DK150787B - Kemisk reaktionsapparat til analyse af isaer biologiske proever og med temperaturstyret reaktionscelle - Google Patents

Description

150787

Den foreliggende opfindelse angår et kemisk reaktionsapparat til analyse af især biologiske prøver, hvilket apparat omfatter en reaktionscelle (10), som har et kammer (12) til modtagelse af kemisk reagens, der skal bringes til at reagere ved en forudfastlagt tempe-5 ratur, en indføringspassage (20,18), som står i forbindelse med kammeret, et reagensreservoir (34) og et ledningsorgan (32), der forbinder reservoiret med tilførselspassagen, til tilføring af reagenset til kammeret.

Apparatet ifølge opfindelsen er særligt anvendeligt ved analysen 10 af biologiske prøver, såsom blod eller urin, som ved en forudfastlagt temperatur bringes til at reagere med gentagelige voluminer af reagens.

Fra US patentskrift nr. 3.857.771 kendes kemisk analyseapparatur til bestemmelse af glukoseindholdet i blod-, urin- og andre 15 prøver. I dette apparatur indføres prøven i en reaktionscelle og bringes til at reagere med et reagens, såsom glukoseoxidase. Derpå måles den resulterende hastighed for ændringen af oxygen koncentrationen til tilvejebringelse af et mål for glukoseindholdet i prøven.

Fra beskrivelsen til US patent nr. 3.701.716 kendes et semiau-20 tomatiseret system til udførelse af sådanne analyser. I dette system overføres et reproducerbart volumen reagens hurtigt fra et reservoir til en reaktionscelle, og en prøve tilsættes til reagenset til reaktion hermed. Efter analyse tømmes cellen fuldstændigt som forberedelse til overføring af næste reagensvolumen til cellen.

25 I ovennævnte systemer overføres i praksis først et reagensvolu men af størrelsesordenen én milliliter ti! reaktionscellen, og en væsentligt mindre mængde prøve, af størrelsesordenen ti mikroliter, indsprøjtes derpå i cellen ved hjælp af en pipette eller andet prøveudtagningsredskab. Eftersom målingerne er temperaturfølsomme, 30 udføres analysen desuden i temperaturkontrollerede omgivelser. Når prøver af legemsvæske skal analyseres, udføres reaktionen typisk i nærheden af en legemstemperatur på 37°C. Et temperatur kontrolsystem til sådant apparatur bør fortrinsvis stabilisere temperaturen af reaktionscellen og reagenset heri, inden prøven indføres i cellen.

35 Adskillige temperaturkontrolmetoder er blevet anvendt til analy seapparater af førnævnte type. Ved én metode er selve apparatet indesluttet i et temperaturkontrolleret hus, således at reaktionskammeret, reagensreservoiret, overføringslinierne mellem reservoiret og kammeret og andre komponenter er placeret i et luftbad. Termiske 2 150787 varmegivere og temperaturfølere styrer luftbadets temperatur. Denne metode frembyder et antal ulemper. For det første mi en relativ stor indeslutning opvarmes. Som et resultat udviser systemet en langsom termisk responstid og mulige temperaturforskelle mellem forskellige 5 lokaliteter inden i indeslutningen. Desuden må huset være velisoleret. Ydermere ødelægges temperaturligevægten ved åbning af indeslutningen for at opnå adgang til reaktion s kammeret eller andre systemkomponenter. Visse reagenser forringes endvidere hurtigt, når de opbevares ved forhøjede temperaturer i længere tid, og dette kan 10 indtræffe, når reagensreservoiret er anbragt inden i det tillukkede luftbad.

