DK148608B - PHOTOMETRIC ANALYTICAL DEVICE OF THE ROTABLE CIVET TYPE - Google Patents

Description

148608148608

Den foreliggende opfindelse angår et fotometrisk analyseapparat af den i kravets indledning angivne type, som er velegnet til serologiske undersøgelser, der kræver gentagne vaskninger eller fortyndinger af partikelformede materialer.The present invention relates to a photometric analyzer of the type set forth in the preamble of the claim, which is suitable for serological studies requiring repeated washings or dilutions of particulate materials.

Mange serologiske prøver er baseret på reaktioner og processer i forbindelse med i væske suspenderede partikler og på partiklerne fikserede antigener eller antistoffer. Som grundeksempler indbefatter disse prøver blodceller, bakterieceller og lignende.Many serological samples are based on reactions and processes associated with fluid suspended particles and on the particles fixed antigens or antibodies. As basic examples, these samples include blood cells, bacterial cells and the like.

Ved de prøvemetoder, der er udviklet i den senere tid, f.eks. dem, der er beskrevet i US patentskrift nr. 3.744.375, fæstnes de serologiske faktorer på kemiske stabile bærepartikler, f.eks. plastkorn. Fikseringen af yderligere antistoffer eller antigener på disse bærepartikler kan resultere i en agglutineringsreaktion, der kan iagttages direkte. I andre tilfælde kan de reagerede bærepartikler adskilles ved centrifugering fra suspensionsvæsken ved sedimentering med eller uden væskedensitetsgradient, og den serologiske faktor sekundært fæstes derpå, hvilket ytrer sig i en ændring af sedimenteringshastigheden eller bånddannelsestætheden.In the recent test methods, e.g. those disclosed in U.S. Patent No. 3,744,375, the serological factors are attached to chemically stable carriers, e.g. plastic grain. The fixation of additional antibodies or antigens on these carriers can result in an directly observable agglutination reaction. In other cases, the reacted carrier particles can be separated by centrifugation from the suspension liquid by sedimentation with or without liquid density gradient, and the serological factor is secondarily attached thereto, which manifests itself in a change in sedimentation rate or band formation density.

De fleste serologiske prøver af den ovennævnte type kræver centrifugalsedimentering af bærepartiklerne og gentagne vaskninger. De aktuelle metoder ved hvilke de forskellige reaktioner gennemføres, de specielt anvendte reagenser, reaktionstiderne og sekvensen af vaske- og reaktionstrin varierer betydeligt for de forskellige prøvemetoder. Den paralleldrift hos hurtige fo tometriske analyseapparater af den roterende kyvettetype, hvor prøver og reagens blandes i et centrifugalfelt og absorptions- og fluorescensmålinger gennemføres på flere reaktionsblandinger under rotation, gør dem interessante ved automatisering af immunologiske analyser. Til dette kræves udviklingen af en kyvetterotor som tillader omfattende vask af røde blodlegemer eller andre bærepartikler, reaktion med ét eller flere reagenser (eventuelt med nødvendige mel-lemvaskninger), og bestemmelse af agglutineringsgraden, og tilstedeværelse eller fraværelse af fluorescensmærket antistof eller radioaktivitet i enten den ovenstående væske eller i sedimentet.Most serological samples of the above type require centrifugal settling of the carrier particles and repeated washes. The actual methods by which the various reactions are carried out, the reagents used in particular, the reaction times and the sequence of washing and reaction steps vary considerably for the different test methods. The parallel operation of fast cuvette photometric analyzers in which samples and reagents are mixed in a centrifugal field and absorption and fluorescence measurements are performed on multiple reaction mixtures during rotation make them interesting by automating immunological assays. This requires the development of a cuvette rotor which allows for extensive washing of red blood cells or other carriers, reaction with one or more reagents (optionally with necessary intermediate washes), and determination of the degree of agglutination, and the presence or absence of fluorescently labeled antibody or radioactivity in either the above liquid or in the sediment.

Det er opfindelsens formål at tilvejebringe et fotometrisk analyseapparat af den roterbare kyvettetype, som egner sig til serologiske undersøgelser, der kræver gentagne vaskninger af partikelformet materiale og hvor der sker en bedre blanding med væsker, som tilføres kyvetterne, end ved tilsvarende kendte analyseapparater.It is an object of the invention to provide a rotary cuvette photometric analyzer suitable for serological studies requiring repeated washings of particulate material and where better mixing with fluids supplied to the cuvettes occurs than with similar prior art analyzers.

