DE69002811T2

DE69002811T2 - Apparat zur Steigerung der Reaktion zwischen Fest- und Flüssigphasen.

Info

Publication number: DE69002811T2
Application number: DE90116983T
Authority: DE
Inventors: Ei Mochida; Kenji Usui
Original assignee: Mochida Pharmaceutical Co Ltd
Current assignee: Mochida Pharmaceutical Co Ltd
Priority date: 1989-09-05
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2010-09-05
Also published as: DE69002811D1; EP0417607A3; ATE93162T1; JPH0583298B2; ES2044353T3; EP0417607B1; DK0417607T3; US5154896A; JPH0394828A; EP0417607A2; CA2024591A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Förderung einer Reaktion zwischen Fest- und Flüssigphasen. Die Vorrichtung dient zur Gewährleistung, daß eine wirksame Reaktion zwischen einer an der Innenfläche eines rohrförmigen Reaktionsgefäßes gebundenen reaktiven oder reaktionsfähigen Festphasensubstanz und einer im Reaktionsgefäß in flüssiger Phase vorliegenden reaktionsfähigen Substanz stattfindet. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Vorrichtung zur Förderung einer Reaktion zwischen Fest- und Flüssigphasen, die für die Förderung oder Begünstigung verschiedener Reaktionen, einschließlich Immunreaktionen, enzymatische Reaktionen und Reaktionen unter Verwendung von DNA-Sonden (-Proben), geeignet ist.

Beschreibung des Stands der Technik

Immunoassaytechniken unter Anwendung von Reaktionen, wie Antigen-Antikörper-Reaktionen, werden derzeit als Mittel zur Messung oder Bestimmung von Konzentrationen an Substanzen, die in sehr kleinen Mengen in Körperfluiden, wie Urin, Blutserum, Blutplasma und dgl. enthalten sind, sowie der Konzentrationen an einem lebenden Körper verabreichten Medikamenten in den Körperflüssigkeiten eingesetzt.
Diese Reaktionen können zweckmäßig durchgeführt werden unter Heranziehung der Innenfläche(n) von Reaktionsgefäßen als Träger zum Immobilisieren und Unlöslichmachen von Antikörpern, Antigenen und anderen reaktionsfähigen Substanzen. Beispielsweise sind Kunststoff-Teströhrchen leicht zu handhaben, und sie werden bevorzugt benutzt, weil sie sowohl als Träger zum Immobilisieren einer reaktionsfähigen Substanz als auch als Reaktionsgefäß dienen. Reaktionen in Gefäßen, an deren Innenwand eine reaktionsfähige Substanz immobilisiert oder unlöslich gemacht ist, werden herkömmlicherweise nach einem stationären Prozeß durchgeführt, in welchem das Reaktionsgefäß, etwa ein Teströhrchen, für die Reaktion, die darin stattfinden soll, in einer aufrechten Stellung gehalten wird. Bei diesem stationären Prozeß ist jedoch die für die Reaktion nutzbare Oberfläche der Innenfläche (Innenwand) des Reaktionsgefäßes durch das Volumen der Probenlösung im Gefäß begrenzt, und die Menge der genannten reaktionsfähigen Substanz, die an der Innenfläche gebunden sein kann, ist ebenfalls durch die verfügbare Oberfläche begrenzt. Die Menge der genannten reaktionsfähigen Substanz relativ zur Probenlösung kann mithin nicht in dem Maße vergrößert werden wie andere herkömmliche, bei der stationären Methode benutzte Träger, wie Kunststoffperlen, Filterpapier und feine Zelluloseteilchen; dies bedingte (bisher) eine unangemessen verlängerte Reaktionszeit.
Im Hinblick auf die Überwindung dieser Nachteile hat die Anmelderin vorliegender Erfindung bereits eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit welcher die vorgesehene Reaktion innerhalb einer kurzen Zeitspanne nach einer Schrägrotationsmethode vollständig durchführbar ist, bei welcher das Reaktionsgefäß, während seine eigene Längsachse unter einem vorbestimmten Winkel zur Waagerechten geneigt ist, in Drehung versetzt wird. Die US-A-4 482 636 offenbart ein Verfahren, bei dem das geneigte Reaktionsgefäß gleichzeitig um seine (eigene) Längsachse gedreht wird, während die Achse unter einem vorbestimmten Winkel zur Waagerechten geneigt ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die US-A-4 479 720 offenbart eine Vorrichtung, bei welcher das geneigte (schrägstehende) Reaktionsgefäß nicht nur um seine (eigene) Längsachse gedreht, sondern auch um eine andere, parallel zur Längsachse des Reaktionsgefäßes liegende Achse in Umlaufbewegung versetzt wird, um einen Transport zu erreichen und die Reaktionszeit automatisch zu kontrollieren. Der Grundgedanke bei diesen Vorrichtungen besteht darin, daß dann, wenn einem geneigten (d.h. schrägstehenden) Reaktionsgefäß eine Drehung um seine Achse ermöglicht wird, die Flüssigphase im Gefäß mit einer großen Oberfläche seiner Innenfläche in Berührung gelangt und die im Gefäß stattfindende Reaktion begünstigt oder gefördert wird; auf diese Weise kann der angestrebte Effekt erzielt werden.
Ferner sind die in den angegebenen Patentschriften beschriebenen Reaktionsvorrichtungen so ausgelegt, daß das Reaktionsgefäß von Hand in die Vorrichtung geladen bzw. eingesetzt werden muß; dabei ist keinerlei Vorrichtung offenbart, bei welcher das Reaktionsgefäß automatisch geladen bzw. eingesetzt werden kann.
Im Hinblick auf diese Gegebenheiten hat die Anmelderin in der US-A-4 797 258 und in der JP-Patentanmeldung (Kokai) 61-114737 eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei welcher das genannte Reaktionsgefäß aus einer geneigten Stellung, in welcher es um seine Achse rotieren konnte, in eine aufrechte Stellung angehoben wird. Diese Aufrichtvorrichtung dient zum Halten des Reaktionsgefäßes in einer aufrechten (etwa lotrechten) Stellung, so daß bei verschiedenen Immunoassayvorgängen, insbesondere in Reaktionsabläufen, ein Schritt wie Waschen, der vor oder nach dem Schritt stattfindet, in welchem das Reaktionsgefäß zur Förderung der Reaktion in geneigtem Zustand, d.h. Schräglage, gedreht wird, auf einfache und vorteilhafte Weise durchgeführt werden kann.
Die beschriebenen, von der Anmelderin vorgeschlagenen Vorrichtungen zur Durchführung der Reaktion zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase vermögen die angestrebte Förderung der interessierenden Reaktion zu gewährleisten. Jedes der verwendeten Reaktionsgefäße muß (dabei) jedoch um seine (eigene) Achse gedreht werden, wodurch sich nicht nur die bauliche Komplexität vergrößert, sondern auch die Kosten für die Reaktionsvorrichtung erhöhen. Darüber hinaus sind die mit dem Laden und Entladen der einzelnen Reaktionsgefäße in die bzw. aus der Vorrichtung verbundenen Vorgänge äußerst umständlich und kompliziert.
Die in der US-A-4 482 636 vorgeschalgene Reaktionsvorrichtung erzeugt die Kraft zum Rotieren der Reaktionsgefäße mittels der Reibung zwischen dem Halter oder Band und jedem Reaktionsgefäß. Dies gilt auch für die Reaktionsvorrichtung nach der US-A-4 479 720, bei welcher die Kraft zum Rotieren des Gefäß-Traghalters durch Reibung zwischen letzterem und der durch einen Motor angetriebenen Drehscheibe erzeugt wird. Wenn dabei die Außenfläche (Außenwand) eines bestimmten Reaktionsgefäßes zufällig mit dem flüssigen Inhalt oder mit Wasser benetzt ist, oder wenn die Einsatzumgebung derart ist, daß die in der Umgebungsatmosphäre enthaltene Feuchtigkeit kondensiert und sich an der Außenfläche dieses Reaktionsge fäßes ansammelt, tritt eine schlagartige Verringerung der effektiven Reibungs- oder Friktionskraft auf, wobei die Unmöglichkeit, die nötige Rotation während der vorbestimmten Reaktionszeit einzustellen, zu ungenauen Messungen führen kann. Im Fall der Kraftübertragung durch Reibung erwies es sich daher als schwierig, einen Schlupf unter allen Bedingungen zu vermeiden. Andererseits müssen die Reaktionsbedingungen bei den Messungen gleichmäßig gehalten werden, speziell bei Immunoassays unter Nutzung immunologischer Reaktionen; die beschriebenen bisherigen Reaktionsvorrichtungen sind allerdings in seltenen Fällen nicht in der Lage, vollkommen identische Reaktionsbedingungen (insbesondere Rühr- oder Mischbedingungen, Drehzahl und Umdrehungszahl eines jeden Reaktionsgefäßes) bei allen Reaktionsgefäßen (Rotationsbedingungen) zu gewährleisten.
Zudem waren die mit dem Laden und Entladen der einzelnen Reaktionsgefäße in die bzw. aus der Vorrichtung verbundenen Vorgänge äußerst umständlich und kompliziert.
Zur Gewährleistung identischer Bedingungen der in zahlreichen Reaktionsgefäßen stattfindenden Reaktion, und um auch unqualifizierte Bedienungspersonen in die Lage zu versetzen, die vorgesehene Messung unter gleichen Bedingungen vorzunehmen, ist die Reaktionsvorrichtung vorzugsweise so ausgelegt, daß die einzelnen Reaktionsgefäße zur Realisierung automatisierter Messungen automatisch geladen und entladen werden können. Bei keiner der vorhandenen Reaktionsvorrichtungen können jedoch die Reaktionsgefäße auf einfache und automatische Weise geund entladen werden. Die Aufrichtvorrichtungen gemäß US- A-4 797 258 und JP-Patentanmeldung (KOKAI) 61-114732 sind nicht so konstruiert, daß die Reaktionsgefäße in einem verklemmten bzw. erfaßten Zustand in den zugeordneten Ladepositionen geladen werden; infolgedessen ist die beim Laden der Reaktionsgefäße auf diese ausgeübte Kraft nicht gleichmäßig genug, um ein störungsfreies Laden sicherzustellen, was entweder zu einem Verschütten des flüssigen Inhalts oder zu einem ungewollten Bruch der Gefäße führen kann. Dieses Unvermögen bezüglich des sicheren, einwandfreien und zuverlässigen Ladens oder Entladens der Reaktionsgefäße trat besonders dann häufig zutage, wenn Gefäßbefestigungsmittel verwendet werden.

KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist damit die Lösung der geschilderten Probleme beim Stand der Technik und die Schaffung einer Vorrichtung für Reaktion zwischen Fest- und Flüssigphasen, welche Vorrichtung einen einfachen Aufbau aufweist und in der Lage ist, eine Reaktion zwischen einer reaktionsfähigen, an einer Innenfläche eines Reaktionsgefäßes immobilisierten Festphasensubstanz und einer reaktionsf ähigen Flüssigphasensubstanz in einem rohrförmigen Reaktionsgefäß mit einem offenen Ende ebenso wirksam wie herkömmliche Vorrichtungen zu fördern, und zwar durch Halten des Reaktionsgefäßes im Umfangsbereich eines unter einem vorbestimmten Winkel zur Waagerechten geneigten Drehelements und Umlaufenlassen des Drehelements im geneigten Zustand bzw. in der Schräglage, und welche (Vorrichtung) auch für den Nichtfachmann auf diesem Gebiet identische Reaktionsbedingungen für eine Anzahl von Reaktionsgefäßen zu gewährleisten vermag.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung für die Reaktion zwischen Fest- und Flüssigphasen, welche (Vorrichtung) nicht nur die obige erste Aufgabe löst, sondern auch in der Lage ist, ein rohrförmiges Reaktionsgefäß ohne Bruch oder Verschütten des flüssigen Inhalts, sondern vielmehr in sicherer, einwandfreier, zuverlässiger und störungsfreier (smooth) Weise an zugeordneten Ladepositionen zu laden und entladen, wobei das Gefäß z.B. in einer lotrechten Stellung gehalten wird; die Vorrichtung soll einen einfachen Aufbau aufweisen und einfach bedienbar sein, so daß auch unqualifizierte oder ungeübte Bedienungspersonen eine Anzahl von Reaktionsgefäßen einfach handhaben können.
Zur Lösung der angegebenen Aufgaben haben die Erfinder vorliegender Erfindung extensive Untersuchungen bezüglich einer Reaktionsvorrichtung eines einfachen Aufbaus durchgeführt, in welcher die Reaktion zwischen einer an der Innenfläche von mehr als einem rohrförmigen Reaktionsgefäß gebundenen reaktionsfähigen Festphasensubstanz und der von jedem der Reaktionsgefäße aufgenommenen Flüssigphase innerhalb aller Reaktionsgefäße in gleichmäßiger und wirkungsvoller Weise begünstigt bzw. gefördert werden kann. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß dann, wenn ein Drehelement mit einer Anzahl oder Vielzahl von an seinem Umfangsbereich gehaltenen Reaktionsgefäßen um seine (eigene) Achse in Drehung versetzt wird, wobei es unter einem vorbestimmten Winkel zur Waagerechten geneigt ist, so daß die einzelnen Reaktionsgefäße in einer Schräglage zur Drehung oder zum Umlauf gebracht sind, jedes dieser Gefäße eine Umdrehung um seine Achse in der Schwerkraftrichtung ausführt, wenn das Drehelement eine volle Umdrehung durchläuft, so daß sich dabei die in jedem Reaktionsgefäß enthaltene Probenlösung unter Gewährleistung einer maximalen Berührung mit der Oberfläche um die Innenfläche herum bewegen kann. Die vorliegende Erfindung ist auf der Grundlage dieser Feststellung entwickelt worden.
Gemäß einem ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird mit dieser eine Vorrichtung zur Durchführung einer Reaktion zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase geschaffen, welche Vorrichtung die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine teilweise im (Quer-)Schnitt gehaltene Vorderansicht eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung der Reaktion zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase,
Fig. 2 eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf die Reaktionsvorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht der Reaktionsvorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 4a bis 4f Darstellungen der Arbeitsabläufe bei der Reaktionsvorrichtung nach Fig. 1
Fig. 5 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Reaktionsvorrichtung nach Fig. 1 und
Fig. 6 und 7 eine im Schnitt gehaltene Seitenansicht bzw. eine in vergrößertem Maßstab gehaltene perspektivische Teildarstellung eines anderen Beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung der Reaktion zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Förderung der Reaktion zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase ist nachstehend anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 ist eine teilweise im Schnitt gehaltene Vorderansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fördern der Reaktion zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase nach erstem und zweitem Aspekt bzw. Merkmal der Erfindung; Fig. 2 ist eine teilweise weggeschnittene Draufsicht auf die gleiche Vorrichtung; Fig. 3 ist eine Seitenansicht der gleichen Vorrichtung.
Gemäß diesen Zeichnungen umfaßt die allgemein mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung zur Förderung der Reaktion zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase (im folgenden einfach als "Reaktionsvorrichtung" bezeichnet) ein Drehelement 12, dessen zentrale Welle 14, eine rechteckige Gestell- oder Rahmeneinheit 16 zur drehbaren Lagerung der zentralen Welle 14, ein an der zentralen Welle 14 in der Rahmeneinheit 16 montiertes Kegelrad 18, ein anderes, mit dem Kegelrad 18 kämmendes Kegelrad 20, eine Antriebswelle 22, auf welcher das Kegelrad 20 montiert ist, einen Motor 24 für Drehantrieb der Antriebswelle 22, eine Schwenkwelle 26, die an einem parallel zur zentralen Welle 14 angeordneten Rahmenelement 16a der Rahmeneinheit 16 befestigt ist und eine mit der Antriebswelle 22 gemeinsame zentrale Achse aufweist, eine an der Schwenkwelle 26 montierte Zahn(riemen)scheibe 28, eine weitere Zahnscheibe 30, einen zwischen diesen beiden Zahnscheiben 28 und 30 gespannten Zahnriemen 32, eine Antriebswelle 34, auf welcher die Zahnscheibe 38 befestigt ist, einen Motor 36 für Drehantrieb der Antriebswelle 34, einen an der Antriebswelle 22 montierten Sensor 38 zur Feststellung der Position, in welcher das Drehelement 12 in seiner waagerechten Lage angehalten wird, einen an der Antriebswelle 34 montierten Sensor 40 zur Feststellung, ob sich das Drehelement 12 in seiner waagerechten Lage oder in der Schräglage befindet, an den Motoren 24 und 36 montierte Sensoren 25 bzw. 37 zur Feststellung der Stellung des Drehelements 12 sowie eine Steuereinheit 42 zur Steuerung des Drehantriebs der Motoren 24 und (bzw.) 36 in Abhängigkeit von den Detektionssignalen der Sensoren 25, 32, 38 bzw. 40.
Das Drehelement 12 besteht aus drei Scheiben 44, 46 und 48, die mit gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordnet und mit Hilfe von Streben 52 gegeneinander befestigt sind, wobei der Abstand zwischen benachbarten Scheiben entsprechend der Länge eines Reaktionsgefäßes 50 zweckmäßig bestimmt ist. Beim dargestellten Beispiel sind die mittlere Scheibe 46 und die untere Scheibe 48 jeweils eine kreisringförmige Scheibe oder Platte mit einer kreisrunden zentralen Bohrung, die von der zentralen Welle 14 durchsetzbar ist. An der oberen Scheibe 44 ist die zentrale Welle 14 in deren Zentrum mit Hilfe von vier Schraubbolzen 53 lotrecht befestigt. Die drei Scheiben 44, 46 und 48 besitzen vorzugsweise gleiche Durchmesser, doch ist dies nicht unbedingt nötig, vielmehr können sie auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Der Abstand zwischen den benachbarten Scheiben 44 und 46 ist vorzugsweise dem Abstand zwischen den Scheiben 46 und 48 gleich, doch können diese beiden Abstände ggf. auch voneinander verschieden sein.
Das Drehelement 12 muß einer Anzahl von Schritten oder Vorgängen, wie Neigen aus einer waagerechten Stellung, innerhalb einer kurzen Zeit, Drehung in eine Schräglage bei konstanter Geschwindigkeit und Rückstellung in die waagerechte Stellung, unterwerfbar sein; um diesen Anforderungen zu genügen, ist das Drehelement 12 bevorzugt möglichst leicht ausgebildet. Demzufolge sind die drei, das Drehelement 12 bildenden Scheiben 44, 46 und 48, speziell die beiden oberen Scheiben 44 und 46, vorzugsweise möglichst dünn geformt, um eine Gewichtssenkung zu erreichen. Die untere Scheibe 48 ist ebenfalls möglichst dünn, vorausgesetzt, daß sie ausreichende Festigkeit zur Abstützung des Reaktionsgefäßes 50 von unten her besitzt. Beim dargestellten Beispiel besteht die mittlere Scheibe 46 aus einer einzelnen Scheibe, doch kann sie ggf. auch aus mehr als einer Scheibe bestehen.
Das Drehelement 12 weist in seinem Umfangsbereich eine Halteeinrichtung 54 zum Halten oder Aufnehmen einer Vielzahl von Reaktionsgefäßen 50 in gleichen gegenseitigen Abständen sowie konzentrisch und parallel zu der zentralen Welle 14 auf. Gemäß den Fig. 2 und 4a besteht die Halteeinrichtung 54 aus einer Anordnung von Sitzen, in denen die Reaktionsgefäße aufnehmbar sind, und sie besteht aus einer Anzahl von durchgehenden Bohrungen 56, die in gleichen gegenseitigen Abständen und in einem konzentrischen Muster in oberer und mittlerer Scheibe 44 bzw. 46 so ausgebildet sind, daß sie die Reaktionsgefäße 50 (beim dargestellten Beispiel sind 62 Bohrungen 56 in einer Scheibe geformt) aufzunehmen vermögen; die untere Scheibe 48 stützt dabei die Unterseite der Reaktionsgefäße 50 ab. Die erfindungsgemäß einzusetzende Halteeinrichtung 54 muß eine solche Konstruktion aufweisen, daß sie bei in waagerechter Stellung befindlichem Drehelement 12 die von oben her eingesetzten Reaktionsgefäße einwandfrei aufzunehmen vermag und sie nach dem Aufnehmen in den richtigen Stellungen zu halten vermag. Zu diesem Zweck besitzen die in jeder der Scheiben 44 und 46 zu formenden (geformten) Bohrungen 56 einen etwas größeren Durchmesser als der Durchmesser jedes Reaktionsgefäßes 50, wobei ihre oberen Teile jeweils trichterartig geformt sind.
