DE10123803C1 - Elektrochemische Messzelle - Google Patents

Abstract

Zur einfachen und kostengünstigen Herstellung einer elektrochemischen Meßzelle (2) für elektrochemische oder biosensorische Messungen an Analyten wird vorgeschlagen, in einem Substrat (3) Vertiefungen für eine Meßkammer (5), eine Meßöffnung (6) und ein den stofferkennenden Bestandteil (7) enthaltendes Containment (4) anzubringen und mit einem Abdeckelement (11) abzudecken, wobei die von den Vertiefungen gebildeten Hohlräume auf ihrer von dem Abdeckelement (11) abgewandten Seite von dem Material des Substrats (3) umschlossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Durchfluß­ meßzelle zum Durchführen einer elektrochemischen oder biosensorischen Messung an einem Analyten. Eine solche Messung kann beispielsweise das Erfassen, d. h. das qua­ litative und/oder quantitative Bestimmen eines analyti­ schen Parameters des Analyten, z. B. der Konzentration eines chemischen oder biochemischen Bestandteils des Ana­ lyten sein.

Elektrochemische Meßzellen umfassen eine Meßkammer, in die ein zu analysierender Analyt eingebracht werden kann. Die Meßkammer dient als Reservoir für den zu analysie­ renden Analyten. In manchen Fällen wird der Analyt für eine diskontinuierliche oder eine einmal durchzuführende Messung in die Meßkammer eingebracht (sogenannte "Spotmessung"). Der Analyt kann der Meßkammer aber auch durch Transport in einem Transportkanal zugeführt werden. Im letzten Fall wird die Meßkammer als Durchflußkammer oder Durchflußmeßkammer bezeichnet, da der Analyt durch die Meßkammer hindurchgeleitet wird. Erfolgt das Zuführen des Analyten zu der Meßkammer bzw. Durchflußkammer in kontinuierlicher Weise ist mit einer solchen Durchflußmeßzelle die kontinuierliche Erfassung von analyti­ schen Parametern möglich. Die Durchflußkammer wird oft auch als Kanal oder Mikrokanalsystem bezeichnet.

Ferner umfassen derartige Meßzellen ein Containment, das auch als eigentliche Meßzelle bezeichnet wird. Es ist mit einem stofferkennenden Bestandteil, z. B. einem Enzym oder einem Ionophor, zum Bestimmen eines analytischen Parame­ ters des Analyten befüllbar und steht mit der Meßkammer in Verbindung. Derartige stofferkennende Bestandteile werden gelegentlich auch als Membranmaterial bezeichnet, wenn sie membrangebunden sind.

Miniaturisierte Meßzellen mit integrierten Chemo- und/ oder Biosensorelementen sind bekannt. Sie umfassen ionen­ selektive Elektroden, die eine elektroaktive Substanz (Ionophor) enthalten, welche die Ionenselektivität des Sensorelements bestimmt. Die elektroaktive Substanz, d. h. der stofferkennende Bestandteil, ist oft gebunden in Form einer Membran oder eines Gels.

Die Einsatzbereiche elektrochemischer Meßzellen sind sehr vielfältig. Bekannte Beispiele sind die Integration in Durchflußsysteme, beispielsweise die Fließinjektionsana­ lyse, und Mikrodialysesysteme zur Bestimmung der Glukose­ konzentration in menschlichem Gewebe.

Aus dem Dokument WO 92/21020 ist eine elektrochemische Meßzelle bekannt, die in Siliziumtechnologie nach dem Containment-Prinzip hergestellt ist und mit entsprechend dotierten Polymermembranen und Gelschichten zur Stoffer­ kennung arbeitet. Hierbei werden die Polymermembranen und Gelschichten nicht als dünne Schicht auf der Oberfläche von Siliziumchips aufgebracht, sondern als "Bulk"-Volumen im Chip realisiert. Dies hat gegenüber planaren Strukturen erhebliche Vorteile hinsichtlich einer einfachen Her­ stellung und einer hohen Langzeitstabilität. Derartige Sensoren in Siliziumtechnologie lassen sich auch in vor­ gefertigte Meßzellen einbauen.

Der aus der WO 92/21020 bekannte miniaturisierte Chemo- und Biosensor besteht aus einem Substrat, das als plat­ tenförmiger Träger ausgebildet ist, in dem ein Contain­ ment eingebracht ist. Es besitzt auf beiden Seiten des Trägers je eine Öffnung, wobei sich das Containment von der einen Seite des Trägers zur anderen verjüngt. Der Analyt fließt unmittelbar an der kleineren Öffnung des Containments vorbei.