Dette formål er ifølge, opfindelsen realiseret i et fotome- 148608 2 trisk analyseapparat, som er ejendommeligt ved det i kravets kendetegnende del anførte.According to the invention, this object is realized in a photometric analysis apparatus which is characterized by the characterizing part of the claim.

Det ifølge opfindelsen udviklede fotometriske analyseapparat er som nævnt af den roterbare kyvettetype og af flerstationstypen og er i stand til at gennemføre prøve- og reagensdelings-, blandings-, sedimenterings-, vasknings-, overførings- og lysabsorptionsmålings-funktioner . To opstillinger af hulrum er formet i en skive der kan rotere omkring sin centrale geometriske akse. Den radialt ydre opstilling af hulrum danner et roterbart kyvettesystem hvor der udføres fotometriske målinger. Hulrum i den radialt indre opstilling af hulrum, i det følgende kaldt ladningshulrum, står i forbindelse med hver sin tilsvarende kyvette i den radialt ydre opstilling. En barriere mellem hvert ladningshulrum og en tilsvarende kyvette tillader under skivens rotation overføring af væske under indvirkning af centrifugalkraften, mens en sådan overføring eller tilbagestrømning af væske derimod forhindres, når skiven står stille. En radialt og vinkelret mod barrierens ene side gående kanal giver en forbedret blanding i kyvetterne. En udtøxnningskanal, der strækker sig radialt indad fra et sted, som* ligger i nærheden af, men dog med en vis afstand fra den radialt ydre ende af hver kyvette, kan tilsluttes en vakuumkilde , hvilket gør det muligt at fjerne ovenstående væske i kyvetterne efter en deri gennemført partikelsedimentation. Et centralt ladnings- og fordelingskammer, som afgrænses af en savtakformet periferi, står i væskeforbindelse med hvert ladningshulrum for at lette ladningen af disse under statiske eller dynamiske betingelser. Analyseapparatet ifølge opfindelsen gør det muligt at gennemføre flere serologiske analyser som kræver gentagne vasknings-eller fortyndings- og sedimenteringstrin i hurtig rækkefølge.The photometric analyzer developed according to the invention is, as mentioned, of the rotatable cuvette type and of the multi-station type and is capable of performing sample and reagent partitioning, mixing, sedimentation, washing, transferring and light absorption measurement functions. Two arrays of cavities are formed in a disc that can rotate about its central geometric axis. The radially outer arrangement of cavities forms a rotatable cuvette system where photometric measurements are made. Cavities in the radially inner arrangement of cavities, hereinafter referred to as charge cavities, are associated with each corresponding cuvette in the radially outer arrangement. A barrier between each charge cavity and a corresponding cuvette permits fluid transfer during rotation of the disk under the influence of centrifugal force, while such transfer or backflow of fluid is prevented when the disk is stationary. A radial and perpendicular to one side of the barrier channel provides an improved mixing in the cuvettes. An outlet duct extending radially inward from a location adjacent to, but at a certain distance from the radially outer end of each cuvette, a vacuum source may be connected which allows the above liquid to be removed in the cuvettes after a particle sedimentation carried out therein. A central charge and distribution chamber, delimited by a saw-shaped periphery, is in fluid communication with each charge cavity to facilitate their charging under static or dynamic conditions. The analyzer according to the invention makes it possible to carry out several serological analyzes which require repeated washing or dilution and sedimentation steps in rapid succession.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningen,- hvor fig. 1 meget skematisk viser et ifølge opfindelsen konstrueret fotometrisk flerstationsanalyseapparat af den roterbare kyvettetype, fig. 2 er et plant billede af et i analyseapparatet ifølge fig. 1 anvendt rotoraggregat, og fig. 3, 4, 5, 6, 7 og 8 viser arbejdsmåden af rotoraggregatet ifølge fig. 1 ved gennemførslen af reaktions-, sedimentations-, vasknings- og væskeoverføringstrin.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing, in which fig. 1 is a very schematic view of a rotary cuvette type photometric multistage analysis apparatus constructed in accordance with the invention; FIG. 2 is a plan view of one of the analyzers of FIG. 1, rotor assembly used; and FIG. 3, 4, 5, 6, 7 and 8 show the operation of the rotor assembly according to FIG. 1 in carrying out the reaction, sedimentation, washing and liquid transfer steps.

