DE19547923A1 - Diffusion-limiting membrane for covering reactive layer of sensor, especially biosensor - Google Patents
Diffusion-limiting membrane for covering reactive layer of sensor, especially biosensorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Membrananordnung zur Steuerung des Transfers zu detektierender Analyten in Flüssigkeiten, vorzugsweise anwendbar auf biologisch-chemischen, z. B. enzymatisch-elektrochemischen Sensoren, die zu Meßzwecken in originären, unbehandelten Proben bei hoher Analytkonzentration eingesetzt werden sollen. Ziel der Erfindung ist die Realisierung anwendungsspezifischer Membranen, deren Permeationseigenschaften derart definiert werden können, daß die mit solchen Membranen bedeckten Biosensoren bei jeder in Frage kommenden Konzentration des Analyten ohne vorherige Aufbereitung der Probe anwendbar sind. Aufgabe der Erfindung ist die Gestaltung des Erfassungsbereiches der Sensoren für Analyten in beliebiger Konzentration. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine im Originalzustand für den/die zu detektierenden Analyten impermeable Trennmembran zwischen Probe und biologischer Reaktionsschicht mittels Beschusses mit extrem kurzen Impulsen eines Femtosekunden-Pulslasers teilweise, permeabel für den Analyten gestaltet wird (Analytfenster), während das gesamte Membranareal einschl. des Analytfensters permeabel für den zur Umsetzung des Analyten in der Reaktionsschicht des Sensors, z. B. am Enzym, erforderlichen Coreaktanten ist.The invention relates to a membrane arrangement for controlling the transfer to be detected Analytes in liquids, preferably applicable to biochemical, e.g. B. enzymatic electrochemical sensors used for measurement purposes in original, untreated Samples with a high analyte concentration should be used. The aim of the invention is Realization of application-specific membranes, their permeation properties like this can be defined that the biosensors covered with such membranes in each concentration of the analyte in question without prior preparation of the sample are applicable. The object of the invention is the design of the detection area Sensors for analytes in any concentration. The object is achieved solved in that an original for the analyte (s) to be detected impermeable separation membrane between sample and biological reaction layer by means of Bombardment with extremely short pulses from a femtosecond pulse laser partially, permeable is designed for the analyte (analyte window), while the entire membrane area incl. of the analyte window permeable for the reaction of the analyte in the reaction layer of the Sensors, e.g. B. on the enzyme, required co-reactants.
Anwendungsgebiete für erfindungsgemäße Membranen mit Analytfenster sind alle Bereiche, in denen vor Ort Messungen in unverdünnten Probemedien durchgeführt werden müssen. Das ist insbesondere in der Medizin bei kontinuierlicher Parameterbestimmung mittels implantierbarer Biosensoren, in der Lebensmittelproduktion zur Qualitätskontrolle, in der Lebensmittelhygiene zur Bestimmung des Frischegrades von Milch, Fleisch, Fisch und Produkten davon und in der Umwelthygiene bei der Überwachung von Gewässern mittels Frühwarnsystemen der Fall. Areas of application for membranes according to the invention with analyte window are all areas in which have to be measured on site in undiluted sample media. This is especially in medicine with continuous parameter determination using implantable Biosensors, in food production for quality control, in food hygiene to determine the degree of freshness of milk, meat, fish and products thereof and in the Environmental hygiene when monitoring waters using early warning systems.
Die Erfindung betrifft eine Membran und deren Anordnung zur Realisierung der definierten Permeation eines oder mehrerer Analyten in die Reaktionsschicht bei biosensorischen Systemen. Sie ist besonders dort geeignet, wo die vermuteten Analyten in unverdünnten Probemedien in hoher Konzentration auftreten und keine Möglichkeit der Probenvorbehandlung besteht. Das ist beispielsweise der Fall in der Humanmedizin und in der Veterinärmedizin, insbesondere bei der intrakorporalen Bestimmung metabolischer, biochemischer Parameter wie Lactat und Glucose im strömenden Blut, in der interstitiellen Flüssigkeit, im Liquor, in der Lymphflüssigkeit oder anderen Körperflüssigkeiten.The invention relates to a membrane and its arrangement for realizing the defined Permeation of one or more analytes into the reaction layer in biosensory Systems. It is particularly suitable where the suspected analytes are undiluted Sample media occur in high concentration and no possibility of Sample pre-treatment exists. This is the case, for example, in human medicine and in Veterinary medicine, especially in the intracorporeal determination of metabolic, biochemical parameters such as lactate and glucose in the flowing blood, in the interstitial Fluid, in the cerebrospinal fluid, in the lymphatic fluid or other body fluids.
