DE102007008509B4 - Verfahren zur Messung der Viskosität und viskosimetrischer Affinitätssensor - Google Patents

Verfahren zur Messung der Viskosität und viskosimetrischer Affinitätssensor Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Messung der Konzentration niedermolekularer Analyte auf der Basis der Affinitätsviskosimetrie, wobei auf eine elastische Trennwand (2), die zwischen einem Außenraum (1) und einer eine sensitive Flüssigkeit enthaltenden, an zwei Enden abgeschlossenen Fließbahn (3) liegt, eine Kraft ausgeübt wird, wodurch in der flüssigkeitsgefüllten Fließbahn (3) eine Strömung zwischen der elastischen Trennwand (2) und einem Aufnahmeraum (7) ausgelöst wird, die durch eine Verengung (6) der durch eine Dialysemembran (9) mindestens teilweise begrenzten Fließbahn (3) führt und der Zeitverlauf der Druckdifferenz über die elastische Trennwand (2) gemessen wird.

Description

  • Viskosimetrische Affinitätsassays und viskosimetrische Affinitätssensoren zur Bestimmung von niedermolekularen Analyten beruhen auf der Konkurrenz der Moleküle eines Analyten mit strukturähnlichen polymergebundenen Analoga um die Affinitätsbindungsorte an einem polyvalenten Rezeptormolekül, z. B. einem Antikörper oder einem Lektin, das die Polymere mit den gebundenen Analoga reversibel vernetzt, wodurch eine viskose Flüssigkeit entsteht. Die Viskosität dieser Flüssigkeit beruht auf kurzlebigen Affinitätsbindungen, durch welche die hydratisierten Polymere vernetzt werden. Die viskose Flüssigkeit wird als sensitive Flüssigkeit oder sensitives Sol bezeichnet, weil ihre Viskosität in definierter Weise von der Konzentration niedermolekularer Analytmoleküle abhängt. Von besonderem Interesse ist eine gut untersuchte sensitive Flüssigkeit, die hochmolekulares Dextran und das Lektin Concanavalin A (ConA) in geeigneten Konzentrationen enthält und deren Viskosität von der Konzentration niedermolekularer Glykoliganden, z. B. der Glucose, abhängt (siehe beispielsweise DE 42 03 466 A1 ; Ballerstädt R, Ehwald R. Suitability of aqueous dispersions of dextran and Concanavalin A for glucose sensing in different variants of the affinity sensor. Biosensors & Bioelectronics 9, 557–567 (1994); Ehwald R, Ballerstädt R, Dautzenberg H. Viscosimetric Affinity Assay, Anal. Biochemistry 234, 1–8 (1996)). Befindet sich diese Lösung in einem Mikrodialyse-Hohlfasersegment oder einer anderen Dialysekammer und kann ihre Viskosität gemessen werden, nachdem die Konzentration des Glycoliganden in der sensitiven Flüssigkeit sich derjenigen in der Matrix angeglichen hat, entsteht ein Sensor für niedermolekulare Glykoliganden des Concanavalin A ( DE 42 03 466 A1 ). Viskosimetrische Sensoren auf dieser Grundlage sind in mehreren Ausführungsformen bekannt (Ballerstädt R, Ehwald R. Suitability of aqueous dispersions of dextran and Concanavalin A for glucose sensing in different variants of the affinity sensor. Biosensors & Bioelectronics 9, 557–567 (1994); DE 197 14 087 C2 ; DE 40 34 565 A1 ; WO 2004/037079 A1 ) und können zur Messung der Glucosekonzentration im Blut oder in der interstitiellen Flüssigkeit des Unterhautgewebes eingesetzt werden, da in diesen physiologischen Flüssigkeiten andere Glykoliganden des ConA als Glucose normalerweise nicht in störender Konzentration vorkommen.
  • Ein auf der Grundlage der Druckschrift DE 197 14 087 C2 entwickelter viskosimetrischer Durchfluss-Sensor wurde bereits zur Messung der Blutzuckerkonzentration in klinischen Studien eingesetzt (Beyer U, Reihl B, Ehwald R. Recording of subcutaneous glucose dynamics by a viscometric affinity sensor. Diabetologia 44, 416–423 (2001); Diem P, Kalt L, Haueter U, Krinelke L, Fajfr R, Reihl B, Beyer U. Clinical performance of a continuous viscometric affinity sensor for glucose. Diabetes Technology and Therapeutics 6, 790–799 (2004)). Mit Hilfe dieses Systems wurde die Eignung des viskosimetrischen Sensorprinzips für die kontinuierliche Messung der Glucosekonzentration in der interstitiellen Flüssigkeit nachgewiesen. Da die Empfindlichkeit des Sensors im Verlauf einiger Tage unverändert blieb, reichte eine einzige Eichung für die Aufzeichnung des Blutglucose-Konzentrationsverlaufes aus. Das Prinzip des Durchfluss-Sensors besteht in der Erfassung der Viskosität der sensitiven Flüssigkeit in einer Messkapillare, durch welche sie nach der Passage durch ein Dialyse-Hohlfasersegment fließt. Das Durchfluss-System erfordert eine Mikrodialyse-Sonde mit zwei parallelen kapillaren Fließbahnen und die Integration dieser Sonde in ein komplexes, relativ aufwendiges mikrofluidisches System mit einer Mikropumpe, einem größeren Vorrat der sensitiven Flüssigkeit, zwei Messkapillaren und zwei Drucksensoren. Die Anwendung des Durchfluss-Systems ist mit dem Risiko verbunden, dass größere Mengen der sensitiven Flüssigkeit in das Hautgewebe ausströmen könnten, falls die Mikrodialyse-Sonde undicht wird.
