DE10318899A1

DE10318899A1 - Vorrichtung zur Probenrückhaltung bei Biosensoren

Info

Publication number: DE10318899A1
Application number: DE10318899A
Authority: DE
Inventors: Alexander Schwock
Original assignee: BCS BIO und CHEMOSENSOREN GmbH
Current assignee: BCS BIO und CHEMOSENSOREN GmbH
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2003-11-20
Also published as: AU2003245808A1; WO2003089655A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für mehrfach verwendbare sowie für kontinuierlich messende Biosensoren, die es mit geringem technischen Aufwand möglich macht, eine ausreichende Menge Analytlösung über die gesamte Messzeit vor dem aktiven Element bereitzuhalten.
Es ist bekannt, die Analytkonzentrationen in Flüssigkeiten mit Hilfe entsprechend ausgelegter Sensoren zu bestimmen. Derartige, vorrangig im medizinisch-biochemischen Bereich eingesetzten und häufig nach dem Durchflussprinzip arbeitenden kontinuierlichen Systeme benötigen in der Regel größere Mengen an zu analysierender Flüssigkeit und liefern nur bedingt reproduzierbare Messergebnisse. Darüber hinaus ist der manuell- technische Aufwand vergleichsweise hoch.

So wird z. B. in dem in der DE-OS 42 27 323 beschriebenen halbautomatischen Verfahren und der Durchflussmessanordnung nach dem Absaugen der im Durchflusskanal befindlichen Reinigungs- und/oder Pufferlösung und dem gleichzeitigen Ansaugen von Luft die Messflüssigkeit manuell zugeführt und so letztlich unter konstanten Fließbedingungen gemessen. Ein in der DE-PS 44 10 224 offenbartes miniaturisiertes Durchflussanalysensystem zur Erzeugung eines definierten Messmedien-Flusses arbeitet mit einem als Kapillardrossel ausgebildeten Fließkanal, an den ein Druckbehälter mit veränderbarem Volumen angeschlossen ist.

Gegenstand der DE-OS 10 00 9467 ist eine enzymatisch-elektrochemische Durchflussmesseinrichtung zur Glucosebestimmung im Urin. Besonders bei solchen nur kurzzeitig vorkommenden Proben aus strömenden Medien ist es erforderlich, eine ausreichende Menge an Analytlösung aufzufangen und für die Messung bereitzustellen. Im vorgenannten Fall erfolgt das Auffangen der Probe in einem Becher (Urinbecher), was mit einem zusätzlichen Aufwand für den Anwender und oft mit Unannehmlichkeiten verbunden ist.

Die bisher beschriebenen technischen Lösungen für kontinuierlich messende Biosensoren zur erforderlichen Bereitstellung ausreichender Mengen Analytlösung am aktiven Element und für den gesamten Messzeitraum basieren durchweg auf Systemen zur minimierten Probenaufnahme aus Analytvorräten mittels Kapillarwirkung. Dies trifft zum Beispiel für den in der DE-OS 10 11 2298 beschriebenen Messkammeraufsatz zu, dessen konstruktive Gestaltung so gewählt ist, dass ausschließlich Kapillarkräfte zur Wirkung kommen, d. h. der Analyt wird eingesaugt. Von einer vergleichbaren Kapillarwirkung zur Erzeugung dünner Flüssigkeitsfilme wird in der DE-OS 10 14 2788 berichtet. Als weitere Beispiele für derartige kapillare Transport- und Wirkprinzipien bei Biosensoren sollen die US 5.120.420, US 5.264.103 und EP 1 113 264 zitiert werden.

Vor allem den letztgenannten Kapillarsystemen haftet der eindeutige Mangel an, dass sie für Messungen in fließenden bzw. strömenden Analytlösungen nicht oder nur bedingt geeignet sind.

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, kostengünstig und mit geringem technischen Aufwand eine Vorrichtung für mehrfach verwendbare bzw. kontinuierlich messende Biosensoren bereitzustellen, die es ermöglicht, vorrangig in fließenden Analytlösungen eine definierte Analytführung an den Sensor in ausreichender Menge und über die gesamte Messzeit zu gewährleisten und das aktive Element gleichzeitig vor Austrocknung und mechanischer Belastung zu schützen.

Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 durch einen Tropfenfänger gelöst, der in einem definiert-konstanten Abstand über der aktiven Fläche des Biosensors angeordnet ist und einen Analytraum fixiert, in dem die Analytlösung durch Adhäsion über der aktiven Oberfläche des Sensors auch in senkrechter Stellung des Sensors gehalten wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 4.

Durch das Auf- bzw. Anbringen des erfindungsgemäßen Tropfenfängers in definiertem Abstand über der aktiven Fläche des Trägers mit Sensorstruktur wird ein Analytraum geschaffen, in dem der Analyt durch reine Adhäsionskräfte im Volumen über der aktiven Sensorfläche gehalten wird und so vermessen werden kann.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine ausreichend große Probenmenge aus Analytvorräten zu dem aktiven Sensorelement geleitet und vor diesem über den für den Messvorgang erforderlichen Zeitraum gehalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei so konstruiert, dass das aufgenommene Volumen durch die Wirkung der Adhäsionskräfte auch bei senkrechter Stellung des Sensors nicht von diesem abfließt. Diese definierte Analytführung an den Sensor und die bewirkte Probenrückhaltung sind dabei vor allem für fließende Analytvorräte von entscheidender Bedeutung. Da beim Einsatz in auch turbulent fließenden Medien durch den erfindungsgemäßen Tropfenfänger ein laminarer Fluß des Analyten vor dem Detektionselement realisiert wird, gewährleistet er nicht nur reproduzierbare Messbedingungen am aktiven Sensorelement sondern minimiert die mechanischer Belastung. Durch das Halten der Probenmenge auch nach Beendigung des Kontaktes mit der Probelösung wird der Sensor gleichzeitig vor Austrocknung geschützt. Bei Biosensoren auf flexiblen oder semiflexiblen Sensoren bewirkt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine zusätzliche Versteifung des Sensors im Bereich des aktiven Elementes, wodurch eine weitere mechanische Stabilisierung der Sensoren erreicht wird.

Es ist ein weiterer besonderer Vorzug der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass diese bei einfacher Handhabung sowohl in stehenden als auch in fließenden Analytlösungen eine definierte Analytführung an den Sensor und damit eine hohe Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse gewährleistet.