Bei der Lebensmittelproduktion sind solche biochemischen Parameter in z. T. sehr hoher Konzentration zum Zwecke der Qualitätskontrolle und -überwachung kontinuierlich im Produktionsprozeß zu messen, ohne daß eine Probenvorbereitung möglich ist.In food production, such biochemical parameters are e.g. T. very high Concentration for the purpose of quality control and monitoring continuously in the Measure the production process without sample preparation being possible.
Gleiches gilt für den Herstellungsprozeß von Getränken, z. B. für die on line-Bestimmung der Alkoholkonzentration bei der Bierproduktion.The same applies to the manufacturing process of beverages, e.g. B. for the on-line determination of Alcohol concentration in beer production.
Auf dem Gebiet der Lebensmittelhygiene ist die Anwendung von Biosensoren unter Anwendung der erfindungsgemäßen Membran zur Bestimmung des Frischegrades von Milch, Fleisch, Fisch und Produkten davon durch Messung biochemischer Parameter ebenfalls in originären Proben indiziert.In the field of food hygiene, the use of biosensors is under Application of the membrane according to the invention for determining the freshness of milk, Meat, fish and products thereof by measuring biochemical parameters also in indexed original samples.
In Kombination mit lebenden Zellkulturen und der Bestimmung von vitalitätsbeurteilenden Stoffwechselparametern zur Überwachung des Zustandes von Gewässern und Böden im Sinne von Frühwarnsystemen beim Auftreten toxischer Substanzen sind die erfindungsgemäßen Membranen auch auf solchen Sensoren anwendbar, die in der Umwelthygiene eingesetzt werden sollen.In combination with living cell cultures and the determination of vitality assessments Metabolic parameters for monitoring the condition of water and soil in the sense early warning systems when toxic substances occur are those according to the invention Membranes can also be used on sensors used in environmental hygiene should be.
Eine Enzymelektrode zur Bestimmung von Glucose mit Diffusionslimitierung ist in der Patentschrift DD 2 27 029 beschrieben worden.An enzyme electrode for the determination of glucose with diffusion limitation is in the Patent specification DD 2 27 029 has been described.
Bekannt sind darüber hinaus Biosensoren, bei denen die zum vollständigen Umsatz des Analyten in der Reaktionsschicht notwendige Limitierung der Diffusion des zu detektierenden Analyten durch Membranen realisiert wird, die durch Ionenbeschuß und anschließende Ätzvorgänge partiell permeabel für den Analyten sind (Glucose Biosensor for in vivo application. in: In vivo chemical sensors Hrsg.: S. J. Alcock, APF-Turner, Cranfield Press, 1993).Biosensors are also known, in which the sensors for the complete turnover of the Analytes in the reaction layer necessary to limit the diffusion of the detected Analytes is realized through membranes by ion bombardment and subsequent Etching processes are partially permeable to the analyte (glucose biosensor for in vivo application. in: In vivo chemical sensors Ed .: S. J. Alcock, APF-Turner, Cranfield Press, 1993).
Die Formierung einer Membran unter definierten Polymerisationsbedingungen nach Auftropfen entsprechender polymerer Lösungen ist ebenfalls beschrieben (Abel et al. Biosensoren für Glucose - Anwendung in vivo. in: Sensor 95, Kongressband, Hrsg.: ACS Organisations GmbH 1995).The formation of a membrane under defined polymerization conditions after dropping Corresponding polymer solutions are also described (Abel et al. Biosensors for Glucose application in vivo. in: Sensor 95, Kongressband, ed .: ACS Organizations GmbH 1995).