  • Außer dem genannten Durchfluss-Prinzip sind weitere Möglichkeiten zur Gestaltung des viskosimetrischen Sensors bekannt. Die bereits genannte Druckschrift DE 40 34 565 A1 beschreibt ein Messprinzip für den viskosimetrischen Sensor, bei dem die sensitive Flüssigkeit auf einer in sich geschlossenen Fließbahn bewegt wird, wobei ein Teil dieser Fließbahn durch eine Dialysemembran nach außen abgeschlossen ist. Ein Vorteil der Verwendung einer in sich geschlossenen Fließbahn besteht darin, dass durch das Volumen dieser Fließbahn das Volumen der sensitiven Flüssigkeit festgelegt wird und daher von osmotischen Vorgängen unabhängig gestaltet werden kann. Allerdings ist bisher noch kein implantierbarer Sensor für die medizinische Forschung oder medizinische Anwendungen auf der Grundlage dieses Prinzips hergestellt worden. Die Rückführung der von der Pumpe oder dem Aktor bewegten sensitiven Flüssigkeit zur Pumpe und die Integration einer miniaturisierten Messvorrichtung für den strömungsabhängigen Druck oder die Strömungsgeschwindigkeit in die geschlossen Fließbahn erfordern die Neuentwicklung mikrotechnischer Bauteile.
  • In der ebenfalls bereits genannten Druckschrift WO 2004/037079 A1 wird ein viskosimetrischer Sensor für Glucose beschrieben, bei dem die sensitive Flüssigkeit ebenfalls auf einer in sich geschlossenen Bahn bewegt wird. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform des viskosimetrischen Sensors wird die Flüssigkeit in einer zylindrischen Dialysezelle mit Hilfe eines rotierenden magnetischen Zylinders durch ein rotierendes Magnetfeld bewegt, wobei die Viskosität an Hand des Abklingen der trägheitsbedingten Rotation erfasst wird.
  • In der Druckschrift DE 100 27 684 A1 wird ein auf der Grundlage der Siliziumtechnologie konzipierter viskosimetrischer Sensor für niedermolekulare Anlayte, insbesondere für Glucose, beschrieben. Bei diesem Sensor befindet sich in der mit der sensitiven Flüssigkeit gefüllten Mikrodialysekammer ein mikroskopisch kleiner deformierbarer elastischer Körper, der in Verbindung mit einer feststehenden, in die Kammerwand integrierten elektrostatischen oder elektromagnetischen Kraftquelle das Scherfließen der sensitiven Flüssigkeit bewirkt. Zur Messung der Viskosität dient die Hochfrequenz-Abstandsmessung zwischen dem deformierbaren Körper und der Kammerwand, mit deren Hilfe die viskositätsabhängige Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers in der sensitiven Flüssigkeit erfasst werden kann. Um einen medizinisch anwendbaren viskosimetrischen Sensor auf dieser Grundlage zu fertigen, müssen noch einige technische Probleme gelöst werden, insbesondere die äußere Abgrenzung der die sensitiven Flüssigkeit enthaltenden Kavität auf dem Siliciumchip durch eine Mikrodialyse-Membran.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu lösen bzw. abzumildern.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen viskosimetrischen Affinitätssensor nach Anspruch 2 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein viskosimetrischer Affinitätssensor bereitgestellt, der eine mit einer sensitiven Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllte zweiseitig abgeschlossene Fließbahn oder Fließstrecke, die einen Aufnahmeraum, eine strömungsbegrenzende Verengung und einen Vorraum umfasst, aufweist, wobei die Verengung zwischen dem Aufnahmeraum und dem Vorraum angeordnet ist, und der Vorraum durch eine elastische Trennwand von einem Außenraum abgegrenzt ist. Weiterhin umfasst der Affinitätssensor eine Dialysemembran, welche zumindest einen Teilbereich der Fließbahn nach außen abschließt, einen Aktor zur Ausübung einer Kraft auf die elastische Trennwand, und eine Messvorrichtung zum Registrieren des von der Viskosität der sensitiven Flüssigkeit abhängigen Zeitverlaufes der Druckdifferenz zwischen dem Außenraum und dem Vorraum. Die Verengung, durch welche die sensitive Flüssigkeit strömen kann, ist dabei so ausgebildet, dass jede Position des Lumens der Fließbahn in der Verengung durch einen Diffusionsweg von weniger als 1 mm von der Dialysemembran entfernt ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der Konzentration niedermolekularer Analyte bereitgestellt, wobei auf eine elastische Trennwand, die zwischen einem Außenraum und einer eine sensitive Flüssigkeit enthaltenden, an zwei Enden abgeschlossenen Fließbahn liegt, eine Kraft ausgeübt wird, wodurch in der flüssigkeitsgefüllten Fließbahn eine Strömung zwischen der elastischen Trennwand und einem Aufnahmeraum ausgelöst wird, die durch eine Verengung der durch eine Dialysemembran mindestens teilweise begrenzten Fließbahn führt und der Zeitverlauf der Druckdifferenz über die elastische Trennwand gemessen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Affinitätssensor beruhen auf dem Prinzip zur Messung der Konzentration niedermolekularer Analyte mit Hilfe einer sensitiven Flüssigkeit, deren Viskosität von der Analytkonzentration abhängt. Dabei wird die Strömung der sensitiven Flüssigkeit durch das Segment beispielsweise einer Mikrodialyse-Hohlfaser oder eine andere Mikrodialysekammer zur Messung der Viskosität ausgenutzt.
