Способ коррекции температурно-зависимой погрешности дозирования жидкости и дозирующее устройство для жидкости

 

Группа изобретений применима для устранения температурно-зависимой погрешности при дозировке жидкостей. Согласно способу дозировку осуществляют посредством двух камер, соединенных друг с другом посредством газового канала, причем первая камера сообщается помимо газового канала с жидкостью, подлежащей дозированию, а вторая камера является газонепроницаемой, за исключением газового канала, причем для подачи жидкости в дозирующее устройство объем второй камеры увеличивается, в результате чего газ перетекает туда из первой камеры, и, в свою очередь, жидкость, подлежащая дозированию, поступает в первую камеру, пока между камерами не установится равновесие давлений. Изменение температуры газа, перетекающего из первой камеры во вторую, измеряется, и изменение объема, осуществляемое во второй камере, подвергается коррекции на основании измеренного изменения температуры, таким образом, чтобы в первую камеру поступало требуемое количество жидкости. Для измерения температуры во второй камере монтируется температурный датчик в непосредственной близости от газового канала и, кроме того, возможно также используется датчик, который монтируется в первой камере. Достигается повышение точности результатов пипетирования. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

Предметом настоящего изобретения является способ устранения температурно-зависимой погрешности при дозировке жидкостей.

Конкретной областью применения изобретения является способ дозировки, при котором дозировка осуществляется посредством двух камер, связанных друг с другом газовым каналом, причем первая камера сообщается, помимо газового канала, с жидкостью, подлежащей дозированию, а вторая камера является газонепроницаемой за исключением газового канала, тем самым для подачи жидкости в дозирующее устройство объем второй камеры увеличивают, в результате чего газ перетекает туда из первой камеры, и, в свою очередь, жидкость, подлежащая дозированию, поступает в первую камеру, пока между камерами не установится равновесие давлений.

Предметом данного изобретения является также дозирующее устройство для жидкости, содержащее две камеры, соединенные между собой газовым каналом, причем первая камера сообщается помимо газового канала с жидкостью, подлежащей дозированию, а вторая камера является газонепроницаемой за исключением газового канала и содержит средство регулировки ее объема.

Способ согласно изобретению применяется, как правило, но не исключительно, для пипетирования жидкостей с использованием электронной или механической пипетки и позволяет устранить или, по крайней мере, существенно уменьшить погрешность дозировки жидкости, являющуюся следствием перепадов температур между пробой и пипеткой.

В лабораторных исследованиях пипетирование и дозирование проб и реактивов, находящихся обычно в жидкой фазе, представляет собой самую сложную ступень в процессе достижения точности, к примеру, меньше чем полпроцента точности, а также воспроизводимости. При использовании более старого оборудования точность пипетирования обычно была порядка одного микролитра (с погрешностью от 5 до 10%, в особенности при малых объемах), если не хуже (Rodgerson et al, Clin. Chem. 20/1, 43-50, 1974 и Pardue et al, Clin. Chem. 20/8, 1028-1042, 1974). При использовании современного оборудования точность как механических, так и электронных пипеток колеблется в диапазоне 0.1- 5% (Suovaniemi:Dissertation, ISBN 952-90-5248-0, University of Helsinki, 1994).

Погрешность пипетирования зависит как от аппаратуры, так и от ее пользователя. Ошибка пользователя более часто проявляется в случае использования механических пипеток, чем при использовании электронных пипеток. Качество наконечника пипетки и способ ее использования дает лишь незначительный эффект, за исключением тех случаев, когда наконечник насаживается на пипетку вручную. Это может привести к загрязнению или деформации наконечника, так что, когда в течение первых нескольких операций пипетирования наконечник восстанавливает свою форму, в него засасывается избыточное количество жидкости. Эту погрешность можно устранить, например, используя вертикально упакованные наконечники, или же брать их руками с большой осторожностью, избегая какой-либо деформации наконечника при насаживании его на пипетку. Использование электронных пипеток, а также автоматической калибровки электронных пипеток при каждом их использовании устраняет погрешности, обусловленные ошибкой пользователя. (Hattori, Super Pipetter Seminar: Standardized Risk Faсtor and Support to Validation, Biohit, 1994). Совершенствование в данном направлении обычно приводит к повышению точности результатов пипетирования всего лишь на 0,1 -0,5%.

Согласно изобретению способ предусматривает устранение или, по крайней мере, существенное уменьшение температурно-зависимых погрешностей дозировки, имеющих место при использовании способов дозировки, основанных на принципе вытеснения воздуха. Задача изобретения достигается посредством способа и устройства в соответствии с приложенной формулой изобретения.

