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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die spektrochemische Bestimmung des Analytgehalts einer Probe und
insbesondere eine Spektroskopie-Probenzelle zur Analyt-Analyse trüber Medien
wie von Blut.
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2. Hintergrundinformation
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Die spektrochemische Analyse stellt
ein breites Gebiet dar, worin die Zusammensetzung und Eigenschaften
von Materialien in einer Phase (aus Flüssigkeiten, Feststoffen, Gasen
oder Plasmen) aus den elektromagnetischen Spektren bestimmt werden,
die sich aus der Wechselwirkung (z. B. einer Absorption, Lumineszenz
oder Emission) mit der Energie ergeben. Eine Ausführungsform
spektrochemischer Analysen, die als Spektroskopie bekannt ist, beinhaltet
die Wechselwirkung von Strahlungsenergie mit dem Material von Interesse.
Die besonderen Verfahren, die zur Untersuchung solcher Materie-Strahlungswechselwirkungen
angewandt werden, definieren viele Untergebiete der Spektroskopie. Ein
Gebiet ist insbesondere bekannt als Absorptionsspektroskopie, wobei
das optische Absorptionsspektrum flüssiger Substanzen gemessen
wird. Das Absorptionsspektrum stellt die Verteilung der Lichtverminderung
(durch Absorption) als Funktion der Lichtwellenlänge dar. In einem einfachen
Spektrofotometer wird die Probensubstanz, die untersucht werden soll, gewöhnlich ein
Gas oder eine Flüssigkeit,
in ein transparentes Behältnis
gegeben, welches auch als Küvette
oder Probenzelle bekannt ist. Kollimattiertes Licht einer bekannten
Wellenlänge λ, d. h. UV-,
IR-, sichtbares Licht usw., mit der Intensität Io fällt auf
einer Seite der Küvette
ein. Ein Detektor, der die Intensität I des austretenden Lichts
misst, wird auf der gegenüberliegenden
Seite der Küvette
angeordnet. Die Dicke der Probe ist der Abstand d, mit dem sich
das Licht durch die Probe fortpflanzt. Für eine Probe, die aus einer
einzelnen, homogenen Substanz mit der Konzentration c besteht, gehorcht
das durch die Probe hindurchgegangene Licht einer gut bekannten
Beziehung, die als Beer'sches
Gesetz bekannt ist, welches in Teilen feststellt, dass, je kürzer die
optische Weglänge
d ist, die Absorption des Lichts umso geringer ist. Sind λ, Io, I, d und c bekannt, kann eine Größe, die
als Extinktionskoeffizient bekannt ist, bestimmt werden: OD (λ)
= c × ε (λ) × d,worin
gilt:
ε (λ) ist der
Extinktionskoeffizient der Substanz bei der Wellenlänge λ;
OD(λ) ist die
optische Dichte der Probe bei der Wellenlänge λ (OD = -Log des Verhältnisses:
durchgegangenes (ausgetretenes) Licht/einfallendes Licht (-Log10 I/Io);
c
ist die Konzentration der Substanz;
d ist die Weglänge der
Dicke der Probe, durch die sich das Licht fortpflanzt.
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Das Beer'sche Gesetz ist anwendbar, wenn man
Proben untersucht, die Mischungen unterschiedlicher Subtanzen j
sind, von denen eine jede bekannte Extinktionskoeffizienten εj und
relative Konzentrationen cj aufweist. In
diesem Fall ist die optische Dichte der Probe gegeben mit: OD (λ)
= Σ cj × εj (λ) × d.
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Sind, im umgekehrten Fall, das optische Dichtespektrum
OD(λ) der
Mischung einer Probe und die Extinktionskoeffizienten für jede der
Bestandteilssubstanzen gegeben, kann die unbekannte relative Konzentration
der Bestandteilssubstanzen bestimmt werden. Dabei ist auch anzumerken,
dass angenommen wird, dass jede der Bestandteilssubstanzen die selben
Extinktionskoeffizienten beibehalten, wie wenn sie in reiner Form
vorliegen, d. h., dass keine chemischen Reaktionen ablaufen, die
die Extinktionskoeffizienten verändern.
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Ist somit das Absorptionsspektrum
für eine gegebene
Substanz bekannt, können
deren Vorliegen und Konzentration in einer Probe bestimmt werden.
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Die optimale optische Weglänge hängt von einer
Vielzahl von Faktoren ab. Ganz allgemein sind relativ kleine Weglängen bevorzugt,
da dadurch die Anwendung kleiner Probenvolumina ermöglicht und optische
Messungen von Proben, wie von Blut, erleichtert werden, welche relativ
hohe optische Dichte-, Absorptions- oder Lichtstreuungseigenschaften aufweisen.
Allerdings können
Probleme auftreten, wenn Weglängen,
die so klein wie einige 1000te1 von 25,4 mm (= 1 Inch), sind, bei
Gesamt- bzw. Vollblutproben angewandt werden. Unfiltriertes menschliches
Blut kann verschiedene geformte Elemente (Zellaggregate, Protein/Fibrinketten,
synthetische Fasern, Gerinsel usw.) enthalten, die bei Eintritt
in eine enge Probenzelle in die Probenzelle eingelagert werden können. Diese "Klümpchen/Gerinsel" können den
Fluss von Waschflüssigkeit
oder anschließenden Proben
behindern, was die optischen Messungen gegenläufig beeinflussen kann. Werden
Luft oder Flüssigkeit
mit hoher Geschwindigkeit zwangsweise durch die Probenzelle geleitet,
können
diese Klümpchen manchmal
wieder entfernt werden. Die Einleitung einer Reinigungslösung, die
Bleichmittel oder Pepsin enthält,
kann sich ebenfalls dahingehend auswirken, dass Protein und Fibrin
aus der Probenzelle entfernt werden. Diese Reinigungslösungen können allerdings
nur in Systemen zur Anwendung gelangen, welche derartige Mittel
aushalten. In einigen Fällen
kann die Probenzelle ausgetauscht oder auseinandergebaut und von
Hand gereinigt werden, um die Klümpchen
zu beseitigen.