  • Im Gegensatz zum Durchflussverfahren nach Druckschrift DE 197 14 087 C2 findet die Viskositätsmessung innerhalb der Dialysekammer statt. Bei dem mikromechanischen Verfahren nach Druckschrift DE 100 27 684 A1 wird die Dialysekammer, anders als bei der hier dargestellten erfinderischen Lösung, nicht als Ganzes durchströmt; sondern innerhalb der Dialysekammer geschert. Die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte technische Lösung für die Viskositätsmessung unterscheidet sich von dem in den Druckschriften DE 40 34 565 A1 und WO 2004/037079 A1 dargestellten Verfahren dadurch, dass die Fließbahn nicht durch eine in sich geschlossene kapillare, sondern durch eine an ihren Enden abgeschlossene Strömungs- oder Fließbahn gebildet wird. Die sensitive Flüssigkeit, die die beispielsweise kapillare Fließbahn bzw. einen Hohlleiter erfüllt, fließt zwischen dem Teil der kapillaren Fließbahn, die durch eine deformierbare Trennwand nach außen abgegrenzt ist und einem anderen Teil (Aufnahmeraum) der kapillaren Fließbahn, der eine begrenzte Menge der sensitiven Flüssigkeit aufnehmen oder abgeben kann. Sie fließt dabei durch eine zwischen diesen Teilen liegende strömungsbegrenzende Verengung der Fließbahn, deren Volumen durch eine Mikrodialyse-Membran im Diffusionsaustausch mit dem äußeren Medium steht. Die Strömung der Flüssigkeit wird durch Übertragung einer Kraft auf eine an die Flüssigkeit in der kapillaren Fließbahn grenzende elastische Trennwand ausgelöst. Der Aufnahmeraum ist nach außen abgeschlossen und kann ein begrenztes Volumen aufnehmen oder abgeben, das für die Messung der Viskosität an Hand des Zeitverlaufes der Druckdifferenz an der elastischen Trennwand ausreicht. Die Fähigkeit des Aufnahmeraums zur Volumenaufnahme oder Volumenabgabe kann darauf beruhen, dass seine Wände für Wasser ausreichend permeabel sind, dass in ihm ein kleines elastisches gasgefülltes Volumen eingeschlossen ist oder dass seine Wände eine ausreichende elastische Dehnbarkeit besitzen. Bei dem erfindungsgemäßen viskosimetrischen Affinitätssensor wird nur eine kapillare Fließbahn benötigt; daher kann der Durchmesser der implantierbaren Mikrodialyse-Sonde sehr klein gestaltet werden kann. Mit der Erfindung werden die technischen Möglichkeiten zur Herstellung schmerzarm und verletzungsarm implantierbarer wenig invasiver Affinitätssensoren für Glucose und andere Analyte erweitert.
  • Die Viskosität der sensitiven Flüssigkeit wird auf Grund des Flusses der sensitiven Flüssigkeit durch die Verengung bestimmt, wobei der Fluss durch einen Druckgradienten über der Verengung erzeugt wird. Dieser Druckgradient wird durch Betätigen des Aktors hervorgerufen. Durch den Aktor kann beispielsweise der Druck im Vorraum erhöht werden. Dadurch wird sowohl ein Druckgradienten zwischen Vorraum und Aufnahmeraum, d. h. über die Verengung, als auch zu einer Druckdifferenz zwischen Vorraum und Außenraum, d. h. über die Trennwand, aufgebaut. Im Ergebnis fließt die sensitive Flüssigkeit vom Vorraum in den Aufnahmeraum. Dies führt zu einer messbaren Druckrelaxation über der Trennwand. Umgekehrt ist es möglich, durch den Aktor einen Druck auf die sensitive Flüssigkeit im Aufnahmeraum auszuüben und so einen Fluss in den Vorraum zu induzieren und den Druckanstieg über der Trennwand als Messsignal zu verwenden. Der Aktor muss hierzu nicht direkt auf den Aufnahmeraum oder den Vorraum wirken. Beispielsweise kann der Aktor den Druck in einem Fluid im Außenraum beeinflussen, wobei der Druck auf den Vorraum über die elastische Membran übertragen wird.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Affinitätssensors ist, dass die Verengung der Dialysemembran sehr nahe ist. Dadurch kann sich die Viskosität in der Verengung sehr schnell an veränderte Konzentrationen des Analyten anpassen.
  • Unter einer sensitiven Flüssigkeit wird, wie einleitend beschrieben, eine Flüssigkeit verstanden, deren Viskosität von der Konzentration des Analyten abhängt.
  • Der erfindungsgemäße viskosimetrische Affinitätssensor gestattet insbesondere, folgende, für die medizinische und klinische Forschung wichtige Kriterien zu erfüllen:
    • 1. Die zur Messung eingesetzte sensitive Flüssigkeit soll während des Messzeitraumes in der Mikrodialysekammer verbleiben. Dies ermöglicht, den Einfluss des Dialysates des Blutplasmas und der interstitiellen Flüssigkeit auf die Langzeitstabilität der sensitiven Flüssigkeit zu untersuchen.
    • 2. Die sensorische Oberfläche soll möglichst schmerzfrei und verletzungsarm in das Unterhautfettgewebe eingeführt werden können.
    • 3. Der Sensor soll aus industriell gefertigten und allgemein verfügbaren Bauteilen hergestellt werden können und miniaturisierbar sein.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der anhängenden Figur gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise abgeändert werden. Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet, sondern dienen lediglich dem besseren Verständnis.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform mit einer Fließbahn.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Fließbahnen.
  • Zunächst soll die Herstellung einer einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Affinitätssensors erläutert werden.
