DE3838361C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine automatische Analysenvorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Bei einer bekannten Analysenvorrichtung dieser Art (DE-AS 20 25 678) werden auf einer Reaktionsscheibe angeordnete Reaktionsbehälter jeweils mit einer Probe beschickt, wobei das Mischen dadurch erfolgt, daß die Reaktionsscheibe in kleinen, in dieselbe Richtung gehenden Schritten umläuft. Eine optimale Durchmischung ist durch eine derartige Vorgehensweise nicht möglich. Außerdem ist bei der bekannten Vorrichtung die Einrichtung zur photometrischen Messung der Reaktionslösung gesondert von der Reaktionsscheibe angeordnet, was bedeutet, daß die Proben auf irgendeine Weise zur Durchführung der photometrischen Messung von der Reaktionsscheibe zu der Meßeinrichtung gebracht werden muß. Automatisiert ist hier also nur das Einbringen der Flüssigkeit und der Mischvorgang.

Gemäß der DE-OS 22 12 143 wird zwar zum Mischen von Substanzen bei einer Analysenvorrichtung auch vibriert, doch erfolgt dieses Vibrieren, weil eine drehbare Reaktionsscheibe nicht vorhanden ist, nicht durch eine Rotationsbewegung. Eine Rührkugel wird bei dieser Vorrichtung nicht verwendet.

Vibriert wird auch bei der Agitationsvorrichtung gemäß US-PS 41 02 649, allerdings nicht durch eine Rotationsbewegung, weil eine Reaktionsscheibe nicht vorhanden ist. Das Mischen wird durch einen Rührstab intensiviert.

Aus der US-PS 36 45 506 ist zu entnehmen, daß ferromagnetische Rührelemente verwendet werden, die durch eine von außen wirkende Magnetkraft in Bewegung versetzt werden. Die Reaktionsscheibe selbst wird nicht vibriert.

Aus der US-PS 35 15 824 ist zu entnehmen, daß jeder Reaktionsbehälter eine Abdichtmembran aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Analysenvorrichtung der eingangs beschriebenen Art im Hinblick auf eine optimale Durchmischung und eine vollständige Automatisierung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung sind in besonders vorteilhafter Weise der Mischvorgang und der Transport der Reaktionsbehälter auf der Reaktionsscheibe in die Position für die photometrische Messung gekoppelt. Die Mischung der Proben mit dem Reagenz erfolgt dabei in erster Linie durch Vibrieren der Reaktionsscheibe, und zwar durch kurze Hin- und Herbewegungen der Reaktionsscheibe um ihre Mittelachse, so daß sich bogenförmige Bewegungen ergeben. Der Antrieb der Reaktionsscheibe dient also zugleich als Vibrationsvorrichtung. Die photometrische Messung erfolgt in derselben Vorrichtung, in der auch die Durchmischung der Reaktionsflüssigkeit geschieht, so daß es nicht erforderlich ist, die Reaktionsbehälter zur Vornahme der photometrischen Messung von der Mischvorrichtung zu entfernen. Dabei sind die Reaktionsbehälter so ausgebildet, daß sie für die photometrische Messung ihres Inhalts geeignet sind. Dies wird erreicht durch ebene, lichtdurchlässige Fenster, die einander gegenüberliegend für die Messung mit Lichtabsorption und/oder orthogonal zueinander für die Fluoreszenz-Messung angeordnet sind.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Analysenvorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 12.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines wesentlichen Teils der Ausführungsform der Analysenvorrichtung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist.

Fig. 2 ist eine schematische Aufsicht der Ausführungsform.

Fig. 3 ist eine Teil-Schnittansicht eines Reaktionsbehälters, der zur Verwendung in der Fluoreszenz- Photometrie geeignet ist.

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das das Meßverfahren der Ausführungsform erläutert.

Fig. 5 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen Rührzeit und Fluoreszenz-Intensität zeigt.

Fig. 6 ist eine Grafik, die die Vibration erläutert, welche von der sehr schnellen Hin- und Her­ bewegung erzeugt wird.

Fig. 7 ist eine Darstellung des Verhaltens des Rührele­ mentes in dem in Fig. 6 gezeigten Zustand.

Fig. 8 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen der umrührbaren Lösungsmenge und einem Ver­ hältnis des Durchmessers der Rührkugel zu der Lösungstiefe zeigt.

Fig. 9 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem Durchmesser der Rührkugel und dem Innen­ durchmesser des zylindrischen Reaktionsbehälters zeigt, der für das Umrühren geeignet ist, wie sie erhalten wird, wenn die gesamte Vibrations- Amplitude 2 mm beträgt.

Fig. 10 ist eine Grafik, die eine theophylline Stan­ dardkurve zeigt, wie sie durch eine Messung von der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung erhalten wird.

Fig. 11 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 12 ist eine Darstellung eines Reaktionsbehälters, der zur Verwendung bei der direkten Messung durch Lichtabsorption geeignet ist, und 13A bis 13C sind schematische Darstellungen von schematis­ chen Modifikationen des Reaktionsbehälters.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 beschrieben.

Eine Vielzahl von Reaktionsbehältern 2 sind auf einer drehbaren Reaktionsscheibe 1 entlang eines Randbereiches der Scheibe 1 angeordnet. Die Reaktionsscheibe wird mit einer Antriebseinrichtung 3 in Drehrichtung angetrieben. Die Antriebseinrichtung 3 ist in der Lage, in verschiedenen Betriebsarten zu arbeiten: nämlich eine Betriebsart, in der sie die Reaktionsscheibe 1 intermittent Schritt-für-Schritt antreibt, und einer Betriebsart, in der sie die Reaktionsscheibe in einer kurzen Zeit hin- und herbewegend antreibt. In der letzteren Betriebsart wird die Reaktionsscheibe 1 hin- und herbeweglich bei hoher Geschwin­ digkeit mit einer sehr kleinen Amplitude in vibrationsartiger Weise angetrieben, so daß die Lösung in den Reaktionsbehäl­ tern umgerührt wird.

