Mischvorrichtung

Abstract

 Eine Vorrichtung zum Mischen flüssiger Substanzen oder Verteilung von festen Substanzen in flüssigen Substanzen in mehreren in einer Mikroplatte (7) angeordneten Probenbehältern ist auf einer horizontal verschiebbaren Aufnahmeplatte (2) gehalten. Ein mit einer Unwucht versehener Motor (3) ist mittels seines Stators (3A) über einem Grundgestell (1) unmittelbar an der Unterseite der Aufnahmeplatte (2) gehalten, wobei die Drehachse (D) des Rotors (3B) senkrecht zur Aufnahmeplatte (2) angeordnet ist. Die Aufnahmeplatte (2) mit dem Motor (3) liegt auf mindestens drei horizontal elastisch bewegbaren Lagerelementen (6) auf, deren Befestigungspunkte am Grundgestell (1) und an der Aufnahmeplatte (2) so gewählt sind, dass die Aufnahmeplatte (2) mit der Mikroplatte (7) infolge der Rückstellkraft der Lagerelemente (6) im Ruhezustand eine definierte Position in der X-Y-Ebene einnimmt, und im Schüttelzustand infolge der von der Unwucht des Motors (3) bewirkten, gleich gerichteten seitlichen Auslenkung der Lagerelemente (6) eine horizontale, verdrehfreie Schüttelbewegung gegen die Rückstellkraft der Lagerelemente ausführt. Hierbei beschreiben alle Probenbehälter der Mikroplatte (7) die gleiche Kreisbahn in der X-Y-Ebene und es erfolgt der gleiche Energieeintrag zum Mischen in alle Probenbehälter.

Beschreibung

Technischer Hintergrund

[0001] Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie insbesondere zum Nachweis bestimmter Stoffe oder Stoffeigenschaften in der Messtechnik Verwendung finden, z.B. durch Durchführung von Lumineszenzmessungen oder Fluoreszenzmessungen. Es kann sich hierbei um die Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten handeln, aber auch um die Erzielung einer möglichst homogenen Suspension. Es sind in der Bioanalytik auch Aufgabenbereiche bekannt, bei denen eine Flüssigkeit möglichst vollständig in Kontakt mit Festmaterial an der Wandung eines Probenbehälters kommen soll. Dies alles soll im Folgenden unter "Mischung" verstanden werden.

[0002] Bei der industriellen oder medizintechnischen Durchführung derartiger Messungen werden in der Regel Mikroplatten eingesetzt, d.h. Formteile, die über eine Vielzahl von matrixartig angeordneten Vertiefungen zur Aufnahme von Probenflüssigkeiten aufweisen. In der Regel bedarf es zur Initiierung einer Lumineszenz- oder Fluoreszenzreaktion der Zugabe mindestens eines weiteren, in der Regel flüssigen Stoffes, zu der Flüssigkeitsprobe in den Aufnahmevertiefungen der Mikroplatte, so dass folglich dort mindestens zwei Substanzen bestimmter Menge enthalten sind.

[0003] Da die Auswertung von Lumineszenz/Fluoreszenzmessungen letztlich auf einer Messung der Quantität von Photonen beruht, die mittels einer Photonen-Zähleinrichtung (z.B. Photomultiplier) gezählt werden, und andererseits die Anzahl der Photonen von der Anzahl von Reaktionen molekularer Bestandteile der zumindest zwei in den Probenbehältern befindlichen Stoffe abhängt, ist es von entscheidender Bedeutung, dass zur Erreichung eindeutiger und reproduzierbarer Messergebnisse eine möglichst homogene Durchmischung der Substanzen in jedem der Probenaufnahmebehälter der Mikroplatte durchgeführt wird, und zwar unabhängig davon, an welcher Position sich der Probenbehälter innerhalb der matrix-artigen Anordnung der Mikroplatte befindet.

