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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Biosensor und dessen Herstellung,
mittels dessen biologische Flüssigkeiten wie beispielsweise
Blut, Urin, Speichel oder Zellflüssigkeit untersucht werden.
Unter einem Biosensor, im Allgemeinen Microfluidic Devices genannt,
werden im Folgenden auch analytische Teststreifen, auch als medizinischer
Diagnosestreifen bekannt, subsumiert.
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In
der modernen Medizindiagnostik werden eine immer größere
Anzahl Biosensoren, verwendet. Mit Hilfe dieser Biosensoren können
zum Beispiel biologische Flüssigkeiten wie Blut, Urin,
Speichel zum einen auf Krankheitserreger, Unverträglichkeiten,
DNA- oder Enzym-Aktivität und zum anderen auf Gehalt an
Glukose, Cholesterol, Proteinen, Ketonen, Phenylalanin oder Enzymen
untersucht werden.
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Auf
den Biosensoren finden Nachweisreaktionen oder Reaktionskaskaden
statt. Dazu muss die biologische Testflüssigkeit zu dem
Reaktionsort beziehungsweise zu den unterschiedlichen Reaktionsorten
transportiert werden. Die modernen Biosensoren bestehen daher aus
zumindest einem Mikrokanal oder einem Mikrokanalsystem, durch das
die Testflüssigkeit transportiert wird. Die Mikrokanäle
haben typischerweise eine Höhe und Breite von 5 bis 1500 μm.
Der Transport innerhalb der Kanäle erfolgt durch Kapillar-
oder Zentrifugalkräfte. Die Ergebnisse der Nachweisreaktionen
werden zumeist optisch oder elektrochemisch ausgelesen.
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Eines
der ersten Patente auf dem technischen Feld der Teststreifen ist
bereits 1964 erschienen. In
US 1,073,596
A werden ein Diagnosetest und die Teststreifen zur Analysierung
biologischer Körperflüssigkeiten speziell zur
Blutzuckerbestimmung beschrieben. Der Diagnosetest funktioniert über
die Bestimmung einer Farbänderung, die durch eine Enzymreaktion
ausgelöst wird.
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Die
Bestimmung einer Konzentrationsänderung eines Farbstoffes
(Kolorimetrische Methode) ist auch heute noch ein verwendetes Verfahren
bei der Blutzuckerbestimmung mittels Diagnoseteststreifen. Dabei
reagiert das Enzym Glukose-Oxidase/Peroxidase mit dem Blutzucker.
Das entstehende Wasserstoffperoxid reagiert anschließend
mit einem Indikator wie zum Beispiel O-Tolidine, was zu einer Farbreaktion
führt. Diese Farbveränderung kann durch kolorimetrische
Methoden verfolgt werden. Der Grad der Verfärbung ist direkt proportional
zur Blutzuckerkonzentration. Das Enzym befindet sich hier auf einem
Gewebe.
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Dieses
Verfahren wird zum Beispiel in
EP 0 451 981 A1 und
WO 93/03673 A1 beschrieben.
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Die
moderne Entwicklung der Diagnoseteststreifen zielt auf eine Verkürzung
der Messzeit zwischen der Blutaufgabe auf den Teststreifen und dem
Erscheinen des Messwertes. Die Messzeit beziehungsweise die Zeit
zwischen Aufgabe des Blutes auf den Diagnosemessstreifen bis zur
Anzeige des Messwertes ist neben der eigentlichen Reaktionszeit
der Enzymreaktion und der Folgereaktionen ebenfalls erheblich davon
abhängig, wie schnell das Blut innerhalb des Diagnosestreifens
von der Blutaufgabestelle zum Reaktionsort, das heißt zum
Enzym, transportiert wird.
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Zur
Verkürzung der Messzeit werden unter anderem hydrophil
ausgerüstete Vliese oder Gewebe wie in
US 6,555,061 B verwendet,
um das Blut schneller zum Messbereich (Enzym) zu transportieren.
Das weitere Messverfahren ist identisch mit dem in
EP 0 451 981 A1 beschriebenen.
Für den Aufbau des Diagnosestreifens wird ein doppelseitiges
Standard-Klebeband (Scotch
® 415)
verwendet. Oberflächenmodifizierte Gewebe mit einem Dochteffekt
für die biologische Flüssigkeit werden in
WO 93/03673 A1 ,
WO 03/067252 A1 und
US 2002/0102739 A1 beschrieben.
In Letzter wird durch eine Plasmabehandlung des Gewebes ein Bluttransport von
1,0 mm/s erreicht. Bei der Verwendung von Geweben für den
Transport der biologischen Testflüssigkeit wie zum Beispiel
Blut wird jedoch ein Chromatographieeffekt beobachtet, das heißt,
die Einzelbestandteile wie Zellen werden von den flüssigen
Bestandteilen getrennt. Der Chromatographieeffekt wird explizit
in der
WO 03/008933
A2 zur separaten Untersuchung der Blutbestandteile ausgenutzt.
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Eine
Weiterentwicklung zur kolorimetrischen Messmethode ist die elektrische
Bestimmung der Änderung des Oxidations-Potentials an einer
mit dem Enzym belegten Elektrode. Dieses Verfahren und ein entsprechender
Diagnoseteststreifen sind in der
WO 01/67099 A1 beschrieben. Der Aufbau des
Diagnosestreifens erfolgt durch eine Bedruckung von verschiedenen
Funktionsschichten wie elektrischen Leitern, Enzym, und Schmelzklebstoff
auf das Basismaterial aus zum Beispiel Polyester. Anschließend
wird durch thermische Aktivierung des Klebers ein nicht näher
beschriebener hydrophiler Film dazukaschiert. Der hydrophile Film
dient auch hier zur Beschleunigung des Transports des Bluts zur
Messzelle.
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Bei
diesem Aufbau ist kein Gewebe oder Vlies zum Bluttransport notwendig.
Der Vorteil dieses Aufbaus und der Vorteil der neuen Messmethode
sind, dass die Messung des Blutzuckergehaltes mit sehr viel weniger
Blutvolumen von etwa 5 bis 10 μl und in kürzerer
Messzeit stattfinden kann.
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In
der
US 5,997,817 A wird
ein elektrochemischer Biosensor beschrieben, bei dem der Transport
der biologischen Flüssigkeit ebenfalls über eine
hydrophile Beschichtung realisiert wird. Bei der Beschichtung handelt
es sich um ARCARE 8586 (kommerziell nicht verfügbar) von
Adhesive Research Inc. Der Transport der biologischen Flüssigkeit
wird in einem speziellen, aber nicht näher beschriebenen
Kapillartest bewertet.
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In
der
DE 102 34 564
A1 wird ein Biosensor beschrieben, der aus einem planaren
Sensor oder Teststreifen und einem kompartimentierten Reaktions-
und Messkammeraufsatz, der durch Prägung einer PVC-Folie
hergestellt ist, zusammengesetzt ist. Der Messkammeraufsatz besteht
aus einem sehr speziellen Prägedesign aus Probeaufnahmekanal,
Messkammer, Probenstoppkanal und Probenauffangraum. Die Prägetiefe
dieser Kompartimentierung beträgt 10 bis 300 μm.
Der Probenaufnahmekanal und die Messkammer werden für den
Transport der biologischen Flüssigkeit mit einem hydrophilen
Gewebe oder einer Tensidbeschichtung ausgerüstet.
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In
der
DE 102 11 204
A1 wird eine Durchflussmesszelle zur kontinuierlichen Glucose-Bestimmung
beschrieben. Die Messzelle besteht aus einer planer strukturierten
Folie, die einen kleinen Einlasskanal und einen wesentlich größeren
Auslasskanal bildet, wobei beide Kanäle über einen
definierten Winkel ineinander münden.
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Als
weitere typische Anwendungen seien beispielhaft Biosensoren (zum
Beispiel
US 5,759,364
A1 ) und Blutzuckerteststreifen (zum Beispiel
WO 2005/033698 A1 ,
US 5,997,817 A1 )
erwähnt.
