DE112018005405B4 - REGELUNG DES pH-WERTES ZUM DETEKTIEREN VON ANALYTEN - Google Patents

REGELUNG DES pH-WERTES ZUM DETEKTIEREN VON ANALYTEN Download PDF

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    • G01N27/4167—Systems measuring a particular property of an electrolyte pH

Abstract

pH-Regelvorrichtung (1), die aufweist:ein Substrat (10),einen auf dem Substrat (10) definierten ersten Strömungspfad (322) zum Aufnehmen einer Flüssigkeit;einen auf dem Substrat (10) definierten zweiten Strömungspfad (322a), der von dem ersten Strömungspfad (322), um im Betrieb die Flüssigkeit aufzunehmen,einen Satz Elektroden (312, 312a), wobei der Satz Elektroden (312, 312a) aufweist:ein Paar pH-Generatorelektroden, wobei das Paar pH-Generatorelektroden eine pH-Generator-Arbeitselektrode (512) und eine pH-Generator-Gegenelektrode (628) enthält;eine Referenzelektrode (526), die in dem zweiten Strömungspfad (322a) angeordnet ist; undeine pH-Messelektrode (524), die zwischen einem Paar von pH-Generatorelektroden (512) angeordnet ist; undeine Steuereinheit (541),wobei:der Satz Elektroden entlang des Strömungspfades angeordnet ist und die pH-Messelektrode (524) so angeordnet ist, dass sie einer Änderung des pH-Wertes eines Anteils der Flüssigkeit in dem Strömungspfad ausgesetzt ist; unddie Steuereinheit (541) so gestaltet ist, dass sie auf Grundlage eines von der pH-Messelektrode (524) und der Referenzelektrode (526) empfangenen Signals eine Spannung an die pH-Generatorelektroden anlegt, um den pH-Wert der Flüssigkeit an der pH-Generator-Arbeitselektrode und der pH-Generator-Gegenelektrode zu ändern.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet von Sensoren und insbesondere von Biosensoren.
  • Biosensoren wechselwirken mit biologischen Molekülen (z.B. Proteinen, Zuckern, Ribonukleinsäuren usw.), um Daten über den physiologischen Zustand von Personen zu erhalten. Zu diesem Zweck umfassen Biosensoren Detektoren (z.B. einen Sensor zum Analysieren physikochemischer, optischer, piezoelektrischer usw. Eigenschaften, die mit Biomolekülen zusammenhängen. Die durch den Biosensor gesammelten Daten können analysiert werden, um Entscheidungen über Behandlungspläne, Vorbeugungsmaßnahmen und dergleichen zu treffen.
  • In einem ähnlichen Zusammenhang wurden bereits Dokumente veröffentlicht. So ist im Dokument WO 2017 / 027 477 A1 ein Gerät und ein Verfahren zum Nachweis von Spurenmetallen mit elektrisch leitfähigen Diamant-Elektroden beschrieben. Dabei wird ein Detektor für eine Analyse von Handelsmetallen und ein Verfahren zum Betrieb desselben zum Nachweis von Metallen in verschiedenen Flüssigkeitsproben unter Verwendung von Bor-dotierten Diamant-Arbeitselektroden beschrieben. Außerdem beschreibt das Dokument US 2002 / 0 022 261 A1 eine miniaturisierte integrierte Diagnosevorrichtung für Nukleinsäuren. Dabei wird eine Mehrzahl von voneinander getrennten Reaktionskammern eingesetzt.
  • KU RZDARSTELLU NG
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen eine Einheit zum Regeln des pH-Wertes. Merkmale der Einheit zum Regeln des pH-Wertes sind durch den unabhängigen Anspruch beschrieben. Weitere Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine pH-Regelvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Explosionsdarstellung.
    • 2 ist eine Draufsicht einer pH-Regelvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 3 ist eine Draufsicht einer pH- Regelvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad enthält.
    • 4 ist eine Draufsicht einer pH- Regelvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad enthält.
    • 5 ist ein Schaubild, das einen Satz Elektroden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht, die in eine pH- Regelvorrichtung eingebaut sein können.
    • 6 ist ein Schaubild, das einen ersten Satz Elektroden und einen zweiten Satz Elektroden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht, die Daten mit einer Regeleinheit austauschen.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht einer pH- Regelvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 8 ist ein Diagramm, das eine Kurve des pH-Wertes als Funktion der Zeit für eine pH- Regelvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
    • 9 ist ein Ablaufplan, der ein beispielhaftes Verfahren veranschaulicht, das in einer pH- Regelvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umgesetzt wird.
    • Die 10 und 11 stellen beispielhaft zwei mögliche Verteilungen des elektrochemischen Potenzials in einer flüssigen Lösung in Bezug auf eine bestimmte Anordnung der Elektroden dar, die in Ausführungsformen Anwendung findet.
  • Die beiliegenden Zeichnungen zeigen vereinfachte Darstellungen von Einheiten oder deren Teilen, die in Ausführungsformen Anwendung finden. In den Zeichnungen dargestellte technische Merkmale sind nicht unbedingt maßstabsgerecht. Sofern nicht anders erwähnt, sind ähnlichen oder funktionell ähnlichen Elementen in den Figuren dieselben Bezugsnummern zugeordnet worden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Biosensoren wechselwirken mit biologischen Molekülen (z.B. mit Proteinen, Zuckern, Ribonukleinsäuren usw.), um Daten über den physiologischen Zustand von Personen zu erhalten. Zu diesem Zweck enthalten Biosensoren Detektoren (z.B. Sensoren zum Analysieren physikochemischer, optischer, piezoelektrischer, elektrochemischer usw. Eigenschaften) von Biomolekülen. Aus gewonnenen Daten über den physiologischen Zustand von Personen kann ein großer Bereich von gesundheitsbezogenen und medizinischen Anwendungen abgeleitet werden (z.B. Verschreiben von Behandlungsplänen). Leider sind Biosensoren normalerweise nicht dafür ausgelegt, längere Zeit verwendet zu werden. Dadurch wird es unmöglich, durchgehend statistisch relevante Daten zu sammeln, und erschwert, den normalen physiologischen Zustand einer Person zu ermitteln.
  • Biosensoren können auf Mikrofluid-Chips aufgebaut werden. Durch Mikrofluidtechnik wird das genaue Regeln und Verarbeiten kleiner Flüssigkeitsvolumina möglich, die üblicherweise in Kanäle mit einer Länge im Mikrometermaßstab eingeschlossen sind. Auffällige Merkmale der Mikrofluidtechnik resultieren aus dem Verhalten, das Flüssigkeiten im Mikrometermaßstab zeigen. Die Strömung von Flüssigkeiten in der Mikrofluidtechnik ist üblicherweise laminar. Volumina kleiner als ein Nanoliter können durch Herstellen von Strukturen mit seitlichen Abmessungen im Mikrometerbereich erzeugt werden. Bei Mikrofluideinheiten handelt es sich im Allgemeinen um durch Mikrofabrikation hergestellte Einheiten, die zum Pumpen, Probenehmen, Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten verwendet werden.
  • Viele Mikrofluideinheiten haben Grenzflächen auf Benutzer-Chips und geschlossene Strömungspfade. Durch geschlossene Strömungspfade wird das Integrieren von Funktionselementen (z.B. Heizelemente, Mischer, Pumpen, UV-Detektoren, Ventile usw.) in eine Einheit bei gleichzeitigem Ausschließen von mit offenen Systemen verbundenen Schwierigkeiten (z.B. Lecks, Verdampfen, Verunreinigen usw.) ermöglicht. Die Analyse von Flüssigkeitsproben erfordert oft eine Reihe von Schritten (z.B. Filtrieren, Lösen, Erwärmen, Waschen, Signal auslesen usw.).
  • Es gibt mehrere Gründe für die geringe Verfügbarkeit von Biosensoren zur ständigen Verwendung in Einheiten (z.B. in tragbaren Einheiten). Zu diesen Faktoren zählen Kosten, komplexes Verwenden, Unannehmlichkeiten und fehlende Mittel zum Speichern und Verarbeiten der Messdaten. Darüber hinaus besteht ein Haupthindernis für das ständige Verwenden von Biosensoren in dem Abbau oder der Verarmung von biochemischen Agenzien (wie Proteinen), die an den Messoperationen beteiligt sind.
  • Ausgehend von dem oben Erwähnten wird ein Ansatz zum Entwickeln von Biosensoren benötigt, der nicht grundsätzlich auf die Nutzungsdauer durch biochemische Agenzien beschränkt ist. Aspekte der vorliegenden Offenbarung enthalten einen wirksamen Ansatz zum Ermöglichen des Detektierens von Analyten ohne Agenzien (z.B. nichtenzymatisches Detektieren von Bioanalyten) unter Verwendung herkömmlicher Elektroden (z.B. von Metallelektroden) zum Verändern des pH-Wertes, bei dem eine Analyse durchgeführt wird. Dies kann durch lokales Regeln des pH-Wertes einer biologischen Flüssigkeit nach dem Eintreten in die Messeinheit erreicht werden. Es ist jedoch schwierig, den pH-Wert einer biologischen Flüssigkeit in einer Mikrofluid-Umgebung lokal zu regeln.
  • Außerdem ist auch eine automatisierte Einheit wünschenswert, damit diese in der Praxis ohne Eingreifen eines menschlichen Bedieners arbeiten und somit kontinuierliches Überwachen von Flüssigkeiten wie Abwasser oder Trinkwasser ermöglichen kann. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten eine automatisierte pH-Regelvorrichtung, die in Biosensoren integriert werden kann.
