-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensors zum Nachweis von Analyten, beispielsweise von Wasserstoffperoxid im Rahmen eines Atemgasanalysegeräts, sowie einen entsprechend einsetzbaren Biosensor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium sowie ein elektronisches Steuergerät, die zum Betreiben eines Biosensors eingerichtet sind.
-
Stand der Technik
-
Wasserstoffperoxid (H2O2) zählt zu den reaktiven Sauerstoffspezies, die im Körper vor allem beim Abbau von radikalischen Sauerstoffformen gebildet werden. Wasserstoffperoxid wirkt weiterhin im Rahmen von unspezifischen Abwehrmechanismen des Körpers und ist bei Entzündungsprozessen nachweisbar. Beispielsweise wird Wasserstoffperoxid in der Atemgasanalyse als Biomarker untersucht, der bei oxidativem Stress, beispielsweise im Zusammenhang mit Reizgasen oder Rauchen in der Lunge gebildet wird. Zum Nachweis von H2O2 im Atem wird herkömmlicherweise mit einer Kondensatfalle gearbeitet. Mit Hilfe von enzymbasierten Nachweismethoden kann Wasserstoffperoxid nasschemisch im Labormaßstab analysiert werden.
-
Es sind bereits eine Vielzahl von enzymbasierten Biosensoren zum Nachweis von Wasserstoffperoxid bekannt, die jedoch für den praktischen Einsatz in einem Atemgasanalysegerät im Allgemeinen nicht geeignet sind.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
Es wird ein neues Verfahren zum Betreiben eines Biosensors zum Nachweis von Analyten, beispielsweise von Wasserstoffperoxid, vorgeschlagen. Das Verfahren ist für einen Biosensor vorgesehen, der wenigstens einen Signalumwandler mit einem Elektrodensystem und wenigstens eine auf biologischen Komponenten basierende Sensorschicht, die an das Elektrodensystem angebunden ist, umfasst. Weiterhin weist der Biosensor wenigstens eine Einrichtung zur fluidischen Ansteuerung des Biosensors und wenigstens eine Steuereinrichtung zum Betreiben des Biosensors auf. Erfindungsgemäß wird der Biosensor dynamisch betrieben, indem die Aktivität der Sensorschicht mit den biologischen Komponenten gezielt gesteuert wird. Der dynamische Betrieb bezieht sich also darauf, dass die Aktivität der Sensorschicht gezielt beeinflusst wird, sodass die Sensorschicht gewissermaßen ein- und ausgeschaltet werden kann, wobei diese Schalterfunktion vorzugsweise reversibel ist, sodass mehrfach zwischen einer aktiven Sensorschicht und einer im Wesentlichen inaktiven Sensorschicht gewechselt werden kann. In der aktiven Form ist die Sensorschicht für eine Messung bereit. Bei einer inaktiven Form der Sensorschicht ist eine Messung nicht möglich. Durch diese dynamische Betriebsweise ist der Biosensor in vielfältiger Weise einsetzbar. Insbesondere kann ein solcher Biosensor mit besonderem Vorteil in einem Atemgasanalysegerät eingesetzt werden, das beispielsweise für einen täglichen Einsatz mit einfacher Handhabung für den Anwender vorgesehen ist.
-
Der Biosensor, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dynamisch betrieben wird, umfasst beispielsweise einen an sich bekannten Signalumwandler (Transducer), der beispielsweise mit einem Zwei- oder Drei-Elektrodensystem (z. B. Arbeitselektrode sowie Gegen- und Referenzelektrode) arbeitet. Der Biosensor kann beispielsweise in Form eines siebgedruckten Chips realisiert sein. Der Biosensor kann beispielsweise mit einem Potentiostat (Polarometer) betrieben werden. Ein solcher Sensor eignet sich insbesondere für Messungen in der Elektrochemie, die mit drei Elektroden ausgeführt werden: Das Potential der zu untersuchenden Elektrode (Arbeitselektrode) wird gegenüber der Bezugselektrode gemessen, während der Strom zur Gegenelektrode fließt.
