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Heute
verwendet man beispielsweise zur Blutzuckermessung ein Basisgerät, das zusammen mit
einzelnen Einmal-Sensorelementen benutzt wird, die zur Messung einmal
mit Körperflüssigkeit
benetzt werden und dann zur Signalerfassung in das Basisgerät gesteckt
werden. Aus
US 6,300,141
B1 ist ein Einmal-Sensor mit herkömmlichen Bauteilen bekannt,
der aber entsprechend teuer ist. Für andere Zwecke wie beispielsweise
das Messen des pH-Wertes von Wasser nutzt man häufig einfache Sticker, bei denen
man an der Färbung
das Ergebnis ablesen kann.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, anzugeben, wie
man besonders kostengünstig
eine einzelne Probe oder eine Anzahl von Proben analysieren und
dafür notwendige
Sensoren und/oder Schaltungen mit Energie versorgen kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Erfindungen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Dementsprechend
weist ein Probenmodul oder Sensorlabel zur Analyse eines zu analysierenden
Stoffes eine Batterie zur Energieversorgung auf. Die Batterie ist
eine Reservebatterie. Als Reservebatterie wird dabei ein Element
bezeichnet, das analog zu bekannten Primärbatterien aus Anode, Kathode
und eventuell einem Elektrolytraum besteht. Anders als bei diesen
Systemen ist bei der Reservebatterie der Raum zwischen den Elektroden
nicht mit Elektrolyt gefüllt.
Erst bei Initiierung des Messvorgangs wird der Zwischenraum mit
ionisch leitfähigem Elektrolyt
gefüllt.
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Zum
Durchführen
der Analyse weist das Probenmodul zweckmäßig ein Sensorelement auf.
Die Reservebatterie kann dann insbesondere zur Energieversorgung
des Sensorelements dienen.
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Zur
Ausgabe des vom Sensorelement gemessenen Analyseergebnisses weist
das Probenmodul vorzugsweise eine Anzeige auf, insbesondere eine
elektrochrome Anzeige, LED-Anzeige
und/oder ein LCD.
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Vorzugsweise
verfügt
das Probenmodul über ein
Substrat zur Aufnahme von Sensorelement, Reservebatterie, Anzeige
etc. Das Substrat ist insbesondere ein flaches, scheckkartenförmiges Substrat, so
dass das gesamte Probenmodul eine flache, scheckkartenförmige Form
hat. In diesem Zusammenhang ist insbesondere auch die Reservebatterie eine
Flachbatterie.
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Als
Elektrolyt für
die Reservebatterie kann prinzipiell jede beliebige Flüssigkeit
verwendet werden. Besonders sinnvoll ist die Erfindung aber dann, wenn
die vom Probenmodul zu analysierende Flüssigkeit als Elektrolyt der
Reservebatterie fungiert und/oder den Elektrolyten der Reservebatterie
aktiviert.
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Insbesondere
ist die zu analysierende Flüssigkeit
eine Körperflüssigkeit
wie beispielsweise Urin, Blut und/oder Speichel.
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Für kompliziertere
Auswertungen kann das Probenmodul über eine Auswerteelektronik
verfügen,
insbesondere eine organische Auswerteelektronik. Die Energie, also
Strom und Spannung, für
die Auswerteelektronik können
ebenfalls von der Reservebatterie aufgebracht werden.
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Es
ist zwar möglich,
Anode und Kathode der Reservebatterie frei an der Oberfläche zu gestalten, zu
einem größeren Ionenaustausch
und damit einer effizienten Energieversorgung gelangt man in der Regel
aber erst, wenn die Reservebatterie einen Elektrolytraum aufweist.
Dieser sollte so ausgestaltet sein, dass er ein Elektrolyt, also
beispielsweise die zu analysierende Flüssigkeit, insbesondere die
Körperflüssigkeit, über Kapillarkräfte einsaugt.
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Für eine mehrfache
Verwendung des Probenmoduls kann es über eine Mehrzahl von Reservebatterien
und/oder Sensorelementen verfügen.
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Reservebatterie
und Sensorelement können auch
integriert ausgeführt
sein.
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In
einem Verfahren zur Analyse wird ein Probenmodul nach einer der
soeben beschriebenen Arten verwendet. Vorteilhafte Ausgestaltungen
des Verfahrens ergeben sich aus den vorteilhaften Ausgestaltungen
des Probenmoduls und umgekehrt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Dabei zeigt
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1 ein Probenmodul zur einmaligen
Nutzung;
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2 ein Prinzipschaltbild
eines Probenmoduls;
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3 einen Querschnitt durch
ein kombiniertes Reservebatterie-Sensorelement;
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4 ein Probenmodul zur Mehrfachnutzung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
ist ein Probenmodul, auch Sensorlabel genannt, das typischerweise einmal
nutzbar ist und dann verworfen wird. Hierbei sind das Sensorelement,
ein Batterieelement sowie eine Anzeige auf einem Träger, zum
Beispiel einer Folie oder einer Karte, aufgebracht. Der Aufbau ist
so preiswert, dass das Probenmodul nach einmaliger Benutzung verworfen
werden kann. Dies ist besonders in der Medizindiagnostik von Interesse,
da hierdurch die Gefahr einer Infektion vermieden werden kann. Aber
auch für
andere Anwendungen, beispielsweise zur Messung der Wasserqualität, des pH-Wertes
oder ähnlichem,
ist dies interessant.
