DE3886140T2

DE3886140T2 - Gerät und Verfahren zur Verdünnung und Mischung von Flüssigkeitsproben.

Info

Publication number: DE3886140T2
Application number: DE3886140T
Authority: DE
Inventors: Michael E Cobb; Ian Gibbons; Michael M Gorin; Robert S Hillman; Channing R Robertson
Original assignee: Biotrack Inc
Current assignee: Roche Diagnostics Corp
Priority date: 1987-08-27
Filing date: 1988-08-26
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-08-27
Also published as: AU615208B2; JPH0756492B2; JPH01257268A; CA1333850C; EP0305210A3; DE3886140D1; ES2049254T3; EP0305210A2; EP0305210B1; AU2163988A

Description

Technischer Bereich

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Verdünnen und Vermischen von Flüssigkeiten, insbesondere zum automatischen Messen und Verdünnen kleiner Flüssigkeitsmengen.

Hintergrund:

Im Bereich der klinischen Analysen, die von ungeschulten Benutzern durchgefüht werden sollen, kann man in letzter Zeit ein explosionsartiges Wachstum feststellen. Es wurden zahlreiche Ansätze entwickelt, die es einem ungeschulten Benutzer, z.B. einem Diabetespatienten, ermöglichen, das Vorhandensein und/oder die Menge eines Analyten in einer Probe, wie etwa Glukase im Urin, zu ermitteln. Die Geräte, die solche Analysen durchführen, sollen im allgemeinen möglichst "benutzerfreundlich" sein, damit ihr Gebrauch wenig Einschulung erfordert und sie im wesentlichen "narrensicher" sind. Ein typisches Beispiel eines solchen Geräts ist das sogenannte "Eintauchstäbchen". Es handelt sich dabei um Plastikstreifen, die mit einer reagensenthaltenden Matrix beschichtet sind. Die Probe wird auf den Streifen aufgebracht, und das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein eines Analyten wird durch eine Farbbildungsreaktion angezeigt.
Diese Geräte haben sich zwar bei der qualitativen Bestimmung zahlreicher Substanzen in biologischen Proben bewährt, doch kann man nicht alle Analysen auf diese Weise durchführen. Einige Techniken erfordern beispielsweise das Verdünnen und/oder Vermischen kleiner Mengen einer Probe. Das Messen extrem kleiner Mengen (z.B. Mikrolitermengen) einer Flüssigkeit und deren Verdünnen erfordern im allgemeinen eine intensive Einschulung oder den Einsatz teurer Geräte zur Durchfuhrung des Verdünnungsvorganges. Keine dieser Alternativen ist leicht oder bequem durchzuführen.
Das Messen und Verdünnen kleiner Flüssigkeitsmengen kann in einigen atomatischen Analysatoren bequem durchgeführt werden. Diese eignen sich jedoch aufgrund ihrer Größe und ihres Preises nicht für die Verwendung zuhause oder in einer Arztpraxis. Es sind beispielsweise viele Geräte erhältlich, bei denen eine Flüssigkeitsprobe in ein Leitungsrohr gezogen wird, das die Form eines Kapillarrohres besitzt und als Meßvorrichtung dient. Diese Meßvorrichtung ist aber Teil einer großen Apparatur, die Kolben und zahlreiche bewegliche Einzelteile wie Vakuumpumpen enthält, die zur Bewegung der Probe und des Verdünners erforderlich sind. Die Präzision, mit der solche beweglichen Teile gefertigt werden müssen, um flüssigkeitsdichte Abdichtungen zu gewährleisten, erhöht die Kosten des Geräts.
Als Alternative zu großen, automatischen Analysatoren wurden kleine Hand-Mikropipetten, wie die bekannte Eppendorf -Pipette, entwickelt. In diesen Pipetten kommt ein Präzisionskolben zum Einsatz, der die Probe oder den Verdünner in eine kleine Einwegspitze zieht. Zur sachkundigen Benutzung der Pipette ist jedoch Geschick notwendig, da einige präzise händisch durchzuführende Arbeitsgänge zum erfolgreichen Messen der Probe und des Verdünners erforderlich sind. Geschick ist ebenso beim Vermischen der kleinen Menge der resultierenden Lösung erforderlich.
Eine weitere Technik, die für die Verwendung zuhaiuse entwickelt wurde, verwendet eine Kapillarröhre zur Messung einer Flüsssigkeitsprobe. Die gesamte Kapillarröhre wird dann in einen Behälter gelegt, der eine gemessene Menge an Verdünner enthält oder in den eine gemessene Menge an Verdünner hinzugefügt wird. Solche Geräte erzielen jedoch in den Händen eines ungeschulten Benutzers nicht die gewünschte Wirkung, da die Kapillarröhren leicht brechen und da eine Verschmutzung der Außenseite der Kapillare zu einem Volumensfehler führt.
Es besteht daher ein Bedarf an einfachen und genauen Verfahren und Geräten zum Messen, Verdünnen, Vermischen und Analysieren kleiner Probenmengen.

Einschlägige Literatur

Die veröffentlichte westdeutsche Patentanmeldung DE3328964Cl, Veröffentlichungsdatum 14. Februar 1985, beschreibt ein Gerät zur automatischen, diskontinuierlichen Probennahme von Flüssigkeiten unter Verwendung einer Kapillarröhre, die als Meßvorrichtung dient, die entweder in die gerade entnommene Flüssigkeit getaucht wird oder in eine Position gebracht wird, von der aus die Probe mit einem Verdünner oder einem Analysator durch eine Pumpe oder eine Saugvorrichtung befördert wird. Das US Patent Nr. 4.454.236 beschreibt einen Kapillarröhrenhalter zum Flüssigkeitstransport bei Immunversuchen. Das US Patent Nr. 4.233.029 beschreibt eine Flüssigkeitstransportvorrichtung, die durch gegenüberliegende, im Abstand voneinander angeordnete Oberflächen gebildet wird, um den Kapillarfluß der Flüssigkeit zu ermöglichen, ohne daß ein Mittel zur Regelung der Kapillarflußrate vorgesehen wäre. Die US Patente Nr. 4.618.476 und 4.233.029 beschreiben eine ähnliche Kapillartransportvorrichtung, die über ein Geschwindigkeits- und Meniskussteuerungsmittel verfügt. Das US Patent Nr. 4.426.451 beschreibt eine andere ähnliche Kapillartransportvorrichtung, die über ein Mittel zum Stoppen dem Flusses zwischen zwei Zonen verfügt, wobei der Fluß durch Ausübung eines von außen erzeugten Druckes wiederaufgenommen wird. Die US Patente Nr. 3.811.326, 3992.150, 4.537.747 und 4.596.780 beschreiben verschiedene Verfahren und Vorrichtungen, bei denen eine Kapillarröhre zur Aufnahme eines vorherbestimmten Volumens der Testlösung verwendet wird und die gefüllte Kapillare in einer Küvette oder einem anderen Behälter einer Flüssigkeit untergebracht ist, die als Reagens oder Verdünner dient. Das US Patent Nr. 3.799.742 beschreibt eine Vorrichtung, bei der die Veränderung der Oberflächeneigenschaft von einer hydrophilen zu einer hydrophoben Beschaffenheit benutzt wird, um den Fluß einer kleinen Probe zu stoppen, wodurch die vorhandene Probe gemessen wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine in sich geschlossene Verdünnungsvorrichtung, die zum Bewegen von Flüssigkeiten zwischen ihren verschiedenen Teilen und zum reproduzierbaren Verdünnen der Proben keine Anwendung von äuberer Kraft (außer der Schwerkraft) erfordert.
In einem ersten Aspekt umfaßt die Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Kurz gesagt umfaßt die Vorrichtung eine Meßkammer mit vorherbestimmtem Volumen; eine Aufnahmekammer mit vorherbestimmtem Volumen in flüssigkeitsaufnehmender Beziehung zu der Meßkammer; eine Gasentlüftungsöffnung in der Aufnahmekammer; eine Stop-Fluß-Verbindung zwischen der Meßkammer und der Aufnahmekammer; eine Probenaufbringstelle in flüssigkeitsabgebender Beziehung zur Meßkammer, worin der vertikale Höhenunterschied zwischen der Flüssigkeitsaufbringstelle und der Stop-Fluß-Verbindung unzureichend ist, um einen Fluß durch die Stop-Fluß-Verbindung hindurch zu ermöglichen, wenn die Probe auf die Probenaufbringstelle aufgebracht wird; und eine Verdünneraufbringstelle in flüssigkeitsabgebender Beziehung zur Meßkammer. Mittel zum Ingangsetzen des Flusses an der Stop-Fluß-Verbindung sind in einigen Fällen innerhalb der Vorrichtung, in anderen Fällen durch äußere Kräfte und/oder Geräte vorgesehen. Die Stop-Fluß-Verbindung bedient sich des durch die Oberflächenspannung verursachten Gegendrucks, um das Fließen von Flüssigkeit unter bestimmten Umständen zu stoppen und das Fließen unter anderen Umständen zu ermöglichen. Die Stop-Fluß-Verbindung funktioniert wie ein Ventil, hat jedoch keine beweglichen Teile; ihre Funktionsausübung beruht auf der Oberflächenspannung und der Geometrie der Verbindung. Verschiedene Mittel zum Ingangsetzen des Flusses umfassen die Anordnung der Verdünneraufbringstelle in einem ausreichenden Abstand oberhalb der Stop-Fluß-Verbindung zur Erzeugung von genügend hydrostatischem Druck, um den Gegendruck an der Stop-Fluß-Verbindung zu überwinden, weiters einer beweglichen Arm oder eine andere Vorrichtung in der Nähe der Stop-Fluß-Verbindung zur Durchbrechung der Oberflächenspannung, sowie die Bereitstellung eines Vibrators (wahlweise außerhalb der Vorrichtung angebracht) zur Durchbrechung der Oberflächenspannung. In allen Fällen, in denen äußere Kraft als Mittel zum Ingangsetzen des Flusses ausgeübt wird, ist diese äußere Kraft für einen kontinuierlichen Fluß nicht erforderlich, sobald dieser wieder beginnt.
Im Betrieb kommt diese Ausführungsform der Vorrichtung in einem Verfahren zum Einsatz, in dem eine Probe auf die Probenaufbringstelle aufgebracht wird, wodurch die flüssige Probe durch Kapillarwirkung oder unter dem Einfluß der Schwerkraft in die Meßkammer mit vorherbestimmtem Volumen fließt. Der Fluß wird gestoppt, wenn die Probe die Stop-Fluß-Verbindung erreicht. Dann wird der Verdünner der Verdünneraufbringstelle zugeführt. Jede notwendige äußere Kraft, die zur Aktivierung des Mittels zum Ingangsetzen des Flusses erforderlich ist, wird dann, falls notwendig, ausgeübt, sodaß der Verdünner die Probe von der Meßkammer mit vorherbestimmtem Volumen in die Aufnahmekammer mit vorherbestimmtem Volumen befördert. Die Geometrie der Meßkammer ist so beschaffen, daß ein Verdünner die Probe verdrängt und nicht durch sie durchfließt, ohne sie zu verdrängen. Sobald der Gegendruck der Stop-Fluß-Verbindung überwunden ist, ist keine äußere Krafteinwirkung (mit Ausnahme der Schwerkraft in einigen Fällen) für diese Flüssigkeitsbewegung erforderlich. In der Gasentlüftungsöffnung befindet sich die Aufnahmekammer, um dem Gas ein Entweichen und der Flüssigkeit ein Einströmen in die Aufnahmekammer zu ermöglichen.Der Verdünner strömt weiter, bis die Aufnahmekammer mit vorbestimmtem Volumen mit einer bekannten Mischung der Probe und des Verdünners vollständig gefüllt ist.
Wahlweise können Vermischungsmittel in der Aufnahmekammer angeordnet werden. Die Mittel zur Vermischung und zum Ingangsetzen des Flusses können unterschiedlich oder die gleichen sein (es kann beispielsweise ein Rührstab sowohl zur Durchbrechung der Oberflächenspannung an der Stop-Fluß-Verbindung als auch zur Vermischung der Probe mit dem Verdünner in der Aufnahmekammer verwendet werden). In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Aufnahmekammer oder andere Teile der Vorrichtung Reagenzien enthalten oder als geeignete Stelle für eine optische oder eine andere Art der Messung dienen. In anderen Ausführungsformen können Mittel zur Entfernung der Probe aus der Aufnahmekammer für weitere Funktionen an anderen Stellen eingesetzt werden.
In einer dieser anderen Ausführungsformen sieht die Vorrichtung Reihen-Verdünnungen vor, d.h. das Verdünnen einer Probe mit einem ersten Verdünner zur Gewinnung einer Mischung, an das dich das Verdünnen der Mischung mit dem gleichen, einem zweiten oder einem anderen Verdünner anschließt. In dieser Ausführungsform ist zumindest ein Ventil erforderlich. Die Vorrichtung umfaßt eine Probenaufbringstelle; eine Mischkammer in flüssigkeitsaufnehmender Beziehung zur Probenaufbringstelle; eine Verdünneraufbringstelle in flüssigkeitsabgebender Beziehung zur Mischkammer; eine mit der Mischkammer hydrostatisch verbundene Mischabtrennkammer; und erste Ventileinrichtungen, die den Fluß zwischen der Verdünneraufbringstelle und zur Mischkammer selektiv verhindern oder zweite Ventileinrichtungen, die den Fluß zwischen der Mischkammer und der Mischungsabtrennkammer selektiv verhindern, können als Teil der Vorrichtung oder durch äußere Steuerung der Entlüftung einer Kapillarspur vorgesehen sein. Die Teile der Vorrichtung sind in einer Patrone untergebracht, in der die Ventile vorzugsweise durch äußere Solenoide betätigt werden, die man vorprogrammieren kann. Im Betrieb wird der Mischkammer der Vorrichtung ein vorherbestimmtes Volumen einer Probe und ein vorherbestimmtes Volumen eines ersten Flüssigkeitsverdünners zugeführt, wodurch eine erste Mischung entsteht. Die Vorrichtung selbst kann, falls gewünscht, verwendet werden, um diese Volumina wie oben beschrieben zu messen. Ein Ventilsteuerungsgang der Flüssigkeit von der Mischkammer zur hydrostatisch verbundenen Mischungsmeßkammer wird geöffnet, wodurch ein hydrostatisch bestimmter Teil der ersten Mischung in die Mischabtrennkammer eintritt. Das Ventil schließt sich und trennt somit diesen Teil der ersten Mischung vom restlichen Teil der ersten Mischung. Dieser Teil kann dann zum Verdünnen mit einem zweiten Verdünner zu einer getrennten Mischkammer befördert oder zur ersten Mischkammer zurückgebracht werden. Zusätzliche Ventile und Kammern können auf Wunsch für einen weiteren Umgang mit der Probe vorhanden sein.
In einem zweiten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 12 vor.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf ihre nun folgende detaillierte Beschreibung, vor allem in Zusammenhang mit den beigelegten Zeichnungen, die einen Teil der vorliegenden Spezifikation bilden, besser verstanden werden, worin:
Fig.1 ein vertikaler Querschnitt ist, der die inneren Flüssigkeitskontaktflächen einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig.2 ist ein vertikaler Querschnitt, der die innneren Flüssigkeitskontaktflächen einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig.3 ist ein vertikaler Querschnitt, der die inneren Flüssigkeitskontaktflächen einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig.4 ist ein vertikaler Querschnitt, der die inneren Flüssigkeitskontaktflächen einer vierten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig.5 ist ein vertikaler Querschnitt, der die inneren Flüssigkeitskontaktflächen einer fünften Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig.6 ist ein vertikaler Querschnitt, der die inneren Flüssigkeitskontaktflächen einer sechsten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig.7 ist ein vertikaler Querschnitt, der die inneren Flüssigkeitskontaktflächen einer siebenten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig.8 ist ein vertikaler Querschnitt, der die inneren Flüssigkeitskontaktflächen einer achten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig.9 ist ein vertikaler Querschnitt, der die inneren Flüssigkeitskontaktflächen einer neunten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig.10A und Fig.10B sind ein horizontaler und ein vertikaler Querschnitt, die die inneren Flüssigkeitskontaktflächen einer zehnten Ausführungsform der Erfindung darstellen.
Fig.11 ist eine perspektivische Ansicht einer elften Ausführungsform der Erfindung mit einer vertikalen Probenmeßkammer.
Fig.12 ist eine perspektivische Ansicht einer zwölften Ausführungsform der Erfindung mit einer horizontalen Probenmeßkammer.
Fig.13A ist eine Draufsicht, und Figuren 13B und 13C sind vertikale Querschnitte einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung.
Fig.14A ist eine Draufsicht und Fig.14B eine vertikale Schnittansicht einer vierzehnten Ausführungsform der Erfindung.
Fig.15A ist eine Draufsicht und Fig.15B eine vertikale Schnittansicht einer fünfzehnten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 16A ist eine perspektivische Ansicht und Fig.16B eine vertikale Schnittansicht einer Verbindung, die der in Fig.13B dargestellten Verbindung 14 entspricht und die zur Erleichterung des Flusses einer Probe von einem Kapillarkanal in eine größere Kammer mit einem Kapillarkanal ausgestattet ist.
Figuren 17A und B sind vertikale Querschnitte einer ersten Mehrfachverdünnungsausführung der Erfindung.
Fig.18 ist ein vertikaler Querschnitt einer zweiten Mehrfachverdünnungsausführung der Erfindung, bei der eine außerhalb abgemessene Probe der Vorrichtung zugeführt wird.
Fig.19 ist ein vertikaler Querschnitt einer dritten Mehrfachverdünnungsausführung der Erfindung.
Fig.20 ist ein vertikaler Querschnitt einer vierten Mehrfachverdünnungsauführung der Erfindung.
Fig.21 ist ein vertikaler Querschnitt einer fünften Mehrfachverdünnungsausführung der Erfindung.
Fig. 22 ist eine Draufsicht dreier Verdünneraufbringstellenabdeckungen zur Verwendung in der Ausführungsform von Fig.21.
Fig.23 ist eine vergrößerte Vertikalschnittansicht eines Ventils und der umliegenden Teile der Vorrichtung von Fig.17A.
Fig.24 ist eine perspektivische Ansicht des Ventils von Fig.23.
Fig.25 ist eine vergrößerte Vertikalschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Ventils der Vorrichtung von Fig.17A.
Fig.26 ist eine perspektivische Ansicht des Ventils von Fig.25.
Fig.27 ist eine perspektivische Ansicht einer sechsten Mehrfachverdünnungsausführung der Erfindung.
Figuren 28A und B sind vertikale Querschnitte einer siebenten Mehrfachverdünnungsausführung der Erfindung.
Fig.29 ist eine Prinzipskizze der Reagenzien und deren Standorte bei Verwendung eines Geräts von Fig.28A und B zur Durchführung einer Hämoglobin Alc-Analyse.