Nachteile der bekannten technischen Lösungen bestehen darin, daß die in der genannten Patentschrift beschriebene Diffusionslimitierung nur bei planen Membranen und daher nicht für miniaturisierte Biosensoren anwendbar ist, bei denen die Membran nur durch Auftropfen von oder durch Tauchvorgänge in polymere Lösungen realisiert werden kann und darin, daß die Variation der Diffusionslimitierung durch Veränderung der Positionierung der Perforation relativ zur Arbeitselektrode ist. Disadvantages of the known technical solutions are that those mentioned in the Diffusion limitation described in the patent only for flat membranes and therefore not for miniaturized biosensors can be used, in which the membrane can only be dripped on or can be realized by dipping in polymer solutions and in that the Vary the diffusion limitation by changing the position of the perforation is relative to the working electrode.
Die Membranformierung nach Auftropfen von oder Tauchen der miniaturisierten Sensoren in polymere Lösungen ist vor allem deshalb von wesentlichen Nachteil, weil die Reproduzierbarkeit der Diffusionseigenschaften nach Polymerisation unzureichend ist.Membrane formation after dropping or immersing the miniaturized sensors in polymeric solutions is particularly disadvantageous because the Reproducibility of the diffusion properties after polymerization is insufficient.
Der Mangel der Erzielbarkeit reproduzierender Diffusionseigenschaften ist auch für solche Membranen charakteristisch, die durch Ionenbeschuß und anschließendes Ätzen hergestellt werden.The lack of achievable reproductive diffusion properties is also for such Characteristic membranes made by ion bombardment and subsequent etching become.
Das Ziel der Erfindung ist eine Membrananordnung mit definiertem Fenster für die Permeation des/der zu detektierenden Analyten zur Abdeckung der biologisch aktiven Komponente bei Biosensoren, die zur Erfassung des/der zu detektierenden Analyten in beliebiger Konzentration im originären Probemedium vorgesehen sind.The aim of the invention is a membrane arrangement with a defined window for permeation of the analyte (s) to be detected to cover the biologically active component Biosensors used to detect the analyte (s) to be detected in any concentration are provided in the original sample medium.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Membrananordnung zu realisieren, die bei bisher unerreichter Reproduzierbarkeit ihrer Permeabilitätseigenschaften den Transfer biochemischer Substanzen dahingehend beeinflussen kann, daß bei ihrer Anwendung auf Biosensoren auch bei hohen Konzentrationen des/der zu detektierenden Analyten ein solches Verhältnis der Reaktanten in der Reaktionsschicht herrscht, das die vollständige Umsetzung des/der Anylyten erlaubt und auf diese Weise einen eindeutigen Zusammenhang von Analytkonzentration und Sensorsignal garantiert.The invention is therefore based on the object of realizing a membrane arrangement which the transfer with unprecedented reproducibility of their permeability properties can influence biochemical substances to the extent that when applied to Biosensors even at high concentrations of the analyte (s) to be detected Ratio of reactants in the reaction layer prevails, which is the full implementation of the anylyte allows and in this way a clear connection between Guaranteed analyte concentration and sensor signal.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in die im Originalzustand für den/die zu detektierenden Analyten impermeable Membran mittels eines Femtosekunden-Pulslasers ein Fenster geschossen wird das entweder durch die Wahl des Laser-Fokus oder durch die Anzahl von Teilfenstern in seinen Ausmaßen entsprechend den Anforderungen an den Analyttransfer variiert werden kann. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß eine Blende (Fenster) für den/die zu detektierenden Analyten realisiert, mit deren Hilfe ein jederzeit definierter Analyttransfer garantiert werden kann.According to the invention the object is achieved in that in the original state for the to be detected analyte impermeable membrane using a femtosecond pulse laser Window is shot either by the choice of the laser focus or by the number of partial windows in their dimensions according to the requirements for the analyte transfer can be varied. In this way, according to the invention, a panel (window) for the / analytes to be detected, with the help of which an analyte transfer is defined at any time can be guaranteed.
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Cited By (2)
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| WO2001094929A1 (en) * | 2000-06-09 | 2001-12-13 | Bcs Bio- Und Chemosensoren Gmbh | Membrane for covering detection elements of physico-chemical and biochemical signal converters and method for producing said membrane |
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1995
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