DE3038017C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusionsschalter, der beispielsweise zur raschen Gewinnung eines aliquoten Teils einer flüssigen Komponente einer Gesamtblutprobe dienen kann, wobei ein genauer aliquoter Teil durch eine sorgfältig gesteuerte gegenseitige Diffusion zwischen zwei porösen Me­ dien über einen Schalter für eine Molekulardiffusion erhal­ ten wird. Der Molekularschalter bewirkt eine zeitlich genau gesteuerte Diffusion von Substanzen von einem porösen Medium zum andern, so daß ein bestimmter Betrag (aliquoter Teil) von Material genau überführt werden kann. Der Molekularschalter besteht aus einer undurchlässigen Schicht, die als Barriere oder Isolierungsmittel zwischen den beiden porösen Medien dient. Vorzugsweise ist die undurchlässige Schicht ein un­ mischbares Fluid (d. h. ein Gas oder eine Flüssigkeit), das leicht aus dem Raum zwischen den porösen Medien entfernt und anschließend wieder dazwischengeschaltet werden kann.

Wenn beispielsweise die diffundierende Substanz oder die diffundierenden Substanzen in einem wäßrigen Lösungs­ mittel vorhanden ist bzw. sind, kann eine hydrophobe Sub­ stanz als unmischbare Barrieren- oder Sperrflüssigkeit ver­ wendet werden. Wenn die diffundierende Substanz bzw. die diffundierenden Substanzen hydrophob ist bzw. sind, kann als Barrieren- bzw. Sperrflüssigkeit eine hydrophile Substanz verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung von Mit­ teln zum genauen Steuern der Diffusion einer Substanz zwischen zwei porösen Medien sowie zum Erhalt eines aliquoten Teils einer Substanz durch zeitlich gesteuerte Diffusionsverfahren.

Gegenstand der Erfindung ist der in Anspruch 1 gekenn­ zeichnete Diffusionsschalter.

Gemäß der Erfindung wird also eine zeitgesteuerte Dif­ fusion auf genauere Weise erzielt als dies bisher bekannt war, indem man einen Schalter oder ein Ventil für eine Mole­ kulardiffusion verwendet. Der Schalter für die Molekular­ diffusion enthält eine undurchlässige Barrieren- oder Sperr­ schicht, die zwischen zwei porösen Medien angeordnet ist, über die die Diffusion erfolgen soll. Die undurchlässige Barrieren- oder Sperrschicht wird entfernt und anschließend wieder hergestellt, so daß die Diffusion über die porösen Medien genau zeitgesteuert ist. In einer bevorzugten Anordnung be­ steht die undurchlässige Barrieren- oder Sperrschicht aus einem unmischbaren Fluid, das zwischen den beiden porösen Medien, die die diffundierbaren Spezies enthalten, angeord­ net ist. Das undurchlässige Barrierenfluid läßt sich leicht aus dem Raum zwischen den porösen Medien entfernen und anschließend erneut einbringen, so daß man das Ziel erreicht, das Ingang­ setzen und die Dauer der Diffusion zwischen den beiden po­ rösen Medien genau zu steuern, um einen genauen aliquoten Teil der diffundierenden Spezies zu erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert, worin

Fig. 1 bis 3a Qurschnitte durch den auf seiner Ober­ fläche mit einem zum Eindiffundieren bestimmten Fluid zu beschickenden oberen Teil des in Fig. 7a dargestellten Dif­ fusionsschalters gemäß der Erfindung in drei aufeinanderfol­ genden Zuständen,

Fig. 3b einen Querschnitt durch den oberen Teil des Diffusionsschalters gemäß Fig. 7a mit einer alternativ be­ handelten Oberfläche im Zustand gemäß Fig. 3a,

Fig. 4a, 4b und 4d bis 4f Querschnitte einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusionsschalters in aufeinanderfolgenden Zuständen,

Fig. 4c eine Draufsicht auf die in Fig. 4a, 4b bzw. 4d bis 4f gezeigten Vorrichtung,

Fig. 5a und 5b Querschnitte einer weiteren Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Diffusionsschalters in aufeinanderfolgenden Zuständen,

Fig. 6a eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusionsschalters,

Fig. 6b einen Querschnitt des Diffusionsschalters gemäß Fig. 6a in in Betrieb befindlichem Zustand,

Fig. 7a bis 7c Querschnitte von aufeinanderfolgenden Zuständen einer weiteren Ausführungsform des Diffusions­ schalters gemäß der Erfindung, und

Fig. 8 einen Querschnit durch eine automatisierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusionsschalters gemäß Fig. 6a und 6b darstellen.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Gesamtblut­ analysen, um die Erfindung zu erläutern, jedoch ist die Er­ findung nicht auf eine Anwendung auf Gesamtblutanalysen beschränkt.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 4a bis f dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind poröse Medien 50 a bzw. 50 b benachbart zuein­ ander angeordnet, wobei eine dünne undurchlässige Schicht im Hohlraum 52 zwischen ihnen vorhanden ist, wie aus der Zeichnung zu ersehen.

