WO2001057243A1 - Biological microsensor - Google Patents

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WO2001057243A1
WO2001057243A1 PCT/DK2001/000063 DK0100063W WO0157243A1 WO 2001057243 A1 WO2001057243 A1 WO 2001057243A1 DK 0100063 W DK0100063 W DK 0100063W WO 0157243 A1 WO0157243 A1 WO 0157243A1
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WO
WIPO (PCT)
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sensor according
housing
reaction chamber
insert
heating device
Prior art date
Application number
PCT/DK2001/000063
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ulrik Bruhn
Niels Them Kjaer
Original Assignee
Danfoss A/S
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Danfoss A/S filed Critical Danfoss A/S
Priority to AU2001228324A priority Critical patent/AU2001228324A1/en
Publication of WO2001057243A1 publication Critical patent/WO2001057243A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00Control of temperature
    • G05D23/19Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/1919Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the type of controller
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/18Water
    • G01N33/186Water using one or more living organisms, e.g. a fish
    • G01N33/1866Water using one or more living organisms, e.g. a fish using microorganisms

Definitions

  • the invention relates to a biological microsensor with a housing in which an electrode arrangement with an electrolyte supply, a storage space for bacterial nutrient and a reaction chamber are arranged, the reaction chamber being closed off on the outer wall of the housing with a first membrane and with the storage space in Connection is established.
  • Such a microsensor is known from WO 98/21309 AI.
  • Such sensors can be used, for example, to examine water for certain ingredients, such as nitrates or the like.
  • Such microsensors are used, for example, in sewage treatment plants to control the air supply to the water as a function of the nitrate load in the water, or in groundwater testing.
  • Bacteria are used for the analysis, which are matched to the substance to be examined. For example, you can choose bacteria that metabolize nitrates to N 2 O (laughing gas) in a biological way. This laughing gas can then be detected more easily than the nitrates themselves. The bacteria reproduce themselves. Because of the relatively large bacterial nutrient supply in the storage room, such sensors have a relatively long service life.
  • a biological equilibrium is established practically automatically in the reaction chamber, ie one can assume on average that the same amount of bacteria is always present, so that one can reliably rely on the secondary product generated by the bacteria (here: laughing gas) Amount of the primary product "processed" by the bacteria (here: nitrate).
  • Such sensors work reliably in a wide range and with reproducible values. However, it has been found that a change in measured values can be observed, especially at low temperatures. In the known case, this is avoided by using microorganisms which display the desired activity even at low temperatures. In any case, there is a risk that the microorganisms will die if the temperature is too low.
  • EP 0 351 516 A2 describes a precalibrated disposable electrochemical sensor, in particular for examining blood, which has a temperature compensator in order to improve the accuracy of the measurement in cases where the calibration temperature and the temperature of the sample differ.
  • the temperature compensator calculates temperature-related deviations between the output signal of the electrochemical sensor and the "true" concentration of the substance.
  • WO 95/14962 AI shows a potentiometric biosensor in which a Peltier element is provided which keeps the entire sensor at a desired temperature.
  • the Peltier element is arranged between a heat sink and an aluminum plate that receives the reaction chamber.
  • this sensor can only be used under controlled environmental conditions. In particular, its use under water or floating in water is not possible because the surroundings would then remove too much heat.
  • US 5 160 604 describes a system for detecting toxic substances with the help of immobilized microorganisms. This system is used in the case of water To operate quality assurance.
  • the reaction chamber and the electrode arrangement are arranged in a hot water bath which has a constant temperature.
  • heat exchangers are arranged in the hot water bath, through which liquid to be analyzed and, if appropriate, analysis liquids are passed in order to enter the reaction chamber at a predetermined temperature.
  • DE 39 42 664 C2 describes a sensor arrangement for determining the moisture content of gases, in which the gas is heated by heating elements before it can enter a reaction chamber.
  • the heating elements are controlled with the help of a temperature sensor, which determines the temperature of the gas. This makes it possible to keep the sensor at a constant temperature of around 450 ° C.
  • the invention has for its object to provide a micro sensor that is relatively insensitive.
  • this object is achieved in that a heating device is arranged in the region of the reaction chamber.
  • the heating device is arranged in the region of the reaction chamber eliminates the need to heat the entire sensor or at least the housing. This not only saves energy, but also minimizes also reduces the risk of heat dissipation with the associated drop in temperature. It is therefore easier to keep the temperature in the reaction chamber constant at the desired value.
  • the temperature that should be in the reaction chamber need not be excessively high. Temperatures of 15 ° C are quite sufficient for many microorganisms. At these low temperatures, the risk that the heating device must heat up further and larger parts of the housing and thus the outer surfaces is relatively low. The energy consumption also remains low.
  • the heating device is preferably designed as an ohmic resistor or as an induction heating device.
  • An ohmic resistor generates heat when current flows through it.
  • An induction heater generates heat due to magnetic excitation that can be generated by a current in an insulated conductor.
  • the current flow can be regulated easily and in a known manner. Because of the low energy consumption, the sensor can also be operated with a battery, so that it can work relatively independently of supply facilities and can accordingly also be used off-road or in open water.
  • the ohmic resistor is preferably designed as a conductor track which bears against a wall of a part delimiting the reaction chamber.
  • the heating device thus requires practically no or only very little
  • the ohmic resistance is evaporated. By vapor deposition, a rela- tiv small thickness, which in turn leads to a desired high ohmic resistance value.
  • the ohmic resistance can be designed as a film. In this case too, the installation space required is small and the ohmic resistance value is high.
  • the ohmic resistance is preferably designed in the form of a spiral.
  • the conductor track is thus arranged in a spiral, possibly also as a double spiral. This allows a relatively long conduction path, which not only results in a higher ohmic resistance value, but also concentrates the heat generation on a relatively small area.
  • the electrolyte supply is preferably arranged in an electrolyte compartment which is separated from the storage compartment by a conical insert, the tip of which is adjacent to the reaction chamber.
  • the conical insert has several advantages. Firstly, the assembly of the sensor is simplified. You can fill the housing, which also limits the storage space for the bacterial nutrient, with a certain amount of this nutrient and then insert it.
  • the conical shape of the insert means that the nutrient supply can be easily pushed aside. The insertion can therefore take place at a relatively high speed, for example with the aid of an automatic handling machine. On the other hand, an electrolyte space that expands from the tip of the cone can be realized in this way.
  • the tip of the cone is arranged adjacent to the reaction chamber, the electrochemical reactions which are detected with the electrode arrangement will also take place there should be. There will always be enough electrolyte there. Finally, if the housing is correspondingly more conically expanded, it can also be ensured that the storage space for the bacterial nutrient undergoes an expansion pointing away from the reaction chamber. This makes it possible to limit the multiplication of the microorganisms in the storage room. The microorganisms can rather be kept in the reaction chamber.
  • the heating device is preferably arranged on the insert.
  • the insert is sufficiently close to the reaction chamber.
  • the insert is easy to handle and replace.
  • the heating device is arranged on the inside of the insert. In order for the heating device to give off the necessary heat, its temperature must be higher than that of its surroundings.
  • An opening closed by a second membrane is preferably arranged at the tip of the insert.
  • the second membrane serves to allow the secondary product, which is generated by the microorganisms, to enter the electrolyte space.
  • the insert and the second membrane are preferably formed in one piece. This can be achieved relatively easily, in particular, if one chooses silicone or a comparable material for the use. In this case you just have to use it Dilute the tip sufficiently to form the second membrane.
  • the insert preferably lies against the inner wall of the housing in which the reaction chamber is arranged, grooves being provided in this inner wall of the housing which connect the reaction chamber to the storage space. With the help of the insert, the reaction chamber is almost completely closed. This creates defined relationships for the microorganisms. Channels are only made available via the grooves, with the aid of which the reaction chamber is connected to the storage space. Sufficient nutrients for the microorganisms can thus be added via these grooves so that the microorganisms, more precisely the microorganism culture, are given a sufficient lifespan.
  • the electrode arrangement is preferably arranged on a support part which is connected to the housing via a
  • Snap connection is connected, wherein the insert has a flange which is clamped between the carrier part and the housing.