  • Gemäß Ausführungsformen wird ein Sensor konstruiert, der einen Mikrofluidkanal, einen Einlass- und einen Auslassanschluss, mindestens vier entlang des Kanals in geeigneter Weise angeordnete Elektroden zum Bereitstellen von in situ-Regelung in dem Kanal bereitstellt. Eine Elektrode spricht auf den pH-Wert an und stellt zusammen mit einer Referenzelektrode ein Spannungs- und/oder Stromsignal bereit, das in einem Rückkopplungskreis (z.B. unter Verwendung von PID-Steuerung) zusammen mit einem anderen Elektrodenpaar verwendet wird, das H+- und OH--Ionen erzeugt (durch Elektrolyse, Wasserzersetzung), um dadurch den pH-Wert der Analytlösung zu regeln.
  • Der pH-Generator unterstützt elektrokatalytisch die Wasserzersetzungsreaktion und verringert dadurch den für die Reaktion erforderlichen Energieaufwand. Durch direktes Regeln des pH-Wertes ist es möglich, verschiedene Substanzen durch Verändern der Oberflächeneigenschaften einer Messelektrode oder durch Verschieben des Redoxpotenzials des Analyten selektiv zu detektieren. Um nichtenzymatisches Messen von Bioanalyten zu erreichen, wird mindestens eine Messelektrode zwischen dem Paar pH-Generatorelektroden und nahe der pH-Messelektrode, vorzugsweise zwischen zwei pH-Messelektroden, angeordnet.
  • Die in Strömungsrichtung nachgeschaltete pH-Generatorelektrode liefert Gegenionen zum Neutralisieren der Abfalllösung und stellt dadurch den ursprünglichen pH-Wert des biologischen Fluids mittels eines geeigneten Mischreservoirs wieder her.
  • 1 ist eine Ansicht einer pH- Regelvorrichtung 1 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Explosionsdarstellung. Die pH-Regelvorrichtung 1 enthält drei Schichten, ein Substrat 10, eine strukturierte Mittelschicht 20 und eine strukturierte Deckschicht 30. Die unterschiedlichen Schichten lassen für jede einzelne Schicht verschiedene Funktionalitäten zu. Zum Beispiel kann das Substrat 10 aus einem leitenden (z.B. halbleitenden) Material wie beispielsweise einem Wafer aus Silicium, Glas oder Metall gebildet sein. Dadurch kann das Substrat 10 elektrischen Strom leiten. Das Substrat 10 kann auch ein saugfähiges Medium (beispielsweise ein faserhaltiges/poröses Medium wie Papier) oder ein Polymer-Material enthalten. Die strukturierte Mittelschicht 20 kann einen Fluidstrom durch Einbeziehen eines Einlassanschlusses 26, eines Strömungspfades 22 und einer Kapillarpumpe ermöglichen. Die strukturierte Deckschicht 30 kann verhindern, dass das Substrat 10 und die strukturierte Mittelschicht 20 freiliegen (z.B. das System abschließen) und ein Beschickungsfeld 36 enthalten, aus dem der Einlassanschluss 26 der strukturierten Mittelschicht gespeist wird.
  • Zuerst wird eine Flüssigkeitsprobe (z.B. eine flüssige Lösung, die einen Analyten oder ein Biomolekül enthält) in das Beschickungsfeld 36 der strukturierten Deckschicht 30 verbracht. Dann dringt die Flüssigkeitsprobe in den Einlassanschluss 26 ein und beginnt durch den Strömungspfad 22 der strukturierten Mittelschicht 20 zu fließen. Der Strömungspfad 22 kann ermöglichen, dass die Flüssigkeitsprobe zwischen einem auf dem Substrat 10 angeordneten Satz Elektroden 12 hindurchfließt. Gemäß einigen Ausführungsformen wird die Flüssigkeitsprobe infolge einer effektiven Fluidbewegung wie beispielsweise Kapillarwirkung, eines Temperaturgradienten, Blasenbildung oder erzwungener Konvektion durch den Strömungspfad 22 befördert. Zum Beispiel ist in 1 veranschaulicht, dass die pH- Regelvorrichtung 1 eine Kapillarpumpe 24 enthält, die einen effektiven Fluidstrom durch den Strömungspfad 22 ermöglicht. Alternativ wird die Flüssigkeitsprobe gemäß einigen Ausführungsformen einfach durch Diffusion befördert. Der Strömungspfad kann in Abhängigkeit von dem ausgewählten Flüssigkeitstransport dimensioniert sein, um den Fluidstrom zu optimieren und in ausreichendem Maße in Kontakt mit dem Satz Elektroden 12 zu bringen.
  • Während die den interessierenden Analyten enthaltende Flüssigkeitsprobe den Strömungspfad 22 durchläuft, fließt die Flüssigkeitsprobe an einem Satz Elektroden 12 vorbei. Der Satz Elektroden 12 kann Elektroden zum Ändern des pH-Wertes der Flüssigkeitsprobe enthalten. Ferner kann der Satz Elektroden zum Messen des sich aus der Änderung ergebenden pH-Wertes enthalten, um eine Feinabstimmung des pH-Wertes der Flüssigkeitsprobe zu ermöglichen (z.B. durch Anbringen einer weiteren Elektrode zum Ändern des pH-Wertes nach dem Messen). Zusätzlich kann der Satz Elektroden 12 eine Detektorelektrode zum Detektieren der Anwesenheit (z.B. der Konzentration) eines interessierenden Biomoleküls enthalten. Zum ordnungsgemäßen Versorgen des Satzes Elektroden 12 mit Strom empfängt der Satz Elektroden 12 Strom von elektrischen Anschlüssen 14, die Strom von einer Stromquelle empfangen können (z.B. von einem Akku oder einer industriellen Stromquelle).
  • Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Oberfläche des Strömungspfades 22 mit Salz behandelt sein, um benetzbare Oberflächen zu erhalten (z.B. kann zu diesem Zweck ein beliebiges geeignetes salzhaltiges Mittel wie beispielsweise Trimethylchlorsilan, Trichlormethylsilan oder Trichloroktylsilan) verwendet werden.
  • Es wird wiederholt darauf hingewiesen, dass die vorliegenden Einheiten im Grunde keinen effektiven Flüssigkeitsstrom erfordern, obwohl in dieser Beschreibung ständig der Begriff „Strömungspfad“ verwendet wird. Insbesondere sind wie oben erwähnt Speisesensoreinheiten denkbar, die keinen effektiven Flüssigkeitsstrom erfordern. Vielmehr ist unter dem hierin verwendeten Begriff „Strömungspfad“ eine Oberfläche oder ein Volumen zum Aufnehmen einer Flüssigkeit zu verstehen ist, die gegebenenfalls entlang dieser Oberfläche oder dieses Volumens in Bewegung versetzt werden kann.
  • Auf dem Substrat 10 ist auf einem Chip eine elektrische Schaltlogik bereitgestellt, die mit jeder Elektrode des Satzes 12 verbunden ist. Die elektrische Energie wird über elektrische Anschlüsse 14 bereitgestellt, die elektrisch mit einem externen Regler (z.B. mit einer Verarbeitungseinheit) verbunden sein können, um elektrische Signale zwischen dem Regler und den Elektroden zu übertragen, sobald die Letzteren von einer Flüssigkeit benetzt werden, die ständig den Strömungspfad 22 ausfüllt. Gemäß einigen Ausführungsformen sind die Mikrofluidstrukturen auf einer oder jeder Seite des Si-Chips mit PDMS-Abdeckungen bedeckt. Alternativ können die Sensor-Chips vollständig aus Glas und/oder Silicium oder aus Polymeren bestehen.
  • Die Flächendichte der Kapillarstrukturen wird ausgehend von der verwendeten Flüssigkeit, den verwendeten Materialien und Abmessungen angepasst. Mit Rücksichtnahme auf Tragbarkeit, Einfachheit und Kosten können passive Kapillarpumpen eingesetzt werden. Gemäß einigen Alternativen können Flüssigkeiten auch nur mittels aktiver Pumpmittel vorwärtsbewegt werden. Außerdem schließt das Vorhandensein passiver Pumpmittel nicht aus, dass auch andere aktive Pump- und/oder Flüssigkeitsinjektionsmittel verwendet werden. Der Vollständigkeit halber sei hinzugefügt, dass ein Flüssigkeitsstrom auch durch andere bekannte Techniken (z.B. Temperaturgradienten, Blasenerzeugung oder erzwungene Konvektion) herbeigeführt werden kann. Somit kann die vorliegende Einheit so eingerichtet werden, dass in einem oder mehreren der Strömungspfade eine effektive Strömung erzeugt wird.
  • Die elektrischen Anschlüsse 14 können an einer Kante der pH- Regelvorrichtung 1 angeordnet sein, um eine elektrische Verbindung zu ermöglichen. Die pH-Regelvorrichtung kann ferner einen Formfaktor haben, der einen leichten Einbau in ein Gehäuse der Einheit ermöglicht. Da die elektrischen Anschlüsse 14 an einer Kante des Chips bereitgestellt sind, kann der Chip beim Einsetzen des Gehäuses in die Einheit direkt eingesteckt werden. Die elektrischen Anschlüsse 14 können als ebene Kontaktflächen gestaltet sein. Die Kontaktflächen können zum besseren elektrischen Verbinden mit standardisierten Peripherieeinheiten standardisiert sein, obwohl auch andere Kontakte wie beispielsweise Federkontaktstifte (Pogo-pin) oder leitender Kautschuk verwendet werden können, um eine elektrische Verbindung von einer Hauptfläche des Chips mit einer Buchse herzustellen.
