DE102008028404B4

DE102008028404B4 - Kartusche mit integriertem SAW Sensor

Info

Publication number: DE102008028404B4
Application number: DE200810028404
Authority: DE
Inventors: Michael Koch; Dr. Perpeet Markus; Dr. Schlecht Ulrich
Original assignee: Saw Instruments GmbH
Current assignee: Saw Instruments GmbH
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: EP2288911A1; WO2009153189A1; DE102008028404A1

Abstract

Handhabbare Einheit aufweisend einen Sensorchip (1) zur Bestimmung eines Analyten in einem Fluid wobei der Sensorchip ein SAW Sensor mit mehreren Sensorelementen ist, und wobei eine Flusszelle zur Führung des Fluids über die für den Analyten sensible Sensoroberfläche des Sensorchip (1) vorgesehen ist, wobei die Flusszelle ein Deckelteil (3) aufweist, das auf die sensible Sensoroberfläche aufgesetzt ist, wobei sich der Rand des Deckelteils (3) vermittels einer Dichtung dichtend an die Sensoroberfläche anlegt, wobei Mittel zum Verspannen des Deckelteils (3) gegen die Dichtung vorhanden sind und wobei der Sensorchip (1) Leiterbahnen zur Kontaktierung der Sensoroberfläche aufweist, die aus der Flusszelle herausführen, wobei das Deckelteil ein flaches Deckelplättchen (3, 17) mit einer einseitigen Ausnehmung ist, wobei die Mittel zum Verspannen zwei flächig aneinanderliegende Gehäuseteile (2, 4) aufweisen, zwischen denen der Sensorchip (1) und das Deckelplättchen (3, 17) eingeklemmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (2, 4) durch Schnappverschlüsse fest aber lösbar miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine handhabbare Einheit („Kartusche”) aufweisend einen Sensorchip zur Bestimmung eines Analyten in einem Fluid, insbesondere einen SAW Sensor mit mehreren Sensorelementen, und eine Flusszelle zur Führung des Fluids über die für den Analyten sensible Sensoroberfläche des Sensorchip. Die Erfindung betrifft ebenso ein Analysesystem, das eine solche Kartusche enthält.
Heutzutage sind schon verhältnismäßig kompakte Systeme in der Art von Laborgeräten bekannt, mit denen sich Biomoleküle in geringer Konzentration komfortabel und ohne die Verwendung von Markern nachweisen lassen. Diese bauen insbesondere auf Sensorchips auf, die sich dem physikalischen Prinzip der „surface acoustic wave”, kurz SAW, bedienen. Mit solchen SAW Sensoren können schon kleinste Masseänderungen auf der Sensoroberfläche, die mit auf den nachzuweisenden Analyten sensiblen Rezeptormolekülen belegt ist, detektiert werden. Allerdings erfordert die Bedienung dieser Systeme und insbesondere die Analyse der in Flüssigkeit gelösten Analyt-Moleküle mit Hilfe der Rezeptor-Moleküle ein erhebliches Maß an technischer Erfahrung und (bio)chemischen sowie physikalischen Kenntnissen. Diese Fähigkeiten sind meist nur bei entsprechend geschultem Personal zu finden. Für den schnellen Einsatz insbesondere auch für den Feldeinsatz und für die Bedienung durch in der Handhabung unerfahrenes Personal sind die bekannten Systeme nicht geeignet.
Eine Sensoreinheit zum Einsatz in solchen Systemen, insbesondere für den Einsatz in SAW Gas Sensorarrays, ist aus der DE 102 22 068 B4 bekannt, wobei diese verhältnismäßig komplex ist und eine einfache Handhabung kaum gewährleisten kann. Für die Produktion als „Massenartikel” ist diese Sensoreinheit untauglich.
Die EP 1 804 059 A2 betrifft ein Oberflächenschallwellensensor mit einem Hydrogel. Der Sensor ist dabei in einem Gehäuse aufgenommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr darin, eine Einheit aus Sensorchip und Fluidikzelle zu schaffen, die sich einfach und sicher handhaben und die sich auch in einem mobilen System einsetzen lässt. Insbesondere ist es die Aufgabe, eine solche Einheit als kostengünstigen und eventuell recyclebaren massenhaft zu fertigenden „Wegwerfartikel” in der Art einer regenerierbaren Kartusche zu konzipieren. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein mobiles System zum Einsatz der Kartusche vorzuschlagen.
