DE102010014007B3

DE102010014007B3 - Elektrochemischer Sensor zur Analyse von einem oder mehreren Analyten im Atemkondensat eines Exhalats

Info

Publication number: DE102010014007B3
Application number: DE102010014007A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger 97225 Eichler
Original assignee: Filt Lungen- und Thoraxdiagnostik 13125 GmbH; FILT LUNGEN und THORAXDIAGNOSTIK GmbH
Current assignee: Filt Lungen- und Thoraxdiagnostik 13125 GmbH; FILT LUNGEN und THORAXDIAGNOSTIK GmbH
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2030-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischem Sensor (1) zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von einem oder mehreren Analyten im Atemkondensat (2) eines Exhalats (3) mit inkorporierter Speichereinheit zum Speichern des Atemkondensats aufweisend ein Elektrodensystem mit mindestens einer Elektrode A (4) und einer Elektrode B (5) sowie Anschlusskontakte (6) des Elektrodensystems und mindestens eine dreidimensionale permeable Trägerstruktur (7), wobei die Elektrode A (4) und B (5) untereinander beabstandet in oder auf einer dreidimensionalen Trägerstruktur (7) oder eines Verbunds mehrerer dreidimensionalen Trägerstrukturen (8) eingerichtet sind und die Komposition aus den Elektroden A (4) und B (5) und der oder den dreidimensionalen Trägerstrukturen (7, 8) fluiddurchlässig ist, so dass die Komposition vom atemkondensathaltigen Exhalat (2, 3) durchströmbar ist, und die Oberfläche mindestens einer dreidimensionalen Trägerstruktur (7, 8) mit einer wasserspeichernden Schicht (9) beschichtet ist, wobei das Atemkondensat (2) in der wasserspeichernden Schicht (9) speicherbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Sensor zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von einem oder mehreren Analyten im Atemkondensat eines Exhalats.
Elektrochemische Sensoren zur Analyse des Atemkondensats mit oder ohne biologisch aktiver Beschichtung sind bekannt.
Das Atemkondensat enthält diverse Marker und Mediatoren, welche die Zusammensetzung der bronchoalveolären, extrazellulären Auskleidungsflüssigkeit Wiederspiegeln. Diese Substanzen reflektieren Veränderungen durch oxidative Schäden und Entzündungen in der Lunge sowie den Behandlungseffekt, so dass sie daher eine wichtige Rolle bei der Diagnose und Überwachung von Lungenerkrankungen spielen.
Atemkondensatsammler sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt.
So beschreibt die DE 10 2007 028 831 A1 einen Atemkondensat-Probennehmer in Form eines U-förmigen Kondensatausbildungsrohres mit einer Kühlumhüllung, die mit einer Kühlvorrichtung gekühlt wird. Das kondensierte Atemkondensat läuft in einen Kondensatabscheider und wird von dort aus in einen Kondensatsammelbehälter geleitet. Bei Erreichen einer für die Analyse ausreichenden Menge Kondensats wird der Sammelbehälter entfernt und das Kondensat wird diversen Analysemethoden zugeführt.
Aus der DE 197 18 925 A1 ist Atemkondensatabscheider bekannt, welcher aus einem Faservlies besteht, das einer Kühlfläche nachgeordnet oder auf einer Kühlfläche angeordnet ist. Auf der Kühlfläche kondensiert eine erste Fraktion der Inhaltsstoffe, die überwiegend aus Wasserdampf besteht, aus. Die Aerosole der Inhaltsstoffe scheiden sich als zweite Fraktion überwiegend im Faservlies ab. Die im Faservlies enthaltenen Inhaltsstoffe in Form eines Aerosols werden durch Zentrifugation, Vakuum, Druckgas oder Eluieren isoliert. Anschließend werden die Fraktionen analysiert.
Die DE 197 55 471 A1 offenbart eine Anordnung zum Auffangen von Substanzen der Ausatemluft, die eine Kühlfalle zum Abscheiden der in der Ausatemluft vorhandenen Substanzen, die in einem Winkel zum Strömungskanal angeordnet ist, und ein am Ende des Strömungskanals angeordnetem Adsorptionsgefäß aufweist.
In der EP 0 759 169 B1 ist eine Vorrichtung zum Sammeln von Atemkondensat beschrieben, welches ein von einem Kühlmantel umgebenes Probensammelrohr mit einem am Ende des Probensammelrohres angebrachten Sammelgefäß aufweist, an dessen Wandung das Atemkondensat ausfriert.
Die WO 2006/114335 A2 ofenbart elektrochemische Sensoren oder Biosensoren. Das entstandene Atemkondensat wird den Sensoren direkt zugeführt. Die Kondensationsfläche ist dabei funktionalisiert bzw. aktiviert, so dass eine Wechselwirkung bzw. eine chemische Reaktion während des Kondensationsprozesses mit dem Kondensat oder den zu analysierenden Substanzen erfolgt, wodurch das an den Sensoren erzeugte Signal beeinflusst wird. Der Sensor umfasst auf einem Grundelement (einer Halterung bzw. einem Träger) mindestens eine Sensoreinheit, die neben den Sensoren eine entsprechend funktionalisierte oder aktivierte Kondensationsfläche aufweist. Des Weiteren umfasst sie mindestens ein Peltier-Element und eine Wärmeleitbrücke.
