DE69323700T2

DE69323700T2 - Durchflusszytometer mit vakuumgesteuerter Strömung

Info

Publication number: DE69323700T2
Application number: DE69323700T
Authority: DE
Inventors: Howard North; Kenneth Uffenheimer
Original assignee: Becton Dickinson and Co
Current assignee: Becton Dickinson and Co
Priority date: 1992-12-14
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: EP0602416B1; CA2110113A1; US5395588A; EP0602416A1; DE69323700D1; JPH06221988A; CA2110113C; JP2525123B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Steuern eines Durchflußzytometrieverfahrens, bei dem Zellen oder andere Partikel, die in einem sich bewegenden Flüssigkeitsstrom, oder einem Hüllfluid, suspendiert sind, gemessen und/oder getrennt werden.
Durchflußzytometrie, die Messung von Zellen in einem sich bewegenden Flüssigkeitsstrom, ist ein wertvolles Analysemittel in Forschungslaboratorien. Herkömmliche Durchflußzytometrievorrichtungen zum Sortieren von Objekten wie Zellen und Partikeln bestehen im Grunde aus einem Flüssigkeitsstrom, der eine Hüllkurve bildet, in die eine Zellprobe eingeführt und anschließend durch eine Öffnung fokussiert wird. Beim Durchgang der Objekte durch die Öffnung werden bestimmte Eigenschaften des Objekts basierend auf den Analyse- und Zählfähigkeiten der Vorrichtung analysiert. Üblicherweise kann die Vorrichtung mit hoher Geschwindigkeit sortieren oder zählen, wobei Zehntausende der Objekte basierend auf einer Vielzahl verschiedener chemischer oder physikalischer Eigenschaften wie Größe, Granulation des Zytoplasma und Vorliegen spezifischer Antigene, gesammelt werden. Es besteht daher ein erhebliches Interesse an der Durchflußzytometrie, um Objekte für nachfolgende Analysen zu sortieren.
Ein im Handel erhältliches Durchflußzytometer, das ein hydrodynamisch fokussiertes Fluidsystem verwendet, ist als das Gerät FACScan TM bekannt, das von Becton Dickinson Immunocytometry Systems, San Jose, Kalifornien verkauft wird. Das FACScan TM analysiert Zellen schnell auf der Basis von Fluoreszenz und Lichtstreuungseigenschaften. Die Analyse erfolgt durch Einbringen von in einer Suspension befindlichen Zellen in die Mitte eines fokussierten Flüssigkeitsstroms, wodurch diese einzeln durch fokussiertes Licht eines Hochenergie- Lasers geleitet werden. Jede Zelle ist individuell durch ihre Lichtstreuungssignale und durch die Intensität und die Farbe der beim Beleuchten emittierten Fluoreszenz gekennzeichnet. Dieses System ist im US-Patent 4 844 610, im US- Patent S 030 002 und im US-Patent 5 040 890 beschrieben.
Üblicherweise wurden Durchflußzytometersysteme als von Druckpumpen getriebene druckbetriebene Fluidik-Systeme ausgebildet. In EP 0 478 392 werden die Zellproben durch Spritzen in die Messkammer gedrückt. Auch die Hüllflüssigkeiten werden durch positiven Druck in die Durchflußzelle gedrückt. Jedoch haben sich druckbetriebene Systeme als dahingehend nachteilig erwiesen, daß Systemlecks zum Versprühen von Hüllfluid führen, das den Bediener biologisch gefährlichen Substanzen aussetzen und optische und elektronische Teile des Geräts beschädigen kann. Zum Regeln druckbetriebener Zytometriesysteme erforderliche Regelventile neigen dazu, sich mit Blutzellen zuzusetzen; so daß sie Klemmen oder auf andere Weise fehlerhaft funktionieren. Darüber hinaus ist das Design druckbetriebener Fluidik-Systeme ist komplizierter als das Design unterdruckbetriebener Fluidik-Systeme, da druckbetriebene Systeme die Verwendung druckbeaufschlagter Verbindungen des Vorratsbehälters und andere Einrichtungen erfordert, die notwendig sind, damit das System hohen Systemdruckpegeln wiederstehen kann. Druckbetriebene Systeme erfordern ferner einen dichten Eingriff des Probengefäßes in die Durchflußzellenanordnung. Das Entfernen des Probengefäßes kann gefährliche Aerosole rückfließendes Tropfen biologisch gefährlicher Fluids erzeugen.