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Optische Messungen in bzw. an Gesamt- bzw.
Vollblut können
ferner durch eine Vielzahl von Bedingungen nur in komplizierter
Weise durchgeführt werden.
Werden rote Blutzellen, die kleine "Träger" von Hämoglobin
(des das Licht absorbierende Bestandteils, der gemessen werden soll)
in Serum suspendiert, wird ein das Licht streuendes (nicht-isotropes) Medium
erzeugt. Dies ergibt sich durch die unterschiedlichen Brechungsindices
der intrazellulären Flüssigkeit
der roten Blutzellen und des Serums, worin die Zellen suspendiert
sind. In solch einem Fall können
das Beer'sche Gesetz
nicht strikt angewandt werden und die Lichtstreuung in der Probe
zu signifikanten Fehlern bei den spektrofotometrischen Messungen
führen.
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Der Grad der Lichtstreuung in Gesamt-
bzw. Vollblut wird durch eine Anzahl normal auftretender Bedingungen
wie von Variationen beim Serumprotein und Lipidgehalt, der Morphologie
der roten Zellen (Größe und Gestalt),
der Konzentration der roten Zellen (Zahl der roten Zellen pro Volumeneinheit),
der Bildung von Zellröllchen
und der Orientation der roten Zellen beeinflusst.
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Eine Bildung von Röllchen tritt
auf, wenn eine Probe aus Gesamt- bzw. Vollblut stationär gelassen wird,
worauf die roten Blutzellen in geordneter Weise koaleszieren und "Stapel" oder "Ketten" bilden. Dieses Phänomen, das
sich teilweise auf Grund der bi-konkaven Gestalt der roten Zellen
und der Kolloide ergibt, die in Blutserum vorliegen, beeinflusst
signifikant die optischen Eigenschaften von Vollblut. Obwohl es
einige Ausnahmen gibt (z. B. bestimmte tierische Blutarten und seltene
Abweichungen bei der Zellmorphologie/Serumchemie) tritt dieses Phänomen im
Normalfall in den meisten Gesamt- bzw. Vollblutproben auf. Das Ausmaß, mit dem
sich diese Röllchen
bzw. "Ketten" bilden, hängt ganz
stark von der Konzentration der roten Zellen ab.
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Röllchen-Bildung
ist ein reversibles Phänomen.
Wird die Blutprobe vermischt, gerührt oder durch einen Kanal
eines gewissen Typs geleitet, verursachen die sich ergebenden Scher-Kräfte innerhalb
des Fluids, dass die Röllchen-Ketten
auseinanderfallen und aufbrechen. Ein Anhalten des Blutflusses ermöglicht erneut
die Bildung der Ketten. Beim Stehenlassen über verlängerte Zeiträume setzen sich
diese Röllchen-Ketten
ab und führen
gegebenenfalls zur Abtrennung (Schichtbildung) der Blutzellen und
des Blutserums.
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Die Röllchen-Bildung verändert die
Menge der in einer gegebenen Blutprobe beobachteten Lichtstreuung.
Es ist dann wichtig, dass Mittel und Maßnahmen implementiert werden,
die entweder diesem Effekt Rechnung tragen oder ihn verhindern. Ein
Weg zur Verhinderung der Bildung der Röllchen-Ketten ist es, dass
Blut durch einen kleinen Kanal fließen zu lassen. Sind die Scher-Kräfte, die durch
Differenzialgeschwindigkeiten (Geschwindigkeitsgradienten) durch
den Fließkanal
hindurch erzeugt werden, hoch genug, gibt es eine Tendenz, dass
die Bildung von Röllchen-Ketten
verhindert wird. Ein Nachteil dieses Lösungsansatzes ist es allerdings,
dass die Anwendung relativ kleiner Kanäle in nachteiliger Weise die
Tendenz zur Verstopfung oder Gerinselbildung usw. verschärft.
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Ein weiterer Faktor, der zu berücksichtigen ist,
bezieht sich darauf, ob die roten Zellen während der Messung des Analyts "orientiert" sind oder nicht. Rote
Zellen neigen dazu, sich in besonderer Weise zu orientieren, während sie
durch enge Kanäle
bei relativ hoher Geschwindigkeit fließen. Eine "normale" rote Blutzelle ist bi-konkav (d. h.
ziemlich ähnlich
geformt wie ein Krapfen, dünner
in der Mitte als aussen) und misst ca. 8 μm (8 × 10–6 m)
quer und 2 μm
dick. Wird eine einzelne normale rote Blutzelle in einem Trägerfluid
suspendiert, das unter einem Laminarfluss mit relativ hoher Geschwindigkeit
steht, wirken sich darauf die Scher-Kräfte aus, die durch die Differenzialgeschwindigkeit
im Fluid erzeugt werden. Wegen der asymmetrischen Gestalt der Zelle
ergeben diese Kräfte
eine Tendenz, dass sich die Zellen in gewisser nicht-beliebiger
Weise orientieren. Diese Orientierung der roten Blutzellen tritt
im Masse- (Vollblut)-Fluss
auf und wird durch die Größe und Gestalt der
Fließzelle,
insbesondere durch die Anwendung von Fließzellen mit relativ kleinen
oder eingeschränkten Öffnungen,
beeinflusst.
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Die Menge von Licht, die durch eine
Probe aus Vollblut hindurchgeht, worin die roten Zellen beliebig
organisiert sind, unterscheidet sich signifikant von derjenigen,
worin die Zellen orientiert sind (d. h. nicht-beliebig). Dieser
Aspekt der roten Zellen ergibt somit eine Tendenz, die spektroskopische
Analyt-Messungen in Gesamt- bzw. Vollblutproben komplizierter zu
machen.
