WO1997021095A2 - Process and device for carrying out highly accurate rapid chemical analyses - Google Patents

Process and device for carrying out highly accurate rapid chemical analyses Download PDF

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WO1997021095A2
WO1997021095A2 PCT/DE1996/002351 DE9602351W WO9721095A2 WO 1997021095 A2 WO1997021095 A2 WO 1997021095A2 DE 9602351 W DE9602351 W DE 9602351W WO 9721095 A2 WO9721095 A2 WO 9721095A2
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sample
analyte
concentration
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PCT/DE1996/002351
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WO1997021095A3 (en
Inventor
Karl Cammann
Original Assignee
Karl Cammann
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/508Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above
    • B01L3/5085Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above for multiple samples, e.g. microtitration plates
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/29Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using visual detection
    • G01N21/293Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using visual detection with colour charts, graduated scales or turrets
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N31/00Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods
    • G01N31/16Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods using titration
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02Column chromatography
    • G01N2030/022Column chromatography characterised by the kind of separation mechanism
    • G01N2030/027Liquid chromatography

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for high-precision chemical rapid analyzes.
  • the sample amount containing the analyte to be analyzed must be dosed differently depending on the analyte concentration in order to determine the volume titrator consumption in a Dosing accuracy to keep the range limited.
  • the analyte concentrations in a titrimetric analysis should be within a decade. This usually requires appropriate dilution steps during sample preparation.
  • the excess of the oxidizing agent must be retained even after the determination, ie highly toxic chromate must be disposed of. If the chloride concentration is too high, a mercury salt must also be used as the chloride trap to bind this anion, which is also oxidized by the chromate but does not represent an organic load. ger can be added. These methods run with sample amounts of typically 20 ml and total volumes between 30 and 100 ml at concentrations corresponding to 0.1 normal standard solutions, which leads to milligram amounts of waste per analysis.
  • a miniaturization of the classic dimensional analysis can be used to reduce the waste.
  • test strips only require the user to simply immerse them in the sample and then read off the concentration based on a color or an intensity of color.
  • Such test strips are now available for a large number of analytes in the field of medicine, environmental protection, production control, etc.
  • the problem with the rational test strips is that the time period for immersion and the way in which they are removed by stripping off excess sample volume is precisely prescribed and must be observed.
  • the respectively analyzed sample volume is determined by a liquid absorbing material and is therefore very prone to errors. For this reason, only semi-quantitative results can be achieved.
  • the subsequent visual analysis is not standardized.
  • a number of Known can influence the quality of the results (W. Majunke, pocket paper volume 5, page 161, Springer Verlag, Berlin 1985). Different lighting conditions, disturb the inherent colors of the samples, differently accurate observance of the reading times and individually different color discrimination capabilities result in further error possibilities which stand in the way of a reliable rapid test.
  • test strips are immersed for too long, they lose their special analyte-selective reagents in the sample and give incorrect results. If the rounding of the edge of the beaker is too strong for stripping, more sample remains on the test strip than was calibrated in. It is also difficult to standardize simply wiping with other aids.
  • the most common example of this analysis technique is the measurement of the blood sugar content.
  • a drop of capillary blood is applied to the surface of the test strip.
  • the whole blood is filtered on the multi-layer test strip, separated from the red blood components and then spatially separated the analyte glucose with immobilized glucose oxidase is converted to gluconic acid and hydrogen peroxide.
  • High molecular and cellular components remain and are wiped off the test field after the exposure time (one to two minutes).
  • the amount of hydrogen peroxide formed is proportional to the glucose concentration.
  • Hydrogen peroxide in turn functions as an oxidizing agent for a reaction between two organic molecules, which then form a proportional amount of a green-blue colored azo dye.
  • the sample is transported here by means of the capillary action of the carrier materials.
  • the measurement of the blood sugar content has thereby become as simple as a pH value measurement using an indicator paper.
  • a photometer can show instabilities in the excitation light source.
  • the intensity of the reflected light depends on the intensity of the incident light. Therefore, in quantitative evaluations, the measurement must be based on the intensity of the incident light.
  • the discoloration or color intensity to be evaluated can, for example, be negatively influenced by the matrix of the sample, as a result of which the slope of a calibration line varies and the method of standard addition must be used.
  • the reflection photometers for evaluating certain test strips usually work at a fixed wavelength in order to make them compact and therefore portable. However, their area of use is thus limited to this spectral range. They cannot take advantage of the variety of known reagents and are not suitable for different indicators.
  • the dry chemical test strips can generally also contain other additives or auxiliaries (e.g. buffers, masking reagents,
  • Stabilizers etc.
  • These substances eliminate cross interference from other substances in the sample matrix and stabilize the staining.
  • All dry chemical methods have in common that the concentration determination (quantitative analysis) over 40 a color (ie wavelength-dependent) or color intensity evaluation is carried out. If one wants to measure different colors (eg in multi-analyte measurements), such a device must contain a monochromator and is complicated accordingly. Because of this expenditure on equipment, there are hardly any measuring devices which can objectively measure different colors of the different test strips. This considerably complicates the precise quantitative on-site multi-analyte analysis using test strips or sticks.
  • the invention is based on the object of a method and a device for calibration-free marriage.
  • AA mix or biochemical rapid analysis to create, which allow highly accurate dimensional analysis with low procedural requirements.
  • the high reagent consumption of the analysis methods of the prior art is to be reduced and a simple integration of additional method steps supporting the analysis method is to be made possible.
  • the known sample volume and the known chemical equivalent are used of the titrator, a series of spatially separated and quantitative titrator-titrand reactions are carried out, the individual titrator-titrand reactions differing at least in one of the two sizes of sample volume and chemical titrator equivalent.
  • This method is based on the implementation of a measurement analytical titration series, the equivalence point being set differently from reaction to reaction.
  • concentration-proportional intensity measurement known from the prior art is achieved according to the invention by a miniaturized replaceable and much more accurately readable absolute equivalence quantity determination replaced.
  • the determination of the titrator amount equivalent to the analyte concentration, ie the corresponding chemical titrator equivalent can be reduced to a simple and quick determination of the location or distance.
  • the reaction in the series of reactions in which there are equivalent amounts of analyte and titrator must be determined.
  • the individual titrator-Titrand reactions of the reaction series can differ, for example, at least in that, with a constant sample volume, the titrator equivalent is changed incrementally (ie in known, not necessarily constant increments) from reaction to reaction or alternatively with a constant titrator equivalent the sample volume is changed incrementally.
  • both can also be changed simultaneously from reaction to reaction, that is to say both the sample volume and the amount of titrator used for the reaction.
  • the number of reactions required for the rapid test according to the invention depends on the application in question, the detection range and the desired accuracy. In principle, a single sample volume with an equivalent amount of the titrator corresponding to the relevant limit value is sufficient to determine whether the limit value has been exceeded. In order to increase the test accuracy and to reduce systematic errors, a statistically safe exceeding of the limit value can only be assumed if a large number of reactions 43 give a specific signal. This signal can be, for example, an optical indicator envelope or an electrochemical signal. The redundancy with regard to the number of reactions taking place increases the reliability of the rapid test extraordinarily without the analytical effort or, with corresponding miniaturization, the chemical waste increasing accordingly.
  • the present invention solves the basic problem of all so-called relative analysis methods and classic rapid tests which are based on a signal intensity measurement which is susceptible to interference, because according to the invention only an easily detectable absolute signal change (for example an indicator change) or beginning and to distinguish the end of a marked zone or an analytically relevant marking from a background.
  • This makes calibration-free, absolutely measuring rapid tests possible for the first time, the accuracy of which only depends on the choice of gradual titrant dosage and / or sample aliquoting. Since the sharpness of the detection of a signal change in the dimensional analysis is known to easily amount to 0.1 relative% of the equivalent volume, extremely precise measuring systems can be constructed if, for example, 1000 micro-reactions are carried out in a suitable spatial arrangement .
  • the titrator equivalent and / or sample volume are preferably incrementally changed between spatially adjacent titrator-titrand reactions.
  • a signal change for example an indicator change
  • the analyte content of the sample must therefore lie exactly between these two known values. It is also advantageous to arrange the reactions in a series of increasing or decreasing sample volumes or titrator equivalents, because if the distance between two neighboring reactions remains the same, the evaluation becomes clearer and is printed on the reading of a distance or an adjacent one Scale runs out.
  • each reaction site can have an analyte concentration value in arbitrary units (mol / l, g / 1,%, ppm, ml / dl etc.) can be assigned.
  • the amount of chemical equivalence of the analyte currently present in a sample can be read, for example in absolute mol units, simply and precisely, in accordance with the selected graduation of the titrator. This in turn has the effect that all reactions in which the analyte is present in a stoichiometric deficit show a different signal than those in which the titrator is present in a stoichiometric deficit.
  • the signal intensity only determines the sensitivity with which the start and end of a measurement path or a location can be localized, intensity fluctuations, for example, of a light source used for reading, in contrast to the known opti ⁇ evaluation methods, no falsification of the measurement result.
  • Sampling and volume dimensions are preferably carried out simultaneously for all titrator-titrand reactions of the reaction series. In this way, a uniform sequence of the individual reactions can be guaranteed.
  • the method according to the invention can be carried out with any sample volumes and titrator equivalents.
  • the method according to the invention also makes it possible to advance into the micro- and nanoliter range and to use micro- or nano-equivalents of the titrator. This stems from the fact that, as will be explained in more detail later, the method according to the invention can in particular also be carried out using microstructured test kits. Appropriate micro systems can be used to penetrate the areas of ultra-micro analysis.
  • the result of the concentration determination using a plurality of titrator-titrand reactions can be determined in various ways.
  • the concentration can be determined visually. Extreme miniaturization, however, reaches the limit of readability with the naked eye.
  • an evaluation device is used here which shows the reaction result greatly enlarged.
  • An advantageous arrangement arises from the fact that a strongly magnifying projection, similar to a hand slide viewer, is carried out. ⁇ l leads. If only the position of the signal envelope is important, simple devices operating with daylight can also be used.
  • such a determination of the concentration can be advantageously measured automatically and in absolute concentration units by means of a suitable so-called barcode reader, which has to detect differently colored areas, by means of detectable electromagnetic radiation.
  • the bar code reader only counts the number of reactions up to the equivalence point reaction, which amounts to an absolute, digital analysis.
  • the reading of the analytical equivalence concentration (location determination) is not only limited to the visible range of the electromagnetic spectrum.
  • further equivalence (end point) determination methods can also be used.
  • such a determination can also be carried out electrochemically (for example, amperometric or potentiometric) by means of an individually addressable electrode array which is brought into contact with the individual reactions.
  • auxiliaries such as buffers, masking or complexing substances, stabilizers or reaction accelerators can be mixed with the titrator or the sample before the titrator-titrant reactions or only during the titrator -Titrand reaction are added.
  • additional neutralization, complexation, oxidation, reduction, separation or gas washing steps and / or sensitivity and selectivity-increasing chemical and / or biochemical analyte recognition reactions and / or chromatographic or electrophoretic separation operations are carried out.
  • Separation operations can be carried out, for example, with the aid of filters or gas-permeable membranes, amplifications, for example, using the PCR method.
  • Separations which can be used are, for example, gas-liquid or liquid-solid separations, separations of a chromatographic type (for example GC, LC, IC, RP-LC, gel, paper, thin-layer, affinity chromatography) or extractions.
  • a chromatographic type for example GC, LC, IC, RP-LC, gel, paper, thin-layer, affinity chromatography
  • a device comprises a sampling module with a plurality of sampling devices and a titration module with a plurality of spatially separated reaction areas, the individual sampling devices being loaded with different sample volumes and / or different in the area of the individual reaction areas immobilized chemical titrator equivalents and the respective sample volumes and respective titrator equivalents are known.
  • titrator equivalents are immobilized in or on the preferably linearly arranged reaction areas.
  • Such an arrangement allows the result of the concentration determination to be read quickly.
  • shows a clearly visible envelope between two reaction areas, the equivalence concentration of which is precisely known.
  • the analyte content of the sample must consequently lie between these two equivalence concentrations.
  • the determination of the concentration can be further simplified by applying a scaling in the area of the reaction areas.
  • the titrator can be immobilized, for example, as a dry chemical substance or as a gel, suspension or as a drying liquid in the area of the reaction areas. If the sampling module and titration module are integrated, the titrator can also be immobilized in the sampling devices themselves, if necessary, neglecting the intrinsic volume.
  • the spatial arrangement of the sampling devices in the sampling module can be correlated with the position of the reaction areas.
  • both sampling devices and reaction areas can be arranged in the form of congruent matrices.
  • the reaction areas can be designed in different ways. It is thus possible to design the reaction areas as depressions in the titration module, each with the same or different capacities. For example, given constant sample volumes and the same capacity of the wells, different titrator equivalents can then be arranged in these reaction areas. Alternatively, it is conceivable in the case of depressions with, for example, progressively increasing capacities, these with different volumes 2C to fill a titrator-indicator mixture, for example. In both alternatives, the chemical titrator equivalent immobilized in the area of the respective reaction area increases from deepening to deepening. The shape of these depressions (reactors) is irrelevant as long as the diffusion of the sample is not influenced too much.
  • a decisive advantage of the device according to the invention for determining the concentration is the simple miniaturization. Using modern structuring techniques, recesses with a capacity in the micro and nanoliter range can be created in suitable materials such as silicon or plastic. Microstructured devices according to the invention allow drastic savings in terms of the chemicals used and thus lead to a significantly lower waste load. The disposal costs decrease accordingly.
  • reaction areas structured in this way can have the form of rings or honeycombs.
  • the reaction areas can be defined by means of the screen printing technique, but also the immobilization of the titrator can be carried out.
  • Quantities of the component to be immobilized increasing from reaction area to reaction area can be applied, for example, by a multiple printing process.
  • the component to be immobilized is preferably in the form of a gel capable of drying.
  • paper or plastic foils are suitable as substrates for such film techniques.
  • layer can be applied to printing processes to define the reaction areas and to immobilize the titrator.
  • the appropriately printed substrate can be enclosed in a heat-polymerizable film.
  • reaction areas are preferably arranged in a linear manner, a two- or three-dimensional matrix arrangement or a circular, spiral or helical arrangement of the reaction areas on or in the titration module is also conceivable.
  • concentration can be determined analogously to reading a clock.
  • the reaction areas and the associated sampling devices can be designed as a two-dimensional, planar arrangement (for example 30 rows and 30 columns in credit card format).
  • the analytical reagent positioning and grading can proceed in such a way that, for example, horizontally there are larger concentration jumps between the individual reaction areas and the vertical jumps divide these larger jumps into smaller ones.
  • the micro-system technology also allows three-dimensional structures, for example cubes with two-dimensional arrangement of the reaction areas in question, to be designed. In this way, six concentration decades of an analyte can in principle be covered by the six sides of a cube or six analytes can be determined in parallel.
  • the volume of the reac- tion areas per side of the cube advantageously change the concentration of the analytical filling solution per side in accordance with the desired dynamic measuring range.
  • the individual sampling devices of the sampling module are preferably designed as cavities such as pipettes or capillaries with the same, different or variable capacities and are filled with known sample volumes.
  • the sampling devices can also be designed as sample collection devices with, for example, capillary feed lines for filling.
  • sampling devices can be formed as recesses arranged in matrix form with dimensions in the micro or millimeter range in a material with hydrophobic surfaces.
  • the hydrophobic surfaces ensure precise sampling, as excess sample quantities after filling the
  • Sampling devices do not stick in the area of the openings.
  • the hydrophobic surfaces also ensure the complete quantitative transport of the sample volumes to the reaction areas. The quantitative transport is therefore important because the sample volume reacting in the reaction areas must be known exactly for the highly precise determination of the concentration.
  • sampling devices immersion in the liquid or gaseous sample, for example, is sufficient so that a defined and known sample aliquot is subsequently produced by capillary forces, diffusion, gravity, centrifugal force, mechanical piston force, pressure differences or a transport liquid can reach the reaction areas.
  • the penetration of the sample into the sampling devices must be controllable for the precise measurement of the sample volumes.
  • the sampling devices should be closable on the side facing the sample. This can be done using a wide variety of valves or micro-valves (actuators), which can be moved, for example, electrically or magnetically.
  • An advantageous, energetically passive form is that of a non-return valve at the entrance of the sampling device, which is closed in that a swelling substance previously attached to the entrance firmly closes the non-return valve.
  • the use of self-dissolving membranes is also conceivable.
  • Passive magnetic valves which can be controlled from the outside by means of external magnetic fields, are an advantageous solution for gaseous samples, which usually also require larger pipette spaces. The contact time, ie the
  • a further preferred form of the valve-like control uses displaceable spacers with suitable cutouts between at least two interfaces with corresponding openings for filling and emptying the measurement volumes formed by the cutouts.
  • the sampling devices can be designed as diffusion tubes and can be connected to a module containing a collection phase for gaseous analytes.
  • the gaseous analytes are chemically bound in the module and subjected to further process steps after a certain collection time.
  • the concentration determination method according to the invention can be simplified by integrating the sampling and titration module (or the corresponding method steps).
  • the sampling module and the titration module accordingly form a unit, the reaction areas being formed within the sampling devices.
  • the sampling devices can be closed on the side facing the sample after the sampling.
  • a particular advantage of the device according to the invention is that by combining modules which are designed to match one another, arbitrarily complex rapid test arrangements can be put together.
  • the individual modules are preferably designed in such a way that channels can be opened and closed among one another by means of displacements which are planned according to the invention.
  • the individual modules can be in direct contact (planar surface).
  • thin, displaceable spacers e.g. made of Teflon
  • volume-defining recesses can also be placed between them as a seal.
  • a preparation module is preferably arranged between the sampling module and the titration module.
  • the sample volumes are transported from the sampling devices in the sampling module through the preparation module to the reaction areas of the titration module, preferably on a micro or millimeter scale.
  • steps such as oxidation, reduction, gas expulsion, electrophoretic or chromatographic separation, chemical or biochemical analyte detection, amplification or separation can be carried out.
  • the preparatory 2 poule can be configured, for example, as a permeable membrane, as a filter, as a chromatography column or as a spacer between two planar interfaces, which has flow channels or diversions.
  • biochemical reactions which operate according to the key-lock principle (for example enzymatically or immunologically with redox derivatives, ELISA method-analogous or amplifying, for example by substrate) Cyclization or by means of PCR technology) preceded by the analytical quantification.
  • Antibody molecules that are not saturated at the binding site can also be used as titrators for the analytes in reaction areas in the form of affinity columns of different but known analyte binding capacity.
  • the breakthrough concentration corresponds to the equivalence point.
  • the selective mixtures of known gas test tubes, for example showing organic compounds, can be used as indicators.
  • affinity columns can also be constructed in which the analyte-specific antibody molecules introduced there are 100% saturated at the corresponding binding sites with a derivatized form of the analyte, but the actual analyte has a much higher affinity constant than its deri vat.
  • the derivatized molecular region of the analyte should be detectable by means of measurement analysis methods.
  • a stable redox group eg ferrocene, ascorbate, quinone
  • This redox group is displaced stoichiometrically in proportion to the analyte content from the affinity column in the course of the parallel reactions and, as explained above, can be detected precisely in equivalents (mol units) in the reaction areas using corresponding redox reagents.
  • the affinity column can also be combined with the sampling device (eg pipette). Examples of this are so-called capillary fill devices.
  • the individual modules of the overall device can be made from recyclable materials, such as plastics (plexiglass, polypropylene, PET, polycarbonate, PE or other types that can be structured precisely), silicon, ceramic (green tape technology), paper or paper-like Chen materials exist. It is possible to apply the modules as planar devices on a flexible substrate (plastic film, hot-melt film, paper), which is rolled up and brought into contact with the sample, for example, and rolled out to read off the analyte concentration in question.
  • plastics plexiglass, polypropylene, PET, polycarbonate, PE or other types that can be structured precisely
  • silicon green tape technology
  • paper or paper-like Chen materials exist. It is possible to apply the modules as planar devices on a flexible substrate (plastic film, hot-melt film, paper), which is rolled up and brought into contact with the sample, for example, and rolled out to read off the analyte concentration in question.
  • the individual modules are, for example
  • Thick film techniques such as screen printing, structured or microstructured using injection molding, CNC technology or LIGA processes or using semiconductor structuring processes such as photolithography.
  • both the most precise micro-pipettes and the micro-reactors with precisely controlled volumes can be produced easily, inexpensively and with very small deviations.
  • This also applies to the LIGA technology, which is not limited to silicon, but also enables inexpensive injection molding solutions in plastic. With dosing accuracies in the% range, thick film technology can also be used.
  • the titration module is preferably designed as a planar support with a layered (laminate) structure (eg paper strips in credit card format).
  • a shell-shaped or tubular, circular, spiral, spherical or cube-shaped structure is also conceivable.
  • An advantage of semiconductor or LIGA technology is the fact that the individual modules can be produced together in a single work step.
  • the micro-system technology also enables precise metering and positioning of the analytical reagent.
  • the analytical reagent does not necessarily have to be a stable reagent.
  • the individual function modules are preferably structured in such a way that the titrant can penetrate the preparation module or the titration module by mutually displacing the modules or an intermediate spacer with corresponding recesses. Moving can open and close channels.
  • pistons can also be provided which displace the sample volume from the sampling devices in the direction of the reaction areas.
  • the pistons can be integrated in the sampling module or in a modular module that is separate from the sampling module Be trained.
  • a multi-pipette block with different pipette volumes and injection openings can be produced, in which all pipettes are filled by injection of the titrator (including the indicator and, if applicable, of auxiliary substances) and then, after being placed on appropriately designed micro-reactors, with constant and known amount of sample by means of a displacement of spacer valves the outflow of the different titrator amounts takes place in the reactors.
  • spacers, sliding layers or separating foils can advantageously be located on or between the individual modules.
  • a known sample volume is reacted with at least one titrator immobilized with a known chemical equivalent density and the titrant concentration is determined by measuring the geometric dimensions of the partial region of the immobilized titrator in which a specific titrator-titrand reaction taking place quantitatively and quantitatively has taken place.
  • the equivalent density here denotes the immobilization density of the titrator, for example in mol / cm or mol / cm 2 .
  • the analyte concentration is not determined via signal intensities susceptible to interference, but preferably by dimensioning one one-dimensional (linear) geometric range or reading a scale.
  • the sample solution moves in the layer of the immobilized reagent due to, for example, capillary, heavy, piston stroke or centrifugal forces and is successively titrated (more precisely: back-titrated, since first the excess of the titrator must be eliminated by the diffusing amount of analyte), the stretch of the excess analyte then showing a color when an optical indicator is used.
  • the length of the stained section can be used to infer the analyte concentration.
  • the color itself or the constancy of intensity of the specifically stained zone is irrelevant for determining the concentration, since the concentration is determined by measuring the distance or area.
  • the color intensity only determines the sensitivity with which the beginning and end of the measuring section can be recognized. Only when the analyte has completely reacted on its way with the titrator fixed there, is it selected with a selective one
  • thin-layer chromatography can also be converted according to the invention into a simple-to-measure absolute method if diffusion barriers prevent the diffusion of the analyte or analytes transversely to the direction of flow of the mobile phase and thus only allow diffusion in one direction. Suitable diffusion barriers are all materials with a diffusion coefficient which is negligible with respect to liquids, for example solids.
  • the novel, Miniaturizable multi-analysis methods significantly expand the traditional thin-layer chromatography method with regard to the accuracy and simplicity of the evaluation.
  • the length or area measurement of the titrator-Titrand reaction can also be carried out visually, electrochemically or by means of optical evaluation methods such as barcode readers or analogously to CD players.
  • the width of the staining zones can be determined using a barcode reader. Fluorescent zones (active fluorescence) or zones with extinguished fluorescence (negative fluorescence) can also be measured.
  • the sample volume can be subjected to oxidation, reduction, gas expulsion, electrophoretic or chromatographic separation, chemical or biochemical analyte detection, amplification or separation and then brought into contact with the immobilized titrator.
  • oxidation, reduction, gas expulsion, electrophoretic or chromatographic separation, chemical or biochemical analyte detection, amplification or separation and then brought into contact with the immobilized titrator.
  • the titrator channel preferably has a linear shape. Circular or spiral channels are also conceivable.
  • the titrator channel length is typically 1 to 20 cm.
  • the dimensions of the channel in the running direction can be varied, which increases the detection area.
  • the titrator channel is preferably a capillary channel.
  • the capillary action of narrow channels increases the flow rate of the eluent and thereby considerably shortens the analysis time (compared to conventional chromatographic methods).
  • Typical titrator channel diameters are in the ⁇ m range.
  • the titrator channel can be preceded by a preparation channel in which the process steps already mentioned, such as separations, oxidations, etc., take place before the actual titration.
  • the sample is then only brought into contact with the titration channel, passes through it and finally reaches the titrator channel, in which the actual titration then takes place.
  • the amount of sample taken may not be sufficient to reach the determination zone after the separation zone.
  • the test device is dipped into a solution after stripping off a wetting layer, which solution then represents the chromatographic mobile phase.
  • the latter is preferably transported to the determination zone by pure capillary forces or by piston stroke.
  • the analyte separated from the other constituents is titrated two-dimensionally, as previously described (quantification zone for the absolute determination). Since the analyte flows horizontally through the channel filled with the titrator, similar analyte concentrations can also be used with a constant cross-sectional volume. According to the invention in non-electrophoretic separations Adjust the grain size of the stationary phase to the channel cross-section. Channels in the ⁇ m range require a nanoporous stationary phase for optimal function. The channels can be operated open or covered. In the case of a dense cover, the stationary phase expediently fills the entire cavity formed by the channel and the cover. In a further embodiment, the mobile phase dissolves the substances on the top of the cover for substance detection and distributes them by diffusion over the entire cross section.
  • the sample volume can be loaded into the titrator channel via a sample channel, which is more in contact with the at least one titrator channel.
  • the sample can be transported via capillary forces, hydrostatic or other pressure (e.g. by a piston movement).
  • a cover can be provided for the titrator channel, in which a sample channel is formed.
  • the sample channel can be a capillary channel.
  • the position of the optically marked strip provides information About the type of substance (different titrator substances) or about the respective concrete sample (same titrator substances) and the stained or non-stained section is proportional to the concentration (quantitative analysis).
  • the geometric shape of the chromatographic channels is less significant. Semicircular, oval, V-shaped, trapezoidal and rectangular depressions (channels) of constant depth on a wide variety of substrates (e.g. glass, ceramic, silicon,
  • Plastic, metal, etc. which can be filled with the common and known chromatographic stationary phases.
  • Multi-channel devices can be read out, for example, by means of a barcode reader.
  • a barcode reader After a start signal at a constant line scanning speed (scan rate), a barcode reader receives a further signal, the time delay of which represents the type of substance and the time duration (stripe width) depends on the concentration of the analyte. Further staining zones correspond to further samples or other substances which can be measured simultaneously with or without additional selectivity-generating reagents.
  • this evaluation can also be carried out in special measuring devices which move the separating sections past an analog optical read head analogously to a CD player. In this way, beams with many channels in particular can be measured very quickly.
  • Circular channels In the case of circularly arranged channels, device structures very similar to a CD player, which evaluate thousands of analyzes in a few seconds, are possible. Circular channels However, especially in the case of electrophoresis, special start and end zones with electrolyte contact for transmitting the electrical field are required.
  • the substances to be determined in parallel are expediently optimized according to the particular application.
  • the so-called electrolytes are determined in parallel.
  • glucose with lactate, creatinine, urea and uric acid can be determined simultaneously if the oxidases in question are immobilized as reagents, which generate a quantity of hydrogen peroxide corresponding to the analyte stoichiometrically using the co-substrate oxygen.
  • this is "two-dimensionally titrated" with an immobilized reducing or oxidizing agent based on a redox titration.
  • the carrier for devices according to the invention can be structured or microstructured using thick film technology such as screen printing or using the LIGA process or using semiconductor structuring processes such as photolithography. If silicon is used as a support for the channels, a very large number of narrow, preferably parallel channels can be produced very simply and uniformly by photolithography and anisotropic etching using the known techniques of microelectronics.
  • the well-known LIGA technology can be used for plastic carriers, which enables the same. Structuring by means of injection molding or CNC technology is also possible. Quartz, glass, metal and other solid bodies can also be scratched or etched accordingly using known techniques. But there are also circular shaped channel arrangements possible. In theory, well over ten parallel analyzes can be carried out per cm of beam width.
