WO2001086290A1

WO2001086290A1 - Durchflusssystem

Info

Publication number: WO2001086290A1
Application number: PCT/EP2001/005231
Authority: WO
Inventors: Meinhard Knoll
Original assignee: Meinhard Knoll
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2001-11-15
Also published as: DE10022772C1; AU5634301A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Durchflussmesssystem mit mindestens einem integrierten Chemo- und/oder Biosensorelement (8) mit einem plattenförmigen Träger (2), mindestens einem kanalförmigen, als Messkammer dienenden Hohlraum (3) und mindestens einem das Sensorelement (18) enthaltenden Containment (4), die in dem Träger angeordnet sind. Das Containment ist zur Ableitung der Messsignale kontaktierbar und weist an einem Ende eine erste, in der Plattenebene des Trägers liegende Öffnung (4.8) auf, die mit dem Hohlraum (3) in Kontakt steht. Das Containment (4) erstreckt sich von seiner ersten Öffnung (4.8) in der Plattenebene des Träger (2), wobei der Hohlraum (3) in der Plattenebene seitlich and die erste Öffnung (4.8) angrenzt.

Description

DURCHFLUSSSYSTEM

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Durchflußmeß- system mit integrierten Chemo- und/oder Biosensorelementen. Derartige DurchflußmeßSysteme werden zur Bestimmung von Stoffkonzentration in Flüssigkeiten, beispielsweise in den Bereichen der medizinischen Diagnostik, der chemischen Analytik oder der biochemischen Analytik eingesetzt.

Aus der DE 41 15 414 C2 sind Chemo- und Biosensorelemente bekannt, die mit Hilfe der Containmenttechnologie hergestellt wird, wobei in einem Träger mit einem Hohlraum stofferkennende Materialien angeordnet sind und beispielsweise mit einem elektrischen Kontakt in Verbindung stehen. Der Hohlraum, der das stofferkennende Material enthält, wird dabei als Containment bezeichnet und steht mit dem flüssigen Meßmedium in Kontakt . Aus der DE 44 08 352 C2 sind derartige Sensorelemente in Containmenttechnologie bekannt, wobei eine Integration von Durchflußkanal und Hohlraum-Containment auf einem Träger vorgesehen ist, wobei die Containments sämtlich vertikal in einem Träger eingebracht sind und somit in Plattenebene des Trägers nebeneinander und senkrecht zu dieser Plattenebene angeordnet werden. Dadurch sind die Möglichkeiten für die Realisierung unterschiedlicher Durchflußsysteme mit mehreren integrierten Chemo- und Biosensoren und mehreren Kanälen beschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, gegenüber dem oben genannten Stand der Technik ein flaches, miniaturisierbares Durchflußmeßsystem zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, auf einfache Weise durch Gestaltung des Trägers eine Vielzahl von Formen und Varianten des Containments und des Durchflußkanals in kostengünstiger und massenproduktionstauglicher Technik, mit wenigen Arbeitsschritten auch innerhalb desselben Trägers, anzuordnen.

Diese Aufgabe wird durch das DurchflußmeßSystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Durchflußmeßsystems werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Containment und als Durchflußkanal verwendetem Hohlraum in der Plattenebene des Trägers ist es möglich, auf einfache Weise durch Gestaltung des Trägers eine Vielzahl von Formen und Varianten des Containments und des Durchflußkanals auf einfache Weise zu realisieren. Diese können auch in einer Vielzahl von Anordnungen mehrerer Containments und Hohlräume innerhalb desselben Trägers angeordnet sein. Der Träger kann dabei aus mehreren Einzelplatten bestehen, die so angeordnet sind, daß sie gemeinsam das Containment und den Hohlraum in der Ebene des plat- tenför igen Trägers begrenzen. Die seitlichen Begrenzungen senkrecht zu der Plattenebene des Trägers können durch obere und untere Abdeckplatten gebildet werden. Dadurch ist eine besonders einfache Herstellung des Durchflußmeßsystems möglich. Es eignet sich daher für verschiedene Herstellungsverfahren, beispielsweise Spritzgußtechnik, Mikroprägen, Folienschneid- und Laminiertechnik sowie LIGA-Technik. Die einzelnen Elemente wie Träger, untere Abdeckplatte und obere Abdeckplatte können verklebt, verschweißt oder aufeinander auflaminiert werden. Sowohl der Träger als auch die beiden Abdeckungen können aus Kunststoff, Keramik, Glas, Silizium oder aus anderen Materialien hergestellt sein.

