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Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Gesichtsmaske, z.B. eine Alltagsmaske oder eine medizinische Maske, wie sie zur Verringerung des Infektionsrisikos des Trägers und/oder seinen Mitmenschen im Alltag und/oder in medizinischen Einrichtungen getragen wird.
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Hintergrund
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Die Corona-Pandemie im Jahr 2020/2021 hat gezeigt, dass auch reiche Industrienationen mit einem gut ausgebauten Gesundheitssystem im Hinblick auf die Versorgung des medizinischen Personals und/oder der Allgemeinheit mit Gesichtsmasken an ihre Grenzen stoßen können. In einem Pandemie-Szenario globalen Ausmaßes traten in vielen Ländern Engpässe bei der Versorgung mit Corona-Schnelltests auf. Dies stellt sowohl in wirtschaftlicher als auch in medizinischer Hinsicht ein großes Problem dar, da die Schnelltests in Situationen, wo ein vergleichsweise enger räumlicher Kontakt mehrere Personen unvermeidbar ist (Flugreise, Schiffsreise), eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass nach Möglichkeit nur gesunde Personen teilnehmen. Außerdem dienen regelmäßige Schnelltest des Pflegepersonals von Pflegeeinrichtungen bzw. des medizinischen Personals von Krankenhäusern dazu, die Heimbewohner, Patienten sowie das pflegende bzw. medizinische Fachpersonal selbst zu schützen.
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Ein weiterer Nachteil der Schnelltest ist, dass ihre korrekte Anwendung zeitaufwendig ist und manche Altenheime bzw. Pflegeheime diese Tests bereits deshalb nicht oder nicht in dem erforderlichen Umfang einsetzten.
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Die chinesische Patentanmeldung
CN 111505076 A beschreibt eine Gesichtsmaske, die in der Lage ist, den Sars-Cov-2 Virus und andere Erreger nachzuweisen. Die Maske enthält ein Atemventil, in welchem sich ein Detektionschip innerhalb des Durchgangs für Atemluft befindet. Auf der Außenseite der Maske ist eine Anzeige angebracht, über welche ein Ergebnis der Pathogendetektion angezeigt werden kann.
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Zusammenfassung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gesichtsmaske für das Erkennen des Vorliegens einer Infektion zu schaffen, sowie entsprechende Verfahren für die Herstellung, Wiederaufbereitung und Verwendung solcher Gesichtsmasken.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die im Folgenden aufgeführten Ausführungsformen sind frei miteinander kombinierbar, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
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In einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Gesichtsmaske. Die Gesichtsmaske weist auf ihrer Innenseite ein Indikatorelement auf. Das Indikatorelement ist austauschbar angebracht und ist ausgebildet zur Anzeige des Vorhandenseins von zumindest einem Krankheitserreger in der Atemluft eines Trägers der Gesichtsmaske durch ein optisches Signal, wobei das optische Signal eine Farbänderung oder ein Lichtsignal ist, wobei das optische Signal nur im Falle des Vorhandenseins des zumindest einen Krankheitserregers in der Atem luft auftritt.
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Dies kann aus mehreren Gründen vorteilhaft sein: in der Corona-Pandemie traten nicht nur bei den Schnelltests, sondern auch bei den Alltagsmasken bzw. medizinische Masken Versorgungsengpässe auf. Dies führte dazu, dass manche Masken länger und/oder häufiger wiederverwendet wurden, als dies herstellerseitig vorgesehen war, und das von der Möglichkeit mancher Masken, diese zu sterilisieren und danach wieder zu verwenden, regen Gebrauch gemacht wurde. Die im Stand der Technik beschriebenen Masken mit Indikatorfunktion sind jedoch nicht für den wiederholten Einsatz konzipiert. Die Sterilisation gebrauchter Masken erfolgt in der Regel unter Einsatz hoher Temperaturen, hohen Drucks und/oder unter Einsatz organischer Lösungsmittel (zum Beispiel Ethanol oder Isopropanol), welche empfindliche elektronische Komponenten zerstören oder schädigen können. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird dieses Problem überwunden, da das Indikatorelement austauschbar ist und somit (zum Beispiel nach der Sterilisation) durch ein neues Indikatorelement ersetzt werden kann.
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Ein weiteres Problem bei den im Stand der Technik beschriebenen Masken mit integrierter Indikatorfunktion ist, dass ihre Produktion zu teuer ist: bei Masken handelt es sich um Massenware, und in der Regel ist der Nachweis eines bestimmten Krankheitserregers in der Atemluft nicht erforderlich. Es können aber kurzfristig und auch lokal (zum Beispiel nur innerhalb eines bestimmten Krankenhauses) Gründe auftreten, dass der Nachweis eines bestimmten Krankheitserregers wichtig ist, zum Beispiel weil sich dieser spezielle Erreger in dem Krankenhaus auszubreiten droht und/oder weil dieser Erreger verantwortlich für ein unvorhersehbares, globales Pandemie geschehen ist. Es ist auch für gut ausgestattete Krankenhäuser nicht möglich, für jeden Erreger, der potenziell innerhalb der nächsten Monate und Jahre von Relevanz für das Krankenhaus sein könnte, Masken mit spezifischer Indikatorfunktion zu erwerben und vorrätig zu halten. Somit sind der Verwendbarkeit der Stand der Technik beschriebenen Masken mit Indikatorfunktion in der Praxis enge Grenzen gesetzt. Dadurch, dass gemäß Ausführungsformen der Erfindung das Indikatorelement austauschbar an der Innenseite der Gesichtsmaske befestigt ist, ist es möglich, viel flexibler auf lokal wie global unvorhersehbare Ausbreitungsdynamiken von Krankheitserregern zu reagieren. So kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung zum Beispiel ein Krankenhaus große Mengen von Gesichtsmasken bevor raten, die noch kein Indikatorelement beinhalten, aber ein Befestigungselement für ein solches Indikatorelement. Das Indikatorelement kann jetzt ganz flexibel nach Bedarf eingesetzt werden, um beispielsweise während einer Sars-Cov-2 Pandemie den Coronavirus nachzuweisen und bei einer lokal in einem Krankenhaus au Betriebsgebrochenen Streptokokken-Pneumonie die Streptokokken nachzuweisen.
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Die Verwendung von Gesichtsmasken mit Indikatorfunktion für bestimmte Krankheitserreger kann vorteilhaft sein, da kein aufwendiger zusätzlicher Testschritt erforderlich ist. Derartige Gesichtsmasken können also ergänzend zu oder anstelle von (in der Regel antikörperbasierten) Schnelltest eingesetzt werden, um das Pflegepersonal bzw. medizinische Personal auf regelmäßiger Basis zu testen, ohne dass dies mit einem nennenswerten Mehraufwand verbunden wäre.
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Ausführungsformen der Erfindung können weiterhin den Vorteil haben, dass durch die Verwendung der Indikatormasken Pandemiegeschehen mit Ihren dynamischen, teils explosionsartigen und fatalen Verläufen (siehe z.B. die 2020 aufgetretenen neuen Coronamutationen mit kurzfristig dramatischem Anstieg der Infektionszahlen und konsekutiver Lähmung der Wirtschaft sowie Überlastung der Krankenhäuser) effektiv und entscheidend durch Selbstisolation bei positivem Indikatorergebnis eingedämmt werden können. Auf diese Weise werden Kettenreaktionen verhindert. Masken gemäß Ausführungsformen der Erfindung können sowohl im Pandemiefall für die Bevölkerung (wenn es sich um spezielle Viren wie Coronavirus oder bakterielle Erreger handelt), als auch in pandemiefreien Zeiten im Gesundheitsbereich für Ärzte in Kliniken, Praxen, Alten- und Pflegeheimen eingesetzt werden, um die Ausbreitung fachrichtungsspezifischer Keime wie beispielsweise Tuberkulose zu verhindern und somit zur Reduktion des Infektionsgeschehens beitragen. Der Indikator kann bei allen über die Atemluft übertragenen viralen und bakteriellen Erkrankungen verwendet bzw. eingesetzt werden.