In der WO 2008/156096 A1 ist eine Messeinheit beschrieben, bei der ein Sensor in einem Gehäuse mit einem Einlass und Auslass für ein zu analysierende Gas eingerichtet ist. Auf dem Sensor ist eine wasserabsorbierende poröse Schicht aufgetragen, die bereits mit einer wässrigen Pufferlösung getränkt ist. Beim Durchströmen des Gases durch die Messeinheit wird eine bestimmte Gaskomponente des Gases in der Pufferlösung gelöst und im gelösten Zustand dem Sensor zugeführt. Der Sensor selbst kann aus drei Elektroden bestehen, die jedoch nicht durch eine Trägerstruktur voneinander beanstandet eingerichtet sind. Der Sensor selbst ist auf einer Trägerplatte, die lediglich der Befestigung des Sensors am Gehäuse und der Verdrahtung des Sensors dient, eingerichtet.
In der WO 2006/114335 A2 ist ein Atemkondensatsammler mit einer Sensoreinheit und einer funktionalisierten oder aktivierten Kondensationsfläche offenbart. Die Kondensationsfläche ist in der Nähe der Sensoreinheit eingerichtet, so dass das Atemkondensat durch Schwerkraft, Kapillarkräfte und/oder Oberflächeneffekte direkt auf den Sensor geleitet wird.
In der EP 0 634 488 A2 ist ein Biosensor beschrieben, bei dem die Elektroden auf einer Isolierschicht aufgebracht sind und mindestens eine der Elektroden von einer flüssigkeitsabsorbierenden Schicht überdeckt ist. Die flüssigkeitsabsorbierende Schicht erstreckt sich über alle Elektrodenoberflächen sowie die Zwischenräume zwischen den Elektroden, so dass die Elektroden selbst in Kombination mit der Trägerschicht als Trägerstruktur für die wasserspeichernde Schicht verwendet werden.
Nachteilig an den im Stand der Technik benannten Atemkondensatsammlern ist, dass zur Kondensation der Inhaltsstoffe in der Ausatemluft diese an einer Kühlfläche entlang geführt wird, was bedingt, dass eine Kondensation der Inhaltsstoffe nur im Bereich dieser Kühlflächen erfolgt. Aufgrund dessen werden auch nur geringe Atemkondensatmengen abgeschieden. Nachteilig an den bekannten Systemen ist auch, dass zur Analyse der Inhaltsstoffe des Atemkondensats das Atemkondensat dem Messsensor zugeführt werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kombination eines Messsensors mit einem Atemkondensatsammler anzugeben, mit welchem die Abscheidung von Atemkondensat aus der Ausatemluft effizienter betrieben werden und gleichzeitig eine Analyse der Inhaltsstoffe des Atemkondensats direkt am Sammelort des Atemkondensats erfolgen kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein elektrochemischer Sensor zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von einem oder mehreren Analyten im Atemkondensat eines Exhalats mit inkorporierter Speichereinheit zum Speichern des Atemkondensats angegeben, der ein Elektrodensystem mit mindestens einer Elektrode A und einer Elektrode B sowie Anschlusskontakte des Elektrodensystems und mindestens eine dreidimensionale permeable Trägerstruktur aufweist. Die Elektrode A und B sind untereinander beabstandet in oder auf einer dreidimensionalen Trägerstruktur oder eines Verbunds mehrerer dreidimensionaler Trägerstrukturen eingerichtet und die Komposition aus den Elektroden A und B und der oder den dreidimensionalen Trägerstrukturen ist fluiddurchlässig, so dass das ausgeatmete atemkondensathaltige Exhalat die Komposition durchströmt. Die Oberfläche mindestens einer dreidimensionalen Trägerstruktur ist mit einer wasserspeichernden Schicht beschichtet, wobei das Atemkondensat in der wasserspeichernden Schicht gespeichert wird.
Der elektrochemische Sensor ist in einem Gehäuse eingefasst und verfügt über eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung. Das Exhalat strömt über die Eingangsöffnung in den Sensor ein, passiert die fluiddurchlässigen Elektroden und die mindestens eine dreidimensionale Trägerstruktur, und verlässt den Sensor downstreamseitig durch die Ausgangsöffnung. Der Sensor ist in seinem Aufbau und seiner Fluiddurchlässigkeit derart konzipiert, dass der Ausatemdruck des Patienten ausreicht, das Exhalat durch den Sensor zu drücken.
Das grundsätzliche Funktionsprinzip des erfinderischen Sensors besteht darin, dass die Abscheidung des Atemkondensats während der Passage des Exhalats durch den Sensor direkt im Sensor erfolgt. Während das atemkondensathaltige Exhalat den Sensor durchströmt, entzieht die wasserspeichernde Schicht, die auf der inneren Oberfläche der dreidimensionalen Trägerstruktur aufgebracht ist, dem Exhalat das den oder die Analyten enthaltende Atemkondensat und speichert es, so dass das Exhalat den Sensor downstreamseitig nahezu trocken verlässt. Die wasserspeichernde Schicht ist derart ausgelegt, dass diese das zur Analyse notwendige Probevolumen des Atemkondensats vollständig aufnehmen kann.
