DE3038017A1

DE3038017A1 - Diffusionsschalter

Info

Publication number: DE3038017A1
Application number: DE19803038017
Authority: DE
Inventors: Bruce J. Mishawaka Ind. Oberhardt
Original assignee: Technicon Instruments Corp
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1979-01-31
Filing date: 1980-01-30
Publication date: 1981-06-11
Also published as: JPH01308965A; JPH0370183B2; US4288228A; FR2448151B1; CA1140775A; DE3038017C2; JPS55132955A; GB2042721A; DE3003189C2; GB2042721B; JPH0131140B2; IT8067149A0; IT1133057B; FR2448151A1; DE3003189A1

Description

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TECHNICON INSTRUMENTS CORPORATION, Tarrytown, N.Y. VStA

Diffusionsschalter

Die Erfindung betrifft einen Diffusionsschalter, der beispielspeise zur raschen Gewinnung eines aliquoten Teils einer flüssigen Komponente einer Gesamtblutprobe dienen kann, wobei ein genauer aliquoter Teil durch eine sorgfältig gesteuerte gegenseitige Diffusion zwischen den porösen Medien über einen Schalter für eine Molekulardiffusion erhalten wird. Der Molekularschalter, bewirkt eine zeitlich genau gesteuerte Diffusion von Substanzen von einem Medium zum andern, so daß ein bestimmter Betrag (aliquoter Teil) von Material genau überführt werden kann. Der Molekularschalter besteht aus einer undurchlässigen Schicht, die als Barriere oder Isolierungsmittel zwischen den beiden porösen· Medien dient. Vorzugsweise ist die undurchlässige Schicht ein unmischbares Fluid (d.h. ein Gas oder eine Flüssigkeit), das leicht aus dem Raum zwischen den porösen Medien entfernt und anschließend wieder dazwischengeschaltet werden kann.

Wenn beispielsweise die diffundierende Substanz oder die diffundierenden Substanzen in einem wäßrigen Lösungsmittel vorhanden ist bzw. sind, kann eine hydrophobe Substanz als unmischbare Barrieren- oder Sperrflüssigkeit verwendet werden. Wenn die diffundierende Substanz bzw. die diffundierenden -Substanzen hydrophob ist bzw. sind, kann als Barrieren- bzw. Sperrflüssigkeit eine hydrophile Substanz verwendet werden,

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung von Mitteln zum genauen Steuern der Diffusion einer Substanz zwischen zwei Medien sowie -zum Erhalt eines aliquoten Teils einer Substanz durch zeitlich gesteuerte Diffusionsverfahren.

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Gegenstand der Erfindung ist der in Anspruch 1 gekennzeichnete Diffusionsschalter.

Gemäß der Erfindung wird also eine zeitgesteuerte Diffusion auf genauere Weise erzielt als dies bisher bekannt xirar, indem man einen Schalter oder ein Ventil für eine Molekulardiffusion verwendet. Der Schalter für die Molekulardiffusion enthält eine undurchlässige Barrieren- oder Sperrschicht, die zwischen zwei porösen Medien angeordnet ist, über die die Diffusion erfolgen soll. Die undurchlässige Barrieren- oder Sperrschicht vrira entfernt und anschließend wieder hergestellt, so daß die Diffusion über die Medien genau zeitgesteuert ist. In einer bevorzugten Anordnung besteht die undurchlässige Barrieren- oder Sperrschicht aus einem unmischbaren Fluid, das zwischen den beiden porösen Medien, die die diffundierbaren Spezies enthalten, angeordnet ist. Das undurchlässige Barrierenfluid läßt sich leicht aus dem Raum zwischen den Medien entfernen und anschließend erneut einbringen, so daß man das Ziel erreicht, das Ingangsetzen und die Dauer der Diffusion zwischen den beiden porösen Medien genau zu steuern, um einen genauen aliquoten Teil der diffundierenden Spezies zu erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert, worin

F I G . 1 bis 3a Querschnitte durch den auf seiner Oberfläche mit einem zum Eindiffundieren bestimmten Fluid zu beschickenden oberen Teil des in Fig. 7a dargestellten Diffusionsschalters gemäß der Erfindung in drei aufeinanderfolgenden Zuständen.

