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Diese
Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung, die geeignet ist, um Polymerkugeln
aus einer Suspension mehrerer solcher Kugeln in einem Fluid zu separieren.
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In
der Chemie und Biochemie werden chemische Reaktionen oft auf der
Oberfläche
von kleinen Polymerharzkugeln durchgeführt, die einen Durchmesser
in einem Bereich von 50 bis 600 μm,
typisch einen Durchmesser von 250 bis 300 μm haben. Beispielsweise kann
eine aktive Substanz an eine solche Kugel, z.B. auf ihre Oberfläche und/oder
in den Körper
der Kugel, absorbiert werden, die behandelte Kugel kann dann weiteren
aktiven Substanzen oder Markern, beispielsweise Fluoreszenzmarkern,
ausgesetzt werden und das Auftreten einer Wechselwirkung zwischen
den verschiedenen aktiven Substanzen und/oder Markern kann durch Überwachen
der Kugel nachgewiesen werden. Besonders nützlich ist diese Technik in
den Biowissenschaften, wo nur winzige Mengen solcher aktiven Substanzen
verfügbar sein
können,
und bei der Untersuchung von Kombinationschemie-Bibliotheken.
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Bei
solchen Techniken ist es normalerweise notwendig, einzelne Kugeln
aus einer Quelle, die viele solcher Kugeln enthält, z.B. aus einer Suspension (welcher
Begriff, wie hier verwendet, unter anderem eine Aufschlämmung einschließt) der
Kugeln in einer Flüssigkeit,
an definierte Orte in einem Gefäß, beispielsweise
einzelne Phiolen oder einzelne Vertiefungen in einer Mikrotiterplatte,
zu übertragen.
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Mehrere
Probleme verhindern eine solche Übertragung.
Durch ihre kleine Abmessung sind die Kugeln schwierig zu handhaben.
Es ist schwierig, Kugeln unter Verwendung derzeitiger Techniken
zu übertragen,
ohne gleichzeitig eine relativ große Menge Flüssigkeit zu übertragen.
Oft handelt es sich um eine große
Anzahl von Kugeln und derzeitige Verfahren zum Übertragen von Kugeln leiden
unter den Problemen, die inhärent
mit der Handhabung einer großen
Anzahl von Kugeln zusammenhängen.
Derzeit werden entweder manuelle Verfahren, z.B. Heraussuchen einzelner
Kugeln von Hand, oder übermäßig komplizierte
Vorrichtungen verwendet.
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Eine
Vorrichtung zum automatischen Separieren von Kugeln aus einer Suspension
vieler Kugeln in Suspension in einem Fluid ist in der WO-A-94/28119
offenbart, die eine Großvorrichtung ist,
die in erster Linie dazu gedacht ist, um mit Kugeln eines Durchmessers
von ca. 3 mm verwendet zu werden und um Kugeln, die eingekapselte
Biomasse enthalten, von leeren Kugeln zu separieren. Kugeln werden
nachgewiesen, wenn sie durch einen Lichtstrahl hindurchgehen, und
werden zu einem Sammler geleitet. Vorrichtungen zum automatischen
Separieren von kleineren Partikeln, z.B. von in einem Fluid suspendierten
Zellen, sind in der US-A-4 756 427 offenbart, in welcher Zellen
beispielsweise durch Fluoreszenz nachgewiesen und dann einen Schenkel
eines "Y"-Rohrs abwärts geleitet
werden können, US-A-5
030 002 und US-A-4 175 662. Es wird als unwahrscheinlich betrachtet,
daß die
in diesen zuletzt erwähnten
US-Patenten offenbarten Kugelsortiervorrichtungen direkt für eine Verwendung
zum Separieren der oben erwähnten
Polymerkugeln, die in chemischen Reaktionen verwendet werden, angepaßt werden
können. Überdies
leiden sie alle an dem Nachteil, daß die suspendierten Partikel
selbst nach der Separation in einem beträchtlichen Suspensionsfluidvolumen
bleiben. Dies bedeutet, daß,
wenn die Partikel zu einem speziellen Ort, z.B. zu einer speziellen
Vertiefung in einer Mikrotiterplatte, gebracht werden sollen, dieses überschüssige Fluid
das Partikel zu dem Ort begleitet.
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Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen,
die für
ein Arbeiten mit kleineren Suspensionsvolumina und für die oben
erwähnten
kleineren Polymerkugeln besser geeignet ist. Es ist außerdem eine
Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die
Kugeln separieren kann und mit einem Bereich von Kugelgrößen verwendet
werden kann, d.h. die nicht auf eine spezielle Kugelgröße beschränkt ist.
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Gemäß dieser
Erfindung ist eine Vorrichtung zum Separieren von Polymerkugeln
aus einer Suspension mehrerer solcher Kugeln in einem Fluid gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Die
Vorrichtung wird vorzugsweise zum Separieren von Polymerkugeln des
Typs verwendet, der in den oben erwähnten chemischen und biochemischen
Reaktionen verwendet wird, z.B. einen Durchmesserbereich von 50
bis 600 μm,
typisch 250 bis 300 μm
hat und in einem Suspensionsfluid suspendiert ist, das eine leichtflüssige Flüssigkeit
ist, beispielsweise Wasser oder vorzugsweise ein Alkohol, beispielsweise
Methanol oder Ethanol.
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Die
Durchflußzelle
ist geeigneterweise eine Zelle, von deren Wänden zumindest ein Teil, wenn nicht
alle, für
die einfallende Strahlung transparent sind, so daß die Strahlungsquelle
außerhalb
der Durchflußzelle
angeordnet sein kann. Wenn zum Beispiel die einfallende Strahlung
Licht ist, dann können solche
transparenten Teile oder die ganze Zelle aus transparenten Materialien,
beispielsweise Kunststoffmaterialien, Glas, Quarz usw., hergestellt
sein. In einigen Verfahrensweisen kann der Detektor auf sekundäre Strahlung
ansprechen, die eine andere Wellenlänge als die einfallende Strahlung
hat, z.B. wenn, wie nachstehend diskutiert, der Detektor auf eine
Fluoreszenzemission anspricht, und in diesem Fall kann es notwendig
sein, daß zumindest
ein Teil der Wände der
Zelle, wenn nicht alle, für
die sekundäre
Strahlung transparent ist. Die Durchflußzelle ist geeigneterweise
in der Form eines Rohrs mit einer schmalen bzw. engen Innenbohrung,
die eine Ausdehnung senkrecht zur Strömungsrichtung der Kugeln von
ungefähr
1,5 bis 4 mal der Durchmesser der Kugeln hat, zum Beispiel im Fall
von Kugeln mit einem Durchmesser von 250 bis 300 μm eine Breite
von vorzugsweise 600 bis 1500 μm.
Beste Ergebnisse lassen sich scheinbar mit einer schmalen Bohrung
erzielen, die jedoch nicht so schmal ist, daß eine Verstopfung wahrscheinlich
ist.
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Geeigneterweise
ist die Durchflußzelle
eine Zelle mit transparenten Wänden,
wobei der Teil der Wände,
der der Einfallsrichtung der einfallenden Strahlung zugekehrt ist
und/oder der dem Strahlungsdetektor zugekehrt ist, im wesentlichen
eben und senkrecht zu dieser Richtung ist. Daher kann die Durchfluß zelle geeigneterweise
einen polygonalen Querschnitt mit einander gegenüberliegenden ebenen Flächen, insbesondere
einen rechteckigen (welcher Begriff quadratisch mit einschließt) Querschnitt haben,
mit der Strömungsrichtung
entlang der Längsachse
des Rohrs. Alternativ kann derjenige Teil der Wand der Durchflußzelle,
der der Einfallsrichtung der einfallenden Strahlung zugekehrt ist
und/oder der dem Strahlungsdetektor zugekehrt ist, eine Linsenform
haben, so daß ein
solcher Teil oder solche Teile der Wand als eine Linse wirken können und
dazu beitragen können,
die einfallende Strahlung zum Kugelstrom und/oder zum Strahlungsdetektor
zu lenken.
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Die
Suspension von Kugeln kann mittels irgendwelcher geeigneter Mittel,
z.B. durch Injizieren aus einem Reservoir, beispielsweise einem
Aufbewahrungsbehälter
oder einer Spritze, oder mittels eines Beschickungsrohrs usw. von
einer Quelle aus in das Einlaßende
eingeleitet werden. In einem Reservoir kann es erforderlich sein,
eine Einrichtung, beispielsweise einen Rührer, bereitzustellen, um die
Kugeln in Suspension zu halten, d.h. ihr Sedimentieren zu verhindern.