Als Einsatzgebiet der erfinderischen elektrochemischen Sensoren ist vorgesehen, den Sensor in Messeinheiten, insbesondere im Querschnitt eines Bauteils eines Pneumotachographen, zu positionieren. Der Sensor wird hierzu in die Messeinheit eingesetzt. Insbesondere ist die Messeinheit mit Gegenkontakten für die Anschlusskontakte der Elektroden A und B ausgestattet. Der Kontakt wird geschlossen, wenn der Sensor eingesetzt wird. Es versteht sich, dass die für die Messwerterfassung notwendigen elektronischen Bauteile sowie Steuer- und Auswerteeinrichtungen in der Messeinheit integriert sind.
Die Analyse der Analyten mittels des elektrochemischen Sensors kann mit jeder elektrochemischen Messmethode, wie beispielsweise der Voltammetrie/Polarographie, Amperometrie, Potentiometrie, Coulometrie, Elektrogravimetrie oder der elektrochemischen Impedanzspektroskopie erfolgen. Bevorzugt werden amperometrische oder potentiometrische Messmethoden.
Der Begriff „Analyten” bezeichnet insbesondere Marker und Mediatoren, welche die Zusammensetzung der bronchoalveolären, extrazellulären Schleimhäute oder deren Auskleidungsflüssigkeiten wiederspiegeln. Diese Substanzen reflektieren Veränderungen durch oxidative Schäden und Entzündungen in der Lunge sowie den Behandlungseffekt, so dass sie daher eine wichtige Rolle bei der Diagnose und Überwachung von Lungenerkrankungen spielen.
Der Begriff „Exhalat” bezeichnet das vom Patienten ausgeatmete, sogenannte exspiratorische Atemvolumen, welches zusammengesetzt ist aus einem Gasanteil und einem Flüssigkeitsanteil.
Mit der Bezeichnung „dreidimensionale permeable Trägerstruktur” ist ein räumliches Traggerüst aus einem festen Material gemeint, welches durchlässig für Gase und Flüssigkeiten ist. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es eine offenporige oder von offenen Kanälen durchzogene und damit für Fluide, wie Gase und Flüssigkeiten, durchströmbare Struktur aufweist. Die dreidimensionale Trägerstruktur hat eine ausgeprägte dreidimensionale Erstreckung im Gegensatz zu flächigen Konstrukten, welche sich im Wesentlichen in zwei Dimensionen erstrecken. Die dreidimensionalen Trägerstrukturen sind insbesondere scheibenförmig, vorzugsweise zylinderförmig. Es sind jedoch alle dreidimensionalen Ausdehnungen Bestandteil der Erfindung.
Ein Verbund mehrerer Trägerstrukturen meint einen Zusammenschluss von Trägerstrukturen, die unterschiedliche Funktionen oder Aufbauten aufweisen können. Der Zusammenschluss ist insbesondere schichtweise aufgebaut, kann aber auch ein andersartig aufgebautes Konglomerat mehrerer, insbesondere unterschiedlicher Trägerstrukturen sein.
Insofern im Weiteren von einer Trägerstruktur die Rede ist, ist damit auch ein Verbund von Trägerstrukturen beschrieben.
Die Komposition aus den Elektroden A und B und der oder den dreidimensionalen Trägerstrukturen bezeichnet einen Verbund der Elektroden mit einer oder mehreren Trägerstrukturen, wobei die Elektroden zumindest einen Teil der Trägerstruktur von zwei Seiten abschließen. Insbesondere erstrecken sich die auf den Trägerstrukturen angeordneten Elektroden über den gesamten Querschnitt des Sensors.
Die Elektrode A und B sind untereinander beabstandet, d. h. diese weisen einen bestimmten Abstand zueinander auf. Je nachdem welches elektrochemische Messprinzip angewendet wird, bestimmt der für das Elektrodensystem geforderte Elektrodenabstand die Dicke der von den Elektroden eingerahmten Trägerstruktur bzw. Trägerstrukturen.
Die Elektroden können in oder auf einer Trägerstruktur oder eines Verbunds mehrerer Trägerstrukturen eingerichtet sein. In der Ausführungsalternative, die eine Anordnung der Elektroden in einer Trägerstruktur vorsieht, sind die Elektroden, die sich vorzugsweise über den gesamten Querschnitt des Sensors erstrecken, von der Trägerstruktur umschlossen. Herstellbar ist ein solcher Aufbau beispielsweise durch Eingießen, Einbetten oder Einschäumen der Elektroden in der Trägerstruktur und ggfls. anschließender Verfestigung der Trägerstruktur.
In der Ausführungsalternative, die eine Anordnung der Elektroden auf der Trägerstruktur vorsieht, schließen die Elektroden, die flächig auf der Trägerstruktur eingerichtet sind, die Trägerstruktur nach außen zweiseitig, vorzugsweise über die gesamte Querschnittsfläche des Sensors, ein bzw. ab. Die Elektrode und die Trägerstruktur stehen in flächigem Kontakt miteinander. In einer besonderen Ausführungsform kann die Trägerstruktur die Öffnungen der Elektroden durchdringen.
