DE69210662T2

DE69210662T2 - Abstand zwischen Spitze und Oberfläche zur optimalen Abgeben einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE69210662T2
Application number: DE69210662T
Authority: DE
Inventors: James V Barry; J Eric Hamann; Raymond F Jakubowicz
Original assignee: Johnson and Johnson Clinical Diagnostics Inc
Current assignee: Ortho Clinical Diagnostics Inc
Priority date: 1991-03-21
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: US5143849A; JP3688723B2; EP0505004B1; CA2061044C; CA2061044A1; DE69210662D1; EP0505004A3; IE920902A1; EP0505004A2; JPH0599804A; KR960009754B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgeben einer Flüssigkeit auf eine feste oder flüssige Oberfläche und insbesondere ein Verfahren zum automatischen Erhalten eines optimalen Abstandes beim Abgeben durch die Verwendung der Druck-Rückwirkung.
Im letzten Jahrzehnt der Entwicklungen auf dem Gebiet der klinischen Analysegeräte ging der Trend von den nassen Untersuchungen mit flüssigen Reagenzien weg und zu den trockenen Untersuchungen mit Objektträger-Testelementen hin. Der Grund dafür ist natürlich das Weglassen der vergleichsweise schwierig zu handhabenden Flüssigkeiten. Das Erfordernis des Vermeidens von Flüssigkeiten wurde noch wichtiger, als die Analysegeräte auch in nicht-terrestrischen Umgebungen verwendbar sein sollen. Flüssigkeitsmengen stellen in der Schwerelosigkeit des Alls ein ernstes Handhabungsproblem dar.
Die unter dem Warenzeichen "Ektachem"-Testelemente von der Eastman Kodak company erhältlichen Objektträger Testelemente, die in Analysegeräten untersucht werden, die unter dem Warenzeichen "Ektachem"-Analysegeräte ebenfalls von der Eastman Kodak Company erhältlich sind, haben die be schriebenen Handhabungsprobleme mit Flüssigkeiten weitgehend eliminiert. Es bleibt jedoch auch bei diesen Testelementen das Erfordernis, eine kleine Menge einer Patientenprobenflüssigkeit auf das Testelement abzugeben. Die Menge muß andererseits irgendwie aus einem größeren Behälter mit der Patientenprobe entnommen werden. Zu diesem Zweck werden Ansauggeräte mit Einmalspitzen verwendet. Da diese Spitzen an der Außenseite benetzt werden, wenn eine Probe in das Innere gesaugt wird, hat dieses Vorab-Benetzen der Spitzen zu dem Erfordernis zum Entfernen der äußeren Flüssigkeit geführt, die anderenfalls eine Perfusion verursachen kann (Perfusion ist die Ablenkung der von der Gerätespitze abgegebenen Flüssigkeit an der Außenseite der Spitze nach oben anstelle auf das vorgesehene Objektträger-Testelement).
Es wurde eine Vielzahl von Techniken angewendet, um die Flüssigkeit an der Außenfläche unter Kontrolle zu behalten und die Perfusion zu verhindern. Meistens wurde die Form der Spitze so gestaltet, daß möglichst wenig äußere Flussigkeit hängenbleibt und den Abgabevorgang beeinflußt. Beispiele sind in der US-A-4 347 875 beschrieben. Die Spitzen können darüberhinaus mit einer Wachsbeschichtung versehen werden, um das Haftenbleiben der äußeren Flüssigkeit zu erschweren. Dies ist ebenfalls in der US-A-4 347 875 beschrieben.
Eine andere Technik besteht darin, die äußere Flüssigkeit mit einem Luftmesser "wegzuschneiden", das heißt wegzublasen, wie es in der US-A-4 615 360 beschrieben ist.
Wiederum eine andere Technik besteht darin, die Spitze mit einem absorbierenden Mittel jedesmal dann abzuwischen, wenn Flüssigkeit angesaugt oder abgegeben wurde, das Abstreifen stellt jedoch in automatischen Geräten und bei biologisch gefährlichen Flüssigkeiten ein ernstes Problem dar.
Mit Ausnahme der Abstreiftechnik konnte jeder der erwähnten Lösungsvorschläge einen beträchtlichen Erfolg vorweisen. Es bleibt dabei jedoch eine andere Ursache für die Perfusion bestehen. Das Ansauggerät soll jedoch die kleine Menge der Patientenprobe als stetigen Strom auf einen Gegenstand oder eine Oberfläche, etwa der eines getrockneten Testelements, abgeben. Der Strom darf nicht zu schnell abgegeben werden, damit an der Oberfläche keine Pfützen entstehen und die Perfusion durch Benetzen der Spitzen-Außenseite begünstigt wird. Er darf nicht zu langsam abgegeben werden, damit sich der Strom nicht in einzelne Tröpfchen auflöst, die beim Auftreffen umherspritzen können und eine unerwartete Verteilung mit Ringen auf dem Testelement hervorrufen können. Unglücklicherweise ist die Aufnahmegeschwindigkeit des Stromes durch das Testelement, die natürlich den dieses Problem beherrschenden Faktor darstellt, von mehreren Variablen abhängig: Der Benetzbarkeit der Oberfläche des Objektträger-Testelements, den Flüssigkeitseigenschaften der Patientenprobe und dem Abstand zwischen Spitze und Oberfläche.