Die Rate, mit welcher die Kugeln in das Einlaßende eingeleitet werden, kann
zum Beispiel mittels einer gesteuerten Pumpe, z.B. einer Dosierpumpe
oder Spritzenpumpe oder Peristaltikpumpe, oder mittels Druckluft
gesteuert werden. Die Vorrichtung kann so konstruiert sein, daß mehrere
Proben von Kugelsuspensionen entweder nacheinander oder auf andere
Weise in die Vorrichtung eingeleitet werden können, wobei jede Probe anfangs
jeweils in einem Reservoir enthalten ist, das mit der Vorrichtung
verbindbar ist. Ein Karussell solcher Reservoire kann bereitgestellt
sein, und eine solche Anordnung kann praktischer Weise automatisiert
sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Strom eines Hüllfluids,
das das gleiche Fluid sein kann wie das Suspensionsfluid, um den
durch das Einlaßende
der Durchflußzelle
strömenden
Kugelsuspensionsstrom herum eingeleitet, wobei das Hüllfluid
in die gleiche Richtung strömt
wie der Kugelstrom. Vorzugsweise strömen das Suspensionsfluid und
das Hüllfuid
in einer laminaren Strömung,
d.h. in sich im wesentlichen nicht vermischenden Schichten aus Suspensionsfluid
bzw. Hüllfluid,
durch die Durchflußzelle.
Eine solche laminare Strömung
trägt dazu bei,
daß die
Kugeln entlang eines im wesentlichen geraden Pfades gleichmäßig durch
die Durchflußzelle
hindurch strömen.
Das Hüllfluid
trägt dazu
bei, den Kugelstrom auszugleichen, und unterstützt das Erreichen einer geeigneten
seriellen Separation von Kugeln. Der Hüllfluidstrom kann gesteuert
werden, um das Hindurchströmen
der Kugeln durch die Durchflußzelle
zu optimieren.
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Ein
solcher Hüllfluidstrom
kann durch eine Konstruktion der Vorrichtung erzielt werden, in
welcher stromaufwärts
des Einlaßendes
der Durchflußzelle
eine Einlaßöffnung für die Suspension
von Kugeln im Suspensionsfluid vorgesehen ist, die zu einem Einlaßrohr führt, das
einen Querschnitt vergleichbar dem Querschnitt der Kugeln hat und
in einer Öffnung
vergleichbarer Größe endet,
die in eine Hüllfluideinlaßkammer
führt,
deren Querschnitt breiter als die Öffnung ist und die die Öffnung umgibt,
wobei die Kammer an ihrem Ausgangsende in Verbindung mit dem Einlaßende der
Durchflußzelle
ist. Ein Hüllfluidstrom,
vorzugsweise mit einer höheren
Strömungsrate
als das Suspensionsfluid, kann in die Kammer, vorzugsweise stromaufwärts der Öffnung, eingeleitet
werden, so daß eine äußere Schicht
Hüllfluid
einen inneren Kern Suspensionsfluid umgibt und das Hüll- und
das Suspensionsfluid in laminarer Strömung in und durch die Durchflußzelle strömen.
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In
einer Ausführungsform
kann die Hüllkammer
in der Form einer Kammer sein, welche sich von einem breiteren Ende
stromaufwärts
zu einem schmäleren
Ende stromabwärts
verjüngt,
zum Beispiel eine allgemein konische Kammer (welcher Begriff zum
Beispiel birnenförmige
oder solche mit einem zylindrische Ende stromaufwärts und
einem konischen Ende stromabwärts
mit einschließt),
welche koaxial mit der Strömungsrichtung
durch die Durchflußzelle
ist und an ihrem schmalen Ende mit der Durchflußzelle in Verbindung ist. In
dieser Ausführungsform
kann das Einlaßrohr
in die Kammer an ihrem breiteren Ende, geeigneter Weise an einer
axialen Stelle, hineinführen
und die Öffnung
kann an einer Stelle entlang der Länge der Kammer sein, wo sich
die Kammer verjüngt,
so daß der
Fluidstrom durch die Hüllkammer an
dieser Stelle verengt und beschleunigt wird. Beispielsweise kann
in einer konischen Hüllkammer
die Öffnung
an einer Stelle entlang der Länge
der Kammer sein, die ungefähr
bei 0,5 ± 0,2
des Abstands zwischen dem schmalen Ende der Kammer und der Stelle,
wo die konische Verjüngung
beginnt, liegt. Das Hüllfluid
kann über
einen Einlaß nahe
an oder stromaufwärts
zu dem breiteren Ende der konischen Verjüngung eingeleitet werden.
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Wenn
sie durch die Durchflußzelle
strömen, sind
die Kugeln in einem sukzessiven seriellen Durchflußstrom angeordnet,
d.h. einzelne Kugeln in dem Strom sind in Strömungsrichtung in einem passenden
Abstand in Strömungsrichtung
beabstandet, um die Arbeitsweise der Vorrichtung zu erleichtern, z.B.
daß sichergestellt
ist, daß nur
eine einzige Kugel zu einem Zeitpunkt durch die einfallende Strahlung hindurchgeht
und es ein ausreichendes Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden
Kugeln gibt, daß einzelne
Kugeln in dem Strom separiert sind. Der Abstand der Kugeln kann
einfach ermittelt werden, zum Beispiel durch die Abmessungen der
Vorrichtung, z.B. der Öffnung,
des Einlaßkanals
und der Durchflußzelle,
durch die Rate, mit welcher die Suspension in den Einlaßkanal eingeleitet
wird, und durch die Strömungsrate
des Hüllfluids.
In der oben beschriebenen sich verjüngenden Hüllkammer trägt der sich beschleunigende
Fluidstrom dazu bei, die Separation zwischen Kugeln in Längsrichtung
zu vergrößern. In einer
Durchflußzelle
mit den oben erwähnten
Abmessungen ist eine geeignete Strömungsrate für die Kugeln durch die Durchflußzelle zwischen
5 bis 75 mm·sek–1,
zum Beispiel ca. 10 bis 15 mm·sek–1.
Eine solche Strömungsrate
kann durch eine entsprechende Steuerung der Hüllfluideinleitung usw. leicht
erreicht werden und kann einen Betrieb der Vorrichtung innerhalb
der Arbeitsgrenzen bekannter Pumpen, Detektoren, Ventile usw. ermöglichen.
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Die
Strahlungsquelle kann zum Beispiel eine Lichtquelle sein, z.B. im
sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Bereich des Spektrums.
Geeignete Lichtquellen, die in kleinen Abmessungen erhältlich sind
und folglich für
eine klein bemessene Vorrichtung passend sind, umfassen Laser, insbesondere Diodenlaser
und lichtemittierende Dioden ("LEDs"). Zum Stimulieren einer
Fluoreszenzemission aus fluoreszenz-markierten Kugeln sind LEDs
hoher Helligkeit besonders geeignet. Beispielsweise wird der Marker
Fluoreszein durch Licht einer Wellenlänge von 490 nm stimuliert und
LEDs, die Strahlung ungefähr
dieser Wellenlänge
emittieren können,
sind im Handel erhältlich.
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Die
einfallende Strahlung wird in einer solchen Richtung in die Durchflußzelle gelenkt,
daß, wenn
Kugeln durch die Durchflußzelle
strömen,
sie durch die einfallende Strahlung hindurchgehen. Vorzugsweise
ist die Einfallsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung,
wobei die einfallende Strahlung die Form eines schmalen Strahlenbündels hat,
durch das die strömenden
Kugeln hindurchgehen. Geeigneterweise sollte die Breite des einfallenden
Strahlenbündels
größer sein
als die Bohrung der Durchflußzelle,
um sicherzustellen, daß die
strömenden
Kugeln dem Strahlenbündel
nicht ausweichen können.
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Die
Lichtquelle kann mit optischen Führungseinrichtungen,
Kollimatoren usw., Filtern, Fokussierlinsen usw. versehen sein,
um die einfallende Strahlung auf eine optimale Weise in die Durchflußzelle zu
lenken, z.B. in Form eines schmalen Strahlenbündels in optimierter Richtung
und einer bevorzugten Wellenlänge,
und geeignete optische Führungseinrichtungen
dieses Typs sind Fachleuten ersichtlich. Geeigneterweise ist das
Strahlenbündel
der einfallenden Strahlung ein Strahlenbündel mit im wesentlichen parallelen
Seiten und einer im wesentlichen gleichmäßigen Intensität über die
Breite. Geeignete optische Führungseinrichtungen,
beispielsweise der Einfachheit wegen eine einzige kreisförmige Linse,
sind Fachleuten ersichtlich.