BESCHREIBUNG SPEZIFISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, durch die kleine Proben leicht gemessen und verdünnt werden können. Die Vorrichtung ist klein, einfach in der Handhabung und erfordert keine beweglichen Teile zur Bewegung von Flüssigkeit, da die Schwerkraft und die Kapillarwirkung als Antriebskräfte ausreichend sind. In einigen Ausführungsformen regulieren Ventile die Bewegung von Flüssigkeit von Kammer zu Kammer. In den meisten Fällen sind die Ventile in der Vorrichtung eingebaut und werden in bevorzugten Ausführungsformen durch einen einfachen Drück/Auslösemechanismus gesteuert, der durch einen außerhalb angeordneten Solenoid gesteuert werden kann. Für einige Arbeitsgänge können die Ventile aus außerhalb gesteuerten Entlüftungsabdeckungen zur Regulierung des Flusses von Flüssigkeiten in Kapillarräumen bestehen. Demnach ist die Vorrichtung, die hier als Verdünnungs- und Mischpatrone bezeichnet wird, leicht in der Handhabung, kostengünstig in der Fertigung und kann außerdem in vielen Verfahren eingesetzt werden, bei denen es um das Verdünnen oder das serielle Verdünnen einer kleinen Probe geht. Die Patrone ist normalerweise so gestaltet, daß sie in ein Photometer oder ein anderes Gerät eingeführt werden kann, das analytische Ablesungen direkt an der verdünnten Probe vornehmen kann, sodaß keine weitere Handhabung der verdünnten Probe mehr notwendig ist.
Die Teile der Patrone umfassen eine Meßkammer mit vorherbestimmtem Volumen, eine Aufnahme(misch)kammer mit vorherbestimmtem Volumen in flüssigkeitsaufnehmender Beziehung zur Meßkammer, eine Entlüftungsöffnung zum Entweichen von Gas (z.B. Luft) aus der Aufnahmekammer, eine Stop-Fluß-Verbindung zwischen (vorzugsweise an der Kreuzungsstelle) der Meßkammer und der Aufnahmekammer, eine Probenaufbringstelle und eine Verdünneraufbringstelle. Einige Ausführungsformen besitzen getrennte Mittel zum Ingangsetzen des Flusses an der Stop-Fluß-Verbindung. Wenn in der Meßkammer mit vorherbestimmtem Volumen eine Probe aber kein Verdünner vorhanden ist, wird die Probe durch den durch Oberflächenspannung an der Stop-Fluß-Verbindung erzeugten Gegendruck am Fließen in die Aufnahmekammer gehindert.
Man kann die verschiedenen Teile und deren Funktionsweise am besten verstehen, indem man den Weg einer Probe verfolgt, die der Vorrichtung zugeführt und verdünnt wird. Die nachstehende Beschreibung zeichnet diesen Weg nach.
Die Probe ist eine Flüssigkeit, die sehr verschiedenen Ursprungs sein kann; es kann sich zum Beispiel um eine physiologische Flüssigkeit wie Blut, Speichel, Tränenflüssigkeit, zerebrale Rückenmarksflüssigkeit, Eiter, Schweiß, Exsudat, Harn, Milch u.ä. handeln. Die flüssige Probe kann einer Vorbehandlung, wie etwa der Herstellung von Serum oder Plasma aus Blut oder der Auflösung oder Suspension eines Festkörpers in einer Flüssigkeit, unterzogen werden. Beispiele der Probenbehandlung vor der Aufbringung auf die Vorrichtung umfassen Konzentrieren, Filtrieren, Destillieren, Dialyse, Inaktivierung natürlicher Bestandteile, Chromatographie und Beigabe von Reagenzien. Neben physiologischen Flüssigkeiten können noch andere flüssige Proben verwendet werden. Beispiele anderer flüssiger Proben sind Prozeßströme, Wasser, Pflanzenflüssigkeiten, chemische Reaktionsmedien, biologische Wachstumsmittel u.ä. Zumeist sind die Flüssigkeiten wässerig, obwohl man auch andere Flüssigkeiten verwenden kann. Wässerige Medien können zusätzliche mischbare Flüssigkeiten enthalten, insbesondere sauerstoffangereicherte organische Lösungsmittel, wie Niederalkanole, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Aceton u.ä. Üblicherweise sind die Lösungsmittel zu weniger als etwa 40 Vol.-%, zumeist zu weniger als etwa 20 Vol.-% vorhanden, um die hohe Oberflächenspannung von wässerigen Lösungen zu bewahren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch, wie weiter unten beschrieben, zur Verwendung mit Flüssigkeiten mit anderen Oberflächenspannungen modifiziert werden.
Die Probenaufbringstelle ist im allgemeinen eine Vertiefung auf einer Oberfläche der Vorrichtung, kann aber auch einfach eine Öffnung sein (wahlweise von einem Ring oder einem Rohr umgeben), die in das Innere der Vorrichtung führt. Die Probenaufbringstelle kann z.B. einen Filter enthalten, um die roten Blutkörperchen vom Plasma zu trennen (siehe US Anmeldung Seriennummer 924.633, eingereicht am 29.Oktober 1986) oder kann eine Verbindung zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer anderen Vorrichtung darstellen, die die Probe vor ihrem Eintritt in die vorliegende Verdünnervorrichtung behandelt. Die Aufbringstelle kann beispielsweise eine Vertiefung sein, in die eine herkömmliche Kapillarröhre paßt.
Wenn die Probenaufbringstelle eine Vertiefung zur Einführung einer Kapillarröhre ist, kann die Kapillarröhre entweder als ein praktisches Mittel zur Beförderung der Probe oder als Meßkammer dienen, indem man die Kapillare entweder vollständig oder bis zu einer bestimmten Markierung füllt. Die Probenaufbringstelle dient in solchen Ausführungsformen als Beförderungsstelle.
In anderen Fällen ist die Probenaufbringstelle eine Meßkammer, wie eine Vertiefung auf einer oberen Oberfläche der Vorrichtung, in die die Probe gelegt wird. Die Aufbringstelle kann mit einer hochgezogenen Lippe versehen sein, die von einem Auffangbecken umgeben ist, sodaß die Aufbringstelle bis zum Überlaufen gefüllt werden kann, wobei die überschüssige Probenflüssigkeit überläuft und in das Auffangbecken fließt. Auf diese Weise kann man leicht ein definiertes Probevolumen erhalten.
In anderen Fällen kann die Probenaufbringstelle eine Kammer mit zwei von der Kammer wegführenden Kanälen sein. Der erste Kanal ist eine (Probenmeßkammer) oder führt zu einer Probenmeßkammer im Inneren, wie sie hier beschrieben wird. Der zweite Kanal ist ein Abfluß, der zu einer Überschußprobenkammer führt. Der Überschußprobenkanal ist kleiner als der Meßkanal oder ist mit Mitteln zur Einschränkung des Flusses durch den Überschußprobenkanal ausgestattet, sodaß die auf die Probenaufbringstelle aufgebrachte Probe vorrangig in die Meßkammer fließt, bis diese gefüllt ist und die überschüssige Probe danach durch den Überschußprobenkanal abfließt.
Wenn die Probe auf die Probenaufbringstelle aufgebracht wird und die Vorrichtung eine innere Probenmeßkammer enthält, fließt die flüssige Probe ohne Anwendung äußerer Kraft (ausgenommen nicht unterstützter Schwerkraft) in die Probenmeßkammer, die ein vorherbestimmtes Volumen besitzt. Ein Kapillarkanal oder Nichtkapillarkanal, der die Flüssigkeit transportieren kann, kann die Probenaufbringstelle mit der Meßkammer verbinden, der Kapillarkanal oder ein anderer Kanal, der seinen Ausgang an der Probenaufbringstelle hat, kann selbst die Meßkammer sein. Die Meßkammer kann ein(e) Kapillarkanal oder -kammer sein; in diesem Fall unterstützt die Kapillarwirkung die Kraft (oder stellt sie in einigen Fällen zur Gänze bereit), die zum Füllen der Meßkammer mit der Probe aus der Probenaufbringtelle notwendig ist. Kapillarkanäle und -kammern weisen im allgemeinen zumindest eine Dimension auf, die senkrecht auf den Flußweg im Bereich von 0,01 bis 2,0 mm, noch öfters zwischen 0,1 und 1,0 mm liegt. Größere Meßkammern sind jedoch auch möglich. Die Probenaufbringstelle steht in einer sogenannten "flüssigkeitsaufnehmenden" Beziehung zur Probenmeßkammer, wodurch angezeigt wird, daß es zu einem nicht unterstützten Fluß kommt.
Die Geometrie der Meßkammer ist so beschaffen, daß bei Zugabe des Verdünners in die Vorrichtung zu einem späteren Zeitpunkt im wesentlichen die gesamte Probe in der Meßkammer ausgespült oder in die Mischkammer abgezogen wird. Dies kann man erreichen, indem man für einen gleichmäßigen Fluß des Verdünners durch die Meßkammer sorgt. Daher ist ein gerades, an beiden Enden offenes Rohr eine bevorzugte Ausführungsform für diese Art der Meßkammer. In bevorzugten Ausführungsformen dieser Art tritt der Verdünner an einer Vorderseite am gesamten Querschnittsflußbereich in die Meßkammer ein. Dadurch wird eine Vermischung des Verdünners mit der Probe und ein Durchfluß des Verdünners durch die Meßkammer ohne vollständiges Ausspülen der Probe vermieden, wobei dies eintreten kann, wenn ein kleiner Verdünnerstrom in einen breiteren Querschnittsbereich der Meßkammer eintritt.
In einer anderen Ausführungsform kann die Probenmeßkammer an einer Verbindung enden, die in einen Durchgang zwischen der Verdünneraufbringstelle und der Mischkammer mündet, die beide weiter unten beschrieben werden. Die Durchgangsbewegung des Verdünners vorbei an der Verbindung dient dazu, die Probe in die Mischkammer abzuziehen. Der Durchgang kann an der Verbindungsstelle verengt sein, um das Abziehen der Probe in den Durchgang und dadurch auch in die Mischkammer zu unterstützen. Diese Ausführungsform ist besonders nützlich, wenn die Probenmeßkammer ein einfaches Rohr ist, das die Probenaufbringstelle mit dem Durchgang zwischen der Verdünneraufbringstelle und der Mischkammer verbindet.
Wenn die Probe in die Meßkammer mit vorherbestimmtem Volumen fließt, stoppt der Fluß, wenn die Probe die Stop-Fluß-Verbindung erreicht, die so genannt ist, weil sie die Verbindung zwischen dem Anfangsabschnitt der Flüssigkeitsbahn, in dem die Flüssigkeit ungehindert fließt, und dem späteren Abschnitt der Flüssigkeitsbahn darstellt, in den die Probe üblicherweise erst dann fließt, wenn der Benutzer den Verdünnungsprozeß in Gang gesetzt hat. Da die Stop-Fluß-Verbindung an der Grenze des Flußweges der Probe angeordnet ist, befindet sie sich an einem Ende der Meßkammer. In einigen Fällen befindet sie sich am Anfang der Aufnahmekammer (d.h. wenn die beiden Kammern direkt verbunden sind). In anderen Fällen kann jedoch ein zusätzlicher Kanal die Stop-Fluß-Verbindung mit der Aufnahmekammer verbinden.
Es sei vermerkt, daß ein Flußstopp sowohl stabil als auch metastabil eintreten kann. Bei einem metastabilen Flußstopp stoppt der Fluß auf makroskopischer Ebene, kann aber ohne offenkundigen Grund nach einer Zeitspanne von wenigen Sekunden bis einigen Minuten wieder beginnen. Ein langsames Kriechen der Flüssigkeiten entlang der Behälterwände oder durch mikroskopische oder submikroskopische Kanäle als Ergebnis von Fehlern im Fertigungsprozeß stellt, so nimmt man an, den Mechanismus dar, der für das Ingangsetzen des gerade zum Stillstand gekommenen Flusses verantwortlich ist. Darüber hinaus können kleine, nicht feststellbare Vibrationen (verursacht z.B. durch Menschen, die in der Nähe der Vorrichtung gehen, durch das Ein- und Ausschalten von Geräten in der Nähe, etwa von Klimageräten) auch ausreichen, um den Fluß in einer metastabilen Situation in Gang zu setzen. Absolute Stabilität ist jedoch nicht erforderlich, da die Vorrichtung die Beigabe eines Verdünners und ein schließliches Ingangsetzen des Flusses an der Fluß-Stop-Verbindung vorsieht. Jeder Flußstopp, der zumindest 10 Sekunden lang, vorzugsweise zumindest eine Minute und noch bevorzugter zumindest fünf Minuten lang aufrechterhalten werden kann, ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ausreichend.
Die Stop-Fluß-Verbindung ist kein herkömmliches Ventil, da sie keine beweglichen Teile besitzt. Diese Verbindung arbeitet mit dem durch die Oberflächenspannung der flüssigen Probe entstehenden Gegendruck, um den Fluß zu stoppen. Dieser Gegendruck kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Gegendruck wird beispielsweise erzeugt, wenn sich der Querschnittsbereich des Flußwegs in einem Bereich vergrößert, in dem es einen Kontakt zwischen der Flüssigkeit und den Behälterwänden gibt (z.B. wenn eine kleine Röhre in eine größere Kammer einmündet oder wenn sich der Querschnittsbereich eines Kanals vergrößert). Man erzielt einen höheren Gegendruck und einen gleichmäßigeren Betrieb, wenn die Vergrößerung des Querschnittsbereichs des Flußweges abrupt und nicht allmählich erfolgt, insbesondere wenn ein Bruch der Kapillarität im Probenflußweg vorhanden ist. Fehler in den Behälterwänden können während der allmählichen Erweiterung der Kammern dazu führen, daß die Flüssigkeit mehr entlang einer Seite "kriecht" als entlang der anderen, wodurch die Erzeugung von Gegendruck unterbunden wird. Die Flüssigkeit kann auch um Ecken kriechen, wenn Fehler vorhanden sind. Ein Kräfteungleichgewicht ist auch vorhanden, wenn die Verbindung nicht horizontal ist. Die Verbindung ist beispielsweise dann horizontal, wenn eine vertikale Röhre in die obere horizontale Oberfläche einer Kammer einmündet. Wenn eine horizontale Röhre in die vertikale Wand eines Behälters eintritt, ist eine Vertikalverbindung vorhanden und der Druck am Boden der Stop-Fluß-Verbindung ist aufgrund des durch die verschiedenen Flüssigkeitsstände erzeugten hydrostatischen Drucks größer als der Druck an der Spitze der Verbindung. Es können nichtsdestoweniger nichthorizontale Stop-Fluß-Verbindungen geschaffen werden, indem der Durchmesser des kleineren, die Flüssigkeit enthaltenden Kanals bei deren Eintritt in den größeren Bereich verringert wird, wodurch sich auch der Druckunterschied zwischen dem oberen und dem unteren Abschnitt der Verbindung verringert.
In vielen Fällen wird die Verbindung geschaffen, wenn ein Meßröhrchen mit geringem Durchmesser (d.h. eine Meßkammer) in eine größere Aufnahmekammer einmündet. Eine kleine Meßkammer kann in die größere Aufnahmekammer in einem rechten oder einem anderen Winkel einmünden. Der Winkel zwischen der Innenwand des Röhrchens und der Oberfläche der Kammer ist in letzterem Fall an verschiedenen Stellen entlang des Umfangs der Verbindung jeweils verschieden.
US Patent Nr. 4.426.451, auf das hier Bezug genommen wird, beschreibt einige Stop-Fluß-Verbindungen, die als "Meniskussteuermittel" zur Verwendung in einem Gerät bezeichnet werden, in dem ein Kapillarfluß von einer Zone zur anderen auftritt. Die in diesem Patent beschriebenen Stop-Fluß-Verbindungen können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden. Das Patent sieht jedoch kein Stoppen des Flusses vor, wenn die zweite Zone keine Kapillarzone ist. Im Gegensatz zu den spezifischen Lehren des Patents, die besagen, daß sich die Wände der Kapillarkammer allmählich verengen und ausdehnen müssen, um einen Flußstopp zu ermöglichen, stellte sich eine abrupte Erweiterung für die Zwecke der vorligenden Erfindung als wirkungsvoller heraus, wenn die zweite Kammer (in diesem Fall die Aufnahmekammer) kein Kapillarraum ist. Obwohl man anerkennt, daß auf molekularer Ebene Fehler bestehen, ist vorzuziehen, daß die Verbindung vom makroskopischen Standpunkt so scharf wie möglich ist und so nahe wie möglich an die Idealverbindung herankommt, die durch die Kreuzungsstelle der Ebene, die die Meßkammerwände bildet (diese Ebene kann gekrümmt sein), mit der Ebene, die die Wand der Aufnahmekammeroberfläche bildet, an der sich die Stop-Fluß-Verbindung befindet, gebildet wird. Die Beibehaltung einer horizontalen Verbindung zur Vermeidung von Druckdifferentialen, die Verkleinerung der Verbindungsfläche, die Veränderung der Oberfläche der Kapillare zur Verringerung der hydrophilen Beschaffenheit (für wässerige Lösungen), die Schaffung glatter Oberflächen (rauhe Oberflächen fördern das Kriechen der Flüssigketien entlang der Oberfläche) und die Herbeiführung abrupter Veränderungen im Querschnittsbereich (vorzugsweise die Schaffung eines Winkels zwischen den sich kreuzenden Oberflächen von etwa 90º oder weniger) tragen zur Vermeidung des Kriechens der Flüssigkeit von einer Kammer in die andere bei.
Für kleine Verbindungen (in Kapillarengröße) wird der Gegendruck im allgemeinen durch den kleinsten Krümmungsradius des Meniskus reguliert. Wenn beispielsweise eine Kapillarröhre mit kreisförmigem Querschnitt in einen größeren Raum einmündet, sodaß die Flüssigkeit unter hydrostatischem Druck in den Raum austritt, ist der Meniskus ungefähr kugelförmig, und der Gegendruck (Δ p) ergibt sich aus der Young-Laplace-Gleichung: Δ p = 2 γ/R, worin γ die Oberflächenspannung der Probenflüssigkeit und R der Krümmungsradius ist. Siehe Miller und Neogi, "Interfacial Phenomena: Equilibrium and Dynamic Effects", Marcel Dekker, Inc., New York, 1985, sowie Davies und Riedal "Interfacial Phenomena", 2ndEd., Academic Press, New York, 1963. Wenn die Flüssigkeit auf die Oberfläche in einem größeren Winkel als 0º auftrifft, verringert sich der Gegendruck durch einen geometrischen Term. Der Radius R verändert sich (verringert sich) bei steigendem hydrostatischen Druck, sodaß zwischen dem Gegendruck und dem hydrostatischen Druck ein Gleichgewicht besteht. Bei zunehmendem hydrostatischen Druck erreicht R einen Mindestwert (maximale Krümmung), der durch die Geometrie des Gerätes und den Berührungswinkel bestimmt wird. Der entsprechende Gegendruck definiert den maximalen hydrostatischen Druck, der von der Stop-Fluß-Verbindung aufrechterhalten werden kann.
Auf der anderen Seite können Verbindungen zwischen anderen Kammern und Kapillaren, durch die der Fluß kontinuierlich verlaufen soll, speziell so beschaffen sein, daß sie den Fluß eher fördern als hemmen. Zur Förderung des Flusses geht man in entgegengesetzter Weise zu der weiter oben beschriebenen Methode zum Stoppen des Flusses vor (d.h. keine Verringerung sondern eine Zunahme des Verbindungsbereiches oder das Herbeiführen einer allmählichen Änderung im Querschnittsbereich). In einem bevorzugten Beispiel solcher Flußverbindungen kann eine Kapillarrinne, die sich in Richtung des Flüssigkeitsflusses erstreckt, den Fluß an der Verbindung vorbei fördern. Ein Beispiel einer solchen Rinne wird später in einer spezifischen Ausführungsform angeführt.