  • FIG. 1 a planar, test strip-shaped device made of a transparent plastic for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 2 the structure of a titration module and a sampling module with variable but known volumes of the sampling devices
  • FIG. 3 a device for the simultaneous analysis of a sample for different analytes
  • FIG. 4 possible arrangements of the reaction areas on or in a titration module
  • FIGS. 5, 7, 8, 9 the construction of further devices according to the invention with a large number of reaction areas
  • FIG. 6 a device for the simultaneous analysis of a sample for different analytes or for the simultaneous analysis of several samples
  • Figure 10 the sample transport in a device according to the invention by means of piston technology.
  • the following exemplary embodiments primarily consider microstructured systems which, owing to the low consumption of chemicals, are particularly suitable for the process according to the invention.
  • the structure consists of a planar, test strip-shaped arrangement made of a transparent plastic with dimensions of approximately 1 x 0.5 x 10 cm (W x H x L). Such an arrangement is outlined in FIG. 1.
  • the arrangement consists of a sampling module 1 with a one-dimensional matrix of sampling devices 6 according to the invention in the form of micropipettes with a constant and precisely known volume in the microliter range.
  • the scaling 5 of the dimensionally analytical micro or nano equivalents of the titrator which is located in the reaction areas 4a, is attached to the sampling module 1 due to the transparent material.
  • the micro-capillaries 6 are sealed with a separating film 7 at the bottom.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 1 A possible mechanism for the sample transport by means of a piston is outlined in FIG.
  • the exploded view shows views and corresponding cross sections of an individual titration reactor of a modularly constructed analysis device having a plurality of reaction areas.
  • the reaction area 4 is designed as a recess in a titration module 2.
  • the dissolved or immobilized titrator substance and possibly an indicator are arranged in this recess.
  • a separating film 7 and a sampling module 1 are arranged above the titration module.
  • the sampling module 1 has a large number of sampling devices 19 configured as sample collection devices, which are connected to capillary feed lines.
  • a plate 18 is arranged above the sampling module 1 and has a number of thrust pistons corresponding to the number of sample-taking devices 19.
  • the thrust pistons have thorns. Between the plate 18 and the sampling module 1 there is a spacer 17 which has recesses for guiding the piston and also serves as a cover for the sampling module 1.
  • the sample volumes in the sampling devices 19 are conveyed into the reaction areas 4 in that the thrust pistons force the samples out of the sampling devices 19 downwards and at the same time pierce the separating film 7 with the spikes attached to the individual pistons.
  • the individual reactions can be evaluated in different ways. Instead of a visual equivalence point determination with the aid of a suitable indicator in the microreactors, it is also possible, for example, to carry out an electrochemical indexing which is not shown in the figures.
  • the microchemical, dimensional analysis conversions take place in a module located above.
  • indicators can be omitted.
  • the sample volumes flow after the analytical reaction in a separate module into the reusable measuring module with a number of electrochemical measuring cells corresponding to the number of micro-reactors.
  • Each of these measuring cells can be electrically contacted via contacts embedded in the floor and measured in terms of conductivity, pH value or redox value.
  • the electrochemical equivalence point reader is reusable after rinsing. It is completed by a precise fitting of the reaction module, the sampling module and a sample preparation module possibly arranged in between to form a rapid test arrangement.
  • FIG. 2 outlines the structure of a sampling module with variable but precisely known volumes of the capillary pipettes 6.
  • the wedge shape is not to scale.
  • their diameter can also be changed so that the aliquotization can be changed by a factor of 100. If the capillary pipettes 6 are too long, however, the production technology of the LIGA method is not possible.
  • the interior tubes are drilled, which can be done, for example, using classic precision engineering, or using a laser.
  • the sampling module with variable aliquotization shown in FIG. 2 is reusable. To do this, the module is flushed with the new sample using a syringe.
  • the two cover plates arranged on guide rails and provided with connecting capillaries 8 connect the individual capillaries 6 alternately below and above in such a way that the capillaries 6 can be filled by means of a single flush. Due to the variable sample aliquotization, the Sanne11 test system allows the dimensionally analytical titration equivalents in the micro-reactors 4b to remain constant in the titration module.
  • FIG. 4 shows further arrangements of reaction areas 4a, 4b for receiving different or the same chemical titrator equivalents.
  • the individual micro-reactors of the device according to FIG. 2 are filled with the individual sample volumes simultaneously by the two cover plates provided with connecting capillaries 8 being shifted laterally.
  • the micro-reactors 4b can also be accommodated on a paper-like support.
  • a rapid analysis with variable sample volume and constant titration equivalent in the micro-reactors comprises the steps of immersing the sampling module in the sample, placing it on the electrochemical measuring module with the interposition of a suitable foil with the one to the rich constant immobilized amounts of the titrator, opening the sample channels and the sealing of the analytical reagent and the rinsing into the measuring cells, the measurement of the measuring cell matrix to determine the location of the greatest change in the measuring signal and the reading of the equivalence concentration of the analyte present there.
  • FIG. 7 shows a further variant of the device according to the invention.
  • the micro-capillary pipettes 6 (shown in a top view and a side view) can be connected to the micro-reactors 4 a by precisely fitting displacement.
  • FIG. 7 also shows a three-dimensional representation of a micro-reactor.
  • FIG 8 outlines the structure of a composite arrangement of two modules.
  • the sampling module 1 consists of a ceramic injection molding with drilled pipette channels. Immobilized reagents 12 for sample preparation are housed in a corner of the channels.
  • the surface 13 is hydrophobic.
  • the carrier material is closed off by a base plate 14.
  • FIG. 9 shows schematically the top view and side view of a further module 15 with micro-chambers 16 still closed, which can be opened if necessary.
  • the embodiment 2 discussed next describes the determinations of the acid or base concentration by means of a system configuration from individual reactors.
  • the material that can be structured using LIGA technology is a linear matrix of micro-reaction chambers with increasing volume and associated capillary-filling pipettes with overall dimensions of 10 ⁇ 1 ⁇ 0.5 cm (L ⁇ W ⁇ H) ) realized.
  • the microchambers reactors with filling volume on a micro and nanoliter scale, diameter typically 0.1 mm
  • these can also be produced with open-bottom chambers, which then, after filling, using a wide variety of techniques be closed with an optically permeable base plate.
  • filling with amounts of the titrator corresponding exactly to the chamber volume is carried out, for example, by means of a dispenser.
  • the filling can also be carried out by immersion filling in a standard solution, preferably in gel form, of a low-volatility alkali or acid, to which a suitable pH indicator is added.
  • immobilized alkalis are, in addition to the known basic alkaline substances such as alkali carbonates, also substances, for example strongly or weakly basic ion exchangers, which can bind protons on their surface (for example by means of amino groups).
  • immobilized acids are, in addition to the classic acidic Urtiterub ⁇ substances such as hydrogen sulfate and phosphate, among other strong or weakly acidic ion exchanger (for example with
  • titrations can of course also be carried out on a nanoliter scale if the titrator is only covalently attached to the differently sized chamber surfaces. If such a test device is immersed in the sample to be measured, then at the same time all, depending on the desired graduation, more or less numerous, micro-pipettes are filled by the capillary action. Active filling of the pipettes by a controlled piston stroke is also possible (cf. FIG. 10).
  • the further transport of the sample into the micro-titration chambers located below in each case in exemplary embodiment 2 is started by either piercing a sealing film or the micro-reactors in the titration module a self-dissolving layer are covered.
  • the titration can also be triggered by a controlled displacement of the sampling module or a spacer provided with cutouts by opening suitable channels. The analyte then reacts with the precisely known amount of the base or acid standard present in the micro-reactors, with the indicator color changing only there depending on the acid or base concentration in the sample. where the equivalence has been exceeded.
  • the absolute concentration of the analyte can then be read off precisely on a scale attached to the side.
  • the sample can also be transported by a mechanically or otherwise initiated capillary action or by immersion in a development liquid with or without auxiliary reagents. It is also conceivable to fill the micro reaction chambers by means of vacuum or excess pressure.
  • a suitable and uniform pH indicator which corresponds to the acid or base strength (pK value) to be determined, there are uniform staining areas (titers) With the micro-reaction with or without a stoichiometric analyte excess), which can also be evaluated automatically as a digital yes-no answer (with regard to reaching the end point).
  • the classic titration of an acid to be determined with an alkali (or vice versa) is converted into a series of parallel and separate micro titrations of controlled, varied titrator equivalents, which are changed by the type of
  • the arrangement of the micro-titrations enables a digital or distance-based evaluation similar to that of the volume reading on a burette.
  • the advantage according to the invention lies in the fact that only the position of the still stained zone with the highest immobilized alkali content has to be determined for the exact determination of the concentration, all other information is therefore redundant. It is also advantageous that the difficult and erroneous estimation of the color intensity of the colored zones no longer has any influence on the measurement accuracy.
  • the titration modules that are precisely manufactured in terms of manufacture for an absolute determination of the concentration of acids and alkalis can also be used for gas analysis.
  • carbon dioxide can be reacted with known amounts of sodium hydroxide solution in a micro gas scrubber module.
  • the decrease in the NaOH concentration can easily be determined below.
  • ammonia can be washed out and determined using HCI.
  • the absolute series determination of acids and alkalis is considered by means of a system configuration according to the invention (titration in reaction channels).
  • the preferred embodiment of the invention shown in FIG. 3 differs from the two previous exemplary embodiments.
  • a sample application device 9 on a microstructurable carrier, which is connected to an underlying microchannel 10 of defined dimensions.
  • the entire cross section of this channel is completely filled with the standard titrator reagent, to which a suitable pH indicator is also added.
  • the base plate can again be optically transparent.
  • the analysis sample is pressed by means of an exact microliter syringe over the feed device into the channel which functions as a continuous micro-reaction chamber.
  • the sample plug is pressed into the channel by means of a short rinsing with the same or a second syringe or with an integrated piston.
  • the neutralization reaction then continues in the channel evenly filled with the immobilized titrator until the stoichiometric excess of titrator is reduced.
  • Concentration is determined, as in the two previous exemplary embodiments, by measuring a microchannel section with a known chemical equivalent density of the titrator. The absolute result could consequently be read off on a scale arranged next to the microchannel.
  • markings 11 are shown, which, when the analysis result is continuously read out, for example by means of a barcode reader, allows the respective measurement result to be assigned to the analyte under investigation.
  • the sample can also be transported on impregnated blotting paper.
  • the embodiment described can also be sealed in a hot-melt film with the aid of a suitable spacer.
  • the following exemplary embodiment 4 outlines the determination of an analyte with redox properties by means of a "two-dimensional redox titration".
  • the reducing agents required for this purpose are immobilized in the micro-reactors when an oxidizing agent is determined.
  • a suitable oxidizing agent with known chemical equivalents is used. density arranged there.
  • Known redox indicators are used as indicators. In some cases, the redox titrator that has been chemically converted or is still present in excess also shows itself. Examples of this are permanganate, chromate, iodine, etc.
  • Oxidizing agents with a standard potential more positive than + 0.35 volt can be used with immobilized potassium iodide and approximately strength (eg 0.05 M KJ with 5% strength) very well with both absolutely quantify devices if a reducing agent with a more reducing effect as titrator is immobilized together therewith.
  • GKE + 0.35 volt
  • Hydrogen peroxide is very often measured in biochemical processes. This is possible with great accuracy using the exemplary embodiment described here. Free hydrogen peroxide, which generates elemental iodine, is only present after the equivalence point of the reaction with the immobilized reducing agent has been exceeded. The elemental iodine produces an intense black color with the starch. All reducing agents that can be immobilized in the micro-reactors, such as titanium (III), iron (II) salts, arsenite, thiosulfate, oxalate, ascorbic acid, etc., can also be used as reducing agents together with suitable other redox indicators. An absolute quantitative determination of hydrogen peroxide is very interesting for all biosensors based on oxides.
  • oxidizing agents with a correspondingly more positive redox potential are immobilized in the micro-reaction chambers.
  • a self-indicating substance such as potassium permanganate or Ce (IV) salts, which fluoresce in UV light, is used for this purpose. Chromate also changes its color from yellow to green.
  • Embodiment 5 deals with the determination of inorganic phosphate by precipitation as aluminum phosphate with a precipitation reactor according to the invention.
  • aluminum sulfate is used as the titrator in an acidic environment.
  • the free aluminum ions with immobilized Morin give an intense green fluorescence under UV radiation. If the analytical aluminum ions are increasingly removed from the phosphate as insoluble aluminum phosphate precipitate from the solution equilibrium, this fluorescence is extinguished. Shortly before the equivalence point is reached, there is a linear relationship between the fluorescence and the residual aluminum content, which can be used in a quantitative intensity measurement for extrapolation calculations (principle of standard subtraction). Alternatively, the end point of this analytical precipitation titration can also be indicated by means of known adsorption indicators, which are able to show the end point more sensitively.
  • appropriately immobilized EDTA is used as the titrator.
  • the titer per micro-reactor must be at a sample volume of 0.1 ml are in the nano equivalent range if samples are to be measured in the ppm range.
  • the buffer that is also to be immobilized should be at pH> 9.
  • the reagent cocktail is used as an indicator, which is also used in the dry chemical colorimetric test strip method. Other selective indicators for cadmium are mentioned in the literature mentioned above.
  • the intensely red-colored iron (III) rhodanide serves as the titrator, which is decolorized in the course of the two-dimensional titration by the formation of a strong iron-fluorine complex.
  • the titrator is therefore self-indicating. If the fluoride is to be measured in the ppm range, sample volumes of 0.1 ml and titrator concentrations in the nanomole range are required per micro-reactor.
  • Embodiment 7 describes the determination of an antibody / antigen partner by means of a micro-channel column
  • This embodiment corresponds to a precipitation or complexometric titration.
  • the antigen immobilized on a surface serves as a titrator. It is present in the microreaction chambers or channels as an associate with a colored antibody with a lower affinity constant than the analyte.
  • a marker HS preferably uses a fluorescent compound.
  • An antigen as an analyte is determined analogously with the associated antibody as a titrator.
  • the latter is saturated with a labeled antibody which has a lower affinity constant than the analyte to be detected.
  • Example 8 deals with the implementation of immunoassays with enzyme labeling by means of an ELISA method.
  • an immunoreactor module is connected downstream of the sampling module.
  • Micro-reactors of this immunoreactor module contain the analyte in enzyme-labeled form bound to its partner. The latter itself is covalently attached to a surface. After opening the connection channels between the two modules, the more strongly bound analyte displaces its enzyme-labeled derivative from the binding sites, which makes the enzyme labeling mobile and can be conveyed into the quantification module with a small amount of liquid. There it reacts for a certain time with the corresponding one
  • the titration module can be constructed analogously to the module for measuring hydrogen peroxide already described.
  • the determination of the chemical oxygen demand (COD value) and the TOC value is sketched using a device according to the invention. SO graces.
  • An embodiment of an acid and heat-resistant sample preparation module loaded with dichromate can replace the extremely environmentally harmful classic COD determination according to DIN and at the same time also provide the TOC value.
  • the individual micro-reactors contain variable amounts of chromate in the micro-molar range. They can be connected by means of a suitable micro connection channel circuit by controlled displacement of the modules against one another and corresponding spacers with micro gas scrubber reactors for measuring the carbon dioxide formed.
  • the micro-scrubbers contain variable amounts of NaOH with the indicator phenolphthalein. After sampling an acidified sample, the aliquots (number corresponding to the desired accuracy) are transferred to the oxidation module. By moving the oxidation module, the connection to the capillary pipettes is interrupted and the connection leading to the individual gas washers is opened.
  • the system is then stored in a drying cabinet at 100 ° C for two hours (DIN).
  • a drying cabinet at 100 ° C for two hours (DIN).
  • water must be offered.
  • either a tub is placed around the sampling capillary, the device is placed in a water bath, or the heating is carried out using steam.
  • the dichromate oxidizes the oxidizable constituents present in the sample aliquots, including organic compounds, and is itself reduced to a green chromium (III) compound. This happens in all micro-reaction chambers in which the chromate is present in a stoichiometric deficit. Suitable indicators for chromate can also be used to increase the sensitivity SA can be added.
  • the COD value can be read off directly on a scale, which is arranged next to the matrix of the micro-oxidation chambers, in mg 0 2 / L. This process reduces the hazardous waste of the DIN process by several orders of magnitude. Simultaneously, however, the micro gas washer can be located, in which the phenolphthalein is becoming colorless. Here the TOC value can be read in absolute units on a separate scale.
  • the organic components of the sample are oxidized to carbon dioxide in the oxidation module by strong oxidizing agents, such as dichromate, cerium (IV), hydrogen peroxide plus UV light etc. at a suitably selected pH value and then transferred into the titration module by means of a gas-permeable membrane and "titrated" as analytical hydrogen-carbonate.
  • strong oxidizing agents such as dichromate, cerium (IV), hydrogen peroxide plus UV light etc. at a suitably selected pH value
  • Embodiment 10 deals with water determination according to Karl Fi ⁇ cher using a solvent-resistant device according to the invention.
  • the known Karl Fischer reagents are immobilized in variable amounts in micro-reactors under anhydrous conditions.
  • the traces of water penetrating into the chambers and in the liquids to be tested react stoichiometrically with the Karl-Fischer reagent, iodine tetravalent sulfur being oxidized to hexavalent and reduced to iodide.
  • iodine tetravalent sulfur being oxidized to hexavalent and reduced to iodide.
  • Exemplary embodiment 11 describes an absolutely measuring enzyme reactor biosensor for glucose.
  • the micro-reaction chamber that is particularly suitable here is the embodiment of the invention, which is based on a micro-channel arrangement.
  • the blood sample is aliquoted via a capillary filling pipette and introduced into the device. From there, the sample flows analogously to FIG. 6 through a zone with immobilized GOD, which can already be located within the micro-reaction channel.
  • the amount of hydrogen peroxide produced stoichiometrically from glucose is to be determined quantitatively by "titration" with standard reduction equivalents.
  • a gel with a defined potassium iodide content is preferably used as the reducing agent.
  • Starch can be used as an indicator.
  • the blood sample flows filtered or unfiltered (the GOD-loaded microreactor acts as a filter for the red blood cells) into the titration and measuring channel.
  • the hydrogen peroxide formed reacts with the analytical reducing agent to form elemental iodine, which is colored deep black by the known iodine-starch reaction until the total amount of hydrogen peroxide has been converted.
  • a section of the titration channel that is strictly proportional to the concentration is colored black.
  • the one in the blood test Existing glucose concentration can be read off on a printed scale in mg / dl or some other concentration (end of blackening).
  • the hydrogen peroxide can also be oxidized by a standard made of potassium permanganate, the potassium permanganate being decolorized to colorless manganese (II).
  • potassium iodide and potassium permanganate are primary titer substances
  • the micro-reactors in addition to a standard amount of titration reagent, the micro-reactors must also contain a suitable buffer and stabilization cocktail, but finding their optimal composition is not a problem for a person skilled in the art.
  • the decrease in the oxygen concentration can also be measured by means of a fluorescence signal from a dye which is quenched by oxygen.
  • the reactors can also be loaded with dehydrogenases or phosphates which, during the reaction with the analyte, release substances which are stoichiometric and accessible for measurement analysis, such as hydrogen peroxide, NADH or phenol.
  • Embodiment 12 describes a quantitative gas dosimeter (passive sample collector) from an invented system configuration according to the invention with gas diffusion collectors.
  • a special sampling module with narrow, long diffusion micro-tubes is used. These are in direct contact or via a gas-permeable membrane in contact with a collection phase in a further module in which the gaseous analyte is chemically bound. After a prescribed collection time, the analyte in its new compound form is washed by filling the diffusion tubes with a suitable liquid from the collection phase and the amount of the compound newly formed from the gas is titrimetrically according to the invention by means of a suitable stoichiometric reaction with or without chromatographic separation operations determined with equivalence point display.
  • an ozone dosimeter can be realized by choosing a measurement analytical reduction equivalent as the collection phase and potassium iodide plus starch as the indicator.
  • the micro-reactor in the titration module which is colored black, indicates that the collected ozone concentration corresponds to the last neighboring reduction equivalent.

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Abstract

The invention relates to a method and a device for determining the concentration of an analyte, analyte mixture or biochemical analyte-equivalent substance (titrant) contained in a sample using at least one selective reagent (titrator). Instead of the concentration-proportional intensity measurement known from prior art, the invention uses an absolute equivalent quantity measurement which can be miniaturised and can be read off with considerably greater accuracy. Measurement of the titrator quantity equivalent to the analyte concentration, i.e. of the chemical titrator equivalent to be measured, is reduced to a simple and rapid procedure for determining a location or line. The reaction in the reaction series, i.e. the point on a titration line, at which equivalent quantities of analyte and titrator are present is determined. Other process steps such as biochemical analyte-identification reactions or chromatographic separations can also be included.

Description

Verfahren und Vorrichtung für hochgenaue chemische Schnellanalysen Method and device for high-precision chemical rapid analyzes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor¬ richtung für hochgenaue chemische Schnellanalysen.The invention relates to a method and a device for high-precision chemical rapid analyzes.
Der Stand der Technik auf dem Gebiet der sogenannten naßchemischen Analyse ist, bezogen auf die absoluten Mengen der miteinander reagierenden Stoffe (Analyt mit Standardlösung) , nahezu der gleiche wie vor ein¬ hundert Jahren, als beispielsweise die Maßanalyse als eine absolute Bestimmungsmethode eingeführt wurde. Bei den sogenannten titrimetrischen Verfahren (Säure- Base-, Redox-, Fällungs-, Komplex-, Assoziations-, Affinitäts-, usw. Titration) werden immer noch Volu¬ mina von typischer Weise 10 bis 100 ml bearbeitet und inzwischen auch mittels automatischer Titratoren mit integrierter Auswertungssoftware titriert. Wenn die Menge (chemisches Äquivalent) des zugesetzten Reagenzes (Titrator) durch das Volumen und den Titer gegeben ist, muß die den zu analysierenden Analyten enthaltende Probenmenge in Abhängigkeit von der Ana- lytkonzentration unterschiedlich dosiert werden, um den volumenmäßigen Titrator-Verbrauch in einem durch die Dosiergenauigkeit limitierten Bereich zu halten. Üblicherweise sollten die Analytkonzentrationen bei einer titrimetrischen Analyse innerhalb einer Dekade liegen. Diese fordert bei der Probenvorbereitung meist entsprechende Verdünnungsschritte.The state of the art in the field of so-called wet chemical analysis is, based on the absolute amounts of the substances reacting with one another (analyte with standard solution), almost the same as one hundred years ago when, for example, dimensional analysis was introduced as an absolute method of determination. In the so-called titrimetric methods (acid-base, redox, precipitation, complex, association, affinity, etc. titration) volumes of typically 10 to 100 ml are still processed and meanwhile also by means of automatic titrators titrated with integrated evaluation software. If the amount (chemical equivalent) of the added reagent (titrator) is given by the volume and the titer, the sample amount containing the analyte to be analyzed must be dosed differently depending on the analyte concentration in order to determine the volume titrator consumption in a Dosing accuracy to keep the range limited. Usually, the analyte concentrations in a titrimetric analysis should be within a decade. This usually requires appropriate dilution steps during sample preparation.
Bei derartigen naßchemischen Maßanalysen wird bei Serienanalysen eine entsprechend große Menge an Ab- fall produziert, der je nach der Umweltrelevanz der zu analysierenden Probe, des Titrators oder der Äqui¬ valenzpunkt-Erkennungsindikatoren oder sonstiger Hilfsstoffe als Sondermüll deklariert werden muß. Bei den weltweit täglich durchgeführten über 100 Mill. chemischen Analysen werden nicht wenige wie oben be¬ schrieben durchgeführt und belasten daher die Umwelt. Ein besonders drastisches Beispiel ist die laut Was¬ serabgabengesetz vorgeschriebene Bestimmung des soge¬ nannten chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB-Wert) , ei- nes operativ definierteren Parameters. Hier wird nach einem DIN-Verfahren bestimmt, wieviel Stoffe in einer Probe sind, die durch eine heiße, saure Dichromat- Standardlösung in einer bestimmten Zeiteinheit oxi¬ diert werden. Dazu muß der Überschuß des Oxidations- mittels auch nach der Bestimmung erhalten bleiben, d.h. es muß hochtoxisches Chromat entsorgt werden. Bei einer zu hohen Chloridkonzentration muß zur Bin¬ dung dieses Anions, welches ebenfalls vom Chromat oxidiert wird, aber keine organische Belastung dar- stellt, außerdem ein Quecksilbersalz als Chloridfän- ger hinzugefügt werden. Diese Verfahren laufen mit Probenmengen von typischerweise 20 ml und Totalvolu¬ mina zwischen 30 und 100 ml bei Konzentrationen ent¬ sprechend 0,1 normale Standardlösungen ab, was pro Analyse zu Milligramm-Mengen an Abfall führt.In the case of such wet chemical measurement analyzes, a correspondingly large amount of waste is produced in series analyzes, which waste must be declared as hazardous waste depending on the environmental relevance of the sample to be analyzed, the titrator or the equivalence point detection indicators or other auxiliary substances. In the over 100 million chemical analyzes carried out worldwide every day, quite a few are carried out as described above and therefore pollute the environment. A particularly drastic example is the determination of the so-called chemical oxygen demand (COD value), a more operationally defined parameter, as prescribed by the Water Tax Act. Here, according to a DIN method, it is determined how many substances in a sample are oxidized by a hot, acidic dichromate standard solution in a certain time unit. For this purpose, the excess of the oxidizing agent must be retained even after the determination, ie highly toxic chromate must be disposed of. If the chloride concentration is too high, a mercury salt must also be used as the chloride trap to bind this anion, which is also oxidized by the chromate but does not represent an organic load. ger can be added. These methods run with sample amounts of typically 20 ml and total volumes between 30 and 100 ml at concentrations corresponding to 0.1 normal standard solutions, which leads to milligram amounts of waste per analysis.
Zur Verringerung des anfallenden Abfalls bietet sich eine Miniaturisierung der klassischen Maßanalyse an. Einer generellen Miniaturisierung der klassischen Maßanalyse sind allerdings praktische Grenzen ge¬ setzt. Der Umgang mit graduierten Volumenmeßgefäßen mit Volumina von weniger als einem Milliliter ist schwierig und die derzeitigen Pipetten im Mikroliter- bereich haben zu große Fehler und sind entsprechend aufwendig konstruiert. Bei einer anschließenden opti¬ schen Bestimmung des Äquivalenzpunktes müssen ent¬ sprechend kleine Strahlenquerschnitte verwendet wer¬ den, was zu apparativen Problemen bezüglich des Streulichtanteils führt.A miniaturization of the classic dimensional analysis can be used to reduce the waste. However, there are practical limits to a general miniaturization of classic dimensional analysis. Dealing with graduated volume measuring vessels with volumes of less than one milliliter is difficult and the current pipettes in the microliter range have errors that are too large and are designed accordingly in a complex manner. In a subsequent optical determination of the equivalence point, correspondingly small beam cross sections must be used, which leads to equipment problems with regard to the scattered light component.
Weil die klassische Maßanalyse bei der Verwendung geeigneter Titratoren (Urtiter-Substanzen mit der geforderten "Tracebility" zum Mol) eine absolute Be- stimmungsmethode ist, die keiner Eichung mittels künstlicher oder natürlicher Standards (zertifizierte Standardreferenzmaterialien) bedarf, wird sie gene¬ rell auch zur Kontrolle beliebiger Eich- oder Kali¬ brierungslösungen für die instrumentelle Analytik eingesetzt. Dem gegenüber bestimmt man heute die mei- sten Analyte anorganischer wie organischer Art durch sogenannte Relativ-Verfahren, die jedoch genau kali¬ briert werden müssen. Bei fast allen analytisch-che¬ mischen Relativmethoden wird die Intensität eines bestimmten Analysesignalε (elektromagnetische Strah- lung, elektrischer Strom, Widerstand oder Potential, oder ein sonstiges, analytproportionales Sensor- oder Detektorsignal) gemessen und mit dem einer Ver¬ gleichsprobe mit bekanntem Gehalt verglichen. Bisher konnte lediglich der letzte Schritt einer chemischen Analyse, nämlich die Vermessung der Intensität eines Analysensignals, durch die apparativen Entwicklungen entscheidend verbessert werden. Zwar gibt es vor al¬ lem im medizinischen Bereich Automaten, welche eine komplette chemische Naßanalyse vollautomatisch durchführen (z.B. die Technikon-Auto-Analyzer-Metho- de, welche durch einen mit einem gasförmigen Zwi¬ schenraum segmentierten Probenstrom charakterisiert ist) , diese Automaten erfordern jedoch einen hohen apparativen Aufwand.Because the classic measurement analysis when using suitable titrators (original titer substances with the required "trace ability" for the mole) is an absolute determination method that does not require calibration using artificial or natural standards (certified standard reference materials), it generally also becomes a Control of any calibration or calibration solutions used for instrumental analysis. In contrast, most of the analytes of inorganic and organic types are today determined by so-called relative methods, which, however, have to be calibrated exactly. In almost all analytical-chemical relative methods, the intensity of a specific analysis signal (electromagnetic radiation, electrical current, resistance or potential, or another, analyte-proportional sensor or detector signal) measured and compared with that of a comparison sample with a known content. So far, only the last step of a chemical analysis, namely the measurement of the intensity of an analysis signal, has been significantly improved by the developments in equipment. In the medical field, in particular, there are machines which carry out a complete chemical wet analysis fully automatically (for example the Technikon auto analyzer method, which is characterized by a sample stream segmented with a gaseous intermediate space), which require these machines however a high expenditure on equipment.
