DE68915865T2

DE68915865T2 - Mehrartige Verdrängerpumpe für verschiedene Flüssigkeiten.

Info

Publication number: DE68915865T2
Application number: DE68915865T
Authority: DE
Inventors: John D Czaban; Stanley M Liffmann; Humayan Qureshi
Original assignee: Apec Inc
Current assignee: Apec Inc
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1989-06-27
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2009-06-28
Also published as: US4941808A; EP0349264A3; JP2826841B2; DE68915865D1; JPH0249973A; ATE106991T1; EP0349264B1; US5366904A; EP0349264A2; ES2055064T3

Description

In der medizinischen und Verfahrensmeßgeräteausrüstung ist es oftmals erforderlich, eine kleine Probenmenge bereitzustellen, die mit einer größeren Menge eines Reagens verdünnt wird. Die Abmessung einer exakten Dosierung der beiden verschiedenen Mengen stellt eine gewisse Schwierigkeit dar.
In einigen Anwendungen wurden zwei Fluidverdrängerpumpen oder Spritzenpumpen zur exakten Dosierung von kleinen Probenmengen und größeren Reagensmengen verwendet. Zur Erzielung sehr präziser Messungen wird bevorzugt, keine Spritzen- oder Verdrängerpumpe zu verwendenk die weniger als 10% des Spritzenvolumens dosiert. So sind in Anwendungen, bei denen 10 Mikroliter von Proben mit zum Beispiel 500 Mikrolitern eines Reagens verdünnt werden müssen, zwei Spritzen- oder Verdrängerpumpen erforderlich, wie zum Beispiel eine 100 Mikroliter-Pumpe für die Probe und eine 1000 Mikroliter-Pumpe für das Reagens. Dies hat eine Verdopplung der Teile und somit höhere Kosten zur Folge. Die Gesamtgröße kann größer sein, als sie bei der einfachen Einheit notwendig ware.
US 4.715.791 offenbart eine Dosierpumpe mit einer Kammer, in der ein erster und ein zweiter Kolben hin- und herbewegbar sind. Beide Kolben bewegen sich jedoch einen vollständigen Hub der Pumpe miteinander wie ein einziger Kolgen, so daß es nur möglich ist, das Volumen des gepumpten Fluids oder seinen Durchsatz zu verändern. Es ist nicht möglich, zwei verschiedene Dosen zu erhalten.
Eine Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Mehrfachmodus-Differentialfluidverdrängerpumpe, die eine hohe Auflösung sowohl für kleine als auch für große Probenvolumina in einer einzigen Pumpe ermöglicht.
Die Erfindung schafft daher eine Mehrfachmodus- Differentialverdrängerpumpe mit einer Kammer, in der ein erster und ein zweiter Kolben hin- und herbewegbar sind, wobei die Pumpe gekennzeichnet ist durch Mittel zur Bewegung zunächst nur des ersten Kolbens in einem ersten Teil der Kammer zur Bestimmung einer ersten gemessenen Dosis und danach bei demselben Hub des ersten Kolbens gemeinsam mit dem zweiten Kolben in einem zweiten Teil der Kammer zur Bestimmung einer zweiten gemessenen Dosis, die sich von der ersten gemessenen Dosis unterscheidet, sowie durch Mittel zur Positionierung des zweiten Kolbens an einer vorgegebenen Position in der Kammer.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Dosieren einer gemessenen Menge eines ersten Fluids in eine gemessene Menge eines zweiten Fluids, umfassend die Schritte des Begrenzens eines Fluids in einer ersten Kammer mit einem bestimmten Volumen, des mechanischen Bewegens eines Festkörpers, der ein vorgegebenes Volumen verdrängt, in das bestimmte Kammervolumen, um eine erste gemessene Fluidmenge daraus zu verdrängen, des mechanischen Bewegens eines zweiten verschiebbaren Festkörpers mit einem unterschiedlich definierten Volumen in das erste bestimmte Kammervolumen, wobei sich der zweite Festkörper und der erste Festkörper gemeinsam bewegen, um ein zweites Volumen daraus zu verdrängen, das sich von dem ersten Volumen unterscheidet, woraufhin das erste und das zweite Volumen in einem vorgegebenen Verhältnis vermischt werden können.
Die Mischkammer hat den Vorteil, gute Mischeigenschaften zu besitzen und leicht gereinigt werden zu können.
Die Erfindung schafft eine Pumpe und ein Verfahren zum Erhalt von präzisen Messungen eines ersten und zweiten Materialvolumens in einem einzigen Mischbereich. Insbesondere ist die bevorzugte Pumpe leichtgewichtig, in der Konstruktion verhältnismäßig kostengünstig und kann mit Dichtungen von großer Lebensdauer verwendet werden, so daß sich geringe Wartungskosten ergeben.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Kolben in Axialrichtung hintereinander ausgerichtet und zur gemeinsamen oder getrennten Bewegung in Axialrichtung angebracht. Insbesondere wird ein Kolben, der mit dem zweiten Kolben in Axialrichtung hintereinander ausgerichtet ist, zur gemeinsamen Bewegung beider Kolben betätigt, um die erste gemessene Dosis zu erhalten, worauf die Bewegung des einen Kolbens angehalten werden kann, während die Bewegung des zweiten Kolbens fortgesetzt wird, um die zweite gemessene Dosis zu erhalten.
Zusätzliche Ventile und Probenehmer können an der Pumpe angebracht sein, um eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten bei den Dosier- und Mischanwendungen zu bieten.
Bei der Pumpe kann eine einzige Mischkammer verwendet werden, um eine Verwirbelung zum Vermischen der beiden Dosen zu erzielen. Die Verwendung der Mischkammer ermöglicht auch die Reinigung der Außenseite eines Probenehmers vor der Verdünnung einer in dem Probenehmer enthaltenen Probe mit Verdünnungsfluid in der Mischkammer.
