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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Verwendung bei der diagnostischen Analyse einer Flüssigprobe
mittels Bindeassays. Insbesondere wird eine gegenüber der Vorrichtung
und dem Verfahren, das in dem am 28. Januar 1986 erteilten US-Patent
4,567,149 an Sell et al. veröffentlicht
wurde, optisch und fluidisch verbesserte in-vitro-Diagnoseprüfkammer
und ein Prozess zur Kammerausnützung
offenbart.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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In
dem am 28. Januar 1986 an Sell et al. erteilten US-Patent 4,567,149
wurden eine Vorrichtung und ein verwandtes Verfahren zur Verwendung
bei der diagnostischen Analyse einer Flüssigprobe mittels eines Bindeassays
offenbart. Die Vorrichtung enthielt einen starren Körper und
mehrere längliche Fäden, manchmal
auch als Filamente und/oder Streifen bezeichnet, die jeweils mit
einer Bindeassaykomponente beschichtet sind und in beabstandeter
Beziehung für
gleichzeitigen Kontakt mit einer Flüssigprobe auf dem Körper getragen
werden. Die mehreren länglichen
Fäden waren über eine
im starren Körper
ausgebildete längliche
Mulde positioniert, im Allgemeinen quer zur Längsachse der Mulde. Ein transparentes
Element, im Weiteren als ein Deckglas bezeichnet, schloss am starren
Körper
befestigt die längliche
Mulde zwischen einem Einlass und einem Auslass entlang einem gemeinsamen
Reagensströmungspfad
vom Einlass zum Auslass ein. Die Fäden waren während der Handhabung der Vorrichtung
geschützt.
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Bei
Einsatz könnte
ein spezifisches Volumen der Flüssigprobe
in der Mulde eingeschlossen und isoliert werden, wo es mit den Fäden inkubiert
werden kann. Die Vorrichtung der Erfindung eignete sich insbesondere
für die
Allergiedurchmusterung, wobei jeder längliche Faden ein mit einem
spezifischen Allergen beschichteter Baumwollfaden war.
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Der
in Sell et al. verwendete starre Körper war bevorzugt aus Kunststoff
ausgebildet und enthielt einen die längliche Mulde umgebenden flachen Steg.
Der Faden war von Stegen auf gegenüberliegenden Seiten der Mulde über die
Mulde hinweg gespannt. Das Deckglas lag über den Fäden und war an gegenüberliegenden
Seiten der Mulde an den Stegen befestigt. Um das Einleiten verschiedener Flüssigkeiten
in die Mulde zu erleichtern, einschließlich der zu testenden Flüssigprobe,
geeigneter Waschlösungen
und einer etikettierten Antikörperlösung, enthielt
der starre Körper
einen Port an jedem Ende der länglichen
Mulde. Die Vorrichtung enthielt weiterhin einen Pipettenvorsprung,
der auf den an einem Ende der Mulde liegenden Port ausgerichtet war.
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Das
Deckglas enthielt bevorzugt eine dünne Kunststofffolie in direktem
Kontakt mit dem Steg des starren Körpers. Das Deckglas wies einen
darüber liegenden
Siebdruck mit einer Reihe paralleler enger Öffnungen auf, die jeweils auf
einen separaten einzelnen der Baumwollfäden ausgerichtet waren. Der Siebdruck
optimiert das Messen der Reaktion jedes Baumwollfadens durch Reduzieren
der störenden
Effekte von benachbarten Fäden.
Das Deckglas war bevorzugt über
eine Ultraschallschweißung
an dem Steg des starren Körpers
angebracht.
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Die
Einrichtung nach dem US-Patent 4,567,149 von Sell et al. findet
breite Akzeptanz und wird immer noch erfolgreich verwendet. Bei
Gebrauch werden der Träger und
Fäden mit
einer Flüssigprobe
wie etwa Humansera gefüllt
und inkubiert. Ein zweiter Antikörper
(beispielsweise zu Meerrettichperoxidase-konjugierter Antikörper – der mit
Luminol reagiert) – wird
etwa vier Stunden lang inkubiert. Danach wurden die Fäden mit
einer Pufferlösung
gewaschen – einer
Salzlösung
und ablaufen gelassen. Dieses Waschen geschah dreimal. Nach diesem
Schritt wird ein Fluid eingeleitet, das eine Chemilumineszenzreaktion
induziert. Die Menge mehrerer biologischer Agens, die mit den Bindeassaykomponenten
interagieren, mit denen die Fäden
beschichtet sind, wird bestimmt durch Registrierung des Vorhandenseins
und Fehlens von Licht, das von jeder der Mulden abgegeben wird.