-
Die biologischen Komponenten der Sensorschicht können, je nach Analyt, beispielsweise auf einem Enzym oder einem Enzymsystem basieren. Zum Nachweis von Wasserstoffperoxid als Analyt eignen sich insbesondere Enzyme, die Wasserstoffperoxid umsetzen (Peroxidasen), beispielsweise HRP (Horse Radish Peroxidase – Meerretich-Peroxidase). Die Anbindung der Sensorschicht an das Elektrodensystem kann beispielsweise über einen chemischen Linker, insbesondere über ein Polymer erfolgen, welcher das Enzym insbesondere an die Arbeitselektrode anbindet. Die Einrichtung zur fluidischen Ansteuerung des Biosensors umfasst zweckmäßigerweise eine Pumpe sowie eine Einrichtung zur Absaugung von Abfall (z. B. gebrauchter Puffer). Darüber hinaus ist zweckmäßigerweise ein Reservoir für Puffer und/oder andere Reagenzien vorgesehen.
-
Besonders geeignet ist das Verfahren beispielsweise für Biosensoren, die auf enzymatischen Komponenten beruhen. Prinzipiell können für die Biosensoren jedoch auch andere biologische Systeme, beispielsweise Antikörper, Organellen oder Mikroorganismen eingesetzt werden. Voraussetzung ist lediglich, dass diese biologischen Systeme über steuerbare Parameter in ihrer Aktivität beeinflusst werden können.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere eine quantitative und selektive Messung von Atemgasbestandteilen insbesondere im Rahmen eines Atemgasanalysegeräts über selektive Biosensoren durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf Biosensoren in der Atemgasanalyse beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren im Prinzip für jede Art von Biosensoren eingesetzt werden, die auch in anderen Anwendungen verwendet werden können, solange das jeweils verwendete biologische System bzw. die biologischen Komponenten der Sensorschicht des jeweiligen Biosensors eine Aktivitätssteuerung durch die systemimmanenten biologischen Eigenschaften/Profile erlauben.
-
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Biosensor wenigstens eine Temperatureinstellungseinrichtung, wobei der dynamische Betrieb des Biosensors über eine Temperatureinstellung des Biosensors erfolgt. Durch diese Temperatureinstellung wird die Aktivität der Sensorschicht bzw. der biologischen Komponenten der Sensorschicht gesteuert. Durch eine gezielte Steuerung der Aktivität der biologischen Komponenten des Biosensors kann damit in gewisser Weise ein An-/Aus-Schalter des Biosensors realisiert werden. Der dynamische Betrieb über eine Temperatureinstellung des Biosensors basiert darauf, dass beispielsweise Enzyme in der Regel ein bestimmtes Temperaturoptimum haben. Beispielsweise weisen viele Enzyme ein mehr oder weniger scharfes Temperaturoptimum im Bereich zwischen etwa 30 und 40 °C auf. Andererseits ist die Enzymaktivität beispielsweise bei Temperaturen unterhalb von 10 °C oftmals deutlich eingeschränkt. Je nach Enzym kann das Temperaturoptimum aber auch deutlich niedriger oder deutlich höher liegen. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dieses Phänomen zur Steuerung der Aktivität der Sensorschicht, indem durch eine Einstellung der Temperatur deutlich unterhalb des Temperaturoptimums des jeweiligen Enzyms das Enzym praktisch inaktiviert wird. Durch Einstellen einer Temperatur im Bereich des Temperaturoptimums wird das Enzym und damit der Biosensor aktiviert.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der dynamische Betrieb über eine Modulation des pH-Wertes in dem Biosensor. Vergleichbar mit dem Temperaturoptimum weisen viele Enzyme ein pH-Optimum auf, beispielsweise im neutralen Bereich. Durch Modulation des pH-Wertes, beispielsweise durch Einleiten geeigneter Puffersubstanzen in das fluidische System des Biosensors, kann damit die Aktivität der Sensorschicht gesteuert werden. In besonders bevorzugter Weise kann die Modulation des pH-Wertes mit einer Temperatureinstellung in der oben beschriebenen Weise kombiniert werden.