  • Die vorliegende Offenbarung kann in einer Endeinheit umgesetzt oder in eine tragbare Einheit integriert werden. Die äußeren Abmessungen des Gehäuses der Einheit können aus ergonomischen Erwägungen kleiner als 25 mm × 60 mm × 160 mm sein.
  • Die Verarbeitungseinheit kann eine Datenverarbeitungseinheit wie einen Mikrocontroller aufweisen, der mit Programmanweisungen einer maschinennahen Computersprache programmiert sein kann. Ein solcher Mikrocontroller kann auf geeignete Weise so angeschlossen und programmiert sein, dass im Betrieb Spannungssignale von Elektroden auf dem Chip gemessen und Spannungen an diese Elektroden angelegt werden. Zu diesem Zweck kann die Datenverarbeitungseinheit Analog-Digital-Umsetzer (ADC) umfassen, die auf geeignete Weise mit einem Bus des Controller verbunden sind, um zum Betreiben des Chips erforderliche Datensignale zu übertragen.
  • 2 ist eine Draufsicht der pH- Regelvorrichtung 1 von der strukturierten Mittelschicht 20 (z.B. bei fehlender strukturierter Deckschicht 30) gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Wie unter Bezug auf 1 beschrieben wird zuerst die Flüssigkeitsprobe (z.B. über die Beschickungsfläche 36 von 1) in den Einlassanschluss 26 eingeführt, die durch Kapillarwirkung mittels der Kapillarpumpe 24 durch den Strömungspfad 22 zu fließen beginnt. Die Flüssigkeitsprobe wird entlang des Strömungspfades 22 auf dem Substrat 10 durch den Satz Elektroden 12 befördert. Der Satz Elektroden 12 empfängt Strom von den elektrischen Anschlüssen und ist so beschaffen, dass der pH-Wert der Flüssigkeitsprobe gesteuert wird (z.B. durch einen Prozessor auf der Grundlage von Messwerten und einem Referenzsignal). Gemäß einigen Ausführungsformen wird der pH-Wert mittels PID-Regelung so geregelt, dass die Summe aus den vorhergehenden Fehlern, dem aktuellen Fehler und der Änderungsrate berücksichtigt wird, wenn der pH-Wert der Flüssigkeitsprobe geregelt wird.
  • 3 ist eine Draufsicht einer pH- Regelvorrichtung 2 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die einen ersten Strömungspfad 322 und einen zweiten Strömungspfad 322a enthält. In der Darstellung von 3 wird auf eine strukturierte Deckschicht (z. B. die strukturierte Deckschicht 30) verzichtet, die zwar vorhanden sein kann, aber nicht gezeigt ist und lediglich eine Draufsicht einer strukturierten Mittelschicht 320 zeigt (z.B. der strukturierten Mittelschicht 20 von 1).
  • In 3 ist veranschaulicht, dass die pH- Regelvorrichtung 2 den ersten Strömungspfad 322 und den zweiten Strömungspfad 322a enthält. Der erste und der zweite Strömungspfad 322 und 322a sind jeweils mit einer ersten Kapillarpumpe 324 und einer zweiten Kapillarpumpe 324a verbunden, um den Flüssigkeitsstrom anzutreiben. Am Außenrand der Kapillarpumpen 324 und 324a können Belüftungsöffnungen bereitgestellt sein, damit beim Ansaugen der Flüssigkeit Luft entweichen kann. Zu beachten ist jedoch, dass die Strömungspfade 322 und 322a von der über die Beschickungsflächen zugeführten Flüssigkeit benetzt werden können und daher die Flüssigkeit bereits ausreichend stark anziehen, ohne dass Kapillarpumpen erforderlich sind. Bei Varianten können wie oben erwähnt andere Mittel zum Befördern der Flüssigkeit eingesetzt werden.
  • Wenn die Flüssigkeitsprobe in einen Einlassanschluss 326 der strukturierten Mittelschicht 320 eingegeben wird, gelangt die Flüssigkeitsprobe zu einer Verzweigung 321, die den Strömungspfad auf einen ersten Strömungspfad 322 und einen zweiten Strömungspfad 322a aufteilt. Dann wird die Flüssigkeitsprobe zwischen dem ersten Strömungspfad 322 und dem zweiten Strömungspfad 322a aufgeteilt. Zu beachten ist, dass die Verteilung der Flüssigkeitsprobe zwischen den beiden Strömungspfaden 322 usw. nicht unbedingt gleichmäßig sein muss, sondern von der effektiven Antriebskraft der Fluide, von den Abmessungen der Strömungspfade 322 usw. abhängen kann. Die in den ersten Strömungspfad 322 wandernde Flüssigkeit durchläuft einen ersten Satz Elektroden 312, und die in den zweiten Strömungspfad 322a wandernde Flüssigkeit durchläuft einen zweiten Satz Elektroden 312a. Die zu dem ersten Satz Elektroden 312 gelangende Flüssigkeit kann mittels pH-Generatorelektroden (z.B. Elektroden zum Ändern des pH-Wertes der Analytlösung) und pH-Messelektroden gesteuert werden.
  • Der zweite Satz Elektroden 312a kann eine Referenzelektrode enthalten, die als Referenzsignal für einen Regelkreis und/oder als Referenzsignal für eine Analyt-Detektorelektrode verwendet wird. Außer der Referenzelektrode können zum Überprüfen/Messen eine oder mehrere zusätzliche Elektroden nahe der Referenzelektrode in dem zweiten Satz Elektroden 312a in Kombination mit einem Regler angeordnet sein. Diese Anordnung kann zum Einrichten eines Rückkopplungskreises (z.B. PID-Regelung) verwendet werden, um bei Bedarf den pH-Wert der Flüssigkeitsprobe zu regeln. Die Referenzelektrode des zweiten Satzes Elektroden 312a kann in Strömungsrichtung vor dem ersten Satz Elektroden 312 angeordnet sein, sodass das Referenzsignal (z.B. von der Referenzelektrode) empfangen wird, bevor der Anteil des Flüssigkeitsanalyten auf der Gegenseite zu dem ersten Satz Elektroden 312 gelangt.
  • Es wird zwar beschrieben, dass die Referenzelektrode in dem zweiten Strömungspfad 322a angeordnet sein kann, jedoch können Referenzelektroden in den Kapillarpumpen 324 und 324a angeordnet sein. Gemäß einigen Ausführungsformen können der erste und der zweite Satz Elektroden 312 und 312a derart miteinander vertauscht sein, dass der erste Satz Elektroden 312 in dem zweiten Strömungspfad 322a und der zweite Satz Elektroden 312a in dem ersten Strömungspfad ist. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Referenzelektrode in denselben Strömungspfad wie die pH-Generatorelektroden und die pH-Messelektroden einbezogen, sodass die Notwendigkeit eines weiteren Strömungspfades (wie zum Beispiel in 2) entfällt.
  • 4 ist eine Draufsicht einer pH- Regelvorrichtung 3 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die einen ersten Strömungspfad 422 und einen zweiten Strömungspfad 422a enthält. In der Darstellung von 4 ist eine strukturierte Deckschicht (z.B. die strukturierte Deckschicht 30 von 1) weggelassen worden, die zwar vorhanden sein kann, jedoch nicht gezeigt ist, sodass lediglich eine Draufsicht einer strukturierten Mittelschicht 320 (z.B. der strukturierten Mittelschicht 20 von 1) gezeigt ist.
  • Die in 4 gezeigte pH- Regelvorrichtung 3 enthält den ersten Strömungspfad 422 und den zweiten Strömungspfad 422a. Der erste und der zweite Strömungspfad 422 und 422a sind jeweils mit einer ersten Kapillarpumpe 424 und einer zweiten Kapillarpumpe 424a zum Antreiben des Flüssigkeitsstroms gekoppelt. Am Außenrand der Kapillarpumpen 424 und 424a sind Entlüftungsöffnungen bereitgestellt, damit beim Ansaugen der Flüssigkeit Luft entweichen kann. Zu beachten ist jedoch, dass die Strömungspfade 422 und 422a von der über die Beschickungsflächen zugeführten Flüssigkeit benetzt werden können und daher die Flüssigkeit bereits ausreichend stark anziehen, ohne dass Kapillarpumpen erforderlich sind. Bei Varianten können wie oben erwähnt andere Mittel zum Befördern der Flüssigkeit eingesetzt werden.
  • Wenn die Flüssigkeitsprobe in einen Einlassanschluss 426 der strukturierten Mittelschicht 420 eingegeben wird, wandert die Flüssigkeitsprobe vor dem Erreichen einer Verzweigung 421 durch zwei Elektroden eines ersten Satzes Elektroden 412. Dadurch kann der pH-Wert des Flüssigkeitsanalyten vor dem Erreichen der Verzweigung 421 verändert (z.B. durch eine pH-Generator-Arbeitselektrode) oder gemessen werden (z.B. durch eine pH-Messelektrode). Dann wird der Flüssigkeitsanalyt zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungspfad 422 und 422a aufgeteilt, sodass der Flüssigkeitsanalyt durch den ersten und den zweiten Satz Elektroden 412 und 412a strömt. Der zweite Satz Elektroden 412a kann eine Referenzelektrode zum Vergleichen mit dem pH-Wert der Flüssigkeitsprobe enthalten, die durch den ersten Satz Elektroden 412 strömt.
