DE69403333T2 - Vorrichtungen zum übertragen von flüssigkeiten - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Übertragen von Flüssigkeiten und besonders die Volumendefinition in solchen in Situationen außerhalb des Labors zu biochemischen Diagnosetests verwendeten Vorrichtungen.
• In den letzten Jahren ist eine Anzahl solcher Vorrichtungen für Handbetrieb entwickelt worden, die so entworfen sind, daß sie komplexe Verfahren vermeiden und somit für die Verwendung durch Laien geeignet sind. Um zum Beispiel die Notwendigkeit einer zeitlichen abgestimmten Reihenfolge des Hinzufügens von Reagenzien zu einem Analytikum zu vermeiden, wurden Vorrichtungen entwickelt, um solche Reagenzien durch Verwendung mehrerer Kapillarbewegungskanäle automatisch zu liefern. Beispiele für diese Kapillarbewegungs-Diagnosevorrichtungen werden in der Patentbeschreibung WO90/11519 und in den ebenfalls anhängigen UK Patentanmeldungen GB- 2261283 und GB-2261284 weiter beschrieben.
• Bei manchen Anwendungen für Vorrichtungen dieser Art achtet ein Benutzer auf eine einfache Farbänderung, um das Vorhandensein eines spezifischen Analytikums in einer Probe zu bestätigen. Bei anderen kann der Benutzer auf ein mengenmäßiges Ergebnis wie beispielsweise ein bestimmtes Maß an Farbänderung achten und gerade bei diesen letzteren Anwendungen entsteht der Bedarf, ein gewünschtes Volumen der auf die Vorrichtung aufgebrachten Probe genau auszumessen oder zu definieren.
• Gegenwärtig wird das Probenvolumen ausgemessen und auf einen Analyseort der Diagnosevorrichtung aufgetragen, wobei der Analyseort eine Menge an innerhalb eines spezifischen Bereichs immobilisierten Antikörpern umfaßt. Die Volumenmessung erfolgt mittels einer Handpipette oder Kapillarröhre. Pipetten sind teure Präzisionsinstrumente und zur Erreichung genauer Ergebnisse ist ein beträchtliches Maß an Sachkenntnis nötig. Kapillarröhren sind weniger kostspielig und können einen porösen Stopfen zur Definition des Probenvolumens beinhalten. Sie bestehen jedoch gewöhnlich aus Glas und sind deshalb bei häufiger Verwendung leicht zerbrechlich und in jedem Fall mag ein unerfahrener Benutzer finden, daß sie schwierig zu benutzen sind.
• Falls eine undefinierte Menge an Probenmaterial auf einen Analyseort aufgebracht wird, kann es leicht zu einem "Fehlervolumen" von über den Grenzen des immobilisierten Bereichs hinaus aufgebrachtem Probenmaterial kommen. Im allgemeinen ist es unwahrscheinlich, daß hinsichtlich stromabwärts oder seitlich vom immobilisierten Bereich liegendem Probenmaterial eine größere Ungenauigkeit erzeugt wird, aber Probenmaterial, das fälschlicherweise stromaufwärts vom immobilisierten Bereich liegt, wird durch den Flüssigkeitsfluß durch den Bereich geleitet und es kann zu einer Reaktion zwischen dem darin enthaltenen interessierenden Antigen und den Antikörpern am Analyseort kommen, was somit schließlich zu einem ungenauen Ergebnis führt.
• Ein bekanntes Verfahren zur Definition eines Probenvolumens besteht darin, einen manuell betätigten Ventilmechanismus einzubeziehen, der ein definiertes Probenvolumen in die Diagnosevorrichtung abschert. Eine derartige Vorrichtung ist in M.P. Allen et al., Clinical Chemistry 36 (1990), S. 1591-1597 beschrieben. Das Ausmessen des Probenvolumens wird somit automatisch realisiert und die Fehlermöglichkeiten werden somit stark verringert. Der Mechanismus erfordert jedoch bewegte Präzisionsteile und ist somit verhältnismäßig teuer in der Herstellung.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Volumendefinition auf eine Art und Weise zu erreichen, die einfach und kostengünstig ist sowie automatisch verläuft und die Verwendung mechanischer beweglicher Teile vermeidet und mit gegenwärtig erhältlichen Diagnosevorrichtungen verträglich ist.
• Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Übertragen von Flüssigkeiten durch Kapillarbewegung bereitgestellt, die umfaßt: einen ersten Fließkanal, der von einem ersten Kanalende zu einem Volumenbestimmungsort führt, und einen zweiten Fließkanal, der von einem zweiten Kanalende aus verläuft und den ersten Kanal in einem Abfangbereich kreuzt, der den Volumenbestimmungsort relativ zum Fluß im ersten Kanal direkt stromaufwärts von diesem begrenzt, wobei die Kanäle stromabwärts vom Abfangbereich voneinander getrennt sind, die Kanäle so angeordnet sind, daß nach dem gleichzeitigen Aufbringen von Flüssigkeit am ersten und zweiten Kanalende der Flüssigkeitsfluß im zweiten Kanal den Abfangbereich vor dem im ersten Kanal erreicht.
• Mit dieser Anordnung wird eine aufgebrachte Substanz, deren Volumen zu definieren ist, wie beispielsweise eine Probe, die sich über den Volumenbestimmungsort hinaus in den Abfangbereich erstreckt durch Flüssigkeitsfluß im zweiten Kanal weggetragen, bevor der Flüssigkeitsfluß im ersten Kanal den Abfangbereich erreicht.