-
Weiterhin kann der dynamische Betrieb alternativ oder gegebenenfalls zusätzlich über biologische Regulationsmechanismen erfolgen, mit denen, je nach verwendetem biologischen System, ebenfalls die Aktivität der biologischen Komponenten einstellbar ist. Hierfür geeignet sind beispielsweise reversible Inhibitoren, die auf die biologischen Komponenten der Sensorschicht wirken. Ähnliches ist beispielsweise über die Einstellung von geeigneten Ionenkonzentrationen oder über die Zugabe von bestimmten, für eine Aktivität erforderlichen Cofaktoren, beispielsweise von bestimmten Salzen oder anderem, möglich. Diese verschiedenen Regulationsmöglichkeiten können in Abhängigkeit von den jeweils verwendeten biologischen Komponenten ausgewählt und eingestellt werden, wobei der dynamische Betrieb dabei beispielsweise über physikalische Faktoren wie die Temperatur und/oder über chemische Faktoren, die beispielsweise durch Einspeisung von verschiedenen Puffern in das Systeme eingestellt werden, erfolgt. Wenn mehrere der genannten Parameter zur Aktivitätssteuerung des Biosensors verwendet werden, kann diese Einstellung der Parameter parallel oder gegebenenfalls sequenziell erfolgen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise für amperometrische Biosensoren, bei denen beispielsweise in einer Messkammer bei konstant gehaltener Spannung ein Stromfluss gemessen wird. Prinzipiell eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch für andere Biosensoren, die auf einem anderen elektrochemischen Detektionsprinzip basieren, beispielsweise potentiometrische Biosensoren oder Biosensoren, die mit ionenselektiven Elektroden arbeiten. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise für piezoelektrische Biosensoren oder optische Biosensoren eingesetzt werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der dynamische Betrieb über eine Modulation der angelegten elektrischen Spannung erfolgen und/oder der dynamische Betrieb kann über eine Modulation der angelegten elektrischen Spannung unterstützt werden. Es ist beispielsweise möglich, dass die angelegte elektrische Spannung parallel zu der oben beschriebenen Aktivitätssteuerung der biologischen Komponenten vorgenommen wird. Insbesondere wenn die biologische Komponente spannungsabhängige Eigenschaften besitzt, kann dies direkt ausgenutzt werden, um die Aktivität der biologischen Komponente zu beeinflussen. Besitzt das Enzym oder allgemein die biologische Komponente selbst keine spannungsabhängigen Eigenschaften, so kann die gezielte Abfolge von Spannungswechseln und Temperierung, wie oben beschrieben, eine Erweiterung des Temperatur-Regelverfahrens sein. Beispielsweise kann parallel zu einer Inaktivierung eines Enzyms eine bestimmte Spannung eingestellt werden, so dass die enzymatische Umsetzung gehemmt und eine vorzeitige Messung verhindert wird (Wartespannung).
