DE69103777T2

DE69103777T2 - Kapazitiver Sensor für Flüssigkeitsgrenzschichten.

Info

Publication number: DE69103777T2
Application number: DE69103777T
Authority: DE
Inventors: James Edward Davis
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: Dade Behring Inc
Priority date: 1990-01-18
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2011-01-19
Also published as: US5012683A; CA2034548A1; DE69103777D1; EP0438159B1; EP0438159A1; JPH04218726A

Description

Die Erfindung betrifft kapazitive Sensoren zur Bestimmung von Flüssigkeitspegeln und insbesondere kapazitive Sensoren, die in der Lage sind, die Grenzfläche zwischen verschiedenen Schichten zu bestimmen. Derartige Flüssigkeitspegel-Sensoren werden in zahlreichen Instrumenten verwendet, bei denen mittels einer automatisierten Sonde einem Behälter, der eine zu analysierende Probe oder ein Reagens enthält, Flüssigkeit entnommen wird.
Bei derartigen automatisierten Sonden ist es wünschenswert, den Pegel der Flüssigkeit oder der Grenzfläche der Flüssigkeiten in dem Behälter zu kennen und somit die zur Entnahme der Flüssigkeit verwendete Sonde derart steuern zu können, daß (1) eine bestimmte Schicht der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeit entnommen wird oder (2) der Kontakt mit einem unerwünschten Bereich oder einer unerwünschten Schicht der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeiten minimiert wird. Diese Systeme dienen zur Handhabung generell unmischbarer Flüssigkeiten, beispielsweise bei der Blutabnahme. Bei einem typischen Blutabnahmesystem zur Erzeugung gepackter roter Blutkörperchen befinden sich die roten Blutkörperchen in dem unteren Bereich des Behälters. Unmittelbar über den gepackten Blutkörperchen befindet sich ein handelsübliches Abscheidungsgel. Über dem Abscheidungsgel befindet sich das Serum oder Plasma und schließlich Luft an der Oberseite. Eine Kontamination der Probenentnahmesonde durch die Abscheidungsgels ist äußerst unerwünscht. Oft ist es verhältnismäßig schwierig, das Gel von der Sonde zu entfernen, und das Gel kann sogar eine Klumpenbildung an der Sonde und eine fehlerhafte Probenentnahme verursachen. Somit ist es besonders wünschenswert, ein System zu schaffen, mit dem die Grenzfläche zwischen Gel und Serum derart lokalisiert werden kann, daß es möglich ist, nur das Serum zu entnehmen und einen Kontakt der Sonde mit dem Gel zu verhindern.
Um dieses Ziel zu erreichen, muß man in der Lage sein, den Pegel der Flüssigkeits-Grenzflächen jederzeit auf Echtzeitbasis zu detektieren. Zu diesem Zweck sind verschiedene Flüssigkeitssensoren entwickelt worden. Zu diesen Sensoren zählen die sogenannten kapazitiven Pegel-Sensoren. Diese basieren auf der Tatsache, daß jeder Leiter eine begrenzte elektrische Kapazität zeigt. Bei Annäherung an eine Flüssigkeit mit einer höheren dielektrischen Konstante vergrößert sich diese Kapazität. Wenn sich die Detektionssonde nahe an der Flüssigkeit befindet, bewirken die höhere dielektrische Konstante und der größere Oberflächenbereich eine größere Kapazität der Sonde. Diese durch die Flüssigkeit verursachten Kapazitätsveränderungen können sehr gering sein, so daß empfindliche Detektionseinrichtungen erforderlich sind.
Zu den gemäß dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten zum Detektieren geringer Kapazitätsveränderungen gehören Brücken, RC- und LC-Oszillatoren und Frequenzmesser-Zähler (einschließlich Heterodyn-Verfahren), phasensynchronisierte Schleifen, Nulldurchgangsperiodometer, Amplitudenveränderungen an einem RC- oder LC-Filter und Phasenverschiebungsveränderungen durch eine RC- oder LC-Schaltung.
Zu den herkömmlichen kapazitiven Flüssigkeitspegel-Sensoren zählt US-A-3 391 547 von Kingston, die eine kapazitive Flussigkeitspegel-Sonde für einen Flüssigkeitstank beschreibt. Es wird eine in der Flüssigkeit angeordnete Kondensatorsonde als Zweig einer Brückenschaltung verwendet. Eine Asymmetrie in der Schaltung, die aufgrund einer Kapazitätsänderung der Sonde auftritt, wird von einem phasenempfindlichen Detektor erkannt, dem mittels des Festfrequenzerregungs-Oszillators über einen variablen Phasenschieber eine Referenzspannung zugeführt wird. Der variable Phasenschieber gestattet eine Nachführregelung.
US-A-3 635 094 von Oberli beschreibt eine in ähnlicher Weise ausgebildete kapazitive Pegeldetektionseinrichtung für eine Pipette zum automatischen Transfer. Die Probenentnahmesonde wird als erstes Element verwendet, und ein um den Probenbehälter angeordneter Metallständer ist das zweite Element, wodurch in einem Zweig einer Brückenschaltung ein Kondensator gebildet wird. Die übrigen Zweige der Brücke bestehen aus einem variablen Zweig mit Kondensator und zwei Widerstandszweigen. Der Zweig mit variablem Kondensator kann derart justiert werden, daß seine Kapazität mit derjenigen der die Flüssigkeit kontaktierenden Sonde übereinstimmt. Die Brückenschaltung wird durch einen Festfrequenz-Oszillator erregt, und es wird ein Differenzverstärker verwendet, um festzustellen, wann die Brücke ausgeglichen ist, was den Kontakt der Sonde mit der Flüssigkeit anzeigt.
