DE69017454T2 - Biologische Testkassette. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Fliehkraft-abhängige Dosiervorrrichtungen zum Verwenden mit biologischen Testpatronen. Solch eine Vorrichtung ist aus der EP-A-0 160 282 bekannt, welche eine biologische Testpatrone beschreibt, in welcher Proben unter Fliehkraft dosiert und zugeführt werden, wobei die Kraft die Reagenzkammereinrichtung dazu bringt, sich in der Richtung der Kraft zu verschieben und eine Dichtungseinrichtung von der Kammer abzuziehen, um dabei das Reagenz freizugeben.
• Ein Gerät zum Bearbeiten der bekannten Patronen ist in der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung mit der No. 0.160.901 beschrieben. Die in diesen Anmeldungen beschriebene Patrone ist angepaßt, um auf einer Zentrifuge bearbeitet zu werden, welche um eine Drehachse rotiert. Die Zentrifuge ist mit einer axial versetzten, zweiten Drehachse versehen, um die Patrone um 90 Grad in der Ebene der Zentrifuge zu drehen. Diese zusammengesetzte Drehbewegung ist erforderlich, um die Reagenzien und Patientenproben dazu zu bringen, geeignet dosiert und in verschiedene Kammern abgegeben zu werden. Die Patrone ist mechanisch komplex und teuer in der Herstellung.
• Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat eine mechanisch einfachere, in sich geschlossene Testpatrone entwickelt, welche in dem US Patent mit der Anmeldungsnummer 127.944 gezeigt und beschrieben ist, welche am 1.Dezember 1987 eingereicht wurde.
• Im wesentlichen nutzt die in sich geschlossene Patrone mehrere unvermischbare Flussigkeitsschichten mit unterschiedlichen spezifischen Dichten. Die Schichten sind axial in der Patrone angeordnet, welche zum Bearbeiten in einer Drehzahl- variablen Zentrifuge angepaßt sind. Die Testpatrone beinhaltet ebenso an einem Ende nahe an der Zentrifugen-Drehachse ein inneres Reservoir, das mit einem schmelzbaren Wachsstopfen abgedichtet ist. Das innere Reservoir beinhaltet Reaktionsbestandteile, welche, wenn sie mit einem unvollständigen Reaktionsgemisch gemischt ist, in der Patrone ein Reagenz zum Behandeln einer Patientenprobe bildet (wie z.B. Gesamtblut oder Serum). Unterschiedliche spezifische Dichten der Schichten verhindern Ineinandermischen der Schichten, wenn die Patrone zentrifugiert und hin-und-herbewegt wird. Der schmelzbare Stopfen ermöglicht Vermischen des Reagenz mit der Patientenprobe nachdem der Stopfen erhitzt wurde. Die Patientenprobe in dem Ende angrenzend dem vollständigen Reaktionsgemisch wird nach einer angemessenen Inkubation und Schüttelung durch diese unvermischbaren Schichten durch eine damit reagierende Zentrifugalkraft hindurchgeleitet und erzeugt ein optisch meßbares Ergebnis in mindestens einer der Schichten oder an dem Ende der Patrone, wie durch die Richtung der Zentrifugalkraft definiert ist.
• Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat ebenso ein automatisches Gerät und ein Verfahren zum Bearbeiten der oben beschriebenen, in sich geschlossenen Testpatrone erfunden.
• Im wesentlichen umfaßt das Gerät, das in der vom Anmelder zusammen eingereichten Anmeldung beschrieben ist, eine Drehzahl-veränderliche Zentrifuge, die angepaßt ist, um mehrere der in sich geschlossenen Patronen aufzunehmen. Die Zentrifuge ist von einem Deckel umgeben, der Lichtquellen zum Übertragen von Licht durch eine oder mehrere der nicht vermischbaren Flüssigkeitsschichten zu Detektoren aufweist, die unter dem Rotor der Zentrifuge angeordnet sind. Diese transversalen Detektor-Emitterpaare werden verwendet, um Absorptionsmessungen durch eine oder mehrere der Schichten durchzuführen. Am Rand des Rotors ist ein Phosphoreszenz-Detektor-Emitterpaar angeordnet, um Phosphoreszenzmessungen an einem optischen Fenster an einem Ende der in sich geschlossenen Patrone durchzuführen.
• Die oben beschriebene, in sich geschlossene Patrone, die die unvermischbaren Fluidschichten nutzt, hat Testvorgänge für ungelernte Arbeitskräfte revolutioniert. Jedoch existiert ein Bedürfnis für eine Reaktionskassette, welche mischbare Fluidtechnologien ermöglicht, einschließlich alternativer Zwischenlagen (alternative cushions), sowie die oben beschriebene nicht vermischbare Fluidtechnologie ermöglicht, aber welche andererseits angepaßt ist, um mit der automatisierten Analyseausrüstung verwendet zu werden, welche in der vom Anmelder zusammen eingereichten Anmeldung beschrieben ist.
• Zusätzlich stellt des Anmelders oben beschriebene, unvermischbare Fluidtestpatrone keine Einrichtungen zum Dosieren einer präzisen Menge einer Patientenprobe in der Patrone bereit. Verschiedene Tests erfordern, daß eine präzise Menge einer Patientenprobe in Form von Plasma eines Gesamtblutes in die Konjugationsreaktanten eingegeben werden, um ein photometrisches Ergebnis zu erzeugen, welches für eine biologische oder chemische Reaktion, die in der Patrone entsteht, bestimmend ist.
• Deshalb ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fliehkraft-abhängige Fluiddosiervorrichtung zum Dosieren einer präzisen Menge einer Fluidprobe in einer in sich geschlossenen Testpatrone, welche einfach mechanisch aufgebaut und leicht herzustellen ist, bereitzustellen.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellen einer Dosiervorrichtung, die sämtliche Merkmale von Anspruch 1 umfaßt, und welche eine genaue Menge an Fluid von einer Dosierkammer abmißt aufgrund der Ausübung einer vorbestimmten Kraft oder Beschleunigung an der Kammer.
• Es ist ein Vorteil der Erfindung, die Aufgabe mit einer Dosiervorrichtung für eine Patrone zu lösen, welche konstruiert ist, um mittels Zentrifugation, Inkubation und Bewegung behandelt zu werden.
• Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, die Aufgabe ohne Erfordernis einer Kassette zu lösen, worin die Dosiervorrichtung verwendet wird, um sich einer komplexen oder zusammengesetzten Bewegung während der Behandlung zu unterziehen.
• Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, die Aufgabe mit einer Dosiertechnik zu lösen, welche anwendbar ist an einer Reaktionspatrone, die die dosierte Probe in Abhängigkeit der Drehung des automatisierten Analyseinstrumentsrotors bearbeitet.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Dosierkammer axial mit verschiedenen Kombinationen von Reaktionskammern, zusätzlicher Dosierkammer, Partikelwaschkammern ünd/oder photometrischen Ermittlungskammern zum weiteren Behandeln und/oder Untersuchen der Stichprobe verbunden.
• In einer der verschiedenen, bevorzugten Ausführungsbeispiele ist die Dosierkammer mit einer ersten Reaktionskammer, einer zweiten Reaktionskammer und einer photometrischen Ermittlungskammer verbunden. Jede der Reaktionskammern weist ein Fliehkraft-betätigtes Öffnungsventil auf. Die Öffnungsventile ermöglichen dem Inhalt von jeder Reaktionskammer in eine nächste angrenzende Kammer abgegeben zu werden, aufgrund der Ausübung einer zweiten oder dritten vorbestimmten Zentrifugalkraft, die größer ist als die erste vorbestimmte Zentrifugalkraft, welche den Dosiermechanismus der Dosierkammer aktiviert.
• Die Öffnungsventile, sowie ein bewegbares Element in dem Probendosiermechanismus nutzen ein Dichtmaterial mit einer vorgewählten Scherfestigkeit, wobei sich das Dosierelement und die Öffnungsventile relativ zu ihrem Tragaufbau aufgrund der Ausübung von geeigneten, vorbestimmten Beschleunigungen oder Kräften bewegen. Die Öffnungsventile oder das Dosierelement in der Dosierkammer können ebenso mit einem Zugentlastungsaufbau versehen sein, welcher eine vorgewählte Zugkraft des Dichtmaterials nutzt, um den Öffnungswiderstand zu bestimmen, welcher den Öffnungsventilen oder dem bewegbaren Element ermöglicht, auf eine vorgewählte Kraft anzusprechen.
