ДЕТЕКТОРНОЕ УСТРОЙСТВО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАРТРИДЖА
DETECTOR DEVICE WITH CARTRIDGE

Данное изобретение относится к детекторному устройству для использования при обнаружении целевого вещества, подлежащего выявлению, которое содержится в жидком образце. В частности, данное изобретение относится к детекторному устройству, содержащему картридж и блок обработки, приспособленный для использования вместе с данным картриджем. Более конкретно, данное изобретение относится к детекторному устройству картриджного типа для получения информации о наличии, концентрации и/или составе и т.п. целевого вещества, подлежащего выявлению, которое содержится в жидком образце; устройство содержит детекторный картридж, в котором сформирован один или несколько каналов для протекания жидкого образца, и блок обработки, приспособленный для использования с таким картриджем, чтобы получить информацию о веществе, подлежащем выявлению, которое содержится в жидком образце, протекающем через картридж.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В публикации выложенной заявки на патент Японии № 10-311829 (JP 10-311829A) раскрыта портативная аналитическая система с одноразовой картой. Эта аналитическая система содержит инструмент для тестирования, который включает в себя датчик для определения величины по меньшей мере одного контролируемого параметра жидкости организма человека или животного и формирования выходного сигнала, соответствующего обнаруженной величине, портативный аналитический блок, который включает блок обработки для приема сигнала от инструмента для тестирования и обработки принятого сигнала, и блок отображения информации.
Одноразовый инструмент для тестирования с картой содержит две базовые пластины, сконструированные таким образом, что они наложены одна на другую с обеспечением непроницаемости для жидкости при размещении между ними тонкой разделительной пластины. Первая из базовых пластин имеет внутреннюю поверхность, на которой сформирован канал для протекания жидкости организма человека или животного, используемой в качестве опытного образца, и участок первого резервуара для жидкости организма, соединенный с возможностью протекания жидкости с одним концом данного канала. Первая базовая пластина снабжена впускным отверстием для жидкости организма, пронизывающим пластину в направлении ее толщины. На внутренней поверхности второй базовой пластины смонтирован датчик. Внутренняя поверхность второй базовой пластины имеет вогнутый участок для приема контейнера с реагентом, который содержит реагент для калибровки датчика, и участок второго резервуара для жидкости организма, соединенный с возможностью протекания жидкости с участком первого резервуара для жидкости организма первой базовой пластины через отверстие в разделительной пластине.
Данный портативный аналитический блок имеет впускную щель для введения через нее инструмента для тестирования. Когда инструмент для тестирования введен в портативный аналитический блок, контейнер с реагентом, размещенный на вогнутом участке для приема контейнера с реагентом, вскрывается, и реагент поступает к датчику для его калибровки перед проведением фактического анализа. Затем через впускное отверстие инжектируется жидкость организма человека или животного. Жидкость организма поступает к датчику через канал, сформированный на внутренней поверхности первой базовой пластины, и подвергается измерению. Электрический сигнал, образованный при измерении, поступает в аналитический блок и обрабатывается блоком обработки. Полученный результат анализа будет отображен на блоке отображения инфомации.
Эта аналитическая система обладает теми преимуществами, что способна выполнять тест на месте в результате ее мобильности и позволяет инжектировать в нее образец жидкости организма непосредственным образом при использовании инжектора, такого как шприц, так что предотвращается соприкосновение образца жидкости организма с окружающей атмосферой. Однако данная аналитическая система предназначена для анализа жидкости с высокой концентрацией, такой как жидкость организма человека или животного, и поэтому непригодна для использования для измерения концентрации или хроматографического анализа экстремально малого количества вещества, подлежащего выявлению, такого как опасный тяжелый металл, содержащийся в почве.
Патент США № 6110354 раскрывает анализатор, снабженный устройством с микрополосным электродом и приспособленным для использования при анализе питьевой воды, сточных вод, биологической жидкости, такой как кровь или моча, и т.п. Аналитическим принципом этого анализатора является обнаружение фарадического компонента, формируемого при приведении жидкого электролита в качестве опытного образца при соприкосновении с электродами. В одном из проиллюстрированных вариантов осуществления анализатор имеет датчик в виде пластины, содержащий плоскую подложку. Понятно, что устройство с микрополосным электродом делает возможным подавление формирования нефарадического компонента, чтобы обеспечить повышенную чувствительность, которая позволяет обнаруживать опасный металл, содержащийся в водном растворе в небольшом количестве. Однако даже с такой чувствительностью обнаружения этот анализатор едва ли может быть использован для измерения концентрации чрезвычайно малого количества вещества, подлежащего выявлению, такого как опасный тяжелый металл, содержащийся в почве.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К основному аспекту данного изобретения относится детекторное устройство, содержащее детекторный картридж и блок обработки, приспособленный для использования в комбинации с данным картриджем, используемого упрощенным образом и с меньшими ограничениями по отношению к виду объектов, подлежащих выявлению, и к месту использования.
К другому аспекту данного изобретения относится детекторное устройство, которое может быть использовано в устройствах для определения концентрации, жидкостном хроматографическом анализе и в способах иммунологического анализа, а также в различных других методиках определения вещества, подлежащего выявлению, которое содержится в жидком образце.
В специфическом аспекте еще одном аспекте данного изобретения раскрывается упрощенное детекторное устройство картриджного типа, которое подходит в качестве переносного прибора.
Еще одним аспектом данного изобретения является предоставление удобного для переноски детекторного устройства картриджного типа, имеющего компактную конструкцию, в которой предусмотрен канал для протекания жидкости, необходимый для обнаружения.
Еще одним аспектом данного изобретения является детекторное устройство для определения концентрации, которое выполнено с возможностью определения концентрации вещества, подлежащего выявлению, которое содержится в образце, даже при чрезвычайно низкой его концентрации.
Еще одним аспектом данного изобретения является портативное упрощенное детекторное устройство картриджного типа, выполненное с возможностью осуществления анализа, такого как хроматографический анализ, жидкого образца упрощенным образом даже на месте, на котором осуществляется отбор образцов.
Еще одним аспектом данного изобретения является портативное устройство для быстрого анализа, которое обладает возможностью быстрого определения концентрации, выполнения жидкостного хроматографического анализа, иммунологического анализа или других видов обнаружения при любом положении без ограничения мест проведения теста.
Дополнительным аспектом данного изобретения является предоставление детекторного картриджа и/или блока обработки для использования в вышеуказанном детекторном устройстве картриджного типа и/или анализаторе.
Для достижения вышеуказанных целей, в соответствии с наиболее общей особенностью данного изобретения, предоставлено детекторное устройство картриджного типа, которое содержит детекторный картридж, имеющий канал для протекания жидкого образца, который содержит вещество, подлежащее выявлению, и блок обработки, приспособленный для введения в него детекторного картриджа таким образом, чтобы предоставлять информацию о веществе, подлежащем выявлению, которое содержится в жидком образце, протекающем через детекторный картридж. Детекторный картридж включает в себя секцию накапливания для временного сохранения вещества, подлежащего выявлению, по меньшей мере часть детекторного средства, жидкостной канал, приспособленный к пропусканию жидкости по выбору через секцию накапливания и/или по меньшей мере часть детекторного средства, и несколько отверстий, соединенных с жидкостным каналом с возможностью протекания через них жидкости. Как использовано в данном изобретении, термин «обнаружение» означает «получение информации о присутствии или отсутствии вещества, подлежащего выявлению, или свойствах вещества, подлежащего выявлению, таких как концентрация или состав вещества, подлежащего выявлению», и включает отбор проб или анализ, такой как количественный анализ и/или качественный анализ.
Блок обработки включает резервуар с реагентом и насос для подачи жидкости. В этом аспекте данного изобретения детекторный картридж связан с блоком обработки таким образом, чтобы жидкостной канал переключался между первым направлением для обеспечения прохождения жидкого образца, поданного в детекторный картридж, через секцию накапливания и последующего выпуска из детекторного картриджа и вторым направлением для обеспечения подачи реагента из одного из нескольких отверстий в секцию накапливания детекторного картриджа посредством насоса для подачи жидкости и последовательного прохождения через участок накапливания и по меньшей мере часть детекторного средства.
В одном из вариантов осуществления данного изобретения жидкий образец может быть загружен в детекторный картридж независимым образом из блока обработки. Когда жидкий образец, поданный в детекторный картридж, достигает секции накапливания, то вещество, подлежащее выявлению, содержащееся в данном жидком образце, временно сохраняется в секции накапливания. Секция накапливания может быть изготовлена из материала, имеющего сравнительно большую площадь поверхности, такого как пористый материал, включая пористый керамический материал, волокнистый материал или материал в виде тонких частиц, и может иметь поверхность со структурой, модифицированной функциональными группами, которые проявляют химическое взаимодействие или адсорбцию по отношению к веществу, подлежащему выявлению. В этом случае вещество, подлежащее выявлению, будет абсорбироваться и удерживаться на материале/материалом секции накапливания. Остаток жидкого образца после прохождения секции накапливания выпускается из детекторного картриджа через одно из отверстий в детекторном картридже. В качестве альтернативы внутри детекторного картриджа может быть сформирован резервуар для жидких отходов, и жидкий образец из участка накапливания может быть направлен в данный резервуар для жидких отходов.
Далее, реагент из насоса для подачи жидкости блока обработки в детекторный картридж протекает через секцию накапливания. Функцией этого реагента является элюирование вещества, подлежащего выявлению, которое удерживается на участке накапливания, в результате химической реакции или абсорбции. Посредством протекания реагента через секцию накапливания вещество, подлежащее выявлению, удерживаемое на участке накапливания, вымывается из участка накапливания и проходит через детекторный картридж в направлении вниз по течению вместе с реагентом в растворенном в нем виде. Реагент, содержащий вещество, подлежащее выявлению, временно направляется в канал вне детекторного картриджа и затем возвращается в детекторный картридж или же направляется к детекторному средству, расположенному в нижнем течении, через внутренний канал детекторного картриджа без выпуска из детекторного картриджа.
Резервуар с реагентом, расположенный в блоке обработки, может быть соединен с насосом для подачи жидкости. В этом случае блок обработки может быть снабжен несколькими резервуарами с реагентами и может быть предусмотрен клапан для переключения резервуаров для поочередного соединения с возможностью протекания жидкости между одним желательным резервуаром из нескольких резервуаров с реагентами и насосом для подачи жидкости. Блок обработки может также быть снабжен резервуаром для жидких отходов, и жидкий образец, выпущенный из детекторного картриджа, может быть направлен в резервуар для жидких отходов.
В другом варианте осуществления данного изобретения предоставлено детекторное устройство картриджного типа, в котором в случае, когда детекторный картридж отделен от блока обработки, устанавливается первое направление жидкостного канала и обеспечивается протекание жидкого образца, поданного в детекторный картридж, через секцию накапливания и последующий выпуск из детекторного картриджа, а в случае, когда детекторный картридж объединен с блоком обработки, устанавливается второе направление жидкостного канала и обеспечивается подача реагента из одного из нескольких отверстий на участок накапливания детекторного картриджа посредством насоса для подачи жидкости и последующее его протекание через участок накапливания и по меньшей мере часть детекторного средства. В этом случае детекторное устройство картриджного типа может иметь клапанный механизм для обеспечения переключения жидкостного канала между указанными направлениями, и этот клапанный механизм может быть размещен в блоке обработки.
Детекторное устройство по данному изобретению может быть использовано для обнаружения нескольких разных веществ. В одном из аспектов данного изобретения детекторное устройство сконструировано в качестве устройства для определения концентрации, которое предоставляет информацию о концентрации вещества, подлежащего выявлению и содержащегося в жидком образце. В этом случае детекторный картридж сконструирован таким образом, чтобы формировать электрический сигнал, указывающий концентрацию вещества, подлежащего выявлению. В качестве одного из примеров жидкий образец приготавливают растворением образца, такого как почва или шлам, содержащего небольшое количество вещества, подлежащего выявлению, в жидкости, такой как вода.
В одном из вариантов осуществления, в котором данное изобретение относится к устройству для определения концентрации, детекторный картридж содержит участок впуска жидкого образца для подачи через него жидкого образца, содержащего растворенный в нем образец, и жидкостной канал, проходящий от участка впуска жидкого образца. Секция накапливания расположена в данном жидкостном канале. В этом варианте осуществления изобретения секция накапливания сформирована как секция обогащения для обогащения веществом, подлежащим выявлению, которое содержится в жидком образце. Эта секция обогащения может быть предоставлена в форме фильтра, обладающего способностью к абсорбции вещества, подлежащего выявлению. Детекторное средство, предусмотренное в детекторном картридже, сформировано как структура с детектирующими электродами. Вещество, подлежащее выявлению, которое абсорбировано на данном фильтре, вымывается в жидкий элюент, поданный в качестве реагента, и поступает в структуру с детектирующим электродом, служащую в качестве детекторного средства. Когда элюент, содержащий элюированное вещество, подлежащее выявлению, достигает структуры с детектирующим электродом, то данным электродом формируется электрический сигнал обнаружения.
В детекторном устройстве в соответствии с этим вариантом осуществления данного изобретения блок обработки включает блок считывания для считывания электрического сигнала от детекторного картриджа и выдачи информации о концентрации вещества, подлежащего выявлению. Детекторный картридж в этом варианте осуществления может включать резервуар для жидких отходов. В этом случае жидкостной канал сформирован таким образом, что вытянут от участка впуска жидкого образца до резервуара для жидких отходов.
Считывающий блок включает средство для обработки, которое функционирует в соответствии с получением электрического сигнала детекторного картриджа таким образом, что обрабатывает принятый электрический сигнал, чтобы выдать информацию о концентрации вещества, подлежащего выявлению, в данном образце. Блок обработки может быть опционально снабжен блоком отображения информации для индицирования результатов обнаружения.
Устройство для определения концентрации картриджного типа в соответствии с этим вариантом осуществления данного изобретения может быть использовано для обнаружения тяжелого металла, содержащегося в почве или шламе. В этом случае структура с электродом в детекторном картридже сконфигурирована, чтобы формировать электрический сигнал, указывающий концентрацию тяжелого металла, содержащегося в жидком образце, а считывающий блок сконструирован, чтобы считывать электрический сигнал от детекторного картриджа таким образом, чтобы выдавать информацию о концентрации тяжелого металла.
В устройстве для определения концентрации картриджного типа, которое определяет концентрацию тяжелого металла, детекторный картридж включает участок впуска жидкого образца для подачи через него жидкого образца, жидкостной канал, соединенный с возможностью протекания жидкости с участком впуска жидкого образца, секцию накапливания, служащую в качестве секции обогащения и расположенную в жидкостном канале, который проходит от участка впуска жидкого образца и приспособлен для обогащения жидкого образца, и структуру с детектирующим электродом. Секция накапливания или секция обогащения включает абсорбирующий элемент, расположенный в жидкостном канале и приспособленный для абсорбции тяжелого металла. Секция накапливания включает участок подачи жидкого элюента, приспособленный к объединению с обогатительным элементом и подаче элюента для вымывания тяжелого металла, абсорбированного абсорбирующим элементом, через данный абсорбирующий элемент в направлении к структуре с детектирующим электродом. Соответственно, тяжелый металл, абсорбированный абсорбирующим элементом, вымывается предварительно заданным объемом элюента из участка подачи жидкого элюента, и элюированный тяжелый металл приводится в соприкосновение со структурой с детектирующими электродами, обеспечивая формирование данной структурой с детектирующими электродами электрического сигнала, указывающего концентрацию тяжелого металла.
В устройстве для определения концентрации картриджного типа в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения секция накапливания или секция обогащения включает абсорбирующий элемент, приспособленный для приема жидкого образца из участка впуска жидкого образца и абсорбции вещества, подлежащего выявлению, которое содержится в данном жидком образце, и секция обогащения соединена с участком подачи жидкого элюента, посредством чего элюент, предназначенный для вымывания вещества, подлежащего выявлению, которое абсорбировано абсорбирующим элементом, направляется через данный абсорбирующий элемент к структуре с детектирующими электродами, так что вещество, подлежащее выявлению, абсорбированное абсорбирующим элементом, вымывается предварительно заданным объемом элюента из участка подачи жидкого элюента, и элюированное вещество, подлежащее выявлению, приводится в соприкосновение со структурой с детектирующими электродами, обеспечивая формирование данной структурой с детектирующими электродами электрического сигнала, указывающего концентрацию вещества, подлежащего выявлению.
В устройстве для определения концентрации картриджного типа в соответствии с еще одним вариантом осуществления данного изобретения детекторный картридж включает участок впуска жидкого образца для подачи через него жидкого образца, содержащего растворенный в нем образец, секцию обогащения для обогащения жидкого образца, поданного на участок впуска жидкого образца, структуру с детектирующими электродами и канал, обеспечивающий возможность протекания жидкости между участком впуска жидкого образца, секция обогащения и структурой с детектирующими электродами. Секция обогащения включает абсорбирующий элемент, приспособленный для приема жидкого образца из участка впуска жидкого образца и абсорбирующий вещество, подлежащее выявлению, которое содержится в данном жидком образце. Устройство для определения концентрации также включает в себя участок подачи жидкого элюента, приспособленный к объединению секции обогащения и подаче элюента для элюирования вещества, подлежащего выявлению, которое абсорбировано абсорбирующим элементом, через данный абсорбирующий элемент в направлении к структуре с детектирующим электродом, а также клапанный механизм для переключения каналов. Этот клапанный механизм приспособлен для выборочного перемещения между позицией подачи жидкого образца для открытия канала для подачи жидкого образца, проходящего от участка впуска жидкого образца до секции обогащения, и закрытия канала для подачи элюента, проходящего от участка подачи жидкого элюента до секции обогащения, и позицией подачи элюента для закрытия канала для подачи жидкого образца, проходящего от участка впуска жидкого образца до секции обогащения, и открытия канала для подачи элюента, проходящего от участка подачи жидкого элюента до секции обогащения. Кроме того, предусмотрено напорное средство для подачи элюента в секцию подачи жидкого элюента в секцию обогащения, при нахождении клапанного механизма для переключения канала в позиции подачи элюента.
В этом варианте осуществления изобретения вещество, подлежащее выявлению, абсорбированное абсорбирующим элементом, вымывается предварительно заданным объемом элюента из участка подачи жидкого элюента, и элюированное вещество, подлежащее выявлению, приводится в соприкосновение со структурой с детектирующими электродами, обеспечивая формирование данной структурой с детектирующими электродами электрического сигнала, указывающего концентрацию вещества, подлежащего выявлению. Участок подачи жидкого элюента, клапанный механизм и напорное средство могут быть размещены в корпусе блока обработки.
Детекторный картридж может быть снабжен выпускным каналом для выпуска жидкого образца после прохождения через абсорбирующий элемент наружу из детекторного картриджа и резервуаром для жидких отходов для размещения элюента после его прохождения через структуру с электродами. В этом случае данный выпускной канал и канал между структурой с электродами и резервуаром для жидких отходов могут соответственно открываться и перекрываться в процессе подачи жидкого образца и соответственно перекрываться и открываться в процессе подачи элюента. Абсорбирующий элемент может быть сформирован в виде мембраны (или пленки), тонких частиц или пористого тела.
Абсорбирующий элемент может быть абсорбирующим элементом с катионогенным веществом. В этом случае абсорбирующий элемент может быть сформирован из материала, имеющего поверхность, модифицированную группами сульфоновой кислоты. В качестве альтернативы, абсорбирующий элемент может быть абсорбирующим элементом с анионогенным веществом. В этом случае абсорбирующий элемент может быть сформирован из материала, имеющего поверхность, модифицированную группами четвертичного амина. В качестве альтернативы, абсорбирующий элемент может быть сформирован из материала, имеющего поверхность, обработанную рецептором тяжелого металла. Этот рецептор тяжелого металла может быть любым соединением из хелатообразующего вещества, клатрата и вещества, абсорбирующего тяжелый металл. Хелатообразующее вещество может быть иминоацетоуксусной кислотой или группой этилендиамина. Клатрат может быть порфирином или каликсареном. Вещество, абсорбирующее тяжелый металл, может быть апоферментом или антителами, абсорбирующими тяжелый металл.
Детекторный картридж может быть сформирован в виде карты. В этом случае блок обработки предпочтительно имеет корпус с участком вставки для введения в него такого картриджа в виде карты.
Предпочтительно структура с электродами включает в себя по меньшей мере один микроэлектродный элемент размером не более 10 мкм. В этом случае микроэлектродный элемент предпочтительно изготовлен закреплением изолирующего листа на верхней поверхности электродного элемента и формированием в изолирующем листе отверстия размером не более 10 мкм.
Структура с электродами может включать в себя несколько рабочих электродных элементов, по меньшей мере один противоэлектродный элемент и по меньшей мере один электродный элемент сравнения. Каждый из нескольких рабочих электродных элементов может быть сформирован таким образом, чтобы иметь разную площадь и использоваться для измерений в разных интервалах концентрации.
В качестве альтернативы структура с электродами может включать в себя по меньшей мере один рабочий электродный элемент, по меньшей мере один противоэлектродный элемент и по меньшей мере один электродный элемент сравнения.
Секция обогащения, служащая как секция накапливания, может иметь структуру, в которой катион-абсорбирующий элемент, приспособленный для абсорбции катионогенного вещества, и анион-абсорбирующий элемент, приспособленный для абсорбции анионогенного вещества, расположены параллельно один другому. Кроме того, структура с электродами, служащая в качестве детекторного средства, может включать в себя две пары электродов, каждая из которых связана с соответствующим катион-абсорбирующим элементом и анион-абсорбирующим элементом.
В устройстве для определения концентрации картриджного типа в соответствии с еще одним вариантом осуществления данного изобретения детекторный картридж включает в себя участок впуска жидкого образца для подачи через него жидкого образца в качестве целевого материала, в котором необходимо определить концентрацию, жидкостной канал, соединенный с возможностью протекания жидкости с участком впуска жидкого образца, и структуру с детектирующим электродом для определения концентрации, расположенную в жидкостном канале и приспособленную для формирования электрического сигнала, указывающего концентрацию специфического вещества, содержащегося в жидком образца, который подается в жидкостной канал и проходит через структуру с детектирующим электродом для определения концентрации. Структура с электродами включает в себя несколько рабочих электродных элементов, по меньшей мере один противоэлектродный элемент и по меньшей мере один электродный элемент сравнения. Каждый из нескольких рабочих электродных элементов сформирован таким образом, чтобы иметь разную площадь и использоваться для измерений в разных интервалах концентрации.