Jeder der Reaktionsbehälter 2, die von der Reaktionsscheibe 1 getragen werden, wird vorausgehend mit einem kugelähnlichen Rührelement 4 bestückt (als <Rührkugel" bezeichnet), welches aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht. In dieser Ausführungsform werden Reaktionsbehälter verwendet, die für Fluoreszenz-Photometrie ausgelegt sind, wie in Fig. 3 gezeigt. Jeder Reaktionsbehäl­ ter ist an seinem oberen Ende durch eine Aluminiummembran 5 verschlossen, um zu verhindern, daß die Rührkugel 4 aus dem Reaktionsbehälter 2 während des Transportes austritt. Dieser Reaktionsbehälter 2 hat einen zylindrischen Körper, dessen Innendurchmesser 6,2 mm und dessen Tiefe 30 mm betragen, wobei ein flaches Einfallfenster 24 in seinem Boden und ein flaches Austrittsfenster 24 in seiner Seitenwand vorgesehen sind. Der Körper des Reaktionsbehälters 2 ist aus einem lichtdurchlässigen Material gemacht, z. B. Glas oder einem Acrylharz. Die Anordnung ist so beschaffen, daß, wenn der Reaktionsbehälter auf die Reaktionsscheibe 1 gesetzt wird, eine Öffnung 5a mit vorbestimmter Größe in der Abdichtmembran 5 mittels eines Abdicht-Brechers gebildet wird, der nicht gezeigt ist, so daß das Pipettieren einer Probe und/oder eines Reagenzes, das mittels eines Fühlers 15 einer Pipet­ tiervorrichtung 14 geführt wird, durchgeführt werden kann, ohne von der Abdichtmembran 5 gestört zu werden.

Ein Reaktions-Thermostat-Tank 6 hat einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten 7, der in der Nähe einer Position angeordnet ist, wo die Photometrie durch das Photometer 19 durchgeführt wird, wie in Fig. 1 gezeigt. Dieser Permanent­ magnet oder Elektromagnet 7 ist in der Lage, die Rührkugel 4 bis in eine dem Austrittsfenster 25 in dem Reaktionsbehäl­ ter 2 gegenüberliegende Position zu ziehen bzw. anzuziehen, der in die photometrische Position gebracht wurde, so daß die Rührkugel 4 niemals den Weg des Lichtstrahles 22 während der photometrischen Messung unterbricht.

Die Vorrichtung hat ferner eine drehbare Probenscheibe 8 und eine drehbare Reagenzscheibe 9, die konzentrisch zuein­ ander angeordnet sind. Diese Probenscheiben 8 und 9 werden von einer zentralen Antriebswelle 10 so getragen, daß sie um die Achse der Antriebswelle 10 als Einheit miteinander drehbar sind. Obwohl in der erläuterten Anordnung die Probenscheibe 8 auf der radial inneren Seite der Reagenz­ scheibe 9 angeordnet ist, hat dies nur erläuternde Zwecke, und die Anordnung kann auch so gestaltet sein, daß die Probenscheibe 8 auf der radial äußeren Seite der Reagenz­ scheibe 9 angeordnet ist. Die Probenscheibe 8 trägt eine Vielzahl von Probenschalen 11, während die Reagenzscheibe eine Vielzahl von Gruppen von Reagenzschalen 12 trägt, wobei jede Gruppe eine Vielzahl von Reagenzschalen hat, die verschiedene Reagenzien tragen.

Genauer gesagt weist jede Gruppe der Reagenzschalen 12 ein erstes Reagenz und ein zweites Reagenz auf, die für einen bestimmten Schritt der analytischen Messung verwendet werden. Die Antriebswelle 10 ist intermittent drehbar, so daß die Reagenzscheibe 9 und die Probenscheibe 8 um die Achse der Antriebswelle 10 über einen Winkel gedreht werden, der dem Abstand bzw. der Höhe bzw. der Neigung der Anordnung der Reagenzschalen 12 und der Probenschalen 11 oder einer Vielfachen dessen entspricht. Die Reagenzschalen 12 und die Probenschalen 11 werden austauschbar auf die jeweiligen Schalen gesetzt, so daß sie entsprechend dem Untersuchungs­ gegenstand gewechselt werden können. Die Probenschalen 11 sind in einem Proben-Thermostat-Tank angeordnet, so daß sie auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden. In gleicher Weise sind die Reagenzschalen 12 in einem Reagenz- Kühlhaltetank 13 aufbewahrt, damit sie bei einer vorbestim­ mten Temperatur gehalten werden. Die Vorrichtung hat ferner eine Pipettiervorrichtung 14 zum Pipettieren der vorerwähnten Proben oder einer Bezugsprobe oder des Reagenzes von den Probenschalen 11 oder von den Reagenzschalen 12 zu den Reaktionsbehältern 2. Die Pipettiervorrichtung 14 hat einen drehbaren Arm 14a und einen Pipettierfühler 15, der an dem Ende des Armes 14a vorgesehen ist. Beim Betrieb saugt der Fühler 15 eine Probe oder ein Reagenz ein und wird von der Drehbewegung des Armes 14a zu der Proben- und Reagenz- Pipettierposition 16 gebracht, wo einer der Reaktionsbehälter 2 angeordnet ist. Der Pipettierfühler 15 entlädt dann die Probe oder das Reagenz in den Reaktionsbehälter 2. Die Probenscheibe 8 und die Reagenzscheibe 9 werden von einer Antriebswelle 10 zu einer Position gebracht und dort gestop­ pt, an der die Probenschale 11 oder die Reagenzschale 12 auf der Bewegungsfahrt des Fühlers 15 angeordnet sind. Die Vorrichtung hat ferner eine Fühler-Reinigungsvorrichtung 17, die in der Lage ist, Reinigungswasser an die Außen- und Innenflächen des Fühlers 15 zu bringen, wodurch der Fühler 15 in ausreichender Weise abgewaschen bzw. gereinigt wird.