Von diesen Variablen ist die Änderung der Benetzbarkeit des Testelements eine vorhersagbare Funktion der chemischen Eigenschaften dieses Elements. Diese wiederum werden von der durchzuführenden Untersuchung vorgegeben, ein Faktor, den das Analysegerät verfolgen kann. Wenn dies die einzige beeinflussende Variable wäre, könnte das Analysegerät jedesmal dann auf einen bestimmten Abstand Spitze-Element eingestellt werden, wenn dem Gerät ein neues Testelement mit anderen chemischen Eigenschaften zugeführt wird. Das setzt jedoch voraus, daß bei der Herstellung enge Toleranzen eingehalten werden, so daß der erwünschte Abstand auch bei jeder Einstellung erhalten wird. Da enge Toleranzen hohe Kosten verursachen, wird das Einstellen des Abstandes auf einen festen Wert nicht als geeignete Lösung betrachtet. Auch wenn die Kosten keine Rolle spielen würden, beseitigt außerdem eine solche feste Einstellung nicht die Probleme, die durch Änderungen in den Eigenschaften der Patientenprobe entstehen. So ist die Oberflächenspannung der Proben normalerweise nicht vorher bekannt und daher keine Größe, die mit den Patientendaten eingegeben werden kann. Zum Beispiel treten in Blutserum aufgrund genau der verschiedenen Krankheitszustände, die erst erfaßt werden sollen, sehr große Unterschiede in der Oberflächenspannung auf.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Analysegeräten ist, daß sich das Objektträger-Testelement, auf das die flüssige Probe abgegeben werden soll, aus seiner vorgesehenen ebenen Form herausbiegen kann. Dadurch wird wiederum der Abstand Spitze-Element nachteilig beeinflußt, der kontrolliert werden sollte, um einen optimalen Flüssigkeitsstrom zu erhalten. Dieses Verbiegen ist schwierig festzustellen oder vorherzusagen.
Es war daher bisher schwierig, eine Abgabestation für ein Analysegerät vorzusehen, bei der der Abstand Spitze- Element ohne Rücksicht darauf, welcher der obigen Faktoren sich in nicht vorhersehbarer Weise geändert hat, automatisch eingestellt wird.
Schon bei den bekannten Analysegeräten wurden in Verbindung mit den Abgabevorrichtungen Druckwandler verwendet. Zum Beispiel ist in der US-A-4 340 390 ein Druckwandler beschrieben, der unter anderem Dinge wie verstopfte Spitzen und das vollständige Trennen des Fluids oder der Flüssigkeit, das bzw. die sich in der Spitze befindet, vom Testelement.erfaßt. Eine solche Erfassung, bei der ein Druck von "Null" dem vollständigen Trennen entspricht, ist in der US-A-4 340 390 auch dafür vorgesehen, um das Beenden des Abgabeschrittes anzuzeigen.
Solche Wandler wurden auch für andere Zwecke verwendet, wie es zum Beispiel in der US-A-4 675 301 beschrieben ist. Dabei wird der Druck in der Spitze auf nicht beabsichtigte Änderungen überwacht, so daß der Flüssigkeitsmeniskus zu Beginn des Abgabeschritts immer in etwa der gleichen Position ist. Bei diesem Vorgang wird jedoch auf das Problem des Abstandes zwischen der Spitze und dem Testelement nicht eingegangen. Es wird statt dessen angenommen, daß der voreingestellte Abstand richtig ist. Wie erwähnt, ist dies nicht im mer der Fall.
In der US-A-4 794 085 ist kürzlich ein anderer Gebrauch von Druckwandlern beschrieben worden. Bei diesem System wird im Dispenser die Luft in der Spitze bis zu einem bestimmten Wert unter Druck gesetzt (bzw. ein Vakuum erzeugt), um zu erfassen, ob die leere Spitze bereits mit der anzusaugenden Flüssigkeit in Kontakt ist. Nachdem Kontakt besteht, ändert sich der Druck. Mit einem solchen System kann das Auftreffen der Flüssigkeit aus einer vollen Spitze auf eine andere Flüssigkeit oder eine feste Oberfläche nicht behandelt werden, da in einer vollen Spitze der Innendruck nicht so einfach geändert werden kann, um die äußeren Bedingungen zu erfassen.
Die US 4 041 995 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Dosieren von Tropfen um Tropfen einer Flüssigkeiten wie Blutserum mittels einer Abgabevorrichtung zum Abgeben der biologischen Flüssigkeit auf die Oberfläche, wobei die Abgabevorrichtung eine Spitze; eine Wandlereinrichtung zum Erfassen des Drucks, der auf die Flüssigkeit in der Spitze einwirkt; und eine Druckänderungseinrichtung zum Ändern des Drucks in der Spitze relativ zur Oberfläche aufweist. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Vorwärtsbewegens der Spitze mit Flüssigkeit darin auf die Oberfläche zu; des Erzeugens eines äußeren Meniskusses der Flüssigkeit an der Spitze bei deren Vorwärtsbewegung auf die Oberfläche zu mit der Druckänderungseinrichtung, wobei jede Druckänderung in der Spitze von der Wandlereinrichtung erfaßt wird; des Beendens der Vorwärtsbewegung der Abgabespitze in einem Abstand von der Oberfläche und des Abgebens von Flüssigkeit aus der Abgabespitze mittels der Druckänderungseinrichtung.
Der herkömmliche Gebrauch von Druckwandlern konnte somit das obige Problem des Vorsehens einer automatischen Einstellung des Abstandes Spitze-Element nicht lösen.
