专利名称：光度计以及用于混合的方法和液槽的制作方法
技术领域：
本发明在总体上涉及利用光度计测定微液槽中液体样品的透光度，该光度计具有液槽支架以及用于测量射向液槽光束的透光度的测量装置。微液槽具有形成液体样品毛细层的腔，该毛细层具有横向于腔主平面延伸的自由液体表面。具体是，该腔使得液体样品的自由液体表面形成在实际的腔内或与该腔连通的腔内。在腔内起始配备有试剂，以便进行化学反应，这种反应影响液体样品的透光度，使得可以测定样品中预定物质的浓度。
用于定量测定溶液中物质浓度的光学方法例如吸收光度法或透射光度法是众所周知的，也为许多文献所证明。
用于执行这种定量测定的光度计也是众所周知的，一般具有光学部分、机械部分和电气部分。光学部分包括光源以及例如单色器或干涉滤光器，该单色器或滤光器用于产生一束具有预定波长的光线，还包括光检测器，该检测器产生对应于透射光束光能的电信号。机械部分包括其中安装光学部分的外壳和支架，该支架也配置在外壳内，用于将待测样品放置在光度计中。电气部分也适于配置在该外壳内，包括必需的用于控制光源和处理光检测器信号的电路以及提供测量结果的单元。可发送指令的微处理器可以作为基本元件包含在电气部分内。
在EP0 469 097中已公开一种像上面说明的光度计。该专利公开用于测定全血中葡萄糖的光度计。该光度计基于在两个不同的波长进行测量。其中一个波长是测定波长，另一波长是补偿波长，用于例如增加对混浊样品进行测定的可靠性。该光度计的设计简单而耐用。
在例如US-4,088,448中公开一种可随意使用的微液槽。这些微液槽可进行液体例如血液的取样，使液体样品与试剂混合，并直接光学分析与试剂混合的样品。该液槽包括具有两个平行的最好是平的表面的主体，该平的表面可确定光学波长，彼此相隔预定距离，形成平的测量腔。该测量腔经入口与主体外的环境连通。另外，测量腔具有预定体积，设计成利用毛细作用力使样品抽入该腔。干的试剂涂在腔的内表面上。
基于US-4,088,448发明的微液池在商业上取得相当大的成功，现在用于测定全血中的血红蛋白和葡萄糖。取得这种成功的重要因素是从取样到获得响应的时间是很短的。响应时间很短的一个原因是用于测定血红蛋白和葡萄糖的试剂成分很容易溶解于吸入微液槽毛细腔中的少量血液中。这种溶解性引起混合，实际上使试剂成分很快地均匀分散。然而已经发现，这些现有技术微液槽不适于测定这样的成分，测这些成分时须使用不易溶解的因此需要相当长时间进行溶解的试剂。即使如US-4,088,448所建议的，可以同时摇动微液槽进行样品和试剂的混和，但这种混和是不充分的。
在US-4,936,687中已提出一种特别用于混合存在于微液槽的薄毛细层中的液体和试剂的方法。在这种方法中，使用作为一种装置的小磁粒来进行混和，而且用外部磁铁进行实际的混和操作，这些磁体是特别设计的，以预定的方式配置和操作。在混和操作之后，需使磁粒与要分析的那部分试样分开。
虽然这种方法对某些试样和试剂的组合起到很好的作用，但是从工业和商业观点看，它不是特别吸引人的，因为需要特殊的磁铁配置和设计。使用细小磁粒以及混合后分离这些磁粒都是很费时的工作，这使得该方法很复杂而且成本相当高。而且还存在化学干扰样品和试剂二者的危险。
EP 75 605还公开一种用于在毛细液体层内进行混合的方法。按照这种方法，混和是在反应容器内进行的，该容器包括两个平行板，在该平行板之间加有待分析的液体样品，使液体形成薄层。混和的方法是使这些薄板在垂直于其平面的方向进行相对运动。然而这种混和方法不适合于上述类型的微液槽，因为形成测量腔的两个平行表面彼此分开预定的距离。
一种简单而有效的还适合于试剂溶解性差的混和薄毛细层中液体和试剂的方法将增加在微液槽中进行测定的次数。结果，这种微液槽对于到现在还不能进行的分析或以前没有关心的分析也是吸引人的。
