DE2238479A1

DE2238479A1 - CHEMICAL ANALYSIS SYSTEM

Info

Publication number: DE2238479A1
Application number: DE2238479A
Authority: DE
Inventors: Gerald L Paulson; Robert A Ray
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1971-08-06
Filing date: 1972-08-04
Publication date: 1973-02-15
Also published as: GB1395223A; IT974628B; DK150805C; CA972810A; DE2238479C3; US3765841A; JPS4829495A; CH583904A5; JPS5647497B2; DK150805B; DE2238479B2; SE389736B

Description

Patentanwälte Dipl. Ing. C. WallachPatent attorneys Dipl. Ing. C. Wallach

Dr. T. Haibach 13 803 -4, Aug. 1972Dr. T. Haibach 13 803-4, Aug. 1972

8 München 2 Kaufingerstr. 8, Tel. 2402758 Munich 2 Kaufingerstr. 8, Tel. 240275

Beckman Instruments, Inc. Fullterton, Calif,, USABeckman Instruments, Inc. Fullterton, Calif, USA

Chemisches AnalysesystemChemical analysis system

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur chemischen Analyse und im besonderen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung der Konzentration von mit Enzymen reagierenden Substanzen.The invention relates to a method and an apparatus for chemical analysis and in particular a method and a device for the quantitative determination of the concentration of substances which react with enzymes.

Ein allgemeines Feld innerhalb des Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung ist 'άί@ chemische Analyse von biologischen Substanzen zur Bestimmung deren chemischer Zusammensetzung. Beispielsweise ist es üblich, die Konzentration von Glukose im Blut oder Urin zu bestimmen, da die Konzentration der Glukose in diesen Körperflüssigkeiten eine Anzeige für die Tätigkeit verschiedener grundlegender Körperfunktionen ist. Ein anderes übliches Verfahren ist die Bestimmung der Konzentration von Harnstoff im Blutserum, da die Konzentration von Harnstoff in dieser Körperflüssigkeit eine Anzeige für die Nierenfunktion ist·A common field within the scope of the present invention is' @ άί chemical analysis of biological substances to determine their chemical composition. For example, it is common to determine the concentration of glucose in the blood or urine because the concentration of glucose in these body fluids is an indication of the activity of various basic body functions. Another common method is to determine the concentration of urea in the blood serum, as the concentration of urea in this body fluid is an indicator of kidney function

Die meisten heute verfügbaren Analysesysteme zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von biologischen Substanzen beruhen auf kolorimetrischer Analyse. Beispielsweise beruht ein bekanntes Verfahren für die enzymatische Bestimmung der Glukose im Blut und Urin auf der Oxydation der Glukose im Blut mit dem Enzym Glukose-Oxydase unter Bildung von Wasserstoffsuperoxyd und Glukonsäure. Ein derzeitig verfüg-Most of the analytical systems available today for determining the chemical composition of biological substances are based on colorimetric analysis. For example, there is a known method for enzymatic determination glucose in blood and urine on glucose oxidation in the blood with the enzyme glucose oxidase with the formation of hydrogen peroxide and gluconic acid. A currently available

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barer chemischer Analysator beruht auf der spektralphotometrischen Messung der Farbreaktion zwischen Wasserstoff* superoxyd, Peroxydase und einem Chromogen. Bin weiteres Beispiel wäre die Bestimmung von Harnstoff im Blut durch Reaktion des Harnstoffs mit dem Enzym Urease unter Bildung von Ammoniumcarbonat, unter Verwendung von kolorlnetrisohen Verfahren zur Bestimmung der Intensität des Reaktionsprodukts.Chemical analyzer is based on the spectrophotometric measurement of the color reaction between hydrogen * superoxide, peroxidase and a chromogen. I'm another one An example would be the determination of urea in the blood by reacting the urea with the enzyme urease to form of ammonium carbonate, using colorimetric methods to determine the intensity of the reaction product.

Wenngleich derartige kolorimetrisohe Analyseverfahren genaue Anseigen der Konzentration eines Bestandteils in einer Probe zu liefern vermögen, sind mit diesen Verfahren verschiedene Probleme verbunden. Zum einen unterliegen die meisten kolorimetrischen Verfahren erheb11ch/störungen und Einflüssen, welche die Anzeigegenauigkeit ganz erheblich beeinträchtigen können. Beispielsweise kann bei der enzymatischen Analyse von Glukose im Blut und Urin durch Oxydation von Olukose mit Qlukose-Oxydase das starke Oxydationsmittel Wasserstoffsuperoxyd mit anderen reduzierbaren Substanzen reagieren, und andere Unreinheiten überlagern sieh der Peroxyd-Peroxydase-Reaktion, was eine entsprechende Einbuße an Selektivität und Genauigkeit bedingt. Außerdem 1st bei den verfügbaren kolorimetrlsohen Analysesystemen eine Messung der Farbintensität des Produkts nach Abschluß der Reaktion erforderlich. Die Analyse ist daher leitraubend. Außerdem kann die Analyse häufig nicht ohne vorherige Entprotelhisierung der Blutproben oder Vorreinigung der Urinproben durchgeführt werden.Although such colorimetric analysis methods accurately indicate the concentration of an ingredient in capable of delivering a sample, there are various problems associated with these methods. On the one hand, they are subject to Most of the colorimetric methods have significant disturbances and Influences that can significantly affect the accuracy of the display. For example, in the enzymatic analysis of glucose in the blood and urine Oxidation of olucose with glucose oxidase the strong Oxidizing agents hydrogen peroxide react with other reducible substances, and other impurities are superimposed on the peroxide-peroxidase reaction, which causes a corresponding loss of selectivity and accuracy. In addition, with the colorimetric analysis systems available, the color intensity of the product is measured Completion of the reaction required. The analysis is therefore exhausting. In addition, the analysis can often not do without prior deprotection of the blood samples or pre-cleaning of the urine samples can be carried out.

Für einige enzymatische Reaktionen wurde die Verwendung von Leitfähigkeitsmessungen zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteiles in einer Probe vorgeschlagen. Näherhin tritt in bestimmten enzymatischen Reaktionen eineFor some enzymatic reactions the use of proposed by conductivity measurements to determine the concentration of a constituent in a sample. Closer occurs in certain enzymatic reactions

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änderung von einer nicht-ionischen in ©ine ionische Stoffr art oder von einer ioaisetien in eine nicht-ionische Stoffart auf. In derartigen Fällen dient die Wechselstromleitfähigkeit des Mediums als ©in direktes Mai für das Ausmaß der Reaktion,.und die Knuerungsgesehwindigkeit der Wechselstromleitfähigkeit mißt die Reaktionsgeschwindigkeit. Da die Reaktionsgeschwindigkeit direkt proportional den Konzentrationen bestimmter Reaktionst@iln@hme-r, wie beispielsweise des Enzyms und des Substrats, ist, können die.Konzentrationen dieser Bestandteil© dureh Messung der Änderungsgeschwindigkeit der Weehselstromleitfähigkeit überwacht und festgestellt werden.Change from a non-ionic to an ionic substance art or from an ioaisetien to a non-ionic substance on. In such cases, the AC conductivity of the medium serves as © in direct May for the extent of the reaction, .and the speed of the alternating current conductivity measures the rate of reaction. Because the reaction rate is directly proportional to the concentrations certain reaction words @ iln @ hme-r, such as of the enzyme and of the substrate, the.concentrations this component is monitored and monitored by measuring the rate of change in electrical conductivity to be established.

Ein Beispiel für diesen Reakfcionstyp ist die beim Mischen von Harnstoff enthaltendem Blut mit de» Enzym urease stattfindende Reaktion. Der nicht-ionische Harnstoff in dem Serum reagiert mit dem Enzym Urease unter Bildung vq» ionischem Ammoniumcarbonat. Ausmaß und Geschwindigkeit der Ammoniumcarbonat bildung sind proportional der Harnstoffmenge in der Serumprobe. Da Ammoniumcarbonat ionisch ist, ändert sich die Wechselstromleitfähigkeit der Lösung mit einer der vorliegenden Harnstoffmenge proportionalen Geschwindigkeit.An example of this type of reaction is that of mixing of blood containing urea with de »enzyme urease Reaction. The non-ionic urea in the serum reacts with the enzyme urease to form ionic substances Ammonium carbonate. The extent and speed of ammonium carbonate formation are proportional to the amount of urea in the serum sample. Since ammonium carbonate is ionic, the AC conductivity of the solution will change with any of the present Amount of urea proportional to speed.

In der US-Patentschrift 3 421 982 ist ein System zur Messung dieser Änderung der Wechselstromleitfähigkeit für Zwecke der enzymatischen Analyse vorgesehlagen. Bei diesem System werden herkömmliche Leitfähigkeitselektroden sowie bisher übliche Urease-Pegel zur Erzielung einer konstanten Änderungsgeschwindigkeit der Konzentration mit der Zeit verwendet. In der genannten Patentschrift ist angegeben, daß die Umwandlung des Substrats einige Minuten lang vor sich geht, daß jedoch die Änderungsgeschwindigkeit der Leitfähigkeit in der ersten Minute im wesentlichen linear ist. Diese Be-In U.S. Patent 3,421,982 there is a system for measurement this change in AC conductivity is suggested for the purposes of enzymatic analysis. With this system will be conventional conductivity electrodes as well as the urease level customary up to now to achieve a constant rate of change of concentration used over time. In the cited patent it is stated that the conversion of the substrate goes on for a few minutes, but the rate of change in conductivity is essentially linear for the first minute. This loading

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dingungen sind erforderlich, um ein Zweipunkt-kinetisches Verfahren sinnvoll anwenden zu können, mit einer angemessenen Annäherung an die zu bestimmende Reaktionsgeschwindigkeit durch Nessung der Über ein festes Zeitintervall innerhalb des linearen Bereichs der Reaktion auftretenden endlichen Leitfähigkeitsänderung. Mathematisch stellt dies eine Messung von ?r dar, worin AC die Änderung der Leitfähigkeit während des festen ZeitIntervalls At ist, das etwa eine Minute beträgt. Dieses bekannte System ist daher umständlich, zeitraubend und unterliegt Ungenauigkeiten.conditions are required for a two-point kinetic To be able to use the method sensibly, with a reasonable approximation of the reaction rate to be determined by measuring the finite change in conductivity that occurs over a fixed time interval within the linear range of the reaction. Mathematically this represents a measurement of? r, where AC is the change the conductivity during the fixed time interval is At, which is about a minute. This known system is therefore cumbersome, time consuming and subject to inaccuracies.

