专利名称：流体微粒分析器的预分析腔的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及流体微粒分析，也可称为血流细胞计数，它是一种光学测量微粒特性的技术。
背景技术：
在这种技术中，通过将悬浮微粒的细流包入一包绕流体流中，并使该混合流通过一光学分析腔，从而对微粒进行分析。在光学分析腔中，一诸如激光束之类的光束与该混合流相交叉。可测量微粒所吸收或散射的光，以对微粒进行计数或测量微粒的特性。该技术的一种运用是血细胞计数和根据它们的光散射特性而对它们进行分类。该技术也被用于生化测定。在诸如胶乳微球体或胶态金微粒之类的微粒外面涂覆可与血液或其它体液中需要化验的物质相互作用的材料。根据具体的物质，相互作用可以使微粒彼此凝聚，也可以延缓凝聚。在任一种情况下，在微粒与体液起反应后而存在的凝聚微粒的数量将表明所存在的物质的量。
将试样流体流精确地定位于分析腔中，从而使微粒在光束中心附近的一稳定位置处通过该光束，这是非常重要的。为提供这种精确的定位，必须将试样液流精确地定位于包绕液流内。而且，试样流体和围绕它的包绕流体必须以平稳的层流方式流入分析腔，而不应有显著的紊流。本发明就涉及将悬浮试样流体导入包绕流的装置和方法。
用于将悬浮试样流体导入包绕流的装置通常称为“预分析腔”。目前已经有试样输入管通过包绕流体储槽的预分析腔。例如，Gaucher等人的美国专利No.4,997,275揭示了一种在光学分析部分上游具有一容腔的流体腔室，包绕流体和试样导入该腔室。该容腔是两部式的结构，具有截头锥形的端部。包绕流体和试样被导入两根平行的管子。试样管突伸入腔内并不受支承，它限制腔的尺寸，同时也限制试样管能以多大的精度定位于包绕流中。
Ohki等人的美国专利No.5,007,732揭示了一种横截面基本呈矩形的流腔。入口在其整个长度上受支承。包绕流体以垂直于通过流体容器的流体的方向被导入，包绕流体的通道需要弯曲。
North,Jr的美国专利No.5,030,002揭示了一种具有不受支承的长的试样输入管的预分析腔。包绕流体通过一垂直于流体设置的流体接管而导入。
North,Jr.的美国专利No.4,790,653揭示了一种预分析腔，它具有一扩散锥度，用于将包绕流体沿垂直于通过光学分析区的流体的方向导入。有一用于引入试样的不受支承的长管从腔的一端延伸出来。
Sage等人的美国专利No.4,660,971揭示了一种具有矩形横截面和扩散锥度的预分析腔。包绕液沿垂直于通过液流腔室的主液流的方向导入。试样通过一穿过腔侧壁的、有弯折的管子导入。试样管具有一支承，该支承可以调节成使试样液流处于包绕液的中心。
发明概要本发明的一个方面提供了一种预分析腔，它由一腔壁，它具有扩散和汇聚部分，这两部分的大端互相连接；一连接于扩散部分的小端的包绕流体入口；一在腔壁的汇聚部分内沿中心延伸的试样输入管；以及一邻接于扩散和汇聚部分的大端而从腔壁上延伸出来的试样输入管的横向支承所形成。由于腔的邻近于汇聚和扩散壁部分的大端的区域的横截面较大，因而包绕流体在该区域中流得相对较慢。因此，在该区域中从腔壁上延伸出来的支承仅产生较小的紊流。换句话说，可以在流速较低、因而雷诺数也较低的区域中设置试样流体输入管的支承，使得所引起的尾流的尺寸、不稳定性和动量亏损减小。按照本发明这一方面的较佳的预分析腔制造起来很简单、很经济，并可实现悬浮试样流在包绕流体流内的精确定位。
试样输入管的横向支承由输入管本身的一部分构成。例如，试样流体输入管可以是一大致呈L形的结构，管子的一条腿延伸通过在邻接于汇聚和扩散壁部分的大端的区域内的管壁，另一条腿沿汇聚部分的中心线而向下游延伸。这种结构可避免使用非常长的输入管。如下面将要进一步讨论的，较短的试样管可将试样输入管内的容积减小到最低限度，因而可减少或避免悬浮试样的浪费。这在某些仅能得到微量悬浮试样的生化试验中尤显有效。