按照本发明的一个方面，利用特别设计的光度计可以解决混合微液槽中薄液体层的问题，该光度计具有后附权利要求1所述的特征。在相关的附属权利要求中列举了光度计的优选实施例。
本发明的光度计可以执行混和操作，这本身便构成本发明的第二方面，从后附的权利要求7可以明显看出其特征。从相关的附属权利要求可以明显看出这种混和操作的优选实施例。
按照第一方面，本发明涉及一种用于测定微液槽中液体样品透光度的光度计，该微液槽具有一个形成液体样品毛细层的腔、该毛细层具有横向于该腔主平面延伸的自由液体表面。另外，在该腔内起始配备有可进行化学反应的试剂，该试剂影响液体样品的透光度，从而可以测定液体样品中预定物质的浓度。光度计具有液槽支架以及测量液槽透光度的测量装置。按照本发明，该支架装在可沿一个方向振动的支座上，该方向具有一个位于自由液体表面平面内的平行于腔主平面的方向分量。该分量最好是振动方向的主分量，即振动基本上发生在自由液体表面的平面内并且基本上平行于腔的主平面。结果，可以很快地混和，因此加快了溶解和反应。
这种振动使自由液体表面像弹性膜一样进行波动，这种波动的波长和波幅取决于振动频率和振幅。
在优选实施例中，振动是通过液槽支架实现的，该支架装在一个支座上，该支座可绕一根轴转动，该轴基本上平行于由测量装置射向液槽的光束的方向。由液槽支架支承的液槽的腔的主平面可在振动平面上延伸，或者与其形成锐角(或一般地讲与振动方向成锐角)，形成锐角的方法是使该主平面沿振动轴线的一个半径倾斜。
按照第二方面，本发明涉及在薄液层中进行混和的方法，该薄液层配置在两个大体平面平行壁之间，该壁彼此间隔毛细作用距离。执行混和的方法是使壁大体在液层的平面内运动，使该运动与该壁作用在液体上的毛细作用力平衡，并选择样品和环境介质之间的界面，使该界面起到弹性膜的作用。上述运动最好是大体往复运动。
此方法很适合进行上述微液槽的薄液层中的样品和试剂的混和。然而这种混和方法基本上适合所有位于两个大体平行壁之间的薄层状液体的混和，而该平行壁彼此间隔开毛细距离。
毛细作用力取决于壁材料的类型、包含添加剂例如试剂的样品类型以及壁之间的距离。振动的频率及振幅参数必须与个别情况下的毛细作用力平衡，这些参数必须充分大，足以进行混和而又不存在一部分液体溢出微液槽的危险，如果频率/振幅太大则可能发生这种危险。
在液体样品体积仅受平行壁的限制和该体积不封闭在腔内的这种情况下，弹性膜即对着环境介质如空气的样品界面具有其长度的上限。其下限根据样品液体、试剂、适当的拍频、腔的深度等用实验确定。
当选定正确的运动条件时，该界面起着弹性膜的作用，该膜迫使样品液体中的化合物和已溶解或正溶解的试剂成分随同液体的运动一起运动，这样便造成薄液层中样品液体和试剂的混和。
如上所述，本发明的混合方法适合于在用毛细作用力吸入样品的一次性微液槽中进行混和。
这种微液槽一般包括具有测量腔的主体，该主体的边界表面包括两个基本上平行的最好是平的表面，该表面形成光线透过微液槽的路径，并彼此间隔开预定距离，形成通过微液槽的光程长度(光程长)。测量腔具有预定体积和间隙宽度，毛细入口使该腔与主体外部的环境连通。样品可在毛细作用力的作用下经入口吸入到测量腔。将预定量的干试剂配置在测量腔内，例如涂在腔的表面上。
液槽体积可在0.1μl～1ml之间变化，薄层厚度可在0.01～2.0mm之间变化，最好在0.1～1.0mm之间。在液槽入口或开口处的壁之间的距离最好在0.01～1mm之间，该距离最好大于测量腔内壁之间的距离。
即使在液槽内可以涂加任何类型的试剂，但是在使用相当难溶的试剂例如蛋白质和碳水化合物时也能得到许多特殊的优点。