Die vorliegende Erfindung ist in den Patentansprüchen festgelegt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde ein Verfahren zum Abgeben einer Vielzahl von verschiedenen biologischen Flüssigkeiten in einem kontrollierten Strom auf eine Oberfläche mittels einer Abgabevorrichtung zum Abgeben der biologischen Flüssigkeit auf die Oberfläche geschaffen, wobei die Abgabevorrichtung eine Abgabespitze, eine Wandlereinrichtung zum Erfassen des Drucks, der auf die biologische Flüssigkeit in der Abgabespitze einwirkt, eine Druckänderungseinrichtung zum Ändern des Drucks in der Abgabespitze und eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen der Abgabespitze relativ zur Oberfläche aufweist, wobei das Verfahren die Schritte
a) des Ansaugens einer biologischen Flüssigkeit mit unbekannter Oberflächenspannung in die Abgabespitze,
b) des Vorwärtsbewegens der Abgabespitze mit Flussigkeit darin auf die Oberfläche zu,
c) des Erzeugens eines äußeren Meniskusses der Flüssigkeit an der Abgabespitze bei deren Vorwärtsbewegung auf die Oberfläche zu mit der Druckänderungseinrichtung, wobei jede Druckänderung in der Spitze von der Wandlereinrichtung erfaßt wird,
d) des Beendens der Vorwärtsbewegung der Abgabespitze in einem Abstand von der Oberfläche, und
e) des Abgebens von Flüssigkeit aus der Abgabespitze mittels der Druckänderungseinrichtung umfaßt,
und wobei das Verfahren des weiteren im Schritt c) den Schritt des automatischen Feststellens des Auftreffens des Meniskusses auf die Oberfläche durch Erfassen eines vorgegebenen Werts für die Verringerung des Drucks in der Abgabespitze beinhaltet, um den Schritt d) zu aktivieren und die weitere Vorwärtsbewegung der Abgabespitze zu beenden, so daß das Beenden der Vorwärtsbewegung der Abgabespitze auf die Oberfläche zu beim Erfassen des verringerten Drucks einen bestimmten Abstand Spitze-Oberfläche zur Folge hat.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Oberfläche die Oberfläche eines Testelements, auf das die Probe abzugeben ist.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche eine Flüssigkeitsoberfläche.
Entsprechend weist die Erfindung den Vorteil auf, daß sich die Abgabespitze automatisch die richtige Höhe über der Oberfläche, auf die die abzugebende Flüssigkeit aufzubringen ist, sucht und diese Höhe einhält.
Des weiteren hat die Erfindung den Vorteil, daß beim erfindungsgemäßen Abgabeverfahren die Extreme des zu schnellen Abgebens, so daß Pfützenbildung und Perfusion auftritt, und des zu langsamen Abgebens, bei dem der Strom aufbricht und Schwierigkeiten verursacht, vermieden werden.
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß bei dem Abgabeverfahren die für das Erfassen des Auftreffens verwendete Abgabehöhe geändert werden kann, um größere Höhen anzunehmen, die zur Vermeidung der Pfützenbildung erforderlich sein können, ohne daß das erwartete Druckprofil geändert zu werden braucht.
Zum besseren Verstehen der vorliegenden Erfindung erfolgt nun beispielhaft ein Bezug auf die Zeichnung. Es zeigen:
Die Fig. 1A bis 1F schematische Teilansichten des Ausführens der vorliegenden Erfindung, wenn eine Patientenprobe auf ein trockenes Objektträger-Testelement aufgebracht wird;
die Fig. 2 die schematische Teilansicht einer Vorrichtung, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
die Fig. 3 ein Druckprofil für die Änderung des Drucks, die in der Fig. 1C bei einer Änderung des Volumens des Meniskusses auftritt;
die Fig. 4 ein Druckprofil ähnlich dem der Fig. 3, wobei jedoch die Druckänderung gegen die entsprechende Höhe des sich ändernden Meniskusses angetragen ist;
die Fig. 5 einen Graph für das Meniskusvolumen gegen die Meniskushöhe, mit dem der übergang von der Fig. 3 zur Fig. 4 erhalten wird;
die Fig. 6 ein Flußdiagramm für die Schritte beim Porgrammieren eines Analysegerätes so, daß es das erfindungs gemäße Verfahren ausführt;
die Fig. 7A, 7B, 8A, 8B und 9 jeweils Kurven für das Druckprofil von Flüssigkeiten, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung auf repräsentative Testelemente abgegeben werden;
die Fig. 10A bis 10D schematische Darstellungen ähnlich denen der Fig. 1A bis 1G, jedoch für eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
die Fig. 11 ein Druckprofil ähnlich dem der Fig. 7A, jedoch für die Ausführungsform der Fig. 10C.
Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, wobei bestimmte bevorzugte Abgabespitzen in einem bevorzugten Analysegerät verwendet werden, um eine Flüssigkeit, am bevorzugtesten Blutserum, auf bevorzugte Oberflächen wie die von getrockneten Testelementen aufzubringen, Objektträgerelementen wie der Art, die unter der Warenbezeichnung "Ektachem" von der Eastman Kodak Company oder "Drychem" von Fuji hergestellt werden. Die Erfindung kann auch unabhängig von der Art der abzugebenden Flüssigkeit, der Art der Abgabespitze oder des Analysegeräts und unabhängig davon verwendet werden, ob die Oberfläche die eines getrockneten Testelements ist oder die irgendeines Testelements, da das Verfahren sogar dazu verwendet werden kann, um die Abgabehöhe über der Oberfläche einer Flüssigkeit festzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist am besten anhand der Fig. 1A bis 1F zu verstehen, wobei eine Vorrichtung verwendet wird wie die in der Fig. 2 gezeigte. Ein Dispenser (in den Fig. 1A bis 1F nicht gezeigt) weist eine abnehmbare Spitze 30 mit einer Abgabeöffnung 34 auf, wobei die Spitze von irgendeiner geeigneten Art ist. (Es sind die Spitzen gezeigt, die unter der Warenbezeichnung "DT-60" von der Eastman Kodak Company erhältlich sind.) An einer geeigneten Ansaugstation wird diese Spitze mit der passenden Menge einer Patientenprobe gefüllt, zum Beispiel mit 10 µl Blutserum, wobei nach dem Ansaugen der Druck in der Spitze 30 nominell gleich Null ist (Fig. 1A). Dann wird in einer Abgabestation A ein Objektträger-Testelement E unter die Spitze 30 gebracht, Fig. 1B. An dieser Station treten zwei Ereignisse auf - der Druck in der Spitze 30 wird auf einen Wert +p erhöht, der ausreicht, um an der öffnung 34 einen kleinen Meniskus "m" mit einem vorgegebenen Volumen zu bilden, und die Spitze wird langsam in Richtung des Pfeiles 35 auf das Element E zu bewegt. Nachdem der Meniskus "m" gebildet wurde, kehrt der Druck in der Spitze 30 auf einen leicht positiven Wert zurück, da kein voller Trop fen ausgebildet wurde. Der Druck bleibt dann konstant, bis der Meniskus auf die Oberfläche 37 des Testelements E trifft, Fig. 1C. Dabei wird die Flüssigkeit des Meniskusses vom Testelement angesaugt, und wenn das Volumen des Meniskusses von der richtigen Größe ist, wird der Druck in der Spitze 30 deutlich negativ, wie es durch das "-p" dargestellt wird. Wenn diese negative Druckänderung erfaßt wird, wird die Abwärtsbewegung der Spitze 30 gestoppt, und der Nominalwert des Abstands für dieses vorgegebene Volumen ist hergestellt.
Es ist sofort ersichtlich, daß dieses Verfahren zum Feststellen des Ortes der Oberfläche 37 vollständig unabhängig davon ist, wo sich die Oberfläche 37 tatsächlich befindet. Das heißt, daß die Oberfläche 37 vom erwarteten Ort einen erheblichen vertikalen Abstand haben kann und die Spitze 30 trotzdem den optimalen Abstand einnimmt, vorausgesetzt natürlich, daß sich die Oberfläche 37 auch nach der unerwarteten Verschiebung immer noch unter dem Ort der Öffnung 34 vor der Ausbildung des Meniskusses (Fig. 1B) befindet.
Dann wird der Druck in der Spitze 30 durch die Vorrichtung der Fig. 2 um einen geeigneten Wert (+p) erhöht, um die Abgabe der Flüssigkeit mit einer passenden Abgaberate zu beginnen, Fig. 1D. Dabei ist der Abstand zwischen der Oberfläche 37 und der öffnung 34 der Spitze gleich dem Nominalwert Δh. Einzelheiten dazu werden im folgenden erläutert.
In einigen Fällen ist es erforderlich, den Abstand Δh während des Abgebens allmählich auf den Wert Δh' zu erhöhen (Fig. 1E). Der Grund dafür ist, daß manche Oberflächen, das heißt manche Testelement E' so hydrophob sind, daß die Flüssigkeit bei der Abgabe nicht absorbiert wird. Sie neigt statt dessen dazu, sich an der Oberfläche 37' zu sammeln, was wiederum die Gefahr erhöht, daß die Flüssigkeit an der Spitze 30 nach oben wandert. Um dies zu vermeiden, wird die Spitze 30 in der Richtung des Pfeiles 39 mit einer Geschwindigkeit auf den größeren Abstand Δh' zurückgezogen, die dem Ansammeln der Flüssigkeit auf der Oberfläche 37' entspricht. (Die Ansammelgeschwindigkeit und die Zurückziehgeschwindigkeit ändert sich in Abhängigkeit davon, wie hydrophob die jeweilige Chemie im Element E' ist). Dieser größere Abstand Δh' wird nicht als der Wert für den vorgeformten Meniskus "m" verwendet, da in manchen Fällen, zum Beispiel für ein Volumen von 2 µl, dieses 50 groß ist, daß es bereits eine Gefahr für eine Perfusion darstellt, sollte es als ein sich von der nach unten bewegenden Spitze hängender Tropfen ausgebildet werden.
Schließlich wird die Abgabe beendet, Fig. 1F, und erst zu diesem Zeitpunkt versiegt der Flüssigkeitsstrom aus der Öffnung 34. Der Druck in der Spitze kehrt zu seinem Nominalwert Null zurück. Wie in der Fig. 1 gezeigt, gab die Spitze 30 aufgrund ihres Volumens ihren ganzen Inhalt auf ein einziges Testelement ab. Größere Spitzen haben bei der in der Fig. 1F erreichten Stufe erst einen Teil der anfangs vorhandenen Flüssigkeitsmenge abgegeben.