Stand der Technik

[0004] Bei einem bekannten Gerät der Anmelderin, das besagte Mikroplatten in der Horizontalebene relativ zur Lichteintrittsöffnung eines Photomultipliers derart bewegt, dass die Probenvertiefungen der Mikroplatte nacheinander unter die Lichteintrittsöffnung des Photomultipliers gelangen, werden die zur Erzeugung dieser Positionierungsbewegung in die Messposition eingesetzten (in der Regel zwei) Motoren auch zur Mischung der Probenkomponenten herangezogen, indem sie kurzzeitig zur Bewegung der Mikroplatte in verschiedene Richtungen aktiviert werden. Da diese Motoren jedoch auf eine möglichst gleichmäßige und schrittweise Betätigung ausgelegt sind, sind sie folglich nicht optimiert für die Erzeugung von Schüttelbewegungen der Mikroplatte, wie sie zur homogenen Mischung der Probensubstanzen erforderlich ist. Darüber hinaus führt der Einsatz dieser Positionierungsmotoren zu einer starken Beanspruchung der Bauteile wie Lager und Wellen, die für eine optimale Durchmischung erforderliche "Schüttelamplitude" in X- und Y-Richtung ist nur bedingt einstellbar, so dass die Funktionalität dieser Technologie begrenzt ist.

[0005] Aus der US 3,635,446 ist eine Mischvorrichtung bekannt, bei der eine Mikroplatte mit Probenbehältern auf einer Aufnahmeplatte aufliegt, die ihrerseits starr mit einer von einem zentral angeordneten Motor beaufschlagten, in einem Gehäuse liegenden Basisplatte verbunden ist. Unterhalb der Basisplatte ist das Gehäuse eines Elektromotors fest mit dieser verbunden, dessen Antriebswelle an ihrem unteren Ende mit einem Gegengewicht mit einstellbarer Exzentrität verbunden ist. Bei Rotation des Motors überträgt dieser die von diesem exzentrischen Gegengewicht verursachte Vibration auf die Aufnahmeplatte mit der Mikroplatte mit den Proben.

[0006] Die Aufnahmeplatte führt somit eine kreisförmige (Orbital-) Bewegung durch, wobei die genaue Position der Mikroplatte relativ zum Gerät in der Anfangsposition (vor dem Anschalten des Motors) und in der Endposition (nach dem Ausschalten des Motors) in der Regel unterschiedlich sein wird.

[0007] Dieses Gerät ist daher weder geeignet, noch vorgesehen zur Integration in ein Messgerät zur Messung der Lumineszenz oder Fluoreszenz, bei dem gewährleistet sein muss, dass für die bei solchen Messvorgängen durchgeführten Handhabungen (Injektionen, Messvorgänge) eine eindeutig reproduzierbare Position der Mikroplatte auch nach einem Misch- oder Schüttelvorgang gewährleistet sein muss.

[0008] Es ist bei diesem Gerät auch nicht gewährleistet, dass zur Erreichung eindeutiger und reproduzierbarer Messergebnisse die verschiedenen Probenaufnahmen der Mikroplatte die gleichen Bewegungsbahnen durchlaufen.

[0009] Die WO 00/56437 versucht dieses Problem dadurch zu lösen, dass zur Erzeugung der Rüttelbewegung mehrere Antriebseinheiten mit Exzentern vorgesehen sind, wobei durch eine zusätzliche Synchronplatte die Winkelpositionen aller Exzenterelemente gleichgerichtet und somit zwangssynchronisiert werden.

[0010] Der Aufbau der Antriebseinheiten beinhaltet exzentrisch gelagerte Radialkugellager, deren exzentrisch gebohrte Lagerkerne die orbitale Auslenkung der Synchronplatte bewirken, die selbst als Probenrack verwendet werden kann oder auch als Aufnahme beliebiger Probenracks dienen kann.

[0011] Hier wird auch eine elektronische Positionserkennung der Synchronplatte angesprochen, die eine definierte Stoppposition ermöglicht, die für den Einsatz in der Robotik notwendig ist.

