DE112005001929T5

DE112005001929T5 - Vorrichtung zur Blutanlyse und Verfahren zur Blutanalyse

Info

Publication number: DE112005001929T5
Application number: DE112005001929T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Tsukuba Horike; Akio Tsukuba Oki
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2007-07-12
Also published as: WO2006016693A1; CN101006340A; JP2006052949A; JP4478776B2; US20080028821A1; US7678577B2

Abstract

Vorrichtung zur Blutanalyse zum Abtrennen von Blutplasma aus einer Vollblutprobe durch Zentrifugieren und zum Analysieren der zu untersuchenden Substanzen in der flüssigen Blutkomponente, mit:
(a) einem am unteren Ende des Substrats angeordneten Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma, der einen Speicherbereich für eine zelluläre Fraktion zum Abscheiden der zelluläre Fraktion durch Einwirkung von Zentrifugalkräften und zum Speichern der zellulären Fraktion, sowie einen Speicherbereich für die Plasmafraktion zum Speichern des Blutplasmas, der oberhalb des Speicherbereichs für die zelluläre Fraktion angeordnet ist,
(b) einem Sensorbereich, der am oberen Ende des Substrats angeordnet ist, mit Sensorrillen, welche Sensoren zur Analyse der zu untersuchenden Substanzen enthalten;
(c) einem mit dem Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma verbundenen Plasmastromführungskanal;
(d) einem Bluteinlass zur Einleitung der Vollblutprobe in den Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma;
(e) einem Kalibrierlösungsreservoir zur Speicherung einer Kalibrierlösung zum Kalibrieren von Sensoren,
(f) einem Reservoir...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Blutanalyse, die aus mikrorillenartigen Strömungskanälen besteht, die in ein Substrat aus isolierenden Materialen, wie beispielsweise eine Quarzglasplatte, eine Polymerharzplatte oder ähnliches eingebracht wurden. Insbesondere betrifft die Erfindung die Struktur des Substrats und der Strömungskanäle zur Förderung von Flüssigkeiten, wie beispielsweise einer Kalibrierflüssigkeit für einen analytischen Sensor, Blut oder ähnlichem, durch Zentrifugalkräften, wobei eine geringe Menge (einige μl oder weniger) Blut in die rillenartigen Strömungskanäle des Substrats eingebracht, zentrifugiert und in die zellulären Bestandteile und das Plasma aufgetrennt wird, wobei anschließend die Konzentrationen der verschiedenen chemischen Substanzen im Plasma gemessen werden.
Technischer Hintergrund
Die ärztliche Untersuchung und Diagnose von Krankheitszuständen wird üblicherweise so durchgeführt, dass man eine größere Mengen Blut eines Patienten, beispielsweise einige Kubikzentimeter, abnimmt und Daten auswertet, die man mit groß dimensionierten automatischen Blutanalysegeräten bei der Analyse des abgenommenen Blutes erhält. Im allgemeinen sind derartige automatische Analysegeräte in medizinischen Institutionen, wie beispielsweise Krankenhäusern vorhanden, weisen jedoch große Abmessungen auf und benötigen technisch qualifiziertes Personal zu deren Betrieb.
In den letzten Jahren konnte man jedoch eine Trend zur Entwicklung und Anwendung von neuen Geräten beobachten, mit denen der Gesundheitszustand eines untersuchten Patienten sofort ermittelt werden kann, indem man unterschiedliche analytische Geräte, wie beispielsweise Sensoren, durch Anwendung der Mikroprozessverfahren, wie sie bei der Herstellung von hochentwickelten Halbleiterbauteilen zum Einsatz kommen, auf einem rechteckigen Substrat mit Abmessungen von einigen Millimetern bis maximal einigen Zentimetern Kantenlänge anordnet und ein Körperfluid des untersuchten Patienten, wie beispielsweise Blut, aufbringt. Die Entwicklung solcher kostengünstiger Geräte stellt einen Versuch dar, die stetig steigenden Krankenversicherungskosten dadurch zu verringern, dass man eine tägliche Gesundheitsüberwachung älterer Leute in einer zunehmend veralternden Gesellschaft und ähnliche Untersuchungen bereits zu Hause ermöglicht. Außerdem erwartet man von solchen Geräten unterschiedliche soziale Effekte, wie beispielsweise im Bereich der Notfallmedizin, wo das Vorliegen oder Fehlen von Infektionserkrankungen (Hepatitis, Krebs usw.) bei einem Patienten durch den Einsatz solcher Geräte schnell festgestellt und entsprechende Maßnahmen daraufhin eingeleitet werden können. Daher wird diesem technischen Gebiet viel Aufmerksamkeit entgegengebracht. Somit werden anstelle von herkömmlichen automatisierten Analysegeräten kleindimensionierte und einfach zu handhabende Blutanalyseverfahren und Blutanalysevorrichtungen entwickelt, mit denen man Blutanalysen persönlich zu Hause durchführen kann (vgl. beispielsweise Patent 1).
Patent 1: JP-A Nr. 2001-258868
1 zeigt ein Beispiel einer in Patent 1 beschriebenen mikromodularen Blutanalysevorrichtung. Bezugsziffer 101 bezeichnet ein Basissubstrat der Blutanalysevorrichtung, auf dem ein mikrorillenartiger Strömungskanal (Mikrokapillare) 102 durch Ätzen ausgebildet ist. Auf dieses Basissubstrat 101 wird ein (in der Figur nicht dargestelltes) oberes Substrat mit ungefähr gleichen Abmessungen aufgeklebt, um den rillenartigen Strömungskanal 102 nach außen abzudichten.
Entlang des Strömungskanals 102 sind in Richtung vom obersten Strömungsabschnitt zum untersten Strömungsabschnitt nacheinander ein Blutabnahmemittel 103, ein Plasmatrennmittel 104, ein Analysemittel 105 und ein Transportmittel 106 ausgebildet. Das Blutabnahmemittel 103 am vordersten Abschnitt des Strömungskanals ist mit einer hohlen Blutabnahmenadel 103a versehen, wobei diese Blutabnahmenadel 103a in den Körper gestochen und als Bluteinlass in das Substrat verwendet wird. Das Trennmittel 104 ist ein im mittleren Bereich des Strömungskanals 102 ausgebildeter Bogen, der beispielsweise aus einer U-förmigen Mikrokapillare besteht. Das gesammelte Blut wird in diese U-förmige Mikrokapillare geleitet und anschließend wird das Substrat mittels einer Zentrifuge in einer bestimmten Richtung beschleunigt, so dass sich die zellulären Blutbestandteile am untersten Abschnitt der U-Form ansammeln, während das Blutplasma als Überstand abgetrennt werden kann. Die Analysemittel 105 umfassen Sensoren zur Messung des pH-Werts und der jeweiligen Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlendioxid, Natrium, Kalium, Kalzium, Glukose, Milchsäure und ähnlichem im Blut.
Die am untersten Strömungsabschnitt des Strömungskanals angeordneten Transportmittel 106 dienen dazu, das Blut in der Mikrokapillare durch einen elektroosmotischen Strom zu transportieren und bestehen aus Elektroden 107 und 108 und einem die beiden Elektroden verbindenden Strömungskanalabschnitt 109. Der elektroosmotische Strom, der erzeugt wird, wenn Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, transportiert eine vorab in den Strömungskanal gefüllte Pufferlösung zur stromabwärts gelegenen Seite des Strömungskanals und die dadurch erzeugte Saugkraft ermöglicht die Blutaufnahme durch das Sammelmittel 103 am Eingangsabschnitt des Strömungskanal 102 in das Substrat hinein. Die Saugkraft fördert außerdem das durch Zentrifugieren erhaltende Blutplasma in die Analysemittel 105.
Bezugsziffer 110 bezeichnet ein Ausgabemittel, um Informationen von den Analysemitteln abzuleiten, und besteht aus Elektroden oder ähnlichem. Bezugsziffer 111 bezeichnet ein Kontrollmittel zur bedarfsweisen Steuerung der Abnahmemittel, Plasmatrennmittel, Analysemittel, Transportmittel und Ausgabemittel.
Das von den Abnahmemitteln 103 gesammelte Blut wird bei den Trennmitteln 104 in das Plasma und die zellulären Bestandteile aufgetrennt. Das Blutplasma wird dann in das Analysemittel 104 geleitet, wo der pH-Wert und die jeweiligen Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlendioxid, Natrium, Kalium, Kalzium, Harnstoff-Stickstoff, Kreatinin, Milchsäure und ähnliches im Blutplasma gemessen werden. Der Bluttransport zwischen den jeweiligen Mitteln wird mit den Transportmitteln 106 durchgeführt, die eine Pumpfunktion erfüllen, beispielsweise durch Elektrophorese oder Elektroosmose oder ähnliches. Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung trennt sich der stromabwärts gelegene Bereich des Strömungskanals 102 in fünf Unterbereiche auf, wobei in jedem Unterbereich Analysemittel 105 und Transportmittel 106 ausgebildet sind.