按照本发明，混和操作这样执行，即，使装有液体样品和试剂的液槽基本上在液层的平面内运动，运动的时间和速度以达到充分混和为准。这种运动可以是转动，但最好是往复运动。也可以联合这些运动。新的混和法的重要特征是，使运动与毛细作用力相平衡，使得液体不溢出液槽。毛细作用力由样品的类型以及液槽壁的材料决定。平衡操作最好用实验确定。如上所述，关键的特征是，选择样品和环境之间的界面，使得该界面可以起到弹性膜的作用，在这种情况下，运动最好也在界面的平面内进行或至少在该界面上具有一个运动分量。当使用一次性微液槽时，在入口内的样品和空气之间的界面仅在这样的条件下起弹性膜的作用，即该入口的长度要充分长，或者如果微液槽还包含至少一个基本上为非毛细的并可以形成另一弹性膜的腔。在后一种情况下，液槽入口不需要大于测量腔平行壁之间的距离，而在前一种情况下，即当样品溶液的体积仅对环境介质(空气)形成连续的界面(连续膜)时，入口长度至少应当5倍于最好10倍于测量腔中液层的深度。
按照优选实施例，基本非毛细腔靠近包含干试剂的毛细测量腔配置，并基本上与入口和测量腔成一直线。当此实施例中的液体样品抽入微液槽并按照本发明混合时，在测量腔中的液体和介质即通常存在于非毛细腔中的空气便形成也起弹性膜作用的另外的界面。
下面参考附图详细说明本发明光度计的实施例以及与其一起使用的微液槽，这些附图是
图1是本发明光度计实施例的示意图，该光度计处于关闭状态；图2是处于打开状态的光度计的相应透视图；图3是图2所示光度计的顶视平面图；图4是沿图3的IV-IV线截取的横截面图；图5是平行于图3顶视平面图的横截面图，位于图4的V-V线的水平面上；图6是本发明光度计第二实施例的对应于图2的透视图7是微液槽的透视图；图8是图7所示微液槽的横截面图；图9是具有两个腔的微液槽的透视图；图10是图9所示微液槽的横截面图。
附图1～5所示光度计实施例具有外壳1以及可用盖3关闭的测量舱室2。盖3可枢转地装在轴4的支座上，在关闭位置时该盖由钩部件固定，按压外壳1顶表面上的按钮5便可使该钩部件脱开，与盖3配合的弹簧可打开盖，将其打开到图2所示的向上转的位置或打开的位置。
液槽支架6配置在测量舱室2中。微液槽7被示出定位于液槽支架6上的可以被测量的位置，位于装在测量舱室底部8上的光检测器9的上面，该光检测器位于放在液槽支架6上的微液槽7的下面。
盖3由两部分组成，该两部分彼此可伸缩地安装，使得在关闭位置成为下部的那部分由弹簧作用力压在测量舱室2的底部8上，因而光检测器9和盖3下部的光源10在每次盖3关闭后便占据彼此相对的预定位置。在盖3的关闭位置，光源10和光检测器9总是彼此相隔预定的距离，而且处于彼此相对的预定取向。这意味着，尽管盖3是可动的，但却可以极好的重复性进行光度计的测量。
液槽支架6可枢转地装在轴11上的支座上，该轴垂直于放在液槽支架6上的微液槽7的薄腔主平面延伸。当轴11上的液槽支架6转动时，微液槽7中的腔将在其自身的平面内运动。液槽支架6还具有臂12，该臂在轴11的与液槽支架6上微液槽7的直径相对侧延伸。臂12的自由端与曲轴13的第一端部活动连接，曲轴的另一端部连接于曲轴臂14，该曲轴臂固定在马达16的轴15上。在这种情况下，曲轴臂14为圆盘形状，该圆盘与轴15同心，并偏心地连接于曲轴13的另一端部。
当马达16驱动曲轴臂14，使其绕轴15转动时，便使曲轴13的第一端部，因而使臂12的自由端部振动，这样，液槽支架6便进行绕轴11的振动，因而微液槽7在其腔的主平面内振动。
重要的特征是，微液槽7在液槽支架6上具有这样的位置，使得微液槽7腔中的样品液体其自由液体表面的平面基本上与轴11的切向平面重合，即液槽支架6上的微液槽7的振动应当沿着一个方向，该方向与自由液体表面的平面重合或至少在该平面上具有一个方向分量，并且该方向分量基本上平行于腔的主平面。这样便造成样品液体和试剂的有效混和，这种混和加速了使透光度发生改变的化学反应，这种透光度决定测量结果。
在实际的透光度测量中，停止马达16的转动。为对于每次测量达到同一的测量位置，马达16最好是步进马达，该马达适合于使曲轴13的运动停在一个区域，在该区域中，曲轴13的位移只造成液槽支架6的最小的位移。如果使臂12定位在离马达轴15最远的位置或最近的位置便是这种情况。