Das Dokument WO 00/62931 A1 bezieht sich auf eine Meß­ zelle für Spotmessungen. Bei dieser wird der Analyt mit einem Reagenz gemischt und in das Containment überführt, in dem eine elektrochemische Messung stattfindet. Der Analyt wird also vollständig in das Containment überführt bzw. das Containment vollständig mit dem Analyten gefüllt. Dabei findet ein vollständiges "Ausbluten" der Meßzelle statt. Eine solche Meßzelle kann daher entweder nur einmal für eine Einzelmessung verwendet werden oder muß aufwendig regeneriert werden.

Das Regenerieren erfordert eine Vielzahl von Prozeß­ schritten, nämlich das Spülen mit Spüllösungen, das Applizieren von neuen Reagenzlösungen, eine Kalibration der Meßzelle und einen zusätzlichen apparativen Aufwand an Ventilen, Pumpen, Kanalsystemen usw., um das Regene­ rieren mit verschiedenen Flüssigkeiten durchzuführen. Insgesamt ist eine solche Regenerierung volumen-, zeit- und kostenaufwendig und führt im Ergebnis nicht dazu, daß eine kontinuierliche Messung des analysierten Analyten durchführbar ist.

Das Dokument WO 99/45382 A1 bezieht sich auf einen weit entfernten Stand der Technik. Es richtet sich nicht auf eine elektrochemische Meßzelle, sondern auf Urinanalyse- Teststreifen, die zur optischen Detektion von partiku­ lären Bestandteilen in eine Vorrichtung eingelegt werden. Mit einer solchen ist keine kontinuierliche Messung mög­ lich, sondern nur eine Einmal-Messung.

Aus dem Dokument EP 0750744 B1 ist eine elektrochemische Durchlußmeßzelle bekannt, die nach dem Containmentprinzip arbeitet und bei der die Durchflußkammer mit dem Contain­ ment auf einen Chip integriert ist. Die Durchflußkammer steht über eine kleine Meßöffnung in dem Containment mit dem Containment in Verbindung. Durch die Meßöffnung steht der Analyt in Verbindung mit der aktiven Sensoroberflä­ che, die ganz oder teilweise von den Elektroden an den Wänden des Containments gebildet wird. Das Containment ist auch bei dieser Ausführungsform das Substrat voll­ ständig durchdringend ausgebildet; das als plattenförmi­ ger Träger ausgebildete Substrat weist auf gegenüberlie­ genden Seiten unterschiedlich große Öffnungen auf, zwi­ schen denen sich das Containment erstreckt.

Bei der bekannten Ausführungsform wird die kleinere Öff­ nung des Containment von einer Platte abgedeckt. Die Durchflußkammer ist in dem das Containment enthaltenden Substrat, in der Abdeckplatte oder in beiden ausgebildet und der Analyt fließt unmittelbar über der kleineren Öff­ nung des Containments vorbei. Auf der der Meßöffnung gegenüberliegenden Seite mit der großen Öffnung ist die gefüllte Containmentstruktur mit einer Verkapselungs­ schicht abgedeckt.

Meßzellen, die ein Substrat, in dem auf strukturierten Flächen Vertiefungen für die Meßkammer, für das Contain­ ment und für eine die Meßkammer mit dem Containment ver­ bindende Meßöffnung ausgebildet sind, und ein Abdeckele­ ment umfassen, das auf der strukturierten Substratfläche mit dem Substrat verbunden ist und die Vertiefungen der Meßkammer des Containment und der Meßöffnung abdeckt, sollen verschiedenen Anforderungen genügen. Hierzu rech­ nen bei ionenselektiven Sensorelementen, die beispiels­ weise mit Flüssigmembranen oder mit anderen Membranen bzw. elektrochemisch oder biochemisch relevanten Sensor­ elementbeschichtungen, die beispielsweise aus flüssiger Phase hergestellt werden oder mit Festkörpermembranen ausgestattet sind, folgende Eigenschaften: eine gute und langzeitstabile Membranhaftung, eine minimale Verarmung an Ionophoren oder sonstigen stofferkennenden Reagenzien (Enzymen) und Hilfsreagenzien in der Membran, eine opti­ male Bedingung für die Kontaktierung und Verkapselung und vor allem auch eine kostengünstige und einfache Herstel­ lung der Meßzelle. Weiterhin ist es wünschenswert, die Geometrie des Containment in einfacher Weise den Anforde­ rungen entsprechend gestalten zu können.

