DE69312628T2

DE69312628T2 - Verfahren zum Fördern von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE69312628T2
Application number: DE69312628T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Isaka; Takeshi Miyazaki; Matsuomi Nishimura; Toshikazu Onishi; Kazumi Tanaka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2013-10-28
Also published as: US5788819A; EP0595290A2; EP0595290B1; EP0595290A3; DE69312628D1; ATE156312T1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Treiben einer ionisch leitenden Flüssigkeit durch Anlegen einer elektromagnetischen Kraft.

Zugehöriger technischer Hintergrund

Üblicherweise wird zum Treiben einer Flüssigkeit auf diese eine mechanische Kraft mit Hilfe einer rotierenden Klinge, einem Rührelement oder dergleichen aufgebracht.
Bei einem anderen Verfahren wird elektrische Kraft, insbesondere elektromagnetische Kraft zum Treiben einer Flüssigkeit verwendet. Beispiele hierzu werden im folgenden dargelegt.
Die japanische Patentanmeldungs-OS 4-52067 offenbart ein Verfahren zum Treiben schmelzflüssigen Metalls durch elektromagnetische Kraft, die erzeugt wird durch Wechselwirkung eines in dem schmelzflüssigen Metall fliessenden elektrischen Stroms und eines externen magnetischen Feldes.
Die japanische Patentanmeldungs-OS 61-218359 offenbart eine elektromagnetische Pumpe, die ein externes Magnetfeld und ein elektrisches Feld an eine elektrisch leitende Flüssigkeit in einen Kanal legt und die Flüssigkeit durch die resultierenden elektromagnetischen Kräfte treibt.
Magnetfeld an eine Metalischmelze gelegt wird, um Wirbelsträme und eine elektromagnetische Kraft durch Wechselwirkung des Wirbelstroms mit dem Magnetfeld zu erzeugen und dadurch die Metallschmelze zum Fliessen zu bringen.
Als Vorrichtungen für den Flüssigkeitstransport sind zusätzlich zu den Vorrichtungen, die von dem oben angesprochenen Flüssigkeitstreiberverfahren Gebrauch machen, Pumpen bekannt. Unter diesen Pumpen gibt es solche, die sich für den Transport einer winzigen Menge (z.B. 1 µl oder weniger) Flüssigkeit eignen: z.B. eine Pumpe, die durch ein piezoelektrisches Element verursachte elektrische Verzerrung ausnutzt, eine Pumpe unter Ausnutzung eines Dampfdrucks, der durch Wärme eines Widerstandsheizelements erzeugt wird, etc. In den vergangenen Jahren wurden basierend auf Mikrobearbeitungsmethoden winzige Zahnradpumpen entwickelt.
Außerdem ist die Wirkung von Ultraschallwellen sowie die elektro hydrodynamische Wirkung (EHD), beispielsweise in Form der Elektroosmose und der Elektrophorese, bekannt als Mittel für den Transport einer Flüssigkeit.
Allerdings ist mechanische äußere Kraft im allgemeinen nicht in der Lage, eine winzige Flüssigkeitsmenge anzutreiben, da eine zu treibende geringe Flüssigkeitsmenge begrenzt ist durch die Gräße der drehenden Klinge oder des Rührelements.
Elektromagnetische Verfahren ermöglichen die Handhabung einer winzigen Flüssigkeitsmenge, da die Verfahren die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit nutzen und die Kraft nur auf die Flüssigkeit aufbringen. Allerdings erfordert das elektromagnetische Verfahren unglücklicherweise eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds und getrennt davon eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes. Verfahren, die einen induzierten Strom nutzen, der durch ein Magnetfeld verursacht wird, erfordern eine Treibereinrichtung für ein magnetisches Wechselfeld oder ein magnetisches Drehfeld, sie sind hinsichtlich der Anwendung auf Flüssigkeiten beschränkt, die ausreichend großes elektrisches Leitvermögen besitzen.
Die oben angesprochenen Pumpen, die ein piezoelektrisches Element oder eine Widerstandsheizvorrichtung verwenden, kännen zwar eine winzige Flüssigkeitsmenge transportieren, rufen aber ein Pulsieren der Strömung hervor, das unglücklicherweise zur Instabilität des Flüssigkeitstransports führt, wenn die Menge der transportierten Flüssigkeit gering ist.
Das Ultraschallschwingungsverfahren ist mit dem Problem behaftet, daß es auch den Behälter der Flüssigkeit zum Schwingen bringt und diesen möglicherweise beschädigt, oder daß der Flüssigkeitsstrom unkontrollierbar wird, was nachteilig ist.
Das elektrohydrodynamische Verfahren zeigt bei Verwendung zum Transportieren einer stark elektrisch leitenden Flüssigkeit die Neigung zur Elektrolyse durch die angelegte Spannung, wobei ein Gas entsteht oder die Elektrode beeinträchtigt wird, was dem Flüssigkeitstransport in nachteilhafter Weise erschwert.
Die nach Mikrobearbeitungsmethoden hergestellten Pumpen haben einen komplizierten Aufbau und sind teuer.
Andererseits sind Agglutinationsverfahren bekannt, um eine Konzentration einer Substanz in einer Probe zu bestimmen, indem die Agglutination der Substanz verursacht wird. Beispielsweise wird ein immunologisch aktives Antigen in Berührung mit einer biologischen Substanz gebracht, und es wird das Ausmaß der sich einstellenden Agglutination gemessen.
Ein Beispiel derartiger Verfahren ist die Latex-Agglutinations-Immunprüfung (LAIA) nach J.M. Singer et al. (Am. J. Med., 21888 (1956)). Bei diesem Verfahren ist ein teilchenförmiger Stoff wie beispielsweise Polystyrolpartikel, die einen Antikörper tragen, der sich selektiv mit einem Antigen kombinieren kann, in einem flüssigen Medium dispergiert, beispielsweise in Wasser, um eine Dispersion zu bilden (ein Latex-Reagens). Eine Probelösung, die das erwähnte immunologisch aktive Antigen enthält, wird in Berührung mit der Dispersion gebracht, um eine Agglutination hervorzurufen. Die Konzentration des Antigens in der Probelösung wird durch Betrachtung der sich ergebenden Agglutination gemessen. Später wurden zahlreiche Untersuchungen mit diesem Verfahren durchgeführt. Das Ausmaß der Agglutination wird üblicherweise durch visuelle Betrachtung beurteilt, und zwar aufgrund der vorteilhaften Einfachheit und Schnelligkeit, wenngleich eine quantitative Bestimmung damit nicht möglich ist.
In den vergangenen Jahren wurden optische Verfahren zum Messen des Ausmaßes der Agglutination untersucht. A. Fature et al. berichteten ein Verfahren zur quantitativen Analyse durch Messen der Änderung der Trübung, die durch die Agglutinations-Reaktion verursacht wurde, und der dynamischen Analyse durch Änderung der Trübung (A. Fature et al.: Protides Biol. Fluids, Colloq., 2589 (1972)).
Bei einer derartigen, die Agglutinations-Reaktion nutzenden Messung wurde der Agglutinationsgrad üblicherweise gemessen, nachdem ein Latex-Reagens mit einer Probelösung gemischt und das Gemisch eine gewisse Zeit stehen gelassen wurde. Allerdings erfordert ein solches Verfahren des Mischens und Stehenlassens eines Reagens und einer Probenlösung beträchtliche Zeit für die Messung und führt zu geringer Genauigkeit der Meßdaten, da die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der spontanen Diffusion des Latex-Reagens abhängt.
Deshalb wird bei der Messung einer geringen Menge einer Substanz durch Agglutinations-Reaktion mit einer biologischen Substanz in einem flüssigen Medium dieses gerührt, um die Reaktion zur Beschleunigung der Prüfung zu fördern.
Das Rühren des flüssigen Mediums erfolgt durch mechanisches Umrühren mit einem Rührelement oder durch mechanische Vibration. Dieses mechanische Rühren erfordert in unvorteilhafter Weise eine große Menge an flüssigem Medium, an Reagens- oder Probenlösung, oder eine beträchtliche Größe der Apparatur selbst.
Es werden verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bei der Analyse einer geringen Menge von Substanzen wie z.B. Nukleinsäure, immunologisch aktive Antigene und weitere biologische Substanzen verwendet. Bei einer solchen Analyse wird ein Reagens, welches selektiv mit der geringen Substanz in Kombination gehen soll, auf einem Feststoff, beispielsweise einem Filter, Latexpartikeln, Glaskügelchen oder dergleichen fixiert, und die geringe Menge der Substanz in der Probenflüssigkeit reagiert mit dem Feststoff, und anschließend wird das Reaktionsergebnis mit einem radioaktiven Verfahren oder einem optischen Verfahren nachgewiesen. Spezielle Beispiele sind die Radioimmunprüfung (RIA), die Enzymimmununtersuchung (EIA), die Fluoreszenz-Immununtersuchung (FIA) u.s.w. (Vergleiche "Kensa to Gijutsu (Examination and Technique)", Vol 16, Nr.7 (1988).
Bei diesen Verfahren wird das Reaktionsergebnis mit einem radioaktiven Isotop, einem Farbstoff oder einem Enzym zum Nachweis durch Radioaktivität, Absorption von Emissionslicht oder enzymatischer Aktivität markiert. Im allgemeinen erfordern diese Verfahren, daß von dem Feststoff ein nicht reagierendes Prüfmaterial oder ein nicht reagierendes, markiertes Reagens durch Spülen oder BF-Trennung entfernt wird.
Der Reaktions- und der Spülprozess für die Analyse geringer Substanzmengen erfolgt im allgemeinen in einem flüssigen Medium, und das flüssige Medium sowie der Feststoff (z.B. Kügelchen) müssen gerührt werden, um die Effizienz der Reaktion und des Spülens zu steigern.
Die bekannten Rührverfahren, die dem obigen Zweck dienen, beinhalten Verfahren, die einen Feststoff, beispielsweise magnetische Kügelchen oder magnetische Feinteilchen unter Aufbringung einer Magnetkraft verwenden, außerdem Verfahren, die mit Hilfe eines Rührelements für einen Feststoff, beispielsweise einen Filter, arbeiten.
Das Umrühren mit magnetischen Feinteilchen ist deshalb nachteilig, weil die Herstellung zufriedenstellender magnetischer Feinteilchen nicht einfach ist, und, wenn die Teilchengröße der magnetischen Feinteilchen extrem gering ist (z.B. im Submikrometerbereich liegt), die magnetische Kraft gering ist, was zu einer schwachen Rührwirkung führt. Darüber hinaus können beim Rühren einer geringen Menge Flüssigkeit, weil der Behälter (oder die Zelle) nur einen begrenzten geringen Raum zur Aufnahme der zu rührenden Flüssigkeit aufweist, die magnetischen Feinteilchen den Raum möglicherweise verstopfen, was zu einem Nicht-Stattfinden des beabsichtigten Rührvorgangs führt, was nachteilig ist.
Das Rühren mit einem Rührelement verursacht in nachteiliger Weise einen Übertragungsvorgang aufgrund unzureichender Spülung des Rührelements, dieses Verfahren eignet sich nicht für eine geringe Menge Flüssigkeit.
Der Nachweis von Feinteilchen in einem flüssigen Medium wird im allgemeinen mit Hilfe einer Apparatur vorgenommen, welche die Trübung der flüssigen Dispersion in einer Chargenzelle oder dergleichen mißt. Eine derartige Vorrichtung mißt die optischen Eigenschaften der flüssigen Dispersion, die eine Anzahl von Teilchen enthält.
Im Gegensatz dazu gibt es eine Apparatur, die auf optischem Weg die feinen Teilchen als eine Partikeleinheit nachweist, nämlich als Einzelpartikel oder als Aggregation mehrerer Partikel. Dieser Apparatetyp weist eine höhere Nachweisempfindlichkeit auf, als der oben erläuterte Apparatetyp. Allerdings erfordert die Apparatur zum Nachweisen der Feinteilchen als Partikeleinheit in nachteiliger Weise einen komplizierten Apparateaufbau, um die Partikel als Partikeleinheit zu der Zone zu liefern, in der der optische Nachweis erfolgt. Beispielsweise können die feinen Partikel in einer flüssigen Dispersion in einer Partikeleinheit durch eine Hülsenströmungszelle transportiert werden, die einen schmalen Strom einer flüssigen Dispersion in Form einer laminaren Strömung bildet. Eine solche laminare Strömung erfordert eine Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 10 m/sec bei großer Menge. Folglich benötigt dieses Verfahren in nachteiliger Weise den Einsatz einer beträchtlichen Menge der flüssigen Dispersion, außerdem eine komplizierte Treibervorrichtung, beispielsweise eine Pumpe, um das Fluid anzutreiben.
Die US-A-3 398 685 offenbart eine Pumpe ohne bewegliche Teile, die zum Vortreiben isolierender Flüssigkeit dient. Zu diesem Zweck wird normalerweise eine Gleichspannung von einigen Zehn kV an eine Elektrodenlücke von 1 mm in einer nicht-leitenden Flüssigkeit, beispielsweise Silikonöl, Benzin etc. gelegt, um in der Flüssigkeit durch Coronaentladung eine elektrische Ladung zu injizieren und dadurch Ionen zu bilden. Diese Ionen werden unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes angetrieben, welches auch die Ionenschleppkräfte zur Einwirkung bringt.
Die US-A-4 634 057 schlägt außerdem eine Ionenschleppumpe vor, die bezüglich der obigen Pumpe verbessert ist. Zwischen den Elektroden ist eine Mündung eingesetzt, um den Widerstand zwischen den Elektroden zu stabilisieren, d.h. die Erzeugung von Blasen und eines dielektrischen Durchbruchs zu vermeiden. An die Elektrodenlücke von 0,4 - 1 mm wird eine Gleichspannung von 3 - 1 00 kV angelegt, um in der Flüssigkeit durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes eine elektrische Ladung zu injizieren und dadurch Ionen zu bilden. Wiederum werden diese Ionen durch Schleppkräfte unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes angetrieben.
Die US-A-4 463 798 wendet das Prinzip der Ionenschleppumpen auf ein Wärmerohr an und beseitigt einige der Nachteile konventioneller Kapiarpumpen. An ein Kühlmittel mit dielektrischen Eigenschaften (Freon 113) wird eine Gleichspannung von 12-18 kV gelegt, um in der Flüssigkeit eine elektrische Ladung durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes zu injizieren und dadurch Ionen zu bilden. Auf diese Weise werden diese Ionen durch Schleppkräfte angetrieben.