Im Betrieb wird eine vorbestimmte Menge von dem Fühler der Pipettiervorrichtung 14 aus einer der Probenschalen 11 auf der Probenscheibe 8 gesaugt und abgemessen, und der Fühler 15 gibt dann die Probe in einen Reaktionsbehälter 2 bei einer bezeichneten Position auf der Reaktionsscheibe 1 ab. Nach dem Abgeben der Probe wird der Fühler 15 der Pipettier­ vorrichtung 15 ausreichend mit Wasser gesäubert, um eine Verunreinigung der nächsten Probe zu verhindern, die andern­ falls aufgrund der Probe verursacht werden könnte. Dann wird die Reaktionsscheibe 1 vor und zurück und in Vibrations­ weise von der sehr schnellen sich hin- und herbewegenden Antriebsvorrichtung 3 mit einer Frequenz von 33 Hz und einer Amplitude von 1, 2 mm für eine Zeitdauer von 3 sec. angetrieben. Nach der Vibration wird die Reaktionsscheibe 1 im Uhrzeigersinn über einen Winkel bewegt, der dem Abstand der Reaktionsbehälter entspricht.

Die sehr schnelle hin- und hergehende Antriebsvorrichtung 3 hat, wie in Fig. 1 gezeigt, einen Schrittmotor 3a als strombetriebene Antriebsquelle. Die Ausgangswelle des Schrittmotors 3a ist mit der Welle 3c verbunden, die die Reaktionsscheibe 1 über Zahnräder oder einen Verbindungsrie­ men 3b trägt. Offenbar kann die Anordnung so gestaltet sein, daß die Welle des Schrittmotors 3a und die Weile 3c der Reaktionsscheibe als Einheit miteinander aufgebaut sind. In einem solchen Fall wird die Leistung des Schritt­ motors 3a direkt auf die Reaktionsscheibe 1 übertragen, ohne daß irgendein Zwischenteil, wie ein Zahnrad oder ein Riemen erforderlich wäre. Der Schrittmotor 3a arbeitet unter der Steuerung einer zentralen Verarbeitungseinheit 18. Die zentrale Verarbeitungseinheit 18 veranlaßt den Schrittmotor 3a, mit einer Rate von 5 Pulsen sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung pro 30 msec. vorzuschreiten, und zwar 3 sec. lang. Demzufolge wird die Reaktionsscheibe zum Vibrieren mit einer Frequenz von etwa 33 Hz, wie oben erwähnt, veranlaßt. Dies veranlaßt den Reaktionsbehälter, mit einer Frequenz von etwa 33 Hz und mit einer Amplitude in der Größenordnung von mehreren Millimetern zu vibrieren, wenn die Reaktionsscheibe einen Durchmesser von etwa 300 mm hat, obwohl die Amplitude oder die Frequenz von Faktoren, wie z. B. dem Getriebeverhältnis abhängt. Die sehr schnelle hin- und hergehende Antriebsvor­ richtung 3 dient auch als intermittentes Antriebsmittel zum Bewirken einer schrittweisen Schaltbewegung der Reaktions­ scheibe, um die aufeinanderfolgenden Reaktionsbehälter 2 in die bezeichnete Position zu bringen.

In der Zwischenzeit wird die Probenscheibe 8 so gedreht, daß sie die nächste Probenschale in die Pipettiervorrichtung bringt. Diese Operation wird zyklisch und wiederholt durch­ geführt, so daß die Proben in einer bestimmten Anzahl zu den jeweiligen Reaktionsbehältern transportiert werden.

Ein ähnlicher Betrieb wird mit dem Reagenz durchgeführt. Das Reagenz aus einer aufeinanderfolgenden Reagenzschale 12 wird von der Pipettiervorrichtung 14 aufgesaugt und dann in einen der Reaktionsbehälter 12 abgelassen, die aufeinander­ folgend in die Pipettierposition 16 gebracht werden. Nach der Abgabe des Reagenzes an jeden Reaktionsbehälter 2 wird die Reaktionsscheibe 13 sec. lang von der sehr schnellen hin- und hergehenden Antriebsvorrichtung hin- und hergehend gedreht, so daß eine Umgruppierung in der Reaktionslösung in dem Reaktionsbehälter 2 erfolgt. Danach wird die Reak­ tionsscheibe im Drehsinn über den Winkel gedreht, der dem Abstand der Anordnung der Reaktionsbehälter 2 entspricht, um dadurch den nächsten Reaktionsbehälter 2 in die Pipettier­ position zu bringen. Die Übertragung des Reagenz beginnt mit dem ersten Reagenz und darauf folgt die Übertragung des zweiten Reagenz. Somit wird die Reaktionsscheibe 1 in geschalteter Weise gedreht, so daß die Reaktionsbehälter 2 mit Proben und Reagenzien gefüllt werden können. Die Probe ist typischerweise eine aus lebendigen Körpern extrahierte Flüssigkeit, z. B. Blutseren, Plasmen und Urine. Die in diesem System verwendeten Reagenzien können auch Reagenzien sein, die bei medizinischen Untersuchungen zum Analysieren der oben erwähnten Probentypen gewöhnlich verwendet werden.