Wenn beispielsweise auf das Vorliegen von mehreren allergenspezifischen
Antikörpern
der Klasse IgE in einer Flüssigprobe
durchgemustert wird, wird die Einrichtung mit der Testprobe inkubiert
und dann nach dem Waschen mit einer Lösung inkubiert, die markierte
Antikörper gegen
Antikörper
der IgE-Klasse enthält,
die an die Fäden
gebunden worden sind. Die Fäden
werden dann analysiert, um das Vorliegen der markierten Antikörper zu
bestimmen. Wenn die markierten Antikörper mit einem radioaktiven
Tracer wie etwa 125I markiert werden, kann
diese Analyse unter Verwendung eines Gammazählers erfolgen. Die Analyse
kann alternativ dadurch erfolgen, dass die Fäden zur Belichtung neben fotografischem
Film angeordnet und dann der Grad der Belichtung oder in jüngerer Zeit durch
Registrierung auf einem Lichtdetektor entweder faseroptisch oder
durch direkte Detektion gemessen wird.
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Diese
Einrichtung hat einen hohen Grad an kommerziellem Erfolg erfahren.
Diese Offenbarung stellt eine Verbesserung dieser Einrichtung dar.
Insbesondere haben wir eine systematische und eingehende Analyse
dieser Einrichtung nach dem Stand der Technik durchgeführt. Im
folgenden Text findet der Leser die spezifischen Bereiche zur Verbesserung
nummeriert vor.
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Zuerst
wies die Einrichtung von Sell et al., US-Patent 4,567,149 eine längliche
flache Mulde oder einen länglichen
flachen Kanal auf, die bzw. der im Querschnitt gleichförmig war
und nur von den die Kammer kreuzenden Fäden unterbrochen wurde. Dies
führte
zu einer Einrichtung, die etwa 1,5 Milliliter an Serum erforderte,
damit man das gewünschte Testergebnis
erhält.
Pädiatrische
Proben weisen leider in den meisten Fällen ein geringeres Volumen auf.
Beispielsweise wurde bestimmt, dass eine Einrichtung, die 0,500
Milliliter oder weniger erfordert, insbesondere auf dem Gebiet der
Pädiatrie
größere Nützlichkeit
haben würde.
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Zweitens
wurde bestimmt, dass Fäden
allgemein und insbesondere Baumwollfäden bei ihrer Absorption große Volumina
an Allergen/Antigen/Reagens erfordern. Beispielsweise waren 40 Milliliter
Allergenextrakt erforderlich, um 12 Yard Faden zu beschichten, der
als einer von 600 Fäden
in den Einheiten der Einrichtung von Sell et al., US-Patent 4,567,149,
verwendet werden könnte.
Durch diese Nutzungsrate steigen die Kosten des Testes, da sie eine
Allergenextraktion auf sehr großem
Maßstab
erfordert. Dies ist von Nachteil, da dadurch die Kosten des Produkts
ansteigen. Außerdem
ist der Faden ein Naturprodukt (Baumwolle), und es kann schwierig und
teuer sein, ihn hinsichtlich Qualität von Charge zu Charge zu kontrollieren.
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Wie
im Folgenden offenbart wird, können diese
gleichen 40 Milliliter Allergen nun für 20 000 Tests verwendet werden!
Bei dem neuen Design werden Allergene direkt an das Polystyroldeckglas
angeheftet und kein Faden wird verwendet.
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Drittens
erforderte die Ausrichtung und Registrierung der individuellen Fäden zwischen
den individuellen Stegen der Einrichtung ständig Aufmerksamkeit und Aufwand.
Fehlausrichtung musste vermieden werden, um "falsche positive" oder "falsche negative" Reaktionen zu verhindern.
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Viertens,
und wenn die Fäden
erst einmal mit Reaktionspartnern inkubiert worden sind – wie etwa Serum – ist es
erforderlich, dass sie gewaschen und abtropfen gelassen werden.
Bei einem geraden Strömungspfad
erfordert das Waschen von Fäden übermäßig Fluid.
Zudem setzten die verwendeten Baumwollfäden einem gleichförmigen Waschen
sowohl Widerstand entgegen und förderten
auch die Fluidzurückhaltung
der menschlichen Seren oder Salzlösung. Insbesondere neigte die
Restlösung – entweder
die Seren oder die Salzlösung – an der
Verbindungsstelle der Fäden
und des Strömungspfads
zur Akkumulierung. Diese Akkumulierung trat aufgrund der Kombination
der Oberflächenspannung
in Verbindung mit den unregelmäßigen Oberflächen auf, die
dort bestanden, wo die Fäden
in den Kanal der Einrichtung eintraten. Insbesondere führten die Baumwollfäden zusätzliche
relevante Merkmale (Oberflächen)
ein, wo Fluid von Oberflächenspannung
gefangen werden könnte
(Kapillarkräfte).
Der Bediener verdrängt
dieses Fluid gegenwärtig
von Hand.
