DE20122016U1

DE20122016U1 - Messkammeraufsatz für mehrfach verwendbare Chemo- und Biosensoren

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Publication number: DE20122016U1
Application number: DE20122016U
Authority: DE
Original assignee: SENSLAB GES ZUR ENTWICKLUNG UN; SENSLAB-GESELLSCHAFT ZUR ENTWICKLUNG und HERSTELLUNG BIOELEKTROCHEMISCHER SENSOREN MBH
Current assignee: SENSLAB GES ZUR ENTWICKLUNG UN; SENSLAB-GESELLSCHAFT ZUR ENTWICKLUNG und HERSTELLUNG BIOELEKTROCHEMISCHER SENSOREN MBH
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2011-03-09

Abstract

Messkammeraufsatz zur reproduzierbaren und reversiblen Befüllung und Entleerung der unmittelbaren Umgebung des Messfensters eines mehrfach verwendbaren Chemo- oder Biosensors, gekennzeichnet durch einen Formkörper (1), der an der Innenseite zum Sensor (2) eine kapillar wirkende Vertiefung aufweist und mit dem Sensor (2) einen vorderen Spalt (5) und einen hinteren Spalt (6) bildet, wobei die Deckfläche (7) der Vertiefung eine vom vorderen Spalt (5) zum hinteren Spalt (6) ansteigende Schräge gegenüber der ebenen Messfensteroberfläche (3) des Sensors (2) besitzt und der vordere Spalt (5) der Probenaufnahme- und Entleerungsspalt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messkammeraufsatz für die reversible und reproduzierbare Befüllung und Entleerung von Puffer-, Probe- und Spülmedium der unmittelbaren Umgebung des Messfensters eines mehrfach verwendbaren, rekalibrierbaren Chemo- oder Biosensors. Für den erfindungsgemäßen, auf einem Sensor fixierten, Messkammeraufsatz mit kapillarer Wirkung wird ein Kunststoffkörper genutzt, der auf der ebenen Oberfläche des Sensors zentriert über der Messkammer angebracht ist und der in der Innenseite zum Sensor eine Vertiefung besitzt, deren Deckfläche eine Schräge aufweist und die zusätzlich eine oder mehrere Nuten enthalten kann.
Mit der Nutzung mehrfach verwendbarer Chemo- und Biosensoren für kostengünstige Vor-Ort-Messungen sind Messprozeduren erforderlich, die ohne einen hohen apparativen Aufwand auskommen und dennoch eine zuverlässige Messung ermöglichen. Damit verbunden ist in der Regel, dass die Messbedingungen stark von den manuellen Fertigkeiten des Anwenders abhängig sind. Deshalb werden wiederverwendbare, rekalibrierbare bzw. mehrfach nutzbare Biosensoren bisher vor allem als Detektoren in halb- oder vollautomatischen Messgeräten verwendet. Damit verbunden ist eine automatische Probeverdünnung und kontrollierte Anströmung des Sensors mit einer verdünnten Probe, Spülflüssigkeit und Puffermedium sowie der automatischen Kalibrierroutine. Aufgrund der definierten Fluidiksteuerung werden zuverlässige Messungen erhalten. Derartige Analysensysteme sind in der Regel für die Ausmessung hoher Probezahlen konzipiert. Für Einzelprobebestimmungen oder den dezentralen Einsatz ist ihr Betrieb zu kostenintensiv.
Den vergleichsweise teuren Laborgeräten stehen bisher nur im Ansatz kostengünstigere Gerätesysteme gegenüber. Eine neuere technische Lösung (WO 97/03355 A1) beinhaltet ein Handmessgerät, das mit einer einfachen integrierten Fluidiklösung bis zu 300 Messungen ermöglicht. Diesen Gerätesystemen ist jedoch gemeinsam, dass der Sensor einer definierten Konvektion der Probeflüssigkeit während der Messung ausgesetzt werden muß und deshalb mindestens eine Pumpe oder ein Rührwerk erforderlich ist.