Somit bietet ein unterdruckbetriebenes Durchflußzytometriesystem viele Vorteile gegenüber einem druckbetriebenen System. Das Design des Vorratsbehälters ist erheblich einfacher, da keine Druckverbindungen erforderlich sind, und der Behälter kann durch Schwerktraftzulauf aus einem höher gelegenen Vorratsbehälter aufgefüllt werden. Ferner gibt es kein rückfließendes, den Bediener biologisch gefährlichen Substanzen aussetzendes Tropfen aus dem Zellprobenaufnahmerohr, das dem Einführen der Zellprobe in die Hüllfluidströmung dient. Die Zellprobengefäße müssen nicht druckbeaufschlagt sein oder dicht mit dem Gerät zusammengreifen, um das Systemfluid zurückzuhalten, woraus sich eine neue Freiheit beim Design bezüglich der Größe und der Form des Zellprobengefäßes ergibt. Diese Designfreiheit erleichtert das Design von Zusatzgeräten, beispielsweise von automatischen Rohrhebern, welche das Bereitstellen der Zellproben verbessern. Ein anderer erzielter Vorteil ist, daß die Abwärtsbewegung des Rohrhebers verlängert werden kann, wodurch Fluidreste des Probenaufnahmerohres in das Zellprobengefäß ablaufen können, so daß das Übertragen von Zellproben, das nachfolgende Testläufe verfälschen könnte, minimiert wird. Schließlich bietet die Verwendung von vakuumbetriebener Fluidik die Möglichkeit ein System zu entwerfen, bei dem die Pumpe auf Nachfragebasis verwendet wird, wobei sie abgeschaltet wird, sobald das System einen vorbestimmten System-Unterdruck- oder Druckpegel erreicht hat, wodurch die Lebensdauer der Pumpe erhöht wird.
In JP-A-041036 636, die den Stand der Technik nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bildet, ist eine Durchflußzellenvorrichtung beschrieben, bei der die Hüllflüssigkeit und die Zellprobenflüssigkeit durch Unterdruckeinrichtungen zu und in eine Durchflußzelle gesaugt werden. Da das Aufnahmerohr, das die Probenflüssigkeit in die Durchflußzelle leitet, wegen der engen Auslaßöffnung einen hohen Strömungswiderstand hat, benötigt die Zellprobe nach dem Starten der Vorrichtung eine lange Zeit, um durch die Nadel und die Öffnung in die Durchflußzelle zu gelangen.
Ferner löst sich bei einem Durchflußzytometer in dem Hüllfluid bei Atmosphärendruck gelöste Luft aus der Lösung, wenn das Hüllfluid einem Unterdruck ausgesetzt wird. Die Blasen setzen sich in schwierigen Bereichen, beispielsweise im Analysebereich der Durchflußzelle, ab. Die Blasen können Zellen aus ihrer eigentlichen Bahn durch den beleuchteten Bereich oder den Analysebereich der Durchflußzelle ablenken.
Ein weiteres Problem bei der Entwicklung eines unterdruckbetriebenen Durchflußzytometers bildet die Luft, die durch den am Ende des Testzyklus in der Durchflußzelle verbleibenden Restunterdruck in die Durchflußzelle gesaugt wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Durchflußzytometer-Steuersystem zu schaffen, das die Probenflüssigkeit schneller ansaugt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist das Durchflußzytometer auf: eine Durchflußzelle mit einem Ansaugkanal und einem Auslaßkanal, eine Unterdruckpumpe zum Saugen des Hüllfluids und/oder der Zellenprobe durch die Durchflußzelle, und eine mit dem Ansaugkanal verbundene Durchflußbegrenzungseinrichtung zum Erzeugen eines Druckabfalls in dem Ansaugkanal nahe dem Zellprobenbehälter zu bewirken, der die Zellenprobe aus dem Behälter in die Durchflußzelle saugt.
Ein erstes Ventil V1 ist mit dem Ansaugkanal verbunden und ein zweites Ventil V2 ist mit dem ersten Auslaßkanal verbunden, wobei das Öffnen des zweiten Ventils V2 für einen vorbestimmten Zeitraum T&sub1; vor dem Öffnen des ersten Ventils V1 ermöglicht, die Zellprobe für einen kurzen Zeitraum mit dem vollen Systemunterdruck durch die Durchflußzelle zu ziehen, bevor die Strömung des Hüllfluids einsetzt, wodurch die Zellprobenkonzentration durch die Öffnung oder den Zellanalysebereich der Durchflußzelle schneller auf die normale Zellflußrate erhöht wird.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Steuersystem beschrieben, das einen mit einem Auslaß der Durchflußzelle verbundenen Unterdrucksensor zum Erkennen des Druck- oder Unterdruckpegels des Hüllfluids und eine Treibereinrichtung zum Regeln der an den Unterdruckpumpenmotor gelieferten Energie aufweist. Eine mit dem Unterdrucksensor und der Motortreibereinrichtung verbundene Halbleiterschaltung ist zum Steuern es Betriebs der Motortreibereinrichtung auf der Basis des Systemunterdruckpegels am Auslaß der Durchflußzelle vorgesehen. Die an den Unterdruckpumperimotor gelieferte Energie wird moduliert, um den Unterdruckpegel auf einen ersten vorbestimmten Wert einzustellen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Steuersystem für ein unterdruckbetriebenes System betrieben, das einen Entlüfter zum Entfernen von in dem Hüllfluid gelöstem Gas aufweist, welches durch den niedrigen Druckpegel des Unterdruckantriebs gelöst wird.