Weitere Entwicklungen gehen dahin, das Probenhandling zu vereinfachen und die Routine-Analytik zu automati¬ sieren. Ein Beispiel hierfür ist die Fließinjektions¬ analyse (E.H. Hansen, International Laboratory Vol. 15, No. 8, S. 14, 1986) , die analog dem Technikon- Auto-Analyser-System funktioniert, aber auf einen segmentierten Probenfluß verzichtet. Hier dosiert ein automatisches Probennahmeventil (Probeschleife) eine bestimmte Volumenmenge an Probe in einen Strom einer geeigneten Träger- oder Transportflüssigkeit (car- rier-solution) , der die Probe dann mit oder ohne Re- aktions- oder Mischkammern mit allen erforderlichen Reagenzien vermischt und an einen Detektor vorbei¬ strömen läßt. Aus der Höhe oder Fläche eines dort erzeugten Analytsignal-Peak wird dann die unbekannte Konzentration errechnet. Der Vorteil gegenüber den segmentierten Verfahren liegt darin, daß man durch die gewünschte Diffusion und das Vermischen des Pro¬ bensegmentes mit der Transportflüssigkeit beliebige Konzentrationsgradienten (Verdünnungen) erzeugen kann. Eine weitere Entwicklung auf dem Gebiet der naßchemischen Analyse sind mikroprozessorgesteuerte Tischroboter-Systeme, welche allerdings lediglich die Laborantentätigkeit automatisch erledigen.Further developments are aimed at simplifying sample handling and automating routine analysis. An example of this is the flow injection analysis (EH Hansen, International Laboratory Vol. 15, No. 8, p. 14, 1986), which works analogously to the Technikon auto analyzer system, but does not use a segmented sample flow. Here, an automatic sampling valve (test loop) doses a certain volume of sample into a stream of a suitable carrier or transport liquid (carrier solution), which then mixes the sample with or without reaction or mixing chambers with all the necessary reagents lets a detector flow past. The unknown concentration is then calculated from the height or area of an analyte signal peak generated there. The advantage over the segmented methods is that any desired concentration gradients (dilutions) can be generated by the desired diffusion and the mixing of the sample segment with the transport liquid can. Another development in the field of wet chemical analysis are microprocessor-controlled table robot systems, which, however, only do the laboratory work automatically.
Alle bekannten automatisierten Systeme zur na߬ chemischen Analyse weisen die Nachteile des großen apparativen Aufwandes und des relativ großen Reagen¬ zienverbrauchs auf. So sind beispielsweise die Auto- maten für die klinische Analyse komplizierte und ent¬ sprechend teure Apparate, welche einen entsprechend großen Stellplatz erfordern und auch eine beachtliche Menge an elektrischer Anschlußleistung benötigen. Alternativ zu den Automaten hat sich bei den Schnell- analysemethoden der Bereich der Test-Kits etabliert. So wurden beispielsweise tragbare Reagenzien-Kits entwickelt, welche durch Vermischen mit einem Proben- Aliquot im Milliliter-Bereich und zumeist photometri¬ sche Auswertung schnelle Analysen ermöglichen sollen. Aber auch diese Systeme weisen den Nachteil auf, daß die vermessenen Proben in vielen Fällen Sondermüll darstellen, welcher immer noch in relativ großen Men¬ gen anfällt. Für den letzteren Bereich kommen zwar Mikro-Total-Analysen-Systeme (μ-TAS) in Frage, diese sind jedoch derzeit noch im Entwicklungsstadium. Auch wenn diese extreme Miniaturisierung der klassischen Analytik kommerziell erhältlich sein würde, wäre der Aufwand aufgrund der erforderlichen Mikropumpen und Signalmeßeinrichtungen erheblich und die Gerätekosten entsprechend hoch.All known automated systems for wet chemical analysis have the disadvantages of the large expenditure on equipment and the relatively high consumption of reagents. For example, the automatic machines for clinical analysis are complicated and correspondingly expensive devices which require a correspondingly large parking space and also require a considerable amount of electrical connection power. As an alternative to the vending machines, the area of test kits has become established for quick analysis methods. For example, portable reagent kits have been developed which, by mixing with a sample aliquot in the milliliter range and mostly photometric analysis, should enable rapid analyzes. However, these systems also have the disadvantage that in many cases the measured samples represent hazardous waste, which is still produced in relatively large quantities. Micro-total analysis systems (μ-TAS) are possible for the latter area, but these are currently still in the development stage. Even if this extreme miniaturization of classic analytics were commercially available, the effort would be considerable due to the required micropumps and signal measuring devices and the device costs would be correspondingly high.
Als Antwort auf diese gravierenden Nachteile der klassischen Analytik wurden in den letzten Jahren Schnelltests auf der Basis trockenchemischer Alterna- tivmethoden entwickelt (O.Sonntag: Trockenchemie: Analytik mit trägergebundenen Reagenzien, Thieme Ver¬ lag, Stuttgart 1988) . Bei diesen trockenchemischen Methoden wird die Probenvorbereitung, die Matrixab¬ trennung und die selektive Anfärbung mit einem spe- ziellen, den Analyten erkennenden Reagenz auf einem planaren Träger aus Papier oder Kunststoff durchge¬ führt. Bei diesen Verfahren werden unterschiedliche Schichten mit immobilisierten Reagenzien oder Reagenzmischungen verwendet. In der medizinischen Schnellanalytik konnten sich Teststreifen durchset¬ zen, bei denen ein oder mehrere Testfelder auf einem Kunststoffstreifen angeordnet sind. Diese Teststrei¬ fen werden vorwiegend visuell durch Vergleich der Reaktionsfarbe der Testfeider mit einer Farbskala, welche häufig auf dem Etikett der Aufbewahrungsbehäl¬ ter für diese Teststreifen angeordnet ist, ausgewer¬ tet. Für die Referenz-Farbskala müssen aufwendige und lichtechte Farbdruckverfahren angewandt werden.In response to these serious disadvantages of classic analytics, rapid tests based on dry chemical alternative methods have been developed in recent years (O. Sunday: dry chemistry: Analysis with carrier-bound reagents, Thieme Verlag, Stuttgart 1988). In these dry chemical methods, sample preparation, matrix separation and selective staining are carried out with a special reagent that recognizes the analyte on a planar support made of paper or plastic. In these processes, different layers with immobilized reagents or reagent mixtures are used. Test strips in which one or more test fields are arranged on a plastic strip were able to assert themselves in rapid medical analysis. These test strips are predominantly evaluated visually by comparing the reaction color of the test fields with a color scale which is often arranged on the label of the storage containers for these test strips. Elaborate and lightfast color printing processes must be used for the reference color scale.
Die Teststreifen erfordern vom Anwender nur ein ein¬ faches Eintauchen in die Probe und eine anschließende Konzentrationsablesung anhand einer Färbung oder ei¬ ner Farbintensität. Derartige Teststreifen gibt es inzwischen für eine Vielzahl von Analyten im Bereich der Medizin, des Umweltschutzes, der Produktionskon¬ trolle usw. Problematisch ist bei den trationellen Teststreifen, daß die Zeitspanne des Eintauchens und die Art des Herausnehmens durch Abstreifen überschüs¬ sigen Probenvolumens genau vorgeschrieben ist und eingehalten werden muß. Das jeweils analysierte Pro¬ benvolumen wird durch ein flüssigkeitaufsaugendes Material bestimmt und ist daher stark fehlerbehaftet. Aus diesem Grund lassen sich nur halbquantitative Ergebnisse erzielen. Die anschließende visuelle Ana- lyse ist nicht standardisiert. Eine Reihe von Unbe- kannten kann die Qualität der Resultate beeinflussen (W. Majunke, Analytikertaschenbuch Band 5, Seite 161, Springer Verlag, Berlin 1985) . Unterschiedliche Be¬ leuchtungsverhältnisse, stören die Eigenfarben der Proben, unterschiedlich genaues Einhalten der Ablese¬ zeiten und individuell unterschiedliches Farbunter- scheidungsvermögen ergeben weitere Fehlermöglichkei¬ ten, welche einem zuverlässigen Schnelltest im Wege stehen.The test strips only require the user to simply immerse them in the sample and then read off the concentration based on a color or an intensity of color. Such test strips are now available for a large number of analytes in the field of medicine, environmental protection, production control, etc. The problem with the rational test strips is that the time period for immersion and the way in which they are removed by stripping off excess sample volume is precisely prescribed and must be observed. The respectively analyzed sample volume is determined by a liquid absorbing material and is therefore very prone to errors. For this reason, only semi-quantitative results can be achieved. The subsequent visual analysis is not standardized. A number of Known can influence the quality of the results (W. Majunke, pocket paper volume 5, page 161, Springer Verlag, Berlin 1985). Different lighting conditions, disturb the inherent colors of the samples, differently accurate observance of the reading times and individually different color discrimination capabilities result in further error possibilities which stand in the way of a reliable rapid test.
Objektiver wäre zwar eine Auswertung der Teststreifen über ein Reflexionsphotometer, dies bringt aber wegen der individuell stets möglichen Beeinflussung der Probennahme und Probenhandhabung nicht entscheidend genauere Ergebnisse. Wenn die Teststreifen zu lange eingetaucht werden, verlieren sie ihre speziellen analytselektiven Reagenzien in die Probe und liefern falsche Ergebnisse. Ist die Rundung des Becherglas¬ randes zur Abstreifung zu stark, bleibt mehr Probe auf dem Teststreifen als einkalibriert wurde. Ebenso kann ein einfaches Abwischen mit anderen Hilfsmitteln schlecht standardisiert werden.An evaluation of the test strips using a reflection photometer would be more objective, but this does not lead to significantly more accurate results due to the individually possible influencing of sampling and sample handling. If the test strips are immersed for too long, they lose their special analyte-selective reagents in the sample and give incorrect results. If the rounding of the edge of the beaker is too strong for stripping, more sample remains on the test strip than was calibrated in. It is also difficult to standardize simply wiping with other aids.
Das am weitesten verbreitete Beispiel für diese Ana- lysentechnik ist die Messung des Blutzuckergehaltes.The most common example of this analysis technique is the measurement of the blood sugar content.
Dazu wird ein Tropfen Kapillarblut auf die Oberfläche des Teststreifens aufgebracht. Das Vollblut wird auf dem mehrlagigen Teststreifen filtriert, von den roten Blutbestandteilen getrennt und dann räumlich getrennt der Analyt Glukose mit immobilisierter Glukoseoxidase katalytisch zu Glukonsäure und Wasserstoffperoxid um¬ gesetzt. Hochmolekulare und zelluläre Bestandteile bleiben zurück und werden nach Ablauf der Einwirkzeit (ein bis zwei Minuten) vom Testfeld abgewischt. Die gebildete Menge Wasserstoffperoxid ist proportional zu der Glukosekonzentration. Wasserstoffperoxid wie¬ derum fungiert als Oxidationsmittel für eine Reaktion zwischen zwei organischen Molekülen, welche dann eine proportionale Menge eines grün-blau gefärbten Azo- farbstoffes bilden. Hierbei geschieht der Proben¬ transport im Unterschied zu den obigen Verfahren mit¬ tels der Kapillarwirkung der Trägermaterialien. Im Prinzip ist dadurch die Messung des Blutzuckergehal¬ tes so einfach wie eine pH-Wert-Messung mittels eines Indikatorpapiers geworden.To do this, a drop of capillary blood is applied to the surface of the test strip. The whole blood is filtered on the multi-layer test strip, separated from the red blood components and then spatially separated the analyte glucose with immobilized glucose oxidase is converted to gluconic acid and hydrogen peroxide. High molecular and cellular components remain and are wiped off the test field after the exposure time (one to two minutes). The amount of hydrogen peroxide formed is proportional to the glucose concentration. Hydrogen peroxide in turn functions as an oxidizing agent for a reaction between two organic molecules, which then form a proportional amount of a green-blue colored azo dye. In contrast to the above methods, the sample is transported here by means of the capillary action of the carrier materials. In principle, the measurement of the blood sugar content has thereby become as simple as a pH value measurement using an indicator paper.
Alle Teststreifen, -Stäbchen oder -röhrchen, welche eine Vielzahl von für die Umwelt oder den Klinikbe¬ reich wichtigen Analyte auf trockenchemischer Basis ohne erneute Kalibrierung erfassen, weisen, wie be¬ reits teilweise ausgeführt, eine Reihe entscheidender Nachteile auf. Prinzipiell verläuft die Stofferken¬ nung durch eine geeignete, gut wahrnehmbare Markie¬ rung des Analyten durch geeignete Hilfsmittel (Rea- genzien) . In den meisten Fällen werden bei einer quantitativen, instrumentell-analytischen Methode analytkonzentrationsabhängige Farbintensitätssignale mit Hilfe verschiedenster physikalisch-chemischer Wechselwirkungen ausgemessen. Auch bei der Entstehung von Mischfarben spielen die unterschiedlichen Inten¬ sitäten der Grundfarben eine entscheidende Rolle. Nachteilig bei allen Stoffkonzentrationsbestimmungen, die über die Messung einer bestimmten Signalintensi- tät verlaufen, sind die verschiedensten Störungen, welche damit einhergehen. Unabhängig von der Art des eigentlichen Meßsignals (Intensität von elektromagne¬ tischer Strahlung, elektrische Potentiale, elektri¬ sche Ströme, Leitfähigkeit, magnetische oder elektri¬ sche Felder, usw.) führen Veränderungen der Anre- gungs- und Ausgangssignalstärke oder probenmatrixbe- dingte Störfaktoren bei der analytspezifischen Wech¬ selwirkung mit diesen Anregungsenergien zu Fehlmes¬ sungen. Auch muß in der Regel die Probe erst in ein entsprechendes Meßgerät gebracht werden, in dem diese Messungen der analytspezifischen energetischen Wech¬ selwirkungen durchgeführt werden.All test strips, rods or tubes, which record a large number of dry chemical-based analytes that are important for the environment or the clinic area without recalibration, have, as already explained in part, a number of decisive disadvantages. In principle, the substance is recognized by a suitable, easily perceptible marking of the analyte by means of suitable aids (reagents). In most cases, using a quantitative, instrumental-analytical method, analyte concentration-dependent color intensity signals are measured using a wide variety of physico-chemical interactions. The different intensities of the basic colors also play a decisive role in the formation of mixed colors. A disadvantage of all substance concentration determinations which are based on the measurement of a specific signal intensity are the various disturbances which are associated with this. Regardless of the type of actual measurement signal (intensity of electromagnetic radiation, electrical potentials, electrical currents, conductivity, magnetic or electrical fields, etc.), changes in the excitation and output signal strength or sample matrix effects Contingent interference factors in the analyte-specific interaction with these excitation energies for incorrect measurements. As a rule, the sample must first be brought into an appropriate measuring device in which these measurements of the analyte-specific energetic interactions are carried out.
Ein Photometer kann beispielsweise Instabilitäten in der Anregungslichtquelle zeigen. Die Intensität des reflektierten Lichtes hängt von der Intensität des eingestrahlten Lichtes ab. Daher muß bei quantitati¬ ven Auswertungen die Messung auf die Intensität des eingestrahlten Lichtes bezogen werden. Die auszuwer¬ tende Verfärbung oder Farbintensität kann beispiels- weise durch die Matrix der Probe ähnlich negativ be¬ einflußt werden, wodurch die Steigung einer Kalibra- tionsgeraden variiert und die Methode der Standard¬ addition angewandt werden muß. Die Reflexionsphotome- ter zur Auswertung bestimmter Teststreifen arbeiten üblicherweise bei einer feststehenden Wellenlänge, um sie kompakt und damit tragbar zu machen. Damit ist allerdings ihr Einsatzbereich nur auf diesen Spek¬ tralbereich begrenzt. Sie können die Vielfalt der bekannten Reagenzien nicht ausnutzen und sind für unterschiedliche Indikatoren nicht geeignet.For example, a photometer can show instabilities in the excitation light source. The intensity of the reflected light depends on the intensity of the incident light. Therefore, in quantitative evaluations, the measurement must be based on the intensity of the incident light. The discoloration or color intensity to be evaluated can, for example, be negatively influenced by the matrix of the sample, as a result of which the slope of a calibration line varies and the method of standard addition must be used. The reflection photometers for evaluating certain test strips usually work at a fixed wavelength in order to make them compact and therefore portable. However, their area of use is thus limited to this spectral range. They cannot take advantage of the variety of known reagents and are not suitable for different indicators.
Aus Gründen erhöhter Selektivität können die trocken¬ chemischen Teststreifen im allgemeinen neben dem ein¬ geschränkt selektiven Reagenz noch weitere Zusatz- oder Hilfsstoffe (z.B. Puffer, Maskierungsreagenzien,For reasons of increased selectivity, in addition to the restricted selective reagent, the dry chemical test strips can generally also contain other additives or auxiliaries (e.g. buffers, masking reagents,
Stabilisatoren, usw.) enthalten. Diese Stoffe schal¬ ten Querstörungen durch andere Stoffe in der Proben¬ matrix aus und stabilisieren die Anfärbung. Allen trockenchemischen Verfahren ist gemeinsam, daß die Konzentrationsbestimmung (quantitative Analyse) über 40 eine farbliche (d.h. wellenlängenabhängige) oder farbintensitätsmäßige Bewertung erfolgt. Will man unterschiedliche Farben (z.B. bei Multi-Analyt-Mes- sungen) vermessen, so muß ein derartiges Gerät einen Monochromator enthalten und wird entsprechend kompli¬ ziert. Aufgrund dieses apparativen Aufwandes gibt es kaum Meßgeräte, welche unterschiedliche Farben der unterschiedlichen Teststreifen objektiv vermessen können. Dies erschwert die genaue quantitative Vor- Ort-Multi-Analyt-Analyse mittels Teststreifen oder -Stäbchen erheblich.Stabilizers, etc.) included. These substances eliminate cross interference from other substances in the sample matrix and stabilize the staining. All dry chemical methods have in common that the concentration determination (quantitative analysis) over 40 a color (ie wavelength-dependent) or color intensity evaluation is carried out. If one wants to measure different colors (eg in multi-analyte measurements), such a device must contain a monochromator and is complicated accordingly. Because of this expenditure on equipment, there are hardly any measuring devices which can objectively measure different colors of the different test strips. This considerably complicates the precise quantitative on-site multi-analyte analysis using test strips or sticks.
Da es sich bei den trockenchemischen Verfahren um Relativ-Verfahren handelt, sind diese sehr matrixan- fällig. Alles, was die auszuwertenden Farben beein¬ flußt, wie beispielsweise farbige Proben, Suspensio¬ nen, zusätzliche absorbierende Schichten (z.B. Nie¬ derschläge, Eiweiß bei biologischen Proben, usw.) , welche bei der chargenweise Kalibrierung des Herstel- lers nicht berücksichtigt werden können, führt zu fehlerhaften Messungen.Since the dry chemical processes are relative processes, they are very susceptible to matrix. Everything that influences the colors to be evaluated, such as, for example, colored samples, suspensions, additional absorbent layers (for example precipitation, protein in the case of biological samples, etc.), which cannot be taken into account in the batch calibration of the manufacturer , leads to incorrect measurements.
Bei allen Schnell-Tests auf der Basis der Trockenche¬ mie geschieht der Probentransport nur über minimale Strecken, welche durch Diffusion und/oder Kapillar¬ kräfte überwunden werden. Es besteht hier keine Mög¬ lichkeit, frei wählbare analytisch-chemische Opera¬ tionen (Probennahme, Probenvorbereitung, Extraktion, Ausfällung, Ausgasung, Hydration, Oxidation, Reduk- tion, Neutralisation, Pufferung usw.) beliebig und anwendungsorientiert zu kombinieren.In all rapid tests based on dry chemistry, the sample is transported only over minimal distances, which are overcome by diffusion and / or capillary forces. There is no possibility here of freely combining analytical-chemical operations (sampling, sample preparation, extraction, precipitation, outgassing, hydration, oxidation, reduction, neutralization, buffering, etc.) in any desired and application-oriented manner.
Der Erfindung liegt ausgehend von den Nachteilen des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfah- ren und eine Vorrichtung zur kalibrationsfreien ehe- AA mischen oder biochemischen Schnellanalyse zu schaf¬ fen, welche bei geringen verfahrenstechnischen Anfor¬ derungen hochgenaue Maßanalysen gestatten. Insbeson¬ dere soll der hohe Reagenzienverbrauch der Analyse- verfahren des Standes der Technik reduziert und eine einfache Integration zusätzlicher, das Analyseverfah¬ ren unterstützender Verfahrenεschritte ermöglicht werden.Based on the disadvantages of the prior art, the invention is based on the object of a method and a device for calibration-free marriage. AA mix or biochemical rapid analysis to create, which allow highly accurate dimensional analysis with low procedural requirements. In particular, the high reagent consumption of the analysis methods of the prior art is to be reduced and a simple integration of additional method steps supporting the analysis method is to be made possible.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in verfahrenstech¬ nischer Hinsicht durch Ansprüche 1 und 26 und bezüg¬ lich der Vorrichtung durch Ansprüche 9 und 29. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved in procedural terms by claims 1 and 26 and with respect to the device by claims 9 and 29. The respective subclaims relate to preferred and advantageous embodiments of the invention.
Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren zur Konzentra- tionsbestimmung eines in einer gasförmigen oder flüs¬ sigen Probe enthaltenen Analyten, Analytgemisches oder eines biochemischen analyt-äquivalenten Stoffes (Titrand) mit Hilfe eines selektiven Reagenzes (Ti¬ trator) wird bei jeweils bekanntem Probenvolumen und bekanntem chemischen Äquivalent des Titrators eine Reihe von räumlich getrennt und quantitativ ablaufen¬ den Titrator-Titrand-Reaktionen durchgeführt, wobei sich die einzelnen Titrator-Titrand-Reaktionen zumin¬ dest hinsichtlich mindestens einer der beiden Größen Probenvolumen und chemisches Titrator-Äquivalent un¬ terscheiden.In the method according to the invention for determining the concentration of an analyte, analyte mixture or a biochemical analyte-equivalent substance (titrant) contained in a gaseous or liquid sample with the aid of a selective reagent (titrator), the known sample volume and the known chemical equivalent are used of the titrator, a series of spatially separated and quantitative titrator-titrand reactions are carried out, the individual titrator-titrand reactions differing at least in one of the two sizes of sample volume and chemical titrator equivalent.
Dieses Verfahren basiert auf der Durchführung einer maßanalytischen Titrationsserie, wobei der Äquiva¬ lenzpunkt von Reaktion zu Reaktion unterschiedlich eingestellt wird. Die aus dem Stand der Technik be¬ kannte, konzentrationsproportionale Intensitätsmes- sung wird erfindungsgemaß durch eine miniaturisier- bare und wesentlich genauer ablesbare absolute Aqui¬ valenzmengenermittlung ersetzt. Die Ermittlung der der Analytkonzentration äquivalenten Titratormenge, d.h. des entsprechenden chemischen Titratoräquivalen- tes, läßt sich auf eine einfach und schnell durch¬ führbare Orts- bzw. Streckenbestimmung reduzieren. Bestimmt werden muß prinizipiell diejenige Reaktion der Reaktionsreihe, bei welcher äquivalente Mengen von Analyt und Titrator vorliegen.This method is based on the implementation of a measurement analytical titration series, the equivalence point being set differently from reaction to reaction. The concentration-proportional intensity measurement known from the prior art is achieved according to the invention by a miniaturized replaceable and much more accurately readable absolute equivalence quantity determination replaced. The determination of the titrator amount equivalent to the analyte concentration, ie the corresponding chemical titrator equivalent, can be reduced to a simple and quick determination of the location or distance. In principle, the reaction in the series of reactions in which there are equivalent amounts of analyte and titrator must be determined.
Die einzelnen Titrator-Titrand-Reaktionen der Reak¬ tionsreihe können sich beispielsweise zumindest darin unterscheiden, daß bei konstantem Probenvolumen das Titrator-Äquivalent inkrementell (d.h. in bekannten, nicht notwendigerweise konstanten Schrittweiten) von Reaktion zu Reaktion geändert wird oder alternativ bei konstantem Titrator-Äquivalent das Probenvolumen inkrementell geändert wird. Zur Erhöhung des dynami¬ schen Einsatzbereiches bzw. des erfaßbaren Konzentra- tionsbereiches kann auch beides gleichzeitig, also sowohl Probenvolumen als auch zur Umsetzung verwende¬ te Titratormenge, von Reaktion zu Reaktion gegenläu¬ fig verändert werden.The individual titrator-Titrand reactions of the reaction series can differ, for example, at least in that, with a constant sample volume, the titrator equivalent is changed incrementally (ie in known, not necessarily constant increments) from reaction to reaction or alternatively with a constant titrator equivalent the sample volume is changed incrementally. To increase the dynamic range of use or the detectable concentration range, both can also be changed simultaneously from reaction to reaction, that is to say both the sample volume and the amount of titrator used for the reaction.
Die für den erfindungsgemäßen Schnell-Test erforder¬ liche Reaktionsanzahl hängt von dem betreffenden An¬ wendungsfall, dem Erfassungsbereich und der gewünsch¬ ten Genauigkeit ab. Zwar genügt zur Feststellung ei¬ ner Grenzwertüberschreitung prinzipiell ein einziges Proben-Volumen mit einer dem betreffenden Grenzwert entsprechenden Äquivalenzmenge des Titrators. Zur Erhöhung der Testgenauigkeit, und zur Verringerung systematischer Fehler läßt sich von einer statistisch sicheren Grenzwert-Überschreitung allerdings nur dann ausgehen, wenn eine Vielzahl von Reaktionen ein spe- 43 zifisches Signal geben. Dieses Signal kann beispiels¬ weise ein optischer Indikator-Umschlag oder ein elek¬ trochemisches Signal sein. Die Redundanz bezüglich der Anzahl ablaufender Reaktionen erhöht die Zuver- lässigkeit des Schnell-Tests außerordentlich, ohne daß der analytische Aufwand bzw. , bei entsprechender Miniaturisierung, der Chemikalienabfall entsprechend ansteigen.The number of reactions required for the rapid test according to the invention depends on the application in question, the detection range and the desired accuracy. In principle, a single sample volume with an equivalent amount of the titrator corresponding to the relevant limit value is sufficient to determine whether the limit value has been exceeded. In order to increase the test accuracy and to reduce systematic errors, a statistically safe exceeding of the limit value can only be assumed if a large number of reactions 43 give a specific signal. This signal can be, for example, an optical indicator envelope or an electrochemical signal. The redundancy with regard to the number of reactions taking place increases the reliability of the rapid test extraordinarily without the analytical effort or, with corresponding miniaturization, the chemical waste increasing accordingly.