Diese Aufgaben werden durch die handhabbare Einheit mit den Merkmalen des Anspruch 1 und das System nach Anspruch 9 erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
Ein besonders wesentlicher Grundgedanke der Erfindung liegt in dem Deckelteil, das unmittelbar und dichtend auf die sensible also mit Rezeptormolekülen versehene Sensoroberfläche aufgesetzt ist und zusammen mit dem Sensorchip die Flusszelle bildet. Dabei deckt das Deckelteil den Sensorchip nicht komplett ab, so dass die Leiterbahnen zur Kontaktierung der Sensoroberfläche quasi unter dem Rand des Deckelteils aus der so gebildeten Flusszelle herausführen. Auf diese Art lässt sich eine leicht handhabbare und in sich abgeschlossene Einheit in Art einer Kartusche realisieren, die alle zur Analyse erforderlichen Komponenten integriert. Zur Durchführung von Analysen lässt sich eine solche Kartusche mit einfachen Handgriffen in ein Gesamtsystem einbringen, so dass jederzeit ohne jegliche Detailkenntnis und Erfahrung also auch von ungeschultem Personal eine Analyse durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß weist die Flusszelle also ein auf die sensible Sensoroberfläche aufzusetzendes Deckelteil auf, wobei sich der Rand des Deckelteils vermittels einer Dichtung dichtend an die Sensoroberfläche anlegt, wobei Mittel zum Verspannen des Deckelteils gegen die Dichtung vorhanden sind und wobei der Sensorchip Leiterbahnen zur Kontaktierung der Sensoroberfläche aufweist, die aus der Flusszelle herausführen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Einheit ist, dass diese als kostengünstiges Massenprodukt, insbesondere auch zur einmaligen Benutzung, gefertigt werden kann, wobei es aus Ökonomischen und ökologischen Gründen besonders vorteilhaft sein kann, eine Wiederverwertung vorzusehen. Die erfindungsgemäßen Kartuschen können damit als Verbrauchsmaterial in mobilen Systemen eingesetzt werden, die auf elektronisch-biochemischem Weg illegale Drogen, Sprengstoffe und eventuell auch andere Gift- und Gefahrstoffe identifizieren und quantifizieren können.
In einer besonders vorteilhaften, wie einfach zu fertigen und zu handhabenden Ausführungsform ist das Deckelteil als einteiliges flaches Deckelplättchen ausgebildet, in dessen Oberfläche einseitig eine Ausnehmung eingebracht ist. Dabei bildet die im zusammengesetzten Zustand den Sensorchip überwölbende Ausnehmung ein zum Sensorchip hin offenes Hohlvolumen und damit die Flusszelle. Um eine Abdichtung zwischen dem Rand des Deckelplättchens und der Oberfläche des Sensorchip zu gewährleisten ist es vorteilhaft, das Deckelplättchen insbesondere als Spritzteil aus einem flexiblen Material, wie beispielsweise aus EPDM oder Silikonkautschuk, zu fertigen. Dabei bildet der Rand des Deckelplättchens einen Dichtring.
Um in einem Fluid mehrere unterschiedliche Analyten nachweisen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Sensorchip mehrere unabhängige Oberflächen-Elemente für die SAW Messung aufweist. Diese sind dann jeweils mit den entsprechenden Rezeptoren belegt. Im Falle solcher mehrkanaliger Sensorchips ist es vorteilhaft, deren aktive Oberfläche mit einem insbesondere flexiblen Deckelplättchen abzudecken, dessen Ausnehmung eine mäanderförmige Kanalstruktur ausbildet, die sich über die Oberfläche erstreckt. Auf diese Weise kann eine gute Fließdynamik erreicht werden, die eine effektive Benetzung innerhalb kurzer Zeit gewährleistet. Mit dieser mäanderförmigen Geometrie wird das Fluid sequentiell über die einzelnen Sensorelemente geleitet. Diese Kanalstruktur bewirkt zudem eine deutliche Reduzierung störender Luftblasen im Flüssigkeitsstrom. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Tiefe des Kanals weniger als 0,5 mm, im eingebauten Zustand insbesondere etwa 0,2 mm, beträgt bei einer Breite zwischen etwa 1 mm und 2 mm.