In vielen Fällen wurden Glasmaterialien, wie beispielsweise Quarz als Substrat für derartige Blutanalysegeräte verwendet. In Anbetracht ihrer Eignung zur kostengünstigen Massenherstellung und einfachen Entsorgung nach der Verwendung, wurden in jüngerer Zeit auch Harzmaterialien eingesetzt.
Der in 1 dargestellte herkömmliche Blutanalyseapparat benötigt Transportmittel, wie beispielsweise eine elektroosmotische Pumpe 106, um Blut in den Apparat einzuleiten. Bei jedem Substrat muss nach der Gewinnung des Blutplasmas durch Zentrifugieren des eingeleiteten Blutes die elektroosmotische Pumpe 106 erneut in Betrieb genommen werden, um das Blutplasma in das Analysemittel 105 zu transportieren. Wenn darüber hinaus die Analysemittel, insbesondere Sensoren, auf elektrochemischer Grundlage arbeiten, müssen diese Sensoren vorab unter Verwendung einer Kalibrierlösung kalibriert werden. Bevor also das Blutplasma zu diesen Sensoren geleitet wird, sollten die Sensoren mit einer Kalibrierlösung gespült werden, um die Kalibrierung der Sensoren durchzuführen und die Kalibrierlösung muss nach der Kalibrierung aus den Analysemitteln entsorgt werden. Ein solcher Transport der Kalibrierlösung erfordert ebenfalls Transportmittel wie beispielsweise eine Pumpe.
Als Transportmittel kann der Einsatz von elektroosmotischen Pumpen, die, wie in 1 dargestellt, auf demselben Substrat ausgebildet sind, oder außerhalb des Substrats angeordnete Unterdruckpumpen in Betracht gezogen werden. Diese Transportmittel ermöglichen den Transport des Blutes, des Blutplasmas, der Kalibrierlösung und ähnlichem durch pneumatischen Transport oder durch Ansaugen. Zum Transport einer bestimmten Flüssigkeit zu einer gewünschten Stelle des Blutanalyseapparates ist es in diesem Fall erforderlich, die Saugkraft der Transportmittel und ähnlichem präzise zu kontrollieren. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, Sensoren zur Bestimmung der Flüssigkeitsposition in dem Blutanalyseapparat oder außerhalb des Apparates zu installieren, jedoch verursacht das Hinzufügung derartiger Kontrollinstrumente oder von Positionssensoren das Problem, dass sich der Apparat in der Herstellung teurer wird.
Wenn es sich bei den Analysemitteln um elektrochemisch arbeitende Sensoren handelt, sollten die Sensoren mit einer Kalibrierlösung (Referenzlösung), welche die zu untersuchenden Substanzen in bekannten Konzentrationen enthält, kalibriert werden. Anschließend muss diese Kalibrierlösung aus den Analysemitteln entsorgt werden. Nach dem Entsorgen der Kalibrierlösung können je nach Benetzbarkeit der Oberflächen Reste der Kalibrierlösung auf der Oberfläche der Analysemittel oder des Strömungskanals anhaften. Da der gegenwärtig beschriebene Blutanalyseapparat, wie oben erwähnt, verwendet werden soll, um die Konzentrationen der verschiedenen in einer kleinsten Blutmenge, wie beispielsweise einigen Mikrolitern Blut, vorhandenen Substanzen zu bestimmen, werden die den Apparat bildenden Bauelemente, wie beispielsweise des Strömungskanals, miniaturisiert. Im allgemeinen gilt, dass bei Verringerung der Größe eines Objektes das Verhältnis S/V der Oberfläche (S) zum Volumen (V) zunimmt, was bedeutet, dass Oberflächeneffekte bei der Miniaturisierung wesentlich stärker zum Tragen kommen. Es stellt sich daher das Problem, dass obwohl lediglich Spuren der Kalibrierlösung auf den Oberflächen des Strömungskanals oder der Analysemittel zurückbleiben, diese Restmenge der Kalibrierlösung sich in schwankenden Ergebnissen bei der Konzentrationsbestimmung der untersuchten chemischen Substanzen in einem Analyseapparat äußert, wenn die eingeleitete Menge an Blutplasma ebenfalls minimal ist. Es ist es erforderlich, dass Blutplasma nur dann in die Analysemittel geleitet wird, wenn sichergestellt ist, dass die Kalibrierlösung vollständig aus den Analysemitteln entsorgt wurde.
In Anbetracht der oben beschriebenen Umstände haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung bereits eine Vorrichtung zur Blutanalyse zur Durchführung der Abtrennung des Plasmas in einem Strömungskanal durch Zentrifugieren vorgeschlagen, die es ermöglicht, die Förderung des Blutes, des Blutplasmas und der Kalibrierlösung innerhalb der Vorrichtung ohne Verwendung von Pumpen oder ähnlichem durchzuführen, und die eine präzise Analyse durch zuverlässiges Entsorgen der Kalibrierlösung von den Sensorelementen weg ermöglicht (vgl. beispielsweise Patent 2).
Patent 2: Japanische Patentanmeldung Nr. 2003-040481
2 zeigt ein Beispiel der in dem (unveröffentlichten) Patent 2 beschriebenen Vorrichtung zur Blutanalyse. Bezugsziffer 201 bezeichnet ein oberes Substrat, in welchem ein Strömungskanal ausgebildet ist, und Bezugsziffer 202 bezeichnet ein Basissubstrat, in welchem Sensor elektroden 203 oder Elektrodenanschlüsse 204 zur Ableitung der Sensorsignale aus dem System ausgebildet sind. Das obere Substrat 201 ist mit einer Blutabnahmenadel 205 ausgerüstet und das abgenommene Blut wird von einer Ansaug- und Pneumatiktransportöffnung 208 mittels einer (in der Figur nicht dargestellten) externen Pumpe durch einen Strömungsführungskanal 206 in ein Blutreservoir 207 transportiert. Ein Strömungskanal 209 und ein Strömungskanal 210 sind mit Öffnungen 211 bzw. 212 verbunden, welche an den Seitenwänden des oberen Substrats 201 ausgebildet sind. Beim Ansaugen von Blut werden die Öffnungen 211 und 212 aber durch einen (in der Figur nicht dargestellten) Halter verschlossen, in welchem das Blutanalysesubstrat montiert ist. Entsprechend speichert ein Kalibrierlösungsreservoir 213 eine durch die Öffnung zum Ansaugen und zum pneumatischen Transport 208 eingeleitete Kalibrierlösung.
Im Folgenden wird beispielhaft der Betrieb dieses bereits vorgeschlagenen Blutanalysesubstrats beschrieben. Wenn man das Substrat der Blutanalysevorrichtung um eine erste Drehachse 214 zentrifugiert, wird zunächst die in dem Kalibrierreservoir 213 befindliche Kalibrierflüssigkeit durch Stromführungskanäle 215 und 216 in mehrere Sensorrillen 217 geleitet, in welchen mehrere Sensoren 203 angeordnet sind. Nach der Kalibrierung der Sensoren 203 wird das Substrat der Blutanalysevorrichtung im Uhrzeigersinn um 90° gedreht und auf der Zentrifuge montiert. Das heißt, wenn man das Substrat um die in 2 auf der linken Seite befindliche zweite Drehachse 218 zentrifugiert, fließt die Kalibrierlösung, mit der die Sensorrillen 217 gefüllt sind, durch Stromführungskanäle 216 und 219 und wird in einem Reservoir 220 für verbrauchte Kalibrierflüssigkeit gespeichert.
Anschließend wird das Substrat der Blutanalysevorrichtung um 90° im Gegenuhrzeigersinn gedreht und auf der Zentrifuge montiert. Das bedeutet, dass wenn man das Substrat um die erste Drehachse 214 zentrifugiert, das Blut aus dem Blutreservoir 207 durch einen Stromführungskanal 221 in die Sensorrillen 217 geleitet wird. Durch die Wirkung der so erzeugten Zentrifugalkraft werden die zellulären Blutbestandteile in der Richtung fraktioniert, in welcher die Zentrifugalkraft angreift, d. h. in Richtung der Unterseite der Sensorrillen 217, und das Plasma wird in Richtung Oberseite der Sensorrillen 217 als Überstand abgetrennt. Eine Gruppe von Sensoren 203 ist in diesem Bereich angeordnet, so dass der pH-Wert und die jeweiligen Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlendioxid, Natrium, Kalium, Kalzium, Glukose, Milchsäure und ähnlichem im Blut durch ein externes Messinstrument über zahlreiche mit den jeweiligen Sensoren verbundene Elektrodenanschlüsse 204 gemessen werden können.
