DE10102657A1

DE10102657A1 - Method for determination of process parameters, particularly of saccharose and glucose, uses biosensor arrays produced using thick layer technology

Info

Publication number: DE10102657A1
Application number: DE2001102657
Authority: DE
Inventors: Michael Glaeser; Manfred Decker
Original assignee: ANMELDERANGABEN UNKLAR X
Current assignee: ANMELDERANGABEN UNKLAR X
Priority date: 2001-01-20
Filing date: 2001-01-20
Publication date: 2003-01-16

Abstract

Determination of process parameters comprising using biosensor arrays produced using thick layer technology, is new.

Description

Glucose ist ein wichtiger Ausgangsstoff unter anderem für die Herstellung von Citronensäure, Ethanol, Glycerol und Penicillin G, die in der chemischen Industrie, der Lebensmittelproduktion und in der Medizin von großer Bedeutung sind. Glucose selbst wird durch enzymatische Spaltung aus Stärke oder Saccharose hergestellt. Glucose und Saccharose sind vor allem wichtige Lebensmittelinhaltsstoffe, beispielsweise in Fruchtsäften und Wein, die für die Qualität der Produkte mitentscheidend sind. Bei der Herstellung von Zuckerrübensirup und Invertzucker ist die simultane Bestimmung von Saccharose und Glucose für die Prozesskontrolle von großer Bedeutung. Fruchtverarbeitende Betriebe bestimmen beide Parameter im Rahmen ihrer stetigen Qualitätskontrollen zur Sicherung eines hohen Qualitätsniveaus ihrer Produkte. Für Keltereien sind die Ausgangskonzentrationen der verschiedenen Zucker im Most Indiz für das anschliessende Gärverhalten, wobei jeder Most eine einzigartige Zusammensetzung besitzt. Die Bestimmung der Abnahme der Zuckerkonzentrationen während der Gärung erlaubt eine Beurteilung des Prozessverlaufes. Nur durch die individuelle Kontrolle jedes einzelnen Gärprozesses kann ein definierter Abbruch der Gärung mit der damit verbundenen Einstellung der Restsüße erfolgen. Weitere Süßungs- und Anreicherungsschritte sind abhängig von dem Ergebnis dieser Zuckeranalyse. Glucose is an important raw material for the production of citric acid, Ethanol, Glycerol and Penicillin G, which are used in the chemical industry, the Food production and medicine are of great importance. Glucose itself is made by enzymatic Cleavage made from starch or sucrose. Above all, glucose and sucrose are important food ingredients, for example in fruit juices and wine, for the Product quality are crucial. In the production of beet syrup and Invert sugar is the simultaneous determination of sucrose and glucose for the Process control of great importance. Fruit processing companies determine both parameters in the As part of their constant quality controls to ensure a high quality level of their Products. For wine presses, the initial concentrations of the different sugars are in the Indication of the subsequent fermentation behavior, whereby each must is unique Has composition. Determining the decrease in sugar concentrations during the Fermentation allows the process to be assessed. Only through individual control each individual fermentation process can be a defined termination of the fermentation with the associated setting the residual sweetness. Further sweetening and enrichment steps are depending on the result of this sugar analysis.

Schnelle Analysenverfahren, die die Gesamtanalysezeit verkürzen, in dem sie vor Ort direkt vom Anwender ohne zeitliche Verzögerung durchgeführt werden, können hier einen entscheidenden Beitrag zur punktuellen Qualitätsüberwachung und zur effektiven Prozeßführung leisten. Durch die simultane Bestimmung mehrerer Prozessparameter vor Ort kann das momentane Geschehen im laufenden Prozess widergespiegelt werden. Fast analysis procedures that shorten the overall analysis time by directly on site can be carried out by the user without any time delay, here you can decisive contribution to selective quality monitoring and effective process management Afford. This can be done by simultaneously determining several process parameters on site current events are reflected in the ongoing process.