В частности, способ согласно изобретению отличается тем, что изменение температуры газа, перетекающего из первой камеры во вторую, измеряется, и изменение, или увеличение, объема, вызываемое во второй камере, для подачи жидкости, подвергается коррекции на основании измерения изменения температуры, таким образом, чтобы в первую камеру поступало требуемое количество жидкости.

Согласно изобретению изменение температуры измеряется до начала отбора жидкости посредством температурных датчиков, соответствующим образом размещенных в каждой камере, так что один измеряет температуру газа в первой камере, а другой измеряет температуру, устанавливающуюся во второй камере, то есть температуру, которой достигает газ, перетекающий из первой камеры во вторую в процессе отбора жидкости. Разность этих температур соответствует изменению температуры газа, перетекающего из первой камеры во вторую.

Согласно второму варианту осуществления изобретения данный способ может быть реализован с использованием лишь одного датчика, расположенного во второй камере. Этот датчик сначала измеряет температуру второй камеры до начала забора жидкости, а второй раз измеряет во время забора жидкости температуру газа, перетекающего из первой камеры во вторую камеру, причем разность его показаний является изменением температуры.

Предметом изобретения является также дозирующее устройство для жидкости вышеупомянутого типа, которое отличается тем, что предусмотрен температурный датчик для измерения изменения температуры газа, перетекающего из одной камеры в другую через газовый канал, и средство подачи соответствующей корректирующей команды, подаваемой средству регулировки объема второй камеры.

Согласно изобретению обе камеры могут содержать датчик, или альтернативно только вторая камера содержит датчик.

Данное изобретение описано ниже в применении к дозированию жидкости посредством пипетирования с использованием электрической пипетки, однако применение этого изобретения не ограничивается пипетками, но изобретение может быть использовано в целом ряде дозирующих систем в рамках объема прилагаемой формулы.

Изобретение основано на том факте, что то количество воздуха, которое перетекает на стадии всасывания в процессе пипетирования из наконечника пипетки в корпус пипетки, быстро достигает температуры корпуса пипетки. Изменение объема воздушного пространства в корпусе, вызванное перемещением плунжера пипетки с целью всасывания жидкости в наконечник пипетки, равно выбранному объему пипетирования, т. е. заданному значению для пипетки. Вследствие перемещения плунжера давление в корпусе падает, и воздух перетекает из наконечника в корпус до тех пор, пока давления вновь в основном не выравняются. В том случае, когда температура воздушного пространства в наконечнике не равна температуре корпуса пипетки, конечный объем воздуха, переместившегося в корпус пипетки, после выравнивания температур оказывается отличным от того объема, который должен был быть удален из наконечника. Разность между номинальным и реальным значениями объема перемещаемого воздуха также приводит к погрешности в объеме жидкости, попадающей в наконечник.

Выравнивание температур в корпусе пипетки происходит быстро, т.к. воздушный канал в нем достаточно узок, т.е. расстояние от любой молекулы воздуха до ближайшей стенки мало, обычно меньше 1 мм. Кроме того, удельная теплоемкость воздуха мала по сравнению с удельной теплоемкостью материала, из которого изготовлен корпус. Воздух, поступающий в корпус, достигает температуры корпуса до того, как наконечник отрывается от образца, вследствие чего изменение объема перемещаемого воздуха непосредственно влияет на результат пипетирования. В начале и в конце пипетирования давления внутри и вне пипетки практически находятся в равновесии, и никакие кратковременные перепады давления не влияют на конечный результат.

Из вышеуказанного фактора следует важный вывод, заключающийся в отсутствии необходимости измерять температуру жидкости. Решающее значение имеет температура воздушного пространства в том месте, откуда воздух перемещается в корпус пипетки, и в особенности перепад температур между воздушным пространством и корпусом. После нескольких пипетирований воздух внутри наконечника практически достигает температуры жидкости, но измерение температуры воздуха в наконечнике дает возможность с самого начала производить правильную коррекцию. Кроме того, установлено, что коррекция в соответствии с настоящим изобретением также позволяет устранить любую погрешность, обусловленную колебаниями температуры наконечника. Подобная ситуация имеет место, например, при насаживании наконечника теплыми пальцами.

Ниже выводится формула коррекции, которую должен использовать процессор, связанный с электрической пипеткой, чтобы было возможно варьировать перемещение плунжера относительно его установленного значения, чтобы при любых температурных условиях получать необходимое количество всасываемой жидкости.