Diese Anforderungen werden von den bekannten Meßzellen nur eingeschränkt gelöst. Die Anforderung hinsichtlich der minimalen Ionophorverarmung durch Realisierung eines niedrigen Verhältnisses von aktiver Membranoberfläche zu Membranvolumen, das einen Depoteffekt und somit eine Minimierung der Ionophorverarmung in der Membran zur Folge hat, wird relativ gut gelöst. Allerdings erfordert die mikromechanische Verankerung der Membran nach dem Stand der Technik einen V-förmig ausgebildeten Graben in einem Substrat, der zusätzlich durch eine Abdeckschicht abgedeckt werden muß. Dadurch wird der Gestaltungsfrei­ heit betreffend die geometrische Form des Containment eine für praktische Zwecke bedeutsame Beschränkung aufer­ legt.

Ein wesentlicher Nachteil der Meßzellen nach dem Stand der Technik besteht ferner darin, daß die bekannten Ver­ fahren insbesondere beim Einsatz von kostengünstigen Kunststoffsubstraten einen relativ hohen Fertigungsauf­ wand erfordern und die Möglichkeiten der Mikrostrukturie­ rung nicht optimal ausnutzen können. Die bekannten Ver­ fahren erfordern entweder eine getrennte Strukturierung von Vorder- und Rückseite einer Substratplatte mit den damit verbundenen technischen Problemen, z. B. durch den erforderlichen Schutz der bereits strukturierten Seite, was insbesondere bei Ätzverfahren nicht einfach ist, und durch die begrenzte Genauigkeit der gegenseitigen Aus­ richtung der Strukturen auf der Vorderseite gegenüber der Rückseite. In anderen Fällen ist eine getrennte Struktu­ rierung von zwei unterschiedlichen Schichten erforder­ lich, die dann hochgenau zusammengefügt werden müssen, was im Hinblick auf die geringen Abmessungen der funkti­ onsrelevanten Komponenten erhebliche Positionierungsan­ forderungen stellt.

Sofern Kunststoffstrukturen realisiert werden sollen, kommt nach dem Stand der Technik, z. B. ein Spritzgußver­ fahren in Frage, was aufgrund des Schrumpfens des Mate­ rials nach dem Gießprozeß zu problematischen Formverände­ rungen führt, die sich auf alle geometrisch hochpräzise auszuführenden weiteren Bearbeitungsschritte (z. B. Auf­ dampfen von Metallelektroden durch eine Maske) negativ auswirkt. Die Herstellung von kleinen Meßöffnungen in Silizium durch beidseitiges Ätzen ist ebenfalls problema­ tisch, da die Größe der Öffnung kritisch durch die Ätz­ zeit beeinflußt wird, die jedoch nur schwierig sehr genau eingehalten werden kann.

Der Erfindung liegt unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, elektrochemische Durchflußmeßzellen zu schaffen, die einfach, kostengün­ stig und unter Vermeidung erheblicher Justageprobleme in geometrisch mannigfaltiger Form des Containments hochprä­ zise hergestellt werden können, eine kontinuierliche Messung ermöglichen und bei denen die Reagenzien aus dem Membranmaterial nicht schnell "ausbluten".

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektroche­ mische Durchflußmeßzelle mit den Merkmalen des beigefüg­ ten Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 17.

Eine erfindungsgemäße elektrochemische Durchflußmeßzelle zum Durchführen einer elektrochemischen oder biosensori­ schen Messung an einem Analyten umfaßt also eine mit dem Analyten befüllbare Meßkammer, die als Durchflußmeßkammer ausgebildet ist, und ein mit der Meßkammer in Verbindung stehendes Containment, das mit einem stofferkennenden Bestandteil zum Bestimmen eines analytischen Parameters des Analyten befüllbar ist. Dabei umfaßt die Meßzelle ein Substrat, in dem auf einer strukturierten Substratfläche Vertiefungen für die Meßkammer, für das Containment und für eine die Meßkammer mit den Containment verbindende Meßöffnung ausgebildet sind, und ein Abdeckelement, das auf der strukturierten Substratfläche mit dem Substrat verbunden ist und die Vertiefungen der Meßkammer, des Containment und der Meßöffnung abdeckt.

Eine erfindungsgemäße elektrochemische Durchflußmeßzelle weist die Besonderheit auf, daß die Vertiefungen, welche die Meßkammer, das Containment und die Meßöffnung bilden, auf der strukturierten Substratfläche ausgebildet sind und das Substrat nicht in Richtung seiner Dicke durchdringen, so daß die von den Vertiefungen gebildeten Hohlräume auf ihrer von dem Abdeckelement abgewandten Seite von dem Material des Substrats umschlossen werden, und die Querschnittsfläche der die Meßkammer mit dem Con­ tainment verbindenden Meßöffnung in dem Substrat als Ver­ engung ausgebildet ist, so daß das Verarmen des stoffer­ kennenden Bestandteils aus dem Containment beim Fließen des Analyten durch die Durchflußmeßkammer reduziert ist.