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Die
Einrichtung wird gegenwärtig
für das In-vitro-Testen von Immunreaktionen
auf verschiedene Allergene verwendet. Vom Gesichtspunkt der Fluidmechanik
aus gesehen, erfordert der Betrieb der Einrichtung, dass Blutserum
in die Testkammer angesaugt wird, wo es mit den verschiedenen, in
den Fäden
abgeschiedenen Allergenen in Kontakt gelangt. Das Serum wird anschließend (unter
Schwerkraft) aus der Testkammer ablaufen gelassen, und eine Salzlösung wird
verwendet, um die Einrichtung weiter zu waschen. Während des
Waschzyklus wird eine Düse
in den Einlass auf der Einrichtung eingeführt, wodurch eine hermetische
Abdichtung gebildet wird, durch die Fluid unter Druck in die Testkammer injiziert
werden kann. Wenn diese Abdichtung durch das Entfernen der Düse unterbrochen wird,
nimmt das resultierende Druckvakuum ab, wodurch das Fluid aus der
Einrichtung ablaufen kann. Das unvollständige oder sogar ungleichförmige Ablaufen
der Waschlösung
aus der Testkammer stellt ein potenzielles Verdünnungsproblem für den nachfolgenden Betrieb
der Einrichtung dar und erfordert, dass der Bediener sicherstellt,
dass nach dem Waschen alles Fluid aus der Kammer verdrängt wird.
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Fünftens könnte die
Lichtabgabe von der Einrichtung, was eine Reaktion anzeigt, verbessert werden.
Insbesondere könnten
Fäden,
die eine sehr hohe Reaktion aufweisen, Licht außerhalb ihres lesbaren Bereichs
abstrahlen, was die Verwendung eines dämpfenden Reagens erforderlich
macht. Weiterhin und wo eine Reaktion außergewöhnlich schwach war, wurde eine
Vergrößerung des
Substrats benötigt.
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Sechstens
besteht das Deckglas aus extrudiertem Polystyrol, was anfällig ist
für Kratzer
und schwierig herzustellen ist, was Qualitätsbewertung [QA] erfordert,
um Teile auszuwählen.
Obwohl die Kratzer nur kosmetische Defekte darstellen, würde ein
geformtes Teil sie eliminieren und kosteneffektiver sein.
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Kurz
gesagt ging aus unserer detaillierten Studie hervor, dass eine Verbesserung
möglich
war.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine geschlossene Kammer, die in
einem System zum Durchmustern einer Flüssigprobe mittels Bindeassays
verwendet wird, nach Anspruch 1, und einen entsprechenden Prozess
nach Anspruch 8. Die geschlossene Kammer enthält einen Einlass, einen Auslass
und mehrere diskrete, Reaktionspartner enthaltende Mulden, die durch
einen gemeinsamen Reaktionspartnerströmungspfad zwischen dem Einlass und
dem Auslass miteinander kommunizieren. Ein transparentes Element
oder Deckglas bildet auf einer Innenseite davon die mehreren Mulden
aus. Jede Mulde weist einen Boden auf zum Aufnehmen eines Reaktionspartners,
der bei Reaktion Licht abgibt. Das Deckglas bildet weiterhin zwischen
dem Boden der mehreren Mulden und der Außenseite des Deckglases einen
Lichtweg aus für
die Detektion der Reaktion. Dieses Deckglas bildet mindestens eine
Linse bei jeder Mulde aus und ist ein geformtes Teil. Dieser Lichtweg
reemittiert Licht von Reaktionen innerhalb der Mulde zur Außenseite
des Deckglases, was das Fehlen oder Vorliegen einer Reaktion anzeigt.
Ein Bodenelement bildet für
jede der mehreren Mulden ein Strömungsablenkelement.
Das Strömungsablenkelement
ist eine durchgängig
verlaufende Oberfläche,
wobei die durchgängig
verlaufende Oberfläche
zu und in Richtung einer der mehreren Mulden hervorsteht, um Fluid,
das von dem Einlass zu dem Auslass fließt, in den Innenraum der Mulden
hinein abzulenken. Diese Ablenkung gestattet das Waschen von Fluiden
aus den mehreren Mulden. Gleichzeitig verstärkt die durchgängig verlaufende Oberfläche den
Fluidablauf aus der Spüllösung – üblicherweise
eine Salzlösung – und verbessert
ihn substantiell. Wenn zum Anzeigen einer Reaktion eine Lösung mit
entweder der Abgabe oder dem Fehlen von Licht verwendet wird, dienen
der Lichtweg und die Linsen dazu, sowohl das abgegebene Licht zu konzentrieren
als auch falsche positive Anzeigen zu blockieren. Schließlich wird
eine undurchlässige
Partition mit Schlitzen offenbart, um die individuellen Linsen zu
umgeben und den Lichtweg von jeder Mulde allgemein zu isolieren.
Es kommt zu einer verbesserten Detektion.