FIG. 3b einen Querschnitt durch den oberen Teil des Diffusionsschalters gemäß Fig. 7a mit einer alternativ behandelten Oberfläche im Zustand gemäß Fig. 3a,

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FIG. 4a, 4b und 4d bis 4f Querschnitte einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusionsschalters in aufeinanderfolgenden Zuständen,

F I G . 4c eine Draufsicht auf die in Fig. 4a. 4b bzw. 4d bis 4f gezeigten Vorrichtung,

FIG. 5a und 5b Querschnitte einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusionsschalters in aufeinanderfolgenden Zuständen,

FIG. 6a eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemaßen Diffusionsschalters,

FIG. 6b einen Querschnitt des Diffusionsschalters gemäß Fig. 6a in in Betrieb befindlichem Zustand,

F I G . 7a bis 7c Querschnitte von aufeinanderfolgenden Zuständen einer weiteren Ausführungsform des Diffusionsschalters gemäß der Erfindung, und

F I G . 8 einen Querschnitt durch eine automatisierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusionsschalters gemäß Fig. 6a und 6b

darstellen.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Gesamtblutanalysen, um die Erfindung zu erläutern,'jedoch ist die Erfindung nicht auf eine Anwendung auf Gesamtblutanalysen beschränkt.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 4a bis f dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind poröse Medien oder Gele 50a bzw. 50b benachbart zueinander angeordnet, wobei eine dünne undurchlässige Schicht im Hohlraum 52 zwischen ihnen vorhanden ist, wie aus der Zeichnung zu ersehen.

An Hand der Fig. 1 bis 3a wird zunächst erläutert, wie ein aliquoter Teil einer Plasmaprobe in ein poröses Medium 50a eingebracht wird.

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ORIGINAL INSPECTED

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Fig. 1 zeigt schematisch das poröse Medium 50a in ebener Form. Das Medium 50a kann im Falle der Blutanalyse ein wäßriges Gel sein. Ein Tropfen Blut 79, der analysiert werden soll, wird gemäß Fig. 2 über das Gel 50a gebracht. Das Plasma des Gesamtblutes durchdringt und sättigt das Gel 50a vollständig und nahezu unverzüglich, weil das Gel 50a sehr dünn ist und ein sehr geringes Volumen besitzt.

Die Porengröße des porösen Mediums wird so gewählt, daß Erythrocyten (Hämatokrit) und andere große Blutproteine ausgeschlossen werden. Hämatokritwirkungen stellen bei der Erzielung eines aliquoten Teils des Plasmas keine Schwierigkeit dar, weil die Sättigung des Gels 50a nahezu unverzüglich erfolgt.

Nachdem das Gel 50a mit dem Plasma aus der Blutprobe 79 gesättigt worden ist, kann der Rest der Probe 79 von der Oberfläche 51 des Gels 50a entfernt werden. Gemäß Fig. 3a wird der Blutrest mit einem Gummiquetscher oder einem Wischblatt 13 entfernt, der bzw. das quer über die Oberfläche 51 des Gels 50a in Richtung des Pfeiles 14 gezogen wird.

Eine weitere Möglichkeit, den Blutrest zu entfernen, besteht in der Anwendung eines Wasch- oder eines Luftstrahls 15, wie in Fig. 3b gezeigt. Eine Düse 16 kann einen Druckluftstrahl oder einen hydrophoben Waschstrahl 15 (wenn eine wäßrige Probe wie Blut verwendet wird) abgeben. Es muß allerdings dafür Sorge getragen werden, daß kein Plasma aus dem Gel 50a herausgezogen wird.

Wenn eine Umsetzung zwischen der zu bestimmenden Substanz und dem Reagenz in Gang gesetzt werden soll, wird die undurchlässige Schicht aus dem Zwischenraum 52 zwischen den Gelen 50a und 50b, wie durch den Pfeil in Fig. 4b angedeutet, entfernt. Dadurch wird eine Diffusion der Probe aus dem

Gel 50a in das Gel 50b veranlaßt. Das poröse Medium 50b ent-

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hält das Reagenz bzw. die Reagenzien, das bzw. die zur Erzielung einer Umsetzung, beispielsweise einer Farbänderung, mit dem zu analysierenden Bestandteil benötigt wird bzw. werden.

Ein Verfahren zur Messung besteht darin, durch die Umsetzung von zu untersuchender Substanz und Reagenz eine Färbung zu erzeugen, die beobachtet und analysiert wird, indem man einen Lichtstrahl durch die Gele 50a und 50b auf einen - nicht dargestellten - Detektor eines Kolorimeters richtet.

Gemäß den Fig. 4a bis 4f sind zwei oder mehr kreisförmige, poröse Medien oder Membranen 50a, 50b, 50c usw. vorgesehen, die an der Peripherie mit Hilfe eines inerten, nichtporösen Abstandshalters 55 verbunden sind. Die erste Membran 50a wird auf ihrer Oberfläche 51 mit der Blutprobe bedeckt, wie oben angegeben. Die Membranen 50b und 50c können ein Reagenz zur Umsetzung mit einem zu bestimmenden Bestandteil der Blutprobe enthalten, der in das Medium 50a hineindiffundiert ist.