In Zusammenhang mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine prozessorgesteuerte automatische Rohrhebeeinrichtung beschrieben, die eine langsame Rohrablaßgeschwindigkeit ermöglicht, wodurch äußere Reste am Probenaufnahmerohr in den Zellprobenbehälter ablaufen können, so daß ein Übertrag von Zellproben zwischen Testzyklen verringert wird.
Bezüglich eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung wird ein Steuersystem beschrieben, das ein drittes Ventil V3 zum Entlüften der Durchflußzelle in den Umgebungsdruck während sich die Rohrhebeeinrichtung absenkt, wodurch der in der Durchflußzelle gebildete Unterdruck ausgeglichen wird, um zu verhindern, daß Luft durch das Probeneinspritzrohr in die Durchflußzelle gesaugt wird.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Steuerung der Geschwindigkeit des Absenkens der Rohrhebeeinrichtung nach dem Wunsch des Bedieners vorgesehen, wodurch dieser das System einfacher optimal steuern kann.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Fluidik-Systems für das Durchflußzytometersystem.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Computersteuerung für die vorliegende Erfindung.
Fig. 3A und 3B sind Flußdiagramme, die Verfahrensschritte für die Computersteuerung der Ventile V1-V4, der Umkehrpumpe und der Rohrhebeeinrichtung zeigt.
Fig. 4 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Darstellung des Betriebs der Ventile V1-V4.
Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung der Regelung der Unterdruckpumpe und des Auslaßdruckschalters.
In der Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen identische Teile in den verschiedenen Darstellungen bezeichnen, zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der Fluidik der vorliegenden Erfindung, des Durchflußzytometersystems, das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Systemdruck oder -unterdruck wird durch eine unterdruckpumpe 12 geschaffen, die Hüllfluid aus einem Vorratsbehälter 14 durch eine Durchflußzellenanordnung 16 saugt; in welche die Zellprobe eingebracht wird und in welcher die Zellanalyse stattfindet. Verbrauchte Flüssigkeit wird anschließend in einen Ablaufbehälter 18 geleitet. Das Hüllfluid aus dem Vorratsbehälter 14 wird vor dem Eintreten in die Durchflußzellenanordnung 16 gereinigt, in dem es durch ein 0,45 Mikron Salzfilter 20 gezogen wird. Ein manuelles Rohrklemmventil 22, das in einem Auslaßkanal des Salzfilters 20 angeordnet ist, wird geöffnet, um im Salzfilter 20 eingeschlossene Luft auszulassen. Eine KNF-Neuberger-Pumpe Modell NF30KVDC dient als Unterdruckpumpe 12, da sie selbstansaugend ist, und da eine identische Pumpe als Druckpumpe 74 verwendet werden kann, die den Entlüfter 34 treibt, wodurch die Zahl der bei der Herstellung der Erfindung auf Lager zu haltenden Teile verringert ist.
Die Durchflußzellenanordnung 16 weist einen Ansaugkanal 24 und einen ersten und einen zweiten Auslaßkanal 26 und 28 auf. In der Durchflußzellenanordnung 16 wird das Hüllfluid durch einen Zellanalysebereich 30 geleitet. Eine Test probe, die Objekte, üblicherweise Zehntausende Blutzellen, enthält, wird durch Zählen oder Sortieren der Zellen mit hohen Geschwindigkeiten analysiert, basierend auf einer Vielzahl verschiedener chemischer und physikalischer Eigenschaften, beispielsweise Größe, Granulation des Zytoplasmas und Vorhandensein spezifischer Antigene.
Der Unterdruckpegel des Durchflußzytometer-Steuersystems 10 wird auf einen festen Wert eingeregelt, indem die an den Motor der Unterdruckpumpe 12 gelieferte Energie auf der Basis des von einem Untersdrucksensor 32 erkannten Systemunterdruckpegels moduliert wird, wobei der Unterdrucksensor mit dem ersten und dem zweiten Auslaßkanal 26 und 28 der Durchflußzellenanordnung 16 verbunden ist. Schwankungen des Untersdruckpegels werden durch einen Schwankungdämpfer 35 gedämpft, bei dem es sich um ein Gefäß handeln kann, das ein Vielfaches (10- bis 100-faches) des Hubvolumens der Unterdruckpumpe haben kann, wobei es sich bei der Pumpe üblicherweise um eine Kolbenpumpe mit Ein- und Auslaßrückschlagventilen handelt. Ein normalerweise geschlossener Pumpenförderdruckschalter 36, beispielsweise der Schalter Air Logic Modell F4100-100-50 W, ist in Reihe mit dem Motor der Unterdruckpumpe 12 verbunden, um einen übermäßigen Pumpenförderdruck zu verhindern, der Lecks oder Beschädigungen der Unterdruckpumpe 12 verursachen könnte. Der Druckschalter 36 schaltet die Unterdruckpumpe 12 aus, wenn der Ablaufbehälter 18 entfernt wird. Die Schnellösevorrichtung 38 dichtet das Durchflußzytometer-Steuersystem 10 ab, wenn der Ablaufbehälter 18 entfernt wird. Lüftungsfilter 40, beispielsweise 0,2 Mikron TEFLON-Filter, sind am Vorratsbehälter 14 und an dem Ablaufbehälter 18 angeordnet, um Aerosole zurückzuhalten und das Überlaufen von Fluid beim Handhaben der Behälter 14 und 18 außerhalb des Geräts zu verhindern. Eine Fernauslaßverbindung 42 kann den Ablaufbehälter 18 ersetzen, wodurch der Bediener gefährliche Abfallfluidbehälter nicht mehr zu handhaben braucht.