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Der
Strahlungsdetektor ist so relativ zu der Strahlungsquelle und dem
Kugelstrom angeordnet, daß,
wenn die Kugel durch das einfallende Strahlenbündel hindurchgeht, eine von
dem Detektor nachgewiesene Strahlungsänderung auftritt.
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Der
Strahlungsdetektor ist so relativ zu der Strahlungsquelle und dem
Kugelstrom angeordnet, daß der
Detektor in einer Linie mit der Einfallsrichtung ist, aber auf der
bezüglich
der Strahlungsquelle gegenüberliegenden
Seite des Kugelstroms. In einer solchen Anordnung wird sich eine
Kugel zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor vorbei bewegen.
Zwischen dem Kugelstrom und dem Detektor gibt es ein Strahlungshindernis
einer Größe, die
ungefähr
die Größenordnung
des Querschnitts des einfallenden Strahlenbündels hat, zum Beispiel in
Form einer kleinen opaken Scheibe, Kugel oder eines kleinen opaken
Stabs, so daß einfallende
Strahlung nicht direkt auf dem Detektor auftrifft, sondern statt
dessen um das Hindernis herum in den Detektor gelenkt wird. Das
Hindernis dient dazu, einfallende Strahlung daran zu hindern, direkt
in den Detektor einzutreten, wenn aber eine Kugel durch das Strahlenbündel der einfallenden
Strahlung hindurch tritt, wird die Strahlung von der Kugel gestreut,
um so das Hindernis zu umgehen und in den Detektor einzutreten.
Folglich wird beim Durchgang einer Kugel durch das Strahlenbündel von
dem Detektor eher eine höhere
Strahlungsintensität
nachgewiesen, als eine verringerte Strahlungsintensität, die nachgewiesen
werden würde,
wenn die Kugel nur das Strahlenbündel
verdunkeln würde.
Ein solches Hindernis kann einstellbar sein, um eine optimale Wirkung
zu erzielen. Beispielsweise kann das Hindernis in der Form eines Streifens
aus einem opaken Material sein, der in Vergleich zu seiner Breite
dünn ist
und der durch Drehung um seine Längsachse
eingestellt werden kann, um so dem einfallenden Strahlenbündel eine
Oberfläche
anzubieten, die zwischen seiner Breite und seiner Dicke variiert.
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Außerdem kann
ein Strahlungsdetektor zum Beispiel so relativ zu der Strahlungsquelle
und dem Kugelstrom angeordnet sein, daß der Detektor in einem Winkel
ungleich Null zur Einfallsrichtung ist, zum Beispiel 90° zur Einfallswinkel.
In einer solchen Anordnung ist bevorzugt, daß die Durchflußzelle zwei ebene
transparente Wandbereiche hat, von denen der eine der Einfallsrichtung
zugekehrt und der andere dem Detektor zugekehrt ist, z.B. eine röhrenförmige Durchflußzelle mit
rechteckigem oder polygonalem Querschnitt. Diese Anordnung eignet
sich zum Nachweis von Fluoreszenzemission aus den Kugeln in einem
solchen Winkel zur Einfallsrichtung, daß eine einfallende Strahlung
nicht direkt auf den Detektor auftrifft. Alternativ oder zusätzlich kann
es zwischen einem ersten Strahlungsdetektor und dem Kugelstrom einen
teilweise transparenter Spiegel (z.B. einen Spiegel mit einem Loch)
geben, so daß ein
Teil der Strahlung durch den Spiegel hindurch den ersten Strahlungsdetektor
erreichen kann und ein Teil von dem Spiegel zu einem zweiten Strahlungsdetektor reflektiert
werden kann.
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Für einige
Anwendungen kann es nützlicher Weise
Kombinationen aus zwei oder mehreren Lichtquellen und/oder Detektoren
geben, um zum Beispiel zwischen Kugeln zu unterscheiden, die unterschiedliche
Eigenschaften haben.
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Wenn
ein Detektor angeordnet ist, um Fluoreszenzemission aus Kugeln nachzuweisen,
kann er außerdem
angeordnet sein, um die Art der Fluoreszenzemission festzustellen,
z.B. Intensität,
Wellenlänge
usw., um Daten über
die chemische Eigenschaft von Substanzen an den Kugeln bereitzustellen.
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Der
Strahlungsdetektor kann irgendein geeigneter Strahlungsdetektor
sein, der in der Lage ist, beim Durchgang einer Kugel durch das
einfallende Strahlenbündel Änderungen
in der auftreffenden Strahlung nachzuweisen. Geeignete Detektoren
wie Photodioden und Photomultiplierröhren (Sekundärelektronen-Vervielfacher) sind
im Handel erhältlich.
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Stromabwärts der
Stelle, an der die Kugeln durch die einfallende Strahlung hindurchgehen,
gibt es einen Kugelauslaßkanal
und einen Fluidauslaßkanal.
Der Kugelauslaßkanal
kann geeigneter Weise ungefähr
die gleichen Breiten wie die Durchflußzelle haben, z.B. ungefähr 600 bis
1500 μm
Breite, und zweckmäßigerweise
kann der Fluidauslaßkanal
vergleichbare Abmessungen haben. Es ist bevorzugt, daß das Ausgangsende
der Durchflußzelle
in Verbindung mit einem gemeinsamen Auslaßkanal ist, der in der Strömungsrichtung
der Kugeln ausgerichtet ist und der sich an einer stromabwärts gelegenen
Stelle in zwei oder mehrere Kanäle
aufteilt, z.B. in eine verzweigte Kanalanordnung, in welcher sich
der gemeinsame Auslaßkanal
in zwei Kanäle
aufteilt, die ein Kugelauslaßkanal
bzw. ein Fluidauskanal sind, wie beispielsweise eine gegabelte,
eine "T"- oder vorzugsweise
eine "Y"-Kanalanordnung.
Einer dieser Kanäle
kann den Kugelauslaßkanal
und der andere den Fluidauslaßkanal
aufweisen. Alternative Anordnungen sind selbstverständlich im
Umfang der Erfindung enthalten, zum Beispiel können der Kugelauslaßkanal und
der Fluidauslaßkanal
direkt aus der Durchflußzelle
herausführen.
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Es
kann einen oder mehrere Kugelauslaßkanäle geben, wenn zum Beispiel
die Vorrichtung nicht nur Kugeln nachweist, sondern sie auch unterscheidet
und in zwei oder mehrere Kugeltypen, zum Beispiel mit unterschiedlichen
optischen Eigenschaften, z.B. Farbe, spektroskopische oder Fluoreszenzeigenschaften,
separiert.
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Die
Ventileinrichtung kann in der Lage sein, den Durchfluß durch
den Kugelauslaßkanal
bzw. durch den Fluidauslaßkanal
jeweils in dem Ausmaß zu
beschränken,
daß ein
Durchfluß durch
den entsprechenden Kanal vollständig
gesperrt ist. Alternativ kann die Ventileinrichtung in der Lage
sein, den Durchfluß vorzugsweise
jeweils durch den Kugelauslaßkanal
bzw. durch den Fluidauslaßkanal
zum Beispiel in dem Ausmaß zu
lenken, daß der
Durchfluß durch
den entsprechend anderen Kanal vollständig gesperrt ist. In der oben
beschriebenen Anordnung, bei welcher sich der Durchfluß von einem
gemeinsamen Auslaßkanal
aus verzweigt, z.B. in einer verzweigten Kanalanordnung, oder wenn
der Kugelauslaßkanal
und der Fluidauslaßkanal
direkt aus der Durchflußzelle
herausführen,
sind die Ventileinrichtungen geeigneter Weise an der Verbindungsstelle der
verzweigten Kanäle
angeordnet oder sind entweder in dem Kugelauslaßkanal oder dem Fluidauslaßkanal angeordnet
oder sind sowohl in dem Kugelauslaßkanal als auch dem Fluidauslaßkanal angeordnet, z.B.
in dem Kugelauslaßkanal
und dem Fluidauslaßkanal
stromabwärts
der Stelle, an der sich der gemeinsame Auslaßkanal teilt, oder an der Stelle,
an der sich die Schenkel vom Stamm aus verzweigen.