An Hand der Fig. 1 bis 3a wird zunächst erläutert, wie ein aliquoter Teil einer Plasmaprobe in ein poröses Medium 50 a eingebracht wird.

Fig. 1 zeigt schematisch das poröse Medium 50 a in ebener Form. Das poröse Medium 50 a kann im Falle der Blutanalyse ein wäßriges Gel sein. Ein Tropfen Blut 79, der analysiert werden soll, wird gemäß Fig. 2 über das poröse Medium 50 a gebracht. Das Plasma des Gesamtblutes durchdringt und sättigt das porö­ se Medium 50 a vollständig und nahezu unverzüglich, weil das poröse Medium 50 a sehr dünn ist und ein sehr geringes Volumen besitzt.

Die Porengröße des porösen Mediums wird so gewählt, daß Erythrocyten (Hämatokrit) und andere große Blutproteine ausge­ schlossen werden. Hämatokritwirkungen stellen bei der Erzie­ lung eines aliquoten Teils des Plamas keine Schwierigkeit dar, weil die Sättigung des porösen Mediums 50 a nahezu unverzüglich erfolgt.

Nachdem das poröse Medium 50 a mit dem Plasma aus der Blutprobe 79 gesättigt worden ist, kann der Rest der Probe 79 von der Oberfläche 51 des porösen Mediums 50 a entfernt werden. Gemäß Fig. 3a wird der Blutrest mit einem Gummiquetscher oder einem Wischblatt 13 entfernt, der bzw. das quer über die Ober­ fläche 51 des porösen Mediums 50 a in Richtung des Pfeils 14 gezogen wird.

Eine weitere Möglichkeit, den Blutrest zu entfernen, be­ steht in der Anwendung eines Wasch- oder eines Luftstrahls 15, wie in Fig. 3b gezeigt. Eine Düse 16 kann einen Druckluft­ strahl oder einen hydrophoben Waschstrahl 15 (wenn eine wäß­ rige Probe wie Blut verwendet wird) abgeben. Es muß allerdings dafür Sorge getragen werden, daß kein Plasma aus dem porösen Medium 50 a herausgezogen wird.

Wenn eine Umsetzung zwischen der zu bestimmenden Substanz und dem Reagenz in Gang gesetzt werden soll, wird die undurch­ lässige Schicht aus dem Zwischenraum 52 zwischen den porösen Medien 50 a und 50 b, wie durch den Pfeil in Fig. 4b angedeutet, entfernt. Dadurch wird eine Diffusion der Probe aus dem porö­ sen Medium 50 a in der poröse Medium 50 b veranlaßt. Das poröse Medium 50 b enthält das Reagenz bzw. die Regenzien, das bzw. die zur Erzielung einer Umsetzung, beispielsweise einer Farb­ änderung, mit dem zu analysierenden Bestandteil benötigt wird bzw. werden.

Ein Verfahren zur Messung besteht darin, durch die Um­ setzung von zu untersuchender Substanz und Reagenz eine Fär­ bung zu erzeugen, die beobachtet und analysiert wird, indem man einen Lichtstrahl durch die porösen Medien 50 a und 50 b auf einen - nicht dargestellten - Detektor eines Kolorimeters richtet.

Gemäß den Fig. 4a bis 4f sind zwei oder mehr kreisför­ mige poröse Medien oder Membranen 50 a, 50 b, 50 c usw. vorge­ sehen, die an der Peripherie mit Hilfe eines inerten, nicht­ porösen Abstandshalters 55 verbunden sind. Das erste poröse Medium 50 a wird auf seiner Oberfläche 51 mit der Blutprobe bedeckt, wie oben angegeben. Die porösen Medien 50 b und 50 c können ein Reagenz zur Umsetzung mit einem zu bestimmenden Bestandteil der Blutprobe enthalten, der in das poröse Medium 50 a hineindiffundiert ist.