• In einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele ist eine Partikelwasch-/Ermittlungskammer mit einer Ansammlungsvorrichtung zum Konzentrieren der Populationsdichten der Partikel versehen, die in die Waschkammer eindringen. Die Ansammlungsvorrichtung erhöht die lokale Populationsdichte der Partikel an einer Fluidzwischenschicht, welche in der Partikelwaschkammer angeordnet ist. Die erhöhte Populationsdichte begünstigt die Bewegung der Partikel über einem Fluidmeniskus, welcher an der Fluidgrenzschicht in der Partikelwaschkammer gebildet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Figur 1 ist eine isometrische Darstellung einer Reaktionspatrone gemäß der vorliegenden Erfindung und welche mit einem automatisierten Patientenprobenbearbeitungsinstrument verwendet wird.
• Figur 2A ist eine vergrößerte Schnittdarstellung der Reaktionspatrone, die in Figur 1 gezeigt ist.
• Figur 2B ist eine vergrößerte Schnittdarstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der Reaktionspatrone.
• Figur 2C ist eine Draufsicht einer Reaktionspatrone, die in den Figuren 2A und 2B gezeigt ist.
• Figur 3 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Dosiermechanismusses, der mit den Patronen, die in den Figuren 2A und 2B gezeigt sind, verwendet wird, und ein bewegbares Stichprobenelement aufweist, das in einer Fluidsammelstellung gezeigt ist.
• Figur 4 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung, ähnlich der Figur 3 mit dem Stichprobenelement in einer zweiten, abgedichteten Stellung unter der Ausübung einer ersten vorbestimmten Zentrifugalkraft dargestellt.
• Figur 5 ist eine vergrößerte, Schnittdarstellung des Stichprobenmechanismusses, der in Figur 3 und Figur 4 gezeigt ist, mit dem bewegbaren Dosiermechanismus in einer Fluidabgabestellung dargestellt.
• Figur 6A ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs, der durch die eingekreiste Fläche 6A in Figur 4 angezeigt ist.
• Figur 6B ist ein alternatives Ausführungsbeispiel des bewegbaren Stichprobenmechanismusses, der in Figur 3 bis 6A gezeigt ist.
• Figur 6C zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel des bewegbaren Dosiermechanismusses.
• Figur 7 ist eine vergrößerte, diametrische Schnittdarstellung eines Öffnungsventils, das in Figur 2A gezeigt ist, mit dem Öffnungsventil in einer geschlossenen Stellung.
• Figur 8 ist eine isometrische Schnittdarstellung des Öffnungsventils von Figur 7, in der offenen Stellung gezeigt.
• Figur 9 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung des Öffnungsventils von Figur 7, welche die Scher- und Zugdichtungen mit einer vorbestimmten Scher- und Zugkraft zeigt.
• Figur 10 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Patrone, wie in Figur 2A gezeigt.
• Figur 11A ist eine vergrößerte Schnittdarstellung einer photometrischen Ermittlungskammer , wie in Figur 2A gezeigt.
• Figur 11B ist eine vergrößerte Schnittdarstellung der eingekreisten Fläche 11B, wie in Figur 11A gezeigt.
• Figur 12 ist ein Graph der Scherfestigkeit des Dichtungsmaterials in Bezug auf die Dichtungsmaterialmischung.
• Figur 13 ist ein Graph der Arbeitscharakteristiken des Dichtmaterials als Funktion der Zentrifugalkraft, Zeit und Dichtungsmaterialmischung.
• Figur 14 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines doppelten Stichprobenausführungsbeispiels der Reaktionspatrone.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
• Eine in sich geschlossene, Beschleunigungs-abhängige Reaktionspatrone, gemäß der vorliegenden Erfindung, ist allgemein durch die Bezugsziffer 20 in Figur 2A gekennzeichnet. Die Patrone ist angepaßt zum Bearbeiten in einem vollautomatischen Analyseinstrument, wie z.B. von der Art wie in Figur 1 mit der Bezugsziffer 22 gezeigt.
Übersicht über das Instrument
• Das vollautomatische Analyseinstrument 22 umfaßt im wesentlichen ein Mikroprozessor-gesteuertes Instrument mit einem Rotor 24, der angepaßt ist, um um eine Achse 26 bis zu einer Drehzahl von ungefähr 10.000 min&supmin;¹ (10.000 rpm) zu drehen. Die Drehzahl des Rotors ist gemäß den Instruktionen, die in dem Mikroprozessorspeicher gespeichert sind, gesteuert. Der Rotor weist einen Radius von ungefähr 4 inch auf. Das Instrument hat einen Deckel 28, welcher mehrere Lichtquellen (wie z.B. Lampen 30 wie in Figur 2A gezeigt) beinhaltet, um Abfragelichtstrahlen vertikal durch die Patrone 20 zu einem Detektor zu richten, (wie z.B. der Detektor 32 wie in Figur 2A gezeigt), um Absorptionsmessungen an der Patrone durchzuführen. Fluoreszenzmessungen und ähnliches werden durch ein optisches System 44 vorgenommen.
• Die Lampe 30 und der Detektor 32 sind in den Figuren 2A in der Ebene der Figur dargestellt. In Wirklichkeit sind die Lampe und der Detektor in einer Ebene senkrecht zu der Ebene der Figur angeordnet und mit Bezug auf die Patrone 20 der Figur 2A, weil die Lampe oder der Detektor entsprechend in dem Deckel 28 und unterhalb des Rotors 24 an dem Instrument 22 angeordnet sind, wie in Figur 1 gezeigt.
• Das Instrument 22 wurde konstruiert, um in sich selbst geschlossene Testpatronen zu bearbeiten, wie z.B. vom Typ, wie in der US Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/127.944 mit dem Titel " Verfahren und Vorrichtungen zum Durchführen von Tests" gezeigt ist. Diese Patronen verwenden mehrere unvermischbare Flüssigkeitsschichten mit unterschiedlichen Dichten zum Bearbeiten der Proben, die an einem Ende der Patrone (das Ende, das in Richtung der Achse 26 des Rotors 24 angeordnet ist) durch die verschiedenen Schichten zum distalen Ende eingeführt werden, wie z.B. das distale Ende 36 angrenzend des Randes 38 des Rotors. Das Instrument kann ebenso eine in sich geschlossene Testpatrone der Art, wie in den Figuren 2-6 gezeigt, verarbeiten. An dem Rotorrand werden Absorptionsmessungen durch Lampen-Detektorenpaare 30,32, wie in Figur 2A gezeigt, oder durch Fluoreszenzemitter 28, Detektor 40 Paar, wie in Figur 2A gezeigt, durchgeführt. Ein optisches System für das Fluoreszenz-Emitterdetektorpaar 38,40 ist generell durch die Bezugsziffer 44 in Figur 2A gekennzeichnet und ist durch die gepunkteten Linien in Figur 1 angezeigt. Das optische System fokussiert einen Abfragelichtstrahl 46 auf ein gekrümmtes optisches Fenster an dem Ende 48 der Patrone derart, daß der Abfragestrahl parallel zu dem Radius der Krümmung des Endes angeordnet ist, um die Brechung und Reflexion des Lichtstrahl zu minimieren.
• Der Rotor 24 ist ebenfalls in der Lage, eine zusammengesetzte Bewegung auszuführen, welche die Patronen hin- und herbewegt, die in dem Rotor aufgenommen sind, während der Rotor sich schnell dreht oder stillsteht. Ein Heizelement (nicht gezeigt) ist unterhalb des Rotors vorgesehen, um die Patronen zu inkubieren. Demnach weist das automatische Reaktionspatronenanalyseinstrument 22 Einrichtungen zum Aufnehmen von mehreren in sich geschlossenen Reaktionspatronen, Zentrifugieren der Patronen bei verschiedenen Drehzahlen, Bebrüten der Patronen und Schütteln der Patronen derart, daß Proben, die ein Analyt von Interesse beinhalten, welches in die Patrone an einem Ende 34 angrenzend in der Mitte des Rotors eindringt, axial in Richtung des distalen Endes 36 der Patrone 20 für photometrische Analyse vorbewegt werden.
Beschreibung der verschiedenen Patronen Bevorzugte Ausführungsbeispiele
• Die in sich geschlossene, Kraft-abhängige Reaktionspatrone gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Modulbauweise auf. Jedes der bevorzugten Ausführungsbeispiele die hiernach beschrieben werden, umfaßt verschiedene zusammengebaute Modulelemente.
• Das erste Ausführungsbeispiel 50 ist in Figur 2A gezeigt und umfaßt 4 modulare, miteinander verbindbare Bereiche : Ein Dosierbereich 52, einen ersten Reaktanzbereich 54, einen zweiten Reaktanzbereich 56 und einen photometrischen Analysebereich 58. Jeder dieser Bereiche ist axial miteinander verbunden, um Fluid von dem nächst angrenzenden Bereich in Richtung der Zentrifugalkraft, die durch den Pfeil 60 gekennzeichnet ist, zu empfangen. Die Zentrifugalkraft wird durch den Rotor 24 des automatisierten Analyseinstrument 22, wie in Figur 1 gezeigt, bereitgestellt. Das erste Ausführungsbeispiel ist bestens angepaßt für Tests , in welchen menschliches Blut das Analyt von Interesse beinhaltet. Das Analyt könnte sein Digoxin, Thyroid-stimulierendes Hormon (TSH). Diese Tests nutzen entweder Kompetitiver oder Sandwich-Testtechniken, welche üblicherweise ein Enzymkonjugat binden. Das Konjugat wird dann fluorogenen Latexpartikeln oder anderem Reaktionsmittel für nachfolgende photometrische Analyse ausgesetzt.