Im Falle der Deckelplättchen aus flexiblem Material ist es besonders vorteilhaft, wenn der dichtende Rand von einem dünnen Dichtwulst gebildet ist und dieser eine abgesenkte, insbesondere außerhalb des Dichtwulstes verlaufende Auflagefläche überragt. Beim Aufdrücken des Deckelplättchens auf den Sensorchip wird der Dichtwulst soweit zusammen gedrückt, bis die Auflagefläche bündig an der Sensoroberfläche anliegt. So kann eine definierte Höhe der Kanalstruktur auch nach dem Aufpressen des Deckelplättchens auf den Chip sichergestellt werden. Insofern befindet sich die Auflagefläche vorteilhafterweise auf einem Niveau, das um den Betrag der vorgesehene Kanalhöhe über der Grundfläche der mäanderförmigen Aussparung liegt.
Um das passgenaue Anpressen der Dichtung zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zum Verspannen zwei flächig aneinanderliegende Gehäuseteile aufweisen, die der Geometrie von Sensorchip und Deckelplättchen angepasst sind und zwischen denen der Sensorchip und das Deckelplättchen eingeklemmt sind.
Für die spätere Regenerierung des Sensorchip und die Mögliche Wiederverwendung ist es vorteilhaft, dass diese beiden Gehäuseteile durch Befestigungsmittel nämlich Schnappverschlüsse fest aber lösbar miteinander verbunden sind.
Um ein Flüssigkeitsvolumen geschlossen und definiert über die Oberflächen der Einzelsensoren führen zu können, spannt sich über diese ein zum Sensorchip hin offenes Hohlvolumen, die sogenannte Flusszelle. Die Sensoroberflächen und die Flusszelle bilden so einen geschlossenen Kanal, durch den die zu analysierende Flüssigkeit strömt. Wie der Sensorchip ist auch die Flusszelle fest in das umgebende Gehäuse integriert. Das Gehäuse fixiert Sensorchip und Fluidikzelle in der für die Gesamtfunktion erforderlichen Anordnung. Um den Sensorchip elektrisch kontaktieren zu können, gibt das umgebende Gehäuse den Sensorchip mit seinen Kontakten an den erforderlichen Bereichen frei. In das Gehäuse sind Kanäle integriert, die das Fluid zur Flusszelle hin und von dieser weg leiten. Die Flusszelle wird passgenau in eine im Kartuschendeckel speziell dafür vorgesehene Aussparung eingesetzt. Die Dichtigkeit sowohl gegen den Sensorchip wie auch gegen den Kartuschendeckel wird mechanisch durch den im Zusammenbau realisierten Anpressdruck bewerkstelligt. Klebstoffe oder andere Haftvermittler werden nicht verwendet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 3 näher erklärt. Es zeigen
1 einen Schnitt durch eine Kartusche,
2: eine Kartusche und
3: einen Schnitt durch die Kartusche in Höhe des Sensorchip.
In 1 ist ein Schnitt durch eine komplette handhabbare Einheit („Kartusche”) gezeigt, wie sie in einem insbesondere mobilen System zum Einsatz kommen kann. Die Grundlage das System bildet ein SAW basierter Mehrkanal-Sensorchip 1, dessen Oberfläche mit biochemischen Rezeptormolekülen versehen ist. Ein solches (nicht dargestelltes) mobiles System weist vorteilhafterweise ein Aufgabemodul zur einfachen Aufgabe des Analyten auf. Für schnelle und unkomplizierte Analysen bieten sich dafür insbesondere Wischaufnehmer an, die insbesondere Proben von Körperflüssigkeiten, wie Schweiß, aufnehmen. Zudem sollte ein Fluidikmodul vorhanden sein, wo der Analyt in ein als Transportmittel dienendes Fluid eingebracht wird. Das Fluidikmodul ist zur Leitung des mit Analyt belasteten Fluids mit entsprechenden Kanälen versehen. Außerdem ist eine Ansteuer- und Analyseeinheit zur automatischen Durchführung der Messung vorhanden. Diese weist insbesondere einen Mikrocomputer auf, der den Sensorchip mit Signalfrequenzen ansteuert und die Messergebnisse auswertet. Über Ausgabemittel, wie ein Display und/oder einen Drucker werden die Messergebnisse an den Nutzer ausgegeben.
