具有移液器吸头检测单元的移液设备以及用于检测移液设备处的移液器吸头的方法与流程

本申请要求2016年7月22日提交的瑞士专利申请ch00950/16的优先权。

本发明涉及液体处理系统的技术领域，更具体地涉及供在自动化实验室装置或实验室设施中使用的具有可更换的用于抽吸(或容纳/吸入)和分配(例如，馈送/分发)液体体积的移液器吸头的移液设备。还说明了具有移液器吸头检测单元的移液设备以及用于检测这种移液设备处的移液器吸头的方法。

背景技术：

如果要在医学、化学、分析或制药实验室中检查大量样本，则如今大多使用自动化的实验室系统或设备，其实现了快速且可靠地处理每个个体样本。这种实验室系统通常设计为处置液体体积的液体处理系统，并且适于用这些样本执行某些过程，例如光学测量、移液、洗涤、离心分离、孵育和过滤。在此，通常将一个或多个机器人(臂)用于这种实验室系统的全自动运行。这些机器人特别专门用于处理液体样本所在的液体容器(例如样本管或微孔板)。这种液体处理系统特别是包括用于抽吸和分配液体的移液器或仅用于分配液体的分配器。

在许多应用中，将新的移液器吸头用于处理每个新样本。因此，这种移液器吸头被设计成用于单次使用，通常称为“一次性移液器吸头”或英语称为“disposabletips(一次性吸头)”。根据应用，在移液过程中处理非常不同的液体体积。为此，通常使用不同尺寸或具有不同体积的移液器吸头。取决于对液体/样本处理的内容，例如，对通过其抽吸或分配液体/样本的开口的尺寸以及所使用的移液器吸头的纯度(例如，无菌性)存在不同的要求。此外，在许多应用中，必须确保各个样本不会污染移液设备。为此，将过滤器安装或集成在移液器吸头的上部(该移液器吸头的上部连接到移液管)，该过滤器防止样本进入移液管并且然后从那里分配到随后的样本中。根据样本的类型，使用不同的过滤器。现在重要的是，在自动移液设备中，它能够检测是否有任何移液器吸头连接到移液管，并且特别是是否正确的移液器吸头连接到移液管。迄今为止，为了解决最后提到的问题，移液器吸头或其中提供移液器吸头的移液器吸头保持器已经设有光学读取的代码或标识。替换地，不同的移液器吸头已根据特定的几何特征进行区分，例如，移液器吸头的上部处的用于连接至移液管的接口的不同长度。

因此需要一种装置，该装置允许简单且因此便宜且可靠地检测不同的移液器吸头。此外，移液器吸头检测也不应妨碍移液设备中各个组件的更高程度的空间压缩以及缩短移液过程时间的趋势。

技术实现要素：

本发明的任务在于，提供一种移液设备，其能够自动地检测不同的移液器吸头。根据本发明，该任务通过在权利要求1中记载的移液设备来实现。

此外，本发明的任务在于，使液体处理系统装备有所提议的移液设备，以便提供适于实验室系统或实验室设备的装置。根据本发明，该任务通过根据权利要求7的液体处理系统来解决。