US-A-4 326 851 von Bello et al. beschreibt eine zur Verwendung in einer automatischen medizinischen Analyseeinrichtung vorgesehene Pegeldetektionsvorrichtung und ein Verfahren, bei denen ein variabler Kondensator aus einer geerdeten Sonde und einer unter dem Probenbehälter angeordneten Metallplatte besteht, die mit der Detektorschaltung verbunden ist. Dabei wird ein Festfrequenz-Erregersignal verwendet, und die aufgrund des Kontaktes der Sonde mit der Flüssigkeit verursachte Kapazitätsänderung wird in der Detektorschaltung als Spannungsänderung detektiert. Diese Anordnung ist problematisch, da Spritzer auf der Elektrode oder der Zuführplatte den Betrieb der Schaltung verändern können und somit bei dieser Schaltung Abschirmpolster erforderlich sind.
Ein weiteres US-Patent, US-A-4 736 638 von Okawa, beschreibt eine Flüssigkeitspegeldetektionsvorrichtung für eine automatische medizinische Analyseeinrichtung. Eine Metallplatte, die unter dem Probenbehälter angeordnet und mit einem Festfrequenz-Oszillator verbunden ist, gibt aufwärts durch die Probe hindurch elektromagnetische Niedrigfrequenz-Strahlung ab. Die Ausgabesonde wirkt als Antenne und ist mit einer Detektorschaltung verbunden, die geeignete Bandpaßfiltereigenschaften aufweist und eine Veränderung der Spannungsamplitude detektiert, wenn die Sonde die Flüssigkeit kontaktiert. Diese Schaltung weist viele der Nachteile von US-A-4 326 851 auf. Zudem ist aufgrund der Verwendung der niedrigen Frequenz das Zeitverhalten der Schaltung begrenzt.
US-A-4 818 492 von Shimizu beschreibt eine kapazitive Flüssigkeitspegelsensorvorrichtung für eine automatische medizinische Analyseeinrichtung. Eine zum Ansaugen der Probe vorgesehene Sonde wird gleichzeitig als Pegeldetektionselement verwendet. Zum Detektieren des Pegels wird die Sonde durch eine Antriebseinrichtung in einen Probenbehälter hinein bewegt. Es ist eine Widerstandsbrücke mit einem Festfrequenz-Oszillator vorgesehen, der eine Diagonale der Brücke erregt, und die Sonde dient als Kondensator an der anderen Diagonalen. Die als Ergebnis der Kapazitätsveränderung der Sonde auftretende Phasenverschiebung an dem Kondensator (der Sonde) wird von einem Phasendetektor detektiert, der mittels des Festfrequenzerregungs- Oszillators über einen variablen Phasenschieber mit einer Referenzspannung versorgt wird. Der variable Phasenschieber gestattet eine Nachführregelung. Das Ausgangssignal des Phasendetektors wird gefiltert und mit einem Referenzwert verglichen, und es wird ein Signal erzeugt, das das Vorhandensein von Flüssigkeit an der Sonde anzeigt.
Bei keinem dieser Sensoren werden die Flüssigkeitsgrenzflächen auf zweckmäßige Weise erkannt, da die Sonde diese Grenzflächen unvermeidlich stört, während sie abwärts durch das Röhrchen oder den Behälter bewegt wird. Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Systeme entwickelt worden, mittels derer der Flüssigkeitspegel vom Äußeren eines Behälters her bestimmt werden soll. Die in US-A-4 099 167 und US-A-4 002 996 beschriebenen Systeme sind typisch für diese Systeme. Bei beiden Systemen sind Elektroden an der Außenseite des Behälters angeordnet, und die Veränderungen des dielektrischen Wertes, die durch die in dem Behälter befindliche Flüssigkeit im Vergleich zu Luft erzeugt werden, werden dadurch erkannt, daß sie eine Veränderung in dem kapazitätsempfindlichen Detektor verursachen. Bei einem weiteren System, das z.B. in US-A-4 371 790 beschrieben ist, wird die elektrische Leitfähigkeit einer Flüssigkeit zur Bestimmung des Pegels der in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit benutzt.
US-A-3 939 360 beschreibt ein ähnliches System, bei dem ein Band an der Außenseite eines Behälters, dessen Flüssigkeitspegel erkannt werden soll, angeordnet oder befestigt wird. Nachteiligerweise ist dieses System wie die anderen herkömmlichen Systeme beim Detektieren der Position der Flüssigkeitsgrenzflächen sehr ungenau und es ist nicht imstande, den Pegel der Flüssigkeit/Luft-Grenzfläche zu suchen; statt dessen muß sich die Grenzfläche an der Position des Systems vorbeibewegen, damit sie erkannt werden kann.
Optische Sensoren können zwar verwendet werden, sind jedoch häufig aus dem einfachen Grund unpraktisch, daß an der Außenseite des Behälters normalerweise Papier oder ähnliche Aufkleber befestigt sind, die ein optisches Abtasten verhindern würden. Zudem kann im Falle einer Verschmutzung der Außenseite des Behälters - z.B. mit getrockneten Blut - die Möglichkeit zur optischen Detektion beträchtlich reduziert sein. Die optische Detektion kann auch durch Wasser beeinträchtigt werden, das an der Außenfläche kondensiert. Dieses Problem wäre im Falle einer gekühlten Probe besonders schwerwiegend.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen die Position mehrerer Grenzflächen derart bestimmt werden kann, daß die Bewegung der Sonde reduziert und ein Eintreten der Sonde in unerwünschte Bereiche verhindert werden kann und/oder die Sonde auf die gewünschte exakte Position zwischen Flüssigkeitsschichten ausgerichtet werden kann.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1 bzw. 8 gelöst.