腔的扩散部分可用来在设置有管支承的区域内建立起低速的层流。按照本发明的其它方面，可以采用其它的结构来在该区域内建立低速层流。例如，腔可以具有一长的、最好是直的、具有恒定的大横截面的输入部分。直部分的下游端与腔壁的汇聚部分相连，而包绕流体入口连接于直部分的上游端。输入部分的长度足以消除包绕流体入口处可能存在的包绕流中的任何紊流。由于悬浮试样流体管是支承于与汇聚部分的大端相邻的低速区域内，因此，这种长输入部分在使用的同时仍可精确地保持悬浮试样流体管位于中心。
虽然该输入管的横向支承是设置在流速较低、因而雷诺数也较低的区域内，但该支承仍会产生尾流。通常，当含有尾流的流体流加速时，紊流的增长速度要显著慢于平均速度的增加辐度。因此，尾流的相对冲击在流体流加快后将大大减小。分析腔的汇聚部分可加快紧靠支承产生尾流区域后面的流体流。因此，支承所产生的尾流在支承下游流速显著提高的流体流中的影响是极小的。
在本发明的另一方面中，揭示了一种形成含有细试样流的层状包绕流的方法。该方法包括将一朝下游方向流动的包绕流体导入流腔，使该包绕流体以相对较低的速度在腔的第一区域内流动。然后用流腔的汇聚部分使该包绕流体加速，从而使流体朝下游方向以相对较高的速度在腔位于第一区域下游的第二区域内流动。将试样流体从延伸入第二区域的入口的末端导入第二区域中的包绕流体。输入管通过一仅延伸入腔的第一区域的支承来支承，从而使流体以相对较低的速度通过支承周围。按照本发明该方面的方法可提供类似于以上关于装置所讨论过的优点。
附图简述
图1是本发明的流体微粒分析器的方框示意图；图2是本发明一实施例的预分析腔的剖视图；图3是本发明一实施例的定位件的立体图；图4是本发明另一实施例的预分析腔的剖视图；图5是图4的预分析腔的局部剖视图；以及图6是按照本发明又一实施例的预分析腔的另一实施例的剖视图。
发明的最佳实施方式图1中示意性地示出了具有本发明的预分析腔的流体微粒分析器。预分析腔10具有一包绕液体入口15，用于从一包绕液体源301接收包绕液体。包绕液体源可以具有一在预定流速下提供包绕液体的装置，诸如注射式泵、隔膜式泵或其它精确容量泵(未示出)。在悬浮液中的试样从试样源302流入试样输入管44。试样和包绕液体从预分析腔10流过光学分析腔80，并排入废料收集槽306。一诸如激光器303之类的光源提供照射到光学分析腔中的试样流上的光束。光敏器304可以是一二极管阵，它测量光束的散射和/或吸收。光敏器305输出的数据由诸如计算机之类的分析装置307进行分析，以从数据中抽出有关试样的信息。除了预分析腔以外的元器件基本上都可以是传统的。
在图2所示的本发明一较佳实施例中，预分析腔10是一种三部式的结构，它包括上游腔体11、下游腔体12和试样输入管44。腔体11、12大致呈圆柱形，它们可以由12.7毫米(1/2英寸)直径的热稳定透明丙烯酸系原料制成。在一个实施例中，扩散腔体长约31.7毫米(1英寸)，汇聚腔体长约12.7毫米(1/2英寸)。上游腔体11限定出一中央的扩散腔部分17；下游腔体限定出一中央的汇聚腔部分31和一圆柱形部分32。汇聚、扩散和圆柱形腔部分基本上为轴向对称和彼此同轴。因此，这些腔部分对称于一共同的上游-下游中心轴线85。
上游腔体11在其下游端处具有一凹入的导向台肩33，它可与位于下游腔体12上游端处的一凸出的导向台肩34相配合。导向台肩33、34在组装时彼此配合，它们制成与腔部分17、31同心，以确保这些腔部分可彼此配合。腔体之间可用粘结剂连接，诸如可通过紫外线照射凝固的粘结剂。
下游腔体12在导向端加工有一槽35，用于接纳试样管44。试样管用紫外线照射凝固的粘结剂固定在腔体12中。可以用诸如图3所示定位件90之类的定位件在粘结剂凝固的同时保持管子在腔中的位置。定位件90包括一圆柱体，它具有一外表面93和一孔91。外表面93的尺寸制成可紧密地嵌入圆柱形部分32内。孔91可紧密地套于试样输入管44上。定位件90的孔91和外表面93加工成同心。为了将输入管装配到下游腔体12上，先将定位件90从下游端插入腔的圆柱形部分。然后，将试样输入管44的纵向部分42插入定位件90的孔91，沿腔的中心线85而确定输入管的位置。而后，可将输入管的横向部分40粘结于槽35中，同时保持管子在腔中的位置。在粘结剂凝固后，将定位件90移去。