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Die
hier beschriebenen Ausführungsformen beruhen
auf der Kombination von Low-Cost-Flachbauelementen. Das Probenmodul
enthält
oder besteht beispielsweise aus folgenden Komponenten:
- – flaches,
scheckkartenähnliches
Substrat,
- – Flachbatterie
in Form einer so genannten Reservebatterie,
- – Sensorelement,
beispielsweise zur Messung von Flüssigkeiten, im speziellen auch
Körperflüssigkeiten
wie Urin, Blut, Speichel etwa zur Bestimmung von Blutzucker, Schwangerschaft,
Alkoholgehalt, alternativ aber auch zur Atemanalyse,
- – Anzeige,
vorzugsweise in Form von elektrochromen Displays, etwa mit einer
Farbänderung,
einer 7-Segmentanzeige, einem Symbol oder ähnlichem, oder Leuchtelementen,
etwa in Form von LEDs, OLEDs oder ELs, oder eines LCD,
- – eventuell
ein Schalter, der bei Nutzung der Reservebatterie aber nicht unbedingt
notwendig ist,
- – eine
Auswerteelektronik, vorzugsweise als so genannte Polymerelektronik,
eventuell aber auch als konventionelle Elektronik.
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Wie
schon erwähnt,
wird als Reservebatterie ein Element bezeichnet, das analog zu bekannten Primärbatterien
aus Anode, Kathode und eventuell Elektrolytraum besteht. Anders
als bei diesen Systemen ist bei der Reservebatterie der Raum zwischen den
Elektroden nicht mit Elektrolyt gefüllt. Erst bei Initiierung des
Messvorgangs wird der Zwischenraum mit ionisch leitfähigem Elektrolyt
gefüllt.
Dies kann für die
beschriebene medizinische Anwendung Körperflüssigkeit wie Blut, Urin oder
Speichel sein, idealerweise die zu analysierende Flüssigkeit.
Der Elektrolytraum ist dabei so ausgebildet, dass er sehr einfach,
das heißt
ohne zusätzliche
unterstützende Maßnahmen,
gefüllt
wird. Dies kann beispielsweise durch Kapillarwirkung realisiert
werden, indem der Abstand der beiden Elektroden geeignet gewählt wird
oder geeignete Hilfsstrukturen eingebracht sind. Durch Füllung des
Elektrolytraumes wird die Batterie aktiviert. Diese Eigenschaft
lässt sich
auch als intelligenter Schalter der Messeinrichtung benutzen.
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Bei
der Benutzung der Reservebatterie hat man die Vorteile einer nahezu
unbegrenzten Lagerfähigkeit,
da sie sich im Ruhezustand in einem trockenen Zustand befindet.
Durch Aufbringen von leitfähiger
Flüssigkeit
wird die Batterie aktiviert. Somit kann in der Regel auf einen An-Schalter
verzichtet werden.
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Räumlich in
unmittelbarer Nähe
der Reservebatterie befindet sich das Sensorelement, das die zu
analysierende Flüssigkeit
analysiert. Durch Aufbringen mehrerer Sensor-/Batterieelemente auf einem Probenmodul
in Form einer Karte, kann auch eine Mehrfachnutzung angedacht werden
oder auch durch eine Serienschaltung von Batterieelementen eine
höhere
Spannung erzeugt werden.
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Das
Probenmodul ist sehr preiswert und lange lagerfähig, da kein Schalter benötigt und
die Elektronik durch Aktivieren der Batterie aktiviert wird. Es schaltet
sich automatisch nach einiger Zeit aus, wenn die Batterie leer ist.
Dann kann das Bauteil verworfen und recycelt werden. Somit hat man
preiswerte Einwegsensoren im Scheckkartenformat. Bauteile wie Auswerteelektronik,
Anzeige, Sensorelement und/oder Reservebatterie sind vorzugsweise
durch Polymerelektronikbauteile aufgebaut und dadurch sehr kostengünstig herzustellen.
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In 1 erkennt man ein solches
Probenmodul. Auf einem Substrat 1 ist ein Sensorelement
mit Reservebatterie 2 in Form eines kombinierten Sensor-/Batteriefeldes
aufgebracht, welches zur Lagerung beispielsweise mit einer abziehbaren
Folie gegen Feuchtigkeit geschützt
ist. Zur Benutzung zieht man diese Folie ab und gibt etwas (Körper-)Flüssigkeit
auf diese Stelle. Diese Flüssigkeit
verteilt sich nun sowohl auf die Batteriefläche als auch auf die Sensorfläche. Durch
die Aktivierung der Batterie wird die Auswerteelektronik aktiviert,
die das Sensorsignal auswertet und das Ergebnis aus einer Anzeige 3 anzeigt.
