DE10022772C1

DE10022772C1 - Durchflußmeßsystem

Info

Publication number: DE10022772C1
Application number: DE2000122772
Authority: DE
Inventors: Meinhard Knoll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2001-11-08
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: AU5634301A; WO2001086290A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Durchflußmeßsystem mit mindestens einem integrierten Chemo- und/oder Biosensorelement mit einem plattenförmigen Träger, mindestens einem kanalförmigen, als Meßkammer dienenden Hohlraum und mindestens einem das Sensorelement enthaltenden Containment, die in dem Träger angeordnet sind. DOLLAR A Das Containment ist zur Ableitung der Meßsignale kontaktierbar und weist an einem Ende eine erste, in der Plattenebene des Trägers liegende Öffnung auf, die mit dem Hohlraum in Kontakt steht. DOLLAR A Das Containment erstreckt sich von seiner ersten Öffnung in der Plattenebene des Trägers, wobei der Hohlraum in der Plattenebene seitlich an die erste Öffnung angrenzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Durchflußmeß system mit integrierten Chemo- und/oder Biosensorele menten. Derartige Durchflußmeßsysteme werden zur Be stimmung von Stoffkonzentration in Flüssigkeiten, beispielsweise in den Bereichen der medizinischen Diagnostik, der chemischen Analytik oder der bioche mischen Analytik eingesetzt.

Aus der DE 41 15 414 C2 sind Chemo- und Biosensorele mente bekannt, die mit Hilfe der Containmenttechnolo gie hergestellt wird, wobei in einem Träger mit einem Hohlraum stofferkennende Materialien angeordnet sind und beispielsweise mit einem elektrischen Kontakt in Verbindung stehen. Der Hohlraum, der das stofferken nende Material enthält, wird dabei als Containment bezeichnet und steht mit dem flüssigen Meßmedium in Kontakt.

Aus der DE 44 08 352 C2 sind derartige Sensorelemente in Containmenttechnologie bekannt, wobei eine Inte gration von Durchflußkanal und Hohlraum-Containment auf einem Träger vorgesehen ist, wobei die Contain ments sämtlich vertikal in einem Träger eingebracht sind und somit in Plattenebene des Trägers nebenein ander und senkrecht zu dieser Plattenebene angeordnet werden. Dadurch sind die Möglichkeiten für die Reali sierung unterschiedlicher Durchflußsysteme mit mehre ren integrierten Chemo- und Biosensoren und mehreren Kanälen beschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, gegenüber dem oben genannten Stand der Technik ein flaches, mi niaturisierbares Durchflußmeßsystem zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, auf einfache Weise durch Ge staltung des Trägers eine Vielzahl von Formen und Va rianten des Containments und des Durchflußkanals in kostengünstiger und massenproduktionstauglicher Tech nik, mit wenigen Arbeitsschritten auch innerhalb des selben Trägers, anzuordnen.

Diese Aufgabe wird durch das Durchflußmeßsystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Durchflußmeßsystems werden in den abhängigen Ansprü chen gegeben.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Containment und als Durchflußkanal verwendetem Hohlraum in der Plattenebene des Trägers ist es möglich, auf einfache Weise durch Gestaltung des Trägers eine Vielzahl von Formen und Varianten des Containments und des Durch flußkanals auf einfache Weise zu realisieren. Diese können auch in einer Vielzahl von Anordnungen mehre rer Containments und Hohlräume innerhalb desselben Trägers angeordnet sein.

Der Träger kann dabei aus mehreren Einzelplatten be stehen, die so angeordnet sind, daß sie gemeinsam das Containment und den Hohlraum in der Ebene des plat tenförmigen Trägers begrenzen. Die seitlichen Begren zungen senkrecht zu der Plattenebene des Trägers kön nen durch obere und untere Abdeckplatten gebildet werden. Dadurch ist eine besonders einfache Herstel lung des Durchflußmeßsystems möglich. Es eignet sich daher für verschiedene Herstellungsverfahren, bei spielsweise Spritzgußtechnik, Mikroprägen, Folien schneid- und Laminiertechnik sowie LIGA-Technik. Die einzelnen Elemente wie Träger, untere Abdeckplatte und obere Abdeckplatte können verklebt, verschweißt oder aufeinander auflaminiert werden. Sowohl der Trä ger als auch die beiden Abdeckungen können aus Kunst stoff, Keramik, Glas, Silizium oder aus anderen Mate rialien hergestellt sein.