• In dem ersten Ausführungsbeispiel 50 (Figur 2A) der Reaktionspatrone 20 wird gerinnungsgehemmtes Gesamtblut durch Zentrifugieren in Zellen und Plasma getrennt. Das Plasma wird dann präzise durch ein verschiebbares Dosierelement 70 in dem ersten Reaktanzbereich 54 dosiert aufgrund der Ausübung einer ersten vorbestimmten Zentrifugalkraft. Die erste vorbestimmte Zentrifugalkraft wird durch Drehen des Rotors 24 der automatisierten Analyse 22 bei einer ersten vorbestimmten Drehzahl verursacht. Der erste Reaktanzbereich 54 beinhaltet ein geeignetes Konjugat 72 für das Analyt von Interesse. Nach einem geeigneten Inkubations- und Bewegungszyklus wird die Drehzahl des Rotors 24 erhöht, bis eine zweite, vorbestimmte Drehzahl erreicht wird, welche eine zweite vorbestimmte Zentrifugalkraft erzeugt, um auf ein erstes Zentrifugalkraft-reagierendes Öffnungsventil zu wirken, welches allgemein durch die Bezugsziffer 74 gekennzeichnet ist. Das erste Öffnungsventil 74 ermöglicht den Bestandteilen des ersten Reaktanzbereiches 54 (zum Beispiel, das reagierte Gemisch des dosierten Plasmas und des Konjugats) in den zweiten Reaktantbereich 56 einzudringen. Nach einer nachfolgenden Bewegungs- und Inkubationszeit erhöht der Rotor 24 auf eine dritte, vorbestimmte Drehzahl, um eine dritte, vorbestimmte Zentrifugalkraft auf ein zweites Kraft-abhängiges Öffnungsventil auszuüben, welches generell mit der Bezugsziffer 78 bezeichnet ist, um den Inhalt des zweiten Reaktionsbereiches 56 in die photometrische Analysekammer 58 zu entleeren. Der Aufbau und die Funktionsweise des zweiten Öffnungsventils 78 ist ähnlich dem Aufbau und der Funktionsweise des ersten Öffnungsventils 74.
• Der photometrische Analysebereich 58 umfaßt eine Wasser-unvermischbare Waschflüssigkeit 80 und ermöglicht ein Durchdringen von dichten Partikeln mit gebundenem Konjugat dadurch, jedoch schließt ein Großteil des flüssigen Konjugats und der Reaktionslösung aus. Die Waschflüssigkeit 80 weist eine relativ hohe Oberflächenspannung auf, welche es den dichten Partikeln erschwert, durch die Zwischenschicht zwischen der Waschflüssigkeit und der Reaktanzlösung 78 hindurchzudringen, welche angrenzend dazu angeordnet ist. Um das Hindurchdringen der Partikel zu begünstigen, ist der photometrische Analysebereich 58 mit einer Ansammlungsvorrichtung 82 zum Erhöhen der lokalen Populationsdichte der Partikel an der Waschflüssigkeit/Reaktionslösung-Zwischenschicht versehen. In dieser Weise kann eine relativ mittelmäßige Zentrifugalkraft die resultierende hochdichte Population der Partikel durch die Fluidzwischenschicht bewegen.
• Mit Bezug auf die Figur 2A kann das photometrische Modul zusammengebaut werden durch Hinzufügen einer Waschflüssigkeit 80 vor dem Einführen des Akkumulators 82, wobei anschließend der Akkumulator fest eingesetzt wird. Wenn zuviel Waschflüssigkeit 80 vorhanden ist, kann diese von dem Bereich oberhalb des Akkumulators abgesaugt werden. Alternativ kann der Akkumulator 82 in dem photometrischen Modul montiert werden, bevor die Waschflüssigkeit 80 hinzugeführt wird. Eine Zentrifugalkraft kann verwendet werden, um die Flüssigkeit dazu zu bringen, durch den Boden 48 des photometrischen Moduls hindurchzudringen, wobei Luftblasen durch die Öffnung des Akkumulators 82 ausgestoßen werden.
• In einigen Ausführungsbeispielen kann das photometrische Modul 2 oder mehrere unvermischbare Flüssigkeiten, einschließlich der Waschflüssigkeit 80, umfassen. Weil die Flüssigkeiten unvermischbar sind, können diese dem photometrischen Modul zusammen zugefügt werden oder in jeglicher Reihenfolge, unter Verwendung der oben beschriebenen Prozeduren.
• Ein zweites Ausführungsbeispiel 90 der Reaktionspatrone 20, die in Figur 2A gezeigt ist, ist in Figur 2B gezeigt. Das zweite Ausführungsbeispiel verwendet den selben Dosierbereich 52 wie das erste Ausführungsbeispiel. Jedoch sind in dem zweiten Ausführungsbeispiel die Reaktanzbereiche 54 und 56 von dem ersten Ausführungsbeispiel nicht verwendet und ein vereinfachter photometrischer Analysebereich 92 ist direkt mit dem Dosierbereich 52 verbunden. Dieses Ausführungsbeispiel ist geeignet für Analysen von homogenen Reaktionen, wie z.B. Calzium, Glucose, Cholesterin, etc., welche keinen Partikelwaschvorgang miteinschließen. Der vereinfachte photometrische Analysebereich 92 ist für Fluoreszenzmessungen angepaßt. Üblicherweise werden Absorptionsmessungen unter Verwendung von Lampen 30 und Detektoren 32 durchgeführt.
• Wie von der kurzen Beschreibung des ersten und zweiten Patronenausführungsbeispiels erkannt wird, ermöglicht der modulare Aufbau der in sich geschlossenen, Beschleunigungs-abhängigen Reaktionspatrone 20 verschiedene Kombinationen von miteinander verbundenen Bereichen, welche geeignet sind für verschiedene unterschiedliche Tests. Alle diese Kombinationen, welche einer Durchschnittsfachperson auf diesem Gebiet, ersichtlich sind oder es werden, sind deshalb als Teil dieser Offenbarung zu verstehen, einschließlich der strukturellen Kombinationen der Chemie und Tests, welche bis jetzt entwickelt worden sind.
• Der Dosierbereich 52 des ersten 50 und zweiten 70 Ausführungsbeispiels hält einen einfach aufgebauten, Kraft-abhängigen Zuteil- oder Dosiermechanismus bereit, welcher präzise in seiner Funktionsweise und billig in seiner Herstellung ist. Die gesamte Reaktionspatrone 20 ist in allen ihren Ausführungsbeispielen aus einem klaren Kunststoffmaterial, wie z.B. Acryl-V-8-11 durch Rohm und Hass, hergestellt. Die Dosiertechnik, die in diesem Aufbau beinhaltet ist, erfordert die Ausübung von Zentrifugalkraft, welche in ihrer Größe und nicht in ihrer Richtung abweicht.Deshalb kann das Dosieren einer präzisen Menge von Analysematerial ohne komplexe Maschinen erreicht werden. Der Dosierbereich 52 ist mit einem sich nach unten erstreckenden Ring 111 versehen, der einen Außendurchmesser aufweist, der gewählt wurde, um mit einem oberen Bereich eines jeden nachfolgenden Modulbereiches eine Preßpassung einzugehen.
• Der Dosierbereich 52 des bevorzugten Ausführungsbeispiels umfaßt eine ringförmige Fluiddosierkammer 100 mit einer zylindrischen Außenwand 102. Eine zylindrische Innenwand 104 ist mit der Außenwand 102 durch einen radialen Ringraum 106 verbunden, so daß eine Torus-förmige Kammer oder ein Sammelbecken 108 mit einem oben offenen Ende gebildet ist. Das zuvor beschriebene verschiebbare Dosierelement 70 weist einen im wesentlichen zylindrischen Körper auf, der konstruiert ist, um in einer Bohrung 110, die durch die Innenwand 104 gebildet ist, zu gleiten. Die Bohrung weist einen Durchmesser von 5,18 mm (0.204") auf, welcher geringfügig größer ist, als der Durchmesser 5,13 mm ( 0.202 ") des zylindrischen Körpers, so daß ein ringförmiger Spalt 112 von 0,0254 mm (0.0010") dazwischen gebildet ist.
• Ein Dichtmittel, wie am besten in Figuren 3-6A zu sehen ist, ist in dem Spalt vorgesehen, um das Dosierelement 70 in der in Figur 2A und 3 gezeigten Stellung zu halten, bis eine erste, vorbestimmte Zentrifugalkraft bereitgestellt wird. Wenn ausreichende Arbeit an der Dichtung bei einer gewählten Kraft ausgeübt worden ist, wird sich das Dosierelement von einer ersten Fluid-Sammelstellung, wie in Figuren 2A und 3 gezeigt, über eine Dichtstellung, wie in Figuren 4 und 6A gezeigt, in eine Fluidabgabestellung, wie in Figur 5 gezeigt ist, bewegen.