• Dies liefert eine wirkungsvolle Volumenbestimmung, da überschüssiges Volumen, das andernfalls ein quantifizierbares Ergebnis eines mit der Vorrichtung durchgeführten Diagnosetests stören könnte, entfernt wird, bevor ein Reagens zum Volumenbestimmungsort gebracht wird. Anders als bei Verfahren zur Volumendefinition nach dem Stand der Technik, die einfach eine gewünschte Menge an Probe einschließen, stellt die Erfindung sicher, daß überschüssiges Volumen in einem durch Verwendung der Vorrichtung automatisch eingeleiteten Verfahrensschritt hydraulisch entfernt wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein dritter Fließkanal bereitgestellt, der von einem dritten Kanalende aus verläuft und den ersten Kanal in einem weiteren Abfangbereich kreuzt, der den Volumenbestimmungsort relativ zum Fluß im ersten Kanal direkt stromabwärts von diesem begrenzt, wobei der dritte Kanal so angeordnet ist, daß nach dem gleichzeitigen Aufbringen von Flüssigkeit am ersten, zweiten und dritten Kanalende Flüssigkeitsfluß im dritten Kanal den weiteren Abfangbereich vor dem im ersten Kanal erreicht.
• Mit einer derartigen Vorrichtung wird überschüssiges Volumen, das sich über den Volumenbestimmungsort hinaus in den weiteren Abfangbereich erstreckt, durch Flüssigkeitsfluß in dem dritten Kanal weggetragen, bevor Flüssigkeitsfluß im ersten Kanal den weiteren Abfangbereich erreicht.
• Die Bereitstellung des zweiten und dritten Kanals, die den Volumenbestimmungsort relativ zum Fluß im ersten Kanal sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts von diesem begrenzen, ermöglicht einen Ausgleich der hydraulischen Drücke über dem Volumenbestimmungsort und dies verhindert, daß Flüssigkeitsfluß im zweiten und dritten Kanal in den Volumenbestimmungsort abgelenkt wird.
• Allgemein ist die aufgebrachte Substanz, deren Volumen zu definieren ist, eine Blutserum- oder Urinprobe, kann jedoch zum Beispiel ein Reagens sein, dessen Volumen für eine nachfolgende Lieferung an eine Probe definiert werden soll, oder ein Verdünnungsmittel, dessen Volumen für eine nachfolgende Lieferung an ein Reagens oder eine Probe definiert werden soll.
• Der zweite Kanal und/oder der dritte Kanal führen nach dem Kreuzen des ersten Kanals vorzugsweise zu einem Abfallbehälter. Dieser Behälter nimmt den Fluß auf, der überschüssiges Volumen vom Abfangbereich oder von den Abfangbereichen wegträgt.
• Zur Überprüfung der zufriedenstellenden Funktion der Vorrichtung kann sie eine Einrichtung beinhalten, die einem Benutzer den Inhalt des Abfallbehälters anzeigt. Dabei kann es sich um eine Vielzahl von Fenstern handeln, die durch ein Gehäuse der Vorrichtung Sicht auf den Abfallbehälter ermöglichen und eine visuelle Anzeige der Menge einer gegebenen Substanz in dem Abfallbehälter liefern.
• Die Fließkanäle der Vorrichtung sind vorzugsweise so abgestimmt, daß sie verhindern, daß Flüssigkeitsfluß im ersten Kanal durch Fluß im zweiten und/oder dritten Kanal abgelenkt wird, und dies kann durch Einbeziehen wenigstens eines weiteren Fließkanals in die Vorrichtung erfolgen, um für einen hydraulischen Flußausgleich zu sorgen.
• Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Übertragen von Flüssigkeiten bereitgestellt, das umfaßt:
• Bereitstellen einer ersten Einrichtung zur Übertragung von Flüssigkeiten zum Transportieren von Flüssigkeit durch Kapillarwirkung zu einer durch Begrenzungen definierten Stelle, an der eine Substanz aufzubringen ist;
• Aufbringen von Substanz in einer Menge, die mindestens ausreicht, um die Stelle zu füllen, so daß die Substanz über die Begrenzungen der Stelle hinausgehen kann; und
• Bereitstellen einer zweiten Einrichtung zur Übertragung von Flüssigkeiten, die, sobald die erste Einrichtung zur Übertragung von Flüssigkeiten betrieben wird, automatisch Flüssigkeit durch Kapillarwirkung transportiert, um über die Begrenzungen der Stelle hinausgehende Substanz mitzunehmen und zu entfernen, bevor die erste Einrichtung zur Übertragung von Flüssigkeiten Flüssigkeit zu der Stelle transportiert hat.
• Die Substanz kann mittels einer Trennmembran, durch die sich die ausgewählten Bestandteile bewegen können, auf die Stelle aufgebracht werden.
• Spezifische Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
• Figur 1a und 1b stellen eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung dar;
• Figur 2 stellt eine zweite Ausführungsform einer solchen Vorrichtung dar;
• Figur 3 zeigt eine elektrische Ersatzschaltung der in Figur 2 gezeigten Vorrichtung; und
• Figur 4a-7b stellen jeweilige weitere Ausführungsformen hinsichtlich biochemischer Untersuchungsverfahren dar.
• Figur 1a und 1b zeigen eine analytische Testvorrichtung 1 bestehend aus einem Stück porösen Materials zur Durchführung einer aufeinanderfolgenden Lieferung zweier Reagenzien X und Y an einen Analyseort S. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine Anzahl untereinander verbundener Kanäle aus, von denen vier, nämlich A, B, C und D als "Beine" geformt sind, deren freie Enden geeignet sind, gleichzeitig in einen Flüssigkeitsbehälter 2 eingebracht zu werden, der eine geeignete Pufferlösung enthält. Ein quer verlaufender gemeinsamer Kanal E verbindet die anderen Enden dieser vier Beine und in diesem Kanal befinden sich jeweils zwischen den Enden von Beinpaaren A und C, und C und D Stellen für die Reagenzien X und Y.