Ved en anden metode anvendes der to separate varmegivere, den ene til opvarmning af reaktions kammeret til den rette temperatur, og den anden til forvarmning af reagenset i overføringslinien på 15 et sted fjernt fra reaktion s kammeret. Medens denne metode kan eliminere behovet for et luftbadhus, fordrer den to separate varmegivere hver med en tilknyttet temperaturføler til styring af driften heraf. Som følge heraf kræves der er et forholdsvis kompliceret termisk styringskredsløb til styring af begge varmegivere. Da endvidere 20 reagensforvarmeren er anbragt fjernt fra reaktionscellen, kan reagenstemperaturen falde i tidsintervallet mellem reagensets afgivelse fra forvarmeren og dets tilførsel til reaktion s kammeret. Hvis korrekt reaktionstemperatur skal tilvejebringes, må reagenset i dette tilfælde bringes tilbage og op til den korrekte temperatur efter overføring til 25 reaktionscellen, hvorved indføringen af prøven i cellen forsinkes, og analysatorens prøvegennemgangshastighed nedsættes.

Med den foreliggende opfindelse tilvejebringes der en ny og forbedret temperaturregulering af en reaktionscelle og det reagens, der indføres i cellen, i et kemisk reaktionsapparat, hvorved ulemper-30 ne ved ovennævnte kendte teknik overvindes eller undgås.

Dette opnås med det kemiske reaktionsapparat med de indledningsvis angivne karakteristika, når det ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at det har opvarmningsmidler, der indbefatter et opvarmningselement (60) på i det mindste en del (72) af reaktionscel-35 len og i kontakt med i det mindste en del af ledningsorganet (32), til opvarmning af kammeret og et indhold heri og til opvarmning af den nævnte del af ledningsorganet og en reagensmængde heri, hvorhos opvarmningselementet og den nævnte del af ledningsorganet er anbragt rundt om den nævnte del af reaktionscellen, og en pumpe 3 150787 (36) er anbragt til at bringe reagenset til at strømme gennem ledningsorganet mod kammeret og i stand til at holde reagensmængden i den nævnte del af ledningsorganet i en periode, der er tilstrækkelig til at opvarme reagenset til eller hen mod den forudf asti agte 5 temperatur, inden reagenset tilføres til kammeret.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere beskrevet under henvisning til tegningen, hvor: fig. 1 er et kombineret blokdiagram og tværsnitsbillede, der er udført i et overvejende vertikalt plan gennem en reak-10 tionscelle, som indbefatter reagensafgivelses- og tempera turstyringstræk ifølge den foreliggende opfindelse, og fig. 2 er et brudstrykkeperspektivbillede af en del af reaktionscellen i fig. 1 med delvis bortskårne dele til illustration af et varmeelement, der er vundet rundt om 15 cellen, og en del af en reagensoverføringsledning, som er vundet rundt om cellen og varmeelementet.

På fig. 1 ses en udførelsesform ifølge opfindelsen, som omfatter en reaktionscelle 10, der er vist anbragt i en spildbakke 15 på et termisk isolerende underlag eller understøtning 17. Reaktionscellens 20 krop omfatter en indre isolerende cylinder 14, der afgrænser et cylindrisk, vertikalt udstrakt reaktionskammer 12, og en ydre kappe 16, som omgiver og passer tæt til væggen af den indre cylinder. Reaktionskammeret 12 bør være elektrisk ikke-ledende og inert med hensyn til kemikalier, der indføres i cellen og af den grund er den 25 indre cylinder 14 fortrinsvis dannet af et hydrofobt, isolerende materiale, såsom polytetrafluoroethylen, polychlorotrifluoroethylen eller polypropylen. Den ydre kappe 16 bør være en god termisk leder for så nær som muligt at tilvejebringe en konstant termisk gradient langs alle dele af reaktionscellen 12, og af den grund er 30 kappen fortrinsvis et metal, såsom aluminium. Det må imidlertid forstås, at hvis det ønskes, kan hele reaktionscellen være dannet af metal, og væggene i reaktionskammeret 12 kan være belagt med et af de førnævnte isoleringsmaterialer, eller cellen kan helt være dannet af et termisk ledende, elektrisk ikke-ledende materiale.

