssigkeitsmenge eine bewegliche Einrichtung enthält, die der Pumpe zugeordnet ist und deren Bewegungsausmaß für die anfänglich angesaugte oder abgegebene Flüssigkeitsmenge reprä sentativ ist, und eine Einrichtung zum Ermitteln des Bewegungs ausmaßes.

7. Automatisches Hand-Pipettiergerät, das mit jeder Standard- Glas- oder -Kunststoffpipette betriebsfähig ist zum Ansaugen und/oder Abgeben einer vorbestimmten Flüssigkeitsmenge enthal tend:

a) ein Gehäuse mit einem Handgriff und einem Pipettenadapter zum Halten einer Pipette,
b) einen Elektromotor, der von dem Gehäuse gehalten wird,
c) eine peristaltische Pumpe, die von dem Gehäuse gehalten und von dem Motor angetrieben ist und ein drehbares Element auf weist, dessen Drehung für die von der Pumpe indirekt gepumpte Flüssigkeitsmenge repräsentativ ist,
d) eine Leitungseinrichtung, die die Pumpe mit dem Pipetten adapter verbindet,
e) eine Steuereinrichtung zum Aktivieren des Motors und der Pumpe,
f) eine mit dem drehbaren Element gekuppelte Einrichtung zum Ermitteln des Drehumfangs, wenn der Motor aktiviert wird, um eine vorbestimmte Flüssigkeitsmenge anzusaugen, und zum Umwan deln desselben in ein elektrisches Signal,
g) eine Einrichtung zum Speichern des elektrischen Signals, und
h) eine Einrichtung zum Wiederfinden des gespeicherten elektri schen Signals und zum Verwenden desselben zur Aktivierung des Motors, um eine übereinstimmende Flüssigkeitsmenge anzusaugen oder abzugeben.

8. Gerät nach Anspruch 7, bei dem das gespeicherte elektrische Signal ein digitales Signal ist.

9. Gerät nach Anspruch 7, bei dem die Drehermittlungseinrich tung eine optische Einrichtung ist.

10. Gerät nach Anspruch 7, bei dem die Steuereinrichtung das Gerät im Speicherbetrieb einschließt, um wiederholt die gleiche Flüssigkeitsmenge anzusaugen oder abzugeben, oder das Gerät im Handbetrieb umfaßt.

11. Gerät nach Anspruch 10, weiterhin enthaltend eine Zeit gebereinrichtung zum Steuern der Motorbetriebszeit während der Ansaugung oder Abgabe eines gegebenen Flüssigkeitsvolumens, wenn sich das Gerät im Handbetrieb befindet.

12. Gerät nach Anspruch 11, weiterhin enthaltend eine Einrich tung zum Anzeigen, ob sich das Gerät in der automatischen oder in der Handbetriebsart befindet.

13. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Pumpe ein Rotorelement aufweist, das freiliegende optische Abtastmarkierungen darauf aufweist, und bei dem die Drehung des Rotors der Menge der von der Pumpe bewegten Flüssigkeit direkt entspricht, wobei das Gerät weiterhin eine Sensoreinrichtung zum Ermitteln der Rota tion des Rotors umfaßt, um die Menge der gepumpten Flüssigkeit zu ermitteln, und
eine Schaltungseinrichtung zum Zuleiten des Wertes der gemesse nen Menge in die Speichereinrichtung.

14. Gerät nach Anspruch 3, bei dem der Rotor aufeinanderfol gende schwarze und weiße Markierungen aufweist, die in Umfangs richtung darauf verteilt angeordnet sind, und die Sensorein richtung eine Leuchtdiode und einen Fototransistor enthält.

15. Gerät nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine Wiederauf ladbare Batterieeinrichtung, die von dem Gehäuse gehalten ist, um den Motor elektrische Energie zuzuführen.

16. Gerät nach Anspruch 1 zum Schalten des Gerätes zum Betrieb in der automatischen oder manuellen Betriebsart, wobei der automatische Betrieb die Verwendung der Speichereinrichtung einschließt, um die Ansaugung oder Abgabe der Flüssigkeit zu steuern und der Handbetrieb es dem Benutzer erlaubt, Ansaugung oder Abgabe zu beeinflussen.

17. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtung weiter erste und zweite fingerbetätigte Schalter an dem Griff umfaßt, wobei der erste Schalter dafür bestimmt ist, die Pumpe in Saug betrieb zu bringen, und der zweite Schalter dazu bestimmt ist, die Pumpwirkung umzukehren, um eine positive Druckkraft hervor zubringen.