• Das Dosierelement 70 ist mit einem Dosierhohlraum 120 versehen, um eine genaue Menge (50 Mikroliter) der zentrifugierten Patientenprobe aus dem Dosierbereich 52 zu sammeln und in den nächsten angrenzenden Bereich, der daran angebracht ist, abzugeben. Wie am besten in Figuren 3-6A zu sehen ist, weist der Dosierhohlraum 120 eine gesamte Höhe 122 auf (gemessen entlang der Achse des zylindrischen Körpers des Dosierelementes), welche geringer ist als die gesamte Höhe 124, die durch die Innenwand 104 der Fluiddosierkammer 100 und dem Dichtmittel 114 in dem ringförmigen Spalt 112 abgedichtet ist. Siehe Figur 4. Das Dosierelement 70 ist mit einem vergrößerten Endbereich 126 versehen, um den maximalen Verschiebeweg des Dosierelementes 70, wie in Figur 5 gezeigt, zu begrenzen, so daß zumindest ein Bereich des Dosierhohlraums 120 sich unterhalb des radialen Ringraums 106 befindet. In dieser Weise wird dosiertes Fluid in den nächsten angrenzenden Bereich, wie in Figur 5 gezeigt, abgegeben.
• Der vergrößerte Endbereich 126 dient ebenfalls dazu, die Bohrung 110 abzudichten, um zu verhindern, daß dosiertes Fluid durch diese in den nächsten angrenzenden Bereich entweicht und um die Menge an überflüssigem Material zu begrenzen, das mit dem Dosierelement 70 von der ersten in die dritte Stellung überführt wird. Zu diesem Zwecke weist der vergrößerte Endbereich eine radiale, nach außen gerichtete Neigung von ungefähr 3 Grad auf. Das obere Ende der Hohrung 110 ist mit einer komplementären 3 Grad radial nach außen gerichteten Schräge versehen.
• Die Dosierkammer 120, wie in Figur 2-6A gezeigt, umfaßt eine Querbohrung, die in einem Winkel von ungefähr 20 Grad mit Bezug zur Achse des zylindrischen Körpers des Dosierelementes 70 geneigt ist. Die zylindrische Seitenwand der Querbohrung zusammen mit dem verschiebbaren Element, wenn dieses in der Dichtstellung, wie in Figur 4 gezeigt, sich befindet, begrenzen ein Volumen von ungefähr 50 Mikrolitern.
• Die geringe nach unten gerichtete Neigung der Querbohrung ist vorteilhaft, wenn Plasma von einer Gesamtblutprobe abgetrennt wird, wie am besten in Figur 3 zu sehen ist. Gesamtblut enthält Plasma, ein im wesentlichen klares Fluid und rote Blutzellen. Für verschiedene Tests ist es höchst wünschenswert, die gesamten Blutzellen von dem Plasma durch Zentrifugieren des Gemisches zu separieren. Wie am besten in Figur 3 zu sehen ist, wandern unter einer Zentrifugalkraft die gesamten Blutzellen in Richtung des radialen Ringraums 106 und werden in der Torus-förmigen Kammer oder dem Sammelraum 108 während der Drehung des Rotors 24 gefangen. Alle Blutzellen in der Querbohrung des Dosierhohlraums 120 werden dazu tendieren, aus dem Hohlraum zu wandern in der Richtung der Neigung in die Torus-förmige Kammer, wobei nur Plasma in dem Dosierhohlraum verbleibt.
• Für Anwendungen, die ein kleineres Volumen erfordern, (schätzungsweise 5 Mikroliter) kann der Dosierhohlraum die Form einer halbkugelförmigen Vertiefung 130, wie in Figur 6B gezeigt wird, annehmen. Die Vertiefung kann in dem Dosierelement 70 geformt sein, vorausgesetzt, daß die Höhe 122 der Vertiefung geringer ist als die gesamte Höhe 124, die durch die zylindrische Innenwand 104 und das Dichtmittel 114 abgedichtet ist. Mindestens ein Bereich der Vertiefung muß unterhalb des radialen Ringraums 106 angeordnet sein, wenn der vergrößerte Bereich 126 mit der Bohrung 110 in Berührung steht.
• Figur 6C zeigt eine alternative Dosierelementausführung 131 mit einer Umfangschulter 132. Die Umfangschulter weist eine Länge und einen Durchmesser auf, der derart gewählt ist, daß eines Volumens einer Flüssigkeit V, das zum Dosieren begrenzt ist durch die Fläche zwischen der Schulter, der Dichtung und der Bruchlinie der Dichtung gemäß : V = π x l x (Do² - Do²)/4. Die Schulter 122 kann in ihrer Länge (axial) variieren, um das Volumen V zu verändern. Dieses Ausführungsbeispiel kann verwendet werden, um sämtliche Blutzellen von Plasma durch Beseitigen der Torus-förmigen Kammer 108 und Wählen der Länge der Schulter 122 derart, daß l geringer ist als die voraussichtliche Höhe des gesamten Blutzellenvolumens, zu dosieren.
• Wie am besten in Figur 2C zu sehen ist, wird eine Patientenprobe in den Dosierbereich 52 durch eine Endkappe 134 mittels einer flexiblen Dichtung 136 an deren Rand eingeführt. Die Endkappe weist einen Außendurchmesser auf, der derart gewählt ist, um eine Preßpassung mit der Innenseite der zylindrischen Außenwand 102 der Fluiddosierkammer 100 bereitzustellen. Die Endkappe ist mit transversalen, gegenüberliegenden Ohren versehen, welche die Reaktionspatrone 20 in Befestigungen an dem Rotor 24 führen, wie in Figur 1 zu sehen ist.
• Die Auswahl, Anwendung und Zusammensetzung des Dichtmittels 114 sowie die Masse des Dosierelementes 70 und der Aufbau der angrenzenden Dichtfläche sind sehr wichtig für die zuverlässige und vorhersagbare Funktionsweise des Dosierbereichs 52 und der Zentrifugal-abhängigen Öffnungsventile 74 und 78, wie unten beschrieben.
• In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 50, wie in Figuren 3- 6A gezeigt, weist die Bohrung 110, die durch die Innenwand 104 geformt ist, eine Höhe von ungefähr (0.287")0.729 cm und einen Innendurchmesser von (0.204") 0,518 cm auf, so daß eine Dichtfläche von ungefähr 1,183 cm² bereitgestellt ist. Das verschiebbare Element 70 weist einen Außendurchmesser von ungefähr 5,13 mm (0.202") über ungefähr zwei Drittel seiner gesamten Länge auf. Der ringförmige Spalt, der zwischen dem Dosierelement 70 und der Bohrung 110 geformt ist, ist deshalb ungefähr 0,0254 mm (0.0010") breit. Mindestens ein Bereich der Dosierkammer 120 muß sich unterhalb des oberen Endes 105 von der Innenwand 104 erstrecken, so daß der Dosierhohlraum zu Dosierkammer 100 hin offen ist, welche das zu dosierende Fluid beinhaltet.
• Die Reaktionspatrone 20 ist auf dem Rotor 24 derart angeordnet, daß der Schwerpunkt des Dosierelementes ungefähr 44,55 mm (1.754") von der Drehachse 26 angeordnet ist. Nach Erreichen einer Drehzahl von 5,059 Umdrehungen pro Minute wird das Dosierelement 70 und das dosierte Fluid, das sich in dem Dosierhohlraum 120 befindet, (zusammen mit einer Masse von schätzungsweise 0,34 g (0.34 gm) eine Zentrifugalkraft erfahren von ungefähr 1,454 x der Erdbeschleunigung (Gs) oder 4,224 N (422,400 dynes) gemäß der Formel Fc= mV²/R, wobei Fc die Zentrifugalkraft ist, die von dem Dosierelement 70 erfahren wird, m die kombinierte Masse des Dosierelements und des dosierten Fluids in dem Dosierhohlraum 120 ist, V die lineare Geschwindigkeit des Dosierelementes und R der radiale Abstand des Dosierelementes von der Drehachse ist. Das Dichtmittel wird abgeschert, wie in Figur 6A gezeigt, wenn eine Zusammenssetzung von 75 % Ultraflex-synthetisch verzweigt kettiges Kohlenwasserstoffpolymer (verfügbar von Petrolite Corporation, Petrolite Specialty Polymers Group, 6910 East Fourteenth Street, P.C. Drawer K, Tulsa, Oklahoma 74112) und Mineralöl (verfügbar von Squibb Corporation, P.O. Box 4,000, Princeton, New Jersey 08540) verwendet wird, und wenn die Zentrifugalkraft über einen geeigneten Zeitraum ausgeübt wird. Diese Zusammensetzung und die oben beschriebene Geometrie ergeben eine Scherfestigkeit von 3,82 N/cm² (382,000 dynes/cm²) wie in dem Graph in Figur 11 gezeigt ist. Die Öffnungskraft , die erforderlich ist, um die Dichtung zu zerstören, ist ein Produkt der Scherkraft und der abgedichteten Fläche (1.183 cm²). Scherkräfte von anderen Zusammensetzungen sind ebenfalls gezeigt.
