DE10214713A1

DE10214713A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung und zur kontinuierlichen Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen

Info

Publication number: DE10214713A1
Application number: DE2002114713
Authority: DE
Inventors: Stefan Spichiger; Ursula Spichiger-Keller; Gleb Zhylyak
Original assignee: C CIT AG WAEDENSWILL
Current assignee: C CIT AG WAEDENSWILL
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2003-10-30
Also published as: AU2003222794A1; WO2003082469A2; AU2003222794A8; EP1490673A2; WO2003082469A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Durchführung und zur kontinuierlichen In-Situ-Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen zur Verfügung, die ein Reaktionsgefäß und eine darin fest angeordnete Überwachungseinheit umfasst, wobei die Überwachungseinheit die kontinuierliche selektive molekulare Erkennung eines einzigen Reaktionsteilnehmers ermöglicht. DOLLAR A Weiter stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur selektiven kontinuierlichen In-Situ-Erkennung von Reaktionsteilnehmern von chemischen und/oder biologischen Reaktionen zur Verfügung sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung und zur kontinuierlichen Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen umfassend ein Reaktionsgefäß und eine Überwachungseinheit, wobei die Überwachungseinheit die kontinuierliche selektive molekulare Erkennung eines Reaktionsteilnehmers einer chemischen und/oder biologischen Reaktion ermöglicht.
Weiter umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Systeme zur kontinuierlichen online Messtechnik sind bereits bekannt. Insbesondere sind FIA-Systeme (flow-injection-analysis) zur Gewinnung von kontinuierlichen Informationen über ein breites Spektrum von Substanzen bekannt, wobei diese Systeme ein aufwendiges Fluiddurchflußsystem mit Pumpen und Ventilen umfassen, und traditionelle analytische Bestimmungsverfahren mit Reagenzien oder ionenselektiven Elektroden am Ende eines Fließsystems als Detektoren verwenden.
Weitere bekannte Sensorsysteme, die Verwendung als kontinuierliche Prozeßüberwachungssensoren finden, beruhen auf potentiometrischen, voltammetrischen bzw. amperometrischen oder optischen Messtechniken.
Bislang sind jedoch die vorgenannten Sensorsysteme zumeist in einer miniaturisierten Messkammer angeordnet, durch die das zu untersuchende Material gepumpt wird. Damit sind also nur "Momentaufnahmen" beispielsweise eines Reaktionsgemisches zu einer bestimmten Zeit möglich, ohne dass der Reaktionsverlauf damit kontinuierlich überwacht werden kann. Amperometrische oder voltammetrische Systeme des Standes der Technik umfassen beispielsweise Biosensoren sowie miniaturisierte, modifizierte Elektroden wie "Glassy- Carbon" oder Graphit-Elektroden (Kalcher, K. et al, Z. Electroanalysis 7/1 (1995), S. 5-22).
Ebenso sind ionenselektive Transistoren auf der Basis von ISFETs (Ion-selective-field-effecttransistors) bekannt (Schindler, J. G. et al. Biomedtech 36/11 (1991) S. 271-280). Alle vorerwähnten Systeme können wie schon vorstehend ausgeführt nur in sogenannten Durchflussvorrichtungen zum Einsatz kommen, wie sie beispielsweise in der CH 692120 A5 beschrieben sind. Damit ist die selektive kontinuierliche Bestimmung beispielsweise von Parametern nur eines einzigen Reaktionsteilnehmers nicht möglich.
Selektivitätsprinzipien beruhend auf so genannten "Erkennungsmolekülen", wie beispielsweise selektiven Liganden oder Selektivitätsprinzipien, die auf Verteilungsgleichgewichten beruhen, sind ebenfalls bekannt (siehe Fluka-Katalog "Selectophore®" 1996).
Für eine detaillierte Beschreibung von Sensorsystemen, die im Stand der Technik Verwendung finden, wird auf die Veröffentlichung von U. E. Spichiger-Keller, Chemical Sensors and Biosensors for Medical and Biological Applications, Wiley, VCH, Weinheim, New York, 1998, verwiesen, auf deren Offenbarungsinhalt hier vollumfänglich Bezug genommen wird.
Weiter ist bekannt, dass durch Fluoreszensemission mit optischen Sensoren Sauerstoff, Kohlendioxyd und pH-Werte gemessen werden können.
Ebenso ist von der Firma Medisense ein amperometrischer Glucosesensor bekannt. Dabei weisen diese Geräte Sensoren mit mehreren verschiedenen selektiven Schichten auf, deren Kombination letztlich zur Selektivität dieser Sensoren beiführt.
Allen vorgenannten Sensoren ist gemein, dass eine kontinuierliche Überwachung von ausgewählten Reaktionsteilnehmern in Reaktionen, die sowohl chemischer als auch biologischer Natur sein können in Nicht-Durchflussvorrichtungen beispielsweise in geschlossenen Reaktionsgefäßen nicht möglich war.
Dies ist insbesondere bei biologischen Reaktionen, d. h. in der tierischen, mikrobiologischen und pflanzlichen Zellkulturtechnik von Nachteil, bei der meist sogenannte low-cost Einweg- Reaktoren eingesetzt werden. Es handelt sich dabei im allgemeinen um Kunstoffgefässe mit einem Fassungsvolumen von einigen Millilitern bis zu wenigen Litern. Diese werden dem Verbraucher, steril verpackt, zugestellt. Der Anwender kann die Gefässe dann unter sterilen Bedingungen auspacken, das Medium einfüllen und mit Zellen animpfen. Nach dem Abschluss des Prozesses werden die Behälter gereinigt und entsorgt. Es sind also Einwegreaktoren. Somit entfällt eine mühsame Sterilisation der Reaktoren vor und nach dem Einsatz und die Gefahr von Kontaminationen wird verringert.
Diese low-cost Reaktoren sind besonders in der Forschung und Entwicklung aber auch in der Produktion von Zellen und pharmazeutischen Stoffen weit verbreitet. Dies einerseits aufgrund ihrer kostengünstigen Herstellung und andererseits deshalb, weil das Sterilisieren entfällt. Somit muss kein Sterilitätsnachweiserbracht werden und der Aufwand der Vorbereitungen kann stark reduziert werden.
Wenn nun eine Probe aus einem solchen Reaktor entnommen werden soll, um sie zu analysieren, so ist dies immer mit aufwendigen Arbeitsschritten und einer Gefahr der Kontamination der Zellkulturen verbunden.
Arbeitsschritte die heute durchgeführt werden müssen, um eine Probe aus einem Reaktor zu entnehmen und diese zu analysieren sind folgende:

- Entnehmen der Einweg-Reaktoren aus dem Brutschrank und transportieren in eine Flow- Bench
- Öffnen der Flaschen und Entnahme der Probe
- Abfüllen der Probe in ein Probengefäss
- Beschriftung der Probe
- Transport der Probe in ein Analyselabor
- Analysieren der Probe

Durch diese zeit- und personalintensiven Arbeitsschritte entstehen folgende Nachteile:

- Verändern des Klimas im Brutschrank (Temperaturabfall, Veränderung der O₂ und CO₂ Konzentrationen), Zeit- und kostenintensive Probenentnahme, Gefahr der Kontaminationen durch das Öffnen der Flaschen, aufwendige Analyse der Proben, Gefahr der Verfälschung der Probe durch die Probeentnahme und den Transport ins Labor, zu spätes Erkennen von Veränderungen der Zusammensetzung des Kulturmediums. Dies führt zu einem großen Verbrauch an Medium, da große Probemengen erforderlich sind und damit zu einer unerwünschten Aufkonzentrierung der Zelldichte.

Dies führt zu erhöhten Kosten und vermehrten Ausfällen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die Durchführung und gleichzeitige kontinuierliche Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen ermöglicht.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird, die ein Reaktionsgefäß mit einem Einlaß sowie eine Aussparung umfasst, wobei in der Aussparung eine Überwachungseinheit angeordnet ist, wobei die Überwachungseinheit in den Bereichen, die im Innern der Reaktionsgefäßes angeordnet sind, eine permeable Membran aufweist, und wobei die Überwachungseinheit einen Bereich umfasst, der die kontinuierliche selektive insitu Erkennung eines Reaktionsteilnehmers während der chemischen und/oder biologischen Reaktion ermöglicht.

Dabei wird erreicht, dass aus einer Vielzahl an Reaktionsteilnehmern, wie sie gewöhnlich während einer chemischen und/oder biologischen Reaktion auftreten, nur ein einziger selektiv über den gesamten Reaktionszeitraum hinweg kontinuierlich überwacht und gemessen werden kann. Aus den so gewonnenen Parametern, d. h. Informationen über physikalische und/oder chemische Eigenschaften des jeweils ausgewählten Reaktionsteilnehmers können somit weitere Rückschlüsse auf den Reaktionsverlauf gezogen werden. Da die Überwachung kontinuierlich und nicht nur periodisch, d. h. nur zu bestimmten Zeitpunkten erfolgt, kann die Reaktion an jeder beliebigen Stelle abgebrochen werden, bzw. ein Ende der Reaktion rechtzeitig erkannt werden. Dabei steht die Überwachungseinheit zumindest über den Bereich, der die kontinuierliche selektive insitu Erkennung ermöglicht während der Reaktion in permanentem Kontakt mit dem Reaktionsmedium.