  • Durch eine axiale Durchgangsbohrung in einem beispielsweise 1 cm langen Messingblock mit einer seitlichen Gewindebohrung, die senkrecht zur Durchgangsbohrung verläuft und zumindest bis zu dieser reicht, und einer passenden Schraube wird ein elastischer Silikonschlauch, dessen äußerer Durchmesser im entspannten Zustand größer als der Durchmesser der Durchgangsbohrung ist, im längsgespannten Zustand hindurchgezogen. Nach dem Wegfall der Längsspannung legt sich der Silikonschlauch an die Durchgangsbohrung dicht an. Die herausragenden Enden werden abgeschnitten und der Messingblock wird mit einer seiner Seiten, auf welcher die Bohrung ist, auf das Gehäuse eines handelsüblichen Drucksensors mit einem Messbereich von beispielsweise 500 mbar (5·104 Pa) und einer elastischen Volumenkapazität von beispielsweise ca. 100 nl geklebt. Der Drucksensor ist für die Messung der Druckdifferenz zwischen einem Gasraum und einer Flüssigkeit ausgelegt. Beispielsweise führt die Deformation einer elastischen Halbleiter-Biegeplatte in diesem Sensor zu einer Widerstandsänderung, die das primäre Mess-Signal darstellt.
  • In die mit dem Silikonschlauch ausgekleidete und mit einer Flüssigkeit gefüllte Durchgangsbohrung kann durch eine Silikon-Dichtung eine dünne Dialyse-Nadel eingeführt werden. Um bei diesem Prozess den Druck in dem flüssigkeitsgefüllten Raum kontrollieren zu können, wird die Schraube in die seitliche Gewindebohrung so weit eingeführt, dass sie die Silikongummi-Auskleidung deformiert und eine Druckmanipulation möglich wird.
  • Zur Herstellung der Dialyse-Nadel aus beispielsweise Edelstahl wird in ein beispielsweise 1,5 cm langes Segment einer handelsüblichen Dialyse-Hohlfaser aus beispielsweise regenerierter Zellulose mit einem Innendurchmesser von beispielsweise 200 μm ein beispielsweise 5 mm langes Segment eines Nylonfadens mit einem Durchmesser von beispielsweise 150 μm eingeführt und in deren Mitte an der Wand der Dialysehohlfaser durch lokale Klebung befestigt. Eine beispielsweise 20 mm lange, an einem Ende schräg angeschliffene Kanüle mit einem Außendurchmesser von beispielsweise 0,4 mm und einem Innendurchmesser von beispielsweise 0,3 mm wird in der Mitte so geschliffen, dass beispielsweise drei 8 mm lange schlitzförmige Fenster entstehen. Außerdem wird mit einem Schleifgerät beispielsweise 2 mm hinter dem schrägen angeschliffenen Ende der Kanüle eine kurze seitliche Öffnung (beispielsweise 1 mm) hergestellt. Das so hergestellte Metallgerüst der Dialysesonde wird sorgfältig entfettet.
  • Der Außendurchmesser einer Hohlfaser mit einer Wand aus gasdurchlässigem porösem hydrophoben Polypropylen wird durch kontrollierte Dehnung genau an den Innendurchmesser der Edelstahl-Kanüle angepasst. Die Polypropylenhohlfaser hat eine Porenweite von beispielsweise 0,2 μm und ist nur für Gas, nicht jedoch für Flüssigkeit durchlässig. Ein beispielsweise 5 mm langes Segment dieser Faser wird von der schrägen Öffnung her in die Kanüle hereingeschoben und an den Rändern mit der Stahlkanüle mit selbst härtendem Klebstoff verklebt. Die schräge Öffnung an der Spitze der Kanüle wird ebenfalls mit Hilfe des Klebstoffs verschlossen. Die Kanülenspitze wird nach der Aushärtung des Klebstoffes wieder scharf angeschliffen. Von der anderen Seite wird die Mikrodialyse-Hohlfaser aus regenerierter Zellulose in die Kanüle eingeführt. Danach befindet sich der Hohlfaserabschnitt mit dem Nylonfaden im Bereich der Fensterschlitze. Die Mikrodialyse-Hohlfaser wird an den Fenster-Enden und an der Öffnung dicht eingeklebt. Das überstehende Ende des Hohlfasersegmentes wird an der Kanülenbasis abgeschnitten. Die Hohlräume des Drucksensors und die mit Silikongummi ausgekleidete Durchgangsbohrung des Messingblockes werden gasfrei mit der sensitiven Flüssigkeit gefüllt. Dazu wird mit Hilfe eines dünnen Silikonschlauches die Mikrodialysesonde mit einer die sensitive Flüssigkeit enthaltenden 50 μl-Spritze verbunden. Die sensitive Flüssigkeit wird langsam in die einseitig verschlossene Mikrodialyse-Sonde eingeführt, wobei das Gas durch die poröse Membran der Polypropylenfaser vor der seitlichen Öffnung nahe dem verschlossenen Ende der Kanüle entweichen kann. Die seitliche Öffnung wird anschließend verklebt. Die Kanüle enthält danach an der Spitze einen kleinen Gasraum (beispielsweise 200–500 nl), weil die komprimierte Luft hinter der seitlichen Öffnung keinen Ausweg besitzt. Die Basis der so gefüllten Kanüle wird mit dem die sensitive Flüssigkeit enthaltenden Raum in dem Messingblock am Drucksensor unter Vermeidung weiteren Gaseinschlusses verbunden. Hierzu wird die Kanüle mit dem flüssigkeitsbedeckten offenen Ende durch eine flüssigkeitsgefüllte Silikongummidichtung allmählich in diesen mit sensitiver Flüssigkeit gefüllten Raum hinein geschoben, wobei der Druckanstieg am Drucksensor gemessen und durch die seitlich am Messingblock angebrauchte Schraube kontrolliert wird.