Dieser bereits vorgeschlagene Blutanalyseapparat kann in zwei unterschiedliche Richtungen zentrifugiert werden und ermöglicht die Förderung der Kalibrierlösung von dem Kalibrierlösungsreservoir zu dem Sensorbereich durch Zentrifugieren um eine erste Drehachse und nach der Kalibrierung der Sensoren die zuverlässige Entsorgung der Kalibrierlösung aus dem Sensorbereich durch Zentrifugieren um eine zweite Drehachse. Nach dem Austrag der Kalibrierlö sung ermöglicht ein Zentrifugieren um die erste Drehachse die Förderung von Blut aus dem Blutreservoir in den Sensorbereich, sowie die Auftrennung des Blutes in die Blutkörperchen und das Plasma.
Trotz dieser Vorteile hat man jedoch festgestellt, dass der Blutanalyseapparat aufgrund des Wirkung der von Zentrifugalkräften nicht vernachlässigbare Probleme bei der Durchführung von Blutanalysen in kurzer Zeit aufwies.
Dabei ist es auf jeden Fall entscheidend, dass die von einem Chip eines Blutanalyseapparates benötigte Messzeit so kurz wie möglich sein sollte. Bei dem vorliegenden Blutanalyseapparat beträgt der Abstand von der Drehachse zum Zentrum des Chips 5 cm und die üblicherweise benötigte Zeit zur Einleitung oder Ausleitung der Kalibrierlösung liegt sogar bei einer niedrigen Zentrifugalkraft von 3000 Umdrehungen pro Minute oder weniger in der Größenordnung von einer Sekunde. Um jedoch die zellulären Bestandteile und das Plasma im Blut innerhalb von wenigen Sekunden bis zu wenigen Minuten aufzutrennen, ist eine Zentrifugalkraft von wenigstens 4000 Umdrehungen pro Minute oder mehr im Bereich, in welchem die Abtrennung der zellulären Bestandteile stattfindet, erforderlich. 12 zeigt die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit (Umdrehungen pro Minute) und der Beschleunigung (g) zu diesem Zeitpunkt, wobei 3000 Umdrehungen pro Minute einer Beschleunigung von 500 g (500-fache Erdbeschleunigung) und 4000 Umdrehungen pro Minute einer Beschleunigung von 1000 g (1000-fache Erdbeschleunigung) entsprechen.
Man hat nun festgestellt, dass der gelieferte Ausgangswert der Sensoren durch das Zentrifugieren beim Auftrennen von zellulären Blutbestandteilen und Blutplasma verringert wird. Wenn beispielsweise eine (137 mM Natriumionen enthaltende) Kalibrierlösung mit einem Natriumionensensor gemessen wird, wurde die Ausgangsspannung von der Rotationsgeschwindigkeit (Umdrehungen pro Minute) beim Zentrifugieren in der in 3 dargestellten Weise beeinflusst. Der Sensorausgang hatte bis hinauf zu einer Umdrehungsgeschwindigkeit von etwa 3000 Umdrehungen pro Minute einen stabilen Wert von etwa 200 mV; bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten zeigte sich jedoch eine immer deutliche Verringerung und gleichzeitig erhöhte sich die Streubreite der Messwerte. Bei den vorliegenden Messungen wurden Sensoren bereitgestellt, die stabile Werte von etwa 200 mV bis hinauf zu 1000 Umdrehungen pro Minute zeigten, und für entsprechende Rotationstests eingesetzt. Obwohl nicht detaillierter dargestellt, kann angemerkt werden, dass die gleiche Tendenz auch bei Messungen von Kaliumionen festgestellt wurde.
Bei einem Sensor zur Messung der Natriumionenkonzentration werden bis (12-Krone-4) zum Einfangen der Natriumionen in der ionensensitiven Membran und ein Anionenfänger, der dazu dient, Anionen des Blutplasmas am Eindringen in die sensible Membran zu hindern, mit PVC (Polyvinylchlorid) vermischt und das Gemisch auf einer als Sensor zu verwendenden Kohlenstoffelektrode immobilisiert. Um das Eindringen von Natriumionen in die sensitive Membran zu erleichtern, wird eine große Menge Weichmacher in das PVC eingemischt. Wenn die bei 7000 Umdrehungen wirkende Zentrifugalkraft anhand des Gewichtes eines Sensors abgeschätzt wird, ergibt sich eine auf den Sensor ausgeübte Kraft in der Größenordnung von Pikonewton. Man kann jedoch vermuten, dass die Ursache der beobachteten Verringerung des Sensorausgangssignals bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten mit einer Verformung der PVC-Membran zusammenhängt, was sowohl die ionensensitive Membran mit Weichmacher auf der Kohlenstoffelektrode aufgrund der starken Zentriufualkräfte umfasst, so dass sich ein Teil der PCV-Membran von der Kohlenstoffelektrode löst und das Eindringen von Wasser ermöglicht. Man kann in Betracht ziehen, die Membran durch Veränderung der Membranzusammensetzung härter zu machen und die Immobilisierung der Membran auf der Kohlenstoffelektrode zu verstärken. Ein Verhärten der Membran kann jedoch zu einem Verlust der ursprünglichen Eigenschaften des elektrochemischen Sensors führen.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieser Umstände gemacht und unter einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Blutanalyse zur Durchführung einer Abtrennung des Blutplasmas durch Zentrifugieren bereitgestellt, welche die Förderung des Blutplasmas und der Kalibrierlösung in der Vorrichtung ohne Pumpen und ähnliches ermöglicht, und welche eine zuverlässige Entsorgung der Kalibrierlösung aus dem Sensorbereich gewährleistet. Ferner wird eine hochpräzise Analyse ermöglicht, weil die Sensoren beim Zentrifugieren zur Abtrennung des Blutplasmas nicht beschädigt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Blutanalyse bereitgestellt, welches die Förderung von Blutplasma und Kalibrierlösung innerhalb der Vorrichtung allein durch Zentrifugieren ermöglicht und eine zuverlässige Entsorgung der Kalibrierlösung aus dem Sensorbereich gewährleistet. Ferner wird eine hochpräzise Analyse ermöglicht, weil die Sensoren beim Zentrifugieren zum Abtrennen des Blutplasmas nicht beschädigt werden, wenn die Vorrichtung zur Blutanalyse zur Abtrennung des Blutplasmas durch Zentrifugieren verwendet wird.
