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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Erfassung (Messung)
von Analyten in flüssigen Proben.
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Hintergrund der Erfindung
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Der
folgende Hintergrund der Erfindung dient dazu, dem Leser beim Verständnis
der Erfindung zu helfen, und wird nicht als Stand der Technik zugestanden.
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Im
Gesundheitswesen ist das diagnostische Testen von Körperflüssigkeiten
eine alltägliche Aktivität. Zunehmend wurden auch
Arbeitgeber, Regierungsbehörden, Sportmannschaften und
andere Organisationen in das diagnostische Testen miteinbezogen,
um die Arbeitsplatzsicherheit einzuhalten und die Einhaltung von
Gesetzen, Regeln und Verordnungen sicherzustellen.
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Es
ist allgemein notwendig, Vorrichtungen zum Sammeln von Körperflüssigkeiten
wie z. B. Urin zu verwenden und das Vorhandensein eines bestimmten
Analyten (z. B. eines Medikaments und/oder dessen Metaboliten, oder
eines Krankheitsindikators) zu erfassen. Solche Testvorrichtungen
erfordern im Allgemeinen, dass eine Probe in einen Probenbehälter
gelegt wird und dass ein Techniker von Hand einen Abschnitt eines
Teststreifens in die Probe einführt und untertaucht und
ihn dann herauszieht, um das Ergebnis abzulesen. Aufgrund des potentiellen
Kontakts des Technikers mit der Probe und den damit zusammenhängenden
Gesundheits- und Kontaminationsrisiken ist ein versiegelter Behälter zur
Vermeidung eines Kontakts wünschenswert. Verschiedene Mittel
wurden vorgeschlagen, um das Kontaktrisiko zu verringern, wie es
im
US-Patent Nr. 4,976,923 ,
dem
US-Patent Nr. 5,429,804 und
dem
US-Patent Nr. 6,726,879 gezeigt
ist, welche Testvorrichtungen mit in ihren Deckeln angebrachten
Teststreifen verwenden. Im Einsatz wird der Behälter umgedreht
oder geneigt, sodass die Probe die Streifen benetzen kann, um den
Test durchzuführen.
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Jüngst
hat die Verwendung von Testvorrichtungen durch andere Personen als
Gesundheitsfachpersonal zugenommen. Aufgrund der Tatsache, dass diese
Tests zunehmend von relativ unqualifizierten Technikern durchgeführt
und ausgewertet werden, sollte die Vorrichtung einfach zu bedienen
sein, um ein ausreichendes Eintauchen des Teststreifens sicherzustellen
und genaue Ergebnisse zu liefern.
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Daher
besteht anhaltender Bedarf nach Testvorrichtungen, die ein Minimum
an manueller Bedienung erfordern, während sie genaue und
zuverlässige Testergebnisse sicherstellen.
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Darstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Erfassung des
Vorhandenseins eines Analyten in einer flüssigen Probe
bereit. Die Vorrichtung besitzt eine Öffnung zum Einführen
der flüssigen Probe in eine erste Kammer zum Sammeln der
flüssigen Probe und eine zweite Kammer, die mit der ersten Kammer
durch einen Durchgang verbunden ist und ein Testelement enthält.
Die Vorrichtung besitzt auch eine dritte Kammer, die mit der zweiten
Kammer durch einen Kanal verbunden ist und ein bewegliches Element
mit einer ersten und einer zweiten Position enthält. Die
dritte Kammer wird vom beweglichen Element in eine erste und zweite
Zone aufgeteilt, und die erste Zone besitzt ein Belüftungsloch.
Das bewegliche Element befindet sich mit mindestens einer Wand der
dritten Kammer in Kontakt, um eine Gasverbindung zwischen der ersten
und zweiten Zone zu verhindern.
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In
einer Ausführungsform kann die Vorrichtung auch einen Deckel
zum Schließen der Öffnung aufweisen. Das Testelement
kann eine Probenkarte sein, die einen oder mehrere Probenteststreifen
enthält.
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In
einer Ausführungsform der Vorrichtung ist das bewegliche
Element ein Kolben. Der Kolben kann eine sich mit mindestens einer
Wand der dritten Kammer in Kontakt befindliche Dichtung enthalten, um
eine Gasverbindung zwischen der ersten und zweiten Zone der dritten
Kammer zu verhindern. Die dritte Kammer kann auch einen Boden aufweisen, und
in einer Ausführungsform liegt das Belüftungsloch
auf dem Boden der dritten Kammer. In einer Ausführungsform
besitzt der Kolben eine Schubstange, die sich zur Öffnung
des Behälters hin erstreckt. Der Deckel kann eine Oberfläche
besitzen, die die Schubstange berührt und herabdrückt,
wenn der Deckel auf die Öffnung aufgebracht wird.
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In
verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung besitzt
der Durchgang einen Durchmesser von weniger als 10 mm oder weniger
als 9 mm oder weniger als 8 mm oder weniger als 7 mm oder weniger
als 6 mm oder weniger als 5 mm oder weniger als 4 mm oder weniger
als 3 mm.
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In
einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung Verfahren
zur Erfassung des Vorhandenseins eines Analyten in einer flüssigen
Probe bereit. Die Verfahren umfassen das Einfüllen einer
flüssigen Probe in eine Testvorrichtung, wie hier beschrieben,
das Veranlassen des beweglichen Elements, sich aus der ersten Position
in die zweite Position zu bewegen und dabei ein Luftvolumen zu veranlassen,
aus der zweiten Kammer in die dritte Kammer gesaugt zu werden und
dadurch ein Volumen an Flüssigkeit zu veranlassen, durch
den Durchgang aus der ersten Kammer in die zweite Kammer gesaugt
zu werden, um das Testelement zu berühren, und das Erfassen
des Vorhandenseins des Analyten in der Probe.