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Mit
der Baugruppe aus einem Deckglas, einem Bodenelement und einer undurchlässigen Partition
ergibt sich eine Kammer, die ein niedriges Volumen an Patientenserum
verwendet. Die vorliegende Kammer wird von etwa 270 μl an Flüssigkeit
gefüllt. Die
Kammer eignet sich insbesondere im Fall von Proben in der Pädiatrie.
Gleichzeitig führt
die Volumenreduktion nicht zu schlechten Waschcharakteristiken.
Das fluidische Design der Kammer gestattet die Verwendung von kleinen
Volumen von Patientenseren und stellt auch ausreichendes Waschen
sicher.
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Die
interne Testkammer mit ihren Strömungsvergrößerungsmerkmalen
wurde auf der Basis der Prinzipien der Fluidmechanik so ausgelegt, dass
das Waschen der Allergenmulden und die Ablaufcharakteristiken der
Einrichtung optimiert werden. Die Gestalt, Größe und Platzierung (a) der
Allergenhohlräume,
(b) der strömungsvergrößernden "durchgehenden Oberfläche" und (c) der Kammereinlass-/-auslasssektionen
sind ausgewählt
worden, um: (1) das Innenvolumen der Testkammer zu minimieren, (2)
Kapillarfluidzurückhaltung
während
des Ablaufens zu reduzieren, (3) optimales Waschen der Allergenhohlräume bei
niedrigen und hohen Strömungsraten
aufrechtzuerhalten und (4) den effizienten Betrieb der Einrichtung über einen
größeren Bereich
von Positionen hinweg zu gestatten.
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Die
konturierte "durchgehende
Oberfläche" verbessert die Waschbarkeit
der Einrichtung durch Umlenken des Hauptkanalflusses in die Allergenhohlräume. Die
Einrichtung kann ohne signifikanten Verlust an Wasch-/Ablaufeffizienz
bis zu einem Offset von 35 Grad von der nominellen vertikalen Position betrieben
werden.
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Die
Migration von dem flachen Deckglas in Richtung auf die neuen Allergenmulden
führte
in das Design neue Komplexitäten
ein. Wenn das Ablaufen eines der Hauptprobleme mit der flachen Deckglaskonfiguration
war, wird hier die "Waschbarkeit" der Einrichtung
bei Vorliegen der Allergenhohlräume
der Hauptproblembereich. Das heißt, die Fähigkeit des Strömungsmusters,
das von der Injektion der Waschlösung
in die Kammer induziert wird, um das viskosere Reagens oder Blutserum
von den Oberflächen
und Ecken der Allergenhohlräume
zu beseitigen. Somit ist die interne Gestalt der Testkammer so ausgelegt, dass
sie gestattet, dass eine ausreichend starke Fluidströmung in
diese Kavitäten
eindringt und sie reinigt.
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Streng
unter einem Gesichtspunkt der Fluidmechanik gesehen ist es wünschenswert,
dass diese Hohlräume
in der Richtung der Strömung
so breit wie möglich
und auch so flach wie möglich
sind. Diese Hohlräume
müssen
jedoch ausreichend tief sein, damit die erforderliche zu testende
Materialmenge wie etwa das Allergen. abgeschieden werden kann. Zudem
können
die Hohlräume
nicht ohne nachteiligen Effekt auf die Optik der Einrichtung übermäßig breit gemacht
werden, das heißt
die Fähigkeit
des Lichtpfad- und Partitionssystems (mit oder ohne optionale Linse),
das Licht zur Detektion effizient zu konzentrieren und das abgegebene
Licht von den benachbarten Mulden zu isolieren. Deshalb wurde das
Design der Allergenhohlräume
auf eine Weise ausgeführt,
das die Strömungs-,
optischen und chemischen Anforderungen der Einrichtung erfüllt.
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Eine
der erforderlichen Änderungen
bestand darin, eine Kammer zu entwerfen, die die Lichtabgabe fokussieren
könnte.
Diese Änderung
am Design ist aus drei Gründen
wichtig. Zuerst ist die neue Kammer so ausgelegt, dass die Assayspezifizität erhöht wird,
wenn eine sehr hohe Patientenreaktion erfahren wird. Zweitens ist
die Kammer so ausgelegt, dass die Assayempfindlichkeit durch Fokussieren
des Lichts auf das Detektorsystem erhöht wird. Drittens wird das
Licht nicht länger
von einer linienförmigen Quelle
wie etwa einem Faden abgegeben. Es wird stattdessen von der flachen
Bodenoberfläche
einer Mulde abgegeben.