  • the insert is placed in the housing, if necessary after the nutrient supply for the microorganisms has been filled in, and the carrier part is put on. This means that all required parts are automatically positioned in the correct position. If the carrier part and the housing are now locked together, a manageable unit is created in which all required parts are fixed in the correct position at the same time.
  • the heating device preferably has flat-shaped connections which extend into the clamping area between the housing and carrier part are sufficient.
  • the electrical energy required to operate the heating device can be introduced with great "target certainty" at the flat connections. Because the connections extend into or protrude into the clamping area, they are automatically fixed when the support part and housing are locked.
  • contacts are arranged on the carrier part, which are located at the connections
  • the carrier part and the housing or the insert preferably have an asymmetry and can only be connected to one another in one or two angular positions. It is therefore possible to assign a clear function to the contacts on the carrier part. For example, two contacts can be assigned the function of transmitting the electrical heating power, while other contacts on the carrier part are connected to the electrodes of the electrode arrangement.
  • the carrier part and housing or insert Preferably, only a single angular position of the carrier part and housing or insert will be permitted. If necessary, it is also permitted to use an angular position offset by 180 °.
  • a part of a temperature control device is preferably arranged on the carrier part.
  • This can be, for example, a temperature sensor or a PtlOO or a PtlOOO resistor or a thermal coupler (two metals that differ in a voltage series). It is not necessary that the entire temperature control device is arranged on the carrier part. However, if you place the "sensitive" parts here, then you will get the information you need without any additional construction work, exactly where it is created.
  • An evaluation and control device is preferably provided, which operates the heating device below a predetermined outside temperature and, above this outside temperature, arithmetically corrects the values determined with the aid of the electrode arrangement. This takes into account the fact that the microorganisms reduce their activity below predetermined temperatures or even stop them altogether. In this case, the heat supply helps with the heating device. If, on the other hand, the ambient temperature is higher than the specified temperature, cooling is not used because the microorganisms are still active at higher values. However, since there may be changes in the output signal here, these changes are compensated for depending on the temperature.
  • FIG. 3 shows an enlarged detail III according to FIG. 2,
  • FIG. 6 shows an enlarged top view of the microsensor without a carrier part.
  • the housing 2 and the carrier part 4 consist of a harder plastic. They can also consist of different plastics, preferably those that are injection moldable.
  • the insert 3 consists of a softer plastic, for example silicone.
  • the housing 2, the insert 3 and the carrier part 4 are axially assembled in such a way that the insert 3 in the housing 2 separates a storage space 5 for bacteria nutrient from an electrolyte space 6.
  • the insert 3 has an essentially conical shape, so that the electrolyte space 6 widens from the top of the insert 3 towards the bottom.
  • the housing 2 has a recess 7 on its bottom, which widens more than the cone of the insert 3, so that the storage space 5 also widens with increasing height, at least at its lower end.
  • a reaction chamber 8 is arranged in the wall of the housing 2 at the lower end of the recess 7 (based in each case on the representations of FIGS. 2 and 3), ie where the wall of the housing 2 is cheapest.
  • the reaction chamber 8 is covered on the outside by a first membrane 9.
  • the first membrane 9 can be formed from the same material as the housing 2 be and if necessary be integrally formed with the housing 2.
  • the top of the reaction chamber which in this embodiment is the only side that is not delimited by the housing 2, is covered by the insert 3.
  • the insert 3 has a second membrane 10 at its tip.
  • the first membrane 9 must be permeable to a so-called "primary product", the presence and concentration of which is to be determined.
  • Microorganisms for example bacteria, are arranged in the reaction chamber 8, which convert this primary product into a secondary product.
  • the second membrane 10 must be permeable to this secondary product.
  • the primary product can be nitrate, which is transformed by bacteria into N 2 0 (laughing gas) as a secondary product. Accordingly, the nitrates must be able to pass through the first membrane, while the second membrane 10 must be permeable to nitrous oxide.
  • the second membrane 10 can be formed in one piece with the insert 3, for example likewise in that the insert 3 has been thinned to the required extent at its tip.
  • the carrier part 4 has a working electrode 11 and a reference electrode 12, both of which are connected to the electrolyte located in the electrolyte space 6.
  • the working electrode 11 is adjacent to the second membrane 10, which in turn covers the reaction chamber 8, so that the secondary product generated in the reaction chamber 8 enters an intermediate space between the working electrode 11 and the second membrane and an electrochemical reaction can take place there.
  • the electrode arrangement 11, 12 with the electrolyte here corresponds to a conventional electrochemical measuring cell which is known per se and therefore does not need to be explained further.
  • the heating device 14 is a flat ohmic resistor which can be produced, for example, by vapor deposition or printing or by applying a film. You can also use an electrically conductive or metallizable plastic.
  • the resistance value can be, for example, 150 ⁇ . The exact value depends on the power supply.
  • the heating device 14 has the shape of a double spiral in plan view, the conductor track having a relatively long length and a relatively small width in order to achieve the desired ohmic resistance value.
  • the conductor track can be formed from copper or aluminum, for example.
  • the conductor track of the heating device 14 has connections 15, 16, which are drawn over a flange 17 of the insert 3 and rest on the surface of this flange 17.
  • the housing 2 has a few pins 18 onto which the insert 3 with its flange 17 and the carrier part 4 with a plate 19 are attached.
  • Locking hooks 20 which can engage behind corresponding projections 21 on the housing 2 when the three parts housing 2, insert 3 and carrier part 4 are plugged together.
  • the housing 2 as can be seen, for example, from FIG. hen that the carrier part 4 and the housing can only be assembled in a single angular position.
  • webs 22 which are missing on a fourth side 23 can be provided on three sides.
  • the carrier part 4 has a series of electrical connections 24-28. These connections 24-28 can be designed, for example, as electrically conductive pins which penetrate the plate 19 of the carrier part 4.
  • the middle connection 28 is in electrical connection with the working electrode 11.
  • a further connection 27 is connected with the reference electrode 12.
  • a third connection 26 is connected to a Pt100 resistor 29, which is arranged in the shaft 30 of the carrier part 4 , in which the working electrode 11 is also arranged.
  • the PtlOOO resistor forms part of a temperature control device, i.e. it is part of a circuit that controls the flow of current through the heater 14.
  • connection 24, 25 serve to establish the electrical connection to the heating device 14.
  • the corresponding pins are passed through the plate 19, as can be seen, for example, in FIG. 1. If the carrier part 4 and the housing 2 are now snapped together with the connections 15, 16 of the heating device 14 with the interposition of the flange 17, then the connections 24, 25 press on the connections 15, 16 and thus provide an electrical connection between the connections 24, 25 and the
  • Heater 14 ago Since the individual parts can only be assembled in a predetermined angular position, it is ensured that the corresponding contacts 24, 25 are only connected to the heating device 14. can occur, but not with the working electrode 12 or the Pt100 resistor 29.
  • the second membrane 10 covers the reaction chamber 8.
  • the reaction chamber 8 is filled with microorganisms, for example bacteria, which can transform nitrate into N 2 O.
  • 7 channels 31 are provided in the wall of the recess, which ensure a connection between the reaction chamber 8 and the storage space 5 for the bacterial nutrient. This makes it possible for the nutrient in the reaction chamber 8 to be continuously supplemented.
  • the heating device 14 With the help of the heating device 14, it is now possible to always maintain a predetermined temperature in the reaction chamber 8, for example 15 ° C.
  • the heating device 14 is indeed arranged on the side of the second membrane 10 and the insert 3 facing away from the reaction chamber 8. But since the heater 14 also in
  • the second membrane 10 is arranged, which is relatively thin, heat transfer from the heating device 14 into the reaction chamber 8 is easily possible. There are no major losses. In particular, in this configuration it is not necessary to heat the entire microsensor 1.
  • the storage space 5 is better thermally insulated from the heating device 14 by a thicker wall of the insert 3.

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Abstract

The invention relates to a biological microsensor comprising a housing (2) in which an electrode system with an electrolyte reservoir, a storage space for bacterial nutrient and a reaction chamber (8) are arranged, whereby the reaction chamber (8) is closed on the outer wall of the housing (2) by a first membrane and is connected to the storage space. The aim of the invention is to produce an unsusceptible microsensor. To this end, a heating device (14) is arranged in the vicinity of the reaction chamber (8).