35 Reaktionskammeret 12 har en åben top til modtagelse af en pipette eller et andet prøveindsprøjtningsredskab i en fikseret position til indførsel af kvantiteter af prøvemateriale, såsom blod eller urin, i kammeret. Bunden af reaktionskammeret har form af en omvendt kegle, og en vertikalt udstrakt passage 18 står i forbindelse 4 150787 med kammeret ved spidsen af kammerets bund. En indførselspassage 20 og en udførselspassage 22 ligger i et overvejende vandret plan og gennemskærer passagen 18. Som det vil fremgå indføres en reaktionskomponent eller et reagens 24, såsom glukoseoxidase, i reaktions-5 kammeret 12 gennem passagen 20 (og 18), og indholdet af reaktions kammeret fjernes fra kammeret gennem passagen 22 (og 18).

En væskeanalyseføler 26 strækker sig gennem en gennemboring i væggen af reaktionscellen 10 med dens følende ende i forbindelse med indholdet af reaktions kammeret 12. Til måling af glukosekoncen-10 trationen i en prøve kan føleren 26 være en polarografisk oxygenføler af sædvanlig konstruktion og som anvendt ifølge førnævnte US patentskrifter nr. 3.857.771 og nr. 3.701.716. Et magnetisk omrøre-element 28 er anbragt ved bunden af reaktion s kammeret til omrøring af kammerets indhold, og det drejes af en drivmagnet 30, der er 15 anbragt nedenunder reaktionscellen og roteres på sædvanlig måde.

En foretrukken udformning af det magnetiske omrøringselement kendes fra beskrivelsen til US patent nr. 3.591.309.

En ledning 32 forbinder indføringspassagen 20 i bunden af reaktionscellen 10 med et reservoir 34, der indeholder det reagens 20 24, som skal leveres til reaktionskammeret 12. En pumpe 36, fortrinsvis af den peristaltiske type, er tilvejebragt til fjernelse af reagens fra reservoriret og overførelse af dette gennem ledningen 32 til reaktions kammeret 12 gennem passagerne 20 og 18. Ledning 32 er fortrinsvis dannet af et stykke fleksibelt rør af et inert materiale, 25 såsom polytetrafluoroethylen. Den ene ende af ledningen 32 er forbundet med den peristaltiske pumpe 36, medens den modsatte ende af ledningen strækker sig gennem en med gevind forsynet horisontal udboring 38 i reaktionscellens væg og er understøttet heri af en med gevind forsynet bøsning 40 i forbindelse med indførselspassagen 20.

30 Til dette formål er enden af ledningen udkravet til dannelse af et udvendigt udragende ringformet bryst 42, der er sammentrykt og forseglet rundt langs periferien af indføringspassagen 20 af den indre ende af den med gevind forsynede bøsning 40 til tilvejebringelse af et væsketæt segl herom.

35 Til tilvejebringelse af et forud fastlagt volumenreagens 24 i reaktion s kammeret 12 er der tilvejebragt en horisontalt forløbende sugeport 44 i væggen af reaktionscellen og i forbindelse med reaktion s kammeret. En ledning 46 forbinder porten 44 med et spildreservoir 48. Ledningen 46 kan være et bøjeligt rør ligesom ledningen 32.

5 150787

Ledningen 46 er i forbindelse med porten 44 understøttet af en bøsning 50, der er identisk med bøsningen 40, og som er skruet ind i en horisontalt udstrakt udboring 52 i reaktionscellens væg. En anden peristaltisk pumpe 54 er tilvejebragt til fjernelse af reagenset 5 24 fra reaktionscellen gennem porten 44 og ledningen 46 til spildre servoiret. Hvis reagenset 24 indledningsvis tilføres kammeret 12 til over niveauet for porten 44, som angivet ved den stiplede linje i fig.

1, vil igangsætningen af pumpen 54 fjerne reagens fra cellen indtil reagensniveauet falder til niveauet for porten 44, i hvilket punkt der 10 kun kan fjernes luft gennem porten, og et forudfastlagt volumen reagens bliver tilbage i kammeret.

