DE19581819B4

DE19581819B4 - Vorrichtung zum Aufsammeln von Substanzen für optische Analysen

Info

Publication number: DE19581819B4
Application number: DE19581819T
Authority: DE
Inventors: Raouf A. Guirguis
Original assignee: Lamina Inc
Current assignee: Lamina Inc
Priority date: 1994-11-04
Filing date: 1995-11-03
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2015-11-04
Also published as: GB2309783A; WO1996014563A1; DE19581819T1; GB2309783B; JPH10508699A; EP0789835A4; EP0789835A1; CZ131697A3; HUT78074A; AU4150496A; JP3824641B2; AU703502B2; PL319978A1; EP0789835B1; CN1171155A; GB9709019D0

Abstract

Vorrichtung zum Aufsammeln fester Substanzen, umfassend
ein Gehäuse (10), und
ein in dem Gehäuse angeordnetes Sammelelement (13) zum Sammeln und Analysieren fester Substanzen in einer Flüssigkeit,
wobei das Sammelelement (13) ein erstes poröses Medium (23) als Sammelstelle (14) umfasst, das den Durchgang fester Substanz verhindert, wobei
die Sammelstelle (14) quer zu einem Fluidströmungsweg positioniert ist, um das Aufsammeln fester Substanzen aus einer Flüssigkeit in einer Schicht zu ermöglichen, und wobei
das Sammelelement (13) angrenzend zu dem ersten porösen Medium (23) ferner ein zweites poröses Medium (24) umfasst, welches den Durchgang von Flüssigkeit erlaubt,
gekennzeichnet durch
einen optischen Kanal (15a, 15B, 15c), der einen optischen Weg durch das Gehäuse (10) und das Sammelelement (13) definiert, um eine Kommunikation zwischen einer Strahlungsquelle und der Sammelstelle (14) zu ermöglichen,
wobei die Sammelstelle (14) quer zu dem optischen Kanal (15a, 15B, 15c) positioniert...

Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zum Aufsammeln und Analysieren von Substanzen in einem Fluid.

Bei einer Vielzahl technischer Prozesse stellt die Fähigkeit und/oder die Vorrichtung zum Trennen von Substanzen, typisch teilchenförmiger Substanzen, aus einem Fluid einen kritischen Bestandteil der Fähigkeit, die Anwesenheit von Substanzen in dem Fluid zu prüfen, dar. Laboratorien können heutzutage beispielsweise Infrarotspektroskopie verwenden, um die Anwesenheit von Krebszellen zu bestimmen; der Nutzen dieses Verfahrens wird jedoch durch die Schwierigkeit der Aufbereitung der Proben beeinträchtigt. Zu oft verdeckt die mit der Aufbereitung der Probe in Zusammenhang stehende gegenseitige Beeinflussung die Targetzellen in einem solchen Grad, daß der Prozeß nicht genügend zuverlässig oder zu kostspielig wird.

Ein ähnliches Szenario ergibt sich auf vielen anderen Gebieten, die Nachweis und/oder Diagnose erfordern, einschließlich Umweltprüfung, Strahlungsforschung, Krebsreihenuntersuchungen, zytologische Untersuchungen, mikrobiologische Prüfungen und Giftmüllkontamination, um nur einige zu nennen.

Ein einschränkender Faktor des Probeaufbereitungsprotokolls bei allen diesen Unternehmungen ist die adäquate Trennung fester Substanzen von ihrem Fluidträger (zum Beispiel von unterschiedlichen Fluiden, wie physiologischen, biologischen und ökologischen) sowie die einfache und effiziente Sammlung und Konzentrierung der festen Substanzen in einer Form, die elektromagnetischer Strahlung leicht zugänglich ist. Es wurde beispielsweise berichtet, daß die Infrarottechnik dazu verwendet werden kann, zwischen malignen Zellen und normalen Zellen zu differenzieren. Die Zellen zeigen eine charakteristische Absorptionswellenlänge, die verwendet werden kann, um die Anwesenheit und den Typ der Zelle und deren Quantität zu identifizieren. Die Verfahren zur Aufbereitung der Probe beinhalten das sorgfältige Isolieren der Targetzellen von Gewebe- oder Körperflüssigkeiten und anschließendes Hindurchleiten eines Infrarotstrahls durch einen Träger, der die Zellprobe trägt. Bei einem typischen Verfahren muß die Zelle gesammelt und auf einen Träger, etwa einen Objektträger, aufgeschmiert werden. Sammlung und Übertragung erfordern einen gewissen Grad von Geschicklichkeit, und selbst dann kann der Zellabstrich zur Analyse unter Verwendung der Infrarottechnik ungeeignet sein.

Bei diagnostischer Mikrobiologie und/oder Zytologie, insbesondere im Bereich der klinischen Pathologie, basieren Diagnosen auf einer mikroskopischen Untersuchung der Zellen sowie weiterer mikroskopischer Analysen. Die Genauigkeit der Diagnose und die Aufbereitung optimal interpretierbarer Proben hängt typisch von adäquater Präparation der Proben ab.