18. Gerät nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend ein austausch bares und hydrophobes Filter im Pipettenadapter zur Verwendung benachbart der Mündung einer daran befestigten Pipette.

19. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der Pipettenadapter eine elastische Manschette enthält, in die die Mündung einer Pipette axial einführbar und lösbar darin befestigbar ist.

20. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Pumpe einen Rotor mit vier in Umfangsrichtung verteilten Wälzkörpern, einen um die Wälzkörper geschlungenen flexiblen Schlauch und eine Verbin dungsleitung zum Verbinden eines Endes des Schlauches mit der Pipette aufweist.

21. Gerät nach Anspruch 10, bei dem die Pumpe weiterhin eine Entlüftungsleitung aufweist, die die Pumpe mit der Atmosphäre verbindet.

22. Automatisches Handpipettiergerät mit einem Anschluß, der mit jeder Standard- oder -kunststoffpipette betriebsfähig ist, um eine Flüssigkeit anzusaugen und/oder abzugeben, enthaltend:
einen Elektromotor,
eine peristaltische Pumpe, die so angeschlossen ist, daß sie von der Welle des Elektromotors betrieben wird,
eine Leitungseinrichtung, die die Pumpe mit dem Anschluß ver bindet, und
eine Steuereinrichtung, die zur Steuerung des Motors und dadurch der peristaltischen Pumpe dient,
wobei die Steuereinrichtung eine Einrichtung zum Speichern eines Wertes enthält, der einer vorbestimmten Winkelverstellung der Motorwelle entspricht, sowie eine Einrichtung, die auf den gespeicherten Wert anspricht, um den Motor so zu steuern, daß die Welle um die vorbestimmte Winkelverstellung dreht.

23. Automatisches Handpipettiergerät nach Anspruch 22, weiter hin enthaltend ein hydrophobes Filter in der Verbindungsein richtung zum Sperren einer Flüssigkeitsdurchströmung.

24. Automatisches Handpipettiergerät nach Anspruch 22, bei dem die Steuereinrichtung erste und zweite Schalter umfaßt, die zur Steuerung des Motors in unterschiedlichen Drehrichtungen der Motorwelle angeschlossen sind, und daß die Speichereinrichtung eine Einrichtung umfaßt, die auf die Betätigung der ersten und zweiten Schalter anspricht, um einen Wert zu speichern, der einer kumulativen Winkelverstellung der Welle entspricht.

25. Automatisches Handpipettiergerät nach Anspruch 24, bei dem die Steuereinrichtung weiterhin umfaßt: einen Mikrosteuerer mit einer Wartebetriebsart, bei der der Stromverbrauch der Steuer einrichtung minimiert ist, und einer Bereitschaftsbetriebsart, in der die Steuereinrichtung betriebsfähig ist, enthaltend Ein richtungen, die auf eine lang andauernde Nichtbetätigung der ersten und zweiten Schalter anspricht, um den Mikrosteuerer in die Wartebetriebsart zu versetzen, und Einrichtungen, die auf die Betätigung der beiden ersten und zweiten Schalter an spricht, um den Mikrosteuerer in die Bereitschaftsbetriebsart zu versetzen.

26. Automatisches Handpipettiergerät nach Anspruch 22, weiter hin enthaltend eine Einrichtung zum Erzeugen von Impulsen, von denen jeder einer zweiten vorbestimmten Winkelverstellung der Welle entspricht und wobei die Einrichtung zum Speichern eines Wertes eine Einrichtung zum Speichern eines Zählwertes enthält, der der Anzahl der Impulse entspricht.

27. Automatisches Handpipettiergerät nach Anspruch 22, weiter hin enthaltend eine Einrichtung zum Einstellen der Drehg eschwindigkeit des Motors unabhängig von der Steuereinrich tung.

28. Automatisches Handpipettiergerät nach Anspruch 22, bei dem die Einrichtung zum Speichern eines Wertes eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Zählwerts entsprechend einer kumulativen Winkelverstellung der Welle während erster und zweiter entgegen gesetzter Drehrichtungen der Welle enthält, wobei der Wert der Zählwert ist.

29. Automatisches Handpipettiergerät nach Anspruch 28, bei dem die Einrichtung zum Bereitstellen eines Zählwertes eine Ein richtung zum optischen Ermitteln von Winkelverstellungen der Welle umfaßt.

30. Automatisches Handpipettiergerät nach Anspruch 29, bei der die Einrichtung zum Steuern des Motors eine Einrichtung zum Zuführen einer Vielzahl von Impulsen zu dem Motor entsprechend dem gespeicherten Zählstand enthält.