Gegendruck wird auch erzeugt, wenn sich die Oberfläche, die die Flüssigkeit berührt, ändert und somit die Haftung zwischen der Flüssigkeit und der Behälterwand verringert wird (wenn sich z.B. eine wässerige Probe von einer hydrophilen zu einer hydrophoben Oberfläche bewegt). Die Oberflächeneigenschaften der verschiedenen Innenoberflächen des Geräts können und werden im allgemeinen auch mittels verschiedener physikalischer und/oder chemischer Behandlungen geregelt. Das US Patent 4.756.884, das hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird, befaßt sich mit der Regelung der Oberflächeneigenschaften ähnlicher Geräte. Man kann beispielsweise Kunststoffoberflächen zur Steigerung ihrer Hydrophilie behandeln. Es können entweder die gesamte Vorrichtung oder bestimmte Teile behandelt werden. Als Alternative dazu können verschiedene Teile der Vorrichtung aus verschiedenen Kunststoffen gefertigt sein. Für den Kapillarfluß sind Kontaktwinkel von 0-90º, vorzugsweise 10-85º und am bevorzugtesten 30-70º ausreichend. Zur Schaffung dieser Kontaktwinkel für wässerige Proben sind die Kapillaroberflächen hydrophil. Für nicht wässerige Flüssigkeiten ist eine hydrophobe Oberfläche geeignet. Durch die Kombination der Behälterwandgeometrie und der Oberflächenbenetzbarkeit kann ein Gegendruckbereich von 0 (keine Veränderung des Querschnittbereichs oder der Oberflächenhaftung) bs 20 cm H&sub2;O und höher mit Wasser als Flüssigkeit erreicht werden. Wenn der Gegendruck o ist, ist die betreffende Stelle keine Stop-Fluß-Verbindung. Eine Stop-Fluß-Verbindung tritt dann ein, wenn ausreichend Gegendruck vorhanden ist, um den Fluß der Probe über einen bestimmten Punkt im Flußweg hinaus verhindert, z.B. von der Meßkammer mit vorherbestimmtem Volumen zur Aufnahmekammer mit vorbestimmtem Volumen.
Wenn ein Probenfluß an einer Stop-Fluß-Verbindung stoppt, enthält die Meßkammer ein vorbestimmtes Volumen der Probe. Wenn der Verdünner der Verdünneraufbringstelle zugeführt wird, wird der Fluß wieder in Gang gesetzt (siehe Erläuterungen weiter unten), der Verdünner verdrängt das vorbestimmte Volumen der Probe in die Aufnahmekammer und fließt in die Aufnahmekammer weiter, um die Probe zu verdünnen. Der Anteil der Innenkammern, der in die Aufnahmekammer verdrängt wird, definiert das gemessene, vorbestimmte Volumen. Der Bruchteil der Innenräume der Vorrichtung, die tatsächlich die Meßkammer bilden, hängt von der Geometrie der Vorrichtung ab, ist aber aus dem Betrieb des Gerätes leicht ersichtlich.
Zwei Methoden zum Ingangsetzen des Flusses sind die Verringerung des Gegendrucks aufgrund von Oberflächenspannung und die Erhöhung des hydrostatischen Drucks an der Stop-Fluß-Verbindung. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird der Fluß automatisch bei Zugabe des Verdünners in Gang gesetzt, indem die Verdünneraufbringstelle in einer ausreichenden Höhe oberhalb der Stop-Fluß-Verbindung angeordnet wird, um erhöhten hydrostatischen Vorwärtsdruck zu erzeugen, der den durch die Oberflächenspannung verursachten Gegendruck überwinden kann. Das Wirken von durch Schwerkraft hervorgerufenem hydrostatischen Druck ermöglicht eine sequentielle Zugabe der Probe und des Verdünners (ohne daß die Anwendung von äußerer Kraft auf die Vorrichtung erforderlich wäre), um sowohl die Probe zu messen als auch den Verdünner zu messen und anfänglich zu mischen. Hydrostatischer Vorwärtsdruck kann auch durch die Umorientierung des Geräts erhöht werden, sodaß die vertikale Höhe der Flüssigkeitssäule über der Verbindung vergrößert wird. Eine vollständige Mischung der Probe und des Verdünners kann, falls erforderlich oder gewünscht, in solchen Geräten zu einem späteren Zeitpunkt durch eine magnetische Rührstange oder andere weiter unten beschriebene Mittel erfolgen.
Auch die Bewegung der Vorrichtung kann den Flüssigkeitsfluß in Gang setzen. Entweder einzelne, ruckartige, kurze Start/Stop-Bewegungen oder Vibrationsbewegungen eignen sich für diesen Zweck. Weder eine einzelne, ruckartige Bewegung noch eine Vibration ist allein in der Lage, für einen kontinuierlichen Flüssigkeitsfluß zu sorgen, da die Start- und Stopbewegungen Kräfte hervorrufen, die in entgegengesetzten Richtungen wirken und daher im Durchschnitt keine Nettobewegung der Flüssigkeit herbeiführen würden. Eine Anfangsbewegung kann jedoch eine Vorwärtsbewegung der Flüssigkeitsprobe an der Stop-Fluß-Verbindung bewirken, sodaß das Gleichgewicht zwischen Oberflächenspannung und hydrostatischem Druck lokal überwunden wird; der Probenflüssigkeits-Meniskus berührt dann einen Kapillarbereich, sodaß der Fluß in Gang gesetzt wird oder sich ein Tropfen Flüssigkeit bildet und in die Aufnahmekammer fällt.
Der auf Oberflächenspannung an der Stop-Fluß-Verbindung zurückzuführende Gegendruck kann durch das Hervorrufen eines Kontakts zwischen der Probe an der Verbindung und einem beweglichen Teil verringert werden. Man könnte z.B. eine Vorrichtung herstellen, in der sowohl die Probe als auch der Verdünner der Vorrichtung ohne Ingangsetzen des Flusses an der eingeschränkten, zur Aufnahmekammer führenden Flußverbindung zugeführt werden können. Ein beweglicher Teil könnte in der Vorrichtung angebracht sein, um die Oberflächenspannung an der Stop-Fluß-Verbindung durch Berührung der Probe an dieser Stelle zu durchbrechen. Der Einsatz eines Hebels oder irgendeines anderen beweglichen Teiles zum neuerlichen Ingangsetzen des Flusses ist z.B. möglich. Bei einer Ausführungsform ist ein Stift an der Hebelspitze angebracht, der den Meniskus tatsächlich berührt. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die sich dieser Technik des Ingangsetzens des Flusses bedienen, enthalten einen Mischstab oder eine ähnliche Vorrichtung in der Aufnahmekammer, die sowohl die Flüssigkeit an der Stop-Fluß-Verbindung berühren als auch die Probe mit dem Verdünner vermischen kann. Es sind zahlreiche magnetisch betriebene Rührstäbe bekannt, von denen nicht alle stabförmig sind, obwohl man sie aufgrund der herkömmlichen Stabform oft mit diesem Ausdruck bezeichnet). Diese Rührstäbe umfassen normalerweise ein magnetisches oder magnetisch suszeptibles Material, das in einer Polytetrafluorehtylen- oder einer anderen inerten Matrix eingebettet ist, und werden durch ein sich bewegendes Magnetfeld betätigt, das entweder mechanisch (z.B. durch Rotation des an einem Motor angebrachten Magneten oder durch eine andere Bewegung) oder elektrisch (z.B. durch Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes, wie jenes, das zur Drehung des Rotors eines Elektromotors verwendet wird, oder durch elektrischen Wechseltrom) erzeugt wird. Durch Verwendung eines Rührstabs, der genau in die Aufnahmekammer eingepaßt wird, und durch Anbringung der Stop-Fluß-Verbindung in der Nähe des Stabs, kann die normale Bewegung des Rührstabs dazu verwendet werden, jeden Vorsprung des Probenmeniskus an der Stop-Fluß-Verbindung zu berühren. Solche Vorsprünge können aufgrund des hydrostatischen Drucks, der durch die Flüssigkeit in der Meßkammer von der in der Vorrichtung vorhandenen Probe und/oder dem in der Vorrichtung vorhandenen Verdünner übertragen wird, oder aufgrund der Geometrie der Verbindung vorhanden sein. Der Stab läßt sich magnetisch an der Stelle halten, sodaß kein Kontakt hergestellt wird, während die Probe der Vorrichtung zugeführt wird. Es kann beispielsweise ein Rührstab in Form eines Stabs 90 Grad vom Winkel, an dem normalerweise ein Kontakt hergestellt wird, weggedreht werden.
Neben magnetischen Rührstäben eignen sich auch nichtmagnetische Rührer verschiedener Ausbildung zur Verwendung. Das Mischen mit solchen Rührern erfolgt durch mechanische Bewegungen während des Verdünnens oder nach Abschluß des Verdünnvorganges. Es läßt sich zum Beispiel eine Rutschplatte anbringen, die sich bei Neigung der Vorrichtung von einer Seite zur anderen in der Aufnahmekammer vor- und zurückbewegt.
Wenn mit Hilfe von Vibration der Fluß in Gang gesetzt wird, gibt es mehrere Möglichkeiten. Beispielsweise kann ein Vibrator in der Vorrichtung angebracht werden oder diese von außen an jeder Stelle berühren, von der aus er die Vibrationsbewegung zur Stop-Fluß-Verbindung übertragen kann. Diese Stelle kann überall an der Vorrichtung liegen, vorausgesetzt daß die Vorrichtung aus einem starren Material gefertigt wurde, was üblicherweise der Fall ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, sich die Bewegung des magnetischen Rührstabs zur Hervorrufung von Vibrationen ohne Kontakt des Rührstabs mit der Flüssigkeit an der Stop-Fluß-Verbindung zunutze zu machen, da die Rotation des Rührstabs normalerweise Vibrationen innerhalb der Vorrichtung hervorruft. Die Vibrationen können, falls gewünscht, durch Anordnung von Vorsprüngen, gegen die der Rührstab an den Wänden der Aufnahmekammer schlägt, oder durch Schaffung einer rauhen unteren Oberfläche, auf der der Rührstab rotiert, erhöht werden.
Je nach Stellung und Geometrie der Stop-Fluß-Verbindung und der Aufnahmekammer setzt sich der Fluß automatisch (durch Kapillarwirkung oder hydrostatischen Druck nach Entlastung einer metastabilen Bedingung) fort, aber es kann ein Tropfenfluß der Probe und des Verdünners unter hydrostatischem Druck des Verdünners auch durch zusätzliche Bewegungen (insbesondere Vibrationen) oder andere Vorgänge (z.B. neuerliche Berührung des Meniskus) ermöglicht werden, bis der steigende Flüssigkeitsstand in der Aufnahmekammer den Bereich der Fluß-Stop-Verbindung berührt, wobei zu diesem Zeitpunkt der durch die Oberflächenspannung erzeugte Gegendruck nicht mehr möglich ist und sich der Fluß fortsetzt bis die Aufnahmekammer mit vorherbestimmtem Volumen gefüllt ist. Die Geometrie der Aufnahmekammer unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, doch muß ein gleichmäßiger Fluß sichergestellt werden, um ein Einschließen von Gasbläschen zu vermeiden. Das Einfließen der Probe oder des Verdünners in einen unteren Abschnitt der Aufnahmekammer und eine obere Oberfläche der Aufnahmekammer, die zur Entlüftungsöffnung hin schräg nach oben geneigt ist, tragen dazu bei, ein Eischließen von Gasbläschen zu vermeiden.
Bei der Entlüftungsöffnung kann es sich um ein kleines durch die Stop-Fluß-Verbindung abgeschlossenes Loch handeln, das das Austreten von Flüssigkeit aus der Vorrichtung verhindert. Es kann sich aber auch um eine etwas ausgeklügeltere Entlüftungsöffnung zum Gasaustritt ohne Flüssigkeitsaustritt handeln (z.B. ein mikroporöser, hydrophober Stöpsel, der für Luft, aber nicht für hydrophile Flüssigkeiten durchlässig ist).
Obwohl es hinsichtlich der Größe der Proben, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen und verdünnt werden können, keine theoretische Obergrenze gibt, sind das Verfahren und die Vorrichtung besonders zum Messen und Verdünnen kleiner Flüssigkeitsmengen geeignet. Demzufolge besitzt die Meßkammer im allgemeinen ein Volumen von 0,1 uL bis 100 uL, vorzugsweise 1 uL bis 30 uL, noch bevorzugter 3 uL bis 10 uL. Die Aufnahmekammer besitzt im allgemeinen ein Volumen von 3 uL bis 1000 uL, vorzugswiese 10 uL bis 300 uL, noch bevorzugter 30 uL bis 100 uL, wodurch sich ein Verdünnungsverhältnis von 10&sup4;:1 bis 3:1, vorzugsweise 10³:1 bis 10:1, noch bevorzugter von 100:1 bis 10:1 ergibt. Kanäle, durch die der Kapillarfluß erfolgt, weisen einander gegenüberliegende Wände auf, deren Abstand üblicherweise zwischen 0,01 mm und 2 mm, öfters zwischen 0,1 mm und 1 mm beträgt. Die Kapillarräume können röhrenförmig sein (was nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt voraussetzt, sie können eine quadratische oder eine andere regelmäßige Form aufweisen) oder stellen den durch die flachen Platten und Seitenwände gebildeten Raum dar, wobei die Seitenwände weiter als ein Kapillarabstand voneinander entfernt sind. Eine röhrenförmige Kammer mit zumindest einer flachen Seite (z.B. ein quadratischer Querschnittsbereich, ein Rechteck mit anliegenden Seiten, deren Länge sich nicht mehr als durch einen Faktor 1:2 bis 1:4 unterscheidet, oder eine halbkreisförmige Kammer) wird aufgrund ihrer leichten Fertigung in den Fällen bevorzugt, in denen die Kanäle durch das Anfügen zweier angrenzender Oberflächen gebildet werden, von denen eine flach sein kann.
Die Variabilität des Proben- und des Verdünnervolumens von Gerät zu Gerät und von Probe zu Probe wird durch einige Faktoren bestimmt.
1. Die Geometrie des Geräts, insbesondere das Verhältnis der Länge zum Querschnitt der Meßkammer. Allgemein gilt: je größer das Verhältnis, desto höher die Präzision. Dieses Verhältnis bestimmt das Ausmaß, in dem die Stellung des Flüssigkeitsprobenmeniskus am Flußstop relativ zur Fluß-Stop-Verbindung die Variabilität beeinflußt.
2. Die Variation der Dimension der Oberflächenkapillare von Gerät zu Gerät. Der Stand der Technik geht von einer Reproduzierbarkeit von etwa 1% aus.
3. Variationen in der Oberflächenspannung und des Kontaktwinkels der Oberfläche von Probe zu Probe. Die Bandbreite möglicher Werte für bestimmte typische Proben, z.B. Plasma, ist beschränkt. Man erwartet nicht, daß solche Variationen bei den bevorzugten Dimensionen beträchtliche Fehler hervorrufen.
4. Variabilität im Ausmaß der Verdrängung der Probe durch den Verdünner. Die zum Tragen kommenden Faktoren sind: a) Rückfluß der Probe in das Zuführrohr; b) Ausmaß der Vermischung des Verdünners und der Probe in der Meßkammer. Die Variation von Probe zu Probe wird durch Unterschiede der Probenviskosität und -dichte und der Verdünnerviskosität und -dichte gesteuert. Die bekannte Variabilität der Probenviskosität und -dichte ist für viele typische Probenflüssigkeiten (z.B. Plasma) nicht besonders groß. Es scheint, daß sich die Verdünnerviskosität und -dichte im Idealfall und zur Erreichung der besten Ergebnisse nicht sehr von der Probenviskosität und -dichte unterscheiden sollten.
Unter Berücksichtigung dieser Faktoren belaufen sich Schätzungen der wahrscheinlichen Variation des Probenvolumens unter Verwendung der bevorzugten Dimensionen auf weniger als 1%. Ähnliches gilt für die Variabilität des Verdünnervolumens, außer daß Variationen der Probeneigenschaften aufgrund des Verdünnens weniger ins Gewicht fallen.
Die Zeit zum Füllen der Probenkapillare kann auf der Grundlange bekannter physikalische Prinzipien errechnet werden (siehe Chemical Engineer's Handbook (1973) 5. Auflage., Hgs. R.H.Perry & C.H. Chilton, McGraw Hill, New York). Im allgemeinen ist die Zeit minimal. Bevorzugte Füllzeiten liegen unter 5 Minuten; eine Zeit von weniger als 1 Minute ist besser, eine Zeit von weniger als 10 Sekunden der Idealfall. Nachdem alle zur Verdünnung notwendigen Maßnahmen getroffen wurden (Zugabe des Verdünners, Ingangsetzung eines mechanischen oder elektrischen Geräts), kann die Zeit, die bis zum Flüssigkeitsfluß verstreicht, lang sein. Die Zeit beträgt wünschenswerterweise weniger als 1 Minute, vorzugsweise weniger als 10 Sekunden, am bevorzugtesten weniger als 1 Sekunde. Die Verzögerung des Flüssigkeitsflusses ist offensichtlich auf die Schaffung einer anfänglich metastabilen Bedingung zurückzuführen, die durch das Verstreichen der Zeit, vielleicht durch die oben bei der Erklärung eines anfänglichen metastabilen Flußstops beschriebenen Mechanismen überwunden wird.
Die Probenaufbringstelle muß eine ausreichende Probenmenge zum Füllen der Meßkammer aufnehmen und einen genügend schnellen Fluß ermöglichen können, sodaß die auf die Probenaufbringstelle aufgebrachte Probe direkt zur Meßkammer fließt und nicht durch Überlaufen der Probenaufbringstelle verloren geht.
Die Verdünneraufbringstelle muß eine ausreichence Menge an flüssigem Verdünner zum Füllen der Meßkammer, durch die der Verdünner fließt, zum Füllen aller dazwischenliegender oder peripherer Flußkanäle (z.B. des Verdünnerrückflusses in die Probenaufbringstelle) und zum Füllen des restlichen Volumens innerhalb der Aufnahmekammer, das weder durch die Probe noch durch irgendeinen in der Aufnahmekammer vorhandenen beweglichen Teil oder eine Rührstange ausgefüllt wird, aufnehmen können. Da der Fluß stoppt, wenn die Aufnahmekammer mit der Probe oder dem Verdünner gefüllt ist, wird das Verdünnungsverhältnis durch das letztere Volumen und das Volumen der Meßkammer bestimmt. Wenn beispielsweise die Größe der Meßkammer 5 ul beträgt und die Aufnahmekammer ein inneres Gesamtvolumen von 120 ul besitzt und eine Rührstange mit einem Volumen von 15 ul enthält, ist das Verdünnungsverhältnis 20:1 (20 Volumina Verdünner, d.h. 100 ul auf jede Einheit Probenvolumen, d.h. 5 ul).
Bei Verwendung der bevorzugten kleinen Volumina in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet man mit eingeschränkten Flußverbindungs-Gegendrücken im Bereich von 0,1 bis 20 cm H&sub2;O, vorzugsweise 0,3 bis 10 cm H&sub2;O, am bevorzugtesten 1 bis 5 cm H&sub2;O, wenn die Beigabe des Verdünners den Fluß automatisch wieder in Gang setzen soll. Man kann mit Gegendrücken arbeiten, die über den im vorhergehenden Satz angeführten Obergrenzen liegen, wenn der Fluß durch ein anderes Mittel in Gang gesetzt werden soll.
Es sei erwähnt, daß Aussagen in dieser Beschreibung, die sich auf Unter- und Obergrenzen der Bereiche beziehen, so aufgefaßt werden sollen, daß sie individuell eine Reihe von Unter- und Obergrenzen angeben, die in jeder Kombination benutzt werden können. Man kann beispielsweise eine typische Obergrenze und eine bevorzugte Untergrenze zur Definition eines Bereichs mittlerer Präferenz heranziehen.
Neben dem Verdünnen und Vermischen von Prober läßt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch eine aufomatische Inkubation der Probe mit einem ersten Reagens während einer bestimmten Zeitspanne vor der Vermischung und der Inkubation mit Einem zweiten Reagens durchführen. Man kann dafür sorgen, daß die Inkubationszeiten von den Füllvorgängen unabhängig sind. Um dies zu bewerkstelligen, bringt man auf verschiedenen Oberflächen oder Bereichen einer Oberfläche der Aufnahmekammer Reagenzien an. Ein erstes Reagens in geeigneter Trockenform kann beispielsweise auf der Bodenfläche der Aufnahmekammer, ein zweites auf der Deckfläche der Kammer vorhanden sein. Wenn die Probe zum ersten Mal in die Aufnahmekammer eintritt, berührt sie das erste Reagens. Es stellt sich dann eine Zeitverzögerung beim Füllen der Aufnahmekammer durch die Flüssigkeit ein, während der eine anfängliche Inkubation erfolgen Kann. Falls gewünscht, kann während dieser Zeit das Vermischen erfolgen. Wenn die Probe und der Verdünner die Deckfläche der Aufnahmekammer erreichen, wird das zweite Reagens berührt und tritt in die Reaktion ein. Jede beliebige Zahl an Reagenzzonen an verschiedenen Stellen der Aufnahemkammer ist möglich. Die Steuerung der Inkubationszeit kann durch Variieren der Höhe eines Reagenzbandes oberhalb der Bodenfläche der Aufnahmekammer (für Kammern, die vom Boden ausgehend gefüllt werden) oder auch durch Anbringen des Reagens an einem Punkt, der erst später im Verlauf des Füllvorganges erreicht wird (z.B. vertikale Bänder in verschieden großen Abständen zur Stop-Fluß-Verbindung bei horizontaler Füllung der Kammer), durch Variieren des Volumens und der Form der Aufnahmekammer und durch Variieren der Eintrittsrate des Verdünners in die Reagenzkammer erfolgen.
