WO2002093153A1 - Electrochemical flow measuring cell - Google Patents

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WO2002093153A1
WO2002093153A1 PCT/EP2002/004681 EP0204681W WO02093153A1 WO 2002093153 A1 WO2002093153 A1 WO 2002093153A1 EP 0204681 W EP0204681 W EP 0204681W WO 02093153 A1 WO02093153 A1 WO 02093153A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measuring
containment
substrate
measuring cell
chamber
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/004681
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Carlo Stefan Effenhauser
Holger Kotzan
Reinhard Kotulla
Michael Hein
Original Assignee
Roche Diagniostics Gmbh
F.Hoffman-La Roche Ag
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 Roche Diagniostics Gmbh, F.Hoffman-La Roche Ag filed Critical Roche Diagniostics Gmbh
Publication of WO2002093153A1 publication Critical patent/WO2002093153A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical flow measuring cell for performing an electrochemical or biosensor measurement on an analyte.
  • a measurement can be, for example, the acquisition, i.e. the qualitative and / or quantitative determination of an analytical parameter of the analyte, e.g. the concentration of a chemical or biochemical component of the analyte.
  • Electrochemical measuring cells comprise a measuring chamber into which an analyte to be analyzed can be introduced.
  • the measuring chamber serves as a reservoir for the analyte to be analyzed.
  • the analyte is introduced into the measuring chamber for a discontinuous or one-off measurement (so-called
  • the analyte can also be fed to the measuring chamber by transport in a transport channel.
  • the measuring chamber is referred to as a flow chamber or flow measuring chamber since the analyte is passed through the measuring chamber.
  • the analyte is supplied to the measuring chamber or flow chamber in With such a flow measuring cell, the continuous acquisition of analytical parameters is possible continuously.
  • the flow chamber is often referred to as a channel or micro-channel system.
  • Such measuring cells also include a containment, which is also referred to as the actual measuring cell. It has a substance-recognizing component, e.g. an enzyme or an ionophore, can be filled to determine an analytical parameter of the analyte and is connected to the measuring chamber.
  • substance-recognizing components are sometimes referred to as membrane material if they are membrane-bound.
  • Miniaturized measuring cells with integrated chemical and / or biosensor elements are known. They include ion-selective electrodes that contain an electroactive substance (ionophore) that determines the ion selectivity of the sensor element.
  • the electroactive substance i.e. the substance-recognizing component is often bound in the form of a membrane or a gel.
  • the areas of application of electrochemical measuring cells are very diverse.
  • Known examples are the integration into flow systems, for example flow injection analysis, and microdialysis systems for determining the glucose concentration in human tissue.
  • Containment principle is produced and works with appropriately doped polymer membranes and gel layers for substance detection.
  • the polymer membranes and gel layers are not applied as a thin layer on the surface of silicon chips, but rather as a "bulk" volume implemented in the chip. This has considerable advantages over planar structures in terms of simple manufacture and high long-term stability.
  • Such sensors in silicon technology can also be installed in prefabricated measuring cells.
  • the miniaturized chemical and biosensor known from WO 92/21020 consists of a substrate which is designed as a plate-shaped carrier in which a containment is introduced. It has an opening on each side of the carrier, the containment tapering from one side of the carrier to the other. The analyte flows directly past the smaller opening of the containment.
  • the document WO 00/62931 AI relates to a measuring cell for spot measurements.
  • the analyte is mixed with a reagent and transferred to the containment, in which an electrochemical measurement takes place.
  • the analyte is thus completely transferred into the containment or the containment is completely filled with the analyte.
  • a complete "bleeding" of the measuring cell takes place.
  • Such a measuring cell can therefore only be used once for a single measurement or has to be regenerated in a complex manner.
  • the regeneration requires a large number of process steps, namely rinsing with rinsing solutions, applying new reagent solutions, calibrating the measuring cell and additional equipment on valves, pumps, channel systems, etc., in order to carry out the regeneration with different liquids. Overall, such a regeneration is volume, time and cost consuming and does not result in the result that a continuous measurement of the analyzed analyte can be carried out.
  • the document WO 99/45382 AI relates to a distant prior art. It is not aimed at an electrochemical measuring cell, but at urine analysis test strips which are inserted into a device for the optical detection of particulate components. With such a measurement, no continuous measurement is possible, but only a one-time measurement.
  • an electrochemical flow measuring cell which works according to the containment principle and in which the flow chamber with the containment is integrated on a chip.
  • the flow chamber is connected to the containment via a small measuring opening in the containment.
  • the analyte is connected to the active sensor surface, which is wholly or partly formed by the electrodes on the walls of the containment.
  • the containment is completely penetrating the substrate; the substrate in the form of a plate-shaped carrier has opposite different sized openings between which the containment extends.
  • the smaller opening of the containment is covered by a plate.
  • Flow chamber is formed in the substrate containing the containment, in the cover plate or in both, and the analyte flows directly over the smaller opening of the containment.
  • the filled containment structure is covered with an encapsulation layer.
  • Measuring cells which comprise a substrate in which recesses for the measuring chamber, for the containment and for a measuring opening connecting the measuring chamber with the containment are formed on structured surfaces, and a cover element which is connected to the substrate on the structured substrate surface and the recesses covers the measuring chamber of the containment and the measuring opening, should meet different requirements.
  • ion-selective sensor elements which, for example, have liquid membranes or other membranes or electrochemically or biochemically relevant sensor element coatings which are manufactured, for example, from a liquid phase or are equipped with solid-state membranes
  • this has the following properties: good and long-term stable membrane adhesion, minimal depletion Ionophores or other substance-recognizing reagents (enzymes) and auxiliary reagents in the membrane, an optimal condition for contacting and encapsulation and, above all, an inexpensive and simple manufacture of the measuring cell.
  • a major disadvantage of the measuring cells according to the prior art is furthermore that the known methods, particularly when using inexpensive plastic substrates, require a relatively high production outlay and cannot optimally utilize the possibilities of microstructuring.
