DE202018105846U1

DE202018105846U1 - Analysevorrichtung für eine flüssige Probe

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Publication number: DE202018105846U1
Application number: DE202018105846.0U
Authority: DE
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avancats ICREA; Fuelium SL
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avancats ICREA; Fuelium SL
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2028-10-13
Also published as: ES1220194Y; CN209803082U; ES1220194U; KR20190001028U

Abstract

Analysevorrichtung für eine flüssige Probe, umfassend:
einen mikrofluidischen Analysekanal hergestellt aus einem Dochtmaterial mit angemessener Porosität, um eine Kapillarströmung mindestens einer flüssigen Probe zu erlauben, welche zur Erzeugung von Elektrizität geeignet ist;
mindestens einen empfangenden Absorptionsbereich, welcher mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal gekoppelt ist;
mindestens einen sammelnden Absorptionsbereich, welcher mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal gekoppelt ist;
eine kathodische Zone, welche mindestens aus einer mit dem genannten Analysekanal gekoppelten Kathode gebildet ist;
eine anodische Zone, welche mindestens aus einer mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal gekoppelten Anode gebildet ist; und
mindestens eine Detektionszone, welche mindestens einen mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal verbundenen Sensor aufweist,
wobei jeder empfangende Absorptionsbereich und jeder sammelnde Absorptionsbereich mit dem mikrofluidischen Analysekanal verbunden sind, wodurch, wenn eine flüssige Probe im empfangenden Absorptionsbereich eingelegt wird, sie mittels Kapillarwirkung durch den mikrofluidischen Analysekanal fließt, um den sammelnden Absorptionsbereich zu erreichen, wo sie absorbiert wird, und
wobei der Sensor mit der zu testenden flüssigen Probe zusammenwirkt, wenn die genannte Probe mittels Kapillarität durch den mikrofluidischen Analysekanal fließt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von Analysevorrichtungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Analysevorrichtung für eine flüssige Probe. Obwohl die zu analysierenden Probe vorzugsweise eine Flüssigkeit ist, welche suspendierte Partikeln enthalten kann, kann die Erfindung auch eine Gasprobe oder ein Gel analysieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, welche chemische Energie eines Brennstoffs in elektrische Energie umwandelt, wobei die genannte Umwandlung stattfindet, so lange wie der Brennstoff der Zelle zugeführt wird. Diese Vorrichtungen wurden während mehr als ein Jahrzehnt entwickelt und haben in letzter Zeit angefangen, Möglichkeiten in, zum Beispiel, medizinischen Anwendungen zu finden.
Brennstoffzellen unterscheiden sich von den herkömmlichen Akkus, weil die Brennstoffzellen die kontinuierliche Wiederauffüllung der verbrauchten Reagenzien erlauben, d.h. das Erzeugen von Elektrizität aus einer äußeren Quelle von Brennstoff und Sauerstoff im Gegensatz zur begrenzten Kapazität von Energiespeicherung, welche ein Akku aufweist. Außerdem reagieren und ändern sich die Elektroden in einem Akku gemäß er geladen oder entladen wird, während in einer Brennstoffzelle die Elektroden katalytisch und relativ stabil sind. Zudem verbrauchen die herkömmlichen Akkus feste Reaktanten, und sobald sie erschöpft sind, müssen sie verworfen oder mit Elektrizität wiederaufgeladen werden. Insgesamt in einer Brennstoffzelle fließt/fließen das Reagens/die Reagenzien nach innen und die Reaktionsprodukte fließen nach außen. Diese Strömung von Reaktant(en) wird typischerweise unter Verwendung, zum Beispiel, von äußeren Pumpen erreicht, was zu einer komplexen und kostspieligen Ausbildung der Brennstoffzelle führen kann.
Zum Beispiel, Dokument U.S. 2009092882 A1 (Kjeang E. et al.) offenbart eine mikrofluidische Brennstoffzellearchitektur mit Strömung durch die Elektroden. Die Anoden- und Kathodenelektroden sind porös und umfassen ein Netz von interstitiellen Poren. Ein virtueller Isolator befindet sich zwischen den Elektroden, in einem Elektrolytenkanal. Der virtuelle Isolator besteht aus einer colaminaren Strömung eines Elektrolyten. Ein Eintritt führt im Wesentlichen die gesamte Strömung des flüssigen Reaktanten durch die poröse Elektrode. Diese Ausbildung hat den Nachteil, dass es Mittel benötigt, z. B. eine äußere Pumpe, um das flüssige Reagens durch den Eintritt zu führen, damit die Brennstoffzelle funktioniert.
Vor Kurzem wurde offenbart, dass die Integration einer Direktmethanolmikrobrennstoffzelle sowohl das Pumpen als auch elektrische Leistung einer mikrofluidischen Plattform erfolgreich bereitstellen kann [JP Esquivel, et al., Fuel cell powered microfluidic platform for lab on a chip applications, Lab on a Chip (2011) 12, 74-79]. Die elektrochemischen Reaktionen, welche in der Brennstoffzelle stattfinden, erzeugen CO₂, welches typischerweise als ein Abfall ohne jegliche Nützlichkeit betrachtet wird. In diesem Fall wird jedoch das CO₂ gesammelt und zum Pumpen eines Fluides in die mikrofluidische Plattform verwendet. Daher wird das Pumpen eines Fluides, welches ein Reagens einer Brennstoffzelle sein kann, ohne der Bedarf einer äußeren Pumpe erreicht, es ist aber nötig eine Methanolbrennstoffzelle zu diesem Zweck zu verwenden. So, in diesem Fall, ist auch die erhaltene Ausbildung komplex und teuer. Außerdem, das Verwendung einer ersten Brennstoffzelle, um eine Strömung eines Reagens einer zweiten Brennstoffzelle hervorzurufen, würde ein komplexes System ergeben.
Dokument US2012288961 offenbart eine kapillaritätsbasierte Vorrichtung, welche ein Strömungsmessungselement und/oder ein Volumenmessungsmerkmal auf einer porösen Membran verwendet, um mikrofluidische Analysen durchzuführen.
Keines der zitierten Dokumente der Stand der Technik offenbart jedoch eine Analysevorrichtung, welche einen einzigen mikrofluidischen Analysekanal beinhaltet, welche die Funktionalitäten sowohl der Analyse als auch der Detektion bereitstellt.
BESCHREIBUNG DER INVENTION
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Analysevorrichtung für eine flüssige Probe bereit, vorzugsweise eine biologische Probe, wie Blut, Urin, Schweiß, Speichel, Tränen, Sperma, Milch, Saft, alkoholische Getränke, Wasser, usw., welche einen mikrofluidischen Analysekanal umfasst, hergestellt aus einem Dochtmaterial mit angemessener Porosität, um eine Kapillarströmung mindestens einer flüssigen Probe zu erlauben, welche zur Erzeugung von Elektrizität geeignet ist; einen empfangenden Absorptionsbereich, welcher mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal gekoppelt ist; einen sammelnden Absorptionsbereich, welcher mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal gekoppelt ist; eine kathodische Zone gebildet aus mindestens einer Kathode, welche mit dem genannten Analysekanal gekoppelt ist; eine anodische Zone gebildet aus mindestens einer mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal gekoppelten Anode; und eine Detektionszone, welche einen mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal verbundenen Sensor beinhaltet.
In der vorgeschlagenen Analysevorrichtung sind der empfangende Absorptionsbereich und der sammelnde Absorptionsbereich mit dem mikrofluidischen Analysekanal verbunden, wodurch, wenn eine flüssige Probe im empfangenden Absorptionsbereich eingelegt wird, die flüssige Probe mittels Kapillarwirkung durch den mikrofluidischen Analysekanal fließt, um den sammelnden Absorptionsbereich zu erreichen, wo sie absorbiert wird.
Außerdem wirkt der Sensor der Detektionszone mit der zu testenden oder analysierenden flüssigen Probe, wenn die genannte Probe mittels Kapillarität durch den mikrofluidischen Analysekanal fließt.
