DE102006038271A1

DE102006038271A1 - Sensorvorrichtung mit strukturierter Durchflusszelle

Info

Publication number: DE102006038271A1
Application number: DE200610038271
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Gründig; Robert Dipl.-Biochem. Hellmich; Heiko Dipl.-Ing. Wedig
Original assignee: SENSLAB GES ZUR ENTWICKLUNG UN; SENSLAB-GESELLSCHAFT ZUR ENTWICKLUNG und HERSTELLUNG BIOELEKTROCHEMISCHER SENSOREN MBH
Current assignee: SENSLAB GES ZUR ENTWICKLUNG UN; SENSLAB-GESELLSCHAFT ZUR ENTWICKLUNG und HERSTELLUNG BIOELEKTROCHEMISCHER SENSOREN MBH
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, umfassend einen Formkörper als Durchflusszelle und planar strukturierte Sensoren. Die planare, vorzugsweise platten- oder folienförmige, Durchflusszelle 1, die parallel zu einem planaren Sensor 2 angeordnet ist und mit diesem (gegebenenfalls mit einer weiteren form- oder stoffschlüssigen Verbindungsschicht 3) eine Messkammer 4 darstellt, bildet aufgrund von Strukturierungen in der zur Sensorseite befindlichen Oberfläche eine Ein- und Auslassöffnung. Diese sind in einer Ausführungsvariante der Erfindung als Einlass- und Auslasskanal 5a, 5b dargestellt und liegen in einer Ebene. Ein- und Auslass sind durch sich gabelnde Kanäle in elliptischer Form 6a, 6b miteinander verbunden. Die resultierende elliptische Fläche 7a, die durch diese Verbindungskanäle 6a, 6b begrenzt wird, ist unmittelbar gegenüber einer sensitiven Fläche des Sensors 2a angeordnet, so dass in der Messkammer ein kapillarer Spalt 8 zwischen der sensitiven Fläche des Sensors 2a und der elliptischen Fläche 7a ausgebildet ist. Die sensitive Fläche des Sensors 2a kann eine elektrochemische Elektrodenanordnung, eine optische Reflexions- oder Durchlichtschicht oder eine optisch- oder massensensitive Oberflächenschicht und gegebenenfalls mit einer chemisch oder biologisch analyterkennenden Komponente immobilisiert sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung umfassend einen Formkörper als Durchflusszelle und planar strukturierte Sensoren. Die planare, vorzugsweise platten- oder folienförmige, Durchflusszelle 1, die parallel zu einem planaren Sensor 2 angeordnet ist und mit diesem (gegebenenfalls mit einer weiteren form- oder stoffschlüssigen Verbindungsschicht 3) eine Messkammer 4 darstellt, bildet aufgrund von Strukturierungen in der zur Sensorseite befindlichen Oberfläche eine Ein- und Auslassöffnung. Diese sind in einer Ausführungsvariante der Erfindung als Einlass- und Auslasskanal 5a, 5b dargestellt und liegen in einer Ebene. Ein- und Auslass sind durch sich gabelnde Kanäle in elliptischer Form 6a, 6b miteinander verbunden. Die resultierende elliptische Fläche 7a, die durch diese Verbindungskanäle 6a, 6b begrenzt wird, ist unmittelbar gegenüber einer sensitiven Fläche des Sensors 2a angeordnet, so dass in der Messkammer ein kapillarer Spalt 8 zwischen der sensitiven Fläche des Sensors 2a und der elliptischen Fläche 7a ausgebildet ist. Die sensitive Fläche des Sensors 2a kann eine elektrochemische Elektrodenanordnung, eine optische Reflexions-, oder Durchlichtschicht oder eine optisch- oder massensitive Oberflächenschicht und gegebenenfalls mit einer chemisch oder biologisch analyterkennenden Komponente immobilisiert sein.
Die Sensorvorrichtung mit der erfindungsgemäß strukturierten Durchflusszelle ist für die kontinuierliche und semikontinuierliche Ausmessung von Substanzen in wässrigen Medien aus der Biotechnologie der Medizin, Medizintechnik, Pharmazie und chemischen Industrie geeignet. Sie ist insbesondere geeignet, um wässrige Probevolumina mit sehr kleinem Volumenstrom über eine planare Sensoroberfläche zu leiten, ohne dass Luftbläschen, die im Volumenstrom enthalten sind oder innerhalb der Fluidikanordnung gebildet werden, einen störenden Einfluss auf die Messsignalbildung ausüben.