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Ein Versuch zur Überwindung der vorgenannten
Schwierigkeiten und zur genauen optischen Bestimmung von Analyten
in Blutproben ist durch die Bereitstellung von Geräten von
Bayer Corporation of Medfield, MA, die als das 800 Serie-Analysegerät bekannt
sind, unternommen worden. Dieses Gerät führt spektrofotometrische Messungen
an bzw. mit lysierten Blutproben durch. Das Lysierverfahren bricht
die Membran der roten Blutzellen, wodurch die intrazelluläre Flüssigkeit
(hauptsächlich
Hämoglobin)
in das umgebende Serum freigesetzt wird. Die Lyse der roten Zellen
macht die Probe relativ homogen und isotrop (d. h. es wird im Wesentlichen
das Licht nicht gestreut). Das Beer'sche Gesetz kann dann, wie oben diskutiert,
zur Bestimmung von Analyt-Konzentrationen wirkungsvoll angewandt
werden.
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Ultraschall-Energie, die zum Bruch
der Zellen durch Ultraschall bereitgestellt wird, wird in typischer
Weise angewandt, um die roten Zellen zu lyseren. Ein Nachteil dieses
Lösungsansatz
ist es, dass diese Maßnahmen
zum Bruch der Zellen die Kosten erhöhen, den Platzbedarf steigern,
Wartungsarbeit erfordern und Blasen in der Probe erzeugen können, die
unvorhersehbare, durch Lichtstreuung induzierte Fehler erzeugen.
Auch verändert
das Lysierverfahren die Serumchemie der Probe. Deshalb benötigen integrierte
Geräte,
in denen die Spektrofotometrie von lysiertem Blut mit weiteren Sensor-Technologien kombiniert
sind, die für
Messungen von Gesamt- bzw. Vollblut benötigt werden, zusätliches
Probenvolumen zur Analyse. In diesen Systemen wird eine Probe in
das Gerät
gesaugt und dann in zwei Segmente "gespalten", um in wirksamer Weise die eine Teilmenge
der Probe zur Lysierung und die andere Teilmenge zur Analyse des
Gesamt- bzw. Vollbluts zu isolieren.
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Verschiedene Konzepte für Probenzellen
zur Spektroskopie sind veröffentlicht
worden.
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In WO 93/06456 ist ein Verfahren
zur fotometrischen in vitro-Bestimmung
der Gehaltsmenge eines Analyt in einer Probe offenbart. Die Probe
wird in einer Messvorrichtung mit einer Messkammer angeordnet, die
eine definierte Strahlungsweglänge
und mindestens einen, zumindest teilweise durchsichtigen Wandteil
aufweist. Die Messkammer steht in optischer Verbindung mit einem
optischen System, das für
den Analyt angepasst ist und eine Strahlungsquelle und einen Strahlungsdetektor
umfasst. Ferner ist die Messkammer bezüglich ihrer Gestalt durch Verschiebung
eines Wandteils der Messkammer in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche dieses
Wandteils verstellbar, wodurch die Festlegung der Strahlungsweglänge durch
die Messkammer hindurch gesteuert wird. Die Messung erfolgt in zwei
Stufen, wobei die Gestalt der Messkammer und damit die Weglänge durch
die Messkammer hindurch zwischen den Messungen variiert werden.
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In Anal. Chem. 1986, US, Vol. 58,
S. 2570–2571,
ISSN 0003-2700,
Choat T, et al "Variable Path
Length Flow-Through-Cell for Spectrophotometry", ist eine Durchfluss-Zelle mit variablen
Weglängen
offenbart. Das zylindrische Aussengehäuse der Zelle wurde aus Nickel-plattiertem
Messing gebaut und mit einem Ein- und Auslass aus PTFE angepasst.
Ein fein abgestimmter Fadenschnitt entlang eines Teils der Gehäuse-Innenwand ermöglicht den Einsatz
eines graduierten Messingrings (nachfolgend bezeichnet als die Trommel)
zur Anpassung der optischen Weglänge.
Quarz-Fenster sind in zwei getrennten zylindrischen inneren Perspex-Gehäusen montiert,
von denen das eine in die Trommel eingelassen ist und das andere
fixiert wird. Die optische Weglänge
wird durch Bewegung des einen Quarz-Fensters in der Richtung zu
oder weg von dem anderen Quarz-Fenster senkrecht zur Oberfläche der Quarz-Fenster
variiert.
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In
US
5,139,333 ist eine Messzelle für die Spektralanalyse fließender Medien,
insbesondere von Schmelzen aus Kunststoff, offenbart. In der Zelle fließt das zu
analysierende Medium zwischen zwei gegenüberliegenden Fenstern, wobei
zumindest das eine Fenster in einem Leitungsrohr gehalten wird, das
durch Axialbewegung in der Richtung des zweiten Fensters oder weg
von diesem Fenster in einer Bohrung des Messzellkörpers bewegt
werden kann, wobei der genannte Messzellkörper verschlossen ist, und
wobei die Breite der Lücke
zwischen den Fenstern und somit die Schichtdicke des Mediums, durch das
die Strahlung gehen soll, variabel sind.
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In
US
4,279,509 ist eine Fließzelle zur optischen Analyse
einer fluiden Probe offenbart. Die Fließzelle weist eine Zellenkammer
auf, deren Volumen nicht durch Berücksichtigungen der Mitschleppung
von fluidem Rückstand eingeschränkt wird.
Ein beweglicher Kolben innerhalb der Sichtfläche mit einem Leitungsweg durch
seine Fläche
wird angewandt, um das Volumen des Sichtbereichs auf im Wesentlichen
Null zusammenfallen zu lassen, während
ein Fließweg
zwischen Ein- und Auslassleitungsweg so aufrecht erhalten wird,
dass Rückstände aus
der Fließzelle
und ihren Leitungswegen mit einem Minimum an Reinigungsflüssigkeit
beseitigt werden können.
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In
US
5,268,736 ist eine Vorrichtung zur Durchführung spektrofotometrischer
Messungen fluider Proben offenbart. Die Vorrichtung ist eine Messzelle,
die eine bewegliche und eine fixierte Linse mit einer Probe der
Flüssigkeit
enthält,
zwischen denen und durch die hindurch Licht scheint. Die Bewegung der
Linse variiert die Weglänge
und pumpt auch die Flüssigkeit
in die und aus der Zelle. Die bewegliche Linse ist in der Richtung
zur und weg von der fixierten Linse beweglich.