Die vorgeschlagene Analysevorrichtung, da sie nur einen einzigen mikrofluidischen Analysekanal aufweist, erlaubt das Verringern des Volumens der flüssigen Probe, welches sowohl zur Erzeugung als auch zur Durchführung der Analyse benötigt wird. Zudem umfasst sie ein vereinfachtes Design und benötigt eine kleinere Menge an Material, welches für dessen Fertigung benötigt wird (im Vergleich zu anderen Analysevorrichtungen, welche unterschiedliche mikrofluidische Kanäle aufweisen). Sie erlaubt auch das Vereinfachen des Fertigungsprozesses, was zu einer höheren Kostenwirksamkeit der Analysevorrichtung führt.
Die Analysevorrichtung kann mehr als einen empfangenden Absorptionsbereich umfassen, welcher mit dem mikrofluidischen Analysekanal gekoppelt ist, in welchem Fall die unterschiedlichen empfangenden Absorptionsbereiche vollkommen unabhängig sein können oder sie können getrennte Bereich sein und sich auf der gleichen physikalischen Stütze befinden, in dieser Patentanmeldung auch Unterbereiche genannt.
Außerdem können sich die empfangenden und sammelnden Absorptionsbereiche auf unterschiedlichen Höhen befinden, was die Strömung mittels Kapillarwirkung durch den mikrofluidischen Analysekanal erleichtert.
In der vorliegenden Erfindung wird der Ausdruck „geeignetes Fluid zur Erzeugung von Elektrizität“ als jedes Fluid verstanden, welches mindestens eine oxidierende oder reduzierende Substanz umfasst, so dass dieses Fluid mit einem der Kathoden oder Anoden zur Erzeugung von Elektrizität zusammenwirken kann. Vorzugsweise ist das Fluid eine Flüssigkeit, obwohl es suspendierte Partikeln enthalten kann, oder ein Gas oder ein Gel sein.
Zusätzlich zur angemessenen Strömung zur Erzeugung von Elektrizität kann die Analysevorrichtung der vorliegenden Erfindung auch mindestens ein elektrolytisches Fluid in den/die empfangenden Bereich(e) einfließen lassen, welcher/welche mit dem mikrofluidischen Analysekanal gekoppelt ist/sind. Vorzugsweise, wird dieses elektrolytische Fluid in einem empfangenden Bereich platziert, welcher sich von demjenigen/denjenigen unterscheidet, welcher/welche dazu verwendet wird/werden, um jedes der geeigneten Fluide zur Erzeugung von Elektrizität einzulegen.
Die Analysevorrichtung der vorliegenden Erfindung weist den Vorteil auf, dass die Strömung von geeigneten Fluiden zur Erzeugung von Elektrizität, d.h. die Strömung von Reaktanten mittels Kapillarwirkung und/oder Diffusion erreicht wird, unter Beseitigung der Notwendigkeit von, zum Beispiel, Pumpen oder anderen Mitteln zum Strömen dieser Reaktanten. Dabei ist einer der Schlüsselpunkte der Analysevorrichtung, dass die Absorption mittels des sammelnden Absorptionsbereichs die Fortsetzung der Strömung mittels Kapillarwirkung hervorruft, sobald der mikrofluidische Analysekanal gesättigt worden ist. Die vorgeschlagene Analysevorrichtung ist sehr einfach und kann sehr billig sein, da der mikrofluidische Analysekanal und die Absorptionsbereiche aus Materialien gefertigt werden können, welche reichlich vorhanden, billig und biologisch abbaubar sind, wie, zum Beispiel, faser- und cellulosebasierte Materialien wie Papier.
Vorzugsweise kann der mikrofluidischen Analysekanal hauptsächlich ein Material umfassen, unabhängig ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus hydrophilem Polymer, Textilfaser, Glasfaser, Cellulose und Nitrocellulose; wobei es insbesondere bevorzugt wird, dass solches Material biologisch abbaubar ist.
Ferner sind die empfangenden und sammelnden Absorptionsbereiche vorzugsweise aus einem Material hergestellt, ausgewählt aus einem papierbasierten Material, einem faserbasierten Material und einem nitrocellulosebasierten Material.
In jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jede Kathode und jede Anode, welche mit dem mikrofluidischen Analysekanal gekoppelt ist, ein Material umfassen, hauptsächlich ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem edlen Metall, einem nicht edlen Metall, Enzymen und Bakterien. Im Falle dass eine der Elektroden Enzyme oder Bakterien umfasst, kann der pH-Wert des Mediums acidisch, basisch oder neutral sein, in Abhängigkeit der Stabilität dieser Enzyme oder Bakterien bei unterschiedlichen pH-Werten. Vorzugsweise ist der pH-Wert des Mediums einer, in welchem die in einem der vorliegenden Elektroden Metalle, Enzyme oder Bakterien eine höhere Stabilität und katalytische Aktivität aufweisen. Um diesen optimalen pH-Wert zu erhalten, ist es möglich geeignete Substanzen innerhalb der Brennstoffzelle zu immobilisieren.
Vorzugsweise kann die Analysevorrichtung, wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben, einen Analyseteststreifen sein, weiter vorzugsweise kann sie einen als „Seitenstrom-Teststreifen“ bekannten Teststreifen sein.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Analysevorrichtung auch eine Leiterbahn (oder eine erste Leiterbahn), um die anodische Zone und die kathodische Zone der Analysevorrichtung mit mindestens einer elektronischen Schaltung zu verbinden. Die elektronische Schaltung wird über eine andere Leiterbahn (oder zweite Leiterbahn) mit dem in der genannten Detektionszone beinhalteten Sensor verbunden. Die elektronische Schaltung wird auch mit einem Anzeigesystem verbunden, um die Ergebnisse der Analyse zu visualisieren.
Die elektronische Schaltung und das Anzeigesystem können in einer unabhängigen Einheit integriert sein, welche über die zuvor beschriebenen Leiterbahnen mit der Analysevorrichtung verbindbar ist.
Der in der Detektionszone beinhaltete Sensor kann ein elektrochemischer, ein optischer, ein piezoelektrischer, ein magnetischer, ein Oberflächenplasmonresonanz-, ein akustischer Schallwellen- oder ein Massenspektroskopiesensor sein.
In einer Ausführungsform kann der Sensor aus zwei getrennten Teilen gebildet sein, einem ersten Teil, welcher als Detektor funktioniert, und einem zweiten Teil, welcher als Umwandler funktioniert. Beide Teile können in der Analysevorrichtung beinhaltet sein oder alternativ kann der zweite Teil, welcher als Umwandler funktioniert, in der genannten unabhängigen Einheit beinhaltet werden.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann jeder elektrochemische Sensor der Analysevorrichtung auf Kohlenelektroden basieren. Diese Art von Material für die elektrochemischen Sensoren trägt auch signifikant dazu bei, die Analysevorrichtung der Erfindung weiter biologisch abbaubar zu machen.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektronische Schaltung der Analysevorrichtung eine siliziumbasierte mikroelektronische Schaltung oder eine gedruckte elektronische Schaltung sein. Zusätzlich kann das Anzeigesystem ein Bildschirm sein, zum Beispiel ein auf Papier gedruckter Bildschirm, ein Flüssigkristalldisplay (LCD), eine organische Leuchtdiode (OLED) oder eine elektrochrome Anzeige.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Leiterbahnen der Analysevorrichtung aus Kohlenstoff hergestellt sein. Diese Art von Material für die Leiterbahnen kann die Analysevorrichtung höchst biologisch abbaubar machen.
In noch anderen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet zusätzlich die Analysevorrichtung ein drahtloses Kommunikationsmodul (Bluetooth, NFC, RF, usw.), um ein Ergebnis einer mittels der Analysevorrichtung durchgeführten Analyse einem äußeren Empfänger zu kommunizieren.
