CN1018026B - 生物学诊断装置 - Google Patents

Abstract

一种有效地和精确地分析生物体液样品中待测成分的生物学诊断装置及方法。此装置在优选的实施例中用来分析全血样品，它包括一个诊断试验元件和一个样品操作单元，后者又包括一个滤过元件和一个液体转移元件。此液体转移元件与试验元件呈液体接触，转移元件包括带有多路沟槽的薄层，其表面靠近滤过元件。通过滤过元件的液体被收集在转移元件的沟槽中，然后再输送到试验元件中。

Description

在本技术领域中，已知用于快速分析生物体液中成分的试验元件。尤感兴趣的是那些能够进行全血样品的试验元件，因为这些元件可以避免需要利用诸如离心法予先将血细胞和血分离。在这类试验元件中，可将样品，例如一滴全血加到元件上，此元件包括某些用于从血浆中分离细胞（红细胞，白细胞）的装置，然后该包含被分析成分的血浆就转移至单层或多层试层中。由待测物和试剂（一种或几种）之间的相互作用所产生的可测变化是在该元件中发生，而此种可测变化即相应于该被测物。该可测变化可以是一种颜色变化，此种颜色变化可通过肉眼观测或分光光度计的光密度读数来进行评定。另一种方案是根据荧光标记的生物样品放出荧光信号，并以荧光分光光度计进行读数。为了应用可读数的诊断装置取得具有精确性和重复性的结果，最关键的是要使血浆或血清在试验元件上均匀分布，这样即能产生一个稳定的信号或颜色在仪器上显示出来。

在本技术领域中，已提出了各种能分离细胞并使血浆均匀分布的技术。美国专利3，216，804公开了一种自动化学分析仪和样品分配器，并指出可将一滴样品加在滤纸上就能获得一个均匀的样品斑，此滤纸具有可任意地向周围各个方向伸展的纤维，或者应用多孔带或膜也能得到同样结果。美国专利3，607，093公开了一种测试生物体液的装置，它包括一种化学成分均一的液体渗透膜，此渗透膜具有基本均匀的孔隙度。美国专利3，723，064公开了一个多层装置，它有一个孔隙度均匀的样品接受层，能产生毛细管转移，而使液体中成分均匀分布。在需要一个孵育 期的情况下，则样品接收层可发生蒸发作用，而使样品分析物浓度发生变化。

将全血样品进行过滤和将血浆均匀分布的已知技术均不能令人十分满意。除样品分离和分布功能外，样品操作层还必须满足其他许多要求。例如，被分析物和试剂必须不与样品操作层中的成分有明显的结合，血浆-被分析物浓度必须不受影响，血细胞应不被溶解，同样此操作层还必须提供一定量血浆至下面的试剂层。但已知的样品操作层和材料皆不能满足一种或多种上述要求。

为努力获得一种满意的样品操作层设计，已经提出在不同的材料中间分类出过滤和分布功能。美国专利4，477，575公开了一种分离细胞和血浆或血清的技术，这包括将一个全血样品加到一玻璃纤维层上，此种纤维平均直径为0.2至5微米，密度为0.1至0.5克/厘米³。同时也公开了各种应用这种玻璃纤维层的生物学诊断装置。在其中一个实施例（例见图11）中，通过过滤层的血浆或血清被一层吸附物质吸收，这层物质，例如是与反应层相接触的纤维纸或合成的纤维毛。由于毛细管力使血浆或血清进入反应层，并在此层发生测量反应。

这种配置在所有情况下都是不满意的。例如，它不适用于多层薄膜诊断试验元件。在此种多层薄膜元件中，加到试验元件中的液体体积必须很少而且必须精确地进行计量。由于上述纸和纤维毛比较厚并且有比较大的表面积，所以加到试验元件上的液量也需要较多，因而可控制液量的精确度也较低。另外，由于较厚吸附材料层的表面比较大，使被分析物的非特定性结合量较高。

欧洲专利申请0，160，916公开了在一个分析元件中，有一容量过滤层（它由一种纤维材料组成）和一扩散层，扩散层的液体保存能力大于容量过滤层的保存能力。扩散层可以是一种纤维材料、织布、编物或某种非纤维的多孔基质。这种配置具有以前讨论过的各种缺点。例如，当 扩散层是一层非纤维性滤膜时，膜材料的孔径非常小，如不加压力，液体不易通过。

