DE4124920C2 - Biochemischer Analysator mit einer Prismenzelle für abgeschwächte Totalreflexion und einer Kühleinrichtung - Google Patents

Biochemischer Analysator mit einer Prismenzelle für abgeschwächte Totalreflexion und einer Kühleinrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft einen biochemischen Analysator; und spezieller einen biochemischen Analysator zum Untersuchen von Blut, mit einer Prismenzelle für abgeschwächte Totalreflexion und einer Kühl­ einrichtung.
Die WO 88/01376 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten, wie z. B. Glukose oder anderer kleiner Moleküle an der Oberfläche eines ATR-Prismas ohne Störung durch Blutkörperchen, wobei die Blutkörperchen von der Oberfläche des ATR-Prismas durch die Wirkung der Schwerkraft entfernt werden. Dadurch entsteht an der Oberfläche des ATR-Prismas eine Grenzschicht von Plasma, welches frei von Blutzellen ist. Außerdem folgt durch die Einwirkung der Schwerkraft, daß die Konzentration an z. B. Glukosemolekülen an der ATR-Prismen­ oberfläche höchstenfalls gleich ist wie an einem von der Oberfläche des Prismas weiter entfernten Teil des Plasmas.
In Analytical chemistry; Band 61 (1989), Seite 2009-2015 wird die Be­ stimmung einer Glukosekonzentration im Blut in Verbindung mit abge­ schwächter Totalreflexion (ATR) beschrieben. Dabei wird die Temperatur der Probe durch einen Heiz- bzw. Kühlmantel für alle Messungen auf einer konstanten Temperatur; nämlich ca. 37°C, gehalten. Durch die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur innerhalb der gesamten Probe ergeben sich hierbei jedoch keine durch einen Temperaturgradien­ ten innerhalb der Probe bedingten Konzentrationsunterschiede der zu bestimmenden Moleküle, wie z. B. der Glukosemoleküle.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen biochemischen Analysator anzugeben, welcher zur Präzisionsanalyse biochemischer Sub­ stanzen in der Lage ist. Diese Aufgabe wird durch einen biochemischen Analysator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßi­ ge Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.
Dabei wird eine Einrichtung zum Kühlen der zu bestimmenden Substanz in der Probe auf der Oberfläche des ATR-Prismas bereitgestellt, um es so zu kühlen, daß die Probe fortschreitend koaguliert, wobei sie in einem von der Oberfläche des ATR-Prismas entfernten Teil auf die Oberfläche des ATR-Prismas zu beginnt. Daher ist die zu bestimmende Substanz in der Flüssigkeitsprobe auf den Teil der Probe hin verschoben verteilt, der zuletzt koaguliert; d. h. die Konzentration der zu bestimmenden Substanz wird am größten in einem Teil der Probe, der sich mit der Oberfläche des ATR-Prismas in Kontakt befindet. Daher haben die Spektrumssignale, die durch das ATR-Prisma nachgewiesen werden, eine erhöhte Stärke, was dazu beiträgt, die Nachweisempfindlichkeit zu verbessern.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung an einem Ausführungsbei­ spiel in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des biochemischen Analysators,
Fig. 2 eine schematische Ansicht des Steuerungssystems des biochemischen Analysators,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des biochemischen Analy­ sators,
Fig. 4 eine Schnittansicht einer in dem biochemischen Analysator von Fig. 1 verwendeten ATR-Prismenzelle,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Einrichtung zum Tragen der ATR-Prismenzelle,
Fig. 6 eine schematische Ansicht des biochemischen Analysators mit einem Trägersystem für die ATR-Prismenzelle,
Fig. 7 eine Schnittansicht der Kühleinrichtung für die ATR-Prismenzelle des biochemischen Analy­ sators,
Fig. 8 und 9 Infrarotabsorptionsspektren, welche von dem biochemischen Analysator gemessen wurden,
Fig. 10 die Diagrammansicht einer Beziehung zwischen Glukosekonzentrationen, wie sie mit dem bioche­ mischen Analysator und nach einer konventionellen Enzymme­ thode gemessen wurden.