本发明的另一任务在于，提供一种方法，其能够检测移液设备处的移液器吸头。根据本发明，该任务通过在权利要求8中提议的方法来解决。

此外，本发明的任务在于，提供一组移液器吸头保持器，其适于与所提议的移液设备和所提议的检测方法一起使用。这种根据本发明的一组移液器吸头保持器在权利要求18中记载。

在从属权利要求中说明根据本发明的特定实施例变型。

根据本发明的移液设备包括：

-移液管，该移液管在其一端处构造成可释放地容纳用于抽吸或分配液体的移液器吸头并且在其另一端处能与压力生成装置有效连接；

-用于测量测量电容器的电容、特别是绝对电容的电容测量单元，该测量电容器包括第一电极和作为对电极的第二电极；以及

-用于检测移液器吸头是否与移液管的所述一端相连接和/或用于检测与移液管的所述一端相连接的移液器吸头的表征性特征的检测单元，

其中当该移液器吸头与该移液管处于有效电(电容)连接时，该移液器吸头形成第一电极的至少一部分。

在移液设备的一个实施例变型中，检测单元被构造成借助电容、特别是绝对电容的测得值与例如存储在检测单元中的一个或多个参考值的至少一次比较来进行所述检测。

在移液设备的另一个实施例变型中，第二电极的至少一部分是通过以下至少一者来形成的：

-具有用于容纳移液器吸头的至少一个容纳部的移液器吸头保持器(例如，被实施为液体处理系统的单独的/专用的“测量站”)；

-用于放置具有用于容纳移液器吸头的至少一个容纳部的移液器吸头保持器的支撑件的至少一部分；

-移液管能在其上方移动的工作台的至少一部分；

-一个或多个(相邻的)移液器吸头；

-适于移液管的安装和垂直移动的一个或多个(相邻的)“z杆”或移液管支架。

第二电极(即，对电极)原则上可以是其中使用移液设备的液体处理系统或实验室装置的任何合适部分或组件。例如，金属板可垂直安装在工作台的侧面，其中移液管借助机械臂向该板移动以进行电容测量。取代移液设备下方的工作台，移液设备上方的导电盖或盖板(或其至少一部分)也可用作第二电极。另外，例如，导电多孔板形式的移液器吸头保持器承担作为液体处理系统的组成部分的“测量站”的功能。特别地，一个或多个相邻的“z杆”也可以用作对电极。每个移液管布置在这种垂直布置的“z杆”处，该“z杆”因此用作借助于驱动器上下移动(即，能在“z方向”上移动)的移液管支架，以使得固定在其处的移液管连同所连接的移液器吸头一起可以通过z杆(垂直)下降或升高。例如，z杆可以实施为齿条，其借助齿轮来驱动。为了能够用作对电极，z杆必须由导电材料制成并且与移液管电绝缘，其中z杆例如与接地相连接或者处于参考电位。

在移液设备的另一个实施例变型中，不同移液器吸头的电容、特别是绝对电容的参考值是特征性的。

在移液设备的另一个实施例变型中，参考值取决于以下特性中的一者或多者：

-制造移液器吸头的材料；

-移液器吸头的几何形状，特别是移液器吸头的形状(例如，移液器吸头的外部轮廓)，进一步特别是移液器吸头的直径和/或长度；

-制造移液器吸头保持器的材料；

-用于将移液器吸头容纳在移液器吸头保持器中的容纳部的几何形状，特别是该容纳部的形状(或者其走向或轮廓)，进一步特别是该容纳部的直径和/或长度；

-移液器吸头的涂层，特别是制造移液器吸头的涂层的材料，进一步特别是移液器吸头的涂层的延伸量或厚度；

-移液器吸头保持器、特别是容纳部的涂层，特别是制成移液器吸头保持器或容纳部的涂层的材料，进一步特别是移液器吸头保持器或容纳部的涂层的延伸量或厚度；

-移液器吸头与一个或多个(相邻的)移液器吸头之间的一个或多个距离或位置。

在移液设备的另一个实施例变型中，电容测量单元包括电容到数字转换器(cdc)或时间到数字转换器(tdc)。cdc是一种将电容转换成电压并且基于σ-δ转换器方法的转换器。在cdc方法中，对于未知电容，其大小以法拉为单位确定为数字值。市售cdc组件的示例是来自德州仪器(texasinstruments)的fdc1004和来自模拟器件(analogdevices)的ad7745。在tdc中，测量对具有未知电容的电容器进行充电所需的时间，并根据该时间以法拉为单位将其大小确定为数字值。

根据本发明的另一方面，液体处理系统包括所提议的移液设备。

根据本发明的另一方面，一种用于检测具有移液管的移液设备处的移液器吸头的方法，该移液管在其一端处被构造成可释放地容纳用于抽吸或分配液体的移液器吸头并且在其另一端处与压力生成装置有效连接，该方法包括以下步骤：