В устройстве для определения концентрации картриджного типа в соответствии с еще одним вариантом осуществления данного изобретения детекторный картридж имеет форму плоской карты, а блок обработки имеет корпус, в котором сформирован участок вставки для введения в него такого картриджа в виде карты. Этот детекторный картридж включает в себя участок впуска жидкого образца для подачи через него жидкого образца в качестве целевого материала, в котором необходимо определить концентрацию, жидкостной канал, соединенный с возможностью протекания жидкости с участком впуска жидкого образца, и структуру с детектирующим электродом для определения концентрации, расположенную в жидкостном канале и приспособленную к формированию электрического сигнала, указывающего концентрацию специфического вещества, содержащегося в жидком образце, который подается в жидкостной канал и проходит через структуру с детектирующим электродом для определения концентрации.
Этот детекторный картридж включает в себя первый лист, изготовленный из смолы и сформированный таким образом, что имеет одну поверхность с вогнутым участком, образующим по меньшей мере часть жидкостного канала, второй лист, изготовленный из смолы и имеющий сквозное отверстие, которое образует участок впуска жидкого образца, и вогнутый участок для приема структуры с детектирующим электродом для определения концентрации, а также третий лист, изготовленный из смолы и имеющий сквозное отверстие, которое образует участок впуска жидкого образца. Первый, второй и третий листы наслоены поочередно с размещением изолирующего листа между прилегающими один к другому листами. Структура с детектирующими электродами для определения концентрации включает в себя электродный элемент, расположенный на вогнутом участке для приема электрода, сформированном на втором листе, и второй лист и третий лист наложены друг на друга таким образом, что электродный элемент обращен к третьему листу. Кроме того, изолирующий лист, размещенный между вторым листом и третьим листом, имеет отверстие, сформированное в месте, соответствующем электродному элементу, чтобы был открыт участок предварительно заданной площади электродного элемента, так что на поверхности третьего листа, обращенной ко второму листу, установлен жидкостной канал, который направляет жидкий образец к электродному элементу.
В этом случае первый лист картриджа может иметь поверхность, расположенную таким образом, что она обращена ко второму листу, и имеющую вогнутый участок, образующий резервуар для жидких отходов, в который принимаются жидкие отходы от электродного элемента.
В описанных выше вариантах осуществления данного изобретения секция обогащения для накапливания вещества, подлежащего выявлению, в обогащенном виде образована в жидкостном канале. Это делает возможным определение концентрации без каких-либо проблем, даже если вещество, подлежащее выявлению, содержится в жидком образце в чрезвычайно низкой концентрации. Если почва загрязнена опасным веществом, таким как тяжелый металл, то она должна контролироваться в соответствии с природоохранительным законодательством, даже если концентрация данного вещества чрезвычайно низкая. Несмотря на то, что считалось, что обнаружение на месте вещества, содержащегося в такой низкой концентрации, невозможно, устройство для определения концентрации картриджного типа в соответствии с каждым из рассмотренных выше вариантов осуществления данного изобретения делает возможным обнаружение загрязняющего вещества простым образом на том месте, где взят образец почвы. В этом случае жидкий образец может быть приготовлен растворением образца почвы. Участок обогащения, который предназначен для обогащения веществом, подлежащим выявлению, предпочтительно сконструирован таким образом, что включает абсорбирующий элемент, приспособленный для абсорбции вещества, подлежащего выявлению. В качестве альтернативы могут быть использованы любые другие подходящие средства обогащения. Например, могут быть использованы методика обогащения нагреванием жидкого образца для испарения жидкого компонента или методика с мембраной обратного осмоса.
Устройство для определения концентрации картриджного типа в соответствии с каждым из рассмотренных выше вариантов осуществления данного изобретения может быть использовано для определения концентрации любого вещества, т.е. вещества, подлежащего выявлению, которое предоставляет возможность структуре с детектирующим электродом формировать в виде электрического сигнала информацию о его концентрации, когда жидкость, содержащая вещество, подлежащее выявлению, приводится в соприкосновение со структурой с детектирующими электродами. Обычно данная структура с детектирующими электродами содержит рабочий электрод, противоэлектрод и электрод сравнения. Рабочий электрод функционирует для абсорбции вещества, подлежащего выявлению, и последующего высвобождения абсорбированного вещества, подлежащего выявлению, в элюент, когда оно приводится в соприкосновение с данным элюентом. Требования в отношении рабочего электрода предпочтительно включают способность к обеспечению возможности приложения к нему потенциала в сравнительно широком интервале, т.е. сравнительно широкое окно потенциала, а также высокую устойчивость к коррозии и окислению. Окно потенциала означает интервал потенциала, в котором не происходит образование/формирование электрохимически нежелательных ионов водорода и оксидной пленки, и данный интервал изменяется в зависимости от материала электрода и величины pH жидкого образца.
Материалы рабочего электрода предпочтительно включают платину, золото, ртуть, серебро, висмут и углерод. Несмотря на то, что рабочий электрод может быть изготовлен из подходящего материала из указанных выше видов, предпочтительным является выбор материала, обладающего высокой способностью к адсорбции вещества, подлежащего выявлению, т.е. вещества, являющегося целью измерений. Если веществом, подлежащим выявлению, является кадмий, свинец и ртуть, то целесообразным будет использование электрода с поверхностью из углерода в качестве рабочего электрода. В качестве рабочего электрода для измерения мышьяка и ртути разумным будет использование электрода с поверхностью из золота. Для обнаружения шестивалентного хрома может быть использован электрод, имеющий поверхность из углерода. Причина этого заключается в том, что электрод с углеродной поверхностью обладает превосходной способностью к абсорбции агрегатов шестивалентного хрома и дифенилкарбазида.
В качестве электрода с поверхностью из углерода предпочтителен углеродный электрод, содержащий спеченный материал из смеси графита/углерода, который имеет соотношение графит/стекловидный углерод, составляющее 70/30. Как правило, в противоположность преимуществу, заключающемуся в сравнительно высокой способности к абсорбции свинца, кадмия и ртути, графит имеет проблемы с изменением способности к адсорбции вещества вследствие трудности придания единообразия кристаллической ориентации и разбуханием вследствие соприкосновения с жидкостью. В качестве способа для разрешения этих проблем графит может быть спечен после его смешивания со стекловидным углеродом для получения уплотненного спеченного материала, способного к подавлению проникновения в него жидкости. Кроме того, стекловидный углерод может ориентировать кристаллы графита неупорядоченным образом для минимизации изменения способности к адсорбции. Указанный выше спеченный материал с соотношением графита/стекловидного углерода, составляющим 70/30, предпочтителен для формирования рабочего электрода, имеющего высокую чувствительность и превосходную воспроизводимость.
Электрод с золотой поверхностью не ограничен определенным материалом. В данном изобретении стеклянная основа может быть покрыта золотом с промежуточным слоем хрома для получения рабочего электрода, обладающего соответствующими свойствами. В этом случае пленка из хрома и пленка из золота могут быть сформированы способом металлизации распылением. Толщина пленки может составлять, однако, без каких-либо ограничений, примерно 40 нм для слоя из хрома и примерно 400 нм для слоя из золота.
Противоэлектрод предусмотрен в качестве средства обеспечения протекания электрического тока совместно с рабочим электродом, и любой электропроводный материал может быть использован для изготовления противоэлектрода.
Электрод сравнения сконструирован для обеспечения известного и стабильного потенциала, который может быть использован в качестве потенциала сравнения. Типичный электрод сравнения может включать водородный электрод, насыщенный каломельный электрод (электрод ртуть/хлорид ртути) и электрод серебро/галогенид серебра. Электрод серебро/галогенид серебра включает электрод серебро/хлорид серебра, имеющий поверхность из серебра, который образует хлорид серебра посредством равновесной реакции с раствором, содержащим хлор. В этом электроде, даже если к нему приложить напряжение, серебро и хлорид серебра поддерживаются в равновесном состоянии, для обеспечения поддержания постоянной величины результирующего потенциала и возможность использования такого электрода в качестве электрода сравнения. Хотя могут быть также использованы электрод серебро/бромид серебра и электрод серебро/иодид серебра, предпочтительно использование электрода серебро/хлорид серебра с точки зрения доступности материала и производственных затрат.
Каждый из электродов не ограничен определенным размером. В качестве одного из примеров лист, такой как двусторонняя клейкая лента, в которой сформировано небольшое отверстие, может быть закреплен на электроде в виде тонкой пластины в виде плоского прямоугольника размером 3×8,4 мм и толщиной 0,5 мм, для открытия предварительно заданной площади поверхности электрода. С точки зрения облегчения процесса формования и операции закрепления листа предварительно отформованный материал электрода в виде тонкой пластины предпочтительно закрепляют на базовой пластине детекторного картриджа. В качестве альтернативы электрод может быть сформован непосредственно в базовой пластине детекторного картриджа.
Наиболее типичным видом обнаружения является электрохимическое измерение. В электрохимической реакции в водном растворе скорость реакции на электроде больше скорости массопередачи в растворе, и поэтому вследствие скорости массопередачи возникает задержка реагирования, так называемое «сопротивление раствора», что вызывает затруднения в выявлении соответствующих пиков. При использовании микроэлектрода микронных размеров соответствующая массопередача будет изменена от планарной диффузии до точечной диффузии, что уменьшит задержку реагирования на единицу площади. Соответственно, пики могут отличаться один от другого в меньшем масштабе, обеспечивая улучшенную чувствительность. С точки зрения использования этого преимущества электрод предпочтительно формируют таким образом, чтобы он имел по малой оси размер 10 мкм или менее. Большое число таких электродов может быть расположено в виде матрицы для получения большой общей величины тока. Микроэлектрод такого размера может быть изготовлен при использовании полупроводниковой микротехнологии. Например, микроэлектрод в форме круга может быть изготовлен формованием изолирующего слоя на основе электрода с последующим формированием в изолирующем слое небольшого отверстия диаметром не более 10 мкм. Электрод в форме гребенки, имеющий конфигурацию, в которой несколько рабочих электродов и противоэлектродов, каждый из которых имеет диаметр не более 10 мкм, расположены поочередно, также может быть использован для предоставления такого преимущества.
В случае обнаружения тяжелого металла на основании электрохимических измерений, желательно минимизировать ток нагрузки для увеличения потенциала рабочего электрода до предварительно заданной величины. Для этого необходимо облегчить перенос электронов в растворе, содержащем тяжелый металл, и с этой целью в раствор может быть добавлен электролит. Таким электролитом может быть любой материал, способный к образованию соли в данном растворе. Предпочтительно, с точки зрения затрат, электролит включает хлорид калия, серную кислоту, азотную кислоту, нитрат калия и гидроксид натрия. Окно потенциала рабочего электрода обычно смещается к положительной или отрицательной стороне, в зависимости от величины pH. Соответственно электролит может также быть использован для регулирования величины pH для предотвращения возникновения проблем с выделением водорода на рабочем электроде и формированием оксидной пленки в интервале потенциала для предполагаемых измерений.
Элюент обычно является раствором, содержащим электролит, как подробно описано ниже. В этом случае элюент, содержащий электролит, может подаваться при постоянном объемном расходе для обеспечения последовательного выполнения последовательности операций от элюирования до обнаружения. Это делает возможным упрощение линии канала для его протекания и использования, а также устранение необходимости в регулировании коэффициента смешивания и скорости смешивания жидких элюента и электролита. А именно, если жидкие элюент и электролит приготовлены отдельно, то необходимо регулировать соответствующие абсолютные объемы этих двух жидкостей. Особенно затруднено регулирование абсолютных объемов данных двух растворов в случае, когда пространство для расположения канала и электрода чрезвычайно мало, как это имеет место в устройстве для определения концентрации по данному изобретению. Соответственно, совершенно необходимо обеспечить возможность выполнения как процесса элюирования, так и электрохимических измерений при использовании лишь одного раствора.
Как было указано выше для электрода сравнения, хлорид серебра образуется на слое серебра, сформированном печатным способом, при приведении в соприкосновение с таким слоем серебра раствора, содержащего хлор, в качестве жидкости для активирования электрода сравнения и пропускании слабого электрического тока через электрод сравнения. Соответственно, хлор может содержаться в элюенте для устранения необходимости в использовании отдельной жидкости для активирования электрода сравнения и предоставления упрощенной конструкции. Однако при измерениях селена хлор не может содержаться в элюенте, поскольку хлор в этом случае действует в качестве мешающего вещества в процессе электрохимических измерений. Поэтому необходимо использование указанной ниже жидкости для активирования электрода сравнения.
При условии, что на электрод сравнения подается чрезвычайно слабый ток, жидкость для активирования электрода сравнения приводят в соприкосновение с печатным слоем серебра для образования хлорида серебра на печатном слое, для обеспечения поддержания электродом сравнения его оригинальной функции. Жидкость для активирования электрода сравнения обычно содержит соответствующее количество хлора. Предпочтительное содержание хлора находится в интервале от 0,05 до 3 М. Слишком малое содержание хлора приводит к нестабильному формированию хлорида серебра, а чрезмерно большое содержание хлора ухудшает возможность обращения с электродом вследствие осаждения твердых частиц. Активирующая жидкость может быть приготовлена растворением в воде предварительно заданного количества хлорида калия или хлорида натрия.
От электрода сравнения требуется электрическое взаимодействие с рабочим электродом и противоэлектродом, и поэтому жидкость для активирования электрода сравнения должна находиться в соприкосновении с элюентом. Одной из целей использования жидкости для активирования электрода сравнения и элюента раздельным образом является предотвращение действия хлора в качестве мешающего вещества в процессе электрохимических измерений. А именно, необходимо предотвращение затекания жидкости для активирования электрода сравнения на участок рабочего электрода, так что предоставляется отдельная камера электрода сравнения для установления жидкостного канала, обеспечивающего протекание жидкости между камерой электрода сравнения и элюентом. Предпочтительно этот жидкостной канал сформирован в виде микроканала для предотвращения нежелательной молекулярной диффузии. В качестве альтернативы, детекторный картридж может быть сконструирован таким образом, чтобы разделить камеру для электрода сравнения и элюент пористой пленкой. В этом случае жидкость для активирования электрода сравнения принуждается к проникновению через пористую пленку с затратой сравнительно большого времени. Соответственно, в устройстве для определения концентрации, предназначенном для обнаружения вещества, подлежащего выявлению, за короткий период времени, как в данном изобретении, гораздо более предпочтительно использование микроканала. Кроме того, желательно устанавливать электрод сравнения в камере для электрода сравнения и предварительно размещать жидкость для активирования электрода сравнения в камере электрода сравнения или подавать предварительно размещенную жидкость для активирования электрода сравнения в камеру для электрода сравнения в соответствии с необходимостью. В случае предварительной загрузки жидкости для активирования электрода сравнения в детекторный картридж жидкость для активирования электрода сравнения может быть преимущественно размещена в алюминиевой упаковке для предотвращения осаждения твердых частиц вследствие испарения жидкого компонента.
В зависимости от вида абсорбирующего элемента необходимо пропускать жидкость для активации абсорбирующего элемента через абсорбирующий элемент перед пропусканием через него жидкого образца. Например, четвертичный амин для использования при абсорбции мышьяка, селена и/или шестивалентного хрома может проявлять свою способность к абсорбции только после того, как он приводится в соприкосновение с ионом OH, поскольку его способность к абсорбции обусловлена реакцией, в которой ион OH замещается анионом вещества, подлежащего выявлению. В этом случае используют жидкость для активации абсорбирующего элемента. Эта жидкость для активации абсорбирующего элемента может включать гидроксид натрия и гидроксид калия.
Абсорбирующий элемент размещен в канале с верхней стороны течения по отношению к структуре с электродами. Как указано выше, абсорбирующий элемент может быть сформирован в виде мембраны (или пленки), тонких частиц или пористого тела или же любой комбинации указанных видов. Данное изобретение может быть использовано для выполнения жидкостного хроматографического анализа, иммунологического анализа или других видов обнаружения, и одна из этих конфигураций абсорбирующего элемента может быть соответственно выбрана в зависимости от назначения. Каждая из конфигураций будет описана конкретным образом ниже.
[Мембрана]
Абсорбирующий элемент сформирован в виде фильтра с использованием волокон. В качестве альтернативы может также быть использована полимерная или металлическая мембрана, в которой сформированы соответствующие отверстия. Например, мембрана может быть спроектирована таким образом, чтобы иметь поверхность, которая обладает специфической конфигурацией или модифицирована функциональными группами для обеспечения способности к абсорбции вещества, подлежащего выявлению, или чтобы иметь волокна, являющиеся носителями частиц, обладающих специфической способностью к абсорбции.
[Тонкие частицы]
Тонкие частицы могут быть образованы таким образом, чтобы иметь поверхность, которая обладает специфической конфигурацией или модифицирована функциональными группами для обеспечения способности к абсорбции вещества, подлежащего выявлению. Канал может быть частично заполнен такими тонкими частицами, например, на расстоянии в продольном направлении примерно 10 мм или более в форме колонки для выполнения хроматографии. Участок, заполненный частицами, может иметь форму прямоугольного параллелепипеда или цилиндрическую форму.
[Пористое тело]
Этот абсорбирующий элемент состоит из пористого тела, имеющего большое число непрерывных пор. Например, пористое тело включает монолитный пористый неорганический материал, такой как пористая керамика или пористое стекло, и пористый полимерный материал, такой как пористый полиакриламидный гель или пористый сополимер стирола/дивинилбензола. Пористое тело может быть сформировано таким образом, чтобы поверхность каждой непрерывной поры обладала специфической конфигурацией или модифицированную функциональными группами для обеспечения способности к абсорбции вещества, подлежащего выявлению. Основа или элемент, которые имеют непрерывные поры и интегральную или раздельную структуру, могут ниже называться «монолитная основа или элемент». Кроме того, монолитная основа, имеющая длину менее той, которая обеспечивает хроматографию, будет ниже называться «монолитным диском», а монолитная основа, имеющая длину менее той, обеспечивающую хроматографию, будет ниже называться «монолитной колонкой». Каждый из этих терминов будет использоваться в зависимости от назначения. Монолитная колонка позволяет жидкости проходить через нее при более низком давлении по сравнению с колонкой, заполненной смолой. Соответственно, может быть использован насос для подачи жидкости под низким давлением для содействия уменьшению размеров и снижению потребляемой мощности при поддержании способности к выполнению анализа на том же самом уровне. По той же самой причине монолитный диск позволяет жидкости проходить через нее при сравнительно низком давлении для содействия уменьшению размеров устройства. Монолитная колонка и монолитный диск, имеющие интегральную структуру, могут способствовать операции установки абсорбирующей основы в микрореактор в виде картриджа.
Абсорбирующий элемент может быть сформирован из любого материала из группы, включающей в себя: сополимер стирола/дивинилбензола; полиметакрилатную смолу, полигидроксиметакрилатную смолу; поливиниловый спирт; полиолефин с полиэтиленом, полипропиленом и сополимером этилена/пропилена в качестве типичных представителей; сополимер олефина/галогенированного олефина с сополимером этилена/тетрафторэтана и сополимером этилена/хлортрифторэтилена в качестве типичных представителей; галогенированный полиолефин с политетрафторэтиленом, поливинилиденфторидом и полихлортрифторэтиленом в качестве типичных представителей; полисульфон, кремнезем и глинозем. Волокнистый абсорбирующий элемент может быть изготовлен из волокнистого материала, такого как: различные виды природных или регенерированных волокон, типичными представителями которых являются целлюлозный материал, растительные волокна, включая хлопок и пеньку, и волокна животного происхождения, включая шелк и шерсть; и различные виды синтетических волокон, включая полиэфирное волокно и полиамидное волокно.
При условии, что поверхность стенки, образующей канал, предназначена для абсорбции вещества, подлежащего выявлению, абсорбирующий элемент, имеющий любую другую конфигурацию, также может выполнять такую же функцию обогащения.
Чтобы поверхность абсорбирующего элемента обладала способностью к абсорбции специфического вещества, подлежащего выявлению, поверхность может иметь структуру, комплементарную по отношению к данному специфическому веществу, подлежащему выявлению, или иметь на поверхности иммобилизованные функциональные молекулы, которые обеспечивают по меньшей мере один вид связи из ионной связи, координационной связи, хелатной связи, гидрофобного взаимодействия и взаимодействия вследствие полярности молекул.
Функциональные молекулы, которые обеспечивают такое взаимодействие, включают сульфогруппу, группу четвертичного аммония, октадецильную группу, октильную группу, бутильную группу, аминогруппу, триметильную группу, цианопропильную группу, аминопропильную группу, нитрофенилэтильную группу, пиренилэтильную группу, диэтиламиноэтильную группу, сульфопропильную группу, карбоксильную группу, карбоксиметильную группу, сульфоксиэтильную группу, ортофосфатную группу, диэтил(2-гидроксипропил)аминоэтильную группу, фенильную группу, иминодиацетатную группу и хелатообразующую группу, включающую этилендиамин и атом серы, например, функциональные группы, такие как меркаптогруппа, дитиокарбаматная группа и группа тиомочевины, и атомные группы, такие как авидин, биотин, желатин, гепарин, лизин, никотинамид-аденин-динуклеотид, протеин A, протеин G, фенилаланин, лектин семян клещевины, декстран сульфат, аденозин 5'-фосфат, глутатион, этилендиамин диацетат, процион красный, аминофенилборат, сывороточный альбумин крупного рогатого скота, полинуклеотид (например, ДНК) и протеин (например, антитела). Эти вещества могут быть использованы отдельным образом или два или более из них могут быть использованы в комбинации.
Функцией элюента является элюирование из абсорбирующего элемента вещества, подлежащего выявлению, которое абсорбировано данным абсорбирующим элементом. Эффективность элюента зависит от механизма абсорбции. Соответственно, с учетом химических характеристик абсорбции выбирают специфический вид элюента. Например, в случае элюента, содержащего ионы, способные легко абсорбироваться на поверхности абсорбирующего элемента, когда элюент пропускается через данный абсорбирующий элемент, эти ионы в элюенте заменяются на вещество, подлежащее выявлению, которое абсорбировано абсорбирующим элементом в форме ионов, обеспечивая элюирование вещества, подлежащего выявлению, из абсорбирующего элемента. В данном изобретении может быть использован, в зависимости от веществ, подлежащих выявлению, элюент, имеющий указанный ниже состав.