Die Erfindung beschreibt einen biochemischen Analysator, der eine Infrarotquelle, ein Infrarotspektrometer und eine ATR-Prismenzelle hat, in die die Probe gegossen wird, wobei Spektren gemessen werden, die von der in die ATR-Prismenzelle gegossenen Flüssigkeitsprobe durch Absorption hervorgerufen werden, wobei eine Einrichtung bereitgestellt ist, welche die zu analysie­ rende Substanz in der Flüssigkeitsprobe so verteilt, daß sie in Richtung der Oberfläche des ATR-Prismas in dem Probenmedium höher konzentriert ist.
In Fig. 1 wird das von der optischen Quelle 1 emittierte Infrarotlicht 2 durch einen Halbspiegel 3 in eine Komponente, die auf den festen Spiegel 4 zugeht und eine Komponente geteilt, die auf den beweglichen Spiegel 5 zugeht. Diese Komponenten werden durch den festen Spiegel 4 bzw. den beweglichen Spiegel 5 reflektiert und kehren wieder zu dem Halbspiegel 3 zurück, wo sie vereinigt werden. Das vereinigte Licht wird von den Spiegeln 6 und 7 reflektiert und fällt auf eine ATR-Prismenzelle 52.
Das auf die ATR-Prismenzelle 52 fallende Infrarotlicht 2 wird von der Probe teilweise absorbiert und durch den Detektor 9 erfaßt.
Das nachgewiesene Signal wird durch den AD-Wandler 12 der AD- Wandlung unterworfen.
Der bewegliche Spiegel 5 wird durch eine Spiegelstelleinrichtung 10 bewegt, und das dabei reflektierte Licht interferiert mit dem Licht, welches von dem festen Spiegel 4 reflektiert wird, um ein Interfero­ gramm zu bilden.
Die ATR-Prismenzelle wird in eine Kühlvorrichtung 11 eingesetzt und analysiert die Probe in dem gekühlten Zustand.
Die Absorptionsspektrumssignale der Probe, die durch ein Spektrometer 13 gemessen werden, werden durch den AD-Wandler 12 in einen Com­ puter 14 eingegeben, welcher Operationen durchführt wie Berechnung der Peakflächen, Berechnung der Konzentrationen und dergleichen. Diese Ergebnisse und die notwendigen auf ihnen basierenden Daten werden zu einer Anzeige 15 ausgegeben (Fig. 2).
An den Computer ist eine Speichervorrichtung 16 angeschlossen, die die gemessenen Absorptionsspektren und die berechneten Ergebnisse wie Flächen, Stärken und Konzentrationen speichert.
Der Betrieb des beweglichen Spiegels 5 des Spektrometers wird gesteuert durch eine Steuervorrichtung 17. Die ATR-Prismenzelle 52 wird durch eine ATR-Stellvorrichtung 18 getragen. Hier wird die Sequenz der ATR- Förderung durch den Computer 14 eingestellt. Die Kühltemperatur der gerade gemessenen Probe wird gesteuert durch eine Temperatursteuervor­ richtung 19 auf der Basis einer Anweisung von dem Computer 14. Die zum Waschen des ATR-Prismas nötige Waschlösung und die für die Kalibrierung benutzte Standardlösung werden von der Lösungszuführvor­ richtung 20 beschickt.
Die Operationen zum Analysieren der Probe, zum Waschen des Analysa­ tors, zum Durchführen der Kalibrierung und zum Steuern der Tempera­ tur der Kühleinrichtung können durch eine Bedienungsperson durchge­ führt werden, indem die notwendigen Daten einfach über eine Steuerpult­ einheit 21 eingegeben werden.
Die zu messende Probe wird durch eine Eingußöffnung 22 (Fig. 3) auf die ATR- Prismenzelle gegossen und durch eine ATR-Trägereinrichtung in die Kühleinrichtung 11 befördert, welche sich in einem Gehäuse 23 befindet. Die Kühleinrichtung 11 ist mit einem ATR-Prismenzellenbefestigungsteil des Spektrometers 13 integriert, welches darunter angeordnet ist, so daß die Infrarotabsorptionsspektren der Probe in gekühltem Zustand gemessen werden können.