Die letztere Variable kann durch einen "Flußbeschränker" gesteuert werden (der entweder ein Teil der Stop-Fluß-Verbindung oder von ihr getrennt ist). Die Größenregulierung der Öffnung zwischen der Verdünner- und der Meßkammer beispielsweise steuert den Fluß zwischen ihnen. Zusätzliche Faktoren, die die Eintrittsrate des Verdünners in die Reagenzkammer steuern, sind die Dimensionen der Verdünnerkammer, ihre Höhe oberhalb der Stop-Fluß-Verbindung und der Querschnittsbereich jedes Punktes im Flußweg, durch den der Verdünner fließt. Die Flußbeschränkung kann auch an der Gasentlüftungsöffnung aus der Aufnahmekammer erfolgen.
Die Füllzeit der Aufnahmekammer wird durch Konstruktionsparameter des Geräts und durch die Viskosität und Dichte der Probe und des Verdünners reguliert. Die geeignete Zeitspanne beträgt 0,1 Sekunden bis 10 Minuten; besser ist eine Zeitspanne von 1 Sekunde bis 2 Minuten; am besten von 10 Sekunden bis 1 Minute. Die hier beschriebenen Konstruktionsparameter, die durch einfaches Experimentieren kombiniert werden können, ermöglichen eine bequeme Auswahl der gewünschten Füllzeit.
Wenn die Verdünnerkammer viel größer als die Aufnahmekammer ist, werden Variationen der Flußraten und daher auch der Füll- und Inkubationszeiten minimiert. Es können aber trotzdem einige Variationen auftreten, wenn ein Benutzer die Verdünnerkammer nicht vollständig füllt. Eine genauere Steuerung der Verdünnungs- und Inkubationszeiten kann dadurch erreicht werden, indem die Verdünnerkammer mit einer Überlaufkammer für überschüssige Verdünnersubstanz versehen wird und der Benutzer angewiesen wird, die Verdünnerkammer bis zum Überlaufen zu füllen, wodurch bei jedem Arbeitsgang des Geräts der gleiche Verdünnerstand erreicht wird. Zusätzliche Verbesserungen sind durch einen breiten Querschnittsbereich der Verdünnerkammer möglich, sodaß Variationen des Verdünnerstandes vom Anfang bis zum Ende des Füllvorganges minimiert werden. Solche großen Kammern können, falls gewünscht, durch Füllen bis zu einer Linie ohne Bereitstellung einer Überlaufkammer verwendet werden. Auch die Verwendung von abgedichteten Behältern mit dem Verdünner, der durch Aufbrechen des Behälters freigesetzt wird, ist eine Möglichkeit, die Füll- und Inkubationszeiten zu steuern und die flüssigen von den festen Reagenzien zu trennen, die in der gleichen Vorrichtung vorhanden sein können.
Eine erste Reihe von 16 Figuren soll einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung illustrieren, bei denen eine Einfachverdünnung durchgeführt wird. Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen verstehen sich nicht als erschöpfend, und zahlreiche andere Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfanges der beigelegten Ansprüche sind für jene, die mit dem Bereich der Erfindung vertraut sind, offenkundig. In den Figuren 1-10 sind nur die Innenoberflächen, die die Flüssigkeit berühren, zu sehen. Figuren 11 und 12 zeigen gesamte Vorrichtungen mit sowohl Außenoberflächen (deren Kanten durch durchgehende Linien dargestellt werden) als auch Innenoberflächen (deren Kanten durch strichlierte Linien dargestellt werden). Jede der durch die Innenoberflächen von Figuren 1-10 dargestellten Ausführungsformen kann in der Form einer tatsächlichen, Figuren 11 oder 12 ähnelnden Vorrichtung oder einer Kombination oder Modifizierung dieser Figuren hergestellt werden. Die Ausführungsformen beispielsweise, die mittels innerer Flüssigkeitskontaktflächen in Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt sind, weisen eine starke Ähnlichkeit mit der Ausführung auf, die in ihrer Gesamtheit in Fig.11 dargestellt ist. Figuren 13-15 stellen Ausführungsformen der Erfindung in Mehrfachansicht dar, um sowohl die Außen- als auch die Innenflächen zu zeigen.
Fig.1 ist eine schematische Darstellung, die einen Vertikalquerschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Probenaufbringstelle 10 ist eine seichte Einsenkung oder Vertiefung, die durch eine dünne Kapillare 12 mit der Meßkammer 20 an der Verbindung 14 verbunden ist. Die Meßkammer 20 ist vertikal und besitzt einen Abschnitt 22 oberhalb der Verbindung 14 und einen Abschnitt 24 unterhalb der Verbindung 14. Wenn eine flüssige Probe auf die Aufbringstelle 10 aufgebracht wird, fließt die Flüssigkeit durch die Kapillare 12 in die Meßkammer 20 an der Verbindung 14. In Fig.1 weist auch die Kammer 20 Kapillardimensionen auf; dies bedeutet, daß die Kammer eine ausreichend kleine Querschnittsfläche hat, um durch Kapillarwirkung gefüllt zu werden. Die Kapillarwirkung wird durch die Schwerkraft in Abschnitt 24 der Kammer 20 unterstützt. Wenn die Probe den Boden der Kammer 20 erreicht, stoppt der Fluß an der Stop-Fluß-Verbindung 50. Der Abschnitt-der Kammer 20 oberhalb der Verbindung 14, der in Fig.1 als Abschnitt 22 gekennzeichnet wird, wird durch Kapillarwirkung gefüllt. Hydrostatischer Druck ist zum Füllen von Abschnitt 28 der Kammer 20 verfügbar, zum Füllen des Abschnitts 26 ist jedoch kein hydrostatischer Druck verfügbar, der oberhalb des Flüssigkeitsstandes in der Probenaufbringstelle 10 liegt. In dieser Ausführungsform der Erfindung befindet sich an der Verbindung der Meßkammer 20 und der Verdünneraufbringstelle 30 eine Stop-Fluß-Verbindung 55, die die überschüssige Probe daran hindert, in die Verdünneraufbringstelle zu fließen.
Die Geometrie und Oberflächeneigenschaften der Stop-Fluß-Verbindung 50 sind so beschaffen, daß genügend Gegendruck zur Überwindung des hydrostatischen Drucks der Probe erzeugt wird. Dieser hydrostatische Druck kann anhand der Maximalhöhe der Probe oberhalb der Stop-Fluß-Verbindung 50 errechnet werden, wobei diese Höhe (in der in Fig.1 dargestellten Ausführungsform) die Vertikalhöhe der Spitze der Probenaufbringstelle (10) oberhalb der Stop-Fluß-Verbindung 50 ist (d.h. Höhe 52). Die Verbindung wird durch den Schnittpunkt der die Kammer 20 bildenden vertikalen Röhre mit der obersten horizontalen Oberfläche der Kammer 40 gebildet. Das Hauptkonstruktionsmerkmal, das den Gegendruck steuert, ist der Querschnitt der Verbindung, dessen Bereich zur Erzeugung höherer Gegendrücke verkleinert und zur Erzeugung niedrigerer Gegendrücke vergrößert wird,
Wenn der Verdünner auf die Verdünneraufbringstelle 30 aufgebracht wird, überwindet die resultierende Zunahme des hydrostatischen Drucks den Gegendruck an der Stop-Fluß-Verbindung 60 und führt dazu, daß die Probe in der Meßkammer 20 durch den Verdünner in die Aufnahmekammer 40 verdrängt wird. Luft oder irgendein anderes in der Aufnahemkammer 40 enthaltenes Gas wird durch die Entlüftungsöffnung 60 ausgestoßen, die für ein Austreten von Flüssigkeit zu klein ist (d.h. daß die Entlüftungsöffnung auch als Stop-Fluß-Verbindung dient, jedoch als eine, deren Gegendruck der hydrostatische Druck des Verdünners nicht überwinden kann). Zahlreiche andere Entlüftungsanordnungen sind möglich.
In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist das Mittel zum Ingangsetzen des Flusses an der Stop-Fluß-Verbindung 50 lediglich die zusätzliche Höhe der Flüssigkeit und die resultierende zusätzliche Druckhöhe, die durch das Anbringen der Verdünneraufbringstelle 30 oberhalb der Meßkammer 20 erzeugt wird. Die Verdünneraufbringstelle 30 weist im Vergleich zur Aufnahmekammer 40 eine ausreichende Größe auf, sodaß während des gesamten Verdünnungsvorganges bis zum Füllen der Aufnahmekammer 40 eine ausreichende Druckhöhe vorhanden ist (d.h. die Druckhöhe reicht aus, um den Gegendruck an der Stop-Fluß-Verbindung 50 zu überwinden, selbst wenn die Verdünneraufbringstelle 30 teilweise leer ist). Die Druckhöhe muß weiters ausreichen, um jeden Flußwiderstand zu überwinden, der durch viskosen Widerstand im Flußweg entsteht.
Eine entfernbare Abdeckung 11 (die vollständig entfernbar, gelenkig angebracht oder vorzugsweise in einer gleitenden Anordnung an der Probenaufbringstelle 10 befestigt ist) kann zur Vermeidung des Rückflusses der Flüssigkeit in die Aufbringstelle benutzt werden. Wenn die Abdeckung 11 vor der Aufbringung des Verdünners angebracht wird, bewirkt das Fehlen einer Entlüftungsöffnung in diesem Abschnitt der Vorrichtung Widerstand gegen den Flüssigkeitsrückfluß in die Kapillare 12. Bei Nichtvorhandensein einer Abdeckung kommt es bei Zugabe des Verdünners in 30 zu einem Anfangsfluß durch die Kapillaren 20 und zu einem Rückfluß in die Probenaufbringstelle 10. Wenn 30 genügend Verdünner zugeführt wurde, sodaß der Gegendruck an der Stop-Fluß-Verbindung überwunden wird, tritt auch ein Fluß durch die Meßkammer 20 in die Aufnahmekammer 40 ein. Zur Durchbrechung der Oberflächenspannungskräfte an 50 ist eine begrenzte Zeitdauer erforderlich, sodaß der Fluß in die Aufnahmekammer 40 dem anfänglichen Rückfluß in die Kapillare 12 "hinterherhinkt".
Die Richtung und das Ausmaß der Flüssigkeitsströme in den verschiedenen Kapillaren und Kammern hängt von den Dimensionen des Geräts, der Viskosität und Dichte der Flüssigkeiten und der Hohe der verschiedenen Flüssigkeitssäulen ab. Nach Zugabe des Verdünners, doch noch vor dem Ingangsetzen des Flusses durch die Stop-Fluß-Verbindung 50 tritt ein Rückfluß der Probe (und/oder des Verdünners) von 20 in 12 und 10 ein. Nachdem der Fluß durch 50 eingeleitet worden ist, wird der Fluß der Probe (und/oder des Verdünners) von 20 zwischen 12 und 24 verteilt und durch die folgenden Faktoren gesteuert:
A. Druckhöhe: bei zunehmendem Druck nimmt der Fluß zu.
B. Röhrenlänge: mit zunehmender Lange nimmt der Fluß ab.
C. Röhrenquerschnitt: mit zunehmendem Querschnitt nimmt der Fluß zu.
D. Viskosität: mit zunehmender Viskosität nimmt der Fluß ab.
Die Probe wird (a) in die Aufnahmekammer 40 verdrängt, (b) in die Kapillare 12 verdrängt und (c) mit dem Verdünner in der Röhre 20 vermischt. Die angeführten Faktoren steuern, wo genau sich die Probe befindet. Eine Spezifizierung dieser Faktoren stellt jedoch sicher, daß in einem bestimmten Gerät (und in Kopien mit den gleichen Dimensionen) eine reproduzierbare Quantität der Probe in die Aufnahmekammer 40 verdrängt wird. Die Reproduzierbarkeit der Probenverdünnung ist in der Verdünnungsvorrichtung das Wichtigste, da das eigentliche Verdünnungsausmaß leicht durch Variieren der Aufnahmekammergröße eingestellt werden kann, ohne das anfängliche Messen der Probe und/oder der Flußarten im Anfangsstadium in der Vorrichtung wesentlich zu beeinflussen.
Durch (A) Verwendung der Abdeckung 11 zur Unterbindung des Rückflusses durch 12, wodurch der gesamte Fluß in 40 gelenkt wird, oder durch (B) Verkleinerung von Querschnitt 12 im Verhältnis zu Querschnitt 20, durch Verkürzung der Länge 24 im Verhältnis zu Länge 12 ünd durch Verringrung der Druckhöhe 52 im Verhältnis zur Druckhöhe des Verdünners (70 und 22) wird der Rückfluß in 12 minimiert und ist im Verhältnis zum Fluß durch 24 in 40 kaum bedeutend.
Die Präzision des Volumens der in 40 verdrängten Probe kann durch das Vermischen der Probe und des Verdünners in der Röhre 20 beeinträchtigt werden. Wenn das Vermischungsausmaß in Abschnitt 22 der Kapillare 20 von Versuch zu Versuch variiert, variiert auch die Zusammensetzung der Abschnitt 24 zu 40 hinunterfließenden Flüssigkeit. Durch Minimierung der Länge von Abschnitt 22 kann dieses Problem beinahe zur Gänze gelöst werden. Andere Verfahren zur Minimierung der Vermischung wurden bereits erläutert.
Fig.2 zeigt eine ähnliche Ausführungsform, die sich vor allem dadurch unterscheidet, daß die Kapillare 12 viel näher an der Verdünneraufbringstelle 30 in die Meßkammer 20 an der Verbindung 14 eintritt. Dies verringert den hydrostatischen Druck an Verbindung 14 und auch die Tendenz des Verdünners und der Probe, durch die Kapillare 12 in die Probenaufbringstelle 10 zurückzufließen.
Fig.3 zeigt eine weitere Variation der in Fig.1 dargestellten Ausführungsform. Die Hauptunterschiede bestehen darin, daß der Kanal 12 größer als Kanal 20 ist, was dazu führt, daß die Meßkammer 20 an der Verbindung 14 beginnt und sich bis zur beschränkten Flußstelle 50 erstreckt, die sich deutlich innerhalb der Aufnahmekammer 40 in der Nähe des Kammerbodens befindet. Die übrigen Teile der Vorrichtung und ihre Funktionsweise sind wie oben beschrieben. In dieser Ausführungsform führt die Zugabe des Verdünners an der Stelle 30 zu einem Fluß durch die Verbindung 14 und Kapillare 12 zurück zur Probenaufbringstelle 10. In dieser Ausführungsform richtet der Rückfluß jedoch keinen Schaden an, da der Meßabschnitt an Verbindung 14 beginnt und weder die Verbindung selbst noch irgendeinen Teil eines Rohres oder einer anderen Kammer umfaßt, die sich von dieser Verbindung zur Verdünneraufbringstelle 30 erstrecken. Der Rückfluß wird durch das Nichtverschließen der Probenaufbringstelle 10 und durch einen Kanal 12 mit einem großen Durchmesser erleichtert.
Darüber hinaus ist es durch Ausweitung der Röhre 20, wodurch sich die Stop-Fluß-Verbindung in der Nähe des Bodens der Aufnahmekammer 40 befindet, nicht mehr notwendig, einen großen Verdünnerüberschuß in der Verdünneraufbringstelle 30 aufzubewahren. Nach Überwindung der Oberflächenspannungskräfte an 50 und dem Eintritt eines kleinen Proben- und Verdünnervolumens in die Aufnahmekammer 40 berührt die Flüssigkeitsoberfläche den Boden der Kammer 40, wodurch eine Flußunterbrechung ausgeschlossen wird. Der Verdünnerfluß in die Kammer 40 setzt sich daher fort, bis die Aufnahmekammer 40 gefüllt ist, selbst wenn die hydrostatische Druckhöhe unter den zur Überwindung des normalen Gegendrucks an 50 erforderlichen Wert fällt, da das Nichtvorhandensein eines Luftzwischenraumes an der Stop-Fluß-Verbindung 50 das Entstehen von Gegendruck verhindert.
Die drei bisher besprochenen Ausführungsformen besitzen alle Kapillarkammern als Meßkammer 20. Die in Fig.4 dargestellte Ausführung hat eine Meßkammer 20, die durch Kapillarwirkung nicht gefüllt werden kann. Die Stop-Fluß-Verbindung bildet sich durch ein kleines Auslaßloch, das von Kammer 20 zu Kammer 40 führt. Da der hydrostatische Druck vom Flüssigkeitsvolumen unabhängig ist, besteht zwischen dieser Stop-Fluß-Verbindung im Vergleich zu der weiter oben beschriebenen kein Unterschied. In solchen Ausführungen muß jedoch die Verbindung 14, bei der die Probe in die Kammer eintritt, an der Spitze der Kammer 20 angebracht sein oder die Probenaufbringstelle 10 aureichend hydrostatischen Druck liefern, um die Kammer 20 zu füllen, da keine Kapillarwirkung zum Ziehen der Probe nach oben verfügbar ist. Die übrigen Teile dieser Vorichtung und ihre Funktionsweise sind wie oben beschrieben.
Die obigen Ausführungsformen besitzen vertikale Meßkammern 20. Horizontale (oder gemischte vertikal-horizontale) Anordnungen sind auch möglich. Die in Fig.5 dargestellte Ausführungsform besitzt eine horizontale Meßkammer 20. Fig.5 zeigt auch eine Reihe anderer möglicher Variationen. So ist an der Probenaufbringstelie 10 ein Filter 13 vorhanden. Bei diesem Filter kann es sich z.B. um einen Glasfaserfilter zur Trennung der roten Blutkörperchen vom Gesamtblut handeln, sodaß eine auf die Aufbringstelle 10 aufgebrachte Gesamtblütprobe gefiltert wird, um eine von der Kapillare 12 entnommene Plasmaprobe zu ergeben. Mit Hilfe der Kapillarwirkung in der Kammer 20 wird wiederum diese Kammer gefüllt. Eine Stop-Fluß-Verbindung 50 verhindert einen Fluß der Probe in die Aufnahmekammer 40. Eine zweite Stop-Fluß-Verbindung 55 verhindert ein Eintreten der Probe in die Verdünnerstelle 30. Durch eine vertikale Anordnung der Verdünneraufbringstelle oberhalb der Stop-Fluß-Verbindung ist hydrostatischer Druck wieder verfügbar, um die Probe in die Aufnahmekammer 40 zu lenken. Diese Ausführungsform enthält auch eine Rührstange 80 oder andere Mittel zur Mischung der Probe und des Verdünners in der Kammer 40.
Durch eine leichte Umgestaltung der Geometrie der in Fig.5 dargestellten Ausführung ist es möglich, mit Hilfe des Mischstabs 80 den Fluß in Gang zu setzen. Durch Anordnung der Stop-Fluß-Verbindung 50 am Kammerboden kann, wie aus Fig.6 ersichtlich, der Probenmeniskus an 50 durch den rotierenden Rührstab berührt werden, wodurch der Fluß durch die Rotation des Rührstabs in Gang gesetzt wird. Da eine große Druckhöhe nicht erforderlich ist, kann sich die Verdünneraufbringstelle 30 auf einer niedrigeren Höhe befinden, die zur Überwindung des Gegendrucks an der Stop-Fluß-Verbindung 50 nicht ausreichend ist. Die Verdünnerstelle 30 muß jedoch genügend hydrostatischen Druck bereitstellen, um die Kammer 40 nach Ingangsetzen des Flusses zu füllen.
Eine Variation der Geometrie der in Fig.6 dargestellten Ausführungsform wird in Fig.7 gezeigt, auf der man eine Draufsicht von oben und keinen Vertikal schnitt sieht. Die Probenaufbringstelle 10 ist mit der Kapillarmeßkammer 20 durch die Verbindung 12 verbunden. Die Verbindung 14 kann sich an jedem Punkt entlang der Meßkarnmer 20 befinden. Die Querschnittsfläche der Röhre 12 ist viel kleiner als die der Röhre 20. Die Verdünneraufbringstelle 30 befindet sich an einem Ende der Kammer 20 (durch die Stop-Fluß-Verbindung 55 verbunden), während sich die Aufnahmekammer 40 am anderen Ende (verbunden mit der Stop-Fluß-Verbindung 50) befindet. Ein Rührstab 80 befindet sich in der Aufnahmekammer 40, die entlüftet ist (nicht dargestellt). Die Verdünneraufbringstelle 30 befindet sich oberhalb von Wänden oder enthält Wände, die sich in ausreichendem Abstand oberhalb der Höhe der Aufnahmekammer 40 befinden, um dem Verdünner das Verdrängen der Probe in die Aufnahmekammer zu ermöglichen. Der Höhenunterschied reicht jedoch nicht aus, um den Gegendruck an der Stop-Fluß-Verbindung 50 zu überwinden. Dieser Gegendruck läßt bei Kontakt des Probenmeniskus 50 durch den/die Rührstab/einrichtung zum Ingangsetzen des Flusses 80 nach.