Zu Anfang existiert zwischen den porösen Medien 50 a und 50 b, wie in Fig. 4a dargestellt, oder zwischen den porösen Medien 50 a und 50 b sowie zwischen den porösen Medien 50 b und 50 c, wie in Fig. 4d dargestellt, ein Hohlraum 52, der mit Luft oder mit einer Sperrflüssigkeit gefüllt sein kann, wie weiter unten erläutert wird. Jeder Hohlraum 52 steht mit einer Leitung 53 in Verbindung, die ein Ventil 54 enthält. Ein umkehrbares Vakuumsteuermittel 56 ist in jeder Leitung 53 in Form einer Pumpe angeordnet, um Fluid aus jedem entspre­ chenden Hohlraum 52 heraus- bzw. in den Hohlraum hineinzu­ pumpen.

Wie oben erwähnt, ist die Oberfläche 51 des porösen Mediums 50 a mit einer Gesamtblutprobe bedeckt, bis das poröse Medium 50 a mit dem Plasma der Probe vollständig gesättigt ist. Danach wird der Rest der Blutprobe von der Oberfläche 51 entfernt und die porösen Medien 50 a und 50 b werden, wie in den Fig. 4b und 4e dargestellt, miteinander in Berührung gebracht. Diese Berührung wird dadurch herbeigeführt, daß der Hohlraum 52 zwischen den porösen Medien 50 a und 50 b evakuiert wird. Das Ventil 54, das in den entsprechenden Leitungen 53 angeordnet ist, wird geöffnet, und das Vakuum­ steuermittel 56 pumpt die Luft oder die Barrieren- oder Sperrflüssigkeit aus dem Hohlraum 52 heraus.

Die einander berührenden porösen Medien 50 a und 50 b gestatten nunmehr eine gegenseitige Diffusion des zu be­ stimmenden Bestandteils der Probe und des Reagenzes. Gewünsch­ tenfalls kann ein weiteres Reagenz in dem porösen Medium 50 c nachfolgend mit den Produkten der ersten Umsetzung durch Diffusion zur Umsetzung gebracht werden, indem man analog den Hohlraum 52 zwischen den porösen Medien 50 b und 50 c evakuiert, wie in Fig. 4f dargestellt.

Zu dem Zeitpunkt, wenn es geboten ist, die Diffusion abzubrechen, wird die Luft oder die Flüssigkeit in den Hohlraum 52 zurückgepumpt.

Gemäß den Fig. 5a und 5b sind in einer weiteren Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwei poröse, hydrophile Medien in Form von Membra- oder Gelschichten 60 a und 60 b vorgesehen, die normalerweise durch ein magnetisches, hydrophobes Fluid voneinander getrennt werden. Wie oben er­ wähnt, wird die - nicht gezeigte - Gesamtblutprobe auf die Oberfläche 60 des porösen Mediums 60 a aufgebracht und das Plasma der Blutprobe zur Sättigung in das poröse Medium 60 a eindiffundieren gelassen. Der restliche Blutanteil auf der Oberfläche 60 wird anschließend entfernt. Nach der Sättigung des porösen Mediums 60 a sollen die zu bestimmenden Bestand­ teile des Plasmas mit einem farberzeugenden Reagenz oder mit farberzeugenden Reagienzien, das bzw. die in dem porösen Medium 60 b enthalten sind, umgesetzt werden. Die Umsetzung zwischen dem zu bestimmenden Bestandteil und dem Reagenz wird dadurch zustande gebracht, daß man die porösen Medien 60 a und 60 b zur Berührung bringt, so daß eine gegenseitige Dif­ fusion der Reaktionsteilnehmer erfolgen kann, wie in Fig. 5b dargestellt. Bis eine derartige Berührung erzielt wird, verhindert das hydrophobe, magnetische Fluid 61, daß eine Diffusion zwischen dem porösen Medium 60 a und 60 b in nennenswertem Umfang stattfindet. Das magnetische Fluid 61 wirkt somit als Barrieren- oder Sperrschicht zwischen den porösen Medien 60 a und 60 b.