Darüber hinaus kann durch die kontinuierliche In-Situ-Messung erreicht werden, dass die Gefahr von Kontaminationen durch Öffnen der Reaktionsgefäße, Entnahme von Proben sowie Verfälschung von Proben durch die Probenentnahme und dem Transport ins Analytiklabor vermieden werden. Weiter wird dadurch das späte Erkennen von Veränderungen der Zusammensetzung von Kulturmedien insbesondere bei biologischen Reaktionen vollständig vermieden.

Die permeable Membran ist in einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung als semipermeable Membran ausgestaltet, so dass der zu verfolgende Reaktionsteilnehmer nur in eine Richtung zur Überwachungseinheit hin diffundieren kann. Außerdem verhindert die semipermeable Membran, dass eventuelle Umsetzungs-/Folgereaktionsprodukte des Reaktionsteilnehmer, die durch den selektiven Erkennungsprozess bedingt sein können in das Reaktionsmedium rückdiffundieren.

Unter biologischer Reaktion werden Reaktionen zwischen biologischen Stoffen und/oder Lebewesen, d. h. beispielsweise tierische, mikrobiologische und pflanzliche Zellkulturen verstanden.

Chemische Reaktionen sind erfindungsgemäß Reaktionen zwischen chemischen Verbindungen, die zu einer chemischen und oder physikalischen Veränderung der Edukte führen.

Der Begriff "Reaktionsteilnehmer" umfasst Edukte, Zwischenprodukte und Produkte von biologischen und chemischen Reaktionen.

Unter "Überwachungseinheit" wird vorstehend ein Sensorsystem verstanden, das auf potentiometrischen, amperometrischen, voltammetrischen oder optischen Messtechniken beruht.

Bevorzugt ist, dass der Bereich der die kontinuierliche selektive Erkennung eines Reaktionsteilnehmers ermöglicht so aufgebaut ist, dass nur ein einziger Reaktionsteilnehmer selektiv erkannt werden kann. Dadurch werden eventuelle Störungen, die aus der Erfassung beispielsweise von zwei Reaktionsteilnehmern, oder deren Wechselwirkung, die zu einer Verfälschung des Reaktionsergebnisses führen könnten, vollständig vermieden.

Unter selektiver Erkennung wird erfindungsgemäß verstanden, dass der Bereich selektiv nur Moleküle/Atome in Form von geladenen Molekülen/Atomen (Ionen) oder als nicht geladene Molekülen bzw. chemischer und/oder biologischer Verbindungen erkennt.

Dabei weist dieser Bereich vorzugsweise Erkennungsmittel auf, die die selektive Erkennung nur eines einzigen Reaktionsteilnehmers ermöglichen.

Es ist weiter bevorzugt, dass dieser Bereich eine schnelle selektive reversible Erkennungsreaktion ermöglicht, da nur so eine genaue kontinuierliche Bestimmung der zu bestimmenden Substanzen/Reaktionsteilnehmer möglich ist. In Bezug auf Reversibilität bedeutet "schnell" eine Zeitspanne von wenigen ms bis s, bevorzugt 0,5-10 s.

Bevorzugt ist der Bereich schnell regenerierbar. "Schnell" bedeutet erfindungsgemäß, für Regenierbarkeit einen Zeitraum von wenigen ms bis zu 10 Minuten. Die Regeneration wird dabei vorzugsweise nach dem Ende der chemischen und/oder biologischen Reaktion durchgeführt. Bei einigen Reaktionen kann die Regeneration jedoch auch während des Reaktionsverlaufes stattfinden. Die Erkennung erfolgt selektiv, wobei die Zielsubstanz (der Reaktionsteilnehmer) gegenüber Begleitsubstanzen, d. h. den anderen Reaktionsteilnehmern vorgezogen wird. Dieses sogenannte Selektivitätsprinzip kann auf Verteilungsgleichgewichten oder typischen chemischen Wechselwirkungen zwischen selektiertem Reaktionsteilnehmer und mindestens einer Erkennungskomponente beruhen. Es ist wie vorstehend ausgeführt reversibel und/oder dem Zeittakt des kontinuierlichen Überwachungs/Messystems entsprechend regenerierbar.

Es ist besonders bevorzugt, dass dieser Bereich weiter Mittel zur kontinuierlichen Umwandlung (Transduktion) der selektiven Erkennung, die mittels der Erkennungsmittel vorgenommen wurde, in eine Messgröße aufweist. Damit ist gewährleistet, dass die kontinuierlichen Veränderungen, die von den Erkennungsmitteln registriert wurden, kontinuierlich in erkennbare quantifizierbare, physikalische Messgrößen umgewandelt werden.

Als Umwandlung bzw. Transduktion wird ein Schritt oder eine Folge von Schritten bezeichnet, welche, induziert/ausgelöst durch die selektive Erkennung, die Bildung einer in der Regel quantifizierbaren Messgrösse bewirkt.