Figurenliste
Die vorherigen und anderen Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen vollständiger verstanden, in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, welche in einer illustrativen und nicht beschränkenden Weise betrachtet werden müssen, in welchen:

1a-1d: Schematische Darstellungen einer Draufsicht einer Brennstoffzelle, welche in einer Analysevorrichtung verwendet werden kann, gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen.
2a-2c: Schematische Darstellungen einer Draufsicht eines Seitenstrom-Teststreifens gemäß Ausführungsformen, in welchen zwei mikrofluidischen Kanäle verwendet werden.
3a: Schematische Darstellung von Katholyt- und Anolytfluiden, welche durch einen mikrofluidischen Kanal fließen, wie in 1b gezeigt wird.
3b: Schematische Darstellung einer 3D-Ausbildung eines mikrofluidischen Kanals und gekoppelte kathodische und anodische Zonen, durch welche Katholyt- und Anolytfluide fließen.
3c: Schematische Darstellung von Katholyt-, Anolyt- und Elektrolytfluide, welche durch einen mikrofluidischen Kanal fließen, wie in 1c gezeigt wird.
4a: Schematische Darstellung einer Draufsicht einer Analysevorrichtung für eine flüssige Probe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall wird ein einziger mikrofluidischer Analysekanal verwendet, wodurch die zuvor beschriebenen Ausbildungen erleichtert werden.
4b: Schematische Darstellung einer Draufsicht einer Analysevorrichtung für eine flüssige Probe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall wird auch einen einzigen mikrofluidischen Kanal verwendet; die elektronische Schaltung und das Anzeigesystem werden jedoch in eine unabhängige Einheit integriert, welche mit der Analysevorrichtung verbindbar ist.
5a: Schematische Darstellung einer Draufsicht einer Analysevorrichtung für eine flüssige Probe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall wird die Detektionszone der Analysevorrichtung mittels eines ersten Teils, welcher als Detektor funktioniert, und eines zweiten Teils, welcher als Umwandler funktioniert, gebildet.
5b: Schematische Darstellung einer Draufsicht einer Analysevorrichtung für eine flüssige Probe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall wird auch die Detektionszone von zwei unterschiedlichen Elementen gebildet, einem Detektor und einem Umwandler; das Umwandlerelement ist jedoch in einer unabhängigen Einheit zusammen mit einer elektronischen Schaltung und einem Anzeigesystem beinhaltet.
6a und 6b: Schematische Darstellung eines Beispiels der vorgeschlagenen Analysevorrichtung, insbesondere, wenn sie ein selbstständiges Blutzuckermessgerät ist.
7a und 7b: Schematische Darstellung eines Beispiels der vorgeschlagenen Analysevorrichtung, insbesondere, wenn sie ein selbstständiges Seitenstrom-Ablesegerät ist.
8: Schematische Darstellung einer Draufsicht einer Analysevorrichtung für eine flüssige Probe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall wird ein einziger mikrofluidischer Analysekanal verwendet und ein drahtloses Kommunikationsmodul wird beinhaltet, um das Ergebnis der Analyse zu kommunizieren.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1a zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle umfasst einen mikrofluidischen Kanal (10), einen empfangenden Absorptionsbereich (11), welcher an einem Ende des genannten mikrofluidischen Kanals (10) mit dem mikrofluidischen Kanal (10) gekoppelt ist, und einen sammelnden Absorptionsbereich (12), welcher am entgegengesetzten Ende des genannten Kanals mit dem mikrofluidischen Kanal (10) gekoppelt ist. Um die Kapillarwirkung durch den mikrofluidischen Kanal zu erleichtern, wird bevorzugt, dass sich das Ende, welches mit dem sammelnden Absorptionsbereich (12) gekoppelt ist, und das Ende, mit welchem der empfangende Absorptionsbereich (11) gekoppelt ist, bei unterschiedlichen Höhen befinden, unabhängig davon, welches Ende höher liegt.
Diese besondere Ausbildung der Brennstoffzelle erlaubt das Einlegen im empfangenden Absorptionsbereich (11) mindestens eines geeigneten Fluides zur Elektrizitätserzeugung, d.h. ein Fluid umfassend Brennstoffsreaktanten. Sie erlaubt ebenfalls die Strömung dieser Fluide mittels Kapillarwirkung durch den mikrofluidischen Kanal (10), bis der sammelnde Absorptionsbereich (12) erreicht wird, wo Fluide absorbiert werden, wodurch die kontinuierliche Strömung durch den mikrofluidischen Kanal (10) erlaubt wird.
Die Brennstoffzelle aus 1a umfasst auch eine kathodische Zone, welche mindestens eine Kathode (13) umfasst, und eine anodische Zone, welche mindestens eine Anode (14) umfasst, welche mit dem mikrofluidischen Kanal (10) gekoppelt sind, so dass die kathodische Zone (13) und die anodische Zone (14) elektrochemische Energie aufgrund von deren Zusammenwirkung mit mindestens einem Fluid umfassend Brennstoffsreaktanten erzeugen können, wenn diese kontinuierlich durch den mikrofluidischen Kanal (10) mittels Kapillarwirkung fließen. In dieser Ausführungsform, das im einzelnen empfangenden Absorptionsbereich eingelegte Fluid kann reduzierende und oxidierende Spezies umfassen, so dass die Zusammenwirkung der kathodischen Zone (13) mit den reduzierenden Spezies und die Zusammenwirkung der anodischen Zone (14) mit den oxidierenden Spezies zu einer elektrochemischen Spannung zwischen der kathodischen Zone (13) und der anodischen Zone (14) führen können. In dieser besonderen Ausführungsform, die kathodische Zone (13) ist auf einer seitlichen Seite des mikrofluidischen Kanals (10) platziert, und die anodische Zone (14) ist auf der entgegengesetzten Seite des mikrofluidischen Kanals (10) platziert.
Immer noch bezüglich der 1a kann der empfangende Absorptionsbereich (11) mindestens eine chemische Substanz umfassen, welche zuvor in einer definierten Fläche des empfangenden Absorptionsbereichs (11) immobilisiert worden ist, so dass die Substanz mittels des Hinzufügens einer äußeren Flüssigkeit, vorzugsweise einer wässrigen Flüssigkeit, gelöst werden kann.
1b ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer anderen Brennstoffzelle. Diese Ausbildung ist der Ausbildung aus 1a sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass der empfangende Absorptionsbereich (11) zwei empfangende Absorptionsunterbereiche umfasst, welche als (11a) und (11b) gekennzeichnet sind, welche voneinander getrennt sind und welche sich in der gleichen physikalischen Stütze befinden. Im ersten empfangenden Absorptionsunterbereich (11a) kann ein Katholytfluid eingelegt werden, so dass reduzierte Spezies mit der kathodischen Zone (13) zusammenwirken, und im zweiten empfangenden Absorptionsunterbereich (11b) kann Anolytfluid, welches oxidierende Spezies umfasst, eingelegt werden, welches mit der anodischen Zone (14) zusammenwirken kann. Alternativ, der erste empfangende Absorptionsunterbereich (11a) kann eine oxidierende Substanz umfassen, welche zuvor in einer Fläche des ersten empfangenden Absorptionsunterbereichs (11a) immobilisiert wurde, und der zweite empfangende Absorptionsunterbereich (11b) kann eine reduzierende Substanz umfassen, welche zuvor in einer Fläche des zweiten empfangenden Absorptionsunterbereichs (11b) immobilisiert wurde. Die immobilisierten oxidierenden und reduzierenden Substanzen können dann, zum Beispiel, mittels des Hinzufügens einer äußeren Flüssigkeit, vorzugsweise einer wässrigen Flüssigkeit, aufgelöst werden.