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Die
meisten dieser Biosensoren bestehen aus einem Messkanal, in dem
die biologische Flüssigkeit, der Analyt, hineinfließen
muss, damit dieser in einer Nachweisreaktion auf bestimmte Inhaltsstoffe
untersucht werden kann. Der Flüssigkeitstransport wird
zumeist über eine hydrophile Beschichtung gewährleistet.
Oftmals enthält die hydrophile Beschichtung oberflächenaktive
Substanzen. Es gibt verschiedene Patente, die sich mit dem Thema
einer hydrophilen Beschichtung beschäftigen. Beispielhaft
seien die
US 2005/0084681
A1 , die
EP 1
647 568 A1 , die
US
6,969,166 B2 , die
US 2002/0110486 A1 und die
EP 1 394 535 A1 genannt.
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In
dem Messkanal ist ein unkontrollierter Transport beziehungsweise
eine unkontrollierte Bewegung der biologischen Flüssigkeit
unerwünscht, da das den Messwert negativ beeinflusst. Des
Weiteren geht der Trend zu der Entwicklung von Biosensoren mit immer
geringeren Flüssigkeitsvolumen, um dadurch bei zum Beispiel
Diabetespatienten die Schmerzen bei der Blutentnahme zu verringern.
Gelöst wird diese Aufgabe oft durch Biosensor-Designs mit
einem zum Ende geschlossenen Messkanal, so dass hierdurch das Flüssigkeitsvolumen
durch die Messkanalgeometrie genau definiert ist. Dadurch ergibt
sich jedoch eine weitere Aufgabenstellung. Der Messkanal muss an
seinem geschlossenen Ende eine Belüftungsmöglichkeit
haben, da ansonsten die Flüssigkeit nicht in den Kanal
fließen kann.
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Die
Aufgabe der Belüftung des Messkanals ist bereits gelöst
und wird unter anderem in den folgenden Veröffentlichungen
beschrieben. In der
WO
2004/113901 A1 , der
DE 197 53 851 A1 und der
WO 99/29429 A1 werden verschiedene
Abdeckfolien so über den Messkanal aufgebracht, dass diese
durch Überlappungen oder Stoß-an-Stoß-Verklebung
einen kleinen Spalt bilden, der dann zur Belüftung des
Messkanals dient. In der
US
7,086,277 B2 , der
EP
1 156 325 A1 , der
EP
0359 831 A1 , der
US
5,997,817 B2 wird die Abdeckfolie mit einem Luftloch versehen.
In der
US 6,939,450
B2 wird die Aufgabe der Belüftung dadurch gelöst,
indem ein Luftkanal durch Prägung in der Abdeckfolie erzeugt
wird, welcher als Belüftungskanal dient.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Biosensor zur Verfügung
zu stellen, der entsprechend den Anforderungen für die
analytische Untersuchung von biologischen Flüssigkeiten
geeignet ist und der im Speziellen den schnellen Transport der biologischen
Flüssigkeit in den Messkanal durch eine spezielle Belüftung
gewährleistet. Hierbei ist weiterhin zu gewährleisten,
dass die Eigenschaften und im Speziellen die Transporteigenschaften
im Messkanal des Biosensors auch nach einer langen Lagerzeit erhalten
bleiben.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch einen Biosensor, wie er im Hauptanspruch
niedergelegt ist. Gegenstand der Unteransprüche sind vorteilhafte
Weiterentwicklungen des Erfindungsgegenstandes. Des Weiteren umfasst
die Erfindung die Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen
Biosensors unter anderem in medizinischen Sensoren oder Diagnosestreifen
zur Untersuchung von biologischen Flüssigkeiten.
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Demgemäß betrifft
die Erfindung einen Biosensor, mittels dessen biologische Flüssigkeiten
untersucht werden, umfassend zumindest folgende Schichten,
- • eine Funktionsschicht A1, welche
die Basisschicht des Biosensors darstellt,
- • eine Funktionsschicht A3, welche aus einer Polymerfolie
besteht, die zumindest partiell eine hydrophile Beschichtung aufweist,
und
- • einem beidseitig klebenden Haftklebeband A2, das
die Funktionsschichten A1 und A3 miteinander verbindet und in dem
ein Messkanal vorgesehen ist, dessen Deckel von der Funktionsschicht
A3 und dessen Boden von der Funktionsschicht A1 gebildet wird,
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Die
Polymerfolie der Funktionsschicht A3 weist auf der Innenseite, die
eine Wandung des durch die Funktionsschicht A2 gebildeten Messkanal
bildet, zumindest einen, bevorzugt genau einen Belüftungsritz
auf, der so über den Messkanal angeordnet ist, dass der
Belüftungsritz den Messkanal belüftet.
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Dieser
Belüftungsritz ermöglicht eine Befüllung
des ansonsten geschlossenen Messkanals mit der biologischen Flüssigkeit,
weil die von der Flüssigkeit verdrängte Luft aus
dem Messkanal durch den Belüftungsritz entweichen kann.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
der Messkanal, der durch die Funktionsschichten A1 und A3 sowie
durch das Haftklebeband A2, das in Form eines Stanzlings vorliegt, gebildet
wird, nur an der vorderen Seite des Biosensors eine Öffnung
auf, die die Aufgabeöffnung für die biologische
Flüssigkeit darstellt. Am anderen Ende, im Inneren des
Biosensors ist der Messkanal geschlossen. Des Weiteren wird der
Messkanal nur durch den Belüftungsritz zu mindestens einer
Seite des Biosensors belüftet, wobei der Belüftungsritz
in der Polymerfolie der Funktionsschicht A3 so über dem
Messkanal positioniert ist, dass er sich annähernd am Ende
des Messkanals befindet.
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Der
Belüftungsritz wird bevorzugt mit einem Schneid- oder Stanzwerkzeug
in der Polymerfolie der Funktionsschicht A3 erzeugt.
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Als
Basismaterial für die Funktionsschicht A3 werden die dem
Fachmann geläufigen und üblichen Trägermaterialien
wie Folien aus Polyethylen (HDPE, LDPE, MDPE oder Copolymere aus
Ethylen und einem weiteren Olefin wie Propen, Buten, Hexen oder
Octen zum Beispiel LLDPE, VLLDE), Polypropylen-Homopolymere, Polypropylen-Random-Copolymere
oder Polypropylen-Block-Copolymere), Polyvinylchlorid, Polyester;
Polyacrylat, Polycarbonat und besonders bevorzugt Polyethylenterephthalat
(PET) verwendet. Hierbei kann es sich um Monofolien, coextrudierte
oder laminierte Folien, die unverstreckt, monoaxial oder biaxial
versteckt sind, handeln. Diese Aufzählung ist beispielhaft
und nicht abschließend zu verstehen.
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Die
Oberfläche der Folien kann durch geeignete Verfahren wie
zum Beispiel Prägen, Ätzen oder Lasern mikrostrukturiert
sein.
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Die
Verwendung von Laminaten, Coextrudaten, Vliesen, Geweben oder Membranen
ist ebenfalls möglich.
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Die
Trägermaterialien können zur besseren Verankerung
der Beschichtung nach den Standardverfahren chemisch oder physikalisch
vorbehandelt sein, beispielhaft seien Corona- oder die Flammenbehandlung genannt.
Zur Haftvermittlung ist ebenfalls eine Primerung des Trägermaterials
mit zum Beispiel PVC, PVDC, Polyurethanen oder thermoplastischen
Polyestercopolymeren möglich.
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Die
Dicke der Trägerfolie der Funktionsschicht A3 beträgt
gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung 12 bis 350 μm und weiter vorzugsweise 25 bis
150 μm.
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Die
Funktionsschicht A3 ist vorzugsweise mit einer hydrophilen Beschichtung
oder Bedruckung versehen, die eine Oberflächenspannung
von mindestens 60 mN/m und einen Kontaktwinkel mit Wasser von kleiner als
30° aufweist.
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Die
Schichtdicke der hydrophilen Beschichtung beträgt gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform maximal 3 μm
und vorteilhafterweise maximal 1,5 μm.