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In
einer Ausführungsform,
in welcher die Ventileinrichtung an der Verbindungsstelle der verzweigten
Kanäle
angeordnet ist, kann die Ventileinrichtung einen Ventilkörper aufweisen,
durch welchen ein oder mehrere Kanäle hindurchführen, wobei die
Kanäle
und der gemeinsame Auslaßkanal
und der Kugelauslaß-
und Fluidauslaßkanal
relativ zueinander bewegbar sind, so daß der gemeinsame Auslaßkanal in
Verbindung mit entweder dem Kugelauslaß- oder Fluidauslaßkanal gebracht
werden kann, um so eine Kugel entlang des Kugelauslaßkanals
zu lenken.
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Beispielsweise
kann ein solcher Ventilkörper einen
in einer anliegenden Ventilmanschette drehbaren Ventilstopfen aufweisen,
durch welchen ein oder mehrere Kanäle hindurchgehen und in welchen
der gemeinsame Auslaßkanal
hineinführt
und aus welchen der Kugelauslaß-
und Fluidauslaßkanal
herausführen,
und durch Drehen des Stopfen in der Manschette kann der gemeinsame
Auslaßkanal über die Kanäle im Stopfen
in Verbindung entweder mit dem Kugelauslaß- oder Fluidauslaßkanal gebracht
werden. Geeigneter Weise kann der Kanal durch den Stopfen ein "Y"-förmiger
Stopfen sein, der ein Einströmen
von Fluid in einen der Schenkel oder in den Stamm des "Y" und ein Ausströmen von Fluid durch den Stamm
oder durch den anderen Schenkel und somit in den Kugelaustrittskanal
oder den Fluidaustrittskanal erlaubt, wobei ein Drehen des Stopfen
bewirkt, daß ein
anderer Schenkel oder der Stamm in Verbindung mit dem Kugelaustrittskanal
oder dem Fluidaustrittskanal gebracht wird. Geeignete Antriebseinrichtungen
für einen
solchen Stopfen sind Fachleuten ersichtlich. Eine geeignete Antriebseinrichtung
ist ein Schrittmotor und Schrittmotoren, die einen solchen Stopfen
in einer sehr kurzen Zeit in einem geeigneten Ausmaß drehen
können,
sind im Handel erhältlich.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann die Ventileinrichtung stromabwärts der Stelle angeordnet sein,
an der sich der gemeinsame Auslaßkanal verzweigt, zum Beispiel
entweder in dem Kugelauslaßkanal
oder dem Fluidauslaßkanal
oder in beiden. Wenn die Ventileinrichtung stromabwärts der
Stelle angeordnet ist, an welcher sich der gemeinsame Auslaßkanal teilt,
ist bevorzugt, daß die
Ventileinrichtung nahe an der Stelle angeordnet ist, an der sich der
Kanal teilt, so daß eine
Kugel schnell zu einer stromabwärts
des Ventils gelegenen Stelle strömen kann.
Wenn in einem der Kanäle,
zum Beispiel entlang eines Schenkels im Fall einer "Y"-Kanalanordnung, ein Durchfluß beschränkt ist,
wird der Fluidfluß folglich über den
anderen Kanal geleitet. In einer solchen Konstruktion beschränkt in der
ersten Ventilstellung die Ventileinrichtung im Fluidauslaßkanal den Durchfluß durch
den Fluidauslaßkanal,
während
die Ventileinrichtung im Kugelauslaßkanal einen Durchfluß erlaubt,
wobei in der zweiten Ventilstellung die Situation umgekehrt ist,
und die Ventileinrichtung von der ersten in die zweite Stellung
schalten kann, wenn eine Kugel stromabwärts des Ventils im Kugelauslaßkanal ist.
Die oben beschriebene Anordnung kann nur ein einziges Ventil verwenden,
zum Beispiel in einer Kanalanordnung, in welcher ein Durchfluß vorzugsweise
entlang eines einzigen Kanals, beispielsweise des Kugelauslaßkanals,
erfolgt, selbst während
der andere Kanal, beispielsweise der Fluidauslaßkanal, offen bleibt, wobei
eine Ventileinrichtung nur in dem Kanal des bevorzugten Durchflusses
ist. Jedoch ist bevorzugt, Ventileinrichtungen bereitzustellen,
die abhängig
arbeiten, um jeweils den Durchfluß sowohl in dem Kugelauslaß- als auch
dem Fluidauslaßkanal
zu steuern.
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In
einer anderen Ausführungsform
weist die Ventileinrichtung Verschlußklappen auf, die z.B. in eine
Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung
des Kugelauslaßkanals
und Fluidauslaßkanals
in jeweilige "geschlossene" und "offene" Positionen hin und her
bewegbar sind, in welchen ein Durchfluß durch den Kanal beschränkt ist,
z.B. gesperrt ist, oder erlaubt ist, d.h. der Kanal offen ist. Mit
den oben angegebenen Abmessungen für einen Kugelauslaßkanal ist
eine Hin- und Herbewegung der Verschlußklappe von nur ca. 1 mm zwischen
der geschlossenen und offenen Position erforderlich, was eine kleine
Vorrichtung und einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht.
Es ist erwünscht,
daß sich
die Verschlußklappe mit
einer hohen Geschwindigkeit zwischen einer geschlossenen und offenen
Positionen bewegt, so daß ein
hoher Durchsatz durch die Vorrichtung erzielt werden kann, und so
daß die
Kugel eine minimale Menge Suspensionsfluid über die Ventileinrichtung hinaus
mitführt.
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Geeigneter
Weise können
die Verschlußklappen
sich hin und her bewegbare Kolben sein, die mechanisch oder elektromechanisch
angetrieben zwischen der geschlossenen und offenen Position bewegt
werden können.
Die Verschlußklappen
können
profiliert sein, z.B. mit abgerundeten oder abgeschrägten Oberflächen, um
stromabwärts
irgendwelche Kugeln abzulenken, die Gefahr laufen zwischen der Verschlußklappe
und der Wand des Kugelauslaßkanals
gefangen zu werden, wenn sich die Kugel schließt. Geeignete Antriebseinrichtungen
für solche Verschlußklappen
sind Fachleuten ersichtlich. Eine geeignete Antriebseinrichtung
ist ein Solenoid, und Solenoide, die in so kurzen Zeiten wie 2 ms
schalten können,
was im allgemeinen schneller als notwendig ist, sind im Handel erhältlich.
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In
einer anderen Ausführungsform,
zum Beispiel in einer verzweigten Kanalanordnung, kann eine Einrichtung
bereitgestellt sein, um an eine Kugel, während sie den gemeinsamen Auslaßkanal abwärts strömt, einen
seitlich gerichteten Fluidpuls anzulegen, um die Kugel in den Kugelauslaßkanal zu lenken.
Beispielsweise kann in einer anderen Ausführungsform der Fluidstrom in
unterschiedliche separate Fächer
eines beweglichen Schiebers oder eines sich drehenden Rads gelenkt
werden, von welchen Fächern
aus ein Übergang
von Kugeln in den Kugelauslaßkanal
bewirkt werden kann.
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In
einem bevorzugten Aufbau ist der Kugelauslaßkanal mit einer Einrichtung
versehen, um einen Strom eines Spülfluids (das das gleiche Fluid
wie das Suspensions- oder Hüllfluid
sein kann) stromaufwärts
einer Kugel einzuleiten, so daß eine
Kugel entlang des Kugelauslaßkanals
gespült
werden kann. Wenn zum Beispiel eine Kugel stromabwärts der Ventileinrichtung
ist und die Ventileinrichtung den Kanal, in welchem die Kugel ist,
schließt
oder den Fluidstrom durch den Kanal auf eine andere Weise beschränkt oder
Fluid entlang eines anderen Kanals leitet, ist der Fluidstrom entlang
des Kugelauslaßkanals beschränkt. Dies
kann ein Strömen
der Kugel entlang des Kugelauslaßkanals hemmen und ein Spülfluid kann
daher stromabwärts
des Ventils das Strömen der
Kugel unterstützen.
Die Spülfluid-Einleitungseinrichtung
kann zum Beispiel ein Rohr aufweisen, das stromabwärts einer
Ventileinrichtung in den Kugelauslaßkanal führt, so daß, wenn die Ventileinrichtung in
der geschlossenen Position ist und eine Kugel stromabwärts relativ
zu der Ventileinrichtung in dem Kugelauslaßkanal ist, ein Spülfluid über dieses
Rohr in den Kugelauslaßkanal
eingeleitet werden kann.