Die vorliegende Erfindung stützt sich teilweise auf die verhältnismäßig neue Entwicklung der Anwendung elektromagnetischer Strahlung, etwa Infrarotstrahlung, zur Kennzeichnung von Substanzen. Ein Infrarotstrahl kann beispielsweise durch eine beliebige Art von Träger, der die feste Substanz, etwa Zellen in einer vorbestimmten Stellung, trägt, geführt werden. Auf Grund der Durchleitung des Strahls durch die feste Substanz, absorbiert die feste Substanz eine charakteristische Wellenlänge innerhalb des Strahls; der Absorptionsgrad kann gemessen werden. Diese Messung und das charakteristische Absorptionsmuster können verwendet werden, um den Typ und die Quantität der in der Probe vorhandenen festen Substanz sowie deren molekularen Aufbau oder Zusammensetzung zu identifizieren.

Wie oben jedoch bereits festgestellt, wird jedes elektromagnetische Protokoll durch die Art und Weise eingeschränkt, nach der die Probe hergestellt wurde. Die vorliegende Erfindung bietet eine Vorrichtung zum Sammeln der zur Analyse unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung geeigneten festen Substanz.

Die vorliegende Erfindung bietet einen starken Kontrast zu den verschiedenen Probenpräparierungsverfahren, wie sie typisch Anwendung finden. Bei dem Gießfilmverfahren wird die Probe in einem Lösungsmittel gelöst, die Lösung tropfenweise einem Infrarot-Fenstermaterial (KBr oder Cs1) zugesetzt und die Lösung verdampfen gelassen, daß ein dünner Film auf dem Fenstermaterial gebildet wird. In manchen Fällen muß der dünne Film von dem Fenstermaterial entfernt und bevor er der Infrarotstrahlung ausgesetzt wird, auf einen inerten festen Träger gelegt werden.

Bei dem Heißpreßfilm-Verfahren werden polymere Proben zwischen zwei Infrarotsalzplatten (KBr oder Cs1) sorgfältig geschmolzen, wobei eine der Platten sorgfältig gegen die andere gepreßt wird, bis ein dünner Film gebildet worden ist. Bei einem ähnlichen Verfahren wird durch Pressen einer Probe eines viskosen Fluids, bis ein Kapillarfilm erzeugt wird, ein flüssiger Abstrich gebildet.

Bei dem Kaliumbromidpellet-Verfahren wird die Probe auf eine Teilchengröße von etwa 1 μm (Micron) zermahlen, die Probe wird mit KBr von Infrarotgrad (mit Sorgfalt zur Gewährleistung der Homogenität) vermischt und das Pulvergemisch unter Verwendung von hohem Druck zu Pellets verarbeitet.

Proben von niedriger Konzentration können unter Verwendung der Pyrolyse ebenfalls hergestellt werden, beispielsweise Bildung eines Trockendestillats aus einem Flüssigdestillat.

Es ist leicht erkennbar, daß für jedes dieser Protokolle der Probenaufbereitung zur Infrarotanalyse eine beträchtliche Bearbeitung der Probe erforderlich ist. Außerdem muß die Probe auf ein festes Träger- oder Fenstermaterial (KBr, Cs1, Glas, Aluminiumfolie oder eine Quecksilberfläche) übertragen werden, Materialien, die bisweilen das Probenabsorptionsmuster beeinträchtigen..

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufsammeln von Substanzen zum Nachweis, zur Analyse, Quantifizierung und/oder Sichtbarmachung, wobei elektromagnetische Strahlung verwendet wird. Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung eignen sich insbesondere zur Trennung von Substanzen von biologischen, physiologischen und ökologischen Fluiden und Analyse der suspendierten Partikel mit Infrarotstrahlung. Eine Vorrichtung beispielsweise präpariert die Substanzen in der Probe für die Analyse und erleichtert gleichzeitig die tatsächliche Anwendung elektromagneti scher Strahlung auf die eingesammelten Substanzen. Die Substanzen werden somit einfach analysiert und mengenmäßig bestimmt.

Darüber hinaus kann Probenahme, Isolierung, Präparierung und Analyse in einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden. Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung machen einen ausgebildeten Techniker zur ordentlichen Präparierung eines Probe- substrats unnötig. Auf diese Weise werden also Zeit, Kosten und Fachwissen als kritische Faktoren bei den Protokollen der Probepräparation eliminiert oder reduziert.

Eine baulich ähnliche Vorrichtung ist aus der US 5 301 685 bekannt. Die Vorrichtungen gamäß der Erfindung bieten Vorteile bei der Probeaufbereitung, weil sie zur Verwendung an frischen unbehandelten Zellen, nichtmodifizierten Zellen, geeignet sind und insbesondere so ausgelegt sind, daß eine dünne einheitliche Schicht aus festen Substanzen (bis zu etwa 40 μm (Micron) oder mehr) geschaffen wird.

Weiterhin erfordern die Vorrichtungen keinerlei Bearbeitung der Sammelstelle oder des festen Trägers, um die eingesammelten Substanzen korrekt der elektromagnetischen Strahlung auszusetzen. Dies steht im Gegensatz zu den vorhandenen Verfahren der Infrarotspektroskopie, bei denen der feste Träger, etwa eine Membrane, aus dem Gehäuse genommen werden muß, die Substanz auf einem anderen Träger, etwa einem Ob jektträger, fixiert werden muß und der Träger dann in einen Halter exakt eingepaßt werden muß.

Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung können auch auseinandergenommen werden, um Zugang zu dem Substanzeneinfangmedium zu gewähren, wodurch weitere Tests, sollten sie erforderlich sein, erleichtert werden. Beispielsweise kann das Gerät, nachdem die Zellen der Infrarotspektroskopie ausgesetzt worden waren, geöffnet werden, die die Zellen enthaltende Membrane kann entfernt werden, und die Zellen können auf einem Objektträger fixiert oder weiter behandelt werden, beispielsweise durch Züchtung oder Hämolyse der Zellen, die in beiden Fällen die Zellen zur weiteren Prüfung verarbeiten.

Die Substanzeneinsammelvorrichtung kann zusätzliche Module, abnehmbare oder integrierte, zur Behandlung des Fluids enthalten. Beispielsweise kann das Fluid mit einem Substanzeneinsammelmodul in Kombination mit einem Bruchstückchenausscheidungsmodul, einem Chromatographiemodul und einem Versuchsmodul, oder Kombinationen dieser und anderer Vorrichtungen, behandelt werden. Diese und weitere Module oder Behandlungsprotokolle stellen Merkmale dar, die auf Wunsch in eine Probenpräpariervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eingebaut werden können.

Die Geräte der vorliegenden Erfindung gestatten die Verwendung automatisierter Vorrichtungen zum Nachweis und zur Analyse aller fe sten Substanzen in einer gegebenen Besetzung. Sie gestatten außerdem eine detaillierte Analyse der chemischen Zusammensetzung der Substanz.