Die beiden Abdeckplatten sind jedoch nicht zwangswei se notwendig, die beiden Seitenbegrenzungen können auch als Teil des Trägers selbst hergestellt werden, so daß das Durchflußmeßsystem einstückig hergestellt ist. Die zur Kontaktierung des Containments und zur Ableitung der Meßsignale verwendeten elektrisch lei tenden Schichten können aus Edelmetallen wie Silber, Platin oder Gold, aber auch aus Graphit oder anderen Materialien bestehen, die als elektrisch leitend in der Chemo- und Biosensorik bekannt sind. Die Aufbrin gung dieser Schichten kann durch Aufdampfen im Vaku um, Sputtern, Siebdruck oder elektrolytische Abschei dung erfolgen.

Das stofferkennende Material, das das Containment füllt, kann Polyvinylchlorid (PVC) oder Silikon mit Ionophoren oder ein Hydrogel mit Enzymen sein. Die Einbringung dieses Materials erfolgt beispielsweise mit einer Mikrodosiervorrichtung durch besondere Be füllöffnung des Containments oder der Abdeckplatten.

Zur Anwendung dieses Durchflußmeßsystems mit inte grierten Chemo- und Biosensorelementen wird das zu untersuchende Meßmedium in den als beispielsweise Durchflußkanal konzipierten Hohlraum eingebracht, wo es mit der Oberfläche des stofferkennenden Stoffs an der ersten Öffnung des Containments in Kontakt tritt. Abhängig vom verwendeten Meßverfahren wird beispiels weise zwischen einer elektrisch leitenden Schicht im Bereich des Containments und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht im Bereich eines zweiten Contain ments, das ebenfalls mit dem Meßmedium in dem Durch flußkanal in Verbindung steht, eine elektrische Span nung (potentiometrische Messung) oder ein elektri scher Strom (amperometrische Messung) gemessen.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik darin besonders vorteilhaft aus, daß eine kostengünstige Technik verwendet wird, die es erlaubt, Containments in einem Schichtaufbau so auf einen Träger mit einem Durchflußkanal zu inte grieren, daß sich das Containment horizontal in der selben Schicht wie der Durchflußkanal befindet. Diese Technik bietet vielerlei Vorteile bei der Realisie rung komplexer Durchflußmeßsysteme mit mehreren Kanä len und/oder mehreren Containments und ist zusätzlich massenproduktionstauglich.

Im folgenden werden einige Ausführungsformen der vor liegenden Erfindung beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosionszeichnung eines Durchfluß meßsystems;

Fig. 2 das Durchflußmeßsystem aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Explosionszeichnung des Durchflußmeß systems aus den Fig. 1 und 2 mit stoff erkennendem Material in dem Containment;

Fig. 4 eine Explosionszeichnung eines weiteren Durchflußmeßsystems;

Fig. 5 eine Explosionszeichnung eines weiteren Durchflußmeßsystems;

Fig. 6 eine Explosionszeichnung eines weiteren Durchflußmeßsystems und

Fig. 7 eine Explosionszeichnung eines weiteren Durchflußmeßsystems.

Fig. 1 zeigt eine Explosionszeichnung eines erfin dungsgemäßes Meßsystems, das einen Kanal- und Con tainmentträger 2 aufweist. Dieser Kanal- und Contain mentträger setzt sich aus den Einzelteilen 2.1, 2.2 und 2.3 zusammen, wobei sich zwischen den einzelnen Teilen ein Kanal 3 und ein Containment 4 ausbilden. Das Containment 4 verjüngt sich zwischen der Außen seite des Trägers 2.2 und 2.3 zu einer kleineren Öff nung 4.8, die als aktive Containmentöffnung in Kon takt mit dem Kanal 3 steht. Der Kanal 3 weist seiner seits an den zugehörigen Seiten des Trägers 2.1, 2.2 bzw. 2.3 eine Öffnung als Kanaleintritt 3.8 und an seinem anderen Ende eine Öffnung 3.9 als Kanalaus tritt auf.