Bisherige Verfahren zur Analytik von Saccharose und Glucose beruhen im wesentlichen auf reduktometrische Methoden und chromatographische Techniken /1/. Beide Verfahren sind sehr zeitaufwendig, können nur durch speziell geschultes Personal angewendet und nicht vor Ort durchgeführt werden. Besonders für kleine mittelständische Betriebe der fruchtverarbeitenden und Zuckerindustrie sind diese aufwendigen Analysenverfahren nicht durchführbar. Previous methods for the analysis of sucrose and glucose are essentially based on reductometric methods and chromatographic techniques / 1 /. Both procedures are very time consuming, can only be applied by specially trained staff and not before Place. Especially for small, medium-sized companies in the Fruit processing and sugar industries are not able to carry out these complex analysis procedures.

Biosensoren bieten gegenüber diesen herkömmlichen Messmethoden eine kostengünstige Alternative mit entscheidenden Vorteilen. Die Analysen können vom Anwender ohne Vorkenntnisse und ohne Zeitverzögerung direkt am Produktionsort durchgeführt werden. Darüber hinaus weisen Biosensoren, insbesondere Enzymsensoren, eine hohe Substratspezifität auf, die unerwünschte Nebenreaktionen auf ein Minimum reduziert und so die Genauigkeit deutlich erhöht sowie eine referenzfreie Indikation der Reaktionsprodukte erlaubt. Compared to these conventional measurement methods, biosensors are inexpensive Alternative with decisive advantages. The analyzes can be carried out by the user without Previous knowledge and without delay is carried out directly at the production site. About that In addition, biosensors, in particular enzyme sensors, have a high substrate specificity, the undesirable side reactions are reduced to a minimum and so the accuracy significantly increased and a reference-free indication of the reaction products allowed.

Einen wesentlichen weiteren Beitrag zur Kosteneffektivität der Biosensoren leistet deren Herstellung in Dickschichttechnologie. Die Dickschichttechnologie ermöglicht es auch, verschiedene Sensorsysteme zur simultanen Detektion unterschiedlicher Analyte auf einem Sensorsubstrat zu integrieren. Die Kombination einzelner Biosensoren zu einem Sensorarray schafft die Voraussetzung für die schnelle und effektive Analyse von mehreren Prozessparametern in einem einfachen Arbeitsgang. They make a significant further contribution to the cost effectiveness of the biosensors Manufacturing in thick film technology. Thick film technology also enables Different sensor systems for the simultaneous detection of different analytes on one Integrate sensor substrate. The combination of individual biosensors to form a sensor array creates the prerequisite for the fast and effective analysis of several process parameters in a simple operation.

Gerade kleine und mittelständische Betriebe der Lebensmittelindustrie profitieren von der angestrebten Entwicklung eines Biosensorarrays, mit der die simultane qualitative und quantitative Bestimmung von Saccharose und Glucose besonders kostengünstig und zeitsparend vor Ort möglich ist und für deren Handhabung kein speziell geschultes Personal benötigt wird. Small and medium-sized businesses in the food industry in particular benefit from the desired development of a biosensor array with which the simultaneous qualitative and quantitative determination of sucrose and glucose is particularly economical and time-saving is possible on site and does not require specially trained personnel to use it becomes.

Current research and technology

Zur Bestimmung der Saccharose wird der Analyt enzymatisch katalysiert durch Invertase /2/ und Mutarotase zu β-D-Glucose und D-Fructose (Gleichungen 1 und 2) umgewandelt. Für die quantitative Analyse der β-D-Glucose wird die Oxidation dieses Substrats durch das Enzym Glucoseoxidase herangezogen. Produkte dieser enzymkatalysierten Reaktion sind D- Glucono-δ-lacton und Wasserstoffperoxid (Gleichung 3).