  • the known methods either require a separate structuring of the front and back of a substrate plate with the associated technical problems, for example due to the required protection of the already structured side, which is not easy in particular in the case of etching processes, and due to the limited accuracy of the mutual alignment of the structures on the front opposite the back.
  • a separate structuring of two different layers is required, which must then be assembled with high precision, which places considerable positioning requirements in view of the small dimensions of the functionally relevant components.
  • plastic structures are to be realized, according to the state of the art, for example an injection molding process comes into question, which, due to the shrinking of the material after the molding process, leads to problematic shape changes which affect all further geometrically precise processing steps (for example vapor deposition of metal electrodes) a mask) has a negative effect.
  • the production of small measuring openings in silicon by etching on both sides is also problematic since the size of the opening is critically influenced by the etching time, which, however, can only be adhered to with great difficulty with great difficulty.
  • the object of the invention is to create electrochemical flow-through cells which can be manufactured in a simple, inexpensive and highly precise manner while avoiding considerable adjustment problems in a geometrically varied form of containment, a continuous one
  • An electrochemical flow measuring cell for carrying out an electrochemical or biosensory measurement on an analyte thus comprises a measuring chamber which can be filled with the analyte and which is designed as a flow measuring chamber, and a containment which is connected to the measuring chamber and which has a substance recognizer Component for determining an analytical parameter of the analyte can be filled.
  • the measuring cell comprises a substrate in which recesses for the measuring chamber, for the containment and for a measuring opening connecting the measuring chamber with the containment are formed on a structured substrate surface, and a cover element which is connected to the substrate on the structured substrate surface and covers the wells of the measuring chamber, the containment and the measuring opening.
  • An electrochemical flow measuring cell has the special feature that the depressions, which form the measuring chamber, the containment and the measuring opening, are formed on the structured substrate surface and do not penetrate the substrate in the direction of its thickness, so that the cavities formed by the depressions on it are surrounded by the material of the substrate and the cross-sectional area of the measuring opening in the substrate connecting the measuring chamber to the containment is designed as a constriction, so that the depletion of the substance-recognizing component from the containment when the analyte flows through the Flow measuring chamber is reduced. It has the advantages that it can be operated continuously and over a longer period of time without the need for regeneration.
  • An electrochemical flow measuring cell has the significant advantage from the point of view of manufacturing costs and manufacturing accuracy that the containment and the measuring chamber can be manufactured in a single operation on the same side of the substrate. This significantly simplifies production and solves the problem of adjusting the measuring chamber to the measuring opening of the containment, since all of them are for the Function of the measuring cell essential recesses can either be produced jointly and in parallel in one work step or can be produced in a sequential process on the same substrate side in the case of machining microfabrication or laser ablation.
  • Plastic substrates can be used, which can be processed with laser ablation structuring, which reduces the problem of shrinkage when cooling. This enables the subsequent application of metal layers with high accuracy using mask processes to implement the required feed and discharge lines.
  • the substance-recognizing component is mechanically anchored in the containment.
  • the containment measuring cell described represents, in the electrochemical sense, a so-called half-cell which is connected to at least one further electrochemical half-cell via an ion conductor (for example the analyte solution itself, an electrolyte bridge or a solid ion conductor) in order to implement a measurable unit.
  • an ion conductor for example the analyte solution itself, an electrolyte bridge or a solid ion conductor
  • a further half cell usually referred to as a reference electrode
  • Another half cell can be produced, for example, using the same manufacturing process as a containment cell.
  • this half cell is possible by a large number of methods known in the art, such as, for example, by sputtering, vapor deposition and / or electroplating of substrate surfaces or also by introducing solid metal electrodes in the form of wires, sheets or the like.
  • the containment and the measuring chamber are realized on a common substrate, which enables a monolithic integration of chemo and biosensors into microsystems.
  • Electrochemical measuring cells according to the invention can be produced individually or preferably also in large numbers on a substrate, in which case the measuring cells can be separated after their production.
  • a measuring cell according to the invention can be part of a microfluidic system, which can also contain other system components such as pumps, reaction lines or valves, which can be produced, for example, using known microstructure technologies.
  • the measuring chamber is designed as a flow-through chamber through which the analyte can be passed.
  • the measuring cell is therefore referred to as a flow measuring cell.
  • the measuring cells can advantageously be arranged linearly or in an array.
  • the manufacturing method according to the invention allows in a simple manner to produce multi-containment arrays in which more than one containment measuring cell in linear or two-dimensional configurations on the structured side of the sub- strat material are arranged. These arrays then enable the determination of N analytical parameters from M analytes, where N and M represent integers greater than or equal to 1.
  • N and M represent integers greater than or equal to 1.
  • An example of this would be the linear arrangement of containments on a flow channel, which contains several individual flow measuring chambers, for the determination of several analytical parameters from one analyte or also for the redundant detection of an analytical parameter with several identical measuring cells.
  • the invention achieves goals that the professional community has long sought.
  • FIG. 1 shows a plan view of the structured substrate surface of a first measuring cell according to the invention
  • FIG. 2 shows a section A-A with respect to FIG
  • FIG. 3 a section B-B 'to FIG. 1 with the cover element attached, FIG.
  • FIG. 4 shows a top view of the structured substrate surface of a second measuring cell according to the invention
  • FIG. 5 shows a section AA 1 to FIG. 4 with a cover element attached.
  • FIG. 1 shows a plan view of the structured substrate surface 1 of a measuring cell 2 according to the invention.
  • the substrate 3 there are depressions for a containment 4, a Measuring chamber 5 and a measuring opening 6 connecting the containment 4 to the measuring chamber 5 are introduced.
  • the measuring chamber 5 is designed as a channel-shaped flow measuring chamber and is flowed through by an analyte to be analyzed in the flow direction shown by the arrows.
  • the measuring cell 2 is therefore a flow measuring cell, with which a continuous detection of an analytical parameter of the analyte supplied through the measuring chamber 5 to the measuring cell 2 is possible.