In der Fig. 2 ist eine geeignete Analysevorrichtung 10 zum Ausführen der Schritte der Fig. 1A bis 1F dargestellt. Ein solches Analysegerät besteht aus herkömmlichen Teilen, wie es zum Beispiel in der US-A-4 794 085 beschrieben ist. Das heißt, daß eine Spitze 30 mit ihrer größeren Öffnung 32 abnehmbar an einer Ansaug/Abgabevorrichtung 40 befestigt ist. Die Vorrichtung 40 wird relativ zu einem Testelement E bewegt, das bei 42 geeignet gehalten wird. Die Vorrichtung 40 wird daher vorzugsweise durch einen herkömmlichen Antrieb 44 auf und ab bewegt. Die Vorrichtung 40 weist einen inneren Durchgang 46 auf, der über eine Leitung 52 mit einem Druck wandler 70 und auch mit einer Einrichtung 58 zum Ändern des Drucks in der Spitze 30 verbunden ist. Diese Einrichtung 58 umfaßt einen Kolben 60, der von einer Antriebseinrichtung 64 in einem Zylinder 62 zwischen den verschiedenen gestrichelt gezeigten Stellungen hin- und herbewegt wird. Zum Erfassen des Drucksignals, das vom Wandler 70 erzeugt wird, wird eine Steuereinrichtung 80 verwendet, die ihrerseits in Übereinstimmung mit einem geeigneten Programm zum Steuern der Bewegungen und des Drucks der Spitze 30 auf die beiden Antriebseinrichtungen 44 und 64 einwirkt. Die Steuereinrichtung 80 besteht vorzugsweise aus einem Mikrocomputer im Analysegerät 10, und der Wandler 70 ist ein Wandler mit hoher Empfindlichkeit, geringem inneren Luftvolumen und hoher Stabilität, zum Beispiel ein Motorola MPX-Piezo-Widerstandsdrucksensor oder ein Dehnungsmeßwandler.
Die Bewegung der Spitze 30 in Richtung des Pfeiles 35 erfolgt in Schritten, so daß sich die Öffnung 34 zuerst zu der gestrichelten Position 30' mit einem Abstand Y', dann zu der gestrichelten Position 30" und so weiter bewegt, bis der Meniskus "m", der während der Bewegung gebildet wird, auf die Oberfläche 37 trifft.
Jeder geeignete Spitzenlokator, nicht gezeigt, kann dazu verwendet werden, die Spitze 30 relativ zum Element E zu stabilisieren und orientieren. Zum Beispiel ist ein Doppelspitzenlokator der Art nützlich, wie er in der US-A-4 797 257 gezeigt ist, unbeschadet der Art des ansonsten verwendeten Analysegerätes Der Spitzenlokator ist jedoch derart modifiziert, daß sich die Spitze 30 entlang der vertikalen Achse frei bewegen kann, um den jeweiligen Abstand Δh zu erhalten, der durch die chemischen Eigenschaften des Elements E bestimmt wird.
Es ist die erfindungsgemäß überraschende Feststellung, daß nur bestimmte Größen des Meniskusses "m" eine Druckabnahme -p beim Kontakt mit einer aufnehmenden Oberfläche wie in der Fig. 1C hervorrufen, das heißt beim Kontakt mit einem getrockneten Testelement oder der Oberfläche der gewählten Flüssigkeit. über einer gewissen Größe ändert sich der Druck in der Spitze beim Auftreffen nicht, oder der Druck nimmt aufgrund des Impulses des großen Meniskusvolumens, dessen Bewegung durch den Kontakt gestoppt wird, sogar zu. Das richtige Meniskusvolumen, das zum Hervorrufen des genannten Phänomens erforderlich ist, ändert sich in Abhängigkeit von der Spitzengeometrie und der Geschwindigkeit sowie der Hydrophobizität zwischen der kontaktierenden Oberfläche und der Flüssigkeit.
Die Fig. 3 zeigt ein typisches Beispiel für eine "DT- 60"-Spitze (siehe oben) und einem "Ektachem"-Glukosetestelement (siehe ebenfalls oben). Die aufgebrachte Flüssigkeit war Wasser, wobei angenommen wird, daß das Ergebnis für die meisten wässrigen Flüssigkeiten für diese Spitze und dieses Testelement typisch ist. Wenn das Volumen des Meniskusses "m", vgl. Fig. 1B oder Fig. 2, 5 µl erreicht, ist die Druckänderung, die in der Spitze 30 beim Kontakt mit dem Testelement festgestellt wird, gleich Null, und für Volumen von mehr als 5 µl wird die Druckänderung positiv. Der Maximalwert für das Volumen von "m", bei dem die Bestimmung der Druckänderung nicht mehr von Unsicherheiten begleitet ist, ist daher 4 µl. Vorzugsweise werden nur Meniskusse mit 3 µl oder noch kleinere verwendet, um leichte Unterschiede aufgrund von Änderungen in der Benetzbarkeit des Testelements usw. auszugleichen. Volumen zwischen 3 µl und 4 µl haben den Nachteil, daß ein kleinerer Schwellenwert erforderlich ist, das heißt das Erfassen einer Schwelle, die kleiner ist -25 N/m².
Da ein Sicherheitsbereich erforderlich ist, das heißt eine Verringerung des Drucks, die frei von Rauschen im System den Kontakt der Flüssigkeit sicher anzeigt, ist vorzugsweise das an der Spitze vorab ausgebildete Volumen gleich 2 µl oder kleiner. Damit kann der Schwellenwert für den Druck auf ein Δp von 25 N/m² (-0,1 Zoll Wasser) eingestellt werden und es ist noch ein "Sicherheitsbereich" vorhanden, vgl. Fig. 3. Zum Beispiel ruft ein Volumen von nur 0,7 µl ein Δp-Signal von fast -125 N/m² hervor, was deutlich über -25 N/m² liegt und damit das Kontaktereignis klar anzeigt.