Es ist auch möglich, diese oder irgendeine andere bereits beschriebene Vorrichtung durch Verwendung von Vibrationen als Mittel zum Ingangsetzen des Flusses zu betreiben. Die Bewegung der Flüssigkeit an der Stop-Fluß-Verbindung reicht zur Überwindung des Gegendrucks aus, wenn die Amplitude und die Frequenz der Vibration ausreichend sind. Zur Aufrechterhaltung des Flusses ist nur geringer hydrostatischer Druck erforderlich; der Fluß kann auch, wie weiter unten beschrieben, durch den Einsatz einer Kapillaraufnahmekammer aufrechterhalten werden.
Fig.8 zeigt eine Variation der in Fig.7 dargestellten Ausführungsform, bei der der Rückfluß durch die Verbindung 14 zur Probenaufbringstelle 10 ermöglicht wird. Die Querschnittsfläche der Röhre 20 ist viel enger als die der Röhre 12. Die Meßkammer 20 wird daher, wie bezüglich Fig.3 beschrieben, von der Verbindung 14 bis zur Stop-Fluß-Verbindung 50 gemessen. Die übrigen Teile der Vorrichtung und ihre Funktionsweise sind wie in Fig.7.
Fig.9 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der eine einzige Aufbringstelle sowohl zum Aufbringen der Probe als auch des Verdünners dient. In der in Fig.8 dargestellten Schnittansicht ist eine Aufbringstelle 10/30 zu sehen, der die Probe anfänglich zugeführt wird. Der Kapillarkanal 20 dient als Meßkammer. Ein Sammelbehälter 90 dient zum Abziehen der überschüssigen Probe durch die Verbindung 95. Eine Entlüftungsöffnung (62) befindet sich im Sammelbehälter. Ein Absorptionsmaterial wie Baumwolle kann, falls gewünscht, im Sammelbehälter 90 zur Absorption von Flüssigkeiten vorhanden sein. Durch den Sammelbehälter 90 wird die überschüssige Probe abgezogen, sodaß bei späterer Zugabe des Verdünners praktisch keine Probensubstanz mehr in der Aufbringstelle 10/30 übrig bleibt. Die geringe Probenmenge, die in 10/30 übrig bleibt, wird durch die richtige Wahl der Dimensionen im Vergleich zum Probenvolumen (20) zu einer vernachlässigbaren Größe. Es wird ausreichend überschüssiger Verdünner zugefügt, um eine Verdrängung der in der Meßkammer 20 befindlichen Probe in die Aufnahmekammer 40 zu bewirken. Die Größe des Sammelbehälters 90 sollte ausreichen, um die überschüssige Probensubstanz aufnehmen zu können, doch nicht ausreichen, um die der Aufbringstelle 10/30 zugeführte Verdünnermenge auzunehmen; auf diese Weise kann man sicher sein, daß bei Betrieb der Vorrichtung die Probe in die Aufnahmekammer verdrängt wird. Die übrigen Teile der Vorrichtung und ihre Funktionsweise sind wie oben beschrieben.
Die Ausführungsformen der Erfindung können so gestaltet sein, daß einzig und allein die Kapillarwirkung für die Bewegung der Flüssigkeiten zwischen den Teilen verantwortlich ist. Figuren 10A und 10B stellen horizontale und vertikale Schnittansichten einer solchen Vorrichtung dar. Der Hauptunterschied zwischen dieser und der vorhergehenden Ausführung von Fig.9 besteht darin, daß die Aufnahmekammer 40 durch Kapillarwirkung gefüllt werden kann. Die Stop-Fluß-Verbindung 50 ist eine kleine, doch abrupte Verbreiterung der Kapillarröhre. Durch die allgemeine Verwendung von Kapillarräumen können äußerst kleine Volumina gemessen und vermischt werden. Die auf die Aufbringstelle 10/30 aufgebrachte Probe füllt die Kammer 20, fließt jedoch anfänglich nicht an der Stop-Fluß-Verbindung 50 vorbei. Der Verdünner kann auf der Aufbringstelle 10/30 ohne Bewirken eines Flusses aufgebracht werden, wenn der hydrostatische Druck ausreichend niedrig bleibt. Sobald jedoch Vibrationen oder ruckartige Bewegungen dafür sargen, daß die Probe den Zwischenraum an der Stelle 50 überquert, setzt sich der Fluß in die Aufnahmekammer 40 durch Kapillarwirkung fort. Ein separater Vibrator oder eine Kammer 40 mit einer rauhen Bodenoberfläche oder anderen Vertiefungen, die im Betrieb den Rührstab 80 berühren, können vorgesehen werden, wobei dieser Rührstab zur Vibration der Vorrichtung dient, und so das Ingangsetzen des Flusses bewirkt.
Fig.11 ist eine perspektivische Ansicht, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit durch strichlierten Linien dargestellten Außenflächen zeigt, bei der die Meßkammer 20 vertikal ist und das Mittel zum Ingangsetzen des Flusses die vertikale Höhendifferenz zwischen der Verdünneraufbringstelle 30 und der Stop-Fluß-Verbindung 50 ist. Die Aufnahmekammer 40 verläuft durch die Länge des Blocks, in der mehrere Kammern gebildet werden, um zwei Endfenster (42 und 44) zu ergeben, die eine optische Möglichkeit zur Messung ergeben. Die Entlüftungsöffnung 60 verläuft durch den Block 5 zu einer Öffnung nach oben, die sich auf gleicher Höhe wie der obere Abschnitt der Verdünneraufbringstelle 30 befindet. Das Anordnen der eigentlichen Entlüftungsöffnung auf dieser Höhe und die Beibehaltung eines geringen Innenvolumens durch Beibehaltung eines kleinen Entlüftungsöffnungsdurchmessers minimiert Fehler, die durch den Eintritt der Flüssigkeit in die Entlüftungsöffnung entstehen. Da die Entlüftungsöffnung oberhalb der Höhe des in der Verdünneraufbringstelle 30 nach Einfüllen der Aufnahmekammer 40 verbleibenden Verdünners liegt, ist kein hydrostatischer Druck vorhanden, der einen Austritt aus der Entlüftungsöffnung bewirken würde. Die in Fig.11 dargestellte Ausführungsform kann aus zwei oder mehr getrennten Teilen gefertigt werden, die Innenkammern oder Oberflächenvertiefungen aufweisen, die bei Zusammenfügen der Teile die bereits erwähnten Innenhohlräume bilden.
Fig.12 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Meßkammer 20 horizontal ist, wobei Ähnlichkeiten zu den Figuren 5 und 6 (vertikale Schnittansichten) sowie 7 und 8 (Draufsichten) bestehen. In dieser Ausführungsform können alle Teile mit Ausnahme der Verdünneraufbringstelle 30 in Form eines aus zwei Stücken bestehenden, dünnen plastikkartenähnlichen Geräts des in der US Patentanmeldung Seriennummer 880.793, Einreichdatum 1.Juli 1986 beschriebenen Typs gefertigt sein. Die Verdünneraufbringstelle 30 entsteht durch Anbringen eines sich nach oben erstreckenden Zylinders an der geeigneten Stelle der Oberfläche des flachen Geräts. In der dargestellten Ausführungsform dient der Rührstab 80 in ähnlicher Weise wie bei der in Fig.6 dargestellten Ausführungsform als Mittel zum Ingangsetzen des Flusses. Eine weitere Möglichkeit des Ingangsetzens des Flusses besteht aber auch in der Nutzung des hydrostatischen Drucks vom Verdünner in der Aufbringstelle 30, wobei die Methode der in Fig.5 dargestellten ähnelt. Die anderen Teile der Vorrichtung und ihre Funktionsweise wurden bereits besprochen.
Figuren 13-15 werden anhand der folgenen Beispiele im Detail beschrieben.
Fig.16A ist eine perspektivische Ansicht einer Verbindung, die den Fluß an der Verbindung zweier Kammern nicht stoppen, sondern ihn an diesem Schnittpunkt vorbei erleichtern soll. Eine Rinne 15 in Kapillargröße erleichtert den Fluß von der Kapillare 12 in die Kammer 20. Die Probe fließt vom Kanal 12 in die Rinne 15. Wie aus der Vertikalschnittansicht von Fig.16B ersichtlich, würde die Verbindung 14 zwischen der Kapillare 12 und der Kammer 20 ansonsten als Stop-Fluß-Verbindung dienen. Mittels der Kapillarrinne 15 wird das Kriechen der Probe an der Verbindung 14 vorbei erleichtert. Die Rinne weist Kapillardimensionen auf und kann die aus dem Kanal 12 kommende Probe fassen und sie an der Verbindung 14 vorbeizuziehen. Die Rinne 15 erstreckt sich, wie aus Fig.16 ersichtlich, nicht notwendigerweise vollständig um die Kammer 20, sondern muß nur eine Kapillarverbindung zwischen den sich kreuzenden Kammern herstellen.
Alle erfindungsgemäßen Vorrichtungen, ob sie schon besprochen wurden oder nicht, lassen sich mit herkömmlichen Verfahren betreiben, obwohl es bei den Mitteln zur Durchführung der einzelnen Arbeitsgänge Unterschiede gibt. In allen Fällen wird eine Probe auf eine Probenaufbringstelle einer Vorrichtung aufgebracht. Die Probe fließt ohne Energieanwendung von außen (d.h. ohne Verwendung von Pumpe, Vakuum, Luftdruck u.ä.) von der Probenaufbringstelle in die Meßkammer mit vorherbestimmten Volumen. Am Ende der Meßkammer mit vorherbestimmtem Volumen befindet sich eine oder mehrere Stop-Fluß-Verbindungen, die vor der Aufbringung des Verdünners den Probenfluß stoppen. Der Verdünner wird anschließend auf die Verdünneraufbringstelle der gleichen Vorrichtung aufgebracht. Üblicherweise führt man die beiden Schritte der Zugabe der Probe und des Verdünners in der angeführten Reihenfolge durch, da sowohl die Verdünneraufbringstelle als auch die Probenaufbringstelle mit der Meßkammer verbunden sind. Wenn zuerst der Verdünner hinzugefügt wird, würde der Verdünner und nicht die Probe in der Meßkammer gemessen werden. Bei einigen Ausführungsformen kann jedoch vor der Beigabe der Probe Verdünner in der Vorrichtung vorhanden sein, wenn dafür gesorgt wird, daß der Verdünner in der Meßkammer nicht vorhanden ist, solange keine Probe in der Meßkammer vorhanden ist. Es kann zum Beispiel eine faltbare Verdünnertasche vor der Beigabe der Probe in der Verdünneraufbringstelle angebracht werden. Nach der Beigabe der Probe und dem Füllen der Meßkammer reißt die Tasche. Eine Barriere reißbaren, undurchlässigen Materials kann auch zur Verhinderung eines zu frühen Eintritts des Verdünners in die Meßkammer verwendet werden. Das gleiche Ergebnis läßt sich mit der gleichzeitigen Zugabe von Probe und Verdünner mit unterschiedlichen Flußraten in die Meßkammer (der Probenfluß ist schneller als der Verdünnerfluß) erzielen. Das Hauptmerkmal besteht darin, daß sich die Probenkammer vor dem Einfüllen des Verdünners mit der Probe füllt. Ob man dies durch mechanische Ventile, reißbare Abdichtungen, die Reihenfolge der Proben- und Verdünneraufbringung oder irgendeine andere Vorgangsweise bewerkstelligt, ist für die Zwecke der Erfindung irrelevant.
Der aufgebrachte Verdünner kann durch die Meßkammer und die Stop-Fluß-Verbindung in die Meßkammer mit vorherbestimmtem Volumen fließen. Dieser Fluß tritt jedoch nicht notwendigerweise ohne äußere Aktivierung zum Ingangsetzen des Flusses ein. In einigen Fällen ist keine äußere Aktivierung notwendig, da der zusätzliche, durch die Aufbringung des Verdünners auf die Verdünneraufbringstelle bewirkte hydrostatische Druck ausreichen kann, um den durch die Oberflächenspannung an der Stop-Fluß-Verbindung erzeugten Gegendruck zu überwinden. In anderen Fällen reicht der hydrostatische Druck nicht aus, weshalb man, wie oben beschrieben, auf ein anderes Mittel zum Ingangsetzen des Flusses zurückgreifen muß.
Während des Füllens der Aufnahmekammer tritt Luft oder irgendeine anderes eingeschlossenes Fluid durch die Entlüftungsöffnung aus. Die Entlüftungsöffnung ist entweder klein genug, um eine Stop-Fluß-Verbindung zum Einschließen der Flüssigkeit in der Aufnahmekammer zu bilden, oder an einer höheren Stelle als der Verdünnerstand in der Verdünneraufbringstelle angebracht, sodaß der hydrostatische Druck kein signifikantes Flüssigkeitsvolumen aus der Aufnahmekammer verdrängen kann.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind im Vergleich zu anderen automatischen Meßgeräten hinsichtlich ihrer Konstruktion und ihrer Funktionsweise recht einfach. Im Normalfall sind in einer Ausführungsform, die eine Einfachverdünnung durchführt, keine beweglichen Ventile oder andere Teile vorhanden außer (in einigen Ausführungsformen) ein Rührstab oder ein beweglicher Teil zum Kontakt der Flüssigkeitsoberfläche an der Stop-Fluß-Verbindung zum neuerlichen Ingangsetzen des Flusses. Dieser Teil kann magnetisch bewegbar sein und auch als Rührstab zum Vermischen des Verdünners und der Probe in der Aufnahmekammer dienen.
Die erfindungsgemäße Stop-Fluß-Verbindung kann auf der Grundlage der hier angeführten Kriterien und bekannter physikalischer Prinzipien, die eine Verbindung zwischen Gegendruck und Flüssigkeitsströmen und Veränderungen des Kammerdurchmessers, der Oberflächenspannungen von Flüssigkeiten, Druckhöhen usw. herstellen, ohne Schwierigkeiten konstruiert werden. In den folgenden Beispielen werden einige exemplarische Berechnungen dargelegt.
Die Teile der Patronenausführung, die Serienverdünnungen einer Probe ermöglicht, umfassen eine Probenaufbringstelle, eine Mischkammer, eine Verdünneraufbringstelle, eine Mischungsabtrenn- und Meßkammer und zumindest ein Ventil, das das Fließen der Flüssigkeit von der Mischkammer zur Mischungsabtrenn- und Meßkammer steuert. Ein zweites Ventil, das das Fließen der Flüssigkeit von der Verdünneraufbringstelle zur Mischkammer steuert, kann als Teil der Patrone oder einer Vorrichtung vorhanden sein, in die die Patrone paßt und die eine Entlüftungsöffnung in der Patrone zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses entlang eines Kapillarweges aufweist. In einigen Ausführungen ist auch eine Probenmeßkammer vorhanden. Im Gegensatz zu der ventillosen oben beschriebenen Ausführungsform dienen hier verschiedene einfache Ventile zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses zwischen den Innenkammern des Geräts. Nur ein Ventil ist für eine Patrone erforderlich, doch es können auch mehrere Ventile vorhanden sein. Diese Ventile ermöglichen im Gegensatz zu der Linearflußanordnung der oben beschriebenen Vorrichtung eine Mehrfachverwendung der gleichen Kammern (z.B. Serienverdünnungen in einer einzigen Mischkammer) sowie Mehrfachverdünnungs- und Mischvorgänge in Mehrfachmischkammern.
Wenn man den Weg einer Probe verfolgt, die der Vorrichtung zugeführt und seriell verdünnt wird, wird die Funktionsweise der einzelnen Teile verständlich. Die folgende Beschreibung zeichnet diesen Weg nach.
Die Probe, die Probenaufbringstelle, die Verdünneraufbringstelle, die Probenmeßkammer und die Mischkammer können mit jenen der ersten Ausführung ident sein, bei der eine Einfachverdünnung stattfindet. Die Vorrichtung der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich aber insofern von der ersten, als zumindest ein Ventil vorhanden ist, das beispielsweise den Austritt von abgeschiedener Flüssigkeit aus der Mischkammer oder den Eintritt eines Teiles der Proben-Verdünnermischung in eine hydrostatisch verbundene Meßkammer zur Entnahme und Mischung eines Teiles der in der Mischkammer hergestellten Mischung steuert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weitere Ventile enthalten, z.B. ein Ventil zur Steuerung des Verdünnerflusses aus der Verdünneraufbringstelle.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung kann mit Hilfe der Mischkammer das Verdünnervolumen bestimmt werden, indem diese kleiner als die Verdünneraufbringstelle gestaltet ist. In anderen Ausführungsformen kann man das Verdünnervolumen durch das Volumen der Verdünneraufbringstelle feststellen, wobei in diesem Fall das Volumen der Mischkammer zumindest genauso groß und in der Regel größer ist als das kombinierte Volumen der Probe und des Verdünners.
Hinsichtlich der Geometrie der Mischkammer gelten keine besonderen Einschränkungen, außer daß sie einen gleichmäßigen Flüssigkeitsfluß ermöglichen muß, der das Einschließen von Gasbläschen verhindert. Sowohl der Eintritt der Probe und des Verdünners in einen unteren Abschnitt der Aufnahmekammer als auch eine nach oben zur Entlüftungsöffnung geneigte obere Oberfläche der Aufnahmekammer tragen zur Verhinderung des Einschließens von Gasbläschen bei. Wenn die Mischkammer größer ist als das kombinierte Volumen der Probe und des Verdünners, befindet sich die Entlüftung vorzugsweise im nicht benetzten oberen Abschnitt der Mischkammer. Die Entlüftungen wurden bereits im Detail beschrieben. Eine Entlüftung oder ein anderes Mittel, das den Austritt eingeschlossener Luft ermöglicht, muß sich an jeder Stelle befinden, an der der Einschluß von Luft den Flüssigkeitsfluß zwischen den verschiedenen Kammern und/oder Kanälen des Geräts beeinträchtigt.
Die Größen der Kanäle und Kammern in der Serienverdünnungs-Patronenausführung sind ähnlich wie jene in der Einfachverdünnungsausführung.
Die Serienverdünnungs- und Mischfähigkeiten werden durch eine hydrostatisch mit der Mischkammer verbundene Mischungsmeß- und abtrennkammer und durch ein Ventil ermöglicht, das den Flüssigkeitsfluß von der Mischkammer zur Mischungsabtrennkammer steuert. Die erste Verdünnung findet wie oben beschrieben statt. Während dieses Vorgangs ist das bereits erwähnte Ventil geschlossen, um ein Austreten der Flüssigkeit aus der Mischkammer zu verhindern. Nach Bildung der ersten Mischung wird das Ventil zur Steuerung des Flusses in die Mischungsmeßkammer geöffnet, und die Flüssigkeit fließt unter dem Einfluß von hydrostatischem Druck und/oder Kapillarwirkung aus der Mischkammer. Der Abschnitt der Mischungsabtrennkammer, in die die Mischung fließt, besitzt ein kleineres Volumen als das Gesamtvolumen der Proben-Verdünnermischung. Dieses Volumen wird durch die Geometrie der Kammer, die Größe des hydrostatischen Drucks, der durch die Flüssigkeit in der Mischkammer erzeugt wird, und alle vorhandenen Kapillarkräfte bestimmt. Verschiedene Gestaltungsformen der Mischungsabtrennkammer sind möglich, je nachdem ob die Absicht besteht, eine zweite Verdünnung in der ursprünglichen Mischkammer vorzunehmen oder den abgetrennten Abschnitt der Proben-Verdünnermischung an eine andere Stelle zur weiteren Verdünnung und/oder Analyse zu transportieren. Die Mischungsabtrennkammer kann beispielsweise eine Röhre sein (dies impliziert aber keinen kreisförmigen Querschnitt), bei der sich zumindest ein Abschnitt vom Verbindungspunkt zwischen der Mischkammer und der Mischungsmeßkammer nach oben erstreckt. Bei geöffnetem Ventil fließt die Mischung in die Mischungsabtrennkammer, bis der Stand der Flüssigkeiten in den beiden Kammern der gleiche ist, wodurch der hydrostatische Druck ausgeglichen wird (unter der Voraussetzung, daß die Kapillarwirkung unbedeutend ist). Nach Abtrennung dieses Anteils der Mischung durch Schließen des Ventils kann die restliche Mischung aus der Mischkammer durch Öffnen eines zweiten Ventils abgezogen werden, das zu einer in der Mischkammer befindlichen Abflußöffnung führt. Nach Schließen des zweiten Ventils ermöglicht das Öffnen des ersten Ventils den Rückfluß des abgetrennten Anteils der Mischung in die Mischkammer. Anschließend kann in der Mischkammer eine zweite Verdünnung erfolgen.