Zu anfang existiert zwischen den Schichten 50a und 50b, wie in Fig. 4a dargestellt, oder zwischen den Schichten 50a und 50b sowie zwischen den Schichten 50b und 50c, wie in Fig. 4d dargestellt, ein Hohlraum 52, der mit Luft oder mit einer Sperrflüssigkeit gefüllt sein kann, wie weiter unten erläutert wird. Jeder Hohlraum 52 steht mit einer Leitung 53 in Verbindung, die ein Ventil 54 enthält. Eine umkehrbare Pumpe 56 ist in jeder Leitung 53 angeordnet, um Fluid aus jedem entsprechenden Hohlraum 52 heraus- bzw. in den Hohlraum hineinzupumpen.

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Wie oben erwähnt, ist die Oberfläche 51 der Schicht 50a mit einer Gesamtblutprobe bedeckt, bis die Schicht 50a mit dem Plasma der Probe vollständig gesättigt ist. Danach wird der Rest der Blutprobe von der Oberfläche 51 entfernt, und die Schichten 50a und 50b werden, wie in den Fig. 4b und 4e dargestellt, miteinander in Berührung gebracht. Diese Be- . rührung wird dadurch herbeigeführt, daß der Hohlraum 52 zwischen den Schichten 50 und 50b evakuiert wird. Das Ventil 54, das in den entsprechenden Leitungen 53 angeordnet ist, wird geöffnet, und die Pumpe 56 pumpt die Luft oder die Barrieren- oder Sperrflüssigkeit aus dem Hohlraum 52 heraus.

Die einander berührenden Schichten 50a und 50b gestatten nunmehr eine gegenseitige Diffusion des zu bestimmenden Bestandteils der Probe und des Reagenzes. Gewünschtenfalls kann ein weiteres Reagenz in Schicht 50c nachfolgend mit den Produkten der ersten Umsetzung durch Diffusion zur Umsetzung gebracht werden, indem man analog-den Hohlraum 52 zwischen den Schichten 50b und 50c evakuiert, wie in Fig. 4f dargestellt.

Zu dem Zeitpunkt, wenn es geboten ist, die Diffusion abzubrechen, wird die Luft oder die Flüssigkeit in den Hohlraum 52 zurückgepumpt.

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ORIGINAL INSPECTED

Gemäß den Fig. 5a und 5b sind in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwei poröse, hydrophile Membran- oder Gelschichten 60a und 60b vorgesehen, die normalerweise durch ein magnetisches, hydrophobes Fluid voneinander getrennt werden. ¥ie oben erwähnt, wird die - nicht gezeigte - Gesamtblutprobe auf die Oberfläche 60 der Schicht 60a aufgebracht und das Plasma der Blutprobe zur Sättigung in die poröse Schicht 60a eindiffundieren gelassen. Der restliche Blutanteil auf der Oberfläche 60 wird anschließend entfernt. Nach der Sättigung der Schicht 60a sollen die zu bestimmenden Bestandteile des Plasmas mit einem färberzeugenden Reagenz oder mit färberzeugenden Reagenzien, das' bzw. die in der Schicht 60b enthalten sind, umgesetzt werden. Die Umsetzung zwischen dem zu bestimmenden Bestandteil und dem Reagenz wird dadurch zustande gebracht, daß man die Schichten 60a und 60b zur Berührung bringt, so daß eine gegenseitige Diffusion der Reaktionsteilnehmer erfolgen kann, wie in Fig. 5b dargestellt. Bis eine derartige Berührung erzielt wird, verhindert das hydrophobe, magnetische Fluid 61, daß eine Diffusion zwischen den Schichten 60a und 60b in nennenswertem Umfang stattfindet. Das magnetische Fluid 61· wirkt somit als Barrieren- oder Sperrschicht zwischen den Schichten 60a und 60b.

Die Schichten 60a und 60b können kreisförmig sein und können an der Peripherie durch einen ringförmigen, inerten, nichtporösen Abstandshalter 62 miteinander verbunden sein. An der Peripherie sind auch Elektromagnete 63 angeordnet, die nach dem Einschalten, wie in Fig. 5b dargestellt, das magnetische Fluid 61 anziehen und somit veranlassen, daß das magnetische Fluid 61 sich an der Peripherie der Schich-

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ten 60a und 6(Tb konzentriert. Da somit das magnetische Fluid aus dem Mittelteil abgezogen ist, berühren sich die Schichten 60a und 60b, wie dargestellt, und es erfolgt eine gegenseitige Diffusion mit anschließender Farbstoffbildung in dem Mittelteil 65«, Die Färb entwicklung ist für den zu untersuchenden Bestandteil in der Flüssigkeitsprobe kennzeichnend. Die Färbung kann mit Hilfe herkömmlicher kolor!metrischer oder spektrofotometrischer Verfahren, wie oben erwähnt, abgelesen und ausgewertet werden.