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In
einer Ausführungsform umfassen die Verfahren das Berühren
des Deckels mit der Schubstange und das Herabdrücken der
Schubstange, wenn der Deckel auf die Vorrichtung aufgebracht wird,
und das sich dadurch ergebende Veranlassendes beweglichen Elements,
sich aus der ersten Position in die zweite Position zu bewegen.
In einer Ausführungsform bewirkt das Herabdrücken
der Schubstange und das Bewegen des beweglichen Elements aus der
ersten in die zweite Position, dass sich ein negativer Luftdruckgradient
in der dritten Kammer ausbildet und dass ein Luftvolumen aus der
zweiten Kammer in die dritte Kammer gesaugt wird. Die Bewegung des
Luftvolumens aus der zweiten Kammer in die dritte Kammer kann die
Ursache der Ausbildung eines negativen Luftdruckgradienten in der
zweiten Kammer sein. Mit Ausbildung eines negativen Luftdruckgradienten
ist gemeint, dass sich in einer Kammer ein Unterdruck (Vakuum) ausbildet,
wodurch veranlasst wird, dass Luft aus einer anderen Kammer in die
Kammer „gezogen wird", um das erzeugte Vakuum auszufüllen.
Der Luftdruckgradient bezieht sich auf eine Differenz der internen
Luftdrücke zwischen den beiden Kammern.
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In
einer Ausführungsform veranlasst der negative Luftdruckgradient
in der zweiten Kammer, dass die flüssige Probe aus der
ersten Kammer durch den Durchgang in die zweite Kammer fließt und
dabei das Testelement berührt. Das Herabdrücken
der Schubstange und das Bewegen des beweglichen Elements aus der
ersten Position in die zweite Position kann verursachen, dass ein
Luftvolumen durch das Belüftungsloch aus der ersten Zone
entweicht.
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Die
Darstellung der oben beschriebenen Erfindung ist nicht einschränkend
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung sowie aus den Ansprüchen offensichtlich
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine explodierte perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine weitere explodierte perspektivische Ansicht der Vorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem anderen
Blickwinkel.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung mit entferntem Deckel.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung mit entferntem Boden.
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5 ist
eine Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung, wobei eine flüssige Probe sowohl
in der ersten als auch in der zweiten Kammer aufgenommen ist.
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6 ist
eine vergrößerte Teilansicht der 5,
wobei die flüssige Probe nicht gezeigt ist, um die Struktur
eines Durchgangs deutlicher darzustellen.
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7 ist
eine Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung, die zeigt, dass ein Kolben in einer ersten
Position positioniert ist und die flüssige Probe nur in
der ersten Kammer aufgenommen ist.
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8 ist
eine vergrößerte Teilansicht der 7,
wobei die flüssige Probe nicht gezeigt ist, um die Struktur
eines Kanals deutlicher darzustellen.
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9 ist
eine Querschnittsansicht ähnlich der 7,
wobei der Kolben in einer zweiten Position positioniert ist und
ein Teil der flüssigen Probe in die zweite Kammer geflossen
ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
vorliegende Erfindung stellt Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung
des Vorhandenseins oder der Menge eines Analyten in einer flüssigen
Probe bereit. In einer Ausführungsform nimmt die Vorrichtung
die Form eines Bechers an, welcher eine flüssige Probe
zur Analyse aufnimmt. In einer Ausführungsform ist die
flüssige Probe Urin. Der Analyt kann jeder Analyt sein,
beispielsweise Glukose, ein Medikament/Droge oder ein Metabolit davon.
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Die
Vorrichtung verwendet ein System von Kammern, um die flüssige
Probe durch die Vorrichtung zu bewegen und das Vorhandensein oder
die Menge eines Analyten in den Proben zu erfassen. In einer Ausführungsform
besitzt die Vorrichtung drei Kammern, und die flüssige
Probe kann mithilfe von Luftdruck aus einer Kammer in die andere
bewegt werden. Die Oberflächenspannung der flüssigen
Probe kann verwendet werden, um die Flüssigkeit in einer
Kammer zu halten, bis der Benutzer soweit ist, die Probe durch Ausüben
von Luftdruck auf die Kammern in eine benachbarte Kammer zu bewegen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Luftdruck die
Form einer Zunahme oder einer Abnahme (z. B. die Ausbildung eines
Unterdrucks) des internen Luftdrucks annehmen. Die unterschiedlichen
Kammern der Vorrichtung sind durch Durchgänge, Kanäle und
Belüftungslöcher verbunden, welche den Transfer
von Luftdruck und Flüssigkeit zwischen den Kammern erlauben.
Die Vorrichtung besitzt auch ein bewegliches Element, das sich in
einer der Kammern befindet. In einer Ausführungsform ist
das bewegliche Element ein Kolben, und die Kammer ist ein Zylinder,
in dem der Kolben untergebracht ist. Wenn der Kolben aus einer ersten
Position in eine zweite Position bewegt wird, wird Luft aus der
dritten Kammer herausgedrängt und erzeugt ein Vakuum, das
auf die zweite Kammer übertragen wird, was einen Bruch
in der Oberflächenspannung der in der ersten Kammer befindlichen
Flüssigkeit verursacht und dadurch bewirkt, dass Flüssigkeit
aus der ersten in die zweite Kammer fließt. Mit Zylinder
ist eine Struktur gemeint, die das bewegliche Element enthält
und in welcher das bewegliche Element aus einer ersten Position
in eine zweite Position bewegt wird. Wenn die Kammer ein Zylinder
ist, muss sie nicht in allen Ausführungsformen eine perfekt
zylindrische Form besitzen, sondern kann in ihrer Form und Größe
variieren oder eine Form an einem Teil und eine andere Form an einem
anderen Teil annehmen, solange sie immer noch die von der Untersuchung
(dem Assay) erforderlichen Funktionen durchführt.