In der US-Patentschrift ....... (US-Patentanmeldung SerialIn U.S. Patent ....... (U.S. Patent Application Serial

No. 618 859 vom 27. Februar 1967» Anmelder James C. Sternberg, übertragen an die vorliegende Anmelderin und betreffend einen "Rate Sensing Batch Analyzer") ist ein System vorgeschlagen, das nioht nur die den bekannten kolorimetrisohen Analysesystemen anhaftenden Probleme sondern auch die vorstehend erwähnten Probleme des auf Leitfähigkeitsmessung beruhenden Systeme nach der US-Patentschrift 3 421 982 löst. Der Sternberg-Analysator gibt ein einfaches Verfahren zur raschen Gewinnung quantitativer Information über eine Reihe chemischer und insbesondere biologischer Proben an Hand. Mit diesem Analysator läßt sich die Konzentration von mit Enzymen reagierenden Substanzen rasch und genau und unter Verwendung kleiner Probenmengen bestimmen. Der Sternberg-Analysator beruht auf der Messung der wahren momentanen Reaktionsgeschwindigkeit in sehr frühen Stadien der Reaktion, bevor ein größerer Anteil der Reaktanten verbraucht ist. Das aufgezeichnete Geschwindigkeitssignal weist eine scharf , definierte Soheitelspitze auf, welche der scheinbaren Maximumgesohwindigkeit entspricht und direkt proportional der Anfangskonzentration ist. Das scheinbare Maximum derNo. 618 859 of February 27, 1967 »Applicant James C. Sternberg, transferred to the present applicant and relating to a "Rate Sensing Batch Analyzer") a system is proposed, this does not only address the problems inherent in the known colorimetric analysis systems, but also those above solves the mentioned problems of the conductivity measurement system according to US Pat. No. 3,421,982. Of the Sternberg analyzer gives a simple method for rapid acquisition of quantitative information on a number of chemical and especially biological samples by hand. With this analyzer, the concentration of substances reacting with enzymes can be measured quickly and accurately and below Determine the use of small amounts of sample. The Sternberg analyzer is based on measuring the true instantaneous Reaction rate in the very early stages of the reaction, before a larger proportion of the reactants is consumed. The recorded speed signal shows a sharp, defined Soheitelspitze on which of the apparent Corresponds to the maximum velocity and is directly proportional to the initial concentration. The apparent maximum of the

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Reaktionsgeschwindigkeit wird in einem verhältnismäßig kurzem Zeitintervall erhalten, wodurch Analysezeit gespart wird und mehr Proben in einem gegebenen Zeitintervall vermessen werden können· Bei Anwendung zur direkten Bestimmung des Sauerstoffverbrauche in einer Qlukoae-Oxydaae - Glukose-Reaktion ist bei diesem System keine vorherige Reinigung oder Entproteihisierung der Blut-, oder Urinproben erforderlieh; das System liefert sehr genaue Ergebnisse auf absoluter Basis und ist für viele Unreinheiten, die bekanntermaßen ' ,viele anderweitige Analyseverfahren störend beeinträchtigen, unempfindlich.Response speed is proportionate in a short time interval, which saves analysis time and more samples can be measured in a given time interval · When used for direct determination the oxygen consumption in a Qlukoae-Oxydaae - glucose reaction is not a prior purification in this system or deproteinization of the blood or urine samples required; the system gives very accurate results on an absolute basis and is suitable for many impurities known to ' , interfere with many other analysis methods, insensitive.

Während somit der Rate Sensing Batch Analyzer nach Sternberg gemäß der erwähnten US-Patentschrift (Serial No. 618 859 vom 27» Februar 1967) die bei den bekannten zuvor diskutierten Systemen auftretenden Probleme löst, hat sich ergeben, daß der Sternberg-Analysator für viele Enzymreaktionen nicht ideal geeignet ist. Beispielsweise wird bei dem Sternberg-Analysesystem . die Menge von Glukose im Blut oder Urin unter Verwendung eines Sauerstoff-Meßfühlers zur Messung der Oxydationsgeschwindigkeit von Glukose mit Glukose-ÖüiyOaee unter Bildung von Wasserstoffsuperoxyd und Glukonsäüre bestimmt. Die Reaktion kann so kontrolliert werden, daß bei der Einbringung der Probe in Lösung mit dem Reagenz keine anfängliehe Änderung des Sauerstoffpegels auftritt. Andererseits kann bei der Bestimmung der Konzentration von Harnstoff in Blutserum durch Reaktion des Serums mit Urease unter Bildung von Ammoniumcarbonat offensichtlich kein Sauerstoff-Meßfühler tür Überwachung der Reaktion verwendet werden. Bei Verwendung «Ines Leitfähigkeit«-Meßfühlers zur Messung der Leitfähigkeitsänderung der Lösung ergeben sich Probleme in Zusammenhang mit der Messung des Maximum-Werts der Zeit- *bleitung der Ausgangsgröße des Meßfühlers, wie dies in derWhile the Rate Sensing Batch Analyzer according to Sternberg in accordance with the aforementioned US patent specification (Serial No. 618 859 of February 27, 1967) solves the problems occurring in the known systems discussed above, it has been found that the Sternberg analyzer is not ideally suited for many enzyme reactions. For example, in the Sternberg analysis system. taking the amount of glucose in the blood or urine below Use of an oxygen sensor to measure the rate of oxidation of glucose with glucose oil determined with the formation of hydrogen peroxide and gluconic acid. The reaction can be controlled so that at When the sample is brought into solution with the reagent, there is no initial change in the oxygen level. On the other hand, when determining the concentration of urea apparently no oxygen sensor can be used to monitor the reaction in blood serum due to the reaction of the serum with urease to form ammonium carbonate. When using «Ines conductivity» probe for measurement the change in conductivity of the solution, problems arise in connection with the measurement of the maximum value of the time * Deriving the output variable of the sensor, as shown in the

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Sternberg-US-Anmeldung Serial No. 618 859 vom 27. Februar 1967 besahrieben ist. Die Schwierigkeiten beruhen darin, daft das Blutserum selbst leitend ist und daher eine große Leitfähigkeitsänderung in der Lösung bei der Zugabe des Serums su dem Reagens auftritt. Dieser augenblickliche sprunghafte Anstieg der Leitfähigkeit der Lösung fuhrt sum Auftreten eines gegen unendlich gehenden Maximum-Werts der seitliehen Xnderungsgeschwindigkeit der Leitfähigkeit, ao daß keine sinnvolle, auswertbar«} Ausgangsgröße erhalten werden kann.Sternberg U.S. Application Serial No. 618 859 of February 27, 1967 is registered. The difficulties reside in the fact that the blood serum itself is conductive and therefore a large change in conductivity occurs in the solution when the serum is added to the reagent. This current surge in conductivity of the solution leads sum occurrence of ao that no meaningful, evaluated "} output can be obtained to infinity previous maximum value of seitliehen Xnderungsgeschwindigkeit conductivity.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher als Aufgabe die Sohaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung sur chemischen Analyse zugrunde, mit deren Hilfe nicht nur.die von dem Sternberg-Analysesystem gelüsten Probleme der bekannten Systeme gelöst werden, sondern die ein Analysesystem darstellen, das auf eine breitere Vielfalt von Ensymereaktionen anwendbar ist als das Sternberg-Syst em. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sollen ein· raten« Bestinnung der Konsentration eines Bestandteils in einer Probe, wie beispielsweise biologischen Flüssigkeiten, gestatten· Die Vorrichtung soll sich sum schnellen Aufbau und cur raschen Inbetriebnahme eignen und eine rasohe und genaue Bestimmung der Meßwerte unter Verwendung kleiner Proben und Messung der wahren Konsentration gestatten.The present invention is therefore based on the task of creating a method and a device for chemical analysis, with the help of which not only the Sternberg analysis system lusted after the known problems Systems are solved, but which represent an analysis system that is responsive to a wider variety of enzyme reactions is applicable as the Sternberg syst em. The method and the device according to the invention are intended to determine the concentration of a constituent in one Allow sample, such as biological fluids, to set up quickly and quick commissioning and rapid and precise determination of the measured values using smaller Allow sampling and measurement of true consistency.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung beruhen auf der Messung der wahren momentanen Geschwindigkeit in einem sehr frühen Stadium der Reaktion vor dem Verbrauoh der Reaktanten; selbst bei gasförmigen Reaktanten kennen die Reaktionen an der offenen Atmosphäre ablaufen, da die für die Anseige wesentlichen Daten gewonnen werden, bevor eine Rückdiffusion von Gas in die Lösung die ErgebnisseThe method and the device according to the invention are based on the measurement of the true instantaneous speed at a very early stage of the reaction before Consumption of reactants; even with gaseous reactants know the reactions taking place in the open atmosphere, as the data essential for the display are obtained, before a back diffusion of gas into the solution the results

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beeinflussen kann. Das Verfahren unä die Vorrichtung gemäß der Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, daß die Einbringung der Probe in die Lösung mit dem Reagens eine !!©montane Änderung der der Messung zugrundegelegten eha3rakfc©ri,3ti&ch©n Eigenschaft der'Lösung verursachen kann» Demgemäß wird nach dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung die Messung des die Änderungsgeschwindigkeit darstellend©!·! Signals während einem vorgegebenen festen Zeitintervall, beginnend mit te»-Einbringung der 'Probe in das Reagens, gesperrt, wobei diese®. Zeitintervall hinreichend gi°©B gewählt wird, um die Auswirkung" der erwähnten momentanen Änderung in d@r Lösusag zu eliminieren sowie eine gründlieh© Durehmischung d©r Prob® mit dem Reagenz eu gewährleisten. Unmittelbar «aeh d@m Ablauf das fest vorgegebenen "Zeitintervalle wird erfindungsgemäß <ä©£» B@fes?ag der Änderungsgeschwindigkeit der Reaktioncan affect. The method and the device according to FIG Invention are based on the knowledge that the introduction of the Sample in the solution with the reagent a !! © montane change the eha3rakfc © ri, 3ti & ch © n property on which the measurement is based the 'solution may cause »Accordingly, after the Basic concept of the present invention is the measurement of the Representing rate of change ©! ·! Signal during a predetermined fixed time interval, starting with te »introduction the 'sample in the reagent, locked, this®. Time interval sufficient gi ° © B is chosen to achieve the " to eliminate the mentioned current change in the solution as well as a thorough mixture of the Prob® with the reagent eu guarantee. Immediately after the expiry of the fixed predetermined time interval, according to the invention, the time interval is determined Rate of change of response

Die Erfindung schafft ain Verfahren-und eiae ITorrishtung aur Bestimmung der Konzentration eines B@@tandteil@ss in einer Probe, beispielsweise der Konzentration v&n Härmstoff in biologischen Flüssigkeiten, wie beispielsweise Blutserum, wQbei die Probe nach der Einbringung in Lösung mit dem Reag©ms mit diesem reagiert und eine anhaltend® Änderung in einer eha^akteristisehen Eigenschaft der Lösung verursacht, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit eine Anzeige für die Konzentration des Bestandteils in der Probe ist. Zur überwachung der charakteristischen Eigenschaft der Lösung und mir Erzeugung eines hierzu proportionalen ersten elektrischen Ausgangssignals ist ein Meßfühler vorgesehen. Eine Differenzierschaltung erzeugt ein der Zeitableitung des ersten Signals proportionales zweites elektrisches Signal, wobei dieses Zeitableitungssignal eine Anzeige für die Konzentration des Beatandteiles in der Probe darstellt.The invention provides a method and method for determining the concentration of a component in a sample, for example the concentration of the urine in biological fluids, such as blood serum, for example the sample after it has been introduced into solution with the reagent reacts with this and causes a sustained change in an active property of the solution, the rate of reaction being an indication of the concentration of the constituent in the sample. A measuring sensor is provided to monitor the characteristic property of the solution and to generate a first electrical output signal proportional to it. A differentiating circuit generates a second electrical signal proportional to the time derivative of the first signal, this time derivative signal being an indication of the concentration of the beatand component in the sample.