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Ausführungsformen der Erfindung können zudem den Vorteil haben, dass durch das Tragen der Masken mit Indikatoren, sich jeder Benutzer der Maske selbst nach einer täglichen Benutzung durch Indikatorauswertung im Hinblick auf ein oder mehrere Erreger testen kann. Bei positivem Indikatortest, kann dann der Verdacht auf eine Infektion, durch weitere Test z.B. PCR durch Blutentnahme erhärtet, bzw., falschpositive Ergebnisse durch Anschlussuntersuchungen revidiert werden. Dadurch können unnötigen Massentests und damit unnötige Kosten eingespart werden. Der Infizierte geht umgehend in Quarantäne und verhindert somit ein Superspreading. Zukünftige Pandemien können mit diesem Patent entscheidend kontrolliert und vielleicht auch schneller beendet werden. Nach Ausführungsformen weist die Gesichtsmaske auf ihrer Innenseite mehrere Indikatorelemente auf. Jedes dieser Indikatorelemente ist austauschbar angebracht und ist ausgebildet zur Anzeige des Vorhandenseins von zumindest einem Krankheitserreger in der Atemluft eines Trägers der Gesichtsmaske durch ein optisches Signal. Das optische Signal ist eine Farbänderung oder ein Lichtsignal. Das optische Signal tritt nur im Falle des Vorhandenseins des zumindest einen Krankheitserregers in der Atemluft auf. Die verschiedenen Indikatorelemente sind dazu ausgebildet, unterschiedliche Krankheitserreger in der Atemluft des Trägers nachzuweisen.
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Dies kann vorteilhaft sein, da flexibel je nach Bedarf eine beliebige Kombination mehrerer Indikatorelemente in einer Maske kombiniert werden können, sodass das medizinische Personal anlassbezogen, zum Beispiel bei einem lokalen Ausbruch einer Infektionskrankheit, die Indikatorelemente entsprechend kombinieren kann.
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Nach Ausführungsformen der Erfindung ist das Indikatorelement austauschbar mittels eines Haltemittels an der Innenseite der Maske befestigt. Das Haltemittel ist insbesondere ein Klettverschluss oder eine Haken-Ösen-Kombination oder eine Druckknopf-Halterung. Auch andere Haltemittel können verwendet werden, sofern diese nur sicherstellen, dass sie einerseits das Indikatorelement während der Benutzungsdauer der Gesichtsmaske sicher halten und andererseits es ermöglichen, dass Indikatorelement von der Gesichtsmaske zu entfernen, ohne diese zu zerstören oder zu beschädigen.
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Alternativ dazu ist das Indikatorelement Bestandteil eines austauschbaren Luftfilterelements und/oder eines austauschbaren Atmungsventils der Gesichtsmaske. Beispielsweise besitzen manche Gesichtsmasken, insbesondere höherwertige Gesichtsmasken, Atemventile mit einem Filtereinsatz, welcher nach einer gewissen Zeit seine filternde Wirkung verliert und daher gewechselt werden muss. Dadurch, dass das Indikatorelement als Bestandteil dieses austauschbaren Filterelements bzw. Atmungsventils ausgebildet ist, kann sichergestellt werden, dass ein Austausch dieses Ventils bzw. Filters automatisch auch einen Austausch des Indikatorelements bewirkt.
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Das Indikatorelement kann verschiedene Größen und Formen aufweisen. Beispielsweise kann das Indikatorelement eine längliche Form aufweisen und zum Beispiel 0,3-2 cm, vorzugsweise 0,3-1 cm breit sein und/oder 2 cm bis 15 cm, vorzugsweise 2 cm bis 4 cm lang sein. Das Indikatorelement kann horizontal, vertikal oder in einen beliebigen schrägen Winkel an der Innenseite der Gesichtsmaske befestigt sein. Vorzugsweise ist das Indikatorelement in räumlicher Nähe zu der Position auf der Innenseite der Gesichtsmaske positioniert, auf welche bei bestimmungsgemäßen Gebrauch der Maske die Atemluft des Trägers trifft. Dies stellt sicher, dass das Indikatorelement einer möglichst hohen Konzentration des Krankheitserregers in der Atemluft, sofern dieser dort enthalten ist, ausgesetzt ist und eine möglichst große Menge dieser Krankheitserreger auf dem Indikatorelement bzw. dem Expositionsbereich des Indikatorelements anhaften.
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Ausführungsformen Typ I
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Nach Ausführungsformen der Erfindung enthält das Indikatorelement einen Expositionsbereich und einen von dem Expositionsbereich räumlich getrennten Indikatorbereich. Zumindest der Expositionsbereich ist dem Kontakt mit der Atemluft des Gesichtsmaskenträgers ausgesetzt. Das Indikatorelement ist dazu ausgebildet, das Vorhandensein des zumindest einen Krankheitserregers durch Änderung der Farbe des Indikatorbereichs anzuzeigen oder durch Aussenden oder Änderung eines Lichtsignals einer Lichtquelle oder eines Displays anzuzeigen.
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Vorzugsweise ist der Indikatorbereich vor dem Kontakt mit der Atemluft des Gesichtsmaskenträgers geschützt.
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Die räumliche Trennung von dem Expositionsbereich und dem Indikatorbereich sowie der optionale Schutz des Indikatorbereichs vor dem Kontakt mit der Atemluft können vorteilhaft sein, da hierdurch sichergestellt werden kann, dass der Indikatorbereich nicht bereits mit Feuchtigkeit und/oder den Krankheitserregern gesättigt oder mit sonstigen Stoffen verschmutzt ist, sodass ein verlässlicher und spezifischer Nachweis auf Basis der Krankheitserreger, die auf dem Expositionsbereich haften, möglich ist. Dies erhöht somit die Zuverlässigkeit des Nachweisverfahrens.
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Nach einer Ausführungsform ist der Indikatorbereich mit dem Expositionsbereich über ein saugfähiges Material verbunden. Auf dem Expositionsbereich sind Targetmolekül-Enzym-Kombinationen aufgebracht, wobei die Targetmoleküle charakteristisch sind für den zumindest einen Krankheitserreger. Die Enzyme sind dazu ausgebildet, ein Substrat umzusetzen und dadurch den Farbwechsel zu bewirken. Der Expositionsbereich ist frei von dem Substrat. Auf dem Indikatorbereich ist das Substrat aufgebracht und der Indikatorbereich (zumindest vor dem Auftragen von Flüssigkeit auf den Expositionsbereich) frei von dem Enzym. Das Indikatorelement ist dazu ausgebildet, dass Flüssigkeit, die auf den Expositionsbereich aufgebracht wird, von dem saugfähigen Material zu dem Indikatorbereich befördert wird, wobei selektiv dann, wenn diese Flüssigkeit die Targetmoleküle enthält, sich zumindest einige der Enzyme von den Targetmolekülen des Expositionsbereiches lösen, an die Targetmoleküle der Flüssigkeit binden, mit diesen durch die beförderte Flüssigkeit zu dem Indikatorbereich transportiert werden und dort durch Umsetzung des Substrats die Farbänderung bewirken.
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Das hier beschriebene Prinzip findet z.B. Anwendung bei Schwangerschaftstest und anderen antikörperbasierten Nachweisverfahren. Bei den Targetmolekül-Enzym-Kombinationen handelt es sich vorzugsweise um Targetmoleküle, die auf der Oberfläche des Indikatorelements im Expositionsbereich immobilisiert sind, also fest an diese Oberfläche gebunden sind, wobei an diesen immobilisierten Targetmolekülen ein Antikörper-Enzymkonjugat bindet. Bei dem Antikörper handelt es sich um einen Antikörper, welcher spezifisch an das Targetmolekül bindet, nicht jedoch an andere Moleküle.