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In
US
4,643,570 ist eine Durchfluss-Küvette offenbart. Sie kann zusammengebaut
werden, weil der Küvettenkörper aus
zwei Küvettenhälfte hergestellt
ist. Die Küvettenhälften werden übereinander an
ihren planaren Oberflächen
in 1 präziser
Position angeordnet. Konvexe Rücksprünge sind
in diesen planaren Oberflächen
ausgebildet und stecken die Ein- und Auslasskanäle sowie den Messraum ab. Die Küvettenhälften sind
gleit- und verschließbar
miteinander in einer Ebene parallel zu derjenigen des Flusses in
der Zelle angebracht. So offenbart dieses Dokument alle Merkmale
des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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In
US
3,518,011 ist eine Fließzelle offenbart, die einen
Weg aufweist, der beweglich zu und aus einem Verbindungsteilstück mit einer
Fluid-Fließlinie zum
Einfangen eines Abschnitts oder einer Säule des Fluids im Durchgangsweg
zur Probennahme ist, wobei der Durchgangsweg und die Probe in ein
Verbindungsteilstück
mit einem Erfassungssystem zur Messung der charakteristischen Eigenschaften
der Probe bewegt und diese dann wieder zurück zur Rückkehr der Probe zur Fließlinie bewegt
werden.
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Somit besteht ein Bedarf für eine verbesserte Spektroskopie-Probenzelle, worin
Verstopfungen vermieden werden, welche leicht ohne spezielle Reinigungsmittel
gereinigt werden kann, welche auch für verschiedene Betriebsweisen,
einschließlich
Messen, Waschen, Befüllen
usw., optimiert und nicht teuer ist und ein stabiles mechanisches
Umfeld zur wiederholbaren optischen Messung ergibt.
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Zusammenfassung der Erfindung.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine Probenzelle zur Anwendung in
der spektroskopischen Bestimmung eines Analyt in einer fluiden Probe
angegeben und bereitgestellt. Die Probenzelle schließt einen
Probenweg ein, der sich durch diese hindurch erstreckt und sich zur
Verbindung von Fluid aus einem Einlass durch eine Messzone hindurch
zu einem Auslass angepasst ist, wobei die Probenzelle selektiv zwischen
einer ersten Position mit einer vorbestimmten optischen Weglänge, die
zur Analyt-Messung angepasst ist, während sich die Probe in der
Messzone befindet, und einer zweiten Position mit einer vorbestimmten weiteren
Weglänge
einstellbar ist, die zur Klärung
der Probe aus dem Fließweg
angepasst ist.
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Die obigen und weitere Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der Lektüre der nun
folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen
der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen noch besser
erkennbar.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1A ist
eine schematische Seitenansicht einer Probenzelle und von Teilstücken eines
Spektrofotometers des Standes der Technik;
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1B ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Teilbereichs der Probenzelle von 1A;
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1C ist
eine Perspektivansicht der Probenzelle von 1A;
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Fluid-Ausgabesystems, das zur Anwendung einer
Probenzelle der vorliegenden Erfindung angepasst ist;
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3 ist
eine aufgeklappte Perspektivansicht einer Pobenzelle der vorliegenden
Erfindung;
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4 ist
eine Perspektivansicht einer Probnzelle der vorliegenden Erfindung
in einer ersten Position;
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5A ist
eine Querschnittansicht entlang der Linie 5A-5A von 4;
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5B ist
eine der 5A ähnliche
Ansicht der Probenzelle der vorliegenden Erfindung in einer zweiten
Position.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausgestaltungsformen
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Bezüglich der in den beigefügten Zeichnungen
dargestellten Figuren werden nun beispielhafte Ausgestaltungsformen
der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Zur klareren Darstellung
sind gleiche Merkmale, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind,
mit gleichen Bezugsziffern und ähnliche
Merkmale, wie sie in einer alternativen Ausgestaltungsform gezeigt
sind oder eine Bewegung in den Zeichnungen darstellen sollen, sind
mit ähnlichen
Bezugsziffern angegeben.
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Kurz gesagt, schließt die vorliegende
Erfindung eine Probenzelle 100 zu Anwendung in der Spektroskopie
ein, die zwei Zellen Teile 48 und 52 einschließt, die
gegenseitig verstellbar sind, um einen Anwender dazu zu befähigen, die
Querschnittgeometrie des Proben-Zelle Fließweges 16 davon zwischen
mindestens 2 diskreten Konfigurationen und Positionen zu
variieren. In einer ersten Position kann der Fließweg 16 (5A) mit einer relativ kleinen Querschnittfläche bereitgestellt
sein, um eine relativ kleine Weglänge zu ergeben und einen fluiden Durchfluss
mit hoher Geschwindigkeit zu erzeugen. Die kleine Weglänge ermöglicht den
Einsatz relativ kleiner Probenvolumina und erleichtert die optische Messung
von Proben, wie von Blut, welche relativ hohe optische Dichte-,
Absorptions- oder Lichtstreuungseigenschaften aufweisen. In einer
zweiten Position ergibt der Fließweg 16' (5B)
einen größeren Querschnitt,
um es für
größere Agglomerationen oder
Klümpchen
zu ermöglichen,
dass sie den Fließweg
durchlaufen, um die Reinigung der Probenzelle 100 zu erleichtern.
Die Teilhälften 48 und 52 werden in
gleitbarer, fluiddichter Anordnung zueinander gehalten, so dass
die Verstellbarkeit von Fließweg 16 durch
gleitende Bewegung der Zelle-Teilhälften 48 und 52 relativ
zueinander bewerkstelligt wird. In einer Ausführungsform sind die Zelle-Teile
entlang der im Allgemeinen planaren einander zugewandten Oberflächen 49 und 53 angeordnet,
und die Verstellbarkeit wird durch Gleiten der zugewandten Oberflächen relativ
zueinander bewerkstelligt.
