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Technischer
Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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Stand der
Technik
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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 Rüttelbewegungen
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 "Rüttelamplitude" in X- und Y-Richtung
ist nur bedingt einstellbar, so dass die Funktionalität dieser
Technologie begrenzt ist.
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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.
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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.
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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 Rüttelvorgang
gewährleistet
sein muss.
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Es
ist bei diesem Gerät
auch nicht gewährleistet,
dass zur Erreichung eindeutiger und reproduzierbarer Messergebnisse
die verschiedenen Probenaufnahmen der Mikroplatte die gleichen Bewegungsbahnen
durchlaufen.
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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.
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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.
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Hier
wird auch eine elektronische Positionserkennung der Synchronplatte
angesprochen, die eine definierte Stoppposition ermöglicht,
die für
den Einsatz in der Robotik notwendig ist.
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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.
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Diese
Lösung
bleibt daher hinter dem eingangs beschriebenen Stand der Technik
bei dem bekannten Gerät
der Anmelderin zurück.
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Darstellung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Mischvorrichtung für flüssige Substanzen
anzugeben, die konstruktiv einfach eine optimale Durchmischung der Substanzen
insbesondere in einer Mikroplatte ermöglicht.
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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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Grundgedanke der Erfindung ist folglich darin zu sehen, dass ein
kostengünstiges
Basisbauteil (Außenläufer-Motor)
für die
Erzeugung der Rüttelbewegung
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 Rüttelbewegung
zur Mischung der Substanzen in der Mikroplatte optimiert werden
kann.
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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.
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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/Rüttelperioden
nicht beeinträchtigt
wird.
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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
Rüttelbewegung,
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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung
wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:
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1:
Eine erste perspektivische Darstellung der Mischvorrichtung mit
Mikroplatte,
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2:
eine zweite perspektivische Darstellung der Mischvorrichtung von
der Unterseite her,
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3:
eine Schnittdarstellung durch die Mischvorrichtung entsprechend 1 und 2,
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4:
eine Schnittdarstellung eines Lagerelements,
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5:
eine schematische Darstellung der Anordnung der Messvorrichtung
in einem Messgerät,
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6:
eine perspektivische Unteransicht der Verschiebevorrichtungen eines
Messgerätes
mit der Mischvorrichtung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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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.
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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.
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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 Rüttelbewegung
erzeugt, deren Amplitude einerseits vom Maß der Unwucht des Unwuchtelementes 5,
andererseits von der Rückstellkraft
der federnden Lagerelemente 6 bestimmt ist.
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Bei
den Lagerelementen 6 handelt es sich vorzugsweise um handelsübliche Schwingungsdämpfer, wie
sie in 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.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dieser Einsatzzweck jedoch sekundär, entscheidend ist die diesen
Schwingungsdämpfern
bei einer Beanspruchung senkrecht zu ihrer Längsachse (Pfeil P in 4)
innewohnende Rückstellkraft,
durch die gewährleistet
ist, dass die Aufnahmeplatte 2 mit der Mikroplatte 7 die
in den 1 bis 3 gezeigte zentrale Positionierung
hinsichtlich des Grundgestells 1 nach Abschalten des Motors 3 wieder
einnimmt.
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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.
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Eine
solche Anbringung des Unwuchtelementes 5 unmittelbar am
Rotor 4 ermöglicht
eine geringe Bauhöhe
des Grundgestells 1 mit den Rippen 1A/1B und
den Lagerelementen 6.
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Die
in den 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 Rüttelvorgang "einzubauen".
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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 "Rüttelperiode" 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
Rüttelperiode
dann einfach vorgegeben werden kann.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer solchen Integration der in 1 bis 3 gezeigten
Mischvorrichtung 10 in eine Messvorrichtung 20,
bspw. zur Messung von Fluoreszenz oder Lumineszenz.
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Zur
Vorbereitung einer Lumineszenzmessung befindet sich die Messvorrichtung 10 in
der 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 Rüttelbewegung aus, wodurch die
im Probenbehälter 71 befindliche
Flüssigkeit
durchmischt wird (5B).
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Danach
wird die gesamte Mischvorrichtung 10 mittels der bei derartigen
Messvorrichtungen ohnehin vorhandenen schlittenartigen Verschiebevorrichtung 30 in
die Position 2 (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 P2 (5D) der Motor 3 aktiviert
und die Mikroplatte 7 wird geschüttelt.
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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.
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Aus
der Darstellung in 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 (5E)
integriert werden kann.
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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 6 ist
die Position P3 dargestellt).
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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 31D, 32D angetrieben
wird. Der Schlitten 31B 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.
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Durch
Betätigung
der Motoren 31C/32C ist die Mikroplatte 7 somit
horizontal verfahrbar, um beispielsweise die in 5 dargestellten
Positionen P1...P3 für
jede Vertiefung innerhalb der Mikroplatte 7 zu erreichen.