Der Träger 2 wird von einer unteren Abdeckplatte 1 und einer oberen Abdeckplatte 5 begrenzt. Die untere Abdeckplatte 1, der Träger 2 und die obere Abdeckplatte 5 besitzen dabei Schichtdicken zwischen 10 µm und einigen 1000 µm. Die aktive Containmentöffnung 4.8 zum Kanal 3 hin besitzt einen Durchmesser von ei nigen 10 µm bis einigen 1000 µm. Die Breite des Ka nals 3 beträgt ebenfalls zwischen einigen 10 µm und einigen 1000 µm.

Die untere Abdeckplatte 1 weist weiterhin eine Sil berschicht 6 im Bereich des Containments auf, die als Elektrode dient.

Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 dargestellte Durchfluß meßsystem im zusammengebauten Zustand, wobei diesel ben Elemente dieselben Bezugszeichen tragen.

Die in Fig. 2 dargestellte breitere Öffnung 4.9 dient dabei im wesentlichen zum Befüllen des Contain ments 4 mit einem stofferkennenden Material.

Fig. 3 zeigt das Durchflußmeßsystem aus den Fig. 1 und 2, nunmehr ist jedoch in das Containment 4 das stofferkennende Material 8 eingefüllt. Dieses er streckt sich von der äußeren Öffnung 4.9 bis zur in neren Öffnung 4.8 des Containments 4. Das stofferken nende Material 8 besteht dabei aus einer Po lyvinylchlorid-Membran mit eingelagerten Ionophoren oder einer Silikon-Membran mit eingelagerten Ionopho ren. Nach Befüllen des Containments 4 mit dem stof ferkennenden Material 8 kann die Öffnung 4.9 mit Hil fe eines Versiegelungsmaterials wie Silikon, Epoxid harz oder dergleichen verschlossen werden.

Durch den in Fig. 3 dargestellten Aufbau ergibt sich eine ionenselektive Elektrode, wobei die Ionenaktivi tät im Meßmedium, das durch den Kanal 3 fließt, über die Messung der elektrischen Spannung zwischen den Silberelektroden 6 zweier Containments bestimmt wird. Die Silberelektrode 6 des zweiten Containments dient dabei als Referenzelektrode. Dieses enthält als stof ferkennendes Material 8 ein Hydrogel mit KCl und als Elektrode 6 eine Ag/AgCl-Schicht.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann wiederum der Aufbau nach den Fig. 1 bis 3 verwendet werden, wobei jedoch die Elektrode 6 des ersten Containments eine Platinschicht ist. Diese dient als Arbeitselek trode. Das erste Containment ist weiterhin mit einem Hydrogel mit immobilisiertem Enzym Glukoseoxidase ge füllt. Als zweites Containment für die Referenzelek trode wird als Elektrode Ag/AgCl-Schicht und als stofferkennendes Material 8 ein Hydrogel mit KCl ver wendet.