Die Probe und das Reagenz, die in jeden Reaktionsbehälter geladen wurden, reagieren miteinander innerhalb des Reak­ tionsbehälters 2. Wenn man annimmt, daß der Vorschub von einem Schritt des Reaktionsbehälters in einer Zeitdauer von 18 sec. stattfindet und daß der hin- und hergehende Antrieb der Reaktionsscheibe 1 in einer Zeitdauer von 3 sec. durch­ geführt wird, erfahren alle Reaktionsbehälter 2 auf der Reaktionsscheibe wiederholt eine Vibration von 3 sec. in einem Intervall von 18 sec. Folglich werden die Reaktions­ lösungen in allen Reaktionsbehältern 2 wiederholt einem Umrühren von 3 sec. auf einem Intervall von 18 sec. während aller Reaktionsverläufe unterworfen. Die Reaktionsbehälter 2 mit ihren so umgerührten Inhalten werden nacheinander in die Pipettierposition 16 zurückgebracht, wobei ein Farbrea­ genz den Inhalten hinzugefügt wird, d. h. den Reaktionslösun­ gen der aufeinander folgenden Reaktionsbehälter, wodurch eine Farbreaktion stattfindet und in diesem Reaktionsbehälter 2 seinen Lauf nimmt.

Das Photometer 19, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, ist ein Mehrwellenlängen-Gerät mit gleichzeitiger Meßmöglichkeit und hat eine Vielzahl von Detektoren. Das Photometer 19 ist an der Position für photometrische Messung 20 angeordnet, und liegt so einem der Reaktionsbehälter 2 gegenüber. Somit ermöglicht der Reaktionsbehälter 2, der durch die Position für photometrische Messung 20 gelangt, einem Lichtstrahl 22 von einer Lichtquellen-Lampe 21, den Behälter zu durchlaufen und das Photometer 19 zu erreichen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird das Licht von der Lichtquel­ len-Lampe 21 durch die Linsen 23a und 23b gebündelt und das so gebündelte Licht läßt man als Erregungslicht auf die Reaktionslösung auftreffen, und zwar durch ein Einfallfenster 24 hindurch, das in dem Boden des Reaktionsbehälters 2 vorgesehen ist.

Das von der Reaktionslösung ausgesendete Fluoreszenzlicht gelangt durch das Austrittsfenster 25 des Reaktionsbehälters und wird über eine Linse 23c von einem Photomultipler 26 empfangen, der in der Lage ist, die Intensität des Fluores­ zenzlichtes zu erfassen. Da die Reaktionsscheibe 1 intermit­ tent gedreht wird, werden die aufeinander folgenden Reak­ tionsbehälter in die Position zur photometrischen Messung 20 gebracht, so daß die Intensität des Fluoreszenzlichtes der jeweiligen Reaktionslösung gemessen werden. Die Ausgänge von dem Photometer 19 werden an einen Multiplexer abgegeben, der Signale von interessierenden Wellenlängen auswählt und die aufeinanderfolgenden Signale werden über den A/D-Wandler 27 in die zentrale Verarbeitungseinheit 18 eingegeben und in einem RAM gespeichert, das an die zentrale Verarbeitungs­ einheit 18 angekoppelt ist.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm für eine Arbeitsfolge von der Übertragung der Probe und des Reagenzes bis zu dem Ende der Messung einschließlich des Umrührens der Reaktionslösungen durch das sehr schnelle hin- und hergehende Antreiben der Reaktionsscheibe.

Die zentrale Verarbeitungseinheit 18 leitet die Steuerung der ganzen Vorrichtung einschließlich der mechanischen Systeme, ebenso wie alle notwendigen Datenverarbeitungs- Operationen einschließlich der Berechnung der Dichten. Die zentrale Verarbeitungseinheit 18 kann aus einem Mikrocomputer bestehen.

Fig. 5 zeigt, wie das chemische Reaktionsverfahren durch das Umrühren der Reaktionslösung gesteigert wird. Genauer gesagt, zeigt Fig. 5 die Ordinatenachse, die die Intensität des Fluoreszenzlichtes, das als Ergebnis der Reaktion zwischen theophyllinen Meßreagenzien und 30 µg/ml von theophylliner Standardprobe erzeugt werden, wie in dem Fall des später erwähnten Ausführungsbeispiels 1, während die Abszissenachse die gesamte Umrührzeit über die gesamte Reaktionsdauer zeigt, d. h. von dem Moment, an dem das erste Reagenz zugegeben wird, bis zu dem Moment, bei dem die Photometrie durchgeführt wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wurden Daten A gewonnen, wem die automatische Analysenvorrichtung von Fig. 2 so betrieben wurde, daß ein Umrühren von 3 sec. der Reaktionslösung nach jedem Vorschub der Reaktionsbehälter um einen Schritt verursacht wurde. Somit sind die Daten A die Daten, die erhalten wurden, wenn die Reaktionslösung fortlaufend und wiederholt in dem Reaktionsprozeß umgerührt wird, und zwar von dem Moment an, an dem die Reaktion durch Mischen der Probe und des Reagenzes beginnt, bis zu dem Moment, an dem die Photometrie ausgeführt wird. Dagegen stellt B die Daten dar, die mit herkömmlichem automatischen Analysiergerät erhalten wurden, bei dem die Reaktionslösung nur einmal für die Reaktion umgerührt wurde.

Aus Fig. 5 ist zu ersehen, daß die Reaktion auf einen höheren Grad sich steigert, wenn die Umrührfrequenz erhöht wird, d. h., wenn die gesamte Umrührzeit erhöht ist, so daß die Intensität des Fluoreszenzlichtes, das als Ergebnis der Reaktion erzeugt wird, erhöht ist. In Fig. 5 sind Daten C dargestellt, die mit einer Frequenz des Umrührbetriebes erhalten wurden, die höher als die Frequenz des Umrührbe­ triebes liegt, die in der Vorrichtung der Erfindung ein­ gesetzt wird, d. h., der Frequenz, bei der die Daten A erhalten wurden.