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Beispielsweise
kann die Ventileinrichtung mit einem Spülfluidrohr versehen sein, durch
welches Spülfluid
hindurchgelei tet werden kann. Beispielsweise kann eine Ventilmanschette,
wie oben beschrieben, mit einem Spülfluidrohr ausgestattet sein, durch
welches Spülfluid
eingeleitet werden kann, und der Ventilstopfen kann in der Ventilmanschette
in eine Position drehbar sein, in welcher der Spülfluidkanal über einen
Kanal in dem Stopfen in Verbindung mit dem Kugelauslaßkanal gebracht
werden kann, um dadurch Spülfluid
in den Kugelauslaßkanal
zu lenken. Geeigneterweise kann der Stopfen einen Spülfluidkanal
aufweisen, der mit dem Spülfluidrohr und
dem Kugelaustrittskanal in Verbindung gebracht werden kann.
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Zusätzlich oder
alternativ kann eine Ventileinrichtung, beispielsweise eine Verschlußklappe, mit
einem Innenrohr versehen sein, das eine Öffnung zum Kugelauslaßkanal hat, über welche
ein Spülfluid in
den Kugelauslaßkanal
eingeleitet werden kann, um das Strömen einer Kugel entlang des
Kanals zu unterstützen.
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Wenn
sich die Kugel entlang des Kugelauslaßkanals bewegt, strömt der Großteil des
Suspensions- und Hüllfluids
(falls verwendet) entlang des Fluidauslaßkanals. Dieses Fluid kann
zu einem Abfallbeseitigungsbehälter
geleitet werden oder alternativ und vorzugsweise kann das gesamte
Fluid oder ein Teil davon wieder zurückgewonnen werden, um als Hüllfluid
verwendet zu werden, d.h. durch Wiedereinleiten des Abfallfluids
in die Fluideinlaßkammer. Es
kann gewünscht
sein, ein solches zurückgewonnenes
Fluid durch ein Filter zu führen,
um Kugeln, die versehentlich dem Nachweis und der Sammlung entgingen,
und Trümmer,
beispielsweise Kugelfragmente usw., falls solche vorhanden sind,
aufzufangen.
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Die
Steuereinrichtung, die auf ein Signal aus dem Strahlungsdetektor
ansprechend ist und in der Lage ist, die Ventileinrichtung wie oben
beschrieben zu lenken, kann irgendein Fachleuten bekannter Typ einer
elektronischen Steuereinrichtung sein und kann eine Datenverarbeitungseinrichtung
aufweisen. Typisch ist das Signal aus einem Detektor, beispielsweise
einer Photodiode oder einem Photomultiplier, ein elektrisches Signal.
Eine geeignete Steuereinrichtung kann ein Mikroprozessor oder ein
Computer sein, der elektromechanisch an die Ventilan triebseinrichtung
angeschlossen ist. Geeigneterweise kann eine solche Steuereinrichtung
andere Parameter der Vorrichtung, wie beispielsweise die Strömungsrate des
Suspensionsfluids, Hüllfluids
und Spülfluids
usw. überwachen
und steuern. Die Steuereinrichtung kann auch z.B. durch Steuerung
der Pumpe das Einströmen
von Kugeln in die Vorrichtung steuern, so daß nur eine bevorzugte Anzahl
von Kugeln, z.B. nur eine Kugel, zu einer Zeit in der Durchflußzelle vorhanden
ist. Außerdem
kann die Steuereinrichtung programmiert sein, um den Einfluß von elektronischem
Rauschen, Hintergrundstrahlung usw. zu überwinden. Typischerweise kann
eine solche Steuereinrichtung, z.B. ein Mikroprozessor oder ein
Computer, mit solchen Daten wie die Schaltzeit der Ventileinrichtung,
die Art der von dem Detektor nachgewiesenen Strahlungsänderung,
die beim Durchgang der Kugel durch das einfallende Strahlenbündel auftritt,
und die Abmessungen der Vorrichtung, insbesondere der Abstand zwischen
der Stelle, an der die Kugel durch das einfallende Strahlenbündel hindurchgeht,
und dem Eingang in den Kugelauslaßkanal und/oder der Abstand
zwischen der Stelle, an der die Kugel durch das einfallende Strahlenbündel hindurchgeht,
und der Ventileinrichtung im Kugelauslaßkanal, vorprogrammiert sein,
so daß die
Steuereinrichtung den Zeitpunkt berechnen kann, an welchem die Kugel
stromabwärts
der Ventileinrichtung im Kugelauslaßkanal ist und die Ventileinrichtung
zum richtigen Zeitpunkt betätigen
kann, d.h. wenn die Kugel stromabwärts der Ventileinrichtung ist.
Optimalerweise kann die Steuereinrichtung die Ventileinrichtung so
steuern, daß die
Ventileinrichtung nur für
die kurze Zeit, die die Kugel benötigt, um durch die Ventileinrichtung
hindurch zu gehen, in der ersten Stellung ist, so daß die Kugel
eine minimale Menge an Suspensionsfluid entlang des Kugelauslaßkanals
mit sich führt.
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Die
Datenverarbeitungseinrichtung kann auch auf Daten, die mit der Art
der von dem Detektor nachgewiesenen Strahlungsänderung zusammenhängen, die
beim Durchgang der Kugel durch das einfallende Strahlenbündel auftritt,
ansprechend gemacht werden, so daß zum Beispiel, wenn solche Daten
anzeigen, daß mehrere
Kugeln sich zusammenklumpt haben, der Klumpen zur Beseiti gung entlang
des Fluidauslaßkanals
geschickt werden kann. Ferner können
zum Beispiel Kugeln in einer Probe, die eine Fluoreszenzemission
zeigen, von Kugeln in der Probe, die keine Fluoreszenzemission zeigen, separiert
werden und letztere können
zur Beseitigung entlang des Fluidauslaßkanals geleitet werden. Ferner
kann zum Beispiel die Datenverarbeitungseinrichtung programmiert
sein, um zwischen Kugeln und Busen, die durch die Durchflußzelle hindurch strömen, zu
unterscheiden, zum Beispiel ermöglicht die
oben beschriebene Konstruktion, die ein Strahlungshindernis hat,
eine leichte Unterscheidung von Blasen und Kugeln durch die Art
des Strahlungsintensitätspulses,
der von dem Detektor beim Durchgang der Kugel oder der Blase durch
das Strahlenbündel
nachgewiesen wird.
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Der
Kugelauslaßkanal
kann zu einer Einrichtung führen,
um einzelne Kugeln oder Gruppen von Kugeln zu definierten Orten
in einem Behälter,
zum Beispiel zu einzelnen Phiolen oder einzelnen Vertiefungen in
einer Mikrotiterplatte, zu lenken. Diese Einrichtung kann zum Beispiel
einen Tisch, der solche Phiolen oder eine Mikrotiterplatte hält, und
einen Endauslaß des
Kugelauslaßkanals
aufweisen, die, zum Beispiel von der Steuereinrichtung gesteuert, entlang
von X-Y-Achsen relativ zueinander bewegbar sind. Geeignete Steuereinrichtungen
und Handhabungsroboter, die einer Mikrotiterplatte eine solche X-Y-Bewegung
auferlegen können,
sind bekannt.
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Die
Vorrichtung der Erfindung kann aus herkömmlichen Materialien, beispielsweise
Metall, Kunststoff usw., hergestellt sein und kann zweckmäßigerweise
in modularer Form hergestellt sein, z.B. mit zumindest einem von
Kugeleinlaß,
Hüllkammer, Durchflußzelle und
Ventileinrichtung in jeweiligen miteinander verbindbaren und austauschbaren
Modulen, was eine unterschiedliche Auswahl solcher zu kombinierender
Elemente erlaubt. Die Vorrichtung der Erfindung kann klein sein,
so daß z.B.
der Abstand zwischen der Kugeleintrittsöffnung und der Ventileinrichtung
einige mm sein kann. Diese kleine Abmessung erlaubt, die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einem hohen Durchsatz zu betreiben. Zwei oder mehr erfindungsgemäße Vorrichtungen
können parallel
in Arrays angeordnet sein, die von einem einzigen Ku gelreservoir
gespeist werden, wiederum, um den Kugeldurchsatz zu erhöhen.