Eine andere Möglichkeit sieht vor, daß sich ein Abschnitt der Mischungsmeßkammer unterhalb des ersten Ventils, z.B. in V- oder U-Form, erstreckt, wobei sich ein zweiter Abschnitt nach oben erstreckt. Ein drittes Ventil am untersten Punkt der Mischungsmeßkammer ermöglicht ein Abfließen des gemessenen Teiles der ersten Mischung in eine zweite Mischkammer. Bei dieser Ausführungsform ist eine in der Mischkammer befindliche Abflußöffnung nicht erforderlich, da der restliche Teil der ersten verdünnten Mischung aus der ersten Mischkammer nicht entfernt werden muß. In dieser Ausführungsform kann die zweite Messung der ersten ähneln, d.h. daß mit Hilfe einer Meßkammer, an deren Ende sich eine Stop-Fluß-Verbindung befindet, die Mischung zur späteren Verdünnung durch einen zweiten Verdünner gemessen werden kann.
In beiden Ausführunsformen kann der Durchmesser der Meßkammer Kapillardimensionen aufweisen, sodaß die Kapillarkraft bei der Bestimmung des Spiegels, den die Mischung in der Mischungsmeßkammer erreicht, eine entscheidende Rolle spielt. Diese Höhe läßt sich durch eine Entlüftungsöffnung oder ein Segment mit großem Durchmesser (z.B. eine Blasenkammer) zur Durchbrechung der Kapillarität leicht regeln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für einen bestimmten Versuch oder für Mehrfachversuche konstruiert und gefertigt werden, je nach Reihenfolge des Öffnens und Schließens der Ventile und des Inhalts der verschiedenen Verdünner, die Reagenzien zur Entwicklung eines erkennbaren Signals (einer Farbreaktion beispielsweise) enthalten können, das vom Vorhandensein eines Analyten in der Probe abhängt.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jeder Ventiltyp zum Einsatz kommen, der das Fließen der Flüssigkeiten zwischen den Kammern und/oder Kanälen steuert. Einfache Ventile, die sich durch Aufbringen und Entlasten einer einfachen Kraft von außen zum Hin- und Herbewegen zwischen der offenen und geschlossenen Stellung betätigen lassen, werden jedoch bevorzugt.
Beispiele solcher Ventile umfassen elastische Blockierelemente, die auf oder neben dem Flüssigkeitsflußweg liegen. Ein elastisches Blockierelement kann zum Beispiel auf dem zusammen- oder auseinanderlaufenden Flußweg liegen, sodaß der enge Abschnitt des Flußweges durch das elastische Blockierelement blockiert wird, wenn sich dieses in seiner normalen Stellung befindet. Eine Kraftanwendung, deren Richtung im allgemeinen vom eingeschränkten Abschnitt des Flußwegs weg und hin zum breiteren Abschnitt des Flußwegs verläuft, öffnet das Ventil, indem sie das Blockierelement von den engen Wänden des Flußwegs wegdrückt. Die Verwendung eines normalerweise offenen Ventils ist auch möglich; es blockiert durch die Bewegung eines elastischen Blockierelements zu einer Stelle, die den Flüssigkeitsstrom unterbricht. Spezifische Beispiele solcher Ventile werden unter im Detail besprochen.
Andere Beispiele solcher Ventile umfassen Rutschstifte, die in engem Eingriff mit einem Kanal stehen, der einen Flüssigkeitsflußweg seitlich durchkreuzt. Der Stift hat ein Segment, das den Fluß entlang des Flußwegs blockiert, wenn sich der Stift in einer ersten Stellung befindet und ein Segment, das den Fluß entlang des Flußweges ermöglicht, wenn sich der Stift in einer zweiten Stellung befindet. Beispiele solcher Stifte umfassen rechteckige Stifte mit einem Flußwegkanal, der sich zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Stiftes befindet, wobei der Flußwegkanal nicht ausgerichtet ist, wenn der Block in einer geschlossenen Stellung ist, aber mit dem Hauptflußweg ausgerichtet ist, wenn das Blockventil offen ist. Man kann auch Stifte mit kreisförmigem Querschnitt verwenden, wenn ein Blockiersegment des Stiftes vorhanden ist, das in perfektem Eingriff mit dem Kanal steht, in den der Stift paßt und den Flußweg blockiert, wenn sich der Stift in einer geschlossenen Stellung befindet. Eine kleinere Querschnittsfläche (wie beim Griff einer Hantel) ermöglicht einen ringförmigen Flußweg um einen kleineren Mittelabschnitt des Stiftes, wenn sich das Stiftventil in einer offenen Stellung befindet.
Ein elastisches Element kann den Stift entweder in die geschlossene oder die offene Stellung lenken. Eine auf den Stift wirkende Kraft kann den Stift dann auf eine zweite Stelle schieben, sodaß sich das Stiftventil in einer zweiten Position befindet.
In bevorzugten Ausführungsformen wird zum Zweck der äußeren Kraftanwendung ein Zugang zum Stift ermöglicht, sodaß sich dieser zwischen seinen beiden Positionen hin- und herbewegen läßt. Es kann zum Beispiel ein Abschnitt des Stiftes aus der Vorrichtung hinausragen, sodaß eine parallel auf die Gleitachse des Stiftes wirkende Kraft den Stift von seiner ersten vorgespannten Stellung zu einer zweiten Stellung bewegt, indem sie gegen die Richtung der Vorspannkraft wirkt. Eine Alternative ist die Anordnung einer Öffnung, die von einer Stirnseite des Stiftes gegenüber der Vorspannkraft nach außen führt. Von außen ausgeübter Druck, der z.B. durch Druckluft oder einen in die Öffnung eindringenden Finger einer äußeren Vorrichtung entsteht, kann den Stift zwischen der offenen und der geschlossenen Position hin- und herschieben. Eine elastische Abdichtung dient zur Verhinderung des Austretens von Flüssigkeit aus der Öffnung und ermöglicht die auf den Stift wirkende Kraftanwendung. Solche Abdichturigen können auch für die oben beschriebenen elastischen Blockierelemente verwendet werden.
Die Ventile, die sich als integrale Bestandteile der Patrone der vorliegenden Erfindung eignen, sind nicht auf jene beschränkt, die hier explizit als Beispiele erwähnt wurden. Es kann nämlich jedes Ventil verwendet werden, das den Flüssigkeitsfluß durch kleine Flußwege steuern kann, wie z.B. flexible Wände eines Flußwegs, die zur Einschränkung des Flüssigkeitsflusses entlang des Flußwegs komprimiert werden können. Zusätzlich kann eine auflösbare Schranke in jenen Fällen zum Einsatz kommen, in denen sich ein anfänglich geschlossenes Ventil öffnet und dann in der offenen Position bleibt.
Auch die Anbringung eines äußeren Ventils ist möglich. Ein Flußweg, der dem Kapillarfluß dient, kann zum Beispiel durch Verschließen einer äußeren Entlüftung blockiert werden. Bei geschlossener äußerer Entlüftung kann aufgrund von Luft oder anderer Gase im kapillaren Flußweg keine Flüssigkeit in den kapillaren Flußweg eindringen. Die Öffnung der Entlüftung ermöglicht das Eindringen der Flüssigkeit in den kapillaren Flußweg. Wenn die Entlüftung geschlossen wird, während sich Flüssigkeit im kapillaren Flußweg befindet, kann die isolierte Flüssigkeit später für andere Zwecke verwendet werden.
Ventile, die aus einer äußeren Entlüftungssteuerung bestehen, können in all jenen Fällen zum Einsatz kommen, in denen ein Fluß durch einen kapillaren Flußweg stattfindet (sodaß eingeschlossene Luft den Flüssigkeitsfluß wirkungsvoll steuern kann) und in denen vor der Verwendung keine Flüssigkeit in der Patrone gespeichert wird. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, vorgemessene Verdünner (die Reagenzien enthalten können) in der Patrone zu speichern, wenn die Patrone einem Endverbraucher zukommt. Mechanische Innenventile eignen sich für solche Verwendungszwecke, um ein zufälliges Austreten zu vermeiden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, flüssige Verdünner in Glas- oder anderen zerbrechbaren Behältern in der Verdünneraufbringstelle zu speichern. Ein äußerer Finger kann den Behälter aufreißen und den Verdünner der Verdünneraufbringstelle zuführen.
Bei Verwendung von Ventilen, die durch einfache, von außen angewandte Kraft betätigt werden können, kann eine patronenartige Vorrichtung zum Einsatz kommen, deren Ventile sich in einer vorherbestimmten Weise durch ein Analysegerät, in das die Patrone eingeführt wird, geöffnet und geschlossen werden. Dieses Analysegerät ist mit verschiedenen optischen und/oder anderen Arten von Sensoren ausgestattet, die nicht nur das Öffnen und Schließen der Ventile bewirken, sondern auch das Vorhandensein von Flüssigkeiten oder Analyten in verschiedenen Mischund/oder Meßkammern der Patrone feststellen.
Die Reagenzien können sich an verschiedenen Stellen des erfindungsgemäßen Geräts befinden. Die Inkubationszeiten können entweder durch händisches Betätigen von Ventilen oder durch ein mechanisch oder elektronisch gespeichertes Programm des Geräts, in das die Patrone eingeführt wird, gesteuert werden. Das Programm steuert die Reihenfolge und den Zeitpunkt des Öffnens und Schließeris der Ventile. Das programmierte Gerät enthält Solenoide oder andere Mittel zur Kraftanwendung zum Öffnen und/oder Schließen dar Ventile. In Ausführungsformen, bei denen der Fluß durch einen kapillaren Flußweg durch das Öffnen und Schließen einer Entlüftung gelenkt wird, ist ein beweglicher Abdichtpolster, der die Entlüftung schließen kann, Teil des programmierten externen Geräts, in das die Patrone eingeführt wird.
Eine zweite Reihe von Figuren soll einige Variationen dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen. Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen sind keinesfalls erschöpfend, und zahlreiche andere Ausführungsformen, die in den Schutzumfang der beigelegten Patentansprüche fallen, sind für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung offensichtlich.
Fig.17A ist ein vertikaler Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung, in dem die Linie B-B die Stelle der Schnittansicht von Fig.17B anzeigt. Die Linie A-A in Fig.17B, die auch ein vertikaler Querschnitt der ersten Ausführungsform ist, zeigt die Stelle der in Fig.17A dargestellten Ansicht. Die Probenaufbringstelle 130 befindet sich an einer Seitenfläche des Körperelements 190. Die Verdünneraufbringstelle 110 ist ein Hohlraum in einer Oberfläche des Blocks 190. Das Ventil 112 verhindert ein verfrühtes Durchfließen des Verdünners von der Verdünneraufbringstelle 110 durch den Gang 114 zur Mischkammer 140. Die Probenmeßkammer 132 verbindet die Probenaufbringstelle 130 mit dem Flüssigkeitsgang 114. Eine Stop-Fluß-Verbindung ist am Kreuzungspunkt der Probenmeßkammer 132 und des Ganges 114 vorhanden. Die Entlüftung 146 ermöglicht ein Austreten der Luft in der Mischkammer 140, wenn die Probe und der Verdünner in die Kammer eintreten. Die Ventile 142 und 144 verhindern ein verfrühtes Austreten der Mischung aus der Mischkammer 140. Das Ventil 142 steuert den Flüssigkeitsfluß zwischen der Mischkammer 140 und der Abtrennkammer 160, einem engen, vom Ventil 142 schräg nach oben geneigten Kanal. Das Ventil 144 ermöglicht den Fluß überschüssiger Flüssigkeit von der Mischkammer 140 durch den Abflußkanal 152 zum Abflußbehälter 150, der durch eine Entlüftungsöffnung 154 mit der äußeren Umgebung verbunden ist. Die Entlüftungsöffnung 162 ermöglicht bei offenem Ventil 142 das Eintreten der Flüssigkeit aus der Mischkammer in die Abtrennkammer 160. Eine zweite Verdünneraufbringstelle 120 wird durch ein Ventil 122 gesteuert, das den Verdünner selektiv am Fluß durch den Verbindungskanal 124 in die Abtrennkammer 160 und durch das Ventil 142 zurück zur Mischkammer 140 hindert. Das Körperelement 190 ist an seinem äußeren Umfang mit einer Lippe 102 ausgestattet, die einen Bereich 100 bildet, der als Auffangbecken für überschüssige Flüssigkeit dient. Der Verdünner wird durch Füllen der Verdünneraufbringstellen 110 und/oder 120 und durch das Überlaufenlassen einer geringen Verdünnermenge über die Lippe 108 oder 118 in den unteren Bereich des Auffangbeckens 100 gemessen, wodurch eine vollständige Füllung der Verdünneraufbringstelle (und daher eine genaue Messung des Verdünners) sichergestellt wird. Ein Zugangskanal 113 dient der Anwendung äußeren Drucks auf das Ventil 112 und der resultierenden Bewegung des Ventils zwischen der offenen und der geschlossenen Position. Details exemplarischer Ventile sind aus weiter unten angeführten Figuren ersichtlich.
Die Vorrichtung von Fig.17 läßt sich unter anderem in der folgenden Art und Weise verwenden. Eine flüssige Probe, z.B. ein Tropfen Blut, der an einem gerade gestochenen Finger hängt, wird der Probenaufbringstelle 130 zugeführt. Eine gemessene Menge wird durch Kapillarwirkung in die Probenmeßkammer 132 gezogen. Der Verdünner wird dann der Verdünneraufbringstelle 110 zugeführt, bis der Verdünner über die Lippe 108 fließt. Das Ventil 112 öffnet sich, wodurch die gemessene Verdünnermenge in der Verdünneraufbringstelle 110 durch den Gang 114 in die Mischkammer 140 fließt. Während der Verdünner an der Stop-Fluß-Verbindung am Kreuzungspunkt der Kammer 132 und des Ganges 114 vorbeifließt, wird die Probe in den Verdünne gezogen. Bei dieser ersten Vermischung sind die Ventile 142 und 144 geschlossen. Luft, die ansonsten in der Mischkammer 140 eingeschlossen wäre, strömt durch die Entlüftungöffnung 146 aus. Das Vermischen in der Kammer 140 kann durch Anbringung eines Mischstabs in der Kammer oder durch Hin- und Herschütteln der gesamten Vorrichtung erleichtert werden.
Das Ventil 142 öffnet sich und ermöglicht so den Eintritt eines hydrostatisch gesteuerten Teiles der Mischung in die Mischungsabtrennkammer 160. Die Mischung steigt in die Kammer 160, bis die hydrostatischen und kapillaren Kräfte im Gleichgewicht sind.
Das Ventil 142 schließt sich und trennt somit einen Teil der Mischung in der Kammer 160 ab. Der verbleibende Teil der Mischung in der Kammer 140 wird durch Öffnung des Ventils 144 durch den Austrittskanal 152 in die Abflußkammer 150 abgezogen. Das Ventil 144 schließt sich und das Ventil 142 öffnet sich, um ein neuerliches Eintreten der abgetrennten Mischung in die Mischkammer 140 zu ermöglichen. Der Verdünner wird dann der zweiten Verdünneraufbringstelle 120 zugeführt, und das Ventil 122 öffnet sich zum Verdünnen des abgetrennten Teiles der Mischung mit dem zweiten Verdünner. Mit Hilfe von Kammern in geeigneter Größe können weitere Verdünnungsgänge durch neuerliche Abtrennung eines Teiles der Mischung in Kammer 160 und durch anschließende Zugabe eines dritten oder eines weiteren Verdünners durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können, wie aus Fig.17B ersichtlich, durch Ausbildung aller Hohlräume und Gänge im Körperelement 190 leicht gefertigt werden. Eine Abdeckplatte 195 dient der Ausbildung der inneren Hohlräume, wobei je nach Wunsch die Zugangskanäle (z.B. ein Zugangskanal 113 für Ventil 112) oder Entlüftungsöffnungen in der Abdeckplatte angeordnet sind.
Fig.18 stellt eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar, bei der ein getrenntes Kapillarrohr 232 zum Gewinnen und/oder Messen einer Probe dient. Die Probenaufbringstelle 230 ist in dieser Ausführungsform eine Vertiefung, in die das Kapillarrohr 232 paßt. Der Verbindungskanal 234 ermöglicht das Eindringen der Probe in den Durchgang 214. Viele der Merkmale dieser Ausführungsform sind streng analog zu den Merkmalen der in Fig.17 dargestellten Ausführungsform. Diese Merkmale sind durch eine Bezugsnummer gekennzeichnet, bei der die letzten beiden Stellen der Bezugsnummer mit den letzten beiden Stellen der Bezugsnummer in Fig.17 identisch sind. Die erste Stelle der Bezugsnummer kennzeichnet die jeweilige Figur. Die Funktionsweise des Ventils 212 in Fig.18 ist identisch mit jener des Ventils 112 in Fig.17. Der restliche Teil der Beschreibung dieser und anderer Figuren ist daher zu einem überwiegenden Teil den Unterschieden zwischen den Ausführungsformen gewidmet.
Die Mischkammer 240 von Fig.18 unterscheidet sich von der Mischkammer der in Fig.17 dargestellten Ausführungsform insofern, als keine Abflußöffnung vorhanden ist. Es findet nämlich in der Kammer 240 eine Einfachverdünnung statt, nach der sich das Ventil 242 öffnet. Die Mischung fließt hydrostatisch gesteuert in den Abwärtsarm 264 der Probenabtrennkammer der vorliegenden Ausführungsform und anschließend in den Aufwärtskanal 266 und/oder vertikalen Kanal 268 nach oben. Dann schließt sich das Ventil 242, und ein zweiter Mischvorgang findet in der Kammer 270 statt. Das Ventil 272 öffnet sich, um das Einfließen der Probe in die zweite Mischkammer 270 zu ermöglichen, worauf sich das Ventil 222 zum Eintritt des Verdünners von der Verdünneraufbringstelle 220 in die Kammer 270 öffnet. Eine dreiteilige Abtrennkammer gemäß Fig.18 verhindert ein unbeabsichtigtes Zurückhalten der ersten Mischung in Kanal 264, was im Falle des Nichtvorhandenseins des Kanals 266 wahrscheinlich eintreten würde. Der Kanal 266 bietet der Luft aus der Entlüftungsöffnung 262 Zugang, sodaß der Kanal 264 ungehindert in die zweite Mischkammer 270 abfließen kann.
Fig.19 stellt eine Ausführungsform dar, bei der unter Verwendung einer einzigen Verdünneraufbringstelle Reihenverdünnungen stattfinden können. Die Abtrennkammer 360 ist durch eine Entlüftungsöffnung 362 mit der äußeren Umgebung verbunden, ist jedoch selbst nicht mit einer zweiten Verdünneraufbringstelle verbunden. Nach dem Eintritt der Probe und des Verdünners aus der Verdünneraufbringstelle 310 in die Mischkammer 340 zur Bildung einer ersten Mischung wird das Ventil 342 aufeinanderfolgend geöffnet und geschlossen, uni einen hydrostatisch bestimmten Teil der ersten Mischung in Kammer 360 abzutrennen. Das Ventil 344 öffnet sich, um den Rest der ersten Mischung in die Abflußkammer 350 abfließen zu lassen und schließt sich danach. Das Ventil 342 öffnet sich erneut und ermöglicht das neuerliche Einfließen des abgetrennten Teiles der ersten Mischung von Kammer 360 in die Kammer 340. Einige Zeit nach Schließen des Ventils 312 wird ein zweiter Verdünner (oder ein zweites Volumen des ersten Verdünners) auf die Verdünneraufbringstelle 310 aufgebracht. Zur Bildung einer zweiten Mischung in Mischkammer 340 öffnet sich das Ventil 312 wieder. Dieser Vorgang läßt sich beliebig oft oder so lange wiederholen, bis die Kapazität der Abflußkammer 350 erschöpft ist.
Fig.20 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der die Probenaufbringstelle und die Probenmeßstelle derselbe Teil sind. Der Fluß der Probe aus der Probenaufbring/meßstelle 430/432 wird durch ein Ventil 431 gesteuert. Die Probe fließt durch einen Gang 433 in die Mischkammer 440, wo sie sich mit dem Verdünner aus der Verdünneraufbringstelle 410 vermischt. Nach dem Vermischen wird das Ventil 442 zur Abtrennung eines Teiles der ersten Mischung in der Kammer 460 nacheinander geöffnet und geschlossen. Eine Blasenkammer (nichtkapillarer Raum) 461 verhindert ein durch die Kapillarität verursachtes Abziehen überschüssiger Flüssigkeit in die Kammer 460. Die übrigen Teile dieser Ausführung und ihre Funktionsweise entsprechen den Beschreibungen für Fig.17.