Es ist zu sehen, daß Daten A und C fast auf demselben Wert der Intensität des Fluoreszenzlichtes liegen. Dies bedeutet, daß die Wirkung des Umrührens im wesentlichen gesättigt ist und keine bedeutsame Wirkung erzeugt wird, auch wenn die Frequenz der Umrühroperationen über die in der Ausführungs­ form angegebene Frequenz erhöht wird. Dies bedeutet, daß die Arbeitsbedingung, die die Daten A erzeugt hat, die Bedingung ist, welche die größte Umrührwirksamkeit entfaltet. Es ist somit klar, daß die Geschwindigkeit und der Grad der Reaktion stark vom Umrühren der Reaktionslösung in dem Reaktionsprozeß beeinflußt ist, und die Reaktion wird deutlich durch das kontinuierliche Rühren der Reaktionslösung über die Reaktionsdauer verstärkt, wie es auch in der automatischen Analysenvorrichtung und der vorliegenden Ausführungsform der Fall ist.

In einigen Fällen enthält die Reaktionslösung eine unlösliche Komponente, die kaum dispergiert bzw. aufgelöst werden kann. In solchen Fällen ist es notwendig, die Reaktionslösung häufig zu rühren, um die Reaktion zu steigern, und dabei eine Fällung bzw. Trennung zu vermeiden. Das in der Vorrich­ tung der Ausführungsform eingesetzte Rührverfahren ist auch in solchen Fällen wirkungsvoll.

In der vorliegenden Erfindung ist der Reaktionsbehälter 2 mit einer Rührkugel 4 ausgestattet. In einem solchen Fall ist der Reaktionsbehälter 2 durch eine Abdichtmembran ge­ schlossen, z. B. durch einen Aluminiumfilm, Polyäthylen- Film oder einen Silikon-Film. Wenn eine solche Abdicht­ membran 5 verwendet wird, kann die Vorrichtung getrennt von dem Pipettierfühler einen Abdicht-Brecher einsetzen, der leicht die Abdichtung aufbricht, um zu gewährleisten, daß die Pipettierung durchgeführt werden kann, ohne von der Abdichtmembran 5 gestört zu werden. Die Anordnung kann jedoch so gestaltet sein, daß die Abdichtmembran von dem Pipettierfühler 15 selbst aufgebrochen wird, wann immer die Pipettierung auszuführen ist.

Der Reaktionsbehälter 2 besteht aus einem geeigneten Mate­ rial, z. B. Glas, Plastik oder dergleichen, das verschiedene Anforderungen einhält, z. B. hohe Festigkeit, kleine Adsorp­ tion von Reagenz und Proben, geringe Produktionskosten und, wenn die Messung der Reaktionslösung in dem Reaktionsbehälter 2 mittels Photometrie durchgeführt wird, einen hohen Licht- Durchlässigkeitswert. Ein Beispiel für ein Material, das für den Reaktionsbehälter 2 geeignet ist, ist Acrylharz.

Für die Rührkugel 4 kann jedes Material, welches eine Dichte größer als die Dichte der umzurührenden Lösung hat, verwendet werden. Es ist möglich, die Umrührwirkung durch Verändern der Größe des Rührelements in Abhängigkeit von bestimmten Bedingungen zu verstärken, z. B. der Menge und Viskosität der umzurührenden Lösung. Es ist jedoch zu bemerken, daß eine Oberflächenbehandlung der Rührkugel, z. B. eine Plastikbeschichtung und Metallisierung (Plating) notwendig ist, wenn ein Material, welches schnell korrodiert oder chemisch mit der Lösung reagiert, z. B. Eisen, als Material für das Rührelement verwendet wird. Wenn die Messung durch direkte Photometrie durchgeführt wird, ist es bevor­ zugt, daß die Rührkugel aus einem ferromagnetischen Material besteht, z. B. aus Eisen, so daß die Rührkugel leicht von einer äußeren Magneteinrichtung angezogen werden kann, so daß sie von dem Pfad des Lichtstrahls 22 entfernt gehalten werden kann. Die Verwendung eines ferromagnetischen Materials als Material für die Rührkugel schafft jedoch das nachstehend beschriebene Problem unabhängig davon, ob es mit der Reaktionslösung reagiert oder nicht. Wenn nämlich die Reaktion einen Katalysator mit Eisen verwendet, neigt ein verbleibender Magnetismus auf der Rührkugel 4 dazu, die Genauigkeit der Messung ungünstig zu beeinflussen. Daher ist es in einem solchen Fall notwendig, daß das Material der Rührkugel nur einen kleinen übrigbleibenden Magnetismus zeigt. Die unter dem eingetragenen Warenzeichen Permalloy bekannte Eisen-Nickel-Legierung, welche einen geringen Restmagnetismus-Wert zeigt, kann geeignet in solchen Fällen verwendet werden, bei denen die Genauigkeit der Messung von Restmagnetismus ersthaft beeinträchtigt wird.

Nachstehend wird eine Beschreibung darüber gegeben, wie das Rührvermögen durch bestimmte Faktoren beeinflußt wird, z. B. die Art des sehr schnellen hin- und hergehenden Antriebs, den Aufbau des Reaktionsbehälters 2 und den Aufbau des Rührelementes, und zwar mit besonderem Bezug auf die Fig. 6 und 7.

In Fig. 6 stellt die Ordinatenachse die Amplitude des sehr schnellen hin- und hergehenden Antriebes dar, d. h. die Vibration der Reaktionsscheibe, während die Abszissenachse die Frequenz des sehr schnellen hin- und hergehenden Antriebs darstellt. In dieser Figur sind die Bereiche des sehr schnell hin- und hergehenden Antriebs, welche verschiedene Grade des Rührvermögens liefern, mit A bis E dargestellt. Wenn sehr schnelle Oszillationsbewegungen mit großer Amplitude und hoher Frequenz dem zylindrischen Reaktionsbehälter 2 erteilt werden, wie durch A, B und E gezeigt, dreht sich die Rührkugel 4 entlang der inneren Randfläche des zylindrischen Behälters 2, wie bei A in Fig. 7 gezeigt. Diese Drehung der Rührkugel 4 ermöglicht eine Beendigung des Rührens innerhalb von 3 sec., wenn die Tiefe der Reaktionslösung 10 mal so groß ist wie der Durchmesser der Rührkugel 4 oder kleiner. Diese Umrührung rührt von Randströmen in der Lösung her. Hier kann eine Rührwirkung erzielt werden, die der durch einen Wirbelmischer oder einen magnetischen Rührer erzielten Wirkung gleichkommt.