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Unter
einem optischen Gesichtspunkt gesehen besteht das Designziel darin,
eine in-vitro-Diagnosetestkammer zu entwickeln, die gestattet, dass das
von innerhalb einer Kammer platzierten mehreren Allergenen abgegebene
Licht effizient gesammelt wird und gleichzeitig ein Minimum an Lichtüberkreuzung
zwischen diesen mehreren Allergenen erhalten wird. Das Detektionssystem,
das die Lichtabgabe detektiert, arbeitet (etwa durch Scannen) entlang
einer Linie, die Licht sammelt, das innerhalb eines gegebenen Winkelbereichs
in seine Eingangsöffnung
eintritt. Bei einer den bisher beschriebenen Stand der Technik verwendenden
Detektionseinrichtung wird durch das Positionieren der Detektionsoptik (sie
liest tatsächlich,
während
sie vorbeiscannt) das Licht von einem einzelnen Allergen an einer
bestimmten Stelle entlang ihrer Scanlinie eingesammelt. Wegen der
Anforderung der Rückwärtskompatibilität mit dem
existierenden Detektionsgerät
ist im Grunde ein Teil der Kammergeometrie festgelegt. Zwei Teile,
ein optisch absorbierender Hauptkörper und das optisch transparente
Deckglas, bilden die Kammer.
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Das
Allergen wird in beabstandete Mulden (die gleichmäßig beabstandet
sein können
oder nicht) direkt auf dem transparenten Deckglas platziert. In
der Regel kann die Oberfläche
der Mulde, wo das Allergen platziert wird, mit Strahlung wie etwa Gamma-
oder Ultraviolettstrahlung behandelt werden. Die Tiefe der Mulden
und die Gestalt der abgeschrägten
Ränder
werden durch einen Kompromiss bestimmt, um die Lichtüberkreuzung
zu minimieren und die Waschfähigkeiten
zu maximieren. Die Oberseite des Deckglases weist eine Reihe von
Einkerbungen zwischen jeder der Mulden auf, die sich nicht ganz
durch das Teil hindurch erstrecken. Auf der Oberseite des Deckglases
befindet sich ein optisch undurchlässiges Partitionsteil mit Schlitzen,
die direkt über
jeder Allergenmulde liegen. Diese Schlitze gestatten den Durchtritt
von Licht durch die Linsen zu dem Detektor. Das Partitionsteil weist
Finger oder individuelle undurchlässige Partitionen mit Schlitzen auf,
die sich in die Einkerbungen in dem Deckglas erstrecken, um zu verhindern,
dass Licht den benachbarten Lesebereich erreicht.
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Auf
der Oberseite des Deckglases befindet sich direkt über den
Mulden, die die Allergene halten, eine Reihe von gleichmäßig beabstandeten
Linsen. Die Linsen stehen in die Schlitze in der Partition vor und
können
verschiedene Gestalten aufweisen. Durch genaues Zuschneiden der
Krümmung
der Linsen kann die Lichtmenge von jedem Allergen, die gesammelt
und von dem Detektionssystem detektiert wird, optimiert werden.
Die vorliegende Erfindung gestattet auch, dass die Linsen eine zylindrische
Gestalt, eine torusförmige
Gestalt oder ein sphärisches Oberflächenprofil
aufweisen können,
um die Lichtsammeleffizienz zu optimieren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
ein Seitenansichtsschnitt der montierten in-vitro-Diagnosetestkammer,
der von unten nach oben den untersten Testkammerkörper, das gemeinsame
Reagensvolumen, das die individuellen Mulden und Linsen ausbildende
obere Deckglas und die darüberliegende
optische Partition veranschaulicht;
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1B ist
ein Seitenansichtsschnitt der montierten In-vitro-Diagnosetestkammer,
der von unten nach oben den untersten Testkammerkörper, das gemeinsame
Reagensvolumen, das die individuellen Mulden, Lichtpfad ohne Linsen
ausbildende obere transparente Element und die darüberliegende
optische Partition veranschaulicht;
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2 ist
eine vergrößerte schematische Darstellung
der Wirkung des Strömungspfades,
der ein spülendes
Strömungsinneres
einer Mulde innerhalb des transparenten Deckglases ablenkt;
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3A ist
eine Perspektivansicht des unteren Kammerelements, das den durchgehenden krummlinigen
Vorsprung zwischen dem Einlass und dem Auslass der Kammer der vorliegenden
Erfindung ausbildet;
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3B ist
eine Perspektivansicht des Deckglases von der Muldenseite, wobei
realisiert wird, dass, damit es zu einem Zusammenbau kommt, es zu
einer Rotation des Deckglases um 180° kommen muss;
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3C ist
eine Perspektivansicht der optischen Partition zum Liegen über den
individuellen Linsen jeder der Diagnosemulden;
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4A ist
eine Bodendraufsicht auf den Boden des Kammerkörpers;
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4B ist
ein Seitenansichtsschnitt des Bodens des Kammerkörpers;
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4C ist
eine Draufsicht auf die Innenseite des Kammerkörpers;
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4D ist
ein Endansichtsschnitt des Eintritts zur Kammer im Boden des Kammerkörpers;
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4E ist
eine Draufsicht auf den Eingang im Boden des Kammerkörpers;
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5A ist
eine Draufsicht auf das zylindrische Linsen enthaltende Deckglas;
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5B ist
eine Seitenansicht des Deckglases, die die Seitenansicht der Linsen
darstellt;
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5C ist
ein Bodenplan der Platte von 5A;
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5D ist
eine Draufsicht auf das Deckglas ohne Linsen;
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5E ist
eine Seitenansicht des Deckglases ohne Linsen;
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5F ist
ein Bodenplan des Deckglases ohne Linsen;
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6A ist
ein Bodenplan der optischen Partition der Kammer;
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6B ist
ein Seitenansichtsschnitt der optischen Partition des Kammerkörpers;
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6C ist
eine Draufsicht auf die optische Partition des Kammerkörpers und
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6D ist
ein an der optischen Partition genommener vergrößerter Seitenansichtsschnitt.