Fig.21 zeigt eine komplexe Ausführungsform der Erfindung, in der je nach Kombination der Probenaufbringstellen, Verdünneraufbringstellen und Ventilfunktionen Mehrfachanalysen durchgeführt werden können. Mehrfachproben-Meßkammern 532, 532' und 532" verschiedener Volumina ermöglichen das Messen von Proben unterschiedlicher Größe. Entsprechende Verdünneraufbringstellen 520, 520' und 520" verschiedener Volumina, die jeweils durch die Ventile 522, 522' und 522" gesteuert werden, können ebenfalls angeordnet werden. Es sind sowohl eine Abflußkammer 550 als auch eine zweite Mischkammer 570 vorhanden, sodaß das Mischen (und nachfolgende Messungen) in beiden Mischkammern stattfinden können. Alternierende, durch verschiedene Ventilsysteme gesteuerte Abtrennkammern sind vorgesehen. Nach Bildung einer ersten Mischung in Kammer 540 bespielsweise kann sich Ventil 542 öffnen, während Ventil 543 geschlossen bleibt. Daher ist Kanal 566 unabhängig von den Kanälen 564 und 568 bei der Abtrennung eines Teiles der ersten Mischung wirksam. Die andere Möglichkeit besteht darin, daß das Ventil 542 geschlossen bleibt, während die Ventile 543 und 563 geöffnet sind. Unter diesen Umständen dienen die Kanäle 564 und 568 als Mischungsabtrennkammern. Nach Abfließen der restlichen in der Mischkammer 540 befindlichen Mischung in die Abflußkammer 550 öffnen sich die Ventile 543 und 563 und ermöglichen ein Abfließen des eingeschlossenen Teils der ersten Mischung in die zweite Mischkammer 570. Der Kanal 566 ist im Gegensatz zu der in Fig.18 dargestellten Ausführungsform bei dieser Schrittabfolge nicht erforderlich, da die Abziehkammer 540 die Luftzufuhr für die in Kanal 564 eingeschlossene Mischung durch die Entlüftungsöffnung 546 ermöglicht.
Mittels einer in Fig.21 ersichtlichen Patrone zur Mehrfachverwendung können durch Auswahl der geeigneten Kombinationen von Probenaufbringstellen und Verdünneraufbringstellen (zur Ermöglichung verschiedener Verdünnungsgrade) und durch die Auswahl von verschiedene Reagenzien enthaltenden Verdünner unterschiedliche Analysen durchgeführt werden. Zur Vereinfachung der Verwendung der Patrone für eine bestimmte Anbringungsart kann man Abdeckungen vorsehen, die nur Zugang zu bestimmten Proben- und/oder Verdünneraufbringstellen erlauben. Fig.21 zeigt beispielsweise eine Probenaufbringstellen-Abdeckung 535, die mittels eines Bandes angebracht werden kann, um für einen bestimmten Versuch alle Probenaufbringstellen bis auf eine abzudecken. In ebensolcher Weise erlaubt die Abdeckung 501 durch die Kanäle 502 und 503 nur Zugang zu den Verdünneraufbringstellen 510 und 520. Wie aus Fig.22 ersichtlich können alternierende Abdeckungen für verschiedene Analysen angebracht werden, bei denen die Zugangskanäle an verschiedenen Stellen angeordnet sind, um Zugang zu verschiedenen Verdünneraufbringstellen zu ermöglichen.
Obwohl unterschiedliche Ventilarten in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden können, gibt es besonders bevorzugte Ausführungsformen, die in den Figuren 23-26 dargestellt werden. Fig.23 ist eine Schnittansicht eines Ventils, das als Ventil 112 der in Fig.17 gezeigten Ausführungsform dienen könnte. Die Vorrichtung weist einen Kanal 188 auf, der hier aus dem Basiselement 190 und der Abdeckplatte 195 gebildet wird. Dieser Kanal durchquert einen Flußweg der Probe von der Verdünneraufbringstelle 110 zum Gang 114 (der zur Mischkammer 140 führt). Das im Querschnitt in Fig.23 dargestellte Ventil wird in perspektivischer Ansicht in Fig.24 gezeigt. Der Ventilabschnitt, der im Kanal gleitet, besteht aus einem zylindrischen Stift mit Teilabschnitten unterschiedlicher Durchmesser. Ein Blockierabschnitt 182, der genau in den Kanal 188 paßt, blockiert den Durchfluß der Flüssigkeit von der Kammer 110 in den Gang 114, wenn sich der Stift in der in Fig.23 dargestellten Position befindet. Der Stift wird durch ein elastisches Element 180, z.B. eine Feder, die nach außen gegen den Körper des Ventils 112 drückt, in dieser Position gehalten. Die Tiefe des Kanals 188 in der Abdeckplatte 195 ist so beschaffen, daß der Stift 112 in der richtigen Position gehalten wird. Ein Vorsprung 186 am Ende des Stiftes 112 dient dazu, daß eine von außen angewandte Kraft, die parallel zu der durch das elastische Element 180 hervorgerufenen Kraft und auch gegen diese Kraft wirkt, die das Ventil in die geschlossene Stellung vorspannt, den Stift 112 im Kanal 188 in eine geschlossene Position schiebt, in der sich der Abschnitt 184 in den Flußweg der Flüssigkeit bewegt. Der Abschnitt 184 des Stiftes 112 besitzt einen kleineren Durchmesser als der Abschnitt 182, sodaß ein kreisförmiger Flüssigkeitsfluß um den Mittelabschnitt des Ventils bei Abschnitt 184 ermöglicht wird. Beispielsweise kann sich ein Betätigungselement 196, das einen Teil der Vorrichtung bildet, in die die erfindungsgemäße Patrone paßt, in der durch den Pfeil in Fig.23 dargestellten Richtung bewegen, um auf den vorspringenden Abschnitt 186 des Stifts 112 zu wirken. Wenn das Betätigungselement 196 die Abdeckplatte 195 berührt und dadurch den Stift 112 in seine maximale Lenkung bewegt, befindet sich das Ventil 112 in der maximal offenen Position.
Eine zweite Ausführungsform eines Ventils wird in Figuren 25 und 26 dargestellt, wobei Fig.25 eine vertikale Schnittansicht und Fig.26 eine Perspektivansicht des Gleitstiftes ist. In diesem Fall ist der Stift rechteckig und besitzt zum Durchfließen von Flüssigkeiten einen Kanal 185 zwischen gegenüberliegenden Flächen. Ein Abschnitt dieser Fläche 187 blockiert den Durchfluß von Flüssigkeit, wenn sich der Stift in die geschlossene Stellung bewegt. Das Ventil von Fig.25 unterscheidet sich in vielfacher Hinsicht vom Ventil von Fig. 23. Der Stift 144 wird durch einen Schaumpolster 181 in eine normalerweise offene und nicht eine normalerweise geschlossene Stellung vorgespannt. Die Abdeckplatte 195 weist einen ähnlichen Zugangskanal 143 wie Zugangskanal 113 von Fig.23 auf. Die Stirnfläche des Stifts 144 weist jedoch keinen Vorsprung auf. Ein Stift 197 ist stattdessen Teil der analytischen Vorrichtung, in die die Patrone paßt. Der Stift 197 ist so angeordnet, daß er in den Kanal 143 eindringt, wenn er in die in Fig.25 durch den Pfeil dargestellte Richtung bewegt wird. Die vorliegende Ausführungsform weist leicht zu betätigende Ventile, doch keine Vorsprünge an der äußeren Oberfläche der Patrone auf, die im Gebrauch versehentlich ausgelöst werden könnte. Der Kanal 188 weist Schultern 183 auf, die eine übermässige Bewegung des Stifts 144 verhindern.
Wie aus obiger Beschreibung des verwendeten Numerierungssystems ersichtlich entspricht Ventil 144 von Fig.25 Ventil 144 von Fig.17. Die Ventile von Figuren 23 und 25 könnten jedoch an jeder Stelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung angebracht sein, an der ein Ventil erforderlich ist. Aus der Beschreibung der spezifischen Ventile erkennen Fachleute auf diesem Gebiet, daß darüberhinaus viele Variationen möglich sind.
Die oben beschriebenen Figuren sind nicht maßstabsgetreu, sollen aber die relativen Stellen und Funktionsweisen einiger der zahlreichen möglichen Variationen der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellen. Fig.27 ist eine perspektivische Ansicht im Maßstab einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die dem schematisch in den Figuren 17A und 17B dargestellten Gerät ähnelt. Die letzen beiden Stellen der Bezugsnummern entsprechen den letzten beiden Stellen der Bezugsnummern in den Figuren 17A und 178. Die Ventile 612, 622, 642 und 644 stellen jene Ventile dar, die in den Figuren 23 und 24 gezeigt werden, mit der Ausnahme, daß der in Fig.24 dargestellte Vorsprung 186 des Stifts nicht vorhanden ist. Stattdessen ist der Stift, wie aus Fig.25 ersichtlich, intern verbunden.
Fig.28A ist ein Vertikalschnitt einer siebenten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Linie B-B die Stelle der Schnittansicht in Fig.28B kennzeichnet. Die Linie A-A in Fig.28B, die auch ein Vertikal schnitt der siebenten Ausführungsform ist, zeigt die Stelle der in Fig.28A dargestellten Ansicht. Die dargestellte Vorrichtung wird aus einem Basisstück 790 und zwei Abdeckplatten 795 und 797 gefertigt. Die meisten Durchgänge und Kammern sind in das Basisstück 790 geformt. Die Abdeckplatte 795 enthält Öffnungen, wie die Öffnung 713, durch die Kraft zur Betätigung von Innenventilen, wie Ventil 712, angewendet werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein elastisches Blockierelement 712 im Kanal 788 vorhanden, der sich in Richtung des Flußweges verbreitert. Das enge Ende des Kanals 788 wird durch ein Ende des elastischen Blockierelements 712 blockiert, das durch innere Druckkräfte in der Blockierposition gehalten wird, wobei die Druckkräfte ausgeübt werden, wenn die Abdeckplatte 797 das Blockierelement 712 im Kanal 788 einschließt. Eine elastische Dichtung 715 ist vorgesehen, sodaß Kraftanwendung auf das Blockierelement 712 durch die Öffnung 713 ohne Austreten der Probe oder des Verdünners aus der Vorrichtung ermöglicht wird. Der Druck auf das Ende des elastischen Elements 712 drückt es vom engen Blockierabschnitt des Kanals 788 in den breiteren Abschnitt, wo ein Fluß möglich ist. In einer konkreten Vorrichtung könnte das elastische Blockierelement 712 umgefähr die Größe und Form eines dünnen Radiergummis für Bleistifte aufweisen und aus Silikongummi bestehen.
Bei offenem Ventil 712 fließt der Verdünner von der Kammer 710 durch den Kanal 711 an der Stirnseite des Blocks 790 entlang durch 788, der ein elastisches Blockierelement (Ventil) 712 enthält. Der Flußweg setzt sich in den Flüssigkeitsgang 714 an der Hinterseite des Blocks 790 fort, wo die Flüssigkeit in einen Kanal eintritt, der quer durch den Block 790 verläuft und sich dann an der Stirnseite des Blocks 790 fortsetzt, bis die Flüssigkeit in die Mischkammer 740 eintritt. Die Zugangsplatte 745 ist an der Kammer 740 versehen, sodaß der Kammer während des Fertigungsprozesses gegebenenfalls Reagenzien zugeführt werden können.
Die Probenaufbringstelle 730 befindet sich an einer oberen Fläche des Blocks 790. Zwei Kanäle führen von der Probenaufbringstelle weg. Ein Kanal ist die Meßkammer 732, deren Funktionsweise jener der weiter oben beschriebenen ähnlichen Meßkammern entspricht. Ein zusätzlicher Kanal (734) dient dazu, überschüssige Probenflüssigkeit von der Probenaufbringstelle 730 zu entfernen. Der Kanal 734 ist kleiner als Kanal 732, sodaß die Probe anfangs vorzugsweise in den Meßkanal 732 fließt. Der Probenüberschußkanal 734 führt überschüssige Probenflüssigkeit der Probenüberschußkammer 736 zu, die über die Entlüftungsöffnung 738 in die Atmosphäre entlüftet wird. Somit wird ein gemessenes Probenvolumen ungeachtet der an der Probenaufbringstelle 730 aufgebrachten Probenmenge im Kanal 732 behalten.
Die Vertiefung 747 befindet sich in einer unteren Fläche des Blocks 790, unmittelbar unterhalb der für die Mischung vorgesehenen Kammer 740. Diese Vertiefung ermöglicht das nahe Heranführen eines Magneten oder eines anderen Mittels zum Ingangsetzen eines Rührstabs oder einer in der Kammer 740 gehaltenen Platte; sie ermöglicht weiters, daß die Abflußkammer 750 unterhalb der Mischkammer 740 (jedoch von dieser beabstandet) angebracht ist, sodaß die überschüssige Mischung leicht in die Kammer 750 abfließen kann.
In dieser siebenten Ausführungsform dient ein Kapillarweg der Abtrennung eines Teiles der anfänglich in der Mischkammer 740 gebildeten Flüssigkeit. Der Kanal 761 entlang der Stirnseite des Blocks 790 führt zu einem Kapillarraum 762, dem ein Reagens vor Anbringung der Abdeckplatte 795 auf der Basis 790 zugeführt werden kann. Der Kapillarweg führt zur Öffnung 763, die durch den Block 790 verläuft. Der Kapillarweg 764 setzt sich auf der Hinterseite des Blocks 790 fort und endet im Entlüftungsöffnungsraum 765 durch die Hinterplatte 795. Die eigentliche Entlüftung wird durch die Öffnung 767 in der hinteren Abdeckplatte 797 ermöglicht. Eine solenoidgesteuerte Entlüftungsabdichtung (nicht dargestellt) bildet einen Teil der Vorrichtung, in die die vorliegende Ausführungsform zum Steuern des Eintritts und des Austritts von Flüssigkeiten in den Kapillarweg gesetzt wird. Der Kapillarfluß stoppt am Ende des Kanals 764, wenn der Kanal 764 in den nichtkapillaren Entlüftungsöffnungsraum 765 eindringt. Die Entlüftungsabdichtung wird dann wieder in Stellung gebracht, wodurch ein vorherbestimmtes Mischungsvolumen in dem durch alle Kapillarwege (761-764) gebildeten Raum abgetrennt wird. Die Flüssigkeit tritt in den Kanal 724 aufgrund der in diesem Raum eingeschlossenen Luft nicht ein. Nach Abfließen der überschüssigen Flüssigkeit aus der Mischkammer 740 öffnet sich die Entlüftungsabdichtung (Ventil) erneut, um so das erneute Eintreten der abgetrennten Mischung in die Mischkammer 740 zu ermöglichen. Der in der Kammer 720 befindliche Verdünner trägt dazu bei, die im Kanal 761 und der Kammer 762 eingeschlossene Flüssigkeit austreten zu lassen und bei offenem Ventil 722 die eingeschlossene Flüssigkeit aus den Kanälen 763 und 764 zu ziehen.
Die Verdünnerkammern 710 und 720 sind mit einer entfernbaren, abdichtbaren Abdeckung 705 versehen, die in diesen Kammern eine vorgemessene Verdünnermenge eischließt. Vor der Verwendung wird die Abdeckung 705 entfernt, wodurch bei offenen Ventilen 712 und 722 ein Fluß ermöglicht wird. Wahlweise sind Auffangräume 701 und 721 vorhanden, sodaß die Kammer 710 und/oder 720 auf Wunsch wieder mit dem Verdünner gefüllt werden kann.
Fig.29 ist eine schematische Darstellung, die Reagenzien zeigt, die mit einer Patrone des in Fig.28 dargestellten Typs zur Durchführung einer spezifischen Diagnose verwendet werden können. Hämoglobin Alc, ein kleiner Hämoglobinbestandteil, ist im normalen bzw. gesunden menschlichen Körper vorhanden, sein Anteil steigt jedoch im Falle von Hypoglykämie. Die Hämoglobin Alc-Messung bildet daher ein Bewertungskriterium für langfristige Insulinüberwachung bei Diabetikern. Eine Analyse erfordert als ersten Schritt eine Mischung von Gesamtblut mit einer ersten Gruppe von Reagenzien zur Ermittlung des Gesamthämoglobingehalts, an die sich die Ermittlung des Hämoglobin Alc-Gehalts eines aliquoten Teils der ersten Mischung anschließt. Die Verfahrensschritte sind schematisch in Fig.29 dargestellt. Eine Probe eines nicht gemessenen Bluttropfens wird spontan in eine Probenkapillare gezogen. Die Probengröße ist durch das Volumen der Probenkapillare definiert, da der Blutfluß an der Verbindung der Probenkapillare und jenes Weges stoppt, der vom Denaturierungsmittel-Behälter zur Misch/Ablesekammer führt. Bei offenem Ventil A fließt die Thiocyanatlösung zur Mischkammer und zieht die Blutprobe mit sich. Die Blut-Thiocyanatlösung füllt die Mischkammer, doch der Flüssigkeitsfluß stoppt, wenn die Mischung eine Entlüftungsöffnung (wird in Fig.29 nicht dargestellt) erreicht. Nun kommt es zu einer homogenen Vermischung des Blutes und des Thiocyanats, wobei dieser Vorgang durch eine sich hin- und herbewegende Mischplatte beschleunigt wird. Die in der Mischkammer vorhandenen Ferricyanid- und Agglutinatorreagenzien lösen sich auf. Nach etwa einer Minute ist das Blut aufgelöst und das Hämoglobin denaturiert. Zu diesem Zeitpunkt wird der Gesamthämoglobingehalt durch Ablesung der Absorption bei 540 nm und 800 nm unter Verwendung einer Lichtquelle und eines Detektors gemessen, die in dem Gerät vorhanden sind, in das die Patrone eingeführt wurde. Dann schließt sich Ventil A, und die Entlüftungsöffnung wird freigelegt, um das Einfließen eines Teiles der Mischung in die Misch (Mischungsabtrenn)kapillare zu ermöglichen. Anschließend schließt sich das Ventil, um ein Abfließen der abgetrennten Mischung aus der Mischkammer während des nächsten Schrittes zu verhindern, bei dem sich das Ventil B öffnet, sodaß der gesamte übrige Inhalt der Reaktionskammer in die Überlaufkammer abfließen kann. Sobald die Kammer entleert ist, schließt sich Ventil B, während sich Ventil C und die Entlüftungsöffnung öffnen, wodurch der Verdünnerfluß durch die trockene Antikörper-Latex-Reagenzkammer ermöglicht, das Reagens resuspendiert und die Probe des denaturierten Bluts (d.h. die abgetrennte Mischung) aus der Meßkapillare in die Misch/Reaktionskammer verdrängt wird. Die denaturierte Blut-Reagensmischung wird anschließend vermischt und durch Messung der Trübungsveränderung während einer Zeitspanne von etwa 30 Sekunden auf Hämoglobin Alc überprüft. Die Trübung steigt aufgrund der Agglutination der antikörperbeschichteten Latexteilchen, wobei der Antikörper spezifisch für Hämoglobin Alc ist.
Wo sich die Reagenzien befinden, die in Fig.29 der in den Figuren 28A und B gezeigten Vorrichtung beschrieben werden, ist leicht erkennbar. Die Probenkapillare von Fig.29 ist die Meßkammer 732 von Fig.28B. Die Thiocyanatlösung ist in Kammer 710, der Alc-Versuchsverdünner in Kammer 720, die trockenen Antikörper-Latexteilchen in Kammer 762 und Ferricyanid und der Agglutinator an verschiedenen Stellen der Kammer 740 vorhanden. Die Kapillarkanäle 761-764 bilden die Meß (Mischungsabtrenn)kapillare, wobei die Entlüftungssteuerung an der Entlüftungskammer 765 vorgenommen wird. Die Ventile A, B und C von Fig.29 entsprechen den Ventilen 712, 744 und 722 von Fig.28B. Die gesamte in den Figuren 28A und B dargestellte Vorrichtung ist etwa 5 cm hoch und weniger als 3 Inches (7,5 cm) breit, wobei das Körperelement 790 0,394 Inch (1,00 cm) dick ist und somit eine Standardweglänge für spektrophotometrische Probenanalysen in Kammer 740 darstellt.
Nach dieser allgemeinen Beschreibung der Erfindung sollen die nun folgenden Beispiele lediglich als Illustration dienen. Diese Beispiele sollen den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken, sondern können als Definition bevorzugter Ausführungsformen herangezogen werden.