包绕液体入口15在扩散腔部分17的上游端处与其相通。提供有一阶梯19，以便制造；但是，这种阶梯必须制得尽量小，以使入口15后的液流分离减小到最低程度。入口15连接于包绕液体源301(图1)。腔体11中的沉孔16提供容纳输送管道接头的空间(未示出)。
在本发明一较佳实施例中，扩散腔17的腔壁18呈锥形，其最大角约为7度。已经发现，这个角度可以使实现最大的减速，而同时又不会造成液流分离。
上游体11的扩散腔部分17在接合面20处与下游体12的汇聚腔部分31相通。在一较佳实施例中，腔在接合面20处的直径约为4.8毫米(3/16英寸)。汇聚腔31由一最好呈锥形的、夹角约为20度的腔壁30形成，它可使包绕液体在进入圆柱形部分32之前加速。
在图2所示的较佳实施例中，试样输入管44最好由内径约为0.5毫米(0.020英寸)的不锈钢管制成。输入管44的横向部分40在穿过腔体12的槽35后于接合面20附近进入包绕液流，如以上所描述的。试样输入管在横向部分40的下游没有支承。换句话说，试样输入管的第一部分的唯一支承是设置在汇聚部分的大端旁；无论在相邻于汇聚部分的小端处或是在圆柱形部分32中，在汇聚部分的大端的下游没有设置支承。在靠近腔部分31的中心线85处，输入管于弯折点41处弯折90度。管子的纵向部分42从弯折点41延伸通过腔的汇聚部分31并在腔的圆柱形部分32内终止于末端43。末端43的外径被倒圆，以尽量减少可能会使试样流略有偏移的小气泡的粘附。末端43也可以制成锥形(未示出)，以减少管子所产生的尾流。部分42基本与腔壁所限定的中心线85同轴。在本发明另一实施例中(未示出)，试样输入管44的末端43设置在汇聚腔31内。在这种结构中，液体在通过输入管末端43后紧随的加速可以随流速的增加而减小末端所形成的尾流的冲击。
在按照本发明一实施例的一种操作方法中，由供给源301供给的包绕液体从入口15进入扩散腔17而不改变流向，使液体在进入腔时所引起的紊流减到最小程度。随着包绕液体通过扩散腔部分17，液体速度减慢。同时，腔17的相对较小的扩散角不会导致腔壁18处的液流分离，层流截面得以保持。在接合面20处，包绕流具有层状的、流速相对较低的纵剖面。由于试样管的横向部分在其正交流速最小的点延伸入腔，因此，管子所造成的尾流紊流可以减小到最低程度。
随着包绕液体离开接合面20和横向部分40而朝下游流动，包绕液体逐渐在汇聚部分31中加速，因而以相对较高的流速进入部分32。在横向部分40处所产生的任何紊流，在包绕液体到达圆柱形部分32之前，基本上都随流速通过腔汇聚部分的提高而被削弱。含有待分析微粒如生化试验中产生的凝聚或未凝聚微粒的液体试样，由试样源302通过试样输入管44导入圆柱形部分32。由于试样被导入层流区，它不会显著地与包绕液体相混合，而是形成一股由流动的包绕液体包围的分离的流。试样以低于包绕液体流速的速度导入腔的圆柱形部分32。由于随着在流量不变的情况下速度增大，液流的横截面积减小，因而试样流在其加速到包绕液体速度的同时进一步变细。包绕液体和试样流在进入分析腔之前，其横截面被喷嘴81进一步缩小。为了进行流体微粒分析，试样流在分析腔中的横向尺寸最好接近于微粒的尺寸，以确保微粒逐一输送。在一个实例中，直径1到2.2微米的微粒是被夹带于直径1到2微米的试样流中。
从图2中可以看出，包绕液体以基本不变的方向流过腔10，即从入口15通过腔部分17、32而流到唯一腔的下游端的光学分析腔80。包绕液不会遇到可能在液流中引起紊流的那种方向上的弯曲或变化。