Diese Erfindung schafft die Möglichkeit, hohe Auflösungen sowohl bei kleinen als auch großen Probenvolumina aus einer einzigen Pumpe zu erhalten. Vorzugsweise kann die Größe der Pumpe auf ein Mindestmaß verringert werden. Es kann ein einziger Motor mit einer möglichen leichtgewichtigen sowie kostengünstigen Konstruktion und Betriebsweise verwendet werden. Es können Dichtungen mit hoher Lebensdauer und geringerem Wartungsaufwand verwendet werden. Die Pumpen ermöglichen eine variable Auflösung durch Veränderung der Bestandteile. Das automatische Vorfüllen und Entfernen von Blasen sind zusätzliche Merkmale der Erfindung.
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, nur beispielhaften Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verständlicher. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Mehrfachmodus-Differentialverdrängerpumpe;
Fig. 1A eine teilweise geschnittene Seitenansicht davon entlang der Linie A-A;
Fig. 2 eine halbschematische Schnittdarstellung zu Beginn eines Probenahmezyklus;
Fig. 3 eine halbschematische Schnittdarstellung am Ende eines Probenahmezyklus;
Fig. 4 eine halbschematische Schnittdarstellung zu Beginn eines Verdünnungsmittel-Dosierzyklus;
Fig. 5 eine halbschematische Schnittdarstellung am Ende eines Verdünnungsmittel-Dosierzyklus;
Fig. 6 eine halbschematische Darstellung eines Systems zur Verwendung der Mehrfachmodus-Differentialverdrängerpumpe der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Mischkammer zur Vermischung einer Probe mit einem Puffer in einem Labormeßgerät ist;
Fig. 7 und 7A halbschematische Darstellungen, welche die Seitenansicht bzw. Draufsicht einer bevorzugten Wirbel-Mischkammer und des zugehörigen Probenehmers zeigen, die in Verbindung mit dieser Erfindung zweckmäßig sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die Mehrfachmodus-Differentialverdrängerpumpe dieser Erfindung ist in Fig. 1 mit 10 dargestellt und umfaßt einen Pumpenmeßabschnitt 12, der über eine Verstellschraubenspindel mit einem Schrittmotor 11 verbunden ist, und einen Justier- oder Dosierabschnitt 13.
Der Pumpenmeßabschnitt 12 umfaßt vorzugsweise einen Block 15, der eine fluidfassende zylindrische Kammer 16 mit Öffnungen 17 und 18 für den Einlaß und Auslaß von Fluid begrenzt. Eine dritte Öffnung 17A kann gewünschtenfalls zur Entfernung von Luftblasen oder für andere Zwecke vorgesehen sein, obwohl sie in dem in der Folge beschriebenen besonderen System geschlossen ist. Die Kammer 16 wird durch eine feststehende statische Dichtung 19 an einem Ende und eine zweite feststehende statische Dichtung 20 am zweiten Ende, das mit Abstand über dem ersten Ende liegt, abgedichtet. Ein erster Festkolben oder Preßkolben 21 mit einem ersten Durchmesser ist in der Kammer 16 zur Hin- und Herbewegung angebracht und eines seiner Enden 22, ein Anschlagende, steht mit einem Ende 23 eines Festkolbens oder Preßkolbens 24 mit einem zweiten Durchmesser zu Beginn eines Reagenszyklus in Kontakt. Die Kolben 21 und 24 sind im unbeweglichen Zustand oder beim Gleiten mittels der feststehenden Dichtungen 19 bzw. 20 abgedichtet, die auch die Kammer 16 am Rand der Dichtungen abdichten. Somit sind die Dichtungen 19 und 20 doppeltwirkende Kolbendichtungen.
Der Kolben 24 ist durch eine Feder 25, die gegen die Endplatte 26 wirkt, in seine unterste Position vorgespannt. Der Kolben 24 ist in einem linearen oder Gleit-Lager 27 geführt und besitzt einen Anschlagstift 28, der die ständig durch die Spannung der Feder 25 hervorgerufene Abwärtsbewegung begrenzt. Somit kann sich der Kolben 24, der vorzugsweise koaxial fluchtend mit dem Kolben 21 ausgerichtet ist, in Auf- und Abwärtsrichtung hin- und herbewegen, wie in Fig. 2 dargestellt, und wird ständig nach unten gedrängt, kann aber durch den Druck, der von dem Kolben 21 nach oben ausgeübt wird, nach oben bewegt werden.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann sich der Kolben 21 mit größerem Durchmesser selbst bewegen, oder er bewegt sich, wenn er auf das Ende 23 auftrifft und sich nach oben oder unten bewegt, gemeinsam mit dem Kolben 24 mit kleinem Durchmesser. Es ist zu beachten, daß, während sich die Kolben in der Kammer 16 bewegt, sich das Volumen innerhalb der Kammer 16 in Übereinstimmung mit dem Volumen jedes Kolbens, der sich in die Kammer hinein oder aus ihr heraus bewegt, verändert, oder wenn sich der Kolben 24 in seiner untersten Position befindet, sich die Kammer 16 um das Volumen des Kolbens 21 verändert, da sich dieser alleine bewegt.
Der Meßabschnitt 12 ist auf einem Rahmen angebracht, der durch die feststehenden Platten 30, 30A, 33A und 33B gebildet wird, die ihrerseits eine hin- und herbewegbare zweite Platte 31 tragen, die sich auf Führungsstangen 33 und einer Schraube 34A hin- und herbewegt. Eine Schraubenanordnung 34, die mit einer Welle 34A versehen ist, ist mit einer spielfreien Mutter 35 versehen, um den Abstand zwischen den Platten 30 und 31 nach Wunsch zu verändern, so daß die Bewegung der Kolben innerhalb der Kammer verändert und/oder begrenzt und somit der volumetrische Ausgang aus der Kammer in einem Einstellvorgang bestimmt wird. Der Kolben 21 ist an der Platte 31 mittels einer Schraubenanordnung 31A befestigt und bewegt sich mit dieser. Ein Gleitlager 61 für die Stange 33 und Befestigungsmittel für die Rahmenelemente 60 sowie die Anordnung 34A und 35 sind vorgesehen. Dies ist eine herkömmliche Konstruktion und von KERK Motion Products, Inc., New Hampshire, als Teil Nr. KHD6050 erhältlich.