Wenn die hin- und hergehende Bewegung mit einer Frequenzamplitude innerhalb einer Region C in Fig. 6 auf einen Reaktionsbehälter mit einem flachen Boden angewandt wird, findet die oben genannte Drehung der Rührkugel entlang der Wand des zylindrischen Behälters nicht mehr statt, wie bei B in Fig. 7 gezeigt. Folglich ist eine lange Rührzeit von 3 bis 20 sec. erforderlich, um das Umrühren zu beenden, wenn die Tiefe der Lösung zehnmal so groß ist wie der Durchmesser der Rührkugel 4 oder größer. Wenn der Behälter eine ringförmige Höhenstufe hat, die im wesentlichen dieselbe ist wie der Radius der Rührkugel an ihrem Boden entlang der inneren Randfläche, wie bei C in Fig. 7 gezeigt, wird die Rührkugel 4 veranlaßt, sich in vertikaler Richtung so zu bewegen, daß die Rührwirkung deutlich verbessert werden kann. Eine ähnliche Wirkung wird erzielt, wenn der Boden des Behälters eine Vertiefung (Rezess) hat, wie bei D in Fig. 7 gezeigt, eine Stufe oder einen Steg, wie bei E in Fig. 7 gezeigt, oder irgendeine andere äquivalente Unregelmäßigkeit in Höhenrichtung.

Wenn man nur den Rühreffekt berücksichtigt, werden die Bereiche A und B von Frequenz und Amplitude, wie in Fig. 6 gezeigt, geeignet eingesetzt. Jedoch neigen die Frequenz und Amplitude im Bereich A dazu, die Reaktionslösung aus dem Behälter herausspritzen zu lassen, weil das Umrühren zu heftig erfolgt. Daher können Frequenz und Amplitude, wenn sie in den Bereich B fallen, geeignet und praktisch in der beschriebenen Ausführungsform eingesetzt werden.

Wenn eine Vibrationsamplitude verwendet wird, d. h. eine sehr schnelle hin- und hergehende Bewegung, die größer ist als eine Stufe der intermittenten Drehung der Scheibe in einem Fall der direkten photometrischen Messung während der Vibration, neigt der zu untersuchende Reaktionsbehälter dazu, sich nicht mit dem Pfad des messenden Lichtstrahls ausrichten zu lassen, und erschwert daher die Messung. Da die Rührkugel 4 aus einem ferromagnetischen Material sich in unerwünschter Weise bewegt, wenn der Reaktionsbehälter sich zwischen einer Position bewegt, in der der externe Magnet 7 angebracht ist, und der Position, in der die Rührkugel 4 frei von dem externen Magneten ist, wird die Reaktionslösung zusätzlich heftig gerührt und bringt die Flüssigkeit dazu, zu schäumen oder zu zerstäuben. Um solche Probleme auszuschalten, wird die Amplitude der sehr schnellen hin- und hergehenden Bewegung, d. h. die Vibration, bevorzugt kleiner gewählt als ein Schritt der intermittenten Rotationsbewegung der Reaktionsscheibe.

Unter Bezugnahme auf den Rührzustand B in Fig. 6 wird der Amplitudenbereich, der geeignet eingestellt werden kann, fortschreitend verkleinert, wenn die Frequenz sich erhöht. Dies bedeutet, daß der Vibrierzustand in unerwünschter Weise aus dem optimalen Bereich B in einen anderen Bereich sich verschieben kann, der unerwünscht ist, z. B. in den Bereich A, C oder D, auch durch eine leichte Schwankung in der Vibrationsamplitude in der Größenordnung von beispiels­ weise weniger als 1 mm, verursacht durch verschiedene Gründe, z. B. Schwankung in dem Eingriffszustand in dem sehr schnellen hin- und hergehenden Antriebsmechanismus 3.

In Anbetracht dieser Umstände ist es klar, daß der Zustand der sehr schnellen hin- und hergehenden Bewegung, d. h. in der Vibration der automatischen Analysenvorrichtung der Erfindung vorzugsweise in einen Bereich E in Fig. 6 fällt, d. h. eine Amplitude, die zwischen 0,8 und 3,0 mm und einer Frequenz, die zwischen 10 und 40 Hz liegt.