Die Bildung der Messgrösse ist das Resultat aus der Erkennung mit seinem für ihn typischen Selektivitätsprinzip und der darauf folgenden Umwandlung. Die Messgrösse kann sich bereits als Folge des aufgrund der Erkennung und Selektivitätsprinzips veränderten Verteilungsgleichgewichtes bilden (Potentiometrie, IR-Spektroskopie) oder durch Ankopplung von Hilfsstoffen (z. B. Indikatoren).

Besonders bevorzugt ist, dass der Bereich und die Umwandlungsmittel als eine einzige Schicht ausgebildet sind. Damit kann der Erkennungs- und Umwandlungs-(Transduktions-) Schritt in einer einzigen Schicht ablaufen und es werden Informationsverluste aufgrund einer möglichen räumlichen Trennung zwischen selektiven Erkennungsmitteln und Umwandlungsmitteln vermieden. Die Schicht ist dabei von ihrem Aufbau her der jeweiligen chemischen und/oder biologischen Reaktion ausgewählt angepaßt, wählbar und auch auswechselbar. Somit kann beispielsweise ein Reaktionsgefäß für eine Vielzahl von unterschiedlichen Reaktionen mit unterschiedlichen Schichten verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Schicht zwischen der Membran und der Überwachungseinheit angeordnet.

Es ist weiter bevorzugt, dass die Umwandlungsmittel die erfassten quantifizierbaren Messgrößen kontinuierlich auf eine Übertragungsvorrichtung geben, die diese wiederum auf ein Datenerfassungsgerät übertragen.

Damit ist gewährleistet, dass die erfassten Messdaten permanent aktualisiert und für die Person, die die Reaktion überwacht bzw. durchführt, ständig aktuell dem jeweiligen Reaktionsverlauf entsprechend informiert ist, so dass gegebenenfalls bei Fehlverläufen der Reaktion rechtzeitig eingegriffen werden kann.

Besonders bevorzugt ist, dass die Übertragung der Daten drahtlos erfolgt. Dadurch werden aufwendige Verkabelungssysteme vermieden, und die Einfachheit des Systems weiter gesteigert.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Übertragungsvorrichtung nur lose mit der Übertragungseinheit verbunden. Dadurch wird erreicht, dass die Übertragungsvorrichtung jederzeit aus der Überwachungseinheit ausgebaut werden kann, so dass das benutzte Reaktionsgefäß mit den Grundbestandteilen der Überwachungseinheit entsorgt werden kann, während die im allgemeinen kostenaufwendigere Übertragungseinrichtung für weitere erfindungsgemäße Vorrichtungen weiter verwendet werden kann.

Weiter wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur kontinuierlichen In-Situ-Überwachung von chemischen und biologischen Reaktionen unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei folgende Verfahrungsschritte.

a) Selektives kontinuierliches Erkennen eines einzigen Reaktionsteilnehmers einer chemischen und/oder biologischen Reaktion
b) Umwandlung (Transduktion) der aus der kontinuierlichen selektiven Erkennung gewonnenen Daten in eine quantifizierbare physikalische Messgröße
c) Kontinuierliche Übertragung der umgewandelten physikalischen Messgröße auf ein Datenerfassungsgerät
d) Kontinuierliche Erfassung der übertragenen Daten in einem Datenerfassungsgerät und Auswertung und in Relation setzen zu einer Eigenschaft oder Parameter der selektiv erkannten Substanz

Weiter wird ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung gestellt, wobei das Computerprogramm die erfassten Daten in der Datenerfassungseinheit in eine chemische und/oder physikalische Größe des gemessenen Reaktionsteilnehmers umsetzt.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Figur.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend genannt noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Figuren und nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine amperometrische Überwachungseinheit,

Fig. 3 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine optische Überwachungseinheit und

Fig. 4 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine potentiometrische Überwachungseinheit.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung (100), umfassend ein Reaktionsgefäß (110) mit einem Einlaß (111). Das Reaktionsgefäß kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein. Bei Einweg-Reaktionsgefäßen, die nach Ende der Reaktion weggeworfen werden, wird bevorzugt ein kostengünstiger Kunststoff oder Glas verwendet. Schematisch ist in Fig. 1 ebenfalls ein Reaktionsmedium (140) dargestellt, dass die Reaktionsteilnehmer für eine chemische und/oder biologische Reaktion umfasst.