因此，需要继续发展生物学诊断装置。这种诊断装置应具有样品操作单元，它能从生物体液样品中有效地除去任何干扰试验进行的成分，并能在不影响分析精确度的条件下提供用于试验元件的血浆或血清。

因此，本发明的一个目的是提供一种新的生物学诊断系统。

本发明的另一个目的是提供一种诊断装置，它包括一个滤过元件和一个液体转移元件，此转移元件与诊断试验元件呈液体接触。

本发明的又一个目的是提供一种诊断装置，其中液体转移元件包括在其表面有多路沟槽的薄片，它靠近滤过元件，以收集通过滤过元件的液体。

本发明的进一步目的是提供一种诊断装置，其中滤过元件是一个纤维元件，它能将血细胞和血浆或血清。

尚有一个目的是提供一种诊断装置，它适用于全血样品的分析。

还有一个目的是提供一种方法，此方法可分析生物体液样品中有关的被分析物。

根据本发明提供的快速、有效、精确地分析生物体液的生物学诊断装置和方法可实现上述以及其它目的和优点。此诊断装置包括一个诊断试验元件和一个样品操作单元，后者又包含一个滤过元件和一个与诊断试验元件呈液体接触的液体转移元件。该液体转移元件包括有多路沟槽的薄片，其表面靠近滤过元件。通过滤过元件的液体被收集在液体转移元件的沟槽中，随后再转移至诊断试验元件。诊断试验元件是配接在转移元件的沟槽表面上，即与转移元件的沟槽表面相接触。

操作时，将一个生物体液样品（此生物体液在优选的实施例中的全血，但也可用任何生物体液，例如细胞培养液）加到滤过元件上。滤过元件可包括任何合适的滤过材料（合成的或天然存在的），它们能从液体 样品中除去干扰分析的成分。通过滤过元件的液体被收集的液体转移元件表面上的沟槽中，随后再转移至诊断试验元件，而液体即在此渗入该元件。以此方式即可使液体在整个待分析的试验元件表面上均匀分布。应当指出的是，在试验元件内的可测变化，无论是通过肉眼观察或分光光度计读数来评价的颜色变化，或无论是某些其他形式的变化，例如产生荧光输出信号（可用荧光光度计读出），均可在位于试验元件表面的特定部分，一般是在该试验元件中心的一个园形或矩形区内进行分析。因此重要的是，在待进行分析的试验元件的整个表面上应获得均匀分布的试验体液。

在一个优选的实施例中，诊断试验元件是一个多层薄膜试验元件。而样品转移元件特别适用于多层薄膜试验元件，因为沟槽中的容积可制成很小并能精确控制。对于多层薄膜诊断试验元件来说，需要转移比较少量的液体至试验元件。为了保证试验元件获得的液量相当于它的湿吸收能力，液体转移系统通常应能转移试验元件湿吸收量的约110%至约200%。如上所述，由于沟槽的容积可制成相当小，所以带沟槽的转移元件可满足此要求。因此，转移元件能提供应用多层薄膜试验元件所要求的那样的少量的、精确定量的液体样品。本发明的生物学诊断装置的另一优点是通过滤过元件的液体在转移至诊断试验元件前，几乎不或根本不暴露于周围环境，因此避免了可导致被分析物浓度变化的任何显著的任何蒸发。

为了更好地了解本发明和其他目的，及其进一步的特点，可参考下述各种优选的实施例的详细说明及其附图。

图1是按照本发明提出的一种诊断装置的一个实施例的部分示意透视图。

图2是一个液体转移元件的部分示意透视图。

图3是液体转移元件的一实施例的部分示意顶视图。

图4是按照本发明诊断装置的另一个实施例的部分示意剖面图。

图5是按照本发明诊断装置的另一个实施例的部分示意剖面图。

图6是按照本发明诊断装置的另一个实施例的部分示意剖面图。以及

图7是按照本发明诊断装置的另一个实施例的部分示意顶视图。

关于图1，是按照本发明提出的诊断元件10的一个优选的实施例。图示的装置厚度是被放大的，目的是容易用图来说明。而实际的本发明的优选装置是较薄的，典型的厚度范围约1毫米至3毫米。诊断装置10包括一个滤过元件12和一个液体转移元件14。液体转移元件表面有多路沟槽16，并靠近滤过元件。诊断试验元件一般标示为18。