Zur Ermöglichung oder Erleichterung des Entnehmens der Reaktionsgefäße 50, insbesondere um sicherzustellen, daß in Fig. 2 gezeigte Greifer 58, 60 und 62 die einzelnen Reaktionsgefäße 50 leicht erfassen können, ist die untere Scheibe 48 vorzugsweise mit Bohrungen 57 versehen, deren Durchmesser kleiner ist als der der Reaktionsgefäße 50 und die das Hochschieben des Reaktionsgefäßes 50 von seiner Unterseite her begünstigen.
Im folgenden sei der Fall betrachtet, in welchem die Reaktionsvorrichtung 10 für die Durchführung eines Enzym- Immunoassays mittels einer Antigen-Antikörper-Reaktion eingesetzt werden soll, wobei das Ergebnis dieser Reaktion mittels einer enzymatischen Reaktion nachgewiesen wird, bei welcher eine Farbentwicklung stattfindet. Wie erwähnt, sind 62 Sitze zur Aufnahme der Reaktionsgefäße 50 vorgesehen. Wenn sich das Drehelement 12 in seiner waagerechten Stellung befindet, kann eine Position S1 im unteren linken Abschnitt von Fig. 2 als eine Station bezeichnet werden, an welcher ein Reaktionsgefäß 50, das eine der Reaktion zu unterwerfende Probenlösung 51 enthält, eingesetzt und an welcher das Reaktionsgefäß, in welchem sich aufgrund der Reaktion eine Farbe entwickelt hat, entfernt bzw. entnommen wird. Weiterhin kann eine im unteren rechten Abschnitt von Fig. 2 dargestellte Position S23, die entgegen dem Uhrzeigersinn von der Station S1 um 127,74º, entsprechend 22 Reaktionsgefäßen, entfernt ist, als eine Station bezeichnet werden, an welcher das Reaktionsgefäß 50, in welchem die Reaktion für eine vorbestimmte Zeitspanne gefördert oder begünstigt worden ist, entnommen wird und an welcher das Reaktionsgefäß, das gewaschen worden ist und dem ein Substrat für die Enzymreaktion zugesetzt worden ist, wieder eingesetzt wird.
In diesem Fall werden auf noch näher zu beschreibende Weise 40 Teilschritte bzw. Teilungen (40 Zyklen) von der Station S1 zur Station S23 in der durch einen Pfeil B angedeuteten Richtung für die Antigen-Antikörper-Reaktion benutzt, während die folgenden 22 Teilungen (21 Zyklen) von der Station S23 zur Station S1 in der durch den Pfeil B angedeuteten Richtung für die enzymatische Reaktion mit Farbentwicklung benutzt werden.
Die Greifer 58 und 60 sind an der Station S1 zum Laden und Entladen (Einsetzen und Entnehmen) der Reaktionsgefäße vorgesehen, während der Greifer 62 an der Station S23 angeordnet ist. Die Greifer 58, 60 und 62 sind an jeweiligen Armen 58a, 60a bzw. 62a montiert und nicht nur in der waagerechten Ebene vorwärts und rückwärts, sondern auch in der lotrechten Ebene aufwärts und abwärts (in der X-Z-Richtung) bewegbar. An jeder Station S1 oder S23 vermögen diese Greifer das Reaktionsgefäß 50 in die im Drehelement 12 vorgesehene Halteeinrichtung 54 einzusetzen. Weiterhin werden sie dazu benutzt, das Reaktionsgefäß 50 zu waschen oder das Reaktionsgefäß 50 zu einem anderen Schritt zu überführen, nachdem es im Anschluß an die Beendigung der vorgesehenen Reaktion in diesem Gefäß aus dem Drehelement 12 entnommen worden ist.
Hierbei können die Greifer 58 bis 62 zur Vereinfachung der Konstruktion an einer (nicht dargestellten) Platte montiert sein, wobei die Greifer 58, 60 und 62 mittels einer Horizontalverschiebung dieser Platte in der X- Richtung bewegt oder verschoben werden. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Greifer unter Verwendung unabhängiger bzw. getrennter Mechanismen unabhängig voneinander bewegt werden können.
Gemäß den Fig. 1 und 3 besitzt jedes Reaktionsgefäß 50 eine rohrförmige, z.B. zylindrische Gestalt, wobei nur sein oberes Ende offen und sein Halsabschnitt so verengt oder eingeschnürt ist, daß der Greifer 58, 60 oder 62 gemäß Fig. 2 daran anzugreifen vermag. Eine reaktionsfähige Festphasensubstanz, etwa ein Antikörper, ist an der Innenfläche eines jeden Reaktionsgefäßes 50 gebunden oder immobilisiert, wobei eine Probenlösung 51 (Flüssigphase) in dieses Reaktionsgefäß 50 eingegeben ist.
Die zentrale Welle 14 ist auf gegenüberliegenden Seiten der Rahmeneinheit 16 durch bzw. in Rahmenelementen 16c und 16d drehbar gelagert, die einen Getriebekasten zur Aufnahme der Kegelräder 18 und 20 bilden, von denen das Kegelrad 18 an der zentralen Welle 14 befestigt ist. Das mit dem Kegelrad 18 kämmende Kegelrad 20 ist am einen Ende der Antriebswelle 22 befestigt, die ihrerseits am bzw. im Rahmenelement 16b der Rahmeneinheit 16 drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle 22 ist über eine (Wellen-)Kupplung mit dem Motor 24 verbunden.
Die Drehantriebseinrichtung für Drehantrieb des Drehelements 12 besteht somit aus dem als zweite Drehantriebsguelle dienenden Motor 24, der zugeordneten Antriebswelle 22 und den als zweite Übertragungseinrichtung (als zweites Vorgelege) dienenden Kegelrädern 18 und 20.
Die Anordnung der Kegelräder 18 und 20 dient nicht nur zur Änderung der Drehrichtung um z.B. 90º, sondern auch als Untersetzungsgetriebe. Der Durchmesser des Kegelrads 18 ist größer als der des Kegelrads 20; das Übersetzungsverhältnis beträgt typischerweise 2. Wenn der Sensor 38 die Drehung der Antriebswelle 22 detektiert, kann die Anordnung der Kegelräder 18 und 20 die Drehzahl entsprechend reduzieren, um die Drehung des Drehelements 12 genau zu steuern.
Notwendig ist dabei, daß sich das Drehelement 12 in seiner Schräglage (vgl. Fig. 3) für eine vorbestimmte Zeit bei konstanter Drehzahl unter dem Antrieb des als Antriebsquelle dienenden Motors 24 kontinuierlich um die zentrale Welle (oder Achse) 14 drehen kann. Außerdem ist es erforderlich, daß das Drehelement 12 nach Abschluß der Drehung in der Position anhält, die vollständig der Position entspricht, in welcher die Drehung eingeleitet wurde. Der Sitz, in den ein bestimmtes Reaktionsgefäß 50 eingesetzt ist, sollte nämlich nach der Drehung des Drehelements 12 wieder in der gleichen Stellung stehen. Weiterhin muß sich das Drehelement 12 in seiner waagerechten Stellung genau über einen vorbestimmten Winkel von z.B. 5,81º, wenn 62 Sitze für die Reaktionsgefäße 50 vorgesehen sind, drehen können.
Der erfindungsgemäß als zweite Drehantriebsquelle benutzte Motor 24 ist somit vorzugsweise ein Hochpräzisions- Schrittmotor, welcher die Erfordernisse, daß sowohl Drehgeschwindigkeit als auch Winkel genau steuerbar oder kontrollierbar sein müssen, erfüllt. Andere brauchbare Motoren sind Wechselstrom- und Gleichstrom-Servomotoren sowie ein Ultraschallmotor.
Die Drehgeschwindigkeit oder Drehzahl des Motors 24 ist nicht auf eine bestimmte Größe beschränkt und kann beispielsweise 30/min oder 60/min betragen, solange die durch die Zentrifugalkraft bestimmten, noch zu beschreibenden Bedingungen erfüllt sind. Wenn die Drehung des Motors 24 zu langsam ist, wird die Reaktionsgeschwindigkeit unerwünscht niedrig. Wenn andererseits die Drehung des Motors 24 zu schnell ist, behindert die Zentrifugalbzw. Fliehkraft die Bewegung der Probenlösung 51 im Reaktionsgefäß 50, was ebenfalls eine unerwünscht niedrige Reaktionsgeschwindigkeit zur Folge hat. Die Zeitspanne, in welcher eine kontinuierliche Drehung des Drehelements 12 zugelassen wird, ist ebenfalls nicht auf eine bestimmte Größe beschränkt und kann in Abhängigkeit von der Art der Antigen-Antikörper-Reaktion, die zwischen der Probenlösung in einem Reaktionsgefäß 50 und der an dessen Innenfläche immobilisierten Festphase gefördert werden soll, zweckmäßig gewählt werden. Bei der in den Zeichnungen dargestellten Vorrichtung ist das Drehelement 12 für kontinuierliche Drehung für 25 s ausgelegt.
Die Anordnung der Kegelräder 18 und 20 bildet die erfindungsgemäß zu benutzende zweite Kraftübertragungseinrichtung und kann aus gerade verzahnten Kegelrädern, spiralverzahnten Kegelrädern, Hypoid-Kegelrädern oder Kegelrädern anderer Arten bestehen. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß die zweite, erfindungsgemäß einzusetzende Übertragungseinrichtung in keiner Weise auf Kegelräder beschränkt ist, sondern aus einer beliebigen Vorrichtung bestehen kann, die sowohl die Drehrichtung um 90º oder andere gewünschte Winkel zu ändern als auch die Drehzahl zu reduzieren vermag. Die Kegelräder als zweite Übertragungseinrichtung können somit durch eine drehzahluntersetzende Schneckenradanordnung und dgl. ersetzt werden.
Die erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung 10 ist so ausgelegt, daß bei der Umlaufbewegung der am Umfangsbereich des Drehelements 12 festgelegten Reaktionsgefäße 50 um die zentrale Welle 14 die in jedem Reaktionsgefäß enthaltene Probenlösung 51 sich in Schwerkraftrichtung abwärts verlagert und gerührt bzw. umgewälzt wird, während sie mit der Innenfläche des Reaktionsgefäßes in Berührung steht, wodurch die betreffende Reaktion gefördert wird. Optimale Bedingungen zur Förderung der Reaktion werden an einem Punkt erreicht, an dem die Differenz zwischen den Relativgeschwindigkeiten von Fest- und Flüssigphase im Reaktionsgefäß 50, durch dessen Drehung hervorgerufen (d.h. eine Drehung um die eigene Achse pro Umlauf um die zentrale Welle 14; diese Drehung ist im folgenden auch als "Umlaufbewegung" bezeichnet), innerhalb des Bereichs, in welchem die Bindung zwischen Antigen und Antikörper nicht zerstört wird, am größten ist. Diese optimalen Bedingungen variieren mit der Viskosität und Oberfächenspannung der Probenlösung 51 , der auf letztere durch die Rotation ausgeübten Zentrifugal- oder Fliehkraft sowie anderen Faktoren und können in Abhängigkeit vom Antigen und Antikörper, die zu der betreffenden Reaktion beitragen, sowie von dem eine dieser reaktionsfähigen Substanzen enthaltenden Medium zweckmäßig bestimmt werden.