Planar strukturierte Sensoren finden zunehmend Anwendungen bei miniaturisierten on-line-Messsystemen zur Bestimmung von prozessrelevanten Größen in der Biotechnologie, in der Lebensmittelindustrie, in der Umwelttechnik und vor allem in der klinischen Diagnostik. Dazu muss der wässrige Probestrom kontinuierlich über bzw. auf die sensitive Fläche eines Sensors geleitet werden. Eine Reihe von Anwendungen erlauben nur geringste Probevolumina, so dass der kontinuierliche Volumenstrom unter einem Mikroliter pro Minute betragen kann.
Beispielsweise stehen Probemedien wie Blut oder interstitielle Flüssigkeit aus physiologischen Gründen oder Zellkulturmedien aus ökonomischen Gründen nur in vergleichsweise geringen Mengen für Monitoringzwecke zur Verfügung.
Auf Grund gegebener Fluidikanordnungen finden in der Regel Entgasungserscheinungen innerhalb des Messmediums statt, denen durch entsprechende Entgasungsvorrichtungen nur teilweise begegnet werden kann. Bei geringen Strömungsraten werden Gasblasen nicht mehr aktiv durch die Strömung des Mediums ausgetragen, was zur Bildung und Ansammlung makroskopischer Luftbläschen innerhalb der Messzelle und damit auch im sensitiven Bereich des Sensors führt. Diese Luftbläschen verursachen Verdrängungseffekte bzw. eine Diffusions- und Strömungsbarriere für den Analyten und führen bei (quasi-)kontinuierlichen Messungen zu schlecht reproduzierbaren Ergebnissen.
Es sind eine Reihe von technischen Lösungen zu Durchflusszellen für planar strukturierte Sensoren bekannt.
Die Verwendung eines zylindrischen Messzellinnenraumes über der Sensoroberfläche wird in einer technischen Lösung (M. J. Tierney, H. L. Kim, M. D. Burns, J. A. Tamada, R. O. Potts (2000) Electroanalysis of Glucose in Transcutaneously Extracted Samples. Electroanalysis 12, Issue 9, 666–67 1) zur kontinuierlichen Bestimmung von Glucose in transdermaler Flüssigkeit beschrieben. Der Einlasskanal ist zentrisch gegenüber der Elektrodenanordnung des planaren Sensors und der Auslasskanal seitlich angeordnet. Bei geringem Volumenstrom ist die Einstellzeit aufgrund des großen Zellvolumens von 72 μl relativ lang und es besteht die Gefahr, dass auftretende Luftbläschen nicht sicher aus der Messzelle entfernbar sind.
In einer anderen bekannten Lösung ( AT 403 962 ) ist eine Zellgeometrie realisiert worden, in welcher die planaren Elektroden Bestandteil einer im Querschnitt halbkreisförmigen Kanalstruktur sind. Die Struktur ergibt sich durch eine Kassette, in der die Basisplatte, auf der die Elektroden aufgedruckt sind, formschlüssig in die den Durchflusskanal enthaltende Deckplatte einrastet. Der Einsatz der Messzelle erfolgt in einem Analysensystem mit relativ hohem Volumenstrom von Trägerpuffer bzw. Probemedium.
Eine weitere technische Lösung (Trajanoski Z, Wach P, Gfrerer R, Jobst G, Urban G, Kotanko P, Skrabal F (1996) Portable device for continuous fractionated blond sampling and continuous ex vivo blond glucose monitoring. Biosens Bioelectron 11, 479–487) beinhaltet eine Durchflusszelle für eine kontinuierliche Vermessung von verdünntem Vollblut mit einem vergleichsweise geringen Volumenstrom. Ein- und Auslassöffnung sind senkrecht zur Messkammer angeordnet, die im Querschnitt rechteckig ist. Eine Wandung bildet dabei der Sensor.
Schließlich ist eine Lösungsvariante ( DE 44 08 352 A1 ) bekannt, bei der die Messkammer als eine durchgehend plane, im Querschnitt rechteckige Kanalstruktur beschrieben ist. Eine der beiden großflächigen Wandungen wird durch die Sensoroberfläche mit symmetrisch angeordneter sensitiver Fläche des Sensors gebildet.
Eine Möglichkeit, plane Flächen als Kanalstrukturen zu vermeiden ohne auf den Einsatz von planaren Sensoroberflächen zu verzichten, besteht in der vertikalen Durchströmung des planaren Sensors ( DE 198 01 344 A1 ). Ein- und Auslasskanal befinden sich auf unterschiedlichen Seiten des Sensors. Der Flüssigkeitsstrom wird durch einen oder mehrere relativ kleine Kanäle, die vertikal durch den planaren Sensor in unmittelbarer Nähe der sensitiven Fläche des Sensors angeordnet sind, hindurch geführt. Auch hier besteht, bedingt durch Strömungsänderungen speziell im Bereich der relativ kleinen Durchtrittsstellen durch den Sensor, die Gefahr, dass sich das Druckgefüge des Fluides ändert, was die Entstehung von Gasblasen verursachen kann. Reichern sich makroskopische Gasblasen in diesen Kanälen an, ist ein Abtrieb bei geringem Volumenstrom nur schwer möglich.