Eine erfindungsgemäße elektrochemische Durchflußmeßzelle hat den unter dem Gesichtspunkt der Fertigungskosten und der Fertigungsgenauigkeit bedeutsamen Vorteil, daß das Containment und die Meßkammer in einem einzigen Arbeits­ gang auf der selben Substratseite hergestellt werden können. Dadurch wird die Herstellung wesentlich erleich­ tert und das Problem der Justierung von Meßkammer zur Meßöffnung des Containment gelöst, da sämtliche für die Funktion der Meßzelle wesentlichen Vertiefungen entweder in einem Arbeitsgang gemeinsam und parallel hergestellt werden oder im Falle einer spanenden Mikrofertigung oder der Laserablation in einem sequentiellen Vorgang auf derselben Substratseite erzeugt werden können.

Dabei ist das Erzeugen einer geometrisch wohl definierten Verbindung des Containment zur Meßkammer sehr einfach und mit hoher Präzision möglich. Der geometrischen Gestaltung der Form des Containment und der Meßöffnung sind kaum Grenzen gesetzt, so daß diese Parameter den Erfordernis­ sen des Detektionssystems, beispielsweise unter Berück­ sichtigung der Signalantwortfunktion oder Signalintensi­ tät angepaßt werden. Es können Kunststoffsubstrate ver­ wendet werden, die mit Laserablationsstrukturierung bear­ beitet werden können, wodurch das Problem des Schrumpfens beim Abkühlen reduziert ist. Dies ermöglicht das anschließende Aufbringen von Metallschichten mit hoher Genauigkeit mit Maskenverfahren zur Realisierung der erforderlichen Zu- und Ableitungen. Der stofferkennende Bestandteil ist in dem Containment mechanisch verankert.

Die beschriebene Containment-Meßzelle stellt im elektro­ chemischen Sinne eine sogenannte Halbzelle dar, die zur Realisierung einer meßfähigen Einheit mit mindestens einer weiteren elektrochemischen Halbzelle über einen Ionenleiter (z. B. die Analytlösung selbst, eine Elektro­ lytbrücke oder einen Festkörperionenleiter) verbunden wird. Im Stand der Technik ist es bekannt, daß zur Ver­ besserung der Funktionalität, insbesondere bei amperome­ trischen Messungen, die Verwendung einer weiteren, übli­ cherweise als Referenzelektrode bezeichneten Halbzelle erforderlich sein kann. Eine weitere Halbzelle kann bei­ spielsweise unter Verwendung des gleichen Fertigungsver­ fahrens als Containment-Zelle hergestellt werden. Ferner ist die Herstellung dieser Halbzelle durch eine Vielzahl nach dem Stand der Technik bekannter Verfahren möglich, wie beispielsweise durch Sputtern, Bedampfen, und/oder Galvanisieren von Substratoberflächen oder auch durch Einbringen von massiven Metallelektroden in Form von Drähten, Blechen oder ähnlichem.

Bei der erfindungsgemäßen Meßzelle sind das Containment und die Meßkammer auf einem gemeinsamen Substrat reali­ siert, womit eine monolithische Integration von Chemo- und Biosensoren in Mikrosysteme ermöglicht wird. Hierbei können die bekannten Vorteile der Mikrostrukturtechnik hinsichtlich der Massenproduktion, der Zuverlässigkeit und der Miniaturisierung genutzt werden. Erfindungsgemäße elektrochemische Meßzellen können einzeln oder vorzugs­ weise auch in einer großen Anzahl auf einem Substrat hergestellt werden, wobei in letzterem Fall die Meßzellen nach ihrer Herstellung vereinzelt werden können. Ferner kann eine erfindungsgemäße Meßzelle Bestandteil eines mikrofluidischen Systems sein, das auch andere Systemkom­ ponenten wie Pumpen, Reaktionsstrecken oder Ventile, die beispielsweise mit bekannten Mikrostrukturtechnologien hergestellt sein können, enthalten kann.

Nach einem erfindungsgemäßen Merkmal ist vorgesehen, daß die Meßkammer als Durchflußkammer ausgebildet ist, durch die der Analyt hindurchgeleitet werden kann. Die Meßzelle wird daher als Durchflußmeßzelle bezeichnet.

