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Die
Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einer Durchflussmesszelle
für planar
strukturierte Sensoren. Die Durchflussmesszelle besitzt einen Aus-
und einen Einlasskanal, die in einem bestimmten Winkel zueinander
angeordnet sind. Der Querschnitt des Einlasskanals ist im Vergleich
zum Querschnitt des Auslasskanals wesentlich kleiner. Der Einlasskanal
mündet
am Ende des Innenraums des Auslasskanals, wobei der Auslasskanal
mit seiner Mündung
eine zur Oberfläche
des Sensors parallele Schnittstelle bildet und die sensitive Fläche des
Sensors in der gradlinigen Verlängerung
des Einlasskanals liegt.
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Die
Durchflussmesszelle der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 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
on-line -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.
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In
einer anderen, aus der
AT403962B bekannten
Lösung
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
aus der
DE4408352C2 eine Lösungsvariante
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, siehe
DE19801344C2 .
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 Sensorvorrichtung mit 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 durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass nachfolgend beschriebene innere Messzellengeometrie
besonders vorteilhaft ist:
Die Durchflussmesszelle besitzt
einen Aus- und einen Einlasskanal. Beide Kanäle stehen in einem Winkel zueinander,
der zwischen minimal 20° und
maximal 110° betragen
kann.
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Einlasskanal
und Auslasskanal zeichnen sich im besonderen dadurch aus, dass der
Querschnitt des Einlasskanals im Vergleich zum Querschnitt des Auslasskanals
wesentlich kleiner ist und der Einlasskanal am Ende des Innenraums
des Auslasskanals mündet.
Das Verhältnis
der Durchmesser von Einlass – zu
Auslasskanal beträgt
zwischen 2 und 20, vorzugsweise 10. Der Einlasskanal mündet am
Ende des Innenraums des Auslasskanals, wobei der Auslasskanal mit
seiner Mündung
eine zur Oberfläche
des Sensors parallele Schnittstelle bildet und die sensitive Fläche des
Sensors in der gradlinigen Verlängerung
des Einlasskanals liegt.
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In
einer Ausführungsform,
bei der Messzelle und Sensor mechanisch miteinander fixiert werden, enthält die Durchflussmesszelle
um die waagerechte Schnittfläche
am Ende des Auslasskanals eine ellipsenförmig ausgearbeitete Ringnut,
in der sich. eine flexible Dichtung befindet, so dass die sensitive
Fläche
des planar strukturierten Sensors mit dem Innenraum der Durchflussmesszelle
eine reversible fluiddichte Messkammer ergibt.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
sind die Durchflussmesszelle und der Sensor mittels Kleber, der
ellipsenförmig
um die Schnittfläche
am Ende des Auslasskanals aufgebracht ist, miteinander irreversibel
verbunden.
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Der
Abstand zwischen der waagerechten Schnittfläche am Ende des Auslasskanals
und der darunter befindlichen sensitiven Fläche des planar strukturierten
Sensors 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 in den Auslasskanal aus und gelangt in Abhängigkeit von
der Strömungsgeschwindigkeit über eine
Kombination von Diffusion und Konvektion zur sensitiven Fläche des
Sensors. Je kleiner die Strömungsgeschwindigkeit über der
sensitiven Fläche
ist, um so größer ist
der Einfluss der Diffusion und umgekehrt. Die mit dem Messmedium
eingetragenen oder sich an der Schnittstelle zwischen Einlasskanal
und Auslasskanal bildenden mikroskopischen oder makroskopischen
Luftbläschen
gelangen aufgrund der mit dieser Messzellenanordnung verursachten
Strömungs-
bzw. Diffusionsverhältnisse
nicht zur sensitiven Fläche
des Sensors, sondern verbleiben im Auslasskanal und werden nach
Erreichen einer bestimmten Größe ausgetragen.
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Die
Durchflussmesszelle der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung für planar
strukturierte Sensoren ermöglicht
eine weitgehend gegen Luftbläschen
störungsfreie
Messung und ist besonders für
die (quasi)kontinuierliche Ausmessung kleiner Probevolumina auch
bei geringen Volumenströmen geeignet.
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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 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 3 ist der Verlauf des Messsignals
dargestellt und 4 zeigt die resultierenden Kalibrationskurven.
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In 1 bedeutet
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- 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
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In 2 bedeutet
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- 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
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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 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 (Leuna-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) 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 5 ist der aufgezeichnete Verlauf des Messsignals
dargestellt.