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In
einer Ausführungsform befindet sich das Testelement der
Vorrichtung in der zweiten Kammer, und daher beginnt die Analyse
der flüssigen Probe. In der in den Figuren dargestellten
Ausführungsform hat das bewegliche Element die Form einer
kolbenartigen Struktur mit einer allgemein zylindrischen Form. Jedoch
kann das bewegliche Element in anderen Ausführungsformen
jede geeignete Form annehmen.
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Analyten
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Eine
Vielzahl von Analyten kann von den Testelementen in der vorliegenden
Erfindung erfasst und quantifiziert werden. Der Analyt kann ein
Infektionserreger oder ein Anzeichen eines infizierten Zustands
sein. Der Analyt kann eine Droge sein (z. B. ein Rauschgift), ein
Hormon, ein Protein, ein Nukleinsäuremolekül,
ein ethiologisches Mittel oder ein spezifisches Bindungspaarelement.
Der Begriff „Rauschgift" (drug of abuse, DOA) bezieht sich
auf eine Droge, die aus nicht-medizinischen Gründen genommen wird
(gewöhnlich aufgrund bewusstseinsverändernder
Effekte). Der Missbrauch solcher Drogen kann zu physikalischen und
mentalen Schäden und (bei einigen Substanzen) zu Abhängigkeit,
Sucht und/oder zum Tod führen. Beispiele von DOAs umfassen
Kokain; Amphetamine (z. B. Black Beauties, White Bennies, Dextroamphetamine,
Dexies, Beans); Methamphetamine (Crank, Meth, Crystal, Speed); Barbiturate
(Valium®, Roche Pharmaceuticals,
Nutley, New Jersey); Sedative (d. h. Schlafmittel); Lysergsäurediethylamid
(LSD); Depressiva (Downers, Goofballs, Barbs, Blue Devils, Yellow
Jackets, Ludes); trizyklische Antidpressiva (PCA), z. B. Imipramin,
Amitriptilin und Doxepin); Phencyclidin (POP); Tetrahydorcannabinol
(THC, Kif, Marihuana, Hasch, Gras, usw.); und Opiate (z. B. Morphin,
Opium, Kodein, Heroin, Oxycodon). Legale Drogen, die aus medizinischen
Gründen genommen werden, bei denen jedoch leicht eine Überdosierung
auftreten kann, können auch unter Verwendung dieser Teststreifen
getestet werden, z. B. trizyklische Antidepressiva (Imipramin und Ähnliches)
und rezeptfreie Produkte, die Acetaminophen enthalten.
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Testelemente
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Als
Testelement können bequem Lateral Flow-Teststreifen gewählt
werden, welche weit verbreitet sind, um einen weiten Bereich von
Analyten zu testen. Jedoch kann jedes geeignete Testelement in der
vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Eine
Vielzahl von Testelementen können in die vorliegende Erfindung
eingegliedert werden. Eine Art von Testelement ist ein Teststreifen.
Teststreifen sind in einer Vielzahl von Formaten erhältlich,
wie z. B. dem Immunoassay- oder chemischen Testformat, um Analyten
von Interesse in einer Probe zu erfassen, wie z. B. ein Rauschgift
oder einen Metaboliten, der Anzeichen für den Gesundheitszustand
gibt. Teststreifen können auch entweder für nicht-kompetitive
oder kompetitive Assay-Formate konfiguriert sein. Bei einigen Formaten
besitzen die Teststreifen ein hoch absorbierendes Material mit einer
Probenaufbringzone, einer Reagenzzone und einer Testergebniszone.
Die Probe wird auf die Probenaufbringzone aufgebracht und fließt
durch Kapillarwirkung in die Reagenzzone. In der Reagenzzone löst
sich die Probe und vermischt sich mit den Reagenzien, die zur Erfassung
des Analyten (wenn vorhanden) notwendig sind. Die Probe, die nun
die Reagenzien trägt, fließt weiter zur Testergebniszone.
Zusätzliche Reagenzien werden in der Testergebniszone immobilisiert,
wie z. B. ein spezifisches Bindungsmolekül für
den Analyten. Diese Reagenzien reagieren mit dem Analyten (wenn
vorhanden) und binden ihn oder eines der ersten Reagenzien aus der
Reagenzzone. Markierungen zum Bereitstellen des messbaren Signals
können in der Reagenzzone vorhanden sein oder in einer
separaten Markierungszone.
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Typischerweise
wird in nicht-kompetitiven Formaten ein Signal erzeugt, wenn die
Probe den Analyten enthält, und es wird kein Signal erzeugt, wenn
der Analyt nicht vorhanden ist. In kompetitiven Formaten kann ein
Signal erzeugt werden, wenn kein Analyt vorhanden ist, und kein
Signal, wenn der Analyt vorhanden ist.
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Wenn
das Testelement eine Teststreifen ist, kann er aus hoch absorbierendem
oder nicht absorbierendem Material hergestellt sein. Ein Teststreifen kann
mehr als ein Material umfassen, welche sich dann in Fluidverbindung
befinden. Ein Material eines Teststreifens kann auf ein anderes
Material des Teststreifens aufgelegt werden, wie z. B. Filterpapier,
das auf Nitrocellulose aufgelegt ist. Alternativ oder zusätzlich
kann ein Teststreifen einen Bereich mit einem oder mehreren Materialien
gefolgt von einem Bereich mit einem oder mehreren unterschiedlichen Materialien
aufweisen. In diesem Fall befinden sich die Bereiche in Fluidverbindung
und können einander teilweise überlappen oder
nicht. Das Material oder die Materialien des Teststreifens können
auf einem Träger oder einer festen Oberfläche
gebunden werden, wie z. B. einer tragenden Kunststoffschicht, um
ihre Handhabungsfestigkeit zu erhöhen.