Формула для вычисления выводится из закона Гей-Люссака, согласно которому при постоянном давлении объем газа пропорционален его абсолютной температуре. Обозначим абсолютную температуру пипетки Т_p, а абсолютную температуру воздуха, находящегося в наконечнике, Т_k (см. также фиг. 1). Номинальный объем пипетирования, т.е. заданное значение, обозначен V. На начальной стадии наконечник погружен в жидкость, но не настолько глубоко, чтобы гидростатическое давление могло существенно вытеснить жидкость внутрь наконечника. Затем плунжер отводят назад в той мере, которая соответствует объему V, при этом давление внутри корпуса пипетки падает. Поскольку давления стремятся вновь прийти в равновесие, воздух, имеющий температуру Т_k и объем V, перетекает из наконечника в корпус пипетки. Там это количество воздуха приобретает температуру Т_p. Иными словами, новый объем V' перемещенного воздуха согласно закону Гей-Люссака составляет V' = (T_p/T_k)V.

Т. к. в конце должно установиться равновесие давлений, из наконечника в корпус должен переместиться дополнительный объем воздуха ΔV = V-Vʹ = (1-T_p/T_k)V. Т.к. этот воздух поступает из наконечника, благодаря равновесию давлений он должен быть замещен равным объемом жидкости, при этом погрешность пипетирования составляет ΔV. Она принимает положительное значение (слишком большой результат пипетирования), если Т_k > Т_p, и отрицательное (слишком маленький результат пипетирования), если Т_k < Т_p. При положительном результате имеет место небольшой дополнительный избыток, т.к. ΔV также приобретает температуру Т_p. Хотя этот эффект не влечет никаких практических последствий, при желании его можно легко учесть.

Истинный результат пипетирования V'' как функция номинального объема (перемещения плунжира) V и температур соответственно равен Vʺ = V+ΔV = (2-T_p/T_k)V. Коррекция может осуществляться в электронной пипетке прямым способом. Температуры можно считывать постоянно с определенным коротким интервалом времени или же только при нажатии кнопки пипетки, и в зависимости от результатов измерения и номинального объема плунжеру подается команда на срабатывание в соответствии с V_k (скорректированным объемом) V_k=V/(2-T_p/T_k).

В дальнейшем делается ссылка на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 изображает в целом и схематично дозирующее устройство для жидкости согласно изобретению фиг. 2 схематически изображает пипетку в соответствии с изобретением, предназначенную для реализации способа, а фиг. 3 - структурную и монтажную схему датчика для измерения температуры.

На фиг. 1 изображены две заполненные газом камеры для приема жидкости, то есть первая камера 1 и вторая камера 2, сообщающиеся между собой посредством газового канала 3, давление внутри которого практически остается в равновесии как в начале, так и в конце забора жидкости. Для приема жидкости объем второй камеры 2 может быть увеличен подходящими для этого средствами, например, посредством возвратно-поступательно перемещающегося плунжера 4, вмонтированного в камеру 2 с учетом газонепроницаемости. Первая камера 1 может быть приведена в соприкосновение с жидкостью 5. Вследствие разности давлений, вызванной перемещением плунжера 4, жидкость поступает в камеру 1, пока давления в основном не выравняются. Точный объем жидкости, поступившей в камеру 1, в дальнейшем распределяется в одну или несколько дополнительных чашек. Таким образом, некоторое количество газа в системе перемещается из одной камеры в другую, причем это количество соответствует объему жидкости, который подлежит всасыванию, однако этот объем во время всасывания жидкости или позже изменяется в случае, когда температуры в камерах не являются постоянными. Если это изменение объема газа не может быть учтено, возникает погрешность дозировки.

На фиг. 2 изображена пипетка, имеющая цилиндр, образующий вторую камеру в виде воздушного пространства 9 пипетки, при этом воздушное пространство пипетки имеет газовую связь 3 с первой камерой, которая представляет собой наконечник пипетки 8, имеющий газовую связь с воздушным цилиндрическим пространством пипетки, возвратно-поступательный плунжер 4, способный перемещаться внутри цилиндра, а также дополнительно не показанное средство управления плунжером. Согласно предпочтительному варианту осуществления данного изобретения пипетка содержит датчики 6 и 7 для измерения температуры. Подходящим средством измерения температуры является, например, NTC - резистор (терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления), функционирующий как датчик температуры. Подобные резисторы известны сами по себе и доступны на рынке. Согласно данному варианту осуществления температура газа измеряется датчиками 6 и 7 в наконечнике 8 и в воздушном пространстве 9 до начала забора жидкости, и измеренная разность температур используется для подачи корректирующей команды, подаваемой средству управления для смещения плунжера в соответствии с ранее выведенной формулой.