  • Durch Verändern des pH-Wertes vor der Verzweigung 412 kann das Referenzsignal des Flüssigkeitsanalyten eine Änderung des pH-Wertes vor Erreichen der Aufspaltung in die beiden Strömungspfade 422 und 422a anzeigen. Demgemäß kann gemäß einigen Ausführungsformen ausgehend von dem Referenzsignal ein Regelkreis auf der Grundlage einer vorverarbeiteten pH-Wert-Änderung eingerichtet werden. Die Anordnung der Sätze Elektroden 412 und 412a (z.B. der in den 1 bis 3 beschriebenen Sätze Elektroden) wird unter Bezugnahme auf die 5 bis 9 ausführlich erörtert.
  • In 4 ist veranschaulicht, dass der zweite Strömungspfad 422a gekrümmt sein kann, damit zwischen den Sätzen Elektroden 412 und 412a ein ausreichender Abstand eingehalten und ferner die Gefahr verringert wird, dass sich die Zusammensetzung der Flüssigkeit an der in dem zweiten Satz Elektroden 412a angeordneten Referenzelektrode verändert. Das heißt, die wirksame Länge des zweiten Strömungspfades 422a kann vergrößert werden, um Auswirkungen von Effekten der lonendiffusion auf die Referenzelektrode zu mildern.
  • 5 ist ein Schaubild, das einen Satz Elektroden 512 veranschaulicht, die in einer oder mehreren der oben erörterten pH- Regelvorrichtungen (z.B. den pH- Regelvorrichtungen 1 bis 3) eingesetzt werden können. Der Satz Elektroden 512 kreuzt (z.B. überlagert) einen Strömungspfad 528 derart, dass der durch den Strömungspfad 528 beförderte Flüssigkeitsanalyt in Kontakt mit jeder Elektrode des Satzes Elektroden 512 gelangt.
  • Der Satz Elektroden enthält eine pH-Generator-Arbeitselektrode (WE) 512, eine erste pH-Messelektrode 523, eine Detektorelektrode 525, eine zweite pH-Messelektrode 524, eine Referenzelektrode 526 und eine pH-Generator-Gegenelektrode (CE) 522. Der Flüssigkeitsanalyt kommt zuerst mit der pH-Generator-WE 521 in Kontakt, die eine Spannung (z.B. auf der Grundlage eines Sollwertes) von einer Steuereinheit 541 empfängt, um den pH-Wert des Flüssigkeitsanalyten im folgenden Strömungspfad 528 zu ändern. Dann wird der pH-Wert des Analyten durch die erste pH-Messelektrode 523 und/oder die zweite pH-Messelektrode 524 detektiert. Dann wird der von der ersten und der zweiten pH-Messelektrode 523 und 524 mitgeteilte pH-Wert wieder an die Steuereinheit 541 zurückgemeldet, um den pH-Wert (z.B. in einem Rückkopplungs-Regelkreis) durch die pH-Generator-WE 521 in geeigneter Weise zu ändern. Der biochemische Inhalt des Flüssigkeitsanalyten wird durch die Detektorelektrode 525 analysiert. Die Detektorelektrode 525 kann nach der pH-Generator-WE 521 angeordnet sein, um sicherzustellen, dass der Flüssigkeitsanalyt vor dem Detektieren die gewünschte pH-Wert-Änderung erfahren hat. Dadurch wird eine genaue Analyse des Flüssigkeitsanalyten und eines bestimmten pH-Wertes oder pH-Bereichs ermöglicht.
  • Nach dem Analysieren des pH-Wertes des Flüssigkeitsanalyten durch die Detektorelektrode 525 kann der Flüssigkeitsanalyt durch die pH-Generator-CE 522 neutralisiert werden. Die pH-Generator-Gegenelektrode 522 sorgt für die Halbzellenreaktion, die zum Neutralisieren der Abfalllösung erforderlich ist, und stellt dadurch den ursprünglichen pH-Wert des biologischen Fluids wieder her. Im Gegensatz zu Darstellungen in den beiliegenden Zeichnungen kann Neutralisieren zum Beispiel mittels eines geeigneten Mischreservoirs in der Einheit erfolgen.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen ist die pH-Generator-WE 521 in Strömungsrichtung vor interessierenden Bereichen des Strömungspfades angeordnet, um eine Änderung des pH-Wertes in nachgelagerten Bereichen zu bewirken. Zum Beispiel kann die pH-Messelektrode so angeordnet sein, dass sie einer durch die pH-Generator-WE 521 bewirkten Änderung des pH-Wertes ausgesetzt ist. Die Messelektrode 523 kann somit in Bezug auf den im Strömungspfad 528 fließenden Flüssigkeitsanalyten in Strömungsrichtung nach der pH-Generator-WE 521 und vor der pH-Generator-CE 522 angeordnet sein. Die erste und die zweite pH-Messelektrode 523 und 524 können sich nahe der Detektorelektrode 525 befinden.
  • Die pH-Generator-WE 521 und die pH-Generator-CE 522 können so beschaffen sein, dass sie den pH-Wert auf der Grundlage eines Sollwertes und eines durch die erste pH-Messelektrode 523 und/oder die zweite pH-Messelektrode 524 mitgeteilten pH-Wertes ändern. Zu diesem Zweck erzeugen die pH-Generator-WE 521 und die pH-Generator-CE 52 Wasserstoffionen und/oder Hydroxidionen, um den pH-Wert zu senken beziehungsweise zu erhöhen.
  • Die für die Änderung des pH-Wertes infrage kommenden chemischen Reaktionen sind:
    • - In sauren Medien:
      • ◯ 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- am positiven Anodenkontakt, hier sinkt der pH-Wert aufgrund des Entstehens von Protonen; und
      • ◯ 2H+ + 2e- → H2 am negativen Katodenkontakt, wo der pH-Wert aufgrund des Verbrauchens von Protonen ansteigt; und
    • - In basischen Medien:
      • ◯ 4OH- → O2 + 2H2O + 4e- am positiven Anodenkontakt, wo der pH-Wert aufgrund des Verbrauchens von OH--Ionen sinkt; und
      • ◯ 2H2O + 2e- -> H2 + 2OH- am negativen Katodenkontakt, wo der pH-Wert aufgrund des Entstehens von OH--Ionen ansteigt.
  • Ein Stromsignal, das das Vorhandensein einer chemischen Substanz anzeigt, kann durch Anlegen einer Spannung zwischen der Detektorelektrode 525 und der Referenzelektrode 526 erzeugt werden. Die zwischen der Detektorelektrode 525 und der Referenzelektrode 526 angelegte Spannung kann so gewählt werden, dass sie eine vorgegebene Potenzialdifferenz zwischen der Detektorelektrode 525 und der Referenzelektrode 526 erzeugt, was in der Elektrochemie bei Dreielektrodenanordnungen gängige Praxis ist.
  • Die Detektorelektrode 525 ist so mit der Steuereinheit 541 verbunden, dass diese über die Detektorelektrode 525 und die Referenzelektrode 526 erhaltene Signale empfängt, um chemische Substanzen zu detektieren. Auf diese Weise wird ein Sensor erzeugt, der aufgrund seiner Bauart nicht auf das Vorhandensein (bio-)-chemischer Agenzien angewiesen ist und auf vorteilhafte Weise zum Messen der Ergebnisse pH-abhängiger chemischer Reaktionen in einer autonomen Einheit verwendet werden kann.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen ist die erste pH-Messelektrode 523 zwischen der pH-Generator-WE 523 und der Detektorelektrode 525 um den Strömungspfad 522 herum angeordnet. Die pH-Messelektrode 523 kann demgemäß näher an der pH-Generator-WE 521 und vor der Detektorelektrode 525 angeordnet sein. Auf diese Weise ist die pH-Messelektrode 523 in der Lage, einen pH-Wert zu messen, der für den (in Strömungsrichtung nachgelagerten) Ort von Bedeutung ist, an dem das Detektieren erfolgt, ohne zu stark durch die an der Detektorelektrode 525 ablaufende Reaktion beeinflusst zu werden. Somit wird die pH-Messelektrode 523 nicht durch eine Änderung der Zusammensetzung der Flüssigkeit beeinflusst, die beim Betrieb an der Detektorelektrode 525 ablaufen kann.
  • Falls notwendig können zwei pH-Messelektroden 523 und 524 verwendet werden. Zum Beispiel bildet die zweite pH-Messelektrode 524 einen Bestandteil des Regelkreises (z.B. legt die Steuereinheit 541 eine Spannung an die pH-Generatorelektroden 521, 522 auf der Grundlage von Spannungs- und/oder Stromsignalen von Elektrodenpaaren an, die durch jede der Messelektroden 523, 524 und deren zugehörige Referenzelektrode(n) gebildet sind). In einem Sensor kann die Detektorelektrode 125 zwischen der ersten pH-Messelektrode und der zweiten pH-Messelektrode 524 so angeordnet sein, dass der pH-Wert an der Detektorelektrode 125 genauer abgeschätzt werden kann. Zum Beispiel können die von den beiden pH-Messelektroden 523, 524 erhaltenen Signale zum Prüfen oder Korrigieren in der Steuereinheit verwendet werden. Die beiden von den Messelektroden 523, 524 erhaltenen pH-Werte können auch zum Extrapolieren des pH-Profils der Flüssigkeit entlang des Strömungspfades 528 verwendet werden. Gemäß Varianten können die beiden pH-Messelektroden 523, 524 für verschiedene pH-Bereiche empfindlich sein.
  • Der Aufbau von 5 beruht auf einer separaten, mit dem Regler 541 verbundenen Referenzelektrode 526 die als Referenzelektrode für die Detektorelektrode 525 sowie die pH-Messelektroden 523, 524 dient.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen weisen die vorliegenden pH-Regel- und Sensoreinheiten verschiedene Detektorelektroden auf. Insbesondere können zwei oder mehr Detektorelektroden zum Detektieren einzelner chemischer Substanzen bereitgestellt werden. Gemäß Varianten sind die Detektorelektroden für dieselben Substanzen empfindlich, werden jedoch zum Prüfen und/oder zur Mittelwertbildung verwendet.