Offenbarung der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Treiben einer ionisch leitenden Flüssigkeit mit einer Ionenleitfähigkeit in einem relativ breiten Bereich, die in einer kleinen Zone ohne Elektrolyse und andere unerwünschte Effekte stabil gehalten wird.
Erreicht wird dieses Ziel durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren zum Treiben einer Flüssigkeit und das Verfahren zum Mischen und Rühren einer Flüssigkeit gemäß der oben erläuterten Erfindung ist anwendbar auf eine Agglutinations-Reaktion und den Nachweis einer geringen Menge einer Substanz.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figuren 1A bis 1C zeigen Beispiele der Wellenform der sich periodisch ändernden Spannung.
Fig. 2 ist eine Skizze zum Erläutern des Aufbaus eines Elektrodenpaars sowie des Prinzips des Treibens einer Flüssigkeit gemäß der Erfindung.
Fig. 3 ist eine Skizze, die einen weiteren Aufbau des gemäß der Erfindung verwendeten Elektrodenpaares zeigt.
Fig. 4 veranschaulicht den Zustand beim Anlegen einer Spannung und beim Treiben einer Flüssigkeit mit dem Elektrodenaufbau nach Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Skizze, die ein weiteres Beispiel des Aufbaus des Elektrodenpaares und der Richtung des Flüssigkeitsantriebs gemäß der Erfindung veranschaulicht.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel mehrerer Paare von Elektroden gemäß der Erfindung.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel mehrerer Paare von Elektroden, die erfindungsgemäß eingesetzt werden.
Fig. 8 ist ein Beispiel einer Wellenform von Spannungen, die an die Elektrodenpaare nach Fig. 7 angelegt werden.
Fig. 9 zeigt grob eine Vorrichtung für eine Agglutinations-Reaktion unter Verwendung des erfindungsgemäßen Flüssigkeits-Treiberverfahrens.
Fig. 10A und 10B veranschaulichen ein Beispiel einer Reaktionszelle für die Nachweisapparatur unter Verwendung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitstreiber-Verfahrens.
Fig. 11 zeigt ein Beispiel des Förderns und Auftragens der Flüssigkeit in der Nachweisapparatur gemäß Fig. 10A und 10B.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel für einen optischen Nachweis in der Nachweisapparatur gemäß Fig. 10A und 10B.
Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für den Aufbau einer Meßzelle, die in einer Feinpartikel-Nachweisapparatur unter Verwendung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsantriebsverfahren eingesetzt wird.
Fig. 14 zeigt einen Zustand der Umlaufbewegung von Feinteilchen in der Meßzelle nach Fig. 13.
Fig. 15 zeigt einen Zustand der Projektion von Nachweislicht für den optischen Nachweis von Feinpartikeln mit der Meßzelle nach Fig. 13.
Fig. 16 zeigt ein Beispiel für den Gesamtaufbau einer Feinpartikel-Nachweisapparatur unter Verwendung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsantriebsverfahrens.
Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht des Zellenaufbaus nach Beispiel 1.
Fig. 18 zeigt die Anordnung von Glaskapillaren des Beispiels 1.
Fig. 19 zeigt den Aufbau der Apparatur zum Betrachten des Flüssigkeitsstroms nach Beispiel 1.
Fig. 20 zeigt den Zustand des Färbungsstoffs in der Flüssigkeit nach Beispiel 1.
Fig. 21 ist eine Schnittansicht des Aufbaus der Zelle nach Beispiel 2.
Fig. 22 zeigt den Strom des Färbemittels in der Flüssigkeit nach Beispiel 2.
Fig. 23 ist eine perspektivische Ansicht der Flüssigkeits-Misch-Rührvorrichtung nach Beispiel 3.
Fig. 24 zeigt den Gesamtaufbau der Fördervorrichtung nach Beispiel 4.
Fig. 25 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Elektrodenpaares und des Strömungswegs der Apparatur nach Fig. 24.
Fig. 26 zeigt grob den Aufbau der Konzentrationsmeßvorrichtung nach Beispiel 5.
Fig. 27 ist eine perspektivische Ansicht der beim Beispiel 6 und Vergleichsbeispiel 2 verwendeten Reaktionszelle.
Fig. 28 ist eine Querschnittansicht der Reaktionszelle nach Fig. 27.
Fig. 29 zeigt die Ausgestaltung der Nachweisapparatur gemäß der Erfindung bei dem Flüssigkeitstransport nach Beispiel 6 und dem Vergleichsbeispiel 2.
Fig. 30 zeigt die Ausgestaltung der Nachweisapparatur gemäß der Erfindung beim Nachweis des Fluoreszenzlichts nach Beispiel 6 und des Vergleichsbeispiels 2.
Fig. 31 veranschaulicht das Muster der Elektroden der Reaktionszelle, die beim Beispiel 7 und Vergleichsbeispiel 3 verwendet wird.
Fig. 32 veranschaulicht die Reaktionszelle, die beim Beispiel 7 und beim Vergleichsbeispiel 3 eingesetzt wird.
Fig. 33 ist eine perspektivische Ansicht der gesamten Reaktionszelle, die beim Beispiel 7 und beim Vergleichsbeispiel 3 verwendet wird.
Fig. 34 zeigt die Ausgestaltung der Nachweisapparatur gemäß der Erfindung während des Flüssigkeitstransports beim Beispiel 7 und beim Vergleichsbeispiel 3.
Fig. 35 zeigt die Ausgestaltung der Nachweisapparatur gemäß der Erfindung während des Nachweises des Fluoreszenzlichts nach Beispiel 7 und nach Vergleichsbeispiel 3.
Fig. 36 ist eine perspektivische Ansicht der Meßzelle gemäß Beispiel 8.
Fig. 37 veranschaulicht den Aufbau der Feinpartikel-Nachweisapparatur gemäß der Erfindung, wie sie beim Beispiel 8 eingesetzt wird.
Fig. 38 zeigt die Position der Lichtprojektion beim Nachweis der Feinpartikel beim Beispiel 8.
Fig. 39 zeigt die Wellenform des Signals des Streulichts von den nachgewiesenen Feinpartikeln im Beispiel 8.
Fig. 40 ist eine perspektivische Ansicht, die grob den Aufbau des Substrats auf einer Seite der Meßzelle nach Beispiel 9 zeigt.
Fig. 41 ist eine perspektivische Ansicht, die grob den Aufbau der Meßzelle zeigt, die beim Beispiel 9 verwendet wird.
Fig. 42 veranschaulicht die Lage der Lichtprojektion beim Nachweis der Feinpartikel beim Beispiel 9.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die durch das erfindungsgemäße Flüssigkeits-Treiberverfahren zu treibende Flüssigkeit ist eine Flüssigkeit mit Ionenleitfähigkeit, zum Beispiel eine Lösung eines Elektrolyts wie Natriumchlorid oder Kaliumchlorid in einem Lösungsmittel wie Wasser oder organischen Lösungsmittel, und ein geschmolzenes Elektrolyt. Das Elektrolyt in der Flüssigkeit muß teilweise oder vollständig dissoziiert sein, um Ionen zu bilden, damit die Ionenleitfähigkeit erreicht wird.
Eine solche Ionenleitfähige Flüssigkeit hat vorzugsweise eine höhere elektrische Leitfähigkeit, vorzugsweise von nicht weniger als 10&supmin;&sup5; S/cm, noch mal bevorzugt nicht weniger als 10&supmin;&sup4; S/cm. Bei einer niedrigeren elektrischen Leitfähigkeit ist der zwischen dem Elektrodenpaar fließende Strom schwächer, und gleichzeitig ist das Magnetfeld um die Elektroden herum geringer, was die elektromagnetische Kraft schwächt, die auf die ionenleitfähige Flüssigkeit einwirkt, mithin zu einer Abnahme des Flüssigkeitsstroms führt.
Die im Rahmen der Erfindung brauchbare Elektrode besteht aus einem Material, welches konventionelle, bekannte Elektrodenstoffe beinhaltet, so zum Beispiel Metall, Kohlenstoff, Polymer-Stoffe, die das darin dispergierte Elektrodenmaterial als elektrisch leitenden Füllstoff enthalten, und leitendes Polymermaterial, wie Polypyrrol und dergleichen. Im allgemeinen wird das Elektrodenmaterial abhängig von der an das Elektrodenpaar angelegten Spannung ausgewählt. Wenn die angelegte Spannung einen Gleichanteil enthält, neigen die Elektrodenstoffe zur Oxidation, was zu einer Auflösung der Elektrode oder zur Bildung einer Oxidschicht führt, was möglicherweise den Flüssigkeitsstrom oder die Haltbarkeit der Elektroden abträglich beeinflußt. In einem solchen Fall sollte ein bezüglich anodischer Oxidation beständiges Material, beispielsweise Platin als Elektrodenmaterial gewählt werden. Wenn die angelegte Spannung verringert wird, um die obigen abträglichen Einflüsse zu vermeiden, ist die elektromagnetische Kraft, die auf die ionenleitfähige Flüssigkeit einwirkt, auf einen schwachen Wert begrenzt, wodurch die Obergrenze der Flüssigkeitsstromgeschwindigkeit möglicherweise auf einen geringen Wert beschränkt wird, im Extremfall der Flüssigkeitsstrom unterdrückt wird.
Im Hinblick auf die obigen Umstände ist die an das Elektrodenpaar angelegte Spannung vorzugsweise eine sich periodisch ändernde Spannung. Die Wellenform der sich ändernden Spannung ist nicht speziell beschränkt, es kann sich um eine Rechteckwelle, eine Sinuswelle, eine Dreieckwelle oder dergleichen handeln.
Die Frequenz und die Spannungsamplitude haben Einfluß auf die vorerwähnte anodische Oxidation der Elektrode und die Elektrolyse der Flüssigkeit (Bildung von Bläschen, Reaktion etc.). Im allgemeinen neigen eine niedrigere Frequenz und eine höhere Spannungsamplitude zur Verursachung der anodischen Oxidation oder der Elektrolyse. Bei einer wässrigen elektrolytischen Lösung zum Beispiel, die eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 1 mS/cm aufweist, beträgt die Frequenz vorzugsweise 100 KHz oder mehr, vorzugsweise 1 MHz oder mehr. Die bevorzugte Spannungsamplitude hängt ab von dem Abstand zwischen dem Elektrodenpaar, der Elektrodenform und der elektrischen Leitfähigkeit der wässrigen Elektrolytlösung, ausgedrückt als elektrische Feldstärke liegt sie etwa bei 10&sup4; - 10&sup6; V/m.
Die sich periodisch ändernde Spannung kann eine Wechselspannung sein, wie sie in Fig. 1A gezeigt ist. Eine Wechselspannung mit einem zeitlichen Mittelwert der angelegten Spannung von 0 ist deshalb besonders bevorzugt, weil sie weniger dazu neigt, eine anodische Oxidation der Elektrode und einer Elektrolyse der Flüssigkeit hervorzurufen.
Falls notwendig, lassen sich zwei oder noch mehr Wechselspannungen überlagern, oder es wird eine Wechselspannung mit einer Gleichspannung überlagert, wie dies in Fig. 1B dargestellt ist, vorausgesetzt, der Gleichspannungspegel ist so beschränkt, daß er in einem Bereich liegt, in welchem keine anodische Oxidation hervorgerufen wird.
Wenn das Tastverhältnis änderbar ist, wie dies bei der Rechteckspannung in Fig. 1C gezeigt ist, liegt das Tastverhältnis vorzugsweise im Bereich von 10 % -90 %, noch mehr bevorzugt im Bereich von 20 % - 80 %.
Bei einem Tastverhältnis von weniger als 10 % oder mehr als 90 % ist die Ansprechempfindlichkeit der ionenleitfähigen Flüssigkeit gegenüber dem elektrischen Feld gering, was die Bewegung der ionenleitfähigen Flüssigkeit in der Nähe der Elektrode verlangsamt und den Flüssigkeitsstrom abschwächt, aufgrund der Abnahme der einwirkenden elektromagnetischen Kraft.
Mindestens eine Elektrode des Elektrodenpaares arbeitet gemäß der Erfindung als eine Elektrode (Arbeitselektrode), die auf Ionen innerhalb der Flüssigkeit eine elektromagnetische Kraft ausübt.
Obschon das Prinzip des Flüssigkeitsantriebs gemäß der Erfindung nicht vollständig erklärt sind, wird angenommen, daß der Antrieb verursacht wird durch das nachfolgend erläuterte Prinzip, wobei eine Elektrode von dem Elektrodenpaar als Arbeitselektrode und die andere als Gegenelektrode betrachtet wird.
Wenn zwischen die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode eine Spannung gelegt wird, wird zwischen den zwei Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt. Dieses elektrische Feld läßt die ionenleitfähige Flüssigkeit sich bewegen und veranlaßt damit
einen elektrischen Stromschluß. Gleichzeitig wird um die Arbeitselektrode herum durch die Wirkung des durch die Arbeitselektrode fliessenden elektrischen Stroms ein Magnetfeld erzeugt. Die ionenleitfähige Flüssigkeit, die von dem elektrischen Feld um die Arbeitselektrode herum bewegt wird, nimmt eine elektromagnetische Kraft (Lorentz-Kraft) auf. Von dieser Lorentz-Kraft wird angenommen, daß sie das Prinzip des Flüssigkeitsantriebs darstellt. Wenn an die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode eine Wechselgröße gelegt wird, ist die Wirkung des elektrischen Feldes auf die ionenleitfähige Flüssigkeit im zeitlichen Mittel praktisch vernachlässigbar, auf die Flüssigkeit wirkt praktisch nur eine elektromagnetische Kraft.