Der praktische Bereich, in welchem eine gewünschte Förderung der Reaktion mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 erzielbar ist, läßt sich anhand der Zentrifugal- bzw. Fliehkraft, durch folgende Parameter beschrieben, definieren: Radius r des Drehelements 12 (genauer gesagt: Abstand von der zentralen Welle 14 des Drehelements 12 zum Zentrum jedes der Reaktionsgefäße 50), sein Neigungswinkel θ sowie die Winkelgeschwindigkeit seiner Drehung ω (vgl. Fig. 5). Wenn das Drehelement 12 um die zentrale Welle 14 rotiert, läßt sich die auf die Probenlösung 51 im Reaktionsgefäß 50 ausgeübte bzw. einwirkende Fliehkraft f wie folgt ausdrücken:
f = mr ω² (vgl. Fig. 5)
Dabei bedeutet m die Masse der Probenlösung. Die Komponente f&sub1; der Kraft f, die in lotrechter Richtung wirkt, läßt sich wie folgt ausdrücken:
f&sub1; = mr ω² sinθ
Wenn f&sub1; größer wird als die Schwerkraft oder Schwere (mg) der Probenlösung 51 im Reaktionsgefäß 50, wird die Probenlösung in der Richtung der Fliehkraft verdrängt, so daß sie nicht mehr eine maximale Berührungsfläche mit der Innenfläche des Reaktionsgefäßes 50 einhalten kann, so daß dadurch der Förderungswirkungsgrad der Reaktion herabgesetzt wird.
Die Bedingung zur Gewährleistung, daß die Vorrichtung 10 die vorgesehene Förderung der betreffenden Reaktion bewirkt, ist somit folgende:
f&sub1; = mr ω² sinθ < mg
f&sub1;/m = r ω² sinθ < g
Die Kippeinrichtung zur Ermöglichung einer Neigung oder Schrägstellung des Drehelements 12 unter dem vorbestimmten Neigungswinkel besteht aus der Rahmeneinheit 16, die als Element zur Lagerung der erwähnten zentralen Welle 14 dient, und einer Schwenkeinrichtung zur schwenkbaren Lagerung dieser Rahmeneinheit 16 mittels sowohl der Antriebswelle 22, welche die zentrale Welle 14 unter einem rechten Winkel schneidet, als auch der Schwenkwelle oder Achse 26, die eine gemeinsame Mittelachse mit der Antriebswelle 22 aufweist und am Rahmenelement 16a der Rahmeneinheit 16 befestigt ist. Die Schwenkeinrichtung verschwenkt auch die Rahmeneinheit 16 aus ihrer lotrechten Stellung zusammen mit der zentralen Welle 14. Die Rahmenelemente 16a und 16b liegen parallel zur zentralen Welle 14, während die Rahmenelemente 16c und 16d lotrecht (senkrecht) zur Längsachse der zentralen Welle 14 liegen.
Die Schwenkeinrichtung besteht aus einer ersten Drehantriebsquelle, etwa einem Motor 36, und einer ersten Kraft-Übertragungseinrichtung in Form der Zahnscheiben 28 und 30 sowie des Zahnriemens 32; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle Ausgestaltung beschränkt, vielmehr können verschiedene andere Schwenkeinrichtungen benutzt werden, um die erforderliche Rotationssteuerung oder -kontrolle durchzuführen, solange sie die Drehwinkel genauestens zu steuern bzw. kontrollieren vermögen.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zahnscheibe 28 an der Schwenkwelle 26 befestigt, während die andere Zahnscheibe 30 an der Antriebswelle 34 befestigt ist, die ihrerseits über eine Kupplung mit dem Motor 36 verbunden (joint-coupled) ist. Der Zahnriemen 32 ist zwischen diesen beiden Zahnscheiben 28 und 30 gespannt. Durch diese Elemente wird die Drehung der Antriebswelle 34 auf die Schwenkwelle 26 übertragen, so daß die Rahmeneinheit 16 zum Neigen der zentralen Welle 14 über einen vorbestimmten Winkel geschwenkt wird, damit das Drehelement 12 um einen vorbestimmten Winkel gegenüber der waagerechten Stellung geneigt oder schräggestellt werden kann. Für die Zwecke der Erfindung kann der Kipp- oder Neigungswinkel θ des Drehelements 12 so gewählt sein, daß die in jedem Reaktionsgefäß 50 enthaltene Probenlösung nicht verschüttet bzw. verspritzt, aber die Kontaktfläche der Probenlösung 51 mit der Innenfläche dieses Gefäßes maximiert wird. Ein zweckmäßiger Bereich des Winkels θ beträgt 10 bis 88º; der Bereich von 60 bis 85º wird besonders bevorzugt. Der Neigungswinkel θ kann entweder festgelegt oder in Abhängigkeit von der Art eines spezifischen, benutzten Reaktionsgefäßes verstellbar sein.
Die erste Übertragungseinrichtung kann von beliebiger Art sein, so lange die durch den Motor 36 herbeigeführte Drehung der Antriebswelle 34 einwandfrei auf die Schwenkwelle oder -achse 26 übertragen werden kann. Erläuternde Beispiele für diese erste Übertragungseinrichtung sind Zahnräder, Riemen und Ketten.
Der Motor 36 kann von beliebiger Art sein, welche das Drehelement 12 zwischen der waagerechten Stellung und der geneigten Stellung bzw. Schräglage, in welcher es unter einem vorbestimmten Winkel geneigt ist, zu verschwenken vermag. Bevorzugte Beispiele sind ein schrittweise entweder in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung drehbarer Schrittmotor, ein Wechselstrom- oder Gleichstrom-Servomotor, ein Ultraschallmotor und dgl.
Die Antriebswelle 22 und der Motor 24 sind jeweils mit den Sensoren 38 bzw. 25 versehen, welche die Stellung des Sitzes im Drehelement 12 detektieren. Die Antriebswelle 34 und der Motor 36 sind mit den Sensoren 40 bzw. 37 versehen, die feststellen, ob sich das Drehelement 12 in der waagerechten oder in der geneigten Stellung befindet. Der Sensor 38 (oder 40) umfaßt eine dünne Scheibe 38a (oder 40a) mit einem teilweisen Ausschnitt oder einer Aussparung, an der Antriebswelle 22 (oder 34) befestigt, und einen aus einem lichtemittierenden Element und einem Lichtempfangselement bestehenden Photodetektor 38b (oder 40b). Die Sensoren 25 und 37 besitzen ebenfalls eine ähnliche Ausgestaltung und sind jeweils an den drehenden Wellen der Motoren 24 bzw. 36 befestigt. Der Sensor 25 (oder 37) besteht aus einer dünnen Scheibe 25a (37a) mit einer Aussparung und einem Photodetektor 25b (oder 37b). Wenn bei den Sensoren 25 (37, 38 oder 40) der vom lichtemittierenden Element abgegebene Lichtstrahl durch die Scheibe 25 (37a, 38a oder 40a) blockiert wird, kann er das Lichtempfangselement nicht erreichen. Wenn dieser Lichtstrahl andererseits in den Ausschnitt in der Scheibe 25a (37a, 38a oder 40a) fällt, wird er zum Lichtempfangselement durchgelassen, wobei das detektierte optische Ausgangssignal bzw. optische Detektionsausgangssignal als Synchronisiersignal zum Detektieren der Dreh- oder Kippstellung des Drehelements 12 benutzt werden kann. Wahlweise können die Sensoren 25 und 37 für genaue Steuerung oder Kontrolle durch Drehstellungsgeber ersetzt werden.
Das zu gewinnende Synchronisiersignal kann von einem beliebigen Muster oder Schema sein. Beispielsweise kann der Sensor 38 benutzt werden, um die Anfangsstellung des Drehelements 12 im waagerechten Zustand zu detektieren oder zu erfassen; der Sensor 40 kann zum Detektieren, ob sich das Drehelement 12 in seiner waagerechten Stellung oder in der Schräglage befindet, benutzt werden.
Der Sensor 25 wird zusätzlich zum Sensor 38 zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit bezüglich des Drehelements 12 auf einen höheren Pegel, als er mit dem Sensor 38 allein erzielbar ist, benutzt. Da der Sensor 38 an der Dreh-Welle 22 befestigt ist, die ihrerseits über ein Untersetzungsgetriebe 72 mit der Dreh-Welle des Motors 24 verbunden ist, kann das vom Sensor 25 des Motors 24 erhaltene Synchronisiersignal um einen dem Untersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes 72 proportionalen Betrag genauer sein als das vom Sensor 38 gelieferte Synchronisiersignal. Der Sensor 37 wird für einen ähnlichen Zweck wie der Sensor 25 eingesetzt. Da der Sensor 40 an der Dreh-Welle 34 montiert ist, die ihrerseits über ein Untersetzungsgetriebe 66 mit der drehenden Welle des Motors 36 verbunden ist, kann das vom Sensor 37 gelieferte Synchronisiersignal um einen dem Untersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes 66 proportionalen Betrag genauer sein als das Synchronisiersignal vom Sensor 40.
Ersichtlicherweise kann die Steuerung oder Kontrolle von Rotation und Neigung des Drehelements 12 vollständig bzw. ausschließlich mittels der Sensoren 38 und 40 erfolgen. In diesem Fall können vorzugsweise an den jeweiligen Motoren 24 und 36 Drehstellungsgeber montiert bzw. angebracht sein, anstatt die Sensoren 25 und 27 zu verwenden, um die Drehung bzw. Rotation (insbesondere ihre Schwankung) der betreffenden Motoren 24 und 36 zu kontrollieren. Wahlweise können zur Durchführung der erforderlichen Steuerung oder Kontrolle die Sensoren 38 und 40 jeweils mit den an den Motoren 24 bzw. 36 vorgesehenen Drehstellungsgebern kombiniert sein oder werden.
Die Sensoren 25, 37, 38 und 40 unterliegen keinerlei Einschränkungen, solange sie Drehwinkel- oder -zahl zu detektieren vermögen. Es können Drehstellungsgeber oder andere, an sich bekannte Sensoren verwendet werden.
Die Sensoren 25, 37, 38 und 40 sowie die Motoren 24 und 36 sind mit der Steuereinheit 42 verbunden. In Abhängigkeit von den von den Sensoren 25, 37, 38 und 40 gelieferten Synchronisiersignalen steuert die Steuereinheit 42 die Motoren 24 und 36 in der Weise, daß das Drehelement 12 eine vorbestimmte Zahl von Zyklen durchläuft, die jeweils aus den nachstehend angegebenen, aufeinanderfolgenden Schritten oder Stufen bestehen: Stop in waagerechter Stellung; Neigung; für eine vorbestimmte Zeit im geneigten Zustand bzw. in der Schrägstellung erfolgende Rotation bei konstanter Drehzahl; Beendigung der Rotation; Rückführung in die waagerechte Stellung; Anhalten in der waagerechten Stellung und Drehung über einen vorbestimmten Winkel. Wenn das Drehelement 12, wie im vorstehend beschriebenen Fall, 62 Sitze für die Reaktionsgefäße 50 aufweist, müssen mindestens 62 Zyklen dieser Schritte oder Stufen wiederholt werden. Die Motoren 24 und 36 sind an eine nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen.
