CN1185833A - 测量与控制管中液体部分的体积的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种用于测量或控制限制于管内的,具有前导边缘和后随边缘的液体部分体积的方法。管以一定的角度暴露于辐射之下,并且当液体部分移经管时在前导边缘和后随边缘从管的内表面折射的辐射被测量。

Description

测量与控制管中液体部分的 体积的方法与装置

                发明的背景

                     1.发明的领域

本发明涉及液体泵装置相关，更特别地，涉及精确地测量和控制被泵入的液体的体积的方法与装置。尽管不限于自动化临床分析仪的领域，本发明应用于此领域时尤为有用。

                     2.先前技术的描述

自动临床化学分析仪在本技术上已广为人知，并通常使用泵装置，如扩张泵或活塞泵，以在容器之间，如样品液容器，反应液容器，和置于分析仪各种部位的透明反应器或反应器皿之间，转移既定体积的液体样品或液体试剂。这种泵装置所遇的一个常见问题为测量与控制被转移的液体的体积，在过去各种技术已被应用。

在临床化学工业中，尽量减少从病人抽取的体液的数量的愿望与执行更多的分析试验的提供准确而快速的诊断的愿望相矛盾。此问题的一个解决方法是使反应器皿小型化，以便抽取较少的病人样品液或者用已抽取出的病人样品液来执行更多的分析试验。由于此原因，精确地测量极小量的液体样品或液体试剂体积的需要变得越来越迫切。这些量在0.1～1微升的范围之内，并且传送这样小体积的困难由于要求将体积控制于±0.5％的精确度之内而加剧。比如，特别在钙，镁，葡萄糖的自动分析中，样品液体积的缺陷可能产生严重的分析误差。

美国专利4,210,809号(Pelavin)提供了精确的液体部分测量方法。它利用一对以既定的距离准确地安置的感应器所产生的信号来测量液体部分的前边缘通过两个感应器之间的距离所需的时间，以及利用来自两个感应器中的单一感应器的信号来测量整个液体部分通过的时间。这种方法依靠通过液体部分的辐射的透射，并被局限于测量由具有基本相同的能量透射性质的液体组成的部分的体积并且也局限于由于折射和/或对透过的射线的吸收而产生的能量损失相对较小的液体。消除这些局限以使该测量技术和抽吸控制方法不被限制于处理某些液体是合乎需要的。

PCT国际申请号WO93/24811(Watt等人)描述了一种测量含有至少两相的液体部分中的液相的总体流速的方法，相之间具有不同的辐射吸收特性。该方法利用两个分开的能量透过测量计或感应器的决定液体部分通过两个感应器之间的时间。部分的前导边缘是通过对辐射衰减的几个连续增加的测量值的观测而探测的，而后随边缘则通过对辐射衰减的几个连续减小的测量值的观测而探测到。透过不同液相时辐射吸收的差异被用于计算液体部分中不同液相的总体流速。这种技术要求操作者具备辐射透过液体部分时在两个液相之内的辐射吸收的知识。

因此提供一种液体抽吸方法，其利用单一感应器准确地测量极小量的液体，并且不依赖于液体的吸收特性以使不受限制的多种液体能被抽吸，这被相信是有利的。提供一种用单一感应器有效地控制极小量的液体的液体抽吸方法，从而避免设备的控制装置不必要的复杂性，这也被相信是有利的。

                     发明的概述

本发明是关于测量被限定于管中的，具有一前导边缘和一后随边缘的液体部分的体积的方法。体积是通过将管暴露于以一定的方位角入射的辐射之中，利用单一的辐射探测器测量在管的内壁和液体部分之间折射的辐射量来确定的，测量是在管轴的附近进行的，这样当管中不含液体时到达探测器的辐射的数量可达到最大。首先测量管中不含液体时的被折射的辐射；然后测量部分的前导边缘出现时的，最后测量部分的后随边缘出现时的。只要知道管的直径和液体部分通过的时间，即可确定液体的体积。