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Die vorliegende Erfindung trägt auch den Pillen Rechnung, wo eine große momentane Änderung der der Messung zugrundegelegten charakteristischen Eigenschaft der Lösung bei der Zugabe der Probe stattfindet. Nach dem Grundgedanken der Erfindung ist daher eine Vorrichtung vorgesehen, welche die Meβsung des Betrags des Zeitableitungesignals in einem vorgegebenen, festen Zeitintervall nach der Zugabe der Probe in das Reagenz gewährleistet, um die Auswirkung der momentanen Xnderung der Charakteristlochen Eigenschaft der Lösung su eliminieren und eine gründliche Durchmisehung der Probe mit dem Reagens su gewährleisten« Auf diese Weise eignet sich das erfindungsgemäße System sur Bewältigung eines Reaktionsablaufs, in welchem auf eine große momentane Änderung in der Lösung, die für -en Meßvorgang ohne Xnteres&e ist, eine kleinere und langsamere Änderung folgt, die Signifikanz als Anzeige für die Konzentration des interessierenden Bestandteiles besitzt.The present invention also takes into account the pills where there is a large instantaneous change in the characteristic property of the solution on which the measurement is based Addition of the sample takes place. According to the basic idea of In accordance with the invention, a device is therefore provided which measures the amount of the time derivative signal in a predetermined, fixed time interval after the addition of the sample in the reagent ensures the effect of the momentary change in the characteristic properties of the solution Eliminate su and thoroughly sift through the sample ensure with the reagent su «In this way, the system according to the invention is suitable for coping with a Reaction sequence, in which on a large momentary change in the solution, the for -en measuring process without Xnteres & e is followed by a smaller and slower change that has significance as an indication of the concentration of the constituent of interest.

Durch die vorliegende Erfindung vrird somit ein Verfahren und eine Vorrichtung sur chemischen Analyse und näherhin zur quantitativen Bestimmung der Konzentration von Substanzen, die mit Enzymen reagieren, geschaffen. Die Erfindung gestattet die Bestimmung der Konzerttration einer mit einem Enzym reagierenden Substanz durch tfeasung des Betrags der Reaktionsgeschwindigkeit nach einem vorgegebenenen festen Zeitintervall nach der Einbringung der Substanz in das Enzym. Insbesondere gestattet die; Erfindung die Messung der Konzentration von Harnstoff im Blut;serum. Die Erfindung gestattet eine rasche und genaue Messung enssymatischer Reaktionen mit geringen Probenvoluiciria.The present invention thus provides a method and a device for chemical analysis and more specifically for the quantitative determination of the concentration of substances, that react with enzymes. The invention allows the determination of the concerttration one with one Enzyme reacting substance by measuring the amount of Reaction rate after a predetermined fixed time interval after the substance has been introduced into the Enzyme. In particular, the; Invention the measurement of Concentration of urea in blood; serum. The invention allows rapid and accurate measurement in an ensymatic manner Reactions with low sample volumes.

Die Erfindung betrifft auch eine Elektrode sur Messung der Wechselstromleitfähigkeit.The invention also relates to an electrode for measurement the AC conductivity.

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Im folgenden werden Ausführoangsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; In dieser zeigen;In the following exemplary embodiments of the invention are described with reference to the drawing; In this show;

Pig. 1 eine graphische Darstellung der Sauerstoff (O₃) Konzentration als Funktion der Zeit (t) in einer Glukoseoxydase-Qliikose-Risaktien,Pig. 1 a graphical representation of the oxygen (O ₃ ) concentration as a function of time (t) in a glucose oxidase-Qliikose-Risaktien,

Pig, 2 eine graphische Darstellung der zeitlichen Ab2 Pig, 2 is a graphical representation of the temporal Ab2

leitung der Sauerstoffkonzentration 2 für dieline of oxygen concentration 2 for the

Reaktion gemäß Pig. i,Reaction according to Pig. i,

Pig. 3 eine graphische Darstellung der tfeehsalstromleitfähigkeit (C) als Funktion der Zeit (t) für bestimmte Engym-Heakfeiosatm_s wie beispielsweise eine Hasmstof f -Pig. 3 a graphical representation of the conductivity (C) as a function of time (t) for certain Engym-Heakfeiosatm _s such as a Hasmstof f -

die Pig. 4 bis 6 graphisehe Darstellungen der Knderungsgeschwindigkeit der Weßha@l3trcmleitfähigkeit || in Abhängigkeit von der Zeit (t) für dan Pall der graphischen Darstellung mm Pig. 3» und zwar aur Veranschauliehung dr©i@r alternativer Verfahren zur Messung d@r G^öße des itnderungsgesshwindigkeits" signals nach einem vorgegebenen festen Zeitintervall nach der Einbringung der Probe in das Reagenz.the pig. 4 to 6 graphical representations of the rate of change of the Weßha @ l3trcmconductivity || as a function of the time (t) for dan Pall of the graph mm Pig. 3 »to illustrate three alternative methods for measuring the size of the change speed signal after a predetermined fixed time interval after the introduction of the sample into the reagent.

Pig. 7 ein vereinfachtes Bloeksshema einer Vorrichtung gemäß ainer baversugt©« AuiifUhriingsform tier Erfindung, Pig. 7 shows a simplified block diagram of a device according to FIG ainer baversugt © «AuiifUhriingsform tier invention,

Pig. 8 ein Teilblßöksehana mn· 7ox*a»soh&iiliehung ainsr Modifikation der Vori'i^h^uug a.Uii Pig. 7 Pig. 8 a Teilblßöksehana mn · 7ox * a »soh & iiliehung ainsr modification of the Vori'i ^ h ^ uug a.Uii Pig. 7th

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Fig. 9 In teilweise geschnittener Ansieht eine bevorzugte Auaflhrungs form eines Probenbechers zur Verwendung in der Vorrichtung nach Fig. 7Fig. 9 In a partially sectioned view of a preferred embodiment of a sample cup for Use in the device according to FIG. 7

Fig. 10 in Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines Meßfühlers sur Verwendung in der Vorrichtung nach Fig. 710 shows a side view of a preferred embodiment of a measuring sensor for use in the device according to FIG. 7

Flg. 11 eine Stirnansicht des Meßfühlers aus Flg. 10.Flg. 11 is a front view of the sensor from FIG. 10. Zn der eingangs erwähnten US-Patentschrift Zn the US patent mentioned at the beginning

(US-Patentanmeldung Serial No. 6l8 859 vom 27. Februar 1967» Anmelder James C. Sternberg, Obertragen auf die vorliegende Anmelderin) ist ein einfaches und bequemes Verfahren sur schnellen Bestimmung der Konsentration von mit Enzymen reagierenden Substanzen durch Messung der wahren augenblicklichen Reaktionsgeschwindigkeit in sehr frühen Stadien der Reaktion beschrieben. Beispielsweise wird sur Bestimmung des Olukosegehalts im Blut oder im Urin bei diesem Analysator eine Messung der Oxydationsgeschwindigkeit von Olukose mit Qlukose-Oxydase unter Bildung von Wasserstoffsuperoxyd und Qlukonsäure ins Auge gefaßt. Die Messung erfolgt durch Anbringung eines Säuerstoff-Meßfühlers in einem Probenbehälter und Messung der Xnderungsgesohwindigkeit der Sauerstoffkonzentration.(U.S. Patent Application Serial No. 61,8859 filed Feb. 27 1967 (Applicant James C. Sternberg, assigned to the present applicant) is a simple and convenient method for quickly determining the consensus of with Enzymes reacting substances by measuring the true instantaneous reaction rate at a very early stage Stages of the reaction described. For example, it is used to determine the level of olucose in the blood or urine This analyzer envisaged a measurement of the rate of oxidation of olucose with glucose oxidase with the formation of hydrogen peroxide and gluconic acid. the Measurement is carried out by attaching an oxygen sensor in a sample container and measuring the rate of change in the oxygen concentration.

In Fig. 1 der vorliegenden Zeichnung habe im Zeitpunkt t_Q vor der Einbringung der Olukose-haltigen Prob· In die Sauerstoff-haltige Qlukose-Oxydase der O-~Pegel einen Betrag von O₉ . Nach dar Einbringung der Probe im Zeitpunkt . 1 ■ In FIG. 1 of the present drawing, at the point in time t _Q before the introduction of the olucose-containing sample into the oxygen-containing glucose oxidase, the O- level has an amount of O ₉ . After introducing the sample at the time . 1 ■

t. folgt der Sauerstoff-Pegel einer Kurve 10, die asymptotisch abnimmt. Wird die Ausgangsgröße das Sauerstoff-Meßfühlers einer DifferenslersehaltutiK sugoführt, so läßt sich t. the oxygen level follows a curve 10 which decreases asymptotically. If the output variable of the oxygen measuring sensor is fed to a differential holding device, then it can be

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3 ο η 8 o v / m »i3 ο η 8 o v / m »i

ein elektrisches Signal gewinnen, das die seitliche Ableitung des Säuerstoff-Konzentr&tionssignals und damit proportional zur seitlichen Xaderungagesehwlnciigkeit der Sauerstoffkonzentration ist. In Fig» 2 stellen die Kurven 11, 12 und 13 drei möglich® Ausgangsgrößen einer derartigen Differenzierschaltung dar. Im einzelnen steigt die durch Differentiation der Ausgangsgröße des Sauerstoff-Meßfühlers erhaltene Zeitableitung zunächst auf ein Maximum an und nimmt sodann mit abnehmender Reaktionsgeschwindigkeit ab. Der Betrag des Maximums de« die zeitlieh© Änderung©geschwindigkeit darstellenden Ausgangssignals ist direkt proportional der anfänglichen Konzentration der Glukose und stellt ein einfaches, rasches und genaues Ausgangssignal dar. gain an electrical signal which is the lateral derivative of the oxygen concentration signal and is therefore proportional to the lateral frequency of the oxygen concentration. In FIG. 2 , curves 11, 12 and 13 represent three possible output variables of such a differentiating circuit. In detail, the time derivative obtained by differentiating the output variable of the oxygen sensor initially increases to a maximum and then decreases with decreasing reaction speed. The magnitude of the maximum of the output signal representing the rate of change over time is directly proportional to the initial concentration of glucose and represents a simple, quick and precise output signal.

Viele andere weitere enzymatisch© Reaktionen sind solcher Art, daß die Einbringung der Probe in Lösung mit dem Reagenz keine momentane Änderung der für die Messung zugrundegelegten Eigenschaft der Lösung bewirkt, derart, daß das erwähnte Sternberg-Verfahren anwendbar ist. Andererseits bewirkt in manchen enzymatisehen Reaktionen die Einbringung der Probe in Lösung mit dem Reagenz eine momentane, augenblickliche Änderung der charakteristischen Eigenschaft der Lösung, die gemessen werden soll. Beispielsweise kann man die Harnstoff konzentration in Blutserum dadurch bestimmen, daß man das Serum mit der Enzym-Urease unter Bildung von Ammoniumcarbonat zur Reaktion bringt. Die Geschwindigkeit der Ammoniumcarbonatbildung ist proportional d©r Harnstoffmenge' in der Serumprobe. Da das Serum anfänglich nichtionisch ist und da Ammoniumcarbonat ionischen Charakter hat, ändert sich die Wechselstrom-Leitfähigkeit der Lösung mit einer der vorliegenden Harnstoffmenge proportionalen Geschwindigkeit. Jedoch treten bei der Messung des Maximumwerte der Ausgangsgröße eines Wechselstrom-Leitfähigkeit-Many other enzymatic reactions are such Kind, that the introduction of the sample in solution with the reagent does not change the momentary change of the basis for the measurement Property of the solution causes such that the mentioned Sternberg method can be used. On the other hand, in In some enzymatic reactions the introduction of the sample into solution with the reagent is instantaneous Change in the characteristic of the solution to be measured. For example, one can use the urea Determine the concentration in blood serum by mixing the serum with the enzyme urease to form ammonium carbonate to react. The rate of ammonium carbonate formation is proportional to the amount of urea ' in the serum sample. Since the serum is initially non-ionic and since ammonium carbonate has an ionic character, the AC conductivity of the solution changes with it a speed proportional to the amount of urea present. However, when measuring the maximum values occur the output variable of an alternating current conductivity

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meßfühlere Probleme auf, da das Blutserum selbst leitfähig ist und daher eine große Leitfähigkeitsänderung in der Lösung bei der Zugabe des Serums zu dem Reagenz auftritt.sense for problems as the blood serum itself is conductive and therefore a large change in conductivity occurs in the solution when the serum is added to the reagent.