Durchflusszellen, die so konzipiert sind, dass die Probeflüssigkeit in einem Kanal mit rechteckigem Querschnitt über die sensitive Fläche eines planar strukturierten Sensors geleitet wird, sind erfahrungsgemäß anfällig gegen die Bildung von Luftbläschen.
Lokal ungünstige Strömungsprofile an Übergangsstellen, fertigungsbedingte Rauhigkeiten der Messzellenwandungen, oder Unebenheiten auf der Indikationsfläche des Sensors und an der umrandenden Dichtung bzw. der Verbindung zwischen Messkammer und Sensor können zu diesem negativen Effekt beitragen. Die genannten Rauhigkeiten bzw. Unebenheiten führen zur Erzeugung von Turbulenzen im Medium, die einerseits Entgasungserscheinungen verursachen und andererseits ein irreversibles Festsetzen von Gasblasen im Messzelleninnenraum zur Folge haben können.
Eine weitere Messzelle zu kontinuierlichen bzw. (quasi-)koninuierlichen extrakorporalen Quantifizierung von Blutparametern wird in der Patentanmeldung EP 0 809 966 A1 vorgestellt. Die Messkammer selbst weist einen rechteckigen Durchflussquerschnitt auf und ist mit einem Dichtungsring direkt über dem Messfenster eines planaren Sensors angeordnet. Zusätzlich sind dazu Drucksensoren in die Kammer eingebaut. Dieser Drucksensoren sollen den Blutdruck erfassen. Sollten Luftblasen in den Messkammerinnenraum gelangen, wären sowohl die Messergebnisse der elektrochemischen wie auch die der Druckmessung fehlerbehaftet.
Die technische Lösung WO 02/09153 beschreibt eine mikrofluidische Anordnung, wobei der Fluidstrom seitlich des Hauptkanals an einer taschenförmigen Vertiefung vorbei geleitet wird. In der Vertiefung liegt die stoffdetektierende Substanz als Containment immobilisiert vor. Der fluidtransportierende Hauptkanal, die Messkammer und die relativ enge Verbindung zwischen diesen mikrofluidischen Bausteinen befinden sich in einer geometrischen Ebene und sind im Querschnitt rechteckig. Unter der Containmenttasche ist eine planare Elektrode angeordnet. Sollte eine Gasblase in diese Vertiefung hineingeraten, ist es bei den in Mikrofluidikanordnungen üblichen geringen Probeströmen unwahrscheinlich, dass sich die Luftblase aus der Vertiefung zu entfernen kann, so dass die Messung störend beeinflusst wird.
In der Patentanmeldung DE 102 47 020 A1 wird eine Messzelle für optische Messungen beschrieben, bei der zwei parallele Platten mit senkrecht zur Fließebene eingebohrten Ein- und Auslass durch eine dünne Trennschicht separiert sind. Diese Trennschicht kann durch verschiedene Technologien, z.B. Siebdruck, Lithographie, Sputtern oder Aufdampfen, hergestellt werden. Dadurch entsteht ein relativ flacher und großflächiger Spalt zwischen Ein- und Auslass, der im Querschnitt eine rechteckige Geometrie aufweist. Luftblasen müssen in jedem Fall das Messfenster passieren und sich unter Umständen zwischen diesen planparallelen Flächen anlagern oder auch anreichern.
DE 197 01 798 C2 beschreibt eine elektrochemische Messzelle mit ähnlichem Aufbau. Die Trennschicht ist in dem Fall ein Abstandshalter, der durch Dickschichttechnik das Innenvolumen des Fliessweges durch eine flächenhafte Aussparung bildet. Auch hier könnten sich Luftblasen, wie für die vorangegangene technische Lösung beschrieben, störend auf die Messung auswirken.
Durchflusszellen, die so konzipiert sind, dass die Probeflüssigkeit in einem Kanal mit rechteckigem Querschnitt über die sensitive Fläche eines planar strukturierten Sensors geleitet wird, sind erfahrungsgemäß anfällig gegen die Bildung von Luftbläschen.