  • Im Folgenden wird, ausgehend von der oben hinsichtlich der Herstellung beschriebenen Ausführungsform, der erfindungsgemäße Affinitätssensor an Hand von schematischen Figuren erläutert.
  • Der Sensor umfasst einen Außenraum 1, der durch eine elastische Trennwand 2 von einer mit Flüssigkeit gefüllten Fließbahn 3 getrennt wird, wobei die Fließbahn 3 an zwei von einander entfernten Enden verschlossen ist. Weiterhin weist der Sensor einen Aktor 4, mit dessen Hilfe eine Kraft auf die elastische Trennwand 2 ausgeübt werden kann, auf. Eine Messvorrichtung 5 zur Erfassung der Druckdifferenz zwischen dem Außenraum 1 und der Flüssigkeit auf der Fließbahn 3, mit der die Trennwand in Kontakt steht, ist vorgesehen. Die Fließbahn 3 weist eine strömungsbegrenzende Verengung 6 auf, wobei jede Position des Lumens der Fließbahn in dieser Verengung weniger als 1 mm von einer Mikrodialyse-Membran 9 entfernt ist. Außerdem weist der Sensor einen abgeschlossenen Aufnahmeraum 7 auf. Die seitliche Öffnung der Kanüle 15, welche mit der an der Innenwand der Kanüle 15 anliegenden gasdurchlässigen porösen hydrophoben Polypropylenhohlfaser 17 bedeckt und von außen mit einem Klebstoff nach dem Befüllen der Kanüle 15 mit der sensitiven Flüssigkeit verschlossen wird, ist mit 10 bezeichnet.
  • Der Aufnahmeraum 7 steht nur durch die strömungsbegrenzende Verengung 6, welche seitlich durch die Mikrodialyse-Membran 9 abgeschlossen ist, mit der elastischen Trennwand 2 in Verbindung und ermöglicht den Fluss eines begrenzten Volumens der sensitiven Flüssigkeit durch die strömungsbegrenzende Verengung 6. Der Außenraum 1 ist bei der dargestellten Ausführungsform mit der Atmosphäre verbunden. Die elastische Trennwand 2 ist bei der dargestellten Ausführungsform die Halbleiter-Biegeplatte des Drucksensors in der Kombination mit deren elastischen Verankerung. Die flüssigkeitsgefüllte Fließbahn 3 umfasst bei der dargestellten Ausführungsform die flüssigkeitsgefüllten Räume im Drucksensor, in der mit Silkongummischlauch 13 ausgefüllten Durchgangsbohrung 16, in der strömungsbegrenzenden Verengung 6 und im Aufnahmeraum 7 bis zu dem gasgefüllten Raum 11 vor dem terminalen Verschluss der Kanüle 15. Der bei der dargestellten Ausführungsform manuell zu bedienende Aktor 4 ist die Stellschraube an der seitlichen Gewindebohrung in dem durchbohrten Messingblock 14. Die Messvorrichtung 5 ist ein handelsüblicher Drucksensor zur Aufzeichnung der Druckdifferenz auf der Grundlage des elektrischen Widerstandes einer Halbleiterbiegeplatte. Die strömungsbegrenzende Verengung 6 wird bei dieser Ausführungsform durch Integration eines zylindrischen Körpers 12 in das Hohlfaser-Segment realisiert. Die Fähigkeit des Aufnahmeraums 7 zur Aufnahme oder Abgabe eines begrenzten Volumens wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch den Einschluss eines begrenzten Gasvolumens 11 realisiert, das sich beim Einströmen in den Aufnahmeraum 7 komprimieren und beim Ausströmen entspannen kann.
  • Die Viskosität der sensitiven Flüssigkeit wird mit diesem Sensor dadurch erfasst, dass durch Verdrehen der Stellschraube 4 Flüssigkeit aus dem Vorraum 8 teilweise verdrängt und dadurch eine Kraft auf die elastische Trennwand 2 ausgeübt wird, deren Deformation der Druckdifferenz zwischen dem Außenraum 1 und dem Vorraum 8 proportional ist. Die Messvorrichtung 5 misst diese Druckdifferenz. Da die strömungsbegrenzende Verengung 6 einen sofortigen Druckausgleich mit dem Aufnahmeraum 7 verhindert und die elastische Volumenkapazität des Aufnahmeraums 7 größer als die elastische Volumenkapazität der elastischen Trennwand 2 ist, kommt es zu einer gut messbaren Druckrelaxation, deren Halbwertszeit der Viskosität der sensitiven Flüssigkeit proportional ist. Der Zeitverlauf der Druckrelaxation wird durch den Drucksensor 5 sehr genau erfasst.