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Die
Funktionsschicht A3 weist bevorzugt eine hydrophile Beschichtung,
die zumindest partiell aufgebracht ist, und einen Belüftungsritz
auf. Die hydrophile Beschichtung stellt zum einen sicher, dass die
Testflüssigkeit in den Messkanal fließt. Hierzu
sollte sich der hydrophile Bereich bis an die vordere Kante der
Eintrittsöffnung des Messkanals erstrecken. Falls dies
nicht der Fall ist, ist es kaum möglich, die Testflüssigkeit,
vor allem wenn es sich um eine Flüssigkeit mit einer höheren
Viskosität wie zum Beispiel Blut handelt, in den Messkanal
zu transportieren. Zum anderen ist der hydrophile Bereich ebenfalls
wichtig für einen möglichst schnellen Transport
der Testflüssigkeit in den Messkanal, so dass möglichst
schnell mit der Messung begonnen werden kann, um somit eine möglichste
kurze Messzeit realisieren zu können. Die Messzeiten bei
heute im marktbefindlichen Blutzuckerteststreifen betragen drei
Sekunden.
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Der
hydrophile Bereich wird entweder vollflächig oder partiell
auf die Funktionsschicht A3 aufgetragen. Der vollflächige
Auftrag erfolgt vorteilhafterweise in einem Beschichtungsverfahren.
Als Beschichtungsverfahren eigen sich beispielsweise Spray-Coating,
Rasterwalzenauftrag, Mayer-Bar-Beschichtung, Mehrwalzenauftragsbeschichtung,
Kondensationsbeschichtung aber auch Druckverfahren. Eine partielle
Beschichtung erfolgt bevorzugt mit einem Druckverfahren bevorzugt
im Flexodruck. Die Viskosität der Beschichtungslösung
ist hierbei dem Druckverfahren angepasst. Das wird üblicherweise
mit einem Polymer als Bindemittel erreicht.
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Die
Beschichtung besteht bevorzugt aus zumindest einem Tensid, vorzugsweise
einem anionischen Tensid und besonders bevorzugt einem Tensid auf
Basis eines Sulfobernsteinsäureester-Salzes.
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Das
Tensid ist maßgeblich für die hydrophilen Eigenschaften
verantwortlich. Als Tenside können Verbindungen aus linearen
oder verzweigten Alkyl-, Alkylbenzyl-, perfluorierten Alkyl- oder
Siloxane-Gruppen mit hydrophilen Kopfgruppen wie anionischen Salzen
von Carbonsäuren, Phosphorsäuren, Phosphonsäuren,
Sulfaten, Sulfonsäuren, Sulfobernsteinsäure, kationischen
Ammoniumsalzen oder nichtionischen Polyglycosiden, Polyaminen, Polyglycolestern,
Polyglycolethern, Polyglycolaminen, polyfunktionellen Alkoholen
oder Alkoholethoxylaten verwendet werden. Diese Auswahl ist eine
beispielhafte Aufzählung und stellt keine Einschränkung
des erfinderischen Gedankens auf die genannten Tenside dar.
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Beispielhaft
seien folgende geeignete Tenside genannt:
- • nichtionische
Fettalkoholethoxylate-Tenside zum Beispiel Tego Surten® W111
von Evonik AG oder Triton® X-100
und Tergitol® 15-S von Dow Chemicals
Inc
- • nichtionische Fluortenside zum Beispiel Fluorad® FC-4430 und FC-4432 von 3 M Inc.,
Zonyl® FSO-100 von DuPont Inc.
und Licowet® F 40 von Clariant
AG
- • nichtionische Silicontenside zum Beispiel Q2-5211
und Sylgard® 309 von Dow Corning
Inc., Lambent® 703 von Lambent
Technologie Inc. und Tegopren® 5840
von Evonik AG
- • ionisches Alkylsulfat-Salz zum Beispiel Rewopol® NLS 28 von Evonik GmbH
- • ionisches Sulfobernsteinsäuresalze zum Beispiel
Lutensit® A-BO von BASF AG oder
Rewopol® SB DO von Evonik GmbH
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Besonders
bevorzugt werden ionische Sulfobernsteinsäuresalze und
ganz besonders bevorzugt Natrium-diisooctyl-sulfosuccinat (CAS-Nummer
577-11-7) als Tensid verwendet. Die ionischen Sulfobernsteinsäuresalze
sind besonders geeignet, da sie sich durch ein sehr gutes Benetzungsverhalten
mit sehr guter Alterungsbeständigkeit und geringer Mobilität
auszeichnen. Das sehr gute Benetzungsverhalten zeigt sich in einer Oberflächenspannung
von mindestens 60 mN/m und in einem Kontaktwinkel mit Wasser von
kleiner als 30°. Das Benetzungsverhalten ändert
sich auch nicht nach einer langen Lagerungszeit, welche durch eine
Schnellalterung bei erhöhten Temperaturen von zum Beispiel
70°C simuliert werden kann. Eine geringe Mobilität
des Tensids ist notwendig, um eine Übertragung des Tensids
auf Führungswalzen im Produktions- und Verarbeitungsprozess
zu vermeiden.
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Vorteilhafterweise
kann die Beschichtung für den hydrophilen Bereich ebenfalls
noch mindestens ein Polymer als Bindemittel enthalten. Als Polymer
können alle aus der Druckfarbenindustrie bekannten filmbildenden
Bindemittel verwendet werden. Vorteilhafterweise wird als Bindemittel
ein Polymer mit polaren funktionellen Gruppen wie zum Beispiel Hydroxyl-,
Carboxyl-, Ether-, Ester-, Amin-, Amid-Gruppen verwendet. Beispielhaft
und nicht einschränkend seien als geeignete Binder Homo-
oder Copolymere wie Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylbuteral Polyester,
Polyacrylat, Polyacrylsäure, Polyvinylayetat, Polyvinylalkohol,
Polyacrylamid, Polyamid, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol,
Cellulose-Derivate genannt.
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Vorteilhafterweise
wird für die hydrophile Beschichtung Wasser als Lösemittel
verwendet. Folglich sollte das Bindemittel wasserlöslich
sein.
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In
einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen
Beschichtungslacks wird ein Polyvinylalkohol als Binder eingesetzt.
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Die
hydrophile Beschichtung kann ebenfalls weitere Additive wie organische
Farbstoffe oder anorganische Pigmente, Alterungsschutzmittel und/oder
Füllstoffe enthalten (siehe hierzu „Plastics Additives
Handbook", Kapitel „Antioxidants", „Colorants", „Fillers",
Carl Hanser Verlag, 5. Auflage).
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Die
wässrige Beschichtungslösung wird in einem Druckverfahren
vorzugsweise im Flexodruck vollflächig oder partiell aufgetragen.
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Die
Funktionsschicht A3 ist zumindest mit einem ununterbrochenen Belüftungsritz,
der vorteilhafterweise mit einem rotativen Stanzwerkzeug mit endlosem
Stanzmesser erzeugt wird, versehen. Der Belüftungsritz
befindet sich als Vertiefung in der Polymerfolie der Funktionsschicht
A3. Der Belüftungsritz in der Polymerfolie ist derart über
dem Messkanal positioniert, dass er sich vorteilhafterweise annähernd
am entgegen gesetzten Ende zur Aufgabeöffnung des Messkanals
befindet und zur Innenseite des Messkanals zeigt.
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Bei
der Wahl der Tiefe des Belüftungsritzes ist zu beachten,
dass mit zunehmender Tiefe eine Verringerung der Festigkeit des
Trägermaterials einhergeht. Bei einer zu tiefen Einkerbung
der Funktionsschicht A3 ist eine problemlose Verarbeitung des Materials
nicht mehr möglich. Auf der anderen Seite führt
eine zu geringe Tiefe des Belüftungskanals zu eine Beeinträchtigung
beziehungsweise zum Verlust der Funktionstüchtigkeit des
Biosensors, da der Messkanal in diesem Fall nicht mehr ausreichend
belüftet wird und dadurch die Testflüssigkeit
nur sehr langsam oder gar nicht mehr in den Messkanal fließen
kann. Der Verlust der Funktionstüchtigkeit tritt vor allem
nach einer Lagerung auf.
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Der
Belüftungsritz in der Funktionsschicht A3 weist somit vorzugsweise
eine Tiefe von 10 μm bis maximal 90% der Dicke der Polymerfolie
auf, weiter vorzugsweise von 40 μm bis maximal 75% der
Dicke der Polymerfolie.