Die Überwachungseinheit (120) ist in einer Aussparung (112) des Reaktionsgefäßes (110) angeordnet. Sie kann dabei über Dichtungen befestigt sein, oder aber, z. B. bei Reaktionsgefäßen aus Kunststoff oder Glas auch eingegossen sein. Ansonsten ist die Befestigungsart, z. B. Kleben usw. beliebig wählbar und dem Reaktionstyp angepaßt. Die Überwachungseinheit (120) ist durch eine semipermeable Membran (121), die beispielsweise aus Cellulose, einem Cellulosederivat oder einem anderen, dem Fachmann an sich bekannten, geeigneten Material sein kann, mit dem Innern des Reaktionsgefäßes (110) bzw. mit dem Reaktionsmedium (140) ganz oder teilweise in Kontakt. Vorzugsweise ist die Überwachungseinheit (120) ganz in das Reaktionsmedium eingetaucht. In der Überwachungseinheit (120) befindet sich ein Bereich (130), eine frei wählbare und auswechselbare sogenannte "molekulare Erkennungsschicht" (130), die die selektive Erkennung eines einzigen Reaktionsteilnehmers einer gewünschten Reaktion ermöglicht.

Diese Erkennungsschicht (130) ist in Kontakt mit einem Umwandlungsmittel (131), das die mittels der selektiven Membran (121) gewonnenen Daten in eine physikalische Messgröße umwandelt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, bilden die Erkennungsschicht und das Umwandlungsmittel (131) ein einziges Bauteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Umwandlungsmittel (131) steht dabei in Kontakt mit einer Übertragungsvorrichtung (132), die die so gewonnenen Messgrößen weiter auf ein Datenerfassungsgerät (150) beispielsweise mittels Funk überträgt. Der Kontakt kann dabei aber auch z. B. elektrisch wie etwa über Metallelektroden, -drähte oder über geeignete optische Mittel erfolgen. Es versteht sich, dass die Übertragung der Daten von der Übertragungsvorrichtung (132) auf das Datenerfassungsgerät selbstverständlich mittels Kabel, oder Funk auch über ein zwischengeschaltetes Handheld-Gerät erfolgen kann, das anschließend die gesammelten Daten weiter auf ein weiteres Datenerfassungsgerät, beispielsweise einen Server oder ein Netzwerk, das in Fig. 1 nicht dargestellt ist, zur weiteren Bearbeitung überträgt. Bei Verwendung eines Einwegreaktionsgefäßes wird die Übertragung mittels Funk bevorzugt sein, da der dafür verwendete Funkkopf (Sender) der Übertragungsvorrichtung (132) in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung einer lose mit der Überwachungseinheit (120) verbunden ist, z. B. aufgesteckt ist.

Damit kann der Funkkopf nach Reaktionsende abgezogen werden und bei einem neuen Einwegreaktionsgefäß weiterverwendet werden, während das benutzte Reaktionsgefäß weggeworfen werden kann. Somit ist auch eine kostengünstigere, standardisierte Herstellung erfindungsgemäßer Vorrichtungen möglich, da nur wenige auswechselbare und wiederverwendbare teure Funkköpfe benötigt werden und das Design der erfindungsgemäßen Vorrichtung damit wesentlich vereinfacht werden kann.

Es ist auch möglich, dass die gesamte Überwachungseinheit (120) so miniaturisiert ist, dass sie als Sensorchip ausgestaltet ist, der ein oder mehrere Überwachungseinheiten (120) aufweisen kann und alle oder einen Teil der vorstehend beschriebenen Bauteile aufweisen kann.

Fig. 2 zeigt einen schematischen nicht maßstabsgetreuen Querschnitt durch eine auf dem amperometrischen Messprinzip beruhende Überwachungseinheit 200 (im folgenden amperometrischer Sensor genannt) zum Einbau in ein Reaktionsgefäß. Genauer gesagt, handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Glucosesensor, dessen allgemeines Prinzip beispielsweise in der CH 692 120 AS vorbeschrieben ist.

Der amperometrische Sensor 200 weist einen Sensorkörper 203 auf, beispielsweise am Polysulfon. Das Material ist an sich beliebig wählbar, es sollte nur resistent bzw. inert gegenüber der ablaufenden Reaktionen bzw. dem Reaktionsmedium und nicht elektrisch leitend sein. Am unteren Ende eines Führungskanals 211 befindet sich eine selektive Schichtstruktur 208. Das Ableitelement besteht aus einem Platindraht 205, der in direktem Kontakt mit der Schichtstruktur 208 steht. Die Schichtstruktur 208 kann dabei auch als Paste ausgebildet sein. Diese wird beispielsweise gemäß Korell, U.; Spichiger, U. E. Electroanalysis 6 (1994) 305-315 oder Korell, U.; Spichiger, U. E. Anal. Chem. 66 (1994) 510-515 hergestellt. Sie enthält ein Enzym als Erkennungskomponente, TTF/TCNQ als Mediatoren und Silkonöl als Bulkmedium. Das Redox-aktive Enzym wird in die Paste eingebracht und zeigt in dieser Umgebung eine optimale Lebensdauer. Der Bulk der Paste dient dabei als Reservoir aus welchem aktives Enzym nachgeliefert werden kann. Die Paste kann in die dafür vorgesehenen Aussparung ins Kopfteil des Sensormoduls eingebracht werden. Die Oberfläche bildet das Sensorfeld wo Probe und selektive Schichtstruktur miteinander in Kontakt stehen.