TM
При измерении кадмия, свинца и/или ртути в качестве абсорбирующего элемента используют дисковый картридж Empore (торговое название: Cation-SR, поставляемого 3M), а в качестве элюирующей жидкости используют жидкость (pH=примерно 4), содержащую 0,4 M хлорида калия, 10 мМ лимонной кислоты и 3,5 мМ этилендиамина. Этот абсорбирующий элемент приготавливают иммобилизацией тонких частиц размером от 50 до 100 мкм на волокнах из Teflon и формованием волокон в виде мембраны толщиной от 0,5 до 0,75 мм. Тонкие частицы и волокна из Teflon смешаны в количестве 10% и 90%, соответственно. Абсорбирующий элемент имеет поверхность, модифицированную сульфонатными группами.
TM
При измерениях мышьяка, селена и/или шестивалентного хрома в качестве абсорбирующего элемента используют дисковый картридж Empore (торговое название: Anion-SR, поставляемого 3M), а в качестве элюирующей жидкости используют 1 M серную кислоту (pH=примерно 2). Этот абсорбирующий элемент приготавливают иммобилизацией тонких частиц размером от 50 до 100 мкм на волокнах из Teflon и формованием волокон в виде мембраны толщиной от 0,5 до 0,75 мм. Тонкие частицы и волокна из Teflon смешаны в количестве 10% и 90%, соответственно. Абсорбирующий элемент имеет поверхность, модифицированную четвертичным амином.
Следует заметить, что, в зависимости от вида абсорбирующего элемента, необходимо пропускать жидкость для активации абсорбирующего элемента через абсорбирующий элемент перед пропусканием через него жидкого образца. Например, четвертичный амин для использования при абсорбции мышьяка, селена и/или шестивалентного хрома может проявлять свою способность к абсорбции только после того, как он приводится в соприкосновение с ионом OH, поскольку его способность к абсорбции обусловлена реакцией, в которой ион OH замещается анионом вещества, подлежащего выявлению. В этом случае используют жидкость для активации абсорбирующего элемента. Эта жидкость для активации абсорбирующего элемента может включать гидроксид натрия и гидроксид калия.
Размер абсорбирующего элемента может устанавливаться свободным образом до величины, позволяющей абсорбционной способности абсорбирующего элемента не насыщаться во время процесса абсорбции вещества, подлежащего выявлению. Например, для определения размера абсорбирующего элемента можно вычислить, как много вещества, способного к абсорбции абсорбирующим элементом, содержится в жидкости. Несмотря на то, что абсорбирующий элемент со сравнительно малой абсорбционной способностью облегчает увеличение коэффициента обогащения, в нем легко происходит насыщение адсорбции. Соответственно, необходимо выбирать абсорбирующий элемент, имеющий размер с желательной абсорбционной способностью. Если для абсорбирующего элемента предполагают использование для хроматографии, то он должен быть сформирован таким образом, чтобы иметь форму колонки длиной по меньшей мере 10 мм или более в направлении канала.
В абсорбирующем элементе пористость и размер непрерывных пор устанавливают в таких пределах, чтобы они обеспечивали надежное соприкосновение жидкого образца с поверхностью непрерывных пор и не создавали проблем с засорением. Предпочтительно, при использовании в качестве абсорбирующего элемента мембрана имеет размер отверстий между волокнами примерно 0,3 мкм или более, а тонкие частицы имеют размер примерно от 2 до 50 мкм. Кроме того, монолитная колонка предпочтительно имеет непрерывные поры размером примерно от 1 до 50 мкм.
TM
В рассмотренных выше вариантах осуществления данного изобретения адекватные результаты измерений могут быть получены при использовании указанного выше дискового картриджа Empore, поставляемого 3M. Этот дисковый картридж имеет довольно малую толщину. Соответственно, объем элюента, требующийся для элюирования тяжелого металла, абсорбированного абсорбирующим элементом, может быть уменьшен, например, до чрезвычайно низкой величины от 9 до 15 мкл, и поэтому концентрация тяжелого металла в элюенте увеличивается, обеспечивая анализ с высокой чувствительностью. При анализе малого количества вещества, подлежащего выявлению, критическим фактором является уменьшение требующегося объема элюента до чрезвычайно низкой величины, независимо от конфигурации абсорбирующего элемента.
Кроме того, абсорбирующий элемент, сформированный в виде тонкой мембраны, позволяет снизить почти до нуля давление подачи жидкости, требующееся для прохождения через него жидкого образца. Уменьшение размеров насоса важно для уменьшения габаритов устройства, и снижение давления подачи жидкости эффективно в этом отношении. С этой точки зрения предпочтительно использование абсорбирующего элемента, сформированного в виде тонкой мембраны.
2
2
Детекторный картридж снабжен микроканалом для переноса и накапливания в нем различных жидкостей. Канал для переноса жидкости образован канавкой, которая имеет ширину примерно от несколько сотен мкм до нескольких мм и глубину в несколько сотен мкм. Предпочтительно данный канал имеет площадь поперечного сечения примерно от 100 мкм до 1 мм. Чрезмерно большая площадь поперечного сечения канала может вызвать проблему с засорением канала находящимися в нем тонкими частицами и/или трудности с высвобождением газовых пузырьков. Поверхность внутренней стенки канавки, образующей канал, может быть подвергнута обработке для придания ей гидрофильности для улучшения переноса жидкости. Такая гидрофильная обработка дополнительно предоставляет способность к предотвращению застаивания газовых пузырьков в канале.
В отношении механизма введения детекторного картриджа в считывающий блок блока обработки детекторный картридж предпочтительно вводят в корпус считывающего блока механическим образом. С точки зрения обеспечения надежного соединения электродов и отверстий детекторного картриджа с клеммами, клапанным механизмом и отверстиями для подачи различных жидкостей в их надлежащих позициях корпус блока обработки предпочтительно имеет держатель для поддерживания детекторного картриджа в предварительно заданном положении. Детекторный картридж и корпус сформированы с образованием, соответственно, углубления и выступа для соответствующего соединения одного с другим. Соответственно, данные углубление и выступ будут сцепляться одно с другим с обеспечением надежного удержания детекторного картриджа корпусом блока обработки.
Электрохимическое обнаружение выполняют посредством нескольких штыревых клемм, закрепленных на держателе. Предпочтительно, каждая из клемм размещена в позиции, соответствующей каждому из электродов детекторного картриджа после его введения в блок обработки, и сконструирована с возможностью перемещения внутрь и наружу под действием пружины, размещенной на ее внутренней стороне, так что обеспечивается надежный контакт. Соответственно, когда детекторный картридж введен в блок обработки, каждая из клемм, закрепленная на держателе в заданной позиции непосредственно над соответствующим одним из электродов детекторного картриджа, будет надежно приведена в соприкосновение с соответствующим электродом посредством смещающего усилия пружины. В этом случае, в соответствии с заданным профилем измерений, к этим электродам прикладывается напряжение для определения тока, протекающего через электроды, и сигнал обнаружения поступает в блок памяти и/или блок отображения информации.
Блок подачи жидкости может содержать насос для подачи жидкости, клапанный механизм для поочередного открытия/закрытия отверстий во время подачи жидкости и электронную плату для управления насосом и клапанным механизмом. Клапанный механизм соединен с соответствующими контейнерами, содержащими соответственно элюент, жидкий электролит, жидкость для предварительной обработки абсорбирующего элемента, очистную жидкость и др.
Предпочтительно насос для подачи жидкости рассчитан на стабильную подачу небольшого объема жидкости при постоянном расходе без пульсаций. Более конкретно, насос для подачи жидкости сконструирован для стабильного достижения расхода примерно от 5 до 100 мкл/мин при давлении подачи жидкости от 0,01 до 10 МПа. Кроме того, насос для подачи жидкости предпочтительно имеет небольшой и легкий корпус и малую потребляемую мощность. Насосы для подачи жидкости, отвечающие этим требованиям, включают в себя шприцевой насос. Предпочтительным шприцевым насосом является «Pencil Pump», поставляемый Uniflows Corp. (Япония).
В одном из вариантов осуществления данного изобретения предпочтительно выполнение измерений при подаче жидкого образца, содержащего вещество, подлежащее выявлению, при постоянном расходе. Для этой цели предпочтительно используют средство для определения расхода. При наличии образца, который содержит вещество, подлежащее выявлению, такое как тяжелые металлы, поданного в форме жидкости, число ионов тяжелого металла, прошедших вдоль поверхности структуры с электродами за единичный период времени может быть увеличено, и тем самым количество вещества, подлежащего выявлению, которое осаждается на электроде, увеличивается, обеспечивая выполнение измерений с более высокой точностью. Кроме того, свежий жидкий образец может подаваться непрерывным образом при постоянном расходе для устранения необходимости принятия во внимание влияния остаточного объема жидкости для активации абсорбирующего элемента, очистной жидкости или т.п. и контроля общего объема жидкого образца. Это делает возможным выполнение высокоточного анализа лишь посредством регулирования расхода. Кроме того, расход может быть изменен в зависимости от вида или концентрации веществ, подлежащих выявлению, для выполнения измерения при адекватных условиях и для различных видов веществ, подлежащих выявлению, при использовании обычного чипа.
В вышеуказанном варианте осуществления изобретения анализы в интервалах как высоких, так и низких концентраций могут быть выполнены одновременно с высокой точностью измерений посредством регулирования расхода (т.е., линейной скорости) жидкого образца. Контроль расхода, предоставляющий это преимущество, может быть обеспечен лишь при использовании средства определения расхода.
В вышеуказанном варианте осуществления данного изобретения с использованием контроля расхода может быть предусмотрено несколько рабочих электродов, и каждый из рабочих электродов может быть сформирован таким образом, чтобы иметь разную площадь поверхности, или участки канала, принимающие в себя соответствующие рабочие электроды, могут быть сформированы таким образом, чтобы иметь разные размеры, такие как ширина и/или глубина, чтобы вещество, подлежащее выявлению, осаждалось на поверхности каждого из рабочих электродов в разном количестве, обеспечивая одновременное выполнение анализов в интервалах низких и высоких концентраций. Например, когда первый рабочий электрод, имеющий диаметр 1 мм, и второй рабочий электрод, имеющий диаметр 2,5 мм, используются в сочетании, может быть использовано два интервала чувствительности, различающиеся примерно в 19 раз. В этом случае предпочтительно, чтобы второй электрод для обнаружения в интервале более низких концентраций был расположен в верхнем течении канала, а первый электрод для обнаружения в интервале более высоких концентраций был расположен в нижнем течении канала по отношению ко второму электроду.
Данное изобретение может быть применено в аналитическом устройстве для жидкостного хроматографического анализа. То есть, в другом варианте осуществления данного изобретения данное детекторное устройство картриджного типа может использовать детекторный картридж для жидкостного хроматографического анализа. В этом случае детекторный картридж может включать колонку для адаптации жидкого образца и ячейку для измерения оптической плотности, а блок обработки может включать источник света, оптическую систему для направления луча от источника света к ячейке для измерения оптической плотности детекторного картриджа и спектрометр, функционирующий таким образом, что в ответ на прием света, прошедшего через ячейку для измерения оптической плотности, выдает информацию о веществе, подлежащем выявлению. В этом варианте осуществления изобретения предпочтительно выполнять измерения при подаче жидкого образца, который содержит вещество, подлежащее выявлению, при постоянном расходе, как в вышеуказанном варианте осуществления изобретения.
Вещества, подлежащие выявлению, которые являются объектом жидкостного хроматографического анализа, могут включать протеин, олигомер нуклеиновой кислоты, ДНК, РНК, пептид, агрохимикаты, синтетические органические молекулярные олигомеры, полимеры, добавки, моносахариды, дисахариды, олигосахариды, полисахариды, насыщенную жирную кислоту, ненасыщенную жирную кислоту, глицерид, фосфолипид, стероид, анионы и катионы. Принцип измерений, как правило, известен, и в данном изобретении может быть использован вид методики измерений, базирующийся на общеизвестном принципе. При жидкостном хроматографическом анализе участок накапливания может быть сформирован таким же образом, что и в случае вышеуказанного устройства для определения концентрации.
В данном изобретении блок обработки может иметь участок введения картриджа для введения в него с возможностью отделения детекторного картриджа и участок для установки резервуара с реагентом, на котором закрепляют с возможностью отделения резервуар с реагентом. Кроме того, несколько отверстий детекторного картриджа могут включать отверстие для жидких отходов, а блок обработки может включать размещенный в нем резервуар для жидких отходов, который принимает жидкие отходы от детекторного картриджа. В этом случае клапанный механизм для переключения линии обеспечивает выборочным образом протекание жидкости между отверстием для жидких отходов детекторного картриджа и резервуаром для жидких отходов.
Клапанный механизм для переключения линий и клапанный механизм для переключения резервуаров могут быть установлены на пластине клапана для переключения линий и пластине клапана для переключения резервуаров, соответственно. По меньшей мере пластина клапана для переключения линий или пластина клапана для переключения резервуаров может иметь структуру, сформированную прочным ламинированием нескольких плоских элементов, каждый из которых сформован литьем под давлением пластикового материала или обрезкой листового материала. В этом случае по меньшей мере в одном из плоских элементов предварительно формируют в виде желательного рисунка отверстие или канал в виде канавки для протекания жидкости. Каждый из остальных плоских элементов может иметь отверстие или канал в виде канавки или же может не иметь отверстия или канала в виде канавки.
Вышеуказанная структура пластины клапана делает возможным размещение требуемой траектории канала компактным образом. Кроме того, эта структура обладает преимуществом с точки зрения как эффективности, так и технического обслуживания, поскольку она обеспечивает возможность предотвращения ошибочного расположения канала при уменьшении числа компонентов и позволяет оператору или пользователю простым образом находить места засорения в канале и протечки жидкости при облегчении операции замены. Кроме того, плоские элементы могут быть изготовлены из прозрачного пластикового материала для предоставления преимущества, заключающегося в улучшенном обзоре внутренней стороны пластины клапана. В реальной конструкции пластина клапана может быть сформирована таким образом, что имеет небольшой объем, например, несколько кубических сантиметров, и большая часть требуемой траектории канала может быть преимущественно расположена в этом небольшом пространстве.
Плоский элемент может быть прочно ламинирован способом с использованием адгезива или связующего, способом термической сварки (соединения), способом ультразвуковой сварки или способом диффузионной сварки. Способ диффузионной сварки включает воздействие атмосферы с высокой температурой/под высоким давлением на несколько целевых элементов, для индуцирования в данных элементах атомную диффузию и обеспечить полное сплавление одной с другой соприкасающихся поверхностей смежных элементов. Эту технологию используют главным образом для металлов, и она может быть также применена для пластиковых материалов. Пластиковые материалы, пригодные для диффузионной сварки, включают акриловую смолу, смолу на основе PEEK (полиэфирэфиркетона) и ПТФЭ (политетрафторэтилена).
В данном изобретении блок обработки может иметь корпус, в котором размещено электронное средство обработки, включающее источник электропитания и средство обработки информации. Несколько резервуаров с реагентами могут включать резервуар для очистной жидкости, резервуар для активирующей жидкости и резервуар для элюента. Элюент, проходящий через канал в детекторном картридже, обеспечивает элюирование вещества, подлежащего выявлению, которое временно сохраняется на участке накапливания детекторного картриджа, и его подачу в канал в детекторном картридже, чтобы подвергнуть его желательному анализу.
Как рассмотрено выше, участок накапливания может заключать в себе, например, абсорбирующий элемент, обладающий способностью к абсорбции вещества, подлежащего выявлению. Кроме того, по меньшей мере одним из нескольких резервуаров с реагентами может быть резервуар с элюентом. В этом случае назначением элюента, запасенного в данном резервуаре для элюента, является элюирование вещества, подлежащего выявлению и накопленного в секции накапливания, который может содержать, например, абсорбирующий элемент, обладающий способностью к абсорбции вещества, подлежащего выявлению. Эффективность элюента зависит от механизма абсорбции. Соответственно, с учетом химических характеристик абсорбции выбирают специфический вид элюента. Например, в случае элюента, содержащего ионы, способные легко абсорбироваться на поверхности абсорбирующего элемента, когда элюент пропускается через данный абсорбирующий элемент, эти ионы в элюенте заменяются на вещество, подлежащее выявлению, которое абсорбировано абсорбирующим элементом в форме ионов, обеспечивая элюирование вещества, подлежащего выявлению, из абсорбирующего элемента. В данном изобретении может быть использован элюент, имеющий различный состав, в зависимости от веществ, подлежащих выявлению.
Данное изобретение может быть также реализовано в качестве устройства для иммунологического анализа. В этом случае вещества, подлежащие выявлению, могут включать различные аллергены, такие как яичный желток, яичный белок, коровье молоко, арахис, креветки, крабы, рыба, моллюски, соя, манго, другие продукты питания, известные как аллергены, пылевые клещи, перья, пыльца, грибки, бациллы, тараканы и собачья или кошачья шерсть. Вещества, подлежащие выявлению, могут также включать химикаты, вызывающие расстройство деятельности желез внутренней секреции, агрохимикаты, иммуноглобулины, включая иммуноглобулины E и иммуноглобулины G, гистамины, гены (РНК), маркеры стресса, антигены или антитела, включенные в различные протеины, кровь человека или животного, компоненты крови, мочу и слюну, и компоненты, указывающие на специфическую болезнь.
При классификации иммунологического анализа выделяют: анализ с меткой и анализ без метки (сэндвич-анализ); или гомогенный анализ и негомогенный анализ, в соответствии с видами используемых меток или со способами разделения антигена и антитела после реакции между ними. Специфический анализ проводят при их комбинировании. Несмотря на то, что возможны различные комбинации, ниже будет рассмотрена предпочтительная комбинация для использования в данном изобретении.
Известны разнообразные методики обнаружения, которые включают: анализ с меткой, такой как иммунонефелометрия, латексная нефелометрия и анализ с использованием иммуносенсора, содержащего электрод с антигеном и электрод с антителами; и анализ без метки, такой как ферментный иммунологический анализ, флуоресцентный иммунологический анализ, люминесцентный иммунологический анализ, спиновый иммунологический анализ, металлоиммунологический анализ, иммунологический анализ с подсчетом частиц и иммунологический анализ антигенной структуры вирусов, и данное изобретение может быть использовано для любого из этих способов анализа.
В одном из вариантов осуществления изобретения секция накапливания детекторного картриджа может быть сформирована в виде фильтра, и вещество, подлежащее выявлению, такое как антиген или антитела, иммобилизируется на поверхности фильтра. Вещество, подлежащее выявлению, может быть иммобилизировано на поверхности фильтра непосредственным образом, или же оно может быть иммобилизировано посредством подходящих лиганд. Например, эта иммобилизация может быть достигнута погружением пластикового материала или углеродных волокон в раствор антигена и/или антител. В зависимости от используемых антигенов или антител, желательно выполнение иммобилизации с использованием металла, как в случае иммобилизации меркаптогрупп на золоте. В этом случае металлическое покрытие может быть легко сформировано на углеродных волокнах плакированием, распылением или обработкой плазмой.
Антиген и/или антитела выбирают или комбинируют надлежащим образом в зависимости от вещества, подлежащего выявлению. Например, возможные комбинации могут включать: авидин для биотина; протеин A для иммуноглобулина; рецептор гормонов для гормона; рецептор ДНК для ДНК; рецептор РНК для РНК; и рецептор лекарственного препарата для лекарственного препарата.
Процесс иммунологического анализа в первом приближении разделяют на первый этап индуцирования реакции антигена с антителами и второй этап обнаружения метки, прореагировавшей с антигеном или антителами. Вещество, подлежащее выявлению, и другие вещества отделяются одно от другого на участке накапливания при реакции антигена с антителами на первом этапе, и отделенное вещество, подлежащее выявлению, анализируется качественно и/или количественно в детекторном средстве, размещенном в нижнем течении по отношению к участку накапливания. Детекторное средство, используемое на втором этапе, может быть предназначено для электрохимического анализа или оптического анализа. При электрохимическом анализе может быть использована такая же структура с электродами, что и в вышеуказанном устройстве для определения концентрации. При оптическом анализе может быть использована такая же оптическая ячейка, что и при жидкостном хроматографическом анализе.
Помеченные вещества для иммунологического анализа могут включать протеиновую метку, метку из хемилюминесцентного вещества и ион металла. При иммунологическом анализе с использованием протеиновой метки после того, как метка иммобилизована на участке накапливания, субстрат проходит через участок накапливания, и результирующий продукт реакции обнаруживается детекторным аппаратом в нижнем течении. Например, комбинации метки и субстрата могут включать: глюкозу для глюкозооксидазы, ксантин для ксантиноксидазы, аминокислоту для оксидазы аминокислоты; аскорбат для аскорбатоксидазы; ацил-коэнзим A для оксидазы ацил-коэнзима A; холестерин для холестериноксидазы; галактоза для оксидазы галактозы; оксалат для оксалатоксидазы; и саркозин для саркозиноксидазы.
Оптический анализ может быть выполнен при использовании метки из фермента, такого как пероксидаза, β-галактозидаза или щелочная фосфатаза. При оптическом анализе может быть использован колориметрический способ или флуоресцентный способ.
Детекторное устройство согласно данному изобретению может быть также использовано для анализа, основанного на другом принципе, такого как анализ на основе специфической реакции присоединения. В этом случае секция накапливания может быть изготовлена из вещества, которое обеспечивает протекание специфической реакции присоединения, обусловливая возможность применения для IMAC (хроматографии по сродству к закрепленному металлу), гибридизации комплементарных ДНК и других видов анализа различных протеинов.
В любом из рассмотренных выше вариантов осуществления изображения детекторное устройство картриджного типа по данному изобретению обеспечивает закрепление на детекторном картридже элемента или компонента, необходимого для проведения операций сложной замены, очистки и/или восстановления для каждого измерения. Например, данный компонент соответствует электродам для электрохимического анализа, хроматографической колонке для жидкостной хроматографии или твердофазному антигену или антителу для иммунологического анализа, и этот компонент закреплен на детекторном картридже.
Оптическая ячейка может быть легко встроена в детекторный картридж, и такая компоновка желательна с точки зрения снижения нагрузки на измерителя или оператора. В качестве альтернативы, с учетом того, чтобы оптическая ячейка могла быть легко очищена водой, данная оптическая ячейка может быть установлена на блоке обработки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
ФИГ. 1 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей, иллюстрирующее детекторный картридж в соответствии с одним из вариантов осуществления данного изобретения.