To determine the sucrose, the analyte is catalyzed by enzymes by invertase / 2 / and mutarotase and converted to β-D-glucose and D-fructose (equations 1 and 2). The oxidation of this substrate by the enzyme glucose oxidase is used for the quantitative analysis of β-D-glucose. Products of this enzyme-catalyzed reaction are D-glucono-δ-lactone and hydrogen peroxide (Equation 3).

Das entstandene Wasserstoffperoxid kann amperometrisch bei +600 mV gegen Ag/AgCl an einer Platin-Arbeitselektrode bestimmt werden /3/.

H₂O₂ → 2H⁺ + O₂ + 2e^- (4)
The resulting hydrogen peroxide can be determined amperometrically at +600 mV against Ag / AgCl on a platinum working electrode / 3 /.

H ₂ O ₂ → 2H ⁺ + O ₂ + 2e ^- (4)

Dabei ist der fließende Strom der Konzentration des Analyten proportional. Somit kann Saccharose über die Kopplung der enzymkatalysierten Reaktionen 1 bis 3, Glucose durch die direkte Oxidation mittels Glucoseoxidase qualitativ und quantitativ bestimmt werden. The flowing current is proportional to the concentration of the analyte. So can Sucrose through the coupling of enzyme-catalyzed reactions 1 to 3, glucose through the direct oxidation using glucose oxidase can be determined qualitatively and quantitatively.

Die Entwicklung von Sensoren mit den modernen Methoden der polymeren Dickschichttechnik eröffnet die Möglichkeit, stabile planare miniaturisierte Sensoren reproduzierbar zu vergleichsweise geringen Kosten zu produzieren. Die Kombination mit elektronischen Bauelementen zur Reduzierung von Störeinflüssen oder auch zur Signalverarbeitung und/oder -auswertung auf den Substraten ist mit vergleichsweise geringem Aufwand zu realisieren. Da bei der Herstellung der Sensoren das Layout verändert werden kann, ohne dass große Werkzeugkosten anfallen, ist es möglich, schnell auf kundenspezifische Designanforderungen bei den Messfühlern zu reagieren. Die auf organischen Substanzen beruhenden polymeren Pasten werden photochemisch oder bei niedrigen Temperaturen schonend vernetzt und erlauben daher auch den Einsatz von temperaturlabilen Substanzen. Dies kann bei der Immobilisierung von Enzymen genutzt werden, wie sie in dem vorgestellten Projekt angestrebt wird. Für die Herstellung der Pasten gibt es eine reichhaltige Auswahl an verschiedenen Polymeren und Zusatzstoffen, die für die Einbettung der Wirksubstanzen herangezogen werden können. Dadurch ist es möglich, die Pastenbestandteile in Hinblick auf die eingesetzten Enzyme und die Aufgabenstellung (z. B. Lebensmittelverträglichkeit, Biokompatibilität) zu optimieren. Ein besonderer Vorteil dieser Technik ist die Möglichkeit, ohne großen Aufwand und Kosten verschiedene Sensoren miteinander zu kombinieren und so Multisensorsysteme aufzubauen. Dabei können auch verschiedene Detektionsprinzipien (Potenziometrie, Amperometrie oder Konduktometrie) nebeneinander genutzt werden. Die Miniaturisierbarkeit und der planare Aufbau der Strukturen prädestiniert sie besonders für den Einbau in Messzellen, da das Totvolumen klein gehalten werden kann und so die benötigten Mengen an Probe und Kalibrierflüssigkeit gering bleiben. The development of sensors using the modern methods of polymer Thick film technology opens up the possibility of stable planar miniaturized sensors to produce reproducibly at comparatively low costs. The combination with electronic Components for reducing interference or for signal processing and / or Evaluation on the substrates can be carried out with comparatively little effort. There When manufacturing the sensors, the layout can be changed without large Tool costs are incurred, it is possible to quickly respond to customer specific design requirements to respond to the sensors. The polymeric pastes based on organic substances are crosslinked photochemically or at low temperatures and allow hence the use of temperature-unstable substances. This can be the case with immobilization be used by enzymes, as is aimed at in the presented project. For the Production of the pastes there is a rich selection of different polymers and Additives that can be used to embed the active substances. This makes it possible to match the paste components with regard to the enzymes used and the To optimize the task (e.g. food compatibility, biocompatibility). On A particular advantage of this technology is the possibility without great effort and costs to combine different sensors with each other and thus build up multi-sensor systems. Different detection principles (potentiometry, amperometry or Conductometry) can be used side by side. The miniaturizability and the planar The structure of the structures makes them particularly suitable for installation in measuring cells, because the Dead volume can be kept small and so the required amounts of sample and Calibration fluid remain low.