Ein Durchflußzytometersystem, das von einer Unterdruckpumpe getrieben wird, ist dahingehend vorteilhaft, daß der Hüllfluidvorratsbehälter 14 nicht druckbeaufschlagt ist, wodurch ein einfaches kostengünstiges Design ohne druckbeaufschlagte Verbindungen oder andere Einrichtungen für einen positiven Systemdruckerforderliche Einrichtungen möglich ist. Der Vorratsbehälter 14 kann ferner durch Schwerkraftfluß aus einem höheren Vorratsbehälter gespeist werden und verbrauchtes Hüllfluid kann an eine entfernt gelegene Entsorgungsstelle ausgegeben werden, ohne den Betrieb des Systems zu beeinflussen. Das entfernte Auslassen eliminiert die Notwendigkeit des Ausleerens des Abflußbehälters 18 durch den Bediener, der dadurch biologisch gefährlichem Material ausgesetzt sein kann. Darüber hinaus bewirken Systemlecks kein Sprühen des Hüllfluids, das optische, elektronische oder andere Teile des Testgeräts beschädigen könnte.
Die Zellprobe wird in die Durchflußzellenanordnung 16 durch ein Probenaufnahmerohr 44 gesogen. Das Zellprobengefäß 46 wird in einer Rohrhebeeinrichtung 48 angeordnet, die zur Durchflußzellenanordnung 16 hin angehoben wird, bis das Probenaufnahmerohr 44 in die Probe m Zellprobengefäß 46 eingetaucht ist. Eine Durchflußbegrenzungseinrichtung 50, die ein Leitungsstück mit fester Länge und reduziertem Innendurchmesser oder ein Nadelventil sein kann, erzeugt einen Druckabfall in der zur Durchflußzellenanordnung 16 führenden Leitung, wodurch ein Unterdruck nahe der Durchflußzellenanordnung 16 entsteht, welches die Probe aus dem Zellprobengefäß 46, üblicherweise ein Teströhrchen oder eine Küvette, in die Durchflußzellenanordnung 16 mit der geeigneten Rate saugt. Die Verwendung von unterdruckbetriebener Fluidik ist dahingehend vorteilhaft, daß ein Tropfen des Hüllfluids von dem Probenaufnahmerohr 44 (das biologisch gefährliche Bedingungen schaffen könnte) vermieden wird. Daher sind zusätzliche Vorrichtungen zum Zurückhalten des Tropfens vom Probenaufnahmerohr 44 nach einem Testvorgang nicht erforderlich. Ferner müssen die Zellprobengefäße nicht druckbeaufschlagt werden oder dicht an der Durchflußzellenanordnung 16 angreifen, wodurch sich eine Entwicklungsfreiheit im Hinblick auf die Größe und Form der Zellprobengefäße 46 und eine Wahlfreiheit im Hinblick auf die Entwicklung einer Einrichtung zum Bereitstellen der Zellproben ergibt.
Der Entlüfter 34 ist ein Stück dünnwandiges Silikongummirohr. Das Hüllfluid strömt in dem Rohr, während die Außenseite des Rohrs dem vollen Systemunterdruckpegel ausgesetzt ist. Da Silikongummi für Luft, deren Hauptbestandteile Sauerstoff und Stickstoff sind, durchlässig ist, diffundieren diese Gase durch das Silikongummirohr und werden vom Systemunterdruck abgezogen. Zur Bildung des Entlüfters 34 wird ein Stück Silikongummirohr in einem 1,14 1 (4 ounces) Kunststoffgefäß spulenförmig angeordnet. Der Systemunterdruck wird auf das Innere des Gefäßes aufgebracht, wobei dieses ebenfalls als Schwankungsdämpfer dient. Das Rohr besteht aus für medizinische Zwecke geeignetem Dow Corning Schlauch mit einem Innendurchmesser von 3,4 mm (0,132 Inch), einem Außendurchmesser von 4,6 mm (0,183 Inch) und einer Länge von 1,27 m (50 Inch). Getestet bei einem Systemunterdruck von 0,3 bar (0,3 Atmosphären) weist dieser Schlauch das Doppelte der erforderlichen Kapazität zum Entlüften des Hüllfluids auf, so daß keine Blasen im Einlaßbereich der Durchflußzelle gebildet werden.