  • Die erste pH-Messelektrode 523 erzeugt in Kombination mit einer Referenzelektrode 526 eine durch den Regler 541 gemessene Spannung, um die Konzentration von Hydronium- und/oder Hydroxidionen an der ersten pH-Messelektrode 523 zu detektieren.
  • Die über die erste pH-Messelektrode 523 erhaltene Spannung wird ferner zum Ermitteln der Spannung verwendet, die an die pH-Generatorelektroden 521, 522 als Bestandteil des Regelkreises angelegt werden muss, um sich einem gewünschten pH-Wert anzunähern.
  • Somit kann die Steuereinheit 541 so gestaltet werden, dass der pH-Wert geregelt wird (z.B. verändert sich der pH-Wert nicht einfach, sondern ändert sich gezielt gemäß dem Regelkreis aus den Messelektroden 523, 524, der Steuereinheit 541 und den pH-Generatorelektroden 521, 522). Zu diesem Zweck kann zum Beispiel ein Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID controller) verwendet werden, der eine Differenz zwischen dem gewünschten pH-Sollwert und dem gemessenen pH-Wert berechnet und auf der Grundlage der beobachteten Differenz eine Spannung anlegt. Allgemein gesagt kann jede geeignete Verarbeitungseinheit zusammen mit Analog-Digital-Umsetzern verwendet werden, um die gewünschten Operationen auszuführen.
  • Aus dem oben Gesagten folgt, dass die Steuereinheit 541 mit jeder Elektrode des Satzes Elektroden 12 elektrisch verbunden ist, obwohl die Elektroden über zwischengeschaltete elektronische Komponenten, z.B. zum Analog-Digital-Umsetzen, Verstärken, Bilden von Schwellwerten usw., indirekt mit Steuereinheit verbunden sein können.
  • In 5 ist nur ein Strömungspfad 528 gezeigt. Es sind jedoch komplexere Strömungspfadstrukturen denkbar (siehe z.B. die 3 bis 4). Gemäß anderen Ausführungsformen kann die zu analysierende Flüssigkeit zum Beispiel in einen Strömungspfad eingegeben und an einer Verzweigung wieder in den Strömungspfad zurückgeleitet werden, an dem der Satz 12 Elektroden angeordnet ist, um dann wieder in ein Reservoir oder einen anderen Strömungspfad usw. zurückgeleitet zu werden.
  • Die vorliegenden Referenzelektroden können aus einem Material hergestellt sein, das ein stabiles Potenzial gewährleistet, wie Ag/AgCI oder Pd/H usw., um ein Referenzpotenzial bereitzustellen, gegen das Signale von der pH-Generator-WE 521 oder der ersten pH-Messelektrode 123 gemessen werden können. Jede Referenzelektrode kann ferner eine Schutzmembran enthalten, was an sich bekannt ist. Gemäß einigen Ausführungsformen kann es ausreichen, als Referenzelektrode eine einfache metallische Pseudoreferenz- (oder Quasireferenz-) Elektrode wie Ag, Au oder Pt zu verwenden, wie es in der Elektrochemie oft gehandhabt wird. Außerdem können für andere Elektroden (z.B. Detektorelektrode 525 oder Referenzelektrode 526) Metallelektroden verwendet werden, deren Material üblicherweise anhand von Kriterien wie: Eignung für einen gegebenen Analyten, konstruktive Einschränkungen, Fertigungsverfahren (die vorliegenden Elektroden werden üblicherweise durch normale fotolithografische Techniken hergestellt), Materialverträglichkeit usw. ausgewählt wird.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Referenzelektrode, die in Verbindung mit der Messelektrode 523 verwendet wird, um ein Spannungs- und/oder Stromsignal zu erzeugen, in einem einzelnen Strömungspfad (z.B. Blindkanal oder einem anderen Kanal) angeordnet sein. In Wirklichkeit kann die Referenzelektrode 526 ausreichend weit von dem Satz 512 Elektroden angeordnet werden, damit sie möglichst gering von den pH-Wert-Änderungen durch die pH-Generatorelektroden 521, 522 betroffen ist (siehe z.B. die 3 bis 4). Die Referenzelektrode 526 kann somit in einem separaten Satz Elektroden wie in den 3 bis 4 gebildet sein.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Referenzelektrode 526 entfernt, das heißt, ausreichend weit von dem Satz Elektroden 512 entfernt angeordnet sein kann, sodass die Zusammensetzung der Flüssigkeit um die Referenzelektrode 526 herum nur wenig durch Ionendiffusion von dem zwischen den pH-Generatorelektroden 521, 522 befindlichen Flüssigkeitsabschnitt beeinflusst wird.
  • Außer der Referenzelektrode 526 können nach der Referenzelektrode eine oder mehrere zusätzliche Elektroden als separater Satz Elektroden angeordnet sein (siehe z.B. die 3 bis 4), die auch mit dem Regler verbunden sind und zum Prüfen/Messen dienen. Die in dem besonderen Satz Elektroden angeordnete Referenzelektrode 526 kann gemäß Ausführungsformen ferner als Referenzwert für die Detektorelektrode 525 des Satzes Elektroden 512 dienen.
  • Die Referenzelektrode 526 kann zum Beispiel in Strömungsrichtung vorgelagert angeordnet sein (z.B. in einem anderen Kanal, der vor dem Satz Elektroden 512 abzweigt, oder zwischen einem Einlassanschluss und dem Satz Elektroden 512 wie in 3). Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Referenzelektrode 526 in einem Kanal angeordnet sein, der von einem Hauptkanal abzweigt (z.B. der Strömungspfad 422a von 4).
  • Gemäß einigen Ausführungsformen gibt es nur eine Messelektrode, und die Referenzelektrode 526 dient als Referenzspannung für die Detektorelektrode 525 sowie die pH-Messelektrode 523. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Referenzelektrode 526 zwischen der Detektorelektrode 525 und der pH-Generator-CD 522 angeordnet. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Referenzelektrode 526 nahe der Detektorelektrode 525 angeordnet, um die Genauigkeit der elektrochemischen Analyse zu verbessern.
  • Zwar ist der Satz Elektroden 512 in Form einzelner Elektroden in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt, jedoch kann eine beliebige Reihenfolge von Elektroden realisiert werden, die von dem jeweils zu testenden Analyten und/oder den erwünschten Testergebnissen abhängen kann. Ferner kann eine beliebige Anzahl Elektroden realisiert werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann es drei oder mehr Messelektroden geben. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Messelektrode 523 in Strömungsrichtung vor der pH-Generator-Arbeitselektrode 521 angeordnet sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Detektorelektrode 525 nahe der pH-Generator-Arbeitselektrode 521 angeordnet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen können ferner Kombinationselektroden realisiert werden. Das heißt, gemäß einigen Ausführungsformen können die Elektroden multifunktional sein, sodass die Funktionen von zwei entsprechenden Elektroden in einer einzelnen Elektrode kombiniert sind. Zum Beispiel kann eine Kombinationselektrode eine hybride Mess/pH-Generatorelektrode enthalten. Gemäß einem anderen Beispiel kann eine Kombinationselektrode eine hybride pH-Mess/Analyt-Detektorelektrode enthalten.
  • 6 ist ein Schaubild, das eine pH-Regelvorrichtung 7 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit einem ersten Satz Elektroden 612 und einem zweiten Satz Elektroden 612a veranschaulicht, die zum Austauschen von Daten mit einem Regler 641 verbunden sind. Der erste und der zweite Satz Elektroden 612 und 612a sind in getrennten Strömungspfaden dargestellt. Genauer gesagt, der ersten Satz Elektroden 612 ist so angeordnet, dass er einen ersten Strömungspfad 622 überlagert, und der zweite Satz Elektroden 612a ist so angeordnet, dass er einen zweiten Strömungspfad 622a überlagert.
  • Die Sätze Elektroden 612 und 612a können den in 5 beschriebenen Sätzen Elektroden 512 gleich oder im Wesentlichen ähnlich sein (z.B. eine pH-Generator-Arbeitselektrode, eine oder mehrere pH-Messelektroden, eine Detektorelektrode, eine Referenzelektrode und eine pH-Generator-Gegenelektrode enthalten). Die Sätze Elektroden 612 und 612a sind so beschaffen, dass der pH-Wert des Flüssigkeitsanalyten beim Durchströmen der Strömungspfade 622 und 622a auf der Grundlage eines Rückkopplungs-Regelkreises verändert und ein interessierender Analyt detektiert wird. Gemäß einigen Ausführungsformen können durch den ersten und den zweiten Satz Elektroden 612 und 612a ein und dieselbe Probe detektiert und Vergleichsdaten durch den Satz Gegenelektroden gesammelt werden, um die Testergebnisse zu verbessern.
  • In 6 ist veranschaulicht, dass die pH-Regellogik eine Anordnung von zwei (oder mehr) Detektorelektroden 625 und 625a (die z.B. jeweils einem Satz Elektroden 612 und 612a entsprechen) aufweisen kann. Jede Detektorelektrode 625 und 625a ist um einen entsprechenden Strömungspfad 622, 622b herum angeordnet. Jede Detektorelektrode 625, 625a ist ferner auf geeignete Weise mit der Steuereinheit 641 verbunden, um chemische Substanzen in einer Flüssigkeit in den jeweiligen Strömungspfaden 622, 622b zu detektieren (z.B. empfängt die Regeleinheit 641 Signale von jeder der Detektorelektroden 625, 625a (sowie einer oder mehreren zugehörigen Referenzelektroden)).