  • the containment 4 has a circular cross section and is filled with a substance-recognizing component 7, also referred to as membrane material.
  • a substance-recognizing component 7 also referred to as membrane material.
  • Such a measuring cell 2 can be used, for example, to determine substances such as glucose, penicillin, urea, etc. in an analyte. So that the analyte in the measuring chamber 5 can come into contact with the substance-recognizing component 7 contained in the containment 4, the measuring chamber 5 is connected to the containment 4 via a measuring opening 6.
  • the cross-sectional area of the measuring opening 6 connecting the measuring chamber 5 to the containment 4 is formed in the substrate 3 as a narrowing of the containment 4.
  • Crosspieces 8 can serve to mechanically stabilize the arrangement, as an aid when filling the containment or to further narrow the measuring opening 6.
  • the depressions in the substrate 3 are preferably manufactured by means of a micromechanical manufacturing method.
  • a micromechanical manufacturing method for this purpose, depending on the material of the substrate 3, for example photolithographic processes, laser ablation, hot stamping, injection molding or machining mechanical microfabrication such as e.g. Micro-milling.
  • the substrate 3 preferably consists of a plastic, for example of PMMA or PC, which enable inexpensive production.
  • the measuring chamber 5 which is channel-shaped in the exemplary embodiment, is arranged on the structured substrate surface 1 next to the containment 4 and the measuring chamber 5 via the measuring opening 6 which creates a connection in the direction of the structured substrate surface 1 with the Containment 4 is connected.
  • This training has particular advantages for the production of the measuring cell 2, since the required recesses are produced with high precision and in one operation can and can be covered with a cover element, which does not have to be structured, without high assembly effort to form the cavities for the containment 4, the measurement opening 6 and the measurement chamber 5.
  • the substance-recognizing component 7 can be any material known from the prior art for carrying out an electrochemical or chemo- / biosensory measurement. All immobilization materials can be used for potentiometric and in particular amperometric biosensors. Examples include gelatin, collagen, alginates, agar, cellulose, triacetate, silicone rubber, polyvinyl alcohol, polyurethane and HEMA. Photocrosslinkable materials can be crosslinked by UV radiation after filling. The active substance-recognizing components such as enzymes or antibodies are immobilized in these materials. This can be done by known methods.
  • the membrane material is contacted by electrically conductive contact surfaces 9, which are attached to the bottom of the recess of the containment 4.
  • the contact surface 9 should be chosen to be as large as possible, particularly in the case of an amperometric measurement principle.
  • the contact surface 9 is connected to the measuring electronics via an electrically conductive contact track 10.
  • the contact surfaces 9 and the contact tracks 10 can be made, for example, by applying thin metallic layers, e.g. by evaporation or
  • Sputtering are applied to the structured substrate surface 1 and / or the cover element.
  • the thickness of these layers is typically approximately 50 to 100 nm. If necessary, corresponding depressions are on to provide the structured substrate surface 1 or the cover element.
  • the electrical contact layers preferably consist of noble metal films such as platinum, gold or silver. However, other electrically conductive materials such as graphite or aluminum can also be used.
  • the electrical contact layers can be applied, for example, by known thin-film technologies, vapor deposition, sputtering, photolithographically structured films, vapor deposition or sputtering with subsequent structuring, vapor deposition or sputtering through shadow masks or using the electrospray method.
  • FIG. 2 shows a section A-A 'of the measuring cell 2 from FIG. 1 with a cover element 11 attached.
  • the cover element 11, like the substrate 3, is preferably plate-shaped. It can be structured on the side opposite the structured substrate surface 1 to form the containment 4, the measuring chamber 5 or the measuring opening 6.
  • the cover element 11 is preferably flat on the side facing the substrate 3.
  • the cover element 11 consists of a suitable material, for example one of the materials proposed above for the substrate 3.
  • the substrate 3 has depressions for the measuring chamber 5, the measuring opening 6 and the containment 4. In the example shown, these depressions are all of the same depth. However, this is not absolutely necessary and can also be designed differently using suitable microstructuring methods, for example in order to achieve an additional cross-sectional constriction in the area of the measuring opening 6 due to a smaller depth.
  • the wells, which . the measuring chamber 5, the containment 4 and the measuring opening form 6 are on the structured substrate surface
  • the membrane material is held securely in the containment 4 and the measurement cell 2 can be produced easily and with high precision.
  • the walls of the depressions are approximately perpendicular to the structured substrate surface 1.
  • the resulting flank angle depends on the manufacturing process used and is preferably between 85 ° and 95 °. However, it can, without affecting the functionality of the measuring cell
  • the cover element 11 is connected to the substrate 3, as a result of which the depressions in the substrate 3 are covered to form cavities.
  • a cover member 11 made of plastic film can be made by a number of known methods such as e.g. thermal lamination, laser welding, gluing, microwave or ultrasonic welding can be connected to the substrate 3.
  • the substance-recognizing constituent 7 can be introduced into the containment 4 before or after the covering element 11 has been applied to the substrate 3. For this purpose, to provide a filling opening in the substrate 3 or the cover element 11.
  • a polymer membrane, a liquid membrane or other relevant membrane materials eg hydrogel
  • containment 4 It is also possible to use a single filling chamber to fill several capillary connecting channels branching off from it to form several containments 4 on a substrate 3. Another possible filling of containment 4 is e.g. the use of an automatic dispensing device based on the inkjet principle.
  • Typical dimensions of a measuring cell according to the invention are as follows: thickness of the substrate approx. 10 ⁇ m to 10 mm, transverse dimensions in the direction of the structured substrate surface 3 approx. 1 mm to 5 cm, depth of the containment 4 approx. 10 ⁇ m to 1 mm and diameter of the containment 4 approx. 10 ⁇ m to 10 mm.
  • FIG. 3 shows a section BB * corresponding to FIG. 2 corresponding to FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a measuring cell 2 which differs from the measuring cell shown in FIG. 1 by a different shape of the containment 4.