                     附图的简要描述

从以下的详细描述并结合构成本申请一部分的附图可更全面地理解本发明，其中：

图1是自动化学分析仪的平面图解，本发明的使用对其有利。

图2是图1的液体分配装置的透视图。

图3为本发明的液体处理装置的透视图解部分为横截面；

图4a和图4b为图3的液体处理装置的横截面简图；

图5是描述图3中液体处理装置产生的信号的图画；以及

图6是描述图3的液体处理装置产生的信号和在那里的液体部分的体积的关系的图。

                    发明的详细描述

图1以简图的方式示明了传统的自动化学分析仪10，它含有一用于支持众多样品液容器14的样品液支架12和一适于承接众多反应容器18的反应容器支架16。众多的液体试剂筒20被置于反应容器支架16之内，盖22之下(盖22部分被除去以显示液体试剂筒20)，盖在运作时覆盖着多个热控制区。独立于反应容器18运作的次级分析舱21可出现于分析仪10中。反应试剂筒20最好为一有多个分隔间的容器，如怀尔明顿(Wilminton，DE)的E.I du Pewr de Nemours and co.Inc公司以商品名FLEX^TM出售的。反应容器是由将来自于容器膜筒(未示出)的两条不同组成的透明膜的带拉向容器支架16的周边而形成的。容器支架16，最好为轮子的形状，有大约100个分开的容器孔穴，每个孔穴的内壁有一内壁以容许先透过。反应容器18的顶部保留一小的开口，以加入试剂液和样品液。可转动的样品液臂24和冲洗源26紧接于样品液支架12和容器支架16附近。

图2表示固定于可转动的杆28上的样品液臂以便使，参照图1。样品液臂24的运动划一个与所有的三个组成部分12，16，26相横切的弧。一由样品液臂24支持的空的样品液探针30适于抽吸和排放液体，如，把液体从样品液容器14中抽吸，并排放到反应容器18。传统设计的反应试剂臂30从一适当的液体试剂筒20抽吸试剂液体并将试剂液体放于既定的反应容器18中并超声混合试剂样品和其中的水。光学分析装置(未示出)位于容器支架16之下，以不同的波长测量通过容器18的辐射吸收。

图3阐明本发明的用于测量和/或控制样品液和/或试剂液的体积的液体测量装置37，即，当利用样品液探针30和/或试剂液臂36向反应容器18提供样品液和试剂液时测量样品液或试剂液的体积和控制样品液或试剂液的体积。

管38的一部分，其尺寸典型地如毛细管一样大小，用于较小的体积，有第一个第二个开口末端并通常被安置成使其第一个开口未端与泵装置40液体相连，其第二个开口末端与液体探针30(图2)液体相连，如图3的箭头所示。管38有必要至少对辐射是透明的，并且最好由玻璃毛细管材料，可由Bel-Art Products，Pequannock，New Jcvsey购得，组成在管38被用于抽吸体液，如血清的例子中，由玻璃制成的，尺寸为外径0.060英寸，内径0.020英寸的管被发现是有用的。管38通过测量外壳56。

一辐射源42被置于外壳56之内，位于透明管38附近并与之平行。最好辐射源42是一直线灯丝，能量密度为1.9～12.5流明(lunmens)。适用于本发明的商品性辐射源的一个例子为Gilway  轴向引线灯，7159型，可由Massachusetts州的Woburn的Gilway Technical Lamps购得。辐射源42被相对于透明管安置，以使入射在透明管上的辐射波(一平面电磁波)被以朝向光探测器52的方向在管38的内壁上折射。这样，光源42的位置由当管38中不含液体时(它通常充满空气或具有相似的折射指数以尽量增大入射波的折射的气体)根据折射光的方向(由光探测器52的位置决定)最好地限定。光源(42)位于一使到达光探测器的光达到最大时的方位角φ(图4a)。方位角φ指的是位于来自光源42的入射光和来自管38的内壁39的折射光之间的夹角。光学透镜44被垂直置于与透明管38相关的外壳46中(图3)，与从透明管38折射的辐射束49成一光学直线，以在一倍到一百位的范围内放大从管折射的辐射像。光学透镜44最好为一焦距为3.0mm的双凸透镜，以产生位于光学轴45(通向探测装置52)的，投向开口48的被折射辐射的10倍的放大像。这种透镜的实例是可由Geogia的Atlanta的Edmund Scientific公司购得的A32023型双凸透镜。