Lokal ungünstige Strömungsprofile an Übergangsstellen, fertigungsbedingte Rauhigkeiten der Messzellenwandungen, oder Unebenheiten auf der Indikationsfläche des Sensors und an der umrandenden Dichtung bzw. der Verbindung zwischen Messkammer und Sensor können zu diesem negativen Effekt beitragen. Die genannten Rauhigkeiten bzw. Unebenheiten führen zur Erzeugung von Turbulenzen im Medium, die einerseits Entgasungserscheinungen verursachen und andererseits ein irreversibles Festsetzen von Gasblasen im Messzelleninnenraum zur Folge haben können.
Bei den meisten vorgestellten technischen Lösungen wird durch geeignete geometrische Auslegungen versucht, das Auftreten von Luftbläschen in der Messzelle zu verhindern. In der Praxis ist es aber nur unter größtem Aufwand möglich, ein geschlossenes oder offenes (mikro-)fluidisches System überhaupt luft- bzw. gasblasenfrei zu befüllen. Gelangen Luftbläschen innerhalb der Messzelle auf die Elektroden des Sensors, ist ein Entfernen sehr schwierig und eine Spülung bzw. Demontage des Systems unumgänglich. Dies beeinträchtigt die Verwendbarkeit des Systems ganz wesentlich.
In der Patentanmeldung DE 102 11 204 A1 wird die Konzeption einer Mikro-Messzelle für sehr geringe Probeströme beschrieben. Die Durchflusszelle besitzt einen Aus- und einen Einlasskanal, die in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind. Der Querschnitt des Einlasskanals ist im Vergleich zum Querschnitt des Auslasskanals wesentlich kleiner. Der Einlasskanal mündet am Ende des Innenraums des Auslasskanals, wobei der Auslasskanal mit seiner Mündung eine zur Oberfläche des Sensors parallele Schnittstelle bildet und die sensitive Fläche des Sensors in der gradlinigen Verlängerung des Einlasskanals liegt.
Der Nachteil dieser Messzelle ist jedoch ihre relativ komplizierte Herstellung, die nur in Kombination von mikromechanischer Bearbeitung und Laserstrukturierung erfolgen kann.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Entwicklung einer Durchflusszelle für eine Sensorvorrichtung unter Verwendung planar strukturierter Sensoren, die oben genannte Nachteile vermeidet und einerseits eine weitgehend störungsfreie Messung gegenüber Luftbläschen ermöglicht und andererseits kostengünstig herstellbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist eine Sensorvorrichtung, die einen Formkörper mit Strukturierungen als Durchflusszelle 1 umfasst, der form- oder stoffschlüssig parallel zu einem planar strukturierten Sensor 2 angeordnet ist, so dass sich mit der Sensorfläche eine Ein- und Auslassöffnung 5a, 5b bildet, wobei die Durchflusszelle 1 auf der zum Sensor 2 zugewandten Oberfläche die Strukturierungen in Form von offenen Kanälen und Flächen aufweist.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass nachfolgend beschriebene innere Messzellengeometrie auf dem Formkörper 1 besonders vorteilhaft ist:
In einer Ebene liegen sich Ein- und Auslassöffnung 5a, 5b gegenüber. Sie sind über zwei sich gabelnde, symmetrisch angeordnete und elliptische Halbkreise bildende Verbindungskanäle 6a, 6b miteinander verbunden, welche eine innere elliptische Fläche 7a begrenzen, die gegenüber einer sensitiven Fläche 2a des Sensors 2 angeordnet ist. Die Fläche 7a ist so ausgestaltet, dass sie höher als die eingearbeitete Tiefe der Verbindungskanäle 6a, 6b ist und mit der sensitiven Fläche 2a einen Kapillarspalt 8 bildet. Die erfindungsgemäß gestaltete Oberflächenform der elliptischen Fläche 7a ist im Vergleich zu der die Verbindungskanäle 6a, 6b umgebenden äußeren Fläche 7b vorzugsweise gleich, vertieft oder erhaben, eben oder konvex, ausgeformt. Die Fläche 7a ist dabei bevorzugt so gestaltet, dass die Kapillarspaltbreite 8 zwischen 0,05 bis 0,2 mm liegt. Das bevorzugte Verhältnis zwischen X- und Y-Ausdehnung der elliptischen Fläche 7a beträgt zwischen 0,1 und 0,9.
Die planare bevorzugt platten- oder folienförmige Durchflusszelle 1, die parallel zu dem planaren Sensor 2 angeordnet ist, ist in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung mit diesem durch eine material- und formschlüssige Verbindung 3 verbunden, wodurch sich die Messkammer 4 bildet.