  • the shape of the containment 4 can be adapted as required to the respective requirements; for example, the recess of the containment 4 can have a circular, triangular or rectangular cross section.
  • the requirements of the membrane material with the substance-recognizing component 7 and the detection technology, the requirements with regard to the measuring chamber 5 and in particular the requirements with regard to a measuring opening 6 forming a constriction can be taken into account.
  • the containment 4 may taper continuously or discontinuously, in the form of a channel, in sections or in any other manner towards the measuring opening 6.
  • FIG. 5 shows a section AA ′ to FIG. 4 with a cover element 11; in this respect it corresponds to FIG. 3.

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Abstract

The aim of the invention is to easily and economically produce an electrochemical measuring cell (2) for conducting electrochemical or biosensory measurements on analytes. To this end, the invention provides that recesses for a measuring chamber (5), a measuring opening (6), and a containment (4) that contains the substance-identifying constituent (7) are made in a substrate (3) and are covered by a covering element (11). The cavities formed by the recesses are enclosed, on their side facing away from the covering element (11), by the material of the substrate (3). A depletion of the substance-identifying constituent (7) is counteracted by a narrowing of the measuring opening (6).

Description

Elektrochemische Durchflußmeßzelle Electrochemical flow measuring cell
Anmelder: Röche Diagnostics GmbH 68298 Mannheim, DE und F.Hoffmann-La Röche AG 4070 Basel, CHApplicants: Röche Diagnostics GmbH 68298 Mannheim, DE and F.Hoffmann-La Röche AG 4070 Basel, CH
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Durchflußmeßzelle zum- Durchführen einer elektrochemischen oder biosensorischen Messung an einem Analyten. Eine solche Messung kann beispielsweise das Erfassen, d.h. das qua- litative und/oder quantitative Bestimmen eines analytischen Parameters des Analyten, z.B. der Konzentration eines chemischen oder biochemischen Bestandteils des Analyten sein.The invention relates to an electrochemical flow measuring cell for performing an electrochemical or biosensor measurement on an analyte. Such a measurement can be, for example, the acquisition, i.e. the qualitative and / or quantitative determination of an analytical parameter of the analyte, e.g. the concentration of a chemical or biochemical component of the analyte.
Elektrochemische Meßzellen umfassen eine Meßkammer, in die ein zu analysierender Analyt eingebracht werden kann. Die Meßkammer dient als Reservoir für den zu analysierenden Analyten. In manchen Fällen wird der Analyt für eine diskontinuierliche oder eine einmal durchzuführende Messung in die Meßkammer eingebracht (sogenannteElectrochemical measuring cells comprise a measuring chamber into which an analyte to be analyzed can be introduced. The measuring chamber serves as a reservoir for the analyte to be analyzed. In some cases, the analyte is introduced into the measuring chamber for a discontinuous or one-off measurement (so-called
"Spotmessung") . Der Analyt kann der Meßkammer aber auch durch Transport in einem Transportkanal zugeführt werden. Im letzten Fall wird die Meßkammer als Durchflußkammer oder Durchflußmeßkammer bezeichnet, da der Analyt durch die Meßkammer hindurchgeleitet wird. Erfolgt das Zuführen des Analyten zu der Meßkammer bzw. Durchflußkammer in kontinuierlicher Weise ist mit einer solchen Durchflußmeßzelle die kontinuierliche Erfassung von analytischen Parametern möglich. Die Durchflußkammer wird- oft auch als Kanal oder MikrokanalSystem bezeichnet."Spot measurement"). The analyte can also be fed to the measuring chamber by transport in a transport channel. In the latter case, the measuring chamber is referred to as a flow chamber or flow measuring chamber since the analyte is passed through the measuring chamber. The analyte is supplied to the measuring chamber or flow chamber in With such a flow measuring cell, the continuous acquisition of analytical parameters is possible continuously. The flow chamber is often referred to as a channel or micro-channel system.
Ferner umfassen derartige Meßzellen ein Containment, das auch als eigentliche Meßzelle bezeichnet wird. Es ist mit einem stofferkennenden Bestandteil, z.B. einem Enzym oder einem Ionophor, zum Bestimmen eines analytischen Parame- ters des Analyten befullbar und steht mit der Meßkammer in Verbindung. Derartige Stofferkennende Bestandteile werden gelegentlich auch als Membranmaterial bezeichnet, wenn sie membrangebunden sind.Such measuring cells also include a containment, which is also referred to as the actual measuring cell. It has a substance-recognizing component, e.g. an enzyme or an ionophore, can be filled to determine an analytical parameter of the analyte and is connected to the measuring chamber. Such substance-recognizing components are sometimes referred to as membrane material if they are membrane-bound.
Miniaturisierte Meßzellen mit integrierten Chemo- und/ oder Biosensorelementen sind bekannt. Sie umfassen ionenselektive Elektroden, die eine elektroaktive Substanz (Ionophor) enthalten, welche die Ionenselektivität des Sensorelements bestimmt. Die elektroaktive Substanz, d.h. der stofferkennende Bestandteil, ist oft gebunden in Form einer Membran oder eines Gels.Miniaturized measuring cells with integrated chemical and / or biosensor elements are known. They include ion-selective electrodes that contain an electroactive substance (ionophore) that determines the ion selectivity of the sensor element. The electroactive substance, i.e. the substance-recognizing component is often bound in the form of a membrane or a gel.
Die Einsatzbereiche elektrochemischer Meßzellen sind sehr vielfältig. Bekannte Beispiele sind die Integration in Durchflußsysteme, beispielsweise die Fließinjektionsanalyse, und Mikrodialysesyste e zur Bestimmung der Glukosekonzentration in menschlichem Gewebe.The areas of application of electrochemical measuring cells are very diverse. Known examples are the integration into flow systems, for example flow injection analysis, and microdialysis systems for determining the glucose concentration in human tissue.