Die Sensorvorrichtung kann eine zur Entnahme von Flüssigkeiten aus dem Behälter vorgesehene Sonde aufweisen, die eine zweite Antriebseinrichtung zum Einführen der Sonde in den Behälter und zum Entnehmen von Flüssigkeit aus diesem aufweist, wobei die zweite Antriebseinrichtung auf das Grenzflächendetektionssignal reagiert, um die Bewegung der Sonde in bezug auf die Grenzfläche auszurichten und zu begrenzen. Wenn eine Sensorvorrichtung dieses Typs mit einem Element verwendet wird, das ein Blutaufnahmeröhrchen von der Außenfläche des Röhrchens her mechanisch abtastet, dann wird, wenn das Abtastelement auf die Basis des Röhrchens (das dem Stopfen gegenüberliegende Ende) trifft, aufgrund der Nähe der gepackten roten Blutkörperchen, die ein hoch dielektrisches und leitfähiges Medium sind, die Kapazität erhöht. Als nächstes trifft das Sensorelement auf ein Abscheidungsgel, das ein gering dielektrisches und nicht leitfähiges Medium ist. Zur Erläuterung der Erfindung sei angenommen, daß das Gel eine Flüssigkeit ist. Das "Gel" kann aus Tröpfchen oder anderen Strukturen bestehen, die zur Abscheidung von Fluiden unterschiedlicher Dichte verwendet werden.
Als nächstes trifft das Sensorelement auf das Serum oder Plasma, das ein hoch dielektrisches und leitfähiges Medium ist. Schließlich trifft das Sensorelement auf eine Luftzone, bei der es sich um ein gering dielektrisches und nicht leitfähiges Medium handelt. Somit steigt die Kapazität des Sensorelementes durch die Zone der roten Blutkörperchen auf einen relativ hohen Wert an, fällt dann an der Gel-Grenzfläche abrupt ab, steigt dann an der Serum-Grenzfläche abrupt an und nimmt schließlich an der Luft-Grenzfläche abrupt ab. Diese abrupten Veränderungen werden diskriminiert und in bezug zu der mechanischen Position des Sensorelementes gesetzt.
Die Sensorvorrichtung hat den Vorteil, daß sie unabhängig von den optischen Eigenschaften eines Probenbehälters ist. Die Detektion kann auch durch ein Papieretikett, etwa ein Strichcode-Identifikationsetekett, hindurch erfolgen. Weder getrocknetes Blut noch kondensiertes Wasser stellen ein Problem dar.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens, bei der ebenfalls eine Sonde zur Entnahme von Flüssigkeiten aus dem Behälter verwendet wird, sind die folgenden zusätzlichen Schritte vorgesehen: Einführen der Sonde in den Behälter, Entnehmen von Flüssigkeit aus diesem und Begrenzen der Sondenbewegung entsprechend dem Sensorsignal, um die Sonde am Durchdringen unerwünschter Grenzflächen zu hindern und dennoch den Bereich zu wählen, aus dem die Flüssigkeit abgezogen wird.
Ein detaillierteres Verständnis der Erfindung und ihrer Vorteile ergibt sich im Zusammenhang mit den Figuren.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Flüssigkeitsgrenzflächen-Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Flüssigkeitsgrenzflächen-Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Weise, in der die CPU die Sensorvorrichtung gemäß Fig. 1 steuert, damit diese die Beschaffenheit und die Position von Flüssigkeitsgrenzflächen bestimmen kann;
Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm der Weise, in der die CPU die Sensorvorrichtung gemäß Fig. 1 steuert, damit sie diese Proben aliquotieren kann.
Im folgenden werden die Figuren erläutert. Fig. 1 zeigt ein Positionssensorelement 10, das von einem Roboterarm 12 bewegt wird, welcher von einem in herkömmlicher Weise aufgebauten Servoantrieb 14 gesteuert ist. Das Sensorelement 10, das mittels des in herkömmlicher Weise aufgebauten Servoantriebes 14 translatorisch in den X-, Y- und Z-Richtungen bewegt wird, ist derart ausgebildet, daß es in die Nähe einer oder mehrerer Proben-, Reagenzien- oder Reaktionsbehälter 16 (von denen nur einer gezeigt ist), z.B. eines Blutaufnahmeröhrchens, bewegt werden kann.
Jeder Proben- oder Reaktionsbehälter 16 hat eine Achse 19 und wird im folgenden anhand eines typischen Anwendungsfalles der Erfindung, nämlich der Verwendung zusammen mit einem Blutaufnahmeröhrchen, erläutert. Bei einem Blutaufnahmeröhrchen kann der Behälter 16 in seinem unteren Bereich 11 gepackte rote Blutkörperchen enthalten, die durch ein Gel 13 abgeschieden sind; über der Gelschicht 13 kann ein Serum 15 angeordnet sein, und die obere Seite kann Luft 17 enthalten. Das Sensorelement 10 kann in einer im wesentlichen parallel zu der Achse 19 verlaufenden Richtung, z.B. der Z-Richtung, am Außenbereich des Behälters 16 entlangbewegt werden. Das Sensorelement 10 ist eine flache metallische Platte, die vorzugsweise aus einem relativ inerten Material, z.B. aus rostfreiem Stahl oder Platin, gefertigt ist und deren Gestalt der Außenkrümmung des Behälters 16 teilweise angepaßt ist. Die Dicke des Sensorelementes 10 ist relativ gering und beträgt typischerweise 1/8 inch. Die gepackten roten Blutkörperchen weisen relativ hohe dielektrische und leitende Eigenschaften auf. Das Abscheidungsgel 13 ist ein gering dielektrisches und nicht leitfähiges Medium. Das Serum-Medium 15 hat hohe dielektrische und leitende Eigenschaften. Die Luftzone 17 weist geringe dielektrische Eigenschaften und geringe Leitfähigkeit auf.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Sensor, die in der Lage sind, diese durch die unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften verursachten Kapazitätsveränderungen und somit die Position der Grenzflächen zwischen den verschiedenen Schichten der in dem Behälter 16 befindlichen Flüssigkeiten zu unterscheiden.