-将移液器吸头与移液管的所述一端相连接；

-测量包括第一电极和作为对电极的第二电极的测量电容器的电容、特别是绝对电容的值，其中移液器吸头形成第一电极的至少一部分、优选第一电极的主要部分；

-将电容、特别是绝对电容的测得值与一个或多个参考值进行比较；

-根据比较的结果来输出信息，该信息指示移液器吸头是否与移液管相连接和/或指示移液器吸头的表征性特征、特别是关于移液器吸头的设计(例如，移液器吸头的大小)的表征性特征。

在该方法的一个实施例变型中，第二电极的至少一部分是通过以下至少一者来形成的：

-具有用于容纳移液器吸头的至少一个容纳部的移液器吸头保持器(例如，被实施为液体处理系统的单独的/专用的“测量站”)；

-用于放置具有用于容纳移液器吸头的至少一个容纳部的移液器吸头保持器的支撑件的至少一部分；

-移液管能在其上方移动的工作台的至少一部分；

-一个或多个(相邻的)移液器吸头；

-用于安装移液管的一个或多个(相邻的)“z杆”或移液管支架。

在该方法的另一实施例变型中，在移液器吸头仍然至少部分地位于容纳部中时、特别是移液器吸头的一部分突出到容纳部中时进行测量。

在该方法的另一个实施例变型中，在移液器吸头已从容纳部中完全移除之后，特别是在移液器吸头已从移液器吸头保持器移除并且移液器吸头位于工作台上方之后进行测量，该工作台与移液器吸头保持器相比形成第二电极的主要部分。

在该方法的另一个实施例变型中，在移液器吸头至少部分地邻近一个或多个z杆或移液管支架时，特别是在与后者处于相同的高度处时进行测量，该一个或多个z杆或移液管支架形成第二电极的主要部分。

在另一个实施例变型中，该方法进一步包括以下步骤：

-在移液器吸头与移液管的末端相连接之前测量测量电容器的电容、特别是绝对电容的预先值；

-在与(随后)测得的值进行比较时将该预先值用作参考值。

在该方法的另一个实施例变型中，在至少两个运动期间测量测量传感器的电容、特别是绝对电容的多个值并且根据该多个值来确定最大测量值，该最大测量值随后与该一个或多个参考值进行比较，该至少两个运动包括以下运动：a)将移液管引导至移液器吸头，b)将移液器吸头与移液管的末端相连接，c)从容纳部中取出移液器吸头，以及d)将移液器吸头引导离开移液器吸头保持器。

在该方法的另一个实施例变型中，在至少两个运动期间测量测量传感器的电容、特别是绝对电容的多个值，其中该多个值中的至少一部分形成电容、特别是绝对电容的时间曲线，该时间曲线与由多个参考值构成的一个或多个时间曲线进行比较，该至少两个运动包括以下运动：a)将移液管引导至移液器吸头，b)将移液器吸头与移液管的末端相连接，c)从容纳部中取出移液器吸头，以及d)将移液器吸头引导离开移液器吸头保持器。