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Die
Tiefe der Belüftungskanals wird über die Eindringtiefe
des Schneidwerkzeugs bestimmt. Das Höhenprofil des Stanzwerkzeuges
wird entsprechend von dem Werkzeughersteller eingestellt und kontrolliert. Entsprechende
Schneid- und Stanzwerkzeuge können beispielsweise von Rotometrix
GmbH, Spilker GmbH, Schober GmbH und Electo Optic GmbH bezogen werden.
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Das
Ritzen, das heißt die Erzeugung des Belüftungsritzes
der Funktionsschicht A3, kann an verschiedenen Stellen des Herstellprozesses
erfolgen. Der Träger kann vor oder nach der hydrophilen
Beschichtung oder direkt im Laminierschritt mit der Funktionsschicht
A2 angeritzt werden. Hierzu können alle handelsüblichen
Schneid-, Ritz- oder Stanzverfahren benutzt werden, die die benötigte
Präzision für das Ritzen mitbringen. Bevorzugt
eignet sich hierzu das Verfahren des rotativen Stanzens, das inline
im Laminierschritt mit der Funktionsschicht A2 durchgeführt
wird.
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Vorzugsweise
erstreckt sich der Ritz vom Ende des Messkanals in dem Biosensor
ausgehend in gerader Linie in Quer- oder Längsrichtung
des Biosensors bis zur Außenkante des Biosensors.
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Der
Ritz kann sich aber über die gesamte Länge beziehungsweise
Breite der Funktionsschicht A3 und damit des Biosensors erstrecken,
wesentlich ist, dass der Ritz den Messkanal in der Nähe
des geschlossenen Endes schneidet.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf einen geraden Belüftungsritz
beschränkt. Der Belüftungsritz kann hingegen ebenfalls
mit einem geeigneten Werkzeug in Form einer Schlänget-
oder einer Zick-Zack-Linie ausgeführt sein. Der Querschnitt
des Ritzes ist vorteilhafterweise von der Polymerfolienaußenseite
in Richtung des Inneren des Biosensors spitz zulaufend. Die Breite
des Belüftungsritzes an der breitesten Stelle (der Polymerfolienoberfläche)
beträgt vorteilhafterweise maximal 250 μm und
besonders vorteilhaft maximal 150 μm.
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Der
Ritz hat bevorzugt ein dreieckiges Profil, wobei die Breite der
Basis des Profils annähernd der Tiefe des Profils entspricht.
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Das
Haftklebeband A2 besteht weiter vorteilhafterweise aus einer Haftklebemasse
mit einer hohen Scherfestigkeit, wobei deren Scherfestigkeit bei
25°C, 40°C und 70°C und einer Gewichtsbelastung
von 1000 g größer als 10.000 min ist und deren
Scherdeformation nach 15 min bei 40°C unter einer Belastung
von 500 g kleiner als 130 μm und vorzugsweise kleiner als
80 μm ist.
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In
dem Haftklebeband ist der Messkanal vorgesehen, dessen zwei weitere
Wandungen durch die Funktionsschichten A1 und A3 gebildet werden.
Vorteilhafterweise wird der Messkanal in einem Stanzverfahren aus
dem Haftklebebandstreifen beziehungsweise -stanzling ausgestanzt.
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Besonders
vorteilhaft bildet das Haftklebeband einen Messkanal aus zwei parallelen
Seitenwandungen, wobei der Messkanal nur zu einer Seite offen ist.
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Das
Haftklebeband der Funktionsschicht A2 kann sowohl aus einer oder
mehreren Schichten eines Transfer-Haftklebeband (Haftklebeband ohne
Trägerfolie), welche mit Trägerfolien laminiert
sein können, als auch aus einem doppelseitigen Haftklebeband
mit einer Trägerfolie, die beidseitig jeweils mit der Haftklebemasse
beschichtet ist, bestehen. Die Klebemassen sowie die Klebmassenaufträge
auf der oberen und der unteren Seite des Haftklebebands können
identisch sein, können aber auch unterschiedlich gewählt
sein, um den jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden.
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Die
Summe des Auftrages der Klebemassenschichten in der Funktionsschicht
A2 beträgt in einer vorteilhaften Ausführungsform
höchstens 70 g/m2 und vorzugsweise
höchstens 50 g/m2.
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Weiter
vorzugsweise besteht das Haftklebeband aus einer Trägerfolie
aus Polyester, die auf jeder Seite vorteilhaft mit höchstens
35 g/m2 und weiter vorzugsweise mit höchstens
25 g/m2 einer Haftklebemasse beschichtet
ist.
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Die
charakteristische Eigenschaft des erfindungsgemäßen
Biosensors ergibt sich aus der Kombination zwischen dem Haftklebeband
der Funktionsschicht A2 und der Funktionsschicht A3, wobei die Haftklebemasse
beziehungsweise Haftklebemasse des Haftklebebands eine hohe Kohäsion
beziehungsweise Scherfestigkeit aufweisen. Die Verwendung einer
Haftklebemasse mit einer hohen Scherfestigkeit ist notwendig, um Klebmasserückstände
im Herstellprozess der Biosensoren zu vermeiden und dadurch den
Produktionsprozess effizient zu gestalten sowie um ein Eindringen
der Haftklebmasse in den Belüftungsritz zu vermeiden. In der
Regel weisen Haftklebemassen immer ein gewisses Fließverhalten,
den so genannten kalten Fluss, auf. Dieser kalte Fluss ist bei Standardklebemassen
mit moderater Scherfestigkeit erheblich stärker ausgeprägt
als bei Haftklebemassen mit hoher Scherfestigkeit. Durch den kalten
Fluss kommt es dazu, dass Stanzformen über die Lagerzeit
keine Formtreue mit geringen Toleranzen halten, was für
die Herstellung eines hoch präzisen Messkanal von Bedeutung
ist, und des Weiteren werden Unebenheiten über die Zeit
mit der Haftklebemasse ausgeglichen. Aufgrund des letzten Punktes
kann es bei Verwendung einer Standardklebemasse zum Zusetzen beziehungsweise
Verstopfen des Belüftungsritzes durch den kalten Fluss
kommen. überraschenderweise wird bei dem erfindungsgemäßen
Biosensor mit der bevorzugten Haftklebemasse mit hoher Scherfestigkeit
kein Zusetzen des Belüftungskanals, auch nicht nach einer
Lagerzeit von 6 Wochen bei erhöhten Lagertemperaturen von
40 und 70°C beobachtet. Die hohe Scherfestigkeit der Haftklebemasse äußert
sich in einer hohen Scherfestigkeit von größer
10.000 min bei 70°C und einer Gewichtsbelastung von 1000
g sowie einer Scherdeformation nach 15 min bei 40°C unter
einer Belastung von 500 g kleiner als 130 μm und vorzugsweise
kleiner als 80 μm. Zusätzlich muss die Haftklebemasse
eine ausreichende Klebkraft aufweisen, um ein Delaminieren der Funktionsschichten
sowie das Unterlaufen der Testflüssigkeit zwischen Haftklebeband
und der Funktionsschicht zu vermeiden.
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Zur
Herstellung der Klebmasse des Haftklebebands mit den beschriebenen
Eigenschaften eignen sich Copolymere oder Copolymer-Gemische aus
Acrylat-Monomeren oder Styrol-Block-Copolymere mit zum Beispiel
Ethylen, Propylen, Butylen, Butadien, Hexen und/oder Hexadien als
Comonomeren.
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Die
Haftklebemasse des Haftklebebands besteht in der bevorzugten Ausführung
aus einem oder mehreren Copolymeren aus zumindest den folgenden
Monomeren
- c1) 70 bis 100 Gew.-% Acrylsäureester
und/oder Methacrylsäureester beziehungsweise deren freie
Säuren mit der folgenden Formel CH2 = CH(R1)(COOR2),
wobei
R1 = H und/oder CH3 und
R2 = H und/oder Alkylketten mit 1 bis 30
C-Atomen sind.
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Auch
hier können der zugrunde liegenden Monomermischung als
weitere Komponente
- c2) bis zu 30 Gew.-% olefinisch
ungesättigte Monomere mit funktionellen Gruppen zugesetzt
sein.