Fig. 8 zeigt das Verhältnis zwischen der Tiefe der Lösung und dem Verhältnis der Dichte der Rührkugel zu der Dichte der umzurührenden Lösung. Diese Beziehung muß eingehalten werden, um die Lösung in 3 sec. zu verrühren. Genauer gesagt, stellt in Fig. 8 die Ordinatenachse das Verhältnis der Dichte der Rührkugel zu der Dichte der zu verrührenden Lösung dar, während die Abszissenachse das Verhältnis der Lösungstiefe zum Durchmesser der Rührkugel darstellt. Um zu bewirken, daß die Verrührung zufriedenstellend in einer Rührzeit bewirkt wird, die etwa 3 sec. oder dergleichen beträgt, muß die Dichte des Rührmaterials erhöht werden, wenn die Dichte der Lösung sich erhöht. In einem Fall einer Rührkugel 4, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, muß die Dichte der Rührkugel 4 etwa 1,5 mal so groß sein wie die Dichte der Lösung, wenn die Tiefe der Lösung etwa viermal so groß ist wie die Tiefe der Lösung. Wenn das Verhältnis der Lösungstiefe zu Kugeldurchmesser 15 überschreitet, muß das Rührelement eine Dichte haben, die etwa viermal so groß ist wie die der Lösung, wem die Verrührung in 3 sec. beendet werden soll. Keine weitere Verbesserung in dem Rühreffekt kann erreicht werden, auch wenn die Dichte der Rührkugel über 4 hinaus erhöht wird bezüglich des Verhältnisses zu der Dichte der Lösung. Aus diesen Tatsachen ist zu verstehen, daß die durch die Vibrationsbewegung des Reaktionsbehälters 2 verursachte Verrührung zufriedenstellend durchgeführt werden kann, wenn die Rührkugel 4 eine Dichte hat, die nicht kleiner als 1,5mal der Dichte der Lösung ist, bevor­ zugt viermal oder mehr so groß wie die Dichte der zu verrü­ renden Lösung ist. Die obere Grenze des Verhältnisses der Dichte ist praktisch etwa 20 oder dergleichen, weil alle preiswerten Materialien, wie z. B. Eisen, Kupfer, Wolfram und so weiter eine Dichte haben, die nicht größer als 20 g/cm³ ist. Dies bedeutet, daß der praktische Bereich des Verhältnisses der Dichte zwischen dem Rührelement und der Lösung zwischen 4 und 20 liegt.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß die Beziehung zwischen dem Radius der Rührkugeln und dem Radius des zylindrischen Behälters, bei dem die Verrührung zufriedenstellend durch­ geführt wird, mit der folgenden Formel ausgedrückt ist

D 4 (A₂ + d), D 1.1d (d < 10)

D d + 1 (d 10)

wobei A₂ die Gesamtamplitude (doppelte Amplitude in jeder Richtung vom Nullpunkt aus) in mm ist, während d und D den Durchmesser der Rührkugel und den Innendurchmesser des zylindrischen Behälters darstellen, die auch in mm aus­ gedrückt sind. Wenn man beachtet, daß der Durchmesser der gewöhnlicherweise in automatischen Analysen verwendeten Reaktionsbehälter 30 mm nicht überschreitet, ist es offenbar, daß die Verrührung zufriedenstellend durchgeführt werden kann, wenn die folgende Bedingung eingehalten wird, falls die Gesamtamplitude A₂ nicht kleiner als 7,5 mm ist (A₂ 7,5):

1,48d D 4,4d (A₂ 7,5)

Wenn die Gesamtamplitude A₂ kleiner als 7,5 mm ist, wird die Verrührung zufriedenstellend durchgeführt, wenn der Vibrationszustand innerhalb einer Dreieckszone fällt, die durch Verbinden der drei Koordinatenpunkte von (0,909A₂, 4A₂), (2,73A₂, 4A₂) und (0, 0) entstehen, ebenso wie inner­ halb einer Trapezzone, die durch Verbinden der folgenden vier Punkte entsteht, nämlich (0,909A2, 4A2), (2,73A₂, 4A₂), (22,2-0,25A, 30), (12,5-0,75A₂, 30) und ((0,909A₂, 4A2)).

Fig. 9 zeigt das Verhältnis zwischen dem Durchmessern D und d, das eine zufriedenstellende Verrührung durch Vibration bei einer Gesamtamplitude von 2 mm liefert. In Fig. 9 stellt die Ordinatenachse den Innendurchmesser D (mm) des zylindri­ schen Behälters dar, während die Abszissenachse den Kugel­ durchmesser d (mm) darstellt. In Fig. 9 stellt A den Bereich dar, in dem die Verrührung möglich ist, während B den Bereich zeigt, der besonders für die automatische Analysenvorrichtung geeignet ist.

Fig. 11 erläutert die Anordnung einer Ausführungsform, in der die Lichtdurchlässigkeits-Kennlinie bei Verwendung des Reaktionsbehälters 2 des in Fig. 12 gezeigten Typs gemessen wird. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen zur Bezeichnung derselben Teile der Elemente verwendet, wie diejenigen, die in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform verwendet werden. Unter Bezugnahme auf Fig. 12 werden ein Einfallfenster 24a und ein Fenster 25a für hinausgehendes Licht, die zueinander parallel sind, in der Wand des Reak­ tionsbehälters 2. gebildet. Wenn die Lichtdurchlässigkeit gemessen wird, sitzt die Rührkugel 4 auf dem Boden des Reaktionsbehälters 4. Die Meßvorrichtung ist so angeordnet, daß das Licht entlang eines Pfades läuft, der oberhalb der Position der Rührkugel 4 liegt, das auf dem Boden des Behälters sitzt, so daß die Messung der Lichtdurchlässigkeit ohne irgendein Problem durchgeführt wird. In dieser Ausfüh­ rungsform ist es nicht wesentlich, daß die Rührkugel 4 aus einem ferromagnetischen Material besteht. Somit ist die Rührkugel 4 aus irgendeinem geeigneten Material gemacht, z. B. Aluminium, Kupfer oder einem anderen Material, unabhän­ gig davon, ob sie ferromagnetisch sind oder nicht, ebenso wie andere nicht magnetische Materialien, z. B. Glas. Es ist ferner möglich, ein Rührelement zu verwenden, das aus einem Magneten besteht. Die Fig. 13A bis 13C zeigen verschie­ dene Formen der Reaktionsbehälter 2. In jedem Fall sind eine Vielzahl von lichtdurchlässigen Fenstern in der Seitenwand des Behälters gebildet. Zum Beispiel zeigt die Fig. 13A einen im wesentlichen zylindrischen Reaktionsbehälter, in dem ein Paar von lichtdurchlässigen Fenstern in zwei gegen­ überliegenden Wänden gebildet sind. Dieser Reaktionsbehälter­ typ ist geeignet für Messungen der Lichtabsorption. Fig. 13B zeigt einen im wesentlichen zylindrischen Reaktionsbehäl­ ter, der mit lichtdurchlässigen Fenstern versehen ist, die so angeordnet sind, daß ihre optischen Achsen einander orthogonal schneiden. Dieser Reaktionsbehältertyp ist zur Verwendung bei der Fluoreszenz-Messung geeignet. Ein Reak­ tionsbehälter von Fig. 13C, der mit drei lichtdurchlässigen Fenstern im 90° Abstand ausgestattet ist, eignet sich für die Verwendung sowohl bei Messung mit Lichtabsorption als auch bei der Fluoreszenz-Messung.