在该方法的一个实施例变型中，通过确定电容变化(即，相对电容)来测量电容值，其中该电容变化例如是由于第一电极和第二电极相对彼此的运动而引起的。

在该方法的另一个实施例变型中，不同移液器吸头的电容、特别是绝对电容的参考值是特征性的。

在该方法的另一个实施例变型中，参考值取决于以下特性中的一者或多者：

-制造移液器吸头的材料；

-移液器吸头的几何形状，特别是移液器吸头的形状(例如，移液器吸头的外部轮廓)，进一步特别是移液器吸头的直径和/或长度；

-制造移液器吸头保持器的材料；

-用于将移液器吸头容纳在移液器吸头保持器中的容纳部的几何形状，特别是该容纳部的形状，进一步特别是该容纳部的直径和/或长度；

-移液器吸头的涂层，特别是制造移液器吸头的涂层的材料，进一步特别是移液器吸头的涂层的延伸量或厚度；

-移液器吸头保持器、特别是容纳部的涂层，特别是制造移液器吸头保持器或容纳部的涂层的材料，进一步特别是移液器吸头保持器或容纳部的涂层的延伸量或厚度；

-移液器吸头与一个或多个(相邻的)移液器吸头之间的一个或多个距离或位置。

根据本发明的另一方面，提议了一组移液器吸头保持器，其中每一个移液器吸头保持器具有至少一个用于容纳移液器吸头的容纳部，并且其中该容纳部的几何形状、特别是该容纳部的形状、进一步特别是该容纳部的直径和/或长度被实施成使得在所提议的移液设备或所提议的液体处理系统或所提议的方法中得到不同类型的移液器吸头的不同参考值，其中不同类型的移液器吸头特别是通过以下特征之一来区分：

-(容量/标称)体积；

-用于抽吸和分配液体的吸头开口大小/直径；

-具有或不具有用于在抽吸样本时防止移液管污染的过滤器，以及特别是过滤器的类型；

-纯度分类；

-使用目的；

-移液器吸头至移液管的连接的密封能力，

并且其中特别是不同类型的移液器吸头的外部几何形状是相同的。

在一个实施例变型中，除了容纳部的几何形状之外或者作为容纳部的几何形状的替换，对移液器吸头保持器、特别是容纳部或其区域和/或围绕其进行涂层，以使得在所提议的移液设备或所提议的液体处理系统或所提议的方法中，得到不同移液器吸头的不同参考值(例如，由于涂层的材料和/或涂层的厚度)，其中该涂层特别是在第一和第二电极之间形成电介质的至少一部分。

附图说明

下面将根据附图解释本发明的非限制性实施例。附图示出：

图1示出了不同的移液器吸头；

图2示出了具有插入的移液器吸头的移液器吸头保持器；

图3示出了根据本发明的移液设备或根据本发明的液体处理系统的实施例的示意图；

图4示出了用于根据本发明的用于检测移液器吸头的替换方法的实施例来测量电容的三个布置a)、b)和c)的示意图；

图5示出了根据本发明的移液器吸头保持器中的容纳部的四个不同实施例a)、b)、c)和d)的示意图；

图6a)示出了在位置p1、p2和p3处通过移液管来容纳移液器吸头时的运动过程的示意图；以及

图6b)示出了三个不同大小的移液器吸头的绝对电容的时间曲线(具有来自图6a的位置p1、p2和p3处的标记)。

在附图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

图1示出了具有不同的液体容积/标称体积(10μl、50μl和200μl)的三个一次性移液器吸头(“disposabletips(一次性吸头)”，diti)。它们由导电聚丙烯制成，并且因此可以进行电容式液位检测(“capacitiveliquidleveldetection”，clld)。这种移液器吸头不仅具有不同的大小，而且还具有防止样本液体进入并污染移液管的过滤器。此外，存在不同纯度的移液器吸头(例如，来自tecan公司的变体“标准”，“纯”和“无菌”)。这些移液器吸头可以具有相同的大小，从而可能难以在不同类型之间进行视觉区分。另外，这些移液器吸头仅具有非常轻的重量，从而移液设备由于该重量而可能困难地确定移液器吸头是否连接至移液管。

现在，本发明的核心思想是使用导电的移液器吸头作为测量电容器的电极(或至少作为部分电极)，其中对电极(或其一部分)例如由移液器吸头保持器、特别是由移液器吸头保持器中的移液器吸头容纳部形成，用于移液设备的移液器吸头被提供在该容纳部中。此外，在其上进行移液过程的导电工作台可以形成对电极的另一部分。此外，用于将移液器吸头保持器放置在工作台上的导电支撑件也可以形成对电极的一部分。原则上，移液器吸头保持器不必由导电材料制成，并且在这种情形中形成测量电容器的电介质(或其一部分)。每一个移液器吸头可以随后根据测量电容器的电容、特别是绝对电容的测得值来可靠地检测。