可以随时间测定透光度的改变，方法是，使液槽支架6相对于光源10射向微液槽的光束的直径以较小的可以为几毫米的振幅振动，使得透过微液槽7的透光度的测量在任何情况不会受到干扰，而可以在振动期间连续进行测量。这样便可以在获得充分混和达到要测量的正确透光度值时进行测定。
图6示出本发明光度计的第二实施例，在此实施例中，光源和光检测器配置在测量桥9′内，该桥固定在外壳1′上，并伸到液槽支架6′的上方，该支架可转动地装在轴11上，安装方式与图1～5所示实施例的安装方式相同，该支架也可利用马达使其振动。然而在这种情况下，液槽支架6′相对于轴11′的半径倾斜一个小角度，使得放在液槽支架11′上的微液槽7的测量腔主平面不垂直于在测量桥9′中产生的射向微液槽7的光束。这种情况的基本特征是，与垂直位置的偏离不超过允许进行有效混和的偏离。例如，已发现约10°的偏离是很适用的。
为了用不同方式达到这一点，在这种情况下，可使测量腔的主平面与振动平面(或一般地，与振动方向)形成锐角。而在图1～5所示的实施例中，同样的主平面却平行于振动平面(和振动方向)。
图7和8示出具有毛细入口21的微液槽20。当样品被吸入液槽20后，基本上与入口21的开口重合的样品自由界面便对着外界空气形成弹性膜。很明显，该自由界面基本上是平的，其长度L(可以见到，它平行于微液槽的主平面)大于其宽度B(可以见到，它垂直于上述主平面)。然而自由界面不一定是平的，而可以多少有些弯曲，在弯曲的情况下，界面的平面可以理解为界面的普通平面。
与此相应，在图9和10所示的微液槽22中形成两个弹性膜，该微液槽具有毛细入口23和具有较大深度的腔24，上述腔基本上是非毛细腔。
本发明的搅动可以举例如下搅动可以看作为腔深度和拍频的函数。使用同一设计的液槽。
结果显示，搅动取决于拍频和腔的深度二者。因而在400μm深的液槽中在60拍/S时可获得良好的搅动，但在30拍/S时没有搅动。如果腔深度低于15拍/S，则不发生任何搅动。
按照本发明，使用的拍频最好在30～60拍/S之间。另外，测量腔适合于设计成样品液体薄层的液体深度在10～1000μm之间，最好在400～600μm之间。
本发明很适合用于例如基于抗原—抗体反应的测定方法。这种方法的例子是测定尿中的μ清蛋白，在这种情况下，使抗人体清蛋白的抗体与尿样中的清蛋白进行反应。将预定量的抗体以及辅助物质例如PEG6000涂在腔内并干燥。当样品进入液槽腔时，与溶解的抗体反应，形成造成混浊的团粒，然后用分光光度法测量这种浊度，该浊度正比于清蛋白的浓度。本发明的最好在上述类型光度计中执行的混合操作是获得快速和重现响应的重要条件。
本领域的技术人员可以看出，在所附权利要求书确定的本发明的范围内可以改变本发明的上述实施例。
图1～5所示实施例的光检测器9可以安装成偏离光源10射出光束的中心线，即可以说成是，光通过液体样品散射到预定角度后测量光源10射出的光的透光度。
另外，在图1～5所示的实施例中，可以调节光检测器9距光束中心线的距离，使得可以测量散射到不同角度的透光度。如果光检测器包括许多与上述光束中心相距不同距离的光检测元件，则也可以达到测量不同角度透光度的目的。当然，相应的装置也可配置在图6所示的第二实施例中。
最后，应当强调，光度计可以设计成在其显示单元上显示测量的透光度或光的散射度或对应于该测量透光度的吸光度。不用说，该光度计还可使输出信号输送到打字机等上。
权利要求
1.一种用于测量微液槽(7，20，22)中液体样品透光度的光度计，该微液槽具有形成液体样品毛细层的腔，该液体样品的自由液体表面横向地沿腔的主平面延伸，在该腔内起始配备有实现化学反应的试剂，该反应可以影响液体试样的透光度，从而测定试样中预定物质的量，上述光度计具有微液盒的支架(6；6′)以及测量射向微液槽光束的透光度的测量装置(9，10；9′)，其特征在于，液槽支架(6；6′)装在沿一个方向振动的支座上，该方向具有一个方向分量，该分量位于自由液体表面的平面内并平行于腔的主平面，因此可以进行混和操作，以加速溶解和反应。