ФИГ. 2(a) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее детекторный картридж в собранном состоянии.
ФИГ. 2(b) представляет собой вид сечения вдоль линии A-A на ФИГ. 2(a).
ФИГ. 2(c) представляет собой вид сечения вдоль линии B-B на ФИГ. 2(a).
ФИГ. 3 представляет собой вид сечения, схематически иллюстрирующий прохождение жидкости через детекторный картридж.
ФИГ. 3(a) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее поток жидкого образца в детекторном картридже.
ФИГ. 3(b) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее закрепленное состояние держателя шприца.
ФИГ. 3(c) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее поток элюента в детекторном картридже.
ФИГ. 4 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей, иллюстрирующее структуру блока обработки.
ФИГ. 4(a) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее состояние, когда детекторный картридж вставлен в держатель картриджа.
ФИГ. 4(b) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее состояние после закрытия держателя картриджа.
ФИГ. 4 (c) представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей, иллюстрирующее внутреннюю структуру держателя картриджа.
ФИГ. 5 представляет собой перспективный внешний вид блока обработки.
ФИГ. 6(a) и 6(b) представляют собой схематические изображения, иллюстрирующие блок обработки, соединенный с внешними устройствами.
ФИГ. 7 представляет собой блок-схему электрической системы в блоке обработки.
ФИГ. 8(a) представляет собой блок-схему, иллюстрирующую часть процесса измерений.
ФИГ. 8(b) представляет собой блок-схему, иллюстрирующую часть процесса измерений, следующую за ФИГ. 8(a).
ФИГ. 8(c) представляет собой блок-схему, иллюстрирующую часть процесса измерений, следующую за ФИГ. 8(b).
ФИГ. 8(d) представляет собой принципиальную схему системы в целом, иллюстрирующую детекторное устройство в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 9 представляет собой график, иллюстрирующий кривые потенциал-ток, полученные при измерениях мышьяка и селена.
ФИГ. 10 представляет собой график, иллюстрирующий кривые потенциал-ток, полученные при измерениях кадмия, свинца и ртути.
ФИГ. 11 представляет собой схематический вид сечения, иллюстрирующий один из примеров модификации участка обогащения в детекторном картридже.
ФИГ. 12 представляет собой схематический вид сечения, иллюстрирующий другой пример модификации участка обогащения.
ФИГ. 13(a) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее аналитический блок для использования с детекторным картриджем в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 13(b) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее аналитический блок по ФИГ. 13(a), с которого снят щиток.
ФИГ. 13(c) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее нижний корпус аналитического блока.
ФИГ. 14(a) представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей, иллюстрирующее детекторный картридж для использования при электрохимическом анализе в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 14 (b)-(i) по (b)-(iii) показывают собранное состояние детекторного картриджа, на среди которых ФИГ. 4 (b)-(i), (b)-(ii) и (b)-(iii) представляют собой, соответственно, перспективное изображение, вид сечения вдоль линии A-A на ФИГ. 4 (b)-(i), и вид сечения вдоль линии B-B на ФИГ. 4 (b)-(i).
ФИГ. 14(c) представляет собой вид вертикального сечения детекторного картриджа на ФИГ. 14(a).
ФИГ. 15(a) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее поток жидкости в детекторном картридже на ФИГ. 14(a), который соответствует ФИГ. 3(a).
ФИГ. 15(b) представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее поток жидкости в детекторном картридже на ФИГ. 14(a), который соответствует ФИГ. 3(с).
ФИГ. 16 представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее взаимное расположение пластины линии переключения резервуаров, резервуара с реагентом и переключающего клапанного механизма.
ФИГ. 17 представляет собой вид сечения, иллюстрирующий соединительный механизм для резервуара с реагентом.
ФИГ. 18 представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее расположение различных компонентов в верхнем корпусе аналитического блока.
ФИГ. 19 представляет собой вид сечения, иллюстрирующий соединение между пластиной линии переключения резервуаров и переключающим клапанным механизмом.
ФИГ. 20 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее взаимосвязь насоса для подачи жидкости, пластины линии переключения резервуаров и пластины линии переключения места назначения.
ФИГ. 21 представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее держатель картриджа для использования в аналитическом блоке.
ФИГ. 22 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий несколько отверстий в нижней поверхности детекторного картриджа.
ФИГ. 23 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую взаимосвязь соответствующих переключающих клапанов в аналитическом блоке.
ФИГ. 24 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей, иллюстрирующее структуру пластины линии переключения места назначения.
ФИГ. 25 представляет собой перспективное изображение в разобранном виде, иллюстрирующее соединение с резервуаром для отходов.
ФИГ. 26 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее соединение с резервуаром для отходов.
ФИГ. 27 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую детекторное устройство для использования при хроматографическом анализе в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 28(a) представляет собой таблицу, иллюстрирующую первоначальную стадию процесса обнаружения, которую выполняют при использовании первой линии канала обнаружения детекторного картриджа для определения концентрации.
ФИГ. 28(b) представляет собой таблицу, иллюстрирующую заключительную стадию процесса обнаружения, которую выполняют при использовании первой линии канала обнаружения детекторного картриджа для определения концентрации.
ФИГ. 29(a) представляет собой таблицу, иллюстрирующую первоначальную стадию процесса обнаружения, которую выполняют при использовании второй линии канала обнаружения детекторного картриджа для определения концентрации.
ФИГ. 29(b) представляет собой таблицу, иллюстрирующую заключительную стадию процесса обнаружения, которую выполняют при использовании второй линии канала обнаружения детекторного картриджа для определения концентрации.
ФИГ. 30(a) представляет собой таблицу, иллюстрирующую первоначальную стадию процесса обнаружения, которую выполняют при использовании детекторного картриджа для хроматографического анализа.
ФИГ. 30(b) представляет собой таблицу, иллюстрирующую заключительную стадию процесса обнаружения, которую выполняют при использовании детекторного картриджа для хроматографического анализа.
ФИГ. 31 представляет собой перспективный внешний вид, иллюстрирующий устройство для жидкостного хроматографического анализа в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения.
ФИГ. 32 представляет собой вид сечения, иллюстрирующий детекторный картридж для использования в устройстве для анализа по ФИГ. 31 вместе с соединениями с переключающим клапанным механизмом.
ФИГ. 33(a) и 33(b) представляют собой изображения деталей в разобранном виде, показывающие структуру детекторного картриджа на ФИГ. 32, среди которых ФИГ. 33(a) показывает соответствующие нижние поверхности пластиковых пластин, образующих детекторный картридж, а ФИГ. 33(b) соответствующие верхние поверхности пластиковых пластин.
ФИГ. 34 (a) и 34(b) представляют, соответственно, вид сечения вдоль линии "a"-"a" на ФИГ. 33(a) и a вид сечения вдоль линии "b"-"b" на ФИГ. 33(a).
ФИГ. 35 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий внутреннюю структуру верхнего корпуса аналитического блока устройства для анализа по ФИГ. 31.
ФИГ. 36 представляет собой перспективное изображение, иллюстрирующее взаимное расположение пластины клапана для переключения канала, направляющего элемента и детекторного картриджа.
ФИГ. 37 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий пластину клапана для переключения резервуара.
ФИГ. 38 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую процесс эксплуатации устройства для жидкостного хроматографического анализа на ФИГ. 31-37.
ФИГ. 39 представляет собой таблицу, иллюстрирующую проведение аналитического процесса в виде временного ряда.
ФИГ. 40 представляет собой график, иллюстрирующий результаты обнаружения в примере 1.
ФИГ. 41(a)-41(c) представляют собой схемы технологического процесса, которые схематически изображают некоторые примеры, в которых данное изобретение используют для иммунологического анализа, при этом: ФИГ. 41(a) иллюстрирует один из примеров использования для конкурентного иммунологического анализа; ФИГ. 41(b) иллюстрирует один из примеров использования для так называемого сэндвич иммунологического анализа в конкурентном иммунологическом анализе; а ФИГ. 41(c) иллюстрирует один из примеров использования для неконкурентного иммунологического анализа.
ФИГ. 42 представляет собой вид снизу детекторного картриджа, использованного в примере 5.
ФИГ. 43 представляет собой вид снизу детекторного картриджа, использованного в примере 6.
ФИГ. 44 представляет собой таблицу, иллюстрирующую последовательность технологических операций в примере 5.
ФИГ. 45 представляет собой таблицу, иллюстрирующую последовательность технологических операций в примере 6.
ФИГ. 46 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей, иллюстрирующее один из примеров детекторного картриджа, содержащий три пластиковых базовых пластины, который приближенно соответствует ФИГ. 1.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение будет теперь описано в виде варианта его осуществления, проиллюстрированного прилагаемыми чертежами.
[Измерение различных тяжелых металлов при использовании детекторного картриджа]
ФИГ. 1 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей, иллюстрирующее детекторный картридж, пригодный для использования при определении концентрации тяжелых металлов в соответствии с одним из вариантов осуществления данного изобретения. В данном проиллюстрированном варианте осуществления детекторный картридж 1 содержит, в сочетании, четыре базовые пластины 11, 12, 13, 14 из смолы, наложенные одна на другую в указанном порядке в верхнем направлении. В типичном примере каждая из базовых пластин имеет размер в плоскости 35×50 мм и толщину 1 мм, и данные базовые пластины наложены одна на другую, с образованием пакета толщиной примерно 4 мм.
Абсорбирующий элемент 22a, приспособленный для абсорбции анионоактивного вещества, структура с анионоизбирательным электродом для обнаружения анионоактивного вещества, катион-абсорбирующий элемент 22b, приспособленный для абсорбции катионоактивного вещества, структура с катионоизбирательным электродом для обнаружения катионоактивного вещества, расположены между базовыми пластинами 12, 13. Матрица анионоизбирательного электрода включает два рабочих электрода 31, 32, противоэлектрод 33, соответствующий рабочим электродам 31, 32, и электрод 34 сравнения, а матрица катионоизбирательного электрода включает два рабочих электрода 35, 36, электрод 37 сравнения и противоэлектрод 38. На базовой пластине 12 сформировано несколько вогнутых участков для приема этих электродов в соответствующих заданных позициях. А именно, как показано на ФИГ. 1, два вогнутых участка 31a, 32a сформированы как две камеры для рабочих электродов для приема в них соответствующих рабочих электродов 31, 32. Кроме того, вогнутый участок 33a сформирован как камера для противоэлектрода для приема в нее противоэлектрода 33, а вогнутый участок 34a сформирован как камера для электрода сравнения для приема в нее электрода 34 сравнения. Аналогичным образом два вогнутых участка 35a, 36a, вогнутый участок 37a и вогнутый участок 38a сформированы, соответственно, как две камеры для рабочих электродов, камера для электрода сравнения и камера для противоэлектрода. Каждый из абсорбирующих элементов 22a, 22b служит в качестве участка накапливания для временного сохранения обнаруживаемого вещества, т.е., вещества, подлежащего выявлению.
Обычно в качестве рабочего электрода для измерений мышьяка и селена (измерений мышьяка/селена) используют золотой электрод (например, размером 3,5×8,4×0,5 мм), имеющий слой из золота, который сформирован на стеклянной подложке, а в качестве рабочего электрода для измерений кадмия, свинца, ртути и шестивалентного хрома (измерений кадмия/свинца/ртути/шестивалентного хрома) используют плоский углеродный электрод (например, размером 3,5×8,4×0,5 мм). В этом варианте осуществления изобретения рабочий электрод 31 может быть образован золотым электродом для измерений мышьяка/селена, а каждый из рабочих электродов 32, 35, 36 может быть образован плоским углеродным электродом для измерений кадмия/свинца/ртути/шестивалентного хрома). Каждый из противоэлектродов 33, 38 может быть образован из одинакового плоского углеродного электрода (например, размером 3,5 мм×8,4 мм ×0,5 мм), аналогичного тому, который был использован в качестве рабочего электрода 32, а каждый из электродов 34, 35 сравнения может быть образован из электрода (например, размером 3,5×8,4×0,5 мм), имеющего подложку из оксида алюминия, покрытую пастой из серебра (6022, поставляемую Acheson Ltd. (Япония)). Понятно, что каждый из электродов может быть сформирован с любой другой подходящей конфигурацией.
Каждый из электродов 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 сформирован таким образом, что имеет обычные размеры и принимается в соответствующий один из вогнутых участков 31a, 32a, 33a, 34a, 35a, 36a, 37a, 38a таким образом, что верхняя поверхность электрода размещается заподлицо с верхней поверхностью базовой пластины 12. Три клейкие ленты размещены, соответственно, между базовыми пластинами 11, 12, между базовыми пластинами 12, 13 и между базовыми пластинами 13, 14, для обеспечения взаимного соединения прилегающих одна к другой базовых пластин с обеспечением жидкостной герметичности. Хотя на ФИГ. 1 показана лишь одна клейкая лента 24, размещенная между базовыми пластинами 12, 13, каждая из остальных клейких лент, расположенных между другими базовыми пластинами, имеет такую же конфигурацию. В каждой из клейких лент сформировано соединительное отверстие или сквозное отверстие в заданной позиции.
Соответствующие верхние поверхности всех электродов, включая рабочие электроды 31, 32, 35, 36, маскированы клейкой лентой 24. Как показано на ФИГ. 1, в маске 24 сформировано восемь сквозных отверстий в позициях, соответствующих электродам, обеспечивая обнажение электродов посредством этих отверстий. А именно, числовые обозначения 241, 242 на ФИГ. 1 указывают два сквозных отверстия, которые соответствуют рабочим электродам 31, 32 в матрице катионоизбирательного электрода для обнаружения катионоактивного вещества. Сквозные отверстия, соответствующие электродам в матрице катионоизбирательного электрода для обнаружения катионоактивного вещества, сформированы аналогичным образом. В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения каждое сквозное отверстие 241, соответствующее рабочему электроду 31, и сквозное отверстие, соответствующее рабочему электроду 35, сформировано в виде кругового сквозного отверстия диаметром 1 мм, а каждое из сквозных отверстий, соответствующее остальным электродам, включая рабочие электроды 32, 36, сформировано в виде кругового сквозного отверстия диаметром 2 мм. Эти сквозные отверстия предусмотрены в качестве средства обеспечения приведения электродов с 31 по 38 в соприкосновение с жидкостью. Кроме того, клейкая лента 24 имеет два сквозных отверстия 243, 244, которые сформированы в позициях, соответствующих абсорбирующим элементам 22a, 22b, и имеют такой же размер, что и абсорбирующие элементы 22a, 22b. Хотя это не описано отдельно, в каждой из указанных трех клейких лент, включая клейкую ленту 24, сформировано другое соединительное отверстие или сквозное отверстие в позиции, соответствующей другому элементу, такому как другой вогнутый участок, сформированный в каждой из базовых пластин.
Как показано на ФИГ. 1, на базовой пластине 11 сформирован вогнутый участок, образующий резервуар 110 для жидких отходов, первая пара 111 каналов в виде канавки, образующих часть жидкостного канала, и вторая пара 112 каналов в виде канавки, образующих часть данного жидкостного канала. В базовой пластине 12 сформирована пара сквозных отверстий 201 для подачи через них жидкого образца. Каждое из сквозных отверстий 201 сформировано в том месте, в котором базовая пластина 12 наложена на базовую пластину 11, и каждое из сквозных отверстий 201 обеспечивает протекание жидкости через один из их концов (т.е. первый конец), соответствующий одной из первой пары 111 каналов в виде канавки. В этом состоянии другой конец (т.е. второй конец) каждого из первой пары 111 каналов в виде канавки соединен с возможностью протекания жидкости с указанным ниже каналом в виде канавки базовой пластины 14 через соответствующие сквозные отверстия, сформированные в базовой пластине 12 и базовой пластине 13. Каждый из второй пары каналов в виде канавки 112 имеет один конец (т.е. первый конец), соединенный с возможностью протекания жидкости с соответствующим одним из абсорбирующих элементов 22a, 22b. Базовая пластина 12 также имеет соединительное отверстие 202, сформированное в месте, совмещенном с резервуаром для жидких отходов 110 базовой пластины 11.
В базовой пластине 13 сформирована пара сквозных отверстий 301 и пара вогнутых участков 302 таким образом, что, когда базовая пластина 13 наложена на базовую пластину 12, каждое из сквозных отверстий 301 совмещено с соответствующим одним из сквозных отверстий 201 базовой пластины 12, и каждый вогнутый участок 302 принимает верхнюю часть соответствующего абсорбирующего элемента 22a, 22b. Базовая пластина 13 также имеет канал 303 в виде канавки, сформированный в месте, совмещенном с матрицей анионоизбирательного электрода (31, 32, 33, 34), и канал 304 в виде канавки, сформированный в месте, совмещенном с матрицей катионоизбирательного электрода (35, 36, 37, 38). Кроме того, в базовой пластине 13 сформирована камера 305 для жидкого электролита, в которой размещается упаковка с жидким электролитом в качестве жидкости для активирования электрода сравнения, и соединительное отверстие 306, соединенное с возможностью протекания жидкости с камерой 305 для жидкого электролита и соединительным отверстием 202 базовой пластины 12. Базовая пластина 12 снабжена игольчатым элементом 203, выступающим в камеру 305 для жидкого электролита базовой пластины 13. В базовой пластине 14 сформирована пара сквозных отверстий 401, соединенных с возможностью протекания жидкости с соответствующими сквозными отверстиями 301 базовой пластины 13, и соединительное отверстие 402, соединенное с возможностью протекания жидкости с камерой 305 для жидкого электролита базовой пластины 13. В базовой пластине 14 в виде единого целого с ней сформирован участок 402a с гибкой тонкой пластиной, расположенной со стороны внешней поверхности пластины таким образом, что перекрывает соединительное отверстие 402 (см. ФИГ. 2(a) и 2(b)). Электролит, служащий в качестве жидкости для активирования электрода сравнения, поступает из алюминиевой упаковки, в которой он находится, и эта упаковку с электролитом размещают в камере 305 для жидкого электролита. Камера 305 для жидкого электролита соединена с возможностью протекания жидкости с камерами для электродов сравнения.
В базовой пластине 14 сформирована пара каналов 403 в виде канавки, и каждый из каналов 403 в виде канавки имеет один конец (т.е. первый конец), соединенный с возможностью протекания жидкости со вторым концом соответствующего канала 111 в виде канавки базовой пластины 11 посредством сквозных отверстий базовых пластин 12, 13. Как видно на ФИГ. 1, каждая из матрицы анионоизбирательного электрода (31, 32, 33, 34) и матрицы катионоизбирательного электрода (35, 36, 37, 38) открыта к соответствующему одному из противоположных боковых краев базовой пластины 12. Сквозные отверстия 201, 301, 401 совместно образуют впускное отверстие 1a для жидкого образца.
ФИГ. 2(a) показывает детекторный картридж в собранном состоянии после наложения базовых пластины 11, 12, 13, 14 на ФИГ. 1 одной на другую. ФИГ. 2(b) представляет собой вид сечения вдоль линии A-A на ФИГ. 2(a), который показывает сечение через абсорбирующие элементы, а ФИГ. 2(c) представляет собой вид сечения вдоль линии B-B на ФИГ. 2(a), который показывает сечение через камеру 305 для жидкого электролита для электродов сравнения.
ФИГ. 3 схематически показывает жидкостной канал в детекторном картридже, в котором сторона верхнего течения и сторона нижнего течения расположены, соответственно, на левой стороне и на правой стороне чертежа. Каждое числовое обозначение или код на ФИГ. 3 соответствует обозначениям на ФИГ. 1. Приведенное ниже описание относится к участку жидкостного канала для измерений мышьяка/селена, который включает в качестве примера анион-абсорбирующий элемент 22a. Абсорбирующий элемент 22a сформирован в виде круглой мембраны, имеющей диаметр 5 мм и толщину 600 мкм, и поддерживается таким образом, что кромка абсорбирующего элемента 22a зажата между соответствующими краями противоположных вогнутых участков 21a базовых пластины 12, 13 для приема абсорбирующего элемента. Края вогнутых участков 21a для приема абсорбирующего элемента сформированы таким образом, для предотвращения протечки жидкости вдоль кромки абсорбирующего элемента 22a. Кроме того, каждый из этих вогнутых участков сформирован в виде конуса для предотвращения образования ступеньки на стенке канала в направлении протекания жидкости. Это делает возможным формирование плавного потока жидкости в направлении ее протекания и предотвращает образование газовых пузырьков. Как показано на ФИГ. 3, базовая пластина 11 имеет внешнюю поверхность со сформированным на ней отверстием 113 для внешнего соединения, которое соединено с каналом 111 в виде канавки, отверстием 114 для внешнего соединения, которое соединено с каналом 112 в виде канавки в месте, расположенном рядом с вогнутым участком для размещения абсорбирующего элемента 21a, и отверстием 115 для внешнего соединения, которое соединено с каналом 112 в виде канавки в месте, расположенном рядом с концом канала в виде канавки 112 в его нижнем течении. На внешней поверхности базовой пластины 11 также сформировано отверстие 116 для внешнего соединения, которое соединено с каналом 304 в виде канавки базовой пластины 13 через сквозное отверстие базовой пластины 12. Каждое из отверстий 113, 114, 115, 116 для внешнего соединения контролируется клапанным механизмом, который будет описан ниже и приспособлен для коммутирования соответствующих отверстий желательным образом. На ФИГ. 3 показана часть 5-ходового клапанного механизма для такого коммутирования. Этот клапанный механизм будет конкретно описан ниже со ссылками на ФИГ. 4.