Die selektive Schichtstruktur 208 umfasst mindestens eine Komponente, die die Selektivität des Sensorelementes bewirkt, d. h. die bevorzugte Erfassung der Zielsubstanz bzw. einer Gruppe von Zielsubstanzen gegenüber Begleitsubstanzen erlaubt.

Die nachfolgenden Erklärungen gelten sinngemäß auch für sämtliche anderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schichtstrukturen bzw. molekulare Erkennungsschichten/selektive Bereiche:
Die Selektivität kann durch molekulare Erkennung der Zielsubstanz, dem Reaktionsteilnehmer bewirkt werden oder durch die Partition der Substanz zwischen Reaktionsteilnehmer und dem Sensorelement (durch ein Verteilungsgleichgewicht). Die selektive Schichtstruktur kann Hilfsstoffe enthalten, welche zur Bildung der Schicht nötig sind und/oder den Erkennungsschritt unterstützen, katalysieren und/oder den Einfluss von Interferenzen vermindern, sowie fakultativ eine weitere Komponente, welche für den Transduktionsschritt verantwortlich ist. Die Schichtstruktur umfasst die Möglichkeit die selektive Schicht mit Hilfsschichten zu kombinieren, welche z. B. die Biokompatibilität gewährleisten und/oder die Trennung zwischen gasförmigen, neutralen und geladenen Substanzen und/oder eine Diffusionsbarriere bilden.

Die Schichtstruktur kann sowohl mehr oder weniger lipophile/apolare wie mehr oder weniger hydrophile/polare Schichten wie auch Mizellen oder Umkehrmizellen enthalten. Das Auswaschen von Komponenten in die Probe/das Specimen wird z. B. durch hohe Lipophilie der Komponenten verhindert, im Falle wo eine wässrige Probe/ein wässriges Specimen vorliegt oder durch Immobilisierung einzelner Komponenten.

Die relektive Schichtstruktur ist vorzugsweise so befestigt, dass sie leicht entfernbar bzw. austauschbar ist, z. B. also nur durch geeignete Befestigungselemente, etwa Nuten, Klemmen etc. mit dem Sensorkörper verbunden ist. Der Schichtstruktur wird damit eine gewisse Beweglichkeit ("Flexibilität") verliehen, mit der sie evtl. auftretende Spannungen gut kompensieren kann. Sie kann beispielsweise auch nur durch die Befestigung des Sensorkörpers an der Membran zwischen diesen beiden festgeklemmt sein, oder aber durch Adhäsivkräfte auf dem Sensorkörper haften.

Dies vermögen Befestigungsarten wie z. B. Kleben oder Eingießen nicht zu leisten. Eingeklebte oder eingegossene selektive Schichtstrukturen sind darüberhinaus von großem Nachteil, da die Kleber/Gußmaterialien nicht chemisch resistent gegen fast alle bekannten Reaktionsmedien sind. Dadurch lässt sich bzw. reagiert ein Teil des Klebers/Gußmaterials und diffundiert sowohl in das Reaktionsmedium wie aber auch in die selektive Schichtstruktur, deren Zusammensetzung und Aufbau dadurch Änderungen erfährt. Da die Zusammensetzung und der Aufbau der Schichtstruktur aber wesentlich ihre Selektivität und ihre schnelle Reversibilität bestimmen, wirken sich die vorstehend erklärten Änderungen dahingehend aus, dass sich sowohl die Selektivität, für einen Reaktionsteilnehmer verschlechtert, d. h. z. B., dass die Nachweisgrenze zu einer höheren Konzentration hin verschoben wird, die Messung daher ungenau ist bzw. im Laufe der Messung wird und sich auch die Reversibilität der Schichtstruktur verschlechtert, d. h. sich verlangsamt.

Die selektive Schichtstruktur kann auf einem geeigneten Träger z. B. auf einen planaren Wellenleiter, auf einer optische Faser, auf einer reflektierenden Schicht, auf einer Diffusionsbarriere aufgetragen werden und auch als "disposable layer" angeboten und in ein Modul eingesetzt werden. (Disposable layers or disposable waveguides with target-analyte selective layers.) Wenn ein Sensorelement bzw. eine Schichtstruktur verbraucht ist, können entweder nur das selektive Element aber auch Teile der Überwachungseinheit bzw. die gesamte Überwachungseinheit ersetzt werden.

Weiter kann gegebenenfalls eine Thermostatisierung des amperometrischen Sensors, aber auch der auf anderen Prinzipien basierenden Überwachungseinheiten vorgesehen sein.