Til at bortlede indholdet af reaktionskammeret 12 efter analyse er en ledning 56 forbundet med udtømningspassagen 22 og spildreservoiret 48. Ledningen 56 stir i forbindelse med udtømningspassagen 15 22 understøttet af en med gevind forsynet bøsning i en horisontalt udstrakt udboring (hvoraf intet er vist) på en måde, der er identisk med den for ledningerne 32 og 46. En tredje peristaltisk pumpe 58, der er forbundet med ledning 56, er tilvejebragt til pumpning af indholdet i kammeret 12 til spildreservoiret.

20 Ifølge den foreliggende opfindelse indbefatter reaktionscellen 10 opvarmningsmidler på reaktionscellen til styring af temperaturen af cellen og det til reaktionskammeret 12 afgivne reagens 24. Opvarmningsmidlerne indbefatter et varmeelement 60, en termoføler 62 og en varmestyreenhed 64. Varmestyreenheden er forbundet til varmeele-25 mentet ved et par ledere 66 og til termoføleren ved et par ledere 68.

For at give plads for opvarmningsmidlerne indbefatter den øvre ende af reaktionscellen 10 og navnlig den ydre kappe 16 på denne en indad udstrakt, ringformet udskæring 70, hvis indre overflade 72 cylindrisk omgiver reaktionskammeret 12. Sammen med udskæringen 30 70 omfatter den øvre ende af reaktionscellen en spoleformet del.

Varmeelementet 60, såsom nichrom-varmetråd, er vundet et antal gange rundt om og på den cylindriske overflade 72 i udskæringen 70. Inden omvindingen af varmeelementet kan en strimmel af elektrisk isolerende bind 73 (fig. 2) vikles rundt om overfladen 72 til til-35 vejebringelse af elektrisk isolering mellem varmeelementet og alu miniumkappen 16's legeme. Væggen i kappen 16 omfatter en udskåret del 74 mellem varmelegemet 60 og reaktionskammeret 12 til modtagelse af termoføleren 62. Ved dette arrangement ledes varme, der frembringes af varmeelementet 60, af kappen 16 igennem hele 6 150787 reaktionscellens længde, og temperaturen i et punkt inden i cellevæggen overvåges af føleren 62. Varmestyreenheden 64 virker traditionelt ved at forsyne varmeelementet 60 med energi som svar pi et tilbagemeldingssignal fra termoføleren 62 til opretholdelse af celle-5 temperaturen på en forudfastlagt værdi.

Ifølge et vigtigt aspekt ved den foreliggende opfindelse er ledningen 32, gennem hvilken reagenset 24 tilføres til reaktionskammeret 12, vundet et antal gange rundt om spoledelen af reaktionscellen i kontakt med varmeelementet 60, som vist på figuren. Ledning 10 32 er pottet på plads rundt om varmeelementet 60 med en epoxy 76, der indeholder aluminiumpartikler, og som fylder mellemrummene mellem og rundt om ledningsvindingerne som vist på figur 2. Udover at opvarme reaktionscellens væg opvarmer varmeelementet 60 på den måde ligeledes den opvundne del af reagensledningen 32 samt rea-15 gens, der indeholdes i ledningen. Som resultat forvarmes reagenset 24 inden i ledningen og drives således mod dens ønskede forudfast-lagte temperatur, inden det pumpes ind i reaktions kammeret.

Ved den foretrukne udførelsesform, hvor reagensvoluminer af størrelsesordenen 1 millimeter skal overføres til reaktionskammeret 20 12, omfatter rørledningen 32 rør med en indvendig og udvendig diameter på 1,0 mm henholdsvis 1,9 mm. Ledningen 32 er vundet et tilstrækkeligt antal gange rundt om overfladen 72 inden i udskæringen 70, til at voluminet af reagenset 24 inden i den omvundne ledning mindst svarer til det forudfastlagte reagensvolumen, der skal 25 overføres til reaktion s kammeret.