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BESCHREIBUNG
DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezugnahme auf den Seitenansichtsschnitt von 1A kann
man die montierte Kammer C insgesamt verstehen. Kammer C enthält einen
Boden B, der Strömungsvorsprünge P ausbildet.
Wie im Folgenden dargelegt werden wird, ist es die Funktion des
Bodens B und der Strömungsvorsprünge P, eine effiziente
Reinigungsaktion für
die die gewünschten Reaktionspartner
R enthaltenden individuellen Mulden W bereitzustellen. Um das Minimieren
eines Lichtübertrags
zu unterstützen,
ist der Boden B aus einem Material hergestellt, das Licht absorbiert.
Wir bevorzugen den Einsatz eines undurchlässigen Materials, das Licht
absorbiert, im Unterschied zu Materialien, die auf irgendeine Weise
reflektierend sein mögen.
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Über dem
Boden B liegend und von dem Boden beabstandet, wie in 1 gezeigt, ist ein transparentes Element
oder Deckglas T. Das Deckglas T dient drei Hauptfunktionen. Zuerst,
und wenn aus der in 1A und 1B gezeigten
Anordnung invertiert, nehmen die individuellen Mulden W Reaktionspartner
R auf. Die Reaktionspartner R haften am Boden der Mulden W, wenn
Deckglas T invertiert ist (siehe 2).
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Zweitens
gestattet die transparente Abdeckung oder das transparente Deckglas
T den Austritt von Licht von Reaktionspartnern R in Mulden W, wenn
ein Diagnoseprozess abgeschlossen ist. Wenn man das Beispiel eines
Durchmusterungstests für
Allergie nimmt, können
eine oder mehrere der Mulden W Licht abgeben, was das Vorliegen
oder Fehlen einer spezifischen Art einer allergischen Reaktion anzeigt.
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Drittens
bildet Deckglas T Linsen L nur in 1A aus.
Diese Linsen L sind in der Regel zylindrisch, liegen über Mulden
W und gestatten das Entweichen eines allgemein kollimierten Lichtstrahls
B von Reaktions partnern R bei Beendigung einer Diagnosereaktion.
In 1B ist eine Ausführungsform gezeigt, die die
Linsen L nicht enthält.
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Zum
Abschluss, und um die Linsen L passend, ist ein undurchlässiges Teil
S gezeigt. Das undurchlässige
Teil S enthält
eine undurchlässige
Partition mit Schlitzen 14, die auf beiden Seiten der individuellen
Linsen L herausragen. Die Funktion der undurchlässigen Partition mit den Schlitzen 14 besteht darin,
einzuschränken,
dass Licht von Reaktionspartnern R in einer Mulde W eine "falsche positive" Indikation abgibt.
Dazu kann es kommen, wenn Licht aus einer Mulde zu einer über einer
benachbarten Mulde W liegenden Linse L entweicht. Der Zweck des
undurchlässigen
Teils S besteht auch darin, das seitlich von einer Mulde abgegebene
Licht zu minimieren, das sich kreuzt und dann von einer benachbarten Mulde
gestreut wird.
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Unter
Bezugnahme auf die nebeneinander angeordneten Perspektiven von 3A, 3B und 3C und
unter besonderer Berücksichtigung
von 3B lässt
sich der Aufbau der Diagnosekammer der vorliegenden Erfindung leicht
verstehen. 3B veranschaulicht Deckglas
T von der Seite, das die individuellen Mulden W enthält. Es beginnt
mit Mulde W1 und endet mit Mulde W38. In dem hier gezeigten Beispiel
sind die Mulden W1, W2 und W3 jeweils mit einem Reagens R1, R2 und
R3 gefüllt
worden. Im normalen Ablauf der Ereignisse würde das Deckglas T um 90° gedreht
werden und alle achtunddreißig Mulden
füllen,
jeweils eine mit einem anderen Reagens. In der Regel würde jedes
Reagens behandelt werden, bis es am Boden der Mulden W anhaftet.