Die vorliegende Erfindung löst das grundlegende Pro¬ blem aller sogenannter relativer Analyseverfahren und klassischer Schnell-Tests, welche auf einer störan¬ fälligen Signalintensitätsmessung beruhen, weil er¬ findungsgemäß nur noch eine leicht feststellbare ab- solute Signaländerung (beispielsweise ein Indikator- Umschlag) oder Anfang und Ende einer markierten Zone bzw. eine analytisch relevante Markierung von einem Untergrund zu unterscheiden sind. Dadurch werden erstmals kalibrationsfreie, absolut messende Schnell- Tests möglich, deren Genauigkeit nur von der Wahl der graduellen Titrationsmittel-Dosierung und/oder Pro- ben-Aliquotisierung abhängt. Da die Schärfe der Er¬ kennung einer Signaländerung bei der Maßanalyse be¬ kanntlich leicht 0,1 Relativ-% vom Äquivalenzvolumen ausmacht, lassen sich extrem genau messende Meßsyste¬ me aufbauen, wenn beispielsweise 1000 Mikro-Reaktio- nen in geeigneter räumlicher Anordnung durchgeführt werden. Auf diese Weise läßt sich eine ganze Konzen¬ trationsdekade des Analyten mit gleicher Genauigkeit erfassen. Bei Anwendungen, bei welchen der zu erwar¬ tende Konzentrationsbereich des Analyten nur in be¬ stimmten Grenzen variiert, z.B. in der klinischen Analytik, kann die Anzahl der Reaktionen entsprechend der gewünschten Ablesegenauigkeit auch bei weit unter 100 liegen. Dies bedeutet eine Lokalisationsgenauig- keit und damit auch eine analytisch-chemische Genau¬ igkeit im festgelegten Bereich von 1%.The present invention solves the basic problem of all so-called relative analysis methods and classic rapid tests which are based on a signal intensity measurement which is susceptible to interference, because according to the invention only an easily detectable absolute signal change (for example an indicator change) or beginning and to distinguish the end of a marked zone or an analytically relevant marking from a background. This makes calibration-free, absolutely measuring rapid tests possible for the first time, the accuracy of which only depends on the choice of gradual titrant dosage and / or sample aliquoting. Since the sharpness of the detection of a signal change in the dimensional analysis is known to easily amount to 0.1 relative% of the equivalent volume, extremely precise measuring systems can be constructed if, for example, 1000 micro-reactions are carried out in a suitable spatial arrangement . In this way, a whole decade of concentration of the analyte can be recorded with the same accuracy. In applications in which the expected concentration range of the analyte only varies within certain limits, for example in clinical analysis, the number of reactions can also be well below 100, depending on the desired reading accuracy. This means a localization speed and thus also an analytical-chemical accuracy in the defined range of 1%.
Bevorzugt werden Titrator-Äquivalent und/oder Probe- nvolumen zwischen räumlich benachbart ablaufenden Ti¬ trator-Titrand-Reaktionen inkrementell geändert. Bei einer derartigen Anordnung der einzelnen Titrator-Ti¬ trand-Reaktionen erfolgt eine Signaländerung (z.B. ein Indikatorumschlag) genau zwischen zwei Reaktio- nen, deren Äquivalenzkonzentration genauestens be¬ kannt ist. Der Gehalt der Probe an Analyten muß also genau zwischen diesen beiden bekannten Werten liegen. Vorteilhaft ist auch, die Reaktionen in einer Reihe zu- oder abnehmender Proben-Volumina bzw. Titrator- Äquivalente anzuordnen, weil so im Falle eines gleichbleibenden Abstandes zwischen zwei benachbarten Reaktionen die Auswertung übersichtlicher wird und auf das Ablesen einer Strecke oder einer daneben ab¬ gedruckten Skala hinausläuft. Da es sich hier nämlich wegen der Verwendung stabiler maßanalytischer Reagen¬ zien um eine Absolutmethode handelt, kann bei kon¬ stanter und bekannter Proben-Aliquotisierung jedem Reaktionsort ein Analytkonzentrationswert in beliebi¬ gen Einheiten (Mol/l, g/1, %, ppm, ml/dl usw.) zuge- ordnet werden. Die aktuell in einer Probe vorliegende chemische Äquivalenz-Menge des Analyten wird bei¬ spielsweise in absoluten Mol-Einheiten einfach und genau, entsprechend der gewählten Graduierung des Titrators, ablesbar. Hier wirkt sich wiederum aus, daß alle Reaktionen, bei denen der Analyt in einem stöchiometrischen Unterschuß vorhanden ist, ein ande¬ res Signal zeigen, als jene, bei denen der Titrator stöchiometrisch im Unterschuß vorliegt. Diese Redun¬ danz kompensiert zufällige Fehler (z.B. eine durch Luftbläscheneinschluß bedingte Schwankung) . 4T Der große und entscheidende Vorteil der neuen erfin¬ dungsgemäßen Klasse von Analysentechniken liegt dar¬ in, daß Meßsignaländerungen aufgrund nicht analytbe- dingter Intensitätsbeeinflussungen (z.B. matrixbe- dingte Signalbeeinflussungen) , welche üblicherweise die Signalintensität und damit die Konzentrationsin¬ formation verfälschen, hier unerheblich sind und sich nicht auf das Meßergebnis auswirken. Weil die absolu¬ ten Signalintensitäten (z.B. Farbintensitäten oder Färbungen der Indikatoren) bei der Konzentrationsbe¬ stimmung keine Rolle spielen, ist es unerheblich, wenn eine Reaktion im Bereich vor oder nach dem Äqui¬ valenzpunkt gestört ist. Diese Reaktionen stellen redundante Systeme dar und erhöhen die Meßsicherheit, verglichen zu traditionellen trockenchemischen Test¬ streifen, erheblich. Gegenüber einer klassischen ma߬ analytischen Titration ergeben sich entscheidende Vorteile darin, daß man nicht übertitrieren kann und automatisch eine Endpunktdokumentation hat. Ablese- und Übertragungsfehler werden ebenfalls reduziert. Da erfindungsgemäß die Signalintensität nur die Empfind¬ lichkeit, mit welcher Anfang und Ende einer Me߬ strecke erkannt bzw. ein Ort lokalisiert werden kann, bestimmt, bewirken beipielsweise Intensitäts- Schwankungen einer Lichtquelle, welche zum Ablesen verwendet wird, im Gegensatz zu den bekannten opti¬ schen Auswertemethoden, keine Verfälschung des Me߬ ergebnisses.The titrator equivalent and / or sample volume are preferably incrementally changed between spatially adjacent titrator-titrand reactions. With such an arrangement of the individual titrator-titanium reactions, a signal change (for example an indicator change) takes place exactly between two reactions, the equivalence concentration of which is precisely known. The analyte content of the sample must therefore lie exactly between these two known values. It is also advantageous to arrange the reactions in a series of increasing or decreasing sample volumes or titrator equivalents, because if the distance between two neighboring reactions remains the same, the evaluation becomes clearer and is printed on the reading of a distance or an adjacent one Scale runs out. Since this is an absolute method due to the use of stable analytical reagents, with constant and known sample aliquoting, each reaction site can have an analyte concentration value in arbitrary units (mol / l, g / 1,%, ppm, ml / dl etc.) can be assigned. The amount of chemical equivalence of the analyte currently present in a sample can be read, for example in absolute mol units, simply and precisely, in accordance with the selected graduation of the titrator. This in turn has the effect that all reactions in which the analyte is present in a stoichiometric deficit show a different signal than those in which the titrator is present in a stoichiometric deficit. This redundancy compensates for random errors (for example a fluctuation caused by the inclusion of air bubbles). 4T The great and decisive advantage of the new class of analysis techniques according to the invention is that measurement signal changes due to non-analytical intensity influences (eg matrix-related signal influences), which usually falsify the signal intensity and thus the concentration information, are insignificant here and do not affect the measurement result. Because the absolute signal intensities (for example color intensities or colorations of the indicators) do not play a role in determining the concentration, it is immaterial if a reaction in the area before or after the equivalence point is disturbed. These reactions represent redundant systems and considerably increase the measurement reliability compared to traditional dry chemical test strips. Compared to a classic measurement analytical titration, there are decisive advantages in that you cannot over-titrate and automatically have an end point documentation. Reading and transmission errors are also reduced. Since, according to the invention, the signal intensity only determines the sensitivity with which the start and end of a measurement path or a location can be localized, intensity fluctuations, for example, of a light source used for reading, in contrast to the known opti ¬ evaluation methods, no falsification of the measurement result.
Bevorzugt werden Probennahme und Volumenabmessungen für alle Titrator-Titrand-Reaktionen der Reaktions¬ reihe gleichzeitig durchgeführt. Auf diese Weise kann ein einheitlicher Ablauf der einzelnen Reaktionen gewährleistet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit beliebigen Probenvolumina und Titratoräquivalenten durchgeführt werden. Neben der Verwendung von Probenvolumina im Milliliterbereich und Milliäquivalenten gestattet es das erfindungsgemäße Verfahren auch, in den Mikro- und Nanoliterbereich vorzustoßen und Mikro- oder Na- noäquivalente des Titrators zu verwenden. Dies rührt daher, daß, wie später näher ausgeführt wird, das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch mittels mikrostrukturierter Test-Kits durchgeführt werden kann. Mit entsprechenden Mikro-Systemen läßt sich in die Bereiche der Ultra-Mikro-Analyse eindringen. Bei chemischen Umsetzungen im Mikroliter- und Nanogramm- Maßstab werden, verglichen mit der gängigen Laborpra- xis, Chemikalien um einen Faktor 1 Million eingspart. Entsprechend gering iεt auch die Abfallbelastung. Wegen des Fortfalls gründlicher Gefäßreinigungs- Schritte werden auch weniger Spülmittel pro Analyse verbraucht. Aufgrund des verringerten Reagenzienver- brauchs läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren ko¬ stengünstiger durchführen, als Verfahren des Standes der Technik.Sampling and volume dimensions are preferably carried out simultaneously for all titrator-titrand reactions of the reaction series. In this way, a uniform sequence of the individual reactions can be guaranteed. The method according to the invention can be carried out with any sample volumes and titrator equivalents. In addition to the use of sample volumes in the milliliter range and milliequivalents, the method according to the invention also makes it possible to advance into the micro- and nanoliter range and to use micro- or nano-equivalents of the titrator. This stems from the fact that, as will be explained in more detail later, the method according to the invention can in particular also be carried out using microstructured test kits. Appropriate micro systems can be used to penetrate the areas of ultra-micro analysis. Chemical conversions on a microliter and nanogram scale save chemicals by a factor of 1 million compared to common laboratory practice. The waste load is correspondingly low. Because of the elimination of thorough vessel cleaning steps, less detergent is used per analysis. Because of the reduced reagent consumption, the method according to the invention can be carried out more cheaply than methods of the prior art.
Das Ergebnis der Konzentrationsbestimmung mit Hilfe einer Mehrzahl von Titrator-Titrand-Reaktionen läßt sich auf verschiedene Arten ermitteln. Im einfachsten Fall der zusätzlichen Verwendung optiεcher Indikator¬ reagenzien läßt sich die Konzentration visuell be¬ stimmen. Bei einer extremen Miniaturisierung erreicht man allerdings die Grenze der Ablesbarkeit mit dem bloßen Auge. Hier wird erfindungsgemäß ein Auswerte¬ gerät benutzt, welches das Reaktionsergebnis stark vergrößert darstellt. Eine vorteilhafte Anordnung entsteht dadurch, daß man eine stark vergrößernde Projektion, ähnlich einem Hand-Dia-Betrachter, durch- λl führt. Falls es nur auf die Position des Signal-Um¬ schlages ankommt, können dazu auch einfache, mit Ta¬ geslicht arbeitende Vorrichtungen verwendet werden. Erfindungsgemäß kann eine solche Konzentrationsbe- Stimmung über erfaßbare elektromagnetische Strahlung auch vorteilhaft schnell und sicher mittels eines geeigneten sogenannten Barcode-Lesers, welcher unter¬ schiedlich gefärbte Bereiche erfassen muß, automa¬ tisch in absoluten Konzentrationseinheiten vermessen werden. Bei einer derartigen Anordnung zählt der Bar¬ code-Leser nur die Anzahl der Reaktionen bis zur Äquivalenzpunkt-Reaktion ab, was auf eine absolute, digitale Analyse hinausläuft. Erfindungsgemäß iεt die Ablesung der maßanalytischen Äquivalenz-Konzentration (Ortsbestimmung) nicht nur auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums begrenzt. So können bei der Verwendung von im Bereich von 800 bis 1100 nm fluoreszierenden Indikatoren implantierbare, von au¬ ßen ablesbare, medizinische Test-Vorrichtungen rea- lisiert werden. Erfindungsgemäß können auch weitere Äquivalenz-(Endpunkt) -Bestimmungsmethoden verwendet werden. So läßt sich beispielsweise eine derartige Bestimmung auch elektrochemisch (z.B. ampero- oder potentiometrisch) mittels eines einzeln adressierba- ren Elektroden-Arrays, welches mit den einzelnen Re¬ aktionen in Kontakt gebracht wird, durchführen.The result of the concentration determination using a plurality of titrator-titrand reactions can be determined in various ways. In the simplest case of the additional use of optical indicator reagents, the concentration can be determined visually. Extreme miniaturization, however, reaches the limit of readability with the naked eye. According to the invention, an evaluation device is used here which shows the reaction result greatly enlarged. An advantageous arrangement arises from the fact that a strongly magnifying projection, similar to a hand slide viewer, is carried out. λl leads. If only the position of the signal envelope is important, simple devices operating with daylight can also be used. According to the invention, such a determination of the concentration can be advantageously measured automatically and in absolute concentration units by means of a suitable so-called barcode reader, which has to detect differently colored areas, by means of detectable electromagnetic radiation. With such an arrangement, the bar code reader only counts the number of reactions up to the equivalence point reaction, which amounts to an absolute, digital analysis. According to the invention, the reading of the analytical equivalence concentration (location determination) is not only limited to the visible range of the electromagnetic spectrum. Thus, when using indicators which fluoresce in the range from 800 to 1100 nm, implantable medical test devices which can be read from the outside can be implemented. According to the invention, further equivalence (end point) determination methods can also be used. For example, such a determination can also be carried out electrochemically (for example, amperometric or potentiometric) by means of an individually addressable electrode array which is brought into contact with the individual reactions.
Neben den bereits erwähnten Indikator-Reagenzien kön¬ nen weitere Stoffe wie beispielsweiεe Hilfsstoffe wie Puffer, Maskierungε- oder Komplexierungsstoffe, Sta¬ bilisatoren oder Reaktionsbeschleuniger bereits vor den Titrator-Titrand-Reaktionen mit dem Titrator oder der Probe vermischt werden oder auch erst während der Titrator-Titrand-Reaktion zugegeben werden. In vorteilhafter Weise können nach der Probennahme und vor der Titrator-Titrand-Reaktion mit den zu ana¬ lysierenden Probenvolumina noch zusätzliche Neutrali¬ sations-, Komplexierungs-, Oxidations-, Reduktions-, Abscheide- oder Gaswäscheschritte und/oder Empfind- lichkeits- und selektivitätssteigernde chemische und/oder biochemische Analyt-Erkennungs-Reaktionen und/oder chromatographische oder elektrophoretische Trennungsoperationen durchgeführt werden. Trennungs- Operationen lassen sich beispielsweise mit Hilfe von Filtern oder gasdurchlässigen Membranen, Amplifika- tionen beispielsweise mittels der PCR-Methode durch¬ führen. Als Trennungen kommen beispielsweise gas¬ flüssig oder flüssig-fest Trennungen, Trennungen chromatographischer Art (z.B. GC, LC, IC, RP-LC, Gel- , Papier-, Dünnschicht-, Affinitätschromatographie) oder Extraktionen in Frage.In addition to the indicator reagents already mentioned, other substances such as auxiliaries such as buffers, masking or complexing substances, stabilizers or reaction accelerators can be mixed with the titrator or the sample before the titrator-titrant reactions or only during the titrator -Titrand reaction are added. After the sampling and before the titrator-titrand reaction with the sample volumes to be analyzed, additional neutralization, complexation, oxidation, reduction, separation or gas washing steps and / or sensitivity and selectivity-increasing chemical and / or biochemical analyte recognition reactions and / or chromatographic or electrophoretic separation operations are carried out. Separation operations can be carried out, for example, with the aid of filters or gas-permeable membranes, amplifications, for example, using the PCR method. Separations which can be used are, for example, gas-liquid or liquid-solid separations, separations of a chromatographic type (for example GC, LC, IC, RP-LC, gel, paper, thin-layer, affinity chromatography) or extractions.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ein Proben- nahmemodul mit einer Mehrzahl von Probennahmevorrich- tungen sowie ein Titrationsmodul mit einer Mehrzahl von räumlich getrennten Reaktionsbereichen, wobei die einzelnen Probennahmevorrichtungen mit unterschiedli¬ chen Probenvolumina beschickt sind und/oder im Be- reich der einzelnen Reaktionsbereiche unterschiedli¬ che chemische Titrator-Äquivalente immobiliεiert und die jeweiligen Probenvolumina und jeweiligen Titra¬ tor-Äquivalente bekannt εind.A device according to the invention comprises a sampling module with a plurality of sampling devices and a titration module with a plurality of spatially separated reaction areas, the individual sampling devices being loaded with different sample volumes and / or different in the area of the individual reaction areas immobilized chemical titrator equivalents and the respective sample volumes and respective titrator equivalents are known.
Vorteilhafterweise sind in oder auf den bevorzugt linear angeordneten Reaktionsbereichen inkrementell steigende Titrator-Äquivalente immobilisiert. Eine derartige Anordnung gestattet ein schnelles Ablesen des Ergebnisses der Konzentrationsbestimmung. Bei der Verwendung von Indikator-Reagenzien erfolgt üblicher- λ , weise ein deutlich sichtbarer Umschlag zwischen zwei Reaktionsbereichen, deren Äquivalenz-Konzentration genauestens bekannt ist. Der Gehalt der Probe an Ana¬ lyten muß folglich zwischen diesen beiden Äquivalenz- Konzentrationen liegen. Durch Anbringen einer Skalie¬ rung im Bereich der Reaktionsbereiche läßt sich die Konzentrationsbestimmung weiterhin vereinfachen. Der Titrator läßt sich beispielsweise als trockenchemi¬ sche Substanz oder als Gel, Suspension oder als ein- trocknende Flüssigkeit im Bereich der Reaktionsberei¬ che immobilisieren. Bei einer Integration von Probe¬ nahmemodul und Titrationsmodul kann der Titrator auch, gegebenfalls unter Vernachlässigung des Eigen- volumens, in den Probenahmevorrichtungen selbst immo- bilisiert werden.Advantageously, incrementally increasing titrator equivalents are immobilized in or on the preferably linearly arranged reaction areas. Such an arrangement allows the result of the concentration determination to be read quickly. When using indicator reagents, λ, shows a clearly visible envelope between two reaction areas, the equivalence concentration of which is precisely known. The analyte content of the sample must consequently lie between these two equivalence concentrations. The determination of the concentration can be further simplified by applying a scaling in the area of the reaction areas. The titrator can be immobilized, for example, as a dry chemical substance or as a gel, suspension or as a drying liquid in the area of the reaction areas. If the sampling module and titration module are integrated, the titrator can also be immobilized in the sampling devices themselves, if necessary, neglecting the intrinsic volume.
Zur Vereinfachung der erfindungεgemäßen Verfahrens¬ abläufe kann die räumliche Anordnung der Probennahme- vorrichtungen im Probennahmemodul mit der Position der Reaktionsbereiche korreliert sein. Beispielsweise können sowohl Probennahmevorrichtungen als auch Reak¬ tionsbereiche in Form deckungsgleicher Matrizen an¬ geordnet sein.To simplify the process sequences according to the invention, the spatial arrangement of the sampling devices in the sampling module can be correlated with the position of the reaction areas. For example, both sampling devices and reaction areas can be arranged in the form of congruent matrices.
Die Reaktionsbereiche können in unterschiedlicher Art und Weise ausgestaltet sein. So ist es möglich, die Reaktionsbereiche als Vertiefungen im Titrationsmodul mit jeweils gleichen oder unterschiedlichen Fassungs¬ vermögen auszubilden. Beispielsweise können bei kon- stant bleibenden Probenvolumina und gleichen Fas¬ sungsvermögen der Vertiefungen dann unterschiedliche Titrator-Äquivalente in diesen Reaktionsbereichen angeordnet sein. Alternativ ist es bei Vertiefungen mit beispielsweise progressiv ansteigendem Fassungs- vermögen denkbar, diese mit unterschiedlichen Volumi- 2C na beispielsweise einer Titrator-Indikator-Mischung zu füllen. Bei beiden Alternativen nimmt von Vertie¬ fung zu Vertiefung das im Bereich des jeweiligen Re¬ aktionsbereiches immobilisierte chemische Titrator- Äquivalent zu. Die Form dieser Vertiefungen (Reakto¬ ren) ist unerheblich, solange das Eindiffundieren der Probe nicht zu stark beeinflußt wird.The reaction areas can be designed in different ways. It is thus possible to design the reaction areas as depressions in the titration module, each with the same or different capacities. For example, given constant sample volumes and the same capacity of the wells, different titrator equivalents can then be arranged in these reaction areas. Alternatively, it is conceivable in the case of depressions with, for example, progressively increasing capacities, these with different volumes 2C to fill a titrator-indicator mixture, for example. In both alternatives, the chemical titrator equivalent immobilized in the area of the respective reaction area increases from deepening to deepening. The shape of these depressions (reactors) is irrelevant as long as the diffusion of the sample is not influenced too much.
Ein entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Vor- richtung zur Konzentrationsbeεtimmung ist die einfa¬ che Miniaturisierbarkeit. Mittels moderner Struktu¬ rierungstechniken lassen sich in geeigneten Materia¬ lien wie Silizium oder Kunststoff Vertiefungen mit Fassungsvermögen im Mikro- und Nanoliterbereich schaffen. Mikrostrukturierte erfindungsgemäße Vor¬ richtungen erlauben drastische Einsparungen bezüglich der verwendeten Chemikalien und führen somit zu einer wesentlich geringeren Abfallbelastung. Die Entsor¬ gungskosten sinken entsprechend.A decisive advantage of the device according to the invention for determining the concentration is the simple miniaturization. Using modern structuring techniques, recesses with a capacity in the micro and nanoliter range can be created in suitable materials such as silicon or plastic. Microstructured devices according to the invention allow drastic savings in terms of the chemicals used and thus lead to a significantly lower waste load. The disposal costs decrease accordingly.
Eine weitere Möglichkeit zur Definition miniaturi¬ sierbarer Reaktionsbereiche bieten Dickfilmtechniken wie beispielsweise Siebdruck. Die derart strukturier¬ ten Reaktionsbereiche können die Form von Ringen oder Waben aufweisen. Mittels der Siebdrucktechnik lassen sich aber nicht nur die Reaktionsbereiche definieren, sondern läßt sich auch die Immobilisierung des Titra- tors durchgeführen. Von Reaktionsbereich zu Reak¬ tionsbereich ansteigende Mengen der zu immobilisie- renden Komponente lassen sich beispielsweise durch einen mehrfachen Druckvorgang aufbringen. Die zu im¬ mobilisierende Komponente liegt hierfür bevorzugt in Form eines trocknungsfahigen Gels vor. Alε Substrat für derartige Filmtechniken eignen εich beispielswei- se Papier oder Kunεtεtoff-Folien. Nach Abschluß der Druckvorgänge zur Definition der Reaktionsbereiche und zur Immobilisierung des Titrators kann eine wei¬ tere, bevorzugt durchsichtige, Schicht aufgebracht werden. So kann beispielsweise das entsprechend be- druckte Substrat in eine wärmepolymerisierbare Folie eingeschlossen werden.Another possibility for defining miniaturizable reaction areas is provided by thick film techniques such as screen printing. The reaction areas structured in this way can have the form of rings or honeycombs. However, not only the reaction areas can be defined by means of the screen printing technique, but also the immobilization of the titrator can be carried out. Quantities of the component to be immobilized increasing from reaction area to reaction area can be applied, for example, by a multiple printing process. For this purpose, the component to be immobilized is preferably in the form of a gel capable of drying. For example, paper or plastic foils are suitable as substrates for such film techniques. After completion of the A further, preferably transparent, layer can be applied to printing processes to define the reaction areas and to immobilize the titrator. For example, the appropriately printed substrate can be enclosed in a heat-polymerizable film.
Obwohl die Reaktionsbereiche bevorzugt in linearer Weise angeordnet sind, ist eine zwei- oder dreidimen- sionale Matrixanordnung oder eine kreis-, spiral- oder helixformige Anordnung der Reaktionsbereiche auf dem oder im Titrationsmodul ebenfalls denkbar. Bei einer kreisförmigen Anordnung beispielεweiεe kann die Konzentrationermittlung analog zum Ablesen einer Uhr geschehen. Zur Erzielung eines großen dynamischenAlthough the reaction areas are preferably arranged in a linear manner, a two- or three-dimensional matrix arrangement or a circular, spiral or helical arrangement of the reaction areas on or in the titration module is also conceivable. In the case of a circular arrangement, for example, the concentration can be determined analogously to reading a clock. To achieve a large dynamic
Meßbereiches und einer hohen Genauigkeit der Maßana¬ lyse und einer damit verbundenen hohen Anzahl von benötigten Reaktionsbereichen können die Reaktions¬ bereiche sowie die dazugehörenden Probennahmevorrich- tungen als zweidimensionale, planare Anordnung (z.B. 30 Reihen und 30 Spalten im Scheckkartenformat) aus¬ gestaltet sein. Hier kann die maßanalytische Reagenz- positionierung und Graduierung so verlaufen, daß bei¬ spielsweise waagrecht größere Konzentrationssprünge zwischen den einzelnen Reaktionsbereichen vorliegen und die in vertikaler Anordnung befindlichen diese größeren Sprünge in kleinere unterteilen. Die Mikro- Systemtechnologie erlaubt auch dreidimensionale Ge¬ bilde, z.B. Würfel mit jeweils zweidimensionaler An- Ordnung der betreffenden Reaktionsbereiche, zu ge¬ stalten. Auf diese Weise lassen sich durch die sechs Seiten eines Würfels im Prinzip sechs Konzentrations¬ dekaden eines Analyten überstreichen oder sechs Ana¬ lyte parallel bestimmen. Bei der Herstellung wird man bei gleichbleibender Volumengraduierung der Reak- n tionsbereiche pro Würfelseite vorteilhafterweise pro Seite die Konzentration der maßanalytischen Füll-Lö- sung entsprechend dem gewünschten dynamischen Meßbe¬ reich verändern.Measuring range and a high degree of accuracy of the measurement analysis and an associated large number of required reaction areas, the reaction areas and the associated sampling devices can be designed as a two-dimensional, planar arrangement (for example 30 rows and 30 columns in credit card format). Here, the analytical reagent positioning and grading can proceed in such a way that, for example, horizontally there are larger concentration jumps between the individual reaction areas and the vertical jumps divide these larger jumps into smaller ones. The micro-system technology also allows three-dimensional structures, for example cubes with two-dimensional arrangement of the reaction areas in question, to be designed. In this way, six concentration decades of an analyte can in principle be covered by the six sides of a cube or six analytes can be determined in parallel. During production, the volume of the reac- tion areas per side of the cube, advantageously change the concentration of the analytical filling solution per side in accordance with the desired dynamic measuring range.
Die einzelnen Probennahmevorrichtungen des Probenna- hmemoduls sind vorzugsweise als Kavitäten, wie Pipet¬ ten oder Kapillaren mit gleichen, verschiedenen oder variierbaren Fassungsvermögen ausgebildet und werden mit bekannten Probevolumina gefüllt. Die Probennahme¬ vorrichtungen können auch als Probensammelvorrichtun- gen mit beispielsweise kapillaren Zuleitungen zur Befüllung ausgestaltet sein.The individual sampling devices of the sampling module are preferably designed as cavities such as pipettes or capillaries with the same, different or variable capacities and are filled with known sample volumes. The sampling devices can also be designed as sample collection devices with, for example, capillary feed lines for filling.
Die Probennahmevorrichtungen können als in Matrixform angeordnete Vertiefungen mit Abmessungen im Mikro- oder Millimeterbereich in einem Material mit hydro¬ phoben Oberflächen ausgebildet sein. Die hydrophoben Oberflächen gewährleisten eine präzise Probennahme, da überschüssige Probenmengen nach dem Befüllen derThe sampling devices can be formed as recesses arranged in matrix form with dimensions in the micro or millimeter range in a material with hydrophobic surfaces. The hydrophobic surfaces ensure precise sampling, as excess sample quantities after filling the
Probennahmevorrichtungen nicht im Bereich der Öffnun¬ gen haften bleiben. Die hydrophoben Oberflächen ge¬ währleisten darüber hinaus den vollständigen quanti¬ tativen Transport der Probenvolumina zu den Reak- tionsbereichen. Der quantitative Transport ist deswe¬ gen von Bedeutung, weil zur hochgenauen Konzentra¬ tionsbestimmung das in den Reaktionsbereichen reagie¬ rende Probenvolumen exakt bekannt sein muß.Sampling devices do not stick in the area of the openings. The hydrophobic surfaces also ensure the complete quantitative transport of the sample volumes to the reaction areas. The quantitative transport is therefore important because the sample volume reacting in the reaction areas must be known exactly for the highly precise determination of the concentration.