Wie schon erwähnt, weist die Oberfläche des Formkörpers auf der Seite, die zum Sensor 2 hin angeordnet ist, eingearbeitete offene Strukturierungen in Form von Kanälen und flächenhaften Vertiefungen und gegebenenfalls Erhabenheiten auf. Auf dieser sonst ebenen Oberflächenseite sind gegenüberliegend die Ein- und Ausgangsöffnung, die gegebenenfalls als ein Einlasskanal 5a und ein Auslasskanal 5b angeordnet sind. Ein- und Auslass 5a, 5b sind miteinander über die zwei sich gabelnden Kanäle 6a, 6b, die jeweils elliptische Halbkreise bilden, verbunden. Die Verbindungskanäle 6a, 6b sind zwischen 0,05 mm und 0,5 mm tief und/oder breit. Sie weisen rechteckige, pyramiden- pyramidenstumpf- oder halbkreisförmige Querschnitte auf. Vorzugsweise sind sie rechteckig und haben eine Tiefe und Breite von 0,1 mm.
Die durch die Verbindungskanäle 6a, 6b in elliptischer Form begrenzte innere Fläche 7a, ist bei Verwendung einer zusätzlichen stoff- oder formverbindenden Schicht 3 in Abhängigkeit von deren Dicke im Vergleich zu der die Verbindungskanäle 6a, 6b umgebenden äußeren Fläche gleich, vertieft oder erhaben.
In jedem Fall ist die Fläche 7a unmittelbar gegenüber der sensitiven Fläche des Sensors 2a angeordnet, so dass auf diese Weise in der gebildeten Messkammer zwischen der sensitiven Fläche des Sensors 2a und der elliptischen Fläche der kapillare Spalt 8 gebildet wird. Die Oberflächenform der elliptischen Fläche 7a ist eben oder konvex ausgeformt.
Die Strukturierungen im Formkörper zur Herstellung der Messzelle können sowohl mit spanenden Herstellungsverfahren, insbesondere Fräsen und Gravieren, besonders vorteilhaft aber mit sämtlichen formgebenden ur- bzw. ab- und umformenden Herstellungsverfahren, insbesondere mittels Laserstrukturierung, (Mikro-)Spritzguss, Heißprägen oder Kombinationen davon gefertigt werden. Als Basismaterial kommen vorzugsweise Kunststoffe aber auch Glas zum Einsatz.
Die mögliche zusätzliche formverbindende Schicht 3 zwischen der planaren plattenförmigen Durchflusszelle und dem Sensor besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem doppelseitigen Klebeband oder einem Kleberfilm mit einer Dicke zwischen 0,02 mm und 0,1 mm, so dass die elliptische Fläche 7a gegenüber der die Verbindungskanäle 6a, 6b umgebenden äußeren Fläche 7b erhaben ausgearbeitet ist. Diese formverbindende Schicht 3 aus einem doppelseitigen Klebeband oder einem Kleberfilm ist auf die äußere, die Kanäle umgebende Fläche begrenzt und wird durch Schneidplotten, Ausstanzen oder Laserschnitt erzeugt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Messzelle 1 mit dem Sensor stoffbündig, d. h. direkt verschweißt, so dass die elliptische Fläche gegenüber der die Verbindungskanäle 6a, 6b umgebende äußere Fläche vertieft ausgearbeitet ist. Die Verschweißung erfolgt mittels Laser oder Ultraschall entlang der äußeren Kante der Kanäle. Beide Ausführungsformen sichern eine mediendichte Messkammer.
Die gemäß einer Ausführungsvariante vorhandenen Ein- und Auslasskanäle 5a, 5b werden zum Anschluss an ein fluidisches System mit Kapillarrohr aus Kunststoff, Metall oder Glas oder direkt mit Miniaturschläuchen versehen, indem die genannten Verbindungselemente eingeklebt oder vergossen werden. Werden die Anschlüsse stirnseitig angeordnet, können die Kanäle zum Ein- und Auslass entfallen.
Die sensitive Fläche des Sensors kann eine elektrochemische Elektrodenanordnung, eine optische Reflexions-, oder Durchlichtschicht oder eine optisch- oder massensitive Oberflächenschicht und gegebenenfalls mit einer chemisch oder biologisch analyterkennenden Komponente immobilisiert sein.
Das Messmedium mit der zu detektierenden Analytkonzentration gelangt über den Einlass 5a in die Messkammer und fließt über die sich gabelnden Verbindungskanäle in Richtung Auslass 5b. Beim Umströmen der inneren elliptischen Fläche 7a wird aufgrund der Kapillarkraftwirkung des Kapillarspalts 8 zwischen der sensitiven Sensorfläche 2a und der elliptischen Fläche 7a das Medium in den Kapillarspalt 8 transportiert. Der Austausch des Mediums im Kapillarspalt 8 ist neben der Spaltbreite von der Strömungsgeschwindigkeit und bei sehr geringen Volumenströmen auch von der Diffusion abhängig.