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In
Ausführungsformen, in denen der Analyt durch ein Signalerzeugungssystem
erfasst wird, wie z. B. durch ein oder mehrere Enzyme, die spezifisch mit
dem Analyten reagieren, können eine oder mehrer Komponenten
des Signalerzeugungssystems auf dieselbe Weise an die Analytenerfassungszonen
des Teststreifenmaterials angebunden werden, wie die oben beschriebenen
spezifischen Bindungselemente am Teststreifenmaterial angebunden
werden. Alternativ oder zusätzlich können Komponenten
des Signalerzeugungssystems, die in der Probenaufbringzone, der
Reagenzzone oder der Analytenerfassungszone des Teststreifens vorhanden
sind oder die überall im Teststreifen enthalten sind, in
ein oder mehrere Materialien des Teststreifens imprägniert
werden. Dies kann erzielt werden entweder durch die Oberflächenanwendung
von Lösungen solcher Komponenten oder durch Eintauchen
des einen oder der mehreren Teststreifenmaterialien in Lösungen
solcher Komponenten. Nach einer oder mehreren Anwendungen oder einer
oder mehreren Eintauchvorgängen wird das Teststreifenmaterial
getrocknet. Alternativ oder zusätzlich können
Komponenten des Signalerzeugungssystems, die in der Probenaufbringzone,
der Reagenzzone oder der Analytenerfassungszone des Teststreifens
vorhanden sind oder die überall im Teststreifen enthalten
sind, auf die Oberfläche eines oder mehrerer Teststreifenmaterialien
des Teststreifens aufgebracht werden, wie für die markierten
Reagenzien beschrieben wurde.
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Die
Zonen können wie folgt angeordnet werden:
Probenaufbringzone,
eine oder mehrere Reagenzzonen, eine oder mehrere Testergebnisbestimmungszonen,
eine oder mehrere Kontrollzonen, eine oder mehrere Verfälschungszonen
und eine Fluid absorbierende Zone. Wenn die Testergebnisbestimmungszone
eine Kontrollzone aufweist, folgt sie bevorzugt der Analytenerfassungszone
der Testergebnisbestimmungszone. Alle diese Zonen oder deren Kombinationen
können auf einem einzigen Streifen aus einem einzigen Material
bereitgestellt werden. Alternativ sind die Zonen aus unterschiedlichen
Materialien hergestellt und sind miteinander in Fluidverbindung verbunden.
Z. B. können sich die unterschiedlichen Zonen in direkter
oder indirekter Fluidverbindung befinden. In diesem Fall können
die unterschiedlichen Zonen Ende-an-Ende verbunden werden, um in
Fluidverbindung zu sein, überlappt werden, um in Fluidverbindung
zu sein, oder durch ein anderes Element in Verbindung gebracht werden,
wie z. B. ein Verbindungsmaterial, das bevorzugt hoch absorptionsfähig ist,
wie z. B. Filterpapier, Glasfasern (Glaswolle) oder Nitrocellulose.
Beim Einsatz eines Verbindungsmaterials kann das Verbindungsmaterial
Fluid von den Ende-an-Ende verbundenen Zonen oder solche Zonen enthaltenden
Materialien, Ende-an-Ende verbundenen Zonen oder solche Zonen enthaltenden
Materialien, die nicht in Fluidverbindung sind, oder Verbindungszonen
oder Materialien, die solche Zonen enthalten und überlappt
sind (beispielsweise ohne Einschränkung von oben nach unten),
sich jedoch nicht in Fluidverbindung befinden, übertragen.
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Vorrichtungen
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Mi
Bezug auf 1 und 2 kann die
Vorrichtung der Erfindung verwendet werden, um eine Körperflüssigkeit
wie z. B. Urin zu sammeln und das Vorhandensein oder die Menge eines
darin enthaltenen Analyten zu erfassen (z. B. ein Rauschgift und/oder
einen Metaboliten davon). Die Vorrichtung umfasst im Allgemeinen
einen Behälter 111 mit einer Öffnung 115 zum
Sammeln der flüssigen Probe, einen Deckel 101 zum
Verschließen der Öffnung und mindestens ein Testelement 137 zum
Durchführen eines Tests. In einer Ausführungsform
kann der Deckel 101 ein Deckel sein, der fest auf die Vorrichtung aufgeschraubt
wird, jedoch kann der Deckel in anderen Ausführungsformen
eingeschnappt oder mit einem geeigneten Mittel anderweitig sicher
befestigt werden. Die Vorrichtung kann auch eine Dichtung 109 zum
Abdichten des Behälters enthalten, wenn der Deckel 101 aufgebracht
wird. Im ersten Behälter 111 ist ein bewegliches
Element vorgesehen, wie z. B. ein Kolben 149, der im Behälter 111 beweglich
aufgenommen ist.
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Die
Teile der Vorrichtung können aus jedem geeigneten Material
geformt oder gegossen werden. Z. B. kann eine Vielzahl von Kunststoffen
verwendet werden. Mit Bezug auf die in den Figuren dargestellten
Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung einen becherähnlichen
Hauptkörper 111 und eine Basis 151, die
an einem Boden des Hauptkörpers 111 hermetisch
angebracht werden kann. Mit Bezug auf 3, 5, 7 und 9 besitzt
der Hauptkörper 111 eine Anzahl von miteinander
verbundenen vertikalen Seitenwänden 117, wobei
ein runder oberer Rand 113 die oberen Enden der Seitenwände
verbindet, und eine allgemein flache Bodenwand 207, die
die unteren Enden der Seitenwände verbindet. In dieser
Ausführungsform erstrecken sich zwei Innenwände 309 allgemein
parallel zu den beiden benachbarten Seitenwänden 117 und
verbinden sich mit ihnen an deren oberen Enden, um so eine zweite
Kammer 601 zu definieren, die das Testelement enthält. Der
obere Rand 113 definiert eine Öffnung 115 zum Einführen
der flüssigen Probe und kann Gewinde besitzen, die während
dem Ankoppeln des Deckels am Behälter 313 passend
mit entsprechenden Gewinden auf dem Deckel 101 eingreifen
können.