Die Ankopplung der biologisch aktiven Komponente an den Transducer (hier: Elektrode) kann durch verschiedene Enzymimmobilisierungsmethoden /4/ erfolgen. Von besonderem Interesse sind dabei Methoden zur Einbettung des Enzyms in eine Polymermatrix. Verschiedene Arbeitsgruppen beschäftigen sich derzeit mit der Entwicklung von Verfahren zur Immobilisierung von Enzymen in Sol-Gel-Technik /5, 6, 7, 8, 9/. Neben Sol-Gel als Einbettungsmatrix werden auch verschiedene andere Polymermatrices beschrieben, wie Polyurethan- Acrylat /10/, Ethylen-Vinylacetat /11/, Polypyrrol /12/ und Poly(o-phenyldiamin) /13/. The coupling of the biologically active component to the transducer (here: electrode) can be done by different enzyme immobilization methods / 4 /. Of particular Methods of embedding the enzyme in a polymer matrix are of interest. Various Working groups are currently working on the development of processes for Immobilization of enzymes using the sol-gel technique / 5, 6, 7, 8, 9 /. In addition to sol-gel as Embedding matrix, various other polymer matrices are also described, such as polyurethane Acrylate / 10 /, ethylene vinyl acetate / 11 /, polypyrrole / 12 / and poly (o-phenyldiamine) / 13 /.

Die Entwicklung von Biosensoren zur Bestimmung von Glucose wird vor allem durch deren Anwendung in der Medizin vorangetrieben. Verschiedene Arbeitsgruppen beschäftigen sich mit der Weiterentwicklung und Optimierung dieser Sensoren mit amperometrischer Detektion /7, 9, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21/. Die Saccharoseanalytik mit Hilfe von Biosensoren ist im Gegensatz dazu bisher Gegenstand weniger Veröffentlichungen /22, 23, 24/. The development of biosensors for the determination of glucose is mainly due to their Application in medicine advanced. Different working groups are involved with the further development and optimization of these sensors with amperometric detection / 7, 9, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 /. Sucrose analysis using biosensors is in contrast, so far the subject of fewer publications / 22, 23, 24 /.

Bucsis beschreibt in einem Aufsatz /25/die amperometrische Detektion von Glucose und Saccharose mit zwei räumlich voneinander getrennten Biosensoren. Surareungchai et al. /2/ entwickelten 1999 einen amperometrischen Biosensor zur simultanen Bestimmung von Saccharose und Glucose im Durchflusssystem. Bucsis describes in an article / 25 / the amperometric detection of glucose and Sucrose with two spatially separated biosensors. Surareungchai et al. / 2 / developed an amperometric biosensor for the simultaneous determination of Sucrose and glucose in the flow system.