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In
einer sehr bevorzugten Auslegung werden für die Monomere
c1) Acrylmonomere eingesetzt, die Acryl- und Methacrylsäureester
mit Alkylgruppen bestehend aus 4 bis 14 C-Atomen, bevorzugt 4 bis
9 C-Atomen umfassen. Spezifische Beispiele, ohne sich durch diese
Aufzählung einschränken zu wollen, sind n-Butylacrylat,
n-Pentylacrylat, n-Hexylacrylat, n-Heptylacrylat, n-Octylacrylat,
n-Nonylacrylat, Laurylacrylat, Stearylacrylat, Behenylacrylat, und
deren verzweigten Isomere wie zum Beispiel t-Butylacrylat und 2-Ethylhexylacrylat.
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Weitere
Verbindungsklassen, die ebenfalls in geringen Mengen unter c1) hinzugesetzt
werden können, sind Methylmethacrylate, Cyclohexylmethacrylate,
Isobornylacrylat und Isobornylmethacrylate.
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In
einer sehr bevorzugten Auslegung werden für die Monomere
c2) Vinylester, Vinylether, Vinylhalogenide, Vinylidenhalogenide,
Vinylverbindungen mit aromatischen Cyclen und Heterocyclen in α-Stellung
eingesetzt.
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Auch
hier seien einige Beispiele genannt, ohne dass die Aufzählung
als abschließend zu betrachten ist:
Vinylacetat, Vinylformamid,
Vinylpyridin, Ethylvinylether, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid und
Acrylonitril.
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In
einer weiteren sehr bevorzugten Auslegung für die Monomere
c2) werden Monomere mit folgenden funktionellen Gruppen eingesetzt:
Hydroxy-,
Carboxy-, Epoxy-, Säureamid-, Isocyanato- oder Aminogruppen.
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In
einer vorteilhaften Variante werden für c2) Acrylmonomere
entsprechend der allgemeinen Formel CH2 = CH(R1)(COOR3), wobei
R1 = H oder CH3 ist
und der Rest R3 eine funktionelle Gruppe
darstellt oder beinhaltet, welche eine nachfolgende UV-Vernetzung
der Haftklebemasse unterstützt, welche zum Beispiel in
einer besonders bevorzugten Auslegung eine H-Donor Wirkung besitzt.
-
Besonders
bevorzugte Beispiele für die Komponente c2) sind Hydroxyethylacrylat,
Hydroxypropylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylmethacrylat,
Allylalkohol, Maleinsäureanhydrid, Itaconsäureanhydrid,
Itaconsäure, Acrylamid und Glyceridylmethacrylat, Benzylacrylat,
Benzylmethacrylat, Phenylacrylat, Phenylmethacrylat, t-Butylphenylacrylat,
t-Butylaphenylmethacrylat, Phenoxyethylacrlylat, Phenoxyethylmethacrylat,
2-Butoxyethylmethacrylat, 2-Butoxyethylacrylat, Dimethylaminoethylmethacrylat,
Dimethylaminoethylacrylat, Diethylaminoethylmethacrylat, Diethylaminoethylacrylat,
Cyanoethylmethacrylat, Cyanoethylacrylat, Gycerylmethacrylat, 6-Hydroxyhexylmethacrylat,
n-tert.-Butylacrylamid, n-Methylolmethacrylamid, n-(Buthoxymethyl)methacrylamid,
n-Methylolacrylamid, n-(Ethoxymethyl)acrylamid, n-Isopropylacrylamid,
Vinylessigsäure, Tetrahydrofufurylacrlyat, β-Acryloyloxypropionsäure,
Trichloracrylsäure, Fumarsäure, Crotonsäure,
Aconitsäure, Dimethylacrylsäure, wobei diese Aufzählung
nicht abschließend zu verstehen ist.
-
In
einer weiteren bevorzugten Auslegung werden für die Komponente
c2) aromatische Vinylverbindungen eingesetzt, wobei bevorzugt die
aromatischen Kerne aus C4 bis C18 bestehen
und auch Heteroatome enthalten können. Besonders bevorzugte
Beispiele sind Styrol, 4-Vinylpyridin, n-Vinylphthalimid, Methylstyrol, 3,4-Dimethoxystyrol,
4-Vinylbenzoesäure, wobei diese Aufzählung nicht
abschließend zu verstehen ist.
-
Zur
Herstellung der Polyacrylathaftklebemassen werden vorteilhaft konventionelle
radikalische Polymerisationen oder kontrollierte radikalische Polymerisationen
durchgeführt. Für die radikalisch verlaufenden Polymerisationen
werden bevorzugt Initiatorsysteme eingesetzt, die zusätzlich
weitere radikalische Initiatoren zur Polymerisation enthalten, insbesondere
thermisch zerfallende radikalbildende Azo- oder Peroxo-Initiatoren.
Prinzipiell eignen sich jedoch alle für Acrylate dem Fachmann
geläufigen, üblichen Initiatoren. Die Produktion
von C-zentrierten Radikalen ist im Houben Weyl, Methoden
der Organischen Chemie, Vol. E 19a, Seite 60 bis 147 beschrieben.
Diese Methoden werden in bevorzugter Weise in Analogie angewendet.
Zur vorteilhaften Weiterentwicklung sind der Polyacrylathaftklebemasse
des Haftklebebandes keinerlei Additive wie klebrigmachende Harze
oder Weichmacher (Plastifizierungsmittel) zugesetzt. Derartige Additive
erhöhen zwar die Klebkraft, können aber erheblich
die Scherfestigkeit der Haftklebemasse verringern und somit zu Klebmasseresten an
den Schneidwerkzeugen beim Schneidprozess der Biosensoren führen.
-
Zusammenfassend
weist die bevorzugte Ausführungsform des Haftklebebands
eine Polyacrylathaftklebemasse auf, das durch Coextrusion, Schmelz-,
Lösemittel- oder Dispersionsbeschichtung gefertigt wird. Besonders
bevorzugt ist eine Kommarakelbeschichtung der Polyacrylathaftklebemasse
aus einem geeigneten Lösemittel oder Lösemittelgemisch.
-
Das
erfindungsgemäße Haftklebeband kann optional eine
Trägerfolie enthalten, die beidseitig mit der Haftklebemasse
beschichtet ist. Als Trägermaterialien werden die dem Fachmann
geläufigen und üblichen Trägermaterialien
wie Folien aus Polyester, Polyethylen, Polypropylen, Verstreckten
Polypropylen, Polyvinylchlorid, besonders bevorzugt Folien aus Polyethylenterephthalat
(PET) verwendet. Diese Aufzählung ist nicht abschließend
zu verstehen, sondern im Rahmen der Erfindung sind weitere Folien
enthalten. Zur Verbesserung der Haftung der Klebmasse auf der Trägerfolie
und somit zur Vermeidung von Klebmasseresten auf dem Schneidwerkzeug
beim Schneidprozess der Biosensoren kann eine Primerschicht zwischen
Trägerfolie und Haftklebemasse verwendet oder vorzugsweise
eine physikalische Oberflächenbehandlungen wie Beflammung,
Corona oder Plasma der Trägerfolie vorgenommen werden.
-
Vorteilhafterweise
werden aus dem Haftklebeband Stanzlinge mit einer für die
Anwendung geeigneten Stanzform hergestellt. Der Stanzling aus dem
Haftklebeband bildet hierbei den Messkanal und somit die Funktionsschicht
A2. Die Stanzform bildet vorzugsweise eine Ausstanzung mit zwei
parallelen Wandungen, die zu einem Ende hin offenen ist, der Aufgabeöffnung
für die Testflüssigkeit (siehe hierzu 1a).
Weitere Stanzdesigns sind im Rahmen dieser Erfindung möglich.