Durch diesen Aufbau ergibt sich nun ein Glukosesen sor, mit dem die Glukosekonzentration im Meßmedium durch Anlegen einer elektrischen Spannung von einigen 100 mV (typischerweise 600 mV) zwischen der Platine lektrode 6 des ersten Containments und der Ag/AgCl- Elektrode 6 des zweiten Containments und Messung des fließenden elektrischen Stromes bestimmt wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dar gestellt, wobei mit gleichen Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnet werden. Im Unterschied zu Fig. 1 ist nunmehr das Containment 4 so geschlossen, daß es keine Öffnung 4.9 aufweist. Die Befüllung des Con tainments 4 erfolgt statt dessen durch eine Öffnung (Bohrung) 7 in der oberen Abdeckung 5, wobei diese Bohrung 7 nach dem Befüllen des Containments 4 mit dem stofferkennenden Material mit Hilfe eines Versie gelungsmaterials wie Silikon, Epoxidharz oder der gleichen verschlossen werden kann.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dar gestellt. Dieses entspricht dem Beispiel der Fig. 2, wobei jedoch hier zur Realisierung eines Glukosesen sors lediglich ein Containment benötigt wird. Denn auf der unteren Abdeckung 1 befinden sich nunmehr zwei Elektroden 6.1 und 6.2, wobei die Elektrode 6.1 eine Ag/AgCl-Referenzelektrode und die Elektrode 6.2 eine Pt-Arbeitselektrode ist. Weiterhin weist die un tere Abdeckung 1 eine Vertiefung auf, die den Meßka nal 3 in dem Träger verbreitert.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 entspricht. Hier ist jedoch das Containment nicht auf seine erste Öff nung 4.8 verjüngend zulaufend, sondern besitzt in der Plattenebene des Trägers 2 eine einheitliche Breite. Weiterhin weist die untere Abdeckplatte 1 eine Kanal vertiefung 11 auf, die sich an den Kanal 3 in dem Träger 2 so anschließt, daß sie diesen quer zur Plat tenebene des Trägers 2 verbreitert.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 entspricht. Al lerdings erstreckt sich der Kanal 3 nicht mehr über die gesamte Breite des plattenförmigen Trägers 2, so daß der plattenförmige Träger 2 einstückig gefertigt werden kann und das Containment 4 und den Kanal 3 um schließt. Die Zufuhr und Abführung der Meßlösung in den bzw. aus dem Kanal 3 erfolgt über Bohrungen 9.1 und 9.2 in der oberen Abdeckplatte 5. Diese sind im zusammengebauten Zustand des Durchflußmeßsystems aus Fig. 7 oberhalb der jeweiligen Enden des Kanals 3 angeordnet, so daß durch die Öffnung 9.1 die Meßlö sung in den Kanal 3 eingebracht werden kann, diese den Kanal 3 dann durchströmt und über die Öffnung 9.2 den Kanal wieder verläßt.

Im Unterschied zu Fig. 1 sind nun auch auf weiteren Seiten des Containments elektrisch leitende Schichten 10.1, 10.2 und 10.3 aufgebracht, die im zusammenge bauten Zustand des Durchflußmeßsystems mit der Elek trode 6 in elektrisch leitender Verbindung stehen.

Weitere Varianten für die erfindungsgemäßen Durch flußmeßsysteme bestehen darin, daß in dem Durchfluß meßsystem nach Fig. 2 die Elektrode 6 auf der unte ren Abdeckplatte 1 auch entfallen kann. Sie kann je doch auch, ausgehend von dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1, auf der dem Träger 2 zugewandten Seite der oberen Abdeckplatte 5 angeordnet sein.

Es ist auch möglich, Teile des Durchflußmeßsystems einstückig herzustellen. Dabei können die untere Ab deckplatte 1 und der Träger 2 bzw. die obere Abdeck platte 5 und der Träger 2 aus einem Stück, z. B. in Spritzguß oder Mikroprägen hergestellt werden.

Insgesamt ergibt sich damit eine hohe Variabilität der Anordnung von Durchflußmeßkanal 3 und Containment 4 in der Plattenebene des Trägers 2. Dadurch sind verschiedenste Meßanordnungen auf kostengünstige und einfache Weise realisierbar.

Claims

1. Durchflußmeßsystem mit mindestens einem inte grierten Chemo- und/oder Biosensorelement mit einem plattenförmigen Träger, mindestens einem kanalförmigen, als Meßkammer dienenden Hohlraum und
mindestens einem das Sensorelement enthaltenden Containment, die in dem Träger angeordnet sind, wobei das Containment zur Ableitung der Meßsi gnale kontaktierbar ist und an einem Ende eine erste, in der Plattenebene des Trägers liegende Öffnung aufweist, die mit dem Hohlraum in Kon takt steht,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Containment und der Hohlraum in der Platten ebene des Trägers angeordnet sind.