Beispiele für die simultane Bestimmung dieser beiden Analyten mit Hilfe eines in Dickschichttechnologie hergestellten Biosensorarrays, das eine einfache qualitative und quantitative Bestimmung ermöglicht, konnten in der Literatur nicht gefunden werden. Die Recherche in der europäischen Patentdatenbank und der Patentdatenbank der USA ergab keine patentrechtlichen Eintragungen, die in Bezug zur angestrebten Entwicklung stehen. Angaben zu den. Lösungsansätze für die Detektion von Einzelanalyten mit Biosensoren, die in Dickschichttechnik hergestellt wurden, werden in Veröffentlichungen für Glucose /25, 26, 27, 28/, Progesteron /29/ und Sulfit /30/ beschrieben. Examples for the simultaneous determination of these two analytes with the help of an in Biosensor arrays manufactured using thick film technology, which is a simple qualitative and quantitative determination enabled could not be found in the literature. The research in the European patent database and the US patent database did not reveal any Patent law entries related to the desired development. Details of the. Approaches for the detection of single analytes with biosensors that are in Thick film technology have been published in Glucose / 25, 26, 27, 28 /, Progesterone / 29 / and sulfite / 30 /.

objective

Mit der Entwicklung kostengünstiger Biosensorarrays in Dickschichttechnik zur simultanen quantitativen und qualitativen Bestimmung von Saccharose und Glucose erhält der Anwender in der Lebensmittelindustrie ein Analysensystem, das besonders kostengünstig und zeitsparend ist und für dessen Handhabung kein speziell geschultes Personal benötigt wird. Durch den innovativen Aufbau des Biosensorarrays, das zwei Sensorsysteme auf einem Substrat integriert, wird eine besonders effektive und kostengünstige Qualitätskontrolle und Überwachung des Prozessverlaufs vor Ort möglich. Gerade kleine mittelständische Unternehmen der Lebensmittelindustrie sollen von dieser einfachen, zuverlässigen, kostengünstigen und effektiven Lösung ihres Analysenproblems profitieren. With the development of cost-effective biosensor arrays in thick-film technology for simultaneous the user receives quantitative and qualitative determination of sucrose and glucose in the food industry an analysis system that is particularly inexpensive and saves time and does not require specially trained personnel to use it. By the innovative structure of the biosensor array, which consists of two sensor systems on one substrate integrated, a particularly effective and cost-effective quality control and Monitoring of the process progress possible on site. Small and medium-sized companies in particular Food industry is said to be of this simple, reliable, inexpensive and effective solution to your analysis problem.

Die Anwendung der Dickschichttechnologie bietet darüber hinaus das innovative Potenzial, das Analysensystem in Zukunft zu erweitern und den Bedürfnissen weiterer Anwender optimal anzupassen. Damit wird die Qualitätskontrolle und Überwachung weiterer Parameter mehrstufiger Fermentations- und Gärprozesse simultan und ohne Zeitverzögerung durch den notwendigen Transport in Laboratorien und die zeitintensive Laboranalytik möglich. The application of thick film technology also offers the innovative potential to expand the analysis system in the future and the needs of other users optimally adapt. This is the quality control and monitoring of other parameters multi-stage fermentation and fermentation processes simultaneously and without time delay by the necessary transport to laboratories and time-consuming laboratory analysis possible.

Walkthrough

Zur besseren Übersicht sind die einzelnen Arbeitsschritte, die für die Entwicklung des Biosensorarrays notwendig sind, nachfolgend dargestellt: For a better overview, the individual steps that are necessary for the development of the Biosensor arrays are necessary, shown below:

1. Layout creation, optimization of electrode printing

Die Biosensoren werden als Zweielektrodensystem ausgelegt, bestehend aus der Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode, die auch als potenzialstabile Referenzelektrode dient. Als Elektrodenmaterialien werden polymere Platin-, Silber-, Silberchlorid- und Kohlenstoffpasten verwendet, um möglichst milde Aushärtebedingungen zu erhalten. Bei den Metallen können jedoch auch konventionelle Pasten Verwendung finden, die im Falle der Silberchlorid- Elektrode chemisch oder elektrochemisch chloridisiert werden können. Für den Druck der Elektroden ist das Layout zu entwerfen und die entsprechenden Filme und Siebe zu erstellen. Auf Epoxid- und im Falle der konventionellen Pasten auf Keramiksubstraten werden die Druckprozesse optimiert im Hinblick auf Haftung, Haltbarkeit und Reproduzierbarkeit. The biosensors are designed as a two-electrode system consisting of the Working electrode and a counter electrode, which also serves as a stable reference electrode. As Electrode materials become polymeric platinum, silver, silver chloride and carbon pastes used to obtain the mildest possible curing conditions. With the metals can however, conventional pastes are also used which, in the case of silver chloride Electrode can be chloridized chemically or electrochemically. For printing the Electrodes are to be designed, the layout and the corresponding films and sieves. They are used on epoxy and, in the case of conventional pastes, on ceramic substrates Printing processes optimized with regard to liability, durability and reproducibility.

2. Development of printed glucose-sensitive membranes

Besonderes Augenmerk ist dabei darauf zu legen, dass die nach Druck und Polymerisation erhaltene Polymermatrix die Enzyme ausreichend immobilisieren, ohne die Aktivität der Enzyme deutlich einzuschränken. Des weiteren muss eine ausreichend hohe Durchlässigkeit für den Analyten gewährleistet sein, um ein gutes Ansprechverhalten zu gewährleisten. Andererseits dürfen die enthaltenen Puffersubstanzen nur geringfügig ausbluten, um eine möglichst lange Lebensdauer bei gleichbleibender Höhe der Messströme garantieren zu können. Zu diesem Zweck werden verschiedene Typen an photopolymerisierbaren Matrices mit Standardzusammensetzungen an Puffersubstanzen und Enzymen gedruckt, vernetzt und anschließend auf ihre Haftungseigenschaften auf den Substratmaterialien und auf ihre sensorischen Charakteristika getestet. Diese Membranen werden auf den verschiedenen Elektrodenmaterialien auf ihre Kompatibilität getestet. Daraus wird eine Auswahl für die weiteren Untersuchungen getroffen. Particular attention should be paid to the fact that after printing and polymerization polymer matrix obtained immobilize the enzymes sufficiently without the activity of Limit enzymes significantly. Furthermore, a sufficiently high permeability for the analytes must be guaranteed to ensure a good response. On the other hand, the contained buffer substances may bleed out only slightly in order to get one To be able to guarantee a long service life with a constant level of measuring currents. To For this purpose, different types of photopolymerizable matrices are used Standard compositions printed on buffer substances and enzymes, crosslinked and then on their adhesive properties on the substrate materials and on their sensory Characteristics tested. These membranes are based on the various electrode materials tested their compatibility. This becomes a selection for further investigations met.

3. Optimization of the glucose-sensitive membranes

Die Glucose-sensitiven Elektroden werden im Hinblick auf ihre sensorischen Eigenschaften optimiert. Zielsetzung dabei ist es, Sensoren zu erhalten, die über mehrere Monate lagerfähig sind und die eine möglichst lange Einsatzdauer ermöglichen. Der lineare Messbereich der Sensorsysteme wird, gesteuert durch den Grad der Vernetzung der polymeren Matrix, an die entsprechende Probenmatrix angepasst. Die Enzymaktivität wird bestimmt und durch Optimierung der Bestandteile der Membranzusammensetzung in Bezug auf Lebensdauer, Empfindlichkeit, Drift und Ansprechverhalten weiterentwickelt. Das Verhalten gegenüber potenziellen Störionen, insbesondere auf Saccharose, aber auch Fructose und Ascorbinsäure, wird bestimmt und durch Variation der Parameter reduziert. The glucose sensitive electrodes are in terms of their sensory properties optimized. The aim is to obtain sensors that can be stored for several months are and which enable the longest possible service life. The linear measuring range of the Sensor systems is controlled by the degree of crosslinking of the polymer matrix to which appropriate sample matrix adjusted. The enzyme activity is determined and by Optimization of the components of the membrane composition with regard to service life, Sensitivity, drift and responsiveness further developed. The behavior towards potential interference ions, especially on sucrose, but also fructose and ascorbic acid determined and reduced by varying the parameters.