正如前述，滤过元件12可以是任何合适材料，人工合成的、天然的或其混合物，这些材料能够从液体样品中除去任何干扰分析的成分，而此成分对被分析的成分是惰性的，即不论是由于吸附、反应或其他原因，也不妨碍任何大量的被分析物通过滤过元件。如图所示，滤过元件是一扁平、片状层（Sheet-Like    Layer）但这种元件可制成任何所希望的外形或结构，例如垫（pad）层或曲线（Curved）层。装置中使用的滤过材料的类型取决于被分析生物体液的类型。例如微孔性滤过元件可用于从体液样品中除去细菌或微生物。在一个优选的实施例中，所用的样品是全血，滤过元件包括能将细胞如红细胞、白细胞等与血浆或血清分开的纤维材料。典型的适用的纤维材料包括玻璃、石英、醋酸纤维素、纤维素、合成聚合物纤维，例如聚酰胺或聚酯等。在另一个优选实施例中，纤维材料可用如明胶，惰性的或是去离子的，或用血清白蛋白等物质来处理以明显减少或消除它与被分析物之间的结合。纤维滤过元件的典型平均厚度约0.5毫米至2.0毫米。滤过元件12可用某种能从液体样品中除去特定成份，如脂蛋白的材料来浸渍。二氧化钛即能满足此要求。也可以应用体液中成分的特定性抗体。

液体转移元件14包括由任何合适材料构成的薄片，它可以是透明的或不透明的，其中包括合成的成膜聚合成的成膜聚合材料，如聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚氯乙烯-聚乙烯醇共聚物、聚丙烯、聚苯乙烯、醋酸-丁酸纤维素、水解醋酸-丁酸纤维素等。金属和陶瓷材料等。这些材料对有关体液或其中任何成分没有吸收性或无明显吸收性。在一个优选实施例中，转移元件的沟槽表面经例如水解处理或用某种能使元件表面易被液体湿润的物质处理，从而使液体更快地转移到试验元件。蛋白质类如明胶、白蛋白以及表面活性剂适用于此目的。某些金属和聚合材料强有力地吸收蛋白质，并能明显改变所加液体后的接触角度。如上所述，沟槽的容积较小。这种液体转移元件的小表面是有利的，因为这样可使有关分析物与转移元件之间的非特定性结合减至最低程度。水解醋酸-丁酸纤维素对液体转移元件是较理想的材料，因为它具有很高的可润湿性。在一个优选的实施例中，液体转移元件包括一个透明的聚合材料，它可使输出信号，例如分光光度信号，透过转移元件读出。液体转移元件的厚度通常约1毫米左右。

液体转移元件中的沟槽16可以是任何形状，例如凸面，凹面，V形或矩形。矩形沟槽包括那些比较宽的和每个沟槽由较薄的壁隔开的沟槽。图2说明了一种转移元件，其中沟槽是三角形。元件中的沟槽数一般每厘米有4至50条左右。沟槽深度一般约为0.025至约0.2毫米，最好是0.05至0.160毫米左右。转移元件的尺寸和沟槽数以及深度原则根据转移到诊断试验元件上样品的量决定。对于准备使用全血样品的装置，槽深一般约0.1至约0.125毫米，一般来说液体转移元件上的沟槽数每厘米约为20条至40条，槽中的空容积每平方厘米约为5微升至10微升。

如图2所示，沟槽互相平行，具有相同的宽度和深度。在另一个实施例中，沟槽也可不互相平行，同时在沿其长轴方向上，沟的深度和/或度度可不相同。图3说明了一个诊断装置的转移元件，其中滤过元件 大于诊断试验元件。从此图中也可以看到有些沟槽16的构型不同于其他的沟槽的构型，以达到收集通过滤过元件的液体并转换至试验元件的目的。此外，沟槽也可安排成不同形状，例如曲线状，同心园状等。可用各种技术来刻制沟槽，例如用压刻法（embossing），激光刻划（Laser    etching）等。

诊断试验元件18，如图所示，包括一多层薄膜结构，带有支持层20和试剂层22。一个典型的薄膜试验元件的厚度约为0.1毫米至0.3毫米。诊断装置可配任何诊断元件，无论是单层的或多层的。试验元件18叠在液体转移元件的沟槽表面上，例如可通过加压使两者接触或用粘着剂沿着试验元件的周缘粘住转移元件。如图所示，试验元件和滤过元件12可以相接触，两者也可分开。当滤过元件和试验元件互相接触时，在接触界面可装一屏蔽材料的薄膜，以防止任何液体从滤过元件直接被吸入试验元件。