Description

Biologischer Mikrosensor Biological microsensor
Die Erfindung betrifft einen biologischen Mikrosensor mit einem Gehäuse, in dem eine Elektrodenanordnung mit Elektrolytvorrat, ein Vorratsraum für Bakterien- Nährstoff und eine Reaktionskammer angeordnet sind, wo- bei die Reaktionskammer an der Außenwand des Gehäuses mit einer ersten Membran abgeschlossen ist und mit dem Vorratsraum in Verbindung steht.The invention relates to a biological microsensor with a housing in which an electrode arrangement with an electrolyte supply, a storage space for bacterial nutrient and a reaction chamber are arranged, the reaction chamber being closed off on the outer wall of the housing with a first membrane and with the storage space in Connection is established.
Ein derartiger Mikrosensor ist aus WO 98/21309 AI be- kannt. Derartige Sensoren können beispielsweise eingesetzt werden, um Wasser auf bestimmte Inhaltsstoffe, wie Nitrate oder ähnliches, zu untersuchen. Anwendungen finden derartige Mikrosensoren beispielsweise in Kläranlagen, um in Abhängigkeit von der Nitrat-Belastung des Wassers die Luftzufuhr zu dem Wasser zu steuern, oder bei der Grundwasseruntersuchung. Zur Analyse verwendet man Bakterien, die auf die zu untersuchende Substanz abgestimmt sind. Beispielsweise kann man Bakterien auswählen, die auf biologische Weise Nitrate zu N2O (Lachgas) metabolisieren. Dieses Lachgas kann dann leichter erfaßt werden als die Nitrate selbst. Die Bakterien reproduzieren sich selbst. Aufgrund des relativ großen Bakterien-Nährstoffvorrats im Vorratsraum haben derartige Sensoren eine relativ lange Lebensdauer. In der Reaktionskammer stellt sich praktisch automatisch ein biologisches Gleichgewicht ein, d.h. man kann im Mittel davon ausgehen, daß immer die gleiche Menge an Bakterien vorhanden ist, so daß man aus den durch die Bakterien erzeugten Sekundärprodukt (hier: Lachgas) zu- verlässig auf die Menge des von den Bakterien "verarbeiteten" Primärprodukts (hier: Nitrat) schließen kann. Derartige Sensoren arbeiten in weiten Bereichen zuverlässig und mit reproduzierbaren Werten. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß insbesondere bei niedrigen Temperaturen eine Änderung von Meßwerten zu beobachten ist. Diese wird im bekannten Fall dadurch vermieden, daß man Mikroorganismen verwendet, die auch bei niedrigen Temperaturen die gewünschte Aktivität entfalten. In jedem Fall besteht die Gefahr, daß die Mikroorganismen bei zu tiefen Temperaturen absterben.Such a microsensor is known from WO 98/21309 AI. Such sensors can be used, for example, to examine water for certain ingredients, such as nitrates or the like. Such microsensors are used, for example, in sewage treatment plants to control the air supply to the water as a function of the nitrate load in the water, or in groundwater testing. Bacteria are used for the analysis, which are matched to the substance to be examined. For example, you can choose bacteria that metabolize nitrates to N 2 O (laughing gas) in a biological way. This laughing gas can then be detected more easily than the nitrates themselves. The bacteria reproduce themselves. Because of the relatively large bacterial nutrient supply in the storage room, such sensors have a relatively long service life. A biological equilibrium is established practically automatically in the reaction chamber, ie one can assume on average that the same amount of bacteria is always present, so that one can reliably rely on the secondary product generated by the bacteria (here: laughing gas) Amount of the primary product "processed" by the bacteria (here: nitrate). Such sensors work reliably in a wide range and with reproducible values. However, it has been found that a change in measured values can be observed, especially at low temperatures. In the known case, this is avoided by using microorganisms which display the desired activity even at low temperatures. In any case, there is a risk that the microorganisms will die if the temperature is too low.
EP 0 351 516 A2 beschreibt einen vorkalibrierten elektrochemischen Einweg-Sensor, insbesondere zur Untersuchung von Blut, der einen Temperaturkompensator aufweist, um die Genauigkeit der Messung in solchen Fällen zu verbessern, wo sich die Kalibrierungstemperatur und die Temperatur der Probe unterscheiden. Der Temperaturkompensator rechnet mit anderen Worten temperaturbedingte Abweichungen zwischen dem Ausgangssignal des e- lektrochemischen Sensors und der "wahren" Konzentration der Substanz heraus.EP 0 351 516 A2 describes a precalibrated disposable electrochemical sensor, in particular for examining blood, which has a temperature compensator in order to improve the accuracy of the measurement in cases where the calibration temperature and the temperature of the sample differ. In other words, the temperature compensator calculates temperature-related deviations between the output signal of the electrochemical sensor and the "true" concentration of the substance.
WO 95/14962 AI zeigt einen potentiometrischen Biosensor, bei dem ein Peltierelement vorgesehen ist, das den gesamten Sensor auf einer gewünschten Temperatur hält. Hierzu ist das Peltierelement zwischen einem Kühlkörper und einer Aluminiumplatte, die die Reaktionskammer aufnimmt, angeordnet. Dieser Sensor läßt sich allerdings nur unter der kontrollierten Umgebungsbedingungen einsetzen. Insbesondere ist seine Verwendung unter Wasser oder im Wasser schwimmend nicht möglich, weil die Umgebung dann zuviel Wärme abtransportieren würde.WO 95/14962 AI shows a potentiometric biosensor in which a Peltier element is provided which keeps the entire sensor at a desired temperature. For this purpose, the Peltier element is arranged between a heat sink and an aluminum plate that receives the reaction chamber. However, this sensor can only be used under controlled environmental conditions. In particular, its use under water or floating in water is not possible because the surroundings would then remove too much heat.
US 5 160 604 beschreibt ein System, um toxische Substanzen mit Hilfe von immobilisierten Mikroorganismen zu erfassen. Dieses System dient dazu, bei Wasser eine Qualitätssicherung zu betreiben. Hier ist die Reaktionskammer und die Elektrodenanordnung in einem Warmwasserbad angeordnet, das eine konstante Temperatur aufweist. In dem Warmwasserbad sind darüber hinaus Wärme- tauscher angeordnet, durch die zu analysierende Flüssigkeit und gegebenenfalls Anlayseflüssigkeiten geleitet werden, um mit einer vorbestimmten Temperatur in die Reaktionskammer einzutreten.US 5 160 604 describes a system for detecting toxic substances with the help of immobilized microorganisms. This system is used in the case of water To operate quality assurance. Here the reaction chamber and the electrode arrangement are arranged in a hot water bath which has a constant temperature. In addition, heat exchangers are arranged in the hot water bath, through which liquid to be analyzed and, if appropriate, analysis liquids are passed in order to enter the reaction chamber at a predetermined temperature.
DE 39 42 664 C2 beschreibt eine Sensoranordnung zur Ermittlung des Feuchtegehalts von Gasen, bei der das Gas, bevor es in eine Reaktionskammer eintreten kann, von Heizelementen beheizt wird. Die Heizelemente werden mit Hilfe eines Temperaturfühlers gesteuert, der die Tempe- ratur des Gases ermittelt. Damit ist es möglich, den Sensor auf einer konstanten Temperatur von etwa 450°C zu halten.DE 39 42 664 C2 describes a sensor arrangement for determining the moisture content of gases, in which the gas is heated by heating elements before it can enter a reaction chamber. The heating elements are controlled with the help of a temperature sensor, which determines the temperature of the gas. This makes it possible to keep the sensor at a constant temperature of around 450 ° C.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikro- sensor anzugeben, der relativ unempfindlich ist.The invention has for its object to provide a micro sensor that is relatively insensitive.
Diese Aufgabe wird bei einem biologischen Mikrosensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß im Bereich der Reaktionskammer eine Heizeinrichtung angeord- net ist.With a biological microsensor of the type mentioned at the outset, this object is achieved in that a heating device is arranged in the region of the reaction chamber.