Erfindungsgemäß wird der erste Aspekt von einer Vorrichtung zur Blutanalyse mit Durchführung einer Abtrennung des Blutplasmas aus einer Vollblutprobe durch Zentrifugieren und zum Analysieren der zu untersuchenden Substanzen in der flüssigen Blutkomponente verwirklicht, welche umfasst:

(a) einen am unteren Ende des Substrats angeordneten Bereich zur Trennung der zellulären Blutbestandteile vom Blutplasma, einschließlich eines die zelluläre Fraktion speichernden Bereichs, um die zellulären Bestandteile unter der Wirkung von Zentrifugalkräften abzuscheiden und die zelluläre Fraktion zu speichern, sowie einen auf der Oberseite des die zelluläre Fraktion speichernden Teils befindlichen die Plasmafraktion speichernden Teils zur Speicherung des Blutplasmas,
(b) einen am oberen Ende des Substrats angeordneten Sensorbereich, welcher Sensorrillen aufweist, in denen Sensoren zur Analyse der zu untersuchenden Substanzen angeordnet sind,
(c) einen Plasmastromführungskanal, welcher den Trennbereich der zellulären Bestandteile vom Plasma und den Sensorbereich miteinander verbindet,
(d) einen Bluteinlass zur Einführung einer Vollblutprobe in den die zellulären Bestandteile und das Plasma trennenden Bereich,
(e) ein Kalibrierlösungsreservoir zur Speicherung einer Kalibrierlösung zum Kalibrieren von Sensoren,
(f) ein Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung zum Speichern von Kalibrierlösung nach dem Kalibrieren der Sensoren,
(g) einen Strömungskanal zum Einleiten einer Kalibrierlösung, um das Kalibrierlösungsreservoir und die Sensorrillen miteinander zu verbinden, und
(h) einen Strömungskanal zur Entsorgung einer Kalibrierlösung, um die Sensorrillen und das Reservoir für verbauchte Kalibierlösung miteinander zu verbinden; wobei das Zentrifugieen um eine erste Drehachse durchgeführt werden kann, die sich oberhalb des Speicherbereichs der zelluläre Fraktion und unterhalb des oberen Endes des Speicherbereichs der Plasmafraktion befindet, während das Zentrifugieren außerdem um eine zweite Drehachse durchgeführt werden kann, die sich innerhalb des oder näher am Sensorbereich als an dem Trennbereichs der zellulären Bestandteile vom Plasma befindet; und wobei sich das Kalibrierlösungsreservoir an der unteren Seite des Sensorbereichs und an der oberen Seite der ersten Drehachse befindet und das Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung an der oberen Seite des Sensorbereichs angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Blutanalysevorrichtung kann somit um zwei unterschiedliche Drehachsen zentrifugiert werden und die Förderung und Entsorgung der Kalibrierlösung wird durch Zentrifugieren um die erste Drehachse, welche vom Sensorbereich beabstandet ist bei niedriger Drehgeschwindigkeit mit großem Zentrifugierradius durchgeführt, so dass die auf die Sensoren ausgeübte Beschleunigung klein bleibt. Demgegenüber ist bei dem Zentrifugiervorgang, bei dem größere Zentrifugalkräfte zur Abtrennung der zellulären Bestandteile ausgeübt werden müssen, die Drehachse für diesen Vorgang (die zweite Drehachse) innerhalb des oder nahe bei dem Sensorbereich angeordnet, um die auf den Sensorbereich ausgeübte Beschleunigung zu verringern, so dass der zur Ausübung großer Zentrifugalbeschleunigungen auf den Trennbe reich von zellulären Bestandteilen und Plasma dienende Zentrifugiervorgang nicht dazu führt, dass auf den Sensorbereich große Zentrifugalbeschleunigungen ausgeübt werden. Dadurch kann jegliche Beschädigung der Sensoren aufgrund übermäßiger auf sie wirkender Zentrifugalkräfte verhindert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma im vorliegenden Fall als U-förmiger Strömungskanal ausgebildet, in welchem der die zelluläre Fraktion speichernde Bereich im Bogen des untersten Endes ausgebildet ist, während der die Plasmafraktion von ersterem Bereich ausgebildet ist. Der die zelluläre Fraktion speichernde Bereich kann so ausgebildet sein, dass er von dem untersten Ende des U-förmigen Strömungskanals nach unten ragt, wobei in diesem Fall das Volumen vorzugsweise größer als die in den U-förmigen Strömungskanal eingeleitete Vollblutprobe ist. Der Bluteinlass kann an einer Seitenwand des U-förmigen Strömungskanals oberhalb des die Plasmafraktion speichernden Bereichs ausgebildet sein.
Es ist außerdem wünschenswert, einen Belüftungskanal in dem U-förmigen Strömungskanal auszubilden, so dass die Vollblutprobe einfacher in das unterste Ende des U-förmigen Strömungskanals eingeführt werden kann und bei der bevorzugtesten Ausführungsform ist dieser Belüftungskanal mit dem untersten Ende des U-förmigen Strömungskanals verbunden.
Im Sensorbereich können zahlreiche Sensorrillen ausgebildet sein und jede Sensorrille kann zahlreiche Sensoren zur Analyse der verschiedenen zu untersuchenden Bestandteile aufweisen. In diesem Fall, wenn die Sensorrillen in Umfangsform angeordnet sind, wobei das Zentrum des Kreises die zweite Drehachse darstellen kann, d. h. wenn die Sensorrillen radial um die zweite Drehachse herum angeordnet sind, ist zu dem Zeitpunkt, bei dem die Trennung von zellulären Bestandteilen und Trennung durch die Zentrifugieren um die zweite Drehachse durchgeführt wird, der Abstand zwischen dem Sensor und dem zweiten Drehzentrum am kürzesten und die auf dem Sensor ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung kann minimiert werden.
Der Plasmaeinlass kann so gestaltet werden, dass ein Blutsammelinstrument, welches gesammeltes Blut speichert, am Einlass montierbar ist. Wenn der Plasmaeinlass oder der Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma hydrophil gehalten werden, kann die Einführung einer Blutprobe oder die Förderung von Blutplasma gleichmäßiger durchgeführt werden. Entsprechend können die Förderung der Kalibierlösung und die Förderung von Blutplasma gleichmäßiger werden, wenn der Plasmastromführungskanal, die Sensorrillen, sowie das Kalibrierlösungsreservoir, das Abfallreservoir für Kalibierlösung der Zufuhrkanal für Kalibierlösung und der Ableitungskanal für Kalibrierlösung jeweils hydrophil gehalten werden.
Der zweite Aspekt der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Blutanalyse verwirklicht, welches die folgenden Schritte umfasst:

(1) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Blutanalyse, welche umfasst: ein am unteren Ende des Substrats angeordneten Bereichs zur Trennung der zellulären Bestandteile vom Plasma, einschließlich eines eine zelluläre Fraktion speichernden Bereichs, um die zelluläre Fraktion unter der Wirkung von Zentrifugalkräften abzuscheiden und die zelluläre Fraktion zu speichern, sowie einen auf der Oberseite des die zelluläre Fraktion speichernden Teils befindlichen Plasmafraktion speichernden Teils zur Speicherung des Blutplasmas, einen am oberen Ende des Substrats angeordneten Sensorbereich, welcher Sensorrillen aufweist, in denen Sensoren zur Analyse der zu untersuchenden Bestandteile angeordnet sind, einen Plasmastromführungskanal, welcher den Trennbereich der zellulären Bestandteile und des Plasmas mit dem Sensorbereich verbindet, einen Bluteinlass zur Einführung einer Vollblutprobe in den Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma, ein Kalibrierlösungsreservoir zur Speicherung einer Kalibrierlösung zum Kalibrieren von Sensoren, ein Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung zum Speichern von Kalibrierlösung nach dem Kalibrieren von Sensoren, einen Strömungskanal zum Einleiten einer Kalibrierlösung, um das Kalibrierlösungsreservoir und die Sensorrillen miteinander zu verbinden, und einen Strömungskanal zur Entsorgung einer Kalibrierlösung, um die Sensorrillen und das Reservoir für verbrauchte Kalibierlösung miteinander zu verbinden;
(2) Einleiten der Kalibrierlösung aus dem Kalibierlösungsreservoir in die Sensorrillen durch Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung um eine erste Drehachse, die sich oberhalb der die zelluläre Fraktion speichernden Bereichs und unterhalb des oberen Endes des die Plasmafraktion speichernden Bereichs befindet;
(3) Kalibrieren der Sensoren;
(4) Entsorgen der Kalibierlösung aus den Sensorrillen in das Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösungen durch Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung um die erste Drehachse;
(5) Trennen der zellulären Bestandteile und des Blutplasmas in dem Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma und Abscheiden der zelluläre Fraktion in den die zelluläre Fraktion speichernden Bereich durch Einführen einer Vollblutprobe in den Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma und Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung um eine zweite Drehachse, welche näher an dem Sensorbereich als an dem Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma angeordnet ist;
(6) Fördern des fraktionierten Blutplasmas von dem Plasmafraktionsspeicherbereich in die Sensorrillen durch Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung um die erste Drehachse; und
(7) Analysieren der Flüssigkomponente des Blutplasmas in den Sensorrillen mittels der Sensoren.

Während des Einleitens der Kalibrierlösung im Schritt (2), dem Abführen der Kalibrierlösung im Schritt (4) und der Förderung des Blutplasmas im Schritt (6), wo das Zentrifugieren um die erste Drehachse durchgeführt wird, ist es wünschenswert, dass die auf die Sensoren wirkende Zentrifugalbeschleunigung höchstens 500 g beträgt. Außerdem ist es während der Trennung der zellulären Bestandteile und des Blutplasmas im Schritt (5), wo das Zentrifugieren um die erste Drehachse durchgeführt wird, wünschenswert, dass die auf den Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung mehr als 1000 g beträgt, während die auf die Sensoren ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung höchstens 500 g beträgt.
Wenn ein Belüftungskanal an dem die Plasmafraktion speichernden Bereich der Blutanalysevorrichtung ausgebildet ist, kann das Blutplasma während des Fördervorgangs des Blutplasmas im Schritt (6) dadurch zu dem Sensorbereich gefördert werden, dass man ein externes Gas unter Druck über diesen Belüftungskanal einführt, ohne den Zentrifugiervorgang durchzuführen zu müssen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer herkömmlichen mikromodularen Blutanalysevorrichtung.
2 ist eine perspektivische Gesamtansicht einer von den Erfindern vorgeschlagenen (unveröffentlichten) Blutanalysevorrichtung
3 ist ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Rotationsgeschwindigkeit der Zentrifuge (Umdrehungen pro Minute) illustriert, wenn eine Kalibrierlösung (die 137 mM Natriumionen enthält) mit einem Natriumionensensor gemessen wird.