Im üblichen
Fall erfordert dies nur das Trocknen unter kontrollierten Bedingungen.
Nachdem dieses Anhaften eingetreten ist, wird das Deckglas T von
der in 3B gezeigten Position zurückbewegt,
so dass sich die nicht gezeigten Linsen L in Richtung des Betrachters
befinden.
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Der
Rest des Aufbaus ist herkömmlich.
Das Deckglas T ist in einer fluiddichten Beziehung am Boden B angebracht.
Zwischen dem Deckglas T und dem Boden B ist ein fluiddichtes Volumen
zwischen Einlass I und Auslass O ausgebildet. Danach wird das undurchlässige Teil
S über
dem Deckglas T bei Linsen L mit undurchlässiger Partition mit Schlitzen 14 angebracht,
auf jeder Seite jeder Linse L angeordnet. Daraus ergibt sich eine
zusammengebaute Diagnosetestkammer C.
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Die
Verwendung der Kammer C kann umrissen werden. Bei Gebrauch wird
die Kammer C durch Einlass I bei offenem Auslass O so lange gefüllt, bis es
mit Reagens voll ist – das üblicherweise
ein Serum zum Detektieren einer allergischen Reaktion ist. Nach
Füllung
werden die Reagentien R für
ein ausreichendes Intervall inkubiert, um das Vorliegen und/oder
Fehlen einer Reaktion anzuzeigen.
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Ein
sekundärer
Antikörper
(beispielsweise ein Meerrettichperoxidase-konjugierter Antikörper – der mit
Luminol reagiert) – wird
dann inkubiert. Danach werden die Mulden W mit einer Salzlösung gewaschen
und ablaufen gelassen. Dieses Waschen und Ablaufenlassen nutzt Strömungsvorsprünge P innerhalb
des durchgehenden Reaktionspartnerströmungspfades.
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Nach
diesem Schritt wird ein Fluid eingeleitet, das eine Chemilumineszenzreaktion
induziert, wobei diese Chemilumineszenzreaktion bei Mulden W auftritt,
wo Reaktionspartner R eine Reaktion aufweisen. (Siehe 2)
Die Menge mehrerer biologischer Agens, die mit den Bindeassaykomponenten interagieren,
mit denen die Mulden W beschichtet sind, wird bestimmt durch Registrierung
des Vorhandenseins und/oder Fehlens von Licht, das von jeder der
Mulden abgegeben wird.
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Wenn
beispielsweise auf das Vorliegen von mehreren allergenspezifischen
Antikörpern
der Klasse IgE in einer Flüssigprobe
durchgemustert wird, wird die Einrichtung mit der Testprobe inkubiert
und dann nach dem Waschen mit einer Lösung inkubiert, die markierte
Antikörper
gegen Antikörper
der IgE-Klasse enthält,
die an die Mulden gebunden worden sind. Die Mulden werden dann analysiert,
um das Vorliegen der markierten Antikörper zu bestimmen. Wenn die
markierten Antikörper
mit einem radioaktiven Tracer wie etwa 125I
markiert werden, kann diese Analyse unter Verwendung eines Gammazählers erfolgen.
Die Analyse kann alternativ dadurch erfolgen, dass die Einrichtung
zur Belichtung neben fotografischem Film angeordnet und dann der
Grad der Belichtung oder in jüngerer
Zeit durch Registrierung auf einem Lichtdetektor entweder faseroptisch
oder durch direkte Detektion gemessen wird.
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Nachdem
die Funktionsweise insgesamt beschrieben worden ist, kann die Aufmerksamkeit
nun auf die Strömungsdynamik
und -optik gelenkt werden, die sich aus dieser Offenbarung ergibt.
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Die
mittlere Scherbeanspruchung τ entlang der
Hohlraumwand am Muldenboden wurde optimiert. Diese Scherbeanspruchung
stellte ein Maß für die Kraft
dar, die die Waschlösung
auf Reagens- oder Serumfluidteilchen ausüben könnte, die entlang dem Boden
der Mulden W liegen.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wurden Computermodelle für alternative
Konfigurationen entwickelt und verwendet, um das Strömungsmuster
mit der Testkammer zu erhalten. Die sich aus diesen Tests ergebende
bevorzugte Ausführungsform
ist in 2 gezeigt.
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Die
entlang der Hohlraumwand gemittelte Größe der resultierenden Scherbeanspruchung
wurde berechnet und gegenüber
dem Basisfall normiert. Bei Fehlen irgendwelcher Höcker an
der unteren Kanalwand induziert die "Hochgeschwindigkeits"-Hauptkanalströmung lediglich infolge einer Scherung
(oder Reibung) zwischen den Schichten eine Strömung innerhalb des Hohlraums.