Under drift, og idet det antages, at reaktionscellen 12 er tom, igangsættes den peristaltiske pumpe 36 til pumpning af den forud bestemte mængde reagens ind i reaktionskammeret 12 til et niveau over sugeporten 44. Det således overførte reagens er inden afgivel-30 sen blevet forvarmet i den omvundne del af ledningen 32, som er i kontakt med varmeelementet 60. Derefter igangsættes den peristaltiske pumpe 54 til fjernelse af reagens fra cellen gennem sugeporten 44, indtil der tilvejebringes et forudfastlagt volumen reagens i niveau med sugeporten.

35 Med den således etablerede temperatur for reaktionscellen 10 og reagenset 24 heri udføres en analyseoperation ved at igangsætte den magnetiske omrører 28, indsprøjte et forud bestemt volumen prøve i kammeret 12 gennem den åbne top af denne til reaktion med reagenset 24 og overvåge reaktionen ved hjælp af føleren 26 til på sædvan- 150787 7 lig måde at tilvejebringe et mål for den bestanddel i prøven, der er af interesse. Efter afslutning af analysen igangsættes den peristal -tiske pumpe 58 til bortledning af indholdet i cellen. Hvis det ønskes, kan cellen derpå fyldes og tømmes en eller flere gange med reagenset 5 24 eller en passende renseopløsning til fuldstændig rensning af kammeret. Derefter gentages cyklussen, og kammeret fyldes igen med et forud bestemt volumen reagens til påfølgende analyse af en prøve.

Som før er det således indførte reagens blevet forvarmet i ledning 32 i løbet af det tidsrum, hvori analyseoperationen af den forudgående 10 prøve blev udført. I praksis og under anvendelse af den foretrukne struktur, der er beskrevet ovenfor, forvarmes et én milliliter volumen fra stuetemperatur på ca. 20°C til en ønsket reaktionstemperatur på ca. 37°C i løbet af ca. 30 sekunder inden i den forvarmningskon-figuration, der defineres af ledningen 32.

15 Af det foregående fremgår det, at den foreliggende opfindelse tilvejebringer en temperaturregulering af en kemisk reaktionscelle 10 og en reaktions komponent 24, der skal bringes til at reagere heri, hvilken temperaturregulering gør brug af et fælles varmeelement til opvarmning af både cellen og reaktionskomponenten. Arrangementet 20 eliminerer behovet for et temperaturreguleret luftbad og for separate temperaturreguleringssystemer for reaktionscelle og reaktionskomponent. Reagensreservoiret 34 kan endog være afkølet til hindring af forringelse af reagenset inden brug. Skønt der til opvarmning er benyttet et varmeelement 60, vil det forstås, at elementet 60 alterna-25 tivt kunne omfatte et køleelement, såsom et termoelektrisk element, eller omfatte kombinationer af varme- og køleelementer til anvendelser, der kræver nedsatte temperaturer.

I den specielle udførelsesform for opfindelsen er føleren 26 blevet vist som en polarografisk oxygenføler, som den anvendes 30 ifølge beskrivelsen til førnævnte patenter. Det må imdlertid forstås, at der udover eller i stedet for en sådan oxygenføler kan være anbragt andre detektormidler, såsom elektrokemiske følere eller elektroder til elektrolytisk ledningsmåling, direkte i reaktion s kammeret 12 i kontakt med reagenset heri. Desuden kan reaktionscellens 35 vægge være fremstillet optisk transparente til muliggørelse af optisk detektering af lysabsorption, lysspredning, fluorescens eller lignende. Detektortypen bestemmes af den type analyse, der skal udføres, og af naturen af den kemiske reaktion, der skal udføres. Fordelene ved den foreliggende opfindelse ved afgivelse af forudfastlagte volu- 150787 8 miner af reagens med kontrolleret temperatur i en celle med kontrolleret temperatur er tilstede uafhængigt af den specielle detek-tortype, der anvendes. Selv om en sideport i væggen af reaktionskammeret er blevet vist som definerende sugeporten 44, kan endvi-5 dere et vertikalt rør, der har sin åbne nedre ende på det sted hvor sideporten er, fungere lige så godt og falder således inden for definitionen af en sugeport, som den anvendes heri.