Das bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren besteht daher darin, einen hängenden Meniskus mit einem Volumen von 2 µl oder weniger zu verwenden und einen Druckabfall von wenigstens 25 N/m² (0,1 Zoll Wasser) zu erfassen (wobei 25 N/m² als der Schwellenwert verwendet wird, der beim Eintreten des Kontakts überstiegen wird).
Die Fig. 4 und 5 sind Kurven, bei denen die Beziehung der Fig. 3 in eine Darstellung der Meniskustiefe H gegen die Druckänderung beim Auftreffen bzw. eine Darstellung der Meniskustiefe H gegen dessen Volumen bei ansonsten gleichen Bedingungen wie für die Fig. 3 umgewandelt wurde. Wie erwähnt, ist die bevorzugte oder nominelle Meniskustiefe gleich 0,3 mm.
Die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsabgabe hängt auch von der Fähigkeit der kontaktierten Oberfläche ab, die Flüssigkeit zu absorbieren. Für biologische Flüssigkeiten, die auf die erwähnte Art von Testelementen abgegeben werden, ist eine brauchbare Abgabegeschwindigkeit, nachdem das Auftreffereignis festgestellt wurde, etwa 100 µl/s.
Es kann jedes geeignete Programm in herkömmlicher Weise dazu verwendet werden, die Steuereinrichtung 80 zu steuern. Das Flußdiagramm der Fig. 6 zeigt die Schritte des betreffenden Berechnungsvorganges. Der Prozeß erfordert, daß zuerst die Probe in die Spitze 30 eingesaugt wird, Schritt 100. Dann, nachdem der Steuereinrichtung 80 (aus dem Abtasten eines Strichcodes oder aufgrund einer Bedienereingabe) bereits bekannt ist, welche Folge von Untersuchungen ablaufen soll, wird im Schritt 102 in einer Tabelle nachgeschlagen, um den richtigen Spitzenabstand Δh', Fig. 1D, für diese Untersuchung festzustellen. Das kann die nominelle, zu verwendende Spitzenhöhe, nämlich Δh, sein oder auch nicht sein.
Dann wird im Schritt 104 geprüft, ob Δh' größer ist als die nominelle Höhe Δh (die in der Fig. 1D gezeigte Höhe) ist oder nicht. Wenn ja, wird der größere Wert im Schritt 106 gespeichert. Wenn nicht, geht das Programm zum Schritt 108 des Bestimmens des Meniskusvolumens für den kleineren der beiden Werte Δh und Δh' anhand einer Tabelle über, die zum Beispiel auf der Kurve der Fig. 5 beruht, in der der kleinere Wert von Δh und Δh' der Meniskustiefe entspricht, da es der Wert beim Kontakt ist.
Obwohl der nominelle Wert für Δh gleich 0,3 mm ± 0,1 mm ist, können chemische Eigenschaften vorliegen, bei denen Δh' kleiner ist. In einem solchen Fall wird das Meniskusvolumen "V" so gewählt, daß es kleiner ist als die nominellen 0,7 µl.
Dann wird im Schritt 110 die Spitze 30 in die Ausgangsposition gebracht, Fig. 1A, und das Meniskusvolumen V, das im Schritt 108 gewählt wurde, wird im Schritt 112 abgegeben. Dabei erfolgt im Schritt 114 eine Druck-Bezugsmessung, die als nomineller "Null"-Wert gespeichert wird, gegen den alle weiteren Druckänderungen gemessen werden.
Bei der Vorwärtsbewegung der Spitze 30 im Schritt 116 in Richtung der vertikalen oder Z-Achse auf ein geeignetes Testelement zu (wie es in der Fig. 1B gezeigt ist), wird der Druck in der Spitze 30 kontinuierlich gemessen, Schritt 118, und mit dem im Schritt 114 bestimmten Bezugs-"Null"-Wert verglichen. Solange sich der gemessene Druck vom Nullwert um weniger als 25 N/m² unterscheidet, Schritt 120, wird der Prozeß iterativ fortgeführt, und es werden die Schritte 116 und 118 wiederholt. Sobald jedoch der Druck um mehr als 25 N/m² unter den Bezugswert sinkt, wird die Vorwärtsbewegung der Spitze gestoppt, Schritt 122, und es erfolgt die Abfrage 124, die den endgültigen Spitzenabstand Δh' ermittelt, der gespeichert wurde, wenn er größer ist als Δh. Wenn die Abfrage bezüglich eines gespeicherten Wertes negativ verläuft, ist keine weitere Bewegung der Spitze 30 erforderlich, und die Abgabe wird fortgesetzt, bis sie im Schritt 126 beendet ist.
In manchen Fällen ist jedoch ein Δh' gespeichert, das größer ist als Δh, weshalb hier dann der Schritt 128 folgt. Zum Beispiel kann Δh' 0,7 mm groß sein. Das heißt, daß die verbleibende Flüssigkeit abgegeben wird, während die Spitze 30 gleichzeitig zurückgezogen wird, eventuell bis zu dem Wert Δh' (Fig. 1E). Dadurch wird verhindert, daß sich auf einer hydrophoben Oberfläche 37' Pfützen bilden oder die sich ausbreitende Schicht bei der Flüssigkeitsabgabe gestört wird. Wenn im Schritt 130 alle Flüssigkeit für dieses Element abgegeben ist, Fig. 6, kehrt die Spitze 30 im Schritt 132 in ihre Ausgangsposition zurück, die in der Fig. 1A gezeigt ist.