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Die
Vorrichtung besitzt ein bewegliches Element, das in gewissen Kammern
der Vorrichtung einen Luftunterdruck erzeugen kann, wenn es aus
einer ersten in eine zweite Position bewegt wird. In der in den
Figuren dargestellten Ausführungsform ist das bewegliche
Element ein Kolben 149. Ein Kolbengehäuse 111 ist
im Inneren des Hauptkörpers 111 ausgebildet und
befindet sich mit der zweiten Kammer 211, die das Testelement
enthält, in Luftverbindung. Das Kolbengehäuse 311 bildet
die dritte Kammer. In dieser Ausführungsform ist das Kolbengehäuse 311 wie
ein umgekehrter Trichter geformt und umfasst einen unteren zylindrischen
Abschnitt 303, der sich an der Bodenwand 207 des
Hauptkörpers 111 durch ein Belüftungsloch öffnet.
Das Kolbengehäuse besitzt auch einen oberen zylindrischen
Abschnitt 307, welcher einen kleineren Durchmesser als
der untere Abschnitt 303 besitzt, sowie einen verjüngten
Zwischenabschnitt 305, der den oberen und unteren Abschnitt verbindet.
Wie in 7 und detailliert in 8 gezeigt
ist, ist in dieser Ausführungsform der untere Abschnitt 303 des
Kolbengehäuses teilweise mit einer der Innenwände 309 verbunden,
und ein Kanal 801 ist im Verbindungsbereich ausgebildet,
um einen Luftaustausch zwischen der dritten Kammer 701 und der
zweiten Kammer 601 zu erlauben. Damit, dass sich die beiden
Kammern in „Luftverbindung" oder „Gasverbindung"
befinden, ist gemeint, dass eine Änderung des Luftdrucks
in einer Kammer eine Änderung des Luftdrucks in der anderen
Kammer bewirken wird oder dass sie bewirken wird, dass Fluid aus einer
Kammer in die andere gesaugt wird oder umgekehrt, oder dass Luft
in der Lage ist, sich zwischen den beiden (oder mehreren) Kammern
zu bewegen.
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Kammern
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Die
Kammern der Vorrichtung können jede Form oder Gestaltung
besitzen, die geeignet ist, um ihre Funktion in der Vorrichtung
zu erfüllen. In einer Ausführungsform kann die
dritte Kammer eine allgemein zylindrische, spritzenartige oder trichterförmige Form
annehmen, jedoch können auch andere Formen verwendet werden,
die das bewegliche Element und die erste und zweite Zone der dritten
Kammer tragen. Auch können die unterschiedlichen Zonen der
dritten Kammer verschiedene Formen annehmen. Auf ähnliche
Weise kann die zweite Kammer jede Form annehmen, die Testelemente
trägt, und die erste Kammer kann jede Form besitzen, die
das Einführen von Flüssigkeit in die Vorrichtung
unterstützt.
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Die
Bodenwand 207 des Hauptkörpers (die den Boden
der ersten Kammer bildet) enthält einen Durchgang 205 darin,
der die erste Kammer mit der zweiten Kammer 601 verbindet.
Der Durchgang 205 besitzt einen Durchmesser, der zu gering
ist, um es dem Fluid im Hauptkörper 111 zu erlauben,
unter Luftdruck, der im Wesentlichen gleich dem atmosphärischen
Druck ist, dort durchzufließen. Fluid wird unter einem
Luftunterdruck, der von der Bewegung des beweglichen Elements induziert
wird, aus der ersten Kammer in die zweite Kammer fließen.
In verschiedenen Ausführungsformen beträgt der Durchmesser
des Durchgangs weniger als 10 mm oder weniger als 9 mm oder weniger
als 8 mm oder weniger als 7 mm oder weniger als 6 mm oder weniger
als 5 mm oder weniger als 4 mm oder weniger als 3 mm oder sogar
noch weniger. In einer Ausführungsform beträgt
der Durchmesser des Durchgangs 205 ungefähr 4
mm oder ungefähr 5 mm oder ungefähr 3 mm oder
3 bis 5 mm. Während in der gezeigten Ausführungsform
der Durchgang eine Öffnung zwischen der ersten und zweiten
Kammer ist, kann der Durchgang auch andere Gestaltungen besitzen.
Z. B. kann in verschiedenen Ausführungsformen der Durchgang eine
gewundene (wellenförmige) Nut sein, die in der Bodenwand
des Hauptkörpers mit einem kleinen Querschnittsdurchmesser
definiert ist, oder irgendeine Öffnung oder irgendein Durchgang
sein, der die beiden Kammern verbindet. Die Bodenwand 207 umfasst
an ihrer unteren Oberfläche weiter eine Prägung 209 um
den offenen Bereich herum.
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Die
Basis 151 kann permanent am Hauptkörper 111 befestigt
werden. Die Basis 151 umfasst eine obere Wand 153,
eine untere Wand 213 und eine Einzäunungswand 155,
die die obere Wand 153 und die untere Wand 213 verbindet.
Die Einzäunungswand 155 und die Bodenwand 213 definieren
zusammen einen Hohlraum 157, der ein Teil der zweiten Kammer 601 ist
und einen Teil der flüssigen Probe aufnimmt. In dieser
Ausführungsform ist eine Nut 159 in einer Oberseite
der Einzäunungswand 155 ausgebildet, um mit der
Prägung 209 auf der Bodenwand 207 des
Hauptkörpers einzugreifen. Beim Zusammenbau des Hauptkörpers 111 und
der Basis 151 kann die Prägung 209 in
der Nut 159 eingebettet werden, und dann kann Ultraschallverschweißen
verwendet werden, um diese beiden Komponenten hermetisch abzudichten.