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Die
Vorrichtung der Erfindung erleichtert eine schnelle und präzise Separation
und optional auch Sortierung von Kugeln aus einer Suspension solcher Kugeln
und ihre anschließende
Abgabe in einen Behälter
mit minimaler Abgabe von mitgeführtem
Fluid in den Behälter.
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Die
Vorrichtung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben:
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1 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, der
den optischen Pfad deutlicher zeigt;
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3 zeigt Quer- und Längsschnitte durch Durchflußzellen
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 zeigt
eine schematische Ansicht einer Konstruktion eines Strahlungshindernisses;
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5 zeigt
einen Querschnitt durch eine alternative Ventileinrichtung;
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6 zeigt
ein schematisches Diagramm einer alternativen Vorrichtung dieser
Erfindung; und
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7 und 8 zeigen
schematische Diagramme der Ventileinrichtung von 6.
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Mit
Bezug auf 1, 2 und 3 ist eine Vorrichtung 1 (insgesamt)
gemäß dieser
Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Durchflußzelle 2 auf,
durch welche eine Suspension von Polymerkugeln 3 strömen kann,
die einen Durchmesser von ca. 300 μm haben und in einem Suspensionsfluid,
wie beispielsweise Wasser oder einem Alkohol, beispielsweise Methanol,
suspendiert sind.
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Die
Durchflußzelle 2 ist
ein schmales Rohr mit Wänden
aus transparentem Glas und Abmessungen senkrecht zur Strömungsrichtung
der Kugeln von ungefähr
800 bis 1000 μm. 3A, 3B und 3C zeigen
drei alternative Querschnitte der Durchflußzelle, einen quadratischen äußeren Querschnitt
und einen kreisförmigen
Querschnitt der Innenbohrung, einen quadratischen äußeren Quer schnitt
und einen quadratischen Querschnitt der Innenbohrung bzw. einen
kreisförmigen äußeren Querschnitt
und einen kreisförmigen
Querschnitt der Innenbohrung, wobei alle drei die Strömungsrichtung entlang
der Längsachse
des Rohrs haben. In der dargestellten Vorrichtung 1 ist
die Zelle 2 in einem Körper 4 aus
Metall eingespannt. Die Durchflußzelle 2 hat ein Einlaßende 5,
durch welches die Suspension von Kugeln 3 in einem sukzessiven
seriellen Durchflußstrom
eingeleitet wird und die Kugeln 3 strömen durch die Durchflußzelle 2 zu
einem Ausgangsende 6 der Zelle 2.
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Die
Suspension von Kugeln 3 wird durch Injizieren aus einer
Quelle (nicht gezeigt), die über
ein Luer-Anschlußstück (nicht
gezeigt) an einer Einlaßöffnung 7 mit
der Vorrichtung verbunden ist, in die gezeigte Vorrichtung 1 eingebracht.
Die Quelle kann zum Beispiel eine Spritze oder ein Reservoir sein,
die oder das in einem Suspensionsfluid suspendierte Kugeln enthält, und,
um zu helfen, die Kugeln in Suspension zu halten, kann es in der
Quelle einen Rührer
oder eine andere Art der Bewegung geben. Die Einlaßöffnung 7 steht
mit einem Einlaßkanal 8 in
Verbindung, dessen Querschnitt vergleichbar mit dem Durchmesser
der Kugeln 3 ist und der in einer Öffnung 9 vergleichbarer
Größe endet.
Die Öffnung 9 führt in eine
Hüllfluideinlaßkammer 10,
deren Querschnitt breiter als die Öffnung 9 ist, und
an ihrem Ausgangsende steht die Kammer 10 in Verbindung
mit dem Einlaßende 6 der
Durchflußzelle 2.
Die Kammer 10 verjüngt
sich, wobei sie an ihrem stromaufwärts gelegenen Ende zylindrisch
ist und sich zu ihrem Ausgangsende hin konisch verschmälert.
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Ein
Hüllfluidstrom
wird über
einen Einlaß 11 stromaufwärts der Öffnung 9 in
die Kammer 10 eingeleitet, so daß die Kugeln 3 mittels
des Hüllfluidstroms
in die Durchflußzelle 2 gebracht
werden. Das Hüllfluid
hilft dabei, den Strom von Kugeln 3 auszugleichen, und
trägt dazu
bei, eine geeignete serielle Separation der Kugeln 3 zu
erreichen.
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Eine
Strahlungsquelle 12, die ein Laser ist, ist in einer Position
angeordnet, um einfallendes Licht (angedeutet durch die gestrichelte
Linie) in einer Einfallsrichtung in die Durchflußzelle 2 zu lenken,
so daß,
wenn die Kugeln 3 durch die Durchflußzelle 2 strömen, sie
an einer Stelle 13 durch die einfallende Strahlung hindurchgehen,
wobei für
den Durchtritt von Strahlung durch den Körper Führungslöcher bzw. -blenden 14 im
Körper 4 bereitgestellt
sind. Die Einfallsrichtung ist im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung,
wobei die einfallende Strahlung die Form eines schmalen Strahlenbündels hat,
durch welches die vorbeiströmenden
Kugeln 3 hindurchgehen.
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Ein
Strahlungsdetektor 15, der eine Photodiodenröhre ist,
ist auf einer Linie mit der Einfallsrichtung angeordnet, jedoch
auf der bezüglich
des Lasers 12 gegenüberliegenden
Seite des Stroms von Kugeln 3, wobei die einen quadratischen
Querschnitt aufweisende Zelle 2 zwei einander gegenüberliegende
ebene transparente Wände,
eine auf jeder Seite des Kugelstroms, hat. Eine Kugel 3,
die zwischen dem Laser 12 und dem Detektor 15 hindurch
geht, verdunkelt für
einen Moment die einfallende Strahlung. Zwischen dem Strom von Kugeln 3 und
dem Detektor 15 ist ein Strahlungshindernis 16,
das in der Form einer auf einem Fadenkreuz angebrachten kleinen
opaken Kugel sein kann, oder alternativ eine Konstruktion haben
kann, die ausführlicher
in 4 gezeigt ist, wobei die Querschnittgröße des Strahlungshindernisses 16 senkrecht
zur Richtung des einfallenden Strahlenbündels ungefähr die gleiche Größenordnung
hat wie das einfallende Strahlenbündel, so daß die einfallende Strahlung
nicht direkt auf dem Detektor 15 auftrifft. Eine Linse 17 kann
optional vorgesehen sein, um abgelenktes Licht in den Detektor 15 zu
fokussieren, jedoch kann der Detektor 15 alternativ nahe
an der Durchflußzelle 2 angeordnet sein,
in welchem Fall die Linse 17 nicht notwendig sein kann
und in 2 weggelassen ist.
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In
einer praktischen Form der in 2 beispielhaft
dargestellten Konstruktion ist der Abstand zwischen der Stirnseite
des Lasers 12 und der Mitte der Durchflußzelle 2 so,
daß eine
Kugel ca. 5 bis 7,5 mm, z.B. ca. 6,5 mm, vor dem Laser 12 vorbeigeht, und
ist das Hindernis 16 ca. 2,5 bis 5 mm hinter der Kugel 3 angeordnet.
Diese Abmessungen haben sich in der Praxis als geeignet herausgestellt,
um zu ermöglichen,
daß das
Licht auf die Kugel 3 fokussiert wird, und um zu erlauben
daß aus reichend
Licht um das Hindernis 16 herum gestreut wird und von dem Detektor 15 gesammelt
wird.
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Das
in 3 gezeigte Hindernis 16 verhindert
den direkten Eintritt der einfallenden Strahlung in den Detektor 15,
so daß,
wenn eine Kugel 3 nicht in der Durchflußzelle 2 vorhanden
ist, keine oder sehr wenig einfallende Strahlung den Detektor 15 erreicht. Wenn
jedoch, wie in 2 gezeigt, eine Kugel 3 das Strahlenbündel der
einfallenden Strahlung durchquert, wird die Strahlung um die Kugel 3 herum
gestreut und erreicht den Detektor 15. Dies bedeutet, daß von dem
Detektor ein hoher Wert der Strahlungsintensität nachgewiesen wird, wenn eine
Kugel das Strahlenbündel
durchquert.