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise durchgeführt werden, indem zunächst die Sensorschicht bzw. die biologischen Komponenten der Sensorschicht in ihrer Aktivität herabreguliert werden oder in einem solchen inaktiven Zustand gehalten werden. Anschließend erfolgt eine Beaufschlagung des Biosensors mit einer Probe, beispielsweise einer Atemgasprobe oder einem Atemgaskondensat. Beispielsweise kann hierfür eine direkte Kondensation des Ausatemgases auf dem Biosensor vorgesehen sein. Hierfür können beispielsweise an sich bekannte Kühlfallen eingesetzt werden. Nach der Beaufschlagung des Biosensors mit der Probe wird die Sensorschicht bzw. werden die biologischen Komponenten der Sensorschicht bis zum Erreichen von optimalen Bedingungen für die Aktivität der biologischen Komponenten heraufreguliert. Anschließend kann die Messung erfolgen, beispielsweise durch Anlegen einer geeigneten Messspannung, bevor die Aktivität der Sensorschicht wieder in einen inaktiven Zustand herabreguliert wird und der ermittelte Messwert ausgegeben wird. Es ist weiterhin möglich, dass sich vor oder nach der Ausgabe des Messwertes eine oder mehrere weitere Messungen anschließen. Hierfür kann der Probenpfad des Biosensor vorteilhafterweise gespült und der Biosensor gegebenenfalls erneut mit einer Probe beaufschlagt werden, bevor erneut gemessen wird. Die Beaufschlagung mit einer Messprobe oder gegebenenfalls mit einer Kalibrierprobe erfolgt zweckmäßigerweise wieder bei einem inaktiven Zustand der Sensorschicht. Von Vorteil ist es, dass während der Herabregulation oder dem Halten der Sensorschicht in einen/m inaktiven Zustand und/oder während der Probengewinnung eine elektrische Spannung am Biosensor eingestellt wird, die eine vorzeitige Messung vermeidet. Beispielsweise kann eine solche Wartespannung von beispielsweise 0,5 Volt eingestellt werden, wohingegen die eigentliche Messspannung beispielsweise 0,1 Volt beträgt.
-
Außerhalb der eigentlichen Messphasen, in denen eine Messspannung zur Durchführung der eigentlichen Messung angelegt wird, kann auch in der Phase der Vorbereitung der Messung, also während der Einstellung der optimalen Bedingungen für die biologischen Komponenten, kurzzeitig von der Wartespannung auf die Messspannung umgeschaltet werden, um einen Referenzwert für die Feststellung der Aktivität der Sensorschicht außerhalb der eigentlichen Messphase zu generieren. Entsprechend kann auch in der sich an die Messphase anschließenden Erholungs- oder Pausenphase für die Sensorschicht, bei der die Aktivität der Sensorschicht herabreguliert wird/ist, ebenfalls kurzzeitig eine Messspannung angelegt werden, um einen weiteren Referenzwert für die Aktivität der Sensorschicht zu generieren. Dieser Referenzwert wird insbesondere dann gemessen, wenn die Aktivität der Sensorschicht bereits herunterreguliert ist.
-
Die oben beschriebenen Parameter zum Betrieb des Biosensors sind zweckmäßigerweise reversibel. In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch eine irreversible Inaktivierung der biologischen Komponenten, beispielsweise eines Enzyms, zusätzlich für die Sensorfunktion ausgenutzt werden. Eine Inaktivierung der biologischen Komponenten kann insbesondere dafür eingesetzt werden, um durch Referenzmessungen das Hintergrundsignal (Beitrag der beteiligten chemischen Substanzen zum Signal etc.) oder Leckströme oder ähnliches zu bestimmen. Hierfür wird die irreversible Inaktivierung zweckmäßigerweise nach der eigentlichen Messung durchgeführt. Diese Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor allem für austauschbare Sensoren bzw. austauschbare biologische Komponenten geeignet. Die Inaktivierung (irreversible Hemmung) beispielsweise eines Enzyms kann z.B. durch Hitze oder durch einen spezifischen Inhibitor erfolgen. Die für die Sensorfunktion benötigte Enzymreaktion kann nach der Inaktivierung nicht ablaufen, sodass die Beteiligung oder Beeinflussung des Sensorsignals durch alle weiteren beteiligten Komponenten (Elektroden inkl. angelegtes Potential, chemische Reaktanden etc.) im Zuge einer Referenzmessung bestimmt werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt neben dem Betrieb eines einzelnen selektiven Biosensors für einen bestimmten Analyten auch den Betrieb eines Sensor-Arrays, auf dem unterschiedliche Biosensoren zur Messung von unterschiedlichen