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Die Erfindung betrifft eine Durchflussmesszelle (1) für planar
strukturierte Sensoren (5). Die Durchflussmesszelle (1) besitzt
einen Aus- (2) und einen Einlasskanal (3), die in einem
bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind. Der Querschnitt
des Einlasskanals (3) ist im Vergleich zum Querschnitt des
Auslasskanals (2) wesentlich kleiner. Der Einlasskanal (3)
mündet am Ende des Innenraums des Auslasskanals (2). Unter
einer im Einfallswinkel des Einlasskanals (3) auf die
waagerechte Schnittfläche (8) am Ende des Auslasskanals (2)
projizierten gedachten Ebene ist die sensitive Fläche (4) des
planar strukturierten Sensors (5) fixiert.
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Die erfindungsgemäße Durchflussmesszelle (1) ist besonders
geeignet, um wässrige Medien mit einem sehr geringen
Volumenstrom über eine planare Sensoroberfläche zu leiten, ohne
dass Luftbläschen, die im Volumenstrom enthalten sind oder
innerhalb der Fluidikanordnung gebildet werden, einen störenden
Einfluss auf die Messsignalbildung ausüben.
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Planar strukturierte Sensoren finden zunehmend Anwendung bei
miniaturisierten online -Messsystemen zur Bestimmung von
prozessrelevanten Größen in der Biotechnologie, in der
Lebensmittelindustrie, in der Umwelttechnik und vor allem in der
klinischen Diagnostik. Dazu muss der wässrige Probestrom
kontinuierlich über bzw. auf die sensitive Fläche eines Sensors
geleitet werden. Eine Reihe von Anwendungen erlauben nur
geringste Probevolumina, so dass der kontinuierliche
Volumenstrom unter einem Mikroliter pro Minute betragen kann.
Auf Grund gegebener Fluidikanordnungen finden in der Regel
Entgasungserscheinungen innerhalb des Messmediums statt, denen
durch entsprechende Entgasungsvorrichtungen nur teilweise
begegnet werden kann. Bei geringen Strömungsraten werden
Gasblasen nicht mehr aktiv durch die Strömung des Mediums
ausgetragen, was zur Bildung und Ansammlung makroskopischer
Luftbläschen innerhalb der Messzelle und damit auch im
sensitiven Bereich des Sensors führt. Diese Luftbläschen
verursachen Verdrängungseffekte bzw. eine Diffusions- und
Strömungsbarriere für den Analyten und führen bei
(quasi)kontinuierlichen Messungen zu schlecht reproduzierbaren
Ergebnissen.
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Es sind eine Reihe von technischen Lösungen zu
Durchflussmesszellen für planar strukturierte Sensoren bekannt.
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Die Verwendung eines zylindrischen Messzellinnenraumes über der
Sensoroberfläche wird in einer technischen Lösung (M. J.
Tierney, H. L. Kim, M. D. Burns, J. A. Tamada, R. O. Potts
(2000) Electroanalysis of Glucose in Transcutaneously Extracted
Samples. Electroanalysis 12, Issue 9, 666-671) zur
kontinuierlichen Bestimmung von Glucose in transdermaler
Flüssigkeit beschrieben. Der Einlasskanal ist zentrisch
gegenüber der Elektrodenanordnung des planaren Sensors und der
Auslasskanal seitlich angeordnet. Bei geringem Volumenstrom ist
die Einstellzeit aufgrund des großen Zellvolumens von 72 µl
relativ lang und es besteht die Gefahr, daß auftretende
Luftbläschen nicht sicher aus der Messzelle entfernbar sind.
In einer anderen bekannten Lösung (AT403962) ist eine
Zellgeometrie realisiert worden, in welcher die planaren
Elektroden Bestandteil einer im Querschnitt halbkreisförmigen
Kanalstruktur sind. Die Struktur ergibt sich durch eine
Kassette, in der die Basisplatte, auf der die Elektroden
aufgedruckt sind, formschlüssig in die den Durchflusskanal
enthaltende Deckplatte einrastet. Der Einsatz der Messzelle
erfolgt in einem Analysensystem mit relativ hohem Volumenstrom
von Trägerpuffer bzw. Probemedium.