Aus dem Dokument WO 92/21020 ist eine elektrochemische Meßzelle bekannt, die in Siliziumtechnologie nach demFrom document WO 92/21020 an electrochemical measuring cell is known which is based on silicon technology
Containment-Prinzip hergestellt ist und mit entsprechend dotierten Polymermembranen und Gelschichteh zur Stofferkennung arbeitet . Hierbei werden die Polymermembranen und Gelschichten nicht als dünne Schicht auf der Oberfläche von Siliziumchips aufgebracht, sondern als "Bulk" -Volumen im Chip realisiert. Dies hat gegenüber planaren Strukturen erhebliche Vorteile hinsichtlich einer einfachen Herstellung und einer hohen Langzeitstabilität. Derartige Sensoren in Siliziumtechnologie lassen sich auch in vor- gefertigte Meßzellen einbauen.Containment principle is produced and works with appropriately doped polymer membranes and gel layers for substance detection. The polymer membranes and gel layers are not applied as a thin layer on the surface of silicon chips, but rather as a "bulk" volume implemented in the chip. This has considerable advantages over planar structures in terms of simple manufacture and high long-term stability. Such sensors in silicon technology can also be installed in prefabricated measuring cells.
Der aus der WO 92/21020 bekannte miniaturisierte Chemo- und Biosensor besteht aus einem Substrat, das als plat- tenförmiger Träger ausgebildet ist, in dem ein Contain- ment eingebracht ist. Es besitzt auf beiden Seiten des Trägers je eine Öffnung, wobei sich das Containment von der einen Seite des Trägers zur anderen verjüngt. Der Analyt fließt unmittelbar an der kleineren Öffnung des Containments vorbei.The miniaturized chemical and biosensor known from WO 92/21020 consists of a substrate which is designed as a plate-shaped carrier in which a containment is introduced. It has an opening on each side of the carrier, the containment tapering from one side of the carrier to the other. The analyte flows directly past the smaller opening of the containment.
Das Dokument WO 00/62931 AI bezieht sich auf eine Meßzelle für Spotmessungen. Bei dieser wird der Analyt mit einem Reagenz gemischt und in das Containment überführt, in dem eine elektrochemische Messung stattfindet. D.er Analyt wird also vollständig in das Containment überführt bzw. das Containment vollständig mit dem Analyten gefüllt. Dabei findet ein vollständiges "Ausbluten" der Meßzelle statt. Eine solche Meßzelle kann daher entweder nur einmal für eine Einzelmessung verwendet werden oder muß aufwendig regeneriert werden.The document WO 00/62931 AI relates to a measuring cell for spot measurements. In this, the analyte is mixed with a reagent and transferred to the containment, in which an electrochemical measurement takes place. The analyte is thus completely transferred into the containment or the containment is completely filled with the analyte. A complete "bleeding" of the measuring cell takes place. Such a measuring cell can therefore only be used once for a single measurement or has to be regenerated in a complex manner.
Das Regenerieren erfordert eine Vielzahl von Prozeßschritten, nämlich das Spülen mit Spüllösungen, das Applizieren von neuen Reagenzlösungen, eine Kalibration der Meßzelle und einen zusätzlichen apparativen Aufwand an Ventilen, Pumpen, Kanalsystemen usw. , um das Regenerieren mit verschiedenen Flüssigkeiten durchzuführen. Insgesamt ist eine solche Regenerierung volumen- , zeit- und kostenaufwendig und führt im Ergebnis nicht dazu, daß eine kontinuierliche Messung des analysierten Analyten durchführbar ist .The regeneration requires a large number of process steps, namely rinsing with rinsing solutions, applying new reagent solutions, calibrating the measuring cell and additional equipment on valves, pumps, channel systems, etc., in order to carry out the regeneration with different liquids. Overall, such a regeneration is volume, time and cost consuming and does not result in the result that a continuous measurement of the analyzed analyte can be carried out.
Das Dokument WO 99/45382 AI bezieht sich auf einen weit entfernten Stand der Technik. Es richtet sich nicht auf eine elektrochemische Meßzelle, sondern auf Urinanalyse- Teststreifen, die zur optischen Detektion von partikulären Bestandteilen in eine Vorrichtung eingelegt werden. Mit einer solchen ist keine kontinuierliche Messung mδg- lieh, sondern nur eine Einmal-Messung.The document WO 99/45382 AI relates to a distant prior art. It is not aimed at an electrochemical measuring cell, but at urine analysis test strips which are inserted into a device for the optical detection of particulate components. With such a measurement, no continuous measurement is possible, but only a one-time measurement.
An Durchflußmeßzellen werden andere Anforderungen als an Systeme für einen einmaligen Gebrauch gestellt, da sie ohne Regeneration kontinuierlich über einen längeren Zeitraum verwendbar sein sollen. Ferner wird bei Durchflußmeßzellen das Containment nicht von dem Analyten durchströmt, sondern die Flüssigkeit strömt in der Durchflußmeßkammer lediglich an der Meßδffnung zu dem Containment vorbei, wobei eine geringe Menge des Analyten oder einzelne Bestandteile durch Diffusions- oder andere Effekte in das Containment gelangen.Different requirements are placed on flow measuring cells than on systems for single use, since they should be able to be used continuously over a longer period of time without regeneration. Furthermore, in the case of flow measuring cells, the containment is not flowed through by the analyte, but the liquid in the flow measuring chamber only flows past the measurement opening to the containment, a small amount of the analyte or individual components getting into the containment due to diffusion or other effects.