Die Schraubenwelle 34A wird zur Bewegung der Platte 31 unter Verwendung der Riemenscheiben 37, 38 und des Antriebsriemens 39 in Drehung versetzt, wenn der Schrittmotor 11 aktiviert wird. Es kann, falls gewünscht, jede herkömmliche Verbindung von dem einfachen elektrischen Motor 11 zu dem Kolben 21 verwendet werden.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung weist der Kolben 24 eine Länge von 0,68 Inch (ca. 17,3 mm) im vollständig in seine unterste Position in der Kammer 16 ausgerückten Zustand und einen Durchmesser von 0,250 Inch (ca. 6,35 mm) auf. Die Kammer 16 hat einen Durchmesser von 0,265 Inch (ca. 6,73 mm) und eine Länge von 2,150 Inch (ca. 54,6 mm). Der Kolben 21 weist einen Durchmesser von 0,2560 Inch (ca. 6,5 mm) und eine maximale Weglänge in der Kammer 16 von 1,6 Inch (ca. 40,64 mm) auf. Das Volumen der Kammer beträgt 1500 Mikroliter. Der Schrittmotor ist ein Motor mit 1,8º/Schritt.
Während Besonderheiten dargestellt und beschrieben wurden, ist es aber offensichtlich, daß alle Abmessungen stark variiert werden können, wie auch alle angegebenen Werte. Die besonderen Verbindungs- und Justiermechanismen können variiert werden. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung sind die Kolben mit zwei Durchmessern in einer Kammer, um bei Betätigung, vorzugsweise durch ein einfaches Antriebsmittel, verschiedene Volumina zu liefern. In einigen Fällen kann der Antrieb von Hand erfolgen.
Vorzugsweise wird die Pumpe mit einer konstant mit einer Flüssigkeit gefüllten Kammer 15 betrieben, so daß die Verdrängung der Flüssigkeit durch die Bewegung der Kolben in einem vorgegebenen Volumen die Aufnahme oder Abgabe eines vorgegebenen Volumens derselben Flüssigkeit wie in der Pumpe oder einer anderen Flüssigkeit in einem anderen Teil eines konstant gefüllten Systems bewirkt, mit dem die Pumpe verwendet wird. Die Figuren 2-5 zeigen verschiedene Positionen der Kolben in verschiedenen Schritten eines Fluidprobenahmezyklus bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Mit Bezugnahme auf Fig. 6 ist die dargestellte Verdrängerpumpe 10 ein System zum Vermischen von Fluiddosen in einer Mischkammer 100. Das System ist mit einem Auslaß von dem Verdünnungsblock zu einem ersten Reaktor verbunden und von dort aus mit einem Sensor oder einem Reaktor, einer peristaltischen Pumpe und einem Abfallbereich. Eine Flüssigkeitsprobe und ein flüssiges Verdünnungsmittel wie ein Puffer können in der Kammer 100 vermischt werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Puffer ein Tris-Puffer sein, und die Probe kann Humanserum oder Plasma zu Testzwecken wie in einem Glucosetestapparat sein.
In dem in Fig. 6 dargestellten System sind zwei Schlauchventile 110, 111 über Rohrleitungen 112, 113 mit Öffnungen 17 und 18, über Rohrleitungen 114, 115, einen Vorheizer 116 und eine Rohrleitung 117 mit der Mischkammer 100 verbunden. Die Pumpe 10 ist auch über die Ventile 110, 111 wie dargestellt durch eine Rohrleitung 121 mit einer Pufferflasche 120 und durch eine Rohrleitung 131 mit einem Probenehmer 130 verbunden. Der Probenehmer ist an einem Probenehmerarm 132 angebracht, der imstande ist, den Probenehmer aus der gestrichelt dargestellten Position in die in Vollinien dargestellte Position zu bewegen, wie in Fig. 6 gezeigt. Ein Probengefäß 133 ist an einer Stelle des Armes des Probenehmers angeordnet. Die Ventile 110 und 111 wirken mit der Pumpe zur Bestimmung des Fluidstromes in dem System zum Abmessen und Vermischen des Verdünnungsmittels (Puffer) und der Probe (Plasma) zur Bildung einer Dosis zusammen. Die Dosen des Verdünnungsmittels und der Probe werden in die Mischkammer 100 geleitet, von wo die erforderliche gemischte Dosierung an einen Testapparat abgegeben werden kann, der allgemein mit 150 bezeichnet ist.
In einem ersten Schritt eines üblichen Ablaufs des Systems von Fig. 6 zur Dosierung und Vermischung einer Probe mit einem Verdünnungsmittel wie einem Tris- Puffer befinden sich die Kolben in der in Fig. 2 dargestellten Position, und ein rohrförmiges Luftsegment wird in den rohrförmigen Probenehmer 130 aufgenommen. Die gebildete Luftblase wird so verwendet, daß, wenn die Probe letztlich von dem Probenehmer aufgenommen wird, sie nicht in dem Probenbecher verdünnt wird, und es wird auch die Dispersion der Probe in andere Fluids verhindert. Es können drei Mikroliter Luft aufgenommen werden, und dies erfolgt, während sich die Bestandteile von Fig. 6 in der durch Vollinien dargestellten Position befinden, ohne den Probenbecher, oder in jeder Zwischenposition, die der Luft ausgesetzt ist. Die Spitze des Probenehmers kann in eine Probe getaucht werden, die zum Beispiel Blut, Harn, Plasma, Serum oder dergleichen sein kann. Wenn sich die Pumpenkolben 21, 24 nach unten bewegen, stehen beide Kolben 21 und 24 in Kontakt, und bei einer sehr kleinen Abwärtsbewegung der Kolben von zum