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Stromabwärts der
Stelle 13, an welcher die Kugeln 3 durch die einfallende
Strahlung hindurchgehen, ist das Ausgangsende 6 der Durchflußzelle 2 in Verbindung
mit einem gemeinsamen Auslaßkanal 18,
der koaxial in Strömungsrichtung
der Kugeln 3 ausgerichtet ist und der sich in eine "Y"-Kanalanordnung teilt, wobei der gemeinsame
Auslaßkanal 18 den
Stamm des "Y" aufweist, mit einer
Strömung
entlang des Stamms in Richtung auf die Vergabelung des "Y". Die Arme des "Y",
stromabwärts
der Vergabelung, weisen einen Kugelauslaßkanal 19 und einen
Fluidauslaßkanal 20 auf.
Der Schenkel des "Y", der den Kugelauslaßkanal 19 aufweist,
ist in einer Linie mit dem Stamm 18 des "Y". Der Kugelauslaßkanal ist ungefähr 600 bis
1500 μm
im Durchmesser.
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Ventileinrichtungen 21,22 sind
jeweils in dem Kugelauslaßkanal 19 und
dem Fluidauslaßkanal 20 bereitgestellt.
Die Ventileinrichtungen weisen Kolben auf, die in eng anliegenden
Ventilkammern 23,24 in einer Richtung senkrecht
zur Strömungsrichtung
des Kugelauslaßkanals 19 und
Fluidauslaßkanals 20 hin und
her bewegbar sind, d.h. in die Zeichnungsebene hinein und heraus
bewegbar sind.
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Der
Kolben 21 ist in einer "geschlossenen" Position gezeigt,
in welcher der Durchfluß durch
den Kugelauslaßkanal
gesperrt ist. Der Kolben 22 ist strichliniert gezeigt,
da er unterhalb der Zeichnungsebene ist, und ist in einer "offenen" Position, in welcher
der Durchfluß durch
den Fluidauslaßkanal
erlaubt ist, d.h. der Fluidauslaßkanal offen ist. Dies ist die oben
angegebene "zweite
Ventilstellung" und
in dieser Stellung wird der Fluidstrom eher durch den Fluidauslaßkanal 20 als
durch den Kugelauslaßkanal 19 geleitet.
Die "erste Ventilstellung" ist umgekehrt, d.h.
das Ventil 21 ist offen und das Ventil 22 ist
geschlossen, so daß der
Fluidstrom, und somit vom Strom transportierte Kugeln 3,
eher durch den Kugelauslaßkanal 19 als
durch den Fluidauslaßkanal 20 geleitet
wird.
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Der
Kolben 21 ist mit einem Innenrohr 25 versehen,
das, wenn der Kolben 21 in der offenen Position ist, eine Öffnung in
den Kugelauslaßkanal 19 hat,
mittels welcher ein Spülfluid
(nicht gezeigt) in den Kugelauslaßkanal 19 eingeleitet
werden kann, um stromabwärts
des Kolbens 21 das Strömen
einer Kugel 3 entlang des Kanals 19 zu unterstützen. Alternativ
kann es kein Rohr 25 im Kolben 21 geben, so daß der Kolben 21 massiv
ist, und ein Rohr 25A kann vorhanden sein, durch welches
ein Spülfluid
eingeleitet werden kann, wenn die Kugel 3 stromabwärts des geschlossenen
Ventilkolbens 21 ist, um stromabwärts des Kolbens 21 das
Strömen
einer Kugel 3 entlang des Kanals 19 zu unterstützen. Das
Rohr 25A ist orientiert, um das Spülfluid an den Kolben 21 zu
lenken, um irgendwelche Kugeln 3, die sich in der Nähe des Kolbens 21 verfangen
haben, zu entfernen.
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Die
Ventile 21,22 werden von Antriebseinrichtungen
(nicht gezeigt), beispielsweise von Solenoiden, angetrieben, die
die Ventile 21,22 in und aus der Zeichnungsebene
bewegen können.
Die Antriebseinrichtungen werden von einer mit dem Detektor 15 elektrisch
verbundenen Steuereinrichtung 26, z.B. einem Computer,
elektromechanisch gesteuert.
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Der
Kugelauslaßkanal 19 führt zu einem Endauslaß 27,
mittels welchen einzelne Kugeln 2 oder Gruppen einer kleiner
Anzahl von Kugeln 3 in einzelne Phiolen oder einzelne Vertiefungen
einer Mikrotiterplatte (nicht gezeigt) abgegeben werden können. Überschüssiges Suspensionsfluid
kann aus dem Endauslaß 28 des
Fluidauslaßkanals 20 zum Abfall
weggeführt
werden.
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Die
Vorrichtung 1 arbeitet wie folgt. Wenn ein Strom von Kugeln 3 in
Suspension in einem Suspensionsfluid über die Einlaßöffnung 7 eingeleitet
wird, tritt er in die Kammer 10 ein, wo sich der Strom
mit einem größeren Volumen
eines Hüllfluid stroms
mischt. Durch Steuerung der Strömungsrate
des Suspensions- und des Hüllfluids
werden die Kugeln 3 dazu gebracht, sich einzeln in einer
Reihe in dem Fluidstrom in der Durchflußzelle 2 anzuordnen.
Zu Beginn ist das Ventil 22 offen und das Ventil 21 geschlossen, wie
in 1 gezeigt ist.
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Wenn
eine Kugel 3 an der Stelle 13 durch das Strahlenbündel der
einfallenden Strahlung hindurchgeht, tritt eine von dem Detektor 15 nachgewiesene
Strahlungsänderung
auf. Dies wird elektronisch der Steuereinrichtung 26 mitgeteilt.
Ausgehend von Berechnungen auf der Basis von Parametern der Vorrichtung 1,
beispielsweise Strömungsraten
und Abstand zwischen der Stelle 13 und dem Ventil 21, befiehlt
die Steuereinrichtung 26 ein Schließen des Ventils 22 und
ein Öffnen
des Ventils 21, wenn die Kugel 3 an einer Stelle
kurz stromaufwärts
der Y-Vergabelung
des Kanals 18 ist, so daß der Strom aus Fluid und Kugel 3 in
den Kugelauslaßkanal 19 gelenkt
wird. Wenn die Kugel 3 stromabwärts des Ventils 21 ist,
befiehlt die Steuereinrichtung 15 das Schließen des
Ventils 21 und das Öffnen
des Ventils 22, wodurch der Fluidstrom entlang des Fluidauslaßkanals 20 gelenkt
wird. Stromaufwärts
der Kugel 3 wird dann das Spülfluid (nicht gezeigt) in den
Kugelauslaßkanal 19 eingeleitet,
um das Strömen
einer Kugel 3 entlang des Kanals 19 zum Endauslaß 27 zu unterstützen. Auf
diese Weise führt
die Kugel 3 nur eine minimale Menge Fluid mit aus dem Auslaß 27.
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Mit
Bezug auf 4 ist eine alternative Form eines
Strahlungshindernisses, 30 als Ganzes, gezeigt. Das Hindernis 30 weist
einen zylindrischen Stab aus einem opaken Material auf, der so bearbeitet
ist, daß seine
längs gelegenen
Enden 31,32 zylindrisch sind, aber sein mittlerer
Abschnitt in der Form eines dünnen
flachen Streifens 33 ist, dessen Breite etwas größer ist
als die Breite des Strahlenbündels der
einfallenden Strahlung. Durch Drehen des Stabs 30 um seine
Längsachse,
wie durch den Pfeil gezeigt, kann die Oberfläche des Stabs 30,
die dem Strahlenbündel
ausgesetzt ist, zwischen der Dicke und Breite des Streifens 33 variiert
werden. Mit den mit Bezug auf 2 oben diskutierten
Abmessungen der optischen Anordnung aus Laser 12, Zelle 2 und Detektor 15 sind
geeignete Abmessungen für
die zylindrischen Enden ca. 1 bis 2 mm, z.B. ca. 1,5 mm, Durchmesser,
wobei die Breite des Streifens 33 entsprechend ca. 1,5
mm ist, seine Dicke ca. 0,1 bis 0,3 mm, z.B. ca. 0,2 mm, und seine
Länge ca.
7 mm ist. Es hat sich herausgestellt, daß ein Hindernis mit diesen
Abmessungen geeignet ist, um zu erlauben, daß ausreichend Strahlung in
den Detektor 15 gestreut wird.