Die Lösungen zum Waschen des ATR-Prismas und die Standardlösung sind in den Behältern 24 bzw. 25 enthalten, und Abfallösungen nach der Benutzung werden in einem Abfallösungsbehälter gesammelt, der sich in dem Gehäuse 26 befindet.
Die Konzentrationen von Komponenten der gemessenen Probe werden von dem Computer berechnet und auf einer Anzeigeeinrichtung 15 angezeigt und weiterhin je nach Bedarf an einen Drucker 27 ausgegeben.
Die Messung, Probennummern und dergleichen werden durch die Steuer­ pulteinheit 21 eingegeben.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht der ATR-Prismenzelle 52, welche aus einem ATR-Prisma 8 und einem Stützglied 30 mit einer Stufe 31 besteht.
Die Enden des ATR-Prismas 8 sind um einen Winkel von 45° geneigt, so daß das einfallende Infrarotlicht 2 totalreflektiert wird, wobei es die Reflexion mehrfach wiederholt. Das Prisma 8 wird von dem Stützglied 30 festgehalten, dessen Stufe 31 wie ein Rahmen geformt ist, wobei die ATR-Prismenzelle 52 gebildet wird, welche die Probenlösung auf der oberen Oberfläche des ATR-Prismas 8 hält.
Die ATR-Prismenzelle 52, dargestellt durch das ATR-Prisma 8 und das ATR-Stützglied 30, wird auf einem Trägersystem 32 in der Form eines flexiblen Riemens oder einer Kette fest gelagert, wie in Fig. 5 gezeigt, und in die Kühleinrichtung 11 befördert. Eine Vielzahl von ATR- Prismenzellen kann durch das Trägersystem festgehalten werden, so daß sie sukzessive befördert werden.
Eine zu messende Probe wird von der Probeneingußöffnung 22 in die ATR-Prismenzelle 52 gegossen, die sich an einer Stelle a des Trägersy­ stems 32 befindet (Fig. 6). Die ATR-Prismenzelle, in welche die Probe gegossen wird, wird an eine Stelle b in der Kühleinrichtung 11 befördert, da das Trägersystem 32 in Pfeilrichtung angetrieben wird. Die ATR-Prismenzelle 52, welche an der Stelle b auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt wird, wird an eine Stelle c befördert, wo sie mit dem Infrarotstrahl von der unteren Richtung her bestrahlt wird, um die Absorptionsspektren zu messen.
Das Infrarotlicht 2 kann durch zwei Duplexfenster 33 und 33′ einfallen, welche voneinander getrennt sind. Ein Spalt 34 zwischen den Duplexfen­ stern 33 und 33′ ist mit Vakuum oder mit einem Trockengas gefüllt. Die Duplexfenster 33 und 33′ sind thermisch isoliert, so daß der Wasser­ dampf nicht auf der Oberfläche des Fensters 33 kondensiert, wenn es gekühlt wird und damit das Fenster nicht durch den Wasserdampf be­ schlägt.
Nach der Messung wird die Probe in der ATR-Prismenzelle 52, welche gefroren war; an einer Stelle d geschmolzen. Die nicht vollständig ge­ schmolzene Probe wird durch eine Heizvorrichtung 35 an einer Stelle e erwärmt, bis sie vollständig geschmolzen ist. Die ATR-Prismenzelle wird in einen Waschabschnitt 36 gefördert, wo sie automatisch gewaschen wird, wobei die Waschlösung von den Waschlösungseinspritzöffnungen 37 an den Stellen f und g eingespritzt wird. Die Waschlösung wird nach dem Waschen in einem Abfallösungsbehälter 38 aufgefangen.
Die ATR-Prismenzelle 52 wird an einer Stelle h getrocknet und zur Messung wiederverwendet. Die Anzahl der Analysen kann durch Bereit­ stellen von mehr als einer ATR-Prismenzelle 52 erhöht werden.