Beispiel 1

Durch Verwenden der automatischen Analysenvorrichtung von Fig. 1 wurde eine Analyse von Theophyllin durchgeführt, und es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten.

Eine Substanz AIMS TDM^TM Theophyllin (erhältlich von Miles Sankyo Kabushiki Kaisha) wurde als Reagenz verwendet. Reagenzbehälter 11, die auf die Probenscheibe 8 gesetzt wurden, wurden mit Theophyllin-Standardlösungen (0, 10, 20, 30 und 40 µg/ml) geladen. Daneben wurden Theophyllin-Meß­ reagenzien, die β-Galactosidase und Theophyllin-Antikörper als das erste Reagenz und ein fluoreszierendes Referenz- Theophyllin (β-Galactosyl-Umbelkliferon-Theophyllin) als zweites Reagenz aufweisen, hergestellt.

50 µl jeder Probe wurden mit 250 µl des ersten Reagenzes gemischt, um mit dem ersten Reagenz für eine Zeitdauer von 36 Min. zu reagieren. Dann wurden 50 µl des zweiten Reagenzes der Reaktionslösung zugesetzt und 5 Min. nach dem Zusatz des zweiten Reagenzes ein Licht mit einer Anregungs-Wellen­ länge von 400 nm hindurchgeschickt und die Messung bei einer Fluoreszenz-Wellenlänge von 450 nm durchgeführt. Fig. 10 zeigt eine Kalibrierkurve, in der die Dichte der Theophyl­ lin-Standardlösungen und die gemessenen Fluoreszenz-Inten­ sitäten auf der Abszissenachse bzw. der Ordinatenachse aufgetragen sind.

Claims (12)

1. Automatische Analysenvorrichtung
mit einer drehbaren Reaktionsscheibe,
mit Reaktionsbehältern, die auf der Reaktionsscheibe angeordnet sind
mit einer Einrichtung zum Zuführen einer Probe und eines Reagenzes in die Reaktionsbehälter,
mit einer Antriebsvorrichtung, die so ausgebildet ist, daß die Reaktionsbehälter durch eine Bewegung der Reaktionsscheibe in eine Zuführposition für die Probe und das Reagenz transportiert werden und daß eine die Probe und das Reagenz enthaltende Reaktionslösung durch kurzzeitige Bewegungen der Reaktionsscheibe durchmischt wird und mit einer Einrichtung zur photometrischen Messung der Reaktionslösung in den Reaktionsbehältern, dadurch gekennzeichnet,
daß in jedem Reaktionsbehälter (2) eine in diesem frei bewegliche Rührkugel (4) angeordnet ist,
daß die Reaktionsbehälter (2) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind und ebene, lichtdurchlässige Fenster (24, 25) aufweisen,
daß die Antriebsvorrichtung (3) so ausgebildet ist, daß sie nacheinander eine Folge von schrittartigen Bewegungen der Reaktionsscheibe (1) zum Transport der Reaktionsbehälter (2) in die Zuführposition für die Probe und das Reagenz und in die Position für die photometrische Messung und zwischen den schrittartigen Bewegungen Vibrationen der Reaktionsbehälter (2) durch kurzzeitige Hin- und Herbewegungen der Reaktionsscheibe (1) zur Durchmischung der Reaktionslösung ausführt und
daß die Einrichtung zur photometrischen Messung (19) so ausgebildet ist, daß auf einen Reaktionsbehälter (2) ein Lichtstrahl gerichtet wird, nachdem die Reaktionsbehälter (2) durch die Folge von schrittartigen Bewegungen der Reaktionsscheibe (1) in die Position für die photometrische Messung transportiert wurde.

2. Analysenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationen der Reaktionsbehälter (2) mit einer Amplitude von 0,8 bis 3,0 mm und einer Frequenz von 10 bis 40 Hz stattfinden.

3. Analysenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Rührkugel (4) wenigstens viermal so groß ist wie die Dichte der Reaktionslösung in dem Reaktionsbehälter (2).

4. Analysenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Reaktionsbehälters (2) 1,5- bis 4,4mal so groß ist wie der Durchmesser der Rührkugel (4).

5. Analysenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührkugel (4) aus ferromagnetischem Material besteht und durch einen Magneten (7), der in der Nähe der Position für die photometrische Messung angeordnet ist, innerhalb des Reaktionsbehälters (2) in eine Position bewegbar ist, in der der Weg des Lichtstrahls (22) während der photometrischen Messung nicht unterbrochen ist.

6. Analysenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührkugel (4) aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht.

7. Analysenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührkugel (4) mit einem korrosionsbeständigen Material beschichtet ist.

8. Analysenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur photometrischen Messung (19) ein Fluoreszenz-Photometer ist, das zum Anlegen eines Erregerlichtes an den Boden des Reaktionsbehälters (2) und zum Erfassen des an der Seite des Reaktionsbehälters (2) austretenden Fluoreszenzlichtes in der Lage ist.

9. Analysenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Reaktionsbehälter (2) mit einer Abdichtmembran (5) versehen ist.

10. Analysenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden jedes Reaktionsbehälters (2) eine ringförmige Höhenstufe aufweist, deren Höhe ungefähr dem Durchmesser der Rührkugel (4) entspricht.

11. Analysenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden jedes Reaktionsbehälters (2) eine mittige Vertiefung aufweist.

12. Analysenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden jedes Reaktionsbehälters (2) eine Stufe oder einen Steg aufweist.