In Fig. 3 veranschaulicht die Kurve 15 die Änderung der Vechseletromleitfähigkeit mit der Zeit, bei Messung mit einem in einem Probenbehälter eingebrachten Leitf&higkeits-Meßfühler. Im Zeitpunkt t_Q, bei leerem Behälter, hat die Wechselstromleitfähigkeit einen Wert C_Q » 0. Im Zeitpunkt t~, in welchem der Probenbehälter mit der Enzym-Urease gefüllt wird, springt die Wechselstromleitfähigkeit infolge der Leitfähigkeit des Reagenz auf einen Wert C₁. Im Zeitpunkt %₂ der Einbringung des Serums in.den Probenbehälter tritt infolge der Leitfähigkeit des Blutserums ein Sprung der Leitfähigkeit auf einen Wert C. auf. Danach steigt die Leitfähigkeit asymptotisch auf einen Maxlmumwert C„ an, wobei die Leitfähigkeit sänderung von C- auf C, durch die Ammoniumcarbonat-Bildung verursacht wird.In FIG. 3, curve 15 illustrates the change in the alternating electric conductivity with time, when measured with a conductivity measuring sensor placed in a sample container. At time t _Q , when the container is empty, the AC _{conductivity has a value C Q} »0. At time t ~, at which the sample container is filled with the enzyme urease, the AC conductivity jumps to a value C ₁ due to the conductivity of the reagent. At the point in time % ₂ when the serum was introduced into the sample container, the conductivity of the blood serum caused a jump in conductivity to a value of C. Thereafter, the conductivity rises asymptotically to a maximum value C ", the change in conductivity from C- to C being caused by the ammonium carbonate formation.

Wie auf Fig. 4 ersichtlich, steigt infolge des momentanenAs can be seen in Fig. 4, increases as a result of the instantaneous Sprungs der Lösungeleitfähigkeit im Zeitpunkt t_o dieJump in solution conductivity at time t _o die

de Änderungsgeschwindigkeit ^ der Weeheelstromleitfähigkeitde Rate of change ^ of the wheel current conductivity

anfänglich sprunghaft auf Unendlich an, wie durch die gestrichelte Kurve 16 angedeutet ist. Nach dem Zeltpunkt t,initially suddenly to infinity, as indicated by the dashed curve 16. After the tent point t,

de nimmt ^r asymptotisch längs der gestrichelten Kurve 17 ab.de ^ r decreases asymptotically along the dashed curve 17. Für den Fachmann ist klar, daß dieser momentane Sprung in der Lösungsleitfähigkeit im Zeitpunkt t« ein scheinbaresIt is clear to a person skilled in the art that this instantaneous jump in the solution conductivity at time t «is an apparent one

ACAC

Maximum von jjr gegen Unendlich erzeugt, derart, daß ein System, das auf der Messung des Masiimumwerts der zeitlichen Xnderungsgesohwindigkeit der Meßfühler«usgarigsgröfce beruht, kein brauchbares Ausgangssignal zu liefern vermag.Maximum of jjr towards infinity generated such that a System based on the measurement of the maximum value of the temporal The rate of change of the sensors is based on unable to provide a usable output signal.

In Fig. 7 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der Vor-In Fig. 7 is a simplified block diagram of the pre-

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η - η -

richtung zur chemischen Analyse naeh dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die als Ganzes mit 20 bezeichnete Apparatur weist einen Probenbehälter 21 auf, in welchem die Enzym-Reaktion stattfindet. 0er Probenbehälter 21 kann eine beliebige unter vielen bekannten Konfigurationen besitzen, er weist eine Vorrichtung zur Zufuhr des Hoagenz und der Probe sowie auch Mittel für eine grUndliehe Durchmischung der Lösung auf. Eine bevorzugte Ausführungsform des Probenbehälters 21 wird weiter unten an Hand v©n Fig. 9 beschrieben.direction for chemical analysis according to the invention Procedure. The apparatus designated as a whole by 20 has a sample container 21 in which the enzyme reaction takes place. The sample container 21 can have any of many known configurations, it has a Device for feeding the Hoagenz and the sample as well Means for thorough mixing of the solution. A preferred embodiment of the sample container 21 is described further below with reference to FIG. 9.

In dem Probenbehälter 21 erstreckt sish ein Meßfühler 22 zur überwachung einer charakteristischen Eigenschaft der Lösung oder eines Reaktionspartaer oder -Produktes; der Meßfühler erzeugt auf einer Leitung 23 ein dieser- charakteristischen Eigenschaft proportionales erstes elektrisches Ausgangssignal. Als Meßfühler 22 kommt jeder beliebige derartige Meßfühler in Betracht, beispielsweise der Sauerstoff-Meßfühler bei der zuvor genannten Sfc©rnbsrg-Anra@ldung oder ein spektralphotometriseher Meßfühler oder dgl. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Meßfühler 22 ein Leitfähigkeits-Meßfühler von weiter unten an Hand der Fig. 10 und 11 näher beschriebener Art mit in Abständen voneinander angeordneten ersten und zweiten Elektroden zur Messung der vfechselstromleitfähigkeit der Lösung in dem Probenbehälter 21.In the sample container 21 sish a sensor 22 extends to monitoring a characteristic of the solution or a reactant or product; the probe generates a first electrical output signal proportional to this characteristic property on a line 23. Any such sensor can be used as the sensor 22 Measuring sensor into consideration, for example the oxygen measuring sensor in the aforementioned Sfc © rnbsrg-Anra @ ldung or a spectrophotometric sensor or the like. According to one In the preferred embodiment of the present invention, the probe 22 is a conductivity probe of the next 10 and 11 of the type described in more detail below with reference to FIGS. 10 and 11, with the first and second spaced apart Electrodes for measuring the alternating current conductivity of the Solution in the sample container 21.

Aus einem Oszillator 24 wird der einen Elektrode des Meßfühlers 22 eine Wechselspannung konstanter Amplitude zugeführt. Die Ausgangsgröße des Oscillators 24 kann eine symmetrische Schwingung von beliebiger Wellenform, d.h. eine Sinus-, Hechteck-, Dreieck- usw. Schwingung von jeweils gewünschter Frequenz, in Abhängigkeit von den Schaltungsparametern, sein, wia weite!· untesi noch im einzelnen be- An oscillator 24 becomes one electrode of the measuring sensor 22 an alternating voltage of constant amplitude is supplied. The output of the oscillator 24 can be symmetrical oscillation of any wave form, i.e. a sine, pike-corner, triangle etc. oscillation of each desired frequency, depending on the circuit parameters, how wide!

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schrieben wird. Die Änderung der Weehselstromleitfähigkeit der Lösung ruft eine Xnderung des Stroms in der mit der anderen Elektrode des Meßfühlers 22 verbundenen Leitung 23 hervor; dieser Strom trii;t als eine Amplitudenmodulation des von dem Oszillator 24 gelieferten Qrundfrequenzsignals auf.is written. The change in electrical conductivity the solution causes a change in the current in the lead connected to the other electrode of probe 22 23 emerges; this current occurs as an amplitude modulation of the basic frequency signal supplied by the oscillator 24.

Das von dem Meßfühler 22 gelieferte Amplituden-roodulierte Signal wird einem Demodulator 25 zugeführt, der eine der Wechselstromleitfähigkeit dor Lösung in dem Behälter 21 proportionale Gleichspannung auf der Leitung 26 erieugt. Die Leitung 26 ist mit einem Pestkontakt 27 eines Schalters 28 verbunden, der einen beweglichen Schalterkontakt 29 aufweist. Der bewegliche Kontakt 29 ist mit einer Anzeigebzw. Wiedergabevorrichtung 30, beispielsweise einen digitalen Voltmeter, verbunden.' Daher kann durch Schließen des beweglichen Kontakts 29 des Schalters 28 mit dem .Festkontakt 27 die der Wechselstromleitfählgkeit der Lösung proportionale Oleichspannung direkt an der Anzeige- bzw. Wiedergabevorrichtung 30 ausgelesen werden. Dieses Signal würde als Kurve 15 in Fig. 3 auftreten. Diese Maßnahme gestattet eine überwachung der jeweiligen tatsächlichen Wechselstrom-Leitfähigkeit der Lösung in dem Probonbehälter 21, zur Bestimmung der Werte von C_Q, C₁, C₂ und Oy The amplitude-regulated signal supplied by the measuring sensor 22 is fed to a demodulator 25, which generates a direct voltage on the line 26 proportional to the alternating current conductivity of the solution in the container 21. The line 26 is connected to a plague contact 27 of a switch 28 which has a movable switch contact 29. The movable contact 29 is provided with a display or. Playback device 30, for example a digital voltmeter, connected. ' Therefore, by closing the movable contact 29 of the switch 28 with the fixed contact 27, the DC voltage proportional to the AC conductivity of the solution can be read out directly on the display or playback device 30. This signal would appear as curve 15 in FIG. This measure allows the respective actual alternating current conductivity of the solution in the sample container 21 to be monitored in order to determine the values of C _Q , C ₁ , C ₂ and Oy

Die der Weohselstromleitfähigkeit proportionale Qleiohspannung auf der Leitung 26 wird ferner auch einer Differensierschaltung 31 zugeführt, die an einer Leitung 32 ein der Zeitableitung des auf der Leitung 26 zugeführten Wechselstrom-Leitfahigkeitssignals proportionales elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Das elektrische Signal auf dir Leitung 32 ist somit proportional der zeitlichen Änderungsgeeohwindigkeit der WeohselstromleitfähUjkeit der lösung inThe Qleiohspannung proportional to the Weohselstromleitbarkeit on line 26 is also fed to a differentiating circuit 31, which is connected to a line 32 electrical proportional to the time derivative of the AC conductivity signal applied on line 26 Output signal generated. The electrical signal on line 32 is thus proportional to the rate of change in the alternating current conductivity of the solution over time

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dem Probenbehälter 21-uad damit direkt proportional der Konzentration der Reaktionstellnehmep in dem Probenbehälterthe sample container 21-uad thus directly proportional to the Concentration of the reaction controls p in the sample container

Man erkennt, daß die Apparatus» 2© die überwachung einer großen Klasse von ©najrraatisehen Reaktionen gestattet, beispielsweise solcher Reaktionen, fo®i den@n eine Änderung von einem nicht-ionischen Stoff in ein® ionische Stoffart oder umgekehrt auftritt, wie des näheren in d®r erwähnten US-Patentschrift ....... (US-Pat©n%araa©ldung Serial No. 618*859It can be seen that the apparatus allows the monitoring of a large class of reactions, for example reactions in which a change from a non-ionic substance to an ionic substance type or vice versa occurs, as detailed below in the US patent mentioned ....... (US Pat © n% araa © ldung Serial No. 618 * 859 von Sternberg) beschrieben ist. Eins derartige Reaktion findet beispielsweise statt, wenn Harniteff-haltiges Blutserum mit der Enzym-Urease untar Bildung von Ammoniumcarbonat zur Reaktion gebracht wird. Da der Harnstoff anfänglich nicht-ionisch ist und da Ammoniumcarbonat ionisch ist, ändert sich, wie weiter oben beschrieben, die Wechselstromleitfähigkeit der Lösung, und zwar mit einer der anfänglichen Harnst off konzentrat ion proportionalen Geschwindigkeit«von Sternberg). Such a reaction takes place, for example, when blood serum containing Harniteff is caused to react with the enzyme urease without the formation of ammonium carbonate. Since urea is initially non-ionic and since ammonium carbonate is ionic, the AC conductivity of the solution changes, as described above, at a rate proportional to the initial urea concentration "