Zur Füllung der Probennahmevorrichtungen genügt bei¬ spielsweise ein zeitlich unkritisches Eintauchen in die flüssige oder gasförmige Probe, damit ein defi¬ niertes und bekanntes Proben-Aliquot anschließend durch durch Kapillarkräfte, Diffusion, Schwerkraft, Zentrifugalkraft, mechaniεche Kolbenkraft, Druckun- terschiede oder eine Tranεportflüεεigkeit zu den Re¬ aktionbereichen gelangen kann. Zur genauen Messung der Probenvolumina muß das Eindringen der Probe in die Probennahmevorrichtungen steuerbar sein. Hierzu sollten die Probennahmevorrichtungen an der der Probe zugewandten Seite verschließbar sein. Dies kann durch die verschiedensten Ventile oder Mikro-Ventile (Ak¬ tuatoren) erfolgen, welche beispielsweiεe elektrisch oder magnetisch bewegt werden können. Eine vorteil- hafte, energiemäßig passive Form ist die einer Rück¬ schlagklappe am Eingang der Probennahmevorrichtung, welche dadurch geεchlossen wird, daß eine zuvor am Eingang angebrachte aufquellende Substanz die Rück¬ schlagklappe fest abschließt. Auch die Verwendung sich selbst auflösender Membranen ist denkbar. Bei gasförmigen Proben, die in der Regel auch größere Pipettenräume benötigen, sind passive magnetische Ventile, die mittels externer Magnetfelder von außen gesteuert werden können, eine vorteilhafte Lösung. Durch Ventile kann auch die Kontaktzeit, d.h. dieFor filling the sampling devices, immersion in the liquid or gaseous sample, for example, is sufficient so that a defined and known sample aliquot is subsequently produced by capillary forces, diffusion, gravity, centrifugal force, mechanical piston force, pressure differences or a transport liquid can reach the reaction areas. The penetration of the sample into the sampling devices must be controllable for the precise measurement of the sample volumes. For this purpose, the sampling devices should be closable on the side facing the sample. This can be done using a wide variety of valves or micro-valves (actuators), which can be moved, for example, electrically or magnetically. An advantageous, energetically passive form is that of a non-return valve at the entrance of the sampling device, which is closed in that a swelling substance previously attached to the entrance firmly closes the non-return valve. The use of self-dissolving membranes is also conceivable. Passive magnetic valves, which can be controlled from the outside by means of external magnetic fields, are an advantageous solution for gaseous samples, which usually also require larger pipette spaces. The contact time, ie the
Zeit der Diffusion des Analyten durch Reagenzschich¬ ten der Testanordnung, genau eingestellt werden. Eine weitere bevorzugte Form der ventilartigen Steuerung benutzt verschiebbare Spacer mit geeigneten Ausparun- gen zwiεchen mindeεtens zwei Grenzflächen mit ent¬ sprechenden Öffnungen zum Befüllen und Entleeren der durch die Aussparungen gebildeten Meßvolumina.The time of diffusion of the analyte through reagent layers of the test arrangement can be set precisely. A further preferred form of the valve-like control uses displaceable spacers with suitable cutouts between at least two interfaces with corresponding openings for filling and emptying the measurement volumes formed by the cutouts.
Zur Analyse gasförmiger Proben können die Probennah- mevorrichtungen als Diffuεionε-RÖhrchen ausgebildet sein und mit einem eine Sammelphase für gasförmige Analyte enthaltenden Modul in Verbindung stehen. In dem Modul werden die gasförmigen Analyte chemisch ge¬ bunden und nach einer gewissen Sammelzeit weiteren Verfahrensschritten unterzogen. IMFor the analysis of gaseous samples, the sampling devices can be designed as diffusion tubes and can be connected to a module containing a collection phase for gaseous analytes. The gaseous analytes are chemically bound in the module and subjected to further process steps after a certain collection time. IN THE
Eine Vereinfachung des erfindungsgemäßen Konzentra- tionsbestimmungsverfahrens kann dadurch erfolgen, daß Probennahme- und Titrationsmodul (bzw. die entspre¬ chenden Verfahrensschritte) integriert werden. Das Probennahmemodul und das Titrationsmodul bilden dem¬ zufolge eine Einheit, wobei die Reaktionsbereiche innerhalb der Probennahmevorrichtungen ausgebildet sind. Hier ist es besonders vorteilhaft, wenn die Probennahmevorrichtungen an der der Probe zugewandten Seite nach der Probennahme verschließbar sind.The concentration determination method according to the invention can be simplified by integrating the sampling and titration module (or the corresponding method steps). The sampling module and the titration module accordingly form a unit, the reaction areas being formed within the sampling devices. Here it is particularly advantageous if the sampling devices can be closed on the side facing the sample after the sampling.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung ist, daß durch Kombination von aufeinander kon¬ struktionsmäßig abgestimmten Modulen beliebig komple- xe Schnelltest-Anordnungen zusammengestellt werden können. Die einzelnen Module sind bevorzugt derart ausgestaltet, daß sich durch erfindungεgemäß einge¬ plante Verschiebungen untereinander Kanäle öffnen und schließen lassen. Dabei können die einzelnen Module in direktem Kontakt (planare Oberfläche) stehen. Es können aber auch dünne, verschiebbare Spacer (z.B. aus Teflon) mit oder ohne volumendefinierende Ausspa¬ rungen als Dichtung dazwischen gelegt werden.A particular advantage of the device according to the invention is that by combining modules which are designed to match one another, arbitrarily complex rapid test arrangements can be put together. The individual modules are preferably designed in such a way that channels can be opened and closed among one another by means of displacements which are planned according to the invention. The individual modules can be in direct contact (planar surface). However, thin, displaceable spacers (e.g. made of Teflon) with or without volume-defining recesses can also be placed between them as a seal.
Bevorzugt ist zwischen dem Probennahmemodul und dem Titrationsmodul ein Vorbereitungsmodul angeordnet. Der Transport der Probenvolumina erfolgt von den Pro¬ bennahmevorrichtungen im Probennahmemodul durch das Vorbereitungsmodul zu den Reaktionsbereichen des Ti- trationsmoduls bevorzugt im Mikro- oder Millimeter¬ maßstab. Im Vorbereitungsmodul können Schritte wie Oxidation, Reduktion, Gasauεtreibung, elektrophoreti- sche oder chromatographische Trennung, chemische oder biochemische Analyt-Erkennung, -Amplifikation oder - Abtrennung durchgeführt werden. Das Vorbereitungsmo- 2£ dul kann beispielsweise als permeable Membran, als Filter, als Chromatographiesäule oder auch als ein Spacer zwischen zwei planaren Grenzflächen ausgestal¬ tet sein, welcher Strömungskanäle oder Umleitungen aufweist.A preparation module is preferably arranged between the sampling module and the titration module. The sample volumes are transported from the sampling devices in the sampling module through the preparation module to the reaction areas of the titration module, preferably on a micro or millimeter scale. In the preparation module, steps such as oxidation, reduction, gas expulsion, electrophoretic or chromatographic separation, chemical or biochemical analyte detection, amplification or separation can be carried out. The preparatory 2 poule can be configured, for example, as a permeable membrane, as a filter, as a chromatography column or as a spacer between two planar interfaces, which has flow channels or diversions.
Als selektivitatssteigernde Analyt-Erkennungsreaktio- nen im Vorbereitungsmodul können biochemische Reak¬ tionen, welche nach dem Schlüssel-Schloß-Prinzip ab- laufen (z.B. enzymatisch oder immunologisch mit Re- dox-Derivaten, ELISA-verfahrensanalog oder amplifi- zierend, z.B. durch Substrat-Zyklisierung oder mit¬ tels PCR-Technik) der maßanalytischen Quantifizierung vorgeschaltet werden. Es wird dabei ein stöchiome- trisch freigesetzter, analyt-äquivalenter, d.h. men¬ genmäßig streng proportionaler, weiterer Stoff nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt, was bei den beiden erstgenannten biochemischen Reaktionsarten einen 100-%igen Stoffumsatz des Analyten erfordert.As a selectivity-increasing analyte recognition reaction in the preparation module, biochemical reactions which operate according to the key-lock principle (for example enzymatically or immunologically with redox derivatives, ELISA method-analogous or amplifying, for example by substrate) Cyclization or by means of PCR technology) preceded by the analytical quantification. A stoichiometrically released, analyte-equivalent, i.e. quantitatively strictly proportional further substance determined by the method according to the invention, which requires a 100% metabolism of the analyte in the first two types of biochemical reactions.
Als Titrator lassen sich auch nicht an der Bindungs¬ stelle abgesättigte Antikörper-Moleküle für den Ana¬ lyten in Reaktionsbereichen in Form von Affinitäts- Säulen unterschiedlicher aber bekannter Analytbin- dungskapazität verwenden. Hier entεpricht die Durch¬ bruchskonzentration dem Äquivalenzpunkt. Als Indika¬ tor können u.a. die selektiven Mischungen bekannter, beipielsweise organische Verbindungen anzeigender Gasprüfröhrchen verwendet werden. Alternativ können auch Affinitäts-Säulen konstruiert werden, bei denen die dort eingebrachten analytspezifischen Antikörper- Moleküle an den entsprechenden Bindungsstellen mit einer derivatisierten Form des Analyten zu 100% abge¬ sättigt sind, wobei aber der eigentliche Analyt eine wesentlich höhere Affinitätskonεtante als sein Deri- vat aufweist. Erfindungsgemäß sollte der derivati- sierts Molekülbereich des Analyten mittels maßanaly¬ tischer Methoden erfaßbar sein. So läßt sich bei¬ spielsweise an des Analytmolekül eine stabile Redox- Gruppe (z.B. Ferrocen, Ascorbat, Chinon) in einheit¬ lichem Redox-Zustand kovalent anknüpfen. Diese Redox- Gruppe wird im Verlauf der Parallelreaktionen stö- chiometrisch proportional zum Analytgehalt aus der Affinitäts-Säule verdrängt und kann dann wie oben erläutert duch entsprechende Redox-Reagenzien in den Reaktionsbereichen genauestens in Äquivalenten (Mol- Einheiten) erfaßt werden. Natürlich läßt sich die Affinitäts-Säule auch mit der Probennahmevorrichtung (z.B. Pipette) vereinigen. Beispiel hierfür sind sog. Capillary Fill Devices.Antibody molecules that are not saturated at the binding site can also be used as titrators for the analytes in reaction areas in the form of affinity columns of different but known analyte binding capacity. Here the breakthrough concentration corresponds to the equivalence point. The selective mixtures of known gas test tubes, for example showing organic compounds, can be used as indicators. Alternatively, affinity columns can also be constructed in which the analyte-specific antibody molecules introduced there are 100% saturated at the corresponding binding sites with a derivatized form of the analyte, but the actual analyte has a much higher affinity constant than its deri vat. According to the invention, the derivatized molecular region of the analyte should be detectable by means of measurement analysis methods. For example, a stable redox group (eg ferrocene, ascorbate, quinone) in the uniform redox state can be covalently attached to the analyte molecule. This redox group is displaced stoichiometrically in proportion to the analyte content from the affinity column in the course of the parallel reactions and, as explained above, can be detected precisely in equivalents (mol units) in the reaction areas using corresponding redox reagents. Of course, the affinity column can also be combined with the sampling device (eg pipette). Examples of this are so-called capillary fill devices.
Die einzelnen Module der Gesamtvorrichtung können aus recyclingfähigen Materialien, wie Kunststoffen (Ple¬ xiglas, Polypropylen, PET, Polycarbonat, PE oder an- dere präzise strukturierbare Sorten) , Silizium, Ke¬ ramik (Green-Tape-Technik) , Papier oder papierähnli¬ chen Materialien bestehen. Es ist möglich, die Module als planare Vorrichtungen auf einem flexiblen Sub¬ strat (Kunststoff-Folie, Heißklebefolie, Papier) auf- zubringen, welches beispielweise aufgerollt und mit der Probe in Kontakt gebracht wird und zum Ablesen der betreffenden Analyt-Konzentration ausgerollt wird.The individual modules of the overall device can be made from recyclable materials, such as plastics (plexiglass, polypropylene, PET, polycarbonate, PE or other types that can be structured precisely), silicon, ceramic (green tape technology), paper or paper-like Chen materials exist. It is possible to apply the modules as planar devices on a flexible substrate (plastic film, hot-melt film, paper), which is rolled up and brought into contact with the sample, for example, and rolled out to read off the analyte concentration in question.
Die einzelnen Module sind beispielsweise mittelsThe individual modules are, for example
Dickfilmtechniken wie Siebdruck, mittels Spritzguß, CNC-Technik oder LIGA-Verfahren oder mittels Halblei- terstrukturierungsverfahren wie Photolithographie strukturiert bzw. mikrostrukturiert. Insbesondere durch die moderne Technologie der photolithographi- sehen Verfahren der Mikro-Systemtechnik εind εowohl genaueεte Mikro-Pipetten wie auch Mikro-Reaktoren mit genau kontrolliertem Volumen einfach, preiεwert und mit sehr geringen Abweichungen herstellbar. Dies gilt auch für die LIGA-Technik, welche nicht auf Silizium beschränkt ist, sondern auch preiswerte Spritzgußlö¬ sungen in Kunststoff ermöglicht. Bei Dosiergenauig¬ keiten im %-Bereich kann auch die Dickfilmtechnik verwendet werden. Das Titrationsmodul ist vorzugswei- se als planarer Träger mit schichtförmigem (laminat- förmigem) Aufbau auεgestaltet (z.B. Papierstreifen im Scheckkartenformat) . Ein schalen- oder röhrenförmi¬ ger, kreis-, spiral-, kugel-, oder würfelförmiger Aufbau ist jedoch gleichfalls denkbar. Ein Vorteil der Halbleiter- oder LIGA-Technologie ist die Tatsa¬ che, daß die einzelnen Module zusammen in einem ein¬ zigen Arbeitsschritt hergestellt werden können. Die Mikro-Systemtechnik erlaubt auch eine präzise Dosie¬ rung und Positionierung des maßanalytischen Reagen- zeε. Bei dem maßanalytiεchen Reagenz muß es εich nicht notwendigerweiεe um ein stabiles Reagenz han¬ deln.Thick film techniques such as screen printing, structured or microstructured using injection molding, CNC technology or LIGA processes or using semiconductor structuring processes such as photolithography. In particular through the modern technology of photolithographic see methods of micro-system technology, both the most precise micro-pipettes and the micro-reactors with precisely controlled volumes can be produced easily, inexpensively and with very small deviations. This also applies to the LIGA technology, which is not limited to silicon, but also enables inexpensive injection molding solutions in plastic. With dosing accuracies in the% range, thick film technology can also be used. The titration module is preferably designed as a planar support with a layered (laminate) structure (eg paper strips in credit card format). However, a shell-shaped or tubular, circular, spiral, spherical or cube-shaped structure is also conceivable. An advantage of semiconductor or LIGA technology is the fact that the individual modules can be produced together in a single work step. The micro-system technology also enables precise metering and positioning of the analytical reagent. The analytical reagent does not necessarily have to be a stable reagent.
Vorzugsweise werden die einzelnen Funktions-Module derart strukturiert, daß das Eindringen des Titranden in das Vorbereitungsmodul bzw. in daε Titrationεmodul durch gegenseitiges Verschieben der Module bzw. eines dazwischen liegenden Spacers mit entsprechenden Aus- εparungen erfolgen kann. Durch das Verschieben lassen sich so Kanäle öffnen und schließen. Es können aber auch Kolben vorgesehen sein, die das Probenvolumen aus den Probenahmevorrichungen in Richtung auf die Reaktionsbereiche verdrängen. Die Kolben können in das Probennahmemodul integriert sein oder aber auch in einer vom Probennahmemodul getrennten, modularen Einheit ausgebildet sein. Alternativ hierzu läßt sich ein Multi-Pipettenblock (Probennahmemodul) mit unter¬ schiedlichen Pipettenvolumina und Injektionsöffnungen herstellen, bei dem durch Injektion des Titrators (einschließlich des Indikators und gegebenenfalls von Hilfsstoffen) alle Pipetten gefüllt werden und dann nach Aufsetzen auf entsprechend konstruierte Mikro¬ Reaktoren mit konstanter und bekannter Menge an Probe mittels einer Verschiebung von Spacer-Ventilen der Ausfluß der unterschiedlichen Titratormengen in die Reaktoren stattfindet.The individual function modules are preferably structured in such a way that the titrant can penetrate the preparation module or the titration module by mutually displacing the modules or an intermediate spacer with corresponding recesses. Moving can open and close channels. However, pistons can also be provided which displace the sample volume from the sampling devices in the direction of the reaction areas. The pistons can be integrated in the sampling module or in a modular module that is separate from the sampling module Be trained. As an alternative to this, a multi-pipette block (sampling module) with different pipette volumes and injection openings can be produced, in which all pipettes are filled by injection of the titrator (including the indicator and, if applicable, of auxiliary substances) and then, after being placed on appropriately designed micro-reactors, with constant and known amount of sample by means of a displacement of spacer valves the outflow of the different titrator amounts takes place in the reactors.
Für die oben genannten Ausgeεtaltungen der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung können sich vorteilhafter- weise auf bzw. zwischen den einzelnen Modulen Spacer, Gleitschichten oder Trennfolien befinden.For the above-mentioned embodiments of the device according to the invention, spacers, sliding layers or separating foils can advantageously be located on or between the individual modules.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens zur Konzentrationsbestimmung eines in einer Probe enthaltenen Analyten, Analytgemisches oder eines biochemischen analyt-äquivalenten Stoffes mit Hilfe eineε selektiven Reagenzeε wird ein bekann- teε Probenvolumen mit mindeεtens einem, mit bekannter chemiεcher Äquivalentdichte immobilisierten Titrator zur Reaktion gebracht und die Titrand-Konzentration durch Messung der geometrischen Abmessungen desjeni¬ gen Teilbereiches des immobiliεierten Titratorε er¬ mittelt, in welchem eine spezifische, maßanalytisch quantitativ ablaufende Titrator-Titrand-Reaktion stattgefunden hat. Die Äquivalentdichte bezeichnet hierbei die Immobilisierungsdichte des Titrators, beispielsweise in Mol/cm oder Mol/cm2. Auch bei die¬ sem Verfahren geschieht die Bestimmung der Analyt- Konzentration nicht über störanfällige Signalintensi- täten, sondern durch Abmessung eines vorzugsweise eindimensionalen (linearen) geometrischen Bereichs bzw. Ablesen einer Skala.In a further embodiment of the method according to the invention for determining the concentration of an analyte, analyte mixture or a biochemical analyte-equivalent substance contained in a sample with the aid of a selective reagent, a known sample volume is reacted with at least one titrator immobilized with a known chemical equivalent density and the titrant concentration is determined by measuring the geometric dimensions of the partial region of the immobilized titrator in which a specific titrator-titrand reaction taking place quantitatively and quantitatively has taken place. The equivalent density here denotes the immobilization density of the titrator, for example in mol / cm or mol / cm 2 . In this method too, the analyte concentration is not determined via signal intensities susceptible to interference, but preferably by dimensioning one one-dimensional (linear) geometric range or reading a scale.
Nach dem Aufbringen eines bekannten Probenvolumens auf den immobilisierten Titrator bewegt εich die Pro¬ benlösung aufgrund von beispielsweise Kapillar-, Schwer-, Kolbenhub- oder Zentrifugalkräften in der Schicht des immobilisierten Reagenzes und wird dabei sukzessive titriert (genauer gesagt: rücktitriert, da zunächst der Überschuß des Titrators durch die ein¬ diffundierende Analytmenge beseitigt werden muß) , wobei dann die Strecke des Analyt-Überschusses bei Verwendung eines optischen Indikatorε eine Anfärbung zeigt. Bei bekannter Immobiliεierungsdichte des Ti- trators kann so aus der Länge der angefärbten Strecke auf die Analytkonzentration geschlossen werden. Wie bereits oben erwähnt, ist die Farbe selbst bzw. die intensitätsmäßige Konstanz der spezifisch angefärbten Zone für die Konzentrationsbestimmung unerheblich, da die Konzentration über eine Strecken- oder Flächen¬ messung ermittelt wird. Die Farbintensität bestimmt nur die Empfindlichkeit, mit der Anfang und Ende der Meßstrecke erkannt werden können. Erst wenn der Ana¬ lyt auf seinem Weg vollständig mit dem dort fixierten Titrator reagiert hat, iεt er mit einem selektivenAfter a known sample volume has been applied to the immobilized titrator, the sample solution moves in the layer of the immobilized reagent due to, for example, capillary, heavy, piston stroke or centrifugal forces and is successively titrated (more precisely: back-titrated, since first the excess of the titrator must be eliminated by the diffusing amount of analyte), the stretch of the excess analyte then showing a color when an optical indicator is used. With a known immobilization density of the titer, the length of the stained section can be used to infer the analyte concentration. As already mentioned above, the color itself or the constancy of intensity of the specifically stained zone is irrelevant for determining the concentration, since the concentration is determined by measuring the distance or area. The color intensity only determines the sensitivity with which the beginning and end of the measuring section can be recognized. Only when the analyte has completely reacted on its way with the titrator fixed there, is it selected with a selective one
Anfärbe-Cocktail nicht mehr anfärbbar. Folglich kann auch die Dünnschicht-Chromatographie erfindungsgemäß in eine einfach abzumessende Absolutmethode umgewan¬ delt werden, wenn durch Diffusionssperren die Diffu- sion des oder der Analyten quer zur Strömungsrichtung der mobilen Phase verhindert und somit nur die Diffu¬ sion in eine Richtung ermöglicht wird. Geeignete Dif- fuionssperren sind alle Materialen mit einem gegen¬ über Flüssigkeiten vernachlässigbaren Diffusionskoef- fizienten, beispielsweise Festkörper. Das neuartige, miniaturisierbare Multi-Analyseverfahren erweitert das traditionelle Dünnschicht-Chromatographieverfah¬ ren bezüglich der Genauigkeit und der Einfachheit der Auswertung wesentlich.Coloring cocktail can no longer be colored. Consequently, thin-layer chromatography can also be converted according to the invention into a simple-to-measure absolute method if diffusion barriers prevent the diffusion of the analyte or analytes transversely to the direction of flow of the mobile phase and thus only allow diffusion in one direction. Suitable diffusion barriers are all materials with a diffusion coefficient which is negligible with respect to liquids, for example solids. The novel, Miniaturizable multi-analysis methods significantly expand the traditional thin-layer chromatography method with regard to the accuracy and simplicity of the evaluation.
Die meisten der Ausführungen bezüglich des ersten Verfahrens zur Konzentrationsbestimmung lassen sich auch auf dieses zweite Verfahren mit einem kontinu¬ ierlichen Reaktionsraum übertragen. So kann bei- spielsweise auch im vorliegenden Fall die Längen¬ bzw. Flächenmessung der Titrator-Titrand-Reaktion vi¬ suell, elektrochemisch oder mittels optischer Auswer¬ temethoden wie Barcode-Leser oder analog zu CD-Spie¬ lern durchgeführt werden. Mittels Barcode-Leser läßt sich die Breite der Anfärbezonen ermitteln. Eε können auch fluoreεzierende Zonen (aktive Fluoreεzenz) oder Zonen mit ausgelöschter Fluoreszenz (negative Fluo¬ reszenz) vermessen werden.Most of the explanations regarding the first method for determining the concentration can also be transferred to this second method with a continuous reaction space. In the present case, for example, the length or area measurement of the titrator-Titrand reaction can also be carried out visually, electrochemically or by means of optical evaluation methods such as barcode readers or analogously to CD players. The width of the staining zones can be determined using a barcode reader. Fluorescent zones (active fluorescence) or zones with extinguished fluorescence (negative fluorescence) can also be measured.
Erfindungsgemäß kann das Probenvolumen einer Oxida¬ tion, Reduktion, Gasaustreibung, elektrophoretischen oder chromatographischen Trennung, einer chemischen oder biochemischen Analyt-Erkennung, -Amplifikation oder -Abtrennung unterzogen werden und anschließend mit dem immobilisierten Titrator in Kontakt gebracht werden. Auch diesbezüglich sei wieder auf die vorher¬ gehenden Ausführungen verwiesen.According to the invention, the sample volume can be subjected to oxidation, reduction, gas expulsion, electrophoretic or chromatographic separation, chemical or biochemical analyte detection, amplification or separation and then brought into contact with the immobilized titrator. In this regard too, reference is again made to the previous statements.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt einen Träger auf dem oder in dem mindestens ein Titrator-Kanal angeordnet ist. Im Bereich dieses Titrator-Kanals ist mindestens eine Titrator-Substanz immobilisiert. Der Titrator-Kanal weist bevorzugt eine lineare Form auf. Kreis- oder spiralförmige Kanäle sind jedoch gleichfalls denkbar. MA device according to the invention for carrying out the method comprises a carrier on or in which at least one titrator channel is arranged. At least one titrator substance is immobilized in the area of this titrator channel. The titrator channel preferably has a linear shape. Circular or spiral channels are also conceivable. M
Die Titrator-Kanallänge beträgt typischer Weise 1 bis 20 cm. Die Abmessungen des Kanals in Laufrichtung können variiert werden, wodurch der Erfassungsbereich vergrößert wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Titrator-Kanal um einen Kapillarkanal. Die Kapillar¬ wirkung enger Kanäle erhöht die Strömungsgeschwindig¬ keit des Laufmittels und verkürzt dadurch die Analy¬ senzeit (im Vergleich zu herkömmlichen chromatogra¬ phischen Verfahren) beträchtlich. Typische Titrator- Kanaldurchmesser liegen im μm-Bereich.The titrator channel length is typically 1 to 20 cm. The dimensions of the channel in the running direction can be varied, which increases the detection area. The titrator channel is preferably a capillary channel. The capillary action of narrow channels increases the flow rate of the eluent and thereby considerably shortens the analysis time (compared to conventional chromatographic methods). Typical titrator channel diameters are in the μm range.
Dem Titrator-Kanal kann eine Vorbereitungskanal vor¬ gelagert sein, in welchem bereits angesprochene Ver¬ fahrensschritte wie Trennungen, Oxidationen usw. vor der eigentlichen Titration ablaufen. Die Probe wird dann nur mit dem Titrationskanal in Kontakt gebracht, durchläuft diesen und gelangt schließlich zum Titra¬ tor-Kanal, in welchem anschließend die eigentliche Titration stattfindet. Bei längeren Trennstrecken kann die gezogene Probenmenge nicht ausreichen, um nach der Trennzone die Bestimmungszone zu erreichen. In diesem Fall wird die Testvorrichtung nach dem Ab¬ streifen einer Benetzungsschicht in eine Lösung ge¬ taucht, welche dann die chromatographische mobile Phase darstellt. Letztere wird vorzugsweise durch reine Kapillarkräfte oder durch Kolbenhub zur Bestim¬ mungszone transportiert. Dort wird der von den ande¬ ren Bestandteilen getrennte Analyt, wie zuvor be¬ schrieben, zweidimensional titriert (Quantifizie- rungszone für die Absolutbestimmung) . Da der Analyt hierbei den mit dem Titrator gefüllten Kanal waag¬ recht durchströmt, kann bei ähnlichen Analytkonzen¬ trationen auch mit einem gleichbleibenden Quer¬ schnittsvolumen gearbeitet werden. Erfindungsgemäß muß sich bei nicht-elektrophoretischen Trennungen die Korngröße der stationären Phase dem Kanalquerschnitt anpassen. Kanäle im μm-Bereich verlangen zur optima¬ len Funktion eine nanoporöse stationäre Phase. Die Kanäle können oben offen oder aber auch abgedeckt betrieben werden. Bei einer dichten Abdeckung füllt die stationäre Phase zweckmäßigerweise den gesamten aus dem Kanal und der Abdeckung gebildeten Hohlraum aus. In einer weiteren Auεführungsform löεt die mobi¬ le Phase die auf der Oberseite der Abdeckung befind- liehen Substanzen zum Stoffnachweis auf und verteilt sie durch Diffusion über den gesamten Querschnitt.The titrator channel can be preceded by a preparation channel in which the process steps already mentioned, such as separations, oxidations, etc., take place before the actual titration. The sample is then only brought into contact with the titration channel, passes through it and finally reaches the titrator channel, in which the actual titration then takes place. With longer separation distances, the amount of sample taken may not be sufficient to reach the determination zone after the separation zone. In this case, the test device is dipped into a solution after stripping off a wetting layer, which solution then represents the chromatographic mobile phase. The latter is preferably transported to the determination zone by pure capillary forces or by piston stroke. There, the analyte separated from the other constituents is titrated two-dimensionally, as previously described (quantification zone for the absolute determination). Since the analyte flows horizontally through the channel filled with the titrator, similar analyte concentrations can also be used with a constant cross-sectional volume. According to the invention in non-electrophoretic separations Adjust the grain size of the stationary phase to the channel cross-section. Channels in the μm range require a nanoporous stationary phase for optimal function. The channels can be operated open or covered. In the case of a dense cover, the stationary phase expediently fills the entire cavity formed by the channel and the cover. In a further embodiment, the mobile phase dissolves the substances on the top of the cover for substance detection and distributes them by diffusion over the entire cross section.