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In der gesamten vorliegenden Offenbarung soll
der Begriff "Licht" elektromagnetische
Bestrahlung einer Wellenlänge λ innerhalb
des sichtbaren oder nahen sichtbaren Bereichs von ca. 100 bis 30000
nm betreffen, einschließlich
fern-ultravioletter, ultravioletter,
sichtbarer, infraroter und fern-infraroter Strahlung. Desgleichen
soll, in der gesamten vorliegenden Offenbarung, der Begriff "optisch" so definiert sein,
dass er sich auf Licht bezieht oder dieses anwendet, wie es hierin
definiert ist.
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Was nun die Zeichnungen im Detail
betrifft, wie gezeigt in 1A bis 1C, ist es der primäre Zweck
der Probenzelle oder Küvette 10,
die Probe innerhalb einer gesteuerten Geometrie einzugrenzen, während Beleuchtung
und Nachweis der Nachwechselwirkungslichtintensität ermöglicht werden.
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Betreffend insbesondere 1A, wird in einem einfachen
Spektrofotometer 20 eine Probe 18 in eine Küvette oder
Probenzelle 10 gegeben. Kollimatiertes Licht einer bekannten
Wellenlänge λ, d. h. UV-,
IR-, sichtbares Licht usw., mit der Intensität Io wird
durch eine Lichtquelle 22 erzeugt und fällt auf einer Seite der Küvette ein.
Austretendes Licht der Intensität
I geht in typischer Weise durch eine Linse 24 und wird
von einem Detektor 25 gemessen.
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Wie in 1B gezeigt,
ist die Dicke der Probe 18 innerhalb der Probenzelle 10 der
Abstand d, durch den sich das Licht fortpflanzen muss. Für eine Probe,
die aus einer einzelnen, homogenen Substanz mit der Konzentration
c besteht, neigt das durch die Probe hindurchgegangene Licht dazu,
dem Beer'schen Gesetz
zu gehorchen, wie bereits hier oben diskutiert, um die Bestimmung
des Vorliegens und der Konzentration eines Analyts innerhalb der Probe
zu ermöglichen.
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In typischer Weise bestehen, wie
in 1C gezeigt, zwei
gegenüberliegende
Seiten der Zelle aus flachen "Fenstern" oder Tafeln 26,
die für
die Wellenlängen
des Lichts durchsichtig sind, das für die Messungen angewandt wird.
Diese Fenster sind zumindest in einer vorbestimmten optischen Messzone
oder -fläche 30 durchsichtig.
Wie gezeigt und dargestellt, schließt die Messzone 30 vorzugsweise
eine im Wesentlichen kreisförmige
Fläche
ein, wie angezeigt durch den scheibenförmigen Teilbereich, der in 1C dargestellten Probe 18.
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Betreffend nun 2, wird es durch die vorliegende Erfindung
ermöglicht,
ein einzelnes, relativ einfaches Proben-Ausgabesystem 28 in
integrierter Geräteanordnung
(nicht gezeigt) zur Anwendung zu bringen, worin eine Vollblut-Spektrofotometrie
mit weiteren Sensor-Technologien kombiniert ist, mit denen Messungen
mit Vollblut durchgeführt
werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "stromabwärts" auf die Richtung
des Fluidflusses durch das Ausgabesystem 28 von einer Sammel-
oder Aufbewahrungsvorrichtung zu einem Abfluss-Behältnis 32. Der
Begriff "stromaufwärts" bezieht sich auf
die Gegenrichtung zur stromabwärtigen
Richtung. Wie dargestellt, schließt das Proben-Ausgabesystem 28 eine herkömmliche
Proben-Ansaugsonde 34 ein, die zur fluiden Verbindungsanordnung
an ihrem stromaufwärtigen
Ende mit einer herkömmlichen
Proben-Sammelvorrichtung
oder -spritze 36 angepasst ist, wie dies gezeigt ist. Die
Ansaugsonde steht in Verbindung an ihrem stromabwärts gerichteten
Ende mit einem Reagens-Ventil 38, das seinerseits in Verbindung
mit einem Fluidweg 40 steht, der, in Teilen, durch eine
Leitung wie z. B. ein flexibles Leitungsrohr (nicht dargestellt)
definiert wird. Das Reagens-Ventil 38 ist
auch an eine Anordnung von Eich- und Waschflüssigkeits-Aufbewahrungsbehältern 42 angeschlossen,
wie gezeigt. Das Reagens-Ventil ist eine Vorrichtung, die dem Durchschnittsfachmann
allgemein bekannt ist. Das Ventil 38 funktioniert in herkömmlicher
Weise, um die Eich/Waschflüssigkeiten aus
der Behälteranordnung 42 sowie
eine Probe 18, die innerhalb der Spritze 36 zur
Verfügung
steht, mit dem Fluidweg 40 zu verbinden. Eine optische
Probenzelle 100 der vorliegenden Erfindung und verschiedene
zusätzliche
Systemsensoren 44 sind innerhalb des Fluidweges 40 stromabwärts des
Reagens-Ventils 38 angeordnet. Systemsensoren 44 können eine
Anzahl individueller Sensoren einschließen, die dem Durchschnittsfachmann
allgemein bekannt sind, wie z. B. verschiedene elektrochemische, optische
oder elektrische Sensoren, einschließlich Ion-selektiver Elektroden
und Lumineszenz-Sensoren für
solche Analyte wie Calcium, Chlorid, Sauerstoff, Kohlendioxid, Glucose,
pH, BUN, usw.. Eine Pumpe 46 für das Fluid wie eine herkömmlich peristaltische
Pumpe ist ebenfalls entlang des Fluidweges, vorzugsweise stromabwärts der
Systemsensoren 44, wie dargestellt, angeordnet und dient
dazu, die Probe oder Eich/Waschflüssigkeiten durch das Ausgabesystem 28 zu
ziehen. Der Fluidweg 40 endet am Abfluss-Behältnis 32.