Wiederum an Hand der Fig. 3 und H veranschaulicht die Kurve 15 die Ausgangsgröße des Demodulators 25 auf der Leitung 26 in Abhängigkeit von der Zeit. Im Zeitpunkt t , bei leerem Probenbehälter 21, besitzt die Leitfähigkeit den Wert C_Q * O. Xm Zeitpunkt t* wird ein die Ensym Urease enthaltendes abgemessenes Reagenzvolumen in den Probenbehälter 21 eingebracht, wobei es den Meßfühler 22 vollständig bedeckt. Sobald dies der Fall ist, steigt die Wechselstromleitfähigkeit auf der Leitung 26 infolge der Leitfähigkeit des Reagenz sprungartig auf einen Wert C₁ an. Eine genauere Diskussion des Reagenz folgt -weiter unten. Sodann wird ein sehr kleines Volumen dee Probeserums in den Probenbehälter 21 im Zeitpunkt t₂ eingebracht und mit dem Reagenz gemischt. Dementsprechend tritt, wie in Fig. 3 dargestellt, im Zeltpunkt t_g Again with reference to FIGS. 3 and H , curve 15 illustrates the output variable of demodulator 25 on line 26 as a function of time. At time t, with the sample container 21 empty, the conductivity has the value C _Q * O. At time t *, a measured volume of reagent containing the Ensym urease is introduced into the sample container 21, completely covering the sensor 22. As soon as this is the case, the alternating current conductivity on line 26 rises abruptly to a value C ₁ as a result of the conductivity of the reagent. A more detailed discussion of the reagent follows below. A very small volume of the sample serum is then introduced into the sample container 21 at time t ₂ and mixed with the reagent. Accordingly, as shown in FIG. 3, at the tent point t _g

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infolge der Leitfähigkeit des Blutserums ein momentaner sprunghafter Anstieg der Leitfähigkeit auf einen Wert C₂ auf. Außerdem reagiert der nicht-ionische Harnstoff mit der Urease unter Bildung von Ammoniumcarbonat, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die proportional dem Harnstoff* gehalt in der Probe ist. Dementsprechend steigt die Leitfähigkeit weiter bis zum Erreichen eines Maximumwertes C, an.as a result of the conductivity of the blood serum, there is an instantaneous sudden increase in conductivity to a value of C ₂ . In addition, the non-ionic urea reacts with the urease to form ammonium carbonate at a rate proportional to the urea * content in the sample. The conductivity increases accordingly until a maximum value C i is reached.

Die Differenziervorrichtung 31 liefert eine der Xnderungsgeschwindigkeit der Wechselstromleitfähigkeit proportionale Ausgangespannung. Infolge des augenblickliehen sprunghaften Anstiegs der LOsungsleitfähigkeit im Zeitpunkt t- steigt die Xnderungsgesohwindigkeit der Leitfähigkeit anfänglich sprungartig gegen Unendlich an (gestrichelte Linie 16), wodurch eine Messung des Maximumwertes der zeitlichen Anderungegeschwindigkeit verhindert wird. Gemäß der Erfindung wird jedoch die Ausgangsgröße auf der Ausgangsleitung 26 des Demodulators 25 einer Xnderungs-Fühlschaltung 35 zugeführt, welche die sprunghafte Änderung der Leitfähigkeit bei Zugabe der Serumprobe feststellt und in Abhängigkeit hiervon ein elektrisches .Signal auf einer Leitung 36 als Anzeige für diese sprunghafte Xnderung erzeugt. Alternativ kann die Ausgangsgröße auf der Leitung 26 des Demodulators 25 einer (nicht dargestellten) Leitfähigkeitspegel-Pühlsohaltung sugeführt werden, welche die sprunghafte Xnderung der Leitfähigkeit bei Einbringung der Probe fühlt und ebenfalls ein elektrisches Signal als Anzeige einer derartigen sprunghaften Xnderung erzeugt. In jedem Falle wird das Signal auf der Leitung 36 einer Zeitverzögerungsschaltung 37 zugeführt, die auf eine Leitung 38 ein elektrisches Steuerbzw. Regelsignal erzeugt, wobei sich eine charakteristische Größe dieses Signals nach einem vorgegebenen festen Zeit-The differentiating device 31 supplies one which is proportional to the rate of change of the AC conductivity Output voltage. As a result of the instantaneous volatility The increase in the conductivity of the solution at time t- increases the rate of change of conductivity initially abruptly towards infinity (dashed line 16), whereby a measurement of the maximum value of the rate of change over time is prevented. According to the invention however, the output variable on the output line 26 of the demodulator 25 is fed to a change-sensing circuit 35, which determines the sudden change in conductivity when the serum sample is added and, depending on this, a electrical .Signal generated on a line 36 as an indication of this sudden change. Alternatively, the Output variable on line 26 of demodulator 25 of a conductivity level sensor (not shown) be suggested, which feels the sudden change in conductivity when the sample is introduced and also an electrical signal is generated as an indication of such a sudden change. In either case, the signal will on the line 36 of a time delay circuit 37 supplied to a line 38 an electrical control or. Control signal generated, with a characteristic Size of this signal after a given fixed time

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3 0 Π 8 0 7/12453 0 Π 8 0 7/1245

Intervall ändert. Die Länge dieses festen Zeitintervalls wird auf der Grundlage mehrerer Überlegungen gewählt. Zum einen wird das Zeitintervall so gewählt, daß es genügend lang ist, um zu gewährleisten, daß die durch den Leitfähigkeitssprung bedingten Sprung- bzw. Übergangsvorgänge hinreichend abklingen können, um eine genaue Messung der Leitfähigkeitsähderungsgeschwindigkeit zu ermöglichen. Das Zeitintervall wird ferner auch so gewählt, daß anderweitige Übergangs- und Einschwingvorgänge, wie beispielsweise ein Temperaturstau und dergl., eliminiert werden können. Schließlich wird das feste Zeitintervall hinreichend lang gewählt, um eine gründliche Durchmischung des Probeserums mit dem Reagenz zu gewährleisten. In einer weiter unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung so getroffen, daß die Änderung der charakteristischen Eigenschaft der Ausgangsgröße der Zeitverzögerungsvorrichtung etwa 12 Sekunden nach der Probeneinbringung erfolgt.Interval changes. The length of this fixed time interval is chosen based on several considerations. To the one, the time interval is chosen so that it is sufficiently long to ensure that the jump or transition processes caused by the change in conductivity can decay sufficiently for an accurate measurement of the To enable conductivity change rate. The time interval is also chosen so that other Transition and transient processes, such as a temperature build-up and the like, can be eliminated. Finally, the fixed time interval is chosen to be long enough to allow thorough mixing of the sample serum to ensure with the reagent. In a preferred embodiment described further below, the arrangement is so made that the change in the characteristic property of the output of the time delay device takes place about 12 seconds after the sample is introduced.

In jedem Fall wird gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung die Ausgangsgröße der Zeitverzögerungsvorrichtung 37 auf der Leitung 38 der Differenziervorrichtung 31 zugeführt, um deren Funktion bis zum Ende des Zeitintervalls im Zeitpunkt t- zu sperren. Im Zeitpunkt t-, d.h. nach Beendigung des Zeitintervalls, steigt - wie in Fig. 4 gezeigt - die Ausgangsgröße 41 der Differenziervorrichtung auf der Leitung 32 auf den jeweiligen tatsächlichen Signalpegel (gestrichelte Kurve 17) an und fällt dann mit der Reaktionsgeschwindigkeit ab. Hierbei wird eine Signalspitze 42 beobachtet, die proportional dem Betrag des Änderungsgeschwindigkeit ssignale nach einem vorgegebenen, festen Zeitintervall nach der Einbringung der Probe in das Reagenz und damit proportional der Harnstoffkonzentration in der Probe ist. Diese auf der Leitung 32 auftretende Ausgangs-In any case, according to a first embodiment of the Invention, the output variable of the time delay device 37 on the line 38 of the differentiating device 31 is supplied to its function until the end of the time interval to be blocked at time t-. At time t-, i.e. after When the time interval ends, the output variable 41 of the differentiating device increases - as shown in FIG. 4 on the line 32 to the respective actual signal level (dashed curve 17) and then falls with the Reaction speed. Here, a signal peak 42 is observed which is proportional to the magnitude of the rate of change ssignale according to a predetermined, fixed Time interval after the introduction of the sample into the reagent and thus proportional to the urea concentration in the Sample is. This output signal occurring on line 32

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größe der Differenziervorriehtung 31 wird einer Oeschwindigkeitsmeßschaltung 40 zugeführt, welche in dieser speziellen Ausführungsform den Spitzenwert 42 feststellt und speichert und diesen Wert über eine Leitung 43 einem zweiten Festkontakt 44 des Schalters 28 zuführt. Durch Umlegen des beweglichen Schalterarms 29 des Schalters 28 auf den Kontakt 44 kann daher das Spitzensignal der DifferenziervorrichtungSize of the differentiating device 31 is fed to a speed measuring circuit 40, which in this particular Embodiment detects the peak value 42 and stores it and feeds this value to a second fixed contact 44 of the switch 28 via a line 43. By flipping the movable switch arm 29 of the switch 28 on the contact 44 can therefore be the peak signal of the differentiator

31 an der Wiedergabe bzw. Anzeigevorrichtung 30 abgelesen -werden.31 on the display or display device 30 -be read.

Für den Fachmann ist klar , daft die Wirkungsweise der Zeitverzögerungsvorrichtung 37* der Differenziervorriehtung 31 und der Geschwindigkeitsmeßschaltung 40,wie vorstehend beschrieben, nur eine spezielle Ausführung des Grundgedankens der vorliegenden Erfindung darstellt, nfimlich der Nessung des Betrages der Ausgangsgröße der Differenziervorrichtung 31 nach Ablauf eines vorgegebenen festen Zeitintervalls nach der Einbringung der Probe in das Reagens. Bei der in den Fig. 4 und 7 veranschaulichten Ausführungsform dient die Ausgangsgröße der Zeitverzögerungsvorrichtung 37 auf der Leitung 38 zur Sperrung der Differenzierschaltung 31 bis zum Zeitpunkt t._t wonach die aeschwindigkeitsmeßaohaltung 40 den Maximumwert des Signals auf der LeitungIt is clear to a person skilled in the art that the mode of operation of the time delay device 37 * of the differentiating device 31 and the speed measuring circuit 40, as described above, represents only a special embodiment of the basic idea of the present invention, namely the measurement of the amount of the output variable of the differentiating device 31 after a predetermined one has elapsed fixed time interval after the sample is placed in the reagent. In the embodiment illustrated in FIGS. 4 and 7, the output variable of the time delay device 37 on the line 38 is used to block the differentiating circuit 31 until time t. _t after which the speed measurement system 40 determines the maximum value of the signal on the line

32 unmittelbar darauffolgend mißt. Offensichtlieh sind aueh andere Verfahrensweisen möglich. Beispielsweise könnte, unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 8, die Qesehwindigkeitemeßsohaltung 40 in Form einer Sample-Abfrage-und Halteschaltung ausgebildet sein und die Ausgangsgröße der Zeitverzögerungsvorrichtung 37 auf der Leitung 38 könnte der Qesehwindigkeitsmeßsohaltung 40 zur Auswahl de· Zeitpunkts oder der Zeitpunkts für die Sample-Abfrage der Auegangsgröße der Differenziervorrichtung 31 zugeführt werden. Ib einzelnen könnte die Zeitverzögerung?vorrichtung 37 «ine32 measures immediately afterwards. Obviously are also other procedures possible. For example, referring to FIGS. 5 and 8, the speed measuring circuit 40 could be in the form of a sample interrogation and hold circuit and the output of the time delay device 37 on line 38 could be Speed measuring switch 40 to select the point in time or the point in time for the sample query of the output variable of the differentiating device 31 can be supplied. Ib individual could use the time delay device 37 ”ine