• Der Graph der Scherkraft , der in Figur 11 gezeigt ist, beschreibt , die Dichtmaterial-Scherkraft für verschiedene Gemische, wenn eine momentane Kraft aufgebracht wird. Die tatsächliche Schercharakteristik des Materials ist eine Funktion der Kriechdehnung des Materials. Deshalb wird die Wirkung der Zentrifugalkraft auf das Dosierelement 70 und die Öffnungsventile 74,76 aufsummiert, wobei diesem Rechnung getragen werden muß. Die Größe der Kraft, die erforderlich ist, um die Dichtung an dem Dosierelement 70 als Funktion der Zentrifugalkraft (Rotordrehzahl) und Zeit zu brechen, ist in Figur 13 gezeigt. In diesem Beispiel repräsentiert die Linie 144 die minimale Größe der Kraft, welche aufgebracht werden muß, um die Dichtung gemäß : Bruchkraft = Fc x t dt, zu brechen. Wie ersichtlich wird von dem Graph, nähert sich die Linie 144 asymptotisch der Zeitachse. Aus diesem Grund muß die Bruchkraft (Zentrifugalkraft, die über eine Zeitdauer aufgebracht wird) bei einer Zentrifugalkraft (repräsentiert durch die Rotordrehzahl) oberhalb einer bestimmten Größe ( ungefähr 1600 min&supmin;¹(1600 rpm) aufgebracht werden. Zum Beispiel wird während der Trennung von Plasma von dem Gesamtblut die Patrone 20 für 180 sec bei 2250 min&supmin;¹ (2250 rpm) zentrifugiert. Die Größe der Arbeit, die an der Dichtung verrichtet wird, wird durch die gestrichelte Fläche I in Figur 13 repräsentiert und ist nicht ausreichend, um die Dichtung zu brechen (z.B. sie ist geringer als das Produkt der ausgeübten Zentrifugalkraft und Zeit , die durch die Koordinaten auf der Linie 144 gekennzeichnet ist). Die Drehzahl des Rotors wird schnell auf 3500 min&supmin;¹ (3500 rpm) erhöht, um die Dichtung zu brechen. Wie durch die schraffierte Fläche II gezeigt, braucht die Patrone nur eine Drehung bei höherer Drehzahl für wenige Sekunden bei der Summe der schraffierten Flächen I und II ausgesetzt zu sein, um das Produkt der Kraft und Zeitkoordinaten bei 3500 min&supmin;¹ (3500 rpm), wie durch Linie 141 gekennzeichnet, zu überschreiten. Deshalb kann die Patrone für alle Drehzahlen oberhalb des Asymptotenwertes von 1600 min&supmin;¹ (1600 rpm) niedrigeren Drehzahlen ausgesetzt sein (z.B., um Plasma von Gesamtblut zu trennen oder um die Dichtung vorzubereiten für schnelle Öffnung) ohne die Dichtung zu brechen, wenn das Produkt der ausgeübten Kraft (Drehzahl in Fig. 11) und Zeit geringer ist als das Produkt der Koordinaten auf Linie 144 bei derselben Drehzahl.
• Wie ersichtlich wird von der obigen Beschreibung muß die Vorbehandlungswirkung der Zentrifugendrehzahl, um eine erste Dichtung zu öffnen, in Betracht gezogen werden beim Bestimmen der Größe der Arbeit, die zum Öffnen jeder nachfolgenden Dichtung erforderlich ist. Zum Beispiel verwendet eine HDL- Cholesterintestpatrone (Fig. 14) zwei Dosierbereiche in Serie. Das Dosierelement des ersten Bereiches weist ein 50 Mikroliter Volumen auf, während das Dosierelement des zweiten Bereiches 52' ein 15 Mikroliter Volumen aufweist.
• Der zweite Bereich 52' weist ein Dosierelement 70' mit einer Masse von 0,139 g (0.139 gm) und einen Durchmesser von 3,4 mm (0.134") auf. Die Bohrung 110' weist einen Durchmesser von 3,53 mm (0.139") und eine Länge von 4,572 mm (0.180") auf, so daß ein Ringspalt erzeugt ist, der einen Spaltabstand von 0,0635 mm (0.0025") begrenzt. Ein 100% Ultraflexgemisch wird in dem Spalt verwendet. Das Dosierelement 70' weist einen Schwerpunkt auf, der ungefähr 7,8 cm von der Drehachse 26 entfernt angeordnet ist, so daß die Dichtung scheren wird, wenn eine Drehzahl von 4100 min&supmin;¹ (4100 rpm) 1,348 G (1,348 Gs) für 45 Sekunden gehalten wird nachdem der erste Bereich 70 bei 2250 min&supmin;¹ (2250 rpm) für 3 Minuten und 3500 min&supmin;¹ (3500 rpm) für ungefähr 3 Sekunden zentrifugiert worden ist. Bei HDL-Bestimmungen ist der zweite Bereich mit einem Dextransulfat (20 Mikrometer) gefüllt. Der zweite Bereich ist mit einem ringförmigen Sammelraum 108' versehen, um das Probenreagenzgemisch von einem resultierenden Niederschlag zu trennen. Eine photometrische Kammer 92 ist mit einem zweiten Bereich 42' verbunden und beinhaltet 300 Mikroliter eines Cholesterinreagenz.
• Wie obenerwähnt, verwendet der zweite Bereich ein Dichtungsgemisch von 100% Ultraflex. Linie 146 aus Fig. 13 repräsentiert die Bruchkraft oder Arbeit, die erforderlich ist, um die Dichtung im zweiten Bereich zu scheren. Um vorzeitigen Bruch der Dichtung zu verhindern, darf die gesamte Größe der Kriechdehnung, die durch den Bruchvorgang der ersten Dichtung im ersten Bereich herbeigeführt wurde (die Summe der gestrichelten Flächen I und II), nicht die Bruchkraft überschreiten, um die zweite Dichtung zu öffnen. Die gesamte Bruchkraft oder Arbeit ist ein Produkt der Koordinaten der Linie 146 bei 6500 rpm. Um die zweite Dichtung zu öffnen, braucht lediglich die Bruchkraft, die durch die gestrichelte Fläche III repräsentiert wird, zu der Bruchkraft, die bereits ausgeübt worden ist und durch die gestrichelten Flächen I und II repräsentiert wird, hinzuaddiert werden.
• Die Verwendung von Hochgeschwindigkeitsdrehzahlen von über 3000 rpm, um die abschließende Größe der Bruchkraft hinzuzufügen, die notwendig ist, um eine Dichtung zu scheren, ist wünschenswert, um Herstellungstoleranzen des Dichtungsaufbaus und der Dichtungszusammensetzung zu kompensieren. Die Flächen, die durch die Linien 144, 148 und 146, 149 begrenzt sind, repräsentieren die Herstellungsvariabilität des Dichtungsaufbaus. Bei höheren Drehzahlen sind die Arbeitskurven einer Herstellungsvariabilität von ungefähr 3 Sekunden bei einer gegebenen Drehzahl ausgesetzt. Bei niedrigen Drehzahlen (Drehzahlen geringfügig über der Schwellenöffnungsdrehzahl von 1600 min&supmin;¹ (1600 rpm) für das 75%-25% Gemisch) ist die Herstellungsvariabilität in der Größenordnung von vielen Minuten aufgrund der asymptotischen Form der Kurve in den unteren Drehzahlbereichen.
• Die Weise in welcher das Dichtungsmaterial 144 schert ist ebenfalls wichtig. Wie in Fig. 6A gezeigt, tendiert das Dichtungsmaterial dazu in ein inneres torusförmiges Segment 140, das mit dem unteren Bereich des Dichtungselementes 70 verbunden ist, und in ein äußeres torusförmiges Segment 142, das mit der Bohrung 110 verbunden ist, zu scheren. Das Zurückhalten von mindestens einem Bereich der Dichtung durch die Bohrung 110 ist besonders wichtig, so daß die offenen Enden der Dosierkammer 120 abgedichtet verbleiben, wenn das Dosierelement 70 in der abgedichteten Stellung, wie in Fig. 4 gezeigt, sich befindet. Auf jeden Fall können unterschiedliche Fließkräfte für die Dichtung 110 bereitgestellt werden, durch Verändern der Oberfläche der angrenzenden Flächen.
Beschreibung der Öffnungsventile
• Das erste und zweite fliehkraftabhängige Öffnungsventil 74 und 78 in dem ersten und zweiten Reaktanzbereich arbeitet nach den ähnlichen Prinzipien wie das Dosierelement 70 in dem Dosierbereich 52.
• Vergrößerte Schnittansichten des ersten beschleunigungsabhängigen Öffnungsventils sind in Fig. 7 und 8, entsprechend in der geschlossenen und offenen Stellung gezeigt. Eine vergrößerte Schnittansicht, die sowohl eine Scherdichtung 150 als auch eine Zugdichtung 152 zeigt, sind am besten in Fig. 9 zu sehen. Das erste Öffnungsventil 74 weist einen zylindrischen Ventilkörper 154 mit einem Durchmesser von ungefähr 2,743 mm (0.108") auf, welcher in einer Bohrung 156 mit einem Durchmesser von ungefähr 2,794 mm (0.110") angeordnet ist. Die Bohrung 156 befindet sich im Basisteil des ersten Reaktanzbereichs 54. Dieser Unterschied im Durchmesser formt einen ringförmigen Spalt zwischen dem zylindrischen Körper 154 und der Bohrung 156 mit einer Dicke von ungefähr 0,051 mm (0.002"). Die Bohrung weist eine Höhe von ungefähr 2,464 mm (0.097") auf, um eine Dichtfläche von ungefähr 0,034 cm² zu formen. Das Öffnungsventil 74 weist ebenfalls einen Fußbereich auf, der sich radial von dem zylindrischen Körper erstreckt. Der Fußbereich stellt eine radiale Dichtfläche 160 bereit, die gegen eine gegenüberliegende radiale Dichtfläche 156 am Ende der Seitenwand, welche von der zylindrischen Bohrung geformt ist, drückt. Die Zwischenschicht zwischen der radialen Dichtfläche 160 und 162 ist mit dem Dichtmittel 152 gefüllt. Das erste Öffnungsventil 74 weist ebenfalls eine Randschürze 164 auf, die angepaßt ist, um Flüssigkeit, die das geöffnete Ventil, wie in Fig. 8 gezeigt, verläßt, radial auszuströmen.