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Eine weitere technische Lösung (Trajanoski Z, Wach P, Gfrerer
R, Jobst G, Urban G, Kotanko P, Skrabal F (1996) Portable
device for continuous fractionated blood sampling and
continuous ex vivo blood glucose monitoring. Biosens
Bioelectron 11, 479-487) beinhaltet eine Durchflussmesszelle
für eine kontinuierliche Vermessung von verdünntem Vollblut mit
einem vergleichsweise geringen Volumenstrom. Ein- und
Auslassöffnung sind senkrecht zur Messkammer angeordnet, die im
Querschnitt rechteckig ist. Eine Wandung bildet dabei der
Sensor.
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Schließlich ist eine Lösungsvariante (DE 44 08 352) bekannt, bei
der die Messkammer als eine durchgehend plane, im Querschnitt
rechteckige Kanalstruktur beschrieben ist. Eine der beiden
großflächigen Wandungen wird durch die Sensoroberfläche mit
symmetrisch angeordneter sensitiver Fläche des Sensors
gebildet.
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Eine Möglichkeit, plane Flächen als Kanalstrukturen zu
vermeiden ohne auf den Einsatz von planaren Sensoroberflächen
zu verzichten, besteht in der vertikalen Durchströmung des
planaren Sensors (DE 198 01 344). Ein- und Auslasskanal befinden
sich auf unterschiedlichen Seiten des Sensors. Der
Flüssigkeitsstrom wird durch einen oder mehrere relativ kleine
Kanäle, die vertikal durch den planaren Sensor in unmittelbarer
Nähe der sensitiven Fläche des Sensors angeordnet sind,
hindurch geführt. Auch hier besteht, bedingt durch
Strömungsänderungen speziell im Bereich der relativ kleinen
Durchtrittsstellen durch den Sensor, die Gefahr, daß sich das
Druckgefüge des Fluides ändert, was die Entstehung von
Gasblasen verursachen kann. Reichern sich makroskopische
Gasblasen in diesen Kanälen an, ist ein Abtrieb bei geringem
Volumenstrom nur schwer möglich.
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Durchflussmesszellen, die so konzipiert sind, dass die
Probeflüssigkeit in einem Kanal mit rechteckigem Querschnitt über
die sensitive Fläche eines planar strukturierten Sensors
geleitet wird, sind erfahrungsgemäß anfällig gegen die Bildung
von Luftbläschen.
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Lokal ungünstige Strömungsprofile an Übergangsstellen,
fertigungsbedingte Rauhigkeiten der Messzellenwandungen, oder
Unebenheiten auf der Indikationsfläche des Sensors und an der
umrandenden Dichtung bzw. der Verbindung zwischen Messkammer
und Sensor können zu diesem negativen Effekt beitragen. Die
genannten Rauhigkeiten bzw. Unebenheiten führen zur Erzeugung
von Turbulenzen im Medium, die einerseits
Entgasungserscheinungen verursachen und andererseits ein irreversibles
Festsetzen von Gasblasen im Messzelleninnenraum zur Folge haben
können.
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Aufgabe ist deshalb die Entwicklung einer Durchflussmesszelle
für planar strukturierte Sensoren, die oben genannte Nachteile
insbesondere bei sehr geringem Volumenstrom des Messmediums
vermeidet und eine weitgehend störungsfreie Messung gegenüber
Luftbläschen ermöglicht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß den Ansprüchen gelöst.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich nachfolgend
beschriebene innere Messzellengeometrie zur Lösung dieser
Aufgabe eignet:
Die Durchflussmesszelle (1) besitzt einen Aus- (2) und einen
Einlasskanal (3). Beide Kanäle stehen in einem Winkel
zueinander, der zwischen minimal 20° und maximal 110° betragen
kann. Einlasskanal (3) und Auslasskanal (2) zeichnen sich im
besonderen dadurch aus, dass der Querschnitt des Einlasskanals
(3) im Vergleich zum Querschnitt des Auslasskanals (2)
wesentlich kleiner ist und der Einlasskanal (3) am Ende des
Innenraums des Auslasskanals (2) mündet. Das Verhältnis der
Durchmesser von Einlass- (3) zu Auslasskanal (2) beträgt
zwischen 2 und 20, vorzugsweise 10. Unter einer im
Einfallswinkel des Einlasskanals (3) auf die waagerechte
Schnittfläche (8) am Ende des Auslasskanals (2) projizierten
gedachten Ebene ist die sensitive Fläche (4) des planar
strukturierten Sensors (5) fixiert.