  • Jede der genannten Komponenten kann in verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden, wie im Folgenden erläutert wird. Beispielsweise können zusätzlich zu der Biegeplatte und den anderen Bestandteilen des Drucksensors weitere Komponenten zur Elastitizität der Trennwand beitragen. Es ist möglich, dass der Außenraum ein Fluid enthält, dessen Druck verändert werden kann. Ein solcher Außenraum könnte die Funktion des Aktors übernehmen, zum Beispiel, wenn er gasgefüllt ist und an eine Gaspumpe angeschlossen wird. Es sind Ausführungsformen des Aktors möglich, bei denen die Kraft ohne Vermittlung durch ein Fluid direkt durch ein elektrisches oder magnetisches Feld auf die elastische Trennwand übertragen wird. Der Sensor kann auch so gestaltet werden, dass der Aktor eine Kraft auf die flüssige Matrix in der Umgebung der Messsonde ausübt und diese Kraft hydraulisch über die strömungsbegrenzende Verengung auf die elastische Trennwand übertragen wird. Ebenso ist es möglich, dass der Aktor auf die Flüssigkeit im Aufnahmeraum wirkt und dadurch einen Fluss durch die strömungsbegrenzende Verengung induziert, der dann zu einer messbaren Druckdifferenz an der elastischen Trennwand führt.
  • Es gibt verschiedene physikalische Möglichkeiten zur Erfassung der Druckdifferenz über die elastische Trennwand, z. B. die Messung einer Kapazität anstelle der Messung eines Widerstandes.
  • Die strömungsbegrenzende Verengung kann in verschiedener Weise gestaltet werden, beispielsweise durch einen Abschnitt, in dem das Lumen des zylinderförmigen Hohlfasersegmentes sehr eng ist, oder durch die Deformation eines zylindrischen Hohlfasersegmentes. Falls, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, die strömungsbegrenzende Verengung der Fließbahn durch den Einschluss eines oder mehrerer fester Körpers erfolgt, können/kann diese/r Körper umströmbar sein. Die Verengung kann auch in der Form einer kurzen durchströmbaren Blende realisiert werden. Wesentlich ist, dass der Analyt, z. B. Glucose, durch die Hohlfasermembran in einer für die Mikrodialyse typischen Zeit (< 10 min) das Diffusionsgleichgewicht mit der sensitiven Flüssigkeit in der strömungsbegrenzenden Verengung erreichen kann, ohne dass es einer zusätzlichen Strömung bedarf. Hierzu muss die Entfernung der Dialysemembran von jeder Position in der flüssigkeitsgefüllten Fließbahn in der Verengung kleiner als 1 mm sein. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass beispielsweise die strömungsbegrenzende Verengung zumindest teilweise, beispielsweise auf einer Seite, von der Mikrodialyse-Membran begrenzt ist. Die strömungsbegrenzende Verengung kann sich daher in Strömungsrichtung auch über einen gewissen Bereich erstrecken, da eine Seitenwand der Verengung durch die Mikrodialyse-Membran gebildet wird. Ebenso kann bei Verwendung einer Blende aus einem nicht permeablen Material als strömungsbegrenzende Verengung, die Blende in Strömungsrichtung relativ kurz ausgebildet werden, wobei die Mikrodialyse-Membran dann die Fließbahn unmittelbar vor oder hinter Blende zumindest teilweise abgrenzt. Vorzugsweise wird die strömungsbegrenzende Verengung, wie in dem angeführten Ausführungsbeispiel auf beiden Seiten durch einen Abschnitt der Fließbahn begrenzt, der ebenfalls für den Analyten durch Diffusion von außen erreichbar ist bzw. von einer Mikrodialyse-Membran abgegrenzt ist. Durch die räumlich eng benachbarte Anordnung von Verengung, welche die Strömungsgeschwindigkeit der sensitiven Flüssigkeit begrenzt und dadurch die Viskositätsmessung ermöglicht, und dem Bereich, in dem der Analytaustausch erfolgt, kann problemlos gewährleistet werden, dass die beim Messvorgang durch die Verengung strömende sensitive Flüssigkeit hinsichtlich der Analytkonzentration mit der Matrix im Gleichgewicht steht. Dadurch wird die Ansprechzeit des Sensors wesentlich erhöht. Außerdem kann die Sonde, welche die Verengung und die Dialysemembran umfasst, sehr klein gehalten werden. Dies ermöglicht die Herstellung von kleinen und leicht implantierbaren Sonden. Außerdem vermeidet die räumlich eng benachbarte Anordnung von Verengung und Dialysemembran weitgehend ein Totvolumen, das sich bei räumlich größerer Entfernung zwischen Dialysemembran und Verengung ausbildet. Die in einem solchen Totvolumen enthaltene sensitive Flüssigkeit steht nämlich hinsichtlich der Analytkonzentration mit der Matrix nicht im Gleichgewicht und muss daher durch einströmende Flüssigkeit aus dem Dialyseraum ersetzt werden.
  • Es bestehen mehrere prinzipiell anwendbare Möglichkeiten zur Gestaltung des Aufnahmeraumes. Letzterer muss ein begrenztes Volumen der sensitiven Flüssigkeit aus dem übrigen Teil der flüssigkeitsgefüllten Fließbahn aufnehmen oder an sie abgeben können. Dies kann, wie im dargestellten Fall, durch den Einschluss eines begrenzten Gasvolumens realisiert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Aufnahmeraum auf Grund der elastischen Dehnbarkeit seiner Wand eine begrenzte, für die Deformation der elastischen Trennwand ausreichende Volumenkapazität besitzt. In diesem Fall kann der Aufnahmeraum vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein. Es ist auch eine Ausführungsform der Erfindung möglich, bei der ein Aufnahmeraum als kapillare Dialyse- oder Ultrafiltrationsmembran realisiert wird und die für den Messvorgang erforderliche Volumenverschiebung durch eine hohe Permeabilität dieser Membran für Wasser gewährleistet wird.