用于本发明诊断装置的诊断试验元件，当用液体润湿后一般是可膨胀的，对某些特定的试验来说，其膨胀率在所有情况下应该是相同的，以便能获得准确的可重复的结果。试验元件对液体转移元件表面的压力可能影响前者的膨胀率。另外，试验元件的膨胀也可能影响液体转移的速率。因此，液体转移元件上沟槽的形状和沟槽的深度以及数目应该加以选择，从而保证沟槽不被试验元件的膨胀的表面所填满，以致明显改变液体转移速率甚至使转移停止。一种惰性的、不膨胀的多孔层可夹在液体转移元件和试验元件之间，以防止由于试验元件膨胀了的表面堵住液体转移元件上的沟槽。这种惰性的不膨胀多孔层可作为试验元件或液体转移元件的组成部分或作为配置在上述两元件间的分隔层。一种合适的多孔层包括一层颗粒材料。

如上所述，转移元件14可以是透明的或不透明的。此外，在反应完成后，试验元件可用肉眼或仪器分析。这种分析可以在试验元件留在诊 断装置上或从诊断装置上拆下后进行。在一个优选的实施例中，带着试验元件的诊断装置是通过分光光度计或荧光分光光度计读出结果。因此，在这种情况下，无论是液体转移元件或是试验元件的底层，或是两者均应是透明的。

在图4中所说明的另一个优选的实施例中，诊断装置中包括一个试剂空白元件30。在诊断元件中，被分析物浓度是通过测定荧光输出信号来测定，试剂空白元件能测定试验元件中存在的其他物质的荧光。在另一个实施例中，将一种多路生物诊断试验元件放置在血浆或血清转移元件之上，每路试验测量在样品中的不同被分析物的浓度。附加的试验元件或试剂空白元件可放置在与诊断试验元件18接触的或与其分离的位置上，或放置在滤过元件12的另一侧。图5说明一种诊断装置，其中试验元件18和31分别放置在滤过元件12的两侧。图6显示一种诊断装置，它有三个诊断试验元件32、34和36。图7显示一种诊断装置，其中诊断试验元件38和40分别以并列的方式放置在液体转移元件上。

在实际应用中，本发明的诊断试验装置一般将装有一个自动试验装置，它能自动进行分析并记录结果。在这种自动的试验装置中，诊断试验装置一般将被安装在一个支架上，此支架亦作为装置的一个组成部分。

现在将通过举例列出一些特别优选的实施例，以进一步详细说明本发明。可以理解，这些实施例只是想作为例子加以说明，而本发明是不受其中所引述的材料、条件、操作参数等的限制的。

实施例1

实验是采用三种不同玻璃纤维材料构成的8个正方形滤过垫和一个透明的塑料转移元件进行的，此转移元件每厘米大约有21条、沟深为0.16毫米的凸出沟槽。滤过垫放于转移元件沟槽表面的一端，而转移元件的剩余部分遮以一层9×75毫米透明的聚酯薄膜底层，因此肉眼就能看

到转称元件。将一个全血样品滴到滤过垫上，记下滤过垫被浸润所需时间，此外，计算出从样品中分离出来并进入转移元件沟槽中的血浆量。测出沟槽的容积是5.8微升/厘米²。

实验采用未处理的玻璃纤维;用去离子明胶（含有12ppm钙）处理过的玻璃纤维;以及用去离子明胶和吐温（Tween）20（一种从Rohm和Haas公司得到的表面活性剂）处理过的玻璃纤维。玻璃纤维的去离子明胶处理是将滤过垫浸入1%明胶水溶液，然后水洗三次的方法。另一种用明胶处理再加吐温20处理玻璃纤维的方法是，第一次洗涤用1%吐温20水溶液，后两次用水。

从表1可以看出滤过垫分离样品中的血浆和红细胞一般是有效的。

实施例2

此实验是为测定四种被测物，即狄高辛（digoxin）、人绒毛膜促性腺激素（hCG）、茶碱和胰岛素结合到不同玻璃纤维上的程度。实验采用未处理的玻璃纤维和用离子明胶及吐温20处理过的玻璃纤维。过滤垫处理方法如实施例1中所述。