• Der Volumenbestimmungsort ist ein Probenort S, der in diesem Fall der Analyseort ist, und befindet sich in einem Teil des Kanals E zwischen den Enden der Beine A und B. An dieser Position wird typischerweise ein Antikörper gehalten, der in der Lage ist, mit einem in der aufgebrachten Probe enthaltenen interessierenden Antigen zu reagieren.
• Wird in die Enden der Beine C und D Flüssigkeit eingebracht, wird sie durch Kapillarwirkung durch das poröse Material nach oben gezogen, bis sie den quer verlaufenden Kanal E erreicht, entlang dem sie sich dann in Richtung des Analyseorts S bewegt, wobei sie die Reagenzien X und Y löst und mitnimmt, so daß diese nachfolgend der Reihe nach an den Analyseort gebracht werden. Dieses grundlegende Verfahren der automatischen aufeinanderfolgenden Lieferung ist in der oben erwähnten Veröffentlichung WO 90/11519 beschrieben und für spezifischere Eigenschaften derartiger Vorrichtungen kann darauf Bezug genommen werden.
• Eine Flüssigkeitsprobe, die aus Urin oder Blutserum bestehen kann, wird auf den Analyseort S aufgebracht, bevor die Vorrichtung aktiviert wird. Dies kann durch Aufbringen einer Probenmenge auf ein in einem Gehäuse (nicht gezeigt), das das poröse Material der Testvorrichtung umgibt, realisiertes "Fenster" zur Aufbringung erreicht werden. Der Analyseort S wird durch den Bereich immobilisierter Antikörper definiert, es ist jedoch wahrscheinlich, daß sich überschüssiges Probenmaterial 3 auch im oder eintretend in das poröse Material findet, wobei dieses überschüssige Probenmaterial den Diagnosevorgang so beeinflussen kann, daß letztlich ein falsches Ergebnis erhalten werden kann. Die Beine A und B sind wie in Figur 1 gezeigt symmetrisch zum Analyseort S angeordnet und die Vorrichtung zeichnet sich auch durch zusätzliche Abfallkanäle F und G aus, die auf beiden Seiten der Stelle S vom Kanal E aus quer und auf der den Beinen A und B gegenüberliegenden Seite des Kanals E verlaufen. Der quer verlaufende Fließkanal E setzt sich stromabwärts über den Analyseort S hinaus in den Abfallkanal H fort, wohin Abfallprodukte der Reaktionen schließlich geschwemmt werden.
• Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist aus Figur 1b ersichtlich. Bei Aktivierung der Vorrichtung (durch gleichzeitiges Einbringen der Beine A, B, C und D in einen Flüssigkeitsbehälter 2) fließt Flüssigkeit durch Kapillarwirkung entlang aller vier Beine und in den quer verlaufenden gemeinsamen Kanal E. Flüssigkeit aus den Beinen A und B fließt jeweils am Analyseort S vorbei und in Abfallkanäle F und G und beim Durchgang durch angenommene "Abfangbereiche", die den Analyseort S an jeder Seite begrenzen, nimmt dieser Fluß überschüssiges Probenmaterial 3 mit oder "schneidet es ab" und trägt es weg in die Abfallkanäle F und G, und läßt nur die definierte Menge an Probenmaterial zurück, die dem immobilisierten Bereich am Analyseort entspricht. Nachfolgend werden die Reagenzien X und Y, gelöst durch den Flüssigkeitsfluß aus den Kanälen C und D nacheinander an den Analyseort gebracht, inkubieren mit der definierten Probenmenge und erzeugen eine Angabe des detektierten Inhalts für den Benutzer, bevor alle Abfallprodukte durch den anhaltenden Fluß in den Abfallkanal H geschwemmt werden. Überschüssiges Probenmaterial 3 wird inzwischen in den Abfallkanälen F und G gehalten und wird nicht durch Diffusion und nachfolgenden Fluß in den Probenort zurückgeleitet Es nimmt deshalb nicht weiter am Prozeß teil. Deshalb ist es wichtig, daß in solchen Vorrichtungen der entferntes überschüssiges Probenmaterial befördernde Fluß aufgehört hat, bevor Waschflüssigkeit und nachfolgendes Reagens am Analyseort zu fließen beginnen.
• Tatsächliches Experimentieren hat gezeigt, daß das Liefern von Reagenzien zum Analyseort durch den Fluß aus den Beinen A, B und C (in Figur 1b durch gestrichelte Linien angedeutet) gestört wird und um dieses Problem zu verkleinern, ist in Figur 2 eine Verbesserung der Hydraulik der Vorrichtung gezeigt. In dieser Ausführungsform verbindet ein quer verlaufender Kanal I das Ende des Beins D mit dem Analyseort S, während ein zusätzlicher quer verlaufender Kanal J das Ende des Beins C mit den Enden der Beine B und A verbindet. Die parallelen quer verlaufenden Kanäle I und J sind an Knoten N&sub1; und N&sub2; wie in Figur 2 gezeigt verbunden. Die Kanäle I und J setzen sich stromabwärts in einen gemeinsamen Abfallbehälter T fort.
