DE10010539A1 - Verfahren zur Affinitätsviskosimetrie und viskosimetrischer Affinitätssensor - Google Patents
Verfahren zur Affinitätsviskosimetrie und viskosimetrischer AffinitätssensorInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur affinitätsviskosimetrischen Zuckerbestimmung, bei dem die sensitive Flüssigkeit kontinuierlich durch einen in Flussrichtung der Dialysekammer liegenden ersten hydraulischen Widerstand (3) strömt und gleichzeitig die durch Dialyse modifizierte sensitive Flüssigkeit durch einen weiteren hydraulischen Widerstand (6) strömt, wobei die Druckdifferenzen zwischen den Widerständen (3, 6) online mit Hilfe von Drucksensoren (2, 4) ermittelt und zu einer der Zuckerkonzentration annähernd proportionalen Relativgröße verrechnet werden. Ferner betrifft sie einen Sensor zur affinitätsviskosimetrischen Zuckerbestimmung.
Description
Zur Messung der Blutzuckerkonzentration wurden u. a. viskosimetrische Affinitätssensoren
entwickelt, die grundsätzlich miniaturisierbar sind und in implantierter Form (DE 195 01 159)
oder als transdermale Sensoren (DE 197 14 087) eingesetzt werden können.
Viskosimetrische Affinitätssensoren für die Zuckerbestimmung basieren darauf, dass sich eine
sensitive Flüssigkeit, eine konzentrierte Lösung, bestehend aus hochmolekularem verzweigten
Dextran und dem tetravalenten Bindungsprotein Concanavalin A (ConA) mit Spezifität für
Glucose, in einer Dialysekammer befindet, welche mit einer Vorrichtung zur Viskositätsmes
sung gekoppelt ist. Die Viskosität der sensitiven Flüssigkeit ist hoch, wenn die Dextranmole
küle über ihre freien endständigen Glucosegruppen durch ConA vernetzt sind, und verringert
sich konzentrationsabhängig mit der durch Diffusion aus einer glucosehaltigen Außenlösung
in die Dialysekammer eindringenden freien Glucose.
Eine besonders günstiges Verfahren der Affinitätsviskosimetrie besteht in der Viskositätsmes
sung nach erfolgter Dialyse im Segment einer Mikrodialysefaser durch Messung des Strö
mungswiderstandes einer nachgeschalteten Kapillare (DE 197 14 087). Ein bekanntes Prob
lem für die Affinitätsviskosimetrie besteht darin, dass die Viskosität der sensitiven Flüssig
keiten nicht nur von der Konzentration der Glucose sondern in hohem Maße auch von der
Temperatur sowie der Konzentration des aktiven Zuckerbindungsporteins abhängt (Ballerstädt
u. Ehwald, Biosensors & Bioelectronics 9: 557-567, 1994; Ehwald et al. Analytical Bio
chemstry 234: 1-8, 1996). Um die Signale eines viskosimetrischen Affinitätssensors für Glu
cose von der starken Temperaturabhängigkeit zu befreien, können relative Größen mit gerin
ger Temperaturabhängigkeit gebildet werden (Ballerstädt u. Ehwald, Biosensors & Bioe
lectronics 9: 557-567, 1994). Bisher sind nur Verfahren zur diskontinuierlichen Bestimmung
der Relativgrößen durch aufeinanderfolgende Messung der durch Glucose veränderten Viskosität
und der Referenzviskosität bekannt. Ein Verfahren zur kontinuierlichen on-line-
Bestimmung solcher Relativwerte in einem Sensor ist bisher nicht bekannt.
Für die Entwicklung eines on line arbeitenden viskosimetrischen Affinitätssensors ist ein
Verfahren zur Messwertaufbereitung erforderlich, welches viskositätsabhängige Messgrö
ßen, die der Sensor liefert, on line in die Glucosekonzentration umwandelt. In diesem Zu
sammenhang ist es anzustreben, dass der Sensor eine Messgröße erfasst, die direkt in linea
rer Beziehung von der Glucosekonzentration abhängt und gleichzeitig von der Temperatur
und der Konzentration des aktiven ConA in der sensitiven Flüssigkeit unabhängig ist. Ein
Verfahren hierzu ist bisher nicht bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens und eines Sensors
zur affinitätsviskosimetrischen Zuckerbestimmung, welche die kontinuierliche Erfassung
eines von der temperatur- und der ConA-Konzentration wenig abhängigen und der Glucose
konzentration direkt proportionalen Parameters on line gestatten.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Sensor gemäß An
spruch 7 gelöst. Die Unteransprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen der Erfin
dung.
Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, dass die sensitive Flüssigkeit kontinuierlich mit einem
definierten Zuckergehalt oder zuckerfrei durch einen in Flussrichtung vor der Dialysekam
mer liegenden hydraulischen Widerstand, den Referenzwiderstand strömt und gleichzeitig
die durch Dialyse modifizierte sensitive Flüssigkeit durch einen weiteren mit dem Refe
renzwiderstand annähernd isothermen hydraulischen Widerstand, den Messwiderstand
strömt, wobei die über den Referenzwiderstand und den Messwiderstand abfallenden
Druckdifferenzen on line mit Hilfe von Drucksensoren ermittelt und zu einer der Zucker
konzentration annähernd proportionalen Relativgröße verrechnet werden.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnah
me auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 mögliche Varianten für die Anordnungen der Widerstände bei einem erfin
dungsgemäßen Sensor;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors zur affinitäts
viskosimetrischen Zuckerbestimmung; und
Fig. 3a, 3b Diagramme, die die relative Viskosität sowie die relative Fluidität im Verhält
nis zur Glukosekonzentration darstellen.
In Fig. 1 sind einige der möglichen Varianten für die Anordnungen der Widerstände, der Dia
lysekammer und der zur Messung benötigten Drucksensoren schematisch dargestellt. Der
Pfeil stellt die Druckpumpe (Varianten 1, 2 und 4) oder Saugvorrichtung (Variante 3) mit der
erzeugten Strömungsrichtung des sensitiven Sols dar.
Der Referenzwiderstand Rr, die Dialysekammer D und der Messwiderstand Rm können nach
einander auf einer Strömungsbahn liegen (Fig. 1, Varianten 1 bis 3) oder der Referenzwider
stand liegt auf einer Strömungsbahn und die Dialysekammer sowie der Messwiderstand liegen
gemeinsam auf einer parallelen Strömungsbahn (Fig. 1, Variante 4).
Liegen der Referenzwiderstand und der Messwiderstand auf einer Strömungsbahn, genügt
eine Pump- oder Saugvorrichtung, und der Druckabfall über die beiden Widerstände kann
durch eine geeignete Anordnung von Drucksensoren P1 und P2 erfasst werden (Fig. 1, Vari
anten 1 bis 3). Liegen der Referenzwiderstand und der Messwiderstand auf zwei parallelen
Strömungsbahnen, werden sie erfindungsgemäß an eine oder mehrere Pump- oder Saugvor
richtungen angeschlossen, welche eine konstante Relation zwischen den Flüssen auf beiden
Strömungsbahnen aufrechterhalten (Fig. 1, Variante 4).
Für die gleichzeitige Messung der Druckabfalles über den Referenzwiderstand und des
Drucksabfalls über den Strömungswiderstand können Drucksensoren in geeigneter Weise auf
der Strömungsbahn angeordnet werden, wobei die defomierbaren Membranen dieser Druck
sensoren entweder zwischen der Atmosphäre und einem Messpunkt auf der Strömungsbahn
(Fig. 1, Varianten 1, 3 und 4) oder zwischen zwei verschiedenen Messpunkten auf der Strö
mungsbahn (P1 in Fig. 1, Variante 2) liegen müssen.