Ein Pipettor, eine Pipette oder eine Sonde 48 zur Entnahme von Flüssigkeiten aus dem Behälter 16 ist durch ein flexibles Verbindungselement, etwa ein Kunststoffrohr, mit einer Fluidpumpe 46 verbunden. Die Pipette wird durch eine Lenkervorrichtung 45 betätigt, die ihrerseits durch einen Servoantrieb 44 positioniert wird und die Pipette 48 aufwärts und abwärts bewegt. Der Servoantrieb 44 und die Fluidpumpe 46 werden ihrerseits beide unter Verwendung eines beliebigen herkömmlichen Systems durch die CPU 42 betätigt. Ein Beispiel eines derartigen Systems ist als Dimension(Wz)-Analyzer bekannt und wird von E.I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware, vertrieben.
Ein Oszillator 30 ist über einen Isolierwiderstand 36 und ein koaxiales kabel 70, dessen Umhüllung geerdet ist, mit dem elektrisch leitfähigen Positionssensorelement 10 verbunden. Der Oszillator 30, der ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) sein kann, ist derart geschaltet, daß die ihm zugeführte Spannung durch einen Ablenktreiber 32 hochläuft oder herunterläuft, der vorzugsweise eine derartige lineare (z.B. dreieckige oder sägezahnförmige) Wellenform erzeugt, daß der Oszillator aufeinanderfolgend einen Bereich von Frequenzen durchläuft. Der Ablenktreiber arbeitet vorzugsweise derart, daß er die Oszillatorfrequenz an einer Frequenz kippt, die über den durch die Änderungen der Kapazität an dem Element verursachten Spannungen liegt. Der Oszillator 30 ist vorzugsweise, wie erwähnt, ein spannungsgesteuerter Oszillator oder ein ähnlicher Oszillator, dessen Frequenz als Folge eines Eingangssignals verändert werden kann.
Der Ausgang des Oszillatprs ist mit einem Phasendetektor 34 verbunden, der vorzugsweise zur Erzeugung eines Gleichspannungs-Ausgangssignals imstande ist. Auf diese Weise ist der Phasendetektor der Phasen- oder Amplitudenverschiebung ausgesetzt, die durch die auf das Sensorelement 10 einwirkende Veränderung der dielektrischen Eigenschaften verursacht wird. Zwischen dem Sensorelement 10 und der in dem Behälter 16 befindlichen Flüssigkeit existiert eine Streukapazität. Wenn das Sensorelement 10 auf eine Flüssigkeit mit höherer oder niedrigerer dielektrischer Konstante trifft, wird das Vorhandensein einer Grenzfläche erkannt, und das Ausgangssignal des Phasendetektors ist ein Gleichstromsignal, dessen Phase oder Amplitude entsprechend der von dem Sensorelement 10 detektierten Kapazitätsveränderung variiert.
Ein Komparator 38 vergleicht das Signal des Phasendetektors 34 mit einem Referenzwert, der von einer einstellbaren Spannungsquelle 40 geliefert wird. Das Ausgangssignal des Komparators wird einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 42 zugeführt, die ihrerseits derart programmiert ist, daß sie den Servoantrieb 14 in einer beliebigen herkömmlichen Weise steuert, z.B. wie in US-A-4 818 492 beschrieben. Die CPU 42 steuert den Pipettor 48 derart, daß dieser an der Höhe Z, die durch das Sensorelement 10 festgestellt wurde, Flüssigkeit aus dem Behälter 16 heraussaugt. Somit steuert die zentrale Verarbeitungseinheit 42 sowohl die Position des Pipettors 48 und veranlaßt, ob der Pipettor entsprechend der von dem Sensorelement 10 erkannten Position Fluid aus einem Behälter saugt. Derartige zentrale Verarbeitungseinheiten sind weithin bekannt und werden hier nicht näher beschrieben, da sie die Erfindung nicht unmittelbar betreffen.
Bei Benutzung wird das Sensorelement 10 axial entlang der Außenfläche des Behälters 16 bewegt, der beispielsweise Blut enthalten kann, das in rote Blutkörperchen 11, Gel 13 und Serum 15 separiert ist. Wenn das Sensorelement 10 auf die Basis des Röhrchens 11 trifft, die die gepackten roten Blutkörperchen enthält, erhöht sich die Kapazität aufgrund der Nähe zu den gepackten roten Blutkörperchen, die ein hoch dielektrisches und leitfähiges Medium sind. Dann trifft das Sensorelement 10 auf das Abscheidungsgel 13, das ein Medium mit geringen dielektrischen Eigenschaften ist und nicht leitet. Anschließend trifft das Sensorelement 10 auf das Serum 15, das ein hoch dielektrisches und nicht leitfähiges Medium ist. Dann trifft das Sensorelement 10 auf die Zone der Luft 17, die niedrige dielektrische Eigenschaften aufweist und nicht leitfähig ist.
Dementsprechend steigt die Kapazität über die Zone der roten Blutkörperchen hinweg auf einen relativ hohen Wert an, fällt dann an der Gel-Grenzfläche 13 abrupt ab, steigt dann an der Serum-Grenzfläche 13-16 abrupt an und nimmt schließlich an der Luft-Grenzfläche 15-17 abrupt ab. Diese abrupten Veränderungen werden diskriminiert und in bezug zu der mechanischen Position des Sensorelementes 10 gesetzt.
Die CPU ist derart programmiert, daß sie das Sensorelement 10 der Erfindung dazu veranlaßt, einen Behälter 16 abzutasten und die Höhe und die Beschaffenheit (das Ansteigen oder Abfallen der Kapazität) der Übergänge zur nachfolgenden Verwendung zu speichern. Wenn später erneut auf den zuvor abgetasteten Behälter 16 zugegriffen wird, befiehlt die CPU der Pipettorsonde 48, eine Position über dem Behälter 16 einzunehmen. Falls der letzte Übergang bei der Abtastung in einer Abnahme der Kapazität bestand, vergleicht die CPU die anläßlich des Überganges aufgezeichnete Höhe mit der zulässigen Höchst- und Mindest- Höhe und prüft ferner, ob der Abstand zwischen dem obersten und dem zweitobersten Übergang ausreicht, um die Pipettorsonde 48 geringfügig eintauchen zu können, ohne daß sie zu nahe an die Gel-Serum-Grenzfläche gelangt. Wenn die Zulässigkeitsprüfungen bestanden sind, wird die Pipettorsonde 48 auf eine derartige Höhe herabbewegt, daß sich ihre Spitze unmittelbar unterhalb der Serum-Luft-Grenzfläche befindet. Der gewünschte Aliquotierungswert wird abgenommen, und die Pipettorsonde 48 wird auf die zur Weiterbewegung vorgesehene Höhe aufwärtsbewegt. Nachdem die Probe entnommen worden ist, wird sie zusammen mit zusätzlichen Reagenzien in einem Reaktionsbehälter plaziert, um eine Farbe zu erzeugen, deren Extinktion in Relation zu der Analyt-Konzentration in der Probe steht.