Во время операции обнаружения вещества, подлежащего выявлению, при использовании детекторного картриджа в соответствии с этим вариантом осуществления, отверстия 113,114, 116, 117 для внешнего соединения закрываются, а отверстие 115 открывается. Затем с помощью держателя шприца жидкий образец, содержащий вещество, подлежащее выявлению, инжектируется в участок 1a детекторного картриджа для впуска жидкого образца, состоящий из сквозных отверстий 401, 301, 201, вместе с жидкостью для активации анион-абсорбирующего элемента, если это необходимо. На ФИГ. 3(a) показан маршрут протекания потока жидкого образца при этой операции. Жидкий образец, инжектированный через участок 1a детекторного картриджа для впуска жидкого образца, т.е., через сквозные отверстия 401, 301, 201, при использовании шприца протекает через зону жидкостного канала, образованную канавкой 111 и сквозными отверстиями базовых пластин 12, 13, в вертикальном направлении вверх. Затем жидкий образец протекает через зону жидкостного канала, образованную канавкой 403 базовой пластины 14, и достигает абсорбирующего элемента 22a. Вещество, подлежащее выявлению, которое содержится в данном жидком образце, абсорбируется абсорбирующим элементом 22a, и после прохождения через абсорбирующий элемент 22a жидкий образец выпускается из отверстия 115 для внешнего соединения, которое установлено в открытое состояние клапанным механизмом. ФИГ. 3(b) иллюстрирует один из примеров держателя шприца при его использовании. Держатель включает два зажимных элемента 15, 16, сконструированных таким образом, что между ними прочно зажат детекторный картридж 1. Зажимный элемент 15 имеет конструкцию, обеспечивающую перекрывание с обеспечением жидкостной герметичности неиспользуемого сквозного отверстия 40 участка впуска жидкого образца. В зажимном элементе 16 сформировано соединительное отверстие для закрепления в нем шприца 17.
Жидкий электролит для активации электрод сравнения 34 подается в камеру 305 для жидкого электролита через отверстие 117 для внешнего соединения. Затем клапанный механизм смещается для перекрывания отверстия 115 для внешнего соединения и открытия отверстия 113 для внешнего соединения для обеспечения протекания жидкости между рассмотренным ниже участком подачи жидкого элюента и отверстием 113 для внешнего соединения.
На ФИГ. 3(c) показан маршрут протекания элюента. Элюент, поданный из рассмотренного ниже участка подачи жидкого элюента, достигает абсорбирующего элемента 22a. Затем элюент после прохождения через абсорбирующий элемент 22a протекает по зоне жидкостного канала, образованной канавкой 112. Во время этого процесса вещество, подлежащее выявлению, абсорбированное абсорбирующим элементом 22a, вымывается в элюент. Элюент, содержащий вещество, подлежащее выявлению, протекает вдоль соответствующих верхних поверхностей анион-детектирующих электродов 31, 32, 33, 34 через зону жидкостного канала в канавке 112 и зону жидкостного канала, образованную канавкой 303 базовой пластины 13. Элюент, который содержит вещество, подлежащее выявлению, и протекает вдоль верхних поверхностей матрицы анионоизбирательного электрода, вызывает формирование электрического сигнала, предоставляющего информацию о концентрации вещества, подлежащего выявлению матрицей анионоизбирательного электрода.
На ФИГ. 4 показана структура блока 2 обработки. Блок 2 обработки содержит узел 21 обработки и участок 22 подачи жидкого элюента, который размещен в его корпусе 20. Участок 22 подачи жидкого элюента включает кассету 50 для резервуаров с жидким элюентом, в которой размещено несколько (в этом варианте осуществления три резервуара) резервуаров 54, 55, 56 с элюентом, клапанный механизм 51 для переключения каждого из отверстий 113, 114, 115, 116 для внешнего соединения, сформированных в базовой пластине 11, и насос 52. Кассета 50 для резервуаров с жидким элюентом сконструирована таким образом, что может быть вставлена в корпус 20, а клапанный механизм 51 и насос 52 фактически размещены в корпусе 20, хотя они показаны на ФИГ. 4 с внешней стороны корпуса 20 для большей наглядности. Клапанный механизм 51 включает 5-ходовой клапан 53a и 4-ходовой клапан 53b. 5-ходовой клапан 53a соединен с каждым из резервуаров 54, 55, 56 для элюента через насос 52 и 4-ходовой клапан 53b. 5-ходовой клапан 53a соединен с каждым из выпускных отверстий 115, 116, 117 для внешнего соединения. Хотя это не показано на ФИГ. 3, на которой представлены лишь отверстия для внешнего соединения, предназначенные для обнаружения анионоактивного вещества, в базовой пластине 11 также сформировано три подобных отверстия для внешнего соединения, предназначенных для обнаружения катионоактивного вещества, и 5-ходовой клапан функционирует для переключения этих отверстий для внешнего соединения. Отверстие 113 для внешнего соединения с впускной стороны в качестве впускного отверстия для элюента используется как для обнаружения анионоактивного вещества, так и для обнаружения катионоактивного вещества.
4-ходовой клапан 53b предусмотрен в качестве средства переключения протекания жидкости между каждым из резервуаров 54, 55, 56 с элюентом и насосом 52. Резервуары 54, 55, 56 с элюентом содержат соответственно жидкий элюент для анион-абсорбирующего элемента, жидкий элюент для катион-абсорбирующего элемента (этот элюент используют также в качестве жидкого электролита) и очистную жидкость, такую как вода, и 4-ходовой клапан 53b обеспечивает выборочную подачу одной из этих жидкостей в насос 52.
Кассета 50 для резервуаров с жидким элюентом, в которой размещены резервуары с элюентом, сконструирована таким образом, чтобы обеспечить ее закрепление с возможностью съема на корпусе 20 блока обработки 2. Соответственно, если объем жидкости, оставшейся в одном из резервуаров для жидкостей, становится малым, то данный резервуар может быть отделен для подачи в него жидкости. Как видно для резервуара 56 с элюентом на ФИГ. 4, каждый из данных резервуаров для жидкостей имеет съемную крышку 57 и резиновое кольцо, обеспечивающее полную герметичность соединения корпуса резервуара с крышкой 57 для предотвращения протечек элюента. Кроме того, крышка 57 имеет верхнюю часть со структурой в виде соединителя, способную к соединению с крышкой 58 кассеты 50 для резервуаров с жидким элюентом простым образом посредством одного ручного перемещения.
Узел 21 обработки, размещенный в корпусе 20 блока 2 обработки, включает электронную плату 66 со смонтированным на ней микропроцессором и различными приводными схемами и имеет верхнюю поверхность 67, снабженную блоком отображения информации и пользовательским интерфейсом, таким как несколько кнопок для ручного управления. Кроме того, блок обработки имеет внешнюю поверхность, частично сформированную как короб 62 для введения детекторного картриджа. Этот короб 62 сформирован в виде навесной крышки и сконструирован с возможностью открытия и закрытия селективным образом по отношению к держателю 61 картриджа, который обеспечивает фиксирование в нем детекторного картриджа. Держатель 61 картриджа сконструирован с обеспечением открытия и закрытия по выбору.
ФИГ. 4(a) представляет собой схематическое изображение, на котором показан держатель 61 картриджа в открытом состоянии, а ФИГ. 4(b) представляет собой схематическое изображение, на котором держатель 61 картриджа показан в закрытом состоянии. Держатель 61 картриджа имеет конструкцию, показанную на ФИГ. 4(c). А именно, держатель 61 картриджа содержит верхнюю пластину 613, нижнюю структуру, образованную нижней пластиной 612 и соединенную с 5-ходовым клапаном 53a и трубками для подачи различных жидкостей, и прижимную пластину 614, перемещаемую с возможностью соединения с нижней структурой посредством фланца 611. Как видно из ФИГ. 4(c), которая показывает прижимную пластину 614 в откинутом и перевернутом положении, прижимная пластина 614 имеет нижнюю поверхность с двумя группами контактных штырей 615 для контакта с электродами и верхнюю поверхность с электрическими проводниками 616, соединенными со штырями 615 таким образом, что обеспечивается обмен электрическими сигналами между группами штырей и микропроцессором блока обработки. Две группы штырей 615 расположены в соответствии с матрицей анионоизбирательного электрода (31, 32, 33, 34) и матрицей катионоизбирательного электрода (35, 36, 37, 38), соответственно.
Нижняя поверхность прижимной пластины 614 снабжена парой эластичных уплотнительных элементов 411, приспособленных для соединения с соответствующими сквозными отверстиями 401 участка 1a впуска жидкого образца в детекторном картридже таким образом, чтобы предотвратить противоток жидкого образца, выступом 141, который может быть введен в камеру 305 для жидкого электролита с обеспечением направления жидкости для активирования электрода сравнения к желательному одному из электродов сравнения, и несколькими эластичными выступами 412, которые прижимают детекторный картридж 1 к верхней пластине 613 для предотвращения протечек различных жидкостей. Детекторный картридж 1 вставлен в держатель 61 картриджа в положении, показанном на ФИГ. 4(a).
В примере, проиллюстрированном ФИГ. 3, канавка 304, обращенная к матрице анионоизбирательного электрода, имеет глубину 200 мкм и ширину 3 мм. Глубина канавки 304 уменьшается в зоне жидкостного канала между противоэлектродом 33 и электродом 34 сравнения для образования жидкостного перехода. Этот жидкостной переход имеет глубину 100 мкм и ширину примерно 100 мкм. Остальной жидкостной канал имеет глубину 500 мкм и ширину 500 мкм. Сквозное отверстие 401 участка 1a впуска жидкого образца имеет размер, обеспечивающий надлежащий прием в него переднего конца шприца при его использовании для инжекции жидкого образца и обеспечивающий перекрывание сквозного отверстия 401 после установки в блоке обработки без какого-либо протекания жидкости. Объем жидкостного канала в детекторном картридже, исключая сквозное отверстие 401 участка 1a впуска жидкого образца, резервуар 110 для жидких отходов и соединительное отверстие 202, составляет примерно 1 мл. Объем каждой из двух линий канала обнаружения, проходящих, соответственно, через матрицу анионоизбирательного электрода и матрицу катионоизбирательного электрода, исключая резервуар 123 для жидких отходов, составляет 45 мкл.
Как показано на ФИГ. 5, после открытия короба 62 для введения картриджа детекторный картридж 1 может быть введен или удален в блок/из блока обработки через его боковую поверхность, как обозначено штрихпунктирной линией. Кассета 50 для резервуаров с жидким элюентом, в которой размещены резервуары 54, 55, 56 с жидкостями, может быть извлечена при необходимости из корпуса блока обработки для облегчения доливки и замены жидкостей. Блок 2 обработки включает батарею 63, способную к функционированию без соединения со шнуром питания, и коммуникационный блок 65, способный к беспроводной связи с внешним устройством.
Блок 2 обработки может быть сконструирован таким образом, что соединен с персональным цифровым секретарем (PDA), как показано на ФИГ. 6(a), или с компьютером 501, как показано на ФИГ. 6(b), для облегчения записи и/или передачи данных анализа. Кроме того, блок 2 обработки может быть сконструирован таким образом, что применим как в режиме питания от батареи, подходящем для мобильных измерений, так и в режиме питания от сети переменного тока, подходящем для стационарных измерений. ФИГ. 7 представляет собой блок-схему, показывающую конфигурацию системы обработки в блоке обработки. Как показано на ФИГ. 7, блок 2 обработки содержит блок управления, содержащий микроконтроллер и различные элементы, включая аналого-цифровой преобразователь, как указано в каждом блоке. Каждый из этих элементов может быть сконфигурирован при использовании обычного оборудования и его детальное описание будет опущено.
На ФИГ. 8(a)-8(c) представлены блок-схемы процесса обнаружения вещества, подлежащее выявлению, при использовании детекторного картриджа 1 и блока 2 обработки, проиллюстрированных ФИГ. 1-7. Ниже процесс измерений будет описан на нескольких примерах со ссылками на ФИГ. 8(a)-8(c).
На первом этапе процесса измерений детекторный картридж 1 поддерживают зажимными элементами 15, 16 держателя шприца без введения в блок 2 обработки. Держатель шприца сконструирован таким образом, что закрывает сквозные отверстия 401 участка 1a впуска жидкого образца, когда он поддерживает детекторный картридж 1. Вместо держателя шприца, показанного на ФИГ. 3(b), может быть использована пробка или крышка 41 для отверстия, как показано на ФИГ. 2(a), или клапан. Причиной перекрывания сквозного отверстия 401 является обеспечение плавного выпуска из отверстия 115 элюента после его подачи из отверстия 113 и прохождения через абсорбирующий элемент 22a.
Прежде всего, для активации абсорбционной способности анион-абсорбирующего элемента 22a из сквозного отверстия 401 участка 1a впуска жидкого образца инжектируют жидкость для активации анион-абсорбирующего элемента. Объем активирующей жидкости может быть установлен таким, чтобы обеспечить лишь увлажнение анион-абсорбирующего элемента 22a. А именно, может оказаться, что достаточно примерно 50 мкл активирующей жидкости. Затем 10 мл жидкого образца инжектируют из сквозного отверстия 401 участка 1a впуска жидкого образца и выпускают из отверстия 115 для внешнего соединения после прохождения через анион-абсорбирующий элемент 22a. Во время этого процесса мышьяк и селен в качестве веществ, подлежащих выявлению, абсорбируют и захватывают анион-абсорбирующим элементом 22a. Соответственно, в жидком образце при его выпуске не содержится вещество, подлежащее выявлению. Затем, для заполнения камеры для электрода сравнения раствором хлорида калия в качестве жидкости для активирования электрода сравнения образованием хлорида серебра в электроде 34 сравнения в камере 305 для жидкого электролита базовой пластины 13 размещают упаковку, содержащую активирующую жидкость, и нажимают на нажимной участок, т.е. гибкий тонкий участок 402a (см. ФИГ. 1 и 2(a)) базовой пластины 14. Соответственно, упаковка, содержащая активирующую жидкость, вскрывается игольчатым элементом 203, установленным на базовой пластине 12 в месте, соответствующем расположению упаковки, и раствор хлорида калия вытекает из упаковки в камеру для электрода сравнения, в которой размещен электрод 34 сравнения. Функцией раствора хлорида калия является формирование электрода серебро/хлорид серебра на поверхности электрода сравнения.
На втором этапе процесса измерений детекторный картридж 1 вставляют в блок 2 обработки. В ответ на введение детекторного картриджа 1 в блок 2 обработки клапанный механизм 51 приводится в действие, чтобы подать хлорид калия из отверстия 117 в камеру для электрода сравнения в матрице анионоизбирательного электрода. Затем открывается отверстие 113 для подачи элюента, обеспечивая подачу через него жидкого элюента. Одновременно закрываются сквозные отверстия 401 участка 1a впуска жидкого образца, и каждый из контактных штырей 615 для контакта с электродами приводится в соприкосновение с соответствующим одним из рабочих электродов 31, 32, противоэлектродом 33 и электродом 34 сравнения.
Затем, когда нажата кнопка запуска измерений на блоке 2 обработки для инициирования измерений, элюент для измерений мышьяка/селена (серная кислота 1 M; pH=примерно 2) поступает из отверстия 113, расположенного рядом с участком впуска жидкого образца. Элюент протекает через абсорбирующий элемент 22a и затем протекает вдоль электродов 31, 32, 33, 34. Во время этого процесса сквозные отверстия 401 перекрыты, и поэтому отсутствует опасность противотока элюента к участку впуска жидкого образца. Даже если зона жидкостного канала на участке электродов 31, 32, 33 связана в виде единого целого с зоной жидкостного канала на участке электрода 34 сравнения через жидкостной переход 133, чрезвычайно узкий жидкостной переход 133 может предотвратить противоток раствора хлорида калия из камеры для электрода сравнения к матрице электродов 31, 32, 33. Конец этого жидкостного канала, расположенный ниже всего по течению, соединен с резервуаром для жидких отходов блока обработки через отверстие 116.
Хотя зона жидкостного канала на участке электродов 31, 32, 33, жидкостной переход 133 и зона жидкостного канала на участке электрода сравнения 34, показанные на ФИГ. 3 для простоты, как будто бы они соединены последовательно с отверстием 116, они в действительности расположены так, как показано на ФИГ. 1. А именно, зона жидкостного канала на участке электрода сравнения 34 соединена через жидкостной переход 133 с промежуточным участком канала для протекания жидкости, вытянутым от зоны жидкостного канала на участке электродов 31, 32, 33 к отверстию 116. Соответственно, несмотря на то, что зона жидкостного канала на участке электродов 31, 32, 33 соединена с возможностью протекания жидкости с зоной жидкостного канала на участке электрода 34 сравнения, раствор хлорида калия на стороне электрода 34 сравнения никогда не смешивается с элюентом.
Состояние электрического соединения проверяется после заполнения зоны жидкостного канала на участке электродов 31, 32, 33 элюентом. А именно, напряжение или ток для каждого рабочего электрода 31, 32 проверяется при подаче определенного тока или напряжения между соответствующим рабочим электродом и противоэлектродом 33 для подтверждения того, что элюент подан в достаточном количестве для обеспечения адекватного электрического соединения, и контактные штыри находятся в адекватном соединении с соответствующими электродами. Объем элюента, требующийся для заполнения зоны жидкостного канала на участке электродов, при этом составляет примерно 40 мкл.
Затем на каждый рабочий электрод 31, 32 при одновременной подаче при постоянном расходе элюента для измерений мышьяка/селена из отверстия 113 для подачи жидкого элюента подают напряжение (-0,4 В) таким образом, чтобы осуществить осаждение мышьяка и селена на рабочих электродах 31, 32. Мышьяк и селен, захваченные абсорбирующим элементом 22a, вымываются элюентом, проходящим через данный абсорбирующий элемент, и примешиваются к этому элюенту. Затем мышьяк и селен достигают электродов вместе с элюентом. Мышьяк и селен осаждаются на рабочих электродах 31, 32 посредством восстановительной реакции, происходящей на электродах. Подача элюента и приложение напряжения осаждения будет продолжаться до полной десорбции абсорбированного мышьяка и селена. Например, при осаждении 300 мкл мышьяка и селена при расходе 50 мкл/мин абсорбированный мышьяк и селен практически полностью элюируются. Соответственно, время осаждения может быть установлено примерно 6 минут. При специфическом выполнении операции подача элюента продолжается в течение 5 минут 50 секунд и последние 10 секунд используются для стабилизации элюента в жидкостном канале. Затем, после прохождения 6 минут, инициируется операция развертки потенциала. Развертка потенциала может быть выполнена при следующих условиях:
Условия анодной стриппинговой вольтамперометрии (ASV)
Система развертки: LSV (Вольтамперометрия с линейной разверткой потенциала: развертка потенциала без приложения постоянной частоты)
Потенциал осаждения: -0,4 В
Время осаждения: 6 минут
Скорость развертки: 0,2 В/с
Начальный потенциал развертки: -0,4 В
Потенциал при завершении развертки: 1,2 В.
При этом регистрируется кривая потенциал-ток, полученная при вышеуказанной операции. Например, на основании данных регистрации может быть получен график, представленный на ФИГ. 9. Участок пика, наблюдающийся на этом графике, представляет собой ток, который протекает в то время, когда тяжелые металлы, осажденные на рабочем электроде во время осаждения, были растворены вследствие увеличения потенциала и соответствуют количеству растворенного вещества. Кривая потенциал-ток на ФИГ. 9, полученная в результате вышеуказанных измерений, показана вместо концентрации мышьяка и селена.
Процесс измерений для мышьяка и селена завершается вышеуказанной операцией. Вслед за этим инициируется измерение кадмия, свинца и ртути. За исключением указанных ниже моментов, измерение кадмия/свинца/ртути выполняется аналогичным образом, что и измерение селена. При данном измерении катионов смешивание ионов хлорида калия с элюентом не является фактором, нарушающим измерения. Соответственно, может быть использована одна и та же жидкость как в качестве жидкости для активирования электрода сравнения, так и в качестве элюента. А именно, отсутствует необходимость в образовании зоны жидкостного канала на участке электрода сравнения, независимой от зоны жидкостного канала на участке других электродов, и четыре электрода 35, 36, 37, 38 могут быть расположены последовательно. На ФИГ. 1 данные четыре электрода в качестве матрицы катионоизбирательного электрода расположены с образованием одной зоны жидкостного канала. В этом случае элюент может иметь следующий состав.
Элюент для измерения катионов
0,4 M хлорида калия + 10 мМ лимонной кислоты + 3,5 мМ этилдиамина (pH=примерно 4)
Для катион-абсорбирующего элемента 22b отсутствует необходимость в активирующей жидкости. Тем самым, операция, соответствующая вышеуказанному первому этапу процесса измерений, может быть выполнена лишь посредством инжекции жидкого образца.
Как показано на блок-схеме на ФИГ. 8(a) и (8c), вышеуказанный контроль выполняется узлом обработки блока обработки 2 в соответствии с программой.
ФИГ. 10 показывает кривую потенциал-ток, полученную при измерениях, выполняемых таким же образом, что и измерения анионов, за исключением указанных выше моментов. Как видно из ФИГ. 10, острый пик получают для каждого металла из кадмия, свинца и ртути, и разная площадь пиков очевидным образом зависит от концентрации данных металлов. При использовании полученной аналитической кривой может быть выполнен количественный анализ. Условия развертки потенциала следующие:
Условия ASV
Система развертки: SWV (Квадратно-волновая вольтамперометрия: развертка потенциала при приложении постоянной частоты)
Потенциал осаждения: -0,9 В
Время осаждения: 6 минут
Скорость развертки: 0,225 В/с
Начальный потенциал развертки: -0,9 В
Потенциал при завершении развертки: 0,6 В
Частота: 100 Гц
Шаг потенциала: 2,55 мВ.
В случае последовательного выполнения измерений мышьяка/селена и измерений кадмия/свинца/ртути после установки детекторного картриджа в держателе шприца жидкость для активации абсорбирующего элемента инжектируют через сквозное отверстие 401 участка 1a впуска жидкого образца с мышьяком/селеном. Затем 10 мл жидкого образца инжектируют в сквозное отверстие 401 участка 1a впуска жидкого образца с мышьяком/селеном и сквозное отверстие 401 участка 1a впуска жидкого образца с кадмием/свинцом/ртутью. После этого детекторный картридж 1 вставляют в блок 2 обработки. В ответ на нажатие кнопки запуска последовательно выполняются соответствующие операции подачи элюента для измерений мышьяка/селена, проверки электрического соединения, повторной подачи элюента и проведения электрохимических измерений. Затем последовательно выполняются соответствующие операции подачи элюента для измерений кадмия/свинца/ртути, проверки электрического соединения, повторной подачи элюента и проведения электрохимических измерений. После завершения измерений кадмия/свинца/ртути подается очистная жидкость из резервуара 503 для очистной жидкости для очистки клапанного механизма 51, насоса 52 и нескольких соединяющих их линий. На ФИГ. 8(d) представлена данная система в общем виде. Из резервуара 503 с очистной водой подается очистная жидкость в объеме, обеспечивающем как раз вымывание жидкости в клапанном механизме 51, насосе 52 и соединительных линиях. Общий объем очистной жидкости, включая очистную жидкость в клапанном механизме 51, насосе 52 и соединительных линиях, составляет примерно 600 мкл. Соответственно, элюент, находящийся в детекторном картридже, вымывается в объеме, эквивалентном примерно 600 мкл очистной жидкости, и сохраняется в резервуаре для жидких отходов 110.