Der Aufbau der Arbeitselektrode gemäß der Erfindung ist vorzugsweise derart, daß ein starkes elektrisches Feld an die ionenleitfähige Flüssigkeit gelegt wird und ein starkes Magnetfeld um die Arbeitselektrode herum erzeugt wird. Daher werden die Elektroden derart geformt, daß eine Konzentration des elektrischen Feldes an der Arbeitselektrode erfolgt, damit sowohl das elektrische Feld als auch das Magnetfeld um die Arbeitselektrode herum stark ist.
Bei einer solchen Arbeitselektrode kann das Aufbringen eines Magnetfeldes und das Aufbringen eines elektrischen Feldes gleichzeitig in einfacher Weise erfolgen. Deshalb muß die Einrichtung zum Anlegen des Magnetfelds nicht separat von der Einrichtung zum Anlegen des elektrischen Feldes ausgebildet sein.
Die Beispiele für den Aufbau der Elektrode gemäß der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
In Fig. 2 wird zwischen die Arbeitselektrode 1 und eine Gegenelektrode 4 eine Spannung gelegt. Die Arbeitselektrode besitzt eine konisch geformte Spitze. Beim Anlegen der Spannung wird eine ionisch leitfähige Flüssigkeit in der Nähe der Arbeitselektrode entlang dem elektrischen Feld (elektrische Kraftlinien 3) in Pfeilrichtung "i" angetrieben, und es fließt durch die Arbeitselektrode 1 ein elektrischer Stromfluß 1. Dieser elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld 2 in konzentrischer Form um die Achse der konischen Arbeitselektrode herum, wobei die Achse das Zentrum bildet. Daher bewegt sich die ionenleitende Flüssigkeit in der Nähe der Arbeitselektrode unter der Einwirkung des elektrischen Feldes 3, welches zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode erzeugt wird. Die Flüssigkeit empfängt damit eine elektromagnetische Kraft F von dem Magnetfeld 2 in etwa der Richtung entlang der konischen Fläche des Spitzenteus der Arbeitselektrode. Diese Richtung ändert sich auch dann nicht, wenn die Polarität der angelegten Spannung umgekehrt wird, sie ist unabhängig von der positiven oder negativen Ladung des Ions.
Fig. 3 zeigt einen weiteren Aufbau, bei dem ein elektrisch leitendes zylindrisches Rohr als Gegenelektrode 4 verwendet wird, auf dessen Mittellinie eine linienförmige Arbeitselektrode 1 vorgesehen ist. Wenn von einer elektrischen Schaltung ein elektrisches Feld angelegt wird und gleichzeitig elektrischer Strom durch die lineare Elektrode fließt, wie dies in Fig. 4 als Beispiel gezeigt ist, bewegt sich die ionenleitende Flüssigkeit in Richtung der Achse des zylindrischen Rohres, indem sie eine elektromagnetische Kraft F durch Wechselwirkung der Stromflußrichtung (j in der Zeichnung) aufgrund des elektrischen Feldes und des durch die lineare Elektrode erzeugten Magnetfeldes empfängt. In Fig. 4 fließt der Strom 1 durch die lineare Eiektrode, und hierdurch bewegen sich Kationen. Die Bewegungsrichtung ändert sich nicht, wenn man die Polarität der angelegten Spannung umkehrt.
Zwei Elektroden, jeweils mit konischer Form gemäß Fig. 2 können einander gegenüberliegend angeordnet werden, um ein Elektrodenpaar zu bilden, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Bei dieser Ausgestaltung dient eine Elektrode als Arbeitselektrode 1 und die andere als Gegenelektrode 4. Bei Anlegen einer Spannung fließt die Flüssigkeit in Pfeilrichtung gemäß Fig. 5.
Fig. 6 und 7 zeigen jeweils ein Beispiel mit mehreren Elektrodenpaaren. In Fig. 6 sind Muster von kreisförmigen Arbeitselektroden 1a-1c mit Gegenelektrode 4a-4c auf einer Linie auf einem Substrat 51 angeordnet. Die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode jedes Musters sind durch Zwischenlagerung einer Isolierschicht 52a- 52c voneinander isoliert. Das elektrische Feld wird zwischen die Arbeitselektrode 1b und die benachbarte Gegenelektrode 4a gelegt, und hierdurch fließt die Flüssigkeit in Richtung der Keilspitze auf dem Substrat 51.
In Fig. 7 werden Elektroden durch die Anordnung mehrerer Elektrodeneinheiten (3 Einheiten in der Zeichnung) gebildet, von denen jede Einheit sich aus vier Elektroden zusammensetzt. Die vier Elektroden jeder Einheit haben konische Form, ihre Spitzen sind auf einem einzigen gemeinsamen Punkt auf der Mittelachse (z.B. den Punkt G in der Zeichnung) gerichtet. Als ein Beispiel für das Anlegen einer Spannung an die vier Elektroden in jeder Einheit kann eine Spannung derart an die Elektroden 61 und 63 und die Elektroden 62 und 64 angelegt werden, daß sich eine Beziehung der Arbeitselektrode gegenüber der Gegenelektrode einstellt. In diesem Fall kann die Spannung unabhängig an die jeweiligen Elektrodenpaare angelegt werden. Beispielsweise kann die Spannung in Wellenformen A und B gemäß Fig. 8 angelegt werden. Bei einer solchen angelegten Spannung fließt die Flüssigkeit hauptsächlich in der Richtung entlang der Mittelachse, die durch einen Pfeil angegeben ist.
Die Vorrichtung zum Liefern einer Flüssigkeit gemäß der Erfindung liefert eine Flüssigkeit nach dem Flüssigkeitsantriebsverfahren gemäß der Erfindung, wie es oben beschrieben wurde, hierzu sind ein Elektrodenpaar mit dem oben erläuterten Aufbau, eine Einrichtung zum Zuführen einer ionisch leitenden Flüssigkeit zu der Lücke zwischen dem Elektrodenpaar und einer Leistungsquelle zum Anlegen einer Spannung an das Elektrodenpaar vorhanden. Bei der erfindungsgemäßen Zuführvorrichtung befindet sich vorzugsweise mindestens eine Elektrode (die Arbeitselektrode) in einem Innenraum innerhalb des Strömungswegs, um die Flüssigkeit effizient bereitzustellen. Der Raum in dem Strömungsweg ist vorzugsweise ein geschlossener Raum, der mit Flüssigkeit ausgefüllt ist, damit die durch die Arbeitselektroden auf die ionenleitfähige Flüssigkeit ausgeübte elektromagnetische Kraft wirksam genutzt wird zum Fördern der Flüssigkeit. Wenn der Raum offen ist, kann ein Verwirbeln der Flüssigkeit die Folge sein, was den Förderwirkungsgrad möglicherweise senkt oder eine Steuerung der Strömung erschwert.
Die Querschnittsform des Innenraums ist keiner besonderen Beschränkung unterworfen. Wenn die Spitze der Arbeitselektrode konisch ist, ist z.B. der Innenraum vorzugsweise entsprechend der konischen Form zylindrisch ausgebildet. Der Strömungsweg kann aus bekanntem Material gebildet sein, beispielsweise Glas, Kunststoff oder Keramik.
Das erfindungsgemäße Flüssigkeitsantriebsverfahren kann eingesetzt werden für die Agglutinations-Reaktion einer Substanz in einer flüssigen Probe mit einer biologischen Substanz, die in der Lage ist, speziell mit der obigen Substanz innerhalb eines ionenleitenden flüssigen Mediums eine Bindung einzugehen. Die Probenflüssigkeit und eine flüssige Dispersion der biologischen Substanz in einem flüssigen Medium mit Ionenleitfähigkeit werden in die Lücke zwischen einem Elektrodenpaar eingeleitet, und an das Elektrodenpaar wird eine sich periodisch ändernde Spannung gelegt, um das flüssige Medium umzurühren und eine Agglutinations-Reaktion zu veranlassen. Zur Durchführung der Aggutinations-Reaktion gibt es eine Reaktionszelle mit mindestens einem Paar der Elektroden und einer Leistungsquelle zum Anlegen einer sich periodisch ändernden Spannung an das Elektrodenpaar.
Die obige Aggutinations-Reaktion kann dazu benutzt werden, eine Konzentration einer Substanz in einer flüssigen Probe dadurch zu messen, daß man den Grad der Agglutination des Reaktionsgemisches nachweist. Für diese Konzentrationsmessung gibt es eine Reaktionszelle mit mindestens einem Paar der Elektroden, eine Leistungsquelle zum Anlegen einer sich periodisch ändernden Spannung an das Elektrodenpaar, und eine Einrichtung zum Nachweisen des Agglutinationsgrads des Reaktionsgemisches in der obigen Reaktionszelle.
Die Substanz in der Probenlösung und die biologische Substanz unterliegen keinen Beschränkungen, vorausgesetzt, beide Substanzen werden selektiv aneinander gebunden.
Beispiele für die Substanz in der Probenösung sind Substanzen, die Lebendorganismen darstellen, beispielsweise Proteine, Zucker, Hormone, Viren, DNA, RNA und dergleichen.
Die biologische Substanz als Reagens ist eine Substanz, die eine biologische Spezifiziertheit bezüglich der obigen Substanz aufweist. Die biologische Spezifiziertheit bedeutet hier eine Beschaffenheit, bei der eine spezifische Bindung entsteht, beispielsweise eine Antigen-Antikörper-Reaktion, eine Hybridisierung von DNA und RNA, eine Avidin-Biotin-Bindung und dergleichen.
Die biologische Substanz enthält synthetische Peptide, Proteine, Enzyme, Zucker, Lektine, Viren, Bakterien, Nukleinsäuren, DNA, RNA, Antigene (einschließlich Rekombinations-Antigen), Antikörper etc. Weiterhin enthält die biologische Substanz, die für die klinische Pathologie besonders wichtig ist, Serum-Proteine, wie Immunglobuline (z.B. IgG, IgM und IgE), Komplementäre, CRP, Ferritin, α&sub1;-Mikroglobulin, β&sub2;-Mikroglobulin etc. und deren Antikörper; mit Tumormarker versehene Verbindungen, wie karzinoembryonisches Antigen (CEA), prostatische saure Phosphatase (PAP), CA19-9, CA-125 etc. sowie deren Antikörper; Hormone wie luteinisierendes Hormon (LH), follikel-stimulierendes Hormon (FSH), humanchorionisches Gonadotropin (hCG), Östrogen, Insulin etc. sowie deren Antikörper; Virusinfektionsrelevante Substanzen wie HBV-bezogene Antigene (HBs, HBe, HBc), HIV, ATL etc. und deren Antikörper; Bakterien wie Corynebacterium diphteriae, Clostridium botulinum, Mykoplasma, Treponema pallidum etc. sowie deren Antikörper, Protozoen wie Toxoplasma, Trichomonas, Leishmania, Tripanosoma, Plasmodium etc. und deren Antikörper; Medikamente wie Antiepileptika, beispielsweise Phenytom und Phenobarbitural, kardiovaskuläre Medikamente, beispielsweise Quinidin und Digoxin, Antiasthmatika, beispielsweise Theophyllin, Antibiotika, beispielsweise Chlor amphenicol und Gentamycin sowie deren Antikörper; Enzyme und Exotoxin (z.B. Styrelizin 0) und deren Antikörper und so fort. Die biologische Substanz wird in geeigneter Weise aus solchen Substanzen ausgewählt, die eine Antigen-Antikörper- Reaktion mit der Substanz in der obigen Probenlösung hervorrufen.
Bei der obigen Antigen-Antikörper-Reaktion kommt es im allgemeinen zu einer Agglutination in einer Substanz in einer Probelösung mit einer biologischen Substanz. Die Agglutinations-Reaktion kann z.B. verursacht werden, wenn die biologische Substanz auf einer Fläche mit Feinpartikel-Material angeordnet ist, abhängig von der Art und der Menge der Substanzen.
Das Feinpartikel-Material enthält biogenetische Feinpartikel-Stoffe, anorganische Stoffe in Form feiner Partikel und organische Stoffe in Form feiner Partikel. Die biogenetischen Feinpartikel-Stoffe sind z.B. Blutkörperchen und dispersionsbehandelte Bakterien wie Staphylococcus und Streptococcus. Die anorganischen Stoffe in Form von Feinpartikeln sind z.B. Kieselerde, Aluminiumoxid und Bentonid. Die organischen Stoffe in Form von Feinpartikeln sind z.B. Homopolymere und Copolymere aus Vinylmonomeren, wie z.B. Styrol, Vinylchlorid, Acrylnitril, Vinylacetat, Acrylester und Methacrylester, Butadien-Copolymere wie z.B. Styrol-Butadien-Copolymere und Methyl-Methycrylat-Copolymere und Lipid-Liposome in zweimolekularer Schicht.
Die Bindung der biologischen Substanz an dem Feinpartikel-Material erfolgt physikalisch und/oder chemisch in der unten beschriebenen Weise. Bei der physikalischen Bindung ist die Oberfläche der feinen Partikel vorzugsweise hydrophob. Besonders bevorzugte hydrophobe Feinpartikel-Stoffe sind Feinteilchen aus Styrol- Homopolymeren, Vinyl-Copolymeren, hauptsächlich aus Styrol-Einheiten gebildet, sowie Styrol-Butadien-Copolymere, hauptsächlich gebildet aus Styrol-Einheiten.