  • Ferner zeigt 6, dass die Detektorelektroden 625, 625a zu entsprechenden Sätzen Elektroden 612, 612a gehören können, die jeweils um einen der Strömungspfade 622, 622b herum definiert sind. Die Sätze Elektroden können zum Beispiel jeweils eine oder mehrere pH-Messelektroden und pH-Generatorelektroden aufweisen. Die Regeleinheit 641 dient dazu, auf der Grundlage von Spannungs- und/oder Stromsignalen, die von den pH-Messelektroden in jedem Satz empfangen wurden, Spannungen an entsprechende pH-Generatorelektroden anzulegen. Somit kann in jedem Strömungspfad 622, 622a der lokale pH-Wert geregelt werden.
  • Ferner kann wie in 5 eine pH-Generator-Gegenelektrode in jedem der Sätze Elektroden bereitgestellt werden. 6 zeigt jedoch, dass eine gemeinsame Gegenelektrode 628 vorgesehen ist. Hier verbinden sich die Strömungspfade 622, 622b an der Verzweigung 623 nach den Sätzen Elektroden 612, 612a (in Bezug auf die nicht gezeigten oberen Einlassanschlüsse) miteinander. Die Verzweigung 623 liegt in Strömungsrichtung vor der pH-Generator-Gegenelektrode 624, die als Gegenelektrode für jede der pH-Generator-Arbeitselektroden dient. Durch diese Konfiguration kann (im Vergleich mit 5) eine der pH-Generator-Gegenelektroden weggelassen werden.
  • Die gemeinsame pH-Generator-Gegenelektrode 628 kann geeignet konfiguriert sein, die Flüssigkeit nach der Verzweigung 623 zu neutralisieren. Im Gegensatz zur Darstellung von 6 kann die gemeinsame Gegenelektrode zum Beispiel in einem (nicht gezeigten) Mischreservoir nach der Verzweigung 623 bereitgestellt sein.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen können mehrere Detektorelektroden in ein und demselben Satz Elektroden bereitgestellt sein, die sämtlich um denselben Strömungspfad herum angeordnet sind, wobei die Detektorelektroden ähnlich der in 2 gezeigten Konfiguration zwischen den pH-Generatorelektroden angeordnet sind.
  • 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer pH- Regelvorrichtung 701 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die pH-Regelvorrichtung 701 enthält eine strukturierte Deckschicht 730, die oberhalb eines Substrats 710 angeordnet ist. Das Substrat 710 enthält eine Detektorelektrode 725, die zum Detektieren des Vorhandenseins einer biochemischen Substanz eingerichtet sein kann. Die Detektorelektrode 725 kann so beschaffen sein, dass sie in Kontakt mit einer Flüssigkeitsprobe gelangt, die durch einen in einer (nicht gezeigten) strukturierten Mittelschicht angeordneten Strömungspfad 722 fließt. Dadurch ist die Detektorelektrode 725 in der Lage, die Konzentration eines interessierenden Analyten in der Flüssigkeitsprobe zu analysieren.
  • 7 zeigt, dass jede Elektrode (bei der es sich tatsächlich um eine beliebige Elektrode des Satzes Elektroden wie des in 5 beschriebenen Satzes Elektroden 512 handeln kann), in Kontakt mit dem Strömungspfad 722 steht. Diese Elektrode kann so hergestellt sein, dass sie in einer Ebene mit der umgebenden Fläche 719 in dem Strömungspfad 722 liegt. Mit anderen Worten, Elektroden können unter Umständen so in dem Strömungspfad 722 angeordnet sein, dass sie innerhalb einer dünnen Oberflächenschicht des Kanals integriert sind, die den Strömungspfad 722 definiert, sodass die freiliegenden Oberflächen der Elektroden die umgebende Fläche 719 lückenlos bedecken.
  • Bei dem Beispiel von 7 hat der den Strömungspfad 22 definierende Mikrokanal geneigte Seitenwände. Die Elektroden haben mehrere Wände, die sich zumindest teilweise über die Fläche 719 hinweg erstrecken, d.h. über eine der geneigten Wände, die Unterseite des Kanals (und möglicherweise auch über die gegenüberliegende geneigte Wand hinweg, obwohl diese nicht gezeigt ist), und liegen in einer Ebene mit der umgebenden Fläche.
  • Der Versatz zwischen einer freiliegenden Elektrodenfläche und der umgebenden Fläche ist in Bezug auf die Tiefe des Mikrokanals normalerweise vernachlässigbar (vorzugsweise zwei oder drei Größenordnungen kleiner). Zum Beispiel sind Fertigungsverfahren bekannt, die zum Erreichen von Versatzhöhen von weniger als 20 nm und sogar weniger als 10 nm verwendet werden können, während die Kanaltiefe normalerweise zwischen 10 und 20 µm betragen kann. Dadurch werden Oberflächenunebenheiten auf ein Mindestmaß verringert und laminare Strömungen begünstigt, wodurch das Anhaften von Partikeln in den analysierten Flüssigkeiten entlang des Strömungspfades vorteilhaft vermieden wird. Geringstmögliche Oberflächenunebenheiten können auch von Vorteil sein, um Haftstellen während des ersten Auffüllens eines Strömungspfades mit einer Flüssigkeit zu vermeiden. Dadurch werden auch Kantendefekte an den Elektroden verringert und somit störende elektrische Felder an den Kanten von Elektroden verhindert. Ferner wird dadurch eine wirksame Abdichtung durch die strukturierte Deckschicht 730 begünstigt.
  • Für die strukturierte Deckschicht 730 sind verschiedene Materialien denkbar. Diese Materialien umfassen Glas, PDMS, Polymere oder Trockendünnschicht-Fotolacke (für gewöhnlich optisch transparent) wie Polyepoxid-Filme. Trockendünnschicht-Fotolacke sind insbesondere starr genug, den Strömungspfad 22 zu überdecken, ohne zu zerfallen. Sie lassen sich leicht zerschneiden und haften gut an der Oberfläche, sodass es nicht zum Abblättern oder zu Undichtigkeiten kommt. Gemäß einigen Ausführungsformen wird zunächst eine Deckschicht in Form einer Laminatfolie bereitgestellt, die auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird. Gemäß Varianten ist jede hinreichend starre Deckschicht (z.B. die strukturierte Deckschicht 730) wie Silicium oder Dünnglas denkbar. Wenn ein optisch transparentes Material erforderlich ist, kann Glas verwendet werden.
  • Die Elektroden können wie folgt dimensioniert sein. Jede Elektrode des Satzes kann eine Breite w zwischen 10 und 500 µm haben. Der Spalt g zwischen den Elektroden beträgt zwischen 10 und 1000 µm und kann größer als die Breite w der Elektroden sein, um Turbulenzen des Flüssigkeitsstroms auf ein Mindestmaß zu beschränken. Jede der Elektroden kann eine Breite zwischen 30 und 160 µm haben, während der Spalt zwischen den Elektroden zwischen 40 und 520 µm betragen kann. Für gewöhnlich werden Metallelektroden verwendet, die z.B. Pd, Au, Pt oder Ag aufweisen. Als zusätzliche Elektrodenmaterialien können Metalloxide wie MnO2 oder NiO2 infrage kommen, insbesondere für anodische Wasserzerlegung, oder leitfähige Polymere wie Polyanilin oder Polypyrrol. Außerdem können die Elektroden übereinander gestapelt werden, sodass zum Beispiel eine Metallelektrode mit einem Polymermaterial bedeckt ist, das ein Ionophor aufweist, sodass der Analytlösung der Zutritt zur Metallelektrode verwehrt ist. Gemäß einem anderen Beispiel einer Stapelanordnung kann eine Ag-Elektrode mit FeCl3 zur Reaktion gebracht werden, um damit auf der Ag-Elektrode eine AgCI-Schicht zu erzeugen, was an sich bekannt ist.
  • Bei Chips aus Materialien außer Silicium oder Glas, zum Beispiel aus Polymer, sind die bevorzugten Abmessungen der Elektroden eher größer. Zum Beispiel liegt die bevorzugte Breite w der Elektroden auf einem Kunststoffsubstrat zwischen 500 µm und 2 mm, wogegen insbesondere die Detektorgegenelektrode noch größer, zum Beispiel bis zu 5 mm breit sein kann, um zum Aufrechterhalten des Stromflusses eine große Elektrodenfläche bereitzustellen. Desgleichen kann der Spalt zwischen den auf Polymer-Chips hergestellten Elektroden zwischen 500 µm und 1 mm breit sein.
  • Beispielhafte Abmessungen des Strömungspfades 722 sind wie folgt. Jeder der Mikrokanäle (der einen der hierin beschriebenen Strömungspfade begrenzt) kann eine Tiefe zwischen 10 und 100 µm haben. Alle Kanäle können dieselbe Tiefe haben. Die Breite der Kanäle liegt üblicherweise zwischen 10 und 500 µm. Der Einlassanschluss und die Kapillarpumpen können größere Breiten haben. Bei Speisekonfigurationen kann der Durchmesser der Öffnung zwischen 1 und 4 mm betragen.
