DE4302828C2

DE4302828C2 - Analysator zur Schnellbestimmung von Stoffwechselprodukten

Info

Publication number: DE4302828C2
Application number: DE19934302828
Authority: DE
Inventors: Ralph Dipl Phys Guenther; Siegfried Dr Rer Nat Kuehnel
Original assignee: PRUEFGERAETE WERK MEDINGEN GMB
Current assignee: PRUEFGERAETE WERK MEDINGEN GMB
Priority date: 1993-01-27
Filing date: 1993-01-27
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2013-01-28
Also published as: DE4302828A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Analysator zur Schnellbestimmung von Stoffwechselprodukten aus verdünnten und unverdünnten Proben, vorzugsweise aus Blut, Serum und Urin. Anwen dungsgebiete der Erfindung sind die medizinische Diagnostik und die Medizintechnik.

Aus der DD 278 858 ist eine Durchflußzelle mit Probennehmer für Membranelektroden bekannt, in der der Probennehmer in der Durchflußzelle integriert ist und beide einen kompakten zylindrischen Körper bilden. Im Probennehmer sind zwei Temperaturfühler installiert, mit denen eine elektronische Temperaturkompensation erfolgt. Durch den kompak ten Aufbau wird eine gute Handhabbarkeit auch bei kleinen Probenvolumina erreicht. Die günstigen hydrodynamischen Verhältnisse in der Meßkammer ermöglichen extrem kurze Ansprechzeiten. Ein Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, daß trotz der "Temperaturkompensation" Schwankungen der Empfindlichkeit bei Änderung der Umge bungstemperatur auftreten.

Es wurde versucht, diesen Nachteil durch Anordnung eines Thermostaten zwischen. Proben nehmer und Meßzelle zu beseitigen (EBIO 6666, Firmenschrift Fa. Eppendorf-Netheler-Hinz GmbH, Hamburg). Probelösung und Spüllösung werden dadurch thermostatiert, was die Empfindlichkeit der Messung verbessert. Temperaturschwankungen an der Membran waren jedoch auch mit dieser Anordnung nicht vollständig zu eliminieren. Bedingt durch den verhältnismäßig langen Weg von Probe- und Spüllösung zur Meßzelle sind außerdem die Meßzeiten lang und limitieren somit die pro Zeiteinheit zu analysierenden Proben (Proben/Stunde).

Daneben wurde bereits in der älteren Patentanmeldung nach der DE 43 00 362 C1 eine Analysenvorrichtung zur Bestimmung von Stoffwechselprodukten vorgeschlagen, die eine Durchflußmeßzelle mit einem Biosensor und einem Dosierer aufweist. Zwischen der Meßzel le und einem Behälter für Spülflüssigkeit ist ein Thermostat angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analysator zur Schnellbestimmung von Stoffwechselprodukten aus verdünnten und unverdünnten Lösungen zu entwickeln, bei der die Meßtemperatur an der Membran konstant bleibt und damit eine gleichbleibende Empfindlich keit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Analysator mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung weist folgende Vorteile auf:
Durch die Thermostatierung der Probe- und der Spüllösung werden Temperatur schwankungen eliminiert.

Die Meßgenauigkeit wird erhöht, weil eine gleichbleibende Empfindlichkeit an der Membran gesichert ist. Die Bestimmung von Stoffwechselprodukten, z. B. von Glucose, Lactat, Harnsäure, Harnstoff und Chloresterolester, ist damit schnell und zuverlässig möglich. Der erfindungsgemäße Analysator ist für die Bestimmung von Stoffwechselprodukten in verdünnten und unverdünnten Proben, vorzugweise Körperflüssigkeiten, wie Blut, Serum und Urin einsetzbar.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung soll anhand der Figur näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiel

Der Analysator besteht aus folgenden Hauptgruppen:

Probenspeicher 0 mit Probennehmer

Der Probenspeicher 0 hat einen Probenteller, der 50 bis 100 Proben aufnehmen kann, und eine Überführungseinrichtung, die die Proben aus den einzelnen Probenbechern und Sonderposi tionen in das Mischgefäß 3 überführt.

Dosierer 2

Der Dosierer 2 dient dem Ansaugen der Proben und dem Ausstoßen von Probe und gegebe nenfalls Verdünnungslösung in das Mischgefäß 3.

Schlauchpumpe 7.1

Die Schlauchpumpe 7.1 dient der Förderung der Probe bzw. der Spülflüssigkeit durch die Meßzelle 1.

Membranpumpe 7.2

Die Membranpumpe 7.2 dient dem schnellen Absaugen des nicht benötigten Restes der Probeflüssigkeit aus dem Mischgefäß 3. Für beide Pumpen 7.1 und 7.2 können auch andere, geeignete Typen eingesetzt werden.