*·· Sine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diffusionsschalters ist in den Fig. 6a und 6b erläutert. Hier werden wiederum zwei poröse, hydrophile Membranen oder Gele 70a und 70b, von denen jede bzw. jedes einen zu untersuchenden Bestandteil der Probe bzw. ein Reagenz enthält, durch eine hydrophobe, flüssige Sperrschicht 71 (Fig. 6a) voneinander getrennt„ Die Schichten 70a und 70b können kreisförmig sein und an ihrer Peripherie durch einen ringförmigen, inerten, nichtporösen und nichtdargestellten Abstandshalter befestigt sein. Ein beispielsweise in Form eines rechteckigen Rahmens umlaufender, magnetisierbarer Ring 73 umgibt und haltert eine starre, transparente Plat-

s te 74, die ihrerseits die Schicht 70b trägt. Auf der Oberseite von Schicht 70a ist eine Magnetspule 75» die um eine hohle, magnetisierbare Röhre 76 gewickelt ist, angeordnet. Wenn die Spule 75 eingeschaltet wird, verursacht der Ring 73, daß die Platte 74 gegen Schicht 70b stößt. Dadurch werden die Schichten 70a und 70b miteinander in Berührung gebracht und die Flüssigkeit 71, wie in Fig. 6b dargestellt, verdrängt.-

Durch die hohle Röhre 76 sowie durch die Schichten 70a, 70b und die transparente Platte 74 kann Licht auf einen Detektor 72 eines Kolorimeters gerichtet werden. Auf diese ¥eise kann die sich zwischen Reagenz und zu bestimmendem Bestandteil ausbildende Färbung zur Bestimmung der Konzentration des zu bestimmenden Bestandteils verwendet

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werden.

Gemäß den Fig. 7a_r 7b und 7c wird in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Diffusion zwischen zwei entsprechenden Schichten 80a und 80b während einer gegebenen Zeitdauer aufrechterhalten, um eine meßbare Umsetzung zwischen dem zu untersuchenden Probenbestandteil und dem Reagenz zu bewirken. Die Blutprobe 79 wird auf die poröse Schicht 80a aufgebracht. Die zu bestimmenden Bestandteile in dem Plasma der Blutprobe 79 diffundieren in die Schicht 80a ein, bis die Schicht gesättigt ist. Eine Barrieren- oder Sperrschicht 81 aus einem unmischbaren Fluid wird aus dem Zwischenraum zwischen den Schichten 80a und 80b über Leitung 82, das offene Ventil 83 und Pumpe 84 herausgezogen. Dadurch wird verursacht, daß die Schichten 80a und 80b einander berühren und die Reagenzien in der Schicht 80b und der zu.bestimmende Bestandteil bzw. die zu bestimmenden Bestandteile in Schicht 80a gegenseitig diffundieren, wie in Fig. 7b dargestellt. Die Umsetzung zwischen dem zu bestimmenden Bestandteil und dem Reagenz wird in der Schicht 80b mittels angebrachter Elektroden 86 und 87, die mit Anschlüssen bzw. 89 versehen sind, überwacht. Die gegenseitige Diffusion wird, wie oben erwähnt, während einer gegebenen Zeitdauer aufrechterhalten, wodurch sichergestellt wird, daß ein gegebener, aliquoter Teil an zu bestimmendem Bestandteil mit einer bekannten Menge Reagenz umgesetzt wird» Die Diffusion wird beendet, indem man die Barrierenflüssigkeit 81 zwischen die Schichten 80a und 80b zurückschickt und sie sich trennen läßt, wie in Fig. 7c dargestellt.

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In Fig. 8 ist ein automatisiertes System zur Blutanalyse dargestellt. Ein kontinuierliches Gewebe 90 wird nacheinander einer Blutaufgabeeinrichtung 91, einer Abwischstation 92, einer Station 93 für die Herstellung eines elektromagnetischen Kontaktes und einer Ablesestation 94 zugeführt. Das Gewebe oder die Gewebebahn 90 besteht aus einer oberen Schicht 90a, die diskrete Gelabschnitte 95 von gegebenem Volumen zur Aufnahme von Proben aufweist. Die Schicht 90a wird durch eine Fluidbarriere 96 von einer unteren Schicht 90b getrennt, die diskrete ^l> reagenzhaltige Gelsegmente 97 aufweist.