  • Der erfindungsgemäße Affinitätssensor kann in den bisher beschriebenen Varianten zur Untersuchung des Einflusses der Matrix auf die Stabilität der sensitiven Flüssigkeit eingesetzt werden. Er stellt auch eine günstige Ausführungsform des viskosimetrischen Affinitätssensors für die Kontrolle der Konzentration der Glucose in der interstitiellen Flüssigkeit dar. Für diese Anwendung ist es vorteilhaft, wenn die Viskosität der sensitiven Flüssigkeit, die mit der interstitiellen Flüssigkeit austauscht, mit der Viskosität der gleichen sensitiven Flüssigkeit, die eine definierte Konzentration an Glucose enthält, verglichen wird [Beyer U, Ehwald R: Compensation of temperature and Concanavalin A cocentration effects for glucose determination by the viscometric affinity assay]. Um diesen Vergleich durchzuführen, wird gemäß einer Ausführungsform, die schematisch in 2 gezeigt ist, der Außenraum als zweite Fließbahn 30 mit einer strömungsbegrenzenden Verengung 36 und einem Aufnahmeraum 37 gestaltet, wobei die so realisierte zweite Fließbahn 33 die sensitive Flüssigkeit mit einer definierten Konzentration an Glucose enthält und nicht von einer Mikrodialyse-Membran, sondern von undurchlässigen Wänden 32 begrenzt wird. Die strömungsbegrenzende Verengung 33 der zweiten Fließbahn 33 liegt zwischen der elastischen Trennwand 2 und dem Aufnahmeraum 37, dessen elastische Volumenkapazität größer ist als die elastische Volumenkapazität der Trennwand.
  • Die erste Fließbahn 23 in diesem Ausführungsbeispiel umfasst einen Vorraum (28), der über eine strömungsbegrenzende Verengung 36 mit einem Aufnahmeraum 27 verbunden ist. Der Aufnahmeraum 27 enthält an seinem toten Ende ein Gasvolumen 21, welches die Aufnahme von Flüssigkeit in den Aufnahmeraum 27 unter Komprimierung des Gasvolumens ermöglicht. Der Aufnahmeraum 37 der zweiten Fließbahn verfügt ebenfalls über ein entsprechendes Gasvolumen 31.
  • Im Gegensatz zur zweiten Fließbahn 33, ist die erste Fließbahn 23 abschnittsweise von einer Dialysemembran begrenzt. Die strömungsbegrenzenden Verengungen 26 und 36 in beiden Fließbahnen sind hier durch kurze Blenden realisiert.
  • Für den Messvorgang wird bei dieser Ausführungsform beispielsweise auf hydraulischem Wege die gleiche Kraft auf die beiden an die elastische Trennwand 2 grenzenden Flüssigkeitsräume, die jeweils mit einer der Fließbahnen in fluidischer Verbindung stehen, ausgeübt. Dies ist in 2 durch den Aktor 24 angedeutet. Der anschließend mittels der Messvorrichtung 5 messbare Zeitverlauf der Druckdifferenz über der Trennwand 2 resultiert aus der Relation der Viskositäten der sensitiven Flüssigkeit in den beiden Verengungen, wobei die Viskosität in der zweiten Fließbahn als Referenz dient. Der Affinitätssensor kann so gestaltet werden, dass die beiden kapillaren Fließbahnen nebeneinander auf der gleichen Sonde liegen, so dass der Temperatureffekt auf die Viskosität im Mess-Signal kompensiert wird.
  • Es ist ebenfalls möglich, dass die Fließbahn ein nicht mit der sensitiven Flüssigkeit vermischbares Fluid, beispielsweise ein Öl, enthält, das die Fließbahn zwischen der elastischen Trennwand und der strömungsbegrenzenden Verengung, ohne diese zu erreichen, füllt. Dieses Fluid dient damit zur Druckvermittlung zwischen elastischer Trennwand und der sensitiven Flüssigkeit.
  • Der Raum, welcher die elastische Trennwand aufweist, kann auch durch vergleichsweise lange Zuleitungen, die mit der sensitiven Flüssigkeit oder dem Fluid gefüllt ist, mit dem Vorraum verbunden werden. Dadurch kann die die strömungsbegrenzende Verengung sowie den Aufnahmeraum umfassende Sonde als kleine und leicht implantierbare separate Sonde ausgeführt werden. Der Vorraum kann ebenfalls in der Sonde untergebracht sein, und mit der elastischen Trennwand über das in der Zuleitung enthaltene Fluid kommuniziert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann in allgemeinen Worten auch wie folgt zusammengefasst werden:
    • – Bereitstellen einer an zwei Enden abgeschlossenen Fließbahn, die eine in Diffusionsaustausch hinsichtlich eines Analyten mit einer äußeren Matrix stehende strömungsbegrenzende Verengung, welche zwischen einem ersten Raum und einem zweiten Raum der Fließbahn angeordnet ist, aufweist, wobei die Fließbahn mit einer sensitiven Flüssigkeit, deren Viskosität von der Konzentration des Analyten abhängt, zumindest teilweise gefüllt ist und auf der Seite des ersten Raums durch eine elastische Trennwand von einem Außenraum getrennt ist;
    • – Hervorrufen einer Druckdifferenz in der Fließbahn zwischen dem Vorraum und dem Aufnahmeraum;
    • – Ermitteln der zeitlichen Verlaufs der Druckdifferenz über der elastischen Trennwand,