• Es ist bekannt, daß hydraulischer Fluß und Druck elektrischem Strom und elektrischer Spannung analog sind, wobei hydraulischer Fließwiderstand elektrischem Widerstand gleichgesetzt werden kann. Der hydraulische Fluß in porösen Medien zeigt jedoch leichte laminare Eigenschaften und formt in den verschiedenen Kanälen getrennte Unterflüsse. Figur 2 stellt die hydraulischen Widerstände R&sub1; bis R&sub1;&sub0; jedes Teils der Hydraulik dar und die analoge elektrische Schaltung ist in Figur 3 gegeben. Wie aus dieser Figur erkennbar ist, beinhaltet die Schaltung Widerstände R&sub1; bis R&sub1;&sub0; und eine doppelte elektrische Brücke und durch sorgfältige Auswahl der relativen Werte dieser Widerstände können an Knoten N&sub1; und N&sub2; Nullströme erzeugt werden. In der äquivalenten Hydraulik ist das Ergebnis einer analogen hydraulischen ausgeglichenen Anordnung deshalb, daß zwischen quer verlaufenden Kanälen I und J an Knoten N&sub1; und N&sub2; ein Nullfluß erreicht wird, sobald diese Kanäle gesättigt sind. Es ist zu erkennen, daß die Flüsse in den Kanälen A und B und die Unterflüsse stromabwärts vom Probenbereich bei T (durch Strich-Punkt-Linien angedeutet) auch zu den Flüssen in dem hydraulischen Doppelbrückennetzwerk beitragen. Die Vorrichtung erreicht immer noch den Effekt des anfänglichen "Abschneidens" von überschüssigem Probenmaterial von Analyseort S, aber sobald eine Sättigung eintritt, sind die Brückenschaltungen ausgeglichen und der Fluß hält an, so daß die Reagenzien X und Y zum Analyseort gebracht werden können, ohne daß der Fluß im Kanal I durch den im Kanal J gestört wird. Überschüssiges Probenmaterial wird wiederum in den Abfallkanälen F und G zurückgehalten und kann deshalb nicht in den Prozeß eingreifen.
• Während zum Entfernen von überschüssigem Probenmaterial stromaufwärts vom Analyseort (was derjenige Überschuß ist, der zu Ungenauigkeiten in Ergebnissen beiträgt) nur der von A nach F gehende Fluß nötig ist, muß der von B nach G durch den Abfangbereich stromabwärts vom Analyseort gehende Fluß für einen hydraulischen Ausgleich über den Analyseort sorgen und somit verhindern, daß ein Flüssigkeitsfluß über den Ort abgelenkt wird.
• Wie aus dem obigen zu erkennen ist, können durch geeignete Konstruktion der Hydraulik ausgeglichene Flüsse hergestellt werden, sobald das überschüssige Probenmaterial abgeschnitten und vom Analysebereich entfernt worden ist, und so das korrekte Probenvolumen definiert werden. Nun werden drei die Erfindung veranschaulichende spezifische Beispiele für Vorrichtungen zur Verwendung in biochemischen Untersuchungsverfahren beschrieben.
Beispiel 1
• Figur 4 zeigt eine Analysevorrichtung 20 in Form eines aus porösem Material, in diesem Fall Millipore AP25 Filterpapier, hergestellten Kapillarbewegungskreises. Sie kann dazu verwendet werden, in einem festen Anzeigebereich das Vorhandensein des Schwangerschaftshormons HCG in einer Urinprobe anzuzeigen.
• Die Flüssigkeitskanäle werden durch Schneiden oder Wachsdrucken undurchlässiger Barrieren geformt. Ein Kanal 21 verläuft von einem Kanalende 35 durch einen geweiteten gemeinsamen Fließbereich 33 bis zu einem Abfallbehälter 24. Der gemeinsame Fließbereich ist durch einen Kanal 26 über ein Kanalende 36 mit einer Flüssigkeitsquelle 22 verbunden. Im gemeinsamen Fließbereich 33 befindet sich in einer Linie mit dem Kanal 21 und der Verbindung zum Abfallbehälter 24 ein Analyseort 23. Der gemeinsame Fließbereich 33 enthält auch Kanäle 25 und 28, die über den Kanal 26 mit der Flüssigkeitsquelle 22 verbunden werden können. Der Kanal 25 kreuzt den Kanal 21 und ist mit diesem verbunden und endet in einem Abfallbehälter 27. Der Kanal 28 ist ebenfalls mit dem Kanal 26 verbunden, kreuzt den Kanal 21 und ist mit diesem verbunden und endet in einem separaten Abfallbehälter 29. In Form eines Stabs, der zwischen dem Analyseort 23 und dem am gemeinsamen Fließbereich 33 ankommenden Fluß aus dem Kanal 26 ein Hindernis definiert, wird eine undurchlässige Barriere 32 bereitgestellt.
• Auf dem Kanal 21 befindet sich eine Zone aus blauen Latexteilchen 30, die mit einem zweiten Antikörper zu HCG beschichtet sind und die mitgenommen werden können und sich mit dem Flüssigkeitsfluß entlang dem Kanal bewegen können. Am Analyseort 23 befindet sich eine definierte Zone aus einem ersten Antikörper zu HCG 31, die wie in Figur 4a gezeigt innerhalb eines bestimmten Bereichs auf das poröse Material immobilisiert ist.
• Bei Verwendung wird eine zu analysierende Blutprobe am Analyseort 23 aufgebracht und das in der Probe vorhandene Hormon HCG beginnt, sich an den immobilisierten ersten Antikörper zu binden. Das Probenvolumen ist in diesem Stadium undefiniert und überschüssiges Probenmaterial tritt über den spezifizierten immobilisierten Bereich 31 hinaus in Überschußbereiche 37 (Figur 4b) ein.