Zum Verspannen sind zwei flächig aneinanderliegende Gehäuseteile 2 und 4 als Spritzgussteile aus massivem Kunststoff vorgesehen, die der Geometrie von Sensorchip 1 und Deckelplättchen 3 angepasst sind. Die Größe der Gehäuseteile, insbesondere des Gehäuseteils 2, bemisst sich an einer guten Handhabung. Insgesamt liegt die Dimensionierung der Gehäuseteile in der Größenordnung von weniger als 3 cm. Das erste Gehäuseteil 2 hat eine Ausnehmung 5 zur Aufnahme des in Verbindung mit dem Sensorchip die Flusszelle ausbildenden Deckelplättchens 3, wobei das zweite Gehäuseteil 4 eine Ausnehmung 6 zur Aufnahme des Sensorchip 1 aufweist. Die Tiefe der Ausnehmungen 5 und 6 sind jeweils so bemessen, dass das plane Aufeinandersetzen der Gehäuseteile 2 und 3 die Abdichtung zwischen dem Deckelteil und der Sensoroberfläche bewirkt. Im zweiten Gehäuseteil 4 sind Kanäle 7 vorgesehen, die im zusammengesetzten Zustand in der Flusszelle münden und über die das Fluid zum Sensorchip hin- und wieder weggeleitet wird. Der Anschluss der Kartusche geschieht über zwei flanschartige Überwurfstücke 8, die mittels Dichtringen 9 auf Stutzen 10 des Gehäuseteils 4 aufgesetzt sind. Insgesamt realisiert das Gehäuse mit den beiden Gehäuseteilen eine strukturelle, eine funktionale und ein schützende Funktionen.
In 2 ist zu erkennen, dass die beiden Gehäuseteile 2 und 4 über Auflageflächen aneinander liegen, wobei die Auflagefläche 11 des ersten Gehäuseteiles 2 größer ist und als Gegenlager der unter die Dichtung hervorragenden Leiterbahnen 12 dient. Dabei bilden die Leiterbahnen eine kammartige Leiterstruktur aus, die auf der Auflagefläche 11 des Gehäuseteiles 2 aufliegt und für eine elektrische Kontaktierung frei zugänglich ist. Diese kann mit entsprechend im mobilen System vorgesehenen Gegenkontakten zusammenwirken. Insgesamt ist die Geometrie der Gehäuseteile so bemessen, dass sich das Gehäuse formschlüssig in eine entsprechende Aufnahme im mobilen System einsetzen lässt. Im vorliegenden Fall sind die beiden Gehäuseteile 2 und 4 vermittels zapfenartiger Schnappverschlüsse 13 verbunden.
In 3 ist zunächst in 3a ein waagrechter Schnitt durch die Kartusche in Höhe des Sensorchip 14 gezeigt. Zu erkennen ist die außen liegende kammartige Struktur der Kontaktstellen 15 der Leiterbahnen, die sich im inneren der Flusszelle als SAW Oberfächenelemente 16 fortsetzen. Auf den Sensorchip 14 ist das Deckelplättchen 17 aus EPDM aufgelegt, in das eine mäanderförmige Kanalstruktur 18 eingebracht ist. Es ist zu erkennen, dass die Mäander so ausgelegt sind, dass allen Oberflächenelementen 16 Fluid zugeführt wird. Das Deckelplättchen 17 weist auch zwei Öffnungen 19 auf, über die das Fluid zu- und wieder abgeführt wird.