Das Plasma aus der aufgebrachten Blutprobe (Station 91) diffundiert bis zur Sättigung in das Gel 95 der Schicht 90a. Nach Sättigung des Gels 95 wird die Gewebebahn zu einer Wischstation 92 weitertransportiert, bei der das überschüssige Blut von der Oberfläche des Gels entfernt wird. Danach wird das Gel 95 zwischen einen Elektromagneten 93a und eine durch eine Feder zurückgehaltene, magnetisierbare Platte 93b geführt» Wenn der Elektromagnet 93a eingeschaltet wird, zieht er die magnetisierbare Platte 93b an. Dadurch werden die Gele 95 und 97 in Be-/ rührung gebracht, wobei sie das Barriere- oder Sperrfluid 96 verdrängen. Damit kann die gegenseitige Diffusion zwischen den Gelen stattfinden, die eine Umsetzung zwischen zu bestimmender Substanz und Reagenz verursacht. Die Gewebebahn 90 wird nunmehr an einer Ablesestation 9A- vorbeigeführt, die aus einer Lichtquelle 98 und einem Detektor eines Kolorimeters besteht. Die Färbungstiefe der Umsetzung wird quantitativ in Beziehung zur Konzentration des zu bestimmenden Bestandteils der Probe gesetzt.

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Bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen braucht die Probe 79 nicht entfernt zu werden, weil die Umsetzung nach einer durch Zeitmessung gesteuerten Diffusion elektrochemisch überwacht, d.h. ausgewertet wird. Ein genauer aliquoter Teil kann erzielt werden, weil die Diffusion durch Wiedereinführung der Barrierenschicht 96, 81, 71, 61 bzw. der Schicht in Hohlraum 52 genau gesteuert werden kann.

Das unmischbare Barrierenfluid liefert eine genaue Möglichkeit zur Steuerung der Diffusion durch Membranen oder Gele. Eine Reihe von Abweichungen der beschriebenen Vorrichtungen können vom geübten Fachmann selbstverständlich vorgenommen werden. Beispielsweise können die Geloder Membranschichten, die das Reagenz enthalten, kovalent an das Reagenz gebunden sein, so daß die Wanderung (Diffusion) des Reagenzes nicht stattfindet. In einem derartigen Fall diffundiert nur der zu bestimmende Bestandteil in das das Reagenz aufweisende Gel und erzeugt lediglich dort eine Färbung.

Sie Barrieren- oder Sperrschicht muß mit dem zu analysierenden Beatandteil unmischbar sein; sie kann entweder hydrophob oder hydrophil sein, was von der Natur des zu bestimmenden Bestandteils abhängt.

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Claims

Patenianwölie ...... Reichelu-Beichel : j i\;.. ■: .6 Frankfurt ct. M. 1 " " TECHNICON INSTRUMENTS CORPORATION, Tarrytown, N.Y. VStA Patentansprüche

1. Diffus ions s ehalt er, bestehend, aus:

einem ersten porösen Medium (50a, 60a, 70a, 80a, 90a, 104) zur Aufnahme eines ersten Fluids oder eines ersten Fluids mit einem Gehalt an einer Komponente zur Diffusion in ein zweites poröses Medium,

einem zweiten porösen Medium (50b, 60b, 70b, 80b, 90b, 103) zur Aufnahme des ersten Fluids bzw. der Komponente, wenn das zweite poröse Medium mit dem ersten porösen Medium in Kontakt steht,

einem zweiten Fluid (in 52, 61, 71, 81, 96, 105) das zwischen dem ersten und dem zweiten porösen Medium angeordnet ist und als Diffusionssperre oder -barriere zwischen dem ersten und dem zweiten Medium dient, sowie

Mitteln (56, 63; 73, 75; 84, 93, 111) zum Entfernen des zweiten Fluids aus dem Zwischenraum zwischen erstem und zweitem Medium zur Herstellung eines Kontaktes zwischen den Medien sowie zur Ermöglichung der Diffusion des ersten Fluids bzw. der Komponente des ersten Fluids aus.dem ersten in das zweite Medium.

2. Diffusionsschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite poröse Medium mindestens ein mit dem ersten Fluid reaktionsfähiges Reagenz enthält.

3. Diffusionsschalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Entfernen des zweiten Fluids ein ■Vakuumsteuermittel (56, 84) enthält.

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ORIGINAL INSPECTED