Analyten, beispielsweise zur Messung von verschiedenen Biomarkern in der Ausatemluft, zusammengefasst sind. Hierbei kann je nach Biosensor bzw. je nach eingesetztem biologischem System in der Sensorschicht eine unterschiedliche Temperierung und somit Steuerung des jeweiligen Biosensors bzw. der jeweiligen biochemischen Reaktion mit dem Biomarker durchgeführt werden. Auf diese Weise können mit einem Gerät verschiedene Analyten parallel untersucht werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine regulierte Messung von verschiedenen Analyten, beispielsweise von Wasserstoffperoxid in einer Atemprobe, wobei der Betrieb des Biosensors an das Atemmanöver des Probanden angepasst werden kann, indem die Aktivität des Biosensors nach Art eines An-/Aus-Schalters über eine Aktivitätssteuerung der Sensorschicht anpassbar ist. Hierbei werden die Charakteristika des jeweils verwendeten biologischen Systems, beispielsweise eines Enzyms, ausgenutzt, wobei die gegebenen Aktivitätsprofile des biologischen Systems berücksichtigt werden, um optimale Messbedingungen zu erhalten. Damit können Biosensoren insbesondere in der angewandten Forschung eingesetzt werden, da sich die Messbedingungen für beispielsweise die Atemgasanalyse anpassen lassen und damit eine Standardisierung erreicht wird. Weiterhin kann durch die Aktivitätssteuerung und damit strikte Regulation der biochemischen Reaktion auf dem Biosensor die Reproduzierbarkeit der Messung erhöht werden. Beispielsweise im Fall von Wasserstoffperoxid-Messungen sind nur sehr geringe Konzentrationen in der Probe zu erwarten. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren für solche niedrig-konzentrierten Analyten besonders geeignet, da durch die Aktivitätssteuerung des Biosensors die Messergebnisse besonders reproduzierbar und sensitiv sind. Weiterhin erlaubt die Aktivitätssteuerung der Sensorschicht eine standardisierte Probengenerierung, die in Abstimmung mit dem biochemischen Vorgang auf dem Sensor abläuft.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt Ein- und Mehrfachmessungen. Weiterhin können mit Hilfe von definierten Gaszusammensetzungen oder Probenlösungen, die definierte Konzentrationen des Analyten enthalten, Kalibriermessungen durchgeführt werden, die zweckmäßigerweise die Messbereiche der relevanten Konzentrationen des jeweiligen Analyten abdecken. Diese Kalibriermedien können insbesondere über den Probenpfad oder eine sonstige fluidische Anbindung des Sensors auf die Sensorschicht aufgebracht werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin Kontrollmechanismen einbauen, wofür beispielsweise ein weiterer Biosensor eingesetzt wird, der eine andere Sensorschicht umfasst, die bei einer entsprechenden Ansteuerung wie bei dem eigentlichen Biosensor mit einer anderen bzw. mit einer entgegengesetzten Aktivitätsregulierung in der Sensorschicht reagiert. Beispielsweise kann eine Temperatur-Regulation im Sinne einer Negativkontrolle überprüft werden, indem bei dem weiteren Biosensor ein Enzym eingesetzt wird, das beispielsweise bei einer niedrigen Temperatur, beispielsweise bei 5 °C, seine optimale Aktivität entfaltet, wohingegen das Enzym des zu überprüfenden Biosensors bei einer Temperatur von 5 °C weitestgehend inaktiv ist. In entsprechender Weise kann ein Kontroll-Biosensor zur Überprüfung beispielsweise der pH-Wertmodulation oder einer Modulation der Ionenstärke genutzt werden, wobei bei dem jeweiligen Kontroll-Biosensor das jeweils eingesetzte Enzym bzw. die biologische Komponente bei den Bedingungen, die für den eigentlichen Biosensor aktivierend sind, eine Inaktivität (oder umgekehrt) zeigt.
-
Die Erfindung umfasst weiterhin einen Biosensor zum Nachweis von Analyten, wobei der Biosensor wenigstens einen Signalumwandler mit einem Elektrodensystem, wenigstens eine auf biologischen Komponenten basierende Sensorschicht, die an das Elektrodensystem angebunden ist, wenigstens eine Einrichtung zur fluidischen Ansteuerung des Biosensors und wenigstens eine Steuereinrichtung zum Betreiben des Biosensors umfasst. Erfindungsgemäß weist der Biosensor eine Einrichtung zur Aktivitätssteuerung der Sensorschicht auf. Bezüglich weiterer Merkmale und Einzelheiten dieses Biosensors wird auf die obige Beschreibung verwiesen, wobei der Biosensor für einen Betrieb gemäß dem oben beschriebenen Verfahren eingerichtet ist.