Damit ist es möglich, den Bakterien oder Mikroorganismen in der Reaktionskammer immer eine Umgebungstemperatur zur Verfügung zu stellen, in denen diese Mikroorga- nismen sich wohl fühlen, d.h. eine Temperatur, bei der die Mikroorganismen die gewünschte Aktivität entfalten. Dadurch, daß die Heizeinrichtung im Bereich der Reaktionskammer angeordnet ist, entfällt die Notwendigkeit, den gesamten Sensor oder zumindest das Gehäuse zu be- heizen. Dies spart nicht nur Energie, sondern vermin- dert auch die Gefahr einer Wärmeabfuhr mit damit verbundener Temperaturabsenkung. Es ist daher leichter möglich, die Temperatur in der Reaktionskammer auf dem gewünschten Wert konstant zu halten. Die Temperatur, die in der Reaktionskammer herrschen sollte, muß nicht übermäßig groß sein. Für viele Mikroorganismen sind Temperaturen von 15°C durchaus ausreichend. Bei diesen geringen Temperaturen ist die Gefahr, daß die Heizeinrichtung weitere und größere Teile des Gehäuses und da- mit der Außenflächen aufheizen muß, relativ gering. Der Energieverbrauch bleibt also ebenfalls gering.This makes it possible to always provide the bacteria or microorganisms in the reaction chamber with an ambient temperature in which these microorganisms feel comfortable, ie a temperature at which the microorganisms develop the desired activity. The fact that the heating device is arranged in the region of the reaction chamber eliminates the need to heat the entire sensor or at least the housing. This not only saves energy, but also minimizes also reduces the risk of heat dissipation with the associated drop in temperature. It is therefore easier to keep the temperature in the reaction chamber constant at the desired value. The temperature that should be in the reaction chamber need not be excessively high. Temperatures of 15 ° C are quite sufficient for many microorganisms. At these low temperatures, the risk that the heating device must heat up further and larger parts of the housing and thus the outer surfaces is relatively low. The energy consumption also remains low.
Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung als ohmscher Widerstand oder als Induktionsheizeinrichtung ausgebil- det. Ein ohmscher Widerstand erzeugt Wärme, wenn er von Strom durchflössen wird. Eine Induktionsheizeinrichtung erzeugt Wärme aufgrund einer magnetischen Anregung, die durch einen Strom in einem isolierten Leiter erzeugt werden kann. Der Stromfluß läßt sich leicht und auf be- kannte Weise regeln. Aufgrund des geringen Energieverbrauchs kann man den Sensor auch mit einer Batterie betreiben, so daß er relativ unabhängig von Versorgungseinrichtungen arbeiten kann und dementsprechend auch im Gelände oder im offenen Wasser eingesetzt wer- den kann.The heating device is preferably designed as an ohmic resistor or as an induction heating device. An ohmic resistor generates heat when current flows through it. An induction heater generates heat due to magnetic excitation that can be generated by a current in an insulated conductor. The current flow can be regulated easily and in a known manner. Because of the low energy consumption, the sensor can also be operated with a battery, so that it can work relatively independently of supply facilities and can accordingly also be used off-road or in open water.
Vorzugsweise ist der ohmsche Widerstand als Leiterbahn ausgebildet, die an einer Wand eines die Reaktionskammer begrenzenden Teils anliegt. Die Heizeinrichtung be- ansprucht damit praktisch keinen oder nur sehr geringenThe ohmic resistor is preferably designed as a conductor track which bears against a wall of a part delimiting the reaction chamber. The heating device thus requires practically no or only very little
Bauraum, so daß der Sensor im übrigen auf die gewünschte Reaktion hin optimiert werden kann.Installation space so that the sensor can be optimized for the desired response.
Hierbei ist bevorzugt, daß der ohmsche Widerstand auf- gedampft ist. Durch Aufdampfen erreicht man eine rela- tiv geringe Dicke, die wiederum zu einem gewünschten hohen ohmschen Widerstandswert führt.It is preferred here that the ohmic resistance is evaporated. By vapor deposition, a rela- tiv small thickness, which in turn leads to a desired high ohmic resistance value.
In einer alternativen Ausgestaltung kann der ohmsche Widerstand als Folie ausgebildet sein. Auch in diesem Fall ist der benötigte Bauraum gering und der ohmsche Widerstandswert hoch.In an alternative embodiment, the ohmic resistance can be designed as a film. In this case too, the installation space required is small and the ohmic resistance value is high.
Vorzugsweise ist der ohmsche Widerstand spiralförmig ausgebildet. Die Leiterbahn ist also spiralförmig, gegebenenfalls auch als Doppelspirale, angeordnet. Dies erlaubt einen relativ langen Leitungsweg, der nicht nur einen höheren ohmschen Widerstandswert zur Folge hat, sondern auch die Wärmeerzeugung auf einen relativ klei- nen Flächenbereich konzentriert.The ohmic resistance is preferably designed in the form of a spiral. The conductor track is thus arranged in a spiral, possibly also as a double spiral. This allows a relatively long conduction path, which not only results in a higher ohmic resistance value, but also concentrates the heat generation on a relatively small area.
Vorzugsweise ist der Elektrolytvorrat in einem Elektrolytraum angeordnet, der vom Vorratsraum durch einen kegelförmigen Einsatz getrennt ist, dessen Spitze der Re- aktionskammer benachbart ist. Durch den kegelförmigen Einsatz ergeben sich mehrere Vorteile. Zum einen wird der Zusammenbau des Sensors vereinfacht. Man kann das Gehäuse, das unter anderem auch den Vorratsraum für den Bakteriennährstoff begrenzt, mit einer gewissen Menge dieses Nährstoffs füllen und dann den Einsatz einsetzen. Die kegelförmige Ausbildung des Einsatzes bewirkt, daß der Nährstoffvorrat leicht zur Seite hin verdrängt werden kann. Das Einsetzen kann also mit relativ hoher Geschwindigkeit erfolgen, beispielsweise mit Hilfe ei- nes Handhabungsautomaten. Zum anderen läßt sich auf diese Weise ein Elektrolytraum realisieren, der sich von der Spitze des Kegels her erweitert. Da die Spitze des Kegels der Reaktionskammer benachbart angeordnet ist, werden dort auch die elektrochemischen Reaktionen stattfinden, die mit der Elektrodenanordnung erfaßt werden sollen. Dort steht dann auf jeden Fall immer genügend Elektrolyt an. Schließlich kann man, wenn man das Gehäuse entsprechend stärker konisch erweitert, auch dafür Sorge tragen, daß der Vorratsraum für den Bakteriennährstoff eine von der Reaktionskammer weg weisende Erweiterung erfährt. Dies erlaubt es, die Vermehrung der Mikroorganismen im Vorratsraum zu begrenzen. Die Mikroorganismen können vielmehr in der Reaktionskammer gehalten werden.The electrolyte supply is preferably arranged in an electrolyte compartment which is separated from the storage compartment by a conical insert, the tip of which is adjacent to the reaction chamber. The conical insert has several advantages. Firstly, the assembly of the sensor is simplified. You can fill the housing, which also limits the storage space for the bacterial nutrient, with a certain amount of this nutrient and then insert it. The conical shape of the insert means that the nutrient supply can be easily pushed aside. The insertion can therefore take place at a relatively high speed, for example with the aid of an automatic handling machine. On the other hand, an electrolyte space that expands from the tip of the cone can be realized in this way. Since the tip of the cone is arranged adjacent to the reaction chamber, the electrochemical reactions which are detected with the electrode arrangement will also take place there should be. There will always be enough electrolyte there. Finally, if the housing is correspondingly more conically expanded, it can also be ensured that the storage space for the bacterial nutrient undergoes an expansion pointing away from the reaction chamber. This makes it possible to limit the multiplication of the microorganisms in the storage room. The microorganisms can rather be kept in the reaction chamber.
Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung am Einsatz angeordnet. Der Einsatz ist einerseits der Reaktionskammer ausreichend nah benachbart. Andererseits läßt sich der Einsatz leicht handhaben und auswechseln.The heating device is preferably arranged on the insert. On the one hand, the insert is sufficiently close to the reaction chamber. On the other hand, the insert is easy to handle and replace.