Fig 1 viser et lodret snit af et ifølge opfindelsen konstrueret fotometrisk analyseapparat. Et pladeformet rotoraggregat l indbefatter en flangeforsynet rotor 2 af stål, gennemsigtige glas- 3 148608 eller plastplader 3 og 4, en hulrummene og kyvetterne afgrænsende skive 5 af polytetrafluorætylen eller andet plastmateriale og en fastboltet flangering 6 til at holde pladerne 3, 4 og skiven 5 inden i rotorhuset 2. Pladerne 3 og 4, samt skiven 5 er monteret sammen som en sandwichkonstruktion mellem rotorhuset 2 og flangeringen 6 til dannelse af ladningshulrum 7 og kyvetter 8 i koncentriske ringformede rækker, idet kyvetterne 8 har en større afstand fra rotoraggregatets 1 rotationsakse end ladningshulrummene 7. Udtømningskanaler 9 strækker sig fra et sted op til den radialt ydre ende af hver kyvette 8 til et centralt vakuumkammer 10, som strækker sig gennem en driv- og støtteaksel 11 til en ikke vist vakuumkilde.Fig. 1 shows a vertical section of a photometric analyzer constructed according to the invention. A plate-shaped rotor assembly 1 includes a flanged steel rotor 2, transparent glass or plastic plates 3 and 4, a cavities and cuvettes defining disc 5 of polytetrafluoroethylene or other plastic material, and a bolted flange 6 for holding plates 5, within the rotor housing 2. The plates 3 and 4, and the washer 5 are mounted together as a sandwich structure between the rotor housing 2 and the flange ring 6 to form charge cavities 7 and cuvettes 8 in concentric annular rows, the cuvettes 8 being a greater distance from the axis of rotation of the rotor assembly 1. the discharge cavities 7. Drain ducts 9 extend from a location up to the radially outer end of each cuvette 8 to a central vacuum chamber 10 extending through a drive and support shaft 11 to a vacuum source not shown.

En skrånende barriere 12 adskiller under statiske betingelser hvert ladningshulrum 7 fra en tilsvarende kyvette 8 men tillader væskeoverføring fra ladningshulrummene til kyvetterne under indvirkning af centrifugalkraften. Udskæringer 13 i pladen 4 er placeret direkte over hver barriere 12 således at væsken kan strømme over barrieren og ind i kyvetterne 8 under rotoraggregatets rotation. Hældningen, den indbyrdes afstand og orienteringen af ladningshulrummene 7, kyvetterne 8 og udtømningskanalerne 9 er vist i det plane billede på fig. 2 som skal beskrives nedenfor.A sloping barrier 12, under static conditions, separates each charge cavity 7 from a corresponding cuvette 8 but allows fluid transfer from the charge cavities to the cuvettes under the action of centrifugal force. Cutouts 13 in plate 4 are located directly above each barrier 12 so that the liquid can flow over the barrier and into the cuvettes 8 during rotation of the rotor assembly. The inclination, spacing and orientation of the charge cavities 7, the cuvettes 8 and the discharge channels 9 are shown in the plan view of FIG. 2 to be described below.

Kyvetterne 8 er konstruerede til at muliggøre samtidig fotometrisk analyse af flere adskilte prøver. For at gøre sådanne analyser lettere er rotorhuset 2 forsynet med flere adskilte huller 14, som ligger aksialt med og er lige så mange som antallet af kyvetter. Lys som passerer gennem hullerne 14 fortsætter gennem den gennemsigtige plade 3, kyvetterne 8 og den gennemsigtige plade 4 til en fotodetektor sådan som det er vist med den punkterede linie på fig. 1. Et system som omfatter en fotometrisk lyskilde, en fotodetektor og andre for det ovennævnte rotoraggregat hensigtsmæssige elektroniske hjælpekomponenter, er beskrevet i US patentskrift nr. 3.555.284.The cuvettes 8 are designed to allow simultaneous photometric analysis of several separate samples. To make such analyzes easier, the rotor housing 2 is provided with several separate holes 14 which are axially located and are as many as the number of cuvettes. Light passing through the holes 14 continues through the transparent plate 3, the cuvettes 8 and the transparent plate 4 to a photodetector as shown by the dotted line in FIG. 1. A system comprising a photometric light source, a photodetector and other appropriate electronic auxiliary components for the aforementioned rotor assembly is disclosed in U.S. Patent No. 3,555,284.