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Dies kann vorteilhaft sein, da dieser Test hochspezifisch für einen bestimmten Typ von Krankheitserreger ist: auf dem Indikatorbereich ist zwar ein Substrat, das bei Umsetzung eine Farbänderung des Indikatorbereichs bewirkt, da in dem Indikatorbereich aber zunächst kein Enzym ist, ist zunächst auch keine Farbreaktion sichtbar.
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Im Expositionsbereich (und auch auf den übrigen Bereichen auf der Innenseite der Maske (einschließlich des Indikatorbereiches sofern dieser nicht besonders geschützt ist) sammeln sich mit zunehmender Dauer der Benutzung der Maske auch immer mehr ausgeatmete Krankheitserreger. Dies führt jedoch zunächst nicht dazu, dass ein Farbumschlag im Indikatorbereich erfolgt, da ja das hierfür benötigte Enzym nicht vorhanden ist. Auch muss davon ausgegangen werden, dass im Expositionsbereich zunächst in manchen Fällen noch keine Bindung der Targetmoleküle, die sich auf der Oberfläche der Krankheitserreger befinden, durch die immobilisierten Antikörper im Expositionsbereich stattfindet, da es nötig ist, dass die Oberfläche des Expositionsbereichs feucht ist um sicherzustellen, dass sich die Krankheitserreger hinreichend frei bewegen können. Allerdings wurde beobachtet, dass die Luftfeuchtigkeit der Atem luft insbesondere bei längerem Tragen der Maske ausreichend sein kann um den Krankheitserregern eine Wanderung auf der Expositionsbereichoberfläche und ein Binden der immobilisierten Antikörper an die Krankheitserreger zu ermöglichen.
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Nach Ausführungsformen ist der Indikatorbereich wasserdicht mit einer Barriere so versiegelt, dass er keine Feuchtigkeit des Maskengewebes und/oder des umgebenden Indikatorelementträgermaterials aufnehmen kann und nur dann Flüssigkeit aufnimmt, wenn Flüssigkeit in hinreichender Menge auf den Expositionsbereich aufgebracht wird, sodass diese über das saugfähige Material in den Indikatorbereich transportiert wird, wobei die Barriere auch einen Kontakt des Indikatorbereichs mit der Atem luft verhindert.
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Dies kann vorteilhaft sein, da der Krankheitserreger-induzierte Farbumschlag auf Basis des oben beschriebenen Indikatorelements darauf beruht, dass die Krankheitserreger, die nach Benutzung der Marke dem Expositionsbereich anhaften, durch das Auftragen der Flüssigkeit auf den Expositionsbereich so mobilisiert werden, dass sie zumindest einige der Antikörper-Enzym-Konjugate von den immobilisierten Targetmolekülen verdrängen können. Diese verdrängten Antikörper-Enzyme-Konjugate, die über den Antikörper nun an die Targetmoleküle an der Oberfläche der Krankheitserreger gebunden sind, werden von der Flüssigkeit dank der Kapillarkräfte des saugfähigen Materials in den Indikatorbereich gesogen. Das saugfähige Material bzw. der Indikatorbereich kann seine Sogwirkung aber nur dann entfalten, wenn er trocken ist. Würde der Indikatorbereich nämlich der feuchten Atemluft direkt ausgesetzt, wäre dieser zumindest unmittelbar nach dem Benutzen der Gesichtsmaske so feucht, dass die auf den Expositionsbereich aufgetragene Flüssigkeit und damit auch die dort gebildeten Krankheitserreger-Antikörper-Enzyme-Konjugate nicht zum Indikatorbereich gelangen, sodass das Substrat dort nicht umgesetzt werden und die Farbreaktion nicht stattfinden kann. Zumindest müsste einige Zeit nach dem benutzen der Maske gewartet werden, bis diese getrocknet ist, was unvorteilhaft ist. Die Barriere sorgt dafür, dass der Indikatorbereich und das saugfähige Material zwischen Expositionsbereich und Indikatorbereich auch während des Benutzens der Maske trocken bleibt, sodass die Flüssigkeit unmittelbar nach dem Benutzen der Maske aufgetragen werden kann um das Testergebnis zu erhalten.
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Beispielsweise kann die Barriere aus einer wasserundurchlässigen Membran, einer Plastikschicht, einer Lackschicht oder einem sonstigen wasserundurchlässigen Material bestehen. Beispielsweise kann die Barriere die vor Wasser bzw. Feuchtigkeit zu schützenden Bereiche des Indikationselementes vollständig ummanteln, sodass der Indikatorbereich ausschließlich von einer Flüssigkeit vernetzt werden kann, welche auf den Expositionsbereich aufgetragen wird und dank der Kapillarkräfte des saugfähigen Materials über das saugfähige Material zwischen dem Expositionsbereich und dem Indikationsbereich zu dem Indikationsbereich transportiert wird.
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Nach Ausführungsformen der Erfindung umfassen die Targetmolekül-Enzym-Kombinationen einerseits Targetmoleküle und andererseits Antikörper-Enzym-Konjugate. Die Targetmoleküle sind auf einem Trägermaterial des Indikatorelements immobilisiert. Die Antikörper-Enzym-Konjugate beinhalten Antikörper, die dazu ausgebildet sind, spezifisch und reversibel an die Targetmoleküle zu binden, und beinhalten Enzyme, die an diesen Antikörper gebunden sind, zum Beispiel durch eine kovalente Bindung.
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Dies kann vorteilhaft sein, da hierdurch modular eine bestimmte Kombination aus Enzym und Substrat mit jedem beliebigen Antikörper verbunden werden kann und somit ein hochspezifischer Nachweis jedes beliebigen Tagesmoleküls/Krankheitserregers einfach dadurch ermöglicht wird, dass ein für den jeweiligen Krankheitserreger spezifischen Antikörper gewählt wird.
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Insbesondere können Enzyme, Substrate und teilweise auch Antikörper verwendet werden, welche bereits auf dem Markt verfügbar sind, dass sie in diversen antikörperbasierten Schnelltests und/oder in ELISA- Verfahren zum Einsatz kommen. Somit ist auch eine Massenfertigung von Indikatorelementen zum spezifischen Nachweis beliebiger Krankheitserreger kostengünstig und effizient realisierbar.
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Ausführungsformen Typ II
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Nach Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet das Indikatorelement einen Mikroprozessor, einen Expositionsbereich, einen Biosensor und eine Anzeige und/oder Lichtquelle.
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An die Oberfläche des Biosensors, insbesondere an die Oberfläche eines Sensorelements des Biosensors, sind Antikörper gekoppelt. Die Antikörper sind dazu ausgebildet, spezifisch an den zumindest einen Krankheitserreger zu binden.
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Der Biosensor und der Expositionsbereich sind so relativ zueinander angeordnet, dass der Biosensor bei Auftragen einer Flüssigkeit auf den Expositionsbereich von der Flüssigkeit im Expositionsbereich zumindest teilweise benetzt wird.
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Das Indikatorelement beinhaltet einen Datenspeicher, in welchem zumindest ein Referenzsignalwert gespeichert ist. Der Referenzsignalwert repräsentiert die Höhe und/oder das Profil eines elektrischen Signals, das bei Benetzung des Biosensors mit einer den zumindest einen Krankheitserreger enthaltenden Flüssigkeit durch die Bindung der Antikörper an den zumindest einen Krankheitserreger erzeugt wird. Die aufgeträufelte oder anderweitig aufgebrachte Flüssigkeit ist so gewählt, dass diese zunächst frei von Krankheitserregern ist, die es nachzuweisen gilt. Allerdings ermöglicht die aufgetragene Flüssigkeit es den Krankheitserregern, die vom Maskenträger ausgeatmet wurden und sich auf dem Expositionsbereich angelagert haben, in der aufgetragenen Flüssigkeit frei zu diffundieren und so von den Antikörpern gebunden zu werden, die auf dem Biosensor immobilisiert sind.