Die beiden Abdeckplatten sind jedoch nicht zwangsweise notwendig, die beiden Seitenbegrenzungen können auch als Teil des Trägers selbst hergestellt werden, so daß das Durchflußmeßsystem einstückig hergestellt ist. Die zur Kontaktierung des Containments und zur Ableitung der Meßsignale verwendeten elektrisch leitenden Schichten können aus Edelmetallen wie Silber, Platin oder Gold, aber auch aus Graphit oder anderen Materialien bestehen, die als elektrisch leitend in der Chemo- und Biosensorik bekannt sind. Die Aufbringung dieser Schichten kann durch Aufdampfen im Vakuum, Sputtern, Siebdruck oder elektrolytische Abscheidung erfolgen.

Das stofferkennende Material, das das Containment füllt, kann Polyvinylchlorid (PVC) oder Silikon mit Ionophoren oder ein Hydrogel mit Enzymen sein. Die Einbringung dieses Materials erfolgt beispielsweise mit einer Mikrodosiervorrichtung durch besondere Be- füllöffnung des Containments oder der Abdeckplatten.

Zur Anwendung dieses DurchflußmeßSystems mit integrierten Chemo- und Biosensorelementen wird das zu untersuchende Meßmedium in den als beispielsweise Durchflußkanal konzipierten Hohlraum eingebracht, wo es mit der Oberfläche des stofferkennenden Stoffs an der ersten Öffnung des Containments in Kontakt tritt. Abhängig vom verwendeten Meßverfahren wird beispielsweise zwischen einer elektrisch leitenden Schicht im Bereich des Containments und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht im Bereich eines zweiten Containments, das ebenfalls mit dem Meßmedium in dem Durchflußkanal in Verbindung steht, eine elektrische Spannung (potentiometrische Messung) oder ein elektrischer Strom (amperometrische Messung) gemessen.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik darin besonders vorteilhaft aus, daß eine kostengünstige Technik verwendet wird, die es erlaubt, Containments in einem Schichtaufbau so auf einen Träger mit einem Durchflußkanal zu integrieren, daß sich das Containment horizontal in derselben Schicht wie der Durchflußkanal befindet. Diese Technik bietet vielerlei Vorteile bei der Realisierung komplexer Durchflußmeßsysteme mit mehreren Kanälen und/oder mehreren Containments und ist zusätzlich massenproduktionstauglich.

Im folgenden werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosionszeichnung eines Durchflußme systems/ Fig. 2 das Durchflußmeßsystem aus Figur 1;

Fig. 3 eine Explosionszeichnung des Durchflußmeßsystems aus den Figuren 1 und 2 mit stofferkennendem Material in dem Containment;

Fig. 4 eine Explosionszeichnung eines weiteren Durchflußmeßsystems; •

Fig. 5 eine ExplosionsZeichnung eines weiteren Durchflußmeßsystems;

Fig. 6 eine Explosionszeichnung eines weiteren Durchflußmeßsystems ;

Fig. 7 eine ExplosionsZeichnung eines weiteren Durchflußmeßsystems; und

Fig. 8 eine ExplosionsZeichnung eines weiteren Durchflußmeßsystems .

Fig. 1 zeigt eine ExplosionsZeichnung eines erfin- dungsgemäßes Meßsystems, das einen Kanal- und Containmentträger 2 aufweist. Dieser Kanal- und Containmentträger setzt sich aus den Einzelteilen 2.1, 2.2 und 2.3 zusammen, wobei sich zwischen den einzelnen Teilen ein Kanal 3 und ein Containment 4 ausbilden. Das Containment 4 verjüngt sich in der Plattenebene zwischen der Außenseite des Trägers 2.2 und 2.3 zu einer kleineren Öffnung 4.8, die als aktive Containmentöffnung in Kontakt mit dem Kanal 3 steht. Der Kanal ^' 3 weist seinerseits an den zugehörigen Seiten des Trägers 2.1, 2.2 bzw. 2.3 eine Öffnung als Kanaleintritt 3.8 und an seinem anderen Ende eine Öffnung 3.9 als Kanalaustritt auf. Der Träger 2 wird von einer unteren Abdeckplatte 1 und einer oberen Abdeckplatte 5 begrenzt. Die untere Abdeckplatte 1, der Träger 2 und die obere Abdeckplatte 5 besitzen dabei Schichtdicken zwischen 10 um und einigen 1000 um. Die aktive Containmentöffnung 4.8 zum Kanal 3 hin besitzt einen Durchmesser von einigen 10 um bis einigen 1000 um. Die Breite des Kanals 3 beträgt ebenfalls zwischen einigen 10 μm und einigen 1000 μm.