• Das erste Öffnungsventil 74 ist konstruiert, um bei einer zweiten Fliehkraft (erreicht bei ungefähr 6200 min&supmin;¹ (6200 rpm)) zu öffnen, die größer ist als die erste Fliehkraft (erreicht bei ungefähr 5050 min&supmin;¹ (5050 rpm)), welche durch das Dosierelement 70 in dem Dosierbereich 52 ausgeübt wird. Um diese Ausführung zu erreichen weisen das erste Öffnungsventil mit der Umfangsschürze und dem "Kopf" der darüber angeordneten Flüssigkeit in dem ersten Reaktionsbereich eine kombinierte Masse von ungefähr 0,108 g (0.108 gm) auf. Alternativ kann die Masse erhöht werden und das Verhältnis von Ultraflex zu Mineralöl wird als 83,3% zu 16,5% gewählt, um die erforderliche Öffnungskraft von 0,622 N/m² (622 dynes/cm²) auszuüben. Der ungefähre Schwerpunkt des Ventils ist 7,2 cm von dem Drehmittelpunkt 26 des Rotors 24 angeordnet, um eine gesamte Fliehkraft von 3,228 mal der Gewichtskraft bei einer zweiten Öffnungsdrehzahl von 6200 min&supmin;¹ (6200 rpm) bereitzustellen. Die gesamte Öffnungskraft, die notwendig ist, um das zweite Öffnungsventil zu öffnen wird wie oben beschrieben für das zweite Dosierelement 70 berechnet.
• Das zweite Öffnungsventil 58 ist identisch mit dem ersten Öffnungsventil 74 mit Ausnahme, daß das zweite Öffnungsventil keine Umfangsschürze 164 aufweist und deshalb eine geringere kombinierte Masse von 0,065 g (0,065 gm) (Ventil und Flüssigkeitskopf) bei identischer Geometrie aufweist. Dieses Ventil befindet sich in einem radialen Abstand von ungefähr 8,4 cm von der Achse 26 des Rotors 24 und ist konstruiert, um Flüssigkeitsbestandteile des zweiten Reaktionsbereichs 56 bei einer Drehzahl von ungefähr 7400 min&supmin;¹ (7400 rpm) zu öffnen. Die Dichtfläche des zweiten Ventils ist die gleiche wie für das erste Ventil (0,167 cm²). Wie obenerwähnt ist der Schwerpunkt des zweiten Ventils ungefähr 8,4 cm vom Drehmittelpunkt entfernt angeordnet, welcher eine Kraft von 5100 G (5100 Gs) bei einer Drehzahl von 7400 min&supmin;¹ (7400 rpm) ausüben wird, um das zweite Ventil zu öffnen und die Bestandteile des zweiten Reaktanzbereichs in den photometrischen Analysebereich 58 abzugeben. Alternativ kann die Masse des zweiten Öffnungsventils erhöht werden, und das Verhältnis von Uniflex und Mineralöl kann erhöht werden auf 90,2% zu 9,8% für dieselbe Dehnfestigkeit von 0,982 N/m² (982 dynes/cm²).
• Die photometrische Analysekammer ist am besten in den Fig. 11A und 11B zu sehen. Für verschiedene biologische Tests wird der photometrische Analysebereich 58 mit mehreren nicht vermischbaren Fluidschichten gefüllt, welche spezifische Dichten aufweisen, die unterschiedlich sind von der Flüssigkeit, die durch den zweiten Reaktanzbereich abgegeben wurde. Die Zwischenschicht zwischen diesen Flüssigkeiten formt eine Oberflächenspannungsbarriere, welche durch das Enzymkonjugat durchdrungen werden muß, welches mit Bromstyrol-Latexkugeln mit einer spezifischen Schwere von ungefähr 1,45 und einem Durchmesser von ungefähr einem Mikrometer in Berührung kommt. Bei ungefähr 4000 min&supmin;¹ (4000 rpm) und einem radialen Abstand von ungefähr 88,9 mm (3.5") würde ein Konzentration von lediglich ungefähr 100000 Kugeln notwendig sein, um eine ausreichende "Masse" zu formen, um durch die Zwischenschicht zwischen den beiden Flüssigkeiten hindurchzutreten.
• Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen dient der Akkumulator 82 dazu, um Kugeln in einem vertikalen Feld mit einer ausreichenden Höhe zu sammeln, so daß eine Gesamtmasse von 60 bis 120 Millionen Kugeln an der Zwischenschicht präsent sind. Der Akkumulator 82 umfaßt eine Scheibe mit einem Durchmesser 170, der geringfügig geringer ist als der Innendurchmesser (ungefähr 10,2 mm (0, .402")) des photometrischen Analysebereichs 58. Die Scheibe definiert einen Trichter mit einer im wesentlichen expotentiellen Neigung, welcher in einem kleinen Durchmesser (maximaler Durchmesser 0,0254 mm (0.001") bis 7,62 mm (0.30")) einer Öffnung endet. Wie in der Fig. 11B gezeigt füllt eine Waschflüssigkeit 166 den photometrischen Analysebereich 58, so daß die obere Höhe 178 angrenzend des kleinsten Durchmessers 174 des Trichters 172 angeordnet ist. Die steile Neigung der Trichterwand, kombiniert mit der ausgeprägten Krümmung des Meniskusses der Flüssigkeiten, formt eine Zwischenschicht zwischen der Trichterwand und dem Fluidmeniskus mit einem stumpfen Winkel. Diese Einmündung erschwert den Transport der Kugeln 180 durch die Zwischenschicht zwischen den Flüssigkeiten nicht und begrenzt Flüssigkeitsturbulenzen. Die Kugeln können somit zu einer ausreichenden Masse wie oben beschrieben anwachsen, um durch den Meniskus hindurchzudringen und in das distale Ende 48 des photometrischen Bereichs einzutreten. Die Masse der Partikel ermöglicht den Partikeln durch die Flüssigkeitsschichten sich schnell hindurchzubewegen. Zusätzlich verhindert die kleine Öffnung des Akkumulators das die unvermischbaren Flüssigkeiten in jede andere Stellung mit verschiedenen Orientierungswechseln sich bewegt. Dieser Aufbau ermöglicht einer zusätzlichen wäßrigen Lösung auf dem oberen Bereich des Akkumulators angeordnet zu werden, ohne der Möglichkeit, sich mit der wäßrigen Schicht, die in den beiden unvermischbaren Schichten eingeschlossen ist, in anderen Lager- oder Transportorientierungen sich zu vermischen. Dieses Ergebnis ist erreicht, durch die Oberflächenspannung und Kapillarkräfte, die durch die unvermischbare Flüssigkeit und die Geometrie des Akkumulators geformt sind.
• Die oben beschriebene Reaktionspatrone 20 stellt in jeder der bevorzugten alternativen Ausführungsbeispiele einen einfachen Aufbau zum Durchführen von präzisen Probendosierungen und anschließenden Reaktanzmischungen in einem wirtschaftlichen Aufbau bereit.
• Die Dichtung in der Verbindungsstelle zwischen dem Dosierelement 70 und den kraftabhängigen Öffnungsventilen 74 und 78 und den umgebenden Dichtflächen wird durch zeitweiliges Befestigen des bewegbaren Elementes bezüglich der umgebenenden Dichtflächen, so daß der Spaltabstand dazwischen minimiert ist, Erhitzen des Aufbaus bis ungefähr 85ºC und Einführen einer kleinen Menge von geschmolzenen (85ºC) Dichtmaterial in den Spalt, der dazwischen geformt ist, gebildet. Das geschmolzene Dichtmittel wird in den Spalt durch Kapillarwirkung und Oberflächenspannung fließen.
• Die Teile werden in ihren entsprechenden Stellungen bis das Dichtmittel und Teile auf Raumtemperatur abgekühlt sind in einer Montageschablone (nicht gezeigt) oder ähnlichem gehalten, wie bestens verstanden wird bei Durchschnittsfachleuten auf diesem Gebiet.
• Die Öffnung der Dichtungen wird ausschließlich durch das Verhältnis von Ultraflexdichtmittel zu Mineralöl, der Geometrie der Zwischenschichtdichtflächen und der Masse der bewegten Teile kontrolliert. Deshalb ist die Erfindung zugänglich für viele Konstruktionsvariationen. Zum Beispiel kann die Scherdichtung 150 und Zugdichtung 152, wie in Fig. 9 gezeigt, erreicht werden durch eine kombinierte Geometrie, in welcher eine einfache Zwischenfläche bei einem Winkel von 45 Grad bezüglich der Richtung der Öffnungskraft angeordnet ist. Bei dieser Geometrie würden die Scher- und Zugkräfte proportional geteilt werden. Durch Verändern der Zwischenschichtenfläche, so daß diese mehr parallel zur Öffnungskraft ist, würden die Schercharakteristiken der Dichtung über die Zugcharakteristiken dominieren. Umgekehrt würden, wenn der Dichtungszwischenschichtaufbau mehr transversal zur Richtung der Öffnungskraft ausgerichtet würde, die Zugcharakteristik der Dichtung bedeutender werden als die Schercharakteristik.
• Die Technik, die in der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels beinhaltet ist, ist deshalb zugänglich für verschiedene geometrische Interpretationen als Wahlweise für eine Durchschnittsfachperson auf diesem Gebiet.
• Darüber hinaus erlaubt die modulare Natur der Dosier-, Reaktanz- und photometrischen Analysebereiche verschiedene Verbindungen, welche ebenfalls bestens in der Fähigkeit einer Durchschnittsfachperson auf diesem Gebiet liegen. Zum Beispiel können, wie in Fig. 10 gezeigt, verschiedene Bereiche in einem parallelen Aufbau 200 angeordnet werden, worin Freigeben des dosierten Fluids und Reaktanz in eine gemeinsame Reaktionskammer gewünscht ist.
• Mit Hinblick auf das Obige, ist die Erfindung nicht auf die obige Offenbarung beschränkt, jedoch ist diese auf den Bereich der Ansprüche, die nachfolgen, beschränkt.