Die beiliegenden Zeichnungen zeigt als Beispiel gedachte Ausführungsformen der Sammelvorrichtung, aus welchen diese und weitere Ziele, neuartige Merkmale und Vorteile leicht erkennbar sind.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Aufsammeln fester Substanzen.
2 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Aufsammeln fester Substanzen.
3 zeigt einen Querschnitt eines Sammelelements einschließlich der Sammelstelle und eines optischen Kanals.
4 zeigt eine auseinandergezogene Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Aufsammeln von Substanzen.
5 zeigt einen Querschnitt durch den Auslaßteil einer Vorrichtung zum Aufsammeln von Substanzen, der den Strömungsweg von Substanzen und Fluid durch das Sammelelement veranschaulicht.
6 zeigt einen Querschnitt durch eine Injektionsspritze und die Vorrichtung zum Aufsammeln von Substanzen, die an einen Sammlerbecher angesetzt sind.
7 zeigt eine Darstellung eines Substanzsammel- und -nachweissystems.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung zum Aufsammeln fester Substanzen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gerichtet.
Außerdem umfaßt die Erfindung ein System zum Sammeln und Analysieren fester Substanzen mit einer Quelle elektromagnetischer Strahlung, einer Vorrichtung zum Aufsammeln fester Substanzen wie vorangehend beschreiben und einer Absorptionsmessvorrichtung.
die Vorrichtung weist ein Sammelelement für feste Substanzen auf mit einer Sammelstelle auf einem Träger und einem Kanal durch den Träger, um die Sammelstelle elektromagnetischer Strahlung aussetzen zu können.
In einer bevorzugten Ausführungsform sammelt und konzentriert ein Sammelmodul Feststoffe in einem Fluid an einer vorbestimmten Stelle und in einer vorbestimmten Stärke. Auf diese Weise können die Feststoffe einfach und reproduzierbar elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt werden, um den eingefangenen festen Stoff zu identifizieren und zu quantifizieren.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck Fluid auf jedes Fluid, für welches man eine Komponente des Fluids zum Zweck der Erstellung ihrer Identität oder Anwesenheit im Fluid einsammeln möchte. Die Komponente im Fluid wird typisch eine feste Substanz, beispielsweise suspendierte Partikeln, sein. Das Fluid kann beispielsweise Luft oder Gas oder eine biologische Flüssigkeit, wie Urin, sein, und es kann erforderlich sein, das Vorhandensein von Krebszellen oder bestimmten Proteinen in dem biologischen Fluid zu bestimmen. In einem anderen Beispiel kann es wünschenswert sein, die Natur der Schadstoffe, etwa molekularer Verunreinigungen, in extrem reinem Wasser, wie es in der Elektronikindustrie verwendet wird, zu bewerten. Weitere als Beispiel gedachte Fluide umfassen – nichteinschränkend – weitere Körperflüssigkeiten, wie Blut, Spinalflüssigkeit oder Amnionflüssigkeiten, Bronchiallavage, Sputum, Feinnadelaspirate, Grundwasser, industrielle Verfahrensflüssigkeiten, elektronische oder medizinische Dialysefluide, um nur einige aufzuzeigen. Es ist beabsichtigt, die Erfindung nicht auf die Art des behandelten Fluids zu beschränken.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck fester Stoff auf jede Substanz in einem Fluid, die aufgesammelt und unter Verwendung von Strahlungsenergiequellen bewertet werden kann. Als Beispiel gedachte Substanzen umfassen Zellen oder Zellfragmente, Proteine, Moleküle, Polymere, Gummis, Stabilisatoren, Antioxidationsmittel, Beschleuniger, Silikone, Alkyde, Thiokole, Paraffine, Thermoplaste, Bakterien, Pestizide und Herbizide, sind aber nicht auf diese beschränkt. Spezifische als Beispiel gedachte polymere Substanzen umfassen Polyethylen, Polypropylen, Polyisobutylen, Polyacrylnitril, Polyethylenglycol, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polysulfid, Polymethylmethacrylate, Polyethylenterephthalate, Bisphenol-A (ein üblicher ökologischer Schadstoff), Ethylcellulose, Nitrocellulose, Polyurethan wie auch Nylon, sind aber auf diese nicht beschränkt. Spezifische als Beispiel gedachte biologische Substanzen umfassen Krebszellen, einschließlich der Unterscheidung zwischen metastati schen und normalen Krebszellen, Proteine, Nucleinsäuren, Antikörper und dergleichen. Es ist beabsichtigt, die Erfindung nicht auf die Art der bearbeiteten Substanz zu beschränken.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck elektromagnetische Strahlung auf Strahlungsenergie, die durch feste Substanzen absorbiert werden kann und Infrarotstrahlung, Nahinfrarotstrahlung, das sichtbare Spektrum und Nahultraviolettstrahlung umfaßt, aber nicht darauf beschränkt ist. Elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise zur Bestimmung von Struktur, Stereo-Chemie, Arten von Zusatzstoffen, Grad des Zerfalls, Anwesenheit eines Copolymeren, Kettenlänge, Orientierung, Kristallinität, Kohlenstoff-Wasserstoff-Ausdehnungsbereich, Unterscheidung zwischen ungesättigten und gesättigten Kohlenstoff-Wasserstoff-Absorptionen sowie der Anwesenheit individueller Moleküle angewandt werden. Elektromagnetische Strahlung kann zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Probe, beispielsweise der Zusammensetzung einer spezifischen Zelle, eines spezifischen Proteins, Moleküls oder Polymeren, angewandt werden. Die Absicht ist, daß die Erfindung die Verwendung jeder Art von Energie, die zur Identifizierung und/oder Quantifizierung von fester Substanz verwendet werden kann, umfaßt.
Wie hier verwendet, beziehen sich die Ausdrücke "angepaßt zur Kommunikation", "Kommunizieren" und dergleichen auf alle Arten oder Verfahren zur Erstellung eines Fluidstromes durch das System, wie sie dem Fachmann geläufig sind. Eine bekannte Konstruktion zur Herstellung der Kommunikation ist eine Luer-Verriegelung.
Die Systeme und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung eignen sich besonders für Fluide und Substanzen in den Fluiden, die sich einer Bewertung mit Hilfe von Strahlungsenergie unterziehen lassen. Krebszellen im Urin können beispielsweise, nachdem die aufgesammelten Zellen einer Infrarotstrahlung ausgesetzt wurden, durch Messung des Absorptionsmusters identifiziert werden.