Die untere Abdeckplatte 1 weist weiterhin eine Silberschicht 6 im Bereich des Containments auf, die als Elektrode dient.

Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 dargestellte Durchflußmeßsystem im zusammengebauten Zustand, wobei dieselben Elemente dieselben Bezugszeichen tragen.

Die in Fig. 2 dargestellte breitere Öffnung 4.9 dient dabei im wesentlichen zum Befüllen des Containments 4 mit einem stofferkennenden Material.

Fig. 3 zeigt das Durchflußmeßsystem aus den Figuren 1 und 2, nunmehr ist jedoch in das Containment 4 das stofferkennende Material 8 eingefüllt. Dieses erstreckt sich von der äußeren Öffnung 4.9 bis zur inneren Öffnung 4.8 des Containments 4. Das stofferkennende Material 8 besteht dabei aus einer Polyvinylchlorid-Membran mit eingelagerten Ionophoren oder einer Silikon-Membran mit eingelagerten Ionophoren. Nach Befüllen des Containments 4 mit dem stofferkennenden Material 8 kann die Öffnung 4.9 mit Hilfe ei-, nes Versiegelungsmaterials wie Silikon, Epoxidharz oder dergleichen verschlossen werden. 1-1 a d 3 9 cn M Hi M p. cn Ό s; cn rt Hi w rt φ P H M Hi P. σ CΛ P rt φ σ c Φ φ d φ rr P- \-> φ O d O d φ rt H d: • H H- o Φ d H¹ Φ P P- P- P- p: P- d d d S P Φ P H- φ f O H H H 3 o O O d tr H φ H tr Φ H¹ φ rt P H ιQ rt O: p π- -¹ Φ fv rt Ω Ω P Hi P H P. φ Φ Φ ?r W Φ tr Φ Ω

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rung 7 nach dem Befüllen des Containments 4 mit dem stofferkennenden Material mit Hilfe eines Versiegelungsmaterials wie Silikon, Epoxidharz oder dergleichen verschlossen werden kann.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Dieses entspricht dem Beispiel der Fig. 2, wobei jedoch hier zur Realisierung eines Glukosesensors lediglich ein Containment benötigt wird. Denn auf der unteren Abdeckung 1 befinden sich nunmehr zwei Elektroden β.l und 6.2, wobei die Elektrode 6.1 eine Ag/AgCl-Referenzelektrode und die Elektrode 6.2 eine Pt-Arbeitselektrode ist. Weiterhin weist die untere Abdeckung 1 eine Vertiefung auf, die den Meßkanal 3 in dem Träger verbreitert.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 entspricht. Hier ist jedoch das Containment nicht auf seine erste Öffnung 4.8 verjüngend zulaufend, sondern besitzt in der Plattenebene des Trägers 2 eine einheitliche Breite, d.h. die seitlichen, senkrecht zum kanalförmigen Hohlraum liegenden Begrenzungen des Containments sind gleichmäßig beabstandet. Weiterhin weist die untere Abdeckplatte 1 eine Kanalvertiefung 11 auf, die sich an den Kanal 3 in dem Träger 2 so anschließt, daß sie diesen quer zur Plattenebene des Trägers 2 verbreitert.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 entspricht. Allerdings erstreckt sich der Kanal 3 nicht mehr über die gesamte Breite des plattenförmigen Trägers 2, so daß der plattenförmige Träger 2 einstückig gefertigt werden kann und das Containment 4 und den Kanal 3 umschließt. Die Zufuhr und Abführung der Meßlösung in s 3 Hi 53 tr tr fr N Cfl rt tr iQ Cfl Φ P μ- P. ^1 rt tr > CΛ H ^ P F- iQ ^ N d P.

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auch, ausgehend von dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1, auf der dem Träger 2 zugewandten Seite der oberen Abdeckplatte 5 angeordnet sein.