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Der Mikroprozessor ist dazu ausgebildet, das bei der Benetzung des Biosensors mit der Flüssigkeit gemessene elektrische Signal mit dem Referenzsignalwert zu vergleichen und in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs ein Lichtsignal über die Anzeige und/oder Lichtquelle auszugeben.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Biosensor einen FeldeffektTransistor, der mit einem spezifischen Antikörper gegen mindestens einen Krankheitserreger beschichtet ist. Beispielsweise ist aus dem aktuellen Stand der Technik ein Feldeffekttransistor-basierter Biosensor bekannt wobei die Graphen-Schicht des Feldeffekttransistors mit einem spezifischen Antikörper gegen das SARS-CoV-2 Spike-Protein ummantelt ist. Ein solcher Biosensor ist beispielsweise in ACS Nano 2020, 14, 4, 5135-5142, 15. April 2020, herausgegeben von der American Chemical Society beschrieben. Diese Ausführung der Erfindung kann zum spezifischen Nachweis des COVID-19 Virus verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst der Biosensor einen Feldeffekttransistor-basierter Immunosensor. Das elektrische Signal des Feldteffektransistors wird als Ergebnis der Antigen-Antikörper Konjugation erzeugt wie z.B. in De Moraes, Ana C. M.; Kubota, Lauro T. 2016. „Recent Trends in Field-Effect Transistors-Based Immunosensors“ Chemosensors 4, no. 4: 20., beschrieben. Der Biosensor umfasst in dieser Ausfuehrung der Erfinung einen Feldeffekttransistor, der mit einem Antikörper beschichtet ist, wobei der Antikoerper-spezifisch für den Nachweis des Antigens mindestens eines Krankheitserregers ist. Die durch den in der Fluessigkeit befindlichen Krankheitserreger ausgeloeste Antigen-Antikoerperreaktion erzeugt am Feldeffektransitor ein elektrisches Signal. Dieses elektrische Signal wird dann von einem Verstaerker verstaerkt und von einem Signalumwandeier in ein optisches oder akustisches Signal umgewandelt.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst der Biosensor eine Elektrode, die mit einem Antikörper beschichtet ist. Diese Elektrode kann beispielsweise aus einem Edelmetall oder Halbedelmetall bestehen. Aus dem aktuellen Stand der Technik sind Gold- und Platinumelektroden in Biosensoren bekannt. Wenn sich der Krankheitserreger an die Antikörper auf der Elektrode bindet, werden diese Antikörper aufgrund von sterischen Effekten durch die Antikörper-Antigen-Reaktion immobilisiert. Hierbei kommt es zu einer Änderung der dielektrischen Eigenschaften der Elektrode, die durch potentiostatische Messungen detektiert werden können und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden können, das dann amplifiziert wird und über ein Ausgabegerät, wie z.B. eine Lichtquelle, ausgegeben werden kann. Durch die Benetzung des Expositionsbereiches mit der Flüssigkeit kann bewirkt werden, dass die Krankheitserreger sich innerhalb der Flüssigkeit im Expositionsbereich frei bewegen können und die auf der Oberfläche der Krankheitserreger befindlichen Targetmoleküle von den immobilisierten Antikörpern auf einer Oberfläche des Biosensors gebunden werden können. Gemäß manchen Ausführungsformen reicht bereits kondensiertes Wasser der Atemluft aus, um den benötigten Grad an Benetzung des Expositionsbereiches zu bewirken. Insbesondere wenn die Gesichtsmaske über einen längeren Zeitraum, also beispielsweise über mehrere Stunden hinweg getragen wird, kann die hierdurch erzeugte Benetzung ausreichen, um die Beweglichkeit der Krankheitserreger zu ermöglichen.
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Gemäß anderen Ausführungsformen wird nach dem Tragen der Maske der Expositionsbereich in einem separaten Schritt mit Flüssigkeit benetzt. Beispielsweise kann die Innenseite der Maske mit Wasser, vorzugsweise sterilisiertem Wasser, besprüht oder beträufelt werden.
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Die oben genannte Variante kann vorteilhaft sein, da das elektrische Signal in ein digitales Signal überführt werden kann, welches verstärkt und in beliebiger Form über eine Anzeige ausgegeben werden kann, zum Beispiel in Form eines Farbwechsels der Anzeige, in Form einer Änderung der Helligkeit der Anzeige oder in Form einer Änderung eines auf der Anzeige angezeigten Textes oder Bildes. Anstelle einer Anzeige kann auch eine Lichtquelle zur Ausgabe des Testergebnisses verwendet werden. Beispielsweise kann der Mikroprozessor dazu konfiguriert sein, die Lichtquelle so zu steuern, dass nur dann, wenn von dem Biosensor ein elektrisches Signal empfangen wird, das gemäß dem Ergebnis eines Vergleiches dieses Signals mit dem Referenzwert eine spezifische Bindung zwischen den immobilisierten Antikörpern und dem Targetmolekül anzeigt, die Lichtquelle ein Lichtsignal aussendet.
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In einem weiteren vorteilhaften Aspekt dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, dass Enzyme mittels der aufgetragenen Flüssigkeit von dem Expositionsbereich zu dem Indikatorbereich mit einem Substrat transportiert werden. Das Indikatorelement braucht also keine „Wandererstrecke“ für die Enzyme und kann daher kleiner und kompakter gebaut sein.
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Gemäß Ausführungsformen kann das Indikatorelement mehrere räumlich voneinander getrennte Expositionsbereiche aufweisen, wobei jedem dieser mehreren Expositionsbereiches jeweils einem anderen Biosensor zugewiesen ist. Jeder dieser Biosensoren ist relativ zu dem ihm jeweils zugeordneten Expositionsbereich so angeordnet, dass der Biosensor bei Auftragen einer Flüssigkeit auf diesen Expositionsbereich von der Flüssigkeit im Expositionsbereich zumindest teilweise benetzt wird. Jede der Biosensoren (oder ein in diesem enthaltene Sensorelement) ist vorzugsweise ausschließlich von einem bestimmten Typ von Antikörpern überzogen, wobei sich die Antikörpertypen der verschiedenen Biosensoren voneinander unterscheiden, und insbesondere spezifisch an verschiedene Targetmoleküle binden. Vorzugsweise handelt es sich bei den verschiedenen Targetmolekülen um Oberflächenmoleküle verschiedener Typen von Krankheitserregern. In dem Datenspeicher sind verschiedene Referenzwerte gespeichert, wobei jeder dieser Referenzwerte ein elektrisches Signal repräsentiert, dass gemessen wird, wenn die Antikörper auf einem der Biosensoren spezifisch an eines der besagten Typen von Targetmolekülen binden. Auch hier kann in einem optionalen Schritt wie oben beschrieben jeder der mehreren Expositionsbereiche mit einer Flüssigkeit benetzt werden, um die Migration der Krankheitserreger innerhalb der Expositionsbereiche zu ermöglichen.
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Der Mikroprozessor ist dazu ausgebildet, die von den mehreren Biosensoren nach der Benetzung der Expositionsbereiches erhaltenen elektrischen Signale jeweils mit einem Referenzsignal, das diesem Biosensor spezifisch zugewiesen ist, zu vergleichen.