Soll die Messung bei sehr tiefen Temperaturen unter Verwendung einer Mischung aus Trockeneis und eines Alkohols oder flüssigen Stickstoffes oder flüssigen Heliums als Kühlmittel für die Kühleinrichtung 11 durchgeführt werden, kann die Kühleinrichtung 11, die in Fig. 7 gezeigt ist, verwendet werden.
Der Boden eines Kühlmittelbehälters 39 wie das mit dem Kühlmittel gefüllte Dewargefäß ist durch einen Block 40 aus einem guten Wärmelei­ ter wie Kupfer gebildet, und die ATR-Prismenzelle 52 wird gekühlt, indem sie zwischen den Block 40 und eine Halteplatte 41 mit einem wärmeisolierenden Material 41′, wie geschäumtem Styrol oder geschäum­ tem Urethan, geklemmt wird. Ein Temperatursensor 43 und eine Heiz­ vorrichtung 44 zur Temperatursteuerung sind in dem Block 40 versenkt, um die Temperatur des Blockes zu steuern.
Der durch das Kühlmittel im Behälter 39 gekühlte Block 40 ist von der Halteplatte 41 und der Probenzelle 52 thermisch isoliert und wird auf einer mit der Halteplatte 41 und der Probenzelle 52 verglichen niedrigen Temperatur gehalten. Andererseits wird die auf die Probenzelle 52 gestellte Probe durch das Trockengas gekühlt, welche durch ein wärme­ isolierendes Material 41′ umgeben ist, das unter dem Block 40 vorgesehen ist. Dadurch wird die Probentemperatur auf der Seite des Blockes 40, welche von dem ATR-Prisma 8 entfernt ist, tiefer als auf der Seite des ATR-Prismas. Daher koaguliert die auf das ATR-Prisma 8 gestellte Probe in fortschreitendem Maße, wobei die Koagulierung an einer vom ATR-Prisma 8 entfernten Stelle beginnt und auf das ATR-Prisma 8 zu fortschreitet.
Tatsächlich koaguliert die zu analysierende Substanz, wobei sie zu der Seite des ATR-Prismas hin verschoben ist, und die Verteilung der zu analysierenden Substanz in der Probe wird dichter auf die Seite des ATR-Prismas 8 zu. Dadurch ermöglicht es das ATR-Prisma 8, sehr dichte Absorptionsspektren der zu bestimmenden Substanz zu erhalten. Die Halteplatte 41 bewegt sich aufwärts und abwärts, wobei sie von einem Motor 42 angetrieben wird.
Weiterhin wird das Trockengas immer von einer Gaseinführöffnung 46 in den Innenraum 45 der Kühleinrichtung 11 gespeist, um Wasser daran zu hindern, auf den Oberflächen des ATR-Prismas 8 der ATR-Prismenzelle 52 und der Duplexfenster 33, 33′ zu kondensieren.
Die ATR-Prismenzelle, auf welche die zu messende Probe gegossen wird, wird von der Trägereinrichtung 32 in die Kühleinrichtung 11 hinein- oder aus der Kühleinrichtung 11 herausbefördert, indem die Klappe 47 oder die Klappe 48 der Kühleinrichtung 11 geöffnet werden. Weiterhin ist die obere Abdeckungseinrichtung 49 der Kühleinrichtung durch eine Dichtung 50 befestigt, so daß je nach Bedarf geöffnet werden kann.
Fig. 8 zeigt Infrarot-Absorptionsspektren einer wäßrigen Glukoselösung, die unter Verwendung eines ATR-Analysators gemessen wurde, welche mit der in Fig. 7 gezeigten Kühleinrichtung ausgerüstet war.
Dabei wurde eine wäßrige Lösung mit einer Glukosekonzentration von 0,5 Mol bei einer Temperatur von ungefähr 147°K (Kurve A) und bei Zimmertemperatur (Kurve B) gemes­ sen.
Wenn Peakbereiche von 950 bis 1180 cm-1 miteinander verglichen werden, wo Glukosepeaks zunehmen, ist der Peakbereich von Glukose bei einer niedrigen Temperatur mehr als 10mal so groß wie derjenige bei Raumtemperatur, so daß erkennbar ist, daß die Empfindlichkeit für die Messung biochemischer Substanzen bei niedrigen Temperaturen sehr groß wird.