Eine Vorrichtung umfaßt ein Gehäuse, einen Einlaß und einen Auslaß, die wenigstens eine Fluidströmung durch das Gehäuse definieren, sowie ein Sammelelement, das quer zum Fluidströmungsweg im Gehäuse angeordnet ist. Erfindungsgemäß enthält das Sammelelement eine Sammelstelle. Wenngleich er, wie im einzelnen weiter unten ausgeführt, unterschiedlich konfiguriert werden kann, umfaßt der Modul außerdem einen optischen Kanal, der Kommunikation zwischen einer Strahlungsenergiequelle, beispielsweise einem Infrarotspektrometer, der Sammelstelle und einer Absorptions-Meßvorrichtung gestattet.
Unter Bezugnahmen auf die Figuren sollen nun als Beispiel gedachte Vorrichtungen beschrieben werden.
1 zeigt einen typischen Modul der ein Gehäuse 10, einen Einlaß 11, einen Auslaß 12 und ein Sammelelement 13 (siehe 3) aufweist.
Wie in den 2 – 4 dargestellt, umfaßt ein Probemodul oder eine Substanzenaufsammelvorrichtung ein Gehäuse 10 mit einem Einlaß 11 und einem Auslaß 12. Das Gehäuse 10 definiert eine Kammer 18, und der Einlaß 11 und der Auslaß 12 definieren wenigstens einen Fluidströmungsweg durch das Gehäuse 10. Ein Sammelelement 13 mit einer zur Aufsammlung von Substanzen angepaßten Sammelstelle 14 kann quer zu einem Fluidströmungsweg angeordnet werden, wobei die Sammelstelle 14 mit dem Einlaß 11 kommuniziert. Das Sammelelement 13 im Innern der Substanzensammelvorrichtung ist vorzugsweise so angepaßt, daß es einen Strömungsweg mit erster und zweiter Abzweigung definiert, wobei sich die erste Abzweigung 21 durch die Sammelstelle 14 erstreckt und die zweite Abzweigung 22 die Sammelstelle 14 umgeht.
Die Vorrichtung umfaßt in Sammelelement 13 mit einem ersten porösen Medium 23, das geeignet ist, den Durchgang von Substanz zu verhindern, sowie ein zweites poröses Medium 24, das geeignet ist, das Fluid durchströmen zu lassen. Das zweite poröse Medium kann, oder kann nicht, in der Lage sein, suspendierte Partikeln aus dem Fluid zu entfernen, was eine Wahl der Auslegung je nach den Erfordernissen eines bestimmten Geräts darstellt.
Das erste poröse Medium sich zum Auffangen oder Einsammeln von fester Substanz, bevorzugt zum Auffangen oder Einsammeln fester Substanz in einer gleichmäßigen oder einzigen Schicht. Ein zweites poröses Medium, das als Träger für das erste poröse Medium geeignet ist, ist ebenfalls vorhenden.
Das Sammelelement 13 umfaßt darüber hinaus einen optischen Kanal 15B, der es gestattet, daß elektromagnetische Strahlung auf das erste poröse Medium 23 auftrifft, ohne das zweite poröse Medium 24 zu kontaktieren. Der optische Kanal 15a, 15B und 15c ist jeder beliebige optische Weg durch den Modul oder das Gehäuse, der es zuläßt, daß die elektromagnetische Strahlung auf die feste Substanz auftrifft. Wie in 3 dargestellt, stellt der optische Kanal 15B einen Kanal, eine Öffnung oder dergleichen von beliebiger Form durch das zweite poröse Medium, beispielsweise eine zentral angeordnete ringförmige Öffnung, dar.
Das erste poröse Medium und das zweite poröse Medium können in jeder beliebigen Form angeordnet werden, die wie hier beschrieben wirkt. Wie dem Fachmann ersichtlich kann das Sammelelement je nach Bedarf unterschiedlich konfiguriert und angeordnet sein, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen. Beispielsweise können das erste und das zweite poröse Medium getrennte, voneinander beabstandete Medien sein, die zwei Medien können zusammengepreßt sein, das erste Medium kann mit dem zweiten Medium inte gral oder abnehmbar verbunden sein; auch kann das Sammelelement eine Zone höherer Dichte umfassen, die die Funktion des ersten Mediums, wie oben beschrieben, nachvollzieht, sowie eine Zone geringerer Dichte, die die Funktion des zweiten porösen Mediums, wie oben beschrieben, nachvollzieht. Der Fachmann wird eine Wahl unter diesen verschiedenen Konfigurationen treffen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste poröse Medium eine Polycarbonatmembran und das zweite poröse Medium ein Tiefenfilter.
Es ist festzuhalten, daß verschiedene Arten von ersten und zweiten porösen Medien verwendet werden können. Die US 5 301 685 offenbart mehrere poröse Medien, die bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden können; auf sie wird hier Bezug genommen. Wenngleich sich eine Polycarbonatmembran zur Verwendung in der Sammelvorrichtung für feste Substanzen nach der vorliegenden Erfindung besonders eignet, ist jede beliebige Membran oder jedes Septum, das das elektromagnetische Ableseprotokoll nicht beeinflußt, ebenfalls geeignet. Zum Beispiel sind Polycarbonatmembranen, wie auch andere poröse Membranen, wie Cellulose- oder Nylonmembranen, ebenfalls geeignet, wenn dieses Membranen mit Infrarotspektroskopie-Protokollen kompatibel sind. Als Beispiel gedachte Medien, die zum Fluid-Screening verwendet werden können, umfassen auch das LEUCOSORB^TM, ein von der Pall BioSupport Divi sion der Pall Corporation hergestelltes Leukozytenrückhaltemedium. Weitere von der Pall Corporation hergestellte und vertriebene Membranen sind BIODYNE A^TM, ein nichtmodifiziertes Nylon mit einer Oberflächenchemie von 50% Amin und 50% Carboxylgruppe, das einen isoelektrischen Punkt des pH von 6,5 hat, BIODYNE B^TM, ein oberflächenmodifiziertes Nylon mit einer Oberflächenchemie, die durch eine hohe Dichte starker kationischer quaternärer Gruppen gekennzeichnet ist (das Zeta-Potential ist positiv bis pH > 10), BIODYNE C^TM, ein oberflächenmodifiziertes Nylon mit einer Oberflächenchemie, die durch eine hohe Dichte der anionischen Carboxylgruppen gekennzeichnet ist (das Zeta-Potential ist negativ bis pH > 3) sowie LOPRODYNE^TM, eine niedrige Proteine bindende Nylon-66-Membran mit eng gesteuerter mikroporöser Struktur mit hohem Leerstellenvolumen zum raschen wirksamen Durchgang von Flüssigkeiten und absolutem Rückhalten von Mikroteilchen, die für Zelltrennung und Bakterienzellenimmunoassay ausgelegt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste poröse Medium eine zur Verhinderung des Zellendurchgangs geeignete Polycarbonatmembran. Bevorzugte Polycarbonatmembranen sind von Nucleopore im Handel erhältlich und dem Fachmann auch bekannt.
Das Sammelelement 13 kann weiterhin ein Tiefenfilter als zweites poröses Medium 24 aufweisen. Das zweite poröse Medium gestattet den Durchgang eines Fluids mittels eines zweiten Fluidströmungswegs 22 und kann außerdem als Träger für das erste poröse Medium dienen. Das Tiefenfilter 24 kann aus Polypropylen oder POREX^®, einem porösen Kunststoff aus Polyethylen hoher Dichte, wie auch jedem beliebigen anderen Material hergestellt sein, das sich zur Stützung des ersten porösen Mediums eignet.