Aus dem Dokument EP 0750744 Bl ist eine elektrochemische Durchlußmeßzelle bekannt, die nach dem Containmentprinzip arbeitet und bei der die Durchflußkammer mit dem Containment auf einen Chip integriert ist. Die Durchflußkammer steht über eine kleine Meßδffnung in dem Containment mit dem Containment in Verbindung. Durch die Meßöffnung steht der Analyt in Verbindung mit der aktiven Sensoroberflä- ehe, die ganz oder teilweise von den Elektroden an den Wänden des Containments gebildet wird. Das Containment ist auch bei dieser Ausführungsform das Substrat vollständig durchdringend ausgebildet; das als plattenfδrmi- ger Träger ausgebildete Substrat weist auf gegenüberlie- genden Seiten unterschiedlich große Öffnungen auf, zwischen denen sich das Containment erstreckt.From document EP 0750744 B1 an electrochemical flow measuring cell is known which works according to the containment principle and in which the flow chamber with the containment is integrated on a chip. The flow chamber is connected to the containment via a small measuring opening in the containment. Through the measuring opening, the analyte is connected to the active sensor surface, which is wholly or partly formed by the electrodes on the walls of the containment. In this embodiment too, the containment is completely penetrating the substrate; the substrate in the form of a plate-shaped carrier has opposite different sized openings between which the containment extends.
Bei der bekannten Ausführungsform wird die kleinere Öff- nung des Containment von einer Platte abgedeckt. DieIn the known embodiment, the smaller opening of the containment is covered by a plate. The
Durchflußkammer ist in dem das Containment enthaltenden Substrat, in der Abdeckplatte oder in beiden ausgebildet und der Analyt fließt unmittelbar über der kleineren Öffnung des Containments vorbei . Auf der der Meßöffnung gegenüberliegenden Seite mit der großen Öffnung ist die gefüllte ContainmentStruktur mit einer Verkapselungs- schicht abgedeckt .Flow chamber is formed in the substrate containing the containment, in the cover plate or in both, and the analyte flows directly over the smaller opening of the containment. On the side with the large opening opposite the measurement opening, the filled containment structure is covered with an encapsulation layer.
Meßzellen, die ein Substrat, in dem auf strukturierten Flächen Vertiefungen für die Meßkammer, für das Containment und für eine die Meßkammer mit dem Containment verbindende Meßöffnung ausgebildet sind, und ein Abdeckelement umfassen, das auf der strukturierten Substratfläche mit dem Substrat verbunden ist und die Vertiefungen der Meßkammer des Containment und der Meßöffnung abdeckt, sollen verschiedenen Anforderungen genügen. Hierzu rechnen bei ionenselektiven Sensorelementen, die beispielsweise mit Flüssigmembranen oder mit anderen Membranen bzw. elektrochemisch oder biochemisch relevanten Sensor- elementbeschichtungen, die beispielsweise aus flüssiger Phase hergestellt werden oder mit Festkörpermembranen ausgestattet sind, folgende Eigenschaften: eine gute und langzeitstabile Membranhaftung, eine minimale Verarmung an Ionophoren oder sonstigen stofferkennenden Reagenzien (Enzymen) und Hilfsreagenzien in der Membran, eine optimale Bedingung für die Kontaktierung und Verkapselung und vor allem auch eine kostengünstige und einfache Herstellung der Meßzelle. Weiterhin ist es wünschenswert, die Geometrie des Containment in einfacher Weise den Anforde- rungen entsprechend gestalten zu können. Diese Anforderungen werden von den bekannten Meßzellen nur eingeschränkt gelöst. Die Anforderung hinsichtlich der minimalen Ionophorverarmung durch Realisierung eines niedrigen Verhältnisses von aktiver Membranoberfläche zu Membranvolumen, das einen Depoteffekt und somit eine Minimierung der Ionophorverarmung in der Membran zur Folge hat, wird relativ gut gelöst. Allerdings erfordert die mikromechanische Verankerung der Membran nach dem Stand der Technik einen V-förmig ausgebildeten Graben in einem Substrat, der zusätzlich durch eine Abdeckschicht abgedeckt werden muß. Dadurch wird der Gestaltungsfreiheit betreffend die geometrische Form des Containment eine für praktische Zwecke bedeutsame Beschränkung aufer- legt.Measuring cells which comprise a substrate in which recesses for the measuring chamber, for the containment and for a measuring opening connecting the measuring chamber with the containment are formed on structured surfaces, and a cover element which is connected to the substrate on the structured substrate surface and the recesses covers the measuring chamber of the containment and the measuring opening, should meet different requirements. In the case of ion-selective sensor elements which, for example, have liquid membranes or other membranes or electrochemically or biochemically relevant sensor element coatings which are manufactured, for example, from a liquid phase or are equipped with solid-state membranes, this has the following properties: good and long-term stable membrane adhesion, minimal depletion Ionophores or other substance-recognizing reagents (enzymes) and auxiliary reagents in the membrane, an optimal condition for contacting and encapsulation and, above all, an inexpensive and simple manufacture of the measuring cell. Furthermore, it is desirable to be able to design the containment geometry in a simple manner in accordance with the requirements. These requirements are only met to a limited extent by the known measuring cells. The requirement regarding minimal ionophore depletion by realizing a low ratio of active membrane surface to membrane volume, which has a depot effect and thus a minimization of ionophore depletion in the membrane, is solved relatively well. However, the micromechanical anchoring of the membrane according to the prior art requires a V-shaped trench in a substrate, which must also be covered by a cover layer. As a result, the freedom of design regarding the geometric shape of the containment is imposed a restriction that is important for practical purposes.