Die Beschickung des Titrator-Kanals mit dem Proben¬ volumen kann über einen Proben-Kanal geschehen, wel- eher mit dem mindestens einen Titrator-Kanal in Kon¬ takt steht. Der Probentransport kann über Kapillar¬ kräfte, hydrostatischen oder ander Druck (z.B. durch eine Kolbenbewegung) bewirkt werden. Für den Titra¬ tor-Kanal kann eine Abdeckung vorgesehen εein, in der ein Proben-Kanal auεgebildet ist. Bei dem Proben-Ka¬ nal kann es εich um einen Kapillar-Kanal handeln.The sample volume can be loaded into the titrator channel via a sample channel, which is more in contact with the at least one titrator channel. The sample can be transported via capillary forces, hydrostatic or other pressure (e.g. by a piston movement). A cover can be provided for the titrator channel, in which a sample channel is formed. The sample channel can be a capillary channel.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine Mehrzahl von gleichen oder zumindest teilweise unterschiedlichen Titratoren jeweils imAn advantageous embodiment of the invention provides that a plurality of the same or at least partially different titrators in each
Bereich getrennter Titrator-Kanäle immobiliεiert sind und die einzelnen Titrator-Kanäle neben- oder nach¬ einander angeordnet sind. Mit einer derartigen Anord¬ nung lassen sich gleichzeitig mehrere Analyte in ei- ner Probe nachweisen oder eine Vielzahl von Proben gleichzeitig auf einen bestimmten Analyten hin unter¬ suchen. Bei einer Vielzahl von neben- oder nachein¬ ander angeordneten Titrator-Kanälen mit unterschied¬ lichen oder gleichen Titrator-Substanzen gibt die Position deε optisch markierten Streifens Aufschluß über die Stoffart (unterschiedliche Titrator-Substan- zen) oder über die jeweilige konkrete Probe (gleiche Titrator-Subεtanzen) und die angefärbte oder nicht angefärbte Strecke ist konzentrationsproportional (quantitative Analyse) . Die geometrische Form der chromatographischen Kanäle ist weniger bedeutsam. Bewährt haben sich halbkreisförmige, ovale, v-förmi¬ ge, trapez- und rechteckformige Vertiefungen (Kanäle) gleichbleibender Tiefe auf den unterschiedlichsten Trägermaterialien (z.B. Glas, Keramik, Silizium,Area of separate titrator channels are immobilized and the individual titrator channels are arranged side by side or one after the other. With such an arrangement, several analytes can be detected simultaneously in one sample or a large number of samples can be examined simultaneously for a specific analyte. In the case of a large number of titrator channels arranged side by side or one after the other with different or identical titrator substances, the position of the optically marked strip provides information About the type of substance (different titrator substances) or about the respective concrete sample (same titrator substances) and the stained or non-stained section is proportional to the concentration (quantitative analysis). The geometric shape of the chromatographic channels is less significant. Semicircular, oval, V-shaped, trapezoidal and rectangular depressions (channels) of constant depth on a wide variety of substrates (e.g. glass, ceramic, silicon,
Kunststoff, Metall, usw.), welche mit den gängigen und bekannten chromatographischen εtationären Phasen gefüllt sein können. Je geringer der Kanalquerschnitt ist, um so mehr Kanäle können auf einem Träger mit gegebenen Abmessungen untergebracht werden.Plastic, metal, etc.), which can be filled with the common and known chromatographic stationary phases. The smaller the channel cross section, the more channels can be accommodated on a carrier with given dimensions.
Multi-Kanalvorrichtungen können beispielεweise mit¬ tels eines Barcode-Lesers ausgelesen werden. Ein Bar¬ code-Leser erhält nach einem Startsignal bei konεtan- ter Streckenabtastgeschwindigkeit (Scan-Rate) ein weiteres Signal, dessen Zeitverzögerung für die Stoffart steht und dessen Zeitdauer (Streifenbreite) von der Konzentration des Analyten abhängt. Weitere Anfärbezonen entsprechen weiteren Proben oder anderen Stoffen, welche mit oder ohne zusätzliche selektivi- tätserzeugende Reagenzien simultan vermessen werden können. Erfindungsgemäß kann diese Auswertung auch in speziellen Meßgeräten durchgeführt werden, welche die Trennstrecken analog zu einem CD-Spieler an einem analogen optischen Leεekopf vorbeibewegen. Auf diese Weise lassen εich vor allem Träger mit vielen Kanälen sehr schnell vermessen. Bei zirkulär angeordneten Kanälen sind einem CD-Spieler sehr ähnliche Geräte¬ aufbauten, welche in wenigen Sekunden tausende von Analysen auswerten, möglich. Kreisförmige Kanäle er- fordern allerdings insbesondere bei der Elektrophore¬ se spezielle Start- und Endzonen mit Elektrolytkon¬ takt zur Übertragung des elektrischen Feldes.Multi-channel devices can be read out, for example, by means of a barcode reader. After a start signal at a constant line scanning speed (scan rate), a barcode reader receives a further signal, the time delay of which represents the type of substance and the time duration (stripe width) depends on the concentration of the analyte. Further staining zones correspond to further samples or other substances which can be measured simultaneously with or without additional selectivity-generating reagents. According to the invention, this evaluation can also be carried out in special measuring devices which move the separating sections past an analog optical read head analogously to a CD player. In this way, beams with many channels in particular can be measured very quickly. In the case of circularly arranged channels, device structures very similar to a CD player, which evaluate thousands of analyzes in a few seconds, are possible. Circular channels However, especially in the case of electrophoresis, special start and end zones with electrolyte contact for transmitting the electrical field are required.
Zweckmäßigerweise optimiert man die parallel zu be¬ stimmenden Stoffe nach dem betreffenden Anwendungs¬ fall. In der klinischen Chemie werden beispielsweise die sogenannten Elektrolyte parallel bestimmt. Alter¬ nativ läßt sich beispielsweise Glukose mit Laktat, Kreatinin, Harnstoff und Harnsäure simultan bestim¬ men, wenn als Reagenz die betreffenden Oxidasen immo¬ bilisiert werden, die eine dem Analyten stöchiome- triεch entsprechende Menge Wasserstoffperoxid mittels des Co-Substrates Sauerstoff erzeugen. Zur absoluten Konzentrationsbestimmung der Waεεerεtoffperoxid-Menge wird diese erfindungsgemäß in Anlehnung an eine Re- dox-Titration mit einem immobilisierten Reduktions¬ oder Oxidationsmittel "zweidimensional titriert".The substances to be determined in parallel are expediently optimized according to the particular application. In clinical chemistry, for example, the so-called electrolytes are determined in parallel. Alternatively, for example, glucose with lactate, creatinine, urea and uric acid can be determined simultaneously if the oxidases in question are immobilized as reagents, which generate a quantity of hydrogen peroxide corresponding to the analyte stoichiometrically using the co-substrate oxygen. To determine the absolute concentration of the amount of hydrogen peroxide, this is "two-dimensionally titrated" with an immobilized reducing or oxidizing agent based on a redox titration.
Der Träger für erfindungsgemäße Vorrichtungen kann mittels Dickfilmtechnik wie Siebdruck oder mittels LIGA-Verfahren oder mittels Halbleiterstrukturie- rungsverfahren wie Photolithographie strukturiert bzw. mikro-strukturiert werden. Verwendet man als Träger für die Kanäle Silizium, lassen sich mittels der bekannten Techniken der Mikro-Elektronik eine sehr hohe Anzahl an engen vorzugsweiεe parallelen Kanälen durch Photolithographie und anisotrope Ätzung sehr einfach und gleichmäßig erzeugen. Bei Kunst- stoffträgern kann die bekannte LIGA-Technik angewandt werden, die ähnliches ermöglicht. Ferner ist eine Strukturierung mittels Spritzguß oder CNC-Technik möglich. Quarz, Glas, Metall und andere Festkörper lassen sich aber ebenso durch bekannte Techniken ent- sprechend ritzen oder ätzen. Es sind aber auch kreis- förmige Kanalanordnungen möglich. Theoretisch lassen sich so pro cm Trägerbreite weit über zehn Parallel¬ analysen durchführen.The carrier for devices according to the invention can be structured or microstructured using thick film technology such as screen printing or using the LIGA process or using semiconductor structuring processes such as photolithography. If silicon is used as a support for the channels, a very large number of narrow, preferably parallel channels can be produced very simply and uniformly by photolithography and anisotropic etching using the known techniques of microelectronics. The well-known LIGA technology can be used for plastic carriers, which enables the same. Structuring by means of injection molding or CNC technology is also possible. Quartz, glass, metal and other solid bodies can also be scratched or etched accordingly using known techniques. But there are also circular shaped channel arrangements possible. In theory, well over ten parallel analyzes can be carried out per cm of beam width.
Nachfolgend werden einige erfindungsgemäße Ausfüh¬ rungsbeispiele anhand von Figuren näher beschrieben. Eε zeigen:Some exemplary embodiments according to the invention are described in more detail below with reference to figures. Eε show:
Figur 1: eine planare, testεtreifenförmige Vor- richtung aus einem durchsichtigen Kunst¬ stoff zur Durchführung des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens,FIG. 1: a planar, test strip-shaped device made of a transparent plastic for carrying out the method according to the invention,
Figur 2: den Aufbau eines Titrationsmoduls sowie eines Probennahmemoduls mit variablen, aber bekannten Volumina der Probennahmevorrich¬ tungen,FIG. 2: the structure of a titration module and a sampling module with variable but known volumes of the sampling devices,
Figur 3: eine Vorrichtung zur simultanen Analyse einer Probe auf unterschiedliche Analyte,FIG. 3: a device for the simultaneous analysis of a sample for different analytes,
Figur 4: mögliche Anordnungen der Reaktionsbereiche auf oder in einem Titrationsmodul,FIG. 4: possible arrangements of the reaction areas on or in a titration module,
Figuren 5, 7, 8, 9: den Aufbau weiterer erfindungs¬ gemäßer Vorrichtungen mit einer Vielzahl von Reaktionsbereichen,FIGS. 5, 7, 8, 9: the construction of further devices according to the invention with a large number of reaction areas,
Figur 6: eine Vorrichtung zur simultanen Analyse einer Probe auf unterschiedliche Analyte oder zur simultanen Analyse mehrerer Proben undFIG. 6: a device for the simultaneous analysis of a sample for different analytes or for the simultaneous analysis of several samples and
Figur 10: den Probentransport bei einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung mittels Kolbentechnik. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen werden in erster Linie mikrostrukturierte Systeme betrachtet, welche sich aufgrund des geringen Chemikalienverbrau- ches besonderε für das erfindungsgemäße Verfahren anbieten.Figure 10: the sample transport in a device according to the invention by means of piston technology. The following exemplary embodiments primarily consider microstructured systems which, owing to the low consumption of chemicals, are particularly suitable for the process according to the invention.
In Ausführungsbeispiel 1 wird der Aufbau einer erfin¬ dungsgemäßen modularen Vorrichtung mit elektrochemi- scher Indikation skizziert.In embodiment 1, the structure of a modular device according to the invention with electrochemical indication is outlined.
Der Aufbau besteht aus einer planaren, teststreifen- förmigen Anordnung aus einem durchsichtigen Kunst¬ stoff mit Abmessungen von ungefähr 1 x 0,5 x 10 cm (B x H x L) . Eine derartige Anordnung ist in Figur 1 skizziert. Die Anordnung besteht aus einem Probennah¬ memodul 1 mit einer eindimensionalen Matrix von er¬ findungsgemäßen Probennahmevorrichtungen 6 in Form von Mikropipetten mit konstantem und genau bekanntem Volumen im Mikroliter-Bereich. In diesem Beispiel ist die Skalierung 5 der maßanalytischen Mikro- oder Na- no-Äquivalente des Titrators, der sich in den Reak¬ tionsbereichen 4a befindet, aufgrund des transparen¬ ten Materials auf dem Probennahmemodul 1 angebracht. Sie kann aber auch auf der Unterseite des Titrations¬ moduls 2 angeordnet sein. Die Mikro-Kapillaren 6 wer¬ den mit einer Trennfolie 7 unten abgedichtet. Eine Anordnung mit Dornen 3 und Verbindungskanälen zu den einzelnen als Mikroreaktoren 4a mit Volumina im Mi- kroliter-Bereich ausgestalteten Reaktionsbereichen erlaubt ein rasches Durchstoßen der Trennfolien 7. Das Volumen der Mikroreaktoren muß ausreichend groß sein, um die Probenvolumina ohne Verlust aufnehmen zu können. Bei andersartigen Vorrichtungen ohne Dornen können sich selbεtauflöεende Membranen aus nicht stö- renden Verbindungen wie Dextrin, Zucker oder Salz anstatt der durchstoßbaren Membran verwendet werden. In Figur 5 ist eine weitere Ausgestaltung einer er¬ findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.The structure consists of a planar, test strip-shaped arrangement made of a transparent plastic with dimensions of approximately 1 x 0.5 x 10 cm (W x H x L). Such an arrangement is outlined in FIG. 1. The arrangement consists of a sampling module 1 with a one-dimensional matrix of sampling devices 6 according to the invention in the form of micropipettes with a constant and precisely known volume in the microliter range. In this example, the scaling 5 of the dimensionally analytical micro or nano equivalents of the titrator, which is located in the reaction areas 4a, is attached to the sampling module 1 due to the transparent material. However, it can also be arranged on the underside of the titration module 2. The micro-capillaries 6 are sealed with a separating film 7 at the bottom. An arrangement with spikes 3 and connecting channels to the individual reaction areas designed as microreactors 4a with volumes in the microliter range allows the separating foils 7 to be pierced quickly. The volume of the microreactors must be large enough to be able to take up the sample volumes without loss. In the case of other types of devices without spikes, self-dissolving membranes made of non-interfering compounds such as dextrin, sugar or salt can be used instead of the penetrable membrane. FIG. 5 shows a further embodiment of a device according to the invention.
In Figur 10 ist ein möglicher Mechanismus für den Probentransport mittels eines Kolbens skizziert. In der Explosionszeichnung sind Aufsichten und entspre¬ chende Querschnitte eines einzelnen Titrationsreak- tors einer modular aufgebauten, eine Vielzahl von Reaktionsbereichen aufweisenden Analyεevorrichtung dargestellt. Der Reaktionsbereich 4 ist als Vertie¬ fung in einem Titrationεmodul 2 ausgebildet. In die¬ ser Vertiefung ist die gelöste oder immobilisierte Titratorsubstanz und gegebenenfalls ein Indikator angeordnet. Über dem Titrationεmodul εind eine Trenn¬ folie 7 und ein Probennahmemodul 1 angeordnet. Das Probennahmemodul 1 weist eine Vielzahl von als Probe- sammelvorrichtungen definierten Volumens ausgebildete Probenahmevorrichtungen 19 auf, welche mit kapillaren Zuleitungen in Verbindung stehen. Über dem Probenah¬ memodul 1 iεt eine Platte 18 angeordnet, welche eine der Anzahl der Pobennahmevorrichtungen 19 entspre¬ chenden Zahl von Schubkolben aufweist. Die Schubkol- ben weisen Dornen auf. Zwischen der Platte 18 und dem Probennahmemodul 1 befindet sich ein Spacer 17, der Ausεparungen zur Führung des Kolbens aufweist und außerdem als Abdeckung für das Probennahmemodul 1 dient. Die in den Probennahmevorrichtungen 19 be- findlichen Probenvolumina werden dadurch in die Reak¬ tionsbereiche 4 gefördert, daß die Schubkolben die Proben aus den Probennahmevorrichtungen 19 nach unten verdrängen und gleichzeitig mit den an den einzelnen Kolben angebrachten Dornen die Trennfolie 7 durchste- chen. Die Auswertung der einzelnen Reaktionen kann auf un¬ terschiedliche Weise geschehen. Anstelle einer visu¬ ellen Äquivalenzpunktfeststellung mit Hilfe eineε geeigneten Indikators in den Mikroreaktoren kann bei- spielsweise auch eine in den Figuren nicht abgebilde¬ te elektrochemische Indizierung durchgeführt werden. Im Falle einer elektrochemischen Indikation der ma߬ analytischen Titration in den isolierten Mikro-Reak- tionsräumen mittels entsprechender Mikro-Elektroden finden die mikrochemischen, maßanalytischen Umsätze in einem darüber befindlichen Modul statt. In diesem Fall kann auf Indikatoren verzichtet werden. Die Pro¬ benvolumina fließen vielmehr nach der maßanalytischen Reaktion in einem separaten Modul in das wiederver- wendbare Meß-Modul mit einer der Anzahl der Mikro¬ Reaktoren entsprechenden Anzahl von elektrochemischen Meßzellen. Jede dieser Meßzellen kann über im Boden eingelassene Kontakte elektrisch kontaktiert und be¬ züglich Leitfähigkeit, pH-Wert oder Redox-Wert ver- messen werden. Der elektrochemische Äquivalenzpunkt- Leser ist nach Spülen wiederverwendungsfähig. Er wird durch ein paßgenaues Aufsetzen von Reaktions-Modul, Probennahmen-Modul und einem möglicherweise dazwi¬ schen angeordneten Probenvorbereitungs-Modul wieder zu einer Schnell-Teεtanordnung komplettiert.A possible mechanism for the sample transport by means of a piston is outlined in FIG. The exploded view shows views and corresponding cross sections of an individual titration reactor of a modularly constructed analysis device having a plurality of reaction areas. The reaction area 4 is designed as a recess in a titration module 2. The dissolved or immobilized titrator substance and possibly an indicator are arranged in this recess. A separating film 7 and a sampling module 1 are arranged above the titration module. The sampling module 1 has a large number of sampling devices 19 configured as sample collection devices, which are connected to capillary feed lines. A plate 18 is arranged above the sampling module 1 and has a number of thrust pistons corresponding to the number of sample-taking devices 19. The thrust pistons have thorns. Between the plate 18 and the sampling module 1 there is a spacer 17 which has recesses for guiding the piston and also serves as a cover for the sampling module 1. The sample volumes in the sampling devices 19 are conveyed into the reaction areas 4 in that the thrust pistons force the samples out of the sampling devices 19 downwards and at the same time pierce the separating film 7 with the spikes attached to the individual pistons. The individual reactions can be evaluated in different ways. Instead of a visual equivalence point determination with the aid of a suitable indicator in the microreactors, it is also possible, for example, to carry out an electrochemical indexing which is not shown in the figures. In the case of an electrochemical indication of the dimensional analytical titration in the isolated micro reaction rooms by means of corresponding micro electrodes, the microchemical, dimensional analysis conversions take place in a module located above. In this case, indicators can be omitted. Rather, the sample volumes flow after the analytical reaction in a separate module into the reusable measuring module with a number of electrochemical measuring cells corresponding to the number of micro-reactors. Each of these measuring cells can be electrically contacted via contacts embedded in the floor and measured in terms of conductivity, pH value or redox value. The electrochemical equivalence point reader is reusable after rinsing. It is completed by a precise fitting of the reaction module, the sampling module and a sample preparation module possibly arranged in between to form a rapid test arrangement.
In Figur 2 iεt der Aufbau eineε Probennahmemoduls mit variablen, aber genau bekannten Volumina der Kapil- lar-Pipetten 6 skizziert. Die keilförmige Form ist nicht maßstäblich. Zusätzlich zur variablen Länge der Kapillar-Pipetten 6 kann auch ihr Durchmesser verän¬ dert werden, so daß die Aliquotisierung um den Faktor 100 verändert werden kann. Bei zu langen Kapillar- Pipetten 6 ist allerdings die Produktionstechnik des LIGA-Verfahrens nicht möglich. Hier müssen die Innen- röhrchen gebohrt werden, was beispielsweise durch klassische Feinwerktechnik aber auch mittels Laser geschehen kann. Das in Figur 2 dargestellte Proben¬ nahmemodul mit variabler Aliquotisierung ist wieder- verwendbar. Dazu wird das Modul jeweils mit der neuen Probe mittels einer Spritze durchspült. Zu diesem Zweck verbinden die beiden auf Führungsschienen an¬ geordneten und mit Verbindungskapillaren 8 versehenen Abdeckplatten die einzelnen Kapillaren 6 abwechselnd unten und oben in der Weise, daß die Kapillaren 6 mittels einer einzigen Durchspühlung gefüllt werden können. Aufgrund der variablen Proben-Aliquotisierung können bei diesem Sehne11-Testsystem die maßanalyti¬ schen Titrationsäquivalente in den Mikro-Reaktoren 4b im Titrationsmodul konstant bleiben. In Figur 4 sind weitere Anordnungen von Reaktionsbereichen 4a, 4b zur Aufnahme unterschiedlicher oder gleicher chemische Titrator-Äquivalente dargestellt.FIG. 2 outlines the structure of a sampling module with variable but precisely known volumes of the capillary pipettes 6. The wedge shape is not to scale. In addition to the variable length of the capillary pipettes 6, their diameter can also be changed so that the aliquotization can be changed by a factor of 100. If the capillary pipettes 6 are too long, however, the production technology of the LIGA method is not possible. Here the interior tubes are drilled, which can be done, for example, using classic precision engineering, or using a laser. The sampling module with variable aliquotization shown in FIG. 2 is reusable. To do this, the module is flushed with the new sample using a syringe. For this purpose, the two cover plates arranged on guide rails and provided with connecting capillaries 8 connect the individual capillaries 6 alternately below and above in such a way that the capillaries 6 can be filled by means of a single flush. Due to the variable sample aliquotization, the Sanne11 test system allows the dimensionally analytical titration equivalents in the micro-reactors 4b to remain constant in the titration module. FIG. 4 shows further arrangements of reaction areas 4a, 4b for receiving different or the same chemical titrator equivalents.
Die einzelnen Mikro-Reaktoren der Vorrichtung nach Figur 2 werden mit den einzelnen Probenvolumina da¬ durch simultan gefüllt, daß die beiden mit Verbin¬ dungskapillaren 8 versehenen Abdeckplatten εeitlich verschoben werden. Die Mikro-Reaktoren 4b können auch auf einem papierähnlichen Träger untergebracht wer¬ den.The individual micro-reactors of the device according to FIG. 2 are filled with the individual sample volumes simultaneously by the two cover plates provided with connecting capillaries 8 being shifted laterally. The micro-reactors 4b can also be accommodated on a paper-like support.
Eine Schnellanalyse mit variablen Probenvolumen und konstantem Titrationsäquivalent in den Mikro-Reakto- ren umfaßt die Schritte des Eintauchens des Proben- nahmemoduls in die Probe, des Aufsetzenε desselben auf das elektrochemische Meß-Modul unter Zwischen¬ schaltung einer passenden Folie mit den an den rich¬ tigen Stellen punktförmig immobilisierten konstanten Mengen des Titrators, des Öffnens der Probenkanäle und der Versiegelung des maßanalytischen Reagenzes sowie dem Überspülen in die Meßzellen, der Vermessung der Meßzellen-Matrix zur Feststellung des Ortes der stärksten Meßsignal-Änderung sowie das Ablesens der dort vorliegenden Äquivalenzkonzentration des Analy¬ ten.A rapid analysis with variable sample volume and constant titration equivalent in the micro-reactors comprises the steps of immersing the sampling module in the sample, placing it on the electrochemical measuring module with the interposition of a suitable foil with the one to the rich constant immobilized amounts of the titrator, opening the sample channels and the sealing of the analytical reagent and the rinsing into the measuring cells, the measurement of the measuring cell matrix to determine the location of the greatest change in the measuring signal and the reading of the equivalence concentration of the analyte present there.
In Figur 7 ist eine weitere Variante der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Mikro-Kapillar- Pipetten 6 (dargestellt in Aufsicht und Seitenan¬ sicht) können durch paßgenaues Verschieben mit den Mikro-Reaktoren 4a in Verbindung gebracht werden. In Figur 7 ist außerdem eine dreidimensionale Darstel¬ lung eines Mikro-Reaktors gezeigt.FIG. 7 shows a further variant of the device according to the invention. The micro-capillary pipettes 6 (shown in a top view and a side view) can be connected to the micro-reactors 4 a by precisely fitting displacement. FIG. 7 also shows a three-dimensional representation of a micro-reactor.
Figur 8 skizziert den Aufbau einer zusammengesetzte Anordnung aus zwei Modulen. Das Probennahmemodul 1 besteht aus einem Keramik-Spritzguß mit gebohrten Pipetten-Kanälen. Immobilisierten Reagenzien 12 für eine Probenvorbereitung sind in einer Ecke der Kanäle untergebracht. Die Oberfläche 13 ist hydrophobiert. Das Trägermaterial wird von einer Bodenplatte 14 ab¬ geschlossen.Figure 8 outlines the structure of a composite arrangement of two modules. The sampling module 1 consists of a ceramic injection molding with drilled pipette channels. Immobilized reagents 12 for sample preparation are housed in a corner of the channels. The surface 13 is hydrophobic. The carrier material is closed off by a base plate 14.
Figur 9 zeigt schematisch die Aufsicht und Seitenan¬ sicht eines weiteren Moduls 15 mit noch geschlossenen Mikro-Kammern 16, welche sich bei Bedarf öffnen las¬ sen.FIG. 9 shows schematically the top view and side view of a further module 15 with micro-chambers 16 still closed, which can be opened if necessary.
Das als nächstes diskutierte Ausführungsbeispiel 2 beschreibt die Bestimmungen der Säure- oder Basenkon¬ zentration mittels einer Systemkonfiguration aus Ein¬ zel-Reaktoren.The embodiment 2 discussed next describes the determinations of the acid or base concentration by means of a system configuration from individual reactors.