Wie in den 1 und 6 dargestellt kann das erste Teil 16 oder der Einlaß 11 einen Abschnitt aufweisen, der als Verbindungsstück ausgebildet ist und zur Verbindung zu einem Behälter oder dergleichen adaptiert oder als Nadel oder als Kanüle 32 oder dergleichen ausgebildet sein kann. Das zweite Teil 17 oder der Auslaß 12 kann ein Teil aufweisen, das als Verbindungsstück und zur Verbindung zu einer Pumpe 30 ausgebildet ist, beispielsweise eine Injektionsspritze oder dergleichen.
Die poröse Membran weist vorzugsweise eine Porengröße von etwa 0,22 μm bis etwa 8 μm bevorzugter etwa 1 μm bis etwa 6 μm am meisten bevorzugt etwa 2 μm auf, was es gestattet, Zellen einzufangen, die eine Größe von mehr als 3 μm haben. Die Membran ist dazu geeignet, einen Fluidstrom passieren zu lassen, während der Durchgang von Partikeln 20 verhindert wird. Das zweite poröse Medium ist dazu geeignet, ein Fluid passieren zu lassen und kann auch in der Lage sein, Partikel aus dem Fluid zu entfernen. Die Porengröße des zweiten porösen Mediums kann von etwa 5 μm bis etwa 60 μm vorzugsweise etwa 15 μm (Micron) bis etwa 45 μm, am meisten bevorzugt etwa 35 μm reichen.
In 6 ist ein Probenmodul oder eine Substanzensammelvorrichtung dargestellt 10, die auf einen Sammelbecher 31 montiert ist. Sie enthält eine Pumpe 30 zum Einleiten des Fluidstromes durch den Sammelmodul. Der Sammelbecher 31 kann ein Probenglas oder dergleichen sein, und/oder die Pumpe kann eine Injektionsspritze oder auch eine beliebige andere Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidflusses sein. Wie in 6 dargestellt, kann der Sammelbecher 31 oder der Sammelmodul eine Kanüle 32 oder dergleichen zum Aufziehen des Fluids vom Sammelbecher in das Gehäuse 10 aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Kanüle Perforierungen 33 an verschiedenen Stellen entlang der Kanüle, damit Fluid von unterschiedlichen Niveaus im Sammelbecher 31 aufgezogen wird.
Das Probenmodulgehäuse 10 kann von beliebiger Auslegung sein, die Fluidströmung durch oder über das Sammelelement gestattet, beispielsweise ein einziges Gehäuse. Wie in den Figuren gezeigt, stellt das Probenmodulgehäuse 10 vorzugsweise ein zweiteiliges Gehäuse mit einem ersten lösbaren Teil 16 und einem zweiten lösbaren Teil 17 dar, wenngleich jedes Gehäuse, das Zugang zum Sammelelement 13 gewährt, geeignet ist.
Die Bewegung eines Fluids durch das System kann durch Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz zwischen einer Quelle des Fluids und einem Ziel des Fluids bewirkt werden. Als Beispiel gedachte Mittel zur Erzeugung dieser Druckdifferenz können das Anlegen eines Drucks an jeden beliebigen Teil des Systems auf der Einlaßseite des Gehäuses (beispielsweise den Sammelbecher) sein, die Erzeugung eines Vakuums in jedem beliebigen Teil des Systems auf der Auslaßseite des Gehäuses (beispielsweise durch die Injektionsspritze) oder jede Form von Pumpe, etwa ein Autovial-Glasgespinstfilter (Hersteller Genex Corporation), ein Schwerkraftkopf, oder ein biegsamer faltbarer Behälter, der zusammengepreßt werden kann, um das Fluid durch die Substanzensammelvorrichtung und in die Injektionsspritze zu drücken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zieht eine Injektionsspritze das Fluid aus einem Sammelbecher durch das Gehäuse.
Bei Durchgang des Fluids durch das Gehäuse 10 strömt das Fluid durch die Sammelstelle 14 und das Sammelelement 13, wie in 5 dargestellt. Wie der Fachmann erkennt, gestattet die Einstellung der Porengröße der porösen Membran und des porösen Tiefenfilters entsprechend der Art und/oder der Größe der aufzusammelnden Substanz das Aufsammeln der Substanz auf der Sammelstelle 14. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Porengröße so gewählt, daß eine gleichmäßige Substanzschicht, vorzugsweise eine monomolekulare Schicht der Substanz, auf der Sammelstelle gebildet wird.
Der Fachmann wird auch feststellen, daß die Höhe der Schicht auf eine vorbestimmte oder gewünschte Höhe eingestellt werden kann. Etwa 3 μm bis etwa 40 μm haben sich beispielsweise als wirksam erwiesen, es ist jedoch nicht beabsichtigt, die Erfindung auf einen bestimmten Größen- oder Höhenbereich zu beschränken.
Hat sich die einheitliche oder monomolekulare Schicht der Substanz gebildet, wird die Fluidströmung entlang einem ersten Strömungsweg 21 im Zentrum der porösen Membran verringert, und die Fluidströmung entlang einem zweiten Strömungsweg 22 erhöht sich zu den Rändern des Sammelelements 13 hin. Wenngleich keine Beschränkung auf irgendeine Betriebstheorie beabsichtigt ist, so wird doch angenommen, daß die Erhöhung der Fluidströmung im Weg 22 durch die Blockade des Fluidströmungswegs durch die aufgesammelte Substanz, die sich an der Sammelstelle ansammelt, verursacht wird. Die Substanz im zweiten Fluidströmungsweg 22 umgeht dann die Sammelstelle 14, so daß eine im wesentlichen gleichmäßige Schicht oder monomolekulare Schicht auf der Sammelstelle 14 aufrechterhalten bleibt. Der zweite Fluidströmungsweg 22 verläuft durch einen ausgedehnten Seitenbereich des Sammelelements 13, wirkt als Lüftungsöffnung (mit geringem Widerstand gegenüber der Strömung) was ein Aufbauen der Substanz verhindert.
Die oben beschriebene Substanzsammelvorrichtung kann in Kombination mit weiteren Filtrier- oder Behandlungsvorrichtungen verwendet werden. Als Beispiel gedachte Vorrichtungen umfassen weitere Abfall- und/oder Prüfvorrichtungen oder Module, die an das Gehäuse 10 angesetzt werden können. Diese zusätzlichen Module umfassen typisch ein Gehäuse mit einem Einlaß und einem Auslaß und weisen ein Filtrier-, Test oder Nachweiselement auf, das quer zum Fluidströmungsweg im Gehäuse angeordnet ist. Die Vorrichtung kann beispielsweise ein Gehäuse mit Einlaß- und Auslaßöffnungen, die einen Strömungsweg zwischen dem Einlaß und dem Auslaß definieren, einen quer zum Strömungsweg angeordneten Filter sowie ein frei bewegliches Chromatographie-/Testelement, wie Substratkugeln, die auf der Auslaßseite des Filters angeordnet sind, umfassen. Das Chromatographie-/Testelement kann sich frei mit der Substanz im Fluid mischen, die Substanzen einfangen und kann auf das Vorhandensein von Substanzen untersucht werden. Geeignete Vorrichtungen umfassen die in den USA-Patentschriften 4 953 561, 5 224 489, 5 016 644, 5 139 031, 5 301 685, 5 042 502 und 5 137 031 offenbarten, die hier herangezogen sind.