Die Meßzellen können vorteilhafterweise linear oder in einem Array angeordnet werden. Das erfindungsgemäße Fer­ tigungsverfahren erlaubt auf einfache Weise, Multi-Con­ tainment-Arrays herzustellen, bei denen mehr als eine Containment-Meßzelle in linearen oder zweidimensionalen Konfigurationen auf der strukturierten Seite des Sub­ stratmaterials angeordnet sind. Diese Arrays ermöglichen dann die Bestimmung von N analytischen Parametern aus M Analyten, wobei N und M ganze Zahlen größer gleich 1 dar­ stellen. Ein Beispiel hierfür wäre die lineare Anordnung von Containments an einem Durchflußkanal, der mehrere individuelle Durchflußmeßkammern beinhaltet, zur Bestim­ mung von mehreren analytischen Parametern aus einem Ana­ lyten oder auch zur redundanten Erfassung eines analyti­ schen Parameters mit mehreren identischen Meßzellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dar­ gestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf die strukturierte Substrat­ fläche einer ersten erfindungsgemäßen Meßzelle,

Fig. 2 einen Schnitt A-A' zu Fig. 1 mit aufgesetztem Abdeckelement,

Fig. 3 einen Schnitt B-B' zu Fig. 1 mit aufgesetztem Abdeckelement,

Fig. 4 eine Aufsicht auf die strukturierte Substrat­ fläche einer zweiten erfindungsgemäßen Meßzelle und

Fig. 5 einen Schnitt A-A' zu Fig. 4 mit aufgesetztem Abdeckelement.

Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf die strukturierte Sub­ stratfläche 1 einer erfindungsgemäßen Meßzelle 2. In das Substrat 3 sind Vertiefungen für eine Containment 4, eine Meßkammer 5 und eine das Containment 4 mit der Meßkammer 5 verbindende Meßöffnung 6 eingebracht.

Die Meßkammer 5 ist als kanalförmige Durchflußmeßkammer ausgebildet und wird von einem zu analysierenden Analyten in der durch die Pfeile dargestellten Strömungsrichtung durchflossen. Die Meßzelle 2 ist in diesem Beispiel also eine Durchflußmeßzelle, mit der eine kontinuierliche Erfassung eine analytischen Parameters des durch die Meß­ kammer 5 der Meßzelle 2 zugeführten Analyten möglich ist.

Das Containment 4 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf und ist mit einem auch als Membranmaterial bezeichne­ ten stofferkennenden Bestandteil 7 gefüllt. Mit einer solchen Meßzelle 2 lassen sich beispielsweise Stoffe wie Glucose, Penizillin, Harnstoff usw. in einem Analyten bestimmen. Damit der Analyt in der Meßkammer 5 in Kontakt mit dem in dem Containment 4 enthaltenen stofferkennenden Bestandteil 7 treten kann, ist die Meßkammer 5 über eine Meßöffnung 6 mit dem Containment 4 verbunden. Dabei ist die Querschnittsfläche der die Meßkammer 5 mit dem Con­ tainment 4 verbindenden Meßöffnung 6 in dem Substrat 3 als Verengung des Containment 4 ausgebildet. Dies führt zu einer Reduzierung des Ausblutens von Reagenzien aus dem Membranmaterial, was nicht nur den Verlust der elek­ trochemischen Eigenschaften, sondern wegen der Abgabe von Stoffen in den Analyten unter Umständen auch eine Ein­ schränkung der Biokompatibilität beim Einsatz im medizi­ nischen Bereich zur Folge hat.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind in der die Meßkammer 5 mit dem Containment 4 verbindenden Meßöffnung 6 ein oder mehrere pfostenartige Stege 8 zwi­ schen dem Substrat 3 und dem die Vertiefungen abdecken­ den, in Fig. 1 nicht dargestellten Abdeckelement ausge­ bildet. Diese Stege 8 können zur mechanischen Stabilisie­ rung der Anordnung, als Hilfsmittel beim Befüllen des Containments oder zur weiteren Verengung der Meßöffnung 6 dienen.

Die Vertiefungen in dem Substrat 3 werden vorzugsweise mittels eines mikromechanischen Herstellungsverfahrens gefertigt. Hierfür kommen, je nach Material des Substrats 3, beispielsweise photolitographische Prozesse, Laser­ ablation, Heißprägen, Spritzgießen oder eine spanende mechanische Mikrofertigung wie z. B. Mikrofräsen in Betracht. Besondere Vorteile werden erzielt, wenn die Vertiefungen für die Meßkammer 5, die Meßöffnung 6 und das Containment 4 in einem gemeinsamen Arbeitsgang in dem Substrat 3 gefertigt werden, bei dem keine Justierarbei­ ten zwischen den Arbeitsgängen erforderlich sind.

Für das Substrat 3 kommen nahezu beliebige Materialien in Betracht. Hierzu rechnen nicht nur die im Stand der Tech­ nik verwendeten Halbleitersubstrate, beispielsweise Sili­ zium, sondern auch andere Stoffe wie Glas, photostruktu­ rierbares Glas, Keramik, Kunststoffe oder andere geeig­ nete Materialien. Bevorzugt besteht das Substrat 3 aus einem Kunststoff, beispielsweise aus PMMA oder PC, die eine kostengünstige Herstellung ermöglichen.

In Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Meßkammer 5, die im Ausführungsbeispiel kanalförmig ausgebildet ist, auf der strukturierten Substratfläche 1 neben dem Containment 4 angeordnet ist und die Meßkammer 5 über die eine Verbin­ dung in Richtung der strukturierten Substratfläche 1 her­ stellende Meßöffnung 6 mit dem Containment 4 verbunden ist. Diese Ausbildung hat besondere Vorteile für die Her­ stellung der Meßzelle 2, da die erforderlichen Vertiefun­ gen hochgenau und in einem Arbeitsgang hergestellt werden können und mit einem Abdeckelement, das nicht struktu­ riert sein muß, ohne hohen Montageaufwand zur Bildung der Hohlräume für das Containment 4, die Meßöffnung 6 und die Meßkammer 5 abgedeckt werden können.

Der stofferkennende Bestandteil 7 kann jedes nach dem Stand der Technik bekannte Material zur Durchführung einer elektrochemischen oder chemo-/biosensorischen Mes­ sung sein. Für potentiometrische und insbesondere ampero­ metrische Biosensoren lassen sich alle Immobilisierungs­ materialien einsetzen. Beispiele hierfür sind Gelatine, Kollagen, Alginate, Agar, Zellulose, Triacetat, Silikon­ gummi, Polyvenylalkohol, Polyurethan und HEMA. Photover­ netzbare Materialien können nach dem Einfüllen durch UV- Bestrahlung vernetzt werden. In diese Materialien werden die aktiven stofferkennenden Komponenten wie beispielsWeise Enzyme oder Antikörper immobilisiert. Dies kann nach bekannten Verfahren erfolgen.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Kontaktierung des Membranmaterials durch elektrisch leitende Kontaktflächen 9, die auf dem Boden der Vertie­ fung des Containment 4 angebracht sind. Um möglichst große Meßsignale zu erzielen, sollte die Kontaktfläche 9, insbesondere bei einem amperometrischen Meßprinzip, mög­ lichst groß gewählt werden. Die Kontaktfläche 9 ist über eine elektrisch leitende Kontaktbahn 10 an die Meßelek­ tronik angeschlossen. Die Kontaktflächen 9 und die Kon­ taktbahnen 10 können beispielsweise durch Aufbringen dün­ ner metallischer Schichten, z. B. durch Verdampfen oder Sputtern, auf die strukturierte Substratfläche 1 und/oder das Abdeckelement aufgebracht werden. Die Dicke dieser Schichten beträgt typischerweise ca. 50 bis 100 nm. Erforderlichenfalls sind entsprechende Vertiefungen auf der strukturierten Substratfläche 1 bzw. dem Abdeckele­ ment vorzusehen.

Die elektrischen Kontaktschichten bestehen bevorzugt aus Edelmetallfilmen wie Platin, Gold oder Silber. Es können aber auch andere elektrische leitfähige Materialien wie Graphit oder Aluminium verwendet werden. Die elektrischen Kontaktschichten können beispielsweise durch bekannte Dünnschichttechnologien, Aufdampfen, Aufspattern, photo­ lithographisch strukturierte Filme, Aufdampfen oder Auf­ sputtern mit anschließendem Strukturieren, Aufdampfen oder Aufsputtern durch Schattenmasken oder nach dem Elek­ trospray-Verfahren aufgebracht werden.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt A-A' der Meßzelle 2 aus Fig. 1 mit einem aufgesetzten Abdeckelement 11. Das Abdeckelement 11 ist, ebenso wie das Substrat 3, bevorzugt plattenförmig ausgebildet. Es kann auf der Seite, die der strukturierten Substratfläche 1 gegenüberliegt, zur Bildung des Containment 4, der Meßkammer 5 oder der Meßöffnung 6 strukturiert sein. Bevorzugt ist das Abdec­ kelement 11 auf der dem Substrat 3 zugewandten Seite flach ausgebildet. Das Abdeckelement 11 besteht aus einem geeigneten Material, beispielsweise einem der oben für das Substrat 3 vorgeschlagenen Materialien.

Das Substrat 3 weist Vertiefungen für die Meßkammer 5, die Meßöffnung 6 und das Containment 4 auf. In dem darge­ stellten Beispiel sind diese Vertiefungen alle gleich tief. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich und kann mit geeigneten Mikrostrukturierungsverfahren auch anders gestaltet werden, beispielsweise um im Bereich der Meßöffnung 6 durch eine geringere Tiefe eine zusätzliche Querschnittsverengung zu realisieren. Die Vertiefungen, welche die Meßkammer 5, das Containment 4 und die Meßöff­ nung 6 bilden, sind auf der strukturierten Substratfläche 1 ausgebildet und Durchdringen das Substrat 3 nicht in Richtung seiner Dicke. Die von den Vertiefungen gebilde­ ten Hohlräume werden somit auf ihrer von dem Abdeckele­ ment 11 abgewandten Seite von dem Material des Substrats 3 umschlossen. Dadurch wird das Membranmaterial sicher in dem Containment 4 gehalten und die Herstellung der Meß­ zelle 2 ist einfach und hochgenau möglich.