Claims (15)

1. Fliehkraft abhängige Fluiddosiervorrichtung zum Verwenden mit biologischen Testpatronen (20), umfassend:

eine Fluiddosierkammer (100) zum Aufnehmen des zu dosierenden Fluids; und

ein verschiebbares Dosierelement (70), das eine vorbestimmte Masse aufweist und einen in ihm angeordneten Dosierhohlraum (120) zum Dosieren einer genauen Menge von Analysematerial begrenzt, wobei das Dosierelement (70) in der Fluiddosierkammer von einer Dichtstellung in eine Abgabestellung bewegbar ist;

worin

das verschiebbare Dosierelement (70) verschiebbar in der Fluiddosierkammer (100) gehaltert ist, um die genaue Menge von Analysematerial in dem Fluid zu dosieren und um dabei von einer ersten Sammelstellung über eine zweite Dichtstellung in eine dritte Abgabestellung bewegbar zu sein; wobei

die Dosierkammer (100) an ihrem unteren Bereich eine Dichtfläche aufweist, die an das Dosierelement (70) gleitend derart angrenzt, um eine vorbestimmte Lücke dazwischen zu definieren und um dem Dosierhohlraum zu ermöglichen, das Fluid abzugeben, wenn das Dosierelement in der dritten Abgabestellung ist; wobei

die Dichtfläche eine Gesamtlänge (124) in der Gleitrichtung aufweist, welche größer ist, als die Gesamtlänge (122) des Dosierhohlraumes (120) in der Gleitrichtung, um dem Dosierhohlraum (120) zu ermöglichen, mit Fluid gefüllt zu werden, wenn das Dosierelement (70) in der ersten Sammelstellung ist, und um den Dosierhohlraum (120) komplett zu umschließen, wenn das Dosierelement (70) in der zweiten Dichtstellung ist; wobei

ein Dichtmaterial (114) in dem Spalt (112) zwischen dem Dosierelement (70) und der Dichtfläche angeordnet ist, um im wesentlichen einen Fluidaustausch zwischen der Dicht- und Fluidabgabestellung mit Ausnahme der dosierten Fluidmenge zu verhindern, wobei das Dichtmaterial (114) eine vorgewählte Scherfestigkeit aufweist, und wobei das Dosierelement (70) von der Dicht- zu der Fluidabgabestellung nur aufgrund Ausübens einer ersten vorbestimmten Fliehkraft auf dieses in einer vorbestimmten Richtung, die durch die Dicht- und Fluidabgabestellung definiert ist, gleitet; und wobei

das Dichtmaterial (114) im wesentlichen einen Fluidaustausch zwischen der ersten Fluidsammel- und der dritten Fluidabgabestellung mit Ausnahme der dosierten Fluidmenge verhindert, wobei das Dosierelement (70) von der ersten zu der dritten Stellung nur aufgrund Ausübens einer ersten vorbestimmten Fliehkraft auf dieses in einer vorbestimmten Richtung, die durch die erste, zweite und dritte Stellung definiert ist, gleitet und wobei eine Zusatzdichteinrichtung zum Dichten der Fluiddosierkammer vorgesehen ist, wenn das Dosierelement in der dritten Fluidabgabestellung ist