I fig. 2 vises en plan afbildning af skiven 5, idet der for at forenkle tegningen kun er vist 2 af 16 par ladningshulrum og kyvetter. Et centralt væskeladnings- og fordelingskammer 15 er forsynet med en savtakformet periferi i form af blade 16 til opdeling af den under rotationen indførte væskestrøm i praktisk taget lige store rumfang og fordeling af de således opdelte væskeportioner til de respektive ladningshulrum og kyvetter. Som vist er radialt gående kanaler 17 placeret vinkelret mod en side af hver barriere 12 148608 4 for at tillade passage af væske langs den tilsvarende side af blandingshulrummene 7 og kyvetterne 8 for derved at forbedre blandingsvirkningen i kyvetterne ved en hvirvelstrømseffékt som vist på fig. 5. Virkningen af ladningshulrummene 7, kyvetterne 8, barriererne 12, kanalerne 17 og udtømningskanalerne 9 fremgår bedst af fig. 3-8 hvor den trinvise operation af det ifølge opfindelsen foreslåede fotometriske analyseapparat er illustreret.In FIG. 2 shows a plan view of the disk 5, in order to simplify the drawing, only 2 of 16 pairs of charge cavities and cuvettes are shown. A central fluid loading and distribution chamber 15 is provided with a saw-shaped periphery in the form of blades 16 for dividing the liquid flow introduced during the rotation into substantially equal volumes and distributing the liquid portions thus divided into the respective charge cavities and cuvettes. As shown, radially extending channels 17 are located perpendicular to one side of each barrier 12 to allow passage of fluid along the corresponding side of the mixing cavities 7 and the cuvettes 8, thereby improving the mixing effect of the cuvettes by an eddy current effect as shown in FIG. 5. The effect of the charge cavities 7, the cuvettes 8, the barriers 12, the channels 17 and the discharge channels 9 is best seen in FIG. 3-8 wherein the stepwise operation of the photometric analysis apparatus proposed according to the invention is illustrated.

Først udføres under statiske betingelser en indledende påfyldning eller ladning af blodprøver eller anden partikelsuspension 18 på den i fig. 3 viste måde. Ladningshulrummene 7 kan gøres tilgængelige gennem en åbning 19 i pladen 4 (se fig. l) ved hjælp af et hensigtsmæssigt ladeapparat, f.eks. en injektionssprøjte.First, under static conditions, an initial loading or loading of blood samples or other particle suspension 18 is performed on the one shown in FIG. 3. The charge cavities 7 can be made accessible through an opening 19 in the plate 4 (see Fig. 1) by means of a suitable charger, e.g. a syringe.

Alternativt kan der anvendes en lille overføringsskive (ikke vist) til prøvernes ladning i hulrummene 7· Fig. 4 viser den under centrifugalkraftens indvirkning gennemførte overføring af prøven 18 til den radialt yderste ende -af en tilsvarende kyvette 8. Ved overføringen til kyvetten 8 strømmer prøven over den skrånende barriere 12 gennem de af udskæringerne i pladen 4 dannede spillerum. Som vist spredes prøven under centrifugalkraftens indvirkning ud som et tyndt lag på den radialt ydre endevæg 20 af hver kyvette.Alternatively, a small transfer disc (not shown) can be used for loading the samples into the cavities 7 · Figs. 4 shows the transfer of sample 18 to the radially outermost end of a corresponding cuvette 8 under the action of centrifugal force. In transferring to cuvette 8, the sample flows over the sloping barrier 12 through the clearance formed by the cuts in plate 4. As shown, the sample, under the action of centrifugal force, spreads out as a thin layer on the radially outer end wall 20 of each cuvette.