За исключением того, что электрохимические измерения выполняются катодной стриппинговой вольтамперометрией (CSV), измерение шестивалентного хрома выполняют таким же образом, что и измерение мышьяка/селена. Вследствие разницы в схеме электрохимических измерений между измерением шестивалентного хрома и измерением мышьяка/селена измерение шестивалентного хрома и измерение мышьяка/селена выполняют при использовании отдельных детекторных картриджей вместо одновременного измерения. В противоположность этому измерение кадмия/свинца/ртути может быть выполнено сразу после завершения измерения шестивалентного хрома при использовании того же самого детекторного картриджа.
ФИГ. 11 представляет собой схематический вид сечения, иллюстрирующий один из примеров модификации участка накапливания в детекторном картридже по данному изобретению. В этой модификации участок накапливания сформирован как участок обогащения жидкого образца, приспособленный к обогащению жидкого образца нагреванием/испарением. А именно, в жидкостном канале 500, сформированном в детекторном картридже, размещен нагревательный элемент 501, такой как элемент Пельтье, открытый в жидкостной канал 500, и через нагревательный элемент 501 пропускается электрический ток посредством проводящей проволоки 502. На боковой стенке жидкостного канала 500, напротив нагревательного элемента 501, размещена пленка или мембрана 503 из прозрачного материала, проницаемого для паров, посредством которой пары, образованные нагреванием, выпускаются через мембрану 503, обеспечивая обогащение жидкого образца.
На ФИГ. 12 показан другой пример участка обогащения жидкого образца. В этом примере используется пористая мембрана. Жидкостной канал 600 имеет впускное отверстие для жидкого образца, снабженное клапаном 601, и выпускное отверстие для жидкого образца, снабженное клапаном 602. Кроме того, пористая мембрана 603 расположена таким образом, что разделяет жидкостной канал между камерой обогащения 600a и сливной камерой 600b.
В вышеуказанной модификации жидкий образец поступает через впускной клапан 601 после перекрывания выпускного клапана 602 и приложения соответствующего давления к камере обогащения 600a, чтобы обогатить жидкий образец в камере обогащения 600a. После обогащения выпускное отверстие 602 открывается для подачи обогащенного жидкого образца к структуре с электродами. Эта модификация имеет то преимущество, что обеспечивает уменьшение времени обогащения посредством свободного увеличения площади пористой мембраны 603.
ФИГ. 13(a), 13(b) и 13(c) представляют собой перспективный вид портативного аналитического блока, который может быть использован с вышеуказанным детекторным картриджем в соответствии с одним из вариантов осуществления данного изобретения. Как показано на ФИГ. 13(a), аналитический блок содержит корпус 700 анализатора (т.е. кожух), обычно имеющий форму прямоугольного параллелепипеда. Этот корпус 700 анализатора имеет верхний корпус 701 и нижний корпус 702, которые наложены один на другой в вертикальном направлении. Корпус 700 анализатора снабжен ручкой 703 для удобства переноса. Верхний корпус 702 открыт сверху, и на нем закреплен щиток 704 для образования верхней стенки.
На ФИГ. 13(b) представлена внутренняя конструкция верхнего корпуса после съема щитка 704. Верхний корпус 701 внутри имеет камеру 701b для резервуара для жидких отходов, ограниченную разделительной стенкой 701a и вытянутую вдоль одной из боковых стенок, вытянутой в продольном направлении, и резервуар 705 для жидких отходов размещен в данной камере 701b для резервуара для жидких отходов. Резервуар 705 для жидких отходов закреплен с возможностью отделения на верхнем корпусе 701.
С противоположной стороны камеры 701b резервуара для жидких отходов по отношению к разделительной стенке 701a образована камера 701c для вмещения различных функциональных компонентов, и несколько резервуаров 706 с реагентами расположено параллельно один другому в камере 701c в интервале от одной из торцевых стенок в продольном направлении до примерно центральной области. В этом варианте осуществления в ней расположено пять резервуаров с реагентами. На ФИГ. 14 показано лишь два крайних резервуара с реагентами для иллюстрации конструкции ниже резервуаров с реагентами. Кроме того, резервуар 706 с реагентом, прилегающий к торцевой стенке, показан с вырезом верхней части, чтобы показать его внутреннюю конфигурацию.
В камере 701c размещены переключающий клапанный механизм 707, содержащий несколько переключающих клапанов и расположенный ниже резервуаров 706 с реагентами, и пластина 708 линии переключения резервуаров, расположенная ниже переключающего клапанного механизма 707. В камере 701c также размещен держатель 709 картриджа, служащий в качестве участка введения картриджа, и насос 710 для подачи жидкости, расположенный с боковой стороны держателя 709 картриджа. Кроме того, вышеуказанный клапанный механизм 711 переключения места назначения и пластина линии переключения места назначения расположены ниже держателя 709 картриджа.
На ФИГ. 13(c) показана внутренняя конструкция нижнего корпуса 702. Нижний корпус 702 внутри имеет бокс 712 для батареи, расположенный вдоль одной из боковых стенок, вытянутой в продольном направлении, и электронную плату 713, расположенную на боковой стороне бокса 712 для батареи. Электронная плата 713 включает в себя необходимую схему управления и блок обработки, такой как микропроцессор.
Возвращаясь к ФИГ. 13a, щиток 704, закрепленный на верхней части верхнего корпуса 701, имеет открывающуюся крышку 714, расположенную в соответствии с местом размещения резервуаров 706 с реагентами, чтобы обеспечить возможность извлечения и размещения каждого из резервуаров с реагентами, и открывающуюся крышку 714a, расположенную в соответствии с местом размещения держателя 709 картриджа и предусмотренную для введения детекторного картриджа.
На ФИГ. 14(a), 14(b)-(i), 14(b)-(ii), 14(b)-(iii) и 14(c) показан детекторный картридж для использования при электрохимическом анализе в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения, который соответствует ФИГ. 1, 2(a), 2(b), 2(c) и 3 и в котором соответствующие элементы или компоненты обозначены такими же числовыми обозначениями. В этом варианте осуществления изобретения детекторный картридж имеет нижнюю поверхность, в которой, в дополнение к трем отверстиям 113, 114, 115, сформировано отверстие, приспособленное для соединения с резервуаром 705 для жидких отходов, и отверстие 117, приспособленное для соединения с резервуаром для реагента, содержащим жидкость для активирования электрода сравнения. Жидкостной канал между отверстиями 14, 15 сформирован внутри детекторного картриджа вместо того, чтобы быть сформированным с внешней стороны детекторного картриджа.
На ФИГ. 46 представлено изображение детекторного картриджа для использования при электрохимическом анализе в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения. Этот детекторный картридж для электрохимического анализа включает первый лист из смолы и второй лист из смолы, которые наслоены один на другой. В первом листе сформирован вогнутый участок для приема электрода и на данном вогнутом участке размещен электрод. Второй лист имеет жидкостной канал, сформированный в месте, соответствующем данному электроду, для протекания через него реагента. Детекторный картридж также включает изолирующий лист, расположенный между первым и вторым листами и имеющий отверстие предварительно заданной площади в месте, соответствующем электроду, участок накапливания, образованный в месте, удаленном от электрода, и третий лист, расположенный на одной или обеих соответствующих поверхностях первого и второго листов с их сторон, противоположных одна другой. В третьем листе сформирована канавка, образующая жидкостной канал, соединенный с возможностью протекания жидкости с участком накапливания. В рассмотренных выше детекторных картриджах, проиллюстрированных ФИГ. 1 и 14(a)-14(c), первый лист (базовая пластина 12) и второй лист (базовая пластина 13) наложены одна на другую, а третьи листы (базовые листы 11, 14) расположены на обеих соответствующих поверхностях первого и второго листов с их сторон, противоположных одна другой. В этом варианте осуществления третий лист наслоен только на одну поверхность (верхнюю поверхность на ФИГ. 46). Кроме того, этот детекторный картридж имеет одиночную линию канала обнаружения, сформированную таким образом, чтобы использоваться при измерениях как анионов, так и катионов. Жидкий образец поступает из специального держателя (не показан) независимо от детекторного картриджа.
ФИГ. 15(a) представляет собой схематическое изображение потока жидкости в детекторном картридже для хроматографического анализа, а ФИГ. 15(b) представляет собой схематическое изображение, соответствующее ФИГ. 3(c). Жидкостной канал 303 образует колонку для хроматографического анализа. В этом детекторном картридже по меньшей мере участок, соответствующий колонке 303, изготовлен из прозрачного пластикового материала, и анализ осуществляется посредством пропускания детектирующего света через этот участок, как детально описано ниже.
Как показано на ФИГ. 16 и 17, пластина 708 линии переключения резервуаров имеет верхнюю поверхность, на которой сформировано несколько участков 715 для приема резервуаров с реагентами, расположенных в ряд. На ФИГ. 16 показано состояние после закрепления резервуара 706 для реагента на одном из приемных участков 715, а ФИГ. 17 представляет собой вид сечения, показывающий приемный участок и резервуар с реагентом во время операции закрепления. Приемный участок 715 включает кольцеобразный выступ 715a, сформированный на верхней поверхности пластины 708, и штифт 715b для открытия резервуара с реагентом, выступающий вверх от центра кольцеобразного выступа 715a. На приемном участке 715 сформированы четыре щели 715c, каждая из которых имеет отверстия на верхней поверхности пластины 708 и вытянута вдоль гипотетической дуги, и кольцеобразная уплотнительная канавка 715d, сформированная вдоль внутренней периферийной поверхности выступа 715a и смежная с ней. В уплотнительной канавке 715d установлено кольцеобразное уплотнение 715e.
Резервуар 706 для реагента имеет нижний конец с выпуклым участком 706a, выступающим вниз. Выпуклый участок 706a имеет нижнюю поверхность, на которой сформирована кольцеобразная канавка 706b, соответствующая кольцеобразному выступу 715a на пластине 708. Резервуар для реагента 706 также имеет выпускное отверстие 706c для реагента, сформированное в месте, соответствующем щелям 715c пластины 708. Выпускное отверстие 706c снабжено клапаном 706e, смещенным пружиной 706d к его закрытой позиции. Резервуар 706 для реагента имеет верхнюю поверхность, на которой сформировано вентиляционное отверстие 706f, уплотненное материалом, проницаемым для газа и непроницаемым для жидкости.
Вышеуказанный резервуар 706 для реагента закрепляют в предварительно заданной позиции посадкой кольцеобразной канавки 706b на кольцеобразный выступ 715a. Во время этой операции штифт 715b пластины 708 толкает клапан 706e резервуара 706 для реагента вверх, чтобы открыть отверстие 706c для выпуска реагента, обеспечивая протекание жидкости между внутренним пространством резервуара 706 для реагента и щелями 715c. Щели 715c соединены с возможностью протекания жидкости с каналом, сформированным в пластине 708. Функцией кольцеобразного уплотнения 715e является предотвращение протечек жидкости между резервуаром 706 для реагента и пластиной 708.
ФИГ. 18, в частности, показывает канал 708a для протекания реагента и впускной канал 708b насоса, сформированные в пластине 708 линии переключения резервуаров, во взаимосвязи с переключающим клапанным механизмом 707. Канал 708a для протекания реагента для каждого из резервуаров с реагентами имеет первый конец, соединенный с возможностью протекания жидкости со щелями 715c, сформированными на приемном участке 715 пластины 708, и второй конец, имеющий отверстие на верхней поверхности пластины 708 в месте, расположенном ниже переключающего клапанного механизма 707, которое соединено с переключающим клапанным механизмом 707. На ФИГ. 19 показан пример соединения между каналом 708a и каналом 707a переключающего клапанного механизма 707.
На ФИГ. 18 также показан насос 710 для подачи жидкости. В то время как насос для подачи жидкости на ФИГ. 1 показан таким образом, что он проходит в продольном направлении верхнего корпуса 701, насос 710 для подачи жидкости на ФИГ. 18 показан в состоянии после поворачивания из позиции на ФИГ. 14 на 90 градусов для большей наглядности. В пластине 708 линии переключения резервуаров сформирован впускной канал 708b насоса. Этот канал 708a имеет отверстие P1 на одном конце, соединенное с переключающим клапанным механизмом 707, и отверстие P2 на другом конце, соединенное с возможностью протекания жидкости с впускным (т.е. засасывающим) отверстием насоса 710 для подачи жидкости. Это соединение с возможностью протекания жидкости достигается использованием трубки, как показано на ФИГ. 20.
Желательно, чтобы насос 710 для подачи жидкости имел малые размеры и обеспечивал стабильную подачу небольших объемов жидкости порядка микролитра без пульсаций. Кроме того, когда насос для подачи жидкости используют в портативном аналитическом блоке, требуется, чтобы он имел низкую потребляемую мощность. Данный насос для подачи жидкости может иметь расход от 5 до 100 микролитров/мин и выпускное давление от 0,01 до 10 МПа. Насосы для подачи жидкости, отвечающие этим требованиям, включают шприцевой насос, такой как «Pencil Pump», поставляемый Uniflows Corp., и «Confluent», поставляемый Scivex Inc.
При обращении снова к ФИГ. 18, на ней показана пластина 716 линии переключения места назначения. Эта пластина 716 расположена ниже держателя 709 картриджа и выше клапанного механизма 711 переключения места назначения. Как показано на ФИГ. 18, в пластине 716 линии переключения места назначения сформирован выпускной канал 716a насоса. Как показано на ФИГ. 20, выпускной канал 716a насоса имеет первый конец, соединенный с возможностью протекания жидкости с выпускным отверстием насоса 710 трубкой, и второй конец, соединенный с клапанным механизмом 711 переключения места назначения.
На ФИГ. 21 показан держатель 709 картриджа. Этот держатель 709 картриджа имеет такую же базовую конструкцию, что и тот, который показан на ФИГ. 4(a), и содержит верхнюю пластину 709a и нижнюю пластину 709b, которые соединены одна с другой петлей с возможностью открытия и закрытия. На нижней пластине 709b сформирован вогнутый участок 709c для приема и закрепления в нем детекторного картриджа. Хотя это и не показано на ФИГ. 21, верхняя пластина 709a снабжена электропроводкой и несколькими контактными штырями, приводимыми в соприкосновение с соответствующими электродами детекторного картриджа, как это имеет место для верхней пластины, показанной на ФИГ. 4(a). Верхняя пластина 709a держателя 709 картриджа имеет тыльную поверхность с уплотнительным элементом (не показан). Когда верхняя пластина 709a находится в закрытом положении, то этот эластичный элемент может противостоять изменениям в толщине детекторного картриджа для предотвращения протечек жидкости.
Вогнутый участок 709c, сформированный на нижней пластине держателя 709 картриджа, имеет нижнюю поверхность, на которой сформировано несколько отверстий для протекания жидкости в местах, соответствующих отверстиям для протекания жидкости, сформированным в нижней поверхности детекторного картриджа. В качестве одного из примеров отверстий на ФИГ. 22 показано несколько отверстий, сформированных в нижней поверхности вышеуказанного детекторного картриджа 1, проиллюстрированного ФИГ. 13(a)-15(b); эти отверстия обозначены кодами G', F'', F''', H', I', K' и L', соответственно. Отверстие H' или L' соответствует отверстию 113 на ФИГ. 3, а отверстие G' или K' соответствует отверстию 114 на ФИГ. 3. Отверстие F'' или F''' соответствует отверстию 116 для жидких отходов. Отверстие I' соответствует отверстию 117, соединенному с возможностью протекания жидкости с электродом сравнения детекторного картриджа 1.
Возвращаясь теперь к ФИГ. 18, на ней показано несколько каналов и отверстий, сформированных в пластине 716 линии переключения места назначения. На ФИГ. 18 верхняя поверхность пластины 716 имеет отверстия, соответствующие отверстиям на ФИГ. 22. Эти отверстия обозначены теми же кодами, что и на ФИГ. 22. Отверстие J' не используется в этом варианте осуществления изобретения, и поэтому отсутствует соответствующее отверстие в детекторном картридже 1.
Пластина 716 линии переключения места назначения имеет нижнюю поверхность с соответствующими отверстиями G, F, H, I, J, K, L, P2, и эти отверстия соединяются селективным образом с насосом 10 переключающим клапанным механизмом 711, частично показанным на ФИГ. 20. Отверстие P2, открытое на нижней поверхности пластины 716, соединено с выпускным каналом 716a насоса, как показано на ФИГ. 18, и соединено с возможностью протекания жидкости с насосом 710, как показано на ФИГ. 20. На ФИГ. 23 показаны соответствующие соединения для переключающего клапанного механизма 707 между насосом 710 для подачи жидкости и пластиной 708 линии переключения резервуаров и переключающего клапанного механизма 711 между насосом 710 для подачи жидкости и пластиной 716 линии переключения места назначения. На ФИГ. 23 в качестве одного из резервуаров 706 с реагентами используется резервуар, содержащий очистную жидкость, такую как вода.
ФИГ. 24 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей, которое показывает конструкцию пластины 716 линии переключения места назначения. Пластина 716 имеет многослойную структуру с верхней пластиной 720 и нижней пластиной 721, каждая из которых сформована из пластикового материала. Каждый из каналов, включая канал 761a, образован канавкой, сформированной на верхней поверхности нижней пластины 721. Во время формования одновременно формуют каждое из отверстий, открытые на нижней поверхности. Верхнюю пластину 720 формуют с требуемым числом отверстий, каждое из которых сформировано в направлении толщины пластины и открыто на ее верхней поверхности в заданных позициях. Эти верхняя и нижняя пластины 720, 721 скреплены адгезивом одна с другой с образованием пластины 716 линии переключения места назначения. При ссылке на ФИГ. 18, пластина 708 линии переключения резервуаров также имеет многослойную структуру с верхней пластиной 722 и нижней пластиной 723, каждая из которых сформована из пластикового материала. Кроме того, каждый из каналов в пластине 708 образован канавкой, сформированной на верхней поверхности нижней пластины 723. Во время процесса формования верхнюю пластину 722 формуют с отверстиями и щелями 715c, каждая из которых открыта на ее верхней поверхности.
На ФИГ. 25 и 26 показана структура соединения с резервуаром 705 для жидких отходов. Как показано на этих фигурах, резервуар 705 для жидких отходов имеет боковую стенку, в которой сформировано впускное отверстие 705a для жидких отходов. Это впускное отверстие 705a для жидких отходов снабжено уплотнительным элементом 705a, изготовленным, например, из тефлона. Камера 701b резервуара для жидких отходов имеет нижнюю стенку, на которой сформирован выпуклый участок, и на данном выпуклом участке закреплен элемент 731 для выпуска жидких отходов, имеющий полую иглу. Этот элемент 731 имеет канал, который является продолжением полой иглы 730 и соединен с возможностью протекания жидкости с одним из отверстий на нижней поверхности пластины 716 линии переключения места назначения посредством трубки. Резервуар 705 для жидких отходов закреплен в заданной позиции в состоянии, в котором уплотнительный элемент 705b проколот полой иглой 730 элемента 731.
В вышеуказанном варианте осуществления изобретения пластина 708 линии переключения резервуаров и пластина 716 линии переключения места назначения сформированы как отдельные элементы. В качестве альтернативы, эти элементы могут быть сформированы в виде единого цельного блока.
Хотя это не показано на ФИГ. 13(a), аналитический блок снабжен необходимым ручным переключателем и устройством отображения информации на щитке 704 корпуса 700 анализатора, и эти компоненты соединены соответствующим образом с электронной платой 713.
На ФИГ. 27 представлено изображение детекторного устройства для использования при электрохимическом анализе, в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения. В этом варианте осуществления три резервуара 706 с реагентами аналитического блока содержат соответственно очистную жидкость, элюент и активирующую жидкость. Резервуары 706 с реагентами соединяются переключаемым образом с насосом 710 для подачи жидкости соответственно через переключающий клапан 707-1, 707-2, 707-3. Детекторный картридж 1-1 содержит участок накапливания 21-1, имеющий фильтр для аккумулирования образца, и хроматографическую колонку 21-2. Участок накапливания 21-1 соединен с возможностью протекания жидкости каналами с отверстием 21-3 для впуска жидкости и с отверстием 21-4 для выпуска жидкости, которые открыты на нижней поверхности картриджа 1-1. Колонка 21-2 имеет отверстие 21-5 для впуска жидкости и отверстие 21-6 для выпуска жидкости.
Аналитический блок имеет пять переключающих клапанов 711-1, 711-2, 711-3, 711-4, 711-5 для обеспечения переключаемым образом протекания жидкости между выпускным отверстием насоса 710 для подачи жидкости и каждым из указанных отверстий. На ФИГ. 27 буквенные коды A, B, C, D для обозначения клапанов соответствуют буквенным кодам соответствующих клапанов на ФИГ. 18 и 23.
Процесс хроматографического анализа следующий:
(1) Перед установкой в аналитический блок образец инжектируют в детекторный картридж и пропускают через фильтр, используемый в качестве секции накапливания (т.е. обогащения) вещества, подлежащего выявлению, которое захвачено фильтром;
(2) Детекторный картридж вводят в аналитический блок;
(3) Активирующую жидкость подают в аккумулирующий фильтр (для предварительного удаления пузырьков газа и предотвращения их попадания в колонку во время основного этапа измерений);
(4) В колонку подают элюент;
(5) Выполняют основной этап измерений. Элюент пропускают через секцию накапливания → канал в аналитическом блоке → колонку → участок оптического обнаружения аналитического блока → резервуар для жидких отходов;
(6) Операцию идентификации и количественного определения вещества, подлежащего выявлению, выполняют на основании сигнала, сформированного на участок оптического обнаружения; и
(7) Очищают канал.