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Beispielsweise kann ein erster Biosensor mit Antikörpern gegen das Spikeprotein von Sars-Cov-2 überzogen sein und in dem Datenspeicher kann ein erstes Referenzsignal gespeichert sein, welches ein elektrisches Signal spezifiziert, das bei Bindung dieses Spikeproteins an den Antikörper, mit dem der erste Biosensor überzogen ist, an dem ersten Biosensor entsteht. Zudem kann ein zweiter Biosensor mit Antikörpern gegen ein Oberflächenprotein von Streptokokken überzogen sein und in dem Datenspeicher kann ein zweites Referenzsignal gespeichert sein, welches ein elektrisches Signal spezifiziert, das bei Bindung dieses Oberflächenproteins an den Antikörper, mit dem der zweite Biosensor überzogen ist, an dem zweiten Biosensor entsteht. Der Mikroprozessor kann dazu ausgebildet sein, Art und/oder Anzahl der von den verschiedenen Biosensoren jeweils detektierten Typen von Targetmolekülen bzw. Krankheitserregern auf der Anzeige auszugeben.
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Somit ist es möglich, auf dem gleichen austauschbaren Indikatorelement mehrere Biosensoren mit verschiedenen Typen von Antikörpern aufzubringen und dadurch ein sehr differenziertes, informationsreiches Ergebnis bezüglich der Frage zu erhalten, ob der Träger der Maske mit ein oder mehreren Krankheitserregern infiziert ist und falls ja, von welchem Typ diese Krankheitserreger sind.
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Gemäß alternativen Ausführungsformen sind auf der Innenseite der Maske mehrere Indikatorelemente des Typs II (auf austauschbare Weise) angebracht, wobei der Biosensordieser Indikatorelemente jeweils mit einem anderen Typ von Antikörper beschichtet ist. Dank der besonders kompakten Bauart des Typ II Indikatorelements ist es möglich, auf der Innenseite der Maske und/oder in einem Ventil oder Luftfilter der Maske gleich mehrere Indikatorelemente anzubringen, sodass eine derartige Gesichtsmaske zum Nachweis einer Vielzahl verschiedener Erreger verwendet werden kann.
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Nach Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Indikatorelement eine Basisschicht aus Zellulosepapier. Der Expositionsbereich ist auf dem Zellulosepapier angeordnet. Die Biosensor beinhaltet eine Goldmikrodrahtelektrode, insbesondere eine Goldmikrodrahtelektrode, die mit einem Dithiol funktionalisiert wurde, um eine feste Basisschicht zu bilden. Die Antikörper sind mittels Carbodiimid kovalent mit dem Dithiol auf der Oberfläche des modifizierten Goldmikrodrahtes durch eine Disulfidbindung immobilisiert. Eine Möglichkeit zur Erzeugung einer solchen Beschichtung einer Elektrode mit Antikörpern ist z.B. in Dai, Y., Abbasi, K., DePietro, M. et al. Advanced fabrication of biosensor on detection of Glypican-1 using S-Acetylmercaptosuccinic anhydride (SAMSA) modification of antibody. Sci Rep 8, 13541 (2018) beschrieben.
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Ausführungsformen Typ I und Typ II
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Die flexible, modulare Kombination mehrerer verschiedener Indikatorelemente des Typs I oder II auf der Innenseite der gleichen Maske kann vorteilhaft sein, da hierdurch jeder Arzt, jedes Krankenhaus und jede sonstige medizinische oder pflegerische Einrichtung flexibel, und ohne den Einsatz zeitraubender Schnelltests im Hinblick auf eine ganze Gruppe von Erregern, die im jeweiligen Kontext von Interesse sind, feststellen kann, ob eine Infektion vorliegt, und wenn ja, welche.
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Nach Ausführungsformen ist die Gesichtsmaske personalisiert. Insbesondere kann die Gesichtsmaske einen optischen und vorzugsweise maschinenlesbaren Code und/oder eine Zeichensequenz umfassen. Der Code bzw. die Zeichenkette identifiziert die Person, der die Gesichtsmaske zugewiesen ist, kann also zum Beispiel Name und Vorname oder eine Personalnummer beinhalten.
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Derartige Masken sind besonders geeignet zur massenweisen Wiederaufbereitung im Kontext einer Klinik oder größeren Praxis. Beispielsweise können die Masken der Mitarbeiter eine Klinik nach Gebrauch sterilisiert werden, zum Beispiel einem Autoklaven. Vor diesem Sterilisation Schritt können die Masken der verschiedenen Mitarbeiter gesammelt werden, auf einem Tisch oder Transportband so positioniert werden, dass sowohl der Indikatorbereich bzw. die Anzeige oder Lichtquelle des Indikatorelements von einem optischen Sensor erfasst werden kann, sondern auch der optische Code bzw. die Zeichensequenz. Die Expositionsbereiche werden mit einer Flüssigkeit benetzt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Masken oder zumindest die Expositionsbereiches der Indikatorelemente mit sterilen Wasser besprüht werden. Nun wird zumindest bei den Typ I Indikatorelementen eine gewisse Zeit, typischerweise 10-20 Minuten, gewartet, da die Verdrängung einiger Enzym-Antikörper-Konjugate von den immobilisierten Targetmolekülen und die Migration dieser Enzym-Konjugate bis zum Indikatorbereich sowie die Umsetzung des Substrats durch die Enzyme eine gewisse Zeit erfordern. Die Farbe bzw. ein von der Anzeige oder Lichtquelle des Indikatorelements ausgehenden Lichtsignal wird automatisch von einem optischen Sensor erfasst und ausgewertet um festzustellen, ob und welche Krankheitserreger von den ein oder mehreren Indikatorelementen der Maske erkannt wurden. Außerdem wird von diesen oder einem anderen optischen Sensor auch der optische Code bzw. die Zeichensequenz erfasst, um die Person zu identifizieren, die die Maske getragen hat. Somit kann automatisch und in einem Massenverfahren schnell für eine große Anzahl an Personen festgestellt werden, ob eine Infektion vorliegt und wenn ja, welche. Dies kann in einer Pandemie-Situation sehr hilfreich sein aber auch immer dann, wenn in einem Krankenhaus oder einer sonstigen Einrichtung mit viel Personal ein bestimmter Krankheitserreger schnell und effizient erkannt werden muss, um eine weitere Ausbreitung dieses Erregers in der Einrichtung zu verhindern.
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Nach Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei der Gesichtsmaske um eine filtrierende Halbmaske, insbesondere um eine FFP2 oder FFP3 Gesichtsmaske.
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Einfache medizinische Masken oder Alltagsmasken wirken vorwiegend als Fremdschutz. FFP2 bzw. FFP3 Masken haben den Vorteil, dass sie die eingeatmete Luft filtern und somit den Träger vor infektiösen Tröpfchen und Partikeln schützen. Sie stellen damit einen Eigenschutz dar. Einige Modelle dieser FFP2 und FFp3 Masken filtern zudem die ausgeatmete Luft und fungieren daher zusätzlich als besonders wirksamer Fremdschutz. Je nach Maskentyp kann diese über kein Ventil, ein Einlassventil, ein Auslassventil oder ein kombiniertes Einlass-Auslassventil verfügen. Das Indikatorelement bzw. die Indikatorelemente kann bzw. können auf der Innenseite der Gesichtsmaske, also dem Maskenstoff selbst, angebracht sein, es ist aber auch möglich, dass das Indikatorelement bzw. die Indikatorelemente als Bestandteil eines dieser erwähnten Ventile ausgebildet sind. Die Ventile sind ganz oder teilweise austauschbar und das Indikatorelement bzw. die Indikatorelemente werden bei einem Austausch ebenfalls ausgewechselt.