In der Ausführungsform aus 1b umfasst der mikrofluidische Kanal (10) zwei Verzweigungen (18), so dass der empfangende Absorptionsunterbereich (11a) durch eine dieser Verzweigungen (18) mit dem mikrofluidischen Kanal (10) gekoppelt ist und der zweite empfangende Absorptionsunterbereich (11b) durch eine zweite dieser genannten Verzweigungen (18) mit dem mikrofluidischen Kanal (10) gekoppelt ist. Die genannte erste Verzweigung und die kathodische Zone (13) sind im Wesentlichen auf der gleichen Seite des mikrofluidischen Kanals (10) angeordnet, so dass die kathodische Zone (13) im Wesentlichen vollständig mit dem Katholytfluid zusammenwirken kann, wenn es durch den mikrofluidischen Kanal (10) fließt. Sinngemäß sind die zweite Verzweigung und die anodische Zone (14) im Wesentlichen auf der gleichen Seite des mikrofluidischen Kanals (10) angeordnet, so dass die anodische Zone (14) im Wesentlichen vollständig mit Anolytfluid zusammenwirken kann, wenn es durch den mikrofluidischen Kanal (10) fließt. Weitere Details über die Strömungen der Katholyt- und Anolytfluide werden weiter unten beschrieben.
Die im vorherstehenden Absatz beschriebene Ausbildung bringt eine relative Positionierung zwischen dem ersten empfangenden Absorptionsunterbereich (11a) und der kathodischen Zone (13), und zwischen dem zweiten empfangenden Absorptionsunterbereich (11b) und der anodischen Zone (14) mit sich, was die Erzeugung von elektrochemischer Energie effizienter als in der Ausführungsform aus 1a erlaubt. Tatsächlich, mit dieser Ausbildung der Brennstoffzelle kann eine „saubere“ Zusammenwirkung zwischen dem Katholytfluid, welches mindestens eine reduzierende Spezies umfasst, und der kathodischen Zone (13), und eine „saubere“ Zusammenwirkung zwischen dem Anolytfluid, welches mindestens eine oxidierende Spezies umfasst, und der anodischen Zone (14) erhalten werden, infolgedessen die Brennstoffzelle effizienter ist.
Dabei zeigt 3a die Ausbildung eines mikrofluidischen Kanals (10), einer kathodischen Zone (13) und einer anodischen Zone (14) ähnlich wie diejenige umfasste in der in 1b gezeigten Brennstoffzelle. 3a zeigt auch wie ein Katholytfluid (31) und ein Anolytfluid (30) durch den mikrofluidischen Kanal (10) fließen können. Insbesondere kann das Katholytfluid (31), welches reduzierende Spezies umfasst, derart fließen, dass es eine im Wesentlichen vollständige Zusammenwirkung zwischen demselben und der in der kathodischen Zone (13) enthaltenden Kathode/den Kathoden erreichen kann. Sinngemäß kann das Anolytfluid (30), welches oxidierende Spezies umfasst, derart fließen, dass es eine im Wesentlichen vollständige Zusammenwirkung zwischen demselben und der in der anodischen Zone (14) enthaltenden Anode/den Anoden erreichen kann.
3a zeigt auch wie, in dieser besonderen Ausführungsform, das Katholytfluid (31) und das Anolytfluid (30) anfangen können sich zu mischen, nachdem ein gewisser Abstand vorangeschritten ist, unter Bildung einer Fläche, welche Diffusionszone (32) genannt wird. In dieser besonderen Ausführungsform sind die kathodische Zone (13) und die anodische Zone (14) im mikrofluidischen Kanal (10) mit einem ausreichend kurzen Abstand in Bezug auf das Ende positioniert, in welchem die empfangenden Absorptionsunterbereiche (11a) und (11b) gekoppelt sind, um zu verhindern, dass die Diffusionszone (32) in Kontakt mit einer der in der kathodischen Zone (13) umfassten Kathoden, mit einer der in der anodischen Zone (14) umfassten Anoden, oder beiden kommt. So, auch wenn das Katholytfluid (31) und das Anolytfluid (30) letztendlich gemischt werden können, wird in dieser Ausführungsform eine Zusammenwirkung zwischen dem Fluid, welches vollständig Katholyt (31) ist, und der kathodischen Zone (13), und zwischen dem Fluid, welches vollständig Anolyt (30) ist, und der anodischen Zone (14) gewährleistet.
3b ist eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen 3D-Kanals (10) und der Ausbildung der kathodischen Zone (13) und der anodischen Zone (14) gemäß einer anderen Ausführungsform. Diese Ausbildung ist eine Alternative zur in den 1b und 3a gezeigten Ausbildung. In diesem Fall sind die ersten und zweiten empfangenden Absorptionsunterbereiche (11a), (11b), nicht in 3b gezeigt, derart angeordnet, dass die Strömung von Katholytfluid (31) im Wesentlichen über der Strömung von Anolytfluid (30) erreicht wird. Dementsprechend ist die kathodische Zone (13) in einem oberen Bereich des mikrofluidischen Kanals (10) angeordnet und die anodische Zone (14) in einem unteren Bereich des mikrofluidischen Kanals (10) angeordnet. Diese Ausbildung aus 3b erlaubt die Erzeugung von elektrochemischer Energie im Wesentlichen gleich wie die Ausbildung aus 1b und 3a.
1c ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer anderen Brennstoffzelle. In diesem Fall ist der Unterschied zur in 1b gezeigten Brennstoffzelle, dass diese Ausführungsform zusätzlich einen dritten empfangenden Absorptionsunterbereich (11c) umfasst, welcher von den ersten und zweiten empfangenden Absorptionsunterbereichen (11a) und (11b) getrennt ist. In diesem dritten Absorptionsunterbereich (11c) kann ein Elektrolytfluid eingelegt werden, und kann in Bezug auf die ersten und zweiten Absorptionsunterbereiche (11a) und (11b) derart angeordnet werden, dass das Elektrolytfluid mindestens teilweise das Katholytfluid (31) und das Anolytfluid (30) getrennt hält, während sie durch den mikrofluidischen Kanal (10) mittels Kapillarität fließen.
In der Ausführungsform aus 1c kann die Mischung aus Katholytfluid (31) und dem Anolytfluid (30) in Bezug auf die Mischung, welche in den Ausbildungen aus 1b, 3a und 3b hergestellt wird, verzögert werden. Dabei zeigt 3c wie ein Elektrolytfluid (33) zwischen dem Katholytfluid (31) und dem Anolytfluid (30) fließt, um das Mischen des Katholytfluides (31) und des Anolytfluides (30) zu verzögern. Die Fläche (34) betrifft die Mischung von Katholytfluid (31) mit dem Elektrolytfluid (33). Die Fläche (35) betrifft die Mischung von Anolytfluid (30) mit dem Elektrolytfluid (33). Es kann deutlich beobachtet werden, dass mit der „Zwischenströmung“ von Elektrolytfluid (33) die Diffusionszone (32), welche die Mischung von Katholytfluid (31) und Anolytfluid (30) darstellt, später erscheint als in den Ausführungsformen ohne solche „Zwischenströmung“ von Fluidelektrolyt (33).
In jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann der mikrofluidische Kanal (10) sowie jeder der Absorptionsbereiche (11) und (12) aus einem papierbasierten Material, wie zum Beispiel Filterpapier, Papierseide, Cellulosepapier, Schreibpapier, usw. hergestellt sein. Alternativ können sie aus anderen geeigneten Materialien wie z. B. Nitrocelluloseacetat, Textilien, polymeren Schichten, usw. hergestellt sein. Papierbasierte Materialien setzen geringe Kosten voraus, und somit sind der mikrofluidische Kanal (10) und jeweils die empfangenden und sammelnden Absorptionsbereiche (11) und (12) vorzugsweise aus solcher Art von Material hergestellt. Außerdem ist das Papier ein vollständig biologisch abbaubares Material. Daher trägt das Papier zum Erhalten einer billigen und biologisch abbaubaren Brennstoffzelle bei.