In der bevorzugten Ausgestaltung sind die Elektroden A und B in Form eines Gewebes oder einer Lochplatte ausgestaltet. Ein Gewebe bezeichnet eine offenmaschige Struktur. Bei Lochplatten handelt es sich um Platten, die mit Öffnungen durchbrochen sind. In beiden Ausführungsformen sind die Öffnung derart konzipiert, dass der Ausatemdruck des Patienten ausreicht, um das Exhalat durch die Öffnungen in den Elektroden (und den eingerichteten Trägerstrukturen) hindurch strömen zu lassen. In einer besonderen Ausführungsform können die Elektroden auf die außenseitig liegende Oberfläche der Trägerstruktur in Form einer Beschichtung oder eines Films aufgetragen sein. Die Beschichtung kann beispielsweise durch Aufdrucken, Aufdampfen, Aufsprühen oder Aufrollen des Elektrodenmaterials auf die Trägerstruktur erfolgen. Desweiteren können die Elektroden A und B ebenfalls eine dreidimensionale permeable Trägerstruktur aufweisen. Der Aufbau der Elektroden kann aus Vollmaterial oder auch ein schichtweiser Aufbau bekannter oder spezieller Elektrodenmaterialien sein.
In einer besonderen Ausführungsform des Elektrodensystems sind auf der Elektrodenoberfläche Kohlenstoffnanoröhrchen, sogenannte CNTs, aufgebracht. Bei diesem Elektrodensystem ist vorzugsweise eine der Elektroden A oder B mit Kompositnanopartikeln aus Gold und dem anorganischen Pigment „Preußisch Blau” beschichtet. Dieses Elektrodensystem wird bevorzugt für den nichtenzymatischen Nachweis von H₂O₂ in der exhalierten Ausatemluft eingesetzt.
Das Atemkondensat besteht überwiegend aus Wasser, in dem eine Vielzahl chemischer und biochemischer Bestandteile, die sich als Gas im Atemkondensat lösen können, mit dem Wasser verdampfen oder als Aerosol aus dem ”epithelial lining fluid” der Lunge herausgelöst werden und so in das Atemkondensat gelangen.
Die wasserspeichernde Schicht, die auf der Oberfläche einer dreidimensionalen Trägerstruktur aufgebracht ist, dient der Speicherung des flüssigen Atemkondensats und damit auch der darin enthaltenen Analyten. Die wasserspeichernde Schicht besteht insbesondere aus hygroskopischen oder wasserabsorbierenden Verbindungen, die in der Lage sind, Wasser oder wässrige Medien aus der Umgebung aufzunehmen und zu speichern. Die wasserspeichernde Schicht ist insbesondere dergestalt, dass die im Atemkondensat enthaltenen Analyten in ihrer Reaktivität und Beweglichkeit nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt werden. Bevorzugt werden Stoffe und Verbindungen wie Hydrogele oder Superabsorber auf Basis von natürlichen oder synthetischen Polymeren oder Mischungen von derartigen Polymeren.
Insbesondere besteht die wasserspeichernde Schicht aus einem quellenden Hydrogel oder einem quellenden Superabsorber. Die Quelleigenschaftender wasserspeichernden Schicht können genutzt werden, um in indirekter Weise auf das Volumen des in der wasserspeichernden Schicht gespeicherte Atemkondensats rückzuschließen. Prinzipiell kann geschlussfolgert werden, dass, je stärker die wasserspeichernde Schicht aufgequollen ist, umso mehr Probevolumen in der wasserspeichernden Schicht gespeichert ist. Durch das Aufquellen der wasserspeichernden Schicht wird die Durchlässigkeit des Sensors für das Exhalat über die Zeit vermindert, da der Quellvorgang zu einer Verringerung der Porengröße oder des Querschnitts der kapillaren Gänge in der Trägerstruktur führt. Durch die Verringerung der Porengröße oder des Querschnitts der kapillaren Gänge in der Trägerstruktur kann das Atemkondensat auch kapillar in den Zwischenräumen der Trägerstruktur gebunden werden, so dass die gesamte Trägerstruktur mit Atemkondensat gefüllt sein kann. Eine vollständige Sättigung der Trägerstruktur mit Atemkondensat bedingt, dass der Sensor undurchlässig für Fluide wird, so dass in einer derartigen Ausführungsvariante die Fluiddurchlässigkeit des Sensors zeitlich begrenzt ist.
Die vorgenannten Vorgänge bedingen einen Druckanstieg vor dem Sensor bzw. einen Anstieg der Druckdifferenz der Drücke vor und nach dem Sensor, der jeweils messbar ist, und als Indikator für das von der wasserspeichernden Schicht aufgenommene Probevolumen an Atemkondensat genutzt werden kann.
Der Sensor ist vorzugsweise derart konzipiert, dass er erst durch die Speicherung des Atemkondensats in der wasserspeichernden Schicht aktiviert wird. Durch die Wasseraufnahme wird dem Nachweissystem, dargestellt durch die in und auf der Trägerstruktur oder in der wasserspeichernden Schicht aufgebrachten oder eingerichteten biologischen und chemischen Komponenten, die Wassermenge hinzugefügt, die benötigt wird, um die für die Nachweisreaktion geforderte Leitfähigkeit und/oder Puffereigenschaften einzustellen und die Reaktivität der biologischen und chemischen Reaktanten herzustellen. Vor Einsatz des Sensors ist dieser vorzugsweise trocken.
Die durch die innere Oberfläche der Trägerstruktur definierte Speicherfläche, die gleichzeitig auch als Kondensationsfläche, auf der das Atemkondensat auskondensiert, wirken kann, ist vorzugsweise zwischen den zwei Elektroden A und B eingerichtet.