2. Durchflußmeßsystem nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Containment sich von seiner ersten Öffnung in der Plattenebene des Trägers erstreckt und der Hohlraum sich in der Plattenebene seitlich an die erste Öffnung anschließt.

3. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der plat tenförmige Träger aus mehreren Einzelplatten be steht, die so angeordnet sind, daß sie gemeinsam das Containment und den Hohlraum in der Ebene des plattenförmigen Trägers begrenzen.

4. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der plat tenförmige Träger auf seiner Oberseite bzw. Un terseite mit einer oberen Abdeckplatte bzw. un teren Abdeckplatte formschlüssig verbunden ist.

5. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Abdeckplatte und/oder die untere Abdeckplatte die Seitenwände des Containments und/oder des Hohlraumes bilden.

6. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Träger zugewandten Seite der oberen Platte und/oder unteren Platte im Bereich des Contain ments und/oder auf einer das Containment begren zenden Seitenwand des plattenförmigen Trägers Elektroden zur Ableitung des Meßsignals angeord net sind.

7. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektro den aus elektrisch leitfähigen Materialien wie Graphit und/oder Edelmetallfilmen wie Platin, Gold, Silber bestehen.

8. Durchflußmeßsystem nach einem der beiden vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mittels Aufdampfen im Vakuum, Sputtern, Siebdruck und/oder elektrolytische Ab scheidung aufgebracht sind.

9. Durchflußmeßsystem nach einem Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Platte und/oder die untere Platte im Bereich des Con tainments Durchführungen zum Befüllen und/oder Kontaktieren des Containments aufweisen.

10. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Platte und/oder die untere Platte im Bereich des Hohlraums Durchführungen zum Einleiten bzw. Ab leiten von Fluiden in den bzw. aus dem Hohlraum aufweisen.

11. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Platte und/oder die untere Platte im Bereich der beiden Enden des kanalförmigen Hohlraums Durch führungen zum Einleiten und/oder Ableiten von Fluiden in den bzw. aus dem Hohlraum aufweisen.

12. Durchflußmeßsystem einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Con tainment der ersten Öffnung gegenüberliegend ei ne zweite Öffnung aufweist, die zur Ableitung der Meßsignale kontaktierbar ist.

13. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Öffnung größer ist als die erste Öffnung.

14. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Hohlraum die ersten Öffnungen mehrerer Containments in der Ebene des plattenförmigen Trägers liegend verbunden sind.

15. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, die mit einem Hohlraum verbundenen mehreren Containments je weils unterschiedliche stofferkennende Substan zen enthalten.

16. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä ger, die obere Abdeckplatte und/oder die untere Abdeckplatte aus Kunststoff, Keramik, Glas und/oder Silizium bestehen.

17. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Con tainment mit einem stofferkennenden Membranmate rial gefüllt ist.

18. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stof ferkennende Material Polyvinylchlorid, Silicon, gegebenenfalls mit Ionophoren, und/oder ein Hy drogel mit Enzymen enthält.

19. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der ersten Öffnung das stofferkennende Material die aktive Sensoroberfläche bildet.

20. Durchflußmeßsystem nach einem der beiden vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung des mit dem stofferkennenden Membranmaterial gefüllte Containment mit einer Verkapselungsschicht verschlossen ist.

21. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä ger, die obere Abdeckplatte und die untere Ab deckplatte miteinander verklebt, verschweißt und/oder laminiert sind.

22. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä ger mit der oberen Abdeckplatte, der Träger mit der unteren Abdeckplatte oder der Träger mit der unteren und der oberen Abdeckplatte einstückig hergestellt sind.

23. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä ger, die obere Abdeckplatte und die untere Ab deckplatte mittels Spritzgußtechnik, Mikroprä gen, Folien-Schneidtechnik, Laminiertechnik und/oder LIGA-Technik hergestellt sind.

24. Verwendung eines Durchflußmeßsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche für potentiometri sche und/oder amperometrische Messungen, vor zugsweise in einer FIA-Anordnung oder in anderen Durchflußanordnungen.