校准开口48的尺寸约为25μm×3mm，位于由不透明材料，如不锈钢，制成的厚度0.013英寸的圆板50上。在壳46中沿着光学轴45，开口48的中心与被折射的辐射束49的中心对准。探测装置52被置于壳46的顶部以拦截被折射的辐射束49。探测装置52最好是基于将辐射能转化为电能的光转换器的光探测器52，在本发明中，发现Motorola零件#MRD360可令人满意地发挥作用。Motorola零件#MRD360对波长范围从约0.5微米到约1.0微米的辐射在0.5mW/cm²的敏感性约为12ma，它是NPN型并提供Darlington输出，反应时间为40msec。选用这一特定装置是因为它适合直接与逻辑电子学装置偶合。被选用的光转换器还在其结构中包含一整合的透镜以提高其对斜角辐射收集的效率。

外壳46的内表面可覆盖黑色的氧化铝以尽量减小任何非正常的辐射。并且，为了装配的目的，外壳46可以相对透明管38和光源42以固定的关系固紧于固定块56之内，如图所示。

图3中可见测量装置包含将管暴露于入射在管上的辐射的装置和用以探测从管38的内表面39(在图4a和4b中看得最清楚)折射而来的辐射的大小的装置。本发明依靠于这个事实：空管中充满液体而非气体(空气)时，入射波(图4b)被较少地折射。减少的折射使辐射波不能为光探测器52所探测到。在实际运用本发明时，具有前导边缘41和后随边缘43的液体样品部分S被使用泵装置40泵入，通过管38泵到达液体探针30。在被用单一辐射探测器52探测之前，从管38的内壁39折射的辐射光通过放大镜44和校准孔50的中心开口48。

图中所示的液体测量装置37的运作可以参照图4a，图4b和图5理解。如在此所用，术语“泵”和术语“经过”应被理解成包括：迫使一定体积的液体移动通过一定长度的管，从样品液容器中移走体积被精确控制的样品液，将体积准确控制的样品液抽吸入样品液容器，从试剂液体容器吸走体积准确控制的试剂液体，将体积准确控制的试剂液体抽吸入试剂液体容器。有必要认识到样品液容器和/或试剂液容器可以组成单一的反应器皿。并且，术语“泵入”应被理解为包括操纵泵装置的运作，以使体积准确控制的样品液或试剂液经过一空管。

图4a阐明了本发明的一个关键特征，在此透明管38的内表面39，放大镜44的中心光轴，校准孔50的开口48和探测装置52，最好为光探测器52，被安置成一位于来自开放的或空的管48的折射波之内的直线45。光源42的位置，如在此前所限定的，即，当透明管38不含液体时从辐射源42发射的平面辐射波49的最大的部分在透明管38的内表面39和透明管38的内部之间的界面被折射。结果，平面辐射波49在内表面39上被折射，朝向和通过透镜44，沿着线45，然后通过校准开口48，然后到达探测器52，产生最大信号电压60n，即，60a，60b，60c……60n，如图5所示。本发明还可补充以不同材料组成的和具有一系列尺寸的管38，因为唯一关键的是当管中不运送液体时管38适于以第一个角度折射辐射，当管中运送液体时管38适于以不同的角度折射辐射。

图4b阐明只要透明管38中含有液体部分S，本发明的关键特征就以图示的方式转变。在此例子中，液体的折射指数与开放管的不同，并且从辐射源42发射的辐射波49的主要部分以偏离放大镜44，校准开口48和探测器52的方向在透明管38的内表面39和被泵入此处的液体之间的界面被折射。已发现几乎所有的被泵入的液体部分S的折射指数与空气的折射指数之间的差异都足够大，以使从内表面界面折射大部分辐射的方向偏离光学透镜44的中心。由于入射波49被折射偏离光学透镜44，光探测器52产生最小的信号电压62n，即，62a，62b，62c……62n，如图5所示，最小信号电压62n明显小于先前测量的最大信号电压60n。这样，与先前的技术相比，感兴趣的液体部分S的前导边缘41和后随边缘43的出现可被更准确地确定，并有更进一步的优点，即只需要一个单一的探测器。