Zur Herstellung der Haftklebebandstanzlinge werden die üblichen
Verfahren wie Flachbett-, Rotationsstanzen, Ultraschallschneiden,
Wasserstrahlschneiden aber auch Laserschneiden verwendet. Bei der
Herstellung der Stanzlinge ist eine sehr hohe Präzision
im μm-Bereich erforderlich. Der Stanzling aus dem Haftklebeband
kann unmittelbar nach dem Stanzprozess mit der Funktionsschicht
A3 laminiert werden, so dass die Kombination aus dem Stanzling des
Haftklebeband (Funktionsschicht A2) und der Funktionsschicht A3
direkt dem Herstellprozess der Biosensoren zugeführt werden
kann. Es ist aber ebenso möglich, dass das Haftklebeband
und die Funktionsschicht A3 separat in den Herstellprozess der Biosensoren
zugeführt und erst hier miteinander laminiert werden. Die
Stanzling werden vorzugsweise als Endlosrollen einem so genannten
Rolle-zu-Rolle-Prozess hergestellt, ohne diese zu separieren. Hierbei
wird lediglich der zukünftige Messkanal herausgestanzt.
Besonders bevorzugt wird zu der Funktionsschicht A2 wie beschriebenen
im gleichen Arbeitsgang des Stanzprozesses die Funktionsschicht
A3 hinzu laminiert. In einem entsprechenden Inline-Prozess, das
heißt im gleichen Prozessschritt, können die hydrophilen
Beschichtung und der Belüftungsritz der Funktionsschicht
A3 optimal auf die Stanzlinge der Funktionsschicht A2 positioniert werden.
Eine genaue Positionierung ist für die Funktionsweise des
erfindungsgemäßen Biosensors unbedingt notwendig.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die hydrophilen Beschichtung und
der Belüftungsritz der Funktionsschicht A3 inline in dem
Stanzprozess erzeugt werden und die Laminierung der Funktionsschichten
A2 und A3 ebenfalls inline in diesem Prozess durchgeführt
werden. Alternativ kann auch der gesamte Produktionsprozess der
Biosensoren von der Herstellung der Leiterbahnen und Bedruckung
mit der Enzymschicht (Funktionsschicht A1), der Herstellung der
Stanzlinge der Funktionsschicht A2, der hydrophile Beschichtung
und des Belüftungsritzes der Funktionsschicht A3 sowie
die Lamination dieser drei Funktionsschichten in ein und demselben
Prozess stattfinden. Das Separieren beziehungsweise das Vereinzeln
der Biosensoren erfolgt üblicherweise in einem separaten
Schneidvorgang.
-
Weiter
vorzugsweise ist die Funktionsschicht A1 mit elektrischen Leiterbahnen
und zumindest partiell mit einem analytischen Nachweisreagenz versehen.
-
Der
erfindungsgemäße Biosensor zur Untersuchung von
Analyten in biologischen Flüssigkeiten arbeitet vorzugsweise
nach einem elektrochemisch (ampermetrische) Messverfahren. Bevorzugt
ist hierbei der Nachweis von Glucose im menschlichen Blut, der Blutzuckerbestimmung.
-
Die
Basisfolie, die Funktionsschicht A1, bestehend zum Beispiel aus
PVC, Papier, Polycarbonat oder vorzugsweise Polyester mit einer
Dickenbereich 200 bis 500 μm, wird mit elektrischen Leiterbahnen
versehen. Für einen elektrochemischen Biosensor werden
typischerweise Arbeits-, Gegen- und eventuell Referenzelektrode
benötigt. Die elektrischen Leiterbahnen können
in einem Druckverfahren wie zum Beispiel Siebdruck auf die Basisfolie
aufgebracht werden. Hierfür werden leitfähigen
Pasten, die zum Beispiel Kohlenstoff-, Graphit-, Silber- oder Silberchloridleitpasten
verwendet. Je nach Aufbau können sich zwischen den verschiedenen
Leiterbahnschichten isolierende Schichten befinden, die ebenfalls
aufgedruckt werden. Alternativ kann die Basisfolie auch mit einer
leitfähigen Schicht aus zum Beispiel Kupfer, Silber, Gold
oder Aluminium laminiert, bedampft oder gesputtert sein. Die Leiterbahnen
werden hier in einem nachfolgenden Prozess durch Ätzung
oder durch ein Laserablationsverfahren (siehe hierzu
WO2006/074927 A1 ) erhalten.
Auf die Arbeits- und Gegenelektrode wird das für die Nachweisreaktion
erforderliche Enzym oder Enzymgemisch aus zum Beispiel Glucose-Oxidase
oder Glucose-Dehydroxygenase und ein Redox-Mediator wie zum Beispiel
Phenanthrolin, Chinone, Ferrocen oder Derivate aufgebracht. Das Nachweisreagenz
kann noch weitere Additive wie Filmbildner (zum Beispiel Polyvinylalkohol),
Enzymstabilisatoren (zum Beispiel Glutamat oder Trehalose), Polysaccaride, Zellulosederivate
und/oder Gelatinederivate enthalten. Als Stand der Technik hierzu
seien
WO 2005/033698 A1 ,
WO 2005/101994 A1 ,
US 6,541,216 B1 und
EP1 253 204 A1 erwähnt.
-
Bei
der Verwendung des erfindungsgemäßen Biosensors
stellt sich eine sehr schnelle Befüllung des Messkanals
mit der biologischen Testflüssigkeit ein. Für
den Fachmann überraschend stellt ein einfacher Ritz in
der Abdeckfolie die Belüftung des ansonsten geschlossenen
Messkanals sicher und ermöglicht eine sehr schnelle Befüllung
des Messkanals. Des Weiteren ist überraschend, dass diese
Funktionstüchtigkeit auch nach einer Lagerzeit von 6 Wochen
bei erhöhten Temperaturen von 70°C vollständig
erhalten bleibt. Der Fachmann hätte mit einem Verlust der
Funktionstüchtigkeit nach einer entsprechenden Lagerung
durch das Zusetzen des Belüftungsritzes gerechnet.
-
Der
erfinderische Biosensor soll in einer besonders hervorragend ausgestalteten
Variante im Folgenden durch Figuren veranschaulicht werden, ohne
sich durch die Wahl der abgebildeten Figuren unnötig beschränken
zu wollen.
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Es
zeigen
-
die 1a, 1b, 1c und 1d zwei
besonders vorteilhaft ausgeführte Biosensoren und
-
2 eine
beispielhafte Herstellung eines Belüftungsritzes.
-
Die 1a, 1b und 1c zeigen
beispielhaft den Aufbau eines Biosensors mit einem Messkanal 1,
der durch einen Stanzling eines doppelseitigen Haftklebebandes A2
gebildet wird. Der Messkanal 1 hat in der vorderen Kante
des Biosensors eine Eintrittsöffnung 2, von der
die Probeflüssigkeit in den Messkanal 1 gegeben
wird. Der Messkanal 1 ist auf der zur Öffnung 2 entgegen
gesetzten Seite geschlossen.
-
Die
Funktionsschicht A2, sprich das Haftklebeband A2, mit dem Messkanal 1 wird
mit den Funktionsschichten A1 und A3 laminiert. Die Funktionsschichten
A1 uns A3 bildet somit ebenfalls jeweils eine Wandung des Messkanals 1.
Auf der Funktionsschicht A1 befinden sich elektrische Leiterbahnen
A1a sowie eine partielle Beschichtung des Nachweisreagenz oder des
Enzyms (auf der Zeichnung nicht dargestellt).
-
Die
Funktionsschicht A1 ist von den Abmaßen länger
als die Funktionsschichten A2 und A3, sodass diese zumindest zu
einer Seite übersteht. Dadurch sind die hier aufgebrachten
elektrischen Leiterbahnen A1a zugängig, und es kann ein
elektrischer Kontakt mit dem Lesegerät hergestellt werden.
Der Messkanal 1 wird von der gegenüberliegenden
Seite mit der Funktionsschicht A3 als weitere Wandung begrenzt.
Die Funktionsschicht A3 ist mit einer hydrophilen Beschichtung sowie
dem Belüftungsritz 3 ausgerüstet. Der
Belüftungsritz 3 ist so über den Messkanal
positioniert, dass dieser sich in der Nähe des zur Eintrittsöffnung 2 entgegen
gesetzten Ende des Messkanals 1 befindet und zur inneren
Seite des Messkanals 1 zeigt. Dadurch wird eine nahezu
vollständige Befüllung des Messkanals 1 mit
der Testflüssigkeit ermöglicht. Die Belüftung
des Messkanals 1 erfolgt mindestens zu einem Rand des Biosensors.