Dann fragt das Programm im Schritt 134 ab, ob weitere Flüssigkeitsmengen abzugeben sind, und wenn nicht, wird im Schritt 136 die Spitze 30 abgestoßen. Wenn noch weitere Flüssigkeit abzugeben ist, insbesondere bei solchen Spitzen, deren Anfangsvolumen an Probenflüssigkeit > 10 µl ist, wird der ganze Prozeß iterativ wiederholt.
Die Fig. 7A und 7B zeigen typische Druckprofile, die beim Auftreten des Kontakts gemessen wurden, wobei in der Fig. 7A die Oberfläche 37 relativ hydrophil und in der Fig. 7B die Oberfläche 37 relativ hydrophob ist. In jedem Fall war die abgegebene Flüssigkeit Wasser, das Meniskusvolumen 1 µl und das Testelement ein "Ektachem"-Glukose-Objektträger bzw. ein "Ektachem"-Gesamtprotein-Objektträger. Im Falle der Glukose und der Fig. 7A wurde der Druckabfall durch ein elektrisches Signal angezeigt, das etwas über 40 mV lag. Der 25 N/m² entsprechende Schwellenwert war 30 mV. In diesem Fall war Δh' gleich 0,3 mm, und der Schritt der Fig. 1E wurde nicht verwendet (das Ergebnis der Anfrage 124 in der Fig. 6 war negativ). Im Falle des Gesamtproteins betrug der Druckabfall fast 80 mV. Während der Abgabeschritte 126 bis 130 wurde für diese Chemie ein Δh' gespeichert, Schritte 106 und 124, das heißt Δh' ist hier gleich 0,7 mm und größer als Δh. Der Abstand der Spitze wird beim Gesamtprotein während der Abgabe daher auf etwa 0,7 mm erhöht.
Die Fig. 8A und 8B zeigen einen ähnlichen Effekt, wenn die unter der Warenbezeichnung "Koda-Control II" von der Eastman Kodak Company erhältliche synthetische Flüssigkeit, die Rinderserum enthält, auf das bei der Fig. 7A bzw. der Fig. 7B verwendete Testelement aufgebracht wird.
Ein (nicht gezeigtes) Druckprofil ähnlich dem der Fig. 8B tritt auf, wenn sich Wasser in einer Spitze befindet, die ein vorbenetztes Testelement berührt, zum Beispiel ein Testelement, das mit einer Flüssigkeit wie "Koda-Control II" vorbenetzt ist.
Der Prozeß ist auch zum Erfassen des Auftreffens der Abgabespitze auf eine nicht absorbierende Oberfläche anwendbar, zum Beispiel auf einen Glas-Objektträger. Das Ergebnis ist in der Fig. 9 gezeigt, wobei Wasser genau wie im Test der Fig. 7A und 7B auf einen Glas-Objektträger abgegeben wurde. Die vollständige Abgabe wurde jedoch unterbrochen, da die nicht absorbierende Oberfläche zu viel Perfusion verursacht hätte. In der Fig. 9 ist der Anstieg des negativen Trends nach dem Zeitpunkt t&sub3; nur ein Ausgleichseffekt.
Es ist nicht erforderlich, daß ein Festkörper die Oberfläche darstellt, auf die der Meniskus auftrifft, um einen Druckabfall auszulösen. Es kann auch eine flüssige Oberfläche festgestellt werden, Fig. 10A bis 10D. Den vorstehend beschriebenen Teile ähnliche Teile haben das gleiche Bezugszeichen, an das ein unterscheidendes A angehängt ist.
In der Fig. 10A ist die Spitze 30A, die bereits eine Patientenprobe enthält, in der Ausgangsposition, und in der Fig. 10B beginnt sie, sich in Richtung des Pfeiles 35A zu bewegen, während durch eine Erhöhung (+p) des Drucks wie bei den vorstehenden Ausführungsformen an der Öffnung 34A ein Meniskus "m" ausgebildet wird. Die Spitze bewegt sich jedoch nicht auf ein Testelement zu, sondern auf einen geeigneten Behälter 200 mit einer Flüssigkeit L. Zum Beispiel kann die Flüssigkeit eine Verdünnungsflüssigkeit sein, um die Patientenprobe zu verdünnen. Solche Verdünnungen erfolgen gewöhnlich, um eine Probe erneut zu untersuchen, die für einen bestimmten Analyten außerhalb des vorgegebenen Bereichs lag. Wenn der Meniskus "m" auf die Oberfläche 202 der Flüssigkeit L trifft, Fig. 10C, wird in der Spitze 30A ein Druckabfall (-p) festgestellt, der über einen Schwellenwert hinausgeht, und die Spitze 30 beendet ihre Vorwärtsbewegung Wie in der Fig. 1D gezeigt, wird der Druck in der Spitze 30A angehoben (+p), und die enthaltene Flüssigkeit wird in den Behälter 200 injiziert. In Abhängigkeit von der Größe der Oberfläche 202 kann die Spitze 30A während dieses Schritts allmählich zurückgezogen werden, um eine übermäßige Benetzung des Äußeren der Spitze zu verhindern.