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In einer Ausführungsform, bei der Messzelle und Sensor
mechanisch miteinander fixiert werden, enthält die
Durchflussmesszelle (1) um die waagerechte Schnittfläche am
Ende des Auslasskanals (2) eine ellipsenförmig ausgearbeitete
Ringnut (6), in der sich eine flexible Dichtung (7) befindet, so
dass die sensitive Fläche (4) des planar strukturierten Sensors
(5) mit dem Innenraum der Durchflussmesszelle (1) eine
reversible fluiddichte Messkammer ergibt.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die
Durchflussmesszelle (1) und der Sensor (5) mittels Kleber, der
ellipsenförmig um die Schnittfläche am Ende des Auslasskanals
(2) aufgebracht ist, miteinander irreversibel verbunden.
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Der Abstand zwischen der waagerechten Schnittfläche am Ende des
Auslasskanals (8) und der darunter befindlichen sensitiven
Fläche (4) des planar strukturierten Sensors (5) beträgt
zwischen 0,01 mm und 5 mm, vorzugsweise 0,1 mm.
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Das Messmedium mit der zu detektierenden Analytkonzentration
tritt am Ende des Einlasskanals (3) in den Auslasskanal (2) aus
und gelangt in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit
über eine Kombination von Diffusion und Konvektion zur
sensitiven Fläche (4) des Sensors (5). Je kleiner die
Strömungsgeschwindigkeit über der sensitiven Fläche (4) ist, um
so größer ist der Einfluss der Diffusion und umgekehrt. Die mit
dem Messmedium eingetragenen oder sich an der Schnittstelle
zwischen Einlasskanal (3) und Auslasskanal (2) bildenden
mikroskopischen oder makroskopischen Luftbläschen gelangen
aufgrund der mit dieser Messzellenanordnung verursachten
Strömungs- bzw. Diffusionsverhältnisse nicht zur sensitiven
Fläche (4) des Sensors, sondern verbleiben im Auslasskanal (2)
und werden nach Erreichen einer bestimmten Größe ausgetragen.
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Die erfindungsgemäße Durchflussmesszelle (1) für planar
strukturierte Sensoren (5) ermöglicht eine weitgehend gegen
Luftbläschen störungsfreie Messung und ist besonders für die
(quasi)kontinuierliche Ausmessung kleiner Probevolumina auch
bei geringen Volumenströmen geeignet.
Beispiel 1
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Enzymatischer Glucosesensor mit erfindungsgemäßer
Durchflussmesszelle (1) mit reversibler Fixierung von Durchflussmesszelle
(1) und planar strukturiertem Sensor (5) für die
kontinuierliche Messung von Glucose in der Modellösung einer
Gewebsflüssigkeit mit einem Volumenstrom von 0,5 µl/min.
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Der planar strukturierte Sensor (5) ist in diesem
Ausführungsbeispiel ein auf Dickschichttechnologie basierender
enzymatischer Glucosesensor. Auf dem Sensorabschnitt, der den
unteren Teil der Messzelle bildet, befinden sich drei
Elektroden: Arbeits-, Referenz- und Gegenelektrode, wobei auf
der Arbeitselektrode Glucoseoxidase immobilisiert vorliegt und
die eigentliche sensitive Fläche (4) des planar strukturierten
Sensors (5) bildet.
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Die Durchflussmesszelle (1) in Fig. 1 bzw. 2 besteht aus
Einlasskanal (3) und Auslasskanal (2), die im Winkel von 45°
zueinander angeordnet sind. Der Einlasskanal (3) mit einem
Durchmesser von 0,15 µm ist im Durchmesser ca. 3 mal kleiner
als der Auslasskanal (2) und mündet in diesen unmittelbar an
dessen Ende über der sensitiven Fläche (4) des planar
strukturierten Sensors. In der Ringnut (6), die konzentrisch um
die waagerechte Schnittfläche (8) des Auslasskanals (2)
eingearbeitet ist, befindet sich ein flexibler Dichtungsring
(7) durch welchen sich eine fluiddichte Messzelle mit einem
Innenvolumen von 0,3 µl ergibt. Das Gesamtvolumen der Messzelle
beträgt, einschließlich des Einlasskanals (3) und Auslasskanals
(2), 1,5 µl.
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Im oberen Teil des Auslasskanals (2) bzw. Einlasskanals (3)
sind Edelstahlkapillaren zum Anschluss von Schläuchen
eingeklebt.