Aufgabe war es deshalb, kostengünstige Vorrichtungen für die reversible und reproduzierbare Befüllung und Entleerung der unmittelbaren Umgebung des Messfensters mehrfach verwendbarer Sensoren bereitzustellen. Dabei soll die Störanfälligkeit gering sein. Insbesondere soll eine einfache Handhabung bei minimalem Konvektionseinfluß gesichert und die Anwendung auch minimaler Probevolumina möglich sein.
Die Aufgabe wird gemäß den Ansprüchen mit einem Messkammeraufsatz mit kapillar wirkendem Spalt gelöst. Die Unteransprüche stellen bevorzugte Ausführungsvarianten dar.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass ein Messkammeraufsatz 1, der innenseitig (zum Sensor 2 gerichtet) eine Vertiefung besitzt, deren Deckfläche 7 eine Schräge gegenüber der ebenen Messfensteroberfläche 3 des Sensors aufweist, für eine reproduzierbare und reversible Befüllung und Entleerung der unmittelbaren Umgebung des Messfensters geeignet ist.
Der Messkammeraufsatz ist in seiner Größe abhängig vom verwendeten Sensor und besteht in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem u-profilförmigen Kunststoffkörper, wobei die innenseitige Deckfläche der Vertiefung eine Schräge mit einem Winkel gegenüber der ebenen Messfensteroberfläche zwischen 0,5° und 5°, vorzugsweise zwischen 1,0° und 3,5° aufweist.
Die Vertiefung stellt dabei bevorzugt einen Spalt dar, dessen Breite in Abhängigkeit von der Messfensterbreite eingestellt wird. Die vordere Spalthöhe zwischen der ebenen Fläche und der innenseitigen Deckfläche beträgt zwischen 0,02 mm und 0,20 mm, vorzugsweise zwischen 0,03 mm und 0,12 mm. Die hintere Spalthöhe beträgt zwischen 0,05 mm und 2,00 mm, vorzugsweise zwischen 0,15 mm und 1,00 mm, wobei die hintere Spalthöhe immer größer sein sollte. Um die Konvektionsanfälligkeit des Sensors zu vermindern, wird bevorzugt der hintere Spalt zwischen 50% und 95 %, vorzugsweise zwischen 70 % und 90 % durch jeweils seitliche Flächen verschlossen.
Die Schräge der innenseitigen Deckfläche des Spaltes im Messkammeraufsatz kann eine oder mehrere Nuten, die zentrisch zur Symmetrieachse zwischen vorderem und hinterem Spalt verlaufen, aufweisen. Der Querschnitt der Nuten ist trapez-, pyramiden- oder halbkreisförmig und weist eine Tiefe auf, die zwischen einem Viertel und der Hälfte der mittleren Spalthöhe zwischen der innenseitigen schrägen Deckfläche und der ebenen Oberfläche beträgt.
Der Messkammeraufsatz wird durch eine form- oder kraftschlüssige Verbindung der beiden Seitenwandgrundflächen auf der ebenen Oberfläche zentriert über einer Messkammer, wie z.B einem Messfenster, des Sensors fixiert, wobei der Messkammeraufsatz mit der vorderen Spaltöffnung mit dem Sensorrand abschließt. Der Messkammeraufsatz ist besonders für planar strukturierte Chemo- oder Biosensoren geeignet, bei denen der Messvorgang mit minimalem konvektiven Einfluß im wässrigen Medium erfolgt. Die Fixierung des Aufsatzes erfolgt bevorzugt durch Verklebung oder mechanisches Verklemmen der beiden Seitenwandgrundflächen auf der ebenen Oberfläche des Sensors. Als Materialien für den Messkammeraufsatz werden Kunststoffe wie z.B. Polykarbonat, Polyacrylat, Polypropylen oder Polyethylen verwendet.
Die Befüllung der kapillaren Messkammer kann sowohl durch kurzzeitiges Eintauchen des Sensors mit der vorderen Spaltöffnung erfolgen als auch durch das Auftragen einer Probemenge von ca. 10 μl mittels Pipette an der hinteren Spaltöffnung des Messkammeraufsatzes. Insbesondere bei nur kleinen verfügbaren Probemengen empfiehlt sich letztere Vorgehensweise. Das rasche und vollständige Absaugen der Flüssigkeit aus dem Messkammeraufsatz wird durch leichtes Andrücken eines saugfähigen Materials, wie z.B. Cellulosevlies, an die vordere Spaltöffnung des Messkammeraufsatzes durchgeführt. Die Spülung kann sowohl mittels Spritzflasche, die am hinteren Spalt angesetzt wird, als auch durch mehrfaches kapillar verursachtes Befüllen und Entleeren über die vordere Spaltöffnung erfolgen.