4. Glucose measurement on real samples

Die entwickelten Sensoren werden zur Messung an Realproben verwendet, ihre Eignung für die Aufgabenstellung getestet und, falls notwendig, weiter optimiert. Zur Untersuchung der Matrixeinflüsse werden zur Probenmatrix Standardadditionen durchgeführt und die Wiederfindungsraten bestimmt. Die Ergebnisse werden mit anderen analytischen Methoden abgesichert. The developed sensors are used for measurement on real samples, their suitability for tested the task and, if necessary, further optimized it. To study the Matrix influences are carried out to the sample matrix standard additions and the Recovery rates determined. The results are with other analytical methods hedged.

5. Development and optimization of printed sucrose sensitive membranes

Aufbauend auf den Ergebnissen bei der Entwicklung der Glucose-sensitiven Membranen werden die zur Saccharosebestimmung notwendigen Enzyme Glucoseoxidase, Invertase und Mutarotase in definierten Verhältnissen in die Druckpaste aus den Präpolymeren eingebracht und verdruckt. Eine Anpassung der Membranzusammensetzung an die Aufgabenstellung ist in zwei Schritten notwendig. In einem ersten Schritt ist die Optimierung des Drei- Enzymsystems durchzuführen, um eine hohe Konzentration an Substrat bei dem letzten Schritt der enzymatischen Glucoseoxidation zu erhalten. Im zweiten Teil dieses Arbeitspaketes muss durch eine Veränderung der Zusammensetzung der Polymermatrix eine ausreichende Durchlässigkeit für das Disaccharid Saccharose erreicht werden, ohne gleichzeitig einen großen Verlust an Puffersubstanzen zu erhalten. In weiteren Versuchen werden die Sensoren im Hinblick auf Lebensdauer, Empfindlichkeit, Drift, Ansprechverhalten sowie ihr Verhalten gegenüber Saccharose optimiert und das Verhalten gegenüber Glucose bestimmt. In abschließenden Messreihen werden potenzielle Störionen auf ihren Einfluss hin untersucht. Building on the results of the development of the glucose-sensitive membranes the enzymes glucose oxidase, invertase and necessary for the determination of sucrose Mutarotase in defined proportions introduced into the printing paste from the prepolymers and printed. An adaptation of the membrane composition to the task is necessary in two steps. In a first step, the optimization of the three Enzyme system to carry out a high concentration of substrate at the last To obtain the step of enzymatic glucose oxidation. In the second part of this Work package must be sufficient by changing the composition of the polymer matrix Permeability to the disaccharide sucrose can be achieved without sacrificing one large loss of buffer substances. In further experiments, the sensors in the With regard to service life, sensitivity, drift, response behavior and their behavior optimized against sucrose and the behavior towards glucose determined. In In the final series of measurements, potential interference ions are examined for their influence.

6. Measurement on real samples

Die Sensoren werden auf ihre Eignung zur Messung in Realproben getestet. Dabei werden sowohl Saccharose-haltige Lösungen vermessen wie auch Matrices, die Saccharose und Glucose enthalten, um den Summenparameter zu bestimmen. Durch Standardadditionen an Saccharose sowie Glucose werden Matrixeffekte bestimmt und, soweit möglich, durch Variation der Membranzusammensetzung reduziert. Die Resultate werden mit klassischen Analysemethoden validiert. The sensors are tested for their suitability for measurement in real samples. In doing so measure both sucrose-containing solutions and matrices containing sucrose and Contain glucose to determine the sum parameter. Through standard additions Sucrose and glucose are determined by matrix effects and, if possible, by variation the membrane composition is reduced. The results are with classic Analysis methods validated.