Ein wesentlicher Nachteil der Meßzellen nach dem Stand der Technik besteht ferner darin, daß die bekannten Verfahren insbesondere beim Einsatz von kostengünstigen KunststoffSubstraten einen relativ hohen Fertigungsauf- wand erfordern und die Möglichkeiten der Mikrostrukturie- rung nicht optimal ausnutzen können. Die bekannten Verfahren erfordern entweder eine getrennte Strukturierung von Vorder- und Rückseite einer Substratplatte mit den damit verbundenen technischen Problemen, z.B. durch den erforderlichen Schutz der bereits strukturierten Seite, was insbesondere bei Ätzverfahren nicht einfach ist, und durch die begrenzte Genauigkeit der gegenseitigen Ausrichtung der Strukturen auf der Vorderseite gegenüber der Rückseite. In anderen Fällen ist eine getrennte Strukturierung von zwei unterschiedlichen Schichten erforderlich, die dann hochgenau zusammengefügt werden müssen, was im Hinblick auf die geringen Abmessungen der funktionsrelevanten Komponenten erhebliche Positionierungsan- forderungen stellt . Sofern KunststoffStrukturen realisiert werden sollen, kommt nach dem Stand der Technik, z.B. ein Spritzgußverfahren in Frage, was aufgrund des Schrumpfens des Mate- rials nach dem Gießprozeß zu problematischen Formveränderungen führt, die sich auf alle geometrisch hochpräzise auszuführenden weiteren Bearbeitungsschritte (z.B. Aufdampfen von Metallelektroden durch eine Maske) negativ auswirkt . Die Herstellung von kleinen Meßöffnungen in Silizium durch beidseitiges Ätzen ist ebenfalls problematisch, da die Größe der Öffnung kritisch durch die Ätzzeit beeinflußt wird, die jedoch nur schwierig sehr genau eingehalten werden kann.A major disadvantage of the measuring cells according to the prior art is furthermore that the known methods, particularly when using inexpensive plastic substrates, require a relatively high production outlay and cannot optimally utilize the possibilities of microstructuring. The known methods either require a separate structuring of the front and back of a substrate plate with the associated technical problems, for example due to the required protection of the already structured side, which is not easy in particular in the case of etching processes, and due to the limited accuracy of the mutual alignment of the structures on the front opposite the back. In other cases, a separate structuring of two different layers is required, which must then be assembled with high precision, which places considerable positioning requirements in view of the small dimensions of the functionally relevant components. If plastic structures are to be realized, according to the state of the art, for example an injection molding process comes into question, which, due to the shrinking of the material after the molding process, leads to problematic shape changes which affect all further geometrically precise processing steps (for example vapor deposition of metal electrodes) a mask) has a negative effect. The production of small measuring openings in silicon by etching on both sides is also problematic since the size of the opening is critically influenced by the etching time, which, however, can only be adhered to with great difficulty with great difficulty.
Der Erfindung liegt unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, elektrochemische Durchflußmeßzellen zu schaffen, die einfach, kostengünstig und unter Vermeidung erheblicher Justageprobleme in geometrisch mannigfaltiger Form des Containments hochprä- zise hergestellt werden können, eine kontinuierlicheTaking this state of the art into consideration, the object of the invention is to create electrochemical flow-through cells which can be manufactured in a simple, inexpensive and highly precise manner while avoiding considerable adjustment problems in a geometrically varied form of containment, a continuous one
Messung ermöglichen und bei denen die Reagenzien aus dem Membranmaterial nicht schnell "ausbluten" .Enable measurement and where the reagents do not "bleed out" from the membrane material quickly.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektroche- mische Durchflußmeßzelle mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, 2 bis 17..This object is achieved according to the invention by an electrochemical flow measuring cell with the features of appended claim 1. Preferred refinements and developments of the invention result from claims 2 to 17.
Eine erfindungsgemäße elektrochemische Durchflußmeßzelle zum Durchführen einer elektrochemischen oder biosensori- schen Messung an einem Analyten umfaßt also eine mit dem Analyten befüllbare Meßkammer, die als Durchflußmeßkammer ausgebildet- ist, und ein mit der Meßkammer in Verbindung stehendes Containment, das mit einem Stofferkennenden Bestandteil zum Bestimmen eines analytischen Parameters des Analyten befullbar ist. Dabei umfaßt die Meßzelle ein Substrat, in dem auf einer strukturierten Substratfläche Vertiefungen für die Meßkammer, für das Containment und für eine die Meßkammer mit den Containment verbindende Meßöffnung, ausgebildet sind, und ein Abdeckelement, das auf der strukturierten Substratfläche mit dem Substrat verbunden ist und die Vertiefungen der Meßkammer, des Containment und der Meßöffnung abdeckt .An electrochemical flow measuring cell according to the invention for carrying out an electrochemical or biosensory measurement on an analyte thus comprises a measuring chamber which can be filled with the analyte and which is designed as a flow measuring chamber, and a containment which is connected to the measuring chamber and which has a substance recognizer Component for determining an analytical parameter of the analyte can be filled. The measuring cell comprises a substrate in which recesses for the measuring chamber, for the containment and for a measuring opening connecting the measuring chamber with the containment are formed on a structured substrate surface, and a cover element which is connected to the substrate on the structured substrate surface and covers the wells of the measuring chamber, the containment and the measuring opening.
Eine erfindungsgemäße elektrochemische Durchflußmeßzelle weist die Besonderheit auf, daß die Vertiefungen, welche die Meßkammer, das Containment und die Meßöffnung bilden, auf der strukturierten Substratfläche ausgebildet sind und das Substrat nicht in Richtung seiner Dicke durchdringen, so daß die von den Vertiefungen gebildeten Hohlräume auf ihrer von dem Abdeckelement abgewandten Seite von dem Material des Substrats umschlossen werden, und die Querschnittsfläche der die Meßkammer mit dem Con- tainment verbindenden Meßöffnung in dem Substrat als Verengung ausgebildet ist, so daß das Verarmen des stofferkennenden Bestandteils aus dem Containment beim Fließen des Analyten durch die Durchflußmeßkammer reduziert ist. Sie weist als die Vorteile auf, daß sie kontinuierlich und über einen längeren Zeitraum betrieben werden kann, ohne daß eine .Regeneration erforderlich ist.An electrochemical flow measuring cell according to the invention has the special feature that the depressions, which form the measuring chamber, the containment and the measuring opening, are formed on the structured substrate surface and do not penetrate the substrate in the direction of its thickness, so that the cavities formed by the depressions on it are surrounded by the material of the substrate and the cross-sectional area of the measuring opening in the substrate connecting the measuring chamber to the containment is designed as a constriction, so that the depletion of the substance-recognizing component from the containment when the analyte flows through the Flow measuring chamber is reduced. It has the advantages that it can be operated continuously and over a longer period of time without the need for regeneration.