Werden der Messwiderstand und der Referenzwiderstand gleichzeitig gemessen, liefert das
Verhältnis aus Messwiderstand und Referenzwiderstand bekanntermaßen eine temperaturu
nabhängige relative Viskosität (Ballerstädt u. Ehwald, Biosensors & Bioelectronics 9: 557-
567, 1994), die jedoch nicht linear mit der Glucosekonzentration abnimmt und für die Gluco
seberechnung aus den gemessen Widerstandswerten in einem Sensor ungeeignet ist. Die er
findungsgemäß berechnete Relative Fluidität RF stellt daher den Quotienten zwischen dem
Druckabfall am Referenzwiderstand und der Summe aus dem Druckabfall am Messwider
stand und einer zur Linearisierung des Zusammenhanges mit der Glucosekonzentration füh
renden Korrekturgröße dar. Die Relative Fluidität ist eine von Temperatur und ConA-
Konzentration unabhängige Relativgröße, die in linearer Beziehung zur Glucosekonzentration
steht (vgl. Beispiel).
Wichtig für die Bildung der temperaturunabhängigen Relativgröße ist, dass die genannten
Strömungswiderstände isotherm gehalten werden. Dies ist durch den Kontakt beider Wider
stände mit dem Körper oder einer zusätzlich temperaturstabilisierten Vorrichtung oder da
durch erreichbar, dass beide Widerstände mit einem guten Wärmeleiter in gemeinsamen
Kontakt sind. Für das Verfahren gemäß der Ausführungsform ist ferner erforderlich, dass der
dehnbare Volumeninhalt der Strömungsbahn zwischen dem Referenzwiderstand und dem
Messwiderstand kleiner als das durch die Pump- oder Saugvorrichtung innerhalb eines be
stimmten, der Messaufgabe entsprechenden Zeitraumes bewegte Volumen der sensitiven
Flüssigkeit ist, da andernfalls die Druckänderung am Messwiderstand zu langsam auf die Vis
kositätsänderung reagiert. Dieser Zeitraum sollte nicht länger als 15 min sein.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Apparatur wird sensitive Flüssigkeit mittels einer Pumpe 1 mit
konstanter Geschwindigkeit (5 µl/h) durch einen Strömungskanal bewegt, auf dem sich nach
einander ein Drucksensor 2 zur Messung des Druckes p1, der hydraulische Referenzwider
stand 3, ein Drucksensor 4 zur Messung des Druckes p2, eine Dialysesonde 5, der hydrauli
sche Messwiderstand 6 und ein Auffanggefäß 7 für die verbrauchte sensitive Flüssigkeit be
finden. Mittels einer programmierbaren Auswerteeinheit 8 werden in kurzen Intervallen die
Drucke p1 und p2 gleichzeitig gemessen und zugeordnet zur Messzeit gespeichert. Dabei ist
die Differenz p1-p2 der Druckabfall über den Referenzwiderstand und p2 der Druckabfall
über den Messwiderstand. Die Auswerteeinheit berechnet aus den Druckwerten die Relative
Fluidität RF bzw. mit Hilfe einstellbarer konstanter Kalibrierungsparameter die Glucosekon
zentration und zeigt diese auf einem Display an.
Wenn der Quotient Q das Verhältnis des Druckabfalls über den Referenzwiderstand zum
Druckabfall über den Messwiderstand ist, berechnet sich RF nach der Formel
RF = Q/(1 + kQ) (Gleichung 1),
wobei die Konstante k ein von der sensitiven Flüssigkeit und dem Verhältnis der Widerstände
abhängiger Linearisierungsparameter ist, und iterativ für die beste Korrelation zwischen den
RE-Werten und den korrespondierenden Werten einer Glucose-Konzentrationsreihe (Fig. 3b)
ermittelt wird. Im Unterschied zur relativen Viskosität (Fig. 3a) ist die durch Gleichung 1 de
finierte relative Fluidität der Glucosekonzentration proportional.