Auf einem planaren Träger aus einem preiswerten, mit- Hl tels LIGA-Technologie strukturierbarem Material wird gemäß Figur 1 eine lineare Matrix von Mikro-Reak- tionskammern mit ansteigendem Volumen und mit ihnen in Verbindung stehenden Kapillar-Füll-Pipetten der Gesamtabmessungen 10 x 1 x 0,5 cm (L x B x H) reali¬ siert. Zur Vereinfachung einer reproduzierbaren und automatisierbaren Füllung der Mikro-Kammern (Reakto¬ ren mit Füllvolumen im Mikro- und Nanolitermaßstab, Durchmesser typischerweise 0,1 mm) können diese auch mit unten offenen Kammern produziert werden, welche dann nach Füllung mittels der verschiedensten Techni¬ ken mit einer optisch durchlässigen Bodenplatte ver¬ schlossen werden. Die Füllung mit genau dem Kammer- Volumen entsprechenden Mengen des Titrators (bei der Säurebestimmung wird als Titrator eine Lauge, bei der Laugenbestimmung eine Säure verwendet) geschieht bei¬ spielsweise mittels eines Dispensers. Die Füllung kann aber auch im Wege einer Tauchfüllung in einer vorzugsweise gelartig vorliegenden Standardlösung ei- ner schwerflüchtigen Lauge oder Säure, welcher ein geeigneter pH-Indikator beigefügt ist, erfolgen. Bei¬ spiele für immobilisierte Laugen εind neben den be¬ kannten alkalischen Urtitersubstanzen wie Alkalicar¬ bonate auch Substanzen, beispielsweise stark- oder schwachbasiεche Ionentauεcher, welche an ihrer Ober¬ fläche (z.B. mittels Amino-Gruppen) Protonen binden können. Beispiele für immobilisierte Säuren sind dem¬ entsprechend neben den klasεiεchen sauren Urtitersub¬ stanzen wie Hydrogensulfat und -phosphat unter ande- rem stark- oder schwachsaure Ionentauscher (z.B. mitOn a planar carrier from an inexpensive, According to FIG. 1, the material that can be structured using LIGA technology is a linear matrix of micro-reaction chambers with increasing volume and associated capillary-filling pipettes with overall dimensions of 10 × 1 × 0.5 cm (L × W × H) ) realized. In order to simplify a reproducible and automatable filling of the microchambers (reactors with filling volume on a micro and nanoliter scale, diameter typically 0.1 mm), these can also be produced with open-bottom chambers, which then, after filling, using a wide variety of techniques be closed with an optically permeable base plate. Filling with amounts of the titrator corresponding exactly to the chamber volume (in the acid determination, a lye is used as the titrator, and an acid is used in the lye determination) is carried out, for example, by means of a dispenser. However, the filling can also be carried out by immersion filling in a standard solution, preferably in gel form, of a low-volatility alkali or acid, to which a suitable pH indicator is added. Examples of immobilized alkalis are, in addition to the known basic alkaline substances such as alkali carbonates, also substances, for example strongly or weakly basic ion exchangers, which can bind protons on their surface (for example by means of amino groups). Accordingly, examples of immobilized acids are, in addition to the classic acidic Urtiterub¬ substances such as hydrogen sulfate and phosphate, among other strong or weakly acidic ion exchanger (for example with
S03H-Gruppen) . Alternativ laεsen sich natürlich auch Titrationen im Nanolitermaßstab durchführen, wenn der Titrator nur kovalent an den unterschiedlich großen Kammeroberlachen angebunden ist. Wird eine derartige Testvorrichtung in die zu messen¬ de Probe getaucht, dann werden zunächst gleichzeitig alle, je nach gewünschter Graduierung mehr oder we¬ niger zahlreiche, Mikro-Pipetten durch die Kapillar- Wirkung gefüllt. Auch eine aktive Befüllung der Pi¬ petten durch einen kontrollierten Kolbenhub ist mög¬ lich (vgl. Figur 10). Nachdem der Kontakt der Test¬ vorrichtung mit der zu messenden Probe unterbunden wurde, wird der weitere Transport der Probe in die im Ausführungsbeispiel 2 jeweils darunterliegenden Mi- kro-Titrationskammern dadurch gestartet, daß entweder eine Verschlußfolie durchstoßen wird oder die Mikro¬ Reaktoren im Titrationsmodul mit einer εich εelbεt auflöεenden Schicht abgedeckt sind. Alternativ dazu kann auch durch eine kontrollierte Verschiebung des Probennahmemoduls oder eines mit Aussparungen verse¬ henen Spacers durch das Öffnen geeigneter Kanäle die Titration auslösen. Anschließend reagiert der Analyt mit der in den Mikro-Reaktoren jeweils vorliegenden und genau bekannten Menge des Basen- oder Säurestan¬ dards, wobei es je nach der Säure- oder Basenkonzen¬ tration in der Probe zu einer Veränderung der Indika¬ torfärbung nur dort kommt, wo die Äquivalenz über¬ schritten ist. An einer seitlich angebrachten Skala läßt sich dann die Absolutkonzentration des Analyten (hier Säure oder Base) genau ablesen. Der Proben¬ transport kann außerdem durch eine mechanisch oder andersartig eingeleitete Kapillarwirkung oder durch Eintauchen in eine Entwicklungsflüsεigkeit mit oder ohne Hilfsreagenzien geschehen. Auch eine Befüllung der Mikro-Reaktionskammern mittels Vakuum oder Über¬ druck ist denkbar. Durch die Wahl eines geeigneten und einheitlichen pH-Indikators, welcher der zu be¬ stimmenden Säure- oder Baεenstärke (pK-Wert) ent- spricht, liegen einheitliche Anfärbebereiche (Titer Mi der Mikro-Reaktion mit oder ohne stöchiometrischen Analyt-Überschuß) vor, die auch automatisiert als digitale Ja-Nein Antwort (bezüglich der Erreichung des Endpunktes) ausgewertet werden können. Das erfin- dungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemaße Vor¬ richtung gewährleisten somit eine hohe Analysegenau¬ igkeit.S0 3 H groups). Alternatively, titrations can of course also be carried out on a nanoliter scale if the titrator is only covalently attached to the differently sized chamber surfaces. If such a test device is immersed in the sample to be measured, then at the same time all, depending on the desired graduation, more or less numerous, micro-pipettes are filled by the capillary action. Active filling of the pipettes by a controlled piston stroke is also possible (cf. FIG. 10). After the contact of the test device with the sample to be measured has been prevented, the further transport of the sample into the micro-titration chambers located below in each case in exemplary embodiment 2 is started by either piercing a sealing film or the micro-reactors in the titration module a self-dissolving layer are covered. As an alternative to this, the titration can also be triggered by a controlled displacement of the sampling module or a spacer provided with cutouts by opening suitable channels. The analyte then reacts with the precisely known amount of the base or acid standard present in the micro-reactors, with the indicator color changing only there depending on the acid or base concentration in the sample. where the equivalence has been exceeded. The absolute concentration of the analyte (here acid or base) can then be read off precisely on a scale attached to the side. The sample can also be transported by a mechanically or otherwise initiated capillary action or by immersion in a development liquid with or without auxiliary reagents. It is also conceivable to fill the micro reaction chambers by means of vacuum or excess pressure. By choosing a suitable and uniform pH indicator which corresponds to the acid or base strength (pK value) to be determined, there are uniform staining areas (titers) With the micro-reaction with or without a stoichiometric analyte excess), which can also be evaluated automatically as a digital yes-no answer (with regard to reaching the end point). The method according to the invention and the device according to the invention thus ensure a high level of analysis accuracy.
Bei der Analysemethode des zweiten Ausführungεbei- εpiels wird die klassische Titration einer zu bestim¬ menden Säure mit einer Lauge (oder umgekehrt) in eine Serie von parallel und getrennt ablaufenden Mikro¬ Titrationen kontrolliert variierter Titrator-Äquiva¬ lente verwandelt, welche durch die Art der Anordnung der Mikro-Titrationen eine digitale oder streckenmä¬ ßige Auswertung ähnlich die der Volumenablesung an einer Bürette ermöglichen. Der erfindungsgemäße Vor¬ teil liegt darin, daß nur die Position der noch gera¬ de angefärbten Zone mit dem höchsten immobilisierten Laugengehalt zur genauen Konzentrationεermittlung bestimmt werden muß, alle anderen Informationen also redundant sind. Vorteilhaft ist außerdem, daß die schwierige und fehlerbehaftete Abschätzung der Farb- intenεität der angefärbten Zonen keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit mehr ausübt. Im Falle der pH-Wert¬ messung, welche vorallem bei starken Säuren und Lau¬ gen sehr ungenau wird, ist dieses "Flächentitrations¬ verfahren" somit wesentlich genauer. Die Auswertung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens erfolgt ver- gleichbar mit LED-Leuchtketten zur Intenεitätsanzeige elektronischer Signale.In the analysis method of the second embodiment, the classic titration of an acid to be determined with an alkali (or vice versa) is converted into a series of parallel and separate micro titrations of controlled, varied titrator equivalents, which are changed by the type of The arrangement of the micro-titrations enables a digital or distance-based evaluation similar to that of the volume reading on a burette. The advantage according to the invention lies in the fact that only the position of the still stained zone with the highest immobilized alkali content has to be determined for the exact determination of the concentration, all other information is therefore redundant. It is also advantageous that the difficult and erroneous estimation of the color intensity of the colored zones no longer has any influence on the measurement accuracy. In the case of pH measurement, which becomes very imprecise, especially with strong acids and lyes, this "area titration method" is therefore much more precise. The analysis method according to the invention is evaluated in a manner comparable to LED light chains for displaying the intensity of electronic signals.
Die herstellungsmäßig genau konfektionierten Titra- tionεmodule für eine absolute Konzentrationsbeεtim- mung von Säuren und Laugen können erfindungsgemäß auch zur Gasanalyse verwendet werden. So kann bei¬ spielsweise Kohlendioxid in einem Mikro-Gaswäscher- Modul mit bekannten Mengen von Natronlauge umgesetzt werden. Die Abnahme der NaOH-Konzentration ist nach- folgend leicht feststellbar. Analog kann Ammoniak mittels HCI ausgewaschen und bestimmt werden.According to the invention, the titration modules that are precisely manufactured in terms of manufacture for an absolute determination of the concentration of acids and alkalis can also be used for gas analysis. For example, carbon dioxide can be reacted with known amounts of sodium hydroxide solution in a micro gas scrubber module. The decrease in the NaOH concentration can easily be determined below. Analogously, ammonia can be washed out and determined using HCI.
In Ausführungsbeispiel 3 wird die absolute Serienbe¬ stimmung von Säuren und Laugen mittels einer erfin- dungsgemäßen Systemkonfiguration (Titration in Reak¬ tions-Kanälen) betrachtet.In embodiment 3, the absolute series determination of acids and alkalis is considered by means of a system configuration according to the invention (titration in reaction channels).
Hat man eine Vielzahl von Proben auf ihre Säure- oder Basenkonzentration hin zu überprüfen, εo weicht die in Figur 3 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung von den beiden vorhergehenden Ausfüh¬ rungsbeispielen ab. Auf einem mikroStrukturierbaren Träger befindet sich pro Analyse eine Probeaufgabe¬ vorrichtung 9, welche mit einem darunterliegenden Mi- kro-Kanal 10 definierter Abmessungen in Verbindung steht. Der gesamte Querschnitt dieses Kanals ist lückenlos mit dem Titrator-Standardreagenz, welchem auch ein geeigneter pH-Indikator beigefügt ist, ge¬ füllt. Die Bodenplatte kann wiederum optisch durch- lässig gewählt werden. Bei diesem Ausführungεbeiεpiel wird die Analyεenprobe mittels einer exakten Mikroli- terεpritze über die Aufgabevorrichtung in den alε kontinuierliche Mikro-Reaktionskammer fungierenden Kanal gedrückt. Der Probenpfropfen wird mittels einer kurzen Nachspülung mit der gleichen oder einer zwei¬ ten Spritze oder mit einem integrierten Kolben in den Kanal gedrückt. In den gleichmäßig mit dem immobili¬ sierten Titrator gefüllten Kanal läuft anschließend die Neutralisationsreaktion solange ab, bis der stö- chiometrische Titratorüberschuß abgebaut ist. Die HSIf a large number of samples have to be checked for their acid or base concentration, the preferred embodiment of the invention shown in FIG. 3 differs from the two previous exemplary embodiments. For each analysis there is a sample application device 9 on a microstructurable carrier, which is connected to an underlying microchannel 10 of defined dimensions. The entire cross section of this channel is completely filled with the standard titrator reagent, to which a suitable pH indicator is also added. The base plate can again be optically transparent. In this exemplary embodiment, the analysis sample is pressed by means of an exact microliter syringe over the feed device into the channel which functions as a continuous micro-reaction chamber. The sample plug is pressed into the channel by means of a short rinsing with the same or a second syringe or with an integrated piston. The neutralization reaction then continues in the channel evenly filled with the immobilized titrator until the stoichiometric excess of titrator is reduced. The HS
Konzentrationsbestimmung erfolgt wie in den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen durch das Aus¬ messen einer Mikro-Kanalstrecke mit bekannter chemi¬ scher Äquivalentdichte des Titrators. Das absolute Ergebniε könnte folglich an einer neben dem Mikro¬ Kanal angeordneten Skala abgelesen werden. In Figur 3 sind Markierungen 11 dargestellt, welche bei einem kontinuierlichen Auslesen des Analyseergebnisses, beispielsweise mittels eineε Barcode-Leserε, eine Zuordnung des jeweiligen Meßergebnisses bezüglich des jeweils untersuchten Analyten gestattet.Concentration is determined, as in the two previous exemplary embodiments, by measuring a microchannel section with a known chemical equivalent density of the titrator. The absolute result could consequently be read off on a scale arranged next to the microchannel. In FIG. 3, markings 11 are shown, which, when the analysis result is continuously read out, for example by means of a barcode reader, allows the respective measurement result to be assigned to the analyte under investigation.
Alternativ zu der beschriebenen Vorgehensweise ist es auch möglich, zuerst alle Probenaufgabebereiche mit einem Probenvolumen im Mikrolitermaßstab zu füllen und anschließend die gesamte Multi-Analysenvorrich- tung in eine Lösung zu tauchen, um so einen Proben¬ transport durch die Reaktionskanäle durch Kapillar¬ kräfte zu bewirken. Wie in Figur 6 dargeεtellt, kann der Probentranεport auch auf getränktem Fließpapier stattfinden. Zur Stabilisation des Fläehentiters kann die beschriebene Ausführungsform auch unter Zuhilfen¬ ahme eines geeigneten Spacers in einer Heißklebefolie eingeschweißt werden.As an alternative to the procedure described, it is also possible first to fill all sample application areas with a sample volume on a microliter scale and then to immerse the entire multi-analysis device in a solution in order to bring about a sample transport through the reaction channels by capillary forces . As shown in FIG. 6, the sample can also be transported on impregnated blotting paper. To stabilize the surface titer, the embodiment described can also be sealed in a hot-melt film with the aid of a suitable spacer.
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel 4 skizziert die Bestimmung eines Analyten mit Redox-Eigenschaften mittels einer "zweidimensionalen Redox-Titration" .The following exemplary embodiment 4 outlines the determination of an analyte with redox properties by means of a "two-dimensional redox titration".
Bei den Vorrichtungen gemäß der Ausfuhrungsbeispiele 2 oder 3 werden bei der Bestimmung eines Oxidations- mittels die dazu benötigten Reduktionsmittel in den Mikro-Reaktoren immobilisiert. Bei der Bestimmung eines Reduktionsmittels wird umgekehrt ein geeignetes Oxidationsmittel mit bekannten chemischer Äquivalent- dichte dort angeordnet. Als Indikator werden bekannte Redox-Indikatoren verwendet. In einigen Fällen zeigt sich der chemisch umgesetzte oder noch im Überschuß vorliegende Redox-Titrator auch selbst an. Beispiele hierfür sind Permanganat, Chromat, Jod usw. Oxida¬ tionsmittel mit einem Standardpotential positiver als + 0,35 Volt (GKE) lassen sich mit immobilisiertem Kaliumjodid und etwaε Stärke (z.B. 0,05 M KJ mit 5 % Stärke) εehr gut mit beiden Vorrichtungen abεolut quantitativ bestimmen, wenn ein stärker reduzierend wirkendes Reduktionsmittel als Titrator zusammen da¬ mit immobilisiert wird.In the devices according to exemplary embodiments 2 or 3, the reducing agents required for this purpose are immobilized in the micro-reactors when an oxidizing agent is determined. Conversely, when determining a reducing agent, a suitable oxidizing agent with known chemical equivalents is used. density arranged there. Known redox indicators are used as indicators. In some cases, the redox titrator that has been chemically converted or is still present in excess also shows itself. Examples of this are permanganate, chromate, iodine, etc. Oxidizing agents with a standard potential more positive than + 0.35 volt (GKE) can be used with immobilized potassium iodide and approximately strength (eg 0.05 M KJ with 5% strength) very well with both Absolutely quantify devices if a reducing agent with a more reducing effect as titrator is immobilized together therewith.
Sehr häufig wird bei biochemischen Verfahren Wasser- stoffperoxid gemessen. Dies ist mittels des hier be¬ schriebenen Ausführungsbeispieles mit großer Genau¬ igkeit möglich. Erst nach dem Überschreiten des Äqui¬ valenzpunktes der Reaktion mit dem immobilisierten Reduktionsmittel liegt freies Wasserstoffperoxid vor, welches elementares Jod erzeugt. Das elementare Jod bewirkt mit der Stärke eine intensive Schwarzfärbung. Als Reduktionsmittel können alle stabil in den Mikro¬ Reaktoren zu immobilisierenden Reduktionsmittel, wie beispielsweiεe Titan(III)-, Eisen(II)-Salze, Arsenit, Thiosulfat, Oxalat, Ascorbinsäure, usw. auch zusammen mit geeigneten anderen Redox-Indikatoren verwendet werden. Eine absolute quantitative Beεtimmung von Wasserstoffperoxid ist für alle Biosensoren, die auf Oxidaεen beruhen, εehr interessant.Hydrogen peroxide is very often measured in biochemical processes. This is possible with great accuracy using the exemplary embodiment described here. Free hydrogen peroxide, which generates elemental iodine, is only present after the equivalence point of the reaction with the immobilized reducing agent has been exceeded. The elemental iodine produces an intense black color with the starch. All reducing agents that can be immobilized in the micro-reactors, such as titanium (III), iron (II) salts, arsenite, thiosulfate, oxalate, ascorbic acid, etc., can also be used as reducing agents together with suitable other redox indicators. An absolute quantitative determination of hydrogen peroxide is very interesting for all biosensors based on oxides.
Bei der quantitativen Bestimmung von Analyten mit reduzierenden Eigenschaften werden erfindungsgemäß Oxidationεmittel mit einem entsprechend positiveren Redox-Potential in den Mikro-Reaktionskammern immobi- lisiert. Besonders vorteilhafte, einfache Ausfüh- Hf rungsformen erhält man, wenn man einen selbstindizie¬ renden Stoff, wie etwa Kaliumpermanganat oder Ce(IV)- Salze, welche im UV-Licht fluoreszieren, dazu verwen¬ det. Auch Chromat verändert dabei seine Farbe von gelb nach grün.In the quantitative determination of analytes with reducing properties, oxidizing agents with a correspondingly more positive redox potential are immobilized in the micro-reaction chambers. Particularly advantageous, simple design Guide forms are obtained if a self-indicating substance, such as potassium permanganate or Ce (IV) salts, which fluoresce in UV light, is used for this purpose. Chromate also changes its color from yellow to green.
Ausführungsbeispiel 5 behandelt die Bestimmung von anorganischem Phosphat durch Ausfällen als Aluminium¬ phosphat mit einem erfindungsgemäßen Fällungsreaktor.Embodiment 5 deals with the determination of inorganic phosphate by precipitation as aluminum phosphate with a precipitation reactor according to the invention.
In diesem Ausführungsbeiεpiel wird alε Titrator Alu- miniumεulfat in einer sauren Umgebung verwendet. Die freien Aluminiumionen ergeben mit immobiliεiertem Morin unter UV-Bestrahlung eine intensive grüne Fluo- reszenz. Werden die maßanalytischen Aluminiumionen zunehmend vom Phosphat als unlöslicher Auluminium- phosphat-Niederschlag aus dem Löεungsgleichgewicht entfernt, erlöεcht dieεe Fluoreεzenz. Kurz vor Errei¬ chen deε Äquivalenzpunktes besteht eine lineare Be- Ziehung zwischen der Fluoreszenz und dem Restgehalt an Aluminium, welche bei einer quantitativen Intensi¬ tätsmessung zu Extrapolationsrechnungen verwendet werden kann (Prinzip der Standard-Subtraktion) . Al¬ ternativ kann der Endpunkt dieser maßanalytischen Fällungstitration auch mittels bekannter Adsorptionε- Indikatoren, welche den Endpunkt empfindlicher anzu¬ zeigen vermögen, indiziert werden.In this exemplary embodiment, aluminum sulfate is used as the titrator in an acidic environment. The free aluminum ions with immobilized Morin give an intense green fluorescence under UV radiation. If the analytical aluminum ions are increasingly removed from the phosphate as insoluble aluminum phosphate precipitate from the solution equilibrium, this fluorescence is extinguished. Shortly before the equivalence point is reached, there is a linear relationship between the fluorescence and the residual aluminum content, which can be used in a quantitative intensity measurement for extrapolation calculations (principle of standard subtraction). Alternatively, the end point of this analytical precipitation titration can also be indicated by means of known adsorption indicators, which are able to show the end point more sensitively.
In Ausführungsbeispiel 6 wird die Bestimmung eines Schwermetalls durch eine erfindungsgemäße komplexome- triεche Titration geschildert.In embodiment 6, the determination of a heavy metal is described by a complexometric titration according to the invention.
Zur Bestimmung von Cadmium wird als Titrator wird entsprechend immobilisierte EDTA verwendet. Der Titer pro Mikro-Reaktor muß bei Probenvolumina von 0,1 ml im Nanoäquivalentbereich liegen, wenn Proben im ppm- Bereich gemessen werden sollen. Der ebenfalls mit zu immobilisierende Puffer sollte bei pH > 9 liegen. Als Indikator wird das Reagenz-Cocktail verwendet, wel- ches auch bei der trockenchemischen colorimetrischen Teststreifen-Methode verwendet wird. In der weiter oben erwähnten Literatur sind noch weitere selektive Indikatoren für Cadmium erwähnt.To determine cadmium, appropriately immobilized EDTA is used as the titrator. The titer per micro-reactor must be at a sample volume of 0.1 ml are in the nano equivalent range if samples are to be measured in the ppm range. The buffer that is also to be immobilized should be at pH> 9. The reagent cocktail is used as an indicator, which is also used in the dry chemical colorimetric test strip method. Other selective indicators for cadmium are mentioned in the literature mentioned above.
Zur Bestimmung von Fluorid gemäß Ausführungsbeispiel 6 dient als Titrator das intensiv rot gefärbte Ei¬ sen(III)rhodanid, welches im Verlauf der zweidimen¬ sionalen Titration durch die Bildung eines starken Eisen-Fluor-Komplexes entfärbt wird. Der Titrator ist also selbεtindizierend. Soll das Fluorid im ppm-Be- reich gemessen werden, so sind Probenvolumina von 0,1 ml und Titrator-Konzentrationen im Nanomol-Bereich pro Mikro-Reaktor erforderlich.For the determination of fluoride according to embodiment 6, the intensely red-colored iron (III) rhodanide serves as the titrator, which is decolorized in the course of the two-dimensional titration by the formation of a strong iron-fluorine complex. The titrator is therefore self-indicating. If the fluoride is to be measured in the ppm range, sample volumes of 0.1 ml and titrator concentrations in the nanomole range are required per micro-reactor.
Ausführungsbeispiel 7 schildert die Bestimmung eineε Antikörper/Antigen-Partners mittels einer Mikro-Ka- nal-SäuleEmbodiment 7 describes the determination of an antibody / antigen partner by means of a micro-channel column
Dieses Ausführungsbeispiel entspricht einer Fällungs- oder komplexometrischen Titration. Bei der quantita¬ tiven Beεtimmung eines Antikörpers dient das Antigen immobilisiert auf einer Oberfläche als Titrator. Es liegt in den Mikroreaktions-Kammern oder -Kanälen als Assoziat mit einem farblich markierten Antikörper mit niedrigerer Affinitätskonstante als der Analyt vor.This embodiment corresponds to a precipitation or complexometric titration. In the quantitative determination of an antibody, the antigen immobilized on a surface serves as a titrator. It is present in the microreaction chambers or channels as an associate with a colored antibody with a lower affinity constant than the analyte.
Es kann somit durch letzteren freigesetzt werden und wird anschließend wegdiffundieren, wodurch die Kam¬ mereinfärbung erlöscht. Die Diffuεion läßt εich unter Ausnutzung von kapillaren Saugkräften beschleunigen. Aus Gründen der Empfindlichkeit wird zur Markierung HS vorzugsweise eine fluoreszierende Verbindung verwen¬ det.It can thus be released by the latter and will subsequently diffuse away, as a result of which the coloration of the chamber is extinguished. The diffusion can be accelerated using capillary suction forces. For the sake of sensitivity, it becomes a marker HS preferably uses a fluorescent compound.
Ein Antigen als Analyt wird analog mit dem dazugehö- renden Antikörper als Titrator bestimmt. Letzterer wird abgesättigt mit einem markierten Antikörper, der eine kleinere Affinitätskonstante als der nachzuwei¬ sende Analyt aufweist.An antigen as an analyte is determined analogously with the associated antibody as a titrator. The latter is saturated with a labeled antibody which has a lower affinity constant than the analyte to be detected.
Ausführungεbeispiel 8 behandelt die Durchführung von Immunoassays mit Enzym-Markierung mittelε eines ELI- SA-Verfahrenε.Example 8 deals with the implementation of immunoassays with enzyme labeling by means of an ELISA method.
In diesem Ausführungsbeispiel wird dem Probennahmemo- dul ein Immunoreaktor-Modul nachgeschaltet. In denIn this exemplary embodiment, an immunoreactor module is connected downstream of the sampling module. In the
Mikro-Reaktoren dieεeε Immunoreaktor-Modulε befindet sich den Analyt in enzymmarkierter Form an seinen Partner gebunden. Letzterer ist selbst kovalent an einer Oberfläche angebunden. Nach Öffnung der Verbin- dungskanäle zwischen den beiden Modulen verdrängt der stärker gebundene Analyt sein enzymmarkiertes Derivat aus den Bindungsstellen, wodurch die Enzymmarkierung mobil wird und mit einer kleinen Menge Flüssigkeit in das Quantifizierungsmodul gefördert werden kann. Dort reagiert es eine bestimmte Zeit mit dem dazugehörigenMicro-reactors of this immunoreactor module contain the analyte in enzyme-labeled form bound to its partner. The latter itself is covalently attached to a surface. After opening the connection channels between the two modules, the more strongly bound analyte displaces its enzyme-labeled derivative from the binding sites, which makes the enzyme labeling mobile and can be conveyed into the quantification module with a small amount of liquid. There it reacts for a certain time with the corresponding one
Substrat, bevor die dabei erzeugten oder verbrauchten Substanzen im Titrationsmodul genau erfaßt werden. Bei Verwendung von Glukoseoxidase als Markierungs- Enzym kann daε Titrationsmodul analog zu dem bereits beschriebenen Modul zur Meεsung von Wasserstoffper¬ oxid aufgebaut sein.Substrate before the substances generated or consumed in the process are precisely recorded in the titration module. When using glucose oxidase as the labeling enzyme, the titration module can be constructed analogously to the module for measuring hydrogen peroxide already described.
In Ausführungsbeispiel 9 wird die Bestimmung des che¬ mischen Sauerstoff-Bedarfs (CSB-Wert) und des TOC- Wertes mit einer erfindungsgemaßen Vorrichtung skiz- SO ziert.In embodiment 9, the determination of the chemical oxygen demand (COD value) and the TOC value is sketched using a device according to the invention. SO graces.
Eine Ausführungsform eines säure- und hitzebeständi¬ gen, mit Dichromat beladenen Probevorbereitungs-Modul kann die extrem umweltbelastende klassische CSB-Be- stimmung nach DIN ersetzen und gleichzeitig auch den TOC-Wert liefern. Die einzelnen Mikro-Reaktoren ent¬ halten variable Chromat-Mengen im Mikro-Molbereich. Sie können durch eine geeignete Mikro-Verbindungska- nalschaltung durch kontrolliertes Verschieben der Module gegeneinander und entsprechender Spacer mit Mikro-Gaswäscher-Reaktoren zur Messung des entstande¬ nen Kohlendioxids in Verbindung gebracht werden. Die Mikro-Gaswäscher enthalten variable Mengen NaOH mit dem Indikator Phenolphthalein. Nach der Probennahme einer angesäuerte Probe werden die Aliquote (Anzahl entsprechend der gewünschten Genauigkeit) in das Oxi- dations-Modul übergeführt. Durch Verschieben des Oxi- dations-Moduls wird die Verbindung zu den Kapillar- Pipetten unterbrochen und die zu den einzelnen Gaswä¬ schern führende Verbindung geöffnet. Dann wird das System für zwei Stunden (DIN) im Trockenschrank bei 100 °C gelagert. Um ein Eintrocknen zu verhindern, muß Wasser angeboten werden. Dazu wird entweder eine Wanne um die Probennahme-Kapillare gelegt, die Vor¬ richtung in ein Wasserbad gestellt oder die Erwärmung mit Wasserdampf durchgeführt. Während der Erwärmungs¬ phase oxidiert das Dichromat die in den Proben-Ali¬ quoten vorhandenen oxidierbaren Bestandteile, unter anderem auch organische Verbindungen, und wird dabei selbst zu einer grünen Chrom(III) -Verbindung redu¬ ziert. Dies passiert in allen Mikro-Reaktionskammern, in denen das Chromat in einem stöchiometrischen Un¬ terschuß vorliegt. Zur Steigerung der Empfindlichkeit können auch noch geeignete Indikatoren für Chromat SA zugesetzt werden. Der CSB-Wert kann direkt an einer Skala, welche neben der Matrix der Mikro-Oxidations- kammern angeordnet ist, in mg 02/L abgelesen werden. Dieses Verfahren reduziert den Sondermüll des DIN- Verfahrens um mehrere Größenordnungen. Simultan kann aber auch der Mikro-Gaswäscher lokalisiert werden, bei welchem das Phenolphthalein gerade farblos wird. Hier kann an einer separaten Skala der TOC-Wert in absoluten Einheiten abgelesen werden.An embodiment of an acid and heat-resistant sample preparation module loaded with dichromate can replace the extremely environmentally harmful classic COD determination according to DIN and at the same time also provide the TOC value. The individual micro-reactors contain variable amounts of chromate in the micro-molar range. They can be connected by means of a suitable micro connection channel circuit by controlled displacement of the modules against one another and corresponding spacers with micro gas scrubber reactors for measuring the carbon dioxide formed. The micro-scrubbers contain variable amounts of NaOH with the indicator phenolphthalein. After sampling an acidified sample, the aliquots (number corresponding to the desired accuracy) are transferred to the oxidation module. By moving the oxidation module, the connection to the capillary pipettes is interrupted and the connection leading to the individual gas washers is opened. The system is then stored in a drying cabinet at 100 ° C for two hours (DIN). To prevent drying out, water must be offered. For this purpose, either a tub is placed around the sampling capillary, the device is placed in a water bath, or the heating is carried out using steam. During the heating phase, the dichromate oxidizes the oxidizable constituents present in the sample aliquots, including organic compounds, and is itself reduced to a green chromium (III) compound. This happens in all micro-reaction chambers in which the chromate is present in a stoichiometric deficit. Suitable indicators for chromate can also be used to increase the sensitivity SA can be added. The COD value can be read off directly on a scale, which is arranged next to the matrix of the micro-oxidation chambers, in mg 0 2 / L. This process reduces the hazardous waste of the DIN process by several orders of magnitude. Simultaneously, however, the micro gas washer can be located, in which the phenolphthalein is becoming colorless. Here the TOC value can be read in absolute units on a separate scale.