Bei der erfindungsgemäßen Reaktionsvorrichtung ist der Motor 36 an einer senkrecht an einer Plattform 64 befestigten Tragplatte 65 montiert und über ein Untersetzungsgetriebe 66 und eine Wellenkupplung 67 mit der Antriebswelle 34 gekoppelt. Die Antriebswelle 34 ist an beiden Enden in Lagern 68 gelagert, die an der Plattform 64 befestigt sind. Die Scheibe 40a des Sensors 40 ist zwischen den gegenüberliegenden Enden der Antriebswelle 34 montiert, wobei der Photodetektor 40b an der Plattform 64 in der Weise angebracht ist, daß der Umfangsrand der Scheibe 40a zwischen den zugeordneten Lichtemissions- und Lichtempfangselementen des Sensors 40 liegt.
Der Motor 24 ist an einer senkrecht an einem Tisch 70 befestigten Tragplatte 71 montiert und über ein Untersetzungsgetriebe 72 und eine Wellenkupplung 73 mit der Antriebswelle 22 gekoppelt. Die Antriebswelle 22 ist an beiden Enden in Lagern 68 gelagert, die ebenfalls am Tisch 70 befestigt sind. Die Scheibe 38a des Sensors 38 ist zwischen den gegenüberliegenden Enden der Antriebswelle 22 montiert, wobei der Photodetektor 38b am Tisch 70 in der Weise angebracht ist, daß der Umfangsrand der Scheibe 38a zwischen den zugeordneten Lichtemissions- und Lichtempfangselementen liegt. Der Tisch 70 ist an der Plattform 64 mit Hilfe von vier Streben oder Stützen 74 befestigt.
Die an der Rahmeneinheit 16 befestigte Schwenkwelle 26 ist im Lager 68 auf einem kleinen Tisch 76 in der Weise gelagert, daß sie bezüglich der Mittelachse mit (derjenigen) der Antriebswelle 22 übereinstimmt. Der kleine Tisch 76 ist an der Plattform 64 mit Hilfe von zwei Stützen 74 so befestigt, daß er in der gleichen Höhe liegt wie der Tisch 70.
Zur Durchführung der vorgesehenen Reaktion bei einer vorbestimmten Temperatur in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist zumindest das Drehelement 12 bevorzugt in einer thermostatischen Kammer oder einem Inkubator 78 untergebracht. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Teile der Reaktionsvorrichtung, mit Ausnahme der Steuereinheit 42, innerhalb der thermostatischen Kammer 78 untergebracht, doch ist die vorliegende Erfindung keineswegs nur auf diesen speziellen Fall beschränkt. Die thermostatische Kammer oder der Inkubator 78 ist von einem Gehäuse 79 eines hohen Wärmeisoliervermögens umschlossen. Um die Temperatur in der Kammer bzw. im Inkubator 78 auf einer gewünschten konstanten Höhe im Bereich von z.B. 15 bis 40ºC zu halten, ist innerhalb der Kammer bzw. im Inkubator 78 bevorzugt eine Thermostatvorrichtung 80 vorgesehen. Die Temperatur in der thermostatischen Kammer oder im Inkubator 78 wird somit auf einer gleichmäßigen Höhe gehalten, während die Probenlösung 51 in jedem der Reaktionsgefäße 50 durch Herumwirbeln derselben gerührt bzw. umgewälzt wird, um die Reaktion mit der an der Innenfläche jedes Gefäßes immobilisierten reaktionsfähigen Substanz durchzuführen; infolgedessen kann die Reaktionstemperatur ausreichend vergleichrräßigt werden, um sicherzustellen, daß die Reaktion bei allen verwendeten Reaktionsgefäßen 50 unter gleichen Bedingungen stattfindet.
Nach der nicht einschränkenden Beschreibung der Grundmerkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung der Reaktion zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase sind im folgenden die betrieblichen Merkmale dieser Vorrichtung beschrieben. Die nachstehende Beschreibung stützt sich auf die Fig. 4a bis 4f und ist auf den Betrieb bzw. die Arbeitsweise der Reaktionsvorrichtung 10 gemäß den Fig. 1 bis 3 gerichtet.
Vor Betriebsbeginn befindet sich das Drehelement 12 in einer waagerechten Stellung gemäß den Fig. 1 und 2. Gemäß Fig. 4a befindet sich ein mit der Nummer A1 bezeichneter Sitz (Bohrung 56) zum Aufnehmen eines Reaktionsgefäßes 50 an der Station S1, während sich ein Sitz Nr. A23 an der Station S23 befindet. Beim dargestellten Ausführungbeispiel weist das Drehelement 12 (insgesamt) 62 Sitze auf, die durch fortlaufende, den Bohrungen 56 entgegen dem Uhrzeigersinn zugewiesene Nummern (Buchstaben- und Zahlenkombinationen) identifiziert sind. Es sei vorliegend auch angenommen, daß nicht in alle vorhandenen Sitze Reaktionsgefäße 50 eingesetzt sind. Die Greifer 58 und 60 befinden sich an der Station S1, während der Greifer 62 an der Station S23 angeordnet ist.
Im ersten Betriebszyklus verweilt das Drehelement in einem waagerechten Zustand bzw. einer waagerechten Stellung, wobei ein eine Probenlösung 51 enthaltendes Reaktionsgefäß 50 aus einer automatischen Probenentnahmevorrichtung oder einer anderen geeigneten Vorrichtung überführt und mittels des Greifers 58 an der Station S1 in den Sitz A1 eingesetzt wird.
Anschließend wird die Steuereinheit 42 zum Ansteuern des Motors 36 und zum Drehen der Antriebswelle 34 um einen vorbestimmten Betrag betätigt, worauf die Zahn(riemen)scheibe 28 über den zwischen ihr und der anderen Zahnscheibe 30 gespannten Zahnriemen 32 gedreht wird. Die sich drehende Zahnscheibe 28 läßt die Schwenkwelle 26 sich um einen vorbestimmten Winkel von z.B-. 80º drehen, so daß die zentrale Welle 14 um den gleichen Winkel gegenüber der lotrechten Stellung geneigt wird, bis das Drehelement 12 unter einem Winkel von 80º zur Waagerechten geneigt ist. Sodann wird der Motor 36 abgeschaltet, so daß das Drehelement 12 in der geneigten Stellung bzw. Schräglage verbleibt.
Wenn das Drehelement 12 geneigt ist oder wird, steuert die Steuereinheit 42 den Motor 24 an, der seinerseits die Kegelräder 18 und 20 so antreibt, daß das Drehelement 12 kontinuierlich mit einer konstanten Geschwindigkeit bzw. Drehzahl (z.B. 30/min) während einer vorbestimmten Zeit (z.B. 25 s) um die zentrale Welle 14 in Drehung versetzt wird. Nach Ablauf der vorbestimmten Zeit (25 s) wird der Motor 24 abgeschaltet, so daß sich das Drehelement 12 (dann) nicht mehr in seiner Schräglage dreht. Hierauf wird der Motor 36 für Drehung in Gegenrichtung in Gang gesetzt, bis das in der Schräglage befindliche Drehelement 12 in die anfängliche waagerechte Stellung zurückkehrt. Daraufhin wird der Motor 36 abgeschaltet und während einer kurzen Zeit in Ruhestellung gehalten. Im Anschluß daran wird der Motor 24 zur Drehung des Drehelements 12 im Uhrzeigersinn (in Richtung des Pfeils B) über einen Winkel entsprechend einem Teilungsschritt oder einer Teilung (5,81º, wenn 62 Sitze vorhanden sind) angesteuert, wonach die Operation auf den zweiten Zyklus gemäß Fig. 4b übergeht.
Ebenso wie der oben beschriebene erste Zyklus besteht der zweite Zyklus aus den folgenden Schritten oder Stufen: Rückkehrenlassen des Drehelements 2 in seine waagerechte Stellung für Entnahme des Reaktionsgefäßes; Neigen des Drehelements; Drehen des Drehelements in Schräglage; Anhalten der Drehung des Drehelements in seiner Schräglage; Zurückführen des Drehelements in die waagerechte Stellung; Verweilenlassen des Drehelements (im Ruhezustand) in der waagerechten Stellung für das Einsetzen des Reaktionsgefäßes; und Weiterdrehen des Drehelements um eine Teilung. Daraufhin wird das Drehelement 12 aufeinanderfolgend bzw. fortlaufend um eine Teilung in Richtung des Pfeils B weitergedreht.
Beim beschriebenen Beispiel benötigt jeder Zyklus für seine Durchführung 30 s; das Verweilenlassen des Drehelements 12 in einer waagerechten Stellung, sein Neigen, seine Zurückführung in die waagerechten Stellung und sein Verweilenlassen in der waagerechten Stellung nehmen insgesamt 5 s in Anspruch.
Der gleiche Vorgang wird bis zum 40. Zyklus wiederholt. Gemäß Fig. 4c ist jedoch die Station S23 bis zum 40. Zyklus nicht vom Reaktionsgefäß 50 besetzt, so daß der Greifer 62 nicht für das Entladen bzw. Entnehmen eines ReaktionsgefäßEs 50 wirksam wird. Ersichtlicherweise ist auch nach der Weiterdrehung des Drehelements 12 um eine Teilung in der waagerechten Stellung an der Station S1 kein Reaktionsgefäß 50 vorhanden, so daß auch der Greifer 60 nicht zum Entladen eines Reaktionsgefäßes wirksam wird.
Im nächsten (41.) Zyklus kommt der Sitz A1, in welchem sich das Reaktionsgefäß 50 befindet, an der Station S23 an (vgl. Fig. 4d), wobei sich der Greifer 62 in der ersten Ruheperiode waagerecht und lotrecht verschiebt, um das Reaktionsgefäß 50 aus dem Sitz A1 im Drehelement 12 zu entnehmen, so daß das Reaktionsgefäß erforderlichen Nachbehandlungen unterworfen werden kann.
Da die Probenlösung 51 im entnommenen Reaktionsge fäß 50 40 Zyklen durchlaufen hat, beträgt die Gesamtreaktionszeit genau 20 min, sofern ein Zyklus in 30 s abgeschlossen ist.
Das nunmehr entnommene Reaktionsgefäß 50 wird in eine Waschvorrichtung eingebracht, gewaschen, unter eine Substratinjektionsdüse gestellt und durch Einspritzen mit Substrat für Enzymreaktion beschickt.
Nach der Entnahme des Reaktionsgefäßes 50 dreht sich das Drehelement 12 in dar Schräglage (weiter), und es beendet seine Drehung in der Schräglage und kehrt sodann in Übereinstimmung mit den vorher angegebenen Zyklen von Schritten oder Stufen in die anfängliche waagerechte Stellung zurück; während es sich in der waagerechten Stellung im Ruhezustand befindet, setzt der Greifer 62 an der Station S23 wiederum das behandelte Reaktionsgefäß 50 in den Sitz A1 ein.