Das maximale Speichervolumen der wasserspeichernden Schicht zum Speichern des Atemkondensats ist durch die Dicke und den Querschnittsdurchmesser sowie durch die Speicherfläche und die Speicherkapazität der wasserspeichernden Schicht definiert. Die Dicke und der Querschnittsdurchmesser dieser Trägerstruktur werden bestimmt durch den notwendigen Elektrodenabstand sowie die Gehäusemaße des Sensors. Die innere Oberfläche der Trägerstruktur hängt vom Aufbau der Trägerstruktur ab. Die Speicherkapazität der wasserspeichernden Schicht variiert in Abhängigkeit von den Eigenschaften der verwendeten hygroskopischen oder absorbierenden Verbindungen. Insofern das Atemkondensat zusätzlich in den Hohlzwischenräumen (Poren, Kanälen etc.) der Trägerstruktur speicherbar ist, erhöht sich das Gesamtspeichervolumen für Atemkondensat um diesen Anteil.
In Passierrichtung des Exhalats durch den Sensor können vor der Elektrode A und/oder hinter der Elektrode B zusätzlich eine oder mehrere weitere dreidimensionale Trägerstrukturen eingerichtet sein, so dass im Gesamtaufbau dieser Ausführungsform des elektrochemischen Sensors die Elektroden innenliegend, aber beabstandet durch eine zwischen den Elektroden eingerichtete dreidimensionale Trägerstruktur, eingerichtet sind. Ein derartiger Aufbau wird vorgezogen, wenn das für die Analyse geforderte, zu speichernde Probevolumen des Atemkondensats über das Speichervolumen der von den Elektroden eingerahmten Trägerstruktur hinausgeht. Hierdurch wird ein zusätzliches Depot bereitgestellt, in dem Atemkondensat aus dem Exhalat entzogen und aufgefangen werden kann. Das im Depot gespeicherte Atemkondensat bzw. die darin enthaltenen Analyten nehmen durch Eindiffundieren in den sensorischen Bereich des Sensors an der chemischen Messreaktion teil.
Durch den Ausatemdruck des Patienten wird das in der den Elektroden vorgelagerte Trägerstruktur (Depots) gespeicherte Atemkondensat zusätzlich zu den wirkenden Diffusionskräften in die Trägerstruktur oder den Verbund von Trägerstrukturen, der zwischen den Elektroden eingerichtet ist, hinein befördert.
In Abhängigkeit vom Analyten kann die Trägerstruktur und/oder die wasserspeichernde Schicht für die Analyse des oder der Analyten funktionalisiert sein. Die Funktionalisierung kann darin bestehen, dass eine oder mehrere Substanzen zur Veränderung der Leitfähigkeit des Atemkondensats auf oder in die Trägerstruktur oder in die wasserspeichernde Schicht eingebracht sind. Es ist vorgesehen, dass durch die Wasseraufnahme der wasserspeichernden Schicht bei der Speicherung des Atemkondensats die Leitfähigkeit bzw. die Pufferaktivität des Atemkondensats induziert bzw. hergestellt oder verstärkt wird. Vorzugsweise ist die Substanz zur Veränderung der Leitfähigkeit des Atemkondensats ein Elektrolyt.
Der Elektrolyt oder die Elektrolyte können in fester oder flüssiger Form vorliegen. Flüssige Elektrolyte sind sowohl Salzschmelzen und ionischen Flüssigkeiten als auch alle flüssigen Lösungen von Ionen. Feste Elektrolyte sind ungelöste Elektrolyte, wie kristalline Salze, oder Festkörper, die in der Lage sind Ionen freizusetzen. In einer besonderen Ausführungsvariante kann die Trägerstruktur aus einem Polymerelektrolytgerüst bestehen bzw. dieses enthalten oder mit einer Polymerelektrolyt-Membran beschichtet sein. Derartige Polymerelektrolyte, auch Ionomere genannt, bestehen in der Regel aus einem Kunststoffgerüst, das ionische Seitengruppen enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektrolyt jedoch ein ionenbildendes Salz, insbesondere ein Puffer.
Ebenso können in der wasserspeichernden Schicht und/oder in der gleichen oder einer weiteren Trägerstruktur funktionellen Gruppen zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten eingerichtet sein, mit denen der oder die Analyten reagieren und dann über die Freigabe oder Erzeugung einer elektroaktiven Substanz ein elektrochemisch messbares Signal erzeugt wird. Insbesondere sind die funktionellen Gruppen zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten biologisch, vorzugsweise enzymatisch oder immunologisch, aktive Rezeptoren in Kombination mit einem elektroaktiven Mediator. Derartige enzymatische oder immunologische Nachweissysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Insofern es sich um die Funktionalisierung der Trägerstruktur handelt, ist es vorrangig vorgesehen, dass die funktionellen Gruppen auf der inneren Oberfläche der Trägerstruktur kovalent gebunden sind.
Die dreidimensionale permeable Trägerstruktur kann eine offenporige, offenmaschige und/oder eine offene kanal- oder kapillardurchzogene Trägerstruktur ausgewählt aus der Gruppe „Verbundwerkstoff, Kompositwerkstoff, gesinterter Werkstoff, Filtermaterialien, Kunststoffschäume, metallische, keramische oder organische Schäume, faserhaltige Gewebe wie Vliese, dreidimensionale Wabenstrukturen, Kugelpackungen sein, wobei für die Verwendung einer Kugelpackung die Kugeln der Packung aus Glas, Kunststoffen, Keramiken, Glas und/oder festen Gelen gefertigt sein können.