Zur TOC (Total Organic Carbon)-Bestimmung werden im Oxidationsmodul die organischen Bestandteile der Pro¬ be durch starke Oxidationsmittel, wie Dichromat, Cer(IV), Wasserstoffperoxid plus UV-Licht usw. bei einem paεεend gewählten pH-Wert zu Kohlendioxid oxi¬ diert und anεchließend mittels einer gaspermeablen Membran in das Titrationsmodul übergeführt und maß- analytiεch als Hydrogencarbonat "titriert".For the TOC (Total Organic Carbon) determination, the organic components of the sample are oxidized to carbon dioxide in the oxidation module by strong oxidizing agents, such as dichromate, cerium (IV), hydrogen peroxide plus UV light etc. at a suitably selected pH value and then transferred into the titration module by means of a gas-permeable membrane and "titrated" as analytical hydrogen-carbonate.
Ausführungεbeiεpiel 10 behandelt die Wasserbeεtimmung nach Karl Fiεcher mittelε einer erfindungsgemäßen lösungsmittelbeständigen Vorrichtung.Embodiment 10 deals with water determination according to Karl Fiεcher using a solvent-resistant device according to the invention.
Die bekannten Karl-Fischer-Reagenzien werden in Mi- kro-Reaktoren unter wasserfreien Bedingungen in va¬ riablen Mengen immobilisiert. Die in die Kammern ein¬ dringenden Wasserspuren, in den zu prüfenden Flüssig¬ keiten reagieren stöchiometrisch mit dem Karl-Fi¬ scher-Reagenz, wobei Jod vierwertigen Schwefel zu sechswertigem aufoxidiert und dabei zu Jodid redu¬ ziert wird. Sobald ein stöchiometriεch äußerst gerin¬ ger Überschuß an elementarem Jod vorliegt, hat alles Wasser in den Probenvolumina ausreagiert. Dieser Punkt wird durch die Verwendung von Stärke noch aus- geprägter angezeigt. SZThe known Karl Fischer reagents are immobilized in variable amounts in micro-reactors under anhydrous conditions. The traces of water penetrating into the chambers and in the liquids to be tested react stoichiometrically with the Karl-Fischer reagent, iodine tetravalent sulfur being oxidized to hexavalent and reduced to iodide. As soon as a stoichiometric excess of elemental iodine is present, all of the water in the sample volumes has reacted. This point is shown more clearly by the use of starch. SZ
In Ausführungsbeispiel 11 wird ein absolut messender Enzym-Reaktor-Biosensor für Glukose beschrieben.Exemplary embodiment 11 describes an absolutely measuring enzyme reactor biosensor for glucose.
Wegen der gewünschten Kalibrationsfreiheit muß die gesamte, in den genommenen Probenvolumen vorhandene Glukose mit Hilfe des Enzyms Glukoseoxidase (GOD) zu Glukonsäure und Wasserstoffperoxid umgesetzt werden. Daher ist eine entsprechende kleine Blutmenge (im Mikroliter-Bereich) und eine ausreichende Menge GOD im Enzym-Mikroreaktor zu verwenden. Als Mikro-Reak- tionεkammer eignet sich hier wegen der meist limi¬ tierten Probenmenge (ein Tropfen Blut) besonders die Auεgeεtaltung der Erfindung, welche auf einer Mikro- Kanalanordnung beruht. Die Blutprobe wird über eine Kapillar-Füllpipette aliquotiεiert und in die Vor¬ richtung eingebracht. Von dort aus fließt die Probe analog Figur 6 durch eine Zone mit immobilisierter GOD, die sich auch bereits innerhalb des Mikro-Reak- tionskanals befinden kann. In diesem Kanal soll die stöchiometrisch auε Glukoεe entstandene Waεserεtoff- peroxidmenge quantitativ durch "Titration" mit Stan¬ dard-Reduktionsäquivalenten bestimmt werden. Als Re¬ duktionsmittel wird vorzugsweiεe ein Gel mit einem definierten Kaliumjodidgehalt verwendet. Als Indika- tor kann Stärke verwendet werden. Die Blutprobe strömt filtriert oder unfiltriert (der GOD-beladene Mikroreaktor wirkt für die roten Blutkörperchen wie ein Filter) in den Titrations- und Meß-Kanal. Dort reagiert das gebildete Wasserstoffperoxid mit dem maßanalytischen Reduktionsmittel zu elementarem Jod, welches durch die bekannte Jod-Stärke-Reaktion tief schwarz gefärbt ist, solange bis die Gesamtmenge an Wasserstoffperoxid umgesetzt ist. Dabei wird eine der Konzentration streng proportionale Strecke des Titra- tionskanals εchwarz gefärbt. Die in der Blutprobe i3 vorhandene Glukosekonzentration kann an einer aufge¬ druckten Skala in mg/dl oder einer anderen Konzentra¬ tion abgelesen werden (Ende der Schwarzfärbung) . Al¬ ternativ kann das Wasserstoffperoxid auch durch einen Standard aus Kaliumpermanganat aufoxidiert werden, wobei das Kaliumpermanganat zu farblosem Mangan(II) entfärbt wird.Because of the desired freedom from calibration, the entire glucose present in the sample volume taken must be converted to gluconic acid and hydrogen peroxide using the enzyme glucose oxidase (GOD). A correspondingly small amount of blood (in the microliter range) and a sufficient amount of GOD should therefore be used in the enzyme microreactor. Because of the mostly limited amount of sample (a drop of blood), the micro-reaction chamber that is particularly suitable here is the embodiment of the invention, which is based on a micro-channel arrangement. The blood sample is aliquoted via a capillary filling pipette and introduced into the device. From there, the sample flows analogously to FIG. 6 through a zone with immobilized GOD, which can already be located within the micro-reaction channel. In this channel, the amount of hydrogen peroxide produced stoichiometrically from glucose is to be determined quantitatively by "titration" with standard reduction equivalents. A gel with a defined potassium iodide content is preferably used as the reducing agent. Starch can be used as an indicator. The blood sample flows filtered or unfiltered (the GOD-loaded microreactor acts as a filter for the red blood cells) into the titration and measuring channel. There, the hydrogen peroxide formed reacts with the analytical reducing agent to form elemental iodine, which is colored deep black by the known iodine-starch reaction until the total amount of hydrogen peroxide has been converted. A section of the titration channel that is strictly proportional to the concentration is colored black. The one in the blood test Existing glucose concentration can be read off on a printed scale in mg / dl or some other concentration (end of blackening). Alternatively, the hydrogen peroxide can also be oxidized by a standard made of potassium permanganate, the potassium permanganate being decolorized to colorless manganese (II).
Da beispielsweise Kaliumjodid und Kaliumpermanganat Urtitersubstanzen εind, ergeben εich generiεche und abεolut anzeigende Testvorrichtungen für eine große Vielzahl von Stoffen, welche mit ihren Oxidaεen se¬ lektiv unter Bildung von Wasserstoffperoxid oxidiert werden können.Since, for example, potassium iodide and potassium permanganate are primary titer substances, there are generic and absolutely indicative test devices for a large number of substances which can be oxidized selectively with their oxides to form hydrogen peroxide.
Selbstverständlich müssen die Mikro-Reaktoren in bei¬ den oben skizzierten Ausführungsbeispielen neben ei¬ ner Standardmenge an Titrationsreagenz auch ein ge¬ eignetes Puffer- und Stabilisierungs-Cocktail enthal- ten, deren optimale Zusammensetzung zu finden aber für einen Fachmann kein Problem darstellt. Alternativ kann bei Oxidasen auch die Abnahme der Sauerstoffkon¬ zentration mittels eineε Fluoreεzenz-Signalε eineε Farbstoffes, das durch Sauerstoff gequenscht wird, gemessen werden.Of course, in the exemplary embodiments outlined above, in addition to a standard amount of titration reagent, the micro-reactors must also contain a suitable buffer and stabilization cocktail, but finding their optimal composition is not a problem for a person skilled in the art. Alternatively, in the case of oxidases, the decrease in the oxygen concentration can also be measured by means of a fluorescence signal from a dye which is quenched by oxygen.
Für andere Nachweisreaktionen können die Reaktoren auch mit Dehydrogenasen oder Phosphataεen beladen werden, welche bei der Reaktion mit dem Analyten stö- chiometrische und einer maßanalytiεchen Titration zugängliche Stoffe wie Wasserstoffperoxid, NADH oder Phenol freisetzen.For other detection reactions, the reactors can also be loaded with dehydrogenases or phosphates which, during the reaction with the analyte, release substances which are stoichiometric and accessible for measurement analysis, such as hydrogen peroxide, NADH or phenol.
Ausführungsbeispiel 12 beschreibt ein quantitatives Gas-Dosimeter (Passiv-Probensammler) aus einer erfin- dungsgemäßen Systemkonfiguration mit Gas-Diffusions- Sammlern.Embodiment 12 describes a quantitative gas dosimeter (passive sample collector) from an invented system configuration according to the invention with gas diffusion collectors.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein spezielles Probennahmemodul mit engen, langen Diffusions-Mikro- Röhrchen verwendet. Diese stehen in unmittelbarem Kontakt oder über eine gaspermeable Membran in Kon¬ takt mit einer Sammelphase in einem weiteren Modul, in welchem der gasförmige Analyt chemisch gebunden wird. Nach einer vorgeschriebenen Sammelzeit wird der Analyt in seiner neuen Verbindungsform durch Füllen der Diffusions-Röhrchen mit einer geeigneten Flüssig¬ keit aus der Sammelphase gewaschen und die Menge der aus dem Gas neugebildeten Verbindung mit oder ohne chromatographische Trenn-Operationen titrimetrisch erfindungsgemäß durch eine geeignete stöchiometrische Reaktion mit Äquivalenzpunkt-Anzeige bestimmt.In this embodiment, a special sampling module with narrow, long diffusion micro-tubes is used. These are in direct contact or via a gas-permeable membrane in contact with a collection phase in a further module in which the gaseous analyte is chemically bound. After a prescribed collection time, the analyte in its new compound form is washed by filling the diffusion tubes with a suitable liquid from the collection phase and the amount of the compound newly formed from the gas is titrimetrically according to the invention by means of a suitable stoichiometric reaction with or without chromatographic separation operations determined with equivalence point display.
Beispielsweise läßt sich ein Ozon-Dosimeter dadurch realisieren, daß als Sammelphase ein maßanalytisches Reduktionε-Äquivalent gewählt wird und als Indikator Kaliumjodid plus Stärke. Der Mikro-Reaktor im Titra¬ tionsmodul, welcher schwarz gefärbt ist, zeigt an, daß die gesammelte Ozon-Konzentration dem letzten, benachbarten Reduktions-Äquivalent entspricht. For example, an ozone dosimeter can be realized by choosing a measurement analytical reduction equivalent as the collection phase and potassium iodide plus starch as the indicator. The micro-reactor in the titration module, which is colored black, indicates that the collected ozone concentration corresponds to the last neighboring reduction equivalent.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Konzentrationsbeεtiromung eines in einer Probe enthaltenen Analyten, Analytgemi- sches oder eines biochemischen analyt-äquivalen- ten Stoffes (Titrand) mit Hilfe mindestens eines selektiven Reagenzes (Titrator) ,1. Method for the concentration determination of an analyte, analyte mixture or a biochemical analyte-equivalent substance (titrant) contained in a sample with the aid of at least one selective reagent (titrator),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,characterized,
daß bei jeweils bekanntem Probenvolumen und be¬ kanntem chemischen Titrator-Äquivalent eine Rei¬ he von räumlich getrennt und maßanalytisch quan- titativ ablaufenden Titrator-Titrand-Reaktionen durchgeführt werden, wobei sich die einzelnen Titrator-Titrand-Reak¬ tionen zumindeεt hinεichtlich mindestens einer der beiden Größen Probenvolumen und chemisches Titrator-Äquivalent unterscheiden.that with a known sample volume and known chemical titrator equivalent, a series of spatially separated and quantitatively quantitative titrator-titrant reactions are carried out, the individual titrator-titrant reactions being at least one of the distinguish between two sizes of sample volume and chemical titrator equivalent.
2. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung nach An¬ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die einzelnen Titrator-Titrand-Reaktio- nen der Reaktionsreihe zumindest darin unter¬ scheiden, daß bei konstantem Probenvolumen das Titrator- Äquivalent inkrementell geändert wird oder daß bei konstantem Titrator-Äquivalent das Pro- benvolumen inkrementell geändert wird.2. A method for determining the concentration according to claim 1, characterized in that the individual titrator-titrant reactions of the reaction series differ at least in that the titrator equivalent is changed incrementally with a constant sample volume or that with a constant titrator Equivalent to changing the sample volume incrementally.
3. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung nach An¬ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die einzelnen Titrator-Titrand-Reaktio- nen der Reaktionsreihe zumindest darin unter¬ scheiden, daß gleichzeitig Probenvolumen und Ti¬ trator-Äquivalent gegenläufig inkrementell ge¬ ändert werden. 3. A method for determining the concentration according to claim 1, characterized in that the individual titrator-titrant reactions of the reaction series differ at least in that sample volume and titrator equivalent are changed incrementally in opposite directions.
4. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung nach ei¬ nem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeich¬ net, daß Titrator-Äquivalent und/oder Probenvolumen zwischen räumlich benachbart ablaufenden Titra¬ tor-Titrand-Reaktionen inkrementell geändert werden.4. A method for determining the concentration according to one of claims 2 or 3, characterized in that the titrator equivalent and / or sample volume are changed incrementally between spatially adjacent Titra¬ tor-Titrand reactions.
5. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung nach ei- nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß Probenvolumina im Milli- bis Nanoliterbe- reich und Milli- bis Nanoäquivalente des Titra¬ tors verwendet werden.5. A method for determining the concentration according to one of the preceding claims, characterized in that sample volumes in the milli- to nanoliter range and milli- to nano-equivalents of the titra- tor are used.
6. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung nach ei¬ nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Ergebnis der Konzentrationsbestimmung visuell, elektrochemisch oder durch optische6. A method for determining the concentration according to one of the preceding claims, characterized in that the result of the concentration determination is visual, electrochemical or optical
Auswertevorrichtungen wie Barcode-Leser oder Projektionsvorrichtungen jeweils im Zuge einer Bestimmung von Titrator-Titrand-Reaktionen mit Titratorüberschuß oder Titratorunterschuß ermit- telt wird.Evaluation devices such as barcode readers or projection devices are each determined in the course of determining titrator-titrand reactions with excess titrator or titrator deficiency.
7. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung nach ei¬ nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß bei der Titrator-Titrand-Reaktion zusätzlich7. A method for determining the concentration according to one of the preceding claims, characterized in that in addition, in the titrator-titrant reaction
Indikatorreagenzien und/oder Hilfsεtoffe wie Puffer, Maεkierungs- oder Komplexierungsstoffe, Stabilisatoren oder Reaktionεbeschleuniger ein¬ gesetzt werden. Indicator reagents and / or auxiliary substances such as buffers, masking or complexing substances, stabilizers or reaction accelerators are used.
8. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung nach ei¬ nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß nach der Probennahme und vor der Titrator- Titrand-Reaktion Neutralisationε-, Komplexie- rungs-, Oxidationε-, Reduktions-, Abscheide¬ oder Gaswäscheschritte und/oder empfindlich- keits- und selektivitatssteigernde chemische und/oder biochemische Analyt-Erkennungsreaktio- nen und/oder chromatographische oder elektropho- retische Trennungsoperationen durchgeführt wer¬ den.8. A method for determining the concentration according to one of the preceding claims, characterized in that after the sampling and before the titrator-titrand reaction, neutralization, complexation, oxidation, reduction, separation or gas washing steps and / or chemical and / or biochemical analyte recognition reactions and / or chromatographic or electrophoretic separation operations which increase sensitivity and selectivity.
9. Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung eines in einer Probe enthaltenen Analyten oder Analyt- gemisches (Titrand) mit Hilfe eines selektiven Reagenzes (Titrator) , dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Probennahmemodul mit ei¬ ner Mehrzahl von Probennahmevorrichtungen und ein Titrationsmodul mit einer Mehrzahl von räum¬ lich getrennten Reaktionsbereichen umfaßt und daß die einzelnen Probennahmevorrichtungen mit unterschiedlichen Probevolumina beschickt sind und/oder im Bereich der einzelnen Reaktionsbe- reiche unterschiedliche chemische Titrator-9. Device for determining the concentration of an analyte or analyte mixture contained in a sample (titrant) with the aid of a selective reagent (titrator), characterized in that the device comprises a sampling module with a plurality of sampling devices and a titration module with a plurality of spaces ¬ Lich separate reaction areas and that the individual sampling devices are loaded with different sample volumes and / or in the area of the individual reaction areas different chemical titrator
Äquivalente immobilisiert sind, wobei die jeweiligen Probevolumina und jeweili¬ gen Titrator-Äquivalente bekannt sind.Equivalents are immobilized, the respective sample volumes and respective titrator equivalents being known.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Reaktionsbereiche in der Reihenfolge systematisch steigender Titrator-Äquivalente an¬ geordnet sind. 10. The device according to claim 9, characterized gekenn¬ characterized in that the reaction areas are arranged in the order of systematically increasing titrator equivalents.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Probennahmevorrichtungen im Probennahmemodul mit der Position der Reak- tionsbereiche korreliert ist.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the arrangement of the sampling devices in the sampling module is correlated with the position of the reaction areas.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsbereiche im Titrationsmodul als Vertiefungen mit gleichen oder unterschiedlichen12. Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the reaction areas in the titration module as depressions with the same or different
Fassungsvermögen ausgebildet sind.Capacity are trained.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Vertiefungen Fassungsvermögen im Mikro- und Nanoliterbereich aufweisen.13. The apparatus according to claim 12, characterized gekenn¬ characterized in that the depressions have capacities in the micro and nanoliter range.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsbereiche auf dem Titrationsmo¬ dul durch Dickfilmtechniken wie Siebdruck defi¬ niert sind.14. Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the reaction areas on the Titrationsmo¬ module are defined by thick film techniques such as screen printing.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsbereiche in einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen Matrix oder kreis-, spi¬ ral- oder helixförmig auf dem oder im Titra- tionsmodul angeordnet sind.15. Device according to one of claims 9 to 14, characterized in that the reaction areas are arranged in a one-, two- or three-dimensional matrix or in a circular, spiral or helical shape on or in the titration module.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Probennahmevorrichtungen als Kavitäten wie Pipetten oder Kapillaren mit glei- chen, verschiedenen oder variierbaren Fassungs- vermögen ausgebildet sind.16. Device according to one of claims 9 to 15, characterized in that the individual sampling devices as cavities such as pipettes or capillaries with the same, different or variable holder assets are trained.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Probennahmevorrichtungen als Diffusions-17. The device according to one of claims 9 to 16, characterized in that the sampling devices as diffusion
Röhrchen ausgebildet sind, welche mit einem eine Sammelphase für gasförmige Analyte enthaltenden Modul in Verbindung stehen.Tubes are formed which are connected to a module containing a collection phase for gaseous analytes.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Probennahmemodul und das Titrationsmodul eine Einheit bilden und die Reaktionsbereiche innerhalb der Probennahme- Vorrichtungen ausgebildet sind.18. Device according to one of claims 9 to 17, characterized in that the sampling module and the titration module form a unit and the reaction areas are formed within the sampling devices.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Probennahmevorrichtungen an der der Pro- be zugewandten Seite einen Verschluß aufweisen.19. Device according to one of claims 9 to 18, characterized in that the sampling devices have a closure on the side facing the sample.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Verschluß als Rückschlagklappe, als me- chanisches oder mikromechanisches Ventil oder als sich selbst auflösende Schicht ausgebildet ist.20. The apparatus according to claim 19, characterized gekenn¬ characterized in that the closure is designed as a check valve, as a mechanical or micromechanical valve or as a self-dissolving layer.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Probennahmemodul und Titrationsmo¬ dul ein Vorbereitungsmodul zur Oxidation oder Reduktion/Gaεaustreibung und/oder elektrophore¬ tischen oder chromatographischen Trennung und/- oder zur chemischen oder biochemischen Analyt- bC21. Device according to one of claims 9 to 20, characterized in that between the sampling module and Titrationsmo¬ module a preparation module for oxidation or reduction / Gaεaustreibung and / or electrophoretic or chromatographic separation and / - or for chemical or biochemical analyte bC
Erkennung, -Amplifikation oder -Abtrennung ange¬ ordnet ist.Detection, amplification or separation is arranged.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Vorbereitungsmodul als permeable Mem¬ bran, Filter, Chromatographie-Säule oder als Strömungskanäle oder Umleitungen aufweisender Spacer ausgestaltet ist.22. The apparatus according to claim 21, characterized in that the preparation module is designed as a permeable membrane, filter, chromatography column or as a spacer having flow channels or diversions.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Probennahmemodul und/oder das Titra¬ tionsmodul und/oder das Vorbereitungsmodul mit- tels Dickfilmtechniken wie Siebdruck, mittels23. Device according to one of claims 9 to 22, characterized in that the sampling module and / or the titra¬ tion module and / or the preparation module by means of thick film techniques such as screen printing, by means of
Spritzguß, CNC-Technik, mittels LIGA-Verfahren oder mittels Halbleiterstrukturierungsverfahren wie Photolithographie strukturiert oder mikro¬ strukturiert ist.Injection molding, CNC technology, is structured or microstructured by means of the LIGA process or by means of semiconductor structuring processes such as photolithography.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Funktionsmodule darart ausge¬ staltet sind, daß das Einbringen des Probenvolu- mens in das Vorbereitungsmodul und/oder in das24. Device according to one of claims 9 to 23, characterized in that the individual functional modules are designed in such a way that the introduction of the sample volume into the preparation module and / or into the
Titrationsmodul durch gegenseitiges Verschieben der Module und/oder eines dazwischenliegenden Spacers mit entsprechenden Aussparungen und/oder durch Hub oder Schub eines Kolbens realisierbar ist.Titration module by mutual displacement of the modules and / or an intermediate spacer with corresponding recesses and / or by lifting or pushing a piston can be realized.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß auf oder zwischen den einzelnen Vorrich- tungεmodulen Spacer, Gleitschichten oder Trenn- U25. Device according to one of claims 9 to 24, characterized in that spacers, sliding layers or separating layers on or between the individual devices. U
folien angeordnet sind.foils are arranged.
26. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung eines in einer Probe enthaltenen Analyten, Analytgemi- scheε oder eines biochemiεchen analyt-äquivalen- ten Stoffeε (Titrand) mit Hilfe mindeεtens eines selektiven Reagenzes (Titrator) , dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ein bekanntes Probenvolumen mit mindestens einem, mit bekannter chemischer Äquivalentdichte immobilisierten Titrator zur Reaktion gebracht wird und daß die Titrand-Konzentration durch Messung der geometrischen Abmessungen desjenigen Teilberei- ches des immobilisierten Titrators ermittelt wird, in welchem eine spezifiεche, maßanalytisch quantitativ ablaufende Titrator-Titrand-Reaktion stattgefunden hat.26. Method for determining the concentration of an analyte, analyte mixture or a biochemical analyte-equivalent substance (titrant) contained in a sample with the aid of at least one selective reagent (titrator), characterized in that a known sample volume with at least one, is reacted with a known chemical equivalent density of the immobilized titrator and that the titrand concentration is determined by measuring the geometric dimensions of that sub-area of the immobilized titrator in which a specific titrator-titrand reaction taking place quantitatively and analytically took place.
27. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung nach An¬ spruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Längen- oder Flächenmesεung der Titra¬ tor-Titrand-Reaktion visuell, elektrochemisch oder mittels optischer Auswertemethoden wie Bar- code-Leser oder analog zu CD-Spielern durchge¬ führt wird.27. A method for determining the concentration according to claim 26, characterized in that a length or area measurement of the Titra¬ tor-Titrand reaction is carried out visually, electrochemically or by means of optical evaluation methods such as barcode readers or analogously to CD players becomes.
28. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung nach ei¬ nem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Probenvolumen einer Oxidation oder Re- duktion/Gasauεtreibung und/oder elektrophoreti¬ schen oder chromatographischen Trennung und/oder einer chemischen oder biochemischen Analyt-Er- kennung, -Amplifikation oder -Abtrennung unter- 1,1 zogen wird .28. Method for determining the concentration according to one of claims 26 or 27, characterized in that the sample volume is subjected to oxidation or reduction / gas expulsion and / or electrophoretic or chromatographic separation and / or a chemical or biochemical analyte - Identification, amplification or separation under 1.1 is drawn.
29. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß auf oder in einem Träger mindestens ein Ti¬ trator-Kanal angeordnet ist und daß der minde¬ stens eine Titrator im Bereich dieses mindestenε einen Titrator-Kanalε immobiliεiert iεt.29. Device for carrying out a method according to one of claims 26 to 28, characterized in that at least one titrator channel is arranged on or in a carrier and that the at least one titrator in the region of this at least one titrator Channel immobilized.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der mindestens eine Titrator-Kanal ein li¬ nearer, kreis- oder spiralförmiger Kanal ist.30. The device according to claim 29, characterized in that the at least one titrator channel is a linear, circular or spiral channel.
31. Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Titrator-Kanal einen veränderlichen Querschnitt aufweiεt.31. The device according to claim 29 or 30, characterized in that the at least one titrator channel has a variable cross-section.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Titrator-Kanal ein Ka¬ pillarkanal ist.32. Device according to one of claims 29 to 31, characterized in that the at least one titrator channel is a capillary channel.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Titrator-Kanal eine Län¬ ge von 1 bis 20 cm aufweiεt.33. Device according to one of claims 29 to 32, characterized in that the at least one titrator channel has a length of 1 to 20 cm.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Titrator-Kanal einen Durchmesεer im μm-Bereich aufweiεt. 34. Device according to one of claims 29 to 33, characterized in that the at least one titrator channel has a diameter in the μm range.
35. Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung nach einem der Anεprüche 29 bis 34, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß dem mindestens einen Titrator-Kanal ein Vor- bereitungs-Kanal zur Durchführung von Verfah¬ rensschritten nach Anspruch 28 vorgeschaltet ist.35. Device for determining the concentration according to one of claims 29 to 34, characterized in that the at least one titrator channel is preceded by a preparation channel for carrying out method steps according to claim 28.
36. Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung nach einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß ein Probe-Kanal zum Aufgeben und Transport der Probe mit dem mindestenε einen Titrator-Ka¬ nal in Kontakt steht.36. Device for determining the concentration according to one of claims 29 to 35, characterized in that a sample channel for placing and transporting the sample is in contact with the at least one titrator channel.
37. Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung nach einem der Ansprüche 29 biε 36, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß eine Abdeckung vorgesehen ist und der minde- stenε eine Titrator-Kanal zwischen dem Träger und dieser Abdeckung angeordnet ist.37. Device for determining the concentration according to one of claims 29 to 36, characterized in that a cover is provided and the at least one titrator channel is arranged between the support and this cover.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Probe-Kanal in der Abdeckung ausgebildet ist.38. Device according to one of claims 29 to 37, characterized in that the sample channel is formed in the cover.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 biε 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Probe-Kanal ein Kapillarkanal iεt.39. Device according to one of claims 29 to 38, characterized in that the sample channel is a capillary channel.
40. Vorrichtung nach einem der Anεprüche 29 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von gleichen oder zumindest teilweise unterschiedlichen Titratoren im Be¬ reich getrennter Titrator-Kanäle immobilisiert sind und die einzelnen Titrator-Kanäle neben- oder nacheinander angeordnet sind.40. Device according to one of claims 29 to 39, characterized in that that a plurality of the same or at least partially different titrators are immobilized in the area of separate titrator channels and the individual titrator channels are arranged next to or in succession.
41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mittels Dickfilmtechniken wie41. Device according to one of claims 29 to 40, characterized in that the carrier by means of thick film techniques such as
Siebdruck, mittels Spritzguß, CNC-Technik, mit¬ tels LIGA-Verfahren oder mittels Halbleiter- strukturierungsverfahren wie Photolithographie strukturiert oder mikrostrukturiert iεt. Screen printing, structured or microstructured using injection molding, CNC technology, using the LIGA process or using semiconductor structuring processes such as photolithography.
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