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Nach Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei dem zumindest einen Krankheitserreger um einen Erreger ausgewählt aus einer Gruppe umfassend:
- - Coronavirus, insbesondere SARS-CoV-2,
- - Influenzavirus,
- - Masernvirus,
- - Poliomyelitis-Virus,
- - Rhinovirus,
- - Rubeola Virus,
- - Varizellen-Virus,
- - Zika-Virus,
- - Borreliose-Bakterium,
- - Chlamydien-Bakterien, insbesondere Chlamydia psittaci; beispielsweise können diese Bakterien Ornithose verursachen, eine Infektionskrankheit, die sich vor allem als atypische Pneumonie manifestiert
- - Coxiella-Bakterium, insb. Coxiella burnetiid (Erreger des Q-Fiebers)
- - Cholera-Bakterium,
- - Corynebacterium diphtheriae, (Diphterie-Bakterium)
- - Legionellen-Bakterium,
- - Milzbrand-Bakterium, insbesondere Lungen-Milzbrand-Bakterium,
- - Pest-Bakterium,
- - Streptokokken-Bakterium, (Streptokokken-Pneumonie),
- - Tuberkulose-Bakterium.
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Insbesondere bei Infektionskrankheiten, die über die Atemwege übertragen werden und/oder bei welchen der Krankheitserreger die Atemwege befällt, kann der Einsatz von Gesichtsmasken gemäß Ausführungsformen der Erfindung dazu beitragen, dass vorliegt der Infektionen schnell und effizient erkannt werden können.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Gesichtsmaske. Das Verfahren umfasst: Bereitstellung einer Gesichtsmaske; und Anbringen eines Indikatorelements an der Innenseite der Gesichtsmaske, wobei das Indikatorelement austauschbar angebracht ist und ausgebildet ist zur Anzeige des Vorhandenseins von zumindest einem Krankheitserreger in der Atemluft eines Trägers der Gesichtsmaske durch ein optisches Signal, wobei das optische Signal eine Farbänderung oder ein Lichtsignal ist, wobei das optische Signal nur im Falle des Vorhandenseins des zumindest einen Krankheitserregers in der Atemluft auftritt.
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Bei der Maske und/oder dem Indikatorelement kann es sich um eine Maske bzw. ein Indikatorelement handeln, wie sie für Ausführungsformen der Erfindung hier beschrieben sind.
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Beispielsweise kann die Gesichtsmaske von einem Arzt oder Krankenhauspersonal oder auch einer Maschine wie oben beschrieben hergestellt werden, indem ein oder mehrere Indikatorelemente, die den oder die Krankheitserreger von Interesse detektieren können, ausgewählt werden und auf der Innenseite der Gesichtsmaske befestigt werden. Beispielsweise können die Indikatorelemente auf ihrer dem Gesicht abgewandten Seite eine raue, mit Klettverchlusshäkchen versehene Oberfläche aufweisen, die auf dem weichen Stoff (z.B. Vliesstoff), aus welchem viele Gesichtsmasken bestehen, gut haftet. Vorzugsweise jedoch enthält die Innenseite der Gesichtsmaske eine Verstärkung aus einer zusätzlichen Materialschicht (Stoff, Vlies, Polymergewebe etc.) die die mechanische Belastbarkeit der Gesichtsmaske erhöht und so ein mehrfaches beschädigungsfreies Entfernen und Neuanbringen eines Indikatorelements an und/oder auf der Verstärkung erlaubt.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aufbereitung einer benutzten Gesichtsmaske. Das Verfahren umfasst:
- - Bereitstellung einer benutzen Gesichtsmaske mit einem Indikatorelement an der Innenseite der Gesichtsmaske, wobei es sich bei der Gesichtsmaske insbesondere um eine Gesichtsmaske gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen einer Gesichtsmaske handelt;
- - Entfernen des Indikatorelements;
- - Sterilisation der benutzten Gesichtsmaske durch Erhitzen, Autoklavieren, und/oder Kontaktieren mit flüssigen und/oder gasförmigen Sterilisationsmitteln,
- - Anbringen eines neuen Indikatorelements an der Innenseite der Gesichtsmaske, wobei das Indikatorelement austauschbar angebracht ist und ausgebildet ist zur Anzeige des Vorhandenseins von zumindest einem Krankheitserreger in der Atemluft eines Trägers der Gesichtsmaske durch ein optisches Signal, wobei das optische Signal eine Farbänderung oder ein Lichtsignal ist, wobei das optische Signal nur im Falle des Vorhandenseins des zumindest einen Krankheitserregers in der Atemluft auftritt.
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Beispielsweise können sowohl FFP2- als auch FFP3-Masken vieler Hersteller nach Behandlung mit trockener Hitze bei 65-70 Grad Celsius für 30 Minuten wiederverwendet werden. Die Hände sollten vor dem An- und Ablegen der Masken stets gründlich desinfiziert werden.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Nachweis einer Infektion einer Person mit zumindest einem Krankheitserreger, umfassend:
- - Bereitstellung einer Gesichtsmaske gemäß einem der hier beschriebenen Ausführungsformen, die von der Person getragen wurde;
- - Aufbringen einer Flüssigkeit auf den Expositionsbereich; Beispielsweise kann destilliertes Wasser auf die Innenseite der Maske oder nur den Expositionsbereich aufgesprüht oder aufgeträufelt werden;
- - Feststellung, ob und/oder welches optische Signal von dem Indikatorelement in Reaktion auf das Aufbringen der Flüssigkeit ausgegeben wird; Zumindest bei den Masken des Typs I erfolgt die Feststellung typischerweise einige Minuten nachdem die Flüssigkeit aufgebracht wurde; und
- - Feststellung, ob die Person infiziert ist, in Abhängigkeit des festgestellten optischen Signals. Beispielsweise kann der Träger der Gesichtsmaske oder eine Maschine zur automatischen und massenhaften Aufbereitung von Masken diese Feststellung vornehmen.
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Unter einem „Targetmolekül“ wird hier ein Molekül, insbesondere ein Protein oder Peptid, verstanden, welches spezifisch ist für eine bestimmte Art bzw. eine bestimmte Gruppe von Krankheitserregern. Insbesondere kann es sich bei den Targetmolekülen um Oberfächenproteine der jeweiligen Krankheitserreger handeln oder um Teile dieser Oberfächenproteine. Beispielsweise kann es sich bei dem Targetprotein um das sog. S-Protein (Spike-Protein) von Sars-Cov-2 handeln.
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Unter der „Innenseite“ einer Gesichtsmaske wird hier diejenige Seite der Maske verstanden, die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch der Gesichtsmaske dem Gesicht des Trägers zugewandt ist.
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Unter einem „austauschbaren Indikatorelement“ wird hier ein Indikatorelement verstanden, welches so an der (Innenseite) der Gesichtsmaske befestigt ist, dass es zumindest einmal entfernt werden kann (und vorzugsweise mehrfach wieder angebracht und entfernt werden kann), ohne die Gesichtsmaske zu beschädigen oder zu zerstören oder in ihrer Schutzwirkung negativ zu beeinflussen.
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Unter einem „Expositionsbereich“ wird hier ein Bereich des Indikatorelements verstanden, der dem Kontakt mit der Atemluft des Gesichtsmaskenträgers ausgesetzt ist. Beispielsweise kann der Bereich eckig oder rund sein oder eine andere beliebige Form annehmen. In manchen Ausführungsformen ist der Expositionsbereich von einer Erhebung umgrenzt, sodass sich aufgebrachte Flüssigkeit zumindest kurzzeitig auf dem Expositionsbereich sammeln kann. Die Erhebung kann z.B. eine Höhe von 1-4 mm aufweisen und aus Plastik oder einem anderen vorzugsweise wasserundurchlässigen Material bestehen. Der Expositionsbereich kann farblich oder anderweitig gekennzeichnet sein um das gezielte Aufbringen einer Flüssigkeit, insb. Wasser, zu erleichtern.