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:) ο«) η ι) 7 / 12 A ü:) ο «) η ι) 7/1 2 A ü

streite Ausgangsgröße auf einer - Leitvmg 48 erzeugen» aev&n charakteristische Eigenschaft sieh in einem Zeitpunkt t^ nach dem Zeitpunkt t« jedQeh vor dem Zeitpunkt t- ändert. Wie in Fig. 5- dargestellt würde eli©se Ausgangsgröße auf der Leitung 48 die Diffepensiexworcdehtung 31 vom Seitpunkt tp bis zum Zeitpunkt t- sperren, um ein© Störung der Differenziervorrichtung 31 durch üen großen Leitfähigkeitssprung im Zeitpunkt t» zu vermeiden. Sobald dieser Sprung bzw. Einschwingvorgang abgeklungap ist_s gestattet die Ausgangsgröße auf der Leitung 48 den Beginn der Funktion der * Differenziervorrichtung 31» derart, daB deren Ausgangsgröße gemäß der Kurve Ί9 bis &um Brreieheri des jeweiligen tatsächlichen Signalpegels (gestel<eh©lt® Linie 17) ansteigt und sodann mit d©r Hsaktionsgeschwindigkeit abfällt. Wenngleich die Differensiervorriehtung 31 im Zeitpunkt tj. zu funktionieren beginnen darf, ist es jedoeh nash'wie vor erwünscht, mit der Messung der AusgsmgsgrdE® der Diff@£*enziervorriohtung 31 bis zum Eeitpunkt t» zu warten _ö um eine hinreichende Zeitdauer zur Ausschaltung der oben erwähnten Störeffekte zu gewährleisten. Demgemäß wird al® Ausgangsgröße der Zeitverzögerungsvorrichtung 37 auf der Leitung 38 der Oeschwindigkeiterneßsehaltung ¹SO sug©fühpt, die somit im Zeitpunkt t, aktiviert wird. Die Geschwindigkeitsmeßschaltung 40 mißt den Momentanwert 50 der Ausgangsgröße der Differenzierschaltung 31 im Zeitpunkt t,; dieses Signal wird über den Schalter 28 der Anzeige- bzw. Wiedergabe-vorrichtung 30 zugeführt. Gemäß einer anderen, in Fig. 6, veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung bewirkt die Geschwindigkeitsmeßschaltung 40 eine Sample-Abfrage des Werts 51 des Signals auf der Leitung 32 in einem Zeitpunkt te, um den Betrag des Signals auf der Leitung 32 in einem vorgegebenen Zeitpunkt t_ zu erhalten, der nichtControversial output variable on a - Leitvmg 48 generate " aev & n characteristic property see at a point in time t ^ after the point in time t" anyQeh changes before the point in time t-. As shown in FIG. 5-, this output variable on the line 48 would block the differential pressure 31 from the lateral point tp to the point in time t in order to avoid a disturbance in the differentiating device 31 due to a large jump in conductivity at the point in time t. Once this jump or transient is abgeklungap _s allows the output on line 48 the initial operation of the * differentiator 31 "such dAb whose output in accordance with the curve Ί9 to & around Brreieheri the respective actual signal level (gestel <eh © LT line 17 ) increases and then decreases with the rate of action. Although the differentiating device 31 at time tj. must begin to work, it is jedoeh nash'wie still desired, with the measurement of the AusgsmgsgrdE® Diff @ £ * enziervorriohtung 31 to Eeitpunkt t _»ö waiting a sufficient period of time to eliminate the above-mentioned interference effects to be ensured. Accordingly, the output variable of the time delay device 37 is fed to the line 38 of the speed control circuit ¹ SO sug ©, which is thus activated at time t. The speed measuring circuit 40 measures the instantaneous value 50 of the output variable of the differentiating circuit 31 at the time t 1; this signal is fed to the display or playback device 30 via the switch 28. According to another embodiment of the invention, illustrated in FIG. 6, the speed measuring circuit 40 effects a sample interrogation of the value 51 of the signal on the line 32 at a time te in order to increase the magnitude of the signal on the line 32 at a predetermined time t_ get that not

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notwendigerweise nit der scheinbaren Oesohwliidigkeitsepitse 50 zusammenzufallen braucht.necessarily with the apparent obscurity epitse 50 needs to coincide.

Fig. 9 seigt eine bevorsugte Aueführungsform des Probenbehälters; diese weist einen zylindrischen Hohlkörper 60 mit einer Kammer 59 auf, deren Boden bei 61 konusfSrmig abgesohrägt ist. Zm Scheitel des konusförmigen oder abgesohrlgten Teil 61 mündet ein vertikaler Kanal 62, der mit einem ganz durch den OehäusekOrper 60 in der Nähe dessen Boden führenden horizontalen Kanal 63 in Verbindung steht. Das eine Ende 64 des Kanal 63 dient als EinlaA für das leitende Reagens von einer geeigneten Quelle über die Kanäle 63 und 62 in die Kammer 59* Das andere Ende 65 des Kanals 63 dient star Entleerung der Lösung aus dem Behälter 21. Selbstverständlich ist während dem Füllen des Behälters 21 der AuslaA 65 und während der Entleerung des Behälters 21 der EinlaA 64 gesperrt.Fig. 9 shows a preventive embodiment of the sample container; this has a cylindrical hollow body 60 with a chamber 59, the bottom of which is conical at 61 is sawed off. At the apex of the conical or tubed-off part 61 opens a vertical channel 62, which is with one right through the housing body 60 near it Bottom leading horizontal channel 63 communicates. One end 64 of the channel 63 serves as an inlet for the conductive reagent from a suitable source via channels 63 and 62 into chamber 59 * the other end 65 of the channel 63 is used to empty the solution from the container 21. Of course, this is during the filling of the container 21 the outlet 65 and while the container 21 is being emptied the inlet 64 is blocked.

Der QehäusekOrper 60 ist an seinem oberen Ende bei 66 offen und kann, falls erwünsohty mit einem Kragen bew. Bund 67 versehen sein. Eine Pipette 69 reicht mit ihrer Spitte durch das offene obere Ende 66 des OehäusekOrpers 60, um ein sehr kleines Volumen der Probe, wie beispielsweise Serum, in das Reagens in der Kammer 59 einbringen su kOnnen. Um eine gründliche Durohmisohung der Probe mit dem Reagens in dem Probenbehälter 21 zu gewährleisten, weist der Probenbehälter 21 eine Rührvorrichtung 70 auf. Der Rührer 70 soll zweokmäAig etwa mit der in Fig. 9 gezeigten Formgestaltung ausgebildet sein. Um die direkte Ankupplung eines Antriebselemente an die Rührvorrichtung 70 zu erübrigen, kann der Rührer 70 magnetisch ausgebildet sein und duroh die rotierende Nagnetkraft angetrieben werden, die ein mittels einer Welle 72 duroh einen Motor 73 ange-The housing body 60 is open at its upper end at 66 and, if so desired, can be moved with a collar be provided. A pipette 69 is sufficient with its tip through the open upper end 66 of the housing body 60, to add a very small volume of sample, such as serum, to the reagent in chamber 59, see below can. In order to ensure a thorough Durohmisohung the sample with the reagent in the sample container 21, has the sample container 21 has a stirring device 70. The stirrer 70 should be twofold approximately with that shown in FIG Form design be formed. In order to dispense with the direct coupling of a drive element to the stirring device 70, the stirrer 70 can be made magnetic and by means of the rotating magnetic force which is driven by a motor 73 by means of a shaft 72

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triebener Drehmagnet 71 erzeugt. Zur drehbaren Lagerung dee Rührers 70 in dem Gehäusekörper 60 des Probenbehälters 21 kann der Rührer 70 an seinem unteren Ende bei 74 etwa mit dem gleichen Winkel wie der Bereich 61 der Kammer 59 abgeschrägt.bzw. verjüngt ausgebildet sein. Bei Herstellung des RUhrers 70 aus einem geeigneten Material wie beispielsweise Teflon bilden die Schrägflächen 74 und 61 geeignete Lagerflächen für den Rührer 70. Durch Schlitze 74* an der Unterseite des Rührers 70 wird ein Kanal für die Entleerung des Behälters 21 geschaffen. Eine für die vorliegenden Zwecke geeignete Ausführung eines Rührers ist in der US-Patentschrift Nr. 3 591 309 beschrieben.driven rotary magnet 71 generated. For rotatable storage The stirrer 70 in the housing body 60 of the sample container 21 can have the stirrer 70 at its lower end at 74 approximately with the same angle as the area 61 of the chamber 59 beveled.bzw. be tapered. At manufacture of the stirrer 70 made of a suitable material such as Teflon, the inclined surfaces 74 and 61 form suitable Storage areas for the stirrer 70. Through slots 74 * on the A channel for emptying the container 21 is created on the underside of the stirrer 70. One for the present Suitable stirrer design is disclosed in U.S. Patent No. 3,591,309.

Die Arbeitsweise ist wie folgt: Dar Motor 73 bewirkt im eingeschalteten Zustand eine Rotation des Magneten 71 mit beliebiger gewünschter Drehzahl, wobei der Rührer 70 dieser Drehbewegung folgt. Ober den Einlaßkanal 64 und die Kanäle 63 und 62 wird eine abgemessene Menge Reagenz in die Kammer 59 eingeführt. Danach wird ein kleines Probenvolumen, beispielsweise Serum, über die Pipette 69 in den Probenbehälter 21 eingebracht, wo es durch die Wirkung der Rührvorrichtung 70 mit dem Reagenz gemischt wird.The operation is as follows: The engine 73 causes im switched on state a rotation of the magnet 71 at any desired speed, the stirrer 70 this Rotation follows. A measured amount of reagent is introduced into the chamber through inlet channel 64 and channels 63 and 62 59 introduced. A small volume of sample, for example serum, is then introduced into the sample container 21 via the pipette 69, where it is mixed with the reagent by the action of the stirring device 70.

Wie in Fig. 9 gezeigt, kann der Gfehäusekörper·60 des Probenbehälters 21 eine öffnung 75 in einer Seitenwandung aufweisen, die öffnung 75 ist bei 76 teilweise mit Gewinde zur Aufnahme eines Meßfühlers 22 versehen. Zur Messung der Wechselstromleitfähigkeit kann jeder beliebige Meßfühler mit zwei Elektroden verwendet werden. Beispielsweise ist in der eingangs erwähnten US-Patentschrift 3 421 982 die Verwendung eines Paares paralleler Elektroden in einem L aitfähigkeits-MeSsystem beschrieben. Jedoch ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine besondere Konstruktion derartigerAs shown in FIG. 9, the housing body 60 of the sample container 21 can have an opening 75 in a side wall, the opening 75 at 76 is partially threaded for receiving a sensor 22 is provided. Any sensor can be used to measure the AC conductivity can be used with two electrodes. For example, US Pat. No. 3,421,982 mentioned at the outset is the Use of a pair of parallel electrodes in a conductivity measurement system is described. However, according to the present invention a particular construction of such

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Elektroden erwünscht, um viele Probleme, die in Leitfähigkeitsmeßsystemen auftreten, zu eliminieren. Bevor die bevor zugte Ausführungsform der Elektrodenkonstruktion gemäß der Erfindung im einzelnen beschrieben wird, sollen zunächst die auftretenden Probleme diskutiert werden.Electrodes are desirable to eliminate many of the problems encountered in conductivity measurement systems. Before that before Extra embodiment of the electrode construction according to FIG Invention is described in detail, the problems that arise will first be discussed.