    • – Ermitteln der Konzentration des Analyten aus dem ermittelten zeitlichen Verlauf.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen viskosimetrischen Affinitätssensor mit einer Mikrodialyse-Sonde mit sehr kleinem Durchmesser und sehr kleinem Volumen des implantierbaren Teils, in die nur eine kapillare Fließbahn integriert ist. Der erfindungsgemäße Affinitätssensor kann aus industriell gefertigten marktüblichen Teilen hergestellt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der Viskosität der in einer Dialysesonde fließenden sensorischen Flüssigkeit wird die kapillare Fließbahn an einem Ende von einer elastischen Trennwand von einem Außenraum getrennt und besitzt am anderen Ende einen abgeschlossenen Aufnahmeraum. In der kapillaren Fließbahn befindet sich eine strömungsbegrenzende Verengung, die für den Analyten von außen auf dem Wege der Diffusion durch eine Mikrodialyse-Membran zugänglich ist. Beim Messvorgang wird durch einen in den Sensor integrierten Aktor auf die elastische Trennwand eine Kraft ausgeübt. Hierbei wird die sensitive Flüssigkeit durch die strömungsbegrenzende Verengung der kapillaren Fließbahn bewegt, und der von der Konzentration des Analyten abhängige Zeitverlauf der Druckdifferenz über die elastische Trennwand wird durch eine in den Sensor integrierte Messvorrichtung registriert. Das Messprinzip eignet sich für die Erfassung einer Messgröße, die auf einen Referenzwert definierter Analytkonzentration bezogen ist.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Messung der Konzentration niedermolekularer Analyte auf der Basis der Affinitätsviskosimetrie, wobei auf eine elastische Trennwand (2), die zwischen einem Außenraum (1) und einer eine sensitive Flüssigkeit enthaltenden, an zwei Enden abgeschlossenen Fließbahn (3) liegt, eine Kraft ausgeübt wird, wodurch in der flüssigkeitsgefüllten Fließbahn (3) eine Strömung zwischen der elastischen Trennwand (2) und einem Aufnahmeraum (7) ausgelöst wird, die durch eine Verengung (6) der durch eine Dialysemembran (9) mindestens teilweise begrenzten Fließbahn (3) führt und der Zeitverlauf der Druckdifferenz über die elastische Trennwand (2) gemessen wird.
  2. Viskosimetrischer Affinitätssensor, aufweisend: – eine mit einer sensitiven Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllte zweiseitig abgeschlossene Fließbahn (3), die einen Aufnahmeraum (7), eine strömungsbegrenzende Verengung (6) und einen Vorraum (8) umfasst, wobei die Verengung (6) zwischen dem Aufnahmeraum (7) und dem Vorraum (8) angeordnet ist, und der Vorraum (8) durch eine elastische Trennwand (2) von einem Außenraum (1) abgegrenzt ist, – eine Dialysemembran (9), welche zumindest einen Teilbereich der Fließbahn (3) nach außen abschließt, – zumindest einen Aktor (4) zur Ausübung einer Kraft auf die elastische Trennwand (2), und – eine Messvorrichtung (5) zum Registrieren des von der Viskosität der sensitiven Flüssigkeit abhängigen Zeitverlaufes der Druckdifferenz zwischen dem Außenraum (1) und dem Vorraum (8), – wobei die Verengung (6), durch welche die sensitive Flüssigkeit strömen kann, so ausgebildet ist, dass jede Position des Lumens der Fließbahn in der Verengung (6) durch einen Diffusionsweg von weniger als 1 mm von der Dialysemembran (9) entfernt ist.
  3. Viskosimetrischer Affinitätssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (7) so ausgebildet ist, dass er ein begrenztes Flüssigkeitsvolumen aufnehmen oder abgeben kann.
  4. Viskosimetrische Affinitätssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Affinitätssensor ein implantierbares Teil aufweist, welches zumindest den Abschnitt der Fließbahn umfasst, in dem die strömungsbegrenzende Verengung (6) angeordnet ist.
  5. Viskosimetrischer Affinitätssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsbegrenzende Verengung (6) durch ein Mikrodialyse-Hohlfaser-Segment oder ein Mikrodialyse-Hohlfasersegment mit integrierte/n Festkörper(n) gebildet wird.
  6. Viskosimetrischer Affinitätssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (7) durch eine Kapillare mit undurchlässiger Wand, die ein begrenztes Gasvolumen enthält, gebildet wird.
  7. Viskosimetrischer Affinitätssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) so ausgebildet ist, dass er zur Ausübung der Kraft auf die Trennwand (2) eine Druckänderung im Außenraum (1), im Aufnahmeraum (7) oder/und in der Fließbahn (3) zwischen der Verengung (6) und der elastischen Trennwand (2) hervorrufen kann.
  8. Viskosimetrischer Affinitätssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenraum (1) zumindest teilweise gasgefüllt ist und an eine Gaspumpe anschließbar ist.
  9. Viskosimetrischer Affinitätssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) zur Übertragung einer elektrischen oder magnetischen Kraft direkt auf die elastische Trennwand (2) ausgebildet ist.
  10. Viskosimetrischer Affinitätssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenraum (1) über eine von undurchlässigen Wänden begrenzte weitere Fließbahn (33), die eine strömungsbegrenzende Verengung (36) umfasst, mit einem weiteren Aufnahmeraum (37) verbunden ist, wobei die weitere Fließbahn (33) ebenfalls sensitive Flüssigkeit enthält.
  11. Viskosimetrischer Affinitätssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (24) oder zwei Aktoren so ausgebildet ist bzw. sind, dass auf beide Räume zwischen der elastischen Trennwand (2) und der jeweiligen strömungsbegrenzenden Verengung (26, 36) der beiden Fließbahnen (23, 33) oder auf beide Aufnahmeräume (27, 37) die gleiche Kraft oder zwei definierte Kräfte ausgeübt werden können.
  12. Viskosimetrischer Affinitätssensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beide Fließbahnen (23, 33) auf einer implantierbaren Sonde liegen.
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