Claims (11)
1. Verfahren zur affinitätsviskosimetrischen Zuckerbestimmung, bei dem die sensitive
Flüssigkeit kontinuierlich durch einen in Flussrichtung vor der Dialysekammer liegen
den ersten hydraulischen Widerstand (3) strömt und gleichzeitig die durch Dialyse
modifizierte sensitive Flüssigkeit durch einen weiteren hydraulischen Widerstand (6)
strömt, wobei die Druckdifferenzen zwischen den Widerständen (3, 6) on line mit Hil
fe von Drucksensoren (2, 4) ermittelt und zu einer der Zuckerkonzentration annähernd
proportionalen Relativgröße verrechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Flüssigkeit einen definierten Zuckergehalt
aufweist oder zuckerfrei ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der erste Widerstand ein Refe
renzwiderstand (3) ist und der weitere Widerstand ein mit dem Referenzwiderstand (3)
annähernd isothermer Messwiderstand (6) ist, wobei die über den Messwiderstand (6)
und den Referenzwiderstand (3) abfallende Druckdifferenz ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Referenzwiderstand (3), die Dialysekammer
und der Messwiderstand (6) nacheinander auf einer Strömungsbahn liegen.
5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Referenzwiderstand (3) auf einer Strömungs
bahn und die Dialysekammer und der Messwiderstand (6) gemeinsam auf einer paralle
len Strömungsbahn liegen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Relativgröße den Quotienten
zwischen dem Druckabfall am Referenzwiderstand (3) und der Summe aus dem Druck
abfall am Messwiderstand (6) und einer zur Linearisierung des Zusammenhanges mit
der Glucosekonzentration führenden Korrekturgröße darstellt.
7. Sensor zur affinitätsviskosimetrischen Zuckerbestimmung, mir einem in Flussrichtung
vor einer Dialysekammer liegenden ersten hydraulischen Widerstand (3), der von ei
ner sensitive Flüssigkeit kontinuierlich durchströmt wird, und einem weiteren hydrau
lischen Widerstand (6), der gleichzeitig von der durch Dialyse modifizierten sensitiven
Flüssigkeit durchströmt wird, gekennzeichnet durch Drucksensoren (2, 4), welche die
Druckdifferenzen zwischen den Widerständen (3, 6) on line ermitteln, sowie durch ei
ne Vorrichtung mittels welcher die Druckdifferenzen zu einer der Zuckerkonzentration
annähernd proportionalen Relativgröße verrechnet werden.
8. Sensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine kontinuierlich fördernde Pump-
oder Saugvorrichtung, die an eine Strömungsbahn mit mindestens zwei Drucksensoren
(2, 4) gekoppelt ist, auf welcher ein Referenzwiderstand (3), die Dialysekammer und ein
Messwiderstand nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sind, wobei die Strö
mungswiderstände mit dem Körper oder einer zusätzlich temperaturstabilisierten Vor
richtung oder einem guten Wärmeleiter in gemeinsamen Kontakt sind, und der dehnbare
Volumeninhalt der Strömungsbahn zwischen dem Referenzwiderstand (3) und dem
Messwiderstand (6) kleiner als das durch die Pump- oder Saugvorrichtung innerhalb von
15 min bewegte Volumen der sensitiven Flüssigkeit ist.
9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallele Strömungsbahnen
an eine oder mehrere Pump- oder Saugvorrichtungen, welche eine konstante Relation
zwischen den Flüssen auf beiden Strömungsbahnen aufrechterhalten, gekoppelt sind, auf
beiden Strömungsbahnen ein Drucksensor für die Messung des Druckabfalls über die
jeweiligen Strömungswiderstände angeordnet ist, auf einer Strömungsbahn der Refe
renzwiderstand und auf der anderen die Dialysekammer und danach in Strömungsrich
tung der Messwiderstand liegt, und beide hydraulischen Widerstände mit dem Körper,
einer zusätzlich temperaturstabilisierten Vorrichtung oder einem guten Wärmeleiter in
gemeinsamen Kontakt sind.
10. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine deformierbare Membran mindestens eines
Drucksensors (2, 4) zwischen der Atmosphäre und einem geeigneten Messpunkt auf der
Strömungsbahn liegt wodurch eine Messung des Druckabfalls über den Referenz- oder
Messwiderstand oder beide Widerstände (3, 6) vorgenommen wird.
11. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine deformierbare Membran mindestens eines
Drucksensors (2, 4) zwischen geeigneten Punkten auf der Leitungsbahn liegt, wodurch
eine Messung des Druckabfalls über den Referenz- oder Messwiderstand oder beide
Widerstände (3, 6) vorgenommen wird.
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