In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel sind die Wände der Vertiefungen in etwa senkrecht zur strukturierten Substratfläche 1 ausgebildet. Der sich ergebende Flanken­ winkel hängt von dem verwendeten Herstellungsprozeß ab und beträgt vorzugsweise zwischen 85° und 95°. Er kann jedoch, ohne daß dies die Funktionsfähigkeit der Meßzelle 2 beeinträchtigt, auch über einen weiten Bereich frei geändert werden.

Das Abdeckelement 11 wird mit dem Substrat 3 verbunden, wodurch die Vertiefungen in dem Substrat 3 unter Bildung von Hohlräumen abgedeckt werden. Ein Abdeckelement 11 aus Kunststofffolie kann durch eine Reihe von bekannten Ver­ fahren wie z. B. thermisches Laminieren, Laserverschwei­ ßen, Kleben, Mikrowellen- oder Ultraschallschweißen mit dem Substrat 3 verbunden werden.

Das Einbringen des stofferkennenden Bestandteils 7 in das Containment 4 kann vor oder nach dem Aufbringen des Abdeckelements 11 auf das Substrat 3 erfolgen. Hierzu ist ggf. eine Befüllungsöffnung in dem Substrat 3 oder dem Abdeckelement 11 vorzusehen. Das Einbringen einer Poly­ mermembran, einer Flüssigmembran bzw. anderer relevanter Membranmaterialien (z. B. Hydrogel), die aus flüssiger Phase hergestellt werden, kann mit Hilfe einer automati­ schen Mikrodosiereinrichtung erfolgen. Hierbei wird die Membranflüssigkeit in das Containment 4 eingefüllt. Nach einer gewissen Zeit verflüchtigt sich das Lösungsmittel und es bildet sich die verfestigte ionenselektive Flüs­ sigmembran in dem Containment 4 aus. Bei Verwendung eines zusätzlichen Festelektrolyts kann dieser über der Membran als weitere Schicht in gleicher Weise aus der flüssigen Phase aufgebracht werden.

Bei Verwendung sehr kleiner Containments 4 oder bei Sub­ straten 3 mit sehr kleinen Abmessungen kann es vorteil­ haft sein, die Membranflüssigkeit auf indirektem Weg in das Containment 4 einzubringen. Hierbei wird auf dem Sub­ strat 3 oder dem Abdeckelement 11 eine zusätzliche Ver­ tiefung bzw. Einfüllkammer mit einem kapillaren Verbin­ dungskanal zum Containment 4 mit einem der Contain­ mentherstellung entsprechenden Verfahren erzeugt.

Es ist auch möglich, mit einer einzigen Einfüllkammer mehrere davon abzweigende kapillare Verbindungskanäle zu mehreren Containments 4 auf einen Substrat 3 zu füllen. Eine andere mögliche Befüllung des Containment 4 ist z. B. die Verwendung einer automatischen Dispensiervorrichtung nach dem Tintenstrahlprinzip.

Typische Abmessungen einer erfindungsgemäßen Meßzelle sind wie folgt: Dicke des Substrats ca. 10 µm bis 10 mm, Querabmessungen in Richtung der strukturierten Substrat­ fläche 3 ca. 1 mm bis 5 cm, Tiefe des Containment 4 ca. 10 µm bis 1 mm und Durchmesser des Containment 4 ca. 10 µm bis 10 mm.

Die Fig. 3 zeigt einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt B-B' zu Fig. 1.

Die Fig. 4 zeigt eine Meßzelle 2, die sich von der in Fig. 1 dargestellten Meßzelle durch eine andere Form des Containments 4 unterscheidet. Im Rahmen der Erfindung kann die Form des Containments 4 beliebig den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden; beispielsweise kann die Vertiefung des Containments 4 einen kreisförmigen, drei­ eckigen oder rechteckigen Querschnitt haben. Dabei können die Erfordernisse des Membranmaterials mit dem stoffer­ kennenden Bestandteil 7 und der Nachweistechnik, die Anforderungen hinsichtlich der Meßkammer 5 und insbeson­ dere die Anforderungen hinsichtlich einer eine Engstelle bildenden Meßöffnung 6 berücksichtigt werden. Das Con­ tainment 4 kann sich stetig oder unstetig, kanalförmig, abschnittsweise oder auf eine sonstige beliebige Art und Weise zu der Meßöffnung 6 hin verjüngen.