Ferner kann der mikrofluidische Kanal (10), sowie jeder der empfangenden oder sammelnden Bereiche, welche Papier als Hauptmaterial umfassen, aus zwei unterschiedlichen Verfahren oder einer Kombination derselben erhalten werden. Das erste Verfahren umfasst das Scheiden des Papiers in die gewünschte Form, so dass die sich ergebende Struktur dem mikrofluidischen Kanal entspricht. Das Schneiden kann mittels mechanischer Wirkung durchgeführt werden, zum Beispiel unter Verwendung von Scheren, Messern oder einem automatischen Gerät, wie einem Plotterschneider, oder unter Verwendung eines Lasers, usw. Das zweite Verfahren umfasst das Definieren von hydrophoben Flächen innerhalb der gesamten Oberfläche des porösen Materials, vorzugsweise Papier. Die Definition von hydrophoben Flächen kann mittels des Imprägnierens der porösen Matrix mit Photoresist, Wachs, Teflon, hydrophoben Chemikalien, usw., oder mittels der Anwendung einer chemischen Behandlung, um die Benetzungseigenschaften zu verändern, bewerkstelligt werden.
1d ist eine schematische Darstellung einer 3D-Papierfolie, welche einen mikrofluidischen Kanal aufweist. Der mikrofluidische Kanal wurde mittels des Definierens von hydrophoben Flächen (16) erreicht, welche wiederum eine hydrophile Zone (Papier) (17) definieren, welche den gewünschten mikrofluidischen Kanal bildet. Die hydrophoben Flächen (16) können zum Beispiel mittels des Anwendens einer der zuvor besprochenen Techniken erhalten werden.
Vorzugsweise wird das Schneiden zum Erhalten des mikrofluidischen Kanals (10) und jeweils der empfangenden und sammelnden Absorptionsbereiche (11) und (12) angewendet, weil das Schneiden a priori billiger als andere Arten von Verfahren ist, wie zum Beispiel die zuvor besprochenen Techniken basierend auf der Definierung von hydrophoben Flächen.
2a ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines Seitenstrom-Teststreifens gemäß einer Ausführungsform. Dieser Teststreifen umfasst die zuvor beschriebene und in 1a schematisierte Brennstoffzelle. Dieser Teststreifen umfasst auch einen mikrofluidischen Analysekanal (20), welcher mit dem empfangenden Absorptionsbereich (11) an einem Ende des Kanals (20) und dem sammelnden Absorptionsbereich (12) am entgegengesetzten Ende des Kanals (20) verbunden ist. Somit ist in dieser Ausführungsform der empfangende Absorptionsbereich des mikrofluidischen Analysekanals (20) der gleiche als der empfangende Absorptionsbereich der Brennstoffzelle, und der sammelnde Absorptionsbereich des mikrofluidischen Analysekanals ist der gleiche als der sammelnde Absorptionsbereich der Brennstoffzelle. Die in Bezug auf 1a beschriebenen Merkmale in Bezug auf den empfangenden Absorptionsbereich (11) und den mikrofluidischen Kanal (10) sind auch auf diese Ausführungsform des Teststreifens der Erfindung anwendbar. Daher kann diese spezielle Ausbildung auch eine kontinuierliche Strömung von Fluid vom empfangenden Absorptionsbereich (11) zum sammelnden Absorptionsbereich (12) erlauben, wobei das Fluid absorbiert wird, so dass die Fortsetzung der Strömung mittels Kapillarität erlaubt wird, wenn der mikrofluidische Analysekanal (20) gesättigt ist.
Alternativ zur zuvor beschriebenen Ausführungsform kann der Teststreifen einen empfangenden Absorptionsbereich und einen sammelnden Absorptionsbereich umfassen, welche mit entgegengesetzten Enden des mikrofluidischen Analysekanals (20) verbunden sind, wobei diese Absorptionsbereiche von den empfangenden (11) und sammelnden (12), mit dem mikrofluidischen Kanal (10) gekoppelten Absorptionsbereichen getrennt sind, welche Bestandteil der im Teststreifen umfassten Brennstoffzelle sind.
In einer Ausführungsform wie in 2a gezeigt wird, umfasst der Teststreifen eine Detektionszone (21), welche mindestens einen elektrochemischen Sensor aufweist, welcher mit dem mikrofluidischen Analysekanal (20) gekoppelt ist, so dass der elektrochemische Sensor mit der zu testenden Probe, vorzugsweise einer biologischen Probe, zusammenwirken kann, wenn sie mittels Kapillarität durch den mikrofluidischen Analysekanal (20) fließt. Solche Zusammenwirkung, in Kombination mit angemessenen elektrischen Eingangssignalen, kann entsprechende Ausgangssignale erzeugen, welche die Ergebnisse des Tests darstellen. Die elektrochemischen Sensoren können auf Kohlenelektroden basieren, wobei das genannte Material zur biologischen Abbaubarkeit des Teststreifens beiträgt.
Dieser Teststreifen kann auch eine elektronische Schaltung (23), ein Anzeigesystem (24), vorzugsweise einen Bildschirm, und eine Vielzahl von Leiterbahnen (22), (25) und (26), welche die elektronische Schaltung (23) mit der anodischen Zone (14) und der kathodischen Zone (13) der Brennstoffzelle, mit der Detektionszone (21) und mit dem Anzeigesystem (24) verbinden, umfassen. Die elektronische Schaltung (23) kann eine siliziumbasierte mikroelektronische Schaltung sein. Zusätzlich kann das Anzeigesystem (24) einen in Papier gedruckten Bildschirm sein, zum Beispiel, basierend auf geeigneten Polymeren. Zusätzlich können die Leiterbahnen (22), (25) und (26) aus Kohlenstoff hergestellt sein. Diese Merkmale können den Teststreifen höchst biologisch abbaubar machen. Als Alternative zum Kohlenstoff können die Leiterbahnen (22), (25) und (26) aus leitfähigen Polymeren, Metallen wie Kupfer oder Goldmetallen, oder jeder Kombination derselben, hergestellt sein.
Leiterbahnen (22), welche die elektronische Schaltung (23) mit der anodischen Zone (14) und der kathodischen Zone (13) der Brennstoffzelle verbinden, erlauben, dass die elektronische Schaltung (23) Elektrizität aus der Brennstoffzelle empfängt. Leiterbahnen (25), welche die elektronische Schaltung (23) mit den in der Detektionszone (21) beinhalteten elektrochemischen Sensoren verbinden, erlauben, dass die elektronische Schaltung (23) angemessene elektrische Eingangssignale für die elektrochemischen Sensoren (21) bereitstellen. Die elektronische Schaltung (23) kann diese elektrischen Eingangssignale erhalten, welche nötig sind, damit die elektrochemischen Sensoren (21) mit der zu analysierenden Probe angemessen zusammenwirken, aus der von der Brennstoffzelle, gemäß einer implementierten Logik erzeugten Elektrizität. Diese Zusammenwirkung von elektrochemischen Sensoren (21) mit der Probe, vorzugsweise biologisch, und den angemessenen elektrischen Eingangssignalen kann elektrische Ausgangssignale erzeugen, welche die Ergebnisse der Analyse darstellen. Sensoren innerhalb der Detektionszone (21) können diese elektrischen Ausgangssignale zur elektronischen Schaltung (23) über die entsprechenden Leiterbahnen (25) senden. Die elektronische Schaltung (23) kann, gemäß einer implementierten Logik, diese elektrischen Ausgangssignale in elektrischen Signale umwandeln, welche visualisiert werden können, und sendet diese zum Anzeigesystem (24) über die entsprechende Leiterbahn (26).