Die dreidimensionale permeable Trägerstruktur kann eine flexible und/oder steife Trägermatrix aufweisen. Mit Trägermatrix ist der Bereich der Trägerstruktur bezeichnet, die das Grundgerüst der Trägerstruktur bildet. Beispielhaft seien für eine flexible Trägermatrix ein Vlies und für eine steife Trägermatrix ein durchgehärtetes Kunststoffgerüst, vorzugsweise ein Polypropylengerüst, genannt.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Verbund mehrerer Trägerstrukturen ein Schichtverbund, ein Faserverbund und/oder ein Durchdringungsverbund. Bei einem Schichtverbund sind die Trägerstrukturen, insbesondere mit voneinander variierenden Eigenschaften und Funktionen, schichtweise hintereinander gereiht und schließen flächig aneinander. Bei einem Faserverbund sind faserartige Trägerstrukturen mit voneinander variierenden Eigenschaften und Funktionen ineinander verwoben. Beim Durchdringungsverbund bilden Cluster verschiedener Trägerstrukturen den Verbund.
Der elektrochemische Sensor kann als Einweg- oder als Mehrwegsensor konzipiert sein. Vorzugsweise ist der Sensor sterilisierbar oder zumindest steril herstellbar.
Für den Fall, dass das elektrochemische Messprinzip ein 3-Elektrodensystem fordert, kann zusätzlich eine Referenzelektrode eingerichtet sein.
Für das Beheizen des elektrochemischen Sensors kann ein Heizelement eingerichtet sein. Das Heizelement dient der Einstellung der Betriebstemperatur des Sensors. Das Heizelement verfügt über Anschlusskontakte zur Stromversorgung sowie Anschlusskontakte zu einer Steuer- und Regeleinheit, die vorzugsweise in der Messeinheit, in die der Sensor einsetzbar ist, integriert ist. Vorzugsweise ist das Heizelement ein beheizbares fluiddurchlässiges Gewebe oder eine beheizbare fluiddurchlässige Lochplatte und überstreckt sich insbesondere über die gesamte Querschnittsfläche des Sensors, damit eine gleichmäßige Erwärmung des Sensors gewährleistet wird. Es sind aber auch alle weiteren Ausgestaltungsformen wie ein Spiralheizungselement oder Peltierelemente Bestandteil der Vorrichtung. Vorgesehen ist auch eine Beheizung des Sensors über Mikrowellen, da diese einen besonders hohen Durchdringungsgrad der räumlichen komplexen dreidimensionalen Komposition des Sensors gewährleisten. Das Heizelement kann auf- oder innenliegend im Sensor eingerichtet sein.
Beispielhafte Kompostionen von Elektroden und Trägerstruktur zum Nachweis von H₂O₂ sind:

a) Nachweis von H₂O₂ (enzymatisch): Elektrode A: Pt; Elektrode B: Silber-Silberchlorid; Trägerstruktur funktionalisiert mit Meerrettichperoxidase und einem elektroaktiven Mediator und ionenbildenden Salzen
b) Nachweis von H₂O₂ (anorganisch): Elektrode A: Kohlestoffnanoröhrchen; Elektrode B: Kohlenstoffnanoröhrchen gesputtert/beschichtet mit Gold und dem anorganischen Pigment „Preußisch Blau”; Trägerstruktur funktionalisiert mit ionenbildenden Salzen eines Puffers. Vor dem Einsatz dieses Sensors ist der Puffer in Form eines Pulvers oder Kristallen trocken auf der Trägerstruktur aufgebracht.

Nachstehend wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1: Querschnittsansicht eines elektrochemischen Sensors mit außenliegenden Elektroden und einer die Elektroden beabstandenden dreidimensionalen permeablen Trägerstruktur,
2 Querschnittsansicht eines elektrochemischen Sensors mit innenliegenden Elektroden und einem die Elektroden beabstandenden Verbund zweier dreidimensionalen permeablen Trägerstrukturen sowie außen auf den Elektroden aufliegende einzelnen Trägerstrukturen.
Die 1 zeigte eine Querschnittsansicht eines elektrochemischen Sensors 1 mit außenliegenden Elektroden A 4 und B 5 und einer die Elektroden 4, 5 beabstandenden, dreidimensionalen permeablen Trägerstruktur 7. Der elektrochemische Sensor 1 zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von einem oder mehreren Analyten im Atemkondensat 2 eines Exhalats 3 ist mit einer zwischen den Elektroden A 4 und B 5 inkorporierten Speichereinheit in Form einer wasserspeichernden Schicht 9 zum Speichern des Atemkondensats 2 ausgestattet und in einem umfangseitig den Sensor ummantelnden Gehäuse 10 eingerichtet.
Das 2-Elektrodensystem mit einer Elektrode A 4 und einer Elektrode B 5 weist Anschlusskontakte 6 des Elektrodensystems zum Anschluss an Gegenkontakte einer Mess- und Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) auf. Die Elektroden A 4 und B 5, als Lochplatte ausgefertigt, überstrecken sich über die gesamte Querschnittsfläche des Sensors 1.