2.如权利要求1所述的光度计，其特征在于，上述分量是振动方向的主分量，即振动基本上发生在自由液体表面的平面内并在基本上平行于腔的主平面。
3.如权利要求1或2所述的光度计，其特征在于，液槽支架(6；6′)装在可绕一根轴(11)振动的支座上，该轴基本上平行于测量装置(9，10；9′)射向微液槽(7，20，22)的光束方向。
4.如权利要求3所述的光度计，其特征在于，马达(16)配置成可经曲轴(13)使液槽支架(6；6′)振动。
5.如权利要求4所述的光度计，其特征在于，为进行测量，该马达适合于使运动的曲轴(13)停在一个区域，在该区域中，曲轴的位移引起液槽支架(6；6′)最小的位移。
6.如权利要求1～5中任一项所述的光度计，其特征在于，相对于用于测量微液槽(7，20，22)透光度的由测量装置(9，10；9′)产生的光束直径，该液槽支架(6；6′)适合于以小振幅振动，使得在振动期间可以连续地测量微液槽的透光度。
7.一种在薄液层中进行混和的方法，该薄液层形成在大体平行的彼此相隔毛细距离的壁之间，其特征在于，用下列步骤进行混和操作使该壁基本上在液层平面内运动；使该运动与壁作用在液体上的毛细力相平衡；选择液层和周围介质之间的界面，使得该界面起到弹性膜的作用。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该运动基本上为往复运动。
9.如权利要求8所述的方法，该方法用于混合具有毛细出口的一次性微液槽中的试样和试剂，该毛细入口使液槽的测量腔与微液槽外边的环境连通，可利用毛细力的作用经该毛细入口将液体样品吸入测量腔。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在15～60拍/S，最好在30～60拍/S的拍频条件下在液层的平面内进行运动。
11.一种如权利要求7～10中任一项所述的适合于在薄层中进行混合的微液槽，其特征在于，测量腔被设计成使液体试样薄层的液体深度在10～1000μm之间，最好在400～600μm之间。
12.如权利要求11所述的微液槽，其特征在于，入口的长度(L)至少5倍于，最好10倍于液层深度(B)。
13.如权利要求11或12所述的微液槽，包括试剂，该试剂选自由蛋白质和碳水化合物组成的一组试剂。
14.一种如权利要求7～10中任一项所述的适合于在薄层中进行混合的微液槽，其特征在于，大体非毛细腔(24)靠近毛细测量腔配置，该非毛细腔与入口和测量腔大体在一直线上。
全文摘要
一种用于测量微液槽(7,20,22)中液体样品透光度的光度计,该微液槽具有形成液体样品毛细层的腔,该液体样品的自由液体表面横向于腔的主平面延伸。该腔内起始配备有可进行化学反应的试剂,该反应改变液体试样的透光度,该透光度表示样品中预定物质的量。光度计具有微液槽支架(6)和用于测量射向微液槽光束透光度的测量装置(9、10)。液槽支架(6)装在可沿一个方向振动的支座上,该方向具有一个方向分量,该分量在自由液体表面的平面内延伸并平行于腔的主平面,由此可以达到混和,加速溶解和反应。提供了一种在薄液层中进行混合的方法,该薄液层形成在彼此相隔毛细距离的大体平行的壁之间,混合的步骤如下:使壁基本上在液层平面上运动;使该运动与壁作用在液体上的毛细力平衡;选择液层和周围介质之间的界面,使得该界面起到弹性膜的作用。
文档编号B01F11/00GK1288516SQ99802179
公开日2001年3月21日 申请日期1999年1月14日 优先权日1998年1月14日
发明者约翰尼·斯文松, 贝蒂尔·尼尔松, 珀·乌尔松, 拉尔斯·扬松, 博·荣松 申请人:海莫库公司