Der Teststreifen kann zusätzlich einen Vorbehandlungsbereich umfassen, welcher nicht in 2a gezeigt wird, welcher mit dem mikrofluidischen Kanal der Brennstoffzelle (10) an einer Stelle zwischen dem empfangenden Absorptionsbereich (11) und den kathodischen (13) oder anodischen (14) Zonen gekoppelt werden kann. Zusätzlich kann dieser Vorbehandlungsbereich auch in die mikrofluidische Kanalanalyse (20) einbezogen werden, an einer Stelle zwischen dem empfangenden Absorptionsbereich der Probe (11) und der Detektionszone (21). Dieser Vorbehandlungsbereich kann eine Ausbildung aufweisen, welche für das Durchführen von unterschiedlichen Arten von Vorbehandlungen geeignet ist, wie Filterung, Trennung, Auswählen der Flüssigkeit(en), welche durch den mikrofluidischen Kanal der Brennstoffzelle (10) und/oder den mikrofluidischen Analysekanal (20) fließen können. Um diesen Bereich zu entwerfen und/oder zu bauen können bekannte Prinzipien der Vorbehandlung verwendet werden, wie diejenigen beschriebenen in den Patentanmeldungen WO 2009121041 A2 (A. Siegel et al) und WO 2011087813 A2 (P. Yager et al).
2b ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines Seitenstrom-Teststreifens gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung. Dieser Teststreifen ist sehr ähnlich wie der in 2a gezeigte Streifen, mit dem Unterschied, dass der Streifen aus 2b eine Brennstoffzelle beinhaltet, der in Bezug auf 1b beschriebenen Art, während der Streifen aus 2a eine Brennstoffzelle der in 1a gezeigten Art umfasst.
2c ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines Seitenstrom-Teststreifens gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung. Dieser Teststreifen ist sehr ähnlich wie der in 2b gezeigte Streifen, mit dem einzigen Unterschied, dass der Streifen aus 2c eine Brennstoffzelle der in Bezug auf 1c beschriebenen Art umfasst, während der Streifen aus 2b eine Brennstoffzelle der in 1b gezeigten Art umfasst.
Ein wichtiger Aspekt der in den 2a, 2b und 2c illustrierten Streifen ist, dass das gleiche Fluid als geeignetes Fluid zur Erzeugung von Elektrizität mittels der Brennstoffzelle und als zu analysierende Probe in der Detektionszone (21) verwendet werden kann. Dieses Fluid kann eine biologische Probe, wie, zum Beispiel, Urin, Blut, Blutplasma, Speichel, Sperma, Schweiß, usw. sein. Auf dieser Weise kann dieser Streifen ein vollständig eigenständiger Teststreifen sein, und daher ohne Verbindung mit einem äußeren elektrochemischen Sensor, einem Anzeigesystem oder einer elektronischen Schaltung funktionieren.
In manchen Ausführungsformen des in dieser Patentanmeldung beschriebenen Teststreifens hat die Detektionszone (21) die Funktion des Messens oder des Detektierens von spezifischen Verbindungen in der vorzugsweise biologisch zu analysierende Probe. Die Detektion kann auf unterschiedlichen Techniken wie elektrochemischen, optischen, usw. Techniken basieren. Zusätzliche Schritte der Vorbehandlung der Probe, und die Bereiche, welche nötig sind, damit diese Schritte im Streifen stattfinden, können eingefügt werden, bevor die Probe die Detektionszone (21) erreicht.
Ein elektrochemischer Sensor kann zum Beispiel mittels des Abscheidens einer oder mehrerer Elektroden gefertigt werden, welche aus Kohlenstoff in einer porösen Matrix hergestellt werden kann/können, welche aus papierbasierten Materialien hergestellt sein kann. Eine dieser Elektroden kann als Bezugselektrode definiert werden, mindestens eine dieser Elektroden als Gegenelektrode, und mindestens eine mehr dieser Elektroden als Arbeitselektrode. Die Elektrodenabscheidung kann mittels unterschiedlicher Techniken wie Sputtern, Verdampfung, Sprühbeschichten, oder Drucktechniken wie Tintenstrahl-, Tief-, Offset-, Flexo- oder Siebdruck bewerkstelligt werden. Die Elektroden können funktionalisiert werden, um die Detektionskapazitäten zu erhöhen. Die Funktionalisierung der Elektroden kann mittels Abscheidung eines aktiven Materials, chemischer Behandlung, usw. gebildet werden.
Zum Entwerfen und Aufbauen der Detektionszone (21) können geeignete bekannte Prinzipien, welche für den Fachmann bekannt sind, verwendet werden, zum Beispiel, diejenigen die in Patterned paper substrates and as alternative materials for low-cost microfluidic diagnostics, David R. Ballerini, Xu Li und Shen Wei. Microfluidics and Nanofluidics. 2012, DOI: 10.1007/s10404-012-0999-2 offenbart werden.
Die elektronische Schaltung (23) kann einer elektronischen Schaltung entsprechen, welche mehrere Aufgaben in Bezug auf die zu erzeugenden Testergebnisse durchführen kann. Die Schaltung kann eine Kombination von diskreten elektronischen Komponenten und/oder integrierten Schaltungen umfassen. Einige Ausführungsformen können, zum Beispiel, eine kundenspezifische anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) für eine Leistungserhöhung und Flächenverringerung verwenden.
Die Schaltung kann mehrere Blöcke, wie Leistungsmanagement, Instrumentierung, Kommunikationen, Datenaufzeichnung, usw. umfassen. Der Leistungsmanagementblock kann die mittels der Brennstoffzelle erzeugten Energie nehmen und die Spannung erhöhen, um den Instrumentierungsblock einzuschalten. Der Instrumentierungsblock kann den in der Detektionszone (21) beinhalteten Sensoren Strom versorgen, um die Messung durchzuführen, das Signal/die Signale der Sensoren zu überwachen und sie mit Referenzwerten zu vergleichen. Das Ergebnis/Die Ergebnisse der Messung(en) kann/können zum Anzeigesystem (24) gesendet werden.
Die elektronische Schaltung (23) kann zusätzlich ein Datenaufzeichnungselement umfassen, um die aus den Sensoren innerhalb der Detektionszone (21) gesammelten Information zu speichern. Ferner kann die elektronische Schaltung (23) zusätzlich ein Kommunikationsmodul umfassen, um das Ergebnis/die Ergebnisse der Messung(en) mittels Radiofrequenz, z. B. zu einem äußeren Empfänger zu senden.
Zum Entwerfen und Aufbauen der elektronischen Schaltung (23), vorzugsweise wenn sie eine mikroelektronische Schaltung ist, können geeignete bekannte Prinzipien, welche für den Fachmann bekannt sind, verwendet werden, zum Beispiel, diejenigen die in J. Alley Bran, Larry R. Faulkner, „Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications“ John Wiley & Sons, 2001, ISBN 0-471-04372-9, Jordi Colomer-Farrarons, Pere Lluis Miribel-Catalä, „A Self-Powered CMOS Front-End Architecture for Subcutaneous Event-Detection Devices: Three-Electrodes amperometric biosensor Approach “, Springer Science + Business Media BV, 2011, ISBN 978-94-007-0685-9 offenbart werden.
Das Anzeigesystem (24) kann dem Teststreifen der vorliegenden Erfindung erlauben, einen visuellen Hinweis des Messungsergebnisses zu zeigen. Dieses Signal kann unter Verwendung eines Bildschirms, zum Beispiel einer elektrochromen, Leuchtdiode, LCD, usw. bewiesen werden. Einige dieser Anzeigesysteme werden in CG Granqvist, electrochromic devices, Journal of the European Ceramic Society, Band 25, Nummer 12, 2005, Seiten 2907-2912; Fundamentals of Liquid Crystal Devices, Autor(en): Deng-Ke Yang, Shin-Tson Wu online veröffentlicht: 19. Oktober 2006, DOI: 10.1002/0470032030 beschrieben.
In einer besonderen Ausführungsform kann die Anzeige der Ergebnisse aufgrund von einem Farbwechsel sein, welcher von einem elektrochemischen Verbundstoff erzeugt wird, welcher in einer porösen Matrix absorbiert ist (z. B., Preußischblau, usw.), welche im Teststreifen umfasst ist.