Zwischen den Elektroden A 4 und B 5 ist eine einzige Schicht einer dreidimensionalen permeablen Trägerstruktur 7 eingerichtet, durch die die Elektroden 4 und B 5 untereinander beabstandet sind. Die Elektrode A 4 liegt bezogen auf die Durchflussrichtung (Pfeile) des Sensors 1 eingangsseitig flächig auf der Trägerstruktur 7 auf und schließt diese und den Sensor nach außen ab. Die Elektrode B 5 liegt ausgansseitig flächig auf der Trägerstruktur 7 auf und schließt diese und den Sensor ebenfalls nach außen ab.
Die Komposition aus den Elektroden A 4 und B 5 und der dreidimensionalen Trägerstrukturen 7 ist fluiddurchlässig ausgestaltet, so dass das Exhalat 3 die Komposition aus den Elektroden A 4 und B 5 und der dreidimensionalen Trägerstruktur 7 durchströmen kann.
Die innere Oberfläche der dreidimensionalen Trägerstruktur 7 ist mit einer wasserspeichernden Schicht 9 beschichtet, welche dazu eingerichtet ist, dem Exhalat beim Durchströmen der Komposition aus den Elektroden A 4 und B 5 und der dreidimensionalen Trägerstruktur 7 das Atemkondensat 2.1 vollständig zu entziehen und zu speichern, so dass das Exhalat 3 den Sensor 1 trocken verlässt.
Die dreidimensionale Trägerstruktur 7 ist derart konzipiert, dass das Atemkondensat 2.2 auch in den Zwischenräumen der Trägerstruktur 7 kapillar gespeichert wird.
Die dreidimensionale Trägerstruktur 7 ist zusätzlich mit Substanzen 11 zur Veränderung der Leitfähigkeit des Atemkondensats 2 funktionalisiert. Durch die Wasseraufnahme aus dem Exhalat 3 werden die ionisierenden Salze, die ursprünglich als ungelöste Salze auf der Trägerstruktur aufgebracht wurden, gelöst und dadurch die Leitfähigkeit des Atemkondensats verändert bzw. für die Nachweisreaktion eingestellt.
Ebenso sind auf der Oberfläche der Trägerstruktur 7 funktionellen Gruppen 12 zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten, der im gespeicherten Atemkondensat gelöst vorliegt, kovalent gebunden.
Die 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines elektrochemischen Sensors 1 mit innenliegenden Elektroden A 4 und B 5 und einem die Elektroden beabstandenden Verbund 8 zweier dreidimensionalen permeablen Trägerstrukturen 7 sowie außen auf den Elektroden A 4 und B 5 aufliegende einzelnen Trägerstrukturen 7.
Der elektrochemischer Sensor 1 zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von einem oder mehreren Analyten im Atemkondensat 2 eines Exhalats 3 ist mit einer zwischen den Elektroden A 4 und B 5 inkorporierten Speichereinheit in Form einer wasserspeichernden Schicht 9 zum Speichern des Atemkondensats 2 ausgestattet und in einem umfangseitig den Sensor ummantelnden Gehäuse 10 eingerichtet.
Das 2-Elektrodensystem mit einer Elektrode A 4 und einer Elektrode B 5 weist Anschlusskontakte 6 des Elektrodensystems zum Anschluss an Gegenkontakte einer Mess- und Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) auf. Die Elektroden A 4 und B 5, als Lochplatte ausgefertigt, überstrecken sich über den gesamten Querschnitt des Sensors 1.
Zwischen den Elektroden A 4 und B 5 ist eine Verbund zweier dreidimensionaler permeabler Trägerstrukturen 8 eingerichtet, durch die die Elektroden A 4 und B 5 untereinander beabstandet sind. Der Verbund 8 ist schichtweise aufgebaut. Die Elektrode bezogen auf die Durchflussrichtung (Pfeile) des Sensors 1 A 4 liegt upstreamseitig flächig auf dem Verbund von Trägerstrukturen 8 auf. Die Elektrode B 5 liegt downstreamseitig flächig auf dem Verbund von Trägerstrukturen 8 auf.
Vor der Elektrode A 4 ist eine weitere dreidimensionale fluiddurchlässige Trägerstruktur 7, die nur mit einer wasserspeichernden Schicht 9 beschichtet ist, eingerichtet.
Hinter der Elektrode B 5 ist zusätzlich eine dreidimensionale fluiddurchlässige Trägerstruktur 7, die mit ionenbildenden Salzen angereichert ist, eingerichtet.
Die Komposition aus den Elektroden A 4 und B 5 und dem Verbund 8 zweier dreidimensionalen Trägerstrukturen 7 sowie den Trägerstrukturen 7 vor Elektrode A 4 und hinter Elektrode B 5 ist fluiddurchlässig ausgestaltet, so dass das Exhalat 3 diese Komposition durchströmen kann.
Die inneren Oberflächen der eingangsseitigen Trägerstruktur 7 sowie des Verbunds 8 sind mit einer wasserspeichernden Schicht 9 beschichtet, welche dazu eingerichtet ist, dem Exhalat 3 beim Durchströmen des Sensors das Atemkondensat 2 vollständig zu entziehen und zu speichern. Das Exhalat 3 verlässt den Sensor 1 trocken.
Die Oberflächen der im Verbund 8 befindlichen dreidimensionalen Trägerstrukturen 7 sind unterschiedlich funktionalisiert. So ist eine der dreidimensionalen Trägerstrukturen 7 mit Substanzen 11 zur Veränderung der Leitfähigkeit des Atemkondensats 2 funktionalisiert. Durch die Wasseraufnahme aus dem Exhalat werden die in der Trägerstruktur eingebrachten ionisierenden Salze, die ursprünglich als ungelöste Salze auf der Trägerstruktur 7 aufgebracht wurden, gelöst und dadurch die Leitfähigkeit des Atemkondensats 2 verändert bzw. für die Nachweisreaktion eingestellt.