在图4的剖视图所示的本发明另一实施例中，预分析腔100包括一输入管支承101，它从腔壁104上延伸出来，固定一较长的试样输入管102。输入管102进入腔105的后部，并沿其长度而在中心延伸。或者，输入管102可以在后部103和接合面107之间的一个点进入腔105。支承101将管的末端106保持在腔内的中心位置。支承101在接合面107处横穿包绕液流的纵剖面，该处的层状低速包绕液流不会显著地被支承扰乱。与图1-2的实施例一样，有一个稳定、层状的包绕液流通过输入管102的末端106。如图5所示，输入管支承101可具有流线型截面；以进一步使对液流纵剖面的扰乱减小到最低限度。例如，图5中所示的支承101具有一倒圆的前边111和一对朝下游方向相向而倾斜的倾斜壁110。
图6是本发明一实施例的剖视图，它包括一预分析腔200，该腔具有一长的、恒定截面的腔202，用于在汇聚腔的上游部分建立低速、层状的液流。通过包绕液体入口205导入的包绕液体流入腔202，并随着通过该腔而逐渐形成一稳定、低速的层状纵剖面。由于这些有利的包绕流条件，液流纵剖面只会受输入管203的横向部分204极小的影响。
因此，包绕流先通过入口205而导入沿第一方向206朝下游延伸的流腔202，因而包绕液流沿第一方向以相对较低的速度流入腔的第一区207。然后，包绕液体通过流腔的汇聚部分201加速，从而以相对较高的速度流入腔的第二区208。试样从输入管203的末端209导入第二区208中的包绕液体内。输入管的横向部分仅在第一区207内延伸入腔，因而通过它周围的液体的流速相对较低。
该方法的流腔202可以是截面恒定的长腔，也可以是如以上所描述的扩散腔。由于试样输入管不需要从腔的后端或上游端进行支承，因而可以设置一个非常长的恒定截面的腔，它足以产生合适的层流，同时仍可保持试样管末端精确的定位。而且，由于试样管在靠近下游端处进入腔，因而不需要设置较长的试样管。因此，该装置对试样的阻滞可以非常低，即使是为提供层状包绕液流而采用较长的腔也无关紧要。在支承处能产生低速层流的其它结构也是可以使用的。
虽然以上示出和描述了本发明的具体实施例，但本技术领域的技术人员可以结合本发明的技术很容易地构造出许多不同的实施例。
本申请请求享有1996年2月29日提交的美国临时申请60/012,496的权益。
工业实用性可用于对诸如血液之类的体液进行分析的医疗领域。
权利要求
1．一种用于流体微粒分析器的预分析腔，包括一腔壁，它具有扩散和汇聚部分，这两部分的大端互相连接；一邻接于所述扩散部分的小端的包绕流体入口；一试样输入管的第一部分，它延伸于所述腔壁的所述汇聚部分内，并具有一邻近所述汇聚腔壁部分的小端而设置的排出端；以及一试样输入管支承，它从所述腔壁延伸到邻近所述大端的所述试样输入管的所述第一部分。
2．如权利要求1所述的预分析腔，其特征在于，所述腔壁的所述汇聚部分基本对称于一上游-下游轴线，所述试样输入管的所述第一部分基本平行于所述轴线而延伸。
3．如权利要求2所述的预分析腔，其特征在于，所述试样输入管的所述第一部分基本与所述腔壁的所述汇聚部分同轴。
4．如权利要求2所述的预分析腔，其特征在于，所述腔壁的所述汇聚部分也基本对称于所述上游-下游轴线。
5．如权利要求1所述的预分析腔，其特征在于，所述输入管支承由所述试样输入管的第二部分构成。
6．如权利要求1所述的预分析腔，其特征在于，还包括所述腔壁的具有恒定截面、与所述汇聚部分对齐的部分，所述试样输入管终止于所述恒定部分内。
7．如权利要求1所述的预分析腔，其特征在于，所述腔壁的所述扩散部分呈第一锥形。
8．如权利要求7所述的预分析腔，其特征在于，所述第一锥形的夹角约为7度。
9．如权利要求1所述的预分析腔，其特征在于，所述腔壁的所述汇聚部分呈第二锥形。
10．如权利要求9所述的预分析腔，其特征在于，所述第二锥形的夹角约为20度。
11．如权利要求1所述的预分析腔，其特征在于，所述腔壁的所述扩散部分包括一位于第一腔体中的通道，所述腔壁的汇聚部分包括一位于第二腔体的通道。
12．如权利要求11所述的预分析腔，其特征在于，所述腔体由丙烯酸树脂制成。