[0012] Diese vorgeschlagene Lösung würde somit grundsätzlich einen Einbau in ein Messgerät ermöglichen, ist aber durch die Detailgestaltung der Antriebseinheiten mit exzentrischen Kugellagern sehr aufwendig, letztere Antriebseinheiten benötigen auch entsprechenden Platz zusätzlich zu den Einrichtungen zur x-y-Positionierung und zur Verschiebung der Mikroplatten in Mess- oder Vorbereitungspositionen.

[0013] Diese Lösung bleibt daher hinter dem eingangs beschriebenen Stand der Technik bei dem bekannten Gerät der Anmelderin zurück.

Darstellung der Erfindung

[0014] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Mischvorrichtung für flüssige Substanzen anzugeben, die konstruktiv einfach eine optimale Durchmischung der Substanzen insbesondere in einer Mikroplatte ermöglicht.

[0015] Eine weitere Aufgabe besteht darin, diese Vorrichtung so auszugestalten, dass sie ohne aufwändige Anpassung in ein Gerät zur Messung der Lumineszenz oder Fluoreszenz in den Verfahrensablauf von der Vorbereitung der "Messsubstanz" bis zu deren Messung (z.B. mittels des Photomultipliers) integriert werden kann.

[0016] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0017] Der Grundgedanke der Erfindung ist folglich darin zu sehen, dass ein kostengünstiges Basisbauteil (Außenläufer-Motor) für die Erzeugung der Schüttelbewegung eingesetzt wird, der ein handelsüblicher Motor sein kann, der mit der Aufnahmeplatte für die Mikroplatte fest verbunden wird, und der in einfacher Weise so modifiziert sein kann, dass er die Unwucht erzeugt, die eine entsprechende "Gegenunwucht" der Aufnahmeplatte mit der Mikroplatte hervorruft. Der Motor lässt sich so ausbilden und betreiben, dass die Schwingungsamplitude und die Frequenz der Schüttelbewegung zur Mischung der Substanzen in der Mikroplatte optimiert werden kann.

[0018] Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, als Motor einen Geräteventilator mit Aussenläufermotor zu verwenden, dessen Aussenläufer so umgestaltet wird, dass er eine rotierende Unwucht erzeigt.

[0019] Durch die Lagerung der Aufnahmeplatte mittels Lagerungsmitteln mit einer Rückstellcharakteristik (z.B. Federcharakteristik) ist gewährleistet, dass nach Abschalten des Motors eine zentrale Positionierung der Aufnahmeplatte und damit der Mikroplatte wieder eingenommen wird, dies gewährleistet, dass bei der Steuerung der Positionierungsmotoren davon ausgegangen werden kann, dass die Relativpositionen der Probenbehälter zum Antriebsmechanismus der X-Y-Horizontalverschiebung durch zwischengeschaltete Mischvorgänge/Schüttelperioden nicht beeinträchtigt wird.

[0020] Eine weitere, kostengünstige Ausgestaltung sieht vor, dass die als Lagerelement verwendeten Rückstellmittel aus Schwingungsabsorbern handelsüblicher Bauart bestehen, die senkrecht zur Ebene der Aufnahmeplatte mit dem Motor diese auf dem Grundgestell der Vorrichtung abstützen. Die Schüttelbewegung, die der Motor der Aufnahmeplatte durch seine Unwuchtcharakteristik erteilt, führt folglich zu einer gleichgerichteten, seitlichen Auslenkung der mindestens drei Schwingungsdämpfer, deren Rückstellkraft sich der Wirkung des Motors überlagert und die oben angesprochene Wiedereinnahme der zentralen Positionierung der Mikroplatte nach Abschalten des Motors gewährleistet.