Hierbei ist bevorzugt, daß die Heizeinrichtung auf der Innenseite des Einsatzes angeordnet ist. Damit die Heizeinrichtung die nötige Wärme abgeben kann, muß ihre Temperatur größer sein als die ihrer Umgebung. Dadurch, daß man die Heizeinrichtung durch den Einsatz von derIt is preferred that the heating device is arranged on the inside of the insert. In order for the heating device to give off the necessary heat, its temperature must be higher than that of its surroundings. By making the heater by using the
Reaktionskammer trennt, vermeidet man, daß die Mikroorganismen mit der möglicherweise relativ heißen Heizeinrichtung in Berührung kommen und beschädigt werden.Separates the reaction chamber, it is avoided that the microorganisms come into contact with the possibly relatively hot heating device and are damaged.
Vorzugsweise ist an der Spitze des Einsatzes eine von einer zweiten Membran verschlossenen Öffnung angeordnet. Die zweite Membran dient hierbei dazu, das Sekundärprodukt, das von den Mikroorganismen erzeugt wird, in den Elektrolytraum eintreten zu lassen.An opening closed by a second membrane is preferably arranged at the tip of the insert. The second membrane serves to allow the secondary product, which is generated by the microorganisms, to enter the electrolyte space.
Vorzugsweise sind der Einsatz und die zweite Membrane einstückig ausgebildet. Dies läßt sich insbesondere dann relativ einfach realisieren, wenn man für den Einsatz Silikon oder ein vergleichbares Material wählt. In diesem Fall muß man den Einsatz lediglich an seiner Spitze in ausreichendem Maß verdünnen, um die zweite Membran zu bilden.The insert and the second membrane are preferably formed in one piece. This can be achieved relatively easily, in particular, if one chooses silicone or a comparable material for the use. In this case you just have to use it Dilute the tip sufficiently to form the second membrane.
Bevorzugterweise liegt der Einsatz an der Gehäuseinnen- wand an, in der die Reaktionskammer angeordnet ist, wobei in dieser Gehäuseinnenwand Nuten vorgesehen sind, die die Reaktionskammer mit dem Vorratsraum verbinden. Man schließt mit Hilfe des Einsatzes die Reaktionskammer fast völlig ab. Damit werden definierte Verhältnis- se für die Mikroorganismen geschaffen. Lediglich über die Nuten werden Kanäle zur Verfügung gestellt, mit deren Hilfe die Reaktionskammer mit dem Vorratsraum verbunden ist. Über diese Nuten kann also Nährstoff für die Mikroorganismen in ausreichendem Maße nachgeführt werden, so daß die Mikroorganismen, genauer gesagt die Mikroorganismuskultur, eine ausreichende Lebensdauer erhalten.The insert preferably lies against the inner wall of the housing in which the reaction chamber is arranged, grooves being provided in this inner wall of the housing which connect the reaction chamber to the storage space. With the help of the insert, the reaction chamber is almost completely closed. This creates defined relationships for the microorganisms. Channels are only made available via the grooves, with the aid of which the reaction chamber is connected to the storage space. Sufficient nutrients for the microorganisms can thus be added via these grooves so that the microorganisms, more precisely the microorganism culture, are given a sufficient lifespan.
Vorzugsweise ist die Elektrodenanordnung an einem Trä- gerteil angeordnet, das mit dem Gehäuse über eineThe electrode arrangement is preferably arranged on a support part which is connected to the housing via a
Schnappverbindung verbunden ist, wobei der Einsatz einen Flansch aufweist, der zwischen Trägerteil und Gehäuse eingeklemmt ist. Mit dieser Ausgestaltung erhält man einen leicht zu fertigenden Mikrosensor. Man legt den Einsatz, gegebenenfalls nach Einfüllen des Nährstoff-Vorrats für die Mikroorganismen, in das Gehäuse ein und setzt das Trägerteil auf. Damit sind automatisch alle benötigten Teile in der richtigen Lage positioniert. Wenn nun der Trägerteil und das Gehäuse mit- einander verrastet werden, entsteht eine handhabbare Einheit, in der alle benötigten Teile gleichzeitig in der richtigen Lage fixiert sind.Snap connection is connected, wherein the insert has a flange which is clamped between the carrier part and the housing. With this configuration, an easily manufactured microsensor is obtained. The insert is placed in the housing, if necessary after the nutrient supply for the microorganisms has been filled in, and the carrier part is put on. This means that all required parts are automatically positioned in the correct position. If the carrier part and the housing are now locked together, a manageable unit is created in which all required parts are fixed in the correct position at the same time.
Vorzugsweise weist die Heizeinrichtung flächig ausge- bildete Anschlüsse auf, die in den Klemmbereich zwi- schen Gehäuse und Trägerteil reichen. An den flächig ausgebildeten Anschlüssen läßt sich die zum Betreiben der Heizeinrichtung benötigte elektrische Energie mit großer "Zielsicherheit" einleiten. Dadurch, daß die An- Schlüsse in den Klemmbereich reichen oder hineinragen, werden sie beim Verrasten von Trägerteil und Gehäuse automatisch mit fixiert.The heating device preferably has flat-shaped connections which extend into the clamping area between the housing and carrier part are sufficient. The electrical energy required to operate the heating device can be introduced with great "target certainty" at the flat connections. Because the connections extend into or protrude into the clamping area, they are automatically fixed when the support part and housing are locked.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß am Trägerteil Kon- takte angeordnet sind, die an den Anschlüssen unterIt is particularly preferred here that contacts are arranged on the carrier part, which are located at the connections
Druck anliegen. Mit dem Zusammenbau wird also gleichzeitig auch der elektrische Kontakt zu den Anschlüssen der Heizeinrichtung ausgebildetApply pressure. With the assembly, the electrical contact to the connections of the heating device is also formed at the same time
Vorzugsweise weisen das Trägerteil und das Gehäuse bzw. der Einsatz eine Asymmetrie auf und sind nur in ein o- der zwei Winkellagen miteinander verbindbar. Man kann daher den Kontakten am Trägerteil eine eindeutige Funktion zuordnen. Beispielsweise kann man zwei Kontakten die Funktion zuordnen, die elektrische Heizleistung zu übertragen, während andere Kontakte am Trägerteil mit den Elektroden der Elektrodenanordnung in Verbindung stehen.The carrier part and the housing or the insert preferably have an asymmetry and can only be connected to one another in one or two angular positions. It is therefore possible to assign a clear function to the contacts on the carrier part. For example, two contacts can be assigned the function of transmitting the electrical heating power, while other contacts on the carrier part are connected to the electrodes of the electrode arrangement.
Vorzugsweise wird man nur eine einzige Winkellage von Trägerteil und Gehäuse bzw. Einsatz zulassen. Gegebenenfalls ist es aber auch erlaubt, eine um 180° dazu versetzte Winkellage zu verwenden.Preferably, only a single angular position of the carrier part and housing or insert will be permitted. If necessary, it is also permitted to use an angular position offset by 180 °.
Vorzugsweise ist am Trägerteil ein Teil einer Temperaturregeleinrichtung angeordnet. Hierbei kann es sich zum Beispiel um einen Temperatursensor oder um einen PtlOO oder einen PtlOOO-Widerstand oder einen Thermo- koppler (zwei Metalle, die sich in einer Spannungsreihe unterscheiden) handeln. Es ist nicht erforderlich, daß die gesamte Temperaturregeleinrichtung am Trägerteil angeordnet ist. Wenn man aber die "sensitiven" Teile hier unterbringt, dann gewinnt man ohne zusätzlichen baulichen Aufwand die benötigten Informationen genau dort, wo sie entstehen.A part of a temperature control device is preferably arranged on the carrier part. This can be, for example, a temperature sensor or a PtlOO or a PtlOOO resistor or a thermal coupler (two metals that differ in a voltage series). It is not necessary that the entire temperature control device is arranged on the carrier part. However, if you place the "sensitive" parts here, then you will get the information you need without any additional construction work, exactly where it is created.