图2示出了具有插入在容纳部4中的大量移液器吸头2的这种移液器吸头保持器3。移液器吸头保持器3在该情形中被实施成由多个部分组成，即具有上部31、中部32和下部33。容纳部4在上部31和中部32中，其中移液器吸头2搁置在上部31上。上部31和/或中部32是不导电的，其中不导电部分充当测量电容器的电介质。下部33被实施为导电多孔板并且(至少部分地)形成测量电容器的对电极，其中容纳部4伸入多孔板33。移液器吸头保持器3位于工作台5上，该工作台5处于参考电位并且特别是与接地相连接。多孔板33可以通过导电连接件12或者导电支撑件34与接地电连接。现在，电容测量单元一方面与移液管并且另一方面与工作台5以及通过该工作台5与位于其上的支撑件34和移液器吸头保持器3、特别是与下部33(即，导电多孔板)相连接。不具有移液器吸头2的移液管已经形成小电极，以使得通过这种布置形成的测量电容器在没有移液器吸头2的情况下已具有微小的电容。一旦移液器吸头2与移液管相连接，测得电容值大幅上升，其中该值取决于移液器吸头2的类型(例如，大小)并且因此可以通过测得的电容值来可靠地检测该类型。

图3在一个简化示意图中解说了根据本发明的移液设备的实施例。该附图示出了具有附接的移液器吸头2的移液管1，该移液器吸头2先前从移液器吸头保持器3的容纳部4取出以及现在通过液体处理系统14处的机器人臂11垂直向上移动并且因此从移液器吸头保持器3离开。在此，与移液管1并且因此也与作为第一电极的移液器吸头2以及与工作台5并且因此也与作为第二电极(对电极)的移液器吸头保持器3(或其组件)相连接的电容测量单元6确定包括这两个电极的测量电容器的(绝对)电容。根据移液器吸头2的类型或种类(例如，尺寸/容积)，电容的测得值是不同的。为此，在检测单元7中将电容的测得值与不同的参考值进行比较，其中每一个参考值表征特定类型或特定种类的移液器吸头2。检测单元7随后向机器人臂11的驱动器的控制单元8传达关于移液器吸头2是否连接至移液管1以及在移液器吸头2连接至移液管1的情况下涉及何种类型或种类的移液器吸头2的信息。

这种移液器吸头保持器3还可以例如是液体处理系统14的一部分，其中为了确定电容并且因此检测移液器吸头类型或移液器吸头大小，机器人臂11与所连接的移液器吸头2一起朝移液器吸头保持器3移动并且下降到容纳部4中以进行电容测量。因此，移液器吸头保持器3是液体处理系统14内的用于移液器吸头检测的单独的/专用的“测量站”。

图4在示意图中解说了用于根据本发明的用于检测移液器吸头2的方法的替换实施例来测量电容的三个布置a)、b)和c)。在该方法的第一替换实施例变型中，相邻的移液器吸头2'、2”、2”'形成第一电极的对电极(＝第二电极)，该第一电极包括移液器吸头2(参见附图4a))。这三个相邻的移液器吸头2'、2”、2”'中的一者就已经足以实施该方法的实施例变型。图4b)示出了其中没有移液器吸头2置于移液管1上的情形。在该情形中，测量电容器的(绝对)电容要比移液器吸头2位于移液管1处时小，因为第一电极现在基本上仅包括移液管1，从而检测单元7基于与参考值的比较确定没有移液器吸头2连接至移液管1。在图4c)中示出了该方法的另一个实施例变型，其中作为用于电容测量的第一电极的移液器吸头2被定位在作为第二电极(即，作为对电极的)(一部分)的多个相邻的“z杆”或移液管支架13旁边。为此，相邻的z杆(具有或不具有所连接的移液管1和移液器吸头2'、2”、2”')大致下降到与待检测的移液器吸头2相同的高度(由z方向上的垂直双箭头表示)。