Die Rohrhebeeinrichtung 48 ist eine Linearbewegungsvorrichtung, die sich von einer unteren Position, in der das Zellprobengefäß 46 vom Bediener bequem angebracht oder entnommen wird, über eine Strecke von 12,7 cm (fünf Inch) in eine obere Position bewegt. In der oberen Position stellt die Rohrhebeeinrichtung 48 das Zellprobengefäß 46 für das Probenaufnahmerohr 44 bereit, durch welches die Zellprobe aus dem Zellprobengefäß 46 in die Durchflußzellenanordnung 16 angesaugt wird. Die Rohrhebeeinrichtung 48 ist während der linearen Bewegung entlang einer Stange geführt und wird von einem kleinen Gleichstrommotor auf und ab bewegt, der über einen Getriebezug mit einer Zahnstange und einem Zahnrad die lineare Bewegung erzeugt. Die Bewegungsendpositionen werden von optischen Unterbrechungsvorrichtungen erkannt, die eine Unterbrechung eines optischen Strahls durch eine Blechlasche am Schlitten der Rohrhebeeinrichtung 48 erkennen, wenn sich die Rohrhebeeinrichtung 48 in die obere oder die untere Position bewegt hat. Diese Erkennungsvorrichtungen sind an der oberen und der unteren Position angeordnet, wodurch die Energieversorgung des Motors der Rohrhebeeinrichtung 48 abgeschaltet wird. Der Schlitten der Rohrhebeeinrichtung 48 bleibt durch Schwerkrafteinwirkung in der unteren Position, wenn an den Motor der Rohrhebeeinrichtung 48 keine Spannung angelegt wird. Der Schlitten der Rohrhebeeinrichtung 48 wird durch einen Rückhaltemagneten in der oberen Position gehalten.
Vier normalerweise geschlossene elektromagnetisch betätigte Ventile V1-V4, 52, 54, 56, 58 sind mit der Durchflußzellenanordnung 16 zur Regelung der Fluidströmung verbunden. V1 ist mit dem Ansaugkanal 24 der Durchflußzellenanordnung 16 verbunden. V2 54 ist mit dem ersten Auslaßkanal 26 der Durchflußzellenanordnung 16 und mit der Unterdruckpumpe 12 verbunden, wodurch eine Verbindung zwischen der Durchflußzellenanordnung 16 und dem Ablauf behälter 18 gebildet ist. V3 56 ist ebenfalls mit dem ersten Auslaßkanal 26 verbunden und lüftet in den Umgebungsdruck. V4 58 ist mit dem zweiten Auslaßkanal 28 der Durchflußzellenanordnung 16 verbunden und bildet so einen Verbindungsweg durch die Durchflußzellenanordnung 16 zum Ablaufbehälter 18.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Computersteuersystems für das Durchflußzytometer-Steuersystem. Das Computersteuersystem 60 weist eine Mikroprozessoreinheit 62 auf, die eine einzelne Schaltplatte im Geräteschrank des Durchflußzytometer-Steuersystems 10 umfaßt. Bedienerschalter 64-68 betätigen die RUN, STOP (STANDBY) und DRAIN-Modi. Die Mikroprozessoreinheit 62, beispielsweise Intel 286, kann ebenfalls zur automatischen Steuerung verwendet werden. Während des STOP (STANDBY) Modus sind sämtliche Ventile V1-V4 52, 54, 56, 58 geschlossen. Währen des normalen Test- RUN-Modus sind V1 52 und V2 54 offen, so daß Hüllfluid durch die Durchflußzellenanordnung 16 fließen kann. Das Hüllfluid wird dann als Abfall in den Ablaufbehälter 18 ausgegeben. Die Ventile V3 56 und V4 58 werden geöffnet, indem der DRAIN-Bedienerschalter 68 betätigt wird, um einen alternativen Verbindungsweg durch den Zellanalysebereich 30 der Durchflußzellenanordnung 16 zum Ablaufbehälter 18 zu bilden. Während des DRAIN-Modus wird die Durchflußzellenanordnung 16 ausgeleert, um Verstopfungen und in der Durchflußzellenanordnung 16 gefangene Gasblasen zu entfernen. Das Öffnen der Ventile V3 56 und V4 58 ermöglicht das Eintreten von Luft in die Durchflußzelle und das Austraten von Fluid durch das Ventil V4 58. Ein Luftstrombegrenzer 51 mit einem Schutzfilter ist zwischen dem Ventil V3 56 und dem Atmosphäreneinlaß angeordnet, um den Luftstrom im DRAIN-Modus auf einen Wert unterhalb der Unterdruckpumpenleistung zu begrenzen, so daß der Systemunterdruck- oder -druckpegel beibehalten werden kann.
Die Betätigung der Bedienerschalter 64-68, die einen der Modi RUN, STOP (STANDBY) und DRAIN bezeichnen, durch den Bediener bewirkt, daß die Mikroprozessoreinheit 62 Steuersignale ausgibt, welche die geeignete Kombination von Ventilen V1-V4 52-58 aktivieren, und die die Rohrhebeeinrichtung 48 in geeigneter Weise positionieren, und welche die Umkehrpumpe 76 aktivieren, um einen gewünschten Testmodus auszuführen. Die Computersteuerung ermöglicht es, die Ventilbetätigungszeitsteuerung, die Zeitsteuerung des Anhebens und des Absenkens der Rohrhebeeinrichtung und die Zeitsteuerung der Umkehrpumpe in Computerprogrammen zu spezifizieren, die in die Mikroprozessoreinheit 62 aus dem Speichermedium 72 geladen werden. Das Speichermedium 72 kann beispielsweise eine in ein ebenfalls in dem Computersteuersystem 60 enthaltenes Diskettenlaufwerk 74 eingelegte Floppydisk sein, Die programmierte Steuerung der elektromagnetisch betätigten Ventile V1-V4 52- 58, der Rohrhebeeinrichtung 48 und der Umkehrpumpe 76 ermöglicht es dem Designer, die Betätigungszeitsteuerung der Teile fein abzustimmen, um die Fluidik-Leistung des Gesamtsystems zu optimieren, wodurch das Übertragen von Zellproben minimiert, die automatische Erhöhung der Zellprobenströmungsrate optimiert und die Stabilisierung des Systemunterdruckpegels und der Fluidströmung erreicht wird.