Das Ausgabesystem 28 dient dazu, eine Probe 18 und
Eich/Waschflüssigkeit abwechselnd
durch die Probenzelle 100 zur jeweiligen Analyt-Messung
und den Eich/Waschabfolgen in einer Weise zu bewegen, die weiter
unten noch zu diskutieren sein wird.
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Bezüglich der 3 bis 5,
schließt
die vorliegende Erfindung eine Probenzelle 100 ein, die
zur Anwendung in einem Spektrofotometer optimiert ist, das sich
dazu eignet, die Konzentration verschiedener Analyte in einer sich
bewegenden oder fließenden
Probe von Gesamt- bzw. Voll- oder von lysiertem (menschlichen) Blut
zu messen. Die Probenzelle 100 stellt ein Mittel zur Optimierung
des Flusses bereit, um Hindernisse zu klären bzw. zu beseitigen, wobei gleichzeitig
auch der Fluss und die optische Weglänge der optischen Analyt-Messung
von Blut (von Vollblut oder lysiertem Blut) oder weiterer Proben
hoher optischer Dichte optimiert sind.
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In einer in 3 dargestellten Ausgestaltungsform schließt die Probenzelle 3 Komponenten ein,
nämlich
ein erstes oder Basis-Teilstück 48,
einen Fluid-Verschluss oder eine Dichtung 50 und ein zweites
oder Abdeck-Teilstück 52.
Das Basis-Teilstück 48 weist
konkave Eingangs- und Ausgangsrücksprünge 54 und 56 auf,
die an den Eingangs- bzw. Ausgangsöffnungen 55 bzw. 57 enden.
Die Dichtung 50 weist einen verlängerten Ausschnitt oder Schlitz 58 auf,
die so bemessen und geformt sind, dass sie bei Anordnung übereinander
mit den Umrissen der beiden Öffnungen 54 und 56 übereinstimmen,
um einen Probenzelle-Fließweg 16 (5A) zu umfassen, der sich
vom Eingangsrücksprung 54 durch
die optische Messzone 30 hindurch zum Ausgangsrücksprung 56 erstreckt,
wenn die Probenzelle 100, wie in 4 dargestellt, zusammengebaut ist. Wie
ebenfalls dargestellt, weist die zugewandte Oberfläche 53 einen ausgehöhlten oder
im Wesentlichen konkaven Rücksprung 59 auf,
der weiter unten noch detaillierter zu diskutieren sein wird.
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Wie in 4 gezeigt,
sind die Komponenten 48, 50 und 52 verschließ- und gleitbar übereinander gelegt
oder gestapelt. In anderen Worten, sind das Basis-Teilstück 48 und
das Abdeck-Teilstück 52 relativ
zueinander gleitbar, während
dazwischen ein fluiddichter (d. h. gas- und flüssigkeitsdichter) Verschluss
aufrecht erhalten wird. Wie gezeigt, kann die Dichtung 50 zwischen
den zugewandten Oberflächen 49 bzw. 53 der
Teilstücke 48 bzw. 52 zusammengedrückt vorliegen,
um diese fluiddichte Verbindung zu erleichtern. Allerdings können die
zugewandten Oberflächen 49 und 53 mit
genügender Glätte und
Einheitlichkeit ausgestattet sein, um ein genügend gutes Gleit- und Verschlussvermögen zu ergeben,
ohne dass eine Dichtung 50 verwendet werden muss. Beide
Teilstücke 48 und 52 können aus zahlreichen
geeigneten Materialien unter Anwendung eines breiten Bereichs von
Herstellverfahren gefertigt werden. Beispielsweise können die
Teilstücke 48 und 52 aus
Glas, Kristall, Quarz, Safir oder aus einem polymeren Kunststoffmaterial
hergestellt sein. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform können die
Teilstücke 48 und 52 durch
Spritzgussformung eines geeigneten thermoplastischen Materials wie
z. B. aus Acryl, Polycarbonat, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht
oder niedriger Dichte, Polyacrylnitril usw. gefertigt sein. Das
Verschlussmaterial kann ein Elastomer wie ein Fluorkohlenwasserstoff-Elastomer
sein, das unter der Handelsmarke VITON von DuPont Dow Elastomers
Corporation verkauft wird. Die Wahl besonderer Materialien kann
auf der Grundlage der mechanischen, chemischen und optischen Eigenschaften
getroffen werden.
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Die Basis- und Abdeck-Teilstücke 48, 50 werden
in zugewandter Anordnung, wie dargestellt, durch entsprechende Stützmittel
(nicht gezeigt) gehalten. Der Abstand zwischen den zugewandten Oberflächen 49 und 53 bei
der optischen Messzone 30 entlang des optischen Weges P,
senkrecht zu den Oberflächen,
definiert die optische Weglänge
d (5A). Die optische
Weglänge
d kann durch verschiedene Mittel vorbestimmt werden, wie durch Einschub
eines Präzisionsabstandshalters
oder einer Toleranzplatte zwischen den Basis- und Abdeck-Teilstücken 48 und 52.
Alternativ dazu können
eine oder beide zugewandte Oberflächen 49 und 53 einen
zurückragenden
Hohlraum innerhalb der optischen Messzone 30 aufweisen,
um die gewünschte
Weglänge
d zu ergeben. Beispielsweise kann die Oberfläche 49 den zurückragenden
Hohlraum in der optischen Messzone aufweisen, wie dies in 5A angedeutet ist. Der Durchschnittsfachmann
erkennt, dass ein derartiger zurückragender
Teilbereich im Wesentlichen planar und parallel zur gegenüberliegenden
zugewandten Oberfläche
innerhalb der Messzone 30 vorliegen muss, um eine relativ
konstante optische Weglänge
d zu ergeben.
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Was nun 5A betrifft, ist ein Teilbereich des
Fluid-Fließweges 40 (2) in seiner Erstreckung
durch die Probenzelle 100 mit Zelle-Fließweg 16 beziffert.