Ein Querschnitt durch die von Sensorchip 14 und Deckelplättchen 17 gebildete Flusszelle ist in 3b gezeigt. In der Vergrößerung ist verdeutlicht, dass das Deckelplättchen 17 zunächst die die Flusszelle bildende Ausnehmung 19 mit einem Rand 20 aufweist. Der Rand 20 ist jedoch als Dichtwulst 21 gegenüber eine Auflagefläche 22 erhöht. Im zusammengebauten Zustand wird auf den Sensorchip 14 soviel Druck ausgeübt, dass sich der Dichtwulst 21 zusammendrückt und der Sensorchip 14 flächig an der Auflagefläche 22 anliegt.

Claims

Handhabbare Einheit aufweisend einen Sensorchip (1) zur Bestimmung eines Analyten in einem Fluid wobei der Sensorchip ein SAW Sensor mit mehreren Sensorelementen ist, und wobei eine Flusszelle zur Führung des Fluids über die für den Analyten sensible Sensoroberfläche des Sensorchip (1) vorgesehen ist, wobei die Flusszelle ein Deckelteil (3) aufweist, das auf die sensible Sensoroberfläche aufgesetzt ist, wobei sich der Rand des Deckelteils (3) vermittels einer Dichtung dichtend an die Sensoroberfläche anlegt, wobei Mittel zum Verspannen des Deckelteils (3) gegen die Dichtung vorhanden sind und wobei der Sensorchip (1) Leiterbahnen zur Kontaktierung der Sensoroberfläche aufweist, die aus der Flusszelle herausführen, wobei das Deckelteil ein flaches Deckelplättchen (3, 17) mit einer einseitigen Ausnehmung ist, wobei die Mittel zum Verspannen zwei flächig aneinanderliegende Gehäuseteile (2, 4) aufweisen, zwischen denen der Sensorchip (1) und das Deckelplättchen (3, 17) eingeklemmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (2, 4) durch Schnappverschlüsse fest aber lösbar miteinander verbunden sind.
Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelplättchen (3) aus einem flexiblen Material hergestellt ist, wobei der Rand (21) des Deckelplättchens (3, 17) die Dichtung bildet.
Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung eine mäanderförmige Kanalstruktur (18) in der Oberfläche des Deckelplättchens (3, 17) bildet, wobei die Tiefe des Kanals insbesondere weniger als 0,5 mm, im eingebauten Zustand insbesondere 0,2 mm, beträgt.
Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dichtende Rand des Deckelplättchens (3, 17) einen Dichtwulst (21) und eine gegenüber dem Dichtwulst (21) abgesenkte Auflagefläche (22) aufweist, wobei das Verspannen den Dichtwulst (21) zusammen drückt, bis die Auflagefläche (22) an der Sensoroberfläche anliegt.
Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseteil (2) eine Ausnehmung zur Aufnahme des Deckelplättchens und dass das zweite Gehäuseteil (4) eine Ausnehmung zur Aufnahme des Sensorchip (1) aufweist, wobei die Tiefe der Ausnehmungen so bemessen ist, dass die Befestigung der Gehäuseteile (2, 4) die Abdichtung zwischen dem Deckelteil und der Sensoroberfläche bewirkt.
Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Gehäuseteil (4) Kanäle (19) eingebracht sind, die im zusammengesetzten Zustand in der Flusszelle münden und die der Beschickung mit dem zu analysierenden Fluid dienen.
Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gehäuseteile (2, 4) über Auflageflächen aneinander liegen, wobei die Auflagefläche (11) des ersten Gehäuseteiles (2) größer ist und als gegenlager der Leiterbahnen (12) dient.
Einheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (12) eine kammartige Leiterstruktur bilden, die auf der Auflagefläche des ersten Gehäuseteiles (2) aufliegt und für eine Kontaktierung frei zugänglich ist.
Mobiles System umfassend eine Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Aufgabemodul zur einfachen Aufgabe des Analyten, insbesondere mittels eines Wischaufnehmers, ein Fluidikmodul zum Einbringen des Analyten in das Fluid und zum Transport des mit Analyten belasteten Fluids in die Kanäle des zweiten Gehäuseteils und eine Ansteuer und Analyseeinheit zur automatischen Durchführung der Messung mittels des Sensorchip und zur Auswertung und Ausgabe der Messergebnisse.