I fig. 5 er det vist hvorledes en strøm af fortyndingsvæske rettes mod væskeopdelingsbladene 16. Efter at have ramt bladene 16 strømmer den opdelte strøm af fortyndingsmiddel langs den ene side af hvert ladningshulrum 7, gennem kanalen 17 og derfra ind i kyvetten 8 hvor den blander sig med prøven 18. Coriolis-kraften tvinger strømmen af fortyndingsmiddel til på den viste måde at passeres langs den ene side af ladningshulrummet 7 og kyvetten 8. Fortyndingsmidlet kan være en vaskevæske, f.eks. en fysiologisk saltopløsning, eller en reaktantopløsning, f.eks. en opløsning af antistoffer afhængig af den specielle analyse der skal udføres og analysens stadium. En hurtig og grundig blanding af prøve- og reaktanteller vaskevæsker, som den der opnås ved den foreliggende opfindelse, har i lang tid været anset for være ønskelig og nødvendig for en nøjagtig analyse. Efter tilsætningen af fortyndingsmidlet på den i fig. 5 viste måde sedimenteres partikler i blandingen som vist på fig. 6 ved centrifugering mod kyvetten 8's ydervæg 20 under tilbageholdelse af den ovenstående væske 21. Denne fjernes ved påføring af undertryk gennem udtømningskanalen 9 som vist på fig. 7. Man kan også 5 148608 lukke åbningen 19 i pladen 4 og påføre det centrale kammer et lufteller andet gastryk ved en hensigtsmæssig tætning. Gentagne vaske-og reaktionstrin kan derefter påbegyndes som vist på fig. 8 ved at man under rotorens rotation atter tilsætter et hensigtsmæssigt fortyndingsmiddel, suspenderer partiklerne i dette og atter sedimente rer.Efter vaskningen kan forskellige reagenser i rækkefølge tilsættes og fjernes. Agglomereringen kan måles ved at man under anvendelse af fotometrisk teknik på sædvanlig måde bestemmer den hastighed hvormed de gensuspenderede partikler sedimenterer. Ved anvendelse af en smal lysstråle fra en lyskilde gennem en spalte kan sedimentationen af partikler forbi en fast radial .position observeres ved observation af fotodetektorens udgangssignal. Til måling af sedimentationshastigheden kan to afspaltede lyskilder placeres i forskellige radiale positioner og man kan måle den tid der kræves for at en sedimenterende grænse passerer fra den ene radius til den anden.In FIG. 5, it is shown how a flow of diluent is directed to the liquid dividing leaves 16. After hitting the leaves 16, the divided flow of diluent flows along one side of each charge cavity 7, through the channel 17 and from there into the cuvette 8 where it mixes with the sample. 18. The Coriolis force forces the flow of diluent to pass in the manner shown along one side of the cargo cavity 7 and the cuvette 8. The diluent may be a washing liquid, e.g. a physiological saline solution, or a reactant solution, e.g. a solution of antibodies depending on the particular assay to be performed and the stage of the assay. A rapid and thorough mixture of sample and reactant wash liquids, such as that obtained by the present invention, has long been considered desirable and necessary for accurate analysis. After the addition of the diluent to the one shown in FIG. 5, particles are sedimented in the mixture as shown in FIG. 6 by centrifugation against the outer wall 20 of the cuvette 8 while retaining the above liquid 21. This is removed by applying negative pressure through the discharge channel 9 as shown in FIG. 7. The opening 19 of the plate 4 can also be closed and applied to the central chamber an air or other gas pressure at a suitable seal. Repeat washing and reaction steps can then be started as shown in FIG. 8, by adding an appropriate diluent during rotation of the rotor, suspending the particles therein and again sedimenting. After washing, various reagents may be sequentially added and removed. The agglomeration can be measured by using the usual determination of the rate at which the resuspended particles settle using photometric technique. By using a narrow beam of light from a light source through a slit, the sedimentation of particles past a fixed radial position can be observed by observing the photodetector output. To measure the rate of sedimentation, two dissipated light sources can be placed in different radial positions and one can measure the time required for a settling boundary to pass from one radius to the other.

Kyvetterotorer i apparatet ifølge opfindelsen kan anvendes til ved sedimentering at klare væskesuspensioner før bestemmelsen af absorptionen af den efter sedimentationen tilbagestående klare væske. Partikelfænomener, indbefattende agglomerering, lys, fluorescens og radioaktivitet, kan observeres kontinuerligt ved hjælp af hensigtsmæssige detektororganer. Også ved den ovenstående væske · kan man observere sådanne fænomener som f.eks. optisk densitet, lysspredning, fluorescens, radioaktivitet og lysabsorption.Cuvette rotors in the apparatus of the invention can be used to settle liquid suspensions before settling the absorption of the clear liquid remaining after sedimentation. Particle phenomena, including agglomeration, light, fluorescence and radioactivity, can be continuously observed by appropriate detector means. Also with the above liquid · one can observe such phenomena as e.g. optical density, light scattering, fluorescence, radioactivity and light absorption.

Udtømningskanalerne 9 kan dog også omorienteres således at de udmunder i et vakuumkammer rundt om skiven 5's periferi eller omplaceres således, at de står i forbindelse med bundene af de respektive kyvetter, således at vaskede celler eller andre partikelformede materialer kan udvindes fra kyvetterne, når rotoraggregatet står stille til undersøgelse i andre instrumenter. En sådan omplacering vil gøre det nødvendigt at bøje udtømningskanalerne 9 op mod pladen 4 for at undgå.at kyvetterne tømmes alene ved tyngdekraftens indvirkning, mens en udvinding er mulig ved påføring af vakuum eller overtryk.However, the discharge channels 9 may also be reoriented to open in a vacuum chamber around the periphery of the disk 5 or repositioned so as to communicate with the bottoms of the respective cuvettes, so that washed cells or other particulate materials can be recovered from the cuvettes when the rotor assembly is positioned. quiet for examination in other instruments. Such a repositioning will make it necessary to bend the discharge ducts 9 up against the plate 4 to prevent the cuvettes being emptied solely by the effect of gravity, while recovery is possible by applying vacuum or overpressure.