Die vorstehend erwähnte Paste kann z. B. in Form einer Tablette angepasster Viskosität ins Kopfteil eingesetzt, auf ein Sensorfeld aufgelegt oder mit dem auswechselbaren Platindraht verbunden eingebracht werden. Der Führungskanal 211 kann zonenweise aus einem Platinröhrchen bestehen, das gleichzeitig Gegenelektrode und Führungskanal bildet. Der amperometrische Sensor 200 weist weiter ein Referenzmodul auf, bestehend vorzugsweise aus einer "free-flow free-diffusion" Elektrode, die sich im kontinuierlichen Betrieb als äusserst robust und interferenzarm erwiesen hat. Dieses Referenzmodul besteht aus einer Aussparung 207 im Sensorkörper 203, das die Elektrolytlösung für die bevorzugt aus Silberdraht bestehende Referenzelektrode 206 aufweist. Die Aussparung 207 ist über eine Kapillare 210 mit dem Innern des nicht dargestellten Reaktionsgefäßes verbunden. Die Kapillare kann natürlich auch durch andere, geeignete Vorrichtungen wie z. B. ein Diaphragma etc. ersetzt werden. Weiter ist im Elektrodenkörper 203 ein Platinknopf 204 verbunden mit einem Platindraht 209 angeordnet, die zusammen die Gegenelektrode bilden.

Die Überwachungseinheit 200 umfaßt weiter eine Übertragungsvorrichtung 201, die als Funkkopf zur drahtlosen Übertragung von gewonnenen Messdaten ausgestaltet ist. Daher reicht es, wenn nur der Sensorkörper 203 in dem hier nicht dargestellten Reaktionsgefäß angebracht ist. Der teure Funkkopf 201 kann daher vorteilhafterweise stets wieder verwendet werden. Am Funkkopf 201 ist sowohl der Platindraht 205 der Messelektrode, wie auch der Silberdraht 206 der Referenzelektrode sowie ein Platinknopf 212 zur Verbindung mit dem Platindraht 209 befestigt, die somit auch stets wiederverwendet werden können. Natürlich ist auch anstelle des Funkknopfes eine feste Verbindung mittels Kabel möglich.

Ebenso ist in der hier gezeigten Ausfertigungsform, wie auch bei allen anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen Platin durch andere, geeignete Metalle bzw. Legierungen ersetzbar.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine optische Überwachungseinheit 300. Diese besteht aus einem drahtlosen Funkknopf 302 ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten zur Übertragung der Messergebnisse auf ein hier nicht dargestelltes Datenerfassungsgerät. Dieser ist in losem Kontakt mit dem in den nicht dargestellten Reaktionsgefäß fest eingebauten Sensorkörper 301, der eine selektive Schichtstruktur 303 aufweist, die beispielsweise über einen in einem Führungskanal 305 angeordneten Platindraht 304, einen optischen Lichtwellenleiter oder über ein anderes geeignetes Übertragungsmedium mit dem Funkknopf 302 verbunden ist. Die selektive Schichtstruktur umfasst dabei einen geeigneten Liganden, oder aber auch ein Gemisch verschiedener Liganden. Die Synthese der selektiven Schichtstruktur erfolgte beispielsweise auf der Basis von bekannten Nitrit- und Chloridselektiven Liganden (Nitritionophore I, Fluka Chemie AG, Buchs, Schweiz; Chloridselektiver Ligand ETH 9033, Synthese im Zentrum f. Chemische Sensoren). Dazu wurde beispielsweise ein H⁺-selektiver Chromoionophor (Chromoionophor I, II und VI für Nitrit; Chromoionophor III für Chlorid, Fluka Chemie AG, Buchs, Schweiz) mit dem Nitrit- bzw. Chloridselektiven Liganden und, wo dies zur Ladungskompensation notwendig ist, gemeinsam mit anionischen lipophilen Hilfsstoffen in einer DOS-plastifizierten PVC-Schicht gelöst. Die Absorbanzänderung als Folge der Koextraktion des Anions zusammen mit H⁺ aus der gepufferten Probelösung wird photometrisch bestimmt und folgt der Konzentrationsänderung des Anions.

Für Nitrit liegt der Messbereich zwischen 0.5 bis 5000 mg kg^-1, Chlorid wird mit einen Selektivitätsfaktor von 10^-2.⁹ (molale Einheiten) diskriminiert. Der Messbereich und, vom Messbereich abhängig, auch die Ansprechgeschwindigkeit ändern sich mit dem verwendeten Chromoionophoren; die Chromoionophoren zeigen unterschiedliche Stabilität. Die Implementierung mehrerer Optodenschichten für die Nitritbestimmung in einem System ist ebenfalls möglich. Die Nitrit-selektive Membran mit Chromoionophor VI als Indikator zeigt eine Lumineszenzemission im sichtbaren Bereich des Spektrums und kann deshalb auch als Lumineszenz-aktive Schicht eingesetzt werden.