ФИГ. 28(a), 28(b), 29(a) и 29(b) представляют собой таблицы, показывающие временной ряд операций в случае использования данного аналитического блока в сочетании с детекторным картриджем для измерения концентрации. На этих фигурах термин «первая линия» означает одну из матриц электродов на ФИГ. 1, например, матрицу электродов 35, 36, 37, 38, а термин «вторая линия» означает другую матрицу электродов, например, матрицу электродов 31, 32, 33, 34. На этих фигурах буквенные коды клапанов для обозначения клапанов соответствуют буквенным кодам соответствующих клапанов на ФИГ. 23. Кроме того, термин «автоматическая установка в исходное состояние» означает, что насос для подачи жидкости автоматически устанавливается в нулевую позицию.
ФИГ. 30(a) и 30 представляют собой таблицы, показывающие временной ряд операций в случае использования данного аналитического блока в сочетании с детекторным картриджем для хроматографического анализа. На этих фигурах буквенные коды клапанов соответствуют буквенным кодам соответствующих клапанов на ФИГ. 27. Кроме того, код «CG» означает, что жидкость протекает через детекторный картридж. ФИГ. 31 представляет собой перспективный внешний вид, иллюстрирующий аналитическое устройство для использования при жидкостном хроматографическом анализе в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения. Это аналитическое устройство содержит аналитический блок 800, включающий кожух (т.е. корпус) 801, обычно имеющий форму прямоугольного параллелепипеда. Кожух 801 имеет верхнюю стенку, снабженную поворотной крышкой 802, приспособленную к открытию и закрытию выборочным образом отверстия 803 для введения картриджа, которое сформировано в верхней стенке для обеспечения введения через него картриджа 804 для жидкостного хроматографического анализа. Кожух 801 аналитического блока 800 на ФИГ. 31 имеет верхний корпус 801a и нижний корпус 801b, аналогично кожуху 700 аналитического блока, описанный с привлечением ФИГ. 13(a)-13(c). Нижний корпус 801b имеет такую же конструкцию, что и нижний корпус 702 кожуха 700 на ФИГ. 13(c), и содержит такой же бокс для батареи и электронную плату (не показаны) как те, что показаны на ФИГ. 13(c). На ФИГ. 31 также показаны вилка электрического соединителя 805 и разъем 806 для соединения с персональным компьютером, которые соединены с боксом для батареи через сетевой адаптер.
ФИГ. 32 представляет собой схематический вид сечения картриджа 810 для жидкостного хроматографического анализа. Картридж 810 имеет многослойную структуру с четырьмя пластиковыми пластинами 811, 812, 813, 814, изготовленными формованием, и по меньшей мере самой верхней и самой нижней пластиковыми пластинами 811, 814, изготовленными из прозрачного пластикового материала.
Самая нижняя пластиковая пластина 814 имеет четыре отверстия 814a, 814b, 814c, 814d. Отверстие 814a служит в качестве отверстия для подачи реагента, а отверстие 814b служит в качестве отверстия для инжекции жидкого образца. Отверстие 814c служит в качестве отверстия для циркуляции жидкого образца, отверстие 814d служит в качестве отверстия для жидких отходов. Промежуточные пластиковые пластины 812, 831 сформированы таким образом, что образуют вогнутый участок 816 для фильтра между их поверхностями соприкосновения для размещения в нем фильтра 815, который служит в качестве участка накапливания для временного сохранения вещества, подлежащего выявлению. Кроме того, в промежуточных пластиковых пластинах 812, 831 сформирован участок 817 канала, который вытянут от отверстия 814b и проходит через пластины в направлении толщины картриджа 810 при пересечении с вогнутым участком 816, и участок 818 канала для циркуляции жидкости, который вытянут от отверстия 814a и проходит через пластины в направлении толщины. Самая верхняя пластиковая пластина 811 имеет на внутренней поверхности канавку, образующую участок 819 канала, который соединяет участки 817, 818 канала с обеспечением протекания жидкости.
В пластиковой пластине 813 сформирован участок 820 жидкостного канала, один конец которого проходит от отверстия 814c и проходит через пластину в направлении толщины. На поверхности пластиковой пластины 812, соприкасающейся с пластиковой пластиной 813, сформирована канавка, образующая колонку 821 для жидкостной хроматографии, и другой конец участка 820 жидкостного канала соединен с одним концом данной колонки 821 для жидкостной хроматографии. Другой конец колонки для жидкостной хроматографии 821 соединен с одним концом участка 823 жидкостного канала через участок 822 жидкостного канала, который проходит через пластиковую пластину 813 в направлении ее толщины. Участок 823 жидкостного канала образован канавкой, сформированной на поверхности соприкосновения пластиковой пластины 813 с пластиковой пластиной 814.
Другой конец участка 823 жидкостного канала соединен с одним концом ячейки 824 для измерения оптической плотности, которая содержит участок жидкостного канала, сформированный таким образом, что проходит через пластиковые пластины 812, 813 в направлении их толщины. Другой конец ячейки 824 для измерения оптической плотности соединен с отверстием 814d для жидких отходов через участок 825 жидкостного канала, который образован канавкой, сформированной на поверхности соприкосновения пластиковой пластины 812 с пластиковой пластиной 811, и участок 826 жидкостного канала, который проходит через пластиковые пластины 812, 813 в направлении их толщины.
На ФИГ. 33 (a) и 33(b) показано расположение отверстий, канавки и вогнутых участков на верхней и нижней поверхностях каждой из пластиковых пластин 811, 812, 813, 814 картриджа 810, при этом на ФИГ. 33(a) представлены нижние поверхности, а на ФИГ. 33(b) представлены верхние поверхности. Верхняя поверхность на ФИГ. 33(b) показана в перевернутом в вертикальном направлении положении по отношению к соответствующей нижней поверхности на ФИГ. 33(a). А именно, нижний край нижней поверхности на ФИГ. 33(a) соответствует верхнему краю соответствующей верхней поверхности на ФИГ. 33(b).
В соответствии с ФИГ. 33(a) самая верхняя пластиковая пластина 811 имеет канавку, которая образует жидкостной канал 819 совместно с соприкасающейся с ней поверхностью пластиковой пластины 812. Как видно из ФИГ. 33(b), самая верхняя пластиковая пластина 811 имеет внешнюю (т.е. верхнюю) поверхность, которая совершенно плоская и гладкая. Как указано выше, пластиковая пластина 811 изготовлена из прозрачного пластикового материала.
Во второй пластиковой пластине 812 вогнутый участок 816 для фильтра и каналы 818, 817, 826 расположены так, как это показано на ФИГ. 33a. Колонка 821 сформирована в виде спирального канала, а ячейка 824 для измерения оптической плотности расположена в центре спирального профиля. Поверхность соприкосновения пластиковой пластины 812 с пластиковой пластиной 811 имеет канавку, образующую канал 825 для обеспечения протекания жидкости между ячейкой 824 для измерения оптической плотности и каналом 826. Отверстия и жидкостные каналы, сформированные в пластиковых пластинах 813, 814, имеют такие же числовые обозначения или коды, что и соответствующие отверстия и жидкостные каналы на ФИГ. 32, и детальное описание их расположения будет опущено. Пластиковая пластина 814 изготовлена из прозрачного материала. Каждая из пластиковых пластин 812, 813 не обязательно является прозрачной, но может быть прозрачной.
ФИГ. 34(a) и 34(b) представляют собой виды сечений вдоль линии "a"-"a" и линии "b"-"b" на ФИГ. 33(a), соответственно, на которых каждая из смежных пластиковых пластин показана в несколько разделенном состоянии одной пластины по отношению к другой.
ФИГ. 35 представляет собой вид сверху, показывающий внутреннюю конструкцию верхнего корпуса 801a кожуха 801. Насос для подачи жидкости 830, источник света 831 и резервуар для жидких отходов 832 размещены внутри верхнего корпуса 801a в интервале от одного торца до центрального участка в продольном направлении внутреннего пространства верхнего корпуса 801a и расположены параллельно один другому. Насос для подачи жидкости имеет такую же конструкцию, что и насос 710 для подачи жидкости в вышеуказанном варианте осуществления, показанном на ФИГ. 14(a)-14(c). Резервуар для жидких отходов 832 имеет такую же конструкцию, что и резервуар 705 для жидких отходов в вышеуказанном варианте осуществления изобретения.
В этом варианте осуществления изобретения источник 831 света предназначен для жидкостного хроматографического анализа. Источник света не ограничен определенным его видом и может являться любым подходящим типом, способным к излучению света с длиной волны от 200 до 1100 нм, размещаемым во внутреннем пространстве верхнего корпуса 801a. Длину волны регулируют в зависимости от видов веществ, подлежащих выявлению. Источники света, подходящие в качестве источника света 831, включают «FiberLight» (комбинация дейтериевой лампы и вольфрамовой лампы накаливания), поставляемый Sentronic GmbH. Коллиматорная линза 833 расположена на выходе источника света 831, чтобы коллимировать испускаемое им излучение. На выходной стороне коллиматорной линзы 833 закреплена щелевая пластина 834, имеющая щель для уменьшения диаметра выпускаемого луча до предварительно заданной величины, а с внешней стороны щелевой пластины 834 размещена прижимная пластина 835 картриджа.
Пластина 837 клапана переключения места назначения, связанная с пятью переключающими клапанами 836, обозначенными кодами A, B, C, D, E, расположена в верхнем корпусе 801a в фиксированном положении по отношении к нему таким же самым образом, что и в переключающем клапанном механизме 707 в вышеуказанном варианте осуществления изобретения. Эта пластина 837 клапана переключения места назначения расположена в вытянутом вертикальном направлении положении. Картридж 810 вставляют между прижимной пластиной 835 картриджа и пластиной 837 клапана переключения места назначения в вертикальном направлении сверху.
Для облегчения операции введения картриджа 810 прижимная пластина 835 картриджа сконструирована таким образом, что обладает возможностью перемещения в направлении от пластины 837 клапана переключения места назначения, т.е. вверх от показанной позиции. А именно, каждый компонент из источника света 831, коллиматорной линзы 833, щелевой пластины 834 и прижимной пластины 835 картриджа смонтирован на базовой пластине 838 с возможностью перемещения в виде единого целого, а базовая пластина поддерживается направляющей (не показана) с возможностью перемещения в направлении, показанном стрелкой на ФИГ. 35. На конце базовой пластины 838 размещена спиральная пружина 839 для смещения базовой пластины 838 к пластине 837 клапана переключения места назначения. Соответственно, картридж может быть вставлен таким образом, что базовая пластина 838, поддерживающая источник света 831, коллиматорную линзу 833, щелевую пластину 834 и прижимную пластину 835 картриджа, перемещается против смещающего усилия спиральной пружины 839 для увеличения расстояния между прижимной пластиной 835 картриджа и пластиной 837 клапана переключения места назначения.
Как показано на ФИГ. 35 на пластине 837 клапана переключения места назначения в месте вставки картриджа 810 закреплен направляющий элемент 840, чтобы направлять картридж 810 и вставлять его в надлежащем положении. ФИГ. 36 представляет собой перспективный вид, показывающий соответствующие конструкции пластины 837 клапана переключения места назначения и направляющего элемента 840 совместно с картриджем 810 в упрощенном для понимания представлении. Направляющий элемент 840 имеет угловой C-образный направляющий вырез 840a. Посредством выреза 840a картридж 810 позиционируется надлежащим образом. Пластина 837 клапана переключения места назначения имеет выступ 837a, который выступает к позиции вставки картриджа 810. Выступ 837a расположен таким образом, что фиксируется в отверстии 814b картриджа 810, когда картридж 810 вставляют в предварительно заданной позиции.
При отсылке снова к ФИГ. 35, вторая щелевая пластина 841 и фокусирующая линза 842 закреплены на пластине 837 клапана переключения места назначения в месте, находящейся на одной линии с коллиматорной линзой 833 и щелью щелевой пластины 834 в направлении осевой линии светового пучка. Хотя это и не показано на фигуре, в пластине 837 клапана переключения места назначения сформировано сквозное отверстие для обеспечения прохождения света, прошедшего через щель щелевой пластины 834, прижимную пластину 835 картриджа и измерительную ячейку 824 картриджа 810. Кроме того, в верхнем корпусе 801a размещен спектрометр 843 в качестве средства анализа, который принимает свет от фокусирующей линзы 843. Спектрометр 843 может быть скомпонован при использовании модуля OEM (от фирмы-изготовителя комплексного оборудования) серии SAS (снабженного 1024-элементной КМОП-структурой), поставляемым Ocean Optics Inc. Этот спектрометр обладает способностью к анализу в интервале длин волн от 200 до 700 нм.
Как показано на ФИГ. 35, на нижней пластине верхнего корпуса 801a сформировано три участка 844 для установки резервуаров с реагентами 844, обозначенных кодами F, G и H. Каждый из участков 844 для установки резервуаров с реагентами имеет такую же конструкцию, что и приемный участок 715, показанный на ФИГ. 16. Пластина 845 клапана для переключения резервуара, как показано на ФИГ. 37, расположена выше нижней пластины верхнего корпуса 801a. Пластина 845 клапана для переключения резервуара имеет нижнюю поверхность, соединенную с тремя переключающими клапанами 846, обозначенными кодами F, G, H. Клапан F соединен с участком для установки резервуара с реагентом, обозначенного кодом F, линией 847, а также соединен с насосом 830 для подачи жидкости линией 848. Среди переключающих клапанов 846 клапан G и клапан H соединены с участками для установки резервуаров с реагентами, обозначенных кодами G и H, линиями 849 и 850, соответственно.
При отсылке к ФИГ. 32, резервуар 851 с активирующей жидкостью, резервуар 852 с элюентом и резервуар 853 с очистной жидкостью показаны в качестве трех резервуаров с реагентами, соединенными с переключающими клапанами 846, которые обозначены кодами F, G и H, соответственно. Каждый из этих резервуаров может быть сформирован таким образом, что имеет такую же конструкцию, что и соответствующие резервуары с реагентами в вышеуказанном варианте осуществления, и установлены на участках 844 для установки резервуаров с реагентами.
На ФИГ. 32 также показана взаимосвязь соединений пяти переключающих клапанов 835, связанных с пластиной 837 клапана переключения места назначения. Среди переключающих клапанов 836 клапан B соединен с насосом 830 для подачи жидкости и также соединен с отверстием 814a картриджа 810. Клапан B также соединен с возможностью протекания жидкости с клапанами A, D. Клапан A соединен с отверстием 814b картриджа 810 и также соединен с отверстием 814c через клапан E. Клапан D непосредственным образом соединен с отверстием 814c. Клапан C обеспечивает выборочным образом соединение с протеканием жидкости между отверстием 814a и резервуаром для жидких отходов 832. Эти соединения с возможностью протекания жидкости обеспечиваются каналами, которые образованы канавками, сформированными в переключающих пластинах 837, 845, и соответствующими линиями, таким же образом, что и в вышеуказанном варианте осуществления. Соответствующие позиции каждого из отверстий картриджа 810 и соответственный один из каналов пластины 837 переключения места назначения заранее установлены, чтобы привести отверстие картриджа 810 и соответствующий канал пластины 837 переключения места назначения в соединение одного с другим с возможностью протекания жидкости, когда картридж 810 вставлен в заданном положении. Выступ 837a, показанный на ФИГ. 36, предусмотрен в качестве средства обеспечения соединения с протеканием жидкости между клапаном A и отверстием 814b картриджа 810. Для этой цели внутри выступа 837a сформирован участок жидкостного канала.
Теперь ниже будет описано функционирование аналитического устройства в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения. Вначале подготавливают картридж 810 и инжектируют в него предварительно заданный объем жидкого образца через отверстие 814b. Посредством этой операции вещество, подлежащее выявлению, которое содержится в данном образце, временно сохраняется в фильтре 815 картриджа 810. Остальная жидкость, помимо вещества, подлежащего выявлению, выпускается из отверстия 814a. Затем аналитическое устройство включают для запуска программы измерений. Эта программа измерений выполняет процесс функционирования, как показано на ФИГ. 38. ФИГ. 39 показывает процесс функционирования в виде временного ряда. Как представлено на ФИГ. 38 и 39, картридж 810, содержащий инжектированный в него жидкий образец, вставляют в аналитический блок 800. Затем клапаны B, C пластины 836 клапана переключения места назначения открываются, и приводится в действие насос 830. Эта операция выполняется для очистки каналов пластины 873 клапана переключения места назначения. Затем клапан F пластины 846 клапана для переключения резервуара открывается для засасывания заданного объема активирующей жидкости в насос 830 для подачи жидкости. Назначением активирующей жидкости является обеспечение элюирования простым образом из фильтра 815 вещества, подлежащего выявлению, которое временно сохраняется в фильтре 815. Затем после закрытия клапана F и открытия клапанов A, C приводится в действие насос 830 для подачи активирующей жидкости к фильтру 815. После прохождения через клапан A и отверстие 814b активирующая жидкость поступает в фильтр 815 и затем протекает к резервуару для жидких отходов 832 через участки 817, 819, 818 канала, отверстие 814a и клапан C.
Затем, после открытия клапана G в насос 830 для подачи жидкости засасывают предварительно заданный объем элюента и после этого закрывают клапан G. Затем, после открытия клапана D приводят в действие насос 830 для подачи элюента в колонку 821 через отверстие 814c. Эта операция выполняется в качестве предварительной обработки колонки. Затем, после закрытия клапана D и открытия клапана G в насос 830 для подачи жидкости засасывают предварительно заданный объем элюента. Затем, после открытия клапанов B, E приводят в действие насос 830 для подачи жидкости. Элюент поступает в фильтр 815 через клапан B, отверстие 814a и участки 818, 819, 817 канала для элюирования вещества, подлежащего выявлению, которое временно сохраняется в фильтре 815, и затем достигает колонки 821 через отверстие 814b, клапан E, отверстие 814c и участок 821 канала. Затем элюент, прошедший через колонку 821, выпускается в резервуар для жидких отходов 832 через участки 822, 823 канала, ячейку 824 для измерения оптической плотности, участки 825, 826 канала и отверстие 814d. Во время этого процесса включается источник света 831 (см. ФИГ. 38), и оптическая плотность жидкости, прошедшей через ячейку 824, измеряется спектрометром 843.
Фильтр 815 и колонка 821 содержат функциональную группу, способную к химическому взаимодействию с веществом, подлежащим выявлению. Функциональная группа, содержащаяся в фильтре 815, захватывает вещество, подлежащее выявлению. Элюент служит в качестве средства для элюирования захваченного вещества, подлежащего выявлению, и переноса элюированного вещества, подлежащего выявлению, в колонку 821. Функциональная группа, содержащаяся в колонке, имеет малый размер частиц, и колонка имеет сравнительно большую длину канала. Соответственно, вещество, подлежащее выявлению, содержащееся в элюенте, проходит через колонку при химическом взаимодействии с функциональной группой, содержащейся в колонке, и уровень взаимодействия изменяется в зависимости от видов веществ, подлежащих выявлению. А именно, соответствующие скорости абсорбции и десорбции вещества, подлежащего выявлению, в колонке 821 во время прохождения элюента через колонку изменяются в зависимости от видов веществ, подлежащих выявлению. Соответственно, синхронизация при обнаружении вещества, подлежащего выявлению, по изменению оптической плотности спектрометром различна в зависимости от видов веществ, подлежащих выявлению. Это делает возможным надежное обнаружение вещества, подлежащего выявлению, которое содержится в элюенте.
Результат обнаружения может быть индицирован на экране устройства отображения информации, предусмотренного соответственно на верхней поверхности аналитического блока, или на дисплее компьютера, соединенного с аналитическим блоком.
Затем выполняется операция очистки аналитического блока. Эта операция очистки выполняется, например, следующим образом. Вначале открывается клапан H переключающих клапанов 846, и насос 830 приводится в действие для засасывания заданного объема очистной жидкости. Затем, после закрытия клапана H и открытия клапанов A, C насос 830 приводится в действие для очистки фильтра 815. Затем, после закрытия клапанов A, C и открытия клапана D насос 830 приводится в действие для пропускания очистной жидкости через колонку 821. Кроме того, после закрытия клапана D и открытия клапанов B, E насос 830 приводится в действие для пропускания очистной жидкости как через фильтр 815, так и через колонку 821.
Теперь ниже будет описано детекторное устройство, применимое для иммунологического анализа, в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения. На ФИГ. 41(a)-41(c) показан принцип иммунологического анализа. На ФИГ. 41(a) представлен один из примеров конкурентного иммунологического анализа, а на ФИГ. 41(b) представлен другой пример конкурентного иммунологического анализа. На ФИГ. 41(c) представлен один из примеров неконкурентного иммунологического анализа.
В примере, проиллюстрированном ФИГ. 41(a), этап I представляет собой обработку, осуществляемую вне детекторного картриджа. А именно, образец антигена добавляют к реагенту, содержащему помеченные антитела, т.е. антитела с меткой, для инициирования предварительной реакции. В процессе предварительной реакции образец антигена связывается с частью помеченных антител, содержащихся в реагенте, посредством реакции между частью помеченных антител и образцом антигена. Оставшийся помеченный антиген остается в непрореагировавшем состоянии. В этом состоянии реагент подается на участок накапливания для выполнения этапа II обработки. Иммобилизированный антиген предварительно закрепляется на участке накапливания, и непрореагировавшие антитела в реагенте захватывается иммобилизированным антигеном на этапе II. Реагент выпускается из участка накапливания, оставляя помеченные антитела, захваченные иммобилизированным антигеном, в накопительный элемент. Затем, на этапе III, субстрат для реакции с помеченными антителами направляется на участок накапливания для стимулирования реакции между субстратом и помеченными антителами. Образованный продукт реакции подается в детекторный аппарат детекторного картриджа и определяется детекторным аппаратом. Соответственно, когда данное изобретение применяется для конкурентного иммунологического анализа, участок накапливания выполняет часть функции детекторного аппарата.
В примере, проиллюстрированном ФИГ. 41b, предварительная обработка на этапе I выполняется таким же образом, как и в примере, проиллюстрированном ФИГ. 41a. В отличие от примера на ФИГ. 41a иммобилизированные антитела предварительно закрепляются на участке накапливания. Реагент, подвергнутый предварительной реакции на этапе I, подается на участок накапливания в детекторном картридже, и лишь помеченные антитела, прореагировавшие с образцом антигена, захватываются антителами участка накапливания на этапе II. Этот захват выполняется таким образом, что антиген размещается между антителами, предварительно захваченными на участке накапливания, и помеченными антителами, переносимыми реагентом, и вследствие этого этот иммунологический анализ называют «сэндвич иммунологическим анализом». Затем, на этапе III, основа для реакции направляется на участок накапливания для стимулирования реакции, и образованный продукт реакции определяется детекторным аппаратом.