Die beschriebenen Zyklen werden sodann wiederholt. Bis zum 62. Zyklus gemäß Fig. 4e ist jedoch an der Station S1 kein Reaktionsgefäß 50 vorhanden; demzufolge wird der Greifer 60 nicht für das Entladen oder Entnehmen von Reaktionsgefäßen 50 wirksam. Ersichtlicherweise setzt der Greifer 58 an der Station S1 den Ladevorgang fort, während der Greifer 62 an der Station S23 die Lade/Entladevorgänge weiter fortführt.
Im 63. Zyklus gemäß Fig. 4f ist das Reaktionsgefäß 50 bereits im Sitz A1 an der Station S1 vorhanden, weil der Sitz A1 bis zur Ankunft an der Station S1 um eine Teilung weitergedreht worden ist, so daß der Greifer 60 (nunmehr) das Reaktionsgefäß 50 durch Angreifen an ihm entnimmt. Gleichzeitig entnimmt der Greifer 62 das Reaktionsgefäß 50 vom Sitz A23 an der Station S23. Wenn das Drehelement nach der Drehung in seiner Schräglage in seine anfängliche waagerechte Stellung zurückkehrt, setzt der Greifer 58 in den freien Sitz A1 ein unbenutztes Reaktionsgefäß 50 ein, das noch keiner Reaktion unterworfen worden ist. Gleichzeitig setzt der an der Station S23 befindliche Greifer 62 das gewaschene Reaktionsgefäß 50, in das das Substrat eingespritzt worden ist, wieder in den Sitz A23 ein, und das Drehelement 12 dreht sich um eine Teilung weiter.
Da das mittels des Greifers 60 entnommene Reaktionsgefäß 50 21 aufeinanderfolgenden Zyklen unterworfen worden ist, kann die Reaktionszeit zu 10 min und 30 s berechnet werden, sofern ein Zyklus für seine Durchführung 30 s in Anspruch nimmt.
Nach der Entnahme vom Drehelement 12 wird das Reaktionsgefäß 50, in welchem die Reaktion mit dem Substrat während einer vorbestimmten Zeit fortgeschritten ist, in bzw. unter eine Stopreagenz-Einspritzdüse gebracht, über welche ein Stopmittel eingespritzt wird, in einen Rüttler eingebracht und gerührt bzw. gerüttelt. Anschließend wird das Gefäß am Einlauf zu einem Photometer abgesetzt, in die Meßposition gebracht und einer Absorptionsmessung unterworfen. Im Anschluß daran wird das Gefäß mit Hilfe eines Lufthebers, eines mechanischen Hebers oder irgendeines anderen geeigneten Hebemechanismus zum Einlauf des Photometers zurückgeführt und in eine Abflußdüse gesetzt, an welcher der flüssige Inhalt des Gefäßes abgesaugt und verworfen wird.
Die beschriebene Vorrichtung gemäß der Erfindung gewährleistet, daß eine Antigen-Antikörper-Reaktion sowie die anschließenden Reaktionen mit dem Substrat unter Verwendung eines einfachen Mechanismus innerhalb einer kurzen Zeitspanne einwandfrei durchgeführt werden können, wobei die Reaktionszeit dennoch für alle betreffenden Proben gleichmäßig und genau ist.
Vorstehend ist der erste Aspekt (die erste Ausführungsform) der Erfindung beschrieben worden, der sich auf eine Vorrichtung zur Förderung der Reaktion zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase bezieht, wobei das Drehelement in einer Schräglage zur Drehung gebracht wird, und zwar unter Bezugnahme auf einen zweiten Aspekt der Erfindung, gemäß dem Reaktionsgefäße im waagerechten Zustand des Drehelements in dieses geladen und aus ihm entladen werden. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung keineswegs auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt ist, sondern die Reaktionsgefäße auch in einer Schräglage des Drehelements geladen und entladen werden können. Ein Beispiel der Reaktionsvorrichtung dieses Typs ist nachstehend anhand der Fig. 6 und 7 beschrieben.
Die allgemein mit 100 bezeichnete Reaktionsvorrichtung umfaßt:
ein Drehelement 104, das frei drehbar um eine zur waagerechten Richtung geneigte Längsachse 102 gelagert ist,
eine Drehantriebseinrichtung 106, welche das Drehelement 104 um die Achse 102 rotieren läßt,
eine im Umfangsbereich des Drehelements 104 in der Weise vorgesehene Reaktionsgefäß-Befestigungseinrichtung 110, daß ein rohrförmiges Reaktionsgefäß 108, das eine Flüssigphase zur Umsetzung mit einer an seiner Innenfläche gebundenen Festphase enthält, abnehmbar oder trennbar am Drehelement 104 festgelegt werden kann, und
eine Reaktionsgefäß-Lade/Entladevorrichtung 126, die aufweist: einen unteren Arm 114, der sich entweder über oder unter der Stellung, in welcher das Reaktionsgefäß 108 durch die Reaktionsgefäß-Befestigungseinrichtung 110 festgelegt ist, bewegt, indem er um eine über dem Drehelement 104 vorgesehene, die Längsachse 102 unter einem rechten Winkel schneidende Welle oder Achse 112 schwenkt, eine erste exzentrische Steuerkurve 116, um den unteren Arm 114 zu verschwenken, eine erste Antriebswelle 118 zum Drehen der ersten exzentrischen Steuerkurve 116, einen oberen Arm 120, der sich um eine mit dem unteren Arm 114 gemeinsame Welle oder Achse 112 in der Weise verschwenkt, daß das Reaktionsgefäß 108 zwischen dem unteren Arm 114 und dem oberen Arm 120 gehalten wird, eine zweite exzentrische Steuerkurve 122 zum Verschwenken des oberen Arms 120 sowie eine zweite Antriebsquelle 124 zum Drehen der zweiten exzentrischen Steuerkurve 122, wobei sich der obere Arm 120 und der untere Arm 114, welche das Reaktionsgefäß 108 zwischen sich halten, aufgrund der Drehung der ersten exzentrischen Steuerkurve 116 und der zweiten exzentrischen Steuerkurve 122 in einer vorbestimmten Richtung verschwenken können, so daß das Reaktionsgefäß 108 mit der betreffenden Befestigungseinrichtung 110 in Eingriff gelangt, während oberer Arm 120 und unterer Arm 114 aufgrund der Drehung von erster und zweiter exzentrischer Steuerkurve 116 bzw. 122 derart in Gegenrichtung schwenkbar sind, daß das Reaktionsgefäß 108 zwischen den beiden Armen gehalten wird und damit außer Eingriff mit der Reaktionsgefäß-Befestigungseinrichtung 110 gebracht ist.
Wenn das Drehelement, an dessen Umfangsbereich das Reaktionsgefäß mittels der Gefäß-Befestigungseinrichtung festgelegt ist, zur Drehung um die Längswelle oder -achse gebracht wird, die unter einem vorbestimmten Winkel zur Waagerechten geneigt ist, läuft auch das Reaktionsgefäß um die Längswelle oder -achse um. Das Reaktionsgefäß führt eine Drehung um seine eigene Achse in der Richtung der Schwerkraft aus, während das Drehelement eine volle Umdrehung ausführt, so daß die im Reaktionsgefäß enthaltene Probenlösung um die Innenfläche herum bewegt und damit eine maximale Berührung mit der Gesamtoberfläche erreicht wird.
Durch Gewährleistung einer einwandfreien Rotation des Drehelements kann somit auch das Reaktionsgefäß ohne jeden Schlupf oder eine unregelmäßige Rotation einwandfrei in Drehung versetzt werden, so daß auch bei gleichzeitiger Verwendung einer Anzahl von Reaktionsgefäßen die in jedem Reaktionsgefäß enthaltenen Fest- und Flüssigphasen unter jeweils genau den gleichen Bedingungen bezüglich Drehung und Vermischung miteinander reagieren können.
Es sei angenommen, daß die in Fig. 6 dargestellte Reaktionsvorrichtung 100 mehr als eine, z.B. 60 Reaktionsgefäß-Befestigungseinrichtungen 110 aufweist, die in gleichen Abständen auf dem gleichen Umkreis im Umfangsbereich des Drehelements 104 vorgesehen sind. Wenn Reaktionsgefäße 108 am Drehelement 104 geladen werden oder sind, beginnt das Drehelement mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit während einer vorbestimmten Zeitspanne zu rotieren, wobei die einzelnen Reaktionsgefäße 108 um die Längswelle 102 umlaufen, weil sie am Umfangsbereich des Drehelements 104 festgelegt sind. Genauer gesagt: wenn das Drehelement 104 eine volle Umdrehung ausführt, führt jedes Reaktionsgefäß 108 eine Umdrehung bzw. Umlaufbewegung in Schwerkraftrichtung aus, wobei seine Längsachse unter einem vorbestimmten Winkel von z.B. 10º gegenüber der Waagerechten geneigt bleibt. Die in jedem Reaktionsgefäß 108 enthaltene Probenlösung 109 bewegt oder verlagert sich demzufolge um die Innenfläche (des Gefäßes) herum, um die Gesamtoberfläche in maximalem Ausmaß zu kontaktieren und dabei mit einem Antikörper oder einer anderen reaktionsfähigen Substanz, die an die Innenfläche des Reaktionsgefäßes gebunden ist, zu reagieren.
Nachdem das Drehelement 104 für eine vorbestimmte Zeitspanne in Drehung versetzt worden ist, wird es angehalten und sodann wieder in der Weise in Drehung versetzt, daß die Position, an welcher das betreffende Reaktionsgefäß 108 geladen ist, z.B. die oberste Position des Drehelements 104, um einen bestimmten Teilungsschritt bzw. eine bestimmte Teilung (d.h. - in Graden ausgedrückt -360/n, mit n = Zahl der am bzw. im Drehelement 104 geladenen Reaktionsgefäße 108; im Fall von n = 60 beträgt ein Teilungsschritt bzw. eine Teilung 6º) abwärts läuft und die benachbarte Position die höchste Stellung erreicht, in welcher ein Reaktionsgefäß am Drehelement 104 geladen oder entladen werden soll. Wenn diese neue oberste Stellung erreicht ist, wird die Drehung des Drehelements 104 beendet. Wenn sich in dieser Stellung ein Reaktionsgefäß 108 befindet, wird es in einer Folge von Schritten, die zur Schrittfolge bei der Ladeoperation entgegengesetzt ist, entnommen. Wenn sich in dieser Position kein Reaktionsgefäß befindet, wird die Reaktionsgefäß-Lade/Entladevorrichtung 126 zum Laden bzw. Einsetzen eines unbenutzten Reaktionsgefäßes 108 benutzt.
Nachdem das unbenutzte Reaktionsgefäß geladen worden ist, wird das Drehelement 104 für eine vorbestimmte Zeit in oben beschriebener Weise in Drehung versetzt, worauf die nachstehend angegebene Schrittfolge wiederholt wird: Anhalten des Drehelements in der um 6º weitergeschalteten Stellung; Laden bzw. Einsetzen eines unbenutzten Reaktionsgefäßes 108, falls sich kein Gefäß in dieser weitergeschalteten Stellung befindet (Entladen, falls ein Gefäß vorliegt); und Weiterdrehen des Elements für eine vorbestimmte Zeit.