Beispiel 1

Es wurde eine automatische Meß- und Verdünnvorrichtung zur exemplarischen Darstellung der vorliegenden Erfindung konstruiert und gebaut. Diese Vorrichtung nimmt eine quantitative Messung einer ersten Flüssigkeit vor und fügt automatisch eine bestimmte Verdünnermenge nach Zugabe eines Verdünners in einen Speicher hinzu. Die Vorrichtung ist aus Fig.13 ersichtlich. Die Vorrichtung umfaßt einen festen Acrylblock 5 (in den verschiedene Kammern durch Bohren und andere kunststoffschneidende Verfahren ausgebildet werden) sowie eine ebene Platte 6, die den Boden der Vorrichtung bildet. Fig.13A stellt eine Draufsicht der Vorrichtung dar, wobei die Linien B-B und C-C die Stellen der in den Figuren 13B und 13C gezeigten Schnittansichten kennzeichnen. In Draufsicht 13A kann man die Öffnungen der Probenkammer 10 und der Verdünnerkammer 30 an den oberen Flächen der zwei Blockabschnitte sehen. Die Meßkammer 20 befindet sich am Boden der Kammer 30. An einem unteren Blockabschnitt sieht man die Entlüftungsöffnung 60, die man in den Schnittansichten besser sehen kann.
Fig.13B stellt eine Schnittansicht dar, in der alle Innenkammern und -kanäle mit Ausnahme der Entlüftungsöffnung sichtbar sind. Ein Kapillarkanal 12 verbindet die Probenkammer 10 mit der Meßkammer 20, in die er bei Verbindung 14 einmündet. Da der Durchmesser der Kapillare 12 kleiner ist als jener der Kammer 20, ist Verbindung 14 an der Eindmündung des Kanals 12 in die Kammer 20 mit einem nach außen gerichteten Kegel ausgestattet, um die Erzeugung von Gegendruck aufgrund von Oberflächenspannungskräften an dieser Verbindung zu vermeiden. Die Kammer 20 ist eine vertikale Röhre, die über eine Stop-Fluß-Verbindung 50 an der Verbindung der Meßkammer 20 und der Aufnahmekammer 40 verfügt. Eine Stop-Fluß-Verbindung ist auch an der Spitze der Kammer 20 vorhanden, wo sie mit der Verdünnerkammer 30 in Verbindung steht. Die Aufnahmekammer 40 hat einen unteren Abschnitt 45, der etwas breiter als der obere Abschnitt der Kammer 40 ist, um eine flache rechteckige Platte (wird nicht gezeigt) festzuhalten, die zum Vermischen der Flüssigkeiten in der Kammer 40 verwendet wird.
Der untere Block 6 bildet die untere Oberfläche der Kammer 40 unterhalb von Abschnitt 45. Die untere Platte 6 ist durch Schrauben (werden nicht gezeigt) mit dem Block 5 verbunden.
Fig.13C ist eine zu der in Fig.13B dargestellten Ansicht rechtwinkelige Schnittansicht durch die Vorrichtung. Die Entlüftungsöffnung 60 ist am Ausgang einer unteren horizontalen Oberfläche des Blocks 5 an jenem Ende der Kammer 40 angebracht, das der Stop-Fluß-Verbindung 50 gegenüberliegt. Die nicht gezeigte, der Vermischung der Flüssigkeiten in der Kammer 40 dienende flache Platte nimmt einen kleinen Teil des Schlitzes ein, der als Abschnitt 45 im unteren Abschnitt der Kammer 40 dargestellt ist, und vermischt die Flüssigkeit, indem sie, wie aus Fig.13C ersichtlich, in der Vorrichtung hin- und herrutscht. In Fig.13C ist weiters ein kleiner Dachabschnitt der Aufnahmekammer 40 an der Stop-Fluß-Verbindung sichtbar, der sich weiter nach unten in die Kammer erstreckt als der übrige Teil des Daches. Dieses Merkmal ist wichtig, da es eine Berührung der Flüssigkeit mit dem Reagens auf dem oberen Dach der Kammer 40 im Anfangsstadium des Füllens der Kammer 40 verhindert und weiters sicherstellt, daß Gas in der Kammer 40 durch die Probe und den Verdünner verdrängt wird, ohne als Blase eingeschlossen zu werden.
Die in Fig.13 dargestellte Stop-Fluß-Verbindung 50 der Vorrichtung ist die Verbindung einer vertikalen Röhre mit einer horizontalen Ebene, die eine obere Fläche der Kammer 40 bildet. Die konkreten Dimensionen der in der Ausführungsform von Fig.13 gezeigten Innenkammern sind in nachstehender Tabelle aufgelistet. Tabelle 1 Kammer/Röhrennummer Radius mm Länge mm Volumen ul Beschreibung Probenaufbringstelle Verbindungskanal Meßkammer Verdünnerkammer Aufnahmekammer
Man schätzte die maximale Höhe der Verdünneroberfläche oberhalb der Verbindung 50 mit Hilfe der Young-Laplace-Gleichung ab. Mit R = 0,0515 cm (dem Radius der Kapillarröhre 20), γ = 60 Dyn/cm (einem vernünftigen Wert für menschliches Blutplasma) und (der Verdünnerdichte) = 1,00 g/cc erhielt man einen Wert von 2,4 cm H&sub2;O. In der Praxis wird man aufgrund von Oberflächenfehlern der Vorrichtung und den Auswirkungen des Kontaktwinkels einen davon etwas abweichenden Wert ermitteln.
Zur Beschreibung der Füllzeit der Kapillaren 12 und 20 wurde eine Gleichung entwickelt. Die Auswirkungen der Schwerkraft wurden nicht berücksichtigt, da sie keinen großen Einfluß auf die Vorrichtung von Fig.13 ausüben dürften.
Füllzeit des Verbindungskanals und der Probenkapillare. Eine Probenflüssigkeit wird auf die Aufbringstelle 10 aufgebracht, von der sie durch Kapillarwirkung in den Verbindungskanal 12 und die Meßkammer 20 fließt. Die Füllzeit dieser Kanäle ergibt sich durch:
worin:
R = Radius (wie in Tabelle 1)
L = Länge (wie in Tabelle 1)
u = Viskosität: 0,010 g/cm sek
γ = Oberflächenspannung: 60 Dyn/cm
θ = Kontaktwinkel: 40 Grad
12 = Verbindungskanal
20 = Meßkammer
Die errechnete Füllzeit entsprach der experimentell gemessenen Füllzeit innerhalb der erwarteten experimentellen Fehlergrenze.
Die Aufnahmekammer 40 ist so ausgebildet, daß sie zahlreiche Betriebseigenschaften aufweist. Sie enthält einen Rührstab im unteren Abschnitt 45, der flach auf der Bodenfläche der Kammer aufliegt, um das Durchströmen des Lichts durch die Hauptlängsrichtung der Kammer nicht zu beeinträchtigen. Diese Kammerlänge besitzt eine Weglänge von 1cm und ebene Enden zum Ein- und Austritt von Licht, wodurch ein für viele Zwecke nützlicher Wannenabschnitt entsteht. Der Rührstab ist aus Teflon und enthält Metallteilchen, um eine Hin- und Herbewegung unter dem Einfluß eines Magnetwechselfeldes zu ermöglichen. Diese Bewegung führt zu einem Vermischen der Flüssigkeiten in der Kammer.
In der Aufnahmekammer 40 können zwei oder mehr Reagenzien vorhanden sein. Das erste Reagens kann auf der Oberfläche der Kammer 40 nahe der Stop-Fluß-Verbindung 50 oder auf den Rührstab aufgebracht werden und wird unmittelbar nach dem Eintritt dieser Flüssigkeiten in die Kammer 40 durch die Probe und den Verdünner berührt. Ein zweites Reagens wird auf die obere horizontale Oberfläche der Kammer 40 am linken Ende der Kammer (wie aus Fig.13C ersichtlich) aufgebracht und wird erst dann von der Flüssigkeit berührt, wenn die die Kammer füllende Flüssigkeit diesen Bereich erreicht. Auf diese Weise kann man eine aufeinanderfolgende Vermischung der Reagenzien mit der in die Reaktion- und Analysekammer eintretenden Flüssigkeit in einer gesteuerten Zeitspanne erzielen, sodaß eine Inkubation des ersten Reagens mit der Probe vor dem Kontakt mit dem zweiten Reagens eintritt.
Die Inkubationszeit ergibt sich durch die Steuerung der Verdünnerflußrate in die Aufnahmekammer. Die Flußsteuerung wird durch eine Einschränkungsvorrichtung am oberen Hals der Meßkammer 20 oder durch Anbringen eines Mittels in der Kammer 30 zur Steuerung des Verdünnerflusses ermöglicht. Bei der in Fig.13 dargestellten Ausführungsform beispielsweise wurde eine beilagsscheibenartige Vorrichtung mit einem kleinen Mittelloch in festen Kontakt mit der Bodenumfangsfläche der Kammer 30 gebracht. Die Flüssigkeitsflußrate aus der Kammer 30 wird durch den Lochdurchmesser in der Beilagsscheibe reguliert. Die Beilagsscheibe oder eine andere Flußsteuerungsvorrichtung hat keinen anderen Einfluß auf die Funktionsweise der Vorrichtung, da die Flußsteuerung an der Verbindung 50 nur von der Flüssigkeitshöhe abhängt. Die Zeit beispielsweise, die zum Füllen der Aufnahmekammer für eine Patrone mit den in Tabelle 1 aufgelisteten Dimensionen ohne einen Flußbeschränker erforderlich ist, beträgt etwa 0,1 Sekunden. Bei einem Flußbeschränker mit einem Radius von 0,08 mm und einer Länge von 7,5 mm beträgt die Füllzeit 65 Sekunden (unter Heranziehung der weiter oben angeführten Parameterwerte).
Die Füllzeit der Mischkammer hängt von den Dimensionen der Verdünnerkammer, der Meßkammer und der Aufnahmekammer sowie von der Viskosität und Dichte der Flüssigkeit ab. Die Füllzeit ergibt sich durch:
worin
q = Erdbeschleunigung
u = Flüssigkeitsviskosität
= Flüssigkeitsdichte
R = Radius
V = Volumen
L = Länge
30 = Verdünnerkammer
20 = Meßkammer
40 = Aufnahmekammer
r = Flußbeschränker
Die errechneten und tatsächlichen Füllzeiten für die Aufnahmekammer stimmten innerhalb einer experimentellen Fehlergrenze überein.
Vorversuche mit der Prüfvorrichtung bewiesen ihre Fähigkeit, kleine Flüssigkeitsvolumina in der erwünschten benutzerfreundlichen Art, für die die Vorrichtung konstruiert wurde, zu messen, zu verdünnen und zu vermischen. In den Experimenten verwendete man wässerige Lösungen von Farbstoff und menschlichem Blutplasma als Proben und eine gepufferte Salzlösung (100 mM Natriumphosphat, pH 7, das 0,13 M NaCl enthält) als Verdünner. Vor der Verwendung wurde die Vorrichtung zur Verringerung des Kontaktwinkels mit den wässerigen Lösungen einer Plasmaätzung unterzogen. Der beobachtete Kontaktwinkel betrug je nach Ätzung und vorhergehender Verwendung der Vorrichtung zwischen 30 und 70º. Bei Aufbringung auf die Probenaufbringstelle füllten alle der oben angeführten Flüssigkeiten den Verbindungskanal und die Meßkammer. In allen Fällen stoppte der Fluß an den Verbindungen 55 und 50. Wurde der Verdünner schrittweise zu einer Tiefe von mehr als 2 cm in der Verdünnerkammer zugeführt, wurde die Probe rasch von der über 14 gelegenen Meßkammer und vom Verbindungskanal 12 zurück in die Probenaufbringstelle 10 verdrängt. Innerhalb weniger Sekunden trat ein Fluß vom Teil des Meßkanals unterhalb 14 in 40 ein. Wie man infolge des Abtransports des Farbstoffes feststellen konnte, wurde die gesamte Probe in der Röhre 20 unterhalb 14 in 40 verdrängt. Die Kammer füllte sich ohne eingeschlossene Luft, und der Fluß stoppte, sobald sich die Entlüftungsöffnung 60 gefüllt hatte. Wie aus Fig.13C ersichtlich füllte sich die Kammer von rechts nach links und nicht von unten nach oben.

Beispiel 2

Man konstruierte eine zusätzliche Ausführungsform des Typs, der allgemein in obiger Fig.9 dargestellt ist, um die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu demonstrieren. Die Vorrichtung wurde aus 0,65 mm dicken Kunststoffstreifen gefertigt, die zur Verbesserung des Flüssigkeitsflusses plasmageätzt waren. Die Streifen wurden in eine geeignete Größe zugeschnitten und Löcher gebohrt, die als Kammern, Entlüftungsöffnungen und Aufbringstellen dienten. Die Streifen wurden mit einem 0,09 mm dicken Doppelseiten-Klebeband zusammengeklebt, dessen Bahnenmuster so geschnitten war, daß Kapillarbahnen zwischen den verschiedenen Patronenbestandteilen gebildet wurden. Die Anordnung der Kunststoffstreifen und des beidseitigen Klebebandes zur Bildung der eigentlichen Vorrichtung ist aus Fig.14 ersichtlich. Fig.14A ist eine Draufsicht, während Fig.14B eine Schnittansicht entlang der in Fig.14A gezeigten Linie ist. Die Proben/Verdünneraufbringstelle 10/30 entstand durch das Bohren eines Loches mit einem Durchmesser von 4,0 mm durch den oberen Plastikstreifen 5 und den mittleren Plastikstreifen 7. In den unteren Plastikstreifen 9 wurden keine Löcher gebohrt. Die Kammer 20 wurde durch ein aus dem unteren Doppelseiten-Klebeband 8 geschnittenen Bahnenmuster gebildet. Die Bahn hatte eine Breite von 1,0 mm. Eine ähnliche Bahn 95 verband die Aufbringstelle 20/30 mit der Sammelbecken 90, die geschichtetes Filterpapier 100 zur Absorption der überschüssigen Probenflüssigkeit enthielt. Die Aufnahmekammer 40 wurde durch das Bohren eines Loches mit einem Durchmesser von 4,0 mm im Plastikstreifen 7 gebildet. Durch ein Loch im Plastikstreifen 5 oberhalb der Kammer 40 mit einem Durchmesser von 0,5 mm entstand die Entlüftungsöffnung 60. Ein kleiner Rührstab aus Stahl, deren Länge (80) 2,5 mm betrug, wurde in der Kammer 40 angebracht. Die Kapillarbahnen 20 und 95 waren 10 bzw. 5 mm lang.
Ein Tropfen Blut wurde auf die Aufbringstelle aufgebracht und floß beide Bahnen hinunter. Die Abwärtsflußbahn 20 endete an der Stop-Fluß-Verbindung 50, die viel tiefer und breiter war als die Bahn. Das gesamte übrige Blut floß die Bahn 95 hinunter, bis die Aufbringungsstelle 10/30 leer war, wobei das Blut durch das Filterpapier 100 im Sammelbecken 90 aufgesogen wurde. Auf diese Weise wurde ein definiertes Probenvolumen in der Meßkammer 20 abgetrennt. Überschüssige Verdünnersubstanz (isotonische Salzlösung) wurde anschließend auf die Aufbringstelle 10/30 aufgebracht und die Rührstange 80 mittels eines rotierenden Magnetfeldes (erzeugt durch einen Laborrührer) gedreht. Der Kontakt des Rührstabs 80 mit der Vorderkante der Blutprobe durchbrach die Flüssigkeitsoberfläche und bewirkte ein Weiterfließen, wobei der Fluß durch die Schwerkraft angetrieben wurde. Das Blut in der Meßkammer wurde durch den Verdünner vollständig verdrängt, und der Fluß setzte sich fort, bis die Aufnahme(misch)kammer 40 mit Blut und Verdünner gefüllt war.

Beispiel 3

Es wurde eine ähnliche Ausführungsform wie die in Figuren 7 und 8 dargestellte zum Verdünnen von Plasma nach dessen Durchfluß durch einen Filter (US Patentanmeldung Seriennummer 924.633, eingereicht am 29.Oktober 1986) hergestellt. Diese Vorrichtung ist in Fig. 15 dargestellt, wobei Fig. 15A eine Draufsicht und Fig. 15B eine Schnittansicht entlang der Linie E-E von Fig. 15A ist.
Die Vorrichtung wurde analog zu der Ausführungsform von Beispiel 2 aus Plastikstreifen und Doppelseiten-Klebeband gefertigt. Die Durchmesser der verschiedenen gebohrten Kammern und Entlüftungsöffnungen betrugen: Probenaufbringstelle 10, 4,0 mm; Verdünneraufbringstelle 30, 4,0 mm; Aufnahme(misch)kammer 40, 4,0 mm; Entlüftungsöffnung 60, 0,5 mm. Die Meßkammer hatte eine Länge von 2,5 cm und eine Breite von 1,0 mm. Der Eintrittsprobenkanal 12 hatte eine Länge von 4,0 mm, eine Breite von 1,0 mm und befand sich, wie aus Fig. 15A ersichtlich, am äußersten linken Ende der Bahn 20. Ein 0,65 mm dicker Glasfaserfilter (Tojo GA200) war in der Probenaufbringstelle 10 vorhanden. Der Rührstab war mit der in der Ausführungsform von Beispiel 2 verwendeten ident. Plasma ohne rote Blutkörperchen trat in die Bahn 12 ein und floß in die Meßkammer 20, bis diese vollständig gefüllt war. Der Fluß stoppte an der Fluß-Stop-Verbindung 50 und 55. Der Verdünner (Wasser) wurde auf die Verdünneraufbringstelle 30 aufgebracht. Erst bei Rotieren des Rührstabs 80 wurde der Fluß in Gang gesetzt. Sobald der Fluß in Gang gesetzt war, verdrängte der Verdünner das gesamte Plasma aus der Meßkammer 20 in die Aufnahme(misch)kammer 40. Der Fluß setzte sich fort, bis die Kammer 40 voll war.
Zur Visualisierung des Plasmas erfolgte vor einem Experiment die Zugabe eines Farbstoffes in der Blutprobe. Es wurde kein signifikanter Rückfluß der Probe in die Bahn 12 verzeichnet (vermutlich deswegen, weil der Filter einen beträchtlichen Durchflußwiderstand aufwies).
Alle in dieser Beschreibung erwähnten Publikationen und Patentanmeldungen weisen auf die Kompetenz der Fachleute des erfindungsgemäßen Gebietes ab.
Nach dieser ausführlichen Beschreibung der Erfindung ist es für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig, daß zahlreiche Veränderungen an ihr vorgenommen werden können.

Claims

1. Vorrichtung zum Verdünnen einer flüssigen Probe mit einem Verdünner, umfassend:

eine Meßkammer (20) mit vorherbestimmtem Volumen,

eine Probenaufbringstelle (10) in flüssigkeitsabgebender Beziehung zur genannten Meßkammer, wodurch die Probe durch Kapillarwirkung oder Schwerkraft oder eine Kombination davon von der Probenaufbringstelle in die Meßkammer abgegeben wird;

eine Aufnahmekammer (40) in flüssigkeitsaufnehmender Beziehung zur genannten Meßkammer;

eine Gasentlüftungsöffnung (60) in der genannten Aufnahmekammer;

eine permanent geöffnete Stop-Fluß-Verbindung (50) zwischen der genannten Meßkammer und der genannten Aufnahmekammer, wobei die genannte Stop-Fluß-Verbindung eine Konfiguration aufweist, die so ausgebildet ist, daß durch Oberflächenspannung verursachter Gegendruck erzeugt wird, sodaß zur Zeit, wo eine Probe auf die genannte Probenaufbringstelle aufgebracht wird, die Probe nicht durch die genannte Stop-Fluß-Verbindung fließt;

eine Verdünneraufbringstelle (30) in flüssigkeitsabgebender Beziehung zur genannten Stop-Fluß-Verbindung und danach zur Aufnahmekammer, wobei durch Kapillarwirkung oder Schwerkraft oder eine Kombination davon Verdünner von der genannten Verdünneraufbringstelle in die genannte Aufnahmekammer abgegeben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin es eine vertikale Höhendifferenz zwischen der Verdünneraufbringstelle und der Stop-Fluß-Verbindung gibt, die ausreicht, um einen hydrostatischen Druck zu erzeugen, der fähig ist, den Gegendruck zu überwinden, wenn Verdünner auf die Verdünneraufbringstelle aufgebracht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der Gegendruck an der Stop-Fluß-Verbindung, wenn eine Probe an der genannten Stop-Fluß-Verbindung vorhanden ist, von 0,1 bis 10cm H&sub2;O beträgt und die vertikale Höhendifferenz zwischen dem Minimum an Verdünner und der Stop-Fluß-Verbindung größer ist als der numerische Wert des genannten Gegendrucks in cm.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die genannte Stop-Fluß-Verbindung eine Änderung der Flüssigkeitskontaktflächen von einer Fläche mit einem geringen Berührungswinkel zu einer Fläche mit einem großen Berührungswinkel umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin es einen beweglichen Teil der Vorrichtung gibt, der betätigt werden kann, um die an der genannten Stop-Fluß-Verbindung vorhandene Flüssigkeitsoberfläche zu berühren, um den Gegendruck zu überwinden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die Stop-Fluß-Verbindung eine Zunahme des Fließwegquerschnitts von einem Kapillarflußbereich zu einem Nicht-Kapillarflußbereich umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Gegendruck an der genannten Stop-Fluß-Verbindung größer als der hydrostatische Druck ist, der von der genannten Probenaufbringstelle oder der genannten Verdünneraufbringstelle verfügbar ist, wenn sowohl Probe als auch Verdünner vorhanden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Verdünneraufbringstelle ein Minimalvolumen, das gleich dem Volumen der Aufnahmekammer ist, und ein Maximalvolumen von 10 ml aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiters eine Mischungsabtrennkammer umfaßt, die hydrostatisch mit der genannten Aufnahmekammer verbunden ist; und

erste Ventileinrichtungen, die den Fluß zwischen der genannten Aufnahmekammer und der genannten Abtrennkammer selektiv verhindern, wodurch eine gemessene repräsentative Probe des Inhalts der Mischkammer selektiv abgetrennt und in der Mischungsabtrennkammer gehalten werden kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, die wefters umfaßt:

zweite Ventileinrichtungen, die selektiv den Fluß von der genannten Verdünneraufbringstelle zur genannten Aufnahmekammer verhindern.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die genannte Mischungsabtrennkammer sich in flüssigkeitsabgebender Beziehung zu einer zweiten Aufnahmekammer befindet.

12. Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Verdünnen einer flüssigen Probe mit einem Verdünner, folgende Schritte umfassend:

das Beschicken der Probenaufbringstelle (10) mit der genannten Probe,

das Beschicken der Verdünneraufbringstelle (30) mit einem Verdünner;

das Ingangsetzen des Flusses an der Stop-Fluß-Verbindung (50), worin der genannte Verdünner die genannte Probe ohne Anwenden anderer äußerer Kräfte als Gravitationsenergie oder Kapillardruck oder einer Kombination davon von der Meßkammer (20) in die Aufnahmekammer (40) transportiert.

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Ingangsetzen des Flusses durch die Erhöhung des hydrostatischen Drucks, wenn der genannte Verdünner hinzugefügt wird, herbeigeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Ingangsetzen des Flusses durch das Bewegen der Vorrichtung oder eines Teils davon herbeigeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Ingangsetzen des Flusses durch einen beweglichen Teil der genannten Vorrichtung, der die Probenoberfläche berührt, herbeigeführt wird

16. Verfahren nach Anspruch 12, das weiters umfaßt:

das Öffnen einer ersten Ventileinrichtung, die selektiv den Fluß einer Mischung aus Probe und Verdünner von der genannten Aufnahmekammer in eine hydrostatisch verbundene Mischungsabtrennkammer steuert, wobei eine hydrostatisch bestimmte Teilmenge der genannten ersten Mischung in die genannte Mischungsabtrennkammer eintritt;

das Schließen der genannten ersten Ventileinrichtung, wodurch die genannte Teilmenge vom Rest der genannten Mischung abgetrennt wird;

das Überführen der genannten Teilmenge in eine Mischkammer zum Verdünnen mit einem vorherbestimmten Volumen eines zweiten Verdünners, um eine zweite Mischung zu bilden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, worin die Ventileinrichtungen durch eine programmierte Vorrichtung geöffnet und geschlossen werden, in die eine Einheitspatrone einsetzbar ist, die die genannten Kammern und Ventileinrichtungen umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, worin die genannte programmierte Vorrichtung ein Programm auswählt, durch das die genannten Ventileinrichtungen betrieben werden, indem ein Signal von der genannten Patrone festgestellt wird, wenn die genannte Patrone in die genannte programmierte Vorrichtung eingesetzt wird.