Auf der Oberfläche der anderen im Verbund 8 angeordneten Trägerstruktur 7 sind funktionellen Gruppen 12 zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten, der im gespeicherten Atemkondensat 2 gelöst vorliegt, kovalent gebunden.
Der Sensor 1 ist mit einem Heizelement 13, welches mit einem Anschlusskontakt 14 zum Anschließen an einem Gegenkontakt einer Messeinheit, die über eine Steuer- und Regelungseinheit für das Heizelement verfügt, ausgestattet. Das Heizelement 13 ist fluiddurchlässig in Form eines Heizgewebes ausgestaltet. Durch die innenliegende Anordnung des Heizelements 13 wird eine gleichmäßige Erwärmung des Sensors über das gesamte Sensorvolumen gewährleistet.

Claims

Elektrochemischer Sensor (1) zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis von einem oder mehreren Analyten im Atemkondensat (2) eines Exhalats (3) mit inkorporierter Speichereinheit zum Speichern des Atemkondensats aufweisend ein Elektrodensystem mit mindestens einer Elektrode A (4) und einer Elektrode B (5) sowie Anschlusskontakte (6) des Elektrodensystems und mindestens eine dreidimensionale permeable Trägerstruktur (7), wobei die Elektrode A (4) und B (5) untereinander beabstandet in oder auf einer dreidimensionalen Trägerstruktur (7) oder eines Verbunds (8) mehrerer dreidimensionaler Trägerstrukturen (7) angeordnet sind, wobei die fluiddurchlässigen Elektroden A und B (4, 5) sich flächig über eine Fläche der Trägerstruktur (7) erstrecken und zumindest einen Teil der Trägerstruktur (7) von zwei Seiten abschließen, so dass die Komposition aus den Elektroden A (4) und B (5) und der oder den dreidimensionalen Trägerstrukturen (7) fluiddurchlässig und vom atemkondensathaltigen Exhalat (2, 3) durchströmbar ist, wobei die Oberfläche mindestens einer dreidimensionalen Trägerstruktur (7) mit einer wasserspeichernden Schicht (9) beschichtet ist, wobei das Atemkondensat (2) in der wasserspeichernden Schicht (9) speicherbar ist.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden A (4) und B (5) in Form eines Gewebes oder einer Lochplatte ausgestaltet sind.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden A (4) und B (5) eine dreidimensionale permeable Trägerstruktur aufweisen.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Elektrodenoberfläche Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) aufgebracht sind.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass entweder Elektrode A (4) oder Elektrode B (5) mit Kompositnanopartikeln aus Gold und dem anorganischen Pigment „Preußisch Blau” beschichtet ist.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dreidimensionale Trägerstruktur (7) und/oder die wasserspeichernde Schicht (9) mit einer oder mehreren Substanzen (11) zur Veränderung der Leitfähigkeit des Atemkondensats funktionalisiert oder aktiviert ist bzw. sind.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Substanz zur Veränderung der Leitfähigkeit (11) des Atemkondensats (2) ein Elektrolyt, vorzugsweise ein ionenbildendes Salz, insbesondere ein Puffer, ist.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dreidimensionale Trägerstruktur (7) und/oder die wasserspeichernde Schicht (9) mit funktionellen Gruppen (12) zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten funktionalisiert oder aktiviert ist bzw. sind.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Gruppen (12) zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis des oder der Analyten biologisch, vorzugsweise enzymatisch oder immunologisch, aktive Rezeptoren in Kombination mit einem elektroaktiven Mediator sind.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Trägerstruktur (7) eine flexible und/oder steife Trägermatrix aufweist.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Trägerstruktur (7) eine offenporige, offenmaschige und/oder kapillardurchzogene Trägerstruktur ist, ausgewählt aus der Gruppe Verbundwerkstoff, Kompositwerkstoff, gesinterter Werkstoff, Filtermaterialien, Kunststoffschäume, metallische, keramische oder organische Schäume, faserhaltige Gewebe, dreidimensionale Wabenstrukturen, Kugelpackungen, wobei die Kugeln der Kugelpackung vorzugsweise aus Glas, Kunststoffen, Keramiken, Glas und/oder festen Gelen gefertigt sind.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund (8) mehrerer dreidimensionaler Trägerstrukturen (7) ein Schichtverbund und/oder ein Faserverbund und/oder ein Durchdringungsverbund ist.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Passierrichtung des Exhalats (3) durch den Sensor (1) vor der Elektrode A (4) und/oder hinter der Elektrode B (5) eine oder mehrere weitere dreidimensionale Trägerstrukturen (7) eingerichtet sind.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserspeichernde Schicht (9) ein Hydrogel oder ein Superabsorber, vorzugsweise ein quellendes Hydrogel oder ein quellender Superabsorber, ist.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein Einwegsensor ist.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) steril ist.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzelektrode eingerichtet ist.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) durch die Speicherung des Atemkondensats (2) in der wasserspeichernden Schicht (9) aktivierbar ist.
Elektrochemischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement (13) zum Beheizen des Sensors (1) eingerichtet ist.