Die hydrophile Beschichtung der Funktionsschicht A3 zeigt ebenfalls
zum Kanalinneren und grenzt an die Eintrittsöffnung 2 des
Messkanals 1.
-
1d zeigt
beispielhaft einen analogen Biosensor, nur dass hier der Belüftungsritz 3 nicht
quer wie bei 1a, 1b und 1c sondern
längs durch den Messkanal 1 verläuft.
Die Belüftung des Messkanals 1 erfolgt in diesem
Fall zum Ende des Biosensors hin. Diese Darstellung ist nicht abschließend
zu verstehen, sondern im Rahmen der Erfindung sind weitere Designs
enthalten.
-
2 zeigt
schematisch eine beispielhafte Herstellung eines Belüftungsritzes.
Dazu wird die Funktionsschicht A3 vorteilhafterweise durch ein rotatives
Stanzwerkzeug mit einem Stanzzylinder 4 geführt,
wobei der Stanzzylinder mit einer Stanzmesser versehen ist, das
eine endlose umlaufende Schneide 5 darstellt. Dieses Stanzmesser 5 dringt
bei der Herstellung teilweise in das Material der Funktionsschicht
A3 ein und bildet durch Verdrängung des Materials den Belüftungsritz 3.
Die Tiefe des Eindringens der Schneide 5 in die Funktionsschicht
A3 wird über die Höhendifferenz zwischen den Abstandshaltern 6,
den so genannten Schmitzringen, und der Länge der Schneiden 5 bestimmt.
-
(Links
neben dem rechten Stanzmesser 5 ist ein zweites Messer
gezeigt, das einen weiteren Ritz in der Funktionsschicht A3 erzeugt.
Dieser findet sich nach dem Stanzen der Funktionsschicht A3 auf
einem anderen Biosensor wieder.)
-
Prüfmethoden
-
Oberflächenspannung und Kontaktwinkelmessung
-
Die
Messung des Kontaktwinkels mit Wasser und der Oberflächenspannung
auf festen Oberflächen erfolgt nach EN 828:1997 mit
einem Gerät G2/G402 der Firma Krüss GmbH. Die
Oberflächenspannung wird mit der Methode nach Owens-Wendt-Rabel&Kaeble nach Messung
des Kontaktwinkels mit deionisiertem Wasser und Diiodmethan bestimmt.
Die Werte ergeben sich jeweils aus der Mittlung von vier Messwerten.
-
Funktionstest
-
Zur
Beurteilung des Transportverhaltens einer wässrigen Testflüssigkeit
wird ein Kapillartest durchgeführt. Hierzu wird an die
Aufgabeöffnung des Biosensors eine Testflüssigkeit,
bestehend aus deionisiertem Wasser und 1 Gew.-% Naphtholrot, gehalten.
Der Transport der Testflüssigkeit im hydrophilen Bereich
wird mittels einer Videokamera beobachtet.
-
Der
Kanaltest wird auch nach einer Lagerung bei 23°C, 40°C
und 70°C der zu testenden Biosensoren durchgeführt,
um die Alterungs- und Lagerungsbeständigkeit zu prüfen.
-
Als
Testflüssigkeit werden ebenfalls biologische Flüssigkeiten
wie Blut verwendet. Allerdings sind biologische Flüssigkeiten
wie Blut als Testflüssigkeit weniger gut geeignet, da diese
Eigenschaftsschwankungen unterliegen. So schwankt zum Beispiel die
Viskosität von Blut sehr stark. Die Viskosität
von Blut ist abhängig vom Hämatokrit-Wert.
-
Dickenmessung
-
Die
Dickenmessung beziehungsweise der Auftrag der hydrophilen und hydrophoben
Beschichtung erfolgt über die optische Methode der Reflektometrie
mit NanoCalc 2000 UV/Vis der Firma Mikropack und einem Mikroskop
der Firma Leitz. Bei dieser Methode wird der Unterschied in den
Brechungsindizes der unterschiedlichen Materialien ausgenutzt. Der
Brechungsindex der jeweiligen Beschichtung muss vor der Messung
ermittelt werden. Für die Basisfolie PET wird ein Brechungsindex
von 1,46 verwendet.
-
Klebkraft
-
Die
Prüfung der Schälfestigkeit (Klebkraft) erfolgte
in Anlehnung an PSTC-1. Ein 2 cm breiter Streifen des Haftklebebandes
wird auf dem Prüfuntergrund wie zum Beispiel einer geschliffenen
Stahlplatte oder einer PET-Platte durch fünfmaliges doppeltes Überrollen
mittels einer 5 kg Rolle verklebt. Die Platte wird eingespannt und
der Selbstklebestreifen über sein freies Ende an einer
Zugprüfmaschine unter einem Schälwinkel von 180° mit
einer Geschwindigkeit von 300 mm/min abgezogen und die dafür
notwendige Kraft ermittelt. Die Messergebnisse sind in N/cm angegeben
und über drei Messungen gemittelt. Alle Messungen wurden
bei Raumtemperatur durchgeführt.
-
Scherstandzeiten
-
Die
Prüfung erfolgte in Anlehnung an PSTC-7. Ein 1,3 cm breiter
Streifen des Haftklebebandes wird auf einem polierten Stahlplättchen
auf einer Länge von 2 cm mit einer 2 kg-Rolle durch zweimaliges
doppeltes Überrollen verklebt. Die Plättchen werden
für 30 min unter Testbedingungen (Temperatur und Luftfeuchtigkeit), aber
ohne Last equilibriert. Dann wird das Testgewicht angehängt,
so dass eine Scherbeanspruchung parallel zur Verklebungsfläche
entsteht, und die Zeit gemessen, bis die Verklebung versagt. Ist
eine Haltezeit von 10.000 min erreicht, so wird der Versuch vor
Versagen der Klebbindung abgebrochen.
-
Mikroscherweg
-
Ein
1 cm breiter Streifen des Haftklebebandes wird auf einem polierten
Stahlplättchen (Prüfuntergrund) auf einer Länge
von 5 cm mit einer 2 kg-Rolle durch dreimaliges doppeltes Überrollen
verklebt. Doppelseitige Klebebänder werden auf der Rückseite
mit einer 50 μm Aluminiumfolie abgedeckt. Der Teststreifen
wird mit einer 190 μm dicken PET-Folie verstärkt
und anschließend kantengerade mit Hilfe einer Fixiervorrichtung abgeschnitten.
Dabei steht die Kante des verstärkten Teststreifens 1 mm über
der Kante des Stahlplättchens. Die Plättchen werden
für 15 min unter Testbedingungen (40°C, 50% rel.
Luftfeuchte) im Messgerät, aber ohne Last equilibriert.
Dann wird das Testgewicht 500 g angehängt, so dass eine
Scherbeanspruchung parallel zur Verklebungsfläche entsteht.
Mittels eines Mikrowegaufnehmers wird in Abhängigkeit der
Zeit der Scherweg graphisch aufgenommen.
-
Als
Mikroscherweg μS1 wird die Scherstrecke nach einer Gewichtsbelastung
von 15 min angegeben. Nach der Messzeit von 15 min unter Gewichtsbelastung
wird das Gewicht vorsichtig von der Probe entfernt und anschließend
das Relaxieren für weitere 15 min beobachtet. Nach 15 min
ohne Gewichtsbelastung (Relaxion) wird der Mikroscherweg μS2
ermittelt. Aus den beiden Messwerten wird der Mikroscherwegsquotient μS2/μS1
ermittelt. Dieser Quotient ist ein Maß für die
Elastizität der Haftklebemasse.
-
Im
Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Beispiele näher
erläutert werden, ohne damit die Erfindung unnötig
einschränken zu wollen.
-
Beispiele
-
Beispiel 1
-
Es
wird ein Biosensor aus den Funktionsschichten A1, A2 und A3 durch
Laminieren hergestellt.