Alternativ kann (nicht gezeigt) die Flüssigkeit in der Spitze 30A die Verdünnerflüssigkeit sein, zum Beispiel Wasser, und die Flüssigkeit im Behälter 200 die Patientenprobe.
Die Fig. 11 zeigt das Druckprofil einer solchen Flüssigkeits-Flüssigkeits-Ausführungsform, wobei die Bedingungen die gleichen waren wie beim Test der Fig. 7A, mit der Ausnahme, daß das Wasser in der Spitze auf eine "Koda-Controll II"- Flüssigkeit in einem Becherglas traf.
Die Anwendung der Erfindung auf das Aufeinandertreffen von Flüssigkeiten ist sehr nützlich, da es nicht immer bekannt ist, wo sich die Oberfläche 202 der Flüssigkeit in der Fig. 10C befinden wird. Auch wird das Erfordernis beseitigt, daß die Flüssigkeit des Behälters 200 in genau bestimmter Menge zugeführt wird oder daß die Oberfläche 202 anderweitig erfaßt wird, zum Beispiel mit einem optischen Detektor.

Claims

1. Verfahren zum Abgeben einer Vielzahl von verschiedenen biologischen Flüssigkeiten in einem kontrollierten Strom auf eine Oberfläche (37; 202) mittels einer Abgabevorrichtung (10, 30, 32, 34, 40, 46, 58, 60, 62, 64; 30A, 34A) zum Abgeben der biologischen Flüssigkeit auf die Oberfläche (37; 202), wobei die Abgabevorrichtung (10, 30, 32, 34, 40, 46, 58, 60, 62, 64; 30A, 34A) eine Abgabespitze (30, 34; 30A, 34A), eine wandlereinrichtung (70) zum Erfassen des Drucks (p), der auf die biologische Flüssigkeit in der Abgabespitze (30, 34; 30A, 34A) einwirkt, eine Druckänderungseinrichtung (58, 60, 62, 64) zum Ändern des Drucks (p) in der Abgabespitze (30, 34; 30A, 34A) und eine Bewegungseinrichtung (44, 80) zum Bewegen der Abgabespitze (30, 34; 30A, 34A) relativ zur Oberfläche (37; 202) aufweist, und wobei das Verfahren die Schritte

a) des Ansaugens einer biologischen Flüssigkeit mit unbekannter Oberflächenspannung in die Abgabespitze (30, 34; 30A, 34A)

b) des Vorwärtsbewegens der Abgabespitze (30, 34; 30A, 34A) mit Flüssigkeit darin auf die Oberfläche (37; 202) zu,

c) des Erzeugens eines äußeren Meniskusses (m) der Flüssigkeit an der Abgabespitze (30, 34; 30A, 34A) bei deren Vorwärtsbewegung auf die Oberfläche (37; 202) zu mit der Druckänderungseinrichtung (58, 60, 62, 64), wobei jede Druckänderung in der Spitze (30, 34; 30A, 34A) von der Wandlereinrichtung (70) erfaßt wird,

d) des automatischen Feststellens des Auftreffens des Meniskusses (m) auf die Oberfläche (37; 202) durch Erfassen eines vorgegebenen Werts für die Verringerung des Drucks (p) in der Abgabespitze (30, 34; 30A, 34A), um den Schritt e) zu aktivieren,

e) des Beendens der Vorwärtsbewegung der Abgabespitze (30, 34; 30A, 34A) in einem Abstand von der Oberfläche (37; 202),

so daß das Beenden der Vorwärtsbewegung der Abgabespitze (30, 34) auf die Oberfläche (37; 202) zu beim Erfassen des verringerten Drucks (p) einen Abstand Spitze-Oberfläche (Δh) zur Folge hat, und

f) des Abgebens von Flüssigkeit aus der Abgabespitze (30, 34; 30A, 34A) mittels der Druckänderungseinrichtung (58, 60, 62, 64) umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche (37) die Oberfläche eines Testelements (E) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, mit dem weiteren Schritt des Vergrößerns des Abstandes Spitze-Oberfläche (Δh) während der Abgabe einer bestimmten Menge von Flüssigkeit bis zu einem optimalen Abstand (Δh') für ein gegebenes Testelement (E), so daß zum Schaffen des richtigen Abstandes anfänglich nicht der optimale Abstand und der größere äußere Meniskus, der für den optimalen Abstand (Δh') erforderlich wäre und der eine Perfusion zur Folge haben kann, verwendet zu werden braucht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, mit den weiteren Schritten des Speicherns der Reihenfolge von Testelementen (E), die der Abgabevorrichtung (10, 30, 32, 34, 40, 46, 58, 60, 62, 64) zugeführt werden, und der Identität der geordneten Elemente (E), und

des Änderns des Wertes des Abstandes Spitze-Element (Δh') in Abhängigkeit von den bekannten chemischen Eigenschaften des zugeführten Testelements (E).

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei der äußere Meniskus ein Meniskusvolumen von nicht mehr als etwa 4 µl aufweist, so daß eine Verringerung des Drucks (p) erfaßt wird, wenn der Meniskus (m) mit der Oberfläche (37; 202) in Kontakt kommt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche eine Flüssigkeitsoberfläche (202) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der vorgegebene Wert für die Verringerung des erfaßten Drucks (p) 2,54 mm (0,1") Wassersäule übersteigt.