• Es ist wichtig, daß das aufgebrachte Probenvolumen was die Dicke des Materials der Vorrichtung anbelangt so gewählt wird, daß ein zu definierendes Volumen der Probe im wesentlichen gleichmäßig verteilt ist, zumindest innerhalb des durch die Zone 31 definierten Materials. Als praktische Anforderung dieses und nachfolgender Beispiele darf außerdem das Volumen der aufgebrachten Probe außerdem nicht so groß sein, daß es das Aufnahmevermögen der Volumendefinitionseinrichtung überschreitet. Überschüssiges Probenvolumen 37 links vom Analyseort 23 muß zum Beispiel kleiner als die Flüssigkeitskapazität des Behälters 27 sein. Die Vorrichtung wird dann wie in Figur 4b gezeigt über die Enden 35 und 36 der Kanäle 21 und 26 mit der Flüssigkeitsquelle 22 verbunden und die Flüssigkeit beginnt durch Kapillarwirkung entlang dieser Kanäle zu fließen. Die Längen der Kanäle sind so gewählt, daß die Flüssigkeit jeweils den Kanal 26 hinauf- und die Kanäle 25 und 28 entlangfließt, um jede Seite des quer verlaufenden Stabs 32 und den Analyseort 23 herum und überschüssige Urinprobe jeweils in die Behälter 27 und 29 schwemmt, bevor Flüssigkeit aus dem Kanal 21 den gemeinsamen Fließbereich 33 erreicht. Dies ist in Figur 4c gezeigt, wo der gesamte gemeinsame Fließbereich gesättigt worden ist. Inzwischen fließt im Kanal 21 weiterhin Flüssigkeit und entgegengerichtete Flüsse in diesem Kanal (durch Pfeile angedeutet) treffen sich bei der zweiten Antikörperzone 30. Bei Sättigung beginnt die gesamte Flüssigkeit im Kanal 21 einschließlich der mit dem zweiten Antikörper beschichteten mitgenommenen blauen Latexteilchen in Richtung des Analyseorts 23 und des Abfallbehälters 24 zu fließen. Der Flüssigkeitsfluß dient dazu, jegliches ungebundenes Probenmaterial 39 vom Analyseort in Richtung des Behälters 24 zu schwemmen (Figur 4d), bevor die mit dem zweiten Antikörper beschichteten Latexteilchen am Analyseort 23 ankommen. In der Probe vorhandenes HCG-Antigen, jetzt gebunden an den am Analyseort immobilisierten ersten Antikörper 31, bindet sich an die blauen Latexteilchen und bildet dadurch einen visuellen Indikator, um dem Benutzer eine Angabe über die vorhandene Menge an HCG-Antigen zu machen. Weiterer Flüssigkeitsfluß dient dazu, ungebundene Latexteilchen in den Behälter 24 zu schwemmen und dadurch jegliche Bindung am Analyseort besser sichtbar zu machen. Der Fluß endet, wenn der Behälter 24 vollständig gesättigt ist.
• Nachdem das Probenvolumen wie oben beschrieben definiert wurde, ist es wichtig zu verhindern, daß der vom Kanal 26 kommende Fluß sich mit dem im Kanal 21 in Richtung des Analyseorts laufenden verbindet und diesen stört. Dies wird erreicht, indem die Abmessungen der Kanäle 21, 25, 26 und 28 in Form einer hydraulischen Brückenschaltung so eingerichtet werden, daß die Brücke im Gleichgewicht ist, um entlang einer Stagnationslinie 38 (Figur 4c) einen Nullfluß zu erreichen. Diese Konstruktion kann durch Berechnung, Computermodellierung oder durch iterative empirische Bestimmung erreicht werden.
• Wie vorher erklärt sind die Abfallbehälter für überschüssiges Probenmaterial so konstruiert, daß Abfallprodukte darin festgehalten werden, da es wichtig ist, daß diese Produkte nachfolgende Stufen des Prozesses nicht beeinflussen. Um dies zu überwachen können Anzeigen für "Probe zu groß" oder "Probe zu klein" bereitgestellt werden. Figur 4e zeigt einen Ausschnitt der Vorrichtung von Figur 4a, enthalten in einem mit zwei lichtdurchlässigen Fenstern W&sub1; und W&sub2;, die mit dem Behälter 27 zusammenfallen, ausgestatteten Gehäuse P. Falls die Probe farbig ist (wie beispielsweise Blut), gibt das Erscheinen der Farbe in einem oder beiden Fenstern das Vorhandensein des eingeschlossenen überschüssigen Probenmaterials an. Falls die Probe farblos ist, dann kann ein chemischer Stoff, der eine Farbreaktion mit der Probe erzeugt, in den Abfallbehälter eingebracht werden. Figur 4e zeigt ein zufriedenstellendes Ergebnis, wobei der stabile Zustand darin besteht, daß Farbe nur im Fenster W&sub2; erscheint. Falls die Farbe in keinem der beiden Fenster erscheint, dann liefert dies eine Angabe "Probe zu klein" und falls die Farbe in beiden Fenstern W&sub1; und W&sub2; erscheint, dann liefert dies eine Angabe "Probe zu groß". In beiden Fällen wird der Benutzer gewarnt, daß das Probenvolumen zur Durchführung eines genauen Tests ungeeignet ist.
Beispiel 2
• Figur 5 zeigt eine Analysevorrichtung 40 in Form eines Kapillarbewegungskreises, die im allgemeinen wie in Beispiel 1 beschrieben aufgebaut ist, jedoch eine lineare analoge Anzeige zur Angabe eines quantifizierbaren Ergebnisses beinhaltet. Ihr Zweck besteht darin, die Menge an Cholesterin zu quantifizieren, die in einer Blutserumprobe vorhanden ist.