13．如权利要求11所述的预分析腔，其特征在于，所述第一和第二腔体还包括将所述腔壁的所述汇聚和扩散部分对齐的第一和第二导向件。
14．如权利要求11所述的预分析腔，其特征在于，所述第一和第二腔体中的一个具有一与所述通道相邻的、容纳所述试样输入管支承的槽。
15．一种用于流体微粒分析器的预分析腔，包括一腔壁，它具有一扩散部分和一与所述扩散部分同轴并位于其下游的汇聚部分；一试样输入管，它具有一与所述腔壁同轴的第一部分；以及一将所述输入管在邻近所述扩散和汇聚部分之间的区域处连接于所述腔壁的支承。
16．如权利要求15所述的腔，其特征在于，所述支承为所述输入管的基本垂直于所述第一部分的第二部分。
17．如权利要求15所述的腔，其特征在于，还包括一与所述腔壁同轴并位于其上游的包绕流体入口。
18．如权利要求15所述的腔，其特征在于，所述试样管的所述第一部分终止于所述腔壁的所述汇聚部分的下游。
19．如权利要求15所述的腔，其特征在于，所述试样管的所述第一部分终止于所述腔壁的所述汇聚部分内。
20．一种用于流体微粒分析器的预分析腔，包括形成基本为层状的低速流的结构；一限定出具有大端和小端的汇聚部分的腔壁，所述汇聚部分的大端连接于所述低速流形成结构；一试样输入管，它具有一设置在所述腔壁内的所述试样输入管排出部分；以及一邻近于所述汇聚部分大端的输入管支承。
21．如权利要求20所述的腔，其特征在于，所述用于形成基本为层状的低速流的结构包括一逐渐扩散的腔壁。
22．如权利要求20所述的腔，其特征在于，所述用于形成基本为层状的低速流的结构包括一横截面基本恒定的长腔。
23．如权利要求20所述的腔，其特征在于，所述试样管具有一横穿所述汇聚腔壁延伸的支承部分。
24．如权利要求20所述的腔，其特征在于，所述汇聚部分限定出一朝所述小端的下游方向和一朝所述大端的所述上游方向，所述试样输入管在靠近所述汇聚部分的所述大端的区域的下游不受支承。
25．一种形成包含有细试样流的包绕层流的方法，包括将一沿第一方向朝下游流动的包绕流体导入一流腔，使该包绕流体沿所述第一方向以相对较低的速度在所述腔的第一区域内流动；通过所述流腔的一汇聚部分使该包绕流加速，从而使该流体沿所述第一方向以相对较高的速度在一位于所述第一区域下游的第二区域内流动；以及将一试样流体从一延伸入所述第二区域的输入管的末端导入所述第二区域内的所述包绕流体，同时通过一仅在所述第一区域延伸入腔的支承来支承所述输入管，使包绕流体以所述相对较低的速度流过该支承周围。
26．如权利要求25所述的方法，其特征在于，导入所述包绕流体而使其以相对较低的速度流动的步骤包括在一扩散锥体的小端导入所述包绕流体，并通过所述锥体到所述第一区域而使所述流体逐渐减速。
27．如权利要求26述的方法，其特征在于，所述扩散锥体的夹角约为7度。
28．如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述汇聚部分的夹角约为20度。
29．如权利要求25所述的方法，其特征在于，以低于所述第二区域中的所述包绕流的所述相对较高速度的速度将所述试样导入。
30．如权利要求25所述的方法，其特征在于，以相对较低速度导入所述包绕流体的步骤包括在一横截面恒定的长腔的上游端导入所述包绕流体，允许包绕流体在到达所述第一区域之前形成一层流截面。
全文摘要
提供了一种用于流体微粒分析器的紊流减小的预分析腔(10)。该腔(10)具有一锥形的扩散部分(17),用于使包绕流减速而形成层状截面,它后面跟有一使流体加速的锥形汇聚部分(31)。腔(10)中在扩散和汇聚部分的交接面附近支承有一试样输入管(44),其末端(43)位于加速后的包绕层流中。试样进入包绕层流而形成一分离的试样流。
文档编号G01N15/14GK1212054SQ97192511
公开日1999年3月24日 申请日期1997年2月27日 优先权日1996年2月29日
发明者C·T·伊登斯, J·卡茨 申请人:仙娜生物技术股份有限公司