Der Teilchendurchmesser der obigen Feinteilchen-Stoffe legt in jedem Fall der Feinteilchen aus biogenetischen Stoffen, der Feinteilchen aus anorganischen Stoffen und der Feinteilchen aus organischen Stoffen vorzugsweise in dem Bereich von 0,05 µm bis 10 µm, bevorzugter von 0,2 µm bis 5 µm. Wenn der Teilchendurchmesser weniger als 0,05 µm beträgt, läßt sich die biologische Substanz nicht leicht als Reagens auf der Oberfläche verteilen. Ist der Teilchendurchmesser größer als 10 µm, ist die Stabilität der Reagens-Dispersion beeinträchtigt.
Die biologische Substanz wird auf der Oberfläche des Feinteilchen-Materials gehalten oder fixiert durch folgendes Verfahren: das Ionenbindungsverfahren, physikalische Adsorption, und kovalente Bindung.
Die Ionenbindung erfolgt durch Bindung der biologischen Substanz wie ein Protein, DNA und RNA auf elektrostatischem Wege an der Oberfläche des Feinteilchen- Materials.
Die physikalische Adsorption wird verursacht durch hydrophobe Bindung zwischen dem hydrophilen Abschnitt der Oberfläche des Feinteilchen-Materials und dem hydrophilen Teil des Proteins.
Die Ionenbindung und die physikalische Adsorption werden gebildet durch eine einfache Bindungsreaktion, die allerdings eine geringe Bindungsstärke aufweisen.
Im Gegensatz dazu wird die kovalente Bindung gebildet durch das Anhaften einer reaktiven funktionellen Gruppe an mindestens einer der Feinteilchen-Oberfläche und der biologischen Substanz und Bindung der Substanz an der Oberfläche durch die funktionelle Gruppe, wodurch man eine starke Bindung erhält. Die funktionelle Gruppe zur Bildung der kovalenten Bindung zwischen dem Feinteilchen-Material und der biologischen Substanz beinhaltet eine Amino-Gruppe, eine Hydroxyl-Gruppe, eine Phosphorsäuren-Gruppe, eine Carboxyl-Gruppe, die Sulfohydryl-Gruppe von Cystein, die Imidazol-Gruppe von Histidin, die Phenol-Gruppe von Tyrosin, die Hydroxyl-Gruppe von Serin oder Threonin.
Diese funktionellen Gruppen sind reaktionsfähig mit verschiedenen Gruppen wie der Diazoniumsalz-Gruppe, einer Säure-Amid-Gruppe, einer Isocyanat-Gruppe, eines aktiven Typs einer Alkylhalogenid-Gruppe, und eines aktiven Typs einer Estergruppe.
Deshalb ermöglicht das Aufbringen einer solchen funktionellen Gruppe auf die Feinteilchen-Oberfläche die Fixierung biologischer Substanzen auf der Oberfläche nach verschiedenen Verfahren. Die biologischen Substanzen, besonders solche, die sich aus Protein mit einer Struktur höherer Ordnung zusammensetzen, die von einer relativ schwachen Bindekraft gehalten wird, beispielsweise einer Wasserstoffbindung, einer hydrophoben Bindung oder einer ionischen Bindung, werden relativ leicht zerstört. Deshalb erfolgt die Fixierung vorzugsweise unter milden Umständen ohne Behandlung mit einer starken Säure oder einem starken Alkali bei hoher Temperatur.
Ein Verfahren zur Fixierungsreaktion unter milden Bedingungen ist das Fixieren durch Einsatz eines zweifunktionalen Quervernetzungsmittels, welches in der Lage ist, mit den funktionellen Gruppen des Feinteilchen-Materials und der biologischen Substanz zu reagieren. Das zweifunktionelle Quervernetzungsmittel ist z.B. gebildet durch Karbodiimide, repräsentiert durch die allgemeine Formel R-N = C = N-R', Dialdehyde, repräsentiert durch die allgemeine Formel CHO-R-CHO, Diisocyanate, dargestellt durch die allgemeine Formel O = C = N-R-N = C = O (in den allgemeinen Formeln bezeichnen R und R' unabhängig ein substituiertes oder nicht-substituiertes Alkyl, Aryl-Alkylarryl oder eine Arylalkyl-Gruppe).
Die eine zu bestimmende Substanz und das Feinteilchen-Material, welches mit einer biologischen Substanz als Reagens beladen ist, enthaltende Probenlösung werden in einem ionenleitfähigen flüssigen Medium dispergiert.
Das ionenleitfähige flüssige Medium enthält Wasser mit einem gelösten Elektrolyt oder ein gemischtes Lösungsmittel aus Wasser und einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel wie z.B. Alkohole und Ketone. In der Flüssigkeit muß das Elektrolyt teilweise oder vollständig zu Ionen dissoziiert sein, um die Ionenleitfähigkeit zu erbringen. Das flüssige Medium kann ein Additiv enthalten, beispielsweise ein pH-Pufferagens, ein Protein, ein Oberflächenbehandlungsmittel, ein wasserlösliches Polymer und dergleichen.
Antigen-Antikörper-Reaktionen und Hybridisierung haben die Neigung, von dem pH des Lösungsmittel beeinflußt zu werden. Deshalb wird im allgemeinen dem Reaktionsmedium das pH-Pufferagens hinzugefügt. Das pH-Pufferagens enthält Phosphatsalze, Tris, HCl-Puffer und dergleichen. Das Protein wird hinzugefügt, um eine unspezifische Reaktion zu verhindern: das Protein beinhaltet Rinderserum-Albumin und Gelatine. Das Oberflächenbehandlungsmittel und das wasserlösliche Polymer haben die Wirkung einer Dispersionshilfe für das Reagensmittel, einschließlich nichtionischer und anionischer Oberflächenbehandlungsmittel wie Tween 20, Polyvinylalkohole, Polyacrylamide, Polyacrylsäuresalze, Hydroxyethylcellulose etc. Solche Additive werden in solchen Mengen eingesetzt, daß die Agglutinations- Reaktion nicht verzögert wird.
Das oben erläuterte Reagens wird mit dem obigen, geeigneten flüssigen Medium verdünnt, abhängig von Art und Menge der Substanz in der Probenlösung. Die Feststoffkonzentration in dem verdünnten Reagens wird abhängig vom Typ und von der Größe der verwendeten Reaktionszelle eingestellt und liegt allgemein und bevorzugt im Bereich von 0,01 % bis 5 %, noch mehr bevorzugt von 0,05 % bis
Die die zu messende Substanz enthaltende Probenlösung und das ionenleitfähige flüssige Medium, welches das Reagens darin dispergiert enthält, werden in einem Raum zwischen dem Elektrodenpaar eingeleitet. Zwischen das Elektrodenpaar wird eine sich periodisch ändernde Spannung gelegt, um auf die ionenleitfähige Flüssigkeit in der Nähe der Elektrode eine elektromagnetische Kraft auszuüben und das flüssige Medium zu rühren und damit eine Agglutinations-Reaktion hervorzurufen.
Die Agglutinations-Reaktion durch Verwendung des Flüssigkeitsantriebsverfahrens gemäß der Erfindung wird gefördert durch das Rühren des flüssigen Mediums, indem eine elektromagnetische Kraft in einen winzigen Bereich um die Elektrode herum auf die ionenleitfähige Flüssigkeit ausgeübt wird. Hierdurch läßt sich die Agglutinations-Reaktion in einfacher Weise mit einer geringen Menge Flüssigkeit durchführen (Dispersionsmedium, Probenlösung etc.).
Fig. 9 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Agglutinations-Reaktions-Vorrichtung mit dem in Fig. 5 dargestellten Elektrodenaufbau. Die Reaktionszelle 10 ist aufgebaut aus einem Glassubstrat 6, 6', Distanzgliedern 7 und Elektroden 8, 8' mit einer konischen Spitze, sowie einem Flüssigkeitseinleitabschnitt 9.
Mit dieser Apparatur läßt sich eine Probenlösung, die eine zu messende Substanz enthält, sowie ein ionenleitfähiges flüssiges Medium, welches eine darin dispergierte biologische Substanz als Reaktionsmittel aufweist, in den Flüssigkeitseinleitabschnitt 1 bringen, und zwischen die Elektroden 8, 8' wird von einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) Leistungsquelle eine Wechselspannung angelegt. Daher wird das flüssige Medium in der Nähe der Elektroden 8, 8' gemäß Fig. 5 angetrieben, was zu einem Durchmischen des flüssigen Mediums führt, was die Agglutinations-Reaktion fördert. Durch Ändern des Spannungspegels und der Frequenz der angelegten Spannung läßt sich der Wirkungsgrad des Umrührens ändern, und dadurch läßt sich also auch die Reaktionsrate der Reaktionsgeschwindigkeit steuern.
Das Verfahren und die Apparatur zur Konzentrationsmessung, die das Agglutinations-Reaktionsverfahren und die oben beschriebene Agglutinations-Reaktions- Apparatur verwenden, werden im folgenden beschrieben.
Das Verfahren zur Konzentrationsmessung weist den Grad der Agglutination eines Reaktionsgemisches auf der oben erwähnten Agglutinations-Reaktion nach. Speziell kann man die Änderung des Ausgangssignals eines Detektors im Verlauf der Agglutinations-Reaktion messen, oder das Ausgangssignal eines Detektors läßt sich bei Beendigung der Aggutinations-Reaktion messen. Darüber hinaus ist eine quantitative Bestimmung dadurch möglich, daß man eine Eichkurve mit bekannten Proben erstellt. Das Ausmaß der Agglutination des Reaktionsgemisches wird vorzugsweise in dem berührten Bereich zwischen dem Elektrodenpaar in der Reaktionszelle nachgewiesen.
Die Messung kann durchgeführt werden, während der Spannungspegel oder die Frequenz der angelegten Leistung geändert werden, um die Wirksamkeit des Umrührens zu ändern.
Die Einrichtung zum Messen des Ausmaßes der Agglutination des Reaktionsgemisches mit der oben erläuterten Konzentrationsmeßvorrichtung beinhaltet optische Verfahren wie z.B. die Messung der Durchlaßlichtstärke oder die Messung der Streulichtstärke aus der Reaktionszelle, ferner elektrische Mittel wie die Impedanzmessung sowie die visuelle Beobachtung. Bei den optischen Mitteln enthält die Lichtquelle Lampen, beispielsweise Halogenlampen und Xenon-Lampen, außerdem Laserlichtquellen wie He-Ne-Laser und Halbleiterlaser. Das Lichtempfangselement enthält Photovervielfacher, Photodioden, Phototransistoren und dergleichen, wobei das Ausgangssignal bei Bedarf von einem Operationsverstärker verstärkt wird.
Das Flüssigkeitsantriebsverfahren gemäß der Erfindung ermöglicht den Nachweis einer winzigen Menge einer Substanz, indem ein Reaktionsnachweis der Substanz und/oder eines oder mehrerer Nachweis-Reaktionsmittel mit einem verfestigten Reagens gebildet wird, bei dem es sich um eine biologische Substanz handelt, die von einem Feststoff getragen wird und in der Lage ist, sich speziell mit der geringen Substanz innerhalb der Probe zu verbinden. Bei diesem Nachweis sind die Probelösung und die Nachweisreagens-Lösung ionenleitfähig. Die ionenleitfähigen Flüssigkeiten werden in die Lücke zwischen dem Elektrodenpaar eingeleitet, und zwischen das Elektrodenpaar wird eine sich periodisch ändernde Spannung angelegt, um die Flüssigkeiten zu rühren. Hierdurch wird eine Reaktion zwischen dem verfestigten Reagens, der geringen Menge Substanz und dem Nachweisreagens ermöglicht.
Nach der Reaktion kann die Reaktionszelle gewaschen werden, indem eine Reinigungsflüssigkeit, die Ionenleitfähigkeit besitzt, zwischen das Elektrodenpaar eingeleitet und eine sich periodisch ändernde Spannung an das Elektrodenpaar gelegt wird, um die Reinigungslösung umzurühren. Um den obigen Nachweis auszuführen, sind eine Reaktionszelle mit mindestens einem Paar von Elektroden, eine Leistungsanlegeeinrichtung und eine Detektiereinrichtung zum Nachweisen einer markierten Substanz im Reaktionsprodukt vorhanden.
Die in geringer Menge in der Probenlösung vorhandene Substanz und die biologische Substanz sind bei dem oben erläuterten Nachweis nicht besonders beschränkt. Für den Nachweis eignen sich die bereits angegebenen Beispiele für die Substanz in der Probenlösung und die biologische Substanz.
Die biologische Substanz wird erfindungsgemäß auf einem Feststoff getragen (oder fixiert), um ein verfestigtes Reagens zu bilden. Der Feststoff ist nicht speziell beschränkt, vorausgesetzt, er ist in der Lage, das biologische Material gemäß dem unten angegebenen Verfahren zu fixieren. Der Feststoff kann Glas oder ein Kunststoff sein, aus dem die Reaktionszelle besteht, oder es kann ein Filter oder ein Feinteilchen-Stoff aus Glasfaser oder Zellulose sein. Das Feinteilchen-Feststoffmaterial kann das oben als Beispiel im Rahmen der Agglutinations-Reaktion angegebene Material als das Feinteilchen-Material zum Aufnehmen der biologischen Substanz sein.
Das biologische Material wird auf der Oberfläche des Feststoffmaterials durch ionische Bindung, physikalische Adsorption oder kovalente Bindung in der gleichen Weise fixiert, wie es oben erläutert wurde.
Der Nachweis läßt sich durchführen nach dem unten angegebenen Verfahren (vgl. auch "Kensa to Gijutsu (Examination and Tachnique)", Vol 16, Nr.7, S.591 (1988)).