Verschiedene andere Verfahren können ebenfalls verwendet
werden, um die Basis und den Hauptkörper aneinander zu
befestigen, während eine gute Abdichtung dazwischen sichergestellt
wird. In verschiedenen Ausführungsformen können
thermisches Verschweißen, Verkleben oder Druckdichtungsringe
verwendet werden. Die Basis 151 umfasst des Weiteren beabstandete
Haltewände 161 zum Halten des Testelements, eine
Blockwand 163, um schnell fließendes Fluid (rapid
rate fluid) zu blockieren, sowie ein in der oberen Wand 153 definiertes
Belüftungsloch 165. Die Leistungsfähigkeit und
die Funktion der Haltewände, der Blockwand und des Belüftungslochs
werden im Folgenden detailliert beschrieben.
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Der
Deckel 101 kann mit dem Behälter 313 gekoppelt
werden, um die Probe im Behälter zu versiegeln. Zusätzlich
kann in der vorliegenden Erfindung die Kopplung des Deckels 101 am
Behälter auch verwendet werden, um einen Assay zu beginnen,
was unten in größerem Detail beschrieben wird. In
dieser Ausführungsform umfasst der Deckel 101 eine
Oberseite 103 und einen sich nach unten erstreckenden Flansch 105,
der eine Form hat, die der Form des Randes 113 des Behälters 313 entspricht, sodass
der Flansch am Rand ankoppeln kann. In der dargestellten Ausführungsform
ist die Oberseite 103 mit einer kreisförmigen
Vertiefung 107 ausgebildet, die eine untere Oberfläche 201 besitzt,
welche das bewegliche Element 215 herabdrücken
kann, während der Deckel 101 an den Behälter 313 gekoppelt wird.
Ein Dichtungselement 109, wie z. B. ein O-Ring, kann zwischen
dem Deckel 101 und dem Behälter 313 positioniert
werden, um eine Dichtung dazwischen bereitzustellen.
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Das
Testelement kann die Form einer Testkarte haben, welche jede Art
von Vorrichtung sein kann, die zur Untersuchung einer Probe konfiguriert ist.
In dieser Ausführungsform umfasst das Testelement eine
Probenkarte (assay card) 119 zum Erfassen des Vorhandenseins
oder der Menge eines Analyten in der Probe, und die Vorrichtung
umfasst weiter eine Verfälschungstestkarte 131 zur
Erfassung der Kontaminierung der Probe. Jede Karte 119 (131)
besitzt eine derartig gestaltete Größe und Form,
dass sie in einen oberen Abschnitt 211 der zweiten Kammer 601 der
Vorrichtung eingesetzt wird und von den Haltewänden 161 der
Basis 151 gehalten wird. In anderen Ausführungsformen
kann die Karte von jedem geeigneten Mittel im zweiten Raum 601 gehalten werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann jede Karte 119 (131)
eine Platte 121 (133) mit einer Gruppe von darin
definierten Schlitzen 123 (135), eine Anzahl von
in den Schlitzen gehaltenen Probenstreifen 125 oder Verfälschungsstreifen 137 und
eine Abdeckung 127 (139), die an einer Oberfläche
der Platte anhaftet und Fenster 129 (141) zur
Beobachtung des Testergebnisses aufweist, besitzen.
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Das
bewegliche Element 215 ist beweglich im Kolbengehäuse 311 vorhanden.
In dieser Ausführungsform ist das bewegliche Element ein
Kolben 215. Der Kolben 215 umfasst eine längliche
Schubstange 147, die sich durch den oberen Abschnitt 307 des
Kolbengehäuses 311 zur Öffnung 115 des
Behälters 313 erstreckt, einen Kolbenkörper 149,
der mit einem Ende der Schubstange 147 verbunden ist und eine
Größe und Form besitzt, die dazu gestaltet ist,
in den unteren Abschnitt 303 des Kolbengehäuses 311 beweglich
zu sein, und einen ersten Dichtungsring 143, der um die
Schubstange 147 gehalten wird, sowie einen zweiten Dichtungsring 145,
der um den Kolbenkörper 149 herum gehalten wird.
In der in den Figuren dargestellten Ausführungsform besitzen
die Dichtungsringe 143 und 145 die Form von kreisförmigen
Gummi- oder Kunststoffringen. Jedoch können die Dichtungsringe
aus jedem geeigneten Material hergestellt sein und können
jede Form annehmen, die in der Vorrichtung funktioniert.
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Mit
Bezug auf 5 bis 9 ist in
dieser Ausführungsform die Basis 151 permanent
am Hauptkörper 111 befestigt, um einen einstückigen Behälter 313 auszubilden.
In diesem zusammengebauten Zustand wird eine erste Kammer 301 im
Inneren des Hauptkörpers 111 definiert, um die
durch die Öffnung 115 eingeführte flüssige
Probe zu speichern. Ein zweite Kammer 601 des Hauptkörpers 111 kann auch
einen Hohlraumabschnitt 157 umfassen, der teilweise von
der Basis 151 definiert wird, und einen oberen Abschnitt 211 umfassen,
um das Testelement aufzunehmen. Ein Durchgang 205 ist vorgesehen, um
es der flüssigen Probe zu erlauben, aus der ersten Kammer 115 in
die zweite Kammer 601 zu fließen. Der Durchgang
ist so bemessen, dass die Oberflächenspannung der flüssigen
Probe die Probe daran hindern wird, aus der ersten in die zweite
Kammer zu fließen, bis es vom Unterdruck, der durch Herabdrücken
des Kolbens in der dritten Kammer erzeugt wird, in die zweite Kammer „gezogen"
oder gesaugt wird. In der vorliegenden Ausführungsform
ist der Durchgang 205 eine Bohrung mit geringer Größe, wie
zuvor erwähnt wurde.