Bei des Vorrichtung der vorliegenden Erfindung werden die Substanzen auf einem Sammelelement aufgesammelt, das einen optischen Kanal aufweist, um die aufgefangenen Substanzen elektromagnetischer Strahlung auszusetzen. Nachdem die Substanzen aufgesammelt sind, werden die Substanzen analysiert, indem elektromagnetische Strahlung durch den optischen Kanal geleitet wird und anschließend die Men- ge und/oder die Art der Absorption gemessen wird.
Fluid kann beispielsweise von einem Sammelbecher 31 durch das Gehäuse 10 gezogen werden, wodurch den Substanzen im Fluid Gelegenheit gegeben wird, sich in einer gleichmäßigen Schicht oder einer monomolekularen Schicht an der Sammelstelle 14 anzusammeln. Auf Wunsch kann zusätzliches Fluid durch das Gehäuse gezogen werden, oder es kann das gleiche Fluid angezogen, dann in den Sammelbecher 31 rückgeführt und erneut, sooft gewünscht, durchgezogen werden. Hat sich die Substanz angesammelt, dann kann das Gehäuse 10 in einen Halter oder dergleichen gesetzt werden, damit der optische Kanal korrekt in den elektromagnetischen Strahl, beispielsweise einen Infrarotstrahl, gesetzt werden kann. Der Strahl verläuft durch den Ausgang 12 entlang dem optischen Kanal 15a, 15b und 15c. Im optischen Kanal 15b trifft der Strahl auf die an der Sammelstelle gesammelte Substanz. Die gesammelte Substanz absorbiert eine bestimmte Wellenlänge der Strahlung, und diese Absorpaion kann gemessen werden, indem eine Absorptionsmeßvorrichtung in den Weg des optischen Kanals 15c gesetzt wird.
Dieses Prinzip ist in 7 veranschaulicht, welche ein System zum Sammeln und Analysieren fester Substanzen mit einer Quelle elektromagnetischer Strahlung (41), einer Vorrichtung zum Aufsammeln fester Substanzen nach den 1 bis 5 und einer Absorptionsmessvorrichtung (40) zeigt.
Die Sammelvorrichtung kann weiterhin für die Bearbeitung der Substanzen, wie oben erwähnt, und eine anschließende Überführung der Substanzen zur weiteren Analyse verwendet werden. Beispielsweise kann die die Sammelvorrichtung auch zur Übertragung der Zellen auf einen Objektträger Verwendet werden. Im Gegensatz zu den heute verfügbaren Verfahren bietet die Anwendung der Membranfiltrierung ein Verfahren zur gleichmäßigen Ablagerung von Zellen oder anderen Substanzen auf einen Objektträger mit minimaler Überlappung. Dies erlaubt eine deutliche Beobachtung und optimale diagnostische Genauigkeit.
Ferner können eingefangene Mikroorganismen in einem Nährmedium, beispielsweise einer Standard-Petrischale gezüchtet werden. Nachdem die Schicht der Zellen in der Sammelvorrichtung 10 aufgesammelt wurde, kann Fluid durch die Sammelstelle 14 auf den Einlaß 11 zu geleitet werden, wodurch die Mikroorganismen auf die Petrischale übertragen werden.
Bei Bakterienprüfung kann die Sammelstelle 14 zur Züchtung mit einer (nicht dargestellten) Kulturvorrichtung verwendet werden, um das Vorhandensein spezifischer Bakterienkolonien zu bestimmen. Die Qualturevorrichtung ist eine Kunststoffkapsel, die eine Filtermembran und vier Nährpolster aus wasserfreien selektiven Medien enthält.
Die Sammelvorrichtungen zeigen eine große Vielfalt von Anwendungs möglichniten hauptsächlich deshalb, weil so viele Industrien und so viele Prozesse die Abtrennung von festen Substanzen aus einem Fluid, gefolgt von irgend einer Prüfung der festen Substanzen, beinhalten. Als Beispiel genannte Industrien umfassen die Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, den pharmazeutischen, medizinischen und den ökologischen Bereich (z.B. Wasser- Boden- und Luftprobenahme), Biologie, Mikrobiologie, Hämatologie, Zytologie und Pathologie.
Die Vorrichtungen eignen sich besonders bei allen Verfahrensweisen, die Spektroskopie, die Identifizierung fester Substanzen, wie Verbindungen, Moleküle, Zellen oder Proteine, einzeln oder in Gemischen, je nach der Fähigkeit der Substanz, Strahlungsenergie bei einer spezifischen Wellenlänge zu absorbieren, umfassen. Die Vorrichtungen sind noch wertvoller bei allen jenen Verfahren, die das Studium der Absorptionsmuster umfassen, wenn Substanzen elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich des Spektrums, speziell in der Wellenlänge von etwa 2,5 μm bis etwa 15 μm, ausgesetzt werden.
Bei einer hämatologischen Analyse beispielsweise kann ein Tropfen Blut auf das Vorhandensein und die Menge bestimmter Zellbesetzungen analysiert werden, da jede Zelle unter Bestrahlung, etwa Infrarotstrahlung, eine bestimmtes Erkennungsprofil aufweist. Es kann beispielsweise gewünscht sein, das Verhältnis von Lymphozyten zu Leukozyten, das Vor handensein und die Art von Krebszellen, den Proteinspiegel oder Fettspiegel zu bestimmen.
In verschiedenen Industriezweigen kann es wünschenswert sein, das Vorhandensein von Schadstoffen in einem Fluid, wie Luft oder Wasser, beispielsweise von Schadstoffen in Trinkwasser, oder von Bakterien in Lebensmittel- und Getränkeverarbeitungsbetrieben, zu bestimmen. Bei der Umweltanalyse kann es wünschenswert sein, das Vorhandensein, die Art und die Menge eines bestimmten Schadstoffes, beispielsweise östrogener Verbindungen, von Pestiziden (DDT, Heptachlor und Atrazin), aromatischer Kohlenwasserstoffe und polychlorierter Biphenyle zu bestimmen. Auf dem medizinischen wie auf den ökologischen Gebiet kann es wünschenswert sein, das Vorhandensein von Zerfallsprodukten, wie Bisphenol-A, einem Bestandteil in Kunststoffen, zu bestimmen.
Die Vorrichtungen sind außerdem besonders nützlich, wenn die Substanz mit einem Chromophor, einer lichtabsorbierenden oder -emittierenden Sonde, oder einem beliebigen anderen Reagens zur Sichtbarmachung markiert werden kann. Beispielsweise können Zellen und DNA unter Verwendung einer Sonde, die sich spezifisch (mittelbar oder unmittelbar) mit der interessierenden Substanz bindet, und durch Kombinieren dieser Sonde mit dem ersten porösen Medium oder durch Mischen der Sonde mit der Fluidprobe analysiert werden.