7. Combination of glucose and sucrose sensors on one substrate

Falls notwendig, werden die Druckparameter für die Herstellung der verschiedenen sensorischen Komponenten aufeinander angepasst. Dabei ist darauf zu achten, dass bei den zusätzlich notwendigen Druck- und Polymerisationsschritten keine Beeinträchtigung der schon gedruckten Enzymschicht eintritt. Die entsprechenden Einzelsensoren auf dem Substrat sind auf ihre Eigenschaften zu untersuchen und gegebenenfalls die Druckschritte zu variieren. Bild 1 zeigt den Aufbau des Biosensorarrays zur simultanen Bestimmung der beiden Analyte Saccharose und Glucose. If necessary, the pressure parameters for the production of the various sensory components are adapted to one another. It is important to ensure that the additional printing and polymerization steps do not adversely affect the already printed enzyme layer. The properties of the corresponding individual sensors on the substrate must be examined and, if necessary, the printing steps varied. Figure 1 shows the structure of the biosensor array for the simultaneous determination of the two analytes sucrose and glucose.

8. Development of a calibration process for the biosensor array

Für das Sensorarray ist ein Kalibriervorgang zu entwickeln, der die simultane Kalibrierung beider Sensoren ermöglicht. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Saccharose-Sensor sowohl Glucose, wie auch Saccharose bestimmt. Denkbar ist auch eine zweistufige Kalibrierung, bei der die Glucose-Sensitivität für beide Sensoren gleichzeitig bestimmt wird und in einem zweiten Schritt ausschließlich die Empfindlichkeit des Saccharose-Sensors. Um eine einfache Handhabbarkeit des Sensorarrays zu garantieren, ist jedoch eine simultane Kalibrierung der Sensoren vorzuziehen. A calibration process is to be developed for the sensor array, which involves simultaneous calibration enables both sensors. It should be borne in mind that the sucrose sensor both Glucose, as well as sucrose. A two-stage calibration is also conceivable which determines the glucose sensitivity for both sensors simultaneously and in one second step only the sensitivity of the sucrose sensor. To be a simple one However, guaranteeing the manageability of the sensor array is a simultaneous calibration of the Sensors preferred.

9. Examination of the sensor array in real samples

Die entwickelten Sensorarrays werden Tests in verschiedenen Realproben unterzogen und die Resultate mit analytischen Vergleichsmethoden validiert. In abschließenden Versuchen werden die Sensoren auch in Dauermessungen in Bioprozessen eingesetzt, um ihre Eignung für die kontinuierliche Prozesskontrolle abzuschätzen. The developed sensor arrays are subjected to tests in various real samples and the Results validated with analytical comparison methods. In final trials The sensors are also used in continuous measurements in bioprocesses to determine their suitability for to assess the continuous process control.

Economic importance of the invention

Beim Einsatz kostengünstiger Biosensorarrays in Dickschichttechnik zur simultanen quantitativen und qualitativen Bestimmung von Saccharose und Glucose erhält der Anwender in der Lebensmittelindustrie ein Analysensystem, das besonders kostengünstig und zeitsparend ist und für dessen Handhabung kein speziell geschultes Personal benötigt wird. Durch den innovativen Aufbau des Biosensorarrays, das zwei Sensorsysteme auf einem Substrat integriert, wird eine besonders effektive und kostengünstige Qualitätskontrolle und Überwachung des Prozessverlaufs vor Ort möglich. Literatur /1/ K. D. Millies, W. R. Sponholz, C. Eberle, Weinwirtschaft-Technik, 6, 1988, 6
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Claims

1. Device and method in the form of amperometric biosensor arrays in Thick film technology for the determination of several parameters in process control.

2. Device and method according to claim 1, characterized in that on polymeric pastes or sol-gels based on organic substances network at low temperatures and form the thick layer.

3. Device and method according to claims 1 and 2, characterized in that a simultaneous two or multiple determination of the analytes takes place.