4 ist eine schematische Draufsicht auf die Blutanalysevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Anordnung von Sensorrillen.
6 ist eine schematische Darstellung, die ein weiteres Beispiel von Sensorrillen zeigt.
7 ist eine Darstellung, die den Zustand der Blutanalysevorrichtung zeigt, die auf einem rotierenden Behälter während des Einleitvorgangs der Kalibrierlösung und der Ableitung der Kalibrierlösung gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Blutanalyseverfahrens zeigt.
8 ist eine entsprechende Darstellung, die den Zustand der Blutanalysevorrichtung zeigt, die während des Trennvorgangs von zellulären Bestandteile und Blutplasma auf dem rotierenden Gefäß montiert ist.
9 ist eine entsprechende Darstellung, die den Zustand der Blutanalysevorrichtung zeigt, die während des Fördervorgangs des Blutplasmas auf einem rotierenden Gefäß montiert ist.
10 ist eine Darstellung, welche die zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit erforderlichen Parameter zeigt, wenn eine Lösung aus einer Kapillare mittels Zentrifugalkraft abgeführt wird.
11 ist eine Darstellung, welche die zur Berechnung der Rotationsgeschwindigkeit erforderlichen Parameter bei der Einleitung von Kalibrierlösung durch Zentrifugalkräfte und zur Berechnung der Rotationsgeschwindigkeit zum Abführen der Kalibrierlösung durch ein Kapillarventil gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Blutanalysevorrichtung zeigt.
12 ist eine Darstellung, die den Zusammenhang zwischen Rotationsgeschwindigkeit (Umdrehungen pro Minute) und der bei der jeweiligen Rotationsgeschwindigkeit auf einem rotierenden Körper mit einem Radius von 50 mm ausgeübten Zentrifugalbeschleunigung (g).

10: Blutanalysevorrichtung (Substrat)
12: U-förmiger Strömungskanal (Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma)
14: Reservoir für die zellulären Bestandteile (Speicherbereich für die zelluläre Fraktion)
16: Speicherbereich für die Plasmafraktion
18: Bluteinlass
20: Blutsammelinstrument
28: Belüftungskanal
29: Belüftungsloch
30, 30A, 30B: Sensorbereich
32, 32A, 32B: Sensorrillen
34: Sensor
38: Anschluss für externe Elektrode
40: Stromführungskanal für Blutplasma
42: Kalibrierlösungsreservoir
44: Strömungskanal zur Einleitung von Kalibrierlösung
46: Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung
48: Kapillarventil (Strömungskanal zur Abfuhr von Kalibrierlösung)
50, 52: Strömungskanal zur Entlüftung
60: rotierendes Gefäß
62: Führungsnut für das Substrat
C0: zentrale Drehachse des rotierenden Gefäßes
C1: erste Drehachse (Zentrum der Zentrifugalkraft)
C2: zweite Drehachse (Zentrum der Zentrifugalkraft)

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
4 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Blutanalysevorrichtung. Bezugsziffer 10 bezeichnet das in der Zeichnung länglich ausgebildete Substrat der Blutanalysevorrichtung, wobei ein Substrat mit einem darauf ausgebildeten Strömungskanal einem Substrat mit darin ausgebildeten Sensorelektroden oder -drähten überlagert ist, wobei das Diagramm den internen Aufbau der Strömungskanäle zeigt. Die oberen und unteren Substrate bestehen beispielsweise aus einem Harz wie Polyethylenterephthalat (PET) oder Polycarbonat (PC). Innerhalb des Substrates 10 ist ein Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma 12 mit einem U-förmigen Strömungskanal am unteren Ende angeordnet und ein Reservoir für die zellulären Bestandteile 14 als Speicherbereich für eine zelluläre Fraktion ist am Bogen des untersten Endes ausgebildet. Der obere Bereich des Reservoirs für die zellulären Bestandteile 14 wird als Speicherbereich 16 für die Plasmafraktion verwendet, wo die Plasmafraktion als Überstand während des Zentrifugierens fraktioniert wird. Bezugsziffer 15 bezeichnet einen Rückflußverhinderer, um zu verhindern, dass in dem Zellularreservoir abgeschiedene zellulären Bestandteile (Speicherbereich für die zelluläre Fraktion) 14 beim Hantieren mit dem Substrat zurückfließen können. 4 zeigt den Zustand nach dem Trennen der zellulären Bestandteile vom Plasma, wobei der dunkle gefüllte Bereich in dem Reservoir für zelluläre Bestandteile 14 die fraktionierten zellulären Bestandteile repräsentiert. Der schraffierte Bereich im Speicherbereich für die Plasmafraktion repräsentiert das fraktionierte Plasma.
Ein Bluteinlass 18 zur Einleitung einer Vollblutprobe ist an einer Seitenwand des U-förmigen Strömungskanals 12, oberhalb des Speicherbereichs 16 für die Plasmafraktion ausgebildet, wobei an diesem Einlass ein Blutabnahmeinstrument 20 montierbar ist, welches das gesammelte Blut speichert. Das Blutsammelinstrument 20 umfasst eine schmerzfreie Edelstahlnadel 22, eine Edelstahlröhre 24 zur Verstärkung der Nadel und ein primäres Blutreservoir 26 zum Speichern des Blutes nach der Blutabnahme, wobei all diese Bestandteile in einem einzigen Körper integriert sind, der in den Bluteinlass 18 des Substrates 10, welches einer vollständigen Sensorkalibrierung unterzogen wurde, einsetzbar ist. Mit der Bezugsziffer 28 wird ein Belüftungskanal bezeichnet, der mit dem untersten Ende des U-förmigen Strömungskanals verbunden ist und die Einleitung der Vollblutprobe aus dem Bluteinlass 18 gleichmäßiger gestaltet.
Eine erste Drehachse C1 befindet sich oberhalb des Speicherbereichs 14 für die zelluläre Fraktion und unterhalb von dem oberen Ende des Speicherbereichs 16 für die Plasmafraktion. Durch Zentrifugieren wird die oberhalb der Drehachse C1 befindliche Plasmafraktion in den unten beschriebenen Sensorbereich 30 gefördert. Folglich wird die Position dieser ersten Drehachse C1 in Abhängigkeit von der Menge der geförderten Plasmafraktion bestimmt.
Der Sensorbereich 30 befindet sich am oberen Ende des Substrates 10 und weist zahlreiche Sensorrillen 32 auf, die radial um eine zweite Drehachse C2 als deren Zentrum herum angeordnet sind. Jede der Sensorrillen 32 enthält einen Sensor 34 und das Ausgangssignal des Sensors wird durch entsprechende Drähte an einen Elektrodenanschluss 38 geleitet, der von außerhalb des Substrats zugängig ist. Der Sensor 34 besteht beispielsweise aus einer aus Silber/Silberchlorid, Kohlenstoff oder ähnlichem bestehenden Elektrode und einer aus Silber/Silberchlorid bestehenden Referenzelektrode. Die Verdrahtung besteht beispielsweise aus silberhaltigem Kohlenstoff, während die externe Elektrode 38 beispielsweise aus Silber besteht. Derartige Silber/Silberchlorid- oder Kohlenstoffelektroden, die Silber/Silberchlorid-Referenzelektrode und die silberhaltigen Kohlenstoffdrähte, die Silberelektrode und ähnliches können beispielsweise durch Siebdruck hergestellt werden.
Bezugsziffer 40 bezeichnet einen Stromführungskanal für das Plasma, der in den oberen Bereich des U-förmigen Strömungskanals 12 integriert und mit dem Sensorbereich 30 verbunden ist und der das in dem Speicherbereich 16 für die Plasmafraktion nach dem Trennen der rellulären Bestandteile vom Plasma fraktionierte Blutplasma in den Sensorbereich 30 fördert. Bezugsziffer 42 bezeichnet ein Kalibrierlösungsreservoir zum Speichern einer Kalibrierlösung, um die Sensoren zu kalibrieren und ist durch einen Zufuhrkanal 44 für die Kalibrierlösung mit dem Sensorbereich 30 verbunden. Das Kalibrierlösungsreservoir 42 befindet sich unterhalb des Sensorbereichs 30 und oberhalb der ersten Drehachse C1. Wenn demnach das Substrat 10 um die erste Drehachse C1 zentrifugiert wird, wird die in dem Kalibrierungslösungsreservoir 42 befindliche Kalibrierlösung in den Sensorbereich 30 gefördert.