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Mit
Bezug auf 5 ist eine alternative Form einer
Ventileinrichtung, 37 als Ganzes, gezeigt. Diese weist
einen zylindrischen Ventilkörper 38 auf, durch
den ein Kanal 39 hindurchführt. Der Kanal 39 ist
in der Form eines "Y" mit zwei Zweigen 39A und 39B und
einem Stamm 39C. Der Körper 38 ist
innerhalb einer anliegenden Ventilmanschette 40 drehbar, in
welche der gemeinsame Auslaßkanal 18 hinein führt und
aus welcher der Kugelauslaß- 19 und
Fluidauslaßkanal 20 heraus
führen.
Durch Drehen des Körpers 38 innerhalb
der Manschette 40 kann der gemeinsame Auslaßkanal 18 in
Verbindung entweder mit dem Kugelauslaßkanal 19 oder Fluidauslaßkanal 20 gebracht
werden. Wie in 6 gezeigt, ist der Zweig 39A in
Verbindung mit dem gemeinsamen Auslaßkanal 18, was den
Stamm 39C in Verbindung mit dem Kugelauslaßkanal 19 bringt,
das ist eine erste Ventilstellung. Durch Drehen des Körpers 38 innerhalb
der Manschette 40 in die durch den Pfeil gezeigte Richtung,
ist, wie durch die gestrichelten Linien gezeigt, der Zweig 39B in
Verbindung mit dem gemeinsamen Auslaßkanal 18, was den
Stamm 39C in Verbindung mit dem Fluidauslaßkanal 19 bringt,
d.h. eine zweite Ventilstellung. Eine Drehung in umgekehrte Richtung
bringt die Ventileinrichtung zurück
in die erste Stellung.
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Mit
Bezug auf 6, 7 und 8 ist eine
alternative und bevorzugte Gesamtkonstruktion der Vorrichtung dieser
Erfindung dargestellt. Viele Merkmale dieser Vorrichtung sind mit
denjenigen der Vorrichtung von 1 identisch
und Teile mit einer gemeinsamen Funktion und Konstruktion sind in Übereinstimmung
mit 1 bezeichnet.
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In
der Vorrichtung von 6 strömen in einem Gemisch aus Suspensionsfluid
und Hüllfluid suspendierte
Kugeln 3, nachdem sie durch die Durchflußzelle 2 hindurch
geströmt
sind und auf gleiche Weise wie in der Vorrichtung von 1 nachgewiesen
worden sind, zu einer Ventileinrichtung 41 (insgesamt).
Diese weist einen zylindrischen Ventilkörper 42 auf, der in
einer anliegenden Ventilmanschette 43 drehbar ist. Der
Ventilkörper 42 hat
einen hindurchgehenden Kanal 44. Der Kanal 44 ist
in der Form eines "Y" mit zwei Zweigen 44A und 44B und einem
Stamm 44C. Die Ventilmanschette 43 hat Öffnungen,
in welche der gemeinsame Auslaßkanal 18 hinein
führt und
aus welchen der Kugelauslaßkanal 45 und
Fluidauslaßkanal 46 heraus
führen.
Durch Drehen des Körpers 42 innerhalb
der Manschette 43 kann der gemeinsame Auslaßkanal 18 in
Verbindung entweder mit dem Kugelauslaßkanal 45 oder dem Fluidauslaßkanal 46 gebracht
werden. Wie in 6 gezeigt, ist der Zweig 44A in
Verbindung mit dem gemeinsamen Auslaßkanal 18, was den
Stamm 44C in Verbindung mit dem Fluidauslaßkanal 46 bringt,
d.h. eine zweite Ventilstellung ist. In dieser Stellung kann Fluid
durch die Ventileinrichtung 41 hindurch und aus dem Fluidauslaßkanal 46 heraus
strömen.
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Die
Arbeitsweise der Ventileinrichtung 41 ist in 7 und 8 deutlicher
gezeigt. Wenn eine Kugel von dem Detektor 15 nachgewiesen
worden ist, wird der Körper 42 mittels
eines Schrittmotors (nicht gezeigt), der von der Steuereinrichtung 26 gesteuert wird,
innerhalb der Manschette 43 in die durch den Pfeil gezeigte
Richtung gedreht. Dadurch wird die in 8 gezeigte
Stellung erreicht, in welcher der Zweig 44B in Verbindung
mit dem gemeinsamen Auslaßkanal 18 ist,
was den Stamm 44C in Verbindung mit dem Kugelauslaßkanal 19 bringt,
d.h. eine zweite Ventilstellung. Ist der Kanal 44 in dieser
Stellung, tritt eine Kugel 3 von dem Kanal 18 aus
in den Kanal 44 ein und strömt durch den Kanal hindurch
in den Kugelauslaßkanal 45,
d.h. in die als 3' gezeigte Position.
Wenn die Kugel in der Position 3' ist, wird der Ventilkörper 42 zurück in die
zweite Stellung gedreht, d.h. in die durch den Pfeil in 7 gezeigte Richtung,
und die in 8 gezeigte Position wird erreicht.
In dieser Position wird der Strom aus Suspensionsfluid und Hüllfluid
so gelenkt, daß er
nicht durch den Kugelauslaßkanal 45 strömt. Die
Ventilmanschette ist mit einem Spülfluid-Eintrittsrohr 47 versehen,
durch welches Spülfluid
geleitet werden kann, und der Ventilkörper 42 ist mit einem
Spülkanal 48 versehen.
In der In 8 gezeigten Stellung ist der Spülkanal 48 in
Verbindung sowohl mit dem Spülfluid-Eintrittsrohr 47 als
auch mit dem Kugelauslaßkanal 45,
so daß Fluid
durch den Spülkanal 48 strömt und die
Kugel durch den Kugelauslaßkanal 45 ausspült.
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Überschüssiges Fluid,
das aus dem Fluidauslaßkanal 46 austritt,
kann dem Abfall zugeführt werden,
kann aber alternativ über
eine Leitung 49 zur Hüllfluidkammer 10 über deren
Einlaß 11 zurück geführt werden,
d.h. das Fluid kann wieder zurückgewonnen
werden. Ein in der Leitung eingebautes Filter 50 ist vorgesehen,
um Kugeln, die versehentlich von dem Detektor nicht erfaßt worden
sind, oder andere Trümmer
zu beseitigen.
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Die
Steuerung 26 steuert auch den Betrieb eines X-Y-Bewegungs-Roboters 51,
der sich so bewegt, daß eine
spezielle Vertiefung 52 einer Mikrotiterplatte in einer
aufnehmenden Position neben dem offenen Ende des Kugelauslaßkanals 45 ist.
Auf diese Weise kann die Position jeder Kugel 3 in einem Datenspeichersystem
aufgezeichnet werden und eine Zählung
der Kugeln kann durchgeführt
werden, so daß über alle
Kugeln Buch geführt
wird.
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Aus 1 und 6 ist
ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen modularen Aufbau haben kann, so daß für spezielle Anwendungen zum
Beispiel verschiedene Typen von Detektorsystemmodulen mit verschiedenen
Typen von Ventileinrichtungsmodulen kombiniert werden können, z.B. mit
dem Auslaß 18 verbunden
werden können.
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Es
hat sich herausgestellt, daß durch
Verwenden einer Vorrichtung, die die mit Bezug auf 6, 7 und 8 beschriebene
Konstruktion hat, es möglich
ist, in 6 Minuten jeweils eine Kugel in jeweils eine Vertiefung
einer 96-Mikrotiterplatte (Mikrotiterplatte mit 96 Vertiefungen)
abzugeben und in 8 Minuten 10 Kugeln pro Vertiefung in einer 96-Platte oder
in 28 Minuten jeweils eine Kugel pro Vertiefung in einer 384-Platte
zu verteilen, alles mit einer Präzision
von mehr als 95%. Beispielsweise benötigte die Vorrichtung 0,1 Sekunden,
um eine Kugel nachzuweisen, und der Ventilkörper konnte sich in 0,07 Sekunden zwischen
der ersten und zweiten Stellung drehen, 1,25 Sekunden, um eine Kugel
abzugeben und 2,45 Sekunden, um die nächste Vertiefung neben dem
Kugelauslaßkanal
anzuordnen. Es ist zu erwarten, daß ohne weitere schöpferische
Anstrengung diese beiden letzteren Zeiten auf 0,45 bzw. 0,87 Sekunden
verkürzt
werden können,
was erlaubt, daß die
Vorrichtung in ca. 1,4 Minuten jeweils eine Kugel in einer Vertiefung
einer 96er-Platte anordnet.