Die zuvor beschriebenen Ausbildungen können vereinfacht werden, wenn die zwei mikrofluidischen Kanäle, der mikrofluidische Analysekanal (20) und der mikrofluidische Kanal (10), in einem einzigen, nämlich dem mikrofluidischen Analysekanal (15) vereinigt werden. Der mikrofluidische Analysekanal (15) kann ein Material umfassen, welches ein hydrophiles Polymer, eine Textilfaser, eine Glasfaser, Cellulose und Nitrocellulose einschließt; wobei es insbesondere bevorzugt wird, dass solches Material biologisch abbaubar ist.
4a zeigt eine schematische Darstellung dieser vereinfachten Ausbildung. Wie es in 4a zu sehen ist, umfasst die Analysevorrichtung einen einzigen mikrofluidischen Analysekanal (15), wobei die kathodische Zone (13), welche mindestens eine Kathode umfasst, und die anodische Zone (14), welche mindestens eine Anode umfasst, mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal (15) gekoppelt sind. Dieser mikrofluidische Analysekanal spielt die Rolle eines Analysekanals (welcher dem zuvor beschriebenen mikrofluidischen Kanal (20) äquivalent ist) mit einer Detektionszone (21), welche einen Sensor aufweist. Leiterbahnen (22), (25) und (26) verbinden die elektronische Schaltung (23) mit der anodischen Zone (14) und der kathodischen Zone (13), mit der Detektionszone (21) und mit dem Anzeigesystem (24). Die elektronische Schaltung (23) kann eine siliziumbasierte mikroelektronische Schaltung oder eine gedruckte elektronische Schaltung sein. Zusätzlich kann das Anzeigesystem (24) ein in Papier gedruckter Bildschirm, zum Beispiel, basierend auf geeigneten Polymeren, eine OLED oder eine elektrochrome Anzeige sein. Zusätzlich können die Leiterbahnen (22), (25) und (26) aus Kohlenstoff hergestellt sein. Als Alternative zum Kohlenstoff können die Leiterbahnen (22), (25) und (26) aus leitfähigen Polymeren, Metallen wie Kupfer oder Goldmetallen, oder jede Kombination derselben hergestellt sein.
Diese besondere Ausführungsform weist mehrere Vorteile im Vergleich zu den vorherigen: es erlaubt das Volumen der Probe zu verringern, welches sowohl zur Stromerzeugung als auch zur Durchführung der Analyse benötigt wird; es vereinfacht den Entwurf der Analysevorrichtung und die Menge an Material, welche für dessen Fertigung benötigt wird; und es vereinfacht die Fertigungsprozesse, was zu einer höheren Kostenwirksamkeit der Analysevorrichtung führt.
In einer anderen Ausführungsform, siehe 4b, besteht die vorgeschlagene Analysevorrichtung aus zwei getrennten verbindbaren Teilen; einem Teil (28a), welcher einen mikrofluidischen Analysekanal (15) mit einer Detektionszone (21) und einer Brennstoffzelle auf dem genannten mikrofluidischen Kanal (15) umfasst, welche einen empfangenden Absorptionsbereich (11), einen sammelnden Absorptionsbereich (12), eine kathodische Zone (13) und eine anodische Zone (14) umfasst, und einem anderen Teil (28b), welcher eine elektronische Schaltung (23) und ein Anzeigesystem (24) umfasst. Wenn die Analyse durchgeführt werden muss, sind die zwei getrennten Teile (28a, 28b) über Verbindungsbereiche (27) miteinander verbunden. Diese besondere Ausführungsform weist die folgenden Vorteile auf:

- Die elektronische Schaltung (23) und der Anzeigeteil (24) können mehrmals wiederverwendet werden, was umweltfreundlicher und kosteneffektiver als die Einmalausführungsformen ist.
- Die Integration der Brennstoffzelle mit der Detektionszone (21) in einem getrennten Teil erlaubt die Einstellung der Brennstoffzelle um Strom für eine einzige Analyse zu erzeugen. Auf dieser Weise ist immer Strom verfügbar, um den Test durchzuführen. Es gibt kein Bedürfnis die elektronischen Teile weder mit einer äußeren Stromquelle noch mit einem zusätzlichen Akku anzuschließen.

Der in der Detektionszone beinhaltete Sensor kann jeder aus einem elektrochemischen, einem optischen, einem piezoelektrischen, einem magnetischen, einem Oberflächenplasmonresonanz-, einem akustischen Schallwellen- oder einem Massenspektroskopiesensor umfassen.
5a und 5b zeigen andere Ausführungsformen der Analysevorrichtung. In diesem Fall ist die Detektionszone (21) aus zwei getrennten Teilen gebildet, einem ersten Teil, welcher als Detektor (21a) funktioniert, und einen zweiten Teil, welcher als Umwandler (21b) funktioniert. Beide Teile können in der Analysevorrichtung beinhaltet sein oder alternativ, der erste Teil, welcher als Detektor (21a) funktioniert, kann im Verbrauchsteil (28a) beinhaltet sein, während der zweite Teil, welcher als Umwandler (21b) funktioniert, im genannten wiederverwendbaren Teil oder in der unabhängigen Einheit (28b) beinhaltet sein kann. In diesem letzten Fall ist die Detektionszone (21) physikalisch in zwei Teile geteilt, bis die Messung durchgeführt wird, alle Verbindungen werden wie in 5b gezeigt durchgeführt.
In jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen aus 4a, 4b, 5a und 5b können die Absorptionsbereiche (11) und (12) einen oder mehrere Unterbereiche umfassen, wie es in den 1b, 1c, 2b und 2c beschrieben wird. Die empfangenden und sammelnden Absorptionsbereiche können aus einem Material hergestellt sein, ausgewählt aus einem papierbasierten Material, einem faserbasierten Material und einem nitrocellulosebasierten Material.
Nachfolgend werden unterschiedliche beispielhafte Ausführungsformen beschrieben.
6a und 6b illustrieren ein Beispiel der vorgeschlagenen Analysevorrichtung, welche als selbstständiges Blutzuckermessgerät arbeitet. Das selbstständige Blutzuckermessgerät besteht aus zwei Teilen: einem elektronischen Ablesegerät (28b) und einem Einwegteststreifen (28a), wie in 6a gezeigt wird. Das elektronische Ablesegerät beinhaltet ein elektronisches Modul (23) und ein Anzeigesystem (24). Auf der anderen Seite, der Einwegteststreifen (28a) beinhaltet elektrochemische Sensoren und eine Stromquelle. Der Teststreifen (28a) hat einen probenempfangenden Absorptionsbereich (11), einen mikrofluidischen Analysekanal (15) und einen sammelnden Absorptionsbereich (12). Der mikrofluidische Analysekanal (15) umfasst eine Detektionszone (21) zum Messen der Glucosekonzentration in der Probe unter Verwendung von elektrochemischen Sensoren. Der mikrofluidische Analysekanal (15) beinhaltet auch eine Stromquelle mit einer kathodischen Zone (13) und einer anodischen Zone (14), welche in der Lage ist, elektrische Energie nach dem Hinzufügen der Probe zu erzeugen. Die Sensoren und die anodischen und kathodischen Zonen (13, 14) sind mittels Leiterbahnen (22, 25) mit einer Verbindungszone (27a) im Einwegstreifen verbunden. Um eine Messung durchzuführen wird der Einwegteststreifen in das elektronische Ablesegerät (28b) eingeführt, wie es in 6b gezeigt wird, so dass die Verbindungszone (27a) im Einwegstreifen (28a) in elektrischen Kontakt mit den Verbindern (27b) in der Verbindungszone im elektronischen Ablesegerät (28b) ist. Wenn eine Probe dem Teststreifen hinzugefügt wird, stellt die Stromquelle elektrische Energie dem elektronischen Modul (23) zur Verfügung, um die Messung durchzuführen, wobei das Signal aus den Sensoren in der Detektionszone (21) abgelesen wird und die Ergebnisse in der Anzeige (24) gezeigt werden.