Mikroskopische oder makroskopische Luftblasen, die mit dem Messmedium eingetragen werden oder die sich aufgrund der Messkammergeometrie an der Schnittstelle zwischen Einlass 5a und Auslass 5b bilden, verbleiben entweder in den umlaufenden Verbindungskanälen 6a, 6b oder werden – sofern sie überhaupt in den Kapillarspalt 8 gelangen – aufgrund der Kapillarkraftwirkung sofort weiter transportiert und über die Verbindungskanäle 6a, 6b in Richtung Auslass 5b ausgetragen.
Die Durchflusszelle der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung für planar strukturierte Sensoren ermöglicht eine weitgehend gegen Luftbläschen störungsfreie Messung und ist für die (quasi-)kontinuierliche Ausmessung kleiner Probevolumina besonders bei geringen Volumenströmen geeignet.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Durchflusszelle ist ihre kostengünstige Herstellbarkeit unter Nutzung umformender Massenproduktionstechnologien, was eine Verwendung als Einweggebrauchsmittel ermöglicht.
Ausführungsbeispiele
In den 1 bis 8 und den Beispielen 1 und 2 wird die Erfindung näher erläutert.
Legende zu den Abbildungen:

1: Durchflusszelle
2: planar strukturierter Sensor
2a: sensitive Fläche auf dem planar strukturierten Sensor
3: Verbindungsschicht
4: Messkammer
5a: Einlass(kanal)
5b: Auslass(kanal)
6a, 6b: Verbindungskanäle
7a: elliptische Fläche
7b: äußere Fläche, die die Verbindungskanäle (6a, 6b) umgibt
8: Kapillarspalt

Beispiel 1
Herstellung eines enzymatischen Glucosesensors mit erfindungsgemäßer Durchflusszelle 1 mit doppelseitigem Klebeband als stoffschlüssige Verbindung von Durchflusszelle 1 und planar strukturiertem Sensor 2 und seine Verwendung für die kontinuierliche Messung von Glucose in einer Modelllösung mit einem Volumenstrom von 1 μl/min.
a) Herstellung der Sensorvorrichtung
Als planar strukturierter Sensor 2 wird in diesem Ausführungsbeispiel ein auf Dickschichttechnologie basierender enzymatischer Einweg-Glucosesensor eingesetzt. Auf dem Sensorabschnitt, der den unteren Teil der Messzelle bildet, befinden sich drei Elektroden: Arbeits-, Referenz- und Gegenelektrode, wobei auf der Arbeitselektrode Glucoseoxidase immobilisiert vorliegt und die eigentliche sensitive Fläche 2a des planar strukturierten Sensors 2 bildet.
Ein folienförmiger Formkörper aus Polycarbonat mit Außenmaßen (L × B × H) von 10 mm × 10 mm × 1,0 mm erhält mittels eines Formwerkzeuges in einem Heißprägeprozess seine äußere und innere Kontur. Auf der Oberfläche der Folienseite, die zum Sensor hin angeordnet wird, sind jeweils am Ende der Längsseiten mit einem halbkreisförmigen Querschnitt (D = 0,8 mm) und über eine Länge von 3 mm ein Einlasskanal 5a und einen Auslasskanal 5b angeordnet, die sich symmetrisch und in einer Ebene gegenüberliegen. Ein- und Auslasskanal 5a, 5b sind miteinander über zwei sich gabelnde Kanäle 6a, 6b, die jeweils elliptische Halbkreise bilden, verbunden. Die Hauptdurchmesser der Ellipse sind in X-Richtung: 3,25 mm und in Y-Richtung 1,2 mm. Die Verbindungskanäle 6a, 6b weisen einen quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlänge von 0,1 mm auf.
Die durch die Verbindungskanäle 6a, 6b in elliptischer Form begrenzte innere Fläche 7a ist im Vergleich zu der die Verbindungskanäle 6a, 6b umgebenden äußeren Fläche 7b um 0,07 mm höher ausgearbeitet.