Dieser Weg 16 schließt
die Eingangsöffnung 55,
die Rücksprungöffnung 54,
die Messzone 30, den Ausgangsrücksprung 56, den Rücksprunghohlraum 56 und
die Ausgangsöffnung 57 ein.
Wie dargestellt, ist die Probenzelle 100 in einer ersten Mess- oder geschlossenen
Position angeordnet, worin eine optimale Weglänge d innerhalb der optischen Messzone 30 eingehalten
wird. Die optimale Weglänge
d wird durch Berücksichtigung
vieler Faktoren bestimmt. Einige signifikante Faktoren, die zu berücksichtigen
sind, schließen
die Lichtquellenintensität des
Spektrofotometers, die Nachweissystemcharakteristika wie den verfügbaren dynamischen
Bereich, das Signal/Rausch-Verhältnis, das
Auflösungsvermögen und
die Empfindlichkeit sowie die Konzentration der Probensubstanz und
die Absorptionseigenschaften (die Extinktionskoeffizienten) im Wellenlängenbereich
von Interesse ein.
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Ausserdem ist die Orientation der
roten Blutzellen eine Funktion der Zellkonzentration und -morphologie,
der Proben-Fließgeschwindigkeit
und der Fließkanal-Geometrie.
Es ist experimentell dargelegt worden, dass die Orientation der
Blutzellen durch entsprechende Anpassung dieser Variablen gesteuert
werden kann, um relativ hohe Scherkraftbedingungen zu erzeugen.
In vorteilhafter Weise erzeugen solch hohe Schearkräfte eine
Tendenz, die Orientation der roten Zellen zu begünstigen. Die optische Weglänge d wird
somit gemäß der vorliegenden
Erfindung in bevorzugter Weise vorbestimmt, um so hinreichend klein
zu sein, dass, wenn weitere Fließbedingungen gesteuert werden,
die Zellen orientiert werden. Diese Orientation dient dazu, voraussagbare
Lichtstreueigenschaften während
der Analyt-Messung zu erzeugen, um die genaue Analyt-Messung mit
Proben 18 von Gesamt- bzw. Vollblut zu erleichtern.
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Durch Ausgewogenheit dieser Faktoren kann
die Probenzelle 100 der vorliegenden Erfindung mit einer
optischen Weglänge
d innerhalb des Bereichs von ca. 76 bis 102 μm (0,003 bis 0,004 inches),
vorzugsweise von ca. 89 μm
(0,0035 inches), ausgestattet werden. Diese relativ kleine optische Weglänge d erleichtert
die Messung von Proben mit hoher optischer Dichte, wie von Voll-
bzw. Gesamt- oder von lysiertem Blut. Ist ausserdem die Probenzelle 100 in
dieser Messposition, wie gezeigt, angeordnet, ist die transversale
Querschnittsfläche
des Fließweges 16 durch
die Messzone 30 hindurch (definiert hierin als ein Querschnitt
parallel zum optischen Weg P und quer zur stromabwärtigen Richtung)
relativ klein und beträgt
vorzugsweise ca. 113 μm2 (0,000175 inches2)
oder weniger. Mit dieser Querschnittsfläche ergibt sich eine hinreichende
Fließgeschwindigkeit,
um die gewünschten
Scherkräfte
bei einer Fließvolumengeschwindigkeit
von so niedrig wie ca. 7 Mikroliter pro Sekunde (μL/s) zu erzeugen, um
die optische Messung von Gesamt- bzw. Vollblut zu erleichtern.
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Betreffend 5B, ist das Abdeck-Teilstück 52 gleitbar
relativ zum Basis-Teilstück 48 bewegt
und somit mit 52' beziffert
worden. Wie dargestellt, ist die Probenzelle 100 in ihrer
zweiten oder Offen-Position angeordnet, worin der Rücksprunghohlraum 59 des Abdeck-Teilstücks 52 in
die optische Messzone 30 des Basis-Teilstücks 48 bewegt
worden ist. Diese Bewegung erfolgt durch jedes geeignete Mittel,
wie mit einem Luft-Zylinder oder einer anderen pneumatischen Vorrichtung,
einem Linearstufen/DC-Motor, Solenoid usw., oder durch Verschiebung
von Hand. In dieser Offen-Position ergibt sich für den Fließweg 16' in der Nachbarschaft zur Messzone 30 eine
relativ große
Weglänge
d' parallel zum
Fließweg
P und ein relativ großer
Transversal-Querschnitt.
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Die Betriebsweise der Probenzelle 11 schließt die Bewegung
der Abdeckung 52 zur in 5A dargestellten
Messposition zur Messung des Analyts ein. Dies ergibt eine relativ
kleine vorbestimmte Querschnittsfläche und optische Weglänge d innerhalb
der optischen Messzone 30, so dass eine Probe 18 aus
Blut bei relativ hohen Geschwindigkeiten der roten Zellen und Scherkräften durchfließt. Wie
oben bereits diskutiert, geben diese Bedingungen in vorteilhafter
Weise eine Tendenz zur Verringerung der Röllchen-Bildung und zur Begünstigung
der Orientation der roten Zellen in Vollblutproben, wobei sich eine
optische Weglänge
d ergibt, die die optische Messung von Proben hoher optischer Dichte wie
von Voll- oder lysiertem Blut erleichtert.
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Nachdem die Probe analysiert worden
ist, wird die Abdeckung 52 relativ zur Basis 48 in
die zweite oder Wasch-Position bewegt, wobei Waschflüssigkeit
in den Fließweg
eingespeist werden kann, um die Probenzelle 100 für eine anschließende Probe 18 zu
reinigen. Viele Waschsequenzoptionen werden durch die Zelle 100 erleichtert.