Die porösen Medien 60 a und 60 b können kreisförmig sein und können an der Peripherie durch einen ringförmigen, iner­ ten, nichtporösen Abstandshalter 62 miteinander verbunden sein. An der Peripherie sind auch Elektromagnete 63 angeord­ net, die nach dem Einschalten, wie in Fig. 5b dargestellt, das magnetische Fluid 61 anziehen und somit veranlassen, daß das magnetische Fluid 61 sich an der Peripherie der porösen Medien 60 a und 60 b konzentriert. Da somit das magnetische Fluid aus dem Mittelteil abgezogen ist, berühren sich die porösen Medien 60 a und 60 b, wie dargestellt, und es erfolgt eine gegenseitige Diffusion mit anschließender Farbstoffbil­ dung in dem Mittelteil 65. Die Farbentwicklung ist für den zu untersuchenden Bestandteil in der Flüssigkeitsprobe kenn­ zeichnend. Die Färbung kann mit Hilfe herkömmlicher kolori­ metrischer oder spektrofotometrischer Verfahren, wie oben erwähnt, abgelesen und ausgewertet werden.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgmäßen Dif­ fusionsschalters ist in den Fig. 6a und 6b erläutert. Hier werden wiederum zwei poröse, hydrophile Medien in Form von Membranen oder Gelen 70 a und 70 b, von denen jedes einen zu untersuchenden Bestandteil der Probe bzw. ein Reagenz enthält, durch eine hydrophobe, flüssige Sperrschicht 71 (Fig. 6a) voneinander getrennt. Die porösen Medien 70 a und 70 b können kreisförmig sein und an ihrer Peripherie durch einen ring­ förmigen, inerten, nichtporösen und nichtdargestellten Ab­ standshalter befestigt sein. Ein beispielsweise in Form eines rechteckigen Rahmens umlaufender, magnetisierbarer Ring 73 umgibt und haltert eine starre, transparente Plat­ te 74, die ihrerseits das poröse Medium 70 b trägt. Auf der Oberseite des porösen Mediums 70 a ist eine Magnetspule 75, die um eine hohle, magnetisierbare Röhre 76 gewickelt ist, angeordnet. Wenn die Spule 75 eingechaltet wird, verursacht der Ring 73, daß die Platte 74 gegen das poröse Mediuem 70 b stößt. Dadurch werden die porösen Medien 70 a und 70b mit­ einander in Berührung gebracht und die Flüssigkeit 71, wie in Fig. 6b dargestellt, verdrängt.

Durch die hohle Röhre 76 sowie durch die porösen Me­ dien 70 a, 70 b und die transparente Platte 74 kann Licht auf einen Detektor 72 eines Kolorimeters gerichtet werden. Auf diese Weise kann die sich zwischen Reagenz und zu bestim­ mendem Bestandteil ausbildende Färbung zur Bestimmung der Konzentration des zu bestimmenden Bestandteils verwendet werden.

Gemäß den Fig. 7a, 7b und 7c wird in einer weiteren Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Diffusion zwischen zwei entsprechenden porösen Medien in Form von Schichten 80 a und 80 b während einer gegebenen Zeitdauer auf­ rechterhalten, um eine meßbare Umsetzung zwischen dem zu unter­ suchenden Probenbestandteil und dem Reagenz zu bewirken. Die Blutprobe 79 wird auf das poröse Medium 80 a aufgebracht. Die zu bestimmenden Bestandteile in dem Plasma der Blutprobe 79 diffundieren in das poröse Medium 80 a ein, bis die Schicht gesättigt ist. Eine Barrieren- oder Sperrschicht 81 aus einem unmischbaren Fluid wird aus dem Zwischenraum zwischen den po­ rösen Medien 80 a und 80 b über Leitung 82, das offene Ventil 83 und das Vakuumsteuermittel (Pumpe) 84 herausgezogen. Dadurch wird verursacht, daß die porösen Medien 80 a und 80 b einander berühren und die Reagenzien in dem porösen Medium 80 b und der zu bestimmende Bestandteil bzw. die zu bestimmenden Bestand­ teile in dem porösen Medium 80 a gegenseitig diffundieren, wie in Fig. 7b dargestellt. Die Umsetzung zwischen dem zu bestim­ menden Bestandteil und dem Reagenz wird in dem porösen Me­ dium 80 b mittels angebrachter Elektroden 86 und 87, die mit Anschlüssen 88 bzw. 89 versehen sind, überwacht. Die gegen­ seitige Diffusion wird, wie oben erwähnt, während einer gege­ benen Zeitdauer aufrechterhalten, wodurch sichergestellt wird, daß ein gegebener, aliquoter Teil an zu bestimmendem Bestand­ teil mit einer bekannten Menge Reagenz umgesetzt wird. Die Diffusion wird beendet, indem man die Barrierenflüssigkeit 81 zwischen die porösen Medien 80 a und 80 b zurückschicht und sie sich trennen läßt, wie in Fig. 7c dargestellt.

In Fig. 8 ist ein automatisiertes System zur Blutanalyse dargestellt. Ein kontinuierliches Gewebe 90 wird nacheinander einer Blutaufgabeeinrichtung 91, einer Abwischstation 92, einer Station 93 für die Herstellung eines elektromagnetischen Kontaktes und einer Ablesestation 94 zugeführt. Das Gewebe oder die Gewebebahn 90 besteht aus einer oberen Schicht 90 a, die diskrete Abschnitte eines porösen Mediums (Gel) 95 von gegebenem Volumen zur Aufnahme von Proben aufweist. Die Schicht 90 a wird durch eine Fluidbarriere 96 von einer unteren Schicht 90 b getrennt, die diskrete reagenzhaltige Segmente eines porösen Mediums (Gel) 97 aufweist.