分析物用¹²⁵I标记，它们的血浆样品中浓度是：狄高辛7.8微克/升血浆，人绒毛膜促性腺素1国际单位/升血浆，茶碱1.8毫克/升血浆，胰岛素50微克/升血浆。

将含在混合血浆中的被分析物的样品，加在直径0.8厘米的滤过垫上，在室温下孵育10分钟。测定每个滤过垫的空体积，所加的样品量和该空体积相同。用于Sartorius13430滤过垫的样品量是90微升;用于Whatman    GF/B的样品量是65微升;用于Whatman    QM-A的样品量是45微升。滤过垫经孵育期后用1毫升盐水溶液洗两次，然后测量滤过垫的放射性活性，同时计算出分析物中非特定性结合的百分率。

三种类型的玻璃纤维对被分析物显示低非特定性结合：结合到未处理Whatman    GF/B滤过材料上的狄高辛和胰岛素分别为2.6%和6.0%，结合 到Whatman    QM-A滤过材料上的狄高辛和胰岛素分别为2.9%和62%。其他被分析物/滤过材料结合的非特定性结合的百分比低于1%。而且，将Whatman玻璃纤维材料用去离子明胶和吐温20处理后，它和狄高辛和胰岛素的非特定性结合减少到小于1%。

实施例3

实验是测定根据本发明的诊断装置的试验元件吸收液体的精确度。实验应用由两种不同玻璃纤维材料制成的7×7毫米正方形滤过垫和一个每厘米有32条凸面沟槽的液体转移元件，沟槽的深度为0.125毫米。滤过垫置于转移元件沟槽表面的一端，一个7×7毫米的正方试验元件盖住转移元件的剩余表面部分。试验元件包含一透明的聚苯乙烯底层，此层涂以18克/米²琼脂层，琼脂层与液体转移元件的沟槽表面相接触。

将一个全血样品或通过离心取自相同血样的血浆加至滤过垫上，三分钟后，将试验元件从转移元件取出，用称重法测定液体吸收量。

此实验采用两种不同玻璃纤维滤过垫，用明胶和吐温20的处理它们方法如实施例1所述。

表2

滤过材料 样品 体积（微升） 实验数 液体吸收量＊（毫克/厘米²）

Sartorius    全血    90    8    4.66±0.08

13430

Sartorius    血浆    90    8    4.66±0.18

13430

Whatman    全血    50    8    4.40±0.12

QM-A

Whatman    血浆    50    8    4.58±0.12

QM-A

＊8次测量均值和标准差

从上表可以看出试验元件对全血和血浆样品的液体吸收量是非常精确的。此外，Sartorius    13430滤过材料对全血和血浆样品的液体吸收量相同，而Whatman    QM-A滤过材料对上述两种样品的液体吸收实际上也是相同的。

虽然本发明用各种实施例加以描述，但无意受其限制，而且熟悉本领域的技术人员是能够认识到这些技术是可以变化和改进的，这些变化和改进均包括在本发明的精神实质和所附权利要求的范围之内。

Claims (10)

1、一种生物学诊断装置，它包括一个样品操作单元，此单元包括一个液体转移元件，元件表面有多路沟槽，以提供液体沿其流动的路径；和一个与上述沟槽呈液体接触而配接的滤过元件；和至少一个诊断试验元件，它与上述液体转移元件的所说表面上的所述沟槽接触而配接，以接收从上述滤过元件流至上述沟槽的液体。

2、权利要求1的诊断装置，其中滤过元件包含一层纤维材料，它能将细胞与血浆或血清分离。

3、权利要求2的诊断装置，其中所说的诊断试验元件是一多层免疫测定元件。

4、权利要求2的诊断装置，其中所说的纤维滤过材料已用去离子明胶或白蛋白处理。

5、权利要求2的诊断装置，其中所说的纤维滤过材料已用一种表面活性剂处理。

6、权利要求2的诊断装置，其中所说的纤维滤过材料已用一种蛋白质处理。

7、权利要求1的诊断装置，其中所说的液体转移元件包括每厘米约4至50条沟槽，沟槽深度约从0.05至0.160毫米。

8、权利要求7的诊断装置，其中所说的液体转移元件包括一种基本透明的聚合材料。

9、权利要求8的诊断装置，其中所说的液体转移元件包括水解醋酸一丁酸纤维素。

10、权利要求1的诊断装置，它包括一种多路诊断试验元件。