Die Fig. 3A und 3B sind Flußdiagramme, welche die Verfahrensschritte der Computerprogrammsteuerung der vorliegenden Erfindung, des Durchflußzytometer-Steuersystems mit den Ventilen V1-V4 52-58, der Umkehr- oder Rückflußdruckpumpe 76 und der Rohrhebeeinrichtung 48 darstellen. Fig. 4 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das den aktivierten Zustand dieser Teile während eines normalen Test-RUN-Zyklus darstellt. Wie in Fig. 3A dargestellt, beginnt das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Schritt 100, in dem eine neue, in einem Zellprobengefäß 46 enthaltene Probe in die Rohrhebeeinrichtung 48 plaziert und der RUN-Schalter 64 durch den Bediener betätigt wird. Im Schritt 102 wird die Rohrhebeeinrichtung-Aufwärts-Leitung (TLU) 47 aktiviert, wodurch die Rohrhebeeinrichtung 48 über 59 Computerzeiteinheiten (jede Computerzeiteinheit ist gleich 0,18 Sekunden) oder ungefähr 3 Sekunden aufwärts bewegt wird. Damit ist die Aufwärtsbewegung der Rohrhebeeinrichtung beendet. Die Rohrhebeeinrichtung wird durch einen Haltemagneten in der oberen Position gehalten. Im Schritt 104 wird, während die Rohrhebeeinrichtung 48 in der oberen Position gehalten wird, das Ventil V2 54 für 18 Computerzeiteinheiten oder eine Sekunde aktiviert oder geöffnet, um die Auto- Boost-Funktion durchzuführen, bei der die Zellprobe aus dem Zellprobengefäß 46 mit dem 5-7-fachen der normalen Rate angesaugt wird, um die Zellprobendurchflußrate durch den Analysebereich 30 schneller auf den normalen Testpegel zu erhöhen. Im Schritt 106 wird das Ventil V1 52 für 126 Computerzeiteinheiten oder 7 Sekunden aktiviert, wobei die Rohrhebeeinrichtung 48 in der oberen Position gehalten wird und V2 54 offen bleibt. Anschließend beginnt die Datenerfassung im Schritt 108 über den für den jeweiligen durchzuführenden Test erforderlichen Zeitraum, während V1 52 und V2 54 aktiviert bleiben und die Rohrhebeeinrichtung 48 in der oberen Position gehalten bleibt. Der Datenerfassungszeitraum des Schritts 108 umfaßt einen Zeitraum, in dem das System die volle Stabilisierung der Hüllfluid- und der Probenströmungen erreichen soll, beispielsweise sieben Sekunden.
Die Datenerfassung wird entweder durch Computersteuerung oder durch Betätigen des STOP-Schalters 66 im Schritt 110 der Fig. 3B beendet. Im Schritt 112 sind die Ventile V1 52 und V2 54 jeweils in der aktivierten oder offenen Position gehalten, die Rohrhebeeinrichtung 48 ist in der oberen Position gehalten, während die Umkehrpumpe 76 zum Durchführen des Umkehrzyklus für 36 Computerzeiteinheiten oder 2 Sekunden aktiviert wird. Im Schritt 114 wird für die nächsten 2 Computerzeiteinheiten oder 0,1 Sekunden, bei weiterhin aktivierten oder offenen Ventilen V1 52 und V2 54, die Rohrhebeeinrichtung- Abwärts-Leitung 49 aktiviert, um die Abwärtsbewegung der Rohrhebeeinrichtung 48 zu beginnen. Die Rohrhebeeinrichtung-Abwärts-Leitung (TLD) bewirkt die Abwärtsbewegung der Rohrhebeeinrichtung 48. Im Schritt 116 wird die Rohrhebeeinrichtung-Abwärts-Leitung 49 deaktiviert, während die Ventile V1 52 und V2 54 für 59 Computerzeiteinheiten oder 3 Sekunden aktiviert oder offen bleiben. Während dieser Zeit beginnt die Rohrhebeeinrichtung 48 eine langsame Abwärtsbewegung, die im vorherigen Schritt 114 begonnen wurde, in dem die Rohrhebeeinrichtung-Leitung 49 für nur 0,1 Sekunde aktiviert war. Die langsame Abwärtsbewegung der Rohrhebeeinrichtung 48 ermöglicht es dem Zellprobengefäß 48 sich langsam von dem Zellprobenaufnahmerohr 44 zu lösen, und ermöglicht ferner das Ablaufen der Restzellprobe von dem Zellprobenaufnahmerohr 44 in das sich abwärts bewegende Zellprobengefäß 46. Schließlich werden im Schritt 118 die Ventile V1 52 und V2 54 deaktiviert oder geschlossen, während das Ventil V3 56, das Atmosphäreneinlaßventil, aktiviert oder geöffnet wird, und die Rohrhebeeinrichtung-Abwärts-Leitung 49 wird für 54 Computerzeiteinheiten oder 3 Sekunden aktiviert, wodurch die Rohrhebeeinrichtung 48 abwärts bewegt wird. Die Rohrhebeeinrichtung 48 stoppt automatisch und das Ventil V3 56 wird bei Abschluß des Zyklus deaktiviert. Diese Abfolge von Vorgängen ist ebenfalls in dem Computersteuerungzeitgebungsdiagramm der Fig. 4 dargestellt.