-
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, das zur Durchführung der Schritte des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Zudem umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät für einen Biosensor, das zur Durchführung der Schritte des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergaben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
-
In den Zeichnungen zeigen:
-
1 schematische Darstellung von einzelnen Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Biosensors;
-
2 zeitlicher Verlauf eines dynamischen Messzyklus gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Variation von Temperatur und Spannung; und
-
3 zeitlicher Verlauf eines dynamischen Messzyklus gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Variation von Temperatur, pH-Wert und Spannung (Spannung nicht dargestellt).
-
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
In 1 ist in schematischer Weise ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt 10 werden als Phase I des Verfahrens auf dem Biosensor Bedingungen eingestellt, die eine Inaktivierung der Sensorschicht bewirken. Dies kann beispielsweise eine Sensorkühlung sein. In dieser Phase erfolgt auch die Probennahme, beispielsweise durch Beaufschlagen des Biosensors mit einer Atemgasprobe. Die Atemprobe wird in wenigen Atemzyklen auf den Sensor aufgebracht. Die Kühlung des Sensors bewirkt eine Betauung des Sensors, d.h. die Probe scheidet sich auf der Sensoroberfläche ab und benetzt den Biosensor. Im Schritt 20 wird als Phase II des erfindungsgemäßen Verfahrens die Messung vorbereitet, indem Bedingungen eingestellt werden, die die Sensorschicht des Biosensors in einen aktiven Zustand versetzen. Beispielsweise wird schrittweise eine optimale Temperatur für die enzymatische Aktivität der Sensorschicht eingestellt. Im Schritt 30 erfolgt als Phase III die eigentliche Messung bei den optimalen Aktivitätsbedingungen für die Sensorschicht, indem beispielsweise eine geeignete Messspannung eingestellt wird. In Schritt 40 wird als Phase IV des Verfahrens die Messung beendet, beispielsweise durch Umschalten von der Messspannung auf eine Wartespannung. Parallel werden Bedingungen eingestellt, die für eine Herabregulation der Aktivität der biologischen Komponenten in der Sensorschicht sorgen. Beispielsweise wird die Temperatur abgesenkt. Gegebenenfalls kann in dieser Phase eine Spülung des Probenpfades im Sensor erfolgen, beispielsweise mit Analyt-freier Luft. Anschließend kann in Schritt 50 als Phase Va ein Messwert ausgegeben werden. Alternativ kann in Schritt 60 als Phase Vb der Messzyklus durch Sprung zum Schritt 10 wiederholt werden. Gegebenenfalls kann eine Kalibrierung erfolgen.