[0021] Der Zusatzaufwand der Installation der Mischvorrichtung bei einer Aufnahmeplatte für Mikroplatten, die innerhalb eines Messgerätes verfahren wird, ist gering, die Mischvorrivchtung ist insbesondere platzsparend, so dass die Integration (und ggf. Nachrüstung) der Mischvorrichtung beispielsweise in eine in der Bioanalytik verwendete Lumineszenz-Messvorrichtung einfach ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0022] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:

Figur 1:

Eine erste perspektivische Darstellung der Mischvorrichtung mit Mikroplatte,

Figur 2:

eine zweite perspektivische Darstellung der Mischvorrichtung von der Unterseite her,

Figur 3:

eine Schnittdarstellung durch die Mischvorrichtung entsprechend Figuren 1 und 2,

Figur 4:

eine Schnittdarstellung eines Lagerelements,

Figur 5:

eine schematische Darstellung der Anordnung der Messvorrichtung in einem Messgerät,

Figur 6:

eine perspektivische Unteransicht der Verschiebevorrichtungen eines Messgerätes mit der Mischvorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0023] Die Messvorrichtung besteht aus einem Grundgestell 1 mit zwei parallel zu seinen Kanten verlaufenden Rippen 1A, 1B, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils zwei Lagerelemente 6 zur Lagerung der Aufnahmeplatte 2 für die Mikroplatte 7 aufweisen, deren Beschaffenheit im Einzelnen weiter unten noch erläutert wird.

[0024] Auf ihrer Oberseite weist die Aufnahmeplatte 2 eine wannenartige Vertiefung 2A auf, die so bemessen ist, dass eine handelsübliche Mikroplatte 7 mit Spiel eingesetzt werden kann. Zur sicheren Halterung der Mikroplatte 7 dient ein Fixierelement 8, das auf eine Ecke der Mikroplatte wirkt und dieses in die Gegenrichtung drückt. Das Fixierelement 8 besteht aus einem hebelähnlichen Spannelement mit Federwirkung.

[0025] In dem durch die Rippen 1A, 1B und die Höhe der Lagerelemente 6 definierten Zwischenraum zwischen dem Grundgestell 1 und der Unterseite der Aufnahmeplatte 2, ist der Fuß des Stators 3A eines handelsüblichen Außenläufer-Elektromotors 3 (ohne Antriebswelle) befestigt, dessen Rotor 3B eine Ausformung, z.B. eine Rippe oder eine Nase 5 als Unwuchtmasse aufweist. Bei der Rotation des Rotors 3B um den Stator 3A wird folglich ein Unwuchtmoment erzeugt, das über den Statorfuß auf die Aufnahmeplatte 2 und damit die dort fixierte Mikroplatte 7 übertragen wird. Da die vertikale Positionierung der Aufnahmeplatte 2 fest vorgegeben ist, wird hierdurch eine horizontale Schüttelbewegung erzeugt, deren Amplitude einerseits vom Maß der Unwucht des Unwuchtelementes 5, andererseits von der Rückstellkraft der federnden Lagerelemente 6 bestimmt ist.

[0026] Bei den Lagerelementen 6 handelt es sich vorzugsweise um handelsübliche Schwingungsdämpfer, wie sie in Figur 4 dargestellt sind, bei denen ein elastisches Element 6A mittels zweier stirnseitiger Befestigungselemente 6B,6C an der Rippe 1A/1B und der Aufnahmeplatte 2 gehalten ist. Solche Bauteile finden in verschiedenen Bereichen wie z.B. der KfZ-Technik als Schwingungsdämpfer zur Reduzierung der Übertragung von unerwünschten Schwingungen eines Funktionsbauteils Anwendung.

[0027] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dieser Einsatzzweck jedoch sekundär, entscheidend ist die diesen Schwingungsdämpfern bei einer Beanspruchung senkrecht zu ihrer Längsachse (Pfeil P in Figur 4) innewohnende Rückstellkraft, durch die gewährleistet ist, dass die Aufnahmeplatte 2 mit der Mikroplatte 7 die in den Figuren 1 bis 3 gezeigte zentrale Positionierung hinsichtlich des Grundgestells 1 nach Abschalten des Motors 3 wieder einnimmt.