  • Solche Abmessungen treffen üblicherweise auf Chips zu, d.h. Einheiten, deren Kern-Chips aus Silicium oder Glas hergestellt oder durch Spritzgießen hergestellt werden. Einheiten auf der Grundlage von saugfähigen Medien können üblicherweise abweichende Abmessungen haben. Zum Beispiel können mit Wachs gedruckte Einheiten wie folgt dimensioniert sein. Die Mindestbreite (in der Ebene) von mit Wachs gedruckten Kanalseitenwänden können in der Größenordnung von 300 µm (nach dem Drucken) und 850 µm liegen (nach Wärmebehandlung, aufgrund der Verbreiterung des Wachses). Die Tiefe ist durch die Dicke der saugfähigen Medien festgelegt (üblicherweise größer als 100 µm). Die Kanalbreite (d.h. der Abstand zwischen den mit Wachs gedruckten Seitenwänden in der Ebene) kann zum Beispiel zwischen 100 µm und 1000 µm mit einer typischen Standardabweichung von 50 µm nach Wärmebehandlung liegen.
  • 8 ist ein Diagramm, das eine pH-Kurve als Funktion der Zeit für eine pH-Regelvorrichtung (z.B. die pH-Regelvorrichtung 1) veranschaulicht. Die obere Kurve zeigt die Reaktion des pH-Wertes einer Flüssigkeit (Wasser), der beim Anlegen einer Spannung (untere Kurve) an die pH-Generatorelektroden eines statischen Mikrofluidsystems mit einer in 5 gezeigten Elektrodenanordnung gemessen wird. Zu beachten ist, dass die Wasserzerlegungsreaktion nichtlinear ist, sobald das erforderliche Potenzial erreicht ist. Aus der oberen und der unteren Kurve sind jedoch Zusammenhänge zu erkennen, die zeigen, dass eine pH-Regelung erreichbar ist. Die von den pH-Messelektroden bereitgestellte Rückmeldung dient dazu, die an die pH-Generatorelektroden angelegte Spannung so zu modulieren, dass ein gewünschter pH-Wert in dem Flüssigkeitsabschnitt erreicht und/oder aufrechterhalten wird.
  • Es ist zu beachten, dass verschiedene Elektrodenmaterialien verwendet werden können, die mehr oder weniger den Verbrauch oder die Erzeugung von H+-Ionen (in sauren Medien) oder den Verbrauch oder die Erzeugung von OH--Ionen (in basischen Medien) katalytisch beeinflussen. Diese Materialien (z.B. Pt oder Pt-Legierungen zum Verbrauchen von H+-Ionen und MnO2 oder NiO2 zum Zerlegen von H2O, die aus der Wasserelektrolyse bekannt sind) werden je nach der gewünschten Reaktion gewählt. Ferner können diese Materialien so gewählt werden, dass der Ausgangsstrom der Elektroden begrenzt und somit die Bildung von Blasen vermieden wird.
  • 9 ist ein Ablaufplan, der ein beispielhaftes Verfahren veranschaulicht, das in einer pH-Regeleinheit angewendet wird. Als Erstes umfasst das Verfahren Eingeben einer Flüssigkeit in einen Strömungspfad, die ein polares Lösemittel aufweist. Das ist in Schritt S10 veranschaulicht. Sodann umfasst das Verfahren Messen (z.B. durch eine pH-Messelektrode) eines pH-Wertes des polaren Lösemittels (oder z.B. eines anderen in der Flüssigkeitsprobe verwendeten Lösemittels). Das ist in Schritt S20 veranschaulicht. In Schritt S30 wird eine Spannung an die pH-Generatorelektroden angelegt, um den pH-Wert lokal zu regeln. Sodann werden in Schritt S40 die Messsignale von den Detektorelektroden dazu verwendet, Informationen über die in der Flüssigkeitsprobe vorhandenen chemischen Substanzen bereitzustellen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung kann dieses pH-Regelverfahren Bestandteil eines Verfahrens zum Detektieren von Analyten sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Regeleinheit ferner Signale von den Detektorelektroden zum Detektieren von chemischen Substanzen empfangen, während auf der Grundlage der von der pH-Messelektrode und einer Referenzelektrode empfangenen Rückmeldesignale Spannungen an die pH-Generatorelektroden angelegt werden. Durch beide Verfahren kann die Regelung des pH-Wertes verstärkt werden, um eine Reaktion auszulösen.
  • Die obigen Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen prägnant beschrieben worden und können eine Anzahl Varianten enthalten. Es sind verschiedene Kombinationen der obigen Merkmale denkbar.
  • Es sind weitere Ausführungsformen denkbar, die ein praktisches Problem lösen, das bei der durch eine der pH-Messelektroden in Kombination mit einer Referenzelektrode erzeugten Spannung auftreten kann, und die nunmehr unter Bezugnahme auf die 10, 11 erörtert werden. In den 10, 11 wird von einer speziellen Elektrodenanordnung ausgegangen, die zum Lösen eines solchen Problems geeignet sein kann. Wenn an keine der Elektroden eine Spannung angelegt wird, ist das elektrochemische Potenzial Esol der Flüssigkeitslösung in der gesamten Einheit konstant. Deshalb steht jede in den 10, 11 dargestellte Elektrode unter demselben Lösungspotenzial Esol = EpH,WE = E1 = EpH = E2 = EpH,CE. Wenn dann eine Spannung Vapp = E'pH,WE - E'PH,CE an die pH-Generatorelektroden angelegt wird, bildet das Lösungspotenzial einen Gradienten in dem Zwischenraum zwischen den beiden pH-Generatorelektroden aus. Dieser Gradient kann aufgrund einer konstanten elektrischen Feldstärke idealerweise einem linearen Verlauf entsprechen. Infolgedessen sind in dem Zwischenraum zwischen den pH-Generatorelektroden angeordnete Elektroden unterschiedlichen elektrochemischen Potenzialen der Lösung ausgesetzt und liefern daher verschiedene Spannungswerte in Bezug auf eine Referenzelektrode. Genauer gesagt, das Potenzial der pH-Messelektrode kann durch die Änderung des Lösungspotenzials beeinflusst werden. Durch diese Potenzialänderung EpH - E'pH (infolge der Wirkung eines elektrischen Feldes innerhalb des Kanals) verliert die Potenzialänderung der pH-Messelektrode (aufgrund einer Änderung des pH-Wertes der Lösung) an Bedeutung, und dadurch wird die genaue Ermittlung des pH-Wertes innerhalb des Kanals erschwert. Um dem Abhilfe zu schaffen, werden zwei zusätzliche (als Feld-Sondierungselektroden bezeichnete) Elektroden gemäß den 10, 11 nahe der pH-Messelektrode angeordnet. Diese Feld-Sondierungselektroden können aus Metall bestehen, z.B. aus Au oder Pt. Sie können identisch sein, sodass jede zwischen diesen Elektroden auftretende Potenzialdifferenz dem Vorhandensein eines lokalen elektrischen Feldes zugeschrieben werden kann. Unter der Voraussetzung eines linearen Verlaufs des Lösungspotenzials kann bei Kenntnis von E'1 - E1 und E'2 - E2 der Wert E'PH - EpH abgeleitet werden. Dann kann der Wert E'PH - EpH dazu verwendet werden, den Potenzialverlauf der pH-Messelektrode aufgrund des elektrischen Feldes zu korrigieren. Wenn jede Feld-Sondierungselektrode im gleichen Abstand auf beiden Seiten der pH-Messelektrode ist, ergibt sich E'PH - EpH = ((E'1 - E1) - (E'2 - E2))/2, wenn keine Änderung des pH-Wertes vorliegt, und jede Abweichung von dieser Gleichung kann auf eine Potenzialänderung der pH-Messelektrode infolge einer Änderung des pH-Wertes zurückgeführt werden. Unter der Voraussetzung konstanter elektrischer Feldstärke lässt sich der Ausdruck für asymmetrische Anordnung der Feld-Sondierungselektroden leicht ableiten.
  • Der Einfluss der lokalen elektrischen Feldstärke kann verringert werden, indem die pH-Generatorelektroden nahe beieinander angeordnet werden (wie in 11) oder indem die pH-Generatorspannung abwechselnd ausgeschaltet wird, um das Potenzial der pH-Messelektrode in einem ungestörten Zustand zu messen.
  • Anwendungsbeispiele
  • In den folgenden Beispielen liegt das Hauptaugenmerk auf dem Detektieren von Analyten in wässrigen Medien. In dem Fall von Glucose als Analyt ermöglicht die pH-Regelung eine in-situ-Funktionalisierung der Oberfläche (z.B. wird bei einem niedrigeren pH-Wert eine Goldelektrode mit Chlorid funktionalisiert, bei einem höheren pH-Wert hingegen werden die Oberflächengruppen mit Hydroxid funktionalisiert, also elektrochemisch reduziert). Für Glucose ist es günstiger, an diese frische Oberfläche gebunden und oxidiert zu werden. Es können andere (von Gold verschiedene) katalytische Materialien verwendet werden, um einen ähnlichen Mechanismus zu nutzen. Ferner sind auch andere vom pH-Wert abhängige Anwendungen denkbar, die in dem folgenden zweiten Beispiel erörtert werden.