Vorzugsweise ist eine Auswerte- und Steuereinrichtung vorgesehen, die unterhalb einer vorbestimmten Außentemperatur die Heizeinrichtung betreibt und oberhalb die- ser Außentemperatur die mit Hilfe der Elektrodenanordnung ermittelten Werte rechnerisch korrigiert. Hierbei trägt man der Tatsache Rechnung, daß die Mikroorganismen unterhalb vorbestimmter Temperaturen ihre Aktivität vermindern oder sogar ganz einstellen. In diesem Fall hilft die Wärmezufuhr mit Hilfe der Heizeinrichtung. Wenn die Umgebungstemperatur hingegen höher ist, als die vorgegebene Temperatur, dann verzichtet man auf eine Kühlung, weil die Mikroorganismen bei höheren Werten immer noch aktiv sind. Da sich möglicherweise hier aber Änderungen im Ausgangssignal ergeben, werden diese Änderungen temperaturabhängig kompensiert.An evaluation and control device is preferably provided, which operates the heating device below a predetermined outside temperature and, above this outside temperature, arithmetically corrects the values determined with the aid of the electrode arrangement. This takes into account the fact that the microorganisms reduce their activity below predetermined temperatures or even stop them altogether. In this case, the heat supply helps with the heating device. If, on the other hand, the ambient temperature is higher than the specified temperature, cooling is not used because the microorganisms are still active at higher values. However, since there may be changes in the output signal here, these changes are compensated for depending on the temperature.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich- nung näher beschrieben. Hierin zeigen:The invention is described in more detail below on the basis of a preferred exemplary embodiment in conjunction with the drawing. Show here:
Fig. 1 einen biologischen Mikrosensor in Explosionsdarstellung,1 shows a biological microsensor in an exploded view,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Mikrosensor,2 shows a cross section through the microsensor,
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt III nach Fig. 2,3 shows an enlarged detail III according to FIG. 2,
Fig. 4 eine erste Außenansicht des Mikrosensors, Fig. 5 eine zweite Außenansicht des Mikrosensors und4 shows a first external view of the microsensor, 5 shows a second external view of the microsensor and
Fig. 6 eine vergrößerte Draufsicht auf den Mikrosen- sor ohne Trägerteil.6 shows an enlarged top view of the microsensor without a carrier part.
Fig. 1 zeigt einen Mikrosensor 1 mit drei wesentlichen Bestandteilen, nämlich einem Gehäuse 2, einem Einsatz 3 und einem Trägerteil 4. Das Gehäuse 2 und der Träger- teil 4 bestehen aus einem härteren Kunststoff. Sie können durchaus auch aus unterschiedlichen Kunststoffen bestehen, vorzugsweise solchen, die spritzgußfähig sind. Der Einsatz 3 besteht aus einem weicheren Kunststoff, beispielsweise Silikon.1 shows a microsensor 1 with three essential components, namely a housing 2, an insert 3 and a carrier part 4. The housing 2 and the carrier part 4 consist of a harder plastic. They can also consist of different plastics, preferably those that are injection moldable. The insert 3 consists of a softer plastic, for example silicone.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind beim zusammengebauten Mikrosensor 1 das Gehäuse 2 , der Einsatz 3 und das Trägerteil 4 axial zusammengesetzt und zwar dergestalt, daß der Einsatz 3 im Gehäuse 2 einen Vorratsraum 5 für Bakterien-Nährstoff von einem Elektrolytraum 6 trennt. Der Einsatz 3 weist eine im wesentlichen konische Form auf, so daß sich der Elektrolytraum 6 von der Spitze des Einsatzes 3 unten nach oben hin erweitert. Das Gehäuse 2 weist an seinem Boden eine Vertiefung 7 auf, die sich stärker aufweitet als der Kegel des Einsatzes 3 , so daß sich auch der Vorratsraum 5 zumindest an seinem unteren Ende mit zunehmender Höhe erweitert.As can be seen from FIG. 2, in the assembled microsensor 1, the housing 2, the insert 3 and the carrier part 4 are axially assembled in such a way that the insert 3 in the housing 2 separates a storage space 5 for bacteria nutrient from an electrolyte space 6. The insert 3 has an essentially conical shape, so that the electrolyte space 6 widens from the top of the insert 3 towards the bottom. The housing 2 has a recess 7 on its bottom, which widens more than the cone of the insert 3, so that the storage space 5 also widens with increasing height, at least at its lower end.
Am unteren Ende der Vertiefung 7 (jeweils bezogen auf die Darstellungen der Fig. 2 und 3) , also dort, wo die Wand des Gehäuses 2 am günstigsten ist, ist eine Reaktionskammer 8 in der Wand des Gehäuses 2 angeordnet. Der Reaktionskammer 8 ist zur Außenseite hin von einer ersten Membran 9 abgedeckt. Die erste Membran 9 kann aus dem gleichen Material wie das Gehäuse 2 gebildet sein und gegebenenfalls einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet sein.A reaction chamber 8 is arranged in the wall of the housing 2 at the lower end of the recess 7 (based in each case on the representations of FIGS. 2 and 3), ie where the wall of the housing 2 is cheapest. The reaction chamber 8 is covered on the outside by a first membrane 9. The first membrane 9 can be formed from the same material as the housing 2 be and if necessary be integrally formed with the housing 2.
Die Oberseite der Reaktionskammer, die bei dieser Aus- bildung die einzige Seite ist, die nicht vom Gehäuse 2 umgrenzt ist, ist vom Einsatz 3 abgedeckt. Hierzu weist der Einsatz 3 an seiner Spitze eine zweite Membran 10 auf.The top of the reaction chamber, which in this embodiment is the only side that is not delimited by the housing 2, is covered by the insert 3. For this purpose, the insert 3 has a second membrane 10 at its tip.
Die erste Membran 9 muß durchlässig sein für ein sogenanntes "Primärprodukt", dessen Anwesenheit und Konzentration ermittelt werden soll. In der Reaktionskammer 8 sind Mikroorganismen, beispielsweise Bakterien, angeordnet, die dieses Primärprodukt umsetzen in ein sekundäres Produkt. Die zweite Membran 10 muß für dieses sekundäre Produkt durchlässig sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Primärprodukt um Nitrat handeln, das durch Bakterien in N20 (Lachgas) als Sekundärprodukt transformiert wird. Dementsprechend müssen die Nitrate durch die erste Membran hindurchtreten können, während die zweite Membran 10 für Lachgas durchlässig sein muß. Die zweite Membran 10 kann mit dem Einsatz 3 einstückig ausgebildet sein, beispielsweise ebenfalls, indem der Einsatz 3 an seiner Spitze in erforderlichem Maße verdünnt worden ist.The first membrane 9 must be permeable to a so-called "primary product", the presence and concentration of which is to be determined. Microorganisms, for example bacteria, are arranged in the reaction chamber 8, which convert this primary product into a secondary product. The second membrane 10 must be permeable to this secondary product. For example, the primary product can be nitrate, which is transformed by bacteria into N 2 0 (laughing gas) as a secondary product. Accordingly, the nitrates must be able to pass through the first membrane, while the second membrane 10 must be permeable to nitrous oxide. The second membrane 10 can be formed in one piece with the insert 3, for example likewise in that the insert 3 has been thinned to the required extent at its tip.
Das Trägerteil 4 weist eine Arbeitselektrode 11 auf und eine Referenzelektrode 12 auf, die beide mit dem im E- lektrolytraum 6 befindlichen Elektrolyten in Verbindung stehen. Die Arbeitselektrode 11 ist hierbei der zweiten Membran 10 benachbart, die wiederum die Reaktionskammer 8 abdeckt, so daß das in der Reaktionskammer 8 erzeugte Sekundärprodukt in einen Zwischenraum zwischen der Arbeitselektrode 11 und der zweiten Membran gelangen und dort eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann. Die Elektrodenanordnung 11, 12 mit dem Elektrolyten entspricht hierbei einer üblichen elektrochemischen Meßzelle, die an sich bekannt ist und daher nicht weiter erläutert werden muß.The carrier part 4 has a working electrode 11 and a reference electrode 12, both of which are connected to the electrolyte located in the electrolyte space 6. The working electrode 11 is adjacent to the second membrane 10, which in turn covers the reaction chamber 8, so that the secondary product generated in the reaction chamber 8 enters an intermediate space between the working electrode 11 and the second membrane and an electrochemical reaction can take place there. The electrode arrangement 11, 12 with the electrolyte here corresponds to a conventional electrochemical measuring cell which is known per se and therefore does not need to be explained further.