Die klassische Leitfähigkeit ist als der Reziprokwert des elektrischen Gleichstromwideretands definiert gemäß der GleichungThe classical conductivity is as the reciprocal of the DC electrical resistance defined according to the equation

darin bedeutet C die Leitfähigkeit und R den Oleichstromwiderstand. Jedoch haben die Polarisationseffekte von Oleichstromsystemen dazu geführt, daß in den meisten Instrumenten •in· Wechselspannung zur Messung dieser sogenannten Leitfähigkeit verwendet wird. In Wirklichkeit mißt ein Wechselstromsystem die reziproke Impedanz gemäß der nachftlgenden Ol«iohungwhere C is the conductivity and R is the direct current resistance. However, the polarization effects of direct current systems have resulted in most instruments • in · AC voltage is used to measure this so-called conductivity. In reality, an AC system measures the reciprocal impedance according to the following Ol "iohung

Z . (X² ♦ H²)¹'² Z. (X ² ♦ H ² ) ¹ ' ²

darin bedeutet X die kapazitive Reaktanz infolg· von Ionon in der Lösung. Normalerweise bleibt der kapazitiv· Reaktanzt*r» Χ_Λ bit zu Frequenzen in der Größenordnung von mehreren MHi ziemlich groß. Da derart hohe Frequenzen praktisch nicht gut zu handhaben sind, weisen die meisten herkömmlichen Leitfähigkeits-Meßgeräte zur Lösung dieses Probleme eine •ingebaut· Kapazitätsneutraliaierungsschaltung auf.where X denotes the capacitive reactance due to ionone in the solution. Normally the capacitive · reactance t * r » Χ _Λ bit at frequencies in the order of magnitude of several MHi remains quite large. Since such high frequencies are practically difficult to handle, most conventional conductivity measuring devices have a built-in capacitance neutralization circuit to solve this problem.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Orund für diesen großen kapazitiven Reaktanzterm in der Verwendung herkömmlicher Parallelplatten-Meßfühler zu sehen ist. In den Fig. 10 und 11 ist ein· bevorzugteThe present invention is based on the knowledge that the orund for this large capacitive reactance term can be seen in the use of conventional parallel plate probes. In FIGS. 10 and 11, a preferred one is shown

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erfindungsgemäie Au@führungsfown ©ines Meßfühlers 22 dargestellt, welcher dieses Problem w@itg©feeod löst. Der Meßfühler 22 weist einen längliehen zylindrischen Körper 80 auf» dessen Durchmesser gleich tea Durchmesser, aer öffnung 75 im Gehäusekörpe?» βθ &®s Prob'önb^älfcer)? 21 ist«. Der Körper 80 kann an seinem vorderen Ende bsi 81 mit Sehraubgewinde \ zum Eingriff mit dem G@wind@ ?β in der Öffnung 75 versehen sein. Der Körper 80 kann t®m@T eine ■ Haltemutter 82 aufweisen, die- gegen die Außesa©b©rfliehe. d©s Körpers 60 des Probenbehälters 21 festgesogen w®rd©a terra« Ein© ©berfläehe 83 des Körpers 80 erstreckt sieh in den Probenbehälter 21 hinein. Auf der Oberfläche 83 sind swei Elektroden 84 und 85 angebracht, die mit Leitungen 86 bsw. S? verbunden sind, welche durch den Körper 80 die© Meßfühlers 22 hindurchführen. Die Verbindungsleitungen 86 und 87 könnera mit dem Oszillator 24 und dem Demodulator 25 verbunden sein.The embodiment according to the invention is shown ines measuring sensor 22, which solves this problem w @ itg © feeod. The measuring sensor 22 has an elongated cylindrical body 80 "whose diameter is equal to the diameter, the opening 75 in the housing body?" βθ & ®s Prob'önb ^ älfcer)? 21 is «. The body 80 can be provided at its front end 81 with a very screw thread for engagement with the G @ wind @? Β in the opening 75. The body 80 can have a retaining nut 82 which flies against the outside. The body 60 of the sample container 21 is firmly sucked into place. A surface 83 of the body 80 extends into the sample container 21. On the surface 83 two electrodes 84 and 85 are attached, which with lines 86 BSW. S? are connected, which through the body 80, the sensor 22 lead through. The connecting lines 86 and 87 can be connected to the oscillator 24 and the demodulator 25.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der kapazitive Reaktanzterm weitgehend vermindert und s©gar praktisch eliminiert werden, indem man die Elektroden 84 nnd 85 planar ausbildet und sie koplanar anbringt. Puren diese Ausbildung und Anbringung der Elektroden 84 und 85 bleibt der Gleichetromwiderstand unbeeinflußt, während die Kapazität weitgehend verringert wird, wodurch der Term X₀ der kapazitiven Reaktanz b(ii eine·!· viel niedrigeren Frequenz sehr klein gemacht werden kann.,According to the present invention, the capacitive reactance term can be largely reduced and even practically eliminated by making electrodes 84 and 85 planar and attaching them coplanar. With just this design and attachment of electrodes 84 and 85, the DC resistance remains unaffected, while the capacitance is largely reduced, as a result of which the term X _{0 of} the capacitive reactance b (ii a much lower frequency can be made very small.,

Die Oberfläche 83 kann sine ebene· Oberfläche sein, wobei die Elektroden 84 und 85 auf dieser angebrachte Leitfähigkeit sbereiche sein können. Für praktische Zwecke ist die Ausführung der Oberfläche 33 als ebene planare Fläche mit der zylindrischen Konfiguration der Wandung der Kammer 59 nicht gut vereinbar und würde eine rasche und gründliche Durchmischung der in der Kammer befindlichen Lösung sowieThe surface 83 can be a flat surface, where the electrodes 84 and 85 may be conductivity areas applied thereon. For practical purposes this is Design of the surface 33 as a flat planar surface with the cylindrical configuration of the wall of the chamber 59 not well compatible and would do a quick and thorough one Mixing of the solution in the chamber and

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eine wirksame Entleerung der Kammer behindern. Demgemäß ist, wie aus den Fig. 10 und 11 ersichtlich, die Oberflächehinder effective emptying of the chamber. Accordingly, as can be seen from FIGS. 10 and 11, the surface is

83 insgesamt gekrümmt kugelijegmentförraig ausgebildet. Bei einer derartigen Konfiguration können die Elektroden83 overall curved kugelijegmentförraig. With such a configuration, the electrodes

84 und 85 in Form von Halbkreisen ausgebildet sein, die mit ihren geraden Seiten parallel zueinander und im Abstand zueinander angeordnet sind. Mit einer derartigen Konfiguration hat sich ergeben, daß der kapazitive Reakt&nzterm X in der reziproken Impedanz Z praktisch auf Null verringert werden kann, wenn man die Frequenz des Oscillators 24 auf 10 kHz erhöht. Selbstverständlich ist die Frequenz, bei welcher84 and 85 be in the form of semicircles, the are arranged with their straight sides parallel to one another and at a distance from one another. With such a configuration it has been found that the capacitive reaction & nzterm X in the reciprocal impedance Z can be reduced practically to zero if the frequency of the oscillator 24 is reduced to 10 kHz elevated. Of course, the frequency is at which die reziproke Impedanz abflacht, weitgehend von der Elektrodenkonfiguration abhängig und der angegebene spezielle Wert von 10 kHz entspricht nur d«r in den Fig. 9 bis 11 gezeigten Elektrodenkonfiguration. In jedem Fall wird jedoch mit einer derartigen Elektrodenkonfiguration die Wechselstromimpedanz eine sehr genaue Annäherung des Oleichstromwiderstands, und es ist keine Kapazitäts-Neutralisierungsschaltung erforderlich. Der Ausgang des Oszillators 24 kann direkt mit einer der Leitungen 86 oder 37 verbunden werden, während die andere Zuleitung das elektrische Signal auf der Leitung 23 zur direkten Weiterleitung an den Demodulator 25 liefert.the reciprocal impedance flattens out, largely dependent on the electrode configuration and the specified special value of 10 kHz corresponds only to the electrode configuration shown in FIGS. 9 to 11. In each case, however, a With such an electrode configuration, the alternating current impedance is a very precise approximation of the direct current resistance, and no capacitance neutralization circuit is required. The output of the oscillator 24 can be direct be connected to one of the lines 86 or 37, while the other feed line carries the electrical signal on the line 23 for direct forwarding to the demodulator 25 delivers.

Wie eingangs erwähnt, hat die vorliegende Erfindung mit dem Rate Sensing Batch Analyzer von James C. Sternberg (entsprechend US-Anmeldung Serial No. 618 859 vom 27.2.1967) gemeinsam, daß sie einfache und bequeme Verfahren zur raschen Ermittlung quantitativer Information Ober biologische Proben an Hand geben. Der vorliegende Analysator beruht, wie auch der Sternberg-Analysator, auf der Messung wahrer Momentanwerte der Reaktionsgeschwindigkeit in einem sehr frühen'Stadium der Reaktion,, bevor ein wesentlicher Anteil der Reaktanten verbraucht int. Indem mim diese Oeschwin-As mentioned at the outset, the present invention with the Rate Sensing Batch Analyzer by James C. Sternberg (corresponding to US application Serial No. 618 859 of February 27, 1967) in common that they have simple and convenient methods for the rapid determination of quantitative information about biological Give samples on hand. The present analyzer, like the Sternberg analyzer, is based on measurement truer Instantaneous values of the reaction rate at a very early stage of the reaction, before a substantial proportion of the reactants consumed internally.

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digkeitsmessung in einem verhältnismäßig kurzem Zeitintervall erhält, wird Analysezeit eingespart, derart, daß mehr Proben in einem gegebenen Zeitintervall vermessen werden können. Die für die Messung verwertbare Reaktion ist eine annähernd exponentiell Leitfähigkeitsänderung, wie in den Fig. 1 und 3 ersichtlich, mit einer typischen Zeitkonstante von 20 Sekunden. Dies steht in diametralem Gegensatz zu dem System nach der US-Patentschrift 3 421 982, bei dem eine so geringe Reagenzmenge verwendet wird, daß die Reaktion sehr langsam verläuft und als annähernd linear angesehen werden kann.measurement in a relatively short time interval, analysis time is saved, so, that more samples can be measured in a given time interval. The reaction that can be used for the measurement is an approximately exponential change in conductivity, as can be seen in FIGS. 1 and 3, with a typical Time constant of 20 seconds. This is in diametrical contrast to the system of US Pat. No. 3,421,982, in which such a small amount of reagent is used that the reaction is very slow and approximately linear can be viewed.