Im folgenden werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 einen Biosensor mit erfindungsgemäßem Tropfenfänger in Draufsicht;
Fig. 2 einen Biosensor mit erfindungsgemäßem Tropfenfänger in Seitenansicht;
Fig. 3a einen Biosensor mit erfindungsgemäßem Tropfenfänger in Frontansicht;
Fig. 3b einen Biosensor mit einem mehrteiligen erfindungsgemäßen Tropfenfänger bestehend aus einer Abdeckung und Seitenteilen in Frontansicht;
Fig. 4 einen Biosensor mit erfindungsgemäßem Tropfenfänger mit definiert konstantem Abstand zur Sensoroberfläche;
Fig. 5a einen geschlossenen erfindungsgemäßen Tropfenfänger in Draufsicht;
Fig. 5b einen erfindungsgemäßen Tropfenfänger mit Netzstruktur in Draufsicht.
Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, besteht der Biosensor aus einem Träger mit Sensorstruktur 1, einer aktiven Fläche 2 und dem erfindungsgemäßen Tropfenfänger 3. Der Tropfenfänger 3 überdeckt dabei vollständig die gesamte aktive Fläche 2 des Sensors. Die Fig. 3a und 3b zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des Tropfenfängers 3. Während in Fig. 3a ein einteilig ausgebildeter Tropfenfänger dargestellt ist, zeigt Fig. 3b einen mehrteiligen Tropfenfänger 3 bestehend aus der Tropfenfänger-Abdeckung 3.1 und Tropfenfänger-Seitenteilen 3.2. Zusätzlich ist in beiden Figuren der Analytraum 4 hervorgehoben.
Fig. 4 zeigt den Biosensor mit dem definierten Abstand 5 zwischen der Innenseite der Tropfenfänger-Abdeckung 3.1 und der aktiven Fläche 2 des Trägers mit Sensorstruktur 1. Aus der dazugehörigen Ansicht der Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, dass sich der Tropfenfänger 3 über die gesamte aktive Fläche 2 des Sensors erstreckt. In der Fig. 3 und 4 wird deutlich, dass der Abstand 5 eine konstante Größe beibehält. Dieser Abstand 5 und die Länge des Tropfenfängers 3 über der aktiven Fläche 2 werden in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Analytmediums, vor allem in Bezug auf dessen Viskosität, Benetzungsverhalten und Adhäsionsvermögen, gewählt und definieren schließlich die Größe des durch Adhäsion zurückgehaltenen Analytvolumens. Der Abstand 5 darf einerseits nicht zu groß sein, damit die Adhäsionskräfte zum Halten des Analytvolumens, das die Größe eines Tropfens hat, ausreichen, andererseits darf er nicht zu klein sein, um eine einfache und sichere Reinigung der aktiven Sensorfläche 2 durch Spülen zu ermöglichen.
Der Probenzufluss erfolgt entweder nur durch den zwischen dem Träger mit Sensorstruktur 1 und der Tropfenfänger-Abdeckung 3.1 gebildeten Kanal mit dem Abstand 5 in definierter Richtung oder zusätzlich durch in die Oberfläche des Tropfenfängers 3 durch Perforation, Schlitze oder den Einsatz von permeablen Materialien definiert eingebrachte permeable Öffnungen. Fig. 5a zeigt einen geschlossenen Tropfenfänger 3, in den zusätzliche permeable Öffnungen auf bekannte Art und Weise eingebracht werden können. Die Fig. 5b zeigt einen vergleichbaren Tropfenfänger 3 mit Gitterstruktur in Draufsicht. Die Ansprechzeit des Sensors kann dadurch wesentlich verkürzt werden.
Der erfindungsgemäße Tropfenfänger wird vorzugsweise aus geeigneten Polymermaterialien hergestellt und kann dabei durch mechanische Bearbeitungsschritte wie Fräsen, Feilen oder Bohren bzw. durch Spritzgießen oder Tiefziehen aus einem Stück gefertigt oder aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt sein.
Der erfindungsgemäße Tropfenfänger wird nach der Herstellung der Biosensoren bevorzugt durch Kleben, Pressen oder Clip-Verbindungen auf diesen fixiert. BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Träger mit Sensorstruktur
2 aktive Fläche
3 Tropfenfänger
3.1 Tropfenfänger-Abdeckung
3.2 Tropfenfänger-Seitenteile
4 Analytraum
5 Abstand der aktiven Fläche 2 zur Tropfenfänger-Abdeckung 3.1

Claims

1. Vorrichtung für mehrfach verwendbare und kontinuierlich messende Biosensoren zur Gewährleistung einer definierten Analytführung an den Sensor in ausreichender Menge und über die gesamte Messzeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein spezifisch gestalteter Tropfenfänger (3) ist, der in definiert konstantem Abstand (5) über der gesamten aktiven Fläche (2) des Trägers mit Sensorstruktur (1) angeordnet ist und einen Analytraum (4) schafft, der eine Analytlösung durch Adhäsion über der aktiven Sensorfläche (2) auch in senkrechter Stellung des Sensors zurückhält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Abstand (5) zwischen der aktiven Fläche (2) des Trägers mit Sensorstruktur (1) und der Oberfläche der Tropfenfänger-Abdeckung (3.1) und die Gesamtlänge des Tropenfängers (3) über der aktiven Fläche (2) des Trägers mit Sensorstruktur (1) das aus dem Analytvorrat abtrennbare und durch Adhäsion gehaltene Probevolumen bestimmen, wobei der Abstand (5) abhängig von den Eigenschaften des Analyten mindestens 0,5 mm beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenfänger (3) aus geeigneten Polymermaterialien in einem Stück gefertigt oder aus mehreren Einzelteilen (3.1; 3.2) zusammengesetzt ist und wahlweise dessen Oberfläche durch Perforation, Schlitze oder den Einsatz permeabler Materialien zusätzliche, definiert eingebrachte Öffnungen enthält.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenfänger (3) durch Kleben, Pressen oder Clip-Verbindungen auf dem Träger mit Sensorstruktur (1) befestigt ist und so die aktive Fläche (2) des Sensors (1) vor dem Austrocknen und mechanischer Belastung schützt.