Ein Reservoir 46 für verbrauchte Kalibrierlösung ist auf der Oberseite des Sensorbereichs 30 ausgebildet und über eine Abflussleitung 48 (das unten beschriebene Kapillarventil) mit dem Sensorbereich 30 verbunden. In 4 ist das Reservoir 46 für verbrauchte Kalibierlösung so angeordnet, dass es den Sensorbereich 30 umgibt, jedoch reicht es aus, wenn die Kapazität des Abschnitts oberhalb des Sensorbereichs 30 wenigstens größer als die dorthin abgegebene Menge an Kalibierlösung ist. Bezugsziffern 50 und 52 bezeichnen Belüftungskanäle.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Sensorrillen 32 im Sensorbereich 30 radial angeordnet, aber wie in 5 dargestellt können die Sensorrillen 32A zur Bildung des Sensorbe reichs 30A auch lateral angeordnet sein, wobei die zweite Drehachse C2 im Zentrum angeordnet ist. Wie außerdem in 6 dargestellt ist, kann die Außenwand des Sensorbereichs 30B rechteckig ausgebildet sein und die Sensorrillen 32B können radial darin angeordnet sein. In den 4, 5 und 6 ist die zweite Drehachse C2 innerhalb der Sensorbereiche 30, 30A und 30B angeordnet, weil eine solche Anordnung geeignet ist, die auf die Sensoren ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung soweit wie möglich zu reduzieren. Die zweite Drehachse C2 kann die auf die Sensoren ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung dann reduzieren, wenn die Position der Achse in der Nähe des Sensorbereichs 30 liegt, selbst dann, wenn sie nicht notwendigerweise innerhalb des Sensorbereichs 30 liegt.
Das Verfahren zur Anwendung der Blutanalysevorrichtung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 beschrieben. Zunächst wird vor der Blutanalyse eine Kalibrierung der Sensoren durchgeführt. Wie in 7 dargestellt wird das Substrat 10 der Blutanalysevorrichtung in einer auf dem Drehgefäß 60 ausbildeten Führungsnut 62 in Richtung des Durchmessers nach oben montiert angeordnet und so befestigt, dass die Position der Drehachse C0 des Drehgefäßes 60 mit der ersten Drehachse C1 des Substrates 10 übereinstimmt. Wenn das Substrat 10 in diesem Zustand zentrifugiert wird, wird die Kalibrierlösung aus dem Kalibrierlösungsreservoir 42 in den Sensorbereich 30 gefördert. Dort wird in dem Sensorbereich 30 befindliche Luft über den Belüftungskanal 52 abgelassen. Die Rotationsgeschwindigkeit beim Zentrifugieren wird zu diesem Zeitpunkt so eingestellt, dass die Kalibrierlösung das Kapillarventil 48 nicht passieren kann. Nach Beendigung der Zentrifugation wird die Kalibrierung jedes Sensors auf dem Drehgefäß 60 durchgeführt.
Nach Durchführung der Kalibrierung der Sensoren wird die Kalibrierlösung aus den Sensorrillen 32 abgeleitet. Nach der Sensorkalibrierung wird die Position des Substrats 10 beibehalten und das Drehgefäß 60 wird wiederum zum Zentrifugieren des Substrates 10 in die Rotation versetzt. Dabei wird die Kalibrierlösung aus dem Sensorbereich 30 in 46 für verbrauchte Kalibrierlösung abgeführt. Dieser Zentrifugiervorgang ermöglicht die Entsorgung der Kalibrierlösung, welche die Sensoren bedeckt, so dass Messfehler aufgrund restlicher Kalibrierlösung vermieden werden. Außerdem findet das Zentrifugieren bei dem Abführvorgang der Kalibrierlösung bei höheren Rotationsgeschwindigkeiten statt als bei der zuvor durchgeführten Zentrifugation zum Fördern der Kalibrierlösung, so dass die Kalibrierlösung nun das Kapillarventil 48 passieren kann. Es ist jedoch wünschenswert, dass das Zentrifugieren bei einer Zentrifugalbeschleunigung stattfindet, die so gewählt ist, dass die Sensoren durch die Zentrifugalkräfte nicht beschädigt werden und es ist außerdem wünschenswert, dass die auf dem Sensorbereich 30 ausgeübten Zentrifugalkräfte höchstens 500 g betragen.
Anschließend wird das Einleiten der Vollblutprobe und die Trennung von zellulären Bestandteile und Blutplasma durch Zentrifugieren durchgeführt. Blutabnahmeinstrument 20 wird in den Blut einlass 18 des Substrats 10 eingesetzt und das Substrat 10 wird in diesem Zustand nach unten ins Innere der Führungsnut 62 bewegt und so befestigt, dass die zweite Drehachse C2 der Position der Drehachse C0 des Drehgefäßes 60 entspricht (8). Wenn das Substrat 10 in diesem Zustand zentrifugiert wird, wird die Vollblutprobe in den U-förmigen Strömungskanal 12 gefördert und dort einer Auftrennung in Blutplasma und zelluläre Bestandteile unterzogen. Die zelluläre Fraktion wird in das Reservoir für die zellulären Bestandteile 14 fraktioniert, während die Plasmafraktion in dem oberen Bereich des U-förmigen Strömungskanals 12 (Speicherbereich 16 für die Plasmafraktion) als Überstand fraktioniert wird. Das Zentrifugieren soll dabei die zellulären Bestandteile vollständig abtrennen und es ist wünschenswert, das eine Zentrifugalkraft von wenigstens 1000 g auf dem unteren Abschnitte des U-förmigen Strömungskanals ausgeübt wird.
Nach der Abtrennung der zellulären Bestandteile wird das Substrat 10 in der Führungsnut 62 wieder nach oben bewegt und so befestigt, dass die erste Drehachse C1 der Position der Drehachse C0 des Drehgefäßes 60 entspricht (9). Wenn man das Substrat 10 in diesem Zustand zentrifugiert, wird das oberhalb der Drehachsen C0 und C1 befindliche und in 9 dargestellte Blutplasma durch Zentrifugalkraft zum Sensorbereich 30 gefördert. Das Reservoir für die zellulären Bestandteile 14 befindet sich unterhalb der Drehachsen C0 und C1 und die darin fraktionierten zellulären Bestandteile werden niemals in dem Sensorbereich 30 gefördert. Das Zentrifugieren wird zu diesem Zeitpunkt vorzugsweise mit einer solchen Zentrifugalbeschleunigung durchgeführt, dass die Sensoren nicht beschädigt werden, wobei es außerdem wünschenswert ist, dass die auf den Sensorbereich 30 ausgeübte Zentrifugalkraft höchstens 500 g beträgt. Schließlich wird jede zu untersuchende Substanz im Blutplasma durch die jeweiligen Sensoren gemessen.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ist darin zu sehen, dass die beim Einführen der Kalibrierlösung und beim Ableiten der Kalibrierlösung jeweils verwendeten Drehachsen stets die erste Drehachse C1 sind (7). Wenn Kalibrierlösung aus dem Kalibrierlösungsreservoir 42 in dem Sensorbereich 30 eingeleitet wird, sollte die in den Sensorbereich 30 geförderte Kalibrierlösung nicht weiter in das Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung gefördert werden. Es ist daher erforderlich, die beim Einleiten der Kalibrierlösung verwendete relativ schwache Zentrifugalkraft, dem Durchmesser des Strömungskanals zur Einleitung der Kalibrierlösung 44 und dem Durchmesser des das Kapillarventil bildenden Strömungskanals (Strömungskanal zum Abführen der Kalibrierlösung) 48 entsprechend festzulegen und ebenso die relativ starke Zentrifugalkraft zur Förderung der Kalibrierlösung in das Reservoir 46 für verbrauchte Kalibrierlösung durch das Kapillarventil 48 nach der Kalibrierung entsprechend festzulegen.
Eine entsprechende Beschreibung eines solchen kapillaren Ventils findet man auf Seite 315 des Buches „Fundamentals and Applications of Microfluidics" von Nam-Trung Nguyen und Steven T. Wereley (Herausgeber: Artech House (Boston-London) 2002).