(Sandwich-Methode)

Es wird eine geringe Menge einer Substanz nachgewiesen durch Reaktion eines verfestigten Reagens und eines Nachweisreagens mit Durchsetzung der Feinsubstanz, um ein Reaktionsergebnis zu bilden, und das erhaltene Reaktionsergebnis wird nachgewiesen. Bei der Sandwich-Methode kann das Nachweisreagens eine biologische Substanz sein, die eine biologische Spezifiziertheit bezüglich der Kernsubstanz ähnlich wie das verfestigte Reagens aufweist.

(Wettbewerbs-Methode)

Eine geringe Menge einer Substanz in der Probenlösung und ein Nachweisreagens werden im Wettstreit mit dem verfestigten Reagens zur Reaktion gebracht, um zwei Arten von Reaktionsergebnissen (des verfestigten Reagens und der Feinsubstanz) und (des verfestigten Reagens und des Nachweisreagens) zu erhalten, und das Reaktionsergebnis, welches sich aus dem verfestigten Reagens und dem Nachweisreagens zusammensetzt, wird nachgewiesen. Die Feinsubstanz wird komplementär bestimmt.
Bei der Wettbewerbs-Methode kann das Nachweisreagens eine weitere Feinsubstanz sein (die markiert werden muß, um von der zu messenden Feinsubstanz unterschieden werden zu können), oder es kann eine Substanz sein, die eine biologische Spezifiziertheit bezüglich des verfestigten Reagens aufweist.
Sowohl bei der Sandwich- als auch bei der Wettbewerbs-Methode muß das Reaktionsergebnis nachgewiesen werden, welches das Nachweisreagens enthält. Dieser Nachweis erfolgt im allgemeinen durch Einführung einer markierten, optisch oder radiochemisch nachweisbaren Verbindung. Die markierte Verbindung kann vorab in das Nachweisreagens chemisch eingebracht werden. Ansonsten wird eine markierte Verbindung spezifisch mit dem Nachweisreagens in dem Reaktionsergebnis verbunden, und ein weiteres markiertes Nachweisreagens wird angebunden. Die markierte Verbindung beinhaltet konventionelle radioaktive Isotope, Farbstoffe und Enzyme.
Bei diesem Nachweis ist die Probelösung sowie/oder die Nachweisreagens-Lösung ionenleitfähig. Diese Lösungen werden zwischen das Elektrodenpaar eingeleitet, und das Flüssigkeitsgemisch wird gerührt durch elektromagnetische Kraft, die durch Anlegen einer sich periodisch ändernden Spannung an das Elektrodenpaar erzeugt wird.
Wenn nach der obigen Reaktion ein Reinigen erforderlich ist, so läßt sich dies effizient in kürzerer Zeit ausführen, indem man eine ionenleitfähige Reinigungslösung verwendet und die Lösung in der gleichen Weise rührt, wie bei der Reaktion der Probenlösung und der Reagens-Lösung.
Fig. 10A und 10B zeigen ein Beispiel für den Aufbau einer Reaktionszelle, die als Nachweisvorrichtung verwendet wird. Fig. 10A zeigt eine perspektivische Ansicht, Fig. 10B ist eine Schnittansicht der Zelle.
Gemäß Zeichnungen besitzt eine Reaktionszelle 5 einen Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt 6 zylindrischer Form. Am Boden des Flüssigkeitsaufnahmeabschnitts 6 befindet sich ein Filter 7. Eine Reaktionszone 8 befindet sich auf der Oberseite des Filters 7. Nadelförmige Elektroden 1 und 4 sind an dem Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt 6 in der in Fig. 5 gezeigten Weise angeordnet, und an diese wird von einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) externen Leistungsquelle eine Spannung gelegt. Die Reaktionszelle 5 kann aus bekanntem Material sein, beispielsweise Glas, Kunstharz, Metall oder deren Zusammensetzungen. Wenn die Reaktionszelle entsprechend der Art der Reaktionszone 8 ausgetauscht wird, so ist ein Kunstharzmaterial bevorzugt, welches geringes Gewicht hat und sich billig herstellen läßt. Die Reaktionszone 8 enthält ein Reagens, welches in der Lage ist, mit der Feinsubstanz zu reagieren. Dieses Reagens kann sich direkt auf der Oberseite des Filters 7 befinden, oder es kann auf einem Zwischenmedium ruhen, beispielsweise einem Medium aus Glasfaser oder Feinpartikel-Polymer, welches sich auf dem Filter 7 befindet.
Folglich wird eine biologische Substanz, die spezifisch mit einer Feinsubstanz in einer Probenflüssigkeit reagieren kann, von einem Filter 7 gehalten, um ein verfestigtes Reagens zu bilden. Dann werden eine Probenflüssigkeit, eine Nachweisreagens- Flüssigkeit, eine Reinigungsflüssigkeit etc. in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt 6 eingeleitet. Beispielsweise werden die Flüssigkeiten in dem Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt 6 in vorbestimmter Menge mit Hilfe eines in Fig. 11 gezeigten Verteilers 9 eingetropft. Entfernt wird die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt 6 durch Ansaugen über das Filter 7. Es werden verschiedene Verteiler 9 entsprechend der Probenflüssigkeit, der Nachweisflüssigkeit, der Reinigungsflüssigkeit etc. verwendet. Auf Wunsch kann die Spitze des Verteilers verlagerbar sein.
Beim Reaktionsschritt der Sandwich-Methode beispielsweise wird zunächst eine Probenflüssigkeit über den Verteiler 9 in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt 6 getropft, damit die gesamte Fläche der Reaktionszelle 8 auf dem Filter bedeckt ist und die Elektroden 1 und 4 in die Probenflüssigkeit eintauchen. (In diesem Stadium wird keine Saugkraft aufgebracht.) Dann wird an die Elektroden eine Wechselspannung gelegt, um die Probenflüssigkeit zu rühren und die Feinsubstanz innerhalb der Probenflüssigkeit mit dem Reagens in der Reagenszone 8 zu verbinden. Bei diesem Schritt ist es möglich, die Temperatur der Reaktionszelle 5 zu steuern, um die Reaktion zwischen des Reagenzien zu fördern. Die Temperatur hängt ab von der Art der Reaktion und liegt vorzugsweise im Bereich von 5ºC bis 100ºC, bevorzugt davon 20ºC bis 60ºC. Im allgemeinen hängt die für die Reaktion erforderliche Zeit ab von dem verwendeten Reagens auf der Reagenszone 8, dem Analyseobjekt, dem pH- Wert, der Temperatur etc. Beispielsweise beträgt die Reaktionszeit für Immunreaktionen einige Minuten, für die Hybridisierung von DNA einige Stunden. Deshalb werden die oben erwähnten Bedingungen vorzugsweise so gewählt, daß die Zeit für die Reaktion möglichst verkürzt wird.
Nach der Reaktion wird von der Rückseite des Filters her eine Saugkraft aufgebracht, um überschüssige Probenflüssigkeit zu entfernen.
Dann wird der Saugvorgang angehalten, und es wird eine markierte Reagensflüssigkeit, die ein zur Reaktion mit der Fallsubstanz Gegenreagens, das mit einem fluoreszijerenden Farbstoff oder dergleichen markiert ist, enthält, von dem Verteiler 9 in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt 6 getropft, um eine Reaktion zu veranlassen, und anschließend wird die Reagensflüssigkeit in der gleichen Weise entfernt, wie es oben erläutert wurde.
Das Reinigen erfolgt in ähnlicher Weise durch Eintropfen der Reinigungsflüssigkeit von dem Verteiler 9 in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt und Entfernen der überschüssigen Probenflüssigkeit sowie der überschüssigen markierten Reagensflüssigkeit. Das Reinigen kann bei Bedarf mehrmals wiederholt werden.
Es wird also ein Reaktionsergebnis gebildet, indem das markierte Reagens mit der Reagenszone auf dem Filter über die Feinsubstanz verbunden wird, die in der Probenflüssigkeit enthalten war. Das Vorhandensein des erzeugten Reaktionsergebnisses wird z.B. gemäß Fig. 12 durch von einer Lichtquelle 10 in die Reaktionszone auf dem Filter einfallendes Licht und durch Nachweisen des Fluoreszenzlichts oder des reflektierten Lichts von der Reaktionszone mit Hilfe eines Lichtdetektors 11 nachgewiesen, um dadurch die Feinsubstanz in der Probenflüssigkeit nachzuweisen. Die Nachweiszone, in der das Licht leuchtet, ist vorzugsweise die Rührzone zwischen dem Paar von Elektroden innerhalb der Reaktionszelle.
Bei der Wettbewerbs-Methode werden eine Probenflüssigkeit und eine markierte Reaktionsflüssigkeit gleichzeitig in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt 6 eingetropft, im übrigen erfolgen Reinigung und Nachweis in der gleichen Weise.
Die Feinsubstanz in einer unbekannten Probenflüssigkeit läßt sich quantitativ ermitteln, indem man eine Eichkurve der Fluoreszenzlichtstärke durch Verwendung einer Prüf-/Probenflüssigkeit bekannter Konzentration der Feinsubstanz herleitet.
Die Lichtquelle 10 kann eine Quelle für nicht-kohärentes Licht sein, beispielsweise eine Xenon-Lampe, eine Halogen-Lampe, eine Wolfram-Lampe, Leuchtdiode oder dergleichen, oder kann eine Quelle für kohärentes Licht sein, wie z.B. ein Laser. Der Lichtdetektor 11 kann ein Photoelektronenvervielfacher, eine Photodiode, eine Photozelle oder dergleichen sein.
Feinteilchen in einem flüssigen Medium lassen sich nach dem Flüssigkeitsantriebsverfahren nachweisen. Das heißt: es wird ein ionenleitfähiges flüssiges Medium in eine Lücke zwischen einem Paar von Elektroden eingeführt, es wird eine sich periodisch ändernde Spannung an die Elektroden gelegt, und es werden Feinteihen nachgewiesen, die sich in der Nähe der Elektrode herum bewegen. Um den Nachweis durchzuführen, gibt es eine Meßzelle mit dem oben erwähnten Elektrodenpaar, eine Leistungsquelle zum Anlegen einer Spannung an das Elektrodenpaar, und eine Nachweiseinrichtung zum Nachweisen der sich um die Elektrode herum bewegenden Feinteihen.
Die nachweisbaren Feinteihen beinhalten Zellen wie Erythrozyten und Leukozyten, biologische Feinteilchen wie Liposome, und Feinteilchen-Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien, wie beispielsweise das Colon-Bakterium und Hefe. Weitere Feinteilchen beinhalten Riesenmoleküle wie DNA, RNA und Protein, Feinteilchen-Polymere, die sich aus Polystyrol und Acrylen zusammensetzen, und anorganische Feinteilchen-Stoffe wie Ferrit, Glas, Kohlenstoff und Kieseerde.
Wenn die obigen Feinteilchen in einem ionenleitfähigen flüssigen Medium dispergiert sind und zwischen die Elektroden des Elektrodenpaars eingeleitet werden, und wenn dann eine sich periodisch ändernde Spannung an die Elektroden gelegt wird, werden die Feinteilchen so angetrieben, daß sie sich in der Nähe um die Elektrode herum bewegen aufgrund einer elektromagnetischen Kraft, die auf die ionenleitfähige Flüssigkeit in der Nähe der Elektrode einwirkt.
Fig. 13 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Meßzelle für den obigen Nachweis von Feinteilchen. Diese Meßzelle besitzt Substrate 5,5' und eine nadelförmige Elektrode (Arbeitselektrode) 1 sowie eine Gegenelektrode 4, die zwischen den Substraten gehalten werden. Die beiden Substrate werden von einem Distanzglied 6 in einem gewissen Abstand voneinander gehalten. Das die Feinteilchen enthaltende flüssige Medium wird in diesen Spalt eingeleitet. Ein Anschluß 7 steht mit der nadelförmigen Elektrode 1 in Verbindung.
Fig. 14 zeigt den Strom des flüssigen Mediums bei Anlegen einer sich periodisch ändernden Spannung an die Elektroden 1 und 2 der Meßzelle, betrachtet von der Oberseite der Zelle her.
In der Nähe der Spitze der nadelförmigen Elektrode 1 bewegt sich die Flüssigkeit um die Spitze herum, wie durch die Pfeilmarkierungen in der Zeichnung verdeutlicht ist, und folglich bewegen sich auch die Feinteuchen 8 in der Flüssigkeit um die nadelförmige Elektrode herum.
Die Bahn der Bewegung der Feinteihen ist steuerbar mit Hilfe der Form der Zelle, insbesondere in der Nähe der Elektrode (z.B. über den Abstand zwischen den Substraten, die Form der Gegenelektrode etc.).
Das Intervall der Feinteilchen läßt sich dadurch steuern, daß man die Konzentration der Feinteilchen in dem in die Zelle eingeleiteten flüssigen Medium einstellt, auch wenn zahlreiche Feinteilchen umlaufen.
Die nachweisbare Größe der Feinteilchen hängt ab vom spezifischen Gewicht der Feinteilchen. Wenn das spezifische Gewicht der Feinteihen sich etwa auf dem gleichen Niveau bewegt wie dasjenige des dispergierenden flüssigen Mediums (mit Ausnahme des selben Niveaus), sind die Durchmesser der Teilchen vorzugsweise nicht größer als 100 µm, vorzugsweise nicht größer als 50 µm, noch bevorzugter nicht größer als 10 µm. Feinteilchen mit einem größeren Teilchendurchmesser als dem obigen Wert lassen sich nicht leicht in der Nähe der Arbeitselektrode herum bewegen, bedingt durch die größere Wirkung der Schwerkraft oder des Auftriebs. Wenn andererseits die Umlaufbewegung der sich bewegenden Feinteilchen mit Hilfe einer optischen Einrichtung nachgewiesen wird, muß der Teilchendurchmesser großer sein als die Wellenlänge des Nachweislichts.
Das Verfahren zum Nachweisen der umlaufenden Feinteilchen wird im folgenden genauer erläutert.
Fig. 15 zeigt die Lagebeziehung des Nachweislichts zu der Meßzelle am optischen Nachweis der umlaufenden Feinteichen. Das Nachweislicht 10 kommt von der Oberseite der Meßzelle 9 her in einen Bereich des Umlaufwegs von einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) Lichtquelle.
Fig. 16 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Feinteilchen-Nachweisapparatur gemäß der Erfindung mit einer optischen Nachweiseinrichtung. Bei dieser Vorrichtung wird von einer Lichtquelle 11 kommendes Licht mit Hilfe von Linsen 12, 13 in einer Zelle 9 gesammelt, das transmittierte Licht wird von einem Strahlstopper 15 auf einer Linse 14 abgefangen, und von dem Lichtdetektor 16 wird lediglich Streulicht nachgewiesen. Die durch die Lichteinfallzone gelangenden Feinteilchen streuen das einfallende Licht, und das Streulicht wird von dem Lichtdetektor erfaßt. Die Größe der Teilchen oder das Auftreten einer Agglutination wird über die Stärke des nachgewiesenen Streulichts gemessen.
Die Lichtquelle 11 kann eine Quelle für nicht-kohärentes Licht sein, beispielsweise eine Xenon-Lampe, Halogen-Lampe, Wolfram-Lampe, Leuchtdiode oder dergleichen, oder es kann ein Laser für kohärentes Licht sein. Der Lichtdetektor 16 kann ein Photoelektronenvervielfacher, eine Photodiode, eine Photozelle oder dergleichen sein.
Die Erfindung wird anhand von Beispielen ausführlich erläutert.