• Ein Kanal 41 verläuft von einem Ende 42 zum Aufbringen von Flüssigkeit durch einem aufgeweiteten gemeinsamen Fließbereich 44 und zu einem Abfallbehälter 43. Ein Kanal 45 verläuft von einem Ende 46 zum gemeinsamen Fließbereich 44 und trennt sich in zwei Kanäle 47 und 48, die mit dem Kanal 41 verbunden sind. Ein dritter Kanal 49 verbindet ein Ende 50 mit dem Kanal 41 in der Mitte zwischen den Punkten, an denen die Kanäle 47 und 48 mit dem Kanal 41 verbunden sind. Im gemeinsamen Fließbereich 44 sind für Flüssigkeit undurchlässige Stäbe 51, 52 und 53 vorgesehen. Die parallelen Stäbe 51 und 52 zwischen den Punkten, an denen die Kanäle 45 und 49 mit dem gemeinsamen Fließbereich 44 verbunden sind, definieren einen ersten immobilisierten Bereich 54 zwischen diesen und in diesem spezifischen Bereich, der dem Probeort entspricht, ist ein festes Volumen von Cholesterin-Esterase und Cholesterin-Oxidase auf dem porösen Material immobilisiert. Entlang dem für Flüssigkeit durchlässigen Stab 53 befindet sich ein länglicher zweiter immobilisierter Bereich 55, in dem Meerrettichperoxidase (HRP) auf einem kolorimetrischen Substrat auf das poröse Material immobilisiert ist. Der Stab 53 trennt das poröse Material in zwei parallele Kanäle 41a und 41b, wobei der Bereich 55 im Kanal 41b liegt und der Bereich liegt in einer Linie mit dem ersten immobilisierten Bereich 54.
• Bei Anwendung wird ein undefiniertes Volumen an Serumprobe 56 am ersten immobilisierten Bereich aufgebracht und überschüssiges Serum 57 tritt über die Begrenzungen des Bereichs 54. Die Enden 42, 46 und 50 der jeweils der Kanäle 41, 45 und 49 werden dann gleichzeitig in eine Flüssigkeitsquelle 60 eingebracht (Figur 5b) und die Flüssigkeit beginnt in den Kanälen zu fließen. Die kombinierte Länge der Kanäle 45 und 47 und die der Kanäle 45 und 48 zwischen dem Kanalende 46 und dem ersten Bereich 54 sind so gewählt, daß Flüssigkeit um jede Seite des Bereichs 54 fließt, bevor Flüssigkeit in den Kanälen 41 und 49 den gemeinsamen Fließbereich 44 erreicht. Dieser anfängliche Flüssigkeitsfluß schwemmt wie in Figur 5b gezeigt überschüssiges Serum 57 in den Kanal 41 links von dem für Flüssigkeit undurchlässigen Stab 52. Inzwischen fließt weiterhin Flüssigkeit in den Kanälen 41 und 49 und die entgegengesetzten Flüsse treffen schließlich in diesen Kanälen aufeinander. Während dieser Zeit reagiert in der Serumprobe, deren Volumen jetzt automatisch definiert worden ist, enthaltenes Cholesterin mit dem festen Volumen an immobilisierter Cholesterin-Esterase und Cholesterin- Oxidase im ersten Bereich 54 und erzeugt eine zu der Menge an vorhandenem Cholesterin proportionale Menge Wasserstoffperoxid. Dann beginnt das Wasserstoffperoxid getragen vom Flüssigkeitsfluß nach oben zu fließen, womit eine erste Inkubationsstufe endet. Vorausgesetzt, die Vorrichtung wird nach dem Aufbringen der Probe rasch mit dem Flüssigkeitsbehälter 60 verbunden, wird die Wasserstoffperoxid erzeugende Inkubationsstufe durch die Laufzeit der Flüssigkeit in den verschiedenen Kanälen automatisch zeitlich gesteuert.
• Ein zur Menge an Cholesterin in der Probe proportionales "Stück" Wasserstoffperoxid 62 steigt dann den Kanal 41b hinauf (Figur 5c) und reagiert mit dem HRP und dem kolorimetrischen Substrat am zweiten immobilisierten Bereich 55. Dies erzeugt ein unlösliches farbiges Produkt 63, wobei die Reaktion Wasserstoffperoxid verbraucht, während letzteres im Kanal 41b aufsteigt, so daß eine farbige Linie oder ein farbiger Balken erzeugt wird, dessen Länge proportional zu der Menge an Cholesterin in der Serumprobe ist (Figur 5d). Der Benutzer kann den Cholesterinspiegel von einer eingeteilten Skala auf dem Gehäuse der Vorrichtung (nicht gezeigt) ablesen.
• Nachdem das Probenvolumen wie oben beschrieben definiert wurde, ist es wichtig, zu verhindern, daß Fluß aus den verschiedenen Kanälen das "Stück" Wasserstoffperoxid und seinen Aufstieg im Kanal 41b stört. Dies wird wiederum erreicht, indem die Abmessungen und die Lage der verschiedenen Kanäle so eingerichtet werden, daß eine im Gleichgewicht befindliche Hydraulik erzeugt wird, so daß bei Sättigung zwischen den Kanälen 41a und 41b kein Fluß vorhanden ist. Das "Stück" bewegt sich dann direkt in den immobilisierten Bereich 55 und das überschüssige Probenmaterial 57 wird direkt den Kanal 41a hinauf und in den Abfallbehälter 43 geschwemmt (Figur 5d).