В примере, проиллюстрированном ФИГ. 41c, иммобилизированные антитела предварительно закрепляются на участке накапливания. На этапе I образец антигена подается на участок накапливания и соединяется и захватывается частью иммобилизированных антител. Затем, на этапе II, реагент, содержащий помеченные антитела, подается на участок накапливания, и помеченные антитела захватываются таким же образом, что и на этапе II, проиллюстрированном ФИГ. 41b. На этапе III субстрат для реакции направляется на участок накапливания для стимулирования реакции с помеченными антителами, захваченными участком накапливания. Последующий процесс такой же самый, что и примерах, проиллюстрированных ФИГ. 41(a) и 41(b).
Данное изобретение может быть использовано в применении к вышеуказанным иммунологическим анализам и любым другим обычным иммунологическим анализам. Имеются многочисленные публикации об иммунологическом анализе, например, JP 2000-155122 A и JP 2003-987171. Хотя в примерах на ФИГ. 41(a)-41(c) используется ферментная метка, может быть использована любая другая метка.
Когда данное изобретение используется для иммунологического анализа, обнаружение продукта реакции может быть выполнено электрохимическим анализом или оптическим анализом. Как указано выше, в случае обнаружения пероксида водорода, образованного окислением/восстановлением фермента, может быть использован электрохимический анализ. Кроме того, в зависимости от видов веществ, подлежащих выявлению, может быть использован оптический анализ. ФИГ. 42 представляет собой вид снизу детекторного картриджа 1001 для иммунологического анализа при использовании обнаружения электрохимическим анализом. Участок 1004 канала от отверстия 1003 для впуска жидкости соединен с участком накапливания 1002, и выпускная часть участка накапливания 1002 соединена с электродной камерой через участок 1005 канала. Как и в случае варианта осуществления, проиллюстрированного ФИГ. 1, в электродной камере 10006 размещены, однако, не показаны, рабочий электрод, противоэлектрод и электрод сравнения. То есть, этот детекторный картридж 1001 имеет такую же базовую структуру, что и детекторный картридж, показанный на ФИГ. 1. Соответственно, детекторный картридж 1001 имеет нижнюю поверхность, на которой сформировано пять отверстий 1007, 1008, 1009, 1010 для внешних соединений. В этом варианте осуществления может быть использован такой же блок обработки, что и в устройстве для определения концентрации. ФИГ. 43 представляет собой вид сечения детекторного картриджа для иммунологического анализа при использовании обнаружения оптическим анализом. Эта фигура соответствует ФИГ. 32, которая иллюстрирует детекторный картридж для хроматографии. Соответственные элементы или компоненты обозначаются одними и теми же числовыми обозначениями или кодами. Этот вариант осуществления отличается от варианта осуществления, представленного на ФИГ. 32, лишь в том, что отсутствует участок 824 канала на ФИГ. 32, и отверстие 814c соединено непосредственно с участком 823 канала. Три резервуара с реагентами, размещаемые в блоке обработки, содержат буфер для очистки, элюентный буфер и раствор CBB (кумасси ярко-синего).
ФИГ. 47 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей, показывающее детекторный картридж, который содержит три пластиковые базовые пластины, которые соответствуют ФИГ. 1. Картридж 1000 содержит три базовые пластины 1011, 1012, 1013, каждая из которых изготовлена из пластикового материала. Эти базовые пластины соединены одна с другой при размещении клейкого листа между соседними базовыми пластинами. На каждой из базовых пластин 1011, 1012 сформированы вогнутый участок 1015a и сквозное отверстие 1015b, которые образуют аккумулирующую камеру для размещения в ней участка накапливания. Электрод сравнения R и три рабочих электрода S расположены в базовой пластине 1011, и в клейком листе 1014 сформировано три небольших отверстия 104a в местах, которые соответствуют соответственным электродам. В этом варианте осуществления резервуар для жидких отходов предусмотрен в детекторном картридже 1000. Для этого резервуара для жидких отходов в каждой из базовых пластин 1011, 1013 сформирован вогнутый участок, а в промежуточной базовой пластине 1012 сформировано сквозное отверстие 1017 для обеспечения соединения с возможностью протекания жидкости между этими участками. На базовой пластине 1012 сформирована канавка 1018, служащая в качестве камеры электрода сравнения, соответствующая электроду сравнения R, и канавка 1019, служащая в качестве камеры рабочих электродов, соответствующая рабочим электродам S. В базовой пластине 1012 и базовой пластине 1013 сформированы три канавки 1020, 1021, 1022, образующие участок канала для обеспечения соединения с возможностью протекания жидкости между аккумулирующей камерой, электродной камерой и резервуаром для жидких отходов. В остальном конструкция та же самая, что и вышеуказанная конструкция.
Данное изобретение теперь будет более конкретно описано на нескольких примерах.
[ПРИМЕР 1]
(Способ изготовления детекторного картриджа для измерения концентрации)
Этап 1: Литье под давлением
1) Изготовление формованных базовых пластин
Четыре базовые пластины с 11 по 14 были сформованы при использовании формовочной машины для литья под давлением (производства MEIKI Co., Ltd.). Литье под давлением выполняли при следующих условиях: температура цилиндра = 280°C; температура дозирующего участка = 290°C; и температура формы = 60°C. Литник отделяли от каждого формованного продукта для получения требуемых формованных базовых пластин.
2) Монтаж элементов на формованные базовые пластины
Углеродный электрод и серебряную пасту, служащие в качестве рабочего электрода и противоэлектрода, закрепляли на формованную базовую пластину 12. А именно, после нанесения адгезива на участки базовой пластины 12, предназначенные для закрепления, каждый электрод размещали на адгезиве и фиксировали его. Контейнер, содержащий хлорид калия для увлажнения электрода сравнения и образования электрода серебро/хлорид серебра при измерениях мышьяка/селена, монтировали на формованной базовой пластине 13. Этот контейнер размещали непосредственно над игольчатым участком, сформированным на формованной базовой пластиной 12, и непосредственно под нажимным участком, сформированным на базовой пластине 14.
Этап 2: Закрепление клейкой ленты
1) Приготовление клейкой ленты
Двустороннюю клейкую ленту помещали в дыропробивной станок и подвергали перфорированию в соответствии с профилем формованной базовой пластины для приготовления перфорированной клейкой ленты.
2) Закрепление формованных базовых пластин
Первую из формованных базовых пластин, на верхней поверхности которой закреплена клейкая лента, и вторую из формованных базовых пластин, наложенную на первую базовую пластину, размещали в позиционирующем устройстве с вакуумной камерой. Позиционирующее устройство имеет механизм регулировки положения с распознаванием изображений и вакуумный узел для участка регулировки. Это устройство делает возможным фиксирование формованных базовых пластин в надлежащем положении без внедрения между ними газовых пузырьков.
[ПРИМЕР 2]
Хроматографический аналитический блок и картридж в соответствии с вышеуказанным вариантом осуществления, проиллюстрированным на ФИГ. 31-37, были использованы в тесте на разделение жидкой смеси органических кислот, содержащей щавелевую кислоту и янтарную кислоту.
Более конкретно, в данном тесте было использовано следующее аналитическое устройство:
Источник света: FiberLight (200-1100 нм) производства Sentronic GmbH.
Спектрометр: модуль OEM серии SAS (снабженного 1024-элементной КМОП-структурой; 200-700 нм), производства Ocean Optics Inc.
Картридж: конструкция, проиллюстрированная ФИГ. 32-37.
Наполнитель колонки: Wakosil-II 5C18-100 (размер частиц: 5 мкм) производства Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
Наполнитель фильтра: Wakosil-II 25C18 (размер частиц: 25-30 мкм; 70 % и более) производства Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
Расход/температура: 10 мкл/мин, комнатная температура.
Длина волны измерений: 210 нм.
0,1 г щавелевой кислоты и 0,1 г янтарной кислоты смешивали с 100 мл очищенной воды (производства Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) для приготовления следующего образца.
Щавелевая кислота: 10 мкг/10 мкл (мол. масса=126: дигидрат).
Янтарная кислота: 10 мкг/10 мкл (мол. масса=60).
Образец использовали в процессе, представленном на ФИГ. 38 и 39; анализ выполняли в виде следующих этапов. Жидкость подавали из насоса для подачи жидкости в объеме, представленном в колонке «Насос» на ФИГ. 39. Анализ выполняли посредством контроля времени и оптической плотности в аналитическом блоке. Насос останавливали в тот момент, когда элюент был полностью выпущен из насоса. Полученный результат представлен на ФИГ. 40. В Примере 2 пик щавелевой кислоты обнаруживался в момент времени 3 минуты, а пик янтарной кислоты обнаруживался в момент времени 12 минут.
[ПРИМЕР 3]
Данное изобретение использовали для измерений BNP (мозгового натрийуретического пептида), который представляет собой гормон, пригодный для оценки сердечных болезней. Способ, использованный в Примере 3, по виду классификации иммунологического анализа относят к ферментному иммунологическому анализу, гомогенному иммунологическому анализу и конкурентному иммунологическому анализу.
Антигены BNP были использованы в качестве участка накапливания, и способ электрохимического обнаружения ферментной метки был использован в качестве механизма обнаружения. Пример 3 является одним из примеров использования методики Matsuura et al., описанной в «Analytical Chemistry, Vol. 77, No. 13, 2005, pp. 4235-4240», к картриджу и блоку обработки по данному изобретению. Соответствующими веществами являлись следующие:
AChE: ацетилхолинэстераза
ACh: ацетилхолин
сульфо-SMCC: сульфосукцинимидил-4-(N-малеимидометил)циклогексан-1-карбоксилат
PBS: раствор фосфатного буфера (фосфатный буфер)
EDC: 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимид.
[Приготовление]
(1) Фильтр из углеродных волокон (продукт № P-1611H производства Toyobo Co., Ltd., толщина: 0,32 мм) погружали в раствор золота 100 мг/л (IM-сульфат) и прикладывали напряжение -4 В в течение 20 минут при перемешивании раствора, чтобы осадить золото на фильтр. Затем фильтр подвергали очистке при напряжении +0,75 В в течение 2 минут для получения фильтра из углеродных волокон с поверхностью, покрытой золотом. Этот фильтр с покрытием из золота погружали в 0,1 мМ раствор гидрохлорида цистеамина на 2 часа, чтобы связать цистеамин с поверхностью золота. К фильтру добавляли 0,1 г/л EDC и 30 мг/л BNP-32 и культивировали в течение 1 часа. Затем фильтр промывали PBS для приготовления фильтра, покрытого золотом, с BNP (антиген), иммобилизованным на его поверхности.
(2) Фильтр, покрытый золотом, с иммобилизованным BNP разрезали на куски диаметром 6,5 мм и толщиной 0,4 мм и закрепляли в качестве участка накапливания, как показано на ФИГ. 42. Электрод, покрытый PFCE, и электрод, покрытый Ag, использовали соответственно в качестве рабочего электрода и электрода сравнения. В детекторном картридже, наряду с тем, что размер электродов и расположение отверстия для внешнего соединения в Примере 3, были установлены такими же, что и для первой линии в Примере 1, участок накапливания и электродная камера были сконструированы таким образом, что имели разные размеры по отношению друг к другу. В Примерах 2 и 3 использовали обычный блок обработки. Резервуар E на ФИГ. 23 (реагент 4) содержал 1 мМ ацетилтиохолин хлорида (раствор PBS). Блок обработки, использованный в Примере 3, был сконструирован, чтобы быть пригодным как в случае анализа тяжелого металла, так и в случае иммунологического анализа лишь при замене одного картриджа.
(3) 0,4 г/л антиген BNP (кроличий BNP-32 IgG) и 0,4 г/л сульфо-SMCC добавляли к 0,1 M PBS (pH=8) и культивировали смесь в течение 1 часа. Затем культивированную смесь фильтровали для удаления избытка сульфо-SMCC. Аналогичным образом 1 г/л холинацетилазы и 0,3 г/л s-ацетилмеркаптоянтарного ангидрида добавляли к 0,1 M BNP. Затем смесь культивировали в течение 10 минут и фильтровали. Эти смеси смешивали одну с другой при соотношении антиген: AVh=1:0,7 (молярное соотношение) и затем культивировали в течение 1 часа для получения антигена BNP, помеченного AChE.
(4) 2 мл антигена BNP, помеченного AchE (0,4 мг/л в растворе PBS), смешивали при перемешивании с образцом, содержащим BNP (человеческой кровью) при соотношении 1:1 для проведения реакции между ними в течение 30 минут. Полученный реакционный продукт инжектировали из впускного отверстия картриджа при использовании серийно выпускаемого шприца. Инжектированная жидкость проходила через фильтр, покрытый золотом, с иммобилизованным BNP и выпускалась из промежуточного отверстия 115 (Этап (1)). Затем 4 мл раствора PBS подавали из того же самого впускного отверстия для очистки фильтра, покрытый золотом, с иммобилизованным BNP, и очищенный фильтр устанавливали в аналитический блок. Во время этой операции продукт реакции BNP(в образце)-антигена BNP (помеченного AChF) выпускали из промежуточного отверстия, и этот реакционный продукт вводили в аналитический блок таким образом, чтобы непрореагировавший компонент антигена BNP, помеченного AChF, захватывался BNA на фильтре, покрытом золотом, используемом в качестве участка накапливания.
(5) 1 мМ ацетилтиохолин хлорида (раствор PBS) подавали в качестве субстрата из отверстия 1007 с расходом 200 мкл/мин и в объеме 1,0 мл и затем пропускали через участок накапливания и электродную камеру (Этап (2)). Когда субстрат достигал участка накапливания, образовывался тиохолин посредством действия метки AChE в количестве, пропорциональном количеству метки AChE, который поступал в электродную камеру. Затем выполняли измерения LSV при указанных ниже условиях и измеряли электродную активность тиохолина из вольт-амперной характеристики, полученной при данных измерениях LSV. Количество тиохолина соответствует количеству непрореагировавшего антигена BNP антиген и имеет заданную зависимость от количества BNP в образце. Соответственно, данные измерения выполняли при изменении концентрации BNP в образце, чтобы получить аналитическую кривую.
Условия LSV: -0,7 В × 2 мин → 1,4 В (скорость развертки: 50 мВ/с).
ФИГ. 44 показывает последовательность выполнения операций в блоке обработки во время эксплуатации.
[ПРИМЕР 4]
Данное изобретение использовали для разделения/количественного анализа специфического протеина аффинной хроматографией с иммобилизованным металлом (IMAC).
(1) Подготовка картриджа
Детекторный картридж, имеющий такую же внешнюю форму и такие же отверстия для внешнего соединения, что и в варианте осуществления, проиллюстрированном ФИГ. 32, 33 и 34, за исключением участка канала, показанного на ФИГ. 43, изготавливали литьем под давлением. Более конкретно, разница заключалась в том, что в картридж не была включена хроматографическая колонка 821, и диаметр ячейки составлял 5 мм. Базовые пластины были изготовлены из акриловой смолы. Кроме того, в качестве участка накапливания была использована смола для IMAC (металлохелатная смола Vivapure производства VIVA science). В Примере 4 использовали такой же блок обработки, что и в Примере 3.
(2) Приготовление образца
Необработанный жидкий экстракт протеина, используемый в качестве образца, приготавливали следующим образом.
Культивировали 500 мл Escherichia coli (кишечной палочки), несущей вектор, экспрессирующий поли(гистидин)-меченный-LacZ протеин. Полученную культуру центрифугировали при 4°C в течение 15 минут при 300×g для отбора Escherichia coli. Отобранную культуру Escherichia coli суспендировали в 40 мл экстрагирующего буфера при использовании мешалки Vortex. Затем к экстрагирующему буферу добавляли очистной буфер в концентрации 0,50 мг/мл и оставляли смесь при комнатной температуре на 30 минут. После этого Escherichia coli в смеси фрагментировали в течение 10 секунд при использовании ультразвукового дезинтегратора и охлаждали жидкость с фрагментированной Escherichia coli на льду. Затем жидкость с фрагментированной Escherichia coli центрифугировали при 4°C в течение 20 минут при 10000×g для осаждения нерастворимых фракций, а надосадочную жидкость собирали отдельно. Собранный необработанный жидкий экстракт пропускали через одноразовый фильтр для получения образца.
(3) Подготовка/предварительная обработка картриджа
2
4
2 мл 0,1 M раствора хлорида натрия, 2 мл 0,5 M раствора сульфата никеля и 4 мл 0,1 M раствора хлорида натрия подавали в картридж последовательно в указанном порядке через его впускное отверстие. Затем через картридж пропускали 2 мл буферного раствора для приведения мембраны в равновесное состояние (раствор 50 мМ NaHPO, 300 мМ NaCl и 10 мМ имидазола; pH=8,0). При этой операции раствор подавали через впускное отверстие 814b и выпускали из промежуточного отверстия 814a через участок накапливания 816.
(4) Инжекция образца в картридж
5 мл образца, приготовленного на этапе (2), инжектировали из впускного отверстия картриджа при использовании серийно выпускаемого шприца. Жидкий образец подавали через впускное отверстие 814b и выпускали из промежуточного отверстия 814a через участок накапливания 816.
(5) Операция анализа
2
4
2
4
Картридж устанавливали в аналитический блок и подавали 2 мл раствора очистного буфера (раствор 50 мМ NaHPO, 300 мМ NaCl и 20 мМ имидазола; pH 8,0) через отверстие 814b при расходе 1 мл/мин и выпускали из промежуточного отверстия 814a. Затем клапан 836 переключали для обеспечения протекания жидкости между отверстием 814b и отверстием 814c и через отверстие 814a подавали 0,2 мл раствора элюентного буфера (раствор 50 мМ NaHPO, 300 мМ NaCl и 250 мМ имидазола; pH 8,0) при расходе 50 мкл/мин. Элюентный буфер подавался в ячейку 814 через участок накапливания 816. Затем клапан 836 снова переключали и 0,2 мл раствора CBB для анализа протеина (производства Nacalai Tesque Inc.) подавали из отверстия 814c при расходе 500 мкл/мин. При этой операции жидкость в ячейке 824 практически полностью замещалась элюентным буфером и раствором CBB для анализа протеина. Затем активировали встроенные спектрометр и источник света (подобные тем, что используются для высокоэффективной жидкостной хроматографии (HPLC)) аналитического блока для наблюдения оптической плотности при 595 нм и количество накопленного протеина количественно рассчитывали из интенсивности пика оптической плотности.
(6) Результат
На ФИГ. 45 представлена последовательность выполнения вышеуказанных операций во время эксплуатации, при этом весь процесс накапливания протеина между подготовкой картриджа и завершением анализа может быть выполнен с высокой скоростью, примерно за 15 минут.
Данное изобретение может быть использовано для различных способов измерения, так же как и для вышеуказанных способов. Некоторые примеры других способов измерений, при которых может быть эффективным образом использовано данное изобретение, представлены на ФИГ. 46 вместе с их принципами обнаружения и основным процессом эксплуатации.
Как описано выше, данное изобретение предоставляет детекторное устройство с картриджем, которое содержит детекторный картридж, имеющий канал для протекания жидкого образца, который содержит вещество, подлежащее выявлению, и блок обработки, приспособленный для введения в него детекторного картриджа таким образом, чтобы предоставлять информацию о веществе, подлежащем выявлению, которое содержится в жидком образце, протекающем через детекторный картридж. Детекторный картридж включает участок накапливания для временного сохранения вещества, подлежащего выявлению, жидкостной канал, проходящий через указанный участок накапливания, и несколько отверстий, соединенных с указанным жидкостным каналом с обеспечением возможности протекания жидкости. Детекторный картридж снабжен частью детекторного аппарата или им в целом со стороны нижнего течения по отношению к участку накапливания. Блок обработки включает насос для подачи жидкости и клапанный механизм для переключения линии, приспособленный для переключения соединений с возможностью протекания жидкости между насосом для подачи жидкости и выбранным одним из нескольких отверстий детекторного картриджа. Клапанный механизм функционирует таким образом, что переключается между режимом соединения первого канала для обеспечения подачи жидкого образца в детекторный картридж при его прохождении через участок накапливания и последующем выпуске из детекторного картриджа и режимом соединения второго канала для обеспечения подачи реагента из одного из нескольких отверстий на участок накапливания детекторного картриджа посредством приведения в действие насоса для подачи жидкости и обеспечения выпуска реагента, прошедшего через участок накапливания, из детекторного картриджа через одно из остальных отверстий.
В специфическом варианте осуществления данного изобретения детекторный картридж включает участок накапливания для временного сохранения вещества, подлежащего выявлению, жидкостной канал, проходящий через указанный участок накапливания, и несколько отверстий, соединенных с указанным жидкостным каналом с обеспечением возможности протекания жидкости. Блок обработки для выполнения анализа и/или обработки при использовании детекторного картриджа включает несколько резервуаров с реагентами, насос для подачи жидкости, пластину клапана для переключения резервуара с клапанным механизмом для переключения резервуаров, приспособленным для переключения соединений с возможностью протекания жидкости между насосом для подачи жидкости и выбранным одним из нескольких резервуаров с реагентами, и пластину клапана для переключения линий с клапанным механизмом для переключения линий, приспособленным для переключения соединений с возможностью протекания жидкости между насосом для подачи жидкости и желательным одним из нескольких отверстий детекторного картриджа. Блок обработки функционирует таким образом, что перемещает выборочным образом клапанный механизм пластины клапана для переключения резервуаров и клапанный механизм пластины клапана для переключения линий в желательное положение клапана при приведении в действие насоса для подачи жидкости, чтобы выполнить анализ вещества, подлежащего выявлению.
Соответственно, в аналитическом устройстве с картриджем по данному изобретению внутри корпуса блока обработки весьма компактным образом может быть размещен функциональный элемент или компонент, необходимый для анализа, что содействует предоставлению упрощенного портативного аналитического устройства. Соответственно, аналитическое устройство по данному изобретению делает возможным выполнение безотлагательного анализа вещества, подлежащего выявлению, на месте отбора образцов, что обеспечивает высокую применимость устройства.
Хотя данное изобретение было представлено и описано со ссылками на конкретные варианты осуществления, это описание не должно истолковываться в качестве каких-либо ограничений. Объем данного изобретения должен определяться прилагаемой формулой изобретения и ее законными эквивалентами.