Obwohl bei der erläuterten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Phasendetektor und eine RC-Phasenverschiebungsschaltung verwendet werden, kann selbstverständlich jede beliebige im Stand der Technik bekannte Einrichtung verwendet werden, bei der eine Quelle elektrischer Schwingungen zur Detektion geringer Kapazitätsveränderungen benutzt wird. In jedem Fall wird die Frequenz des Hochfrequenzoszillators auf irgendeine Weise von der Kapazität des Sensorelementes 10 beeinflußt, und diese Beeinflussung wird detektiert, unabhängig davon, ob es sich um eine Brücken-Asymmetrie, eine Amplitudenveränderung in einem RC- oder LC-Filter, eine Phasenverschiebung in einer RC- oder LC-Schaltung oder dgl. handelt.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie das Problem der Such- Zeit löst, indem sie den ungefähren oberen Bereich der Flüssigkeit auffindet, so daß die Sonde 48 die Pegeldetektion nur ausgehend von einem kurzen Abstand über der Flüssigkeit durchzuführen braucht. In vielen Fällen ist nichts anderes als diese externe Pegeldetektion erforderlich, d.h. die Sonde 48 braucht keine zusätzliche Pegeldetektion durchzuführen. Ferner beseitigt die Erfindung das Problem eines Kontaktierens einer unerwünschten Schicht, z.B. eines Gels, da aufgrund der Detektion der Position des Gels ein Eindringen der Sonde in das Gel verhindert werden kann.
Generell wird der Behälter 16 vom Boden her aufwärts abgetastet, so daß das Sensorelement 10 stets in einem bekannten Zustand (d.h. gegenüber der Luft) beginnt. Die obere Seite kann unzugänglich oder durch einen Stopfen verschlossen sein.
Unter den bei einem Blutaufnahmeröhrchen üblichen Umständen ist der letzte Kapazitätsübergang - entsprechend der Serum- Luft-Grenzfläche - eine Kapazitätsabnahme. Der vorherige Übergang war - entsprechend der Grenzfläche zwischen dem Gel und dem Serum oder dem Boden des Röhrchens (d.h. bei Abwesenheit eines Gels) - ein Kapazitätsanstieg. Im ersteren Fall existiert entsprechend der Grenzfläche zwischen den gepackten Blutkörperchen und dem Gel ein zusätzlicher Übergang. In allen Fällen wird die Pipettorsonde 48 mit der Spitze ungefähr 1 mm unterhalb der Oberfläche des Serums 15 positioniert; wenn die Pipettorsonde 48 jedoch dadurch innerhalb einer Reichweite von 5 mm von dem Gel 13 positioniert würde, wird der Probenentnahmevorgang nicht durchgeführt, da eine Gefahr von Klumpenbildung und anderweitiger Kontaminierung der Probenentnahmesonde 48 bestünde. Die Unterscheidung des Gels 13 von dem Boden des Behälters 16 erfolgt anhand der bekannten Position des Bodens, die durch das Design des Instrumentes festgelegt ist. Falls keine Probenentnahme beabsichtigt ist, sollte die Bedienungsperson das Serum 15 in ein anderes Gefäß umfüllen, in dem sich kein Gel 13 befindet.
Unter bestimmten Umständen kann der letzte Kapzitätsübergang ein Kapazitätsanstieg sein. Dies kann der Fall sein, wenn das Gefäß voll aufgefüllt ist, so daß das Sensorelement 10 aufgrund der mechanischen Einschränkungen nicht imstande ist, eine Abtastbewegung zu der Oberseite des Behälters 16 oder über diese hinaus durchzuführen. In diesem Fall wird der Serum-Luft-Grenzfläche ein Fehl-Wert gegeben, jedoch ist die Gel-Serum-Grenzfläche (falls vorhanden) immer noch eine auswertbare Information, die benötigt wird, um eine Bewegung der Pipettorsonde 48 in das Gel 13 zu verhindern.
Falls eine wesentliche Menge des Serums entnommen werden soll, wird die Pipettorsonde 48 derart programmiert, daß ihr Eintauchen in den Behälter 16 mit einer Rate erfolgt, die der berechneten Höhenverringerung während der Entnahme des Serums 15 entspricht. Auch in diesem Fall muß die maximale Bewegungsstrecke der Pipettorsonde 48 eingeschränkt werden, um eine Kontamination durch das Gel 13 zu vermeiden.
Die Erfindung wird deutlicher ersichtlich anhand der Flußdiagramme gemäß Fign. 3 und 4, in denen die Software gezeigt ist, die die CPU zur Steuerung der Erfassung der Position der Grenzflächen (Fig. 3) und zur Aliquotierung des Probenfluids (Fig. 4) verwendet. In Fig. 3 wird dem Detektionselement oder Sensorelement 10 in Schritt 110 befohlen, das Abtasten von einer Position unterhalb des Bodens des Behälters 16 her aufwärts zu starten. An dem Entscheidungspunkt 120 wird der Status des Sensorelementes 10 abgefragt. Falls sich das Sensorelement 10 am oberen Bewegungsbereich befindet, rückt der Steuerablauf auf den Vorgang 150. Andernfalls wird der Status des Sensorelementes 10 über das Auftreten eines Überganges befragt. Falls kein Übergang vorgelegen hat, rückt der Steuerablauf zurück auf den Entscheidungspunkt 120. Andernfalls hat ein Übergang vorgelegen, und die Beschaffenheit (Ansteigen oder Abfallen der Kapazität) und die Höhe des Übergangs werden gespeichert. Dann kehrt der Steuerablauf zu dem Entscheidungspunkt 120 zurück.