Fig. 9 zeigt die bei Zimmertemperatur gemessenen Infrarot-Absorptions­ spektren des Bluts. Dabei sind die Peaks C und D diejenigen eines Amids 1 und eines Amids 2 von einem Protein gezeigt. Glukose zeigt einen breiten Peak bei ungefähr 1035 cm-1. Berücksichtigt man hier die Tatsache, daß der mit der genannten Meßapparatur gemessene Peakbereich in den Ab­ sorptionsspektren einer Proportionalbeziehung bezüglich der Konzentration der gemessenen Proben unterliegt, ist es möglich, eine Kalibrierungskurve von dem Peakbereich von Glukose einer bestimmten Konzentration über einen Bereich von 950 bis 1180 cm-1 anzufertigen, damit man die Kon­ zentration unbekannter Glukose einfach finden kann, indem man die obige Kalibrierungskurve benutzt.
Fig. 10 ist ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen einer Glukose­ konzentration, die unter Verwendung des beschriebenen biochemischen Analysators gemessen wurde, und einer Glukosekonzentration zeigt, die mit der konventionellen kolorimetrischen Methode unter Verwendung von Enzymen gemessen wurde.
Es zeigt sich, daß der Korrelations-Koeffizient zwischen beiden Meßmethoden 0,97 ist und daß die gemessenen Ergebnisse miteinander gut übereinstimmen.

Claims (4)

1. Biochemischer Analysator mit
einer Prismenzeile (52) und einem Prisma (8) für abgeschwächte Totalreflexion,
einer an einer Oberfläche des Prismas (8) angebrachten Probenzelle (30), einer Probenzuführeinrichtung (22) zum Zuführen einer Flüssig­ keitsprobe in die Probenzelle (30),
einer Infrarotlichtquelle (1) zum Erzeugen von Infrarotlicht (2), welche zu dem Prisma (8) für abgeschwächte Totalreflexion über­ tragen wird,
einem Detektor (9) zum Nachweis des Infrarotlichts (2), das von dem Prisma (8) reflektiert wird, und
einem Computer (14) zur Berechnung des erfaßten Infrarot-Absorptionsspektrums,
einer Einrichtung (39, 40, 41, 41′) zum Bereitstellen von mehr zu analysierenden Molekülen in dem Teil der Flüssigkeitsprobe, welcher nahe der Oberfläche des Prismas (8) ist, als in dem Teil der Flüs­ sigkeitsprobe, welcher fern der Oberfläche des Prismas (8) ist, wobei die Einrichtung (39, 40, 41, 41′) als eine Kühleinrichtung zum Ver­ festigen der Flüssigkeitsprobe in einer Reihenfolge von dem entfern­ ten Teil der Probe, welcher von der Oberfläche des Prismas (8) entfernt ist, zu dem nahen Teil der Probe, welcher nahe an der Oberfläche des Prismas (8) ist, ausgebildet ist, und
wobei das Infrarotlicht-Absorptionsspektrum, das von dem Prisma (8) reflektiert wird, durch den Detektor (9) nachgewiesen wird, nachdem der entfernte Teil der Probe sich verfestigt hat.
2. Biochemischer Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung einen Kühlmittelbehälter (39) zur Kühlung eines Blocks (40) sowie eine Halteplatte (41) umfaßt, wobei die Prismenzelle (52) von wärmeisolierendem Material (41′) umgeben ist.
3. Biochemischer Analysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine als Doppelfenster (33, 33′) ausgebildete Über­ tragungseinrichtung vorhanden ist, durch welche das Infrarotlicht (2) auf das Prisma (8) gerichtet ist.
4. Biochemischer Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Trägersystem (32) vorhanden ist, durch welches die Prismenzelle (52) an mehreren Stationen vor­ beiführbar ist, insbesondere an einer Probenzuführstation (a), einer Kühl- und Meßstation (b, c), einer Erwärmungsstation (d, e), einer Waschstation (f, g) und einer Trockenstation (h).
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