Beispielsweise kann eine Waschabfolge mit der Probenzelle in der geschlossenen
Messposition beginnen. Dies würde eine
relativ hohe Geschwindigkeit für
die Waschflüssigkeit
zur Reinigung der optischen Messzone von der Probe ergeben. Die
Probenzelle kann dann in die Offen-Position zum weiteren Waschen
verschoben werden. Durch das Waschen in der Offen-Position wird
es ermöglicht,
dass relativ große
Hindernisse wie Fibrin, Klümpchen
(Gerinsel), synthetische Fasern oder weitere Agglomerationen usw.
freigesetzt werden. Ausserdem kann die Probenzelle 100 zwischen
den offenen und geschlossenen Positionen während der Wasch-Abfolge nötigenfalls
hin- und hergeschoben werden, um dazu beizutragen, die Hindernisse
wegzuschaffen.
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Obwohl bevorzugte Ausgestaltungsformen dargestellt
und beschrieben worden sind, werden verschiedene alternative Ausgestaltungsformen
der Probenzelle der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen.
Beispielsweise kann die Probenzelle 100 mit mehrfachen
diskreten optischen Weglänge
d versehen werden, um so eine oder beide Oberflächen 49 und 53 mit
einem gestuften Pofil zu ergeben. Auf diese Weise kann eine einzelne
Probenzelle der vorliegenden Erfindung zur Analyse von Proben mit
einem relativ breiten Bereich diskreter Absorptionseigenschaften
angewandt werden. Ausserdem kann eine weitere Variation die Bereitstellung
einer Position einschließen,
worin ein Zelle-Teilstück
bekannter Weglänge,
enthaltend einen "Kalibrator", innerhalb der Messzone 30 angeordnet
sein kann. Dieser Kalibrator (Eichmittel) kann ein Farbstoff oder
ein optisches Interferenzfilter sein, die permanent innerhalb eines
Teilstücks
von einem oder beiden der Basis 48 und Abdeckung 52 angeordnet
werden. Ein solches Merkmal kann beim Durchlauf von Diagnostika
am Gerätezubehör wie der
Lichtquelle 22 oder an weiteren Spektrofotometerkomponenten
in geeigneter Weise vorhanden sein.
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Die Probenzelle der vorliegenden
Erfindung schafft somit viele Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Insbesodere ist die Zelle bezüglich
verschiedener Betriebsweisen optimiert, um optimierte optische Messungen
von Gesamt- bzw. Vollblut zu ergeben, wobei optimierte Waschstufen
usw. ebenfalls erleichtert sind, um Schwierigkeiten im Zusammenhang
mit Verstopfungen zu verringern. Ausserdem wird durch den vorliegenden
Erfindungsgegenstand im Wesentlichen die Notwendigkeit für einen "Hämolysierer" und die damit zusammenhängenden
Hydraulik-Komponenten eliminiert, die zur Segmentierung der Probe
in lysierte und ganze Teile benötigt werden.
Dies verringert in vorteilhafter Weise die Systemkosten und -größe und ergibt
eine Tendenz zur Steigerung der Zuverlässigkeit der Hardware des Gesamtsystems.
Außerdem
wird durch das Weglassen der Lysierstufe in vorteilhafter Weise
die Probenintegrität
aufrecht erhalten. Dadurch wird es ermöglicht, dass Messungen auch
durch andere Sensoren, für
die Gesamt- bzw. Vollblut erforderlich ist, am gleichen Probenvolumen
durchgeführt
werden, um das zur Analyse benötigte
Gesamtprobenvolumen wirkungsvoll zu verringern. Während mit
der Probenzelle der vorliegenden Erfindung die optische Messung von
Vollblutproben erleichtert wird, wird es ferner ebenfalls in vorteilhafter
Weise noch ermöglicht,
dass weitere Proben mit hohen optischen Dichte- oder Lichtstreueigenschaften
wie lysierte Blutproben gemessen werden. Durch die vorliegende Erfindung wird
somit die duale Funktionalität
der optischen Messung von sowohl lysiertem als auch von Gesamt- bzw.
Vollblutproben bereitgestellt.
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Durch die vorliegende Erfindung wird
auch die Notwendigkeit für
spezielle Reinigungsmittel zur Beseitigung großer Protein-Bildungen, die
beim Durchlauf vieler Blutproben auftreten können, wesentlich herabgesetzt.
Ausserdem kann die Klärung derartiger
Bildungen automatisiert ohne händischen Eingriff
des Anwenders durchgeführt
werden.
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Darüber hinaus ist der vorliegende
Erfindungsgegenstand auf einfache und bequeme Weise in ein Gerät integrierbar,
worin alle Messsensoren, Flüssigkeitshandhabungskomponenten
(Ventile, Leitungen usw.) und Eichflüssigkeiten in eine wegwerfbare "Kartusche" zum eingeschränkten Gebrauch eingebracht
sind. In vorteilhafter Weise kann eine derartige Konfiguration für den Anwender
ein System ergeben, bei welchem eine Sensor- und Fluidik-Wartung
nicht mehr erforderlich ist. Alle Systemkomponenten, die in Kontakt
mit der Probe oder Reagensflüssigkeiten
gelangen, können
weggeworfen werden, wenn die Kartusche aufgebraucht ist.
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Darüber hinaus ergeben die vorbestimmten Abmessungen
der ersten und zweiten Teilstücke
der Probenzelle 100 durch die Anwendung starrer Komponenten,
die zwischen vorbestimmten Positionen bewegbar sind, um die optische
Weglänge
d zu definieren, ein stabiles mechanisches Umfeld zur optischen
Messwiederholbarkeit. Die Probenzelle der vorliegenden Erfindung
ist auch relativ preisgünstig herzustellen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
zur Anwendung bei bzw. in der Absorptionsspektroskopie beschrieben
worden ist, sollte der Durchschnittsfachmann ohne Weiteres und unmittelbar
erkennen, dass die verstellbare Probenzelle der vorliegenden Erfindung
im Zusammenwirken mit verschiedenen weiteren spektrochemischen Analysetechniken,
einschließlich
von z. B. Lumineszenz- oder elektromagnetischen Spektrenemissionsmessungen,
angewandt und eingesetzt werden kann.