2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, die eine Anschlageinrichtung (126) zum Verhindern, daß das Dosierelement (70) aus der Dosierkammer (100) über die dritte Abgabestellung hinaus verschiebbar ist, umfaßt.

3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 2, worin das Dosierelement (70) einen im wesentlichen längszylindrischen Körper aufweist, worin der Dosierhohlraum (120) in der Seite des Körpers angeordnet ist, worin die Dichtfläche in der Fluiddosierkammer (100) im wesentlichen eine Zylinderoberfläche von größerem, im wesentlichen konstanten Durchmesser als der des Dosierelementkörpers ist, so daß der Spalt (112) ringformig ausgebildet ist und derart angeordnet ist, daß der Dosierkörper und die Dichtflache eine Achse definieren, die mit der vorbestimmten Richtung fluchtet, und worin die Zusatzdichteinrichtung (126) eine Vergrößerung an einem Ende des Dosierelementes umfaßt, um die Bohrung abzudichten, wenn das Dosierelement (70) die dritte Abgabestellung einnimmt.

4. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, die angepaßt ist, um zum Dosieren eines genauen Volumens von Plasma einer gesamten Blutprobe, die in die Dosierkammer (100) eingefüllt ist, geeignet zu sein, und die einen Blutzellensammelraum (108) am Rand umfaßt, der in der Dosierkammer (100) unterhalb des Dosierhohlraumes (120) in der Richtung der vorbestimmten Fliehkraft angeordnet ist, worin der Dosierhohlraum (120) eine Querbohrung ist, die sich durch den zylindrischen Dosierkörper in einem spitzen Winkel bezüglich der Achse der Dosierkammer (100) erstreckt, wobei sämtliche Blutzellen in der Dosierkammer (100) und in dem Dosierhohlraum (120) in dem Blutzellensammelraum (108) aufgrund Ausübens einer Fliehkraft in axialer Richtung gesammelt werden, wobei nur Blutplasma in der Dosierkammer (100) zurückbleibt, welches aufgrund Ausübens einer vorbestimmten Fliehkraft abzugeben ist.

5. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, worin der Dosierhohlraum (120) eine im wesentlichen hemisphärische Vertiefung (130) ist.

6. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, worin das Dichtmaterial (114) ausreichend nachgiebig ist, um sich nach Scherung selbst abzudichten, und worin das Dichtmaterial (114) eine geringere Scherfestigkeit als seine Haftfestigkeit aufweist.

7. Dosiervorrichtung nach Anspruch 6, worin die Spaltbreite ungefähr 0,0635 mm (0.0025'') beträgt, worin die Fläche der Dichtfläche, die an das Dosierelement (70) angrenzt ungefähr 1,133 cm² beträgt, worin die Scherfestigkeit des Dichtmaterials in dem Spalt ungefähr 3,82 N/cm² (382 dynes/cm²) beträgt und worin das Dosierelement (70) und das in dem Dosierhohlraum (120) aufgenommene Fluid eine gemeinsame Masse von ungefähr 0,34g (0.34 gm) aufweisen und worin das Dosierelement (70) von der ersten Fluidsammel- zu der dritten Fluidabgabestellung aufgrund Ausübens einer Fliehkraft von ungefähr 1454 g (1454 gravities) in der vorbestimmten Richtung gleitet.

8. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die eine erste Reaktionskammer (54) zum Aufnehmen eines ersten Reaktionsfluids (72) umfaßt, die derart verbunden ist mit und axial angeordnet ist bezüglich der Dosierkammer (100), um dosiertes Analysematerial von dieser aufzunehmen, wobei die Reaktionskammer (54) ein fliehkraftabhängiges Öffnungsventil (74) aufweist, das eine Öffnungseinrichtung zum Öffnen des Öffnungsventils (74) bei einer zweiten vorbestimmten Fliehkraft aufweist, die größer ist als die erste vorbestimmte Fliehkraft.

9. Dosiervorrichtung nach Anspruch 8, worin das fliehkraftabhängige Öffnungsventil (74) einen zylindrischen Ventilkörper (154) aufweist, der eine vorgewählte Masse aufweist und zwischen einer offenen und geschlossenen Stellung in einer axial ausgerichteten Bohrung (156), die durch die Reaktionskammer (54) definiert ist, hin- und herbewegbar ist, und daß ein Dichtmaterial (150) mit einer zweiten vorbestimmten Scherfestigkeit in einem ringförmigen Spalt zwischen dem zylindrischen Ventilkörper (154) und der Bohrung (156) vorgesehen ist, wobei das fliehkraftabhängige Öffnungsventil (74) geöffnet wird und den Inhalt der Reaktionskammer (54) aufgrund der zweiten vorbestimmten Fliehkraft abgibt.

10. Dosiervorrichtung nach Anspruch 9, worin das fliehkraftabhängige Öffnungsventil (74) einem Zugkraftöffnungsaufbau mit einer radial ausgerichteten Dichtfläche, die sich von der Bohrung (156) erstreckt, einem radial sich erstreckenden Fuß (160), der mit dem zylindrischen Ventilkörper (154) verbunden ist, und einem Dichtmaterial (152) mit einer vorgewählten Zugfestigkeit zwischen der radial ausgerichteten Dichtfläche und dem Fuß (160) umfaßt.

11. Dosiervorrichtung nach Anspruch 10, worin der radial sich erstreckende Fuß (160) eine kegelstumpfförmige Schürze (164) am Rand aufweist, die sich von diesem erstreckt, um den Inhalt der ersten Reaktionskammer (54) in radialer Richtung nach außen zu verteilen.

12. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, die eine zweite Reaktionskammer (56) zum Aufnehmen einer zweiten Reaktionsflüssigkeit (76) umfaßt, die derart verbunden ist mit und axial angeordnet ist bezüglich der ersten Reaktionskammer (54), um reagiertes Analysematerial, das von der ersten Reaktionskammer (54) ausgeteilt wird, aufzunehmen, wobei die zweite Reaktionskammer ein fliehkraftabhängiges Öffnungsventil (78) aufweist, das eine Öffnungseinrichtung zum Öffnen des Öffnungsventils (78) bei einer dritten vorbestimmten Fliehkraft aufweist, die größer ist, als die erste und zweite vorbestimmte Fliehkraft.

13. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die eine photometrische Analysekammer (58) umfaßt, die mit der Dosierkammer (100) verbunden ist, um dosiertes Analysematerial für eine photometrische Analyse in einer Flüssigkeit (166) aufzunehmen, die in der photometrischen Analysekammer (58) enthalten ist, wobei die photometrische Analysekammer (58) weiterhin eine Akkumulationseinrichtung (82) zum Konzentrieren der Populationsdichte von Partikeln über einer Fluidgrenzfläche in der photometrischen Analysekammer (58) umfaßt, um die Bewegung der Partikel über einen Fluidmeniskus zu fördern, der an der Fluidgrenzfläche durch die Fliehkraft geformt ist.

14. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, die eine zweite Dosiervorrichtung umfaßt, die in Reihe damit verbunden ist.

15. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, worin das Dosierelement eine Vergrößerung an einem Ende aufweist, um die Fluiddosierkammer abzudichten, wenn das Dosierelement die dritte Abgabestellung erreicht.