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Eine
dritte Kammer 701 ist im Inneren des Kolbengehäuses 311 definiert,
wie in 7 und 9 gezeigt ist, wenn der Kolben 215 im
Kolbengehäuse 311 aufgenommen ist, wobei der erste
und zweite Dichtungsring 143 bzw. 145 dazu dienen,
eine Dichtung in der dritten Kammer 701 bereitzustellen. Die
dritte Kammer 701 enthält eine erste Zone 901 und
eine zweite Zone 902, wobei die erste Zone der Bereich
unterhalb des beweglichen Elements ist, und die zweite Zone der
Bereich oberhalb des beweglichen Elements ist. Daher ändert
sich das Volumen der ersten und zweiten Zone, wenn das bewegliche Element
von einer Position in eine zweite Position bewegt wird. Wenn sie
vorhanden sind, können die Dichtungsringe die erste Zone
von der zweiten Zone der dritten Kammer trennen. In der dargestellten
Ausführungsform ist die erste Zone 901 der Raum
in der dritten Kammer unterhalb des zweiten Dichtungsrings 145,
und die zweite Zone 902 ist der oberhalb des ersten Dichtungsrings 145 und
unterhalb des zweiten Dichtungsrings 143 definierte Raum.
Wenn sich der Kolben 215 in der dritten Kammer 701 bewegt,
bleiben der erste bzw. der zweite Dichtungsring 143, 145 mit
der Innenfläche des oberen bzw. unteren Abschnitts 303, 307 des
Kolbengehäuses 311 in Kontakt, um eine Luftverbindung
zwischen der ersten und zweiten Zone 901, 902 zu
verhindern. Der Kanal 801 erlaubt den Durchtritt von Luft
aus der zweiten Kammer in die dritte Kammer, wenn das bewegliche Element
in der dritten Kammer abgesenkt wird. Der Kanal 801 kann
jede geeignete Gestalt annehmen, ist jedoch praktischerweise als Öffnung
vorhanden, die eine Luftverbindung zwischen der zweiten Kammer und
der dritten Kammer erlaubt.
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Verwendungsverfahren
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Im
Einsatz wird eine flüssige Probe, wie z. B. Urin, zuerst
in die erste Kammer des Behälters eingeführt.
Die in die erste Kammer 115 gelegte flüssige Probe
wird in der ersten Kammer verbleiben und wird nicht durch den Durchgang 205 fließen,
da die Oberflächenspannung der flüssigen Probe
ausreichend ist, um sie daran zu hindern, durch den Durchgang zu fließen,
bis sie von einer in der zweiten Kammer 601 erzeugten Unterdruckkraft
durchgesaugt wird.
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Der
Deckel 101 wird dann am Behälter 313 angekoppelt,
wie z. B. durch Aufschrauben des Deckels auf den Behälter.
Mit Bezug auf 7 befindet sich der Kolben 215 am
Anfang der Untersuchung (des Assays) in einer ersten erhöhten
Position. In der ersten Position erstreckt sich die Oberseite der Schubstange 147 in
der ersten Kammer um einen ausreichenden Abstand nach oben, sodass,
wenn der Deckel aufgebracht wird, die Vertiefung 107 im Deckel
die Oberseite der Schubstange berühren wird. Der Kolbenkörper 149 liegt
im unteren Abschnitt 303 des Kolbengehäuses 311.
In einer Ausführungsform liegt der Kolbenkörper 149 auf
einer Anzahl von Rippen auf, die aus einer Innenfläche
des Zwischenabschnitts 305 hervorstehen. Wenn der Kolben
sich in der ersten erhöhten Position befindet, ist das
Luftvolumen in der zweiten Zone 902 der dritten Kammer 701 relativ
gering im Verhältnis zum Luftvolumen in der zweiten Zone 902,
wenn der Kolbenkörper 149 sich in der zweiten
abgesenkten Position befindet.
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Wenn
der Deckel 101 auf den Behälter aufgeschraubt
wird, kommt die untere Oberfläche 201 der kreisförmigen
Vertiefung 107 mit der Oberseite der Schubstange 147 in
Kontakt und übt eine nach unten gerichtete Kraft auf die
Schubstange aus, um die Bewegung des Kolbens entlang seiner axialen Richtung
aus der ersten erhöhten Position in die zweite abgesenkte Position
zu bewirken. Mit der Bewegung des Kolbens aus der ersten Position
in die zweite Position wird aus dem Belüftungsloch Luft
aus der ersten Zone herausgedrängt. Gleichzeitig wird in der
zweiten Zone ein Unterdruck erzeugt, was verursacht, dass Luft aus
der zweiten Kammer 601 in die zweite Zone der dritten Kammer „hineingezogen" wird,
um das Vakuum zu füllen. Dieser Vorgang erzeugt dadurch
auch einen entsprechenden Unterdruck in der zweiten Kammer 601,
der die flüssige Probe in der ersten Kammer 115 durch
den Durchgang 205 in die zweite Kammer 601 „zieht",
um den Unterdruck zu neutralisieren, da die Unterdruckkraft ausreichend
ist, um die Oberflächenspannung der flüssigen
Probe am Durchgang zu überwinden. Dies verursacht daher,
dass die flüssige Probe die Testelemente im oberen Abschnitt 211 der
zweiten Kammer berührt. Das Belüftungsloch kann
bevorzugt als Öffnung gestaltet werden, die den Durchtritt
von Luft erlaubt, kann jedoch auch jede andere geeignete Gestaltung
annehmen, die mit dessen Funktion konsistent ist. Mit Bezug auf 5 und 6 ist
in einer Ausführungsform eine Barrierewand 163 direkt
im Flussweg der aus der ersten Kammer in die zweite Kammer kommenden
Flüssigkeit gelegen. Diese Barrierewand 163 dient
dazu, einen Teil der flüssigen Probe, der in die zweite
Kammer 601 eintritt, zu blockieren, und verhindert, dass
die flüssige Probe eine Flussrate erreicht, die so hoch
ist, dass sie die Streifen 125, 137 beschädigt
oder sie flutet. Die Barrierewand 163 macht es nötig,
dass die Flüssigkeit unter einem rechten Winkel wendet,
bevor sie die Teststreifen berührt, wodurch bewirkt wird,
dass die flüssige Probe sich verlangsamt und auf eine geordnetere Weise
ein Ende jedes Streifens 125, 137 berührt. Das
erleichtert das durch die Kapillarwirkung bewirkte Vordringen der
flüssigen Probe durch den Teststreifen bis zur Testlinie,
und ein sichtbares Ergebnis wird im Ergebnisfenster 129, 141 gezeigt.