Die halbleiterschaltung für die Unterdruckpumpe ist in Fig. 5 dargestellt. Der Operationsverstärker 80 empfängt Eingangssignale vom Unterdrucksensor 32, der mit dem Eingang des Schwankungsdämpfers 34 verbunden ist. Der Unterdrucksensor 32 überwacht den Gesamtsystemunterdruck- oder -druckpegel. Der Unterdrucksensor 32 weist eine Membran aus piezoresistivem Material auf, die eine Proportionalspannung erzeugt, wenn sie in Reaktion auf den Systemdruck- oder -unterdruckpegel verformt wird. Der Ausgang des Unterdrucksensors 32 ist nach Art einer Wheatstone-Brücke ausgebildet, die an den Anschlüssen 1 und 3 von einer 12 V-Energiequelle 78 mit Energie versorgt wird. Die Wheatstone-Brücke wird an den Anschlüssen 2 und 4 abgegriffen und an die Anschlüsse des Operationsverstärkers 80 angelegt der einen Rückkopplungstransistor 82 von 100 KOhm aufweist. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 80 am Pin 1 ist eine Spannung, die eine proportional lineare Beziehung zum Systemdruck- oder -unterdruckpegel aufweist (Spannung/Druck). Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 80 wird an den positiven Eingang des Operationsverstärkers 84 angelegt. Das Potentiometer 86 reicht von einer positiven 12 V-Einstellung bis zu einer Null-Spannungseinstellung und wirkt als Unterdruckeinstellpegelsteuerung, die dem negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 84 zugeführt wird. Der Operationsverstärker 84 wirkt als Komparator, um festzustellen, welche Eingangsspannung höher ist.
Ist der Unterdruckpegel unzureichend, treibt der Strom des Operationsverstärkers 84 die Motortreibereinrichtung 70 (Leistungs-MOSFET) zum Ausgeben von mehr Strom an den Motor der Unterdruckpumpe 12, um diese schneller und stärker anzutreiben und so den Unterdruckpegel des Systems auf den vom Potentiometer 86 eingestellten Datenpegel zu bringen. Diese Vorgehensweise sieht die Verwendung der gesamten Antriebsspannung (bis auf wenige Zehntel eines Volts) des Motors der Unterdruckpumpe 12 vor. Das Verhältnis von "Null-Last" zu "Vollast" liegt innerhalb ungefähr 3% der Unterdruckeinstellung. Der Unterdruckpegel wird in der Fabrik auf ungefähr 0,3 bar (4,5 psi) unter Atmosphärendruck eingestellt.
Der Förderdruckschalter 36 ist normalerweise geschlossen. Liegt am Auslaß der Unterdruckpumpe 12 kein Druck an, bleibt der Förderdruckschalter 36 geschlossen und die Unterdruckpumpensteuerschaltung funktioniert normal. Entsteht übermäßiger Druck an der Auslaßleitung der Unterdruckpumpe 12, öffnet der Förderdruckschalter 36 die Schaltung und trennt die Unterdruckpumpe 12 von der Stromversorgung. Ein derartiger Überdruckzustand kann auftreten, wenn der Ablaufbehälter 19 entfernt wird. In diesem Fall dichtet die Schnellösevorrichtung 38 die Leitung ab, so daß das System verbrauchtes Fluid in einen Totkanal ausgibt, wodurch Druck entsteht. Das Vorsehen des Förderdruckschalters 36 verhindert, daß der Motor der Unterdruckpumpe 12 durchbrennt oder überlaufende Salzlösung in die Umgebung verspritzt wird.
Der Unterdrucksensor 32 kann ein Motorola Vacuum Sensor Modell MPX2051 sein. Die Motortreibereinrichtung 79 ist beispielsweise ein Power MOSFET Modell 1RF513. Ein Vorteil des Regeins der Energieausgabe an den Motor der Unterdruckpumpe 12 auf der Basis eines vorgewählten Systemunterdruckpegels besteht darin, daß die Unterdruckpumpe 12 nur wenn erforderlich, also als "Bedarfselement" arbeitet. Somit muß die Unterdruckpumpe 12 während des STANDBY-Modus nicht laufen, wenn kein Hüllfluid fließt und kann während eines normalen Test-RUN-Modus mit einigen Prozent der Nenngeschwindigkeit laufen, wodurch die Lebensdauer der Unterdruckpumpe 12 verlängert wird. Ein identisches Pumpenmodell wird sowohl als Unterdruckpumpe 12, als auch als Druckpumpe 76 verwendet. Diese Pumpe kann beispielsweise eine KNF-Neuberger Pumpe Modell NF30KVDC sein. Die Wahl dieser Pumpe basiert auf der Tatsache, daß sie selbstansaugend ist. Wenn das System, zum ersten Mal aktiviert wird, muß die Pumpe in der Lage sein, Luft durch die Systemleitungen zu ziehen und wenige Sekunden später Flüssigkeit anzusaugen, um den normalen Unterdruckzyklus zu erzeugen. Zu diesem Zweck muß die Unterdruckpumpe "selbstansaugend" sein. Wird die Pumpe als Druckpumpe 76 verwendet, muß sie in der Lage sein, im nicht aktivierten Zustand das Hüllfluid strömen zu lassen, und muß daher einen geringen Druckabfall haben. Das genannten Pumpenmodell weist Rückschlagventile für einen sehr geringen Druckabfall auf, welche ein Ziehen des Fluids durch die Pumpe ohne großen Druckabfall ermöglichen.