Beispiel 1

Mit der in Fig. 17 dargestellten Zelle wurde ein Flüssigkeitsstromversuch durchgeführt. Die Arbeitselektrode 1 bestand aus einer Gold-Wolfram-Legierung mit einem Durchmesser von 50 µm mit konischer Spitze, die einem Durchmesser von 10 µm oder weniger besaß. Die Gegenelektrode bestand aus einer Platte aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 250 µm. Die Gegenelektrode 4 wurde zwischen zwei 1 mm dicken Glasplättchen 81 gehalten. Der Abstand zwischen der Gegenelektrode und der Arbeitselektrode wurde fest auf 100 µm eingestellt.
Gefüllt wurde die Zelle mit einer wässrigen Kaliumchlorid-Lösung (elektrische Leitfähigkeit: 1 mS/cm), und dazu wurde eine weitere wässrige Kaliumchlorid-Lösung, die einen darin gelösten Farbstoff enthielt, mit Hilfe des in Fig. 18 dargestellten Aufbaus eingeleitet. In Fig. 18 ist ein Glaskapillarröhrchen 91 mit einem Innendurchmesser von etwa 10 µm in der Nähe der Spitze der Arbeitselektrode 1 vorgesehen. In diesem Kapillarröhrchen befindet sich die den Farbstoff enthaltende wässrige Kaliumchlorid-Lösung. Die farbstoffhaltige Lösung im Kapillarröhrchen 91 wird aus dem Röhrchen mittels einer Mikronadelpumpe aus dem Kapillarröhrchen in die Zelle ausgetragen.
Fig. 19 zeigt den Aufbau einer Apparatur zur Betrachtung des Stroms der Flüssigkeit in der Zelle. Die Apparatur nach Fig. 19 enthält ein Objektiv 101 und eine Zelle 102, einen Bipolar-Verstärker 103, einen Wellenformgenerator 104, eine Mikronadel-Pumpe 105, eine Verbindung 106 und eine Mikroskopbühne 107.
Zunächst wurde die Farbstofflösung in geringer Menge aus der Spitze des Glaskapillarröhrchens 91 mit Hilfe der Mikronadel-Pumpe 105 ausgetragen. Dann wurde eine Rechteckspannung von ± 9 V mit 1 MHz zwischen die Arbeitselektrode 1 und die Gegenelektrode 4 gelegt, wodurch der aus der Kapillarspitze ausgetragene Farbstoff zum Strömen gebracht wurde, wie dies in Fig. 22 durch die Pfeilmarkierung angedeutet ist. Während dieses Vorgangs wurde keine Blasenbidung durch Elektrolyse von Wasser beobachtet.

Beispiel 2

Mit der in Fig. 21 gezeigten Zelle wurde ein Flüssigkeitsstromversuch durchgeführt. Die zwei Elektroden 121 des Elektrodenpaars bestanden aus 250 µm dicken rostfreien Stahl und waren auf Dünnblasblättchen 81 mit einer Dicke von 1 mm und einem PET-Abstandsfilm 122 mit einer Dicke von 100 µm fixiert.
Bei dieser Zelle wurde unter Verwendung der gleichen Flüssigkeit und Apparatur wie beim Beispiel 1 eine Spannung von ± 9V bei 1 MHz zwischen die Elektroden gelegt, wodurch der Farbstoff in Richtung der Pfeilmarkierung in Fig. 22 floß. Auch bei diesem Beispiel wurde keine Blasenbildung aufgrund einer Elektrolyse von Wasser festgestellt.

Beispiel 3

Es wurden zwei Arten von Flüssigkeiten getrieben, gemischt und ausgetragen mit Hilfe des in Fig. 23 dargestellten Aufbaus.
In Fig. 23 bezeichnet das Bezugszeichen 141 eine Strömungszelle mit einem T- förmigen Kanal (Kanalabschnitte 142 und 143 haben eine Größe von 300 µm x 400 µm, ein Kanalabschnitt 144 mit einer Größe von 300 µm x 300 µm) aus Acrylharz, und darin befanden sich Elektroden 145, 145' aus einer Gold-Wolfram- Legierung mit einer konischen Spitze (Drahtdurchmesser: 100 µm, Spitzendurchmesser: 10 µm oder weniger), wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Der Abstand zwischen den Spitzen der Elektroden betrug 200 µm.
In den Kanalabschnitt 142 und den Kanalabschnitt 143 wurde eine wässrige Kalziumchlorid-Lösung bzw. eine wässrige Natriumsulfat-Lösung (beide hatten eine elektrische Leitfähigkeit, die durch Zugabe von Kaliumchlorid auf 0,5 mS/cm eingestellt war) eingeleitet. Zwischen die Drahtelektroden 145 und 145' wurde eine Spannung von ± 9V bei 1 MHz gelegt, und die Flüssigkeit wurde aus dem Kanal abschnitt 144 durch Ansaugen mit einer (in der Zeichnung nicht gezeigten) Pumpenanordnung ausgetragen.
Bei diesem Versuch wurden die wässrige Kalziumchlorid-Lösung und die wässrige Natriumsulfat-Lösung wirksam an der Verbindungsstelle der T-förmigen Strömungszelle umgerührt, und der Ausfall von Kalziumsulfat aus der Reaktion erfolgte andauernd aus dem Kanal abschnitt 144. Der Reaktionswirkungsgrad und die Teilchengröße des Ausfalls des Kalziumsulfats wurde gesteuert durch Einstellung der Austraggeschwindigkeit auf den Kanalabschnitt 144 sowie durch Einstellung der an die Drahtelektroden angelegten Spannung.

Beispiel 4

Es wurde eine Flüssigkeitsfördervorrichtung gemäß der Erfindung hergestellt. Fig. 4 zeigt den gesamten Aufbau der Vorrichtung dieses Beispiels. Fig. 25 ist eine vergrößerte Zeichnung des Elektrodenpaares und des Strömungswegs der Apparatur.
Wie in Fig. 25 gezeigt ist, war ein aus einer Gold-Wolfram-Legierung bestehender Draht 152 mit einer konischen Spitze (50 µm, Spitzendurchmesser 10 µm oder weniger) als Arbeitselektrode in ein Glaskapillarröhrchen 151 eingesetzt (Innendurchmesser 100 µm), und die Stellung war derart eingestellt, daß die Spitze des Drahts und das offene Ende des Glaskapillarröhrchens etwa in gleicher Ebene lagen. Ein Plättchen 153 aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 250 µm wurde als Gegenelektrode mit einem Abstand von 200 µm außerhalb des offenen Endes des Glaskapillarröhrchens 151 angeordnet.
Wie in Fig. 24 zu sehen ist, waren ein Flüssigkeitsvorratsbehälter 154 und ein Flüssigkeitsaufnahmebehälter 155 über ein 1 m langes Glaskapillarröhrchen 151 miteinander verbunden. In dem Flüssigkeitsaufnahmegefäß befand sich gemäß Fig. 16 eine Platte 153 aus rostfreiem Stahl, und der Gold-Wolfram-Draht 152 führte von dem Flüssigkeitsaufnahmebehälter durch das Glaskapillarröhrchen 151 zu der externen Flüssigkeit. Die Platte 153 aus rostfreiem Stahl und der Gold-Wolfram-Draht wurden an die Leistungsquelle 156 angeschlossen. Die Flüssigkeit 157 war eine flüssige Kaliumchlorid-Lösung (elektrische Leitfähigkeit: 1 mS/cm), und die Flüssigkeit 157 in dem Flüssigkeitsvorratsbehälter enthielt eine geringe Menge Farbstoff. Als noch keine Spannung zwischen dem Gold-Wolfram-Draht und der Platte aus rostfreiem Stahl gelegt wurde, fand keine Bewegung der Flüssigkeit durch das Glaskapillarröhrchen 151 hindurch statt. Als eine Rechteckspannung mit 1 MHz und ± 11 V bei Einschalten der Leistungsquelle angelegt wurde, wurde eine Bewegung der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsvorratsbehälter durch das Glaskapillarröhrchen hindurch zu dem Flüssigkeitsaufnahmebehälter beobachtet.
Bei diesem Versuch wurde keine Blasenbildung einer der Elektroden aufgrund der Elektrolyse von Wasser festgestellt. Durch Ändern der angelegten Spannung wurde herausgefunden, daß die Bewegungsgeschwindigkeit sich änderte und die Förderrate gesteuert werden konnte.