Die Anzeige kann, wie im Bild dargestellt, eine digitale Anzeige
sein oder auch ein Symbol oder eine Kombination von beidem. Anschließend kann das
Label verworfen werden. Von Vorteil ist noch, wenn diese Anzeige
ihren anzeigenden Zustand behält,
auch wenn die Batterie leer ist.
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In 2 erkennt man ein Prinzipschaltbild
eines Probenmoduls. Auf ein Substrat 1 sind eine Reservebatterie 2a als
Batterieelement und ein Sensorelement 2b räumlich nah
beieinander, aber elektrisch möglichst
getrennt aufgebracht. Unter Umständen
ist noch ein Schalter 4 vorgesehen, der aber bei Verwendung
der Reservebatterie nicht unbedingt notwendig ist. Eine Auswerteelektronik 5 ist
vorzugsweise als organische Schaltung aufgebaut, kann aber auch
eine konventionelle Schaltung sein. Sie wertet das Sensorsignal
aus und lässt
das Ergebnis auf einer Anzeige 3 erscheinen. Die Elemente
sind mit leitfähigen
Verbindungen 6 elektrisch miteinander verbunden. Diese
Elemente sind vorzugsweise durch Druckverfahren auf das Substrat 1 aufgebracht.
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In 3 sieht man einen Querschnitt
durch ein kombiniertes Reservebatterie-/Sensorelement. Ein zu analysierender
Flüssigkeitstropfen 7 wird
auf das Element aufgebracht und verteilt sich, wie durch die Pfeile 8 angedeutet,
auf die Batterie- und die Sensorebene. Die Batterieebene weist die
beiden Elektroden 9 und 11 und den Elektrolytraum 10 auf.
Dieser ist entweder per se sehr dünn oder aber zum Beispiel durch
eine filzartige Struktur so ausgelegt, dass sich die Flüssigkeit
aufgrund der Kapillarwirkung gut darin verteilt. Hierdurch wird
die Batterie aktiviert.
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Das
Sensorelement ist beispielsweise mit zwei Elektroden 13, 15 und
einer Zwischenschicht 14 aufgebaut. Die Flüssigkeit 7 dringt
hier durch eine Öffnung
der oberen Elektrode 13 in die Zwischenschicht 14 ein
und verteilt sich dort. Nun können
beispielsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen
den Elektroden 13 und 15 der Leitwert oder sonstige
typische Eigenschaften der Flüssigkeit
bestimmt werden. Die Zwischenschicht 14 kann als Zwischenbereich
auch bestimmte Stoffe enthalten, die nur bei bestimmten Inhaltsstoffen
der Flüssigkeit
reagieren. Ebenso ist eine Ausführung vorstellbar,
bei der der Flüssigkeitstropfen 7 seitlich über die
Zwischenschicht 14 angesaugt wird und in den Elektrolytraum 10 weiterwandert.
In diesem Fall müssen
aber die Zwischenschicht 14 und der Elektrolytraum 10 miteinander
verbunden sein, wobei der Zwischenträger 12 lediglich die
Funktion hat, die Elektroden 11 und 13 bzw. 9 und 15 elektrisch
voneinander zu trennen.
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Neben
einem Probenmodul zur einmaligen Nutzung, wie es in 1 dargestellt ist, kann man natürlich auch
an eine Mehrfachnutzung denken. Dies ist mit dem beschriebenen Aufbau
besonders einfach. Die Sensor-/Batterieelemente 2 werden
ja nur durch Befeuchtung aktiviert, ansonsten sind sie inaktiv.
Somit kann man mehrere kombinierte Sensor-/Batterieelemente 2,
wie in 4 dargestellt,
auf einem Substrat 1 aufbauen und sie mit der im Gehäuse befindlichen
Auswerteelektronik verbinden. Bei Gebrauch zieht man nur von einem
Element 2 die Schutzfolie ab, benetzt es und an der Anzeige 3 wird das
Ergebnis angezeigt. Vorzugsweise sind die Elemente 2 separiert
mit einer Sollbruchstelle oder Abrisskante 16 so versehen,
dass sie nach Gebrauch entfernt und verworfen werden können. Dann
kann das nächste
Element 2 verwendet werden usw.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Elektrolyt-Flüssigkeit
und/oder die Flüssigkeit,
die den Elektrolyten aktiviert, in verkapselter Form auf oder an
dem Probenmodul angeordnet. Die Aktivierung der Batterie erfolgt
durch Zerstörung
der Verkapselung beispielsweise über
Druck und/oder Temperatur. Die Verkapselung kann hierfür eine Sollbruchstelle
aufweisen, um die Flüssigkeit
an einem gewünschten
Ort austreten zu lassen.
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In
noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform fungiert das Probenmodul
als Feuchtesensor. Sobald genügend
Feuchtigkeit vorhanden ist, wird die Batterie und somit die Elektronik
aktiviert.