Nach dem Erhalt der Information über die Grenzflächenposition wird zunächst (Block 210 in Fig. 4) die Pipettorsonde zu dem Gefäß bewegt, wobei sich die Sonde jedoch noch oberhalb des Gefäßes befindet. An dem Entscheidungspunkt 120 wird geprüft, ob der von dem Sensorelement 10 detektierte letzte gespeicherte Übergang eine einer Serum-Luft-Grenzfläche entsprechende Kapazitäsabnahme war. Falls keine Abnahme festgestellt wird, wird der Vorgang abgebrochen, da bei einem Fortführen des Vorgangs möglicherweise eine Kontamination der Pipettorsonde 48 oder ein anderer Fehler auftreten könnte. Falls eine Abnahme festgestellt wird, rückt der Steuerablauf auf den Entscheidungspunkt 230, an dem die Höhe des letzten Überganges mit der geringsten zulässigen Höhe verglichen wird. Falls die Höhe zu niedrig ist, wird der Vorgang abgebrochen. Andernfalls schreitet der Steuerablauf zu dem Entscheidungspunkt 240 fort, an dem die Höhe des letzten Überganges mit der höchsten zulässigen Höhe verglichen wird. Falls die Höhe zu hoch ist, wird der-Vorgang abgebrochen. Andernfalls rückt der Steuerablauf auf den Entscheidungspunkt 250, an dem die Höhe des Serums 15 errechnet und mit einem minimalen zulässigen Wert verglichen wird, unterhalb dessen möglicherweise eine Kontamination der Pipettorsonde 48 auftreten würde. Falls die Höhe des Serums 15 ausreichend ist, rückt der Steuerablauf auf einen Vorgang 260, in dem die Pipettorsonde 48 auf eine Höhe herabbewegt wird, die derart errechnet ist, daß nur die Spitze der Pipettorsonde 48 in das Serum 15 eingetaucht ist und somit die Außenseite der Sonde 48 nur minimal mit dem Serum 15 kontaminiert wird. Wenn die Pipettorsonde 48 die errechnete Höhe erreicht hat, rückt der Steuervorgang auf einen Vorgang 270, und das gewünschte Volumen (Aliquot) von Fluid wird entnommen. Der Steuerablauf schreitet zu einem Vorgang 280 fort, in dem die Pipettorsonde 48 auf die Bewegungshöhe hochbewegt wird, woraufhin in einem Vorgang 290 die Pipettorsonde 48 in eine Position bewegt wird, in der das Serum 15 einem Reaktionsgefäß zugeführt wird und die Bestimmung der gewünschten Bestandteile des Serums 15 durchgeführt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine spezielle Schaltung, die gemäß der bevorzugten Ausführungsform der zur Detektion von Flüssigkeitspegeln vorgesehenen Erfindung ausgebildet ist. Bei dieser Schaltung werden im wesentlichen zwei Chips für integrierte Schaltungen verwendet. Der erste Chip bildet eine phasenverriegelte Schleife und kann z.B. ein von National Semiconductor hergestellter Chip des Typs CD4046BM sein. Zusätzlich kann ein von der Texas Instruments Company hergestellter, Vierfach-Operationsverstärkerchip des Typs TLC274CN verwendet werden. Die phasenverriegelte Schleife ist durch den gestrichelten Block 50 gezeigt. In ähnlicher Weise ist der Vierfach-Operationsverstärkerchip durch den gestrichelten Block 52 gezeigt. Die phasenverriegelte Schleife enthält einen Spannungssteuerungsoszillator 54 und mehrere. Phasenkomparatoren, von denen nur einer, 56, gezeigt ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator 54 weist mehrere Eingänge auf, die derart gewählt sind, daß sie in einer von Widerständen R1 und R2 und einem Kondensator C1 bestimmten Weise einen Nennwert von 1 MHz erzeugen. Die Wahl dieser Werte ist in der Benutzeranweisung für den Chip von National Semiconductor beschrieben.
Der VCO 54 wird durch einen Sweeposzillator in Form eines konstanten Oszillators gesteuert, der Bestandteil des Vierfach- Operationsverstärkerchips 52 ist. Der Sweeposzillator 58 ist derart ausgebildet, daß das Ausgangssignal durch den Widerstand R7 und den Kondensator C6 dem invertierenden Eingang des mit Q2 bezeichneten Verstärkers zugeführt wird. Das Ausgangssignal von Q2 wird über die Widerstände R8 und R9 dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers zugeführt. Es sei angenommen, daß das Ausgangssignal des Verstärkers einen H-Pegel führt. Die Spannung an dem nichtinvertierenden Eingang nimmt den H-Pegel an. Die Spannung an dem invertierenden Eingang bleibt wegen des Kondensators C6 auf dem L-Pegel. Wenn die Ladung an dem Kondensator C6 akkumuliert, übersteigt dessen Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt diejenige des nichtinvertierenden Eingangs, und zu diesem Zeitpunkt schwingt das Ausgangssignal von Q2 auf den L-Pegel. In ähnlicher Weise führen die Widerstände R8 und R9 dem nichtinvertierenden Eingang von Q2 eine Niedrigspannung zu. Aufgrund des Kondensators C6 bleibt die Spannung an dem invertierenden Eingang hoch.
Dieser Zustand wird beibehalten, bis die Spannung an C6 auf einen Wert entladen wird, der unterhalb desjenigen des nichtinvertierenden Eingangs liegt, und zu diesem Zeitpunkt schwingt das Ausgangssignal von Q2 auf den H-Pegel, und der Zyklus wird endlos wiederholt. Bei dieser Schaltung wird üblicherweise die Spannung von dem Ausgang abgenommen, der eine Rechteckwelle 62 aufweist. Um jedoch ein Hochlaufen der Spannung zu erreichen und damit einen linearen Verlauf der Frequenz des Oszillators zu bewirken, wird eine Sägezahn- oder Dreieck-Wellenform bevorzugt. Dabei handelt es sich um das Signal, das an dem Verbindungspunkt von R7 und C6 auftritt. Diese im wesentlichen dreieckförmige Welle 60 wird dem VCO- Eingang zugeführt. Dieses Signal bewirkt, daß der Spannungsgesteuerte Oszillator um ungefähr 20 kHz um die Nennfrequenz von 1 MHz schwingt. Die Rate, mit der der Oszillator auf- und abläuft, beträgt ungefähr 20 kHz und wird durch die Werte der Widerstände R7, R8 und R9 bestimmt.
Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 64 ist durch die Rechteckwellenform 64 markiert. Das Ausgangssignal des VCO wird zwei Teilen zugeführt. Ein Teil wird dem Phasenkomparator 56 zugeführt. Dieser Teil dient als Referenzsignal und ist durch die Wellenform 66 gezeigt. Der andere Teil des Ausgangssignals der VCO wird einem RC-Phasenschieber zugeführt, der aus den Elementen R3, C2 und dem Detektionselement besteht. Der Kondensator C2 wird als Gleichstrom-Sperrkondensator verwendet. Die tatsächliche Kapazität, die die Phasenverschiebung beeinflußt, setzt sich zusammen aus der Kapazität des mit 70 bezeichneten Koaxialkabels und den an Erde auftretenden Kapazitäten des Sensorelementes 10. Das Sensorelement 10 ist, wie erwähnt, aus Metall gefertigt. An dem Verbindungspunkt zwischen R3 und C2 liegen ein Signal 76 und das von den dielektrischen Eigenschaften der Probe beeinflußte Signal des Sensorelements 10 an. Das Signal 76, das im wesentlichen ein Dreieckwellensignal ist, wird dem Signaleingang des Phasenkomparators 56 zugeführt.
Der Phasenkomparator 56 ist vom Exklusiv-ODER-Typ. Das Ausgangssignal des Phasenkomparators besteht aus einer Reihe von Impulsen, deren Breite von der Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal 66 und dem Eingangssignal 76 abhängt. Das in Form der Rechteckweile 78 vorliegende Ausgangssignal des Phasenkomparators 56 wird einer RC-Filterschaltung 84 zugeführt, das aus dem Widerstand R4 und aus C3 besteht. Der Zweck dieses Filters besteht darin, die Impulse von dem Phasenkomparator abzunehmen und einen ungefähren Gleichstrompegel zu erzeugen, der dem Bereich der Wellenform 78 proportional ist. Falls sich die Impulsbreite von 78 verändert, ändert sich der ungefähre Gleichstrompegel des Filters 84. Der sich verändernde Gleichstrompegel ist durch die Wellenform 80 repräsentiert, die einer Differenzierschaltung 90 zugeführt wird, deren Herzstück ein Operationsverstärker Q1 ist, welcher einen Teil des Vierfach-Operationsverstärkers 52 bildet. Somit wird, um die Differenzierung zu bewirken, das Ausgangssignal des RC-Filters 84 durch den Widerstand R5 und den Kondensator C4 dem Eingang des Verstärkers 90 zugeführt. Die Rückkopplungsschleife des Verstärkers 90 besteht aus den parallelen Elementen R6 und C5. Diese Bauteile sind derart gewählt, daß sie eine Differenzierschaltung für niedrige Frequenzen bilden, nämlich für den sich verändernden Bereich der Wellenform 80. Diese Bauteile dienen ferner zur Ausfilterung von Hochfrequenzrauschen, das durch die Filternetzschaltung 84 austreten könnte.
Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 90 hat die Form von Impulsen, deren Höhe von der Veränderungsrate und dem Ausmaß der Veränderung der Wellenform 80 abhängt. Dieses Ausgangssignal ist durch die Wellenform 82 repräsentiert. Die Impulse können dann mittels eines Fenster-Komparators diskriminiert werden, um die Impulse auszuwählen, deren Amplitude hinreichend groß ist, um an der auf die dielektrischen Einflüsse der Probe reagierenden Sonde einen verwendbaren Übergang zwischen den Kapazitäten repräsentieren. Der Fenster- Komparator besteht aus den mit 94 und 96 bezeichneten Verstärkern des Operationsverstärkers 52. In diesen Verstärkern wird der Signalpegel mit der durch V1 und V2 bezeichneten Spannung verglichen. Falls zum Beispiel die Eingangsspannung von 94 jedes Mal, wenn die Eingangsspannung kleiner als V1 ist, dem invertierenden Eingang zugeführt wird, führt das Ausgangssignal H-Pegel. Während der Zeitspanne, in der die Eingangsspannung über V1 ansteigt, bleibt das Ausgangssignal niedrig. Somit erzeugt der positiye Impuls in der Wellenform 82 einen negativen Impuls in der Wellenform 98.
In ähnlicher Weise erscheint der negative Impuls in der Wellenform 82 als negativer Impuls aus der Schaltung 96 und weist die bei 100 gezeigte Wellenform auf. Die beiden Wellenformen 98 und 100 sind die Ausgangssignale der Schaltung. Die Wellenform 98 weist immer dann einen negativen Impuls auf, wenn das Sensorelement 10 ein Ansteigen der Kapazität feststellt, wie es der Fall, ist wenn sich das Sensorelement 10 in der Nähe eines hoch dielektrischen Materials befindet. Die Wellenform 98 hat immer dann einen negativen Verlauf, wenn das Sensorelement 10 auf eine Flüssigkeits-Grenzfläche trifft, die eine ansteigende Leitfähigkeit oder dielektrische Konstante aufweist. Auf ähnliche Weise ist die Wellenform 100 immer dann ein negativer Impuls, wenn sich die Kapazität an dem Sensorelement 10 verringert, d.h. wenn das Sensorelement 10 auf eine Grenzfläche mit abnehmender Leitfähigkeit oder dielektrischer Konstante trifft.
Die Sensorvorrichtung der Erfindung ermöglicht eine beträchtliche Vereinfachung der Detektion von Flüssigkeits-Grenzflächen, die in einem Behälter 16 auftreten, der unterschiedliche Schichten - insbesondere von nicht mischbaren Flüssigkeiten - enthält. Das Sensorelement der Vorrichtung beeinträchtigt die Flüssigkeits-Grenzflächen nicht und detektiert die Position der Grenzflächen dennoch derart, daß ein separater Pipettor 48 schnell in den Behälter 16 eingeführt und auf den gewünschten Pegel herabbewegt werden kann.