Beispiel 0,075 Inch (ca. 1,9 mm) können 3 Mikroliter Luft in dem Probenehmer aufgenommen werden. Bei diesem Schritt ist das Ventil 100 eingeschaltet und das Ventil 111 ausgeschaltet und somit die Öffnung 200 für den Durchfluß offen (auf), die Öffnung 201 für den Durchfluß geschlossen (zu), die Öffnung 202 ist für den Durchfluß geschlossen und die Öffnung 203 offen, so daß sich ein Luftkolben von der Probenehmerspitze durch die Rohrleitungen 131, 114 und 113 bewegen kann. Das Pufferfluid bewegt sich nach innen zu der Pumpenöffnung 17. Nachdem 3 Mikroliter Luft zur Trennung des Verdünnungsmittels von der Probe aufgenommen wurden, wird in einem zweiten Schritt der Probenehmer in einen Probenbecher getaucht, wie in Fig. 6 dargestellt, und beide Preßkolben setzen die Abwärtsbewegung fort, wodurch eine Veränderung in dem Volumen der Kammer 16 von 10 Mikroliter herbeigeführt wird, die ihrerseits bewirkt, daß 10 Mikroliter der Probe in den Probenehmer aufgenommen werden. In dem zweiten Schritt bleiben die Ventile 110, 111 in derselben Position wie mit Bezugnahme auf Schritt 1 besprochen wurde, während die Elemente der Pumpe sich in der in Fig. 2 dargestellten Position befinden. In einem dritten Schritt bleibt die Position aller Bestandteile gleich, und ein weiterer Luftkolben (4 Mikroliter) wird in den Probenehmer gezogen, wobei der Probenbehälter zurückgezogen wird, so daß, wenn der Probenehmer zur Reinigung abgewischt wird, die Probe von dem Tuch nicht aufgesaugt wird. Dieser Luftspalt schützt auch die Probe, wenn die Außenseite des Probenehmers in der Mischkammer 100 abgespült wird. Diese drei Schritte werden alle durchgeführt, während sich die beiden Preßkolben in Kontakt befinden und abwärts bewegen, das Ventil 111 in der ausgeschalteten Position und das Ventil 110 in der eingeschalteten Position ist, wie zuvor beschrieben. Die Schritte 1, 2 und 3 werden ausgeführt, während beide Kolben in Kontakt stehen und sich bewegen. Die Kolben sind in der in Fig. 3 dargestellten Position.
In Schritt 4 sind die Kolben in der in Fig. 4 dargestellten Position. Der Tris-Puffer wird von der Pufferflasche 120 in die Pumpe in einer Menge von zum Beispiel 650 Mikrolitern eingebracht, um die Kammer 16 mit Verdünnungsmittel zu füllen. Der Probenehmer wird in die punktiert dargestellte Position von Fig. 6 gebracht und in der Mischkammer positioniert, wo die Außenseite des Probenehmers von dem Puffer gewaschen wird, der in der Mischkammer von der vorherigen Probe zurückgeblieben ist Eine peristaltische Pumpe (nicht dargestellt) kann zum Einsaugen des Fluids aus der Mischkammer im Anschluß an diesen Schritt verwendet werden In diesem Schritt sind die Ventile 110 und 111 ausgeschaltet, d.h. die Öffnung 200 ist geschlossen, 201 für den Durchfluß offen, 202 geschlossen und Öffnung 203 für den Durchfluß offen.
Die Probe befindet sich nun im Probenehmer, die Mischkammer ist leer und die Pumpe ist mit Puffer gefüllt. Am Ende von Schritt 4 befinden sich die Kolben in der in Fig. 4 dargestellten Position. In einem fünften Schritt werden 150 Mikroliter Puffer durch Öffnung des Ventils 110 wie auch 111 in die Seitenöffnung 151 der Mischkammer eingebracht, wobei die Probenehmerspitze unter dem Fluidniveau liegt und sich nur der Kolben mit dem größeren Durchmesser bewegt. Die Öffnung 200 ist offen, 201 geschlossen, 202 offen und 203 geschlossen.
In einem sechsten Schritt ist das Ventil 110 offen, das Ventil 111 geschlossen, wobei die Öffnung 200 offen, die Öffnung 201 geschlossene die Öffnung 202 geschlossen und die Öffnung 203 offen ist, so daß 10 Mikroliter der Probe und anschließend 40 Mikroliter Puffer durchfließen können, der als Verdünnungsmittel zum Auswaschen der Probe dient. Dies erfolgt, indem sich der Kolben 21 aufwärts bewegt.
In einem siebten Schritt werden 450 Mikroliter Puffer unter hoher Geschwindigkeit von der Öffnung 151 in die Mischkammer eingebracht, so daß eine Wirbelmischung erzielt wird, um eine verdünnte Probe zu erhalten. Das Ventil 110 ist offen, das Ventil 111 ist ebenso offen, die Öffnung 200 ist offen, die Öffnung 201 geschlossen, die Öffnung 202 offen und die Öffnung 203 für den Durchfluß geschlossen. Die Kolben befinden sich nun in der in Fig. 5 dargestellten Position.
In einem achten Schritt wird die Probe durch die Wirkung der peristaltischen Pumpe in den Reaktorbereich bewegt, und die Verdrängerpumpe 10 wird mit Puffer zur Reinigung der Mischkammer und des Probenehmers gefüllt. In diesem Schritt sind beide Ventile 110 und 111 ausgeschaltet, d.h. die Öffnung 200 ist geschlossen, die Öffnung 201 ist für den Durchfluß offen, die Öffnung 202 geschlossen, die Öffnung 203 für den Durchfluß offen, und der Fluß geht von der Pufferflasche zu der Öffnung 18 der Verdrängerpumpe.
In einem neunten Schritt wird die Analyse durchgeführt, Daten werden angezeigt, und die Mischkammer kann durch die peristaltische Pumpe entleert werden.
In einem zehnten Schritt wird das Ventil 110 wie auch das Ventil 111 geöffnet, und somit ist die Öffnung 200 für den Durchfluß offen, die Öffnung 201 geschlossen, die Öffnung 202 für den Durchfluß offen und die Öffnung 203 geschlossen. Der Fluß geht durch die Rohrleitungen 114, 115 zu der Mischkammer zur Reinigung der Kammer, indem Fluid aus der Pumpe in die Kammer gepreßt wird, wie zum Beispiel 700 Mikroliter Puffer, die in die Mischkammer 100 eingebracht werden.