PUr die Durchführung einer Leitfähigkeitsmessung nach dem erfindungsgemäßen System mufa noch ein weiterer Faktor berücksichtigt werden. Allgemein wird bei Enzym-Reaktionen das Reagenz üblicherweise mit hochleitfähigen Salzen gepuffert, derart, daß der pH-Wert der Lösung im Verlauf der fortschreitenden Reaktion verhältnismäßig konstant bleibt. Bei diesem Verfahren kann man die Reaktion mit . ihrer maximalen möglichen Geschwindigkeit ablaufen lassen. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wäre dies offensichtlich nachteilig, da es gemäß der Erfindung erwünscht ist, daß die Leitfähigkeit der Lösung sich ändern kann, wobei diese Änderung und ihre Geschwindigkeit zur Bestimmung der Konzentration eines der Reaktionsteilnehmer gemessen wird. Demgemäß ist nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen, mit im wesentlichen reiner Urease, in Wasser aufgelöst, su beginnen, einer verdünnten Salzlösung mit einer verhältnismäßig niedrigen Anfangsleitfähigkeit. Typischer·* weis« beträgt vor der Proben-Einbringung die Leitfähigkeit C^, wie aus Fig. 3 ersichtlich, etwa 20 bis 25* der endgültigen Leitfähigkeit C-. Die Konzentration des Enzyrareagenz ist wiederum relativ bezogen auf die übliche Konzentration des Enzyms verhältnismäßig hoch. Sobald diePUr carrying out a conductivity measurement according to the The system according to the invention has yet another factor must be taken into account. In general, in enzyme reactions, the reagent is usually made with highly conductive salts buffered in such a way that the pH of the solution in the course the progress of the reaction remains relatively constant. In this process you can use the reaction. run at their maximum possible speed. In the method according to the invention this would obviously be disadvantageous, since it is desirable according to the invention, that the conductivity of the solution can change, this change and its speed being the determining factor the concentration of one of the reactants is measured. Accordingly, it is provided according to the present invention, with essentially pure urease dissolved in water, starting below, a dilute saline solution with a relatively low initial conductivity. Typical * As can be seen from FIG. 3, before the sample is introduced, the conductivity C ^ is about 20 to 25 * of the final conductivity C-. The concentration of the enzyme reagent is in turn relatively high relative to the usual concentration of the enzyme. As soon as the

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Probe im Zeitpunkt t~ eingebracht wird, springt die Leitfähigkeit auf C₂* d.h. auf einen Wert in der Nähe von etwa 8OX der späteren endgültigen Leitfähigkeit C.. Selbstverständlich kann die Anfangsleitfähigkeit C₁ des Reagenz einen Wert innerhalb eines weiten Bereichs besitzen, da während der Ammoniumcarbonatbildung immer noch eine Leitfähigkeitsänderung stattfindet. Infolge der inhärenten Schwierigkeit der Messung einer kleinen Xnderung in einem großen Signal ist es jedoch erwünscht, die anfängliche Konzentration so klein wie möglich zu halten.Sample is introduced at time t ~, the conductivity jumps to C ₂ * ie to a value in the vicinity of about 80X the later final conductivity C .. Of course, the initial conductivity C _{1 of} the reagent can have a value within a wide range, since during the ammonium carbonate formation still takes place a change in conductivity. However, because of the inherent difficulty in measuring a small change in a large signal, it is desirable to keep the initial concentration as small as possible.

Durch die vorliegende Erfindung wird daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur chemischen Analyse geschaffen, bei welcher nicht nur die von dem Rate Sensing Batch Analyzer von Sternberg gelösten Probleme der bekannten Systeme ebenfalls gelöst werden, sondern die darüber hinaus auf eine breitere Vielfalt von Enzym-Reaktionen anwendbar sind. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung gestatten die rasche Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils in einer Probe, wie beispielsweise die Konsentration von Bestandteilen in biologischen Flüssigkeiten. Die durch das Blockschaltbild 20 wiedergegebene Vorrichtung und das diesbezügliche Verfahren können rasch aufgebaut und einsatzbereit gemacht werden, um quantitative Bestimmungen der wahren Konsentration rasoh und genau unter Verwendung kleiner Probenmengen durchzuführen.The present invention therefore provides a method and an apparatus for chemical analysis which not only solves the problems of the known systems solved by the Sternberg Rate Sensing Batch Analyzer, but also those on a wider variety of enzyme reactions are applicable. The method and the device according to the invention allow the rapid determination of the concentration of a Constituent in a sample, such as the concentration of constituents in biological fluids. The represented by the block diagram 20 The device and the related process can be quickly set up and made ready for use in order to quantitatively Provisions of true consentration rasoh and exactly below Use small sample quantities.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemä* der Erfindung beruhen auf der Messung wahrer Momentanwerte der Reaktionsgeschwindigkeit in einem sehr frühen Stadium der Reaktion, bevor der Reaktant verbraucht 1st, und während eines nichtlinearen Bereiohs des ReaktIonsverlaufe. Andererseits beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, daß dieThe method and the device according to the invention are based on the measurement of real instantaneous values of the reaction speed at a very early stage of the reaction, before the reactant is consumed, and during a non-linear region of the reaction. On the other hand, the present invention is based on the knowledge that the

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Einbringung einer Probe in Lösung mit einem Reagenz eine momentane Änderung der der Messung zugrundegelegten charakteristischen Eigenschaft der Lösung verursachen kann* Demgemäß wird bei dem erfindungsgemäßen System die Messung des Änderungsgeaehwindigkeitsslgnals während eines vorgegebenen, festen Zeitintervalls, beginnend mit der Einbringung der Probe in das Reagenz, gesperrt; das vorgegebene Zeitintervall ist hinreichend groß gewählt, um die Auswirkung der momentanen Änderung der Lösung zu eliminieren und gleichzeitig eine gründliche Durehmischung der Probe.mit dem Reagenz zu gewährleisten. Unmittelbar nach der Beendigung des festen ZeitIntervalls erfolgt erfindungsgemäß die Messung eines Werts der Änderungsgeschwindigkeit der Reaktion. Vorstehend wurden verschiedene spezielle Ausführungsformen hierfür beschrieben. Außerdem ist erfindungsgemäß auch ein neuartiger Meßfühler zur Eliminierung der kapazitiven Einflüsse in einer Leitfähigkeitsmessung vorgesehen.Introducing a sample in solution with a reagent causes a momentary change in the measurement on which the measurement is based characteristic property of the solution * Accordingly, in the system according to the invention, the Measurement of the rate of change signal during a predetermined, fixed time interval, starting with the introduction of the sample into the reagent, locked; the predetermined time interval is chosen to be sufficiently large to Eliminate the impact of the momentary change in solution while maintaining thorough mixing the sample. with the reagent. According to the invention, a value of the rate of change of the reaction is measured immediately after the end of the fixed time interval. The foregoing have been various special embodiments for this are described. In addition, the invention is also a novel sensor for Elimination of the capacitive influences in a conductivity measurement provided.

Die Erfindung wurde vorstehend an Hand mehrerer konstruktiver AusfUhrungsbeispiele beschrieben, die jedoch selbstverständlich in mannigfacher Weise in Einzelheiten abgewandelt werden kann, ohne daß hierdurch der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird.The invention has been described above on the basis of several constructive exemplary embodiments, which, however, can of course be modified in various ways in detail without thereby affecting the basic idea the invention is abandoned.

Pat ent anaprüche:Pat ent claims:

3 0 ^fJ 8 0 7 / 1 2 U 53 0 ^f J 8 0 7/1 2 U 5

Claims

1328 claims

1. Chemische· Analysesystem zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteiles in einer Probe, bei welchem die Probe nach Einbringung in Lösung mit einem Reagenz mit diesem reagiert, wobei Ausmaß und Geschwindigkeit dieser Reaktion eine Anzeige far die Konzentration des Bestandteiles in der Probe ist, mit einem Meßfühler zur überwachung einer charakteristischen Eigenschaft der Lösung oder eines Reaktionsteilnehmers oder Reaktionsprodukts der genannten Reaktion und zur Erzeugung eines dieser charakteristischen1. Chemical analysis system for determining the concentration of a component in a sample, in which the sample after being brought into solution with a reagent with this reacts, the extent and speed of this reaction being an indication of the concentration of the constituent in the sample is, with a probe for monitoring a characteristic property of the solution or a Reaction participant or reaction product of said reaction and for generating one of these characteristic ,Eigenschaft proportionalen ersten elektrischen Ausgangssignals sowie mit einer Differenzierschaltung zur Erzeugung eines der Zeitableitung des ersten Signals proportionalen zweiten elektrischen Signals, da· «ine Anzeige der Konzentration de· interessierenden Bestandteils in der Probe ist, gekennzeichnet duroh der Differenzierschaltung (31 # Fig.7»8) zugeordnete Vorrichtungen (37*38,40) zur Messung des Betrag« des zweiten oder Zeitableltungssignals naoh eine» vorgegebenen, festen Zeitintervall nach Einbringung der Probe in das Reagens. -, Property of proportional first electrical output signal and with a differentiating circuit for generating a second electrical signal proportional to the time derivative of the first signal, since the concentration of the constituent of interest in the sample is displayed, characterized by the differentiating circuit (31 # Fig. 7 ”) 8) associated devices (37 * 38, 40) for measuring the magnitude of the "second or time elimination signal after a" predetermined, fixed time interval after the sample has been introduced into the reagent. -

2. Chemisches Analysesystem naoh Anspruch 1, bei velohem di· Einbringung der Probe in Lösung mit dem Reagens eine augenblickliche Xnderung der für die Nessung verwendeten charakteristischen Eigenschaft Öler Lösung bewirkt, wobei die von2. Chemical analysis system according to claim 1, at velohem di Bringing the sample into solution with the reagent causes an instantaneous change in the characteristic property of the oil solution used for the measurement, with that of dem Meßfühler festgestellte Xnderung eine sprunghafte Xnderung des ersten Ausgangssignals hervorruft, daduroh gekennzeichnet, daß die Meßvorriohtung eine auf die sprunghaftethe change detected by the sensor causes an abrupt change in the first output signal, characterized by the fact that the measuring device reacts to the abrupt change

- 2 -309807/1?/«!;.- 2 -309807/1? / «!;.

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

Timing device responding to a change in the first signal (36,37) for generating a third electrical signal, whose characteristic property changes after a predetermined, fixed time interval, as well as on the second output signal and on the change in the characteristic Properties of the third electrical signal responding devices (37,48,38,40, Pig. 8) for determination of the respective instantaneous value of the second signal.

3. Chemical analysis system according to claim 2, characterized in that the timer device (37) generates a fourth electrical signal whose characteristic property changes before the expiry of the predetermined fixed time interval » that this fourth signal of the differentiating circuit (31) for blocking their function is supplied during a first part of the fixed predetermined time interval, and that the third signal of the device is used to determine the magnitude of the wide signal and its function is blocked during the fixed predetermined time interval.

4. Chemical analysis system according to one or more of the preceding claims, characterized by a device for displaying or reproducing the determined amount of the wide signal.

5. Chemical analyzer for use in the system · « • in ·« or more of the preceding addresses, marked (doors · ίη · device (21) for opening the sample and the reagent; by one of the receiving device (21) in Active connection sugtordneiten ^ e sensor (22) for monitoring the concentration of a reaction participant or reaction product of the reaction between the probes

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und dem Reagenz, und zur Erzeugung eines dieser Konzentration proportionalen ersten Ausgangssignals; durch eine mit dem Meßfühler (22) verbundene Differeneierschaltung (31), welche in Abhängigkeit von dem ersten Ausgangssignal ein der Zeitableitung des ersten Ausgangssignals und damit der zeitlichen Xnderungsgeschwindigkeit der Konzentration des Reaktionsteilnehmers bzw. Reaktionsprodukts proportionales zweites Ausgangssignal erzeugt; sowie durch mit der Differenzierschaltung verbundene Vorrichtungen (40,37»35) zur Messung des Betrags des zweiten Signals nach einem vorgegebenen festen Zeitintervall nach Einbringung der Probe und des Reagenz in die Aufnahmevorrichtung (21).and the reagent, and to produce one of these concentrations proportional first output signal; by a differentiating circuit (31) connected to the measuring sensor (22), which a function of the first output signal the time derivative of the first output signal and thus the rate of change in concentration over time the reaction participant or reaction product generates a proportional second output signal; and by devices (40, 37 »35) connected to the differentiating circuit for measurement the magnitude of the second signal after a predetermined fixed time interval after introducing the sample and the Reagent in the receiving device (21).

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