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Unter einem „Indikatorbereich“ wird hier ein Bereich des Indikatorelements verstanden, der durch Änderung der Farbe oder Änderung eines Lichtsignals einer Lichtquelle, die Infektion mit einem Krankheitserreger anzeigt. Der Indikatorbereich ist räumlich vom Expositionsbereich getrennt und ist vorzugsweise vor dem Kontakt mit der Atemluft des Gesichtsmaskenträgers geschützt. Vorzugsweise basiert der Schutz aus einer Barriereschicht aus wasserundurchlässigem Material, der den Indikatorbereich in Richtung Gesicht des Trägers und vorzugsweise auch in Richtung der Trägerschicht des Indikatorelements umschließt und vor eindringender Nässe, insb. der feuchten Atemluft bzw. Kondenswasser, schützt. Vorzugsweise ist zumindest die dem Gesicht zugewiesene Seite dieser Barriereschicht transparent, sodass ein Farbumschlag gut erkennbar ist.
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Unter einem „Indikatorelement“ wird hier ein physisches Objekt, z.B. ein streifenförmiges Objekt oder ein kreisförmiges Objekt verstanden, welches dazu dient, eine Infektion des Gesichtsmaskenträgers mit ein oder mehreren Infektionskrankheiten anzuzeigen.
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Unter einem „Biosensor“ wird hier ein Messfühler verstanden, der mit biologischen Komponenten ausgestattet ist und/oder mit Komponenten, die mit biologischen Komponenten wie z.B. Proteinen, Peptiden, Metaboliten etc. direkt interagieren. Insbesondere kann der Biosensor ein Messfühler sein, der auf der direkten räumlichen Kopplung eines Sensorelements mit einem Signalumwandler (Transduktor) und einem elektronischen Verstärker beruht und der das Sensorelement, den Transduktor und den Verstärker umfasst. Für die Erkennung der zu bestimmenden Substanzen nutzt der Sensor eines Biosensors ein immobilisiertes biologisch aktives System (z.B. eines Antikörpers, eines Enzyms, eines Peptids oder Proteins etc.) oder ein immobilisiertes synthetisches synthetisches System (z. B. Aptamere, molekular geprägte Polymere, Makrocyclen oder synthetische Peptide). Das immobilisierte biologische oder synthetische System des Biosensors tritt in Wechselwirkung mit dem Analyten. Dabei kommt es zu physikochemischen Veränderungen, wie z. B. Veränderungen der Schichtdicke, der Brechungsindizes, der Lichtabsorption oder der elektrischen Ladung. Diese Veränderungen können mittels des Transduktors, wie z. B. optoelektrischen Sensoren, amperometrischen und potentiometrischen Elektroden oder speziellen Feldeffekttransistoren (chemisch sensitiver Feldeffekttransistor) bestimmt werden.
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Die Messung eines Analyten mittels eines Biosensors erfolgt gemäß Ausführungsformen der Erfindung in drei Schritten. Zunächst erfolgt die spezifische Erkennung des Analyten durch das biologische System des Biosensors. Anschließend findet die Umwandlung der physikochemischen Veränderungen, die durch die Wechselwirkungen des Analyten mit dem Rezeptor entstehen, in ein elektrisches Signal statt. Dieses Signal wird dann verarbeitet und verstärkt. Signalumwandlung und Elektronik können kombiniert werden, z. B. in CMOS-basierten Mikrosensorsystemen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
- 1 zeigt die Vorderseite einer Gesichtsmaske;
- 2 zeigt ein Schema der Gesichtsmaskeninnenseite mit Indikatorelement;
- 3 zeigt ein Schema der Gesichtsmaskeninnenseite mit Indikatorelement und einer wasserundurchlässigen Barriere;
- 4 zeigt ein Schema des Nachweisverfahrens einer Infektion mittels eines Indikatorelements vom Typ I (Negativergebnis);
- 5 zeigt ein Schema des Nachweisverfahrens einer Infektion mittels eines Indikatorelements vom Typ I (Positivergebnis); und
- 6 zeigt ein Schema des Nachweisverfahrens einer Infektion mittels eines Indikatorelements vom Typ II.
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1 illustriert die Vorderseite einer Gesichtsmaske, die aus einem Gesichtsmaskenstoff 104 sowie aus zwei Haltebändchen 102 besteht. Die Haltebändchen können zum Tragen der Gesichtsmaske verwendet werden.
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2 illustriert die Innenseite einer Gesichtsmaske 200 an der über eine Halterung 212 für ein oder mehrere Indikatorelemente ein abnehmbares Indikatorelement 202 angebracht wurde. Das Indikatorelement 202 umfasst einen Expositionsbereich 204 und einen Indikatorbereich 206, die beispielsweise in ein saugfähiges Material 208 eingebettet sind. Der Expositionsbereich 204 ist dem Kontakt mit der Atemluft des Gesichtsmaskenträgers ausgesetzt. Der Indikatorbereich 206 ist vor dem Kontakt mit der Atemluft des Gesichtsmaskenträgers geschützt. Auf dem Expositionsbereich 204 können Targetmolekül-Enzym-Kombinationen aufgebracht sein.
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Beispielsweise wird bei der Herstellung des Indikatorelements zunächst eine Schicht eines bestimmten Targetmoleküls, das für den nachzuweisenden Erreger charakteristisch ist, auf dem Expositionsbereich aufgetragen („immobilisiert“). In einem weiteren Schritt wird ein Antikörper, der spezifisch gegen dieses Targetmolekül bindet, an ein Enzym gekoppelt. Während der Herstellung des Indikatorelements wird dieses Enzym-Antikörper-Konjugat auf den Expositionsbereich gegeben um eine Bindung der Antikörper an die immobilisierten Targetmoleküle zu ermöglichen.
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Die Herstellung des Indikator- und Expositionsbereichs kann beispielsweise erfolgen wie in der US-Patentanmeldung
US 209/0234949 A1 beschrieben: Ein Filterpapierstreifen dient als Basis des Indikatorelements und dient auch gleichzeitig als saugfähiges Material, das Flüssigkeit, die auf den Expositionsbereich aufgebracht wurde, in den Indikatorbereich transportiert. Zur Herstellung der besagten beiden Bereiche werden 5 µl einer TMB -Substratlösung („TMB“ bedeutet 3,3',5,5'-Tetramethylbenzidin, C16H20N2) auf den Indikationsbereich aufgetragen und 5 µl eines Targetmolekül-Antikörper-Enzymkonjugats werden auf den Expositionsbereich des Filterpapiers pipettiert. Bei dem Enzym kann es sich z.B. um Meerrettichperoxidase handeln, das in den Wurzeln des Meerrettichs gefunden wird. Bei dem Targetmolekül kann es sich z.B. um das Spike-Protein des Sars-Cov-2 Virus handeln. Ein geeignetes Peroxidase-Konjugationskit und Antikörper gegen Targetmoleküle verschiedener Krankheitserreger können von Laborbedarfsanbietern wie z.B. ThermoFisher bezogen werden. Die Targetmoleküle können aus humanen Zellkulturen gewonnen werden.
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Das Filterpapier wird nach dem Auftragen der Substanzen auf die jeweiligen Bereiche getrocknet, z.B. für 10 min. Danach wird der Filterpapierstreifen in einem weiteren optionalen Schritt für 5 Sekunden in Seidenfibroinlösung getränkt und 3 Stunden getrocknet, bevor der getrocknete Streifen als Indikatorelement verwendet und an der Innenseite einer Maske angebracht werden kann.
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Die Maske mit dem Indikatorelement kann nun benutzt werden. Bei der Benutzung, die vorzugsweise über einen längeren Zeitraum erfolgen sollte, also z.B. mindestens 15 Minuten, insbesondere mindestens 30 Minuten, z.B. auch mindestens eine Stunde, gelangen Krankheitserreger über die ausgeatmete Luft auch an die Innenseite der Maske und lagern sich (auch) auf dem Expositionsbereich an.