Es ist auch möglich, Teile des Durchflußmeßsystems einstückig herzustellen. Dabei können die untere Abdeckplatte 1 und der Träger 2 bzw. die obere Abdeckplatte 5 und der Träger 2 aus einem Stück, z.B. in Spritzguß oder Mikroprägen hergestellt werden. .

Insgesamt ergibt sich damit eine hohe Variabilität der Anordnung von Durchflußmeßkanal 3 und Containment 4 in der Plattenebene des Trägers 2. Dadurch sind verschiedenste Meßanordnungen auf kostengünstige und einfache Weise realisierbar.

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4. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Abdeckplatte und/oder die untere Abdeckplatte die Seitenwände des Containments und/oder des . Hohlraumes bilden.

Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Träger zugewandten Seite der oberen Platte und/oder unteren Platte im Bereich des Containments und/oder auf einer das Containment begrenzenden Seitenwand des plattenförmigen Trägers Elektroden zur Ableitung des Meßsignals angeordnet sind.

6. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus elektrisch leitfähigen Materialien wie Graphit und/oder Edelmetallfilmen wie Platin, Gold, Silber bestehen.

Durchflußmeßsystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mittels Aufdampfen im Vakuum, Sputtern, Siebdruck und/oder elektrolytische Abscheidung aufgebracht sind.

Durchflußmeßsystem nach einem Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Platte und/oder die untere Platte im Bereich des Containments Durchführungen zum Befüllen und/oder Kontaktieren des Containments aufweisen. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Platte und/oder die untere Platte im Bereich des Hohlraums Durchführungen zum Einleiten bzw. Ableiten von Fluiden in den bzw. aus dem Hohlraum aufweisen.

10. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Platte und/oder die untere Platte im Bereich der beiden Enden des kanalförmigen Hohlraums Durchführungen zum Einleiten und/oder Ableiten von Fluiden in den bzw. aus dem Hohlraum aufweisen.

11. Durchflußmeßsystem einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Containment der ersten Öffnung gegenüberliegend eine zweite Öffnung aufweist, die zur Ableitung der Meßsignale kontaktierbar ist.

12. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Öffnung größer ist als die erste Öffnung.

13. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Containment in der Plattenebene zur ersten Öffnung hin verjüngt ist.

14. DurchflußmeßSystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Begrenzungen des Containments in der Plattenebene einheitlich beabstandet sind.

15. Durchflußmeßsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung in Form eines Verbindungskanals zwischen Containment und Hohlraum in der Plattenebene angeordnet ist.

16. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verbindungs anal in der Plattenebene zum Hohlraum hin verjüngt.

17. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Begrenzungen des Verbindungskanals einheitlich beabstandet sind.

18. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Hohlraum die ersten Öffnungen mehrerer Containments in der Ebene des plattenförmigen Trägers liegend verbunden sind.

19. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, die mit einem Hohlraum verbundenen mehreren Containments jeweils unterschiedliche stofferkennende Substanzen enthalten.

20. DurchflußmeßSystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä- ger, die obere Abdeckplatte und/oder die untere Abdeckplatte aus Kunststoff, Keramik, Glas und/oder Silizium bestehen.

21. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Containment mit einem stofferkennenden Membranmaterial gefüllt ist.

22. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stofferkennende Material Polyvinylchlorid, Silicon, gegebenenfalls mit Ionophoren, und/oder ein Hy- drogel mit Enzymen enthält.

23. Durchflußmeßsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der ersten Öffnung das stofferkennende Material die aktive Sensoroberfläche bildet.

24. Durchflußmeßsystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung des mit dem stofferkennenden Membranmaterial gefüllte Containment mit einer Verkapselungsschicht verschlossen ist.

25. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger, die obere Abdeckplatte und die untere Abdeckplatte miteinander verklebt, verschweißt und/oder laminiert sind.

26. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mit der oberen Abdeckplatte, der Träger mit der unteren Abdeckplatte oder der Träger mit der unteren und der oberen Abdeckplatte einstückig hergestellt ^' sind.

27. Durchflußmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger, die obere Abdeckplatte und die untere Abdeckplatte mittels Spritzgußtechnik, Mikroprä- gen, Folien-Schneidtechnik, La iniertechnik und/oder LIGA-Technik hergestellt sind.

28. Verwendung eines Durchflußmeßsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche für potentiometri- sche und/oder amperometrische Messungen, vorzugsweise in einer FIA-Anordnung oder in anderen Durchflußanordnungen .