Claims

1. Durchflußzytometer-Steuersystem zum Steuern der Ausgabe einer aus einem Behälter (46) gesogenen Zellenprobe, mit:

- einer in Verbindung mit dem Behälter (46) stehenden Durchflußzelle (16) zur Durchführung einer Zellenprobenanalyse,

- einem mit der Durchflußzelle (16) verbundenen Ansaugkanal (24), der einen Eintrittsverbindungsweg für Hüllfluid in die Durchflußzelle (16) bildet,

- einem mit der Durchflußzelle (16) verbundenen ersten Auslaßkanal (26), der einen Austrittsverbindungsweg aus der Durchflußzelle (16) bildet,

- einer in Unterdruckverbindung mit dem ersten Auslaßkanal (26) befindlichen Unterdruckpumpe (12) mit einer Motoreinrichtung zum Saugen des Hüllfluids und/oder der Zellenprobe durch die Durchflußzelle (16),

- einer mit dem Ansaugkanal (24) verbundenen Durchflußbegrenzungseinrichtung (50) zum Erzeugen eines Druckabfalls in dem Ansaugkanal (24), um das Ansaugen der Zellenprobe aus dem Behälter (46) in die Durchflußzelle (16) zu bewirken,

- einem mit dem Ansaugkanal (26) verbundenen ersten Ventil (52) zum Steuern des Flusses des Hüllfluids in die Durchflußzelle (16) mit einer vorbestimmten Zellenprobenflußrate,

gekennzeichnet durch

ein mit dem ersten Auslaßkanal (26) verbundenes zweites Ventil (54) zum Regeln des Flusses des Hüllfluids aus der Durchflußzelle (16), und

eine mit dem ersten und dem zweiten Ventil (52, 54) betriebsmäßig verbundene Steuereinrichtung (60), und

wobei die Steuereinrichtung (60) zum Öffnen des zweiten Ventils (54) für einen vorbestimmten Zeitraum (T&sub1;) vor dem Öffnen des ersten Ventils (52) vorgesehen ist um das Entstehen eines Unterdrucks in der Durchflußzelle (16) vor dem Öffnen des ersten Ventils (52) zu ermöglichen, durch welchen die Zellenprobe durch die Durchflußzelle (16) zur Erhöhung des Probenflusses in einen Analysebereich (30) der Durchflußzelle (16) angesogen wird.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (60) eine mit dem ersten und dem zweiten Ventil (52, 54) verbundene Prozessoreinrichtung zum Steuern der Betätigung des ersten und des zweiten Ventils (52, 54) unter programmierter Steuerung aufweist.

3. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit:

- einem mit dem ersten Auslaßkanal (26) verbundenen Sensor (32) zum Erkennen des Unterdruckpegels des Hüllfluids,

- einer mit der Unterdruckpumpenmotoreinrichtung verbundenen Treibereinrichtung (70) zum Regeln der Energieversorgung der Unterdruckpumpenmotoreinrichtung, und

- einer Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs der Treibereinrichtung (70) auf der Basis des Unterdruckpegels,

wodurch die Energieversorgung der Unterdruckpumpenmotoreinrichtung basierend auf dem Unterdruckpegel zum Anpassen des Unterdruckpegels an einen vorbestimmten festen Wert moduliert wird.

4. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1-3, ferner mit einem mit dem Ansaugdurchlaß (24) verbundenen Entlüfter (34) zum Entfernen von in dem Hüllfluid gelöstem Gas.

5. Steuersystem nach Anspruch 4, bei dem der Entlüfter (34) aus einem Material besteht, das für Sauerstoff und Stickstoff durchlässig ist, um das Diffundieren dieser Gase durch die Wand des Entlüfters zu ermöglichen, wenn dieser mit einem Unterdruck beaufschlagt ist.

6. Steuersystem nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der Entlüfter (34) wenigstens ein Rohrstück aufweist und das Rohr in einem Gefäß enthalten ist, das mit dem Unterdruck beaufschlagt ist, wodurch es der Dämpfung der Unterdruckpulsationen des Unterdrucks dient.

7. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1-6, ferner mit:

- einem mit der Durchflußzelle (16) verbundenen Probenaufnahmerohr (44) zum Bilden eines Verbindungsweges in die Durchflußzelle (16), und

- einer bewegbar in einem vorbestimmten Abstand zum Aufnahmerohr (44) positionierten Rohrhebeeinrichtung (48) zum Bewegen des Zellenprobenbehälters (46) derart, daß das Probenaufnahmerohr (44) in dem Zellenprobenbehälter (46) positioniert ist, wobei die Absenkgeschwindigkeit der Rohrhebeeinrichtung (48) durch die Prozessoreinrichtung (62) gesteuert ist,

- wodurch jeglicher äußerer Rest in dem Probenaufnahmerohr (44) in den Zellenprobenbehälter (46) abfließen kann, um das Übertragen von Zellenproben zwischen Testzyklen zu verhindern.

8. Steuersystem nach Anspruch 7, ferner mit einem mit dem ersten Auslaßkanal (26) und der Umgebungsluft verbundenen dritten Ventil (56) zum Bereitstellen eines Verbindungsweges zum Umgebungsdruck, wenn die Rohrhebevorrichtung (48) abgesenkt wird, um den in der Durchflußzelle (16) entstandenen Unterdruck im wesentlichen zu eliminieren, wodurch das Ansaugen von Luft in die Durchflußzelle (16) verhindert wird, wenn keine Probe vorhanden ist.

9. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1-8, ferner mit:

- einem mit dem Ansaugkanal (24) verbundenen Vorratsbehälter (14), und

- einem mit dem ersten und dem zweiten Auslaßkanal (26, 28) der Durchflußzelle (16) verbundenen Ablaufbehälter (18).

10. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1-9, bei dem das erste und das zweite Ventil durch einen Magneten betätigt sind.