Beispiel 5

Es wurde eine Dispersion aus Polystyrol-Latex-Partikeln, die an menschliche CRP- Antikörper immobilisiert waren (Teilchendurchmesser 1,5 µm, hergestellt von Denka Seiken K.K.) in PBS (Feststoff 1,2 mg/ml), und ein Standard-CRP-Serum (hergestellt von Kyowa Yuka K.K.) als Probenflüssigkeit gemischt, um eine Serumkonzentration von 5 µm/ml zu erhalten, und es wurde 1 µl des Gemisches in die Reaktionszelle eingeleitet, die den Aufbau gemäß Fig. 9 aufwies.
Die Reaktionszelle wurde gebildet durch zwei Glasplättchen 6, 6' mit einer Dicke von 1 mm, zwischen denen sich ein Distanzglied 7 befand, um einen Flüssigkeitseinleitabschnitt 9 zu bilden. Die Elektroden 8 und 8' bestanden aus einem Gold- Wolfram-Draht mit einer konischen Spitze (Drahtdurchmesser 50 µm, Spitzendurchmesser: 10 µm oder darunter), sie wurden einander gegenüberliegend in der Reaktionszelle mit einem Spitzenabstand von 100 µm angeordnet. Nach dem Einleiten des obigen Gemisches über die Flüssigkeitseinleitöffnung in die Reaktionszelle wurde die CRP-Konzentration durch Nachweis des Agglutinations-Zustands mit Hilfe der in Fig. 26 dargestellten Meßvorrichtung gemessen.
Die Vorrichtung nach Fig. 26 enthält eine Reaktionszelle 10, eine Halogen-Lampe 11, Linsen 12, 12', eine Photodiode 13, eine Bühne 14 mit einer Heizvorrichtung, eine Hochfrequenzquelle 15, Elektroden 16, 16' und eine Lochblendenplatte 17.
Das flüssige Gemisch in der Reaktionszelle wurde mit der Heizvorrichtung 14 auf 37ºC gehalten, und in diesem Zustand wurde eine Rechteckspannung von 1 MHz und ± 10V von der Hochfrequenzquelle 15 100 Sekunden lang zwischen die Elektroden gelegt, um das Flüssigkeitsgemisch zwischen den Elektroden zu rühren. Hierdurch wurde das flüssige Gemisch zwischen den Elektroden angetrieben, so daß es in Richtung der Pfeilmarkierung in Fig. 26 strömte und umgerührt wurde. Nach dem Rührvorgang wurde der Agglutinations-Zustand durch Messen der Transmissionslichtstärke gemessen. Die CRP-Konzentration in der Probenflüssigkeit wurde gemessen durch Vergleichen der erhaltenen Daten mit der vorab angefertigten Eichkurve.

Vergleichsbeispiel 1

Die Messung wurde in der gleichen Weise wie beim Beispiel 5 ausgeführt, mit der Ausnahme, daß die Spannung nicht zwischen die Elektroden gelegt wurde. Nach 100 Sekunden wurde der Agglutinations-Zustand des flüssigen Gemisches ermittelt. Als Ergebnis war der Grad der Agglutination gering, und die CRP-Konzentration wurde entsprechend der vorab erstellten Eichkurve unterbewertet, ein präziser Meßwert konnte nicht ermittelt werden.

Beispiel 6

Es wurde eine Nachweisapparatur gemäß der Erfindung mit der in Fig. 27 (perspektivische Ansicht) und Fig. 28 (Schnittansicht) dargestellten Reaktionszelle aufgebaut.
Zunächst soll das Vorbereitungsverfahren für die Reaktionszelle beschrieben werden.
Eine Acrylharzplatte 15 mit Abmessungen von 20 mm x 30 mm und einer Dicke von 3 mm wurde gebohrt, um ein Loch mit einem Durchmesser von 8 mm zu bilden. Darauf wurde mit einem Klebstoff ein Filter 16 aus Zellulose angeklebt (Dicke: 500 µm; Durchmesser: 10 mm, Porendurchmesser: 0,2 µm). Das Zellulosefilter 16 war zuvor mit einem menschlichen CRP-Antikörper (TGG-Fraktion) sensibilisiert worden, um dadurch eine Reaktionszone mit einem verfestigten Reagens zu erhalten.
Dann wurden Elektroden 17 und 17' aus Wolfram-Draht mit einer konischen Spitze (Drahtdurchmesser 50 µm, Spitzendurchmesser: 10 µm oder weniger) einander gegenüberliegend mit einem Zwischenspalt an den Spitzen von 200 µm mittig in dem Loch von 8 mm Durchmesser und an den Filter 16 angeordnet. Darauf wurde weiterhin eine Acrylharzplatte 18 mit einer Dicke von 3 mm angeordnet, die ein Loch mit einem Durchmesser von 8 mm hatte, wobei die Elektroden 17 und 17' dazwischen lagen.
Darauf wurde dann eine Acrylharzplatte 19 mit einer Dicke von 0,5 mm als Deckel angeordnet, wobei das Loch einen Durchmesser von 4 mm besaß.
Mit der so hergestellten Reaktionszelle wurde eine Nachweisvorrichtung gebaut, die den in den Fig. 29 und 30 dargestellten Aufbau hatte.
Die Nachweisvorrichtung der Fig. 29 und 30 enthält eine Reaktionszelle 20, einen Arm 21, eine Verteilerspitze, einen Ar-Ionenlaser 23, einen Photovervielfacher 24, ein Gummiblatt 25, eine Sammellinse 26, einen dichroitischen Spiegel 27, eine Flüssigkeitsansaugöffnung 28, eine Elektrodenaufnahme 29, Gebläse 30 und 31 und einen Temperaturfühler 32.
Die Meßapparatur besaß einen Arbeitsraum 33 zur Unterbringung der Reaktionszelle oder anderer Geräte, und die Luft in dem Raum wurde von einer Klimaanlage über die Gebläse 30 und 31 umgewälzt, wobei die Temperatur durch Steuerung der Temperatur und der Zirkulationsluftmenge abhängig von der Signal des Temperaturfühlers 32 auf einem gewünschten Wert gehalten wurde.
Fig. 29 ist eine Zeichnung, die den Fall skizziert, daß eine eine Feinsubstanz enthaltende Probenflüssigkeit, eine markierte Reagens-Flüssigkeit oder eine Reinigungs- Flüssigkeit in die Reaktionszelle 20 eingetropft wird. Die Spitze des Verteilers besteht aus einer lösbaren Verteilerspitze 22 aus Kunstharz und saugt die Flüssigkeit an und gibt sie ab. Durch Ändern der Verteilerspitze 22 entsprechend der Art der Flüssigkeit wird eine Kontaminierung unterschiedlicher Flüssigkeiten vermieden. Der Verteiler ist von einem Arm 21 zwischen dem oberen Bereich der Reaktionszelle und dem (in der Zeichnung nicht-dargestellten) Behälter bewegbar, der die auszutropfende Flüssigkeit aufnimmt.
Fig. 30 ist eine Zeichnung zum Erläutern des Falls, daß die Intensität der Fluoreszenz von der Reaktionszone auf den Filter in der Reaktionszelle erfaßt wird. Der Laserstrahl auf dem Ar-Ionenlaser 23 wird von der Sammellinse 26 auf die Reaktionszone gelenkt. Von der Reaktionszone kommendes Fluoreszenzlicht und gestreutes Laserlicht werden noch einmal von der Sammellinse 26 gesammelt, und von dem dichroitischen Spiegel 27 wird nur das Fluoreszenzlicht reflektiert, um von dem Laserlicht getrennt zu werden. Das abgetrennte Fluoreszenzlicht wird in den Photoelektronenvervielfacher 24 eingeleitet und von diesem erfaßt.
Bei diesem Beispiel war eine Reaktionszelle mit bezüglich einem menschlichen CRP- Antikörper sensibilisierten Filters (IgG-Fraktion) auf ein Gummiblatt 25 in einer Nachweisapparatur angeordnet. Die Elektroden in der Zelle waren an den Verbinder 29 zum Anlegen einer Spannung angeschlossen. Dann wurde der Deckel der Reaktionszelle aufgeschoben, um den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt zu öffnen, und es wurden 200 µ der eine Feinsubstanz enthaltenden Probenösung aus dem Verteiler in den Flüssigkeitsaufnahmeabschnitt eingetropft. Der Deckel wurde verschoben, um die Reaktionszelle zu schließen. Die Probenfliissigkeit auf dem Filter wurde durch Anlegen einer Rechteckspannung von 1 MHz bei ± 12V gerührt, wobei die Temperatur des Arbeitsraumes 33 der Meßapparatur auf 37ºC gehalten wurde.
Das Anlegen der Spannung wurde beendet, und die verbliebene Probenflüssigkeit wurde durch Ansaugen von der Rückseite des Filters her beseitigt.
Getrennt davon wurde eine fluoreszenzmarkierte Reagensflüssigkeit hergestellt, indem ein FITC-markierter CRP-Antikörper (Igg-Fraktion) gelöst wurde durch Verdünnen auf eine Konzentration von 0,2 mg/ml mit einer physiologischen Phosphatpuffer-Salzlösung mit einem pH-Wert von 7,2 (im folgenden als PBS bezeichnet). 200 µl dieser markierten Reagensflüssigkeit wurden von dem Verteiler abgetropft, und die Schritte des Beseitigens wurden in der gleichen Weise wie bei der Probenfliissigkeit wiederholt. Dann wurden 150 µl einer Reinigungslösung (PBS) eingetropft, und die Reinigungsflüssigkeit wurde in ähnlicher Weise beseitigt. Dieser Reinigungsschritt wurde dreimal wiederholt. Schließlich wurde der Deckel der Apparatur aufgeschoben, und durch die Sammellins die in einer Stellung oberhalb der Reaktionszone auf dem Filter verschoben worden war, wurde ein Ar-Ionen- Laserstrahl aufgestrahlt. Hierdurch wurde Fluoreszenzlicht empfangen, und das Meßobjekt in der Probenflüssigkeit wurde nachgewiesen.

Vergleichsbeispiel 2

Der gleiche Prozeß wie im Beispiel 6 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß keine Spannung zwischen die Elektroden in der Reaktionszelle gelegt wurde, als die Probenflüssigkeit in der Reaktionszone wirken konnte. Die Intensität des aus der Reaktionszone auf den Filter kommenden Fluoreszenzlicht wurde in der gleichen Weise gemessen und ergab sich zu ½ der Stärke beim Beispiel 6. Um die gleiche Intensität des Fluoreszenzlichts wie im Beispiel 6 zu erhalten, war die erforderliche Haltezeit für die Reaktion doppelt so lang wie beim Beispiel 6.

Beispiel 7

Es wurden Elektrodenmuster 36, 37, 38, 39 nach einem Druckverfahren auf einem Polystyrol-Bogen 35 und einer Dicke von 500 µm, einer Länge von 40 mm und einer Breite von 30 mm nach Fig. 31 hergestellt.
In der durch eine gestrichelte Linie in Fig. 31 umgebenen Zone wurde ein menschlicher β2-Mikroglobulin-Antikörper fixiert, um eine Reaktionszone aus dem verfestigten Reagens zu bilden.
An das Ende der jeweiligen Elektrodenmuster 36, 37, 38, 39 wurde eine Gold- Wolfram-Draht-Elektrode (Drahtdurchmesser: 50 µm, Spitzendurchmesser: 10 µm oder darunter) angeschlossen (Abstand von der Gegenelektrode 150 µm). Darauf wurde eine quadratische und 3 mm dicke Acrylharzplatte 40 mit einer Kantenlänge von 30 mm aufgebracht, in deren Mitte sich eine quadratische 6 mm große Öffnung befand, und die Platte wurde befestigt, um eine Reaktionszelle zu erhalten, wie sie in Fig. 33 dargestellt ist.
Fig. 34 und 35 zeigen den Aufbau der Nachweisvorrichtung, die bei diesem Beispiel eingesetzt wurde.
Die Reaktionszelle 46 wird auf eine bewegliche Bühne 47 gestellt. Ein Verbinder für die vier Elektrodenanschlüsse befindet sich auf der beweglichen Bühne 47, und die bewegliche Bühne 47 ist mit einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) externen Spannungsquelle über ein Kabel 53 verbunden. Die bewegliche Bühne 47 besitzt in sich eine Heizvorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur.
Fig. 34 zeigt eine Anordnung für den Fall, daß eine erforderliche Menge einer Flüssigkeit (z.B. einer Probenflüssigkeit, einer Reagensflüssigkeit etc.) von dem Verteiler in die Reaktionszelle 46 eingebracht wird.
Fig. 35 zeigt eine Anordnung für den Fall, daß die Stärke des aus der Reaktionszone in der Reaktionszelle kommenden fluoresziierenden Lichts ermittelt wird. Das von einer Xenon-Lampe 48 emittierte Licht wird von einem Bandpaßfilter 54 gefiltert, um nur die benötigte Lichtwellenlänge auszuwählen. Das ausgewählte Licht wird über eine Sammellinse 49 auf die Reaktionszone gestrahlt. Das durchgelassene Licht und das Fluoreszenzlicht von der Reaktionszone werden von einer Sammellinse 49' gesammelt und von einem Bandpaßfilter 50 gefiltert, so daß nur das Fluoreszenzlicht durchgelassen wird. Dieses Fluoreszenzlicht wird von einem Photoelektronenvervielfacher 51 nachgewiesen.
Mit dieser Nachweisapparatur wurde folgender Versuch durchgeführt:
Es wurde die in Fig. 34 dargestellte Anordnung verwendet. 100 µl einer Probenflüssigkeit, die ein zu messendes Objekt enthielt, wurde in die Reaktionszelle eingebracht, und die Reaktionszelle wurde auf eine bewegliche Bühne 47 der Nachlaßapparatur gestellt. Eine Rechteckspannung von 1 MHz und ± 10V wurde an die zwei Paare einander gegenüberliegender Elektroden 8 Minuten lang angelegt, um die Flüssigkeit zu rühren. Die Temperatur der beweglichen Bühne wurde auf 37ºC gehalten.
Nachdem das Anlegen der Spannung beendet war, wurde die überschüssige Probenflüssigkeit mit Hilfe des Verteilers 52 entfernt, und dann wurden darauf 100 µl (Konzentration: 0,2 mg/ml) eines menschlichen β2-Mikroglobulin-Antikörpers (polyklonaler Antikörper, IgG-Fraktion), markiert mit Alkalinphosphatase, aufgetropft. Dann wurde erneut 15 Minuten lang die Spannung angelegt. Anschließend wurde die überschüssige markierte Reagensflüssigkeit mit Hilfe des Verteilers 52 ähnlich wie oben entfernt und mit PBS gespült.
Nach dem Spülen wurde darauf 1 ml einer Substratflüssigkeit aufgetropft, die 4- Methylumbelliferylphosphorsäure (4-MUP) enthielt, und es wurde 3 Minuten lang die Spannung angelegt. Dann wurde die bewegliche Bühne in die in Fig. 35 gezeigte Position bewegt, und das zwischen dem Elektrodenpaar in der Reaktionszone gebildete 4-Methylumbelliferon (4-MU) wurde unter Verwendung des Fluoreszenzlichts nachgewiesen, welches aus der Reaktionszone kam, und zwar mit Hilfe der oben erläuterten optischen Nachweiseinrichtung, um auf diese Weise das Objekt in der Probenflüssigkeit nachzuweisen.