Claims

1. Kapazitive Sensorvorrichtung zur Bestimmung des Pegels einer Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten (11,13,15, 17) mit unterschiedlichen dielektrischen Werten, wobei die Vorrichtung aufweist:

einen die Flüssigkeiten (11,13,15,17) enthaltenden Behälter (16) mit einer im wesentlichen vertikalen Achse (19),

ein elektrisch leitendes Sensorelement (10),

eine erste Antriebseinrichtung (12,14) zur translatorischen Bewegung des Sensorelementes (10) entlang der Außenfläche des Behälters (16) im wesentlichen parallel zu der Achse (19),

einen mit dem Element (10) gekoppelten Oszillator (30,54) zum Anlegen eines Hochfrequenzsignals an das Element (10), wobei die Amplitude und/oder die Phase des Oszillators (30,54) durch die Kapazität des Sensorelementes (10) beeinflußt werden, und

eine Komparatoreinrichtung (56) zum Erzeugen eines Pegeldetektionssignals entsprechend der Amplitude oder der Phase des Oszillators (30,54), und zur Signalisierung, daß das Element (10) eine Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten erreicht hat, wobei das Signal den Bereich entlang der Behälterachse (19) angibt, an dem sich die Grenzfläche befindet.

2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Komparatoreinrichtung (56) auf eine als Funktion der vertikalen Position entlang dem Behälter (16) ansteigende oder abfallende Kapazität des Elementes (10) reagiert.

3. Sensor nach Anspruch 2, ferner mit einem Sensorelement (48) zur Entnahme von Flüssigkeit aus dem Behälter (16), und

einer zweiten Antriebseinrichtung (44,45) zum Einführen eines Sensorelementes (48) in den Behälter (16) und zur Entnahme von Flüssigkeit aus diesem, wobei die zweite Antriebseinrichtung (44,45) auf das Pegeldetektionssignal reagiert, indem es die Bewegung des Sensorelementes derart begrenzt, daß dieses die Grenzfläche nicht durchdringt.

4. Sensor nach Anspruch 1, ferner mit einer Sonde (48) zur Entnahme von Flüssigkeit (15) aus dem Behälter (16), und

einer zweiten Antriebseinrichtung (44,45) zum Einführen der Sonde (48) in den Behälter (16) und zur Entnahme von Flüssigkeit (15) aus diesem, wobei die zweite Antriebseinrichtung auf das Pegeldetektionssignal reagiert, indem es die Bewegung der Sonde derart begrenzt, daß diese die Grenzfläche nicht durchdringt.

5. Sensor nach Anspruch 4, bei dem das Element (10) eine quer zu der Achse (19) ausgerichtete flache Platte aufweist.

6. Sensor nach Anspruch 3, bei dem das Element (10) eine quer zu der Achse (19) ausgerichtete flache Platte aufweist.

7. Sensor nach Anspruch 2, bei dem das Element (10) eine quer zu der Achse (19) ausgerichtete flache Platte aufweist.

8. Verfahren zum Bestimmen der Position einer Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten (11,13,15,17) mit unterschiedlichen dielektrischen Werten, wobei die Flüssigkeiten (11,13,15,17) in einem Behälter (16) mit vertikaler Achse (19) enthalten sind, mit den folgenden Schritten:

Anlegen eines Hochfrequenzsignals an ein elektrisch leitendes Sensorelement (10) von einer Signalquelle (39,54), wobei die Phase oder Amplitude des Hochfrequenzsignals eine Funktion der Kapazität des Sensorelementes (10) ist,

translatorisches Bewegen des Elementes (10) entlang der Außenfläche des Behälters (16) im wesentlichen parallel zu der Achse (19),

Detektion der Phasen- oder Amplitudenänderungen des von dem Element (10) ausgegebenen Signals, wobei die Änderung die Position der Flüssigkeits-Grenzfläche entlang der Behälterachse (19) angibt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine Sonde (48) zur Entnahme von Flüssigkeit (15) aus dem Behälter (16) verwendet wird, mit den folgenden Schritten:

Einführen einer Sonde (48) in den Behälter (16) und Entnahme von Flüssigkeit (15) aus diesem, und

Begrenzen der Sondenbewegung entsprechend der detektierten Änderung der Phase oder Amplitude zur Führung der Pipettierungssonde (48) zu den gewünschten Flüssigkeiten (15) unter Verhinderung von Kontakt mit ungewünschten Flüssigkeiten (11,13).