Auf der Innenseite des Einsatzes 3, d.h. auf der dem Elektrolytraum 6 zugewandten Seite ist eine Heizeinrichtung 14 auf den Einsatz 3 aufgebracht. Die Heizeinrichtung 14 ist ein flächig ausgebildeter ohmscher Wi- derstand, der beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufdruck oder durch Auflegen einer Folie erzeugt werden kann. Man kann auch einen elektrisch leitenden oder metallisierbaren Kunststoff verwenden. Der Widerstandswert kann beispielsweise bei 150 Ω liegen. Der genaue Wert hängt aber von der Spannungsversorgung ab. Wie aus Fig. 6 zu erkennen ist, hat die Heizeinrichtung 14 in der Draufsicht die Form einer doppelten Spirale, wobei die Leiterbahn eine relativ große Länge und eine relativ kleine Breite hat, um den gewünschten ohmschen Wi- derstandswert zu erzielen. Die Leiterbahn kann beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium gebildet sein.On the inside of insert 3, i.e. On the side facing the electrolyte chamber 6, a heating device 14 is applied to the insert 3. The heating device 14 is a flat ohmic resistor which can be produced, for example, by vapor deposition or printing or by applying a film. You can also use an electrically conductive or metallizable plastic. The resistance value can be, for example, 150 Ω. The exact value depends on the power supply. As can be seen from FIG. 6, the heating device 14 has the shape of a double spiral in plan view, the conductor track having a relatively long length and a relatively small width in order to achieve the desired ohmic resistance value. The conductor track can be formed from copper or aluminum, for example.
Die Leiterbahn der Heizeinrichtung 14 weist Anschlüsse 15, 16 auf, die über einen Flansch 17 des Einsatzes 3 gezogen sind und auf der Oberfläche dieses Flansches 17 aufliegen. Das Gehäuse 2 weist einige Stifte 18 auf, auf die der Einsatz 3 mit seinem Flansch 17 und das Trägerteil 4 mit einer Platte 19 aufgesteckt werden.The conductor track of the heating device 14 has connections 15, 16, which are drawn over a flange 17 of the insert 3 and rest on the surface of this flange 17. The housing 2 has a few pins 18 onto which the insert 3 with its flange 17 and the carrier part 4 with a plate 19 are attached.
Hierbei weist das Trägerteil 4 am Rand der Platte 19Here, the carrier part 4 on the edge of the plate 19th
Rasthaken 20 auf, die hinter entsprechenden Vorsprüngen 21 am Gehäuse 2 einrasten können, wenn die drei Teile Gehäuse 2, Einsatz 3 und Trägerteil 4 zusammengesteckt werden. Hierbei ist das Gehäuse 2, wie beispielsweise aus Fig. 6 hervorgeht, mit einer Ausformung so verse- hen, daß das Trägerteil 4 und das Gehäuse nur in einer einzigen Winkelstellung zusammengesetzt werden können. Beispielsweise können an drei Seiten Stege 22 vorgesehen sein, die an einer vierten Seite 23 fehlen.Locking hooks 20, which can engage behind corresponding projections 21 on the housing 2 when the three parts housing 2, insert 3 and carrier part 4 are plugged together. Here, the housing 2, as can be seen, for example, from FIG. hen that the carrier part 4 and the housing can only be assembled in a single angular position. For example, webs 22 which are missing on a fourth side 23 can be provided on three sides.
Das Trägerteil 4 weist eine Reihe von elektrischen Anschlüssen 24-28 auf. Diese Anschlüsse 24-28 können beispielsweise als elektrisch leitende Stifte ausgebildet sein, die die Platte 19 des Trägerteils 4 durchsetzen. Der mittlere Anschluß 28 steht hierbei in elektrischer Verbindung mit der Arbeitselektrode 11. Ein weiterer Anschluß 27 steht in Verbindung mit der Referenzelektrode 12. Ein dritter Anschluß 26 ist mit einem PtlOOO- Widerstand 29 verbunden, der im Schaft 30 des Träger- teils 4 angeordnet ist, in dem auch die Arbeitselektrode 11 angeordnet ist. Der PtlOOO-Widerstand bildet einen Teil einer Temperaturregeleinrichtung, d.h. er ist ein Teil einer Schaltung, die den Stromfluß durch die Heizeinrichtung 14 steuert.The carrier part 4 has a series of electrical connections 24-28. These connections 24-28 can be designed, for example, as electrically conductive pins which penetrate the plate 19 of the carrier part 4. The middle connection 28 is in electrical connection with the working electrode 11. A further connection 27 is connected with the reference electrode 12. A third connection 26 is connected to a Pt100 resistor 29, which is arranged in the shaft 30 of the carrier part 4 , in which the working electrode 11 is also arranged. The PtlOOO resistor forms part of a temperature control device, i.e. it is part of a circuit that controls the flow of current through the heater 14.
Die beiden Anschlüsse 24, 25 dienen dazu, die elektrische Verbindung zur Heizeinrichtung 14 herzustellen. Die entsprechenden Stifte sind hierbei durch die Platte 19 hindurchgeführt, wie man beispielsweise in Fig. 1 erkennen kann. Wenn nun das Trägerteil 4 und das Gehäuse 2 unter Zwischenlage des Flansches 17 mit den Anschlüssen 15, 16 der Heizeinrichtung 14 zusammengerastet werden, dann drücken die Anschlüsse 24, 25 auf die Anschlüsse 15, 16 und stellen somit eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen 24, 25 und derThe two connections 24, 25 serve to establish the electrical connection to the heating device 14. The corresponding pins are passed through the plate 19, as can be seen, for example, in FIG. 1. If the carrier part 4 and the housing 2 are now snapped together with the connections 15, 16 of the heating device 14 with the interposition of the flange 17, then the connections 24, 25 press on the connections 15, 16 and thus provide an electrical connection between the connections 24, 25 and the
Heizeinrichtung 14 her. Da die einzelnen Teile nur in einer vorbestimmten Winkellage zusammengesetzt werden können, ist sichergestellt, daß die entsprechenden Kontakte 24, 25 nur mit der Heizeinrichtung 14 in Verbin- dung treten können, nicht hingegen mit der Arbeitselektrode 12 oder dem PtlOOO-Widerstand 29.Heater 14 ago. Since the individual parts can only be assembled in a predetermined angular position, it is ensured that the corresponding contacts 24, 25 are only connected to the heating device 14. can occur, but not with the working electrode 12 or the Pt100 resistor 29.
Wie oben ausgeführt, deckt die zweite Membran 10 die Reaktionskammer 8 ab. Die Reaktionskammer 8 ist mit Mikroorganismen, beispielsweise Bakterien, die Nitrat in N20 transformieren können gefüllt. Um diesen Bakterien das Überleben zu sichern, sind in der Wand der Vertiefung 7 Kanäle 31 vorgesehen, die eine Verbindung zwischen der Reaktionskammer 8 und dem Vorratsraum 5 für den Bakterien-Nährstoff sicherstellen. Damit ist es möglich, daß der Nährstoff in der Reaktionskammer 8 laufend ergänzt wird.As stated above, the second membrane 10 covers the reaction chamber 8. The reaction chamber 8 is filled with microorganisms, for example bacteria, which can transform nitrate into N 2 O. In order to ensure the survival of these bacteria, 7 channels 31 are provided in the wall of the recess, which ensure a connection between the reaction chamber 8 and the storage space 5 for the bacterial nutrient. This makes it possible for the nutrient in the reaction chamber 8 to be continuously supplemented.