  • Ein erstes Beispiel betrifft ein Erkennen von Glucose in Körperflüssigkeiten. Es ist bekannt, dass Glucose auf Goldoberflächen ohne die Notwendigkeit des Enzyms Glucoseoxidase direkt oxidiert werden kann, sofern die direkte Oxidation bei einem pH-Wert von 11,5 erfolgt. Genauer gesagt, es wird davon ausgegangen, dass sich Goldhydroxid AuOH3 auf Goldelektroden bei einem pH-Wert von 11,5 spontan bildet. Wenn das Potenzial der Goldelektrode verringert, d.h. in Bezug auf das Potenzial einer Referenzelektrode negativer gemacht wird, wird das Goldhydroxid reduziert und dadurch eine reine Goldoberfläche freigelegt. Ab diesem Zeitpunkt wird auf der Goldelektrode absorbierte Glucose sofort oxidiert, und gleichzeitig entsteht ein Stromfluss, der in einem externen Stromkreis zwischen der Goldelektrode und einer Gegenelektrode oder zwischen der Goldelektrode und der Referenzelektrode gemessen werden kann. Anhand der Stärke dieses Oxidationsstroms kann die Glucose-Konzentration quantitativ ermittelt werden, sofern der pH-Wert bei 11,5 bleibt. Bei einem kleineren pH-Wert, zum Beispiel 5 bis 7, wird Gold durch die Adsorption von Chloridionen an seiner Oberfläche leicht passiviert, wodurch die Adsorption von Glucosemolekülen verhindert wird, was einen kritischen ersten Schritt bei der direkten Oxidation von Glucose darstellt. Beide Bedingungen, durch die eine direkte Oxidation von Glucose auf Goldelektroden verhindert wird - ein pH-Wert von 5 bis 7 sowie die Anwesenheit von Chloridionen - sind in Körperflüssigkeiten erfüllt. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann jedoch sichergestellt werden, dass der pH-Wert der Körperflüssigkeit innerhalb der Messeinheit zum Beispiel von 5 bis 7 bis 11,5 eingestellt werden kann, sodass die direkte Oxidation und quantitative Bestimmung von Glucose in Körperflüssigkeiten erfolgen kann, ohne aktive Enzyme oder ein weiteres chemisches Medium zu Hilfe zu nehmen.
  • Ein weiteres Beispiel betrifft das Detektieren von Spurenmetallen in Wasser. Anodische Inversvoltammetrie ist eine weit verbreitete analytische Technik zum Ermitteln der Konzentration von Spurenmetallen wie Blei, Cadmium, Zink oder Kupfer in Wasser. Der Detektionsmechanismus dieser Metalle auf Bismutdünnschichtelektroden ist ebenfalls bekannt. Außerdem hängt die inversvoltammetrische Reaktion, die zum quantitativen Ermitteln der Menge von Spurenmetallen in einer Wasserprobe dient, vom pH-Wert der Analytlösung ab. Das Signal schwächt sich sowohl bei einem niedrigeren pH-Wert als auch bei einem höheren pH-Wert ab und verschwindet insbesondere bei einem pH-Wert von ungefähr 6. Da Wasserproben oft einen pH-Wert von 6 oder höher haben, ist es notwendig, eine bestimmte Säuremenge zur Probe hinzuzufügen, um ihren pH-Wert vor dem Durchführen der anodischen inversvoltammetrischen Messung zu verringern. Es zeigt sich jedoch, dass das Hinzufügen von Säure bei kleinen Sensoren nicht praktikabel ist, insbesondere bei tragbaren, abgelegenen und/oder autonomen Sensoren. Deshalb können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angewendet werden, um den pH-Wert einer Wasserprobe einzustellen und somit den Gehalt an Spurenmetallen durch anodische Inversvoltammetrie quantitativ zu bestimmen, ohne Säure hinzufügen zu müssen.
  • Zwar ist die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl Ausführungsformen, Varianten und die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden, jedoch ist dem Fachmann klar, dass daran verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Gleichwertiges ersetzt werden kann, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Insbesondere kann ein Merkmal (in Bezug auf eine Einheit oder ein Verfahren), das in einer bestimmten Ausführungsform, einer Variante angegeben oder in einer Zeichnung gezeigt ist, mit einem anderen Merkmal in einer anderen Ausführungsform, Variante oder Zeichnung kombiniert oder dieses ersetzen, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Demgemäß sind verschiedene Kombinationen in Bezug auf die obigen Ausführungsformen oder Varianten beschriebener Merkmale denkbar, die ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der beiliegenden Ansprüche liegen. Außerdem können daran geringfügige Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Offenbarung anzupassen, ohne von deren Schutzumfang abzuweichen. Deshalb soll die vorliegende Offenbarung nicht nur auf die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die vorliegende Offenbarung soll alle Ausführungsformen enthalten, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen. Außerdem sind außer den oben ausdrücklich erwähnten viele andere Varianten denkbar. Zum Beispiel können in den vorliegenden Einheiten verschiedene andere Materialien verwendet werden. Beispielsweise sind weiterhin Ventile, darunter passive oder aktive Mikroventile, in den vorliegenden Einheiten denkbar, sodass Flüssigkeiten periodisch angesaugt und Analyte darin detektiert werden können.
  • Die vorliegenden Einheiten können als Sensoren (z.B. als tragbare Sensoren) realisiert und vorzugsweise als mikrofluidische Einheiten hergestellt werden. Die Offenbarung kann zum Beispiel als preiswerter, benutzerfreundlicher und tragbarer Sensor realisiert werden. Gemäß einigen Ausführungsformen können die vorliegenden pH-Regel- und -Sensoreinheiten modular gestaltet, in einem Chip und einem separaten Endgerät realisiert sein, wobei der Chip beim Betrieb in das Endgerät gesteckt wird. Gemäß diesen Ausführungsformen kann die Regeleinheit in dem Endgerät realisiert sein. Gemäß einigen Ausführungsform wird die Regeleinheit auf dem Chip realisiert.
  • Mittels der Konfiguration der vorliegenden Einheiten (darunter im Folgenden erörterte Sensoreinheiten) ist es möglich, den lokalen pH-Wert einer Flüssigkeit zu regeln. Insbesondere ermöglicht der vorliegende Ansatz, übliche Metallelektroden zum Ändern des pH-Wertes eines Flüssigkeitsanteils zu verwenden, an dem eine Analyse durchgeführt werden soll. Durch die Möglichkeit, den pH-Wert eines kleinen Flüssigkeitsanteils zu ändern und zu regeln, können vom pH-Wert abhängige chemische Reaktionen durchgeführt werden. Auf diese Weise kann ein Sensor ausgehend von der obigen pH-Regelvorrichtung ein Sensor entwickelt werden, dessen Anwendungsdauer nicht beschränkt ist. Insbesondere wird durch den vorliegenden Ansatz die Verwendung von Biosensoren ermöglicht, die nicht auf die Verfügbarkeit von biochemischen Agenzien wie Enzyme oder organische Beschichtungen wie Membranen angewiesen sind.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere für chemische Analysen eingesetzt werden, beispielsweise zum Detektieren von Spurenmetallen durch anodische Inversvoltammetrie, bei der üblicherweise der pH-Wert eingestellt werden muss, um den Analyten von anderen Signalen zu unterscheiden. Bei herkömmlichen Analyseverfahren muss hierzu manuell oder automatisch die entsprechende Menge einer Säure oder Base aus einem externen Behälter zugegeben werden. Bei miniaturisierten oder integrierten Dosierungen, z.B. beim Dosieren in kleine, tragbare oder abgelegene Sensoren, die eher autonom arbeiten sollen, ist dies nicht praktikabel. Eine weitere Anwendung betrifft das Detektieren von Glucose.

Claims (5)

  1. pH-Regelvorrichtung (1), die aufweist: ein Substrat (10), einen auf dem Substrat (10) definierten ersten Strömungspfad (322) zum Aufnehmen einer Flüssigkeit; einen auf dem Substrat (10) definierten zweiten Strömungspfad (322a), der von dem ersten Strömungspfad (322), um im Betrieb die Flüssigkeit aufzunehmen, einen Satz Elektroden (312, 312a), wobei der Satz Elektroden (312, 312a) aufweist: ein Paar pH-Generatorelektroden, wobei das Paar pH-Generatorelektroden eine pH-Generator-Arbeitselektrode (512) und eine pH-Generator-Gegenelektrode (628) enthält; eine Referenzelektrode (526), die in dem zweiten Strömungspfad (322a) angeordnet ist; und eine pH-Messelektrode (524), die zwischen einem Paar von pH-Generatorelektroden (512) angeordnet ist; und eine Steuereinheit (541), wobei: der Satz Elektroden entlang des Strömungspfades angeordnet ist und die pH-Messelektrode (524) so angeordnet ist, dass sie einer Änderung des pH-Wertes eines Anteils der Flüssigkeit in dem Strömungspfad ausgesetzt ist; und die Steuereinheit (541) so gestaltet ist, dass sie auf Grundlage eines von der pH-Messelektrode (524) und der Referenzelektrode (526) empfangenen Signals eine Spannung an die pH-Generatorelektroden anlegt, um den pH-Wert der Flüssigkeit an der pH-Generator-Arbeitselektrode und der pH-Generator-Gegenelektrode zu ändern.
  2. pH-Regelvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die pH-Messelektrode (524) näher an der pH-Generator-Arbeitselektrode (512) als an der pH-Generator-Gegenelektrode (628) angeordnet ist, damit die Messelektrode einer Änderung eines pH-Wertes des Anteils der Flüssigkeit ausgesetzt ist, die überwiegend durch die pH-Generator-Arbeitselektrode (512) verursacht wurde.
  3. pH-Regelvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner zwei zusätzliche die pH-Messelektrode (524) umgebende Elektroden aufweist, um mittels der zusätzlichen Elektroden einen Potenzialgradienten über die pH-Messelektrode (524) hinweg abzufragen.
  4. pH-Regelvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei auf dem Substrat (10) ein Einlassanschluss zum Beschicken der Flüssigkeit in den ersten Strömungspfad (322) definiert ist und sich die Verzweigung (321) in Strömungsrichtung vor der pH-Generatorelektrode (312) zwischen dem Einlassanschluss und dem Satz Elektroden befindet.
  5. pH-Regelvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Verzweigung (421) zwischen den pH-Generatorelektroden (412) angeordnet ist.
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