In Schritt elf befindet sich der Probenehmer wieder in der Mischkammer, und 60 Mikroliter werden zur Reinigung durchgespült. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Ventil 110 geöffnet und das Ventil 111 geschlossen, d.h. die Öffnung 200 ist für den Durchfluß geschlossen, die Öffnung 201 offen, die Öffnung 202 geschlossen und die Öffnung 203 für den Durchfluß offen. Der Probenehmer befindet sich in der Mischkammer.
In Schritt zwölf sind die Ventile 110, 111 zu, d.h. die Öffnung 200 ist geschlossen, die Öffnung 201 ist für den Durchfluß offen, die Öffnung 202 ist geschlossen und die Öffnung 203 ist für den Durchfluß offen, so daß die Mischkammer durch die peristaltische Pumpe entleert und abgelassen werden kann, während 300 Mikroliter Puffer über die Leitungen 121 und 112 wieder in die Pumpe eingefüllt werden können, da das Pumpenvolumen durch die Bewegung des Kolbens 21 verdrängt wird. Figuren 2-5 zeigen eine Positionierung der Kolben während der verschiedenen Schritte in dem Verfahren.
In Schritt dreizehn wird Puffer, zum Beispiel 300 Mikroliter, durch Aufwärtsbewegung des Kolbens 21 in die Mischkammer gedrängt, wobei beide Ventile 110 und 111 offen sind, d.h., die Öffnung 200 ist für den Durchfluß offen, die Öffnung 201 ist geschlossen, die Öffnung 202 offen und die Öffnung 203 geschlossen.
Die Mischkammer 100 des bevorzugten Systems ist eine stationäre Kammer, die zur Atmosphäre offen ist. Sie weist eine zylindrische Form auf mit einem kreisförmigen Boden oder einem Boden mit rundem Querschnitt. Ein kreisförmiger Auslaß an der untersten Bodenposition ermöglicht die Entleerung der Kammer. Ein außermittiges Einlaßrohr 152, wie in Fig. 7 und 7A dargestellt, sorgt für die Vermischung der einströmenden Flüssigkeit mit der Flüssigkeit in der Kammer, indem ein Strom der einströmenden Flüssigkeit außerhalb der Mittelachse der Kammer eingeleitet wird, wodurch ein Wirbel in der Flüssigkeit in der Kammer entsteht (siehe punktierte Pfeile 153). Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Kammer einen Durchmesser von 0,312 Inch (ca. 7,92 mm) auf, und der Einlaß hat einen Durchmesser von 0,031 Inch (ca. 0,79 mm) und tritt mit einem Versatz von 0,085 Inch (ca. 2,16 mm) in die Kammerseite ein, d.h. er tritt am Mittelpunkt eines Radius der Kammer unter einem Winkel von 90 Grad zu dem Radius in die Kammer ein.
Es wurden zwar besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und beschrieben, es sind jedoch viele Variationen möglich. Die Dosierung verschiedener Materialien kann in verschiedenen gemessenen Quantitäten erfolgen, wobei die spezifischen Mengen sehr unterschiedlich sein können, wie für den Fachmann offensichtlich ist. Durch Austausch der Zylinder in der Pumpe nach dieser Erfindung und Veränderung ihrer Durchmesser können unterschiedliche Pumpenleistungen erzielt werden. Die Pumpe kann in verschiedenen Umgebungen zur Messung unterschiedlich großer Fluidmengen verwendet werden.
In einigen Fällen müssen die Kolben nicht in Axialrichtung hintereinander ausgerichtet werden, sondern sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie von einem einzigen Motor gesteuert werden können. In anderen Fällen werden zwei oder mehr getrennte Kolben mit unterschiedlichem Durchmesser (nicht dargestellt) in einer Kammer mit bestimmtem Volumen angebracht, um sich unabhängig voneinander zur Dosierung von mehr als einer Dosis aus der Kammer hin- und herzubewegen. Solange die Kolben verschiedene Volumina aufweisen, haben sie den Vorteil, daß sie verschiedene Fluidvolumen aus der Pumpe verdrängen und durch unabhängige Motoren für jeden Kolben betätigt werden können.
Vorzugsweise reagieren die Kolben zumindest während eines Teils ihrer Wegstrecke gegenseitig auf die Bewegung.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden unter Verwendung des Verdrängungsverfahrens bei der bevorzugten Verdrängerpumpe zwei Preßkolben verwendet, es können jedoch drei oder mehr Preßkolben verwendet werden. Der obere Preßkolben hat einen Durchmesser von 0,2500 Inch (ca. 6,35 mm) und ist federbelastet, und der untere Preßkolben hat einen Durchmesser von 0,2560. Die Bewegung wird durch eine Verstellschraubenspindel und eine spielfreie Mutter gemäß einer herkömmlichen Verbindung auf- und abwärts ausgeführt, obwohl jede Verbindung, die in der Technik bekannt ist, verwendet werden kann. Die Verstellschraubenspindel wird vorzugsweise durch einen 1,8º/Schritt-Schrittmotor gedreht. Der gesamte Hub der Verstellschraubenspindel kann etwa 1,6 Inch (ca. 40,64 mm) betragen. Der untere Preßkolben wird die gesamte Strecke in seine oberste Position bewegt, welche die Ausgangsposition für die Pumpe darstellt (ein Bezugspunkt für den Schrittmotor unter Verwendung einer optomechanischen Markierung zur Anzeige der oberen Position des Preßkolbens). Diese ist eine Probenahmeposition, wie in Fig. 2 dargestellt. Wenn in dieser Position der untere Kolben mittels eines Schrittmotors durch die Verstellschraubenspindel abwärts bewegt wird, folgt der obere Preßkolben dem unteren Preßkolben, da er federbelastet ist und die Federkraft viel größer als die Reibungskraft der Dichtung ist, die gegen den Preßkolben reibt. Wenn sich die beiden Preßkolben miteinander bewegen, hängt das Verdrängen oder Ansaugen des Fluids in der Kammer von folgenden Bedingungen ab:
1. Vom Durchmesser des unteren Preßkolbens,
2. vom Durchmesser des oberen Preßkolbens,
3. von der Strecke, die der Preßkolben nach unten zurücklegt.
In diesem Fall ist der Durchmesser des unteren Preßkolbens größer als der Durchmesser des oberen Preßkolbens, so daß, wenn sich die beiden Preßkolben gemeinsam abwärts bewegen, das Fluid in die Kammer angesaugt wird, da ein Vakuum entsteht. Das Volumen des angesaugten Fluids beträgt (πR&sub1;² - πR&sub2;² x abwärts zurückgelegte Strecke).
Zur Aufnahme von 10 Mikrolitern Fluid müssen sich die beiden Preßkolben 0,250 Inch (ca. 6,35 mm) gemeinsam bewegen. Diese Auflösung ist gleich jener einer im Handel erhältlichen 100 Mikroliter-Hamilton-Spritzpumpe.
Wenn es Zeit ist, das Reagens aufzunehmen, kann der untere Preßkolbens abwärts bewegt werden, so daß er nicht mehr mit dem oberen Preßkolben in Kontakt steht. Der obere Preßkolben hat am Ende seines Hubs einen Anschlag. Wenn die beiden Preßkolben nicht mehr miteinander in Kontakt stehen und der untere Kolben abwärts bewegt wird, ist das in der Kammer verdrängte Volumen gleich πR&sub1;² x die abwärts zurückgelegte Strecke, was im Vergleich zu dem Volumen, das bei gemeinsamer Bewegung der beiden Kolben verdrängt wird, sehr groß ist. Zum Ansaugen von 500 Mikrolitern Reagens muß sich der Preßkolben etwa 0,60 Inch (ca. 15,24 mm) bewegen. Diese Auflösung ist gleich der Auflösung einer im Handel erhältlichen 2000 Mikroliter Spritze.
Zur Verdrängung des Reagens und der Probe müssen die Preßkolben nach Bedarf getrennt oder gemeinsam nach oben bewegt werden. Die besondere Pumpe des bevorzugten Ausführungsbeispiels wurde für einen Hub von 0,62 Inch (ca. 15,75 mm) zur Probennahme und einen weiteren Hub von einem Inch (ca. 25,4 mm) für das Reagens konstruiert.
Es kann eine sehr kleine Menge einer Probe exakt angesaugt und mit einer viel größeren Menge Ragens durch richtige Wahl der Kolbendurchmesser angesaugt werden. Die Kolbendurchmesser sind vorzugsweise konstant oder zumindest ist ihr Querschnitt, der sich in der Kammer bewegt, konstant. Die richtige Kombination aus Durchmesser und Hublänge ergibt jedes gewünschte Mischverhältnis.
Es wurde zwar das bevorzugte Ausführungsbeispiel dargestellt, es sind aber Variationen des Systems wie auch der besonderen Bestandteile der Pumpe möglich. Der Befestigungsmechanismus für die beiden Kolben kann sehr unterschiedlich sein, wie auch die Abmessungen. Obwohl das System wie dargestellt vorzugsweise zwei Öffnungen besitzt, können ein oder mehr Ventile verwendet werden, wie auch Dreiwegeventile und dergleichen. Die Pumpe kann bei einer Reihe von Anwendungen in einer Reihe von verschiedenen Systemanordnungen von Ventilen und Rohrleitungen verwendet werden, wie für den Fachmann offensichtlich ist.
Aus dem Vorhergesagten geht hervor, daß die vorliegenden Pumpe zur Abmessung verschiedener Mengen an Probe und Reagens oder Puffer verwendet werden kann. Die Erfindung kann zwei getrennte Spritzen oder Verdrängerpumpen ersetzen. Die einzigartige Konstruktion von zwei Pumpen in einer kann die Gerätekosten senken und im Gegensatz zu herkömmlichen 100 Mikroliter-Pumpen, bei welchen die Spritze oft entfernt und zur Beseitigung von Luftblasen von Hand vorgefüllt werden muß, auch einen Überschußvorfüllzyklus hinfällig machen.
Die Verdrängerpumpe dieser Erfindung kann zur Abmessung einer Probe bei einem Verdünnungsmittel oder Reagens, wie bei der biologischen Analyse oder bei der Testung von Glucose, Kreatinin, Cholesterol oder anderen Blut- oder Körperflüssigkeitskonzentrationen, verwendet werden. Sie kann jedoch auch verwendet werden zum Vermischen von vorgegebenen Mengen zweier Fluide, wie etwa bei der Herstellung einer Dosierungsform für industrielle Zwecke, wobei eine kleine Menge eines Fluids mit einem anderen Fluid verdünnt werden soll, zum Beispiel Mengen bis zu 1 Milliliter, die in 1- bis 100-fachen oder größeren Mengen eines Verdünnungsmittels verdünnt werden sollen. Gleichfalls können medizinische Bestandteile unter Verwendung der Differentialpumpe der vorliegenden Erfindung vermischt werden. Die verschiedenen Bestandteile können sehr unterschiedlich sein. Die Kolben können quadratisch, unregelmäßig geformt oder rund sein, und es können feste oder halbfeste Materialien verwendet werden. Die verschiedenen Dichtungen und Verbindungen der Teile zur Bewegung der Pumpe können auch, wie dem technischen Fachmann bekannt ist, unterschiedlich sein. In einigen Fällen können die Kolben, anstatt einen Kolben mit einem zweiten Kolben zu verbinden und die Bewegung des einen Kolbens anzuhalten, während der zweite Kolben die Bewegung fortsetzt, so angeordnet sein, daß der zweite Kolben im Körper des ersten Kolbens gleitet, während sich der erste Kolben zu dem zweiten Kolben bewegt. Dies stellt im Prinzip eine Umkehr der Elemente dar und würde die Funktion erfüllen und sollte daher als im Umfang der Erfindung liegend angesehen werden.