[0028] In der Praxis kann als Motor 3 ein handelsüblicher Außenläufer verwendet werden, dessen Antriebswelle entfernt worden ist. Als konstruktiv und kostenmäßig besonders günstig hat sich der Einsatz eines Ventilatormotors erwiesen, an dessen Rotor nach Entfernen des ringförmigen Flügelrads eine Scheibe mit exzentrischer Innenbohrung als Unwuchtelement befestigt wird.

[0029] Eine solche Anbringung des Unwuchtelementes 5 unmittelbar am Rotor 4 ermöglicht eine geringe Bauhöhe des Grundgestells 1 mit den Rippen 1 A/1 B und den Lagerelementen 6.

[0030] Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung kann in ihrem Grundaufbau als autarkes Gerät ("stand-alone") beispielsweise im Laborbereich Verwendung finden, wenn es darum geht, innerhalb einer individuellen Messstrecke einen Schüttelvorgang "einzubauen".

[0031] Bei den eingangs erwähnten Messvorrichtungen beispielsweise zur Lumineszenz- oder Fluoreszenzmessungen, ist es jedoch wünschenswert, eine derartige Vorrichtung in die in der Regel bereits vorhandenen Einrichtungen zur Messungsdurchführung bei Messgeräten zu integrieren, um es zu erlauben, an beliebigen Stationen der Messungsvorbereitung, z.B. zwischen der Zugabe von zwei Reaktionsmitteln oder auch kurz vor der Messung eine "Schüttelperiode" durchführen zu können. Diese Integration hat im wesentlichen den Sinn, dass der weitgehend automatische Betrieb einer derartigen Lumineszenz- und Fluoreszenzmesseinrichtung erhalten bleibt, da durch geeignete Software Ort und Dauer einer Schüttelperiode dann einfach vorgegeben werden kann.

[0032] Figur 5 ist eine schematische Darstellung einer solchen Integration der in Figur 1 bis 3 gezeigten Mischvorrichtung 10 in eine Messvorrichtung 20, bspw. zur Messung von Fluoreszenz oder Lumineszenz.

[0033] Zur Vorbereitung einer Lumineszenzmessung befindet sich die Messvorrichtung 10 in der Figur 5A dargestellten Position P1. Aus einem ersten Injektor 15 gelangt eine erste Reaktionsflüssigkeit in die Probenvertiefung (Well) 71 der Mikroplatte 7. In der gleichen Position P1 wird zu einer vorgegebenen Zeit der Motor 3 aktiviert und führt durch die Doppelpfeile gekennzeichnete Schüttelbewegung aus, wodurch die im Probenbehälter 71 befindliche Flüssigkeit durchmischt wird (Figur 5B).

[0034] Danach wird die gesamte Mischvorrichtung 10 mittels der bei derartigen Messvorrichtungen ohnehin vorhandenen schlittenartigen Verschiebevorrichtung 30 in die Position 2 (Figur 5C) verfahren, wo ein zweiter Injektor 16 eine weitere Reaktionsflüssigkeit in die in den Probenbehälter 71 einspritzt. Auch hier wird danach zur Durchmischung der Flüssigkeiten in der gleichen Position P 2 (Figur 5D) der Motor 3 aktiviert und die Mikroplatte 7 wird geschüttelt.

[0035] Danach wird die Mischvorrichtung 10 mit der Mikroplatte 7 so unter die als Photomultiplier symbolisierte Messvorrichtung 20 verfahren, dass das aufgrund der Zugabe der Reagenzien aus den Injektoren 15, 16 entstehende Lumineszenzlicht in diesen Photomultiplier gelangt, wo dessen Intensität in bekannter Weise gemessen wird.