在图5中示意性地示出了根据本发明的移液器吸头保持器3中的容纳部4的四个不同的实施例a)、b)、c)和d)。在图5a)中，容纳部4被实施为具有直径d1的圆柱孔。在移液器吸头2连接到移液管1并且位于容纳部4中(与其电绝缘)时产生的电容具有一特定值，该特定值表征该布置并且在检测单元7中用作参考值以检测这种移液器吸头2。在图5b)中，过滤器10安装或集成在移液器吸头2中。为了能够检测具有过滤器10的这种类型的移液器吸头2，可以例如将具有较大直径d2的孔用于容纳部4。由于经改变的几何形状，该电极布置的测得电容是另一值。替换地，可以不同地选择容纳部4的垂直厚度。这也导致测得电容的改变。在图5c)中示出了另一种可能性，其中容纳部4的形状被改变并且现在实施成具有最大直径d2和最小直径d2'的圆锥形。这再次导致测得电容的改变并且可以用作具有另一种过滤器类型的移液器吸头2的表征性特征，由此相应的参考值被存储在检测单元7中以检测这种移液器吸头2。此外，例如还如图5d)中示出的，移液器吸头2设有作为电介质(以及绝缘体)的涂层9，该涂层9再次导致测得电容具有另一值，该另一值表征这种移液器吸头2。取代对移液器吸头2进行涂层，移液器吸头保持器3并且特别是容纳部4设有涂层9'(作为电介质和绝缘体)，以便达成测得电容的改变(参见图5a)-c))。原则上，第一电极和第二电极的任何特征(例如，它们的大小，材料，形状)或这些电极之间的形成测量电容器的电介质的间隙可以按任何方式改变以获得测量电容器的期望电容，其值作为参考值表征特定的测量布置并且因此表征特定类型或种类的移液器吸头2。

图6a)示意性地示出了在由移液管1容纳移液器吸头2时的运动过程，其中示出了三个特定位置p1、p2和p3。在图6b)中示出了根据图6a)的运动过程的测得绝对电容的时间曲线，更确切地说具有容积/标称体积10μl、50μl和200μl的三个不同大小的移液器吸头2的测得绝对电容的时间曲线。在位置p1处，移液管1处还没有移液器吸头2，并且测得电容约为0pf。在通过移液管1从移液器吸头保持器3中的容纳部4中拾取移液器吸头2时，即在位置p2处，测得电容最大(其中移液器吸头2和容纳部4彼此电绝缘)。根据移液器吸头2的大小，测得电容值约为2.1pf、3.1pf和4.8pf。这些值大致对应于存储在检测单元7中以检测这三种不同的移液器吸头2的参考值。此外，从图6b)中的标绘可见，测得电容在位置p3处要比位置p1处高(约0.2pf、0.5pf和0.6pf)，这是因为现在移液器吸头2充当第一电极(或者第一电极的附加部分)。因此，可以例如在从容纳部4中取出移液器吸头2之后检验移液器吸头2是否实际上连接至移液管1或者移液器吸头2的拾取是否不成功。

附图标记列表

1移液管

2移液器吸头

2'第一相邻的移液器吸头

2”第二相邻的移液器吸头

2”'第三相邻的移液器吸头

3移液器吸头保持器/支架

31移液器吸头保持器的上部

32移液器吸头保持器的中部

33移液器吸头保持器的(导电)下部

34移液器吸头保持器的支撑件

4容纳部

5工作台

6电容测量单元

7检测单元

8用于驱动器/机器人臂的运动控制的控制单元

9移液器吸头的涂层

9'移液器吸头保持器的涂层

10过滤器

11驱动器/机器人臂

12至接地/参考电位的连接

13z杆/移液管支架

14液体处理系统

d1用于不具有过滤器的移液器吸头的容纳部的直径

d2用于具有过滤器的移液器吸头的容纳部的(大)直径

d2'用于具有过滤器的移液器吸头的容纳部的(小)直径

p1移液管的第一位置(在拾取移液器吸头之前接近移液器吸头保持器时)

p2移液器吸头的第二位置(在从移液器吸头保持器拾取移液器吸头期间)

p3移液器吸头的第三位置(在拾取移液器吸头之后从移液器吸头保持器离开时)