Auf die oben beschriebene Weise wird die Reihe von Schritten, d.h. Laden, einschl. Entladen, Drehen, Anhalten, Laden, Weiterschalten um 6º und nächstes Laden bzw. Entladen, 60 mal wiederholt, bis die Anfangs- oder Ausgangsstellung des Drehelements 104 die Position erreicht, an welcher das Reaktionsgefäß geladen oder entladen werden soll. Da sich das anfänglich geladene Reaktionsgefäß 108 in dieser Position befindet, wird das Gefäß mittels der Vorrichtung 126 entladen bzw. entnommen, in eine aufrechte Stellung gebracht und zum nächsten Arbeitsschritt überführt.
Wenn die mehreren Reaktionsgefäße 108 in die Reaktionsvorrichtung 100 geladen und zur Durchführung des Mischens auf oben beschriebene Weise gewirbelt bzw. in Umlaufbewegung gebracht werden, tritt an keinem dieser Gefäße ein Schlupf auf, vielmehr wird der Inhalt jedes Reaktionsgefäßes durch die während einer vorbestimmten Zeit mit einer vorbestimmten Zahl von Umläufen stattfindende Rotation gemischt, so daß die vorgesehene Reaktion bei allen Reaktionsgefäßen unter genau gleichen Bedingungen ablaufen kann.
Die Zeit und die Zahl der Umdrehungen oder Umläufe (Rotationsgeschwindigkeit), welche der kontinuierlichen Rotation des Drehelements 104 zugeordnet sind, die durch "Start der Rotation" definiert und durch "Weiterschalten um 6º bis zum Anhalten" beendet wird, kann entsprechend der Gesamtzeit des Umwälzmischens, nämlich der vorgesehenen Reaktionszeit, zweckmäßig bestimmt werden. Wenn beispielsweise die Gesamtreaktionszeit, die für das Laden und Entladen von Reaktionsgefäßen nötige Zeit und die Zahl der verwendeten Reaktionsgefäße 50 zu T (min), t (min) bzw. n vorgegeben sind, kann die Zeit für eine einzige fortlaufende Rotation zu (T/n) - t (min) bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können somit Reaktionsgefäße 108 automatisch an der Reaktionsgefäß-Befestigungseinrichtung 110 montiert und von ihr abgenommen werden, so daß die betreffende Reaktion in den Reaktionsgefäßen 108 gleichmäßig durchgeführt oder zum Ablauf gebracht werden kann, wodurch ein Beitrag zur Realisierung automatisierter Messungen geleistet wird.
Die Vorgänge des Ladens und Entladens von Reaktionsgefäßen mittels der erfindungsgemäß verwendeten Reaktionsgefäß-Lade/Entladevorrichtung lassen sich wie folgt zusammenfassen: Im Lademodus wird ein rohrförmiges Reaktionsgefäß, das an einem Ende offen ist und eine Flüssigphase zur Umsetzung mit einer an seiner Innenfläche gebundenen Festphase enthält, mit nach oben weisendem offenen Ende zwischen den oberen und unteren Armen unter der Wirkung der ersten exzentrischen Steuerkurve, die sich in einer vorbestimmten Richtung dreht, gehalten und zur zugeordneten Ladeposition in der Reaktionsvorrichtung überführt, die unter einem vorbestimmten Winkel zur Waagerechten geneigt ist; anschließend wird das Reaktionsgefäß unter der Wirkung der ersten und zweiten exzentrischen Steuerkurven in der Ladeposition mittels der oberen und unteren Arme zuverlässig und einwandfrei geladen bzw. eingesetzt. Wenn sich erste und zweite Steuerkurve weiterdrehen, werden obere und untere Arme vom Reaktionsgefäß, das am Drehelement geladen ist, getrennt. Das Drehelement wird sodann während einer vorbestimmten Zeit in Drehung versetzt, um eine vorbestimmte Zahl von Rotationen auszuführen und damit sicherzustellen, daß die Fest- und Flüssigphasen im Gefäß gründlich miteinander reagieren. Hierauf wird die Drehung des Reaktionsgefäßes angehalten, und das Gefäß wird an der Ladeposition entladen bzw. entnommen, indem es zwischen den oberen und unteren Armen unter der Wirkung der ersten und zweiten, in Gegenrichtung rotierenden Steuerkurven gehalten wird.
Aufgrund dieses mechanischen Merkmals bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung bei Immunoassayvorgängen einen herausragenden Vorteil dahingehend, daß das Reaktionsgefäß an der Ladeposition in sicherer, einwandfreier und zuverlässiger Weise für die Rotation des Gefäßes in einer Schräglage geladen und entladen werden kann.
Erfindungsgemäß werden für das Laden oder Entladen des Reaktionsgefäßes zwei exzentrische Steuerkurven benutzt. Genauer gesagt: das Reaktionsgefäß wird in der zugeordneten Ladeposition geladen, indem es unter der Wirkung der beiden exzentrischen Steuerkurven zwischen den oberen und unteren Armen festgehalten wird. Hierdurch wird gewährleistet, daß das Reaktionsgefäß ohne Bruch oder Verschütten des flüssigen Inhalts auch dann in der zugeordneten Ladeposition geladen werden kann, wenn in dieser Ladeposition eine Befestigungs- bzw. Festlegeeinrichtung einer elastischen oder anderweitigen Ausgestaltung vorgesehen ist oder eine Antriebsquelle für das Laden, wie ein Motor, übersteuert.
Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung das Reaktionsgefäß mittels der beschriebenen Lade/Entladevorrichtung an der Reaktionsgefäß-Befestigungseinrichtung angebracht oder von ihr abgenommen, wodurch sichergestellt wird, daß das Reaktionsgefäß in einfacher und zuverlässiger und dennoch gleichförmiger Weise geladen und entladen werden kann. Wenn dabei eine zweckmäßige Steuereinrichtung verwendet wird, können gleichzeitig die Vorgänge des Ladens und Entladens des Reaktionsgefäßes in betrieblicher Zuordnung zu seiner Dreh- oder Umlaufbewegung durchgeführt werden, was letztlich die Durchführung der Reaktion und damit der Meßvorgänge in automatisierter Weise erlaubt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Reaktionsvorrichtung liegt darin, daß sie unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform ohne weiteres mit einem Photometer ausgestattet werden kann, welches die Absorption (absorbance) einer Probenlösung nach einer Substratreaktion zur Bestimmung des Reaktionsgrades mißt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit in der Lage, Immunoassays mit immunologischen, enzymatischen oder anderen Reaktionen in vollautomatisierter Weise durchzuführen.
Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der Reaktion zwischen einer Festphase und einer Flüssigphase ein Umlaufenlassen eines Reaktionsgefäßes um die Achse des Drehelements, das in seinem Umfangsbereich die Reaktionsgefäße hält; die Wirksamkeit, mit welcher die interessierende Reaktion gefördert oder begünstigt werden kann, ist keineswegs niedriger als bei den bisherigen Konstruktionen, welche das Reaktionsgefäß für die Durchführung der Reaktion zwischen Fest- und Flüssigphase um seine eigene Achse in Drehung versetzen müssen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner nicht nötig, ein einzelnes Reaktionsgefäß mit Hilfe einer getrennt vorgesehenen Dreheinrichtung um seine eigene Achse in Drehung zu versetzen; das angestrebte Ergebnis kann einfach durch Laden des Reaktionsgefäßes am bzw. im Drehelement erzielt werden. Aufgrund dieser Merkmale besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen einfachen Aufbau, der eine geringere Störungsanfälligkeit gewährleistet; außerdem kann die Vorrichtung wesentlich kostensparender hergestellt werden, so daß sie in großem Maßstab für verschiedene Anwendungsfälle benutzbar ist. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Durchführung einer interessierenden Reaktion in einer Vielzahl von Reaktionsgefäßen eingesetzt werden, ohne einen Schlupf oder andere nachteilige Wirkungen bei der Rotation dieser Gefäße hervorzurufen; die Rotationsbedingungen und damit die betreffende Reaktion können somit in allen verwendeten Reaktionsgefäßen vergleichmäßigt sein.
Ein besonderer Voteil der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Reaktionsgefäß in einer waagerechten Stellung in die Reaktionsvorrichtung geladen bzw. auf ihr entladen werden kann, und daß die Rotation in einer Schräglage stattfinden kann. Die vorgesehene Förderung der Reaktion kann somit ungeachtet der Einfachheit des Ladens des Reaktionsgefäßes in zufriedenstellendem Maße erreicht werden.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann weiterhin in vorteilhafter Weise auf die Automatisierung der Durchführung von Reaktionen und somit Messungen angewandt werden.
Die Reaktionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorstehend unter Bezugnahme auf erste und zweite Aspekte der Erfindung beschrieben worden. Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung keinesfalls auf diese Ausführungsformen beschränkt ist, sondern innerhalb des beanspruchten Umfangs der Erfindung bezüglich ihrer verschiedenen Parameter, wie Drehrichtung des Drehelements, Zahl der am Drehelement vorgesehenen Sitze zum Aufnehmen des Reaktionsgefäßes bzw. der Reaktionsgefäße, Position der Station, an welcher das Reaktionsgefäß eingesetzt und entnommen wird, und dgl. verschiedentlich abwandelbar und änderbar ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Förderung einer Reaktion (10) in mindestens einem rohrförmigen Reaktionsgefäß (50) mit einer Längsachse und einer Innenfläche, wobei die Reaktion zwischen einer an der Innenfläche des Reaktionsgefäßes (50) immobilisierten festen Phase und einer vom Reaktionsgefäß (50) aufgenommenen flüssigen Phase gefördert wird, um eine ausreichende Berührung zwischen der festen Phase und der flüssigen Phase durch Drehung des Reaktionsgefäßes (50) sicherzustellen, das unter einem vorbestimmten Neigungswinkel θ gehalten wird, wobei der Neigungswinkel θ so bestimmt ist, daß die flüssige Phase, ohne aus dem Reaktionsgefäß (50) herauszutreten, im wesentlichen in volle Berührung mit der Innenfläche des Reaktionsgefäßes (50) gelangt,