Beispiel 3
• Figur 6 zeigt eine alternative Analysevorrichtung 70, die wiederum die Form eines Kapillarbewegungskreises in porösem Material hat. Dieses Beispiel betrifft erneut eine Cholesterinuntersuchung und ein lineares analoges Ergebnis und verwendet dieselbe Chemie wie das obige Beispiel 2, wobei sich die Vorrichtung dadurch unterscheidet, daß sie unter Verwendung von nur zwei statt drei Kanälen zur Verbindung mit der Flüssigkeitsquelle in kompakterer Form hergestellt werden kann.
• Ein Kanal 71 verläuft von einem Ende 72 zu einem Behälter 73. Ein Kanal 74 verläuft von einem Ende 75 über Kanäle 76 und 77 zum Kanal 71. Der Kanal 71 wird wie aus Figur 6a ersichtlich durch parallele, für Flüssigkeit undurchlässige Stäbe, jeweils bestehend aus in einer Linie angeordneten Teilen 78, 79, 80 und 81, 82 in Kanäle 71a, 71b und 71c getrennt. Ein erster immobilisierter Bereich 83, der dem Probenort entspricht, befindet sich zwischen den Stäben 79 und 81 und wird durch einen Bereich von Cholesterin-Esterase und Cholesterin-Oxidase definiert. Ein Bereich aus immobilisiertem HRP auf einem kolorimetrischen Substrat 84 bildet den zweiten immobilisierten Bereich, der einen Materialstreifen zwischen den Stäben 80 und 82 im Kanal 71b einnimmt.
• Bei Verwendung wird wiederum ein undefiniertes Volumen Serumprobe am ersten immobilisierten Bereich aufgebracht, das über die Begrenzungen des Bereichs tritt und Überschuß 85 in die umgebenden Kanäle abgibt (Figur 6a).
• Dann werden die Kanalenden 72 und 75 mit einer Flüssigkeitsquelle 90 verbunden (Figur 6b). Da Flüssigkeit aus dem Kanal 74 durch die Kanäle 76 und 77 die Probe vor der aus dem Kanal 71 erreicht, fließt sie um beide Seiten des undurchlässigen Stabs 81 und schwemmt überschüssiges Serum 85 in den Kanal 71 (Figur 6b). Inzwischen beginnt Flüssigkeit im Kanal 71 vom Kanalende 72 aus zu fließen und die entgegengesetzten Flüsse treffen sich wie gezeigt bei 92 und 93, von wo aus sich die Flüssigkeit in Richtung der immobilisierten Bereiche und des Abfallbehälters 73 bewegt. Ähnlich der Arbeitsweise der Vorrichtung von Beispiel 2 wird beim ersten Bereich 83 ein "Stück" Wasserstoffperoxid 94 erzeugt und in den zweiten Bereich 84 im Kanal 71b getragen, wo es beginnt, mit dem darin befindlichen HRP und kolorimetrischen Substrat zu reagieren (Figur 6c). Es wird wieder ein farbiger Balken 95 erzeugt, dessen Länge der Menge an Cholesterin in der gemessenen Serumprobe proportional ist (Figur 6d).
• Nachdem das Probenvolumen definiert wurde, ist es wichtig zu verhindern, daß Fluß anders als axial in den Analysekanal 71b eintritt oder diesen verläßt. Dies wird erreicht, indem die Geometrie der Vorrichtung so eingerichtet wird, daß ein im Gleichgewicht befindlicher hydraulischer Brückenkreis erzeugt wird, so daß bei Sättigung über Verbindungen 96 und 97 zwischen Kanälen kein Fluß auftritt (Figur 6b).
• Natürlich können gemäß der Erfindung zahlreiche andere Vorrichtungen für eine große Auswahl unterschiedlicher analytischer Tests konstruiert werden, wobei es in jedem Fall so eingerichtet wird, daß anfänglicher Flüssigkeitsfluß automatisch überschüssiges Probenmaterial um einen definierten Reaktionsbereich herum entfernt und nachfolgender Fluß so beschaffen ist, daß dieser entfernte Überschuß spätere Stadien der Analyse nicht beeinflußt.
• Die Erfindung kann wie z.B. in der Patentbeschreibung US 5240862 beschrieben in Verbindung mit Trennmembranen wie beispielsweise zur Trennung von Plasma und roten Blutkörperchen verwendet werden. Eine derartige Membran hält rote Blutkörperchen auf, läßt jedoch Plasma durch.
• Die Verwendung einer Trennmembran in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Figur 7a und 7b dargestellt. In Figur 7a verläuft der dominierende Plasmafluß entlang der Trennmembran 100, wobei das gesamte Blut auf eine Sammelzone 101 aufgebracht wird, die symmetrisch zum und angrenzend an den Bereich zur Definition des Plasmavolumens 102 angeordnet ist. Die Abmessungen der Sammelzone sind so gewählt, daß die roten Blutkörperchen in dieser Zone gehalten werden, während das Plasma den Bereich zur Definition des Plasmavolumens 102 füllen und über diesen hinausgehen kann, wobei das Volumen durch nachfolgenden Flüssigkeitsfluß gemäß der Erfindung bestimmt wird. In Figur 7b verläuft der dominierende Plasmafluß quer zur Ebene der Trennmembran 110, in diesem Fall eine getrennte Membran, die über dem Bereich zur Definition des Plasmavolumens 111 liegt und über diesen hinausgeht.
• Für diese Anwendung geeignet sind Trennmembranen wie beispielsweise X-flow PS21.
• Es ist anzumerken, daß jede Vorrichtung vorzugsweise zusätzlich ein Gehäuse um das poröse Material herum beinhaltet, durch das die Probe aufgebracht werden kann, und zusätzlich auch eine Einrichtung zum Verbinden der Vorrichtung mit einer Flüssigkeitsquelle umfassen kann, die sicherstellt, daß die Flüssigkeit gleichzeitig auf das äußerste Ende jedes geeigneten Kanals aufgebracht wird.