-
Dabei
ist die Funktionsschicht A1 folgendermaßen aufgebaut. Auf
eine 250 μm dicke PET-Folie Hostaphan WO von Mitsubishi
Polyesterfilm GmbH werden die Leitungsbahnen mit einer leitfähigen
Graphitleitpaste E3455 der Firma Ercon Inc. aufgedruckt. Im Bereich
des Messraumes wird anschließend die Reaktivschicht bestehend
aus der Aktiv-Komponente Glucose-Dehydrogenase, dem Coenzym NAD+,
dem Mediator 1,10-Phenantroline sowie einem Bindemittel aus Hydroxyethyl-Cellulose
auf die Arbeitselektrode aufgetragen. Für die Funktionstests
(Flüssigkeitstransport) wird einfachkeitshalber die Beschichtung
der Leiterbahnen und der Reaktivschicht weggelassen.
-
Für
die Funktionsschicht A3 wird die 100μm-PET-Folie Hostaphan® RN 100 von Mitsubishi Polyesterfilm
GmbH einseitig coronavorbehandelt und anschließend mit
einer Lösung bestehend aus 0,5 Gew.-% Rewopol® SB
DO 75 (Natriumsalz der Diisooctylsulfobernsteinsäure) von
Evonik GmbH in Ethanol mittels Rasterwalze vollflächig
beschichtet. Die Trocknung der Beschichtung erfolgt in einem Trockenkanal
bei 120°C. Nach der Trocknung erhält man ein Auftragsdicke
von 25 nm.
-
Für
die Funktionsschicht A2 wird zunächst die Haftklebemasse
hergestellt. Dafür werden in einen für radikalische
Polymerisation konventionellen Reaktor 8 kg Acrylsäure,
45 kg n-Butylacrylat, 3 kg t-Butylacrylat und 60 kg Aceton gefüllt.
Nach 45 Minuten Durchleiten von Stickstoffgas unter Rühren
wird der Reaktor auf 58°C hochgeheizt und 20 g Azoisobutyronitril
(AIBN, Vazo 6®, Firma DuPont) hinzu
gegeben. Anschließend wird das äußere
Heizbad auf 75°C erwärmt, und die Reaktion konstant
bei dieser Außentemperatur durchgeführt. Nach
1 h Reaktionszeit wird wiederum 20 g AIBN hinzu gegeben. Nach 3
h und 6 h wird mit jeweils 10 kg Aceton/Isopropanol (97:3) das Gemisch
verdünnt. Zur Reduktion der Restinitiatoren werden nach
8 h und nach 10 h jeweils 100 g Bis-(4-tert.-Butylcyclohexanyl)-Peroxy-dicarbonat
(Perkadox 16®, Firma Akzo Nobel) hinzugegeben.
Die Reaktion wird nach 22 h Reaktionszeit abgebrochen und auf Raumtemperatur
abgekühlt.
-
Nach
der Polymerisation wird das Polymer mit Isopropanol auf einen Feststoffgehalt
von 25% verdünnt und dann mit 0,3 Gew.-% Polyisocyanat
(Desmodur N 75, Firma Bayer) unter Rühren abgemischt. Anschließend
wird die Polymerlösung mit Hilfe eine Komma-Rakels beidseitig
mit jeweils 12 g/m2 auf den 50 μm
dicken Polyesterträger Hostaphan WO von Mitsubishi Polyesterfilms
GmbH aufgetragen, der zuvor mittels Corona vorbehandelt wird. Die
Trocknung der Beschichtung erfolgt in einem Trockenkanal bei 120°C.
-
Aus
dem so entstandenen Haftklebeband werden mittels einer Rotationsstanze
Stanzlinge mit einem ausgestanzten Messkanal mit einer Breite von
1,0 mm und einer Länge von 5,0 mm hergestellt, wobei der
Kanal zu einer Seite offen ist (entsprechend 1c). Zur
Erzeugung des Belüftungsritzes wird die mit der hydrophilen
Beschichtung ausgerüstete Funktionsschicht A3 ebenfalls
mittels einer Rotationsstanze mit einem endlosen Ritz versehen,
dabei dringt das Stanzmesser 70 μm tief in die Folie ein.
Beide Stanzprozesse der Funktionsschicht A2 und A3 verlaufen zeitgleich
in der gleichen Stanzmaschine, so dass ein passgenaues Laminieren
beider Schichten erfolgen kann. Die Laminierung erfolgt wie in 1b abgebildet,
so dass sich der Belüftungsritz zur Innenseite des Messkanals
0,5 mm vor dem geschlossenen Ende des Messkanals befindet. Die Kontrolle
der Positionierung erfolgt über ein Kamerasystem.
-
Die
Laminierung der Funktionsschicht A1 mit dem Verbund aus Funktionsschicht
A2 und A3 zur Herstellung von Testmustern erfolgt von Hand im kleinen
Maßstab. Für den Produktionsbetrieb erfolgt diese
Lamination ebenfalls inline im Stanzprozess. In einem nachfolgenden
Arbeitsgang werden aus dem Rollenmaterial die einzelnen Biosensoren
geschnitten.
-
Durch
den Belüftungsritz kann die Luft aus dem Messkanal einwandfrei
entweichen, so dass eine hohe Transportgeschwindigkeit mit einer
wässrigen Testflüssigkeit bei der Befüllung
des Messkanals erreicht werden kann. Das Transportverhalten der
Testflüssigkeit in dem Biosensormustern ändert
sich auch nach einer Lagerung von 6 Wochen bei 40°C oder
70°C nicht.
-
Gegenbeispiele
-
Gegenbeispiel 1
-
Analog
Beispiel 1 werden die Funktionsschichten A1, A2 und A3 hergestellt,
allerdings wird die Funktionsschicht A3 nicht mit einem Belüftungsritz
versehen.
-
Der
Biosensor ist nicht funktionstüchtig, die Testflüssigkeit
kann nicht in den Messkanal fließen.
-
Gegenbeispiel 2
-
Analog
Beispiel 1 werden die Funktionsschichten A1 und A3 hergestellt.
-
Zur
Herstellung der Funktionsschicht A2 wird das Standard-Haftklebeband
tesa 4972 (doppelseitiges Haftklebeband; Dicke 50 μm; 12 μm
PET-Trägerfolie 2 × 20 g/m2 Beschichtung
mit harzmodifizierter Acrylatklebmasse) von tesa AG verwendet. Die
Herstellung der Stanzlinge und die Laminierung der einzelnen Funktionsschichten
erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben.
-
Die
Funktionstüchtigkeit des Biosensors ist zunächst
gegeben, der Messkanal lässt sich schnell mit der Testflüssigkeit
füllen. Allerdings lässt aufgrund des kalten Flusses
der Haftklebmasse die Füllgeschwindigkeit des Messkanals
sehr bald nach Lagerzeit von 1 Woche bei 70°C nach. Nach
einer Lagerzeit von 3 Wochen bei 70°C beziehungsweise 6
Wochen bei 40°C sind die Biosensoren nicht mehr funktionstüchtig. Übersicht über die Eigenschaften
der Beispiele und Gegenbeispiele
| | Einheit | Beispiel
1 | Gegenbeispiel
1 | Gegenbeispiel
2 |
| Funktionsschicht
A1 |
| Material | | PET | PET | PET |
| Dicke | μm | 250 | 250 | 250 |
| Funktionsschicht
A2 |
| Dicke
des Klebebands | μm | 75 | 75 | 50 |
| Dicke
der Trägerfolie | μm | 50 | 50 | 12 |
| Klebmassetyp | | Reinacrylat | Reinacrylat | Acrylat
Modifiziert |
| Klebmasseauftrag | g/m2 | 2 × 12 | 2 × 12 | 2 × 20 |
| Klebkraft
auf Stahl | N/cm | 2,5 | 2,5 | 6,5 |
| Scherdeformation | μm | 38 | 38 | 250 |
| Funktionsschicht
A3 |
| Material | | PET | PET | PET |
| Dicke | μm | 100 | 100 | 100 |
| Art
der Bedruckung | | Tensid | Tensid | Tensid |
| Kontakt-Winkel | ° | 21 | 21 | 21 |
| Oberflächenspannung | mN/m | 67 | 67 | 67 |
| Funktionstest | | voll
funktionstüchtig | kein
Flüssigkeitstransport | voll
funktionstüchtig |
| Funktionstest
nach 6 Wochen 70°C | | voll
funktionstüchtig | - | kein
Flüssigkeitstransport |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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