Ventile 5.1 bis 5.4

Die Ventile 5.1 bis 5.4, die aus Gründen des verschleppungsfreien Flüssigkeitstransportes bevorzugt als Schlauchquetschventile ausgeführt sind, dienen der Steuerung der einzelnen Flüssigkeitsströme während der Messung. Sie sind auf einer gemeinsamen Ventilplatte untergebracht. Es können auch andere Analyseventile eingesetzt werden.

Meßzelle 1

Die Meßzelle 1 ist als Durchflußmeßzelle mit drei Kanälen x, y und z ausgeführt. Sie enthält einen Biosensor, der aus einer Enzymmembran und einer Elektrodenanordnung besteht. Die ersten beiden Kanäle x und y dienen vorzugsweise der Zuführung und Abführung der Probeflüssigkeit und zur alternierenden Spülung.

Der dritte Kanal z der Meßzelle 1 dient der schneller. Spülung der Durchflußmeßzelle nach Erkennen des Meßwertes. Damit wird eine hohe Probenrate durch Verkürzung der Spülzeit erreicht. Die Zuführung zu dem dritten Kanal z der Meßzelle 1 ist ebenso thermostatiert wie die Probenzuführung, so daß der Biosensor auch bei einem schnellen Spülregime nicht aus dem Temperaturgleichgewicht gebracht wird. Dadurch wird ein hoher Probendurchsatz zusätzlich gesichert.

Die Spülung der Durchflußmeßzelle kann durch wahlweise Steuerung der Ventile 5.2 und 5.4 in den Spülkanälen sowohl alternativ als auch intermittlerend erfolgen.

Die Enzymmembran ist ein zweilagige Membran, die zwischen ihren beiden Lagen das für die jeweilige Messung benötigte Enym (z B. für die Glucosemessung Glucoseoxidase, für die Lactatmessung Lactatoxidase) enthält. Die Enzyme sind vorzugsweise immobilisiert, d. h. daß sie während der Messung, nicht aus der Zelle 1 ausgespült werden können und ihre katalyti sche Wirkung für viele Messungen erhalten bleibt.

Thermostate 6.1 und 6.2

Die Thermostate 6.1 und 6.2 dienen der Erwärmung der Probeflüssigkeit und der Pufferflüs sigkeit (Spülflüssigkeit) auf dem Weg zur Meßzelle 1 auf einen gegenüber der Raumtempera tur hinreichend hohen Wert.

Entsprechend der temperaturabhängigen Enzymaktivität werden damit gleichbleibende Randbedingungen für den Meßablauf sichergestellt.

Weiterhin besteht der Analysator aus komplettierenden Baugruppen, z. B. Tastatur, Anzeige, Puffervorratsgefäß 8 mit Füllstandserkennung usw., die für die Steuerung und Überwachung des Gerätes benötigt werden.

Die Messung zerfällt in folgende Takte:

1. Dosierung der Probeflüssigkeit in das Mischgefäß 3, in dem erforderlichenfalls eine Verdünnung vorgenommen wird. Dabei sind die Ventile 5.1 und 5.3 geschlossen, die Ventile 5.2 und 5.4 offen, die Meßzelle 1 wird gespült.
2. Öffnen der Ventile 5.1 und 5.3 bei gleichzeitigem Schließen der Ventile 5.2 und 5.4. Dadurch fließt Probeflüssigkeit zur Meßzelle 1 und die Messung wird durchgeführt.
3. Nach Erhalt des Meßwertes Restabsaugung aus dem Mischgefäß 3 über die Pumpe 7.2 und Leeren des Kanals zur Meßzelle 1 über die Ventile 5.1 und 5.3, die Meßzelle 1 wird gespült.

Danach beginnt der nächste Meßvorgang.

Nach dem Einschalten des Gerätes und dem Verstreichen einer Aufwärmzeit, in der die Thermostaten 6.1 und 6.2, die Meßzelle und die Auswerteelektronik ihre Betriebstemperatur erreichen, erfolgt die Messung in folgender zeitlicher Folge:

1. Der Probennehmerarm schwenkt die Kanüle 4 zu der durch die Steuerelektronik vorgegebenen Position. Diese Position kann Standardlösung, Kontrollmaterial, Pro bematerial und Eilprobe enthalten.
2. Die Kanüle 4 wird abgesenkt und durchstößt den Deckel des verschlossenen Proben behälters. Die Öffnung dient zur Belüftung des Probenbehälters.
3. Die Kanüle 4 wird in ihre obere Endlage gebracht und um einen geringen Betrag horizontal gedreht.
4. Die Kanüle 4 wird erneut abgesenkt, und der Dosierer 2 entnimmt die vorgeschriebene Probemenge.
5. Die Kanüle 4 wird in ihre obere Endlage gebracht und horizontal geschwenkt, bis sie über dem Mischgefäß 3 steht.
6. Während die Vorgänge 1) bis 5) ablaufen, sind die Ventile 5.2 und 5.4 geöffnet und die Ventile 5.1 und 5.3 geschlossen. Somit erhält die Meßzelle 1 über Spülkanal z Puf fer, der von der Schlauchpumpe 7.1 über Kanal x abgesaugt wird. Die Meßzelle 1 wird gespült.
7. Die Ventile werden in kurzzeitig folgende Stellung gebracht:
Ventil 5.1 und 5.2 "offen", Ventil 5.3 und 5.4 "geschlossen". Dadurch wird das Schlauchstück zwischen Mischgefäß 3 über Ventil 5.1 und 5.2 mit Luft gefüllt. Das dient dem Beseitigen des Flüssigkeitsrestes, der sich noch vom vorherigen Meßzyklus in diesem Schlauchstück befindet.
8. Die Ventile werden in folgende Stellung gebracht:
Ventil 5.1 und 5.3 "geschlossen", Ventil 5.2 und 5.4 "offen". Die Meßzelle 1 wird wiederum über Spülkanal z mit Pufferflüssigkeit durchströmt.
9. Die Probe wird in das Mischgefäß 3 dosiert. Dabei wird gegebenenfalls mit Pufferflüssigkeit dilutiert, so daß die Probeflüssigkeit auf die erforderliche Konzentration verdünnt wird, die für die Messung im Biosensor geeignet ist.
10. Nachdem der Dosiervorgang beendet ist, werden die Ventile in folgende Stellung geschaltet:
Ventile 5.1 und 5.3 "offen", Ventile 5.2 und 5.4 "geschlossen". Die Probe wird über Kanal x in die Meßzelle 1 hinein und über Kanal y aus der Meßzelle 1 herausgesaugt. Falls das gemäß Vorgang 7) eingebrachte Luftsegment die Enzymlösung stört, wird der Vorgang 7) nach Beendigung der Dosierung wiederholt, um den Kanal vom Mischgefäß zum Ventil 5.2 mit Probeflüssigkeit vorzufüllen.
11. Wird die Enzymmembran dabei mit der zu analysierenden Flüssigkeit in Kontakt gebracht, d. h. erreicht die Probe die Meßzelle 1, so beginnt das zu analysierende Substrat durch die erste Membranlage zu diffundieren und trifft danach auf das es umwandelnde Enzym. Das Enzym wandelt die zu analysierende Substanz in andere Stoffe um, wobei in jedem Fall das elektrochemisch aktive H₂O₂ entsteht. Das H₂O₂ diffundiert durch die zweite Membranlage und gelangt an die Elektrodenan ordnung, die aus einer Indikatorelektrode (Platin) und einer Bezugselektrode (Silber/Silberchlorid) besteht. Hier wird es elektrochemisch umgewandelt und verur sacht dabei eine Änderung des Stromflusses zwischen den auf eine Potentialdifferenz von 600 mV geschalteten Elektroden. Diese Stromänderung wird nach entprechender Verstärkung ausgewertet.
12. Nachdem die Stromänderung einen Maximalwert erreicht hat, werden die Ventile in folgende Stellung geschaltet:
Ventile 5.1 und 5.3 "geschlossen", Ventile 5.2 und 5.4 "offen". Wiederum durchfließt Pufferlösung die Meßzelle 1 von Spülkanal z nach Kanal x und spült die gemessene Probelösung sowie die Reste der Reaktionsprodukte aus der Meßzelle 1 hinaus.
13. Gleichzeitig stößt der Dosierer 2 eine bestimmte Menge Puffer als Spülflüssigkeit in das Mischgefäß 3 aus. Das dient der Reinigung des Dosiersystems, der Kanüle 4 und des Mischgefäßes 3 von Resten der Probe.
14. Dabei wird die Membranpumpe 7.2 eingeschaltet. Sie saugt den nicht benötigten Proberest der bereits gemessenen Probe und die Spülflüssigkeit aus dem Mischgefäß 3 ab.

Somit ist der Ausgangszustand des Systems wieder erreicht.

Claims

1. Analysator zur Schnellbestimmung von Stoffwechselprodukten, bestehend aus einer Durchflußmeßzelle (1) mit einem Biosensor, einem Dosierer (2) und einem Mischgefäß (3), das mit der Meßzelle (1) Eber ein Ventil (5.1) und einen ersten Thermostaten (6.1) verbunden ist, sowie einer an der Meßzelle (1) angeordneten Pumpe (7.1) und einem zwischen der Meßzelle (1) und einem Vorratsgefäß (8) für eine Spüllösung angeordneten zweiten Thermostaten (6.2).

2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Thermostat (6.2) in einer Entfernung bis maximal 2 cm von der Meßzelle (1) angeordnet ist.

3. Analysator nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Spülkanal (z) ein steuerbares Ventil (5.4) zwischen dem zweiten Thermostaten (6.2) und dein Vorratsgefäß (8) angeordnet ist.

4. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Biosensor eine Enzymmembran enthält.

5. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Biosensor zur Bestimmung der Stoffwechselprodukte Glucose, Lactat, Harnsäure, Harnstoff, Cholesterolester enthält.