-
2 illustriert in beispielhafter Weise die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer Atemgasmessung, wobei beispielsweise ein Biosensor mit HRP als Enzym auf einem amperometrischen Sensor verwendet wird. Dargestellt ist der zeitliche Verlauf der Messung, wobei eine Aktivitätssteuerung des Enzyms anhand einer Modulation der Temperatur erfolgt. Bei einer Temperatur von ca. 5 °C ist das Enzym weitestgehend inaktiv. Bei einer Temperatur von 30 °C entfaltet das Enzym seine optimale Aktivität. Weiterhin wird die Spannung moduliert, wobei zwischen einer Ruhespannung oder Wartespannung (0,5 V) und einer Messspannng (0,1 V) gewechselt wird. Das Verfahren startet mit Schritt 10 (Phase I) mit einer Sensorkühlung (5 °C). Der Sensor wird mit der Atemprobe beaufschlagt. Das Enzym ist inaktiv. Ist nach wenigen Atemzyklen ausreichend Probe gesammelt, wird in die Phase II (Schritt 20) übergegangen. Die Spannung als weiterer Parameter ist in den Phasen I und II so gewählt, dass die Spannung außerhalb des Messbereichs liegt, in diesem Beispiel bei 0,5 V. In der Phase II wird die Messung vorbereitet. In langsamen Schritten wird dabei der Sensor geheizt. Überschwinger der Temperatur sollten vermieden werden, um das Enzym nicht durch zu hohe Temperaturen dauerhaft zu deaktivieren. Es erfolgt eine Aufheizung auf 30 °C. Die Spannung wird bis zum Ende der Phase II bei der Wartespannung konstant gehalten. Es schließt sich im Schritt 30 die Phase III an. Dies ist die Aktivitätsphase des Enzyms, bei der die Messung durchgeführt wird. Als Trigger zum Start der Messung wird die Spannung hin zur Mess-Spannung (0,1 V) als Arbeitsspannung geändert. Mit Erreichen von 30 °C arbeitet das Enzym am effektivsten. Hier startet die Messphase. Die Dauer der Messphase wird zweckmäßigerweise empirisch ermittelt und in dem System hinterlegt. Geeignet sind beispielsweise Messzeiten zwischen 1 und 5 Minuten. Es schließt sich im Schritt 40 die Phase IV als Erholungsphase für das Enzym bzw. als Pausenphase an. Hier wird das Enzym durch Absenken der Temperatur auf 5 °C im Wesentlichen inaktiviert. Gleichzeitig wird erneut die Spannung auf 0,5 Volt als Wartespannung (passiv) gewechselt. Ein Anfrieren der Proben und des Enzyms sollte zweckmäßigerweise vermieden werden. Eine Wiederholung des Atemmanövers ist möglich, sobald die niedrige Temperatur erreicht ist. Zweckmäßigerweise wird der Gaspfad oder Probenpfad des Biosensors durch eine Spülung beispielsweise mit Analyt-freier Luft gereinigt. Anschließend kann im Schritt 50 (Phase Va) ein Messwert ausgegeben werden oder es erfolgt eine Wiederholung der Phasen II bis IV (Schritt 60). Nach der Messung kann der Sensor gegebenenfalls aus dem Atemgasanalysegerät entnommen werden, um ihn bei geeigneten Bedingungen, beispielsweise bei niedriger Temperatur, zu lagern.
-
3 illustriert eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei zusätzlich zu einer Modulation der Temperatur und der Spannung (hier nicht dargestellt) auch der pH-Wert auf dem Biosensor moduliert wird. Die Modulation der Temperatur und der Spannung erfolgt in entsprechender Weise, wie anhand der 2 erläutert wurde. Zusätzlich wird in der Phase I (Schritt 10) ein pH-Wert von 5 oder niedriger eingestellt, um in diesem Beispiel das Enzym Peroxidase durch den niedrigen pH-Wert zusätzlich zur niedrigen Temperatur zu hemmen. In der Phase II (Schritt 20) wird der pH-Wert schrittweise auf pH 7 eingestellt. Dies stellt den optimalen pH-Wert für die Enzymreaktion dar. Entsprechend zur schrittweisen Temperaturerhöhung wird auch die Änderung der pH-Wertes schrittweise durchgeführt. In der Phase III (Schritt 30) wird die Messung durch Trigger (Einstellen der Messspannung) gestartet, sobald die Zieltemperatur und der Ziel-pH-Wert erreicht sind. In der Phase IV (Schritt 40) wird der pH-Wert auf pH 5 oder niedriger abgesenkt, entsprechend zur Temperatur.
-
Um beispielsweise den Salzgehalt, die Ionenkonzentration oder den pH-Wert steuern zu können, ist dem Biosensor zweckmäßigerweise eine Pumpe zugeordnet oder die Pumpe ist in den Biosensor direkt integriert. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass ein Pufferreservoir oder gegebenenfalls mehrere zur Vorhaltung von Reagenzien auf oder im Bereich des Biosensors vorgesehen sind. Weiterhin ist eine Absaugfunktion für den Biosensor zweckmäßig.