Die Durchflusszelle 1 wird mittels doppelseitigen Klebebands (VHB, 3M) als stoffschlüssiger Schicht 3, das eine Dicke von 0,13 mm aufweist, mit dem planaren Sensor 2 verbunden. Die Klebefolie wird mittels Schneidplotten mit einer ellipsenförmigen Öffnung versehen, die die Dimensionen der elliptischen inneren Fläche 7a zuzüglich der umlaufenden Breite von 0,1 mm der Verbindungskanäle 6a, 6b aufweist. Die Durchflusszelle 1 wird durch das doppelseitige Klebeband mit dem Sensor 2 derart zu einer Messkammer 4 verbunden, dass die sensitive Fläche 7a unmittelbar gegenüber der inneren elliptischen Fläche 7a positioniert wird. Der resultierende Spalt zwischen der sensitiven Schicht des Sensors 2a und der inneren elliptischen Fläche 7a beträgt 0,06 mm. Das Gesamtvolumen der Messkammer beträgt 0,4 mm³.
In die Ein- und Auslasskanäle 5a, 5b werden zum Anschluss an ein fluidisches System mit Miniaturschläuche mit 0,76 mm Außendurchmesser und 0,25 mm Innendurchmesser (S54HL, Tygon) eingeklebt.
b) Messung
Mit der beschriebenen Durchflusszelle 1 wird Glucose kontinuierlich in der Modelllösung einer Gewebsflüssigkeit bestimmt, wobei zu den Zeitpunkten (A), (B) und (C) zwecks Kalibrierung des planar strukturierten Sensors 2 nacheinander Glucoselösungen mit den Konzentrationen von 0 mM, 5 mM, 10 mM, 15 mM und 20 mM mit einem Volumenstrom von 1 μl/min durchgeleitet wurden. Das Messsignal wurde mittels eines kommerziellen Potentiostaten aufgezeichnet. In 6 ist der zeitliche Verlauf des Messsignals dargestellt und 7 zeigt die resultierende Kalibrierkurve in bezug auf die Glucosekonzentration.
Beispiel 2:
Herstellung und Verwendung einer erfindungsgemäßen Durchflusszelle 1, die mittels Ultraschallschweißens flächig mit einem planar strukturierten Sensor 2 stoffschlüssig verbunden ist.
a) Herstellung der Sensorvorrichtung
Der planar strukturierte Sensor 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein mittels Dickschichttechnologie gedruckter amperometrischer Sensor mit potentiostatischer Dreielektrodenanordnung, auf die mittels Polycarbomoylsufonat Lactatoxidase immobilisiert und im Anschluss eine Diffusionsbarriereschicht aus Poly-HEMA aufgebracht wurde. Dieses Areal bildet die sensitive Fläche des Sensors 2a.
Die Kombination von Durchflusszelle 1 und Sensor 2 dient der kontinuierlichen Messung von Laktat in Kapillarblut mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 μl/min.
Ein folienförmiger Formkörper 1 aus Polycarbonat mit Außenmaßen (L ×B × H) von 10 mm × 10 mm × 1,0 mm wurde auf der flächigen Seite, die zum Sensor hin angeordnet wird, mittels eines CO2-Lasers mit Linsenfokusierung (Speedy 300, Fi. Trotec, Österreich) wie folgt strukturiert: Es werden jeweils am Ende der Längsseiten der Durchflusszelle 1 ein Einlasskanal 5a und einen Auslasskanal 5b mit einem halbkreisförmigem Querschnitt (D = 0,8 mm) und über eine Länge von 3 mm angeordnet, die sich symmetrisch und in einer Ebene gegenüber liegen.
Ein- und Auslasskanal 5a, 5b sind miteinander über zwei sich gabelnde Kanäle 6a, 6b, die jeweils elliptische Halbkreise bilden, verbunden. Die Hauptdurchmesser der elliptischen Halbkreise sind in X-Richtung: 3,25 mm und in Y-Richtung 1,2 mm. Die Verbindungskanäle 6a, 6b weisen einen quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlänge von 0,1 mm auf.
Die durch die Verbindungskanäle 6a, 6b in elliptischer Form begrenzte innere Fläche 7a ist im Vergleich zu der die Verbindungskanäle 6a, 6b umgebenden äußeren Fläche 7b um 0,06 mm tiefer und in ihrer Oberfläche mit einer Tiefe von 0,02 mm ausgearbeitet.
Die Durchflusszelle 1 wird durch die flächige Verschweißung der die Verbindungskanäle umgebenden Fläche 7b mit dem Sensor 2 derart zu einer Messkammer 4 verbunden, dass die sensitive Fläche 7a unmittelbar gegenüber der inneren elliptischen Fläche 7a positioniert wird. Der resultierende Spalt zwischen der sensitiven Schicht des Sensors 2a und der inneren elliptischen Fläche 7a beträgt 0,06 mm. Das Gesamtvolumen der Messkammer beträgt 0,2 mm³.