Die Seitenwände 117 des Behälters 313 können
transparent oder halbtransparent sein, um durch sie eine visuelle Beobachtung
der Streifen zu ermöglichen.
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Wenn,
wie in 9 gezeigt, der Kolben 211 aus der ersten
Position in die zweite Position bewegt wird, hat die in die zweite
Kammer 601 eingesaugte flüssige Probe ein Volumen,
das die Teststreifen ausreichend eintaucht, jedoch keine Flutung
verursacht. Der Kolben 211 kann während der Herstellung
so eingestellt werden, dass die Bewegung aus der ersten Position
in die zweite Position eine geeignete Menge an flüssiger
Probe einsaugt. Zusätzlich kann die erste Position auch
bei der Herstellung voreingestellt werden, die zweite Position jedoch
kann vom Benutzer gesteuert werden. Z. B. kann eine Markierung als
Indikator am Rand 113 vorgesehen werden, um anzuzeigen,
dass wenn der Deckel 111 auf diese Linie geschraubt wird,
der Kolben die zweite Position erreicht hat. In dieser Ausführungsform
kann die zweite Position erreicht werden, wenn der Deckel 101 vollständig am
Behälter 313 angekoppelt ist. Somit kann der Benutzer
die Untersuchung (Assay) in einem einzigen Schritt der Befestigung
des Deckels am Behälter beginnen, und der Test kann durchgeführt
werden.
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Beispiel 1
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Dieses
Beispiel veranschaulicht die allgemeine Verwendung einer Vorrichtung
der Erfindung. Wasser wurde in fünf als Urinbecher ausgestaltete Vorrichtungen
der Erfindung eingegossen. Nach einer Stunde verblieb die Wasserprobe
in der ersten Kammer des Bechers und ist nicht durch Passieren des
Durchgangs in die zweite Kammer eingetreten. Die Deckel wurden dann
an den Bechern angebracht, wodurch die Schubstange herabgedrückt wurde
und der Kolben aus der ersten Position in die zweite Position bewegt
wurde, als der Deckel aufgebracht wurde.
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Nach
fünf Minuten wurde beobachtet, dass Wasser durch den Durchgang
in die zweite Kammer eingetreten ist. Die Wasserprobe benetzte die
Teststreifen, ohne sie zu fluten. Der Becher wurde dann in einen
barometrischen Behälter gelegt und drei Minuten lang einem
barometrischen Druck von 0,7 unterzogen. Kein Austreten wurde beobachtet.
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Beispiel 2
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Dieses
Beispiel veranschaulicht die Verwendung einer Vorrichtung der Erfindung
zur Erfassung von Rauschgiften in menschlichem Urin unter Verwendung
eines kompetitiven Assays. Somit würde eine Linie an der
Testlinie auftreten, wenn kein Analyt in der Probe vorhanden wäre.
Ein Teststreifen zum Nachweisen der folgenden Analyten war vorhanden: THC,
Opiate (OPI), PCP und Methamphetamin (MET).
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Proben
von drogenfreiem Urin, Urin mit einem –50%-Cutoff, Urin
mit einem +50%-Cutoff, und einem dreifachen Cutoff wurden angeordnet.
Jede Probe wurde dreimal unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung analysiert, indem die Urinprobe in den Becher gelegt
wurde und der Deckel angebracht wurde, wodurch die Untersuchung (Assay)
begann.
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Nach
fünf Minuten wurden die Ergebnisse beobachtet. In der drogenfreien
Urinprobe wurde für die drei Wiederholungen auf der Testlinie
aller Analyten eine helle Linie beobachtet, was für alle
Analyten ein negatives Ergebnis anzeigte. Bei der Probe mit –50%-Cutoff
wurde bei allen drei Wiederholungen für alle Analyten eine
Linie beobachtet, was für alle Analyten ein negatives Ergebnis
anzeigte. Bei den Proben mit +50%-Cutoff trat bei jeder der drei
Wiederholungen entweder keine Linie oder eine sehr schwache Linie
auf, was für alle Proben ein positives Ergebnis anzeigte.
Bei den Proben mit dreifachem Cutoff war keine Linie sichtbar, was
ein positives Ergebnis anzeigte.
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Die
hier veranschaulichend beschriebene Erfindung kann in Abwesenheit
eines beliebigen Elements oder beliebiger Elemente, Einschränkung
oder Einschränkungen praktiziert werden, die hier nicht spezifisch
offenbart wurden. Die Begriffe und Ausdrücke, die verwendet
wurden, werden zur Beschreibung eingesetzt und sind nicht einschränkend,
und es besteht keine Absicht, dass die Verwendung solcher Begriffe
und Ausdrücke irgendwelche Äquivalente der gezeigten
und beschriebenen Merkmale oder ihrer Teile ausschließt,
jedoch wird anerkannt, dass verschiedene Abwandlungen innerhalb
des beanspruchten Schutzbereichs der Erfindung möglich sind.
Somit sollte zu verstehen sein, dass obwohl die vorliegende Erfindung
spezifisch durch verschiedene Ausführungsformen und optionale
Merkmale offenbart wurde, der Fachmann auf eine Abwandlung und Änderung
der hier offenbarten Konzepte zurückgreifen kann, und dass
solche Abwandlungen und Änderungen als innerhalb des Schutzbereichs
dieser Erfindung anzusehen sind, wie er von den beigefügten Ansprüchen
definiert ist.
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Der
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die hier erwähnt oder zitiert wurden, werden hierbei durch
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wie wenn jede einzelne Veröffentlichung spezifisch und
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4976923 [0004]
- - US 5429804 [0004]
- - US 6726879 [0004]