wobei die Vorrichtung umfaßt:

ein fest an einer zentralen Welle (14) angebrachtes Drehelement (12), wobei die zentrale Welle (14) im wesentlichen senkrecht zum Drehelement (12) angeordnet ist und die zentrale Welle (14) in einer im wesentlichen zu einer Längsachse des Reaktionsgefäßes (50) parallelen Richtung verläuft,

eine Antriebseinheit (36) für einen Drehantrieb des Drehelements (12),

eine Einheit zum Halten des rohrförmigen Reaktionsgefäßes (50) im Umfangsbereich des Drehelements (12),

eine Kippeinrichtung zum Kippen des Drehelements (12) unter einem vorbestimmten Neigungswinkel, während sich die zentrale Welle (14) dennoch in einer im wesentlichen zur Längsachse des Reaktionsgefäßes (50) parallelen Richtung erstrecken kann, und eine Steuereinheit (42) zum Steuern der Antriebseinheit (36) und der Kippeinrichtung, um das Drehelement (12) einer vorbestimmten Zahl von Zyklen zu unterwerfen, die jeweils ein Stehenlassen für eine vorbestimmte Zeitspanne in einer waagerechten Stellung, Kippen auf den vorbestimmten Neigungswinkel, im gekippten Zustand erfolgendes Drehen mit einer vorbestimmten, im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit oder Drehzahl während einer vorbestimmten Zeitspanne, Rückführen in die waagerechte Stellung, Stehenlassen in der waagerechten Stellung während einer vorbestimmten Zeitspanne und Drehen um einen vorbestimmten Winkel bei Aufrechterhaltung der waagerechten Stellung umfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Drehelement (12) eine Oberscheibe (44), eine oder mehrere Zwischenscheibe(n) (46) und eine Unterscheibe (48), die in gegenseitig beabstandeter Beziehung aufeinander ausgerichtet und aneinander befestigt sind, aufweist, die zentrale Welle (14) an mindestens einer der Scheiben (44) befestigt ist, und die Halteeinheit (54) eine vorbestimmte Zahl von durchgehenden Bohrungen (56), in welche das Reaktionsgefäß (50) einsetzbar ist, sowie die das Reaktionsgefäß (50) an seinem Boden abstützende Unterscheibe (48) umfaßt, wobei die durchgehenden Bohrungen (56) in der Oberscheibe (44) sowie in allen Zwischenscheiben (46) innerhalb von Umfangsbereichen der betreffenden Scheibe(n) so angeordnet sind, daß die Bohrungen in jeder Scheibe konzentrisch um die zentrale Welle (14) angeordnet sind, während die Bohrungen benachbarter Scheiben parallel zur zentralen Welle (14) ausgerichtet bzw. ausgefluchtet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Kippeinrichtung ein Lagerelement für die Drehlagerung der zentralen Welle (14), eine Schwenkwelle, die am Lagerelement befestigt ist und die zentrale Welle (14) unter einem rechten Winkel kreuzt, sowie eine Schwenkeinrichtung (36, 28, 30, 32), welche das Drehelement (12) durch Schwenken der Schwenkwelle (26) sich um den vorbestimmten Neigungswinkel kippen oder neigen läßt, umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Schwenkeinrichtung eine erste Drehantriebsquelle (36) und eine erste Übertragungseinrichtung (28, 30, 32) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die erste Übertragungseinrichtung eine auf der Schwenkwelle (26) montierte Zahnriemenscheibe (28), eine andere, auf einer mit der ersten Drehantriebsquelle (36) gekoppelten Antriebswelle (34) montierte Zahnriemenscheibe und einen zwischen den Zahnriemenscheiben (28, 30) gespannten Zahnriemen aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die Drehantriebsquelle (36) eine zweite Drehantriebsquelle (24) und eine zweite Übertragungseinrichtung aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die zweite Übertragungseinrichtung ein an der zentralen Welle (14) montiertes erstes Kegelrad (19) und ein anderes Kegelrad (20) umfaßt, das mit dem ersten Kegelrad (18) kämmt und an der mit der zweiten Drehantriebsquelle (36) gekoppelten Antriebswelle (22) montiert ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welcher das Lagerelement eine rechteckige Rahmeneinheit (16) mit vier Rahmenelementen (16a ... 16d) umfaßt, wobei die vier Rahmenelemente erste und zweite Paare paralleler Rahmenelemente festlegen und die zentrale Welle (14) des Drehelements durch das erste Paar von parallelen Rahmenelementen (16c, 16d) der Rahmeneinheit (16) gelagert ist,

die Schwenkwelle (22) an einem der Rahmenelemente (16b) des zweiten Paars (16a, 16b) von Rahmenelementen befestigt ist und

die Drehantriebseinheit eine zweite, mit einer zweiten Antriebswelle (34) gekoppelte Drehantriebsquelle (24), wobei die zweite Antriebswelle (34) an dem anderen Rahmenelement (16a) des zweiten Paars von Rahmenelementen (16a, 16b) gelagert ist, ein an der zentralen Welle (14) in der Rahmeneinheit (16) montiertes erstes Kegelrad (18) und ein an der zweiten Antriebswelle (34) montiertes zweites Kegelrad (20), das mit dem ersten Kegelrad (18) kämmt, umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher der vorbestimmte Neigungswinkel im Bereich von 60 bis 85º liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher das Drehelement (12) mit einem Radius r sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω dreht, welche der folgenden Beziehung genügt:

r ω² sinθ < g

worin bedeuten: g = Gravitationsbeschleunigung und θ = der vorbestimmte Neigungswinkel.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Inkubator oder Brutapparat (50), wobei das Drehelement (12) innerhalb des Inkubators oder Brutapparats (50) untergebracht ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Steuereinheit (42) die Antriebseinrichtung (24, 36) und die Kippeinrichtung so steuert, daß die Förderung der Reaktion im Reaktionsgefäß (50) durch Drehen des Drehelements (12) im Kippzustand bei der vorbestimmten, im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit oder Drehzahl während der vorbestimmten Zeitspanne erfolgt.

13. Vorrichtung nach Anspuch 1 , bei welcher die Halteeinheit (54) ausgebildet ist zum Halten des Reaktionsgefäßes (50) in einem im wesentlichen ortsfesten Zustand während der Drehung des Drehelements (12).