На фиг. 3 показан предпочтительный вариант крепления датчика к дозирующему устройству, например, к корпусу пипетки. На фиг. 3 в увеличенном масштабе изображен сменный наконечник 8, в который вдвинута нижняя часть корпуса пипетки с газовым каналом 3, проходящим в воздушное пространство 9 пипетки. Датчик 6 крепится к устройству 10, выполненному в виде дверной ручки, обращенной своими опорами к корпусу, и прикреплен между этими опорами, при этом сам датчик 6 находится в воздушном пространстве наконечника. Устройство 10 выполняет не только функцию крепления, но также защищает датчик. Очевидно, что аналогично показанному варианту осуществления в воздушном пространстве пипетки может быть установлен датчик 7. Устройство 10 имеет такие размеры, при которых ни это устройство, ни датчик 6 не вступали в соприкосновение с жидкостью, подлежащей дозированию.

Формула изобретения

1. Способ коррекции температурно-зависимой погрешности дозирования, возникающей в процессе дозирования жидкости, при котором дозирование осуществляют посредством двух камер, соединенных друг с другом газовым каналом, причем первая камера сообщается помимо газового канала с жидкостью, подлежащей дозированию, а вторая камера является газонепроницаемой, за исключением газового канала, причем для подачи жидкости в дозирующее устройство объем второй камеры увеличивают, в результате чего газ перетекает туда из первой камеры, и, в свою очередь, жидкость, подлежащая дозированию, поступает в первую камеру пока между камерами не установится равновесие давлений, отличающийся тем, что измеряют изменение температуры газа, перетекающего из первой камеры во вторую, а изменение объема, осуществляемое во второй камере для подачи жидкости, подвергают коррекции на основании измеренного изменения температуры, таким образом, чтобы в первую камеру поступало требуемое количество жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру внутри обеих камер измеряют до начала забора жидкости посредством датчиков, установленных отдельно в каждой камере.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для измерения изменения температуры газа используют датчик, установленный во второй камере, который измеряет внутреннюю температуру камеры до начала забора жидкости, и в процессе забора жидкости измеряют температуру газа, перетекающего из первой камеры во вторую.

4. Дозирующее устройство для жидкости, содержащее две камеры (1, 2), соединенные между собой газовым каналом, в котором первая камера (1) сообщается помимо газового канала (3) с жидкостью (5), подлежащей дозированию, а вторая камера (2) является газонепроницаемой, за исключением газового канала, и содержит средство (4) регулировки ее объема, отличающееся тем, что содержит температурные датчики (6, 7), предусмотренные для измерения изменения температуры газа, перемещающегося из одной камеры в другую, и средства подачи соответствующей корректирующей команды средству регулировки (4) объема во второй камере (2).

5. Дозирующее устройство по п.4, отличающееся тем, что каждая из камер (1, 2) содержит температурный датчик (6, 7).

6. Дозирующее устройство по п.4, отличающееся тем, что только вторая камера (2) содержит температурный датчик (7).

7. Дозирующее устройство по любому из пп.4 - 6, отличающееся тем, что температурные датчики представляют собой терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

8. Дозирующее устройство по любому из пп.4 - 7, отличающееся тем, что средство регулировки объема второй камеры представляет собой плунжер, вмонтированный во вторую камеру с обеспечением газонепроницаемости.

9. Дозирующее устройство по любому из пп.4 - 8, отличающееся тем, что первой камерой является наконечник (8) пипетки.

10. Дозирующее устройство по п.7, отличающееся тем, что первая камера представляет собой предпочтительно съемный наконечник (8) пипетки, а вторая камера представляет собой воздушное пространство (9), образованное в корпусе пипетки, которое сообщается с наконечником пипетки посредством канала (3), выполненного в корпусе, а датчик расположен над монтажным устройством (10), прикрепленным к корпусу, в непосредственной близости от газового канала, соединяющего наконечник и воздушное пространство.

11. Дозирующее устройство по п.10, отличающееся тем, что монтажное устройство (10) выполнено в виде дверной ручки, а датчик крепится между опорами этой ручки, причем концы этих опор прикреплены к корпусу устройства.

Приоритет по пунктам: 22.03.96 по пп.1 - 11.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3