Der Messkammeraufsatz hat den großen Vorteil, dass die Kapillarstrecke wieder entleerbar ist, mit Spülflüssigkeit spülbar und zunächst mit Pufferlösung zur Rekonditionierung des Sensors und später wieder mit Probelösung befüllbar. Die Entleerung der kapillaren Zuführung kann im einfachsten Fall durch Kontakt eines Messkammerspalts mit einem saugfähigen Material erfolgen. Das heißt, unabhängig von der Oberflächenrauhigkeit und dem hydrophilen Eigenschaften der innenseitigen Deckfläche des Messkammeraufsatzes ist sowohl die Befüllung als auch die Entleerung des erfindungsgemäßen Messkammeraufsatzes gleichermaßen reproduzierbar durchführbar. Darüber hinaus wird der konvektive Einfluß bei unsachgemäßer Handhabung des Sensors während des Messvorganges drastisch vermindert.
Der Messkammeraufsatz wird durch nachfolgende Ausführungsbeispiele, Zeichnungen und Tabellen näher erläutert.
Ausführungsbeispiele
1 Dreidimensionale Darstellung des Messkammeraufsatzes 1 und planar strukturiertem Dickschichtsensor 2 mit Messfenster 3 und Leiterbahnanschlüssen 4.
2 Schnittdarstellung des Messkammeraufsatzes 1 entlang der Symmetrieachse zwischen vorderem Spalt 5 und hinterem Spalt 6, mit Schräge der innenseitigen Deckfläche 7, fixiert über dem Messfenster 3 des Sensors 2.
3 Querschnittdarstellung des Messkammeraufsatzes 1 mit zentrisch verlaufender Nut 8, fixiert über dem Messfenster 3 des Sensors 2.
Tabelle 1 und 2 enthalten Reproduzierbarkeitsuntersuchungen von Glucose- und Lactatsensoren vor und nach der Verwendung eines Messkammeraufsatzes.
Beispiel 1:
Sensor mit Messkammeraufsatz zum Nachweis von Glucose
Aus transparentem Polykarbonat wird durch Fräßen und anschliessender mechanischer Feinbearbeitung ein Messkammeraufsatz 1 (wie in 1 dargestellt) gefertigt. Der Messkammeraufsatz hat die Außenmaße (LxBxH) 10 mm x 8 mm x 1 mm. Die vordere Höhe des vorderen Spalts zwischen dem ebenen Sensor 2 und der innenseitigen Deckfläche 7 beträgt 0,10 mm und die Höhe des hinteren Spalts 0,50 mm, so dass der Winkel der Schrägen der innenseitigen Abdeckfläche 7 2,3° beträgt. Der hintere Spalt 6 wurde bis auf einen ausgefrästen senkrechten Schlitz von 2 mm Breite verengt . Die Breite vorn beträgt 6mm. Der Messkammeraufsatz 1 hat ein Innenvolumen von 10 μl. Der Messkammeraufsatz 1 wurde mittels eines Zweikomponenten-Epoxydharzklebers zentrisch über dem Messfenster 3 eines planbar strukturiertem Dickschichtsensors 2, das ein Glucoseoxidaseimmobilisat und eine Diffusionsbarriere auf der Ar beitselektrode eines amperometrischen Dreielektrodensystems enthält, an den Seitengrundflächen fixiert.
Der Sensor wird durch Eintauchen des vorderen Spaltes 5 über zwei Sekunden in die Puffer- oder Messlösung befüllt und mittels eines saugfähigen Zellstofftuches, das über zwei Sekunden leicht gegen den vorderen Spalt 5 gedrückt wird, entleert. Das Ausspülen der Probelösung erfolgt über das Ansetzen einer Spritzflasche an den hinteren Spalt des Messkammeraufsatzes 6 bei zweimaligem Spülen mit destilliertem Wasser über jeweils drei Sekunden. Die Entleerung der Spülflüssigkeit erfolgt wie oben beschrieben.
Zur Durchführung von Glucosemessungen werden folgende Schritte durchgeführt:

1. Der Sensor wird an eine potentiostatische Ausleseeinheit (Handmessgerät SensLab 1) angeschlossen und damit eine Polarisationsspannung von 300 mV vs. internes Referenzsystem angelegt.
2. Befüllung des Messkammeraufsatzes 1 mit Puffersystemlösung zur Sensorkonditionierung über ca. 2 min.
3. Entleeren des Messkammeraufsatzes 1 und Eintauchen in die (verdünnte) Probelösung.
4. Messwertbildung über ca. 1 min durch die Ausleseeinheit und Ausgabe des Messwertes.
5. Ausspülen des Messkammeraufsatzes 1, Entleeren und Wiederbefüllung mit Pufferlösung zur Sensorrekonditionierung.

Ein Messzyklus dauert ca. 3 min. Die Kalibrierung des Sensors erfolgt mittels Kalibrierstandardlösung in analoger Weise.
Die Messergebnisse von zehn hintereinander durchgeführten Messungen mit einem Sensor vor und nach Verwendung des Messkammeraufsatzes 1 bei einer Glucosemodellösung von 180 mg 1^-1 sind in Tabelle 1 dargestellt.
Beispiel 2e
Sensor mit Messkammeraufsatz zum Nachweis von Lactat
Aus transparenter Polykarbonatfolie mit einer Stärke von 1 mm wird durch thermisches Verformen in einer Form und Ausstanzen eines u-förmiges Profils ein Messkammeraufsatz hergestellt. Der Messkammeraufsatz hat die Außenmaße (LxBxH) 8 mm x 6 mm x 1 mm. Die Breite der Vertiefung beträgt 4 – 6 mm. Die vordere Höhe des vorderen Spalts zwischen dem ebenen Sensor 2 und der innenseitigen Deckfläche 7 beträgt 0,03 mm und die Höhe des hinteren Spalts 0,20 mm, so dass der Winkel der Schrägen der innenseitigen Abdeckfläche 7 1,2° beträgt. Zusätzlich wurde eine Nut 8, die entlang der Symmetrieachse zwischen vorderem Spalt 5 und hinterem Spalt 6 verläuft und einen Querschnitt in Form eines gleichseitigen Dreiecks mit einer Seitenlänge von 0,3 mm aufweist, ausgefräst. Der Messkammeraufsatz 1 hat ein Innenvolumen von 8 μl.
Der Messkammeraufsatz 1 wird mittels eines Zweikomponenten-Epoxidharzklebers zentrisch über dem Messfenster 3 eines planar strukturierten Dickschichtsensors 2, das ein Lactatoxidaseimmobilisat und eine Diffusionsbarriere auf der Arbeitselektrode eines amperometrischen Dreielektrodensystems enthält, an den Seitengrundflächen auf planar strukturiertem Dickschichtsensor 2 fixiert.
Die Messprozedur ist wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Messergebnisse von zehn hintereinander durchgeführten Messungen mit einem Sensor vor und nach Verwendung des Messkammeraufsatzes 1 bei einer Lactatmodellösung von 90 mg 1^-1 sind in Tabelle 2 dargestellt.

Claims

Messkammeraufsatz zur reproduzierbaren und reversiblen Befüllung und Entleerung der unmittelbaren Umgebung des Messfensters eines mehrfach verwendbaren Chemo- oder Biosensors, gekennzeichnet durch einen Formkörper (1), der an der Innenseite zum Sensor (2) eine kapillar wirkende Vertiefung aufweist und mit dem Sensor (2) einen vorderen Spalt (5) und einen hinteren Spalt (6) bildet, wobei die Deckfläche (7) der Vertiefung eine vom vorderen Spalt (5) zum hinteren Spalt (6) ansteigende Schräge gegenüber der ebenen Messfensteroberfläche (3) des Sensors (2) besitzt und der vordere Spalt (5) der Probenaufnahme- und Entleerungsspalt ist.
Messkammeraufsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche der Vertiefung eine Schräge mit einem Winkel zwischen 0,5° und 5°, vorzugsweise zwischen 1,0° und 3,5° aufweist.
Messkammeraufsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung einen Spalt (5 und 6) darstellt, der vorn eine Höhe zwischen 0,02 mm und 0,20 mm aufweist, vorzugsweise zwischen 0,03 mmm und 0,12 mm, und hinten eine Höhe zwischen 0,05 mmm und 2,00 mm, vorzugsweise zwischen 0,15 mm und 1, 00 mm.
Messkammeraufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreiten in Abhängigkeit von der Messfensterbreite des Sensors eingestellt sind.
Messkammeraufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Spaltöffnung zwischen 50% und 95%, vorzugsweise zwischen 70% und 90% durch jeweils seitliche Flächen geschlossen ist.
Messkammeraufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (5 und 6) in der innenseitigen Deckfläche (7) eine oder mehrere Nuten (8), die zentrisch zur Symmetrieachse zwischen vorderem und hinterem Spalt verlaufen, aufweist.
Messkammeraufsatz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (8) trapez-, pyramiden- oder halbkreisförmige Querschnitte aufweisen.
Messkammeraufsatz nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nuten (8) zwischen einem Viertel und der Hälfte der mittleren Spalthöhe zwischen der innenseitigen schrägen Deckfläche und der ebenen Oberfläche beträgt.
Messkammeraufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (1) aus einem transparenten Kunststoff ist, vorzugsweise aus Polykarbonat, Polyacrylat, Polypropylen oder Polyethylen.
Messkammeraufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er durch eine form- oder kraftschlüssige Verbindung der beiden Seitenwandgrundflächen auf der ebenen Oberfläche des Sensors (2) fixiert ist, vorzugsweise durch Verkleben mit einem Zweikomponenten-Epoxidharzkleber oder durch mechanisches Verklemmen.