Gemäß der Darstellung der 10 ist die minimale Rotationsgeschwindigkeit fm, die erforderlich ist, um eine zwischen dem Radius R₁ und dem Radius R₂ vom Zentrifugalzentrum der Kapillarröhre entfernte Lösung aus der Kapillarröhre durch Zentrifugalkraft auszustoßen: fm2 ≥ γcosθ/R·p·π2·(R2 – R1)(R2 + R1)wobei θ der Kontaktwinkel der Lösung mit der Kapillarröhre bei der Abgabe aus der Kapillarröhre ist, γ die Oberflächenspannung ist, R der Radius der Kapillarröhre ist und p die Dichte der Lösung bezeichnet. Wie in 11 dargestellt beträgt der Abstand zwischen der ersten Drehachse C1 und der zweiten Drehachse C2 5 cm, die Länge des Strömungskanals (R₂ – R₁) des Strömungskanals von dem Kalibrierlösungsreservoir 42 durch den Strömungskanal in die den Sensor enthaltende Rille (d. h. der Strömungskanal 44 zur Einleitung der Kalibrierlösung) 1 cm und der Abstand zwischen der ersten Drehachse C1 zum Ende des Kalibrierlösungsreservoirs 42 auf der Seite des Sensorbereichs (R₁) 3,5 cm. Die Oberflächenspannung (γ) von Wasser bei 15°C beträgt 72 × 10^–3 N/m und bei Verwendung von Polyethylenterephthalatharz als Material für das Substrat 10 beträgt der Kontaktwinkel θ mit Wasser 80 Grad. Die Dichte (p) von Wasser beträgt 1 × 10³ kg/m³. Bei Verwendung dieser Werte muss selbst dann, wenn die minimale Rotationsgeschwindigkeit (fm) auf 100 Umdrehungen pro Minute festgelegt wird, der Durchmesser (2R) des Strömungskanals 44 zur Abfuhr der Kalibrierlösung zumindest etwa 3 μm betragen. Das heißt, wenn der Durchmesser des Strömungskanals zur Einleitung der Kalibrierlösung auf 3 μm oder mehr festgelegt wird und die Länge des Strömungskanals 1 cm beträgt, kann die Förderung der Kalibrierlösung aus dem Kalibrierlösungsreservoir 42 in den Sensorbereich 30 durch Zentrifugieren mit 100 Umdrehungen pro Minute um die erste Drehachse C1 bewirkt werden.
Wenn andererseits die Länge des Strömungskanals (R₂ – R₁) des Kapillarventils 48 auf 0,5 cm und der Durchmesser (2R) auf etwa 100 μm gesetzt wird, fließt die Kalibrierlösung aus dem Sensorbereich (Sensorrillen) in das Reservoir 46 für verbrauchte Kalibrierlösung, wenn fm etwa 1000 Umdrehungen oder mehr beträgt. In diesem Fall beträgt gemäß 12 die auf dem Sensor ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung etwa 60 g, da der Zentrifugalradius des Sensors etwa 5,5 cm beträgt. So zeigte ein mit derartigen Strömungskanalabmessungen hergestelltes Substrat einer Blutanalysevorrichtung eine normale Funktion beim Fluss der Kalibrierlösung und des Blutplasmas.
Ein Vorteil eines solchen Blutanalysesubstrats ist darin zu sehen, dass die Sensoren in radialer Ausrichtung etwa 5 mm von der zweiten Drehachse C2 beabstandet angeordnet sind. Dieser Abstand beträgt ein Zehntel des Abstandes von etwa 5 cm von der ersten Drehachse C1. In diesem Fall wird beim Zentrifugieren um die zweite Drehachse C2 verglichen mit dem Fall eines Zentrifugierens um die erste Drehachse C1 nur ein Zehntel der Zentrifugalkraft auf die Sensoren ausgeübt. Aus diesem Grund wurden die Sensoren nicht beschädigt, obwohl das Zentrifugieren Abtrennen der zellulären Bestandteile, wie in 8 dargestellt, mit 7000 Umdrehungen um die zweite Drehachse durchgeführt wurde.
Darüber hinaus ist, wie in 9 dargestellt, beim Fördern des Blutplasmas das Blutplättchenreservoir 14 auf der gegenüberliegenden Seite des Plasmastromführungskanals 40 angeordnet, wobei die Drehachse C0 (erste Drehachse C1) sich dazwischen befindet und nur Blutplasma in den Sensorbereich gefördert werden kann, ohne dass zelluläre Blutbestandteile in den Plasmastromführungskanal 40 zurückfließen. Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform das Substrat 10 wegen des Förderns des Blutplasmas nach der Abtrennung der zellulären Bestandteile von der in 7 dargestellten Position in die in 9 dargestellte Position bewegt wurde, kann das Blutplasma in den Plasmastromführungskanal 40 und dem Sensorbereich 30 gefördert werden, wenn Luft nach Abtrennung der zellulären Bestandteile über das Belüftungsloch 29 des Belüftungskanals 28 eingeleitet wird (vgl. 4).
Industrielle Anwendbarkeit
Die erfindungsgemäße Blutanalysevorrichtung kann als solche um zwei unterschiedliche Drehachsen zentrifugiert werden und es ist möglich, die Einleitung und die Abfuhr von Kalibrierlösung in die Sensorrillen, die Abtrennung von zellulären Bestandteile und die Einleitung von Blutplasma in den Sensorbereich allein durch Zentrifugalkräfte ohne jemals Pumpen einzusetzen durchzuführen. Es ist nicht nötig, herkömmliche Unterdruckpumpen einzusetzen, so dass die erfindungsgemäße Blutanalysevorrichtung kostengünstig hergestellt werden kann. Förderung und Entsorgung der Kalibrierlösung werden durch Zentrifugieren bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit um die erste, vom Sensorbereich beabstandete Drehachse durchgeführt, so dass die auf die Sensoren ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung gering ist. Andererseits kann beim Zentrifugieren mit großen Zentrifugalbeschleunigungen zum Abtrennen der zellulären Bestandteile das Zentrifugieren um die zweite Drehachse durchgeführt werden, was eine Verringerung der auf den Sensorbereich ausgeübten Zentrifugalbeschleunigungen ermöglicht. Es kann daher ausgeschlossen werden, dass die mehrschichtigen und heterogene Komponenten enthaltenden Sensoren durch starke beim Abtrennen der zellulären Bestandteile auftretende Zentrifugalkräfte beschädigt werden, so dass eine präzisere Analyse durchgeführt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma ist am unteren Ende eines Substrats angeordnet und ein Sensorbereich, der mit dem Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma verbunden ist, befindet sich am oberen Ende des Substrates, wobei ein Kalibrierlösungsreservoir unterhalb des Sensorbereichs und ein Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung oberhalb des Sensorbereichs angeordnet sind. Eine erste Drehachse befindet sich oberhalb des Speicherbereichs für die zelluläre Fraktion und unterhalb des Speicherbereichs für die Plasmafraktion des Trennbereichs von zellulärer Fraktion und Plasma, während eine zweite Drehachse innerhalb oder in der Nähe des Sensorbereichs angeordnet ist. Förderung und Entsorgung der Kalibrierlösung kann durch Zentrifugieren um die erste Drehachse mit geringer Umdrehungsgeschwindigkeit bewirkt werden, wobei die erste Drehachse vom Sensorbereich beabstandet ist, so dass die auf den Sensorbereich ausgeübten Zentrifugalkräfte gering sind. Beim Zentrifugieren mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit zum Abtrennen der zellulären Bestandteile kann das Zentrifugieren um die zweite Drehachse durchgeführt werden, so dass die auf die Sensoren ausgeübten Zentrifugalkräfte wiederum klein sind. Das Zentrifugieren ermöglicht die Trennung von zellulären Bestandteile und Blutplasma und das Fördern des Blutplasmas und der Kalibrierlösung, sowie eine sichere Entsorgung der Kalibrierlösung von den Sensoren, was eine präzise Analyse ermöglicht. Eine Beschädigung der Sensoren aufgrund starker Zentrifugalkräfte während des Trennens von zellulären Blutbestandteilen und Blutplasma kann verhindert werden.