Die Fig. 5 zeigt einen Schnitt A-A' zu Fig. 4 mit aufge­ setztem Abdeckelement 11; sie entspricht insoweit der Fig. 3.

Bezugszeichenliste

1

strukturierte Substratfläche

2

Meßzelle

3

Substrat

4

Containment

5

Meßkammer

6

Meßöffnung

7

Stofferkennender Bestandteil

8

Steg

9

Kontaktfläche

10

Kontaktbahn

11

Abdeckelement

Claims (17)

1. Elektrochemische Durchflußmeßzelle (2) zum Durchfüh­ ren einer elektrochemischen oder biosensorischen Mes­ sung an einem Analyten, umfassend eine mit dem Analy­ ten befüllbare Meßkammer (5), die als Durchflußmeß­ kammer ausgebildet ist, und ein mit der Meßkammer (5) in Verbindung stehendes Containment (4), das mit einem stofferkennenden Bestandteil (7) zum Bestimmen eines analytischen Parameters des Analyten befüllbar ist,
wobei die Meßzelle (2) ein Substrat (3), in dem auf einer strukturierten Substratfläche (1) Vertiefungen für die Meßkammer (5), für das Containment (4) und für eine die Meßkammer (5) mit dem Containment (4) verbindende Meßöffnung (6) ausgebildet sind, und ein Abdeckelement (11) umfaßt, das auf der strukturierten Substratfläche (1) mit dem Substrat (3) verbunden ist und die Vertiefungen der Meßkammer (5), des Contain­ ment (4) und der Meßöffnung (6) abdeckt,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vertiefungen, welche die Meßkammer (5), das Con­ tainment (4) und die Meßöffnung (6) bilden, auf der strukturierten Substratfläche (1) ausgebildet sind und das Substrat (3) nicht in Richtung seiner Dicke durchdringen, so daß die von den Vertiefungen gebil­ deten Hohlräume auf ihrer von dem Abdeckelement (11) abgewandten Seite von dem Material des Substrats (3) umschlossen werden, und
die Querschnittsfläche der die Meßkammer (5) mit dem Containment (4) verbindenden Meßöffnung (6) in dem Substrat (3) als Verengung des Containment (4) ausge­ bildet ist, so daß das Verarmen des stofferkennenden Bestandteils (7) aus dem Containment (4) beim Fließen des Analyten durch die Durchflußmeßkammer reduziert ist.

2. Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (5) auf der strukturierten Substratflä­ che (1) neben dem Containment (4) angeordnet ist und die Meßkammer (5) über die eine Verbindung in Rich­ tung der strukturierten Substratfläche (1) herstel­ lende Meßöffnung (6) mit dem Containment (4) verbun­ den ist.

3. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakt­ bahnen (10) zum Kontaktieren des stofferkennenden Bestandteils (7) auf der strukturierten Substratflä­ che (1) und/oder dem Abdeckelement (11) angebracht sind.

4. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (3) und/oder das Abdeckelement (11) plattenförmig ausgebildet ist.

5. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement (11) zur Bildung des Containment (4), der Meßkammer (5) oder der Meßöffnung (6) strukturiert ist.

6. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement (11) auf der dem Substrat (3) zugewandten Seite flach aus­ gebildet ist.

7. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (3) ein Halbleitersubstrat ist.

8. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (3) aus einem Kunststoff, insbesondere aus PMMA oder PC besteht.

9. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen in dem Substrat (3) mittels eines mikromechanischen Herstel­ lungsverfahrens gefertigt sind, insbesondere mittels eines photolithographischen Prozesses, durch Laserablation, durch Heißprägen, durch Spritzgießen oder durch spannende mechanische Mikrofertigung wie Mikrofräsen.

10. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen für die Meßkammer (5), die Meßöffnung (6) und das Containment (4) in einem gemeinsamen Arbeitsgang in dem Substrat (3) gefertigt sind.

11. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (5) kanal­ förmig ausgebildet ist.

12. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen einen Flankenwinkel zwischen 85 und 95 Grad zu der struktu­ rierten Substratfläche (1) aufweisen.

13. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der die Meßkammer (5) mit dem Containment (4) verbindenden Meßöffnung (6) ein oder mehrere pfostenartige Stege (8) zwischen dem Substrat (3) und dem Abdeckelement (11) ausgebildet sind.

14. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung des Con­ tainment (4) einen kreisförmigen, dreieckigen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.

15. Elektrochemische oder biosensorische Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Meß­ zelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 enthält.

16. Mikrofluidisches System, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine Meßzelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 enthält.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie mehrere Meßzellen (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist, die linear oder in einem Array angeordnet sind.