7a und 7b illustrieren ein Beispiel der vorgeschlagenen Analysevorrichtung, welche als selbstständiges Seitenstrom-Ablesegerät arbeitet. Das selbstständige Seitenstrom-Ablesegerät besteht aus zwei Teilen: einem elektronischen Ablesegerät (28b) und einem Einwegseitenstrom-Teststreifen (28a), wie in 7a gezeigt wird. Das elektronische Ablesegerät (28b) beinhaltet eine Ablesegerät-Detektionszone (21b), ein elektronisches Modul (23) und ein Anzeigesystem (24). Auf der anderen Seite, der Einwegseitenstrom-Teststreifen beinhaltet eine Teststreifen-Detektionszone (21a) und eine Stromquelle. Der Einwegteststreifen beinhaltet einen Immuntestseitenstrom, welcher unter Verwendung von bekannten Fertigungstechniken gefertigt wird. Der Seitenstrom-Immuntest umfasst einen probenempfangenden Absorptionsbereich (11), welcher getrocknete Reagenzien beinhaltet, welche vom Test benötigt werden, einen mikrofluidischen Analysekanal (15) und einen sammelnden Absorptionsbereich (12). Der mikrofluidische Analysekanal (15) umfasst eine Teststreifen-Detektionszone (21a), welche aus einer Reagenzieneinfangzone besteht, welche Test- und Steuerlinien definiert. Der mikrofluidische Analysekanal (15) beinhaltet auch eine Stromquelle mit einer kathodischen Zone (13) und einer anodischen Zone (14), welche in der Lage ist, elektrische Energie nach dem Hinzufügen der Probe zu Erzeugen. Die anodischen und kathodischen Zonen (13, 14) sind mittels Leiterbahnen (22) mit einer Verbindungszone (27a) im Einwegstreifen (28a) verbunden. Der Immuntest, die Stromquelle, die elektrischen Bahnen und die Verbinder sind in einem Kunststoffgehäuse eingeschlossen, um die Handhabung zu erleichtern. Um eine Messung durchzuführen wird der Einwegteststreifen in das elektronische Ablesegerät eingeführt, wie es in 7b gezeigt wird, so dass die Verbindungszone (27a) im Einwegstreifen (28a) in elektrischem Kontakt mit den Verbindern (27b) in der Verbindungszone im elektronischen Ablesegerät (28b) ist. Wenn eine Probe dem Teststreifen hinzugefügt wird, stellt die Stromquelle elektrische Energie dem elektronischen Modul (23) zur Verfügung, um die Messung durchzuführen, die Stärke der in der Streifen-Detektionszone (21a) entwickelten Linien unter Verwendung von Umwandlern in der Ablesegerät-Detektionszone (21b) abzulesen und die Ergebnisse im Anzeigesystem (24) zu zeigen.
In Bezug auf 8 wird darin eine andere Ausführungsform der vorgeschlagenen Analysevorrichtung illustriert. In diesem Fall ist ein drahtloses Kommunikationsmodul 29 (Bluetooth, NFC, Infrarot, usw.) beinhaltet, um ein Ergebnis einer mittels der Analysevorrichtung durchgeführten Analyse einem äußeren Empfänger zu kommunizieren.
Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird im folgenden Satz von Ansprüchen definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009092882 A1 [0004]
US 2012288961 [0006]
WO 2009121041 A2 [0051]
WO 2011087813 A2 [0051]

Claims

Analysevorrichtung für eine flüssige Probe, umfassend: einen mikrofluidischen Analysekanal hergestellt aus einem Dochtmaterial mit angemessener Porosität, um eine Kapillarströmung mindestens einer flüssigen Probe zu erlauben, welche zur Erzeugung von Elektrizität geeignet ist; mindestens einen empfangenden Absorptionsbereich, welcher mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal gekoppelt ist; mindestens einen sammelnden Absorptionsbereich, welcher mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal gekoppelt ist; eine kathodische Zone, welche mindestens aus einer mit dem genannten Analysekanal gekoppelten Kathode gebildet ist; eine anodische Zone, welche mindestens aus einer mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal gekoppelten Anode gebildet ist; und mindestens eine Detektionszone, welche mindestens einen mit dem genannten mikrofluidischen Analysekanal verbundenen Sensor aufweist, wobei jeder empfangende Absorptionsbereich und jeder sammelnde Absorptionsbereich mit dem mikrofluidischen Analysekanal verbunden sind, wodurch, wenn eine flüssige Probe im empfangenden Absorptionsbereich eingelegt wird, sie mittels Kapillarwirkung durch den mikrofluidischen Analysekanal fließt, um den sammelnden Absorptionsbereich zu erreichen, wo sie absorbiert wird, und wobei der Sensor mit der zu testenden flüssigen Probe zusammenwirkt, wenn die genannte Probe mittels Kapillarität durch den mikrofluidischen Analysekanal fließt.
Analysevorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich umfassend eine erste Leiterbahn, welche die anodische Zone und die kathodische Zone der Analysevorrichtung mit mindestens einer elektronischen Schaltung verbindet, welche über eine zweite Leiterbahn mit mindestens einem Element verbunden ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem elektrochemischen, optischen, piezoelektrischen, magnetischen, Oberflächenplasmonresonanz-, akustischen Schallwellen- oder Massenspektroskopiesensor beinhaltet in der genannten Detektionszone, und wobei die genannte elektronische Schaltung auch mit mindestens einem Anzeigesystem verbunden ist, um die Ergebnisse der Analyse zu visualisieren.
Analysevorrichtung nach Anspruch 2, wobei die genannte elektronische Schaltung und das genannte Anzeigesystem in einer unabhängigen Einheit integriert sind, welche über die genannten ersten und zweiten Leiterbahnen mit der Analysevorrichtung verbindbar ist.
Analysevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der genannte mit dem mikrofluidischen Analysekanal gekoppelte Sensor ein elektrochemischer, ein optischer, ein piezoelektrischer, ein magnetischer, ein Oberflächenplasmonresonanz-, ein akustischer Schallwellen- oder ein Massenspektroskopiesensor ist.
Analysevorrichtung nach Anspruch 4, wobei der genannte Sensor zwei getrennte Teile umfasst, einen ersten Teil, welcher als Detektor funktioniert, und einen zweiten Teil, welcher als Umwandler funktioniert.
Analysevorrichtung nach Anspruch 2, wobei die genannte elektronische Schaltung und das genannte Anzeigesystem in einer unabhängigen Einheit integriert sind, welche über die genannten ersten und zweiten Leiterbahnen mit der Analysevorrichtung beinhaltend den genannten Sensor verbindbar ist, wobei der Sensor zwei getrennte Teile umfasst, einen ersten Teil, welcher als Detektor funktioniert, und einen zweiten Teil, welcher als Umwandler funktioniert, wobei der genannte zweite Teil in der unabhängigen Einheit integriert ist und der genannte erste Teil in der Analysevorrichtung integriert ist.
Analysevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Material des mikrofluidischen Analysekanals aus der Gruppe bestehend aus Papier, hydrophilem Polymer, Textilfaser, Glasfaser, Cellulose und Nitrocellulose ausgewählt wird.
Analysevorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der empfangenden und sammelnden Absorptionsbereiche aus einem Material ausgewählt aus einem papierbasierten Material, einem faserbasierten Material und einem nitrocellulosebasierten Material hergestellt werden.
Analysevorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Sensor ein elektrochemischer Sensor umfassend Kohlenelektroden ist.
Analysevorrichtung nach Anspruch 2, wobei die elektronische Schaltung eine siliziumbasierte mikroelektronische Schaltung oder eine gedruckte elektronische Schaltung ist.
Analysevorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Anzeigesystem, um die Ergebnisse der Analyse zu visualisieren, einen auf Papier gedruckten Bildschirm, ein LCD, eine OLED oder eine elektrochrome Anzeige umfasst.
Analysevorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Leiterbahnen aus Kohlenstoff hergestellt werden.
Analysevorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich umfassend ein drahtloses Kommunikationsmodul, um ein Ergebnis einer mittels der Analysevorrichtung durchgeführten Analyse einem äußeren Empfänger zu kommunizieren.