Claims

Vorrichtung zur Blutanalyse zum Abtrennen von Blutplasma aus einer Vollblutprobe durch Zentrifugieren und zum Analysieren der zu untersuchenden Substanzen in der flüssigen Blutkomponente, mit: (a) einem am unteren Ende des Substrats angeordneten Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma, der einen Speicherbereich für eine zelluläre Fraktion zum Abscheiden der zelluläre Fraktion durch Einwirkung von Zentrifugalkräften und zum Speichern der zellulären Fraktion, sowie einen Speicherbereich für die Plasmafraktion zum Speichern des Blutplasmas, der oberhalb des Speicherbereichs für die zelluläre Fraktion angeordnet ist, (b) einem Sensorbereich, der am oberen Ende des Substrats angeordnet ist, mit Sensorrillen, welche Sensoren zur Analyse der zu untersuchenden Substanzen enthalten; (c) einem mit dem Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma verbundenen Plasmastromführungskanal; (d) einem Bluteinlass zur Einleitung der Vollblutprobe in den Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma; (e) einem Kalibrierlösungsreservoir zur Speicherung einer Kalibrierlösung zum Kalibrieren von Sensoren, (f) einem Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung, zum Speichern der Kalibrierlösung nach dem Kalibrieren von Sensoren, (g) einem Zufuhrkanal für die Kalibrierlösung zur Verbindung des Kalibrierlösungsreservoirs und der Sensorrillen, und (h) einem Kalibrierlösungsableitkanal zur Verbindung der Sensorrillen mit dem Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung; wobei das Zentrifugieren um eine erste Drehachse durchgeführt werden kann, welche oberhalb des Speicherbereichs für die zelluläre Fraktion und unterhalb des unteren Endes des Speicherbereichs für die Plasmafraktion angeordnet ist; während das Zentrifugieren außerdem um eine zweite Drehachse durchgeführt werden kann, welche sich innerhalb des Sensorbereichs oder näher am Sensorbereich als an dem Trennbereich der zellulären Fraktion vom Plasma befindet; und wobei das Kalibrierlösungsreservoir auf der Unterseite des Sensorbereichs und auf der Oberseite der ersten Drehachse angeordnet ist und sich das Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung oberhalb des Sensorbereichs befindet.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß Anspruch 1, wobei der Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma als U-förmiger Strömungskanal ausgebildet ist, während der Speicherbereich für die zelluläre Fraktion am Bogen des unteren Endes des U-förmigen Strömungskanals ausgebildet und der Speicherbereich für die Plasmafraktion darüber angeordnet ist.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß Anspruch 2, wobei der Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma so ausgebildet ist, dass er sich vom untersten Teil des U-förmigen Strömungskanals nach unten erstreckt und wobei die Kapazität des Trennbereichs von zellulären Bestandteilen und Plasma größer ist als die Menge der aus der Vollblutprobe in den U-förmigen Strömungskanal eingeführten zellulären Fraktion.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß Anspruch 2, wobei der Bluteinlass an einer Seitenwand des U-förmigen Strömungskanals oberhalb des Speicherbereichs für die Plasmafraktion ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß Anspruch 2, wobei ein Belüftungskanal vorgesehen ist, der mit dem U-förmigen Strömungskanal verbunden ist.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sensorbereich zahlreiche Sensorrillen, die Sensoren enthalten umfasst, welche jeweils die verschiedenen zu untersuchenden Substanzen analysieren.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß Anspruch 6, wobei die zahlreichen Sensorrillen um die zweite Drehachse herum angeordnet sind.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Plasmaeinlass, der Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma, der Stromführungskanal für Plasma und die Sensorrillen jeweils hydrophilisiert wurden.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß Anspruch 8, wobei das Kalibrierlösungsreservoir, das Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung, der Zufuhrkanal für Kalibrierlösung und der Abfuhrkanal für Kalibrierlösung jeweils hydrophilisiert wurden.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Abfuhrkanal für Kalibrierlösung ein Kapillarventil ist.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Sensoren elektrochemische Sensoren sind.
Vorrichtung zur Blutanalyse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in den Bluteinlass ein Blutabnahmeinstrument montierbar ist, welches das abgenommene Blut speichert.
Verfahren zur Blutanalyse, welches die Schritte umfasst: (1) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Blutanalyse mit einem am unteren Ende des Substrats angeordneten Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma, der einen Speicherbereich für eine zelluläre Fraktion zum Abscheiden der zelluläre Fraktion durch Einwirkung von Zentrifugalkräften und zum Speichern der zellulären Fraktion, sowie einen Speicherbereich für die Plasmafraktion zum Speichern des Blutplasmas, der oberhalb des Speicherbereichs für die zelluläre Fraktion angeordnet ist; einem Sensorbereich, der am oberen Ende des Substrats angeordnet ist, mit Sensorrillen, welche Sensoren zur Analyse der zu untersuchenden Substanzen enthalten; einen mit dem Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma verbundenen Plasmastromführungskanal; einen Bluteinlass zur Einleitung der Vollblutprobe in den Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma; einem Kalibrierlösungsreservoir zur Speicherung einer Kalibrierlösung zum Kalibrieren von Sensoren; einem Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung, zum Speichern der Kalibrierlösung nach dem Kalibrieren von Sensoren; einem Zufuhrkanal für die Kalibrierlösung zur Verbindung des Kalibrierlösungsreservoirs und der Sensorrillen; und einem Kalibrierlösungsableitkanal zur Verbindung der Sensorrillen mit dem Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung; (2) Einleiten der Kalibrierlösung von dem Kalibrierlösungsreservoir in die Sensorrillen durch Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung um eine erste Drehachse, die oberhalb des Speicherbereichs der zellulären Fraktion und unterhalb des unteren Endes des Speicherbereichs für die Plasmafraktion angeordnet ist, (3) Kalibrieren der Sensoren; (4) Entsorgen der Kalibrierlösung aus den Sensorrillen in ein Kalibrierlösungsreservoir durch Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung um eine erste Drehachse; (5) Trennen der zellulären Bestandteile und des Blutplasmas in einem Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma und Abscheiden der zelluläre Fraktion in dem Speicherbereich für die zelluläre Fraktion durch Einleiten einer Vollblutprobe in den Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma und Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung um eine zweite Drehachse, die näher am Sensorbereich als am Trennbereich der zellulären Bestandteile vom Plasma angeordnet ist; (6) Fördern des in dem Speicherbereich für die Plasmafraktion fraktionierten Blutplasmas in die Sensorrillen durch Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung in die erste Drehachse; und (7) Analysieren der flüssigen Komponente des Blutplasmas in den Sensorrillen mittels der Sensoren.
Verfahren zur Blutanalyse gemäß Anspruch 13, wobei die während des in den Schritten (2), (4) und (6) durchgeführten Zentrifugierens auf die Sensoren ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung höchstens 500 g beträgt.
Verfahren zur Blutanalyse gemäß Anspruch 13, wobei während des in Schritt (5) durchgeführten Zentrifugierens die auf den Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung mindestens 1000 g beträgt, während die auf die Sensoren ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung höchstens 500 g beträgt.
Verfahren zur Blutanalyse, welches die Schritte umfasst: (1) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Blutanalyse mit einem am unteren Ende des Substrats angeordneten Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma, der einen Speicherbereich für eine zelluläre Fraktion zum Abscheiden der zelluläre Fraktion durch Einwirkung von Zentrifugalkräften und zum Speichern der zellulären Fraktion, sowie einen Speicherbereich für die Plasmafraktion zum Speichern des Blutplasmas, der oberhalb des Speicherbereichs für die zelluläre Fraktion angeordnet ist; einem Sensorbereich, der am oberen Ende des Substrats angeordnet ist, mit Sensorrillen, welche Sensoren zur Analyse der zu untersuchenden Substanzen enthalten; einen mit dem Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma verbundenen Plasmastromführungskanal; einen Bluteinlass zur Einleitung der Vollblutprobe in den Trennbereich von zellulären Bestandteile und Plasma; einem Kalibrierlösungsreservoir zur Speicherung einer Kalibrierlösung zum Kalibrieren von Sensoren; einem Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung, zum Speichern der Kalibrierlösung nach dem Kalibrieren von Sensoren; einem Zufuhrkanal für die Kalibrierlösung zur Verbindung des Kalibrierlösungsreservoirs und der Sensorrillen; und einem Kalibrierlösungsableitkanal zur Verbindung der Sensorrillen mit dem Reservoir für verbrauchte Kalibrierlösung; (2) Einleiten der Kalibrierlösung von dem Kalibrierlösungsreservoir in die Sensorrillen durch Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung um eine erste Drehachse, die oberhalb des Speicherbereichs der zellulären Fraktion und unterhalb des unteren Endes des Speicherbereichs für die Plasmafraktion angeordnet ist, (3) Kalibrieren der Sensoren; (4) Entsorgen der Kalibrierlösung aus den Sensorrillen in ein Kalibrierlösungsreservoir durch Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung um eine erste Drehachse; (5) Trennen der zellulären Bestandteile und des Blutplasmas in einem Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma und Abscheiden der zelluläre Fraktion in dem Speicherbereich für die zelluläre Fraktion durch Einleiten einer Vollblutprobe in den Trennbereich von zellulären Bestandteilen und Plasma und Zentrifugieren der Blutanalysevorrichtung um eine zweite Drehachse, die näher am Sensorbereich als am Trennbereich der zellulären Bestandteile vom Plasma angeordnet ist; (6) Fördern des in dem Speicherbereich für die Plasmafraktion fraktionierten Blutplasmas in die Sensorrillen durch Einleiten eines externen Druckgases durch den Belüftungskanal; und (7) Analysieren der flüssigen Komponente des Blutplasmas in den Sensorrillen mittels der Sensoren.
Verfahren zur Blutanalyse gemäß Anspruch 16, wobei die während des in den Schritten (2) und (4) durchgeführten Zentrifugierens auf die Sensoren ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung höchstens 500 g beträgt.