[0036] Aus der Darstellung in Figur 6 erkennt man, dass die erfindungsgemäße Mischvorrichtung 10 lediglich ein "Zwischenbau" auf der Verschiebeeinrichtung 30 mit entsprechenden Verschiebe- und Positionierungsmotoren 31C und 32C ist, so dass ein Schüttelvorgang als Verfahrensschritt (einfach oder mehrfach) jederzeit in die Vorbereitungen bis zur Messung in der Position P3 (Figur 5E) integriert werden kann.

[0037] Die Verschiebevorrichtung 30 besteht aus zwei im wesentlichen baugleichen Einheiten 31 und 32, die senkrecht zueinander angeordnet sind, um die Bewegung des Grundgestells 1 mit der Mikroplatte 7 zu ermöglichen (in Figur 6 ist die Position P3 dargestellt).

[0038] Jede der Einheiten 31 und 32 beinhaltet eine Schiene 31A/32A, in der ein Schlitten 31B,32B verschiebbar geführt ist, der von einem Motor 31C/32C über Riemen 31 D,32D angetrieben wird. Der Schlitten 31 B ist mit der Unterseite des Grundgestells 1 verbunden, der Schlitten 32B mit der Unterseite der Schiene 31A. Die erste Einheit 31 ist ortsfest in einem (nicht dargestellten) Gerätegehäuse gehalten.

[0039] Durch Betätigung der Motoren 31C/32C ist die Mikroplatte 7 somit horizontal verfahrbar, um beispielsweise die in Figur 5 dargestellten Positionen P1...P3 für jede Vertiefung innerhalb der Mikroplatte 7 zu erreichen.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Mischen flüssiger Substanzen oder Verteilung von festen Substanzen in flüssigen Substanzen in mehreren in einer Mikroplatte (7) angeordneten Probenbehältern, die auf einer horizontal verschiebbaren Aufnahmeplatte (2) gehalten ist, mit einem mit Unwucht versehenen Motor (3), der mit der Aufnahmeplatte (2) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (3) mittels seines Stators (3A) über einem Grundgestell (1) unmittelbar an der Unterseite der Aufnahmeplatte (2) gehalten ist, wobei die Drehachse (D) des Rotors (3B) senkrecht zur Aufnahmeplatte (2) angeordnet ist, und dass die Aufnahmeplatte (2) mit dem Motor (3) ausschliesslich auf mindestens drei horizontal elastisch bewegbaren Lagerelementen (6) aufliegt, deren Befestigungspunkte am Grundgestell (1) und an der Aufnahmeplatte (2) so gewählt sind, dass die Aufnahmeplatte (2) mit der Mikroplatte (7) im Ruhezustand unabhängig von der Stellung des Rotors (3B) infolge der Rückstellkraft der Lagerelemente (6) eine definierte Position in der X-Y-Ebene einnimmt, und im Schüttelzustand infolge der von der Unwucht des Motors (3) bewirkten, gleich gerichteten seitlichen Auslenkung der Lagerelemente (6) eine horizontale, verdrehfreie Schüttelbewegung gegen die Rückstellkraft der Lagerelemente ausführt, durch die alle Probenbehälter der Mikroplatte (7) die gleiche Kreisbahn in der X-Y-Ebene beschreiben und der gleiche Energieeintrag zum Mischen in alle Probenbehälter erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (6) Schwingungsdämpfer aus elastisch verformbarem Material sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (3) keine Antriebswelle aufweist, und dass das Unwuchtelement (5) am Umfang des Rotors (3B) des Motors (3) angeformt oder befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (3) ein Aussenläufermotor ist, auf dessen Rotor eine Scheibe mit exzentrischer Innenbohrung als Unwuchtelement (5) sitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil einer Lumineszenz-Messvorrichtung (20) ist, relativ zu der sie mittels einer Verschiebevorrichtung (30) zwischen mindestens zwei Positionen (P1 ,P2,P3) verschiebbar gelagert ist.

Zeichnung