Claims

1. Mehrfachmodus-Differentalverdrängerpumpe zum Erhalt von zwei verschiedenen gemessenen Dosen mit hoher Auflösung, umfassend eine Kammer (16), in der ein erster und ein zweiter Kolben (21, 24) hin- und herbewegbar sind- gekennzeichnet durch Mittel zur Bewegung zunächst nur des ersten Kolbens (21) in einem ersten Teil der Kammer (16) zur Bestimmung einer ersten gemessenen Dosis und danach bei demselben Hub des ersten Kolbens (21) gemeinsam mit dem zweiten Kolben (24) in einem zweiten Teil der Kammer (16) zur Bestimmung einer zweiten gemessenen Dosis, die sich von der ersten gemessenen Dosis unterscheidet, sowie durch Mittel zur Positionierung des zweiten Kolbens (24) an einer vorgegebenen Position in der Kammer (16).

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kolben (21, 24) in Axialrichtung hintereinander ausgerichtet und gemeinsam bewegbar sind.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kolben (21, 24) an Auslässen der Kammer (16) mittels Dichtungen (19, 20) abgedichtet sind.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (24) einen geringeren Durchmesser als der erste Kolben (21) aufweist, wobei der zweite Kolben (24) durch eine Feder (25) gegen ein Ende des ersten Kolbens (21) vorgespannt ist.

5. Pumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Dichtungen (19, 20) eine statische Gleitdichtung ist.

6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kolben (21) mit einem Motor (11) zur Bewegung beider Kolben (21, 24) verbunden ist.

7. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kolben (21) mit einem Motor (11) zur Bewegung beider Kolben (21, 24) verbunden ist.

8. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kolben (21) mit einer Trägerplatte (31) verbunden ist, die durch einen Schrittmotor (11) und eine Verstellschraubenspindel (35) bewegbar ist.

9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (24) federbelastet ist und gegen einen Endteil des ersten Kolbens (21) zur gemeinsamen Bewegung mit diesem während eines Teils der Wegstrecke des anderen Kolbens (24) vorgespannt ist.

10. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kolben (21, 24) verschiedene Volumina aufweisen, wobei die Bewegung des ersten Kolbens (21) die Abmessung einer ersten Dosis und die Bewegung des zweiten Kolbens (24) die Abmessung einer zweiten Dosis in einem einzigen Hub beider Kolben bewirkt, die während eines Teiles dieses Hubes zusammenwirken.

11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (21, 24) in Axialrichtung hintereinander ausgerichtet sind und unterschiedliche Durchmesser aufweisen.

12. Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schrittmotor (11) mit dem ersten Kolben (21) zu dessen Betätigung und zur Betätigung des zweiten Kolbens (24) über den Kontakt mit dem ersten Kolben (21) verbunden ist, wobei sich zwischen dem ersten und dem zweiten Kolben (21, 24) keine mechanischen Eingriffsmittel befinden.

13. Pumpe nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Mischkammer (100), die mit der Pumpe über einen Fluidweg verbunden ist, wobei die Mischkammer (100) einen im allgemeinen zylindrischen Teil mit einem abgerundeten Boden umfaßt sowie einen Durchgang, der in den Boden führt und in bezug auf eine Mittelachse der Kammer versetzt ist, wobei Fluid durch diesen Durchgang in die Kammer strömt, um einen Wirbel innerhalb der Kammer zu erzeugen.

14. Verfahren zum Dosieren einer gemessenen Menge eines ersten Fluids in eine gemessene Menge eines zweiten Fluids, umfassend die Schritte des Begrenzens eines Fluids in einer ersten Kammer mit einem bestimmten Volumen, des mechanischen Bewegens eines Festkörpers, der ein vorgegebenes Volumen verdrängt, in das bestimmte Kammervolumen, um eine erste gemessene Fluidmenge daraus zu verdrängen, des mechanischen Bewegens eines zweiten verschiebbaren Festkörpers mit einem unterschiedlich definierten Volumen in das erste bestimmte Kammervolumen, wobei sich der zweite Festkörper und der erste Festkörper gemeinsam bewegen, um ein zweites Volumen daraus zu verdrängen, das sich von dem ersten Volumen unterscheidet, woraufhin das erste und das zweite Volumen in einem vorgegebenen Verhältnis vermischt werden können.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Festkörper die Form eines ersten und eines zweiten Kolbens mit bestimmten Durchmessern aufweisen, wobei ein Durchmesser kleiner als ein zweiter Durchmesser ist und die Kammer mit einem Fluid in Form einer Flüssigkeit gefüllt ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kolben in Längsrichtung mit dem zweiten Kolben ausgerichtet ist und mit diesem in eine erste Position hin- und herbewegbar ist und daß der erste Kolben ferner zur Bewegung in eine zweite Position ohne Bewegung des zweiten Kolbens angebracht ist.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Festkörper in das bestimmte Kammervolumen bewegt werden, während der erste verschiebbare Festkörper gegen den zweiten verschiebbaren Festkörper getrieben wird und danach die Bewegung des ersten verschiebbaren Festkörpers unterbrochen wird, während die Bewegung des zweiten verschiebbaren Festkörpers fortgesetzt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite verschiebbare Festkörper die Form eines ersten und eines zweiten Kolbens aufweisen, die in Längsrichtung miteinander ausgerichtet sind, und einer der Kolben für den Eingriff mit einem Ende des anderen der Kolben federbelastet ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und eine erste und eine zweite bestimmte Dosis, die aus der Kammer entfernt werden, zur Bestimmung einer entsprechenden ersten und zweiten Dosis von zwei ausgewählten Materialien verwendet werden, die in einem Mischbereich miteinander vermischt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Dosis eine biologische Probe und ein Verdünnungsmittel umfassen, die in dem Mischbereich vermischt und zur Analyse zu einem Testapparat zugeführt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die biologische Probe vor dem Durchgang zu dem Mischbereich durch einen Luftraum von einer anderen Flüssigkeit getrennt wird.

22. Mehrfachmodus-Differentalverdrängerpumpe zum Erhalt von zwei verschiedenen gemessenen Dosen mit hoher Auflösung, wobei die Pumpe eine Kammer (16) mit einem ersten und einem zweiten Festkörper (21, 24) umfaßt, die darin hin- und herbewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper unterschiedliche Durchmesser aufweisen und einer der Körper zur unabhängigen Bewegung von dem anderen angebracht ist, um eine erste gemessene Dosis während eines Anfangsteils eines Hubs zu erhalten, und die Festkörper zur anschließenden simultanen Bewegung bei demselben Hub angeordnet sind, um eine Verdrängung einer zweiten gemessenen Dosis mit einem anderen Volumen aus der Kammer (16) zu bewirken.