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Um festzustellen, ob der Träger der Maske an einer Infektionskrankheit leidet und falls ja an welcher, wird Flüssigkeit 210 auf den Expositionsbereich 204 aufgetragen. Das saugfähige Material befördert die Flüssigkeit 210 von dem Expositionsbereich zu dem Indikatorbereich 206, wobei selektiv dann, wenn diese Flüssigkeit 210 die Targetmoleküle enthält, sich zumindest einige der Enzyme von den Targetmolekülen des Expositionsbereiches 204 lösen, an die Targetmoleküle der Flüssigkeit binden, mit diesen durch die beförderte Flüssigkeit zu dem Indikatorbereich 206 transportiert werden und dort beispielsweise durch Umsetzung eines Substrats eine Farbänderung oder ein ähnliches Signal bewirken.
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3 illustriert die Innenseite einer Gesichtsmaske 200 ähnlich der Gesichtsmaske in 2, wobei auf dem Indikatorelement 202 eine wasserundurchlässige Barriere 302 angebracht wurde. Die wasserundurchlässige Barriere 302 ummantelt die vor Feuchtigkeit zu schützenden Bereiche des Indikationselementes fast vollständig, sodass der Indikatorbereich 206 ausschließlich von einer Flüssigkeit benetzt werden kann, welche auf den Expositionsbereich 204 aufgetragen wird und dank der Kapillarkräfte des saugfähigen Materials 208 über das saugfähige Material zwischen dem Expositionsbereich 204 und dem Indikatorbereich 206 zu dem Indikationsbereich transportiert wird. Die Barriere ist im Querschnitt dargestellt, ist aber vorzugsweise zylinderförmig, und schützt den Indikatorbereich somit auch vor Kontakt mit feuchter Atemluft und vor Kontakt mit dem feuchten Trägermaterial der Maske bzw. des Indikatorelements. Vorzugsweise ist die zum Gesicht des Trägers hinweisende Seite der Barriereschicht aus transparentem Material, insb. transparenter Plastikfolie, um sicherzustellen, dass ein Farbumschlag im Indikatorbereich erkannt wird.
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4 illustriert ein Schema eines Nachweisverfahrens einer Infektion mittels eines Indikatorelements vom Typ I Negativergebnis. Auf dem Expositionsbereich 204 sind beispielsweise Targetmolekül-Enzym-Komplexe angebracht, die aus einem Targetmolekül 406, Antikörper 406 und Enzym 404 bestehen können. Der Indikatorbereich 206 enthält ein dem Enzym entsprechendes Substrat 402. Die Flüssigkeit 210, z.B. Wasser, ist frei von Erregern. Falls der Maskenträger nicht mit einem bestimmten Träger infiziert ist, ist auch der Expositionsbereich frei von diesen Erregern, sodass bei Benetzung des Expositionsbereiches 204 mit der Flüssigkeit sich das Enzym nicht von den am Expositionsbereich immobilisierten Targetmolekülen ablösen kann, und am Indikatorbereich 206 kein Signal entsteht.
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5 illustriert ein Schema eines Nachweisverfahrens einer Infektion mittels eines Indikatorelements vom Typ I Positivergebnis. Eine Flüssigkeit 210, z.B. Wasser, wird nach Nutzung der Maske auf den Expositionsbereich aufgetragen und ist frei von dem nachzuweisenden Erreger. In diesem Beispiel ist der Träger der Gesichtsmaske infiziert und ansteckend, sodass sich auf dem Expositionsbereich nach dem Nutzen der Maske bereits einige Krankheitserreger mit Targetmolekülen 410 befinden. Einige der Targetmoleküle binden an die Antikörper gegen Targetmoleküle 406, die sich am Expositionsbereich 204 befinden, und können dadurch die Ablösung einiger Enzyme 404 bzw. Enzym-Antikörper-Konjugate vom Expositionsbereich 204 bewirken. Durch die Kapillarkräfte des saugfähigen Materials kommt es dann zu einem Transport der Enzyme 404 bzw. Enzym-Antikörper-Konjugate zum Indikatorbereich 206. Am Indikatorbereich 206 binden einige Enzyme 404 an einige Substratmoleküle 402 und setzen diese um. Durch die Umsetzung der Substratmoleküle wird ein Signal wie beispielsweise eine Farbänderung am Indikatorbereich 206 ausgelöst.
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6 illustriert ein Schema eines Nachweisverfahrens einer Infektion mittels eines Indikatorelements vom Typ II. Das Indikatorelement vom Typ II umfasst einen Biosensor 604, ein Referenzsignalvergleichselement 608, eine Anzeige 606 und einen Mikroprozessor 612.Der Biosensor 604 umfasst ein Sensorelement 605, einen Signalwandler 607 und einen Verstärker 610. Der Biosensor kann z.B. ein Feldeffekttransistor sein, wie er in De Moraes, Ana C. M.; Kubota, Lauro T. 2016. „Recent Trends in Field-Effect Transistors-Based Immunosensors“ Chemosensors 4, no. 4: 20., beschrieben ist. Der Biosensor 604 ist mit Antikörpern gegen ein Targetmolekül 406 beschichtet. Bei Auftragen einer Flüssigkeit auf den Expositionsbereich wird der Biosensor zumindest teilweise benetzt. Wenn die Flüssigkeit Krankheits-spezifische Erreger mit Targetmolekülen 410 enthält binden diese Erreger an die Antikörper 406 auf dem Sensorelement 605 des Biosensors 604. Hierbei entsteht an dem Biosensor 605 ein physiochemisches Signal. Das physiochemische Signal wird von einem Signalwandler/Transducer 607 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das elektrische Signal kann dann von einem Verstärker/Amplifier 610 verstärkt werden. Das elektrische Signal wird dann mit einem Referenzsignalwert verglichen, der im Referenzsignalvergleichselement 608 bzw. einem an dieses gekoppelten Datenspeicher gespeichert ist. Der Referenzvergleichswert repräsentiert die Höhe und/oder das Profil eines elektrischen Signals, das bei Benetzung des Biosensors 604 mit einer den zumindest einen Krankheitserreger enthaltenden Flüssigkeit durch die Bindung der Antikörper an den zumindest einen Krankheitserreger erzeugt wird. Dieses elektrische Signal wird beispielsweise in ein optisches Signal umgewandelt, das auf einer Anzeige 606, die beispielsweise eine Lichtquelle sein könnte, z.B. eine Diode oder eine kleine elektronische Anzeige, ausgegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Gesichtsmaske
- 102
- Haltebändchen
- 104
- Gesichtsmaskenstoff (Vorderseite)
- 200
- Gesichtsmaske
- 202
- Indikatorelement
- 204
- Expositionsbereich
- 206
- Indikatorbereich
- 208
- saugfähiges Material
- 210
- Flüssigkeit
- 212
- Halterung für Indikatorelement (abnehmbar)
- 302
- wasserundurchlässige Barriere
- 400
- Indikatorelement - Ausführungsform Typ I
- 402
- Substrat
- 404
- Enzym
- 406
- Antikörper gegen Targetmolekül
- 408
- Targetmolekül
- 410
- Erreger mit Targetmolekülen
- 412
- Umgesetztes Substrat
- 600
- Indikatorelement - Ausfuehrungsform Typ II
- 604
- Biosensor
- 605
- Sensorelement
- 607
- Signalwandler
- 608
- Referenzsignalvergleichselement
- 610
- Verstaerker
- 606
- Anzeige
- 612
- Mikroprozessor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 111505076 A [0004]
- US 209/0234949 A1 [0072]