Mit Hilfe der Heizeinrichtung 14 ist es nun möglich, in der Reaktionskammer 8 immer eine vorbestimmte Temperatur einzuhalten, beispielsweise 15°C. Die Heizeinrichtung 14 ist zwar auf der der Reaktionskammer 8 abgewandten Seite der zweiten Membran 10 und des Einsatzes 3 angeordnet. Da aber die Heizeinrichtung 14 auch imWith the help of the heating device 14, it is now possible to always maintain a predetermined temperature in the reaction chamber 8, for example 15 ° C. The heating device 14 is indeed arranged on the side of the second membrane 10 and the insert 3 facing away from the reaction chamber 8. But since the heater 14 also in
Bereich der zweiten Membran 10 angeordnet ist, die relativ dünn ist, ist eine Wärmeübertragung von der Heizeinrichtung 14 in die Reaktionskammer 8 problemlos möglich. Größere Verluste treten nicht auf. Insbesondere ist es bei dieser Ausgestaltung nicht notwendig, den gesamten Mikrosensor 1 aufzuheizen. Der Vorratsraum 5 ist durch eine dickere Wand des Einsatzes 3 thermisch besser von der Heizeinrichtung 14 isoliert.Area of the second membrane 10 is arranged, which is relatively thin, heat transfer from the heating device 14 into the reaction chamber 8 is easily possible. There are no major losses. In particular, in this configuration it is not necessary to heat the entire microsensor 1. The storage space 5 is better thermally insulated from the heating device 14 by a thicker wall of the insert 3.
Man kann nun mit einer nicht näher dargestellten Steuer- und Auswerteeinrichtung den Sensor so betreiben, daß die Heizeinrichtung 14 bei Außentemperaturen unterhalb von 15°C (oder einer anderen vorgewählten Temperatur) in Betrieb genommen wird und die Reaktionskammer 8 durch die zweite Membran 10 hindurch beheizt. In diesem Fall werden die Mikroorganismen in der Reaktionskammer auf eine Temperatur gehalten, bei der sie ihre größte Aktivität entfalten. Steigt die Außentemperatur hingegen über die vorgewählte Temperatur von beispielsweise 15°C, dann werden die über die Elektrodenanordnung 11, 12 ermittelten Meßergebnisse rechnerisch korrigiert. You can now operate the sensor with a control and evaluation device, not shown, so that the heating device 14 is put into operation at outside temperatures below 15 ° C. (or another preselected temperature) and the reaction chamber 8 is heated through the second membrane 10 , In this In this case, the microorganisms in the reaction chamber are kept at a temperature at which they display their greatest activity. If, on the other hand, the outside temperature rises above the preselected temperature of, for example, 15 ° C., the measurement results determined via the electrode arrangement 11, 12 are corrected arithmetically.

Claims

Patentansprüche claims
1. Biologischer Mikrosensor mit einem Gehäuse, in dem eine Elektrodenanordnung mit Elektrolytvorrat, ein1. Biological microsensor with a housing in which an electrode arrangement with an electrolyte supply
Vorratsraum für Bakterien-Nährstoff und eine Reaktionskammer angeordnet sind, wobei die Reaktionskammer an der Außenwand des Gehäuses mit einer ersten Membran abgeschlossen ist und mit dem Vorrats- räum in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Reaktionskammer (8) eine Heiz- einrichtung (14) angeordnet ist.Storage space for bacterial nutrient and a reaction chamber are arranged, the reaction chamber on the outer wall of the housing being closed off with a first membrane and being connected to the storage space, characterized in that in the area of the reaction chamber (8) there is a heating device (14) is arranged.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (14) als ohmscher Widerstand oder als Induktionsheizeinrichtung ausgebildet ist.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the heating device (14) is designed as an ohmic resistor or as an induction heating device.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand als Leiterbahn ausgebildet ist, die an einer Wand eines die Reaktionskammer (8) begrenzenden Teils (3) anliegt.3. Sensor according to claim 2, characterized in that the ohmic resistance is designed as a conductor track which bears against a wall of a part (3) delimiting the reaction chamber (8).
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand (14) aufgedampft ist.4. Sensor according to claim 3, characterized in that the ohmic resistor (14) is evaporated.
5. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand (14) als Folie ausgebildet ist.5. Sensor according to claim 3, characterized in that the ohmic resistor (14) is designed as a film.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand (14) spiralförmig ausgebildet ist. 6. Sensor according to one of claims 3 to 5, characterized in that the ohmic resistor (14) is designed spirally.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytvorrat in einem Elektrolytraum (6) angeordnet ist, der vom Vorratsraum (5) durch einen kegelförmigen Einsatz (3) ge- trennt ist, dessen Spitze der Reaktionskammer (8) benachbart ist.7. Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electrolyte supply is arranged in an electrolyte space (6) which is separated from the storage space (5) by a conical insert (3), the tip of the reaction chamber (8th ) is adjacent.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (14) am Einsatz (3) angeordnet ist.8. Sensor according to claim 7, characterized in that the heating device (14) is arranged on the insert (3).
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (14) auf der Innenseite des Einsatzes (3) angeordnet ist.9. Sensor according to claim 8, characterized in that the heating device (14) is arranged on the inside of the insert (3).
10. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Spitze des Einsatzes (3) eine von einer zweiten Membran (10) verschlossenen Öffnung angeordnet ist.10. Sensor according to one of claims 7 to 9, characterized in that at the tip of the insert (3) is arranged by a second membrane (10) closed opening.
11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (3) und die zweite Membran (10) einstückig ausgebildet sind.11. Sensor according to claim 10, characterized in that the insert (3) and the second membrane (10) are integrally formed.
12. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (3) an der Gehäuseinnenwand anliegt, in der die Reaktionskammer (8) angeordnet ist, wobei in dieser Gehäuseinnenwand Nuten (31) vorgesehen sind, die die Reaktionskammer (8) mit dem Vorratsraum (5) verbinden.12. Sensor according to one of claims 7 to 11, characterized in that the insert (3) rests on the inner wall of the housing in which the reaction chamber (8) is arranged, grooves (31) being provided in this inner wall of the housing which the reaction chamber ( 8) Connect to the storage room (5).
13. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (11, 12) an einem Trägerteil (4) angeordnet ist, das mit dem Gehäuse (2) über eine Schnappverbindung (20, 21) verbunden ist, wobei der Einsatz (3) einen Flansch (17) aufweist, der zwischen Trägerteil (4) und Gehäuse (2) eingeklemmt ist.13. Sensor according to one of claims 7 to 12, characterized in that the electrode arrangement (11, 12) is arranged on a carrier part (4) which with the housing (2) is connected via a snap connection (20, 21), the insert (3) having a flange (17) which is clamped between the carrier part (4) and the housing (2).
14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (14) flächig ausgebildete Anschlüsse (15, 16) aufweist, die in den Klemmbereich zwischen Gehäuse (2) und Trägerteil (4) rei- chen.14. Sensor according to claim 13, characterized in that the heating device (14) has flat connections (15, 16) which reach into the clamping area between the housing (2) and the carrier part (4).
15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß am Trägerteil (4) Kontakte (24, 25) angeordnet sind, die an den Anschlüssen (15, 16) unter Druck anliegen.15. Sensor according to claim 14, characterized in that on the carrier part (4) contacts (24, 25) are arranged which bear on the connections (15, 16) under pressure.
16. Sensor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (4) und das Gehäuse (2) bzw. der Einsatz (3) eine Asymmetrie auf- weist und nur in ein oder zwei Winkellagen miteinander verbindbar sind.16. Sensor according to one of claims 13 to 15, characterized in that the carrier part (4) and the housing (2) or the insert (3) has an asymmetry and can only be connected to one another in one or two angular positions.
17. Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß am Trägerteil (4) ein Teil (29) einer Temperaturregeleinrichtung angeordnet ist.17. Sensor according to one of claims 11 to 16, characterized in that a part (29) of a temperature control device is arranged on the carrier part (4).
18. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerte- und Steuereinrichtung vorgesehen ist, die unterhalb einer vorbe- stimmten Außentemperatur die Heizeinrichtung (14) betreibt und oberhalb dieser Außentemperatur die mit Hilfe der Elektrodenanordnung (11, 12) ermittelten Werte rechnerisch korrigiert. 18. Sensor according to one of claims 1 to 17, characterized in that an evaluation and control device is provided which operates the heating device (14) below a predetermined outside temperature and above this outside temperature with the aid of the electrode arrangement (11, 12) determined values corrected by calculation.
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