因此，如图5所示，通过测量入射波49被从内表面39折射到与光探测器52成一直线的数量，单一光探测器52可被用于准确地确定液体部分S的前导边缘41和后随边缘43。可由光探测器52产生电压信号，其以片段60n标示。泵40被启动以使液体部分S以恒定的速度经过或移经管38。泵装置40对管中的液体产生容积排出作用。这种排出量传统上在技术中通过测量促动器(未示出，但被使用于泵中)所移动的距离而测量。促动器可以是任何其运动可利用多种技术上广为人知的方法测量的运动控制装置。比如，在促动器被选为传统的步进电动机的优选例子中，步进脉冲的总数量和步进电动机促动器的运动与移动的距离成比例。步进脉冲的数目可由技术上广为人知的传统的脉冲控制仪提供与计数。比如参见“Step Motor and Servo Motor Syotems andControls”，Parker Motion Control，1995，页数：A28-30。在本发明的实际应用中，脉冲控制器运行，以使泵装置40中的促动器的排出使这一金属小块以恒定的速度在管42中移动。

在部分S的前导边缘41的像进入到光学放大器时产生的被计数的脉冲被用作开始计算泵40的排出量的信号、泵装置40内的促动器的每一排出量与一恒定体积的被排出的液体相对应。计数继续进行，直到遇到部分S的后随边缘43的像进入光学放大器。在前导边缘41的像和后随边缘43的像之间所计数的增长的总量与经过所观察的光学区域的体积成线性比例。

正如所预料的，***的体积分辨率依赖于放大***的光学分辨率和促动器的分辨率。还发现***的分辨率与管38的内径相关，因为对于单位体积的液体，较小的直径与较小的横截面积，从而与部分的较长的线性移动距离是相联系的。所有的这些参数必须被优化，使其接近所要求的特定的分辨率，尽管如此，并不需要特别的设计，本发明唯一依靠的是使用单一探测装置探测在管38的内表面39上的单一位置上被折射的辐射，被折射的辐射的方向与最大被折射辐射值相应的方向不同，基本上不依赖于被泵入的液体的光学特性。

如前所述，选择入射波49和折射波49及直线45之间的角φ，以使当管38中无液体时最大数量的入射波49可被从管38的内表面39上折射向光探测器52。当放大***的光学分辨率，促动器的分辨率和管38的内径的值都如以下所描述时，发现液体部分S的体积的精确度可被确定至+/-10纳升以内。并且，因为本发明所依赖的是当管38中无液体时，从管38的内壁39上折射出来的辐射达到最大值，所以许多液体可以通过管38提供而无须对被泵入的液体的辐射吸收特性加以限制。这是在液体体积测量***先前的技术中所未发现的一个重要特征，它们被发现对被测量和/或泵入的液体的光学或吸收特性加以限制。并且，当泵入不同的液体时并不需要不同的校准程序。因此，对于很广范围的液体组成的部分S，包括全血，血清，尿液，水，甘油，和水溶液试剂，本发明使对液体经过的常规测量和控制，以使许多连续的液体部分具有精确到+/-10纳升之内的恒定体积成为可能。

由于液体出现于探测器而产生的低电压信号使计数装置，如常规的脉冲计数器63开始计算促动器的增量。当部分S的后随边缘S到达管38的暴露于辐射的部分时，从管的内表面折射的辐射将重新被折射到与光探测器52成一直线，并由光探测器52产生最大电压60n。高电压信号中止脉冲计数器63。被计数的脉冲的总数与被转移通过探测器的液体的数量成比例。

精于本技术的人很容易认识到在部分S经过管38暴露于辐射的部分时由脉冲计数器63所计数的脉冲数(由最小电压62n控制)与部分S的体积之间的标定是一直接的过程。图6显示了在使用步进电动机控制的泵如由E.I.Dupont de Nemours，Wilminton，Delaware，提供的Dimewsion^Dual泵的情况下所确定的这样的直线关系。并且，可以使连接于光探测器52和泵装置40之间的逻辑装置(在图3中看得最清楚)适于控制泵装置40的运行，从而提供对液体的经过的控制，以使众多的连续的液体部分的体积为恒定的体积。并且，将泵装置40维持泵入状态在测量最小电压信号62n所相应的脉冲数内即可得到所要体积的液体部分S。图5显示了，比如，三个不同的最小电压信号62a，62b，62c，它们与三个不同的液体部分S的体积相应，其中第三个部分与62c相应，最大，第二个部分与62b相应，最小。