Claims

Vorrichtung zum Aufsammeln fester Substanzen, umfassend ein Gehäuse (10), und ein in dem Gehäuse angeordnetes Sammelelement (13) zum Sammeln und Analysieren fester Substanzen in einer Flüssigkeit, wobei das Sammelelement (13) ein erstes poröses Medium (23) als Sammelstelle (14) umfasst, das den Durchgang fester Substanz verhindert, wobei die Sammelstelle (14) quer zu einem Fluidströmungsweg positioniert ist, um das Aufsammeln fester Substanzen aus einer Flüssigkeit in einer Schicht zu ermöglichen, und wobei das Sammelelement (13) angrenzend zu dem ersten porösen Medium (23) ferner ein zweites poröses Medium (24) umfasst, welches den Durchgang von Flüssigkeit erlaubt, gekennzeichnet durch einen optischen Kanal (15a, 15B, 15c), der einen optischen Weg durch das Gehäuse (10) und das Sammelelement (13) definiert, um eine Kommunikation zwischen einer Strahlungsquelle und der Sammelstelle (14) zu ermöglichen, wobei die Sammelstelle (14) quer zu dem optischen Kanal (15a, 15B, 15c) positioniert ist, um die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung von der Strahlungsquelle mit einer Schicht gesammelter fester Substanz auf der Sammelstelle (14) zu ermöglichen, und wobei der optische Kanal (15a, 15B, 15c) einen Kanal oder ein Loch durch das zweite poröse Medium (24) aufweist, um den Durchgang elektromagnetischer Strahlung durch das erste poröse Medium (23) zu ermöglichen, ohne das zweite poröse Medium (24) zu kontaktieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelelement (13) so aufgebaut ist, dass es einen ersten Strömungsweg (21) und einen zweiten Strömungsweg (22) definiert, wobei sich der erste Strömungsweg (21) durch die Sammelstelle (14) erstreckt und der zweite Strömungsweg (22) die Sammelstelle (14) umgeht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste poröse Medium (23) eine poröse Membran ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Porengröße von etwa 0,3 μm bis etwa 35 μm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite poröse Medium (24) ein Tiefenfilter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste poröse Medium (23) ein Reaktionsmittel zur Sichtbarmachung aufweist.
System zum Sammeln und Analysieren fester Substanzen mit einer Quelle elektromagnetischer Strahlung (41), einer Vorrichtung zum Aufsammeln fester Substanzen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einer Absorptionsmessvorrichtung (40).
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle elektromagnetischer Strahlung (41) eine Infrarotstrahlungsquelle ist.