Vergleichsbeispiel 3

Es wurde der gleiche Versuch durchgeführt, wie in Beispiel 7, mit der Ausnahme, daß die Probenflüssigkeit in Berührung mit der Reaktionszone gebracht wurde und damit ohne Anlegen der Spannung reagierte. Folglich betrug die Intensität des nachgewiesenen Fluoreszenzlichts % der Intensität gemäß Beispiel 7. Um die gleiche Fluoreszenzlichtintensität zu erhalten, war für die Reaktion eine 1,5 mal so lange Haltezeit erforderlich.

Beispiel 8

Es wurde eine Meßzelle hergestellt, wie sie in Fig. 36 dargestellt ist. Ein Draht 17 aus einer Gold-Wolfram-Legierung mit einer konischen Spitze (Drahtdurchmesser: 50 µm, Spitzendurchmesser: 10 µm oder darunter) wurde als Arbeitselektrode verwendet. Ein L-förmiger Block aus rostfreiem Stahl (Elektrodenabschnitt: 150 µm dick, Blockabschnitt: 1,15 mm dick) diente als Gegenelektrode. Die einander gegenüberliegenden Elektroden wurden zwischen zwei Glasplättchen mit einer Dicke von 1 mm 19, 19' gebracht und mit einem Klebstoff 60 angeklebt, um die Gegenelektrode und die Arbeitselektrode in einem Abstand von 100 µm zu fixieren. Zwei Anschlüsse der Elektroden befanden sich auf einer Seite der Zelle, sie waren mit der Arbeitselektrode bzw. der Gegenelektrode verbunden.
Zwischen die Glassubstrate der gemäß obiger Beschreibung hergestellter Meßzelle wurde ein flüssiges Medium eingebracht, welches hergestellt worden war durch Dispergieren von Polystyrol-Latex-Partikeln von 5 µm Durchmesser (hergestellt von JSR) in einer wässrigen Kaliumchlorid-Lösung mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 1 mS/cm (Teilchenkonzentration von 10&sup6; Teilchen/ml).
Fig. 37 zeigt den Aufbau der Nachweisapparatur, die bei diesem Beispiel benutzt wurde. Die Apparatur enthielt einen He-Ne-Laser (Wellenlänge: 633 nm, Ausgangsleistung: 10 mW), Zylinderlinsen 21, 22, eine Halogen-Lampe 24, eine Sammellinse 25, ein Bandpaßfilter 26 (Durchlaßwellenlänge: 400 bis 600 nm), einen Halbspiegel 27, einen Bandpaßfilter 28 (90 % Sperrung des He-Ne-Lasers), eine CCD-Kamera 29, eine Meßzelle 30, eine bewegliche Bühne 31, eine Sammellinse 32, einen Strahlstopper 33, ein Bandpaßfilter 34 (durchlässig nur für He-Ne-Laser, Sperren für Licht von 400 bis 600 nm), eine Linse 35, eine Photodiode 36, Leitungsdrähte 37 und einen Verbinder 38.
Es wurde eine Meßzelle 30 auf einer beweglichen Bühne 31 fixiert. Elektrodenanschltisse der Meßzelle wurden über Leitungsdrähte 37 mit einem Verbinder 38 gekoppelt, um sie mit einer Spannungsanlegequelle (in der Zeichnung nicht dargestellt) zu verbinden. Ein von dem He-Ne-Laser 20 emittierter kreisförmiger Lichtstrahl (Wellenlänge: 633 nm, Ausgangsleistung: 10 mW) wurde von zwei Zylinderlinsen 21 und 22 zu einem ellipsenförmigen Lichtstrahl umgestaltet und beleuchtete die Nähe der Arbeitselektrode in der Meßzelle 30. Der ellipsenförmige Lichtstrahl wurde derart gelenkt, daß die Hauptachse des ellipsenförmigen Flecks 40 senkrecht zur Strömungsrichtung der in der Nähe der Arbeitselektrode zirkulierenden Teilchen verlief, wie in Fig. 38 gezeigt ist. Der Projektionsfleck wurde von einer CCD-Kamera und der beweglichen Bühne 31 gesteuert.
Der ellipsenförmige Lichtstrahl, der durch die Feinpartikel nicht gestreut wurde und durchlief, wurde von einem Strahlstopper 33 abgefangen und nicht von einer Photodiode 36 reflektiert. Im Gegensatz dazu wurde der von den in der Meßzelle zirkulierenden Partikel gestreute Lichtstrahl durch die Sammellinse 32 gesammelt und von der Photodiode 36 nachgewiesen.
Beim Anlegen einer Rechteckspannung von ± 10V und einer Frequenz von 1 MHz wurden die Feinpartikel in der Zelle angetrieben, so daß sie in der Nähe der Arbeitselektrode zirkulierten (Zyklus etwa 0,5 Sekunden). Die Lage des Flecks des He-Ne- Laserstrahls wurde in der Projektion durch Betrachtung mit einer CCD-Kamera eingestellt. Das Vorhandensein von Feinpartikeln wurde beobachtet anhand eines Signalstärkenverhältnisses von etwa 20. Das Signalstärkenverhältnis wurde dabei abgeleitet von einer Oszillographen-Wellenform, erhalten durch Messung des Photodioden-Ausgangssignals mit einem Oszilloskop. Die Wellenform des erhaltenen Oszillographensignals ist in Fig. 39 gezeigt.

Beispiel 9

Wie in Fig. 40 gezeigt ist, wurde ein Preßformtal 41 durch Aufbringen eines Photoharzes vom Epoxy-Typ Adeka K5820 (hergestellt von Asahi Denka Kogyo K.K.) auf ein 0,9 mm dickes Glassubstrat 5 und durch Aushärten des Harzes unter UV- Strahlung durch Preßformen hergestellt.
Gemäß Fig. 41 wurde eine Meßzelle durch Verwendung dieses Substrats 5 als eines der Substrate in der gleichen Weise wie in Beispiel 8 hergestellt.
Beim Anlegen einer Rechteckspannung von ± 9V und 1 MHz zwischen die Elektroden 1 und 4 zirkulierten die Feinteilchen entlang der Seitenfläche des Formtals 41. Nachgewiesen wurden die Feinteilchen mit der gleichen Apparatur, wie sie in Fig. 37 dargestellt ist, und zwar anhand des Signalstärkenverhältnisses von 25.
Wie oben beschrieben, benötigt das erfindungsgemäße Flüssigkeitsantriebsverfahren oder die Flüssigkeitsförderapparatur keine jeweils getrennte Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds und zum Anlegen eines elektrischen Feldes, im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren oder Apparaturen, und die Erfindung ist in der Lage, eine ionenleitende Flüssigkeit in einem relativ breiten Bereich der Ionenleitfähigkeit innerhalb eines eingegrenzten feinen Bereichs anzutreiben, ohne daß es zur Elektrolyse kommt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit steuerbar ist.
Folglich können eine Probenflüssigkeit, die ein Meßobjekt enthält, und eine biologische Substanz, die mit dem Objekt verbindbar ist, eine Agglutinations-Reaktion ausführen, indem die Probenflüssigkeit und die biologische Substanz in einem ionenleitfähigen flüssigen Medium dispergiert werden, die erhaltene Dispersion zwischen einem Elektrodenpaar eingegeben wird, und eine sich periodisch ändernde Spannung an die Elektroden gelegt wird, um auf die Ionen innerhalb des flüssigen Mediums in einer winzigen Zone in der Nähe der Elektroden eine elektromagnetische Kraft aufzubringen. Hierdurch läßt sich die Agglutinations-Reaktion in einfacher Weise bei einer geringen Flüssigkeitsmenge (in einem Dispersionsmedium, einer Probenflüssigkeit etc.) innerhalb einer kurzen Zeitspanne mit einer vergleichsweise kleinen Vorrichtung durchführen.
Außerdem läßt sich ein Reaktionsprozeß eines verfestigten Reagens, einer Feinsubstanz innerhalb einer Probenflüssigkeit und eines Nachweisreagens, oder ein Reinigungsprozeß mit einer Reinigungsflüssigkeit in wirksamer Weise dadurch ausführen, daß man eine Flüssigkeit rührt (eine Probenflüssigkeit, eine Reagensflüssigkeit, eine Reinigungsflüssigkeit), indem man auf Ionen innerhalb der Flüssigkeit eine elektromagnetische Kraft ausübt, wodurch die Reaktionszeit oder die Reinigungszeit verkürzt werden kann. Ermöglicht wird auch der Nachweis einer winzigen Menge einer Substanz innerhalb kürzerer Zeit, dabei auch der Nachweis einer winzigen Menge einer Substanz innerhalb einer geringen Menge einer Probenflüssigkeit.
Außerdem lassen sich Feinpartikel in einer geringen Flüssigkeitsmenge leicht dadurch nachweisen, daß man eine die Feinpartikel enthaltende, ionenleitfähige Flüssigkeit zwischen ein Elektrodenpaar einleitet, eine periodisch sich ndernde Spannung an die Elektroden anlegt, um das flüssige Medium in eine feine Zone um die Elektrode herum zu treiben und eine Umlaufbewegung der Feinpartikel zu veranlassen, und schließlich die umlaufenden Feinpartikel nachweist. Die Nachweisapparatur läßt sich hierdurch sehr einfach gestalten.

Claims

1. Verfahren zum Treiben einer jonisch leitenden Flüssigkeit, umfassend

- Anordnen eines Paares Elektroden (1, 4) in der ionisch leitenden Flüssigkeit, und

- Anlegen einer Spannung an eine Lücke zwischen dem Paar Elektroden, wobei die Spannung sowohl ein elektrisches als auch ein magnetisches Feld um mindestens eine der Elektroden des Elektrodenpaares erzeugt, so daß auf die Flüssigkeit eine ausreichend starke elektromagnetische Kraft ausgeübt wird,

wobei

- mindestens eine (1) der Elektroden des Paares eine nadelfärmige Elektrode ist, wodurch die ionisch leitende Flüssigkeit in Richtung auf die nadelförmige Elektrode getrieben wird,

- die Spannung eine Wechsespannung ist, die so ausgewählt ist, daß an der Lücke eine elektrische Feldstärke von 10&sup4; bis 10&sup6; V/m erhalten wird, und

- eine Flüssigkeit mit einer elektrischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 10&supmin;&sup5; S/cm verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ionisch leitende Flüssigkeit der Lücke zwischen dem Elektrodenpaar (1, 4) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Flüssigkeit eine elektrischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 10&supmin;&sup5; S/cm aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Flüssigkeit eine elektrische Leitfähigkeit von 1 mS/cm aufweist und die Wechselspannung eine Frequenz von 100 kHz oder mehr, vorzugsweise 1 MHz oder mehr, aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mehrere Elektrodenpaare (61-64) verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der ionisch leitenden Flüssigkeit ein Medium zugeführt wird und die Spannung an das Elektrodenpaar angelegt wird, um die Flüssigkeit anzutreiben, damit sie sich mit dem Medium vermischt und dieses rührt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein feine Partikel enthaltendes Medium zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem ein Medium in Form einer Dispersion von feinen Partikeln zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei dem ein Medium zugeführt wird, welches agglutinative Feinteilchen enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Medium einer Agglutinations-Reaktion zugeleitet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die ionisch leitende Flüssigkeit derart angetrieben wird, daß eine winzige Menge der Flüssigkeit nachgewiesen wird.