In die Ein- und Auslasskanäle 5a, 5b werden zum Anschluss an ein fluidisches System mit Miniaturschläuche mit 0,76 mm Außendurchmesser und 0,25 mm Innendurchmesser (S54HL, Tygon) eingeklebt.
b) Messung
Mit der beschriebenen Durchflusszelle 1 wird Laktat kontinuierlich in Kapillarblut bestimmt. Dazu ist die Messzelle an einen Katheder angeschlossen, welcher sich in den oberen Hautschichten des Unterarmes eines Probanden befindet. Zum Zeitpunkt C wurden die gemessenen Stromwerte des planaren Sensors 2 auf die aktuelle Blutlaktatkonzentration des Probanden kalibriert. Das Messsignal wurde mittels eines portablen Potentiostaten aufgezeichnet. In 8 sind vergleichend die Laktatwerte kontinuierlich mit dem planaren amperometrischen Sensor 2 und beschriebener Durchflusszelle 1 gemessen. Parallel dazu wurden Kapillarblutproben am Ohr des Probanden entnommen und mit Handmessgerät Lactate Scout, SensLab, Leipzig ausgemessen, die als Referenzwerte dienten. Die Daten wurden nachträglich um den zeitlichen Versatz der Konzentrationsverläufe, der durch den Transportweg im Schlauch zwischen Katheder und Sensor bedingt ist, korrigiert.

Claims

Sensorvorrichtung umfassend einen Formkörper mit Strukturierungen als Durchflusszelle (1), der bündig parallel zu einem planar strukturierten Sensor (2) angeordnet ist, so dass sich mit der Sensorfläche eine Ein- und Auslassöffnung bildet, wobei die Durchflusszelle (1) auf der zum Sensor (2) zugewandten Oberfläche die Strukturierungen in Form von offenen Kanälen und Flächen aufweist, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass sich in einer Ebene Ein- und Auslassöffnung gegenüber liegen und über zwei sich gabelnde, symmetrisch angeordnete und elliptische Halbkreise bildende Verbindungskanäle (6a, 6b) miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungskanäle (6a, 6b) eine innere elliptische Fläche (7a) begrenzen, die gegenüber einer sensitiven Fläche (2a) des Sensors (2) angeordnet ist und so ausgestaltet ist, dass sie höher liegt als die Verbindungskanäle (6a, 6b) und mit der sensitiven Fläche (2a) einen Kapillarspalt (8) bildet.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der elliptischen Fläche (7a) gleich, vertieft oder erhaben, eben oder konvex, im Vergleich zu der die Verbindungskanäle (6a, 6b) umgebenden äußeren Fläche (7b) ausgeformt ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarspaltbreite (8) zwischen 0,05 bis 0,2 mm liegt.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen X- und Y-Ausdehnung der elliptischen Fläche (7a) zwischen 0,1 und 0,9 beträgt.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Ein- und Auslassöffnung als gleichgroße offene Kanäle (5a, 5b) ausgebildet sind, von denen die Verbindungskanäle (6a, 6b) abgehen.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (6a, 6b) rechteckige, quadratische, pyramiden-, pyramidenstumpf- oder halbkreisförmige Querschnitte aufweisen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (6a, 6b) Querschnitte mit einer Tiefe und/oder Breite zwischen 0,05 mm und 0,5 mm besitzen, vorzugsweise rechteckige mit einer Tiefe und Breite von 0,1 mm.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elliptische Fläche (7a) gegenüber der die Verbindungskanäle (6a, 6b) umgebenden äußeren Fläche (7b) vertieft ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sensor (2) und Durchflusszelle (1) irreversibel und fluiddicht durch eine umlaufende (Ultraschall-)Schweißfläche stoffverbunden sind.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zur Durchflusszelle (1) und zum Sensor (2) formschlüssige Verbindungsschicht (3) umfasst, die die Durchflusszelle (1) irreversibel und fluiddicht mit dem Sensor (2) verbindet.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (3) ein doppelseitiges Klebeband oder ein Kleberfilm mit einer Dicke zwischen 0,02 mm und 0,1 mm ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elliptische Fläche gegenüber der die Verbindungskanäle (6a, 6b) umgebenden äußeren Fläche (7b) erhaben eben oder konvex ausgeformt ist
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper für die Durchflusszelle (1) eine Platte oder Folie aus Kunststoffen, oder Glas, vorzugsweise eine Polycarbonatfolie ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Fläche (2a) des Sensors (2) eine elektrochemische Elektrodenanordnung, eine optische Reflexions-, oder Durchlichtschicht oder eine optisch- oder maßsensitive Oberflächenschicht ist, gegebenenfalls immobilisiert mit einer chemisch oder biologisch analyterkennenden Komponente.