Diese Strömung
ist in der Regel viel schwächer
als die Hauptkanalströmung.
Die effizienteste Strömung
im Hinblick auf Wandscherung tritt bei einem Seitenverhältnis (Tiefe
zu Breite) von etwa 0,5 auf. Wenn der Hohlraum zu tief ist, dann
wird die induzierte Strömung
in dem Bereich neben der oberen Hohlraumwand zu schwach. Wenn der
Hohlraum zu flach ist, verhindert er, dass sich ein wohl organisiertes
Strömungsmuster
einstellt, und die resultierende Wandscherung beginnt abzufallen
(man beachte die Abnahme bei τ, wenn
die Hohlraumtiefe abnimmt).
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Das
bevorzugte Design für
die Mulde-/Vorsprung-Konfiguration
ist aus den 1A und 1B ersichtlich. 2 legt
ein tatsächliches
Strömungsmodell
dar, das eine Fluidströmung
durch den Hohlraum von 4 veranschaulicht.
Während
die Abmessungen normalerweise für
eine Erfindung nicht wichtig sind, weist das Design der Strömungskammer
hier doch eine Abmessungssignifikanz auf.
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Unter
Bezugnahme auf 1A und 1B beträgt die Tiefe
des Strömungskanals
0,028 cm (0,011 Inch). Der Kanal ist unter einem Winkel von 27,4° nach oben
und unten geneigt. Der Kanal variiert in seiner Höhe um 0,051
cm (0,020 Inch). Bei Betrachtung in Draufsicht weist der Kanal eine
ungefähre
Breite von 0,40 cm (0,157 Inch) auf. Der Vorsprung ist bezüglich der
Mulde W zentriert. Das Gesamtvolumen zum Füllen des Strömungshohlraums
liegt im Bereich von 270 μl.
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Kurz
gesagt wurde die Geometrie der ausgewählten Konfiguration auf der
Basis zahlreicher Iterationen bestimmt, die die sukzessive Verbesserung des
Designkonzepts gestatteten. Die grundlegende Hohlraumgestalt wurde
von einem Rechteck zur Oberseite eines Trapezes geändert.
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Zudem
erleichtern die Hohlraumwände
besser das Ablaufen der Einrichtung.
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Unter
der Annahme, dass eine Linse wie in 1A dargestellt
verwendet wird, muss die Optik durch die Linse L relativ geringe
Lichtmengen zu einem beliebigen bestimmten Testsystem liefern, das mit
der Einrichtung verwendet wird. Gleichzeitig muss eine Lichtüberkreuzung
zwischen einer Mulde W mit einer Reaktion und einer benachbarten
Mulde ohne Reaktion verhindert werden. Wir haben entdeckt, dass
durch die Kombination aus den zylindrischen Linsen L mit dem flachen
Muldenboden der Mulden W von einer Reaktion eine relativ kollimierte Ausgabe
von Licht erzeugt wird. Indem der Boden B und das undurchlässige Teil
S aus Kunststoff so gebildet wird, dass das abgegebene Licht (welches
das Vorliegen oder Fehlen einer Reaktion anzeigt) undurchlässig und
absorbierend ist, wird ein Lichtüberkreuzen
auf ein Minimum reduziert.
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Es
versteht sich, dass die offenbarte Optik in Kombination mit der
Mulde W einen sorgfältigen Kompromiss
darstellt, der großenteils
empirisch bestimmt worden ist.
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Es
wurde betont, dass wegen der relativ geringen Größe und dem relativ geringen
Volumen der Einrichtung diese Abmessung wichtig ist. Dementsprechend
stellen wir die nun bevorzugten Produktionszeichnungen hinsichtlich
der eigentlichen Einrichtung als Teil dieser Offenbarung bereit. 4A–4E veranschaulichen
den undurchlässigen
Boden. 5A–5C veranschaulichen
das Deckglas T mit in das Design aufgenommenen zylindrischen Linsen. 6A–6D veranschaulichen die
optische Partition. Diese sind alle angegeben, so dass die wahre
Dimensionalität
der vorliegenden Erfindung verstanden werden kann.
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Wir
erwägen
die Verwendung aller anderen Arten von Markierungen für detektierte
Reaktionen. Wenngleich wir 125I- und Chemilumineszenzreaktionen
aufgezählt
haben, so tun es auch andere Formen von Markierungen. Es können kolorimetrisch
verbesserte Reaktionen verwendet werden. Während wir als unser primäres Gebrauchsmuster
eine allergische Reaktion darlegen, können weiterhin andere Arten
von Reaktionen ebenfalls verwendet werden. Zu diesen anderen Arten
von Reaktion können
die Detektion von Krebsmarkern, ansteckenden Krankheiten, Hormonen,
Autoimmunkrankheiten und Drogenmissbrauch zählen.