DE10010539B4

DE10010539B4 - Verfahren zur Affinitätsviskosimetrie und viskosimetrischer Affinitätssensor

Info

Publication number: DE10010539B4
Application number: DE10010539A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof. Dr. Ehwald; Ulrich Haueter; Uwe Dr. Beyer
Original assignee: Disetronic Licensing AG; Tecpharma Licensing AG
Current assignee: Tecpharma Licensing AG
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2020-03-04
Also published as: AU2001233555A1; US20040221643A1; US6938463B2; US20030054560A1; WO2001065233A1; DE10010539A1

Abstract

Verfahren zur affinitätsviskosimetrischen Blutzucker-Konzentrationsbestimmung, bei dem die sensitive Flüssigkeit kontinuierlich mit einem definierten Zuckergehalt oder zuckerfrei durch einen in Flussrichtung vor 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) on line mit Hilfe von Drucksensoren (2, 4) ermittelt und zu einer der Zuckerkonzentration annähernd proportionalen Relativgröße verrechnet werden.

Description

Zur Messung der Blutzuckerkonzentration wurden u.a. viskosimetrische Affinitätssensoren entwickelt; die grundsätzlich miniaturtsierbar 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 Viskositätsmessung gekoppelt ist. Die Viskosität der sensitiven Flüssigkeit ist hoch, wenn die Dextranmoleküle 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 Viskositätsmessung nach erfolgter Dialyse im Segment einer Mikrodialysefaser durch Messung des Strömungswiderstandes einer nachgeschalteten Kapillare ( DE 197 14 087 ). Ein bekanntes Problem für die Affinitätsviskosimetrie besteht darin, dass die Viskosität der sensitiven Flüssigkeiten 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 Biochemstry 234: 1-8, 1996). Um die Signale eines viskosimetrischen Affinitätssensors für Glucose von der starken Temperaturabhängigkeit zu befreien, können relative Größen mit gertnger Temperaturabhängigkeit gebildet werden (Ballerstädt u. Ehwald, Bioserisors & Bioelectronics 9: 557-567, 1994). Bisher sind nur Verfahren zur diskontinuierlichen Bestimmung der Relativgrößen durch aufeinanderfolgende Messung der durch Glucose veränderten Visko sität 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 Messgrößen, die der Sensor liefert, on line in die Glucosekonzentration umwandelt. In diesem Zusammenhang ist es anzustreben, dass der Sensor eine Messgröße erfasst, die direkt in linearer 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.

Der Artikel "Doppelkapillar-Viskosimeter – schnelle und sichere Bestimmung von Lösungsviskositäten" aus der GIT Labor-Fachszeitschrift 4/99, Seiten 347 bis 349 behandelt die Bestimmung von Viskositäten von Polymerlösungen mittels Doppelkapillar-Viskosimetern im Allgemeinen für Polymermolekül-Lösungen. Aus dem US-Patent Nr. 4,578,990 ist ein Differentialdruck-Kapillar-Viskosimeter zum Messen der Viskosität unabhängig von Änderungen in Strömungsrate und Temperatur bekannt. Hier wird beschrieben, wie eine solche Viskositätsmessung zur Bestimmung der Molekulargewichtsverteilung von Polymermaterialien verwendet werden kann. Das US-Patent Nr. 4,793,174 beschreibt ebenfalls ein Differentialdruck-Kapillar-Viskosimeter, das verwendet wird, um genaue Viskositätsinformationen zur Bestimmung von Molekulargewichtsverteilungen mehrkomponentiger Proben zu erhalten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens und eines Sensors zur affinitätsviskosimetrischen Blutzucker-Konzentrationsbestimmung, welche die kontinuierliche Erfassung eines von der temperatur- und der ConA-Konzentration wenig abhängigen und der Glucosekonzentration direkt proportionalen Parameters on line gestatten.

Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Sensor gemäß Anspruch 7 gelöst. Die Unteransprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, dass die sensitive Flüssigkeit kontinuierlich mit einem definierten Zuckergehalt oder zuckerfrei durch einen in Flussrichtung vor der Dialysekammer liegenden hydraulischen Widerstand, den Referenzwiderstand strömt und gleichzeitig die durch Dialyse modifizierte sensitive Flüssigkeit durch einen weiteren mit dem Referenzwiderstand 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 Zuckerkonzentration annähernd proportionalen Relativgröße verrechnet werden.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 mögliche Varianten für die Anordnungen der Widerstände bei einem erfindungsgemäßen Sensor;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors zur affinitätsviskosimetrischen Zuckerbestimmung; und
3a, 3b Diagramme, die die relative Viskosität sowie die relative Fluidität im Verhältnis zur Glukosekonzentration darstellen.
In 1 sind einige der möglichen Varianten für die Anordnungen der Widerstände, der Dialysekammer 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 nacheinander auf einer Strömungsbahn liegen (1, Varianten 1 bis 3) oder der Referenzwiderstand liegt auf einer Strömungsbahn und die Dialysekammer sowie der Messwiderstand liegen gemeinsam auf einer parallelen Strömungsbahn (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 (1, Varianten 1 bis 3). Liegen der Referenzwiderstand und der Messwiderstand auf zwei parallelen Strömungsbahnen, werden sie erfindungsgemäß an eine oder mehrere Pump- oder Saugvorrichtungen angeschlossen, welche eine konstante Relation zwischen den Flüssen auf beiden Strömungsbahnen aufrechterhalten (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 Drucksensoren entweder zwischen der Atmosphäre und einem Messpunkt auf der Strömungsbahn (1, Varianten 1, 3 und 4) oder zwischen zwei verschiedenen Messpunkten auf der Strömungsbahn (P1 in 1, Variante 2) liegen müssen.
Werden der Messwiderstand und der Referenzwiderstand gleichzeitig gemessen, liefert das Verhältnis aus Messwiderstand und Referenzwiderstand bekanntermaßen eine temperaturunabhängige relative Viskosität (Ballerstädt u. Ehwald, Biosensors & Bioelectronics 9: 557-567, 1994), die jedoch nicht linear mit der Glucosekonzentration abnimmt und für die Glucoseberechnung aus den gemessen Widerstandswerten in einem Sensor ungeeignet ist. Die erfindungsgemäß berechnete Relative Fluidität RF stellt daher den Quotienten zwischen dem Druckabfall am Referenzwiderstand und der Summe aus dem Druckabfall am Messwiderstand und einer zur Linearisierung des Zusammenhanges mit der Glucosekonzentration führenden 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 Widerstände mit dem Körper oder einer zusätzlich temperaturstabilisierten Vorrichtung oder dadurch 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 bestimmten, der Messaufgabe entsprechenden Zeitraumes bewegte Volumen der sensitiven Flüssigkeit ist, da andernfalls die Druckänderung am Messwiderstand zu langsam auf die Viskositätsänderung reagiert. Dieser Zeitraum sollte nicht länger als 15 min sein.
Anwendungsbeispiel:
Bei der in 2 dargestellten Apparatur wird sensitive Flüssigkeit mittels einer Pumpe 1 mit konstanter Geschwindigkeit (5 μl/h) durch einen Strömungskanal bewegt, auf dem sich nacheinander ein Drucksensor 2 zur Messung des Druckes p1, der hydraulische Referenzwiderstand 3, ein Drucksensor 4 zur Messung des Druckes p2, eine Dialysesonde 5, der hydraulische Messwiderstand 6 und ein Auffanggefäß 7 für die verbrauchte sensitive Flüssigkeit befinden. 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 Glucosekonzentration 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 RF-Werten und den korrespondierenden Werten einer Glucose-Konzentrationsreihe (3b) ermittelt wird. Im Unterschied zur relativen Viskosität (3a) ist die durch Gleichung 1 definierte relative Fluidität der Glucosekonzentration proportional.

Claims

Verfahren zur affinitätsviskosimetrischen Blutzucker-Konzentrationsbestimmung, bei dem die sensitive Flüssigkeit kontinuierlich mit einem definierten Zuckergehalt oder zuckerfrei durch einen in Flussrichtung vor 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) on line mit Hilfe von Drucksensoren (2, 4) ermittelt und zu einer der Zuckerkonzentration annähernd proportionalen Relativgröße verrechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Flüssigkeit einen definierten Zuckergehalt aufweist oder zuckerfrei ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der erste Widerstand ein Referenzwiderstand (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.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Referenzwiderstand (3), die Dialysekammer und der Messwiderstand (6) nacheinander auf einer Strömungsbahn liegen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Referenzwiderstand (3) auf einer Strömungsbahn und die Dialysekammer und der Messwiderstand (6) gemeinsam auf einer parallelen Strömungsbahn liegen.
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 Druckabfall am Messwiderstand (6) und einer zur Linearisierung des Zusammenhanges mit der Glucosekonzentration führenden Korrekturgröße darstellt.
Sensor zur affinitätsviskosimetrischen Blutzucker-Konzentrationsbestimmung, mit einem in Flussrichtung vor einer Dialysekammer liegenden ersten hydraulischen Widerstand (3), der von einer sensitive Flüssigkeit kontinuierlich mit einem definierten Zuckergehalt oder zuckerfrei durchströmt wird, und einem weiteren hydraulischen 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 eine Vorrichtung mittels welcher die Druckdifferenzen zu einer der Zuckerkonzentration annähernd proportionalen Relativgröße verrechnet werden.
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 Strömungswiderstände mit dem Körper oder einer zusätzlich temperaturstabilisierten Vorrichtung 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.
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 Referenzwiderstand und auf der anderen die Dialysekammer und danach in Strömungsrichtung der Messwiderstand liegt, und beide hydraulischen Widerstände mit dem Körper, einer zusätzlich temperaturstabilisierten Vorrichtung oder einem guten Wärmeleiter in gemeinsamen Kontakt sind.
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.
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.