• Um die Vorrichtungen kompakter zu machen, müssen sie nicht eben sein, sondern können gefaltet oder aus mehreren die verschiedenen Kanäle bildenden übereinanderliegenden Schichten bestehen, wobei zwischen unterschiedlichen Schichten Querverbindungen vorhanden sind.
• Die obigen Beispiele verwenden für Kapillarbewegung geeignetes poröses Material wie beispielsweise Filterpapier. Die Erfindung kann jedoch auch in Vorrichtungen angewendet werden, die nicht-poröse Kapillarwirkung einsetzen, wobei derartige Vorrichtungen weiterhin hydraulische Kreise bereitstellen, die so konstruiert sein können, daß sie die gewünschten Fließbedingungen liefern, wenn die Teilkanäle gefüllt werden.
• Es wird ebenfalls erkannt werden, daß die spezifischen Ausführungsformen der Vorrichtung und tatsächlich andere Vorrichtungen gemäß der Erfindung nicht auf Anpassung an und Einsatz in Diagnoseanwendungen beschränkt sein sollen.
• In den beigefügten Figuren dargestellte und oben beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sollen nur als Beispiele dienen und es sollte klar sein, daß sie den Bereich der Erfindung, der alle in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallenden Ausführungsformen einschließen soll, in keiner Weise beschränken.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Übertragen von Flüssigkeiten durch Kapillarbewegung mit einem ersten Fließkanal (21), der von einem ersten Kanalende (35) zu einem Volumenbestimmungsort (23) führt, und einem zweiten Fließkanal (26, 25), der von einem zweiten Kanalende (36) aus verläuft und den ersten Kanal in einem Abfangbereich kreuzt, der den Volumenbestimmungsort relativ zum Fluß im ersten Kanal direkt stromaufwärts von diesem begrenzt, wobei die Kanäle stromabwärts vom Abfangbereich voneinander getrennt sind, die Kanäle so angeordnet sind, daß nach dem gleichzeitigen Aufbringen von Flüssigkeit am ersten und zweiten Kanalende der Flüssigkeitsfluß im zweiten Kanal den Abfangbereich vor dem im ersten Kanal erreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein dritter Fließkanal bereitgestellt wird, der von einem dritten Kanalende aus verläuft und den ersten Kanal in einem weiteren Abfangbereich kreuzt, der den Volumenbestimmungsort relativ zum Fluß im ersten Kanal direkt stromabwärts von diesem begrenzt, wobei der dritte Kanal so angeordnet ist, daß nach dem gleichzeitigen Aufbringen von Flüssigkeit am ersten, zweiten und dritten Kanalende Flüssigkeitsfluß im dritten Kanal den weiteren Abfangbereich vor dem im ersten Kanal erreicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin der zweite Kanal nach dem Kreuzen des ersten Kanals zu einem Abfallbehälter führt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, die eine Einrichtung zum Anzeigen des Inhalts des Abfallbehälters umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, die ein Gehäuse um die Fließkanäle herum beinhaltet, wobei die Anzeigeeinrichtung wenigstens zwei Fenster umfaßt, die eine Sicht durch das Gehäuse des Abfallbehälters ermöglichen, um einem Benutzer eine visuelle Anzeige der Menge einer gegebenen Substanz im Abfallbehälter bereitzustellen.

6. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 3-5, worin der dritte Kanal nach dem Kreuzen des ersten Kanals zum Abfallbehälter führt.

7. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 2-6, worin die Fließkanäle so eingerichtet sind, daß sie verhindern, daß Flüssigkeitsfluß im ersten Kanal durch Fluß im zweiten und dritten Kanal abgelenkt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, in der wenigstens ein weiterer Fließkanal enthalten ist, um für ein hydraulisches Fließgleichgewicht zu sorgen.

9. Vorrichtung nach jedem der vorangehenden Ansprüche, worin der Volumenbestimmungsort eine Stelle zum Aufbringen von Proben in einer biochemischen diagnostischen Untersuchungsvorrichtung ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin der ersten Kanal wenigstens ein Reagens zum Mitnehmen im Flüssigkeitsfluß durch diesen enthält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, worin der Volumenbestimmungsort ein Reagens enthält, um einen Bestandteil der zu untersuchenden Probe zu trennen und/oder zu immobilisieren.

12. Vorrichtung nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei der alle Kanäle aus einem einzelnen Stück aus porösem Material bestehen.

13. Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur Übertragung von Flüssigkeiten, das umfaßt:

Bereitstellen einer ersten Einrichtung zur Übertragung von Flüssigkeiten zum Transportieren von Flüssigkeit durch Kapillarwirkung zu einer durch Begrenzungen definierten Stelle, an der eine Substanz aufzubringen ist;

Aufbringen von Substanz in einer Menge, die mindestens ausreicht, die Stelle zu füllen, so daß Substanz über die Begrenzungen der Stelle hinausgehen kann; und

Bereitstellen einer zweiten Einrichtung zur Übertragung von Flüssigkeiten, die, sobald die erste Einrichtung zur Übertragung von Flüssigkeiten betrieben wird, automatisch Flüssigkeit durch Kapillarwirkung transportiert, um über die Begrenzungen der Stelle hinausgehende Substanz mitzunehmen und zu entfernen, bevor die erste Einrichtung zur Übertragung von Flüssigkeiten Flüssigkeit zu der Stelle transportiert hat.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Substanz mit teis einer Trennmembran, durch die sich ausgewählte Bestandteile bewegen können, auf die Stelle aufgebracht wird.