在一临床自动分析仪的泵的特定应用中，使用内体积5μL的玻璃管，如上所定的辐射，约115°的φ角，本发明被用于传送一系列恒定体积为0.3～1.2μl之间的液体部分，准确度为±l0nL。开口48的尺寸如前所描述，以摭挡偏离管道像中心轴的60％至99％的辐射，并使平行于光轴的辐射通过。这种以60％至99％，最好为90％至99.9％的数量校准从管折射的辐射束49的设计对于得到对液体边缘的高分辨率探测，以及对于准确控制传送液体部分S的泵装置40的排出量是一个重要的特征。在此例中，步进电动机控制的，总体积为100μl的活塞泵由分辨率为10,000cts/转的微步进***控制。步进计数***的整体分辨率为8计数/nL。

并且，由佛罗里达州的Clear Water的Concept PolymerTechnologies，FL用弹性体制造的内径0.030英寸，外径0.065英寸的商品名为C-FLEX的软管已被测试过。使用这样的管，25°角入射，使用先前描述的促动装置可达到相似的边缘分辨率。软管的优点是其与诊断仪10的其它部分的界面简单。

为了装配的目的，透镜44、圆片50和光探测器52被安装在一闭合的，中空的柱子54之内，其内表面可以覆盖黑色的氧化铝以尽量减小任何非正常的辐射。也是为了装配的目的，中空的柱子54以与透明管38和辐射源42以固定的方式被固紧于安装块56中，如图示。

本发明独立于通过管38泵入的液体的辐射折射特性的优点允许许多液体通过管38供应而无需重新校准工序。同样重要，本发明使用只有单一辐射探测站的简化的装置准确地确定管中的液体部分的体积。精通本技术的人，受益于此上对本发明的讲授，可以据此做许多的更改变化。有必要认识到这些和其它的变更处于本发明的范围之内，如在附后的权利要求书中所提出的那样。

Claims (15)

1.一种利用一辐射探测器确定以恒定的速度经过具有内壁的透明管的液体部分的体积的方法，液体部分有前导边缘与后随边缘，此方法包括这些步骤：

把管暴露于一来自辐射源的入射波，

以能使到达探测器的辐射量达到最大的方位角φ放置辐射源，角φ是形成于来自辐射源的入射波和来自管的内壁的折射波之间的角，

探测来自辐射源的在管的内壁上被折射的波，

将在部分的前导边缘和后随边缘从管折射的辐射的数量和当管中无液体部分时从管中折射的辐射的数量进行比较，

以便确定通过该位置的液体部分的前导边缘和后随边缘之间的距离。

2.如权利要求1所述的方法，进而包含此步骤：在测量辐射的数量之前先以为1倍至100倍的倍数放大从管折射的辐射束。

3.如权利要求1所述的方法进而包含此步骤：在测量辐射的数量之前先以范围为60％至99％的大小校准从管折射的辐射束。

4.如权利要求1中所述的方法，其中管有一内表面和一外表面，从管折射的辐射是从管的内表面折射的。

5.如权利要求1中所述的方法进而包含控制液体的经过以使众多的连续的液体部分的体积是恒定的。

6.如权利要求1中所述的方法，其中液体部分的体积的范围是100纳升至1微升。

7.如权利要求1中所述的方法，其中辐射的波长在0.4微米至1.2微米之间。

8.如权利要求1中所述的方法，其中液体部分是由折射指数为1至1.8的液体组成。

9.如权利要求1所述的方法，其中液体部分包含全血、血清，尿液，水，甘油，或水溶液试剂。

10.用于确定以恒定的速度经过管的液体部分的体积的设备，液体部分有一前导边缘和后随边缘，此设备包含有：

一用于测量从管折射的辐射的大小的单一辐射探测器；

一辐射束源，该源以能使到达探测器的辐射的大小达到最大的方位角φ放置，角φ是形成于来自辐射源的入射波和来自管的内壁的折射波之间的角，

用于比较来自管的在部分的前导边缘和后随边缘的被折射的辐射的大小和当管中无液体时来自管的被折射的辐射的大小的装置，

以便沿着管经过一定位置的部分的前导边缘和后随边缘之间的距离能被确定。

11.如权利要求10所述的装置，其中从管折射的辐射是从管的内表面折射的。

12.如权利要求10所述的装置，进而包含控制泵装置的装置，以使液体部分的体积是既定的体积。

13.如权利要求10所述的装置，进而包含以1至100倍的倍数放大折射自管的辐射像的装置。

14.如权利要求11所述的装置，进而包含以60％至90％的大小校准折射自管的辐射像的装置。

15.如权利要求11所述的装置，其中辐射的波长范围为0.4至1.2微米。

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