Das Plasma aus der aufgebrachten Blutprobe (Station 91) diffundiert bis zur Sättigung in das poröse Medium 95 der Schicht 90 a. Nach Sättigung des porösen Mediums 95 wird die Gewebebahn zu einer Wischstation 92 weitertransportiert, bei der das überschüssige Blut von der Oberfläche des porösen Me­ diums 95 entfernt wird. Danach wird das poröse Medium 95 zwischen einen Elektromagneten 93 a und eine durch eine Feder zurückgehaltene, magnetisierbare Platte 93 b geführt. Wenn der Elektromagnet 93 a eingeschaltet wird, zieht er die magnetisier­ bare Platte 93 b an. Dadurch werden die porösen Medien 95 und 97 in Berührung gebracht, wobei sie das Barriere- oder Sperr­ fluid 96 verdrängen. Damit kann die gegenseitige Diffusion zwischen den porösen Medien stattfinden, die eine Umsetzung zwischen zu bestimmender Substanz und Reagenz verursacht. Die Gewebebahn 90 wird nunmehr an einer Ablesestation 94 vorbei­ geführt, die aus einer Lichtquelle 98 und einem Detektor 99 eines Kolorimeters besteht. Die Färbungtstiefe der Umsetzung wird quantitativ in Beziehung zur Konzentration des zu be­ stimmenden Bestandteils der Probe gesetzt.

Bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen braucht die Probe 79 nicht entfernt zu werden, weil die Umsetzung nach einer durch Zeitmessung gesteuerten Diffusion elektro­ chemisch überwacht, d. h. ausgewertet wird. Ein genauer ali­ quoter Teil kann erzielt werden, weil die Diffusion durch Wiedereinführung der Barrierenschicht 96, 81, 71, 61 bzw. der Schicht in Hohlraum 5 genau gesteuert werden kann.

Das unmischbare Barrierenfluid liefert eine genaue Mög­ lichkeit zur Steuerung der Diffusion durch poröse Medien in Form von beispielsweise Membranen oder Gelen. Eine Reihe von Abweichungen der beschriebenen Vorrichtungen können vom geüb­ ten Fachmann selbstverständlich vorgenommen werden. Beispiels­ weise können die porösen Medien (Gel- oder Membranschichten), die das Reagenz enthalten, kovalent an das Reagenz gebunden sein, so daß die Wanderung (Diffusion) des Reagenzes nicht stattfindet. In einem derartigen Fall diffundiert nur der zu bestimmende Bestandteil in das das Reagenz aufweisende porö­ se Medium und erzeugt lediglich dort eine Färbung.

Die Barrieren- oder Sperrschicht muß mit dem zu analy­ sierenden Bestandteil unmischbar sein; sie kann entweder hydrophob oder hydrophil sein, was von der Natur des zu bestimmenden Bestandteils abhängt.

Claims (3)

1. Diffusionsschalter, bestehend aus:
einem ersten porösen Medium (50 a, 60 a, 70 a, 80 a, 90 a, 104) zur Aufnahme eines ersten Fluids oder eines ersten Fluids mit einem Gehalt an einer Komponente zur Diffusion in ein zweites poröses Medium,
einem zweiten porösen Medium (50 b, 60 b, 70 b, 80 b, 90 b, 103) zur Aufnahme des ersten Fluids bzw. der Kompo­ nente, wenn das zweite poröse Medium mit dem ersten porösen Medium in Kontakt steht,
einem zweiten Fluid (in 52, 61, 71, 81, 96, 105) das zwischen dem ersten und dem zweiten porösen Medium angeordnet ist und als Diffusionssperre oder -barriere zwi­ schen dem ersten und dem zweiten porösen Medium dient, sowie
Mitteln (56, 63; 73, 75; 84, 93, 111) zum Entfernen des zweiten Fluids aus dem Zwischenraum zwischen erstem und zwei­ tem porösen Medium zur Herstellung eines Kontaktes zwischen den porösen Medien sowie zur Ermöglichung der Diffusion des ersten Fluids bzw. der Komponente des ersten Fluids aus dem ersten porösen Medium in das zweite poröse Medium.

2. Diffusionsschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite poröse Medium mindestens ein mit dem ersten Fluid reaktionsfähiges Reagenz enthält.

3. Diffusionsschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Entfernen des zweiten Fluids ein Vakuum­ steuermittel (56, 84) enthält.