Die Messgrösse kann z. B. durch Messungen im ATR-Modus (attenuated reflection) gebildet werden, durch Messungen von Brechungsindexänderungen, durch Messung der Lumineszenz-Zerfallszeit oder durch die Ableitung der Lumineszenzemission gebildet werden.

Die dazu erforderliche Lichtenergie kann von ausserhalb des Moduls über eine optische Faser eingestrahlt werden oder die Lichtquelle kann durch die Implementierung von Dioden beispielsweise in den Sensorkopf 302 integriert werden. Auch eine Detektordiode kann in den Sensorkopf 302 integriert werden. Natürlich ist auch hier anstelle einer drahtlosen Funkverbindung eine Verbindung über Kabel von Sensor/Überwachungsvorrichtung zu dem in der Figur nicht dargestellten Datenerfassungsgerät möglich.

Fig. 4 zeigt den schematischen, nicht maßstabsgetreuen Schnitt durch eine potentiometrische Überwachungseinheit 400, im folgenden auch potentiometrischer Sensor genannt.

Auch der potentiometrische Sensor weist in dieser Ausgestaltungsform einen drahtlosen Funkkopf 401 auf, an dem die Messelektrode 404 und die Referenzelektrode 403 befestigt sind. Damit ist ebenfalls eine gute Wiederverwendbarkeit gewährleistet.

Die selektive Schichtstruktur 405 wird auf ein Sensorfeld gelegt und steht an dieser Stelle mit dem Reaktionsmedium über eine nicht dargestellte Membran in Kontakt. Basisteil 402 und Kopfteil 401 können unabhängig voneinander produziert und nach dem Einbringen der Schichtstruktur zusammengefügt/verschlossen werden. Das Basisteil 402 enthält das Sensorelement mit der Schichtstruktur 405, eine Aussparung 406, die über eine Kapillare 407 mit dem Reaktionsmedium verbunden ist. Der Funkknopf weist aus den vorerwähnten Gründen der Wiederverwendbarkeit die Ableitvorrichtung bzw das Ableitelement 404 auf, sowie die Elektrode 403. Natürlich ist auch hier anstelle einer drahtlosen Funkverbindung eine Verbindung über Kabel von Sensor/Überwachungsvorrichtung zu einem in der Figur nicht dargestellten Datenerfassungsgerät möglich.

Claims

1. Vorrichtung (100) zur Durchführung und zur kontinuierlichen In-Situ-Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen, umfassend ein Reaktionsgefäß (110) mit einer Aussparung (112), in der eine Überwachungseinheit (120) angeordnet ist, wobei die Überwachungseinheit (120) an den Bereichen, die im Innern des Reaktionsgefäßes (110) angeordnet sind, eine permeable Membran (121) aufweist und wobei die Überwachungseinheit einen Bereich (130) umfasst, der im Innern des Reaktionsgefäßes angeordnet ist, der die kontinuierliche selektive In-Situ-Erkennung eines Reaktionsteilnehmers während einer chemischen und/oder biologischen Reaktion ermöglicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (130) so aufgebaut ist, dass er nur einen einzigen Reaktionsteilnehmer selektiv erkennt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (130) chemisch reversibel und/oder schnell regenierbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (130) weiter Mittel (131) zur kontinuierlichen Umwandlung der selektiven Erkennung mittels der Erkennungsmitteln in eine Messgröße aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (130) und die Umwandlungsmittel (131) als eine einzige Schicht ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungsmittel (131) die Messgröße kontinuierlich auf eine Übertragungsvorrichtung (132) gibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter umfassend ein Datenerfassungsgerät (150) auf das die Messgrößen von der Übertragungsvorrichtung (132) übertragen werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsvorrichtung fest mit der Überwachungseinheit (120) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsvorrichtung (132) lose mit der Überwachungseinheit (120) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung drahtlos stattfindet.

11. Verfahren zur kontinuierlichen In-Situ-Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen, unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte.

a) Kontinuierliches selektives Erkennen eines einzigen Reaktionsteilnehmers einer chemischen und/oder biologischen Reaktion.

b) Kontinuierliche Umwandlung der durch das kontinuierliche Erkennen gewonnenen Daten in eine physikalische Messgröße.

c) Kontinuierliches Übertragung der physikalischen Messgröße auf eine Datenerfassungsvorrichtung.

d) Erfassung der übertragenen Daten in einer Datenerfassungsvorrichtung und Zuordnung der Daten zu einem physikalischen Parameter des selektiv erfassten Reaktionsteilnehmers.

12. Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 11, wobei die erfassten Daten einer physikalischen Größe des Reaktionsteilnehmers zugeordnet werden.