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Der Sensor (5) wird mit der Durchflussmesszelle (1) durch eine
Spannvorrichtung fixiert.
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Mit der beschriebenen Durchflussmesszelle (1) wird Glucose
kontinuierlich in dem verwendeten Medium bestimmt, wobei zu den
Zeitpunkten (A), (B) und (C) zwecks Kalibration des planar
strukturierten Sensors (5) nacheinander Glucoselösungen mit den
Konzentrationen von 1 mM, 5 mM und 10 mM mit einem Volumenstrom
von 0,5 µl/min durchgeleitet wurden. Das Messsignal wurde
mittels eines kommerziellen Potentiostaten aufgezeichnet. In
Fig. 3 ist der Verlauf des Messsignals dargestellt und Fig. 4
zeigt die resultierenden Kalibrationskurven.
In Fig. 1 bedeutet
1 Durchflussmesszelle (Ansicht von oben)
2 Auslasskanal
3 Einlasskanal
4 sensitive Fläche auf dem planar strukturierten Sensor
5 planar strukturierter Sensor
6 Ringnut zur Aufnahme der Dichtung
7 Dichtung aus flexiblem Material
In Fig. 2 bedeutet
1 Durchflussmesszelle (Ansicht im symmetrischen Querschnitt
durch Einlasskanal (3) und Auslasskanal (2))
2 Auslasskanal
3 Einlasskanal
4 sensitive Fläche auf dem planar strukturierten Sensor
5 planar strukturierter Sensor
6 Ringnut zur Aufnahme der Dichtung
7 Dichtung aus flexiblem Material
8 waagerechte Schnittfläche am Ende des Auslasskanals
Beispiel 2
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Erfindungsgemäße Durchflussmesszelle (1) mit irreversibler
Fixierung von Durchflussmesszelle (1) und planar strukturiertem
Sensor (5) aus Beispiel 1 für die kontinuierliche Messung von
Glucose in der Modellösung einer Gewebsflüssigkeit und in
Gewebsflüssigkeit mit einer Strömungsgeschwindigkeit von
0,5 µl/min. Die irreversible Fixierung zielt auf die Verwendung
des Systems Sensor, Messzelle und Anschlußschläuche als
Disposable-Unit für medizinische Anwendungen.
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Der Aufbau der Durchflussmesszelle (1) in Fig. 1 bzw. 2 setzt
sich aus folgenden Komponenten zusammen. Einlasskanal (3) und
Auslasskanal (2) liegen im Winkel von 45° zueinander. Der
Einlasskanal (3) mit einem Durchmesser von 0,2 mm ist ca. 2 mal
kleiner als der Auslasskanal (2) und mündet in diesen
unmittelbar über der sensitiven Fläche (4) des planar
strukturierten Sensors (5).
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Der planar strukturierte Sensor (5) wird mit einem
Zweikomponenten-Epoxidharzkleber (Epilox T 19-36/1000 und
Epilox-Härter DPTA (Leung-Harze GmbH)), der in die Ringnut in
der Unterseite der Durchflussmesszelle (1) gefüllt ist, mit dem
planar strukturierten Sensor (5) irreversibel verbunden. Des
weiteren werden die flexiblen Anschlussschläuche mit den
Edelstahlkapillaren des Einlass- (3) bzw. Auslasskanals (2)
verklebt.
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Mit der beschriebenen Durchflussmesszelle (1) wird Glucose
kontinuierlich bestimmt. Zu den Zeitpunkten (D) wurde eine
Modellösung für Gewebsflüssigkeit, (E) eine Modellösung, die
1 mM Glucose enthält, (F) eine Modellösung ohne Glucose, (G)
(H) eine
eine Modellösung, die 3 mM Glucose enthält, (H) eine
Modellösung ohne Glucose, (I) Gewebsflüssigkeit, (J) eine
Modellösung ohne Glucose, (K) Gewebsflüssigkeit und (L) eine
Modellösung ohne Glucose mit einem Volumenstrom von 0,5 µl/min
über die sensitive Fläche (4) des planar strukturierten Sensors
(5) geleitet. Das Messsignal wurde mittels eines kommerziellen
Potentiostaten aufgezeichnet. In Fig. 5 ist der aufgezeichnete
Verlauf des Messsignals dargestellt.