Eine erfindungsgemäße elektrochemische Durchflußmeßzelle hat den unter dem Gesichtspunkt der Fertigungskosten und der Fertigungsgenauigkeit bedeutsamen Vorteil, daß das Containment und die Meßkammer in einem einzigen Arbeits- gang auf der selben Substratseite hergestellt werden können. Dadurch wird die Herstellung wesentlich erleichtert und das Problem der Justierung von Meßkammer zur Meßöffnung des Containment gelöst, da sämtliche für die Funktion der Meßzelle wesentlichen Vertiefungen entweder in einem Arbeitsgang gemeinsam und parallel hergestellt werden oder im Falle einer spanenden Mikrofertigung oder der Laserablation in einem sequentiellen Vorgang auf derselben Substratseite erzeugt werden können.An electrochemical flow measuring cell according to the invention has the significant advantage from the point of view of manufacturing costs and manufacturing accuracy that the containment and the measuring chamber can be manufactured in a single operation on the same side of the substrate. This significantly simplifies production and solves the problem of adjusting the measuring chamber to the measuring opening of the containment, since all of them are for the Function of the measuring cell essential recesses can either be produced jointly and in parallel in one work step or can be produced in a sequential process on the same substrate side in the case of machining microfabrication or laser ablation.
Dabei ist das Erzeugen einer geometrisch wohl definierten Verbindung des Containment zur Meßkammer sehr einfach und mit hoher Präzision möglich. Der geometrischen Gestaltung der Form des Containment und der Meßöffnung sind kaumThe creation of a geometrically well-defined connection of the containment to the measuring chamber is very easy and with high precision. The geometric design of the shape of the containment and the measuring opening are hardly
Grenzen gesetzt, so daß diese Parameter den Erfordernissen des Detektionssystems, beispielsweise unter Berücksichtigung der Signalantwortfunktion oder Signalintensität angepaßt werden. Es können KunststoffSubstrate ver- wendet werden, die mit Laserablationsstrukturierung bearbeitet werden können, wodurch das Problem des Schrumpfens beim Abkühlen reduziert ist. Dies ermöglicht das anschließende Aufbringen von Metallschichten mit hoher Genauigkeit mit Maskenverfahren zur Realisierung der erforderlichen Zu- und Ableitungen. Der Stofferkennende Bestandteil ist in dem Containment mechanisch verankert.Limits are set so that these parameters are adapted to the requirements of the detection system, for example taking into account the signal response function or signal intensity. Plastic substrates can be used, which can be processed with laser ablation structuring, which reduces the problem of shrinkage when cooling. This enables the subsequent application of metal layers with high accuracy using mask processes to implement the required feed and discharge lines. The substance-recognizing component is mechanically anchored in the containment.
Die beschriebene Containment-Meßzelle stellt im elektrochemischen Sinne eine sogenannte Halbzelle dar, die zur Realisierung einer meßfähigen Einheit mit mindestens einer weiteren elektrochemischen Halbzelle über einen Ionenleiter (z.B.. die Analytlδsung selbst, eine Elektrolytbrücke oder einen Festkörperionenleiter) verbunden wird. Im Stand der Technik ist es bekannt, daß zur Ver- besserung der Funktionalität, insbesondere bei amperome- trischen Messungen, die Verwendung einer weiteren, üblicherweise als Referenzelektrode bezeichneten Halbzelle erforderlich sein kann. Eine weitere Halbzelle kann beispielsweise unter Verwendung des gleichen Fertigungsver- fahrens als Containment-Zelle hergestellt werden. Ferner ist die Herstellung dieser Halbzelle durch eine Vielzahl nach dem Stand der Technik bekannter Verfahren möglich, wie beispielsweise durch Sputtern, Bedampfen, und/oder Galvanisieren von Substratoberflächen oder auch durch Einbringen von massiven Metallelektroden in Form von Drähten, Blechen oder ähnlichem.The containment measuring cell described represents, in the electrochemical sense, a so-called half-cell which is connected to at least one further electrochemical half-cell via an ion conductor (for example the analyte solution itself, an electrolyte bridge or a solid ion conductor) in order to implement a measurable unit. It is known in the prior art that, in order to improve the functionality, in particular in the case of amperometric measurements, the use of a further half cell, usually referred to as a reference electrode, may be necessary. Another half cell can be produced, for example, using the same manufacturing process as a containment cell. Further the production of this half cell is possible by a large number of methods known in the art, such as, for example, by sputtering, vapor deposition and / or electroplating of substrate surfaces or also by introducing solid metal electrodes in the form of wires, sheets or the like.
Bei der erfindungsgemäßen Meßzelle sind das Containment und die Meßkammer auf einem gemeinsamen Substrat reali- siert, womit eine monolithische Integration von Chemo- und Biosensoren in Mikrosysteme ermöglicht wird. Hierbei können die bekannten Vorteile der Mikrostrukturtechnik hinsichtlich der Massenproduktion, der Zuverlässigkeit und der Miniaturisierung genutzt werden. Erfindungsgemäße elektrochemische Meßzellen können einzeln oder vorzugsweise auch in einer großen Anzahl auf einem Substrat hergestellt werden, wobei in letzterem Fall die Meßzellen nach ihrer Herstellung vereinzelt werden können. Ferner kann eine erfindungsgemäße Meßzelle Bestandteil eines mikrofluidischen Systems sein, das auch andere Systemkomponenten wie Pumpen, Reaktionsstrecken oder Ventile, die beispielsweise mit bekannten Mikrostrukturtechnologien hergestellt sein können, enthalten kann.In the measuring cell according to the invention, the containment and the measuring chamber are realized on a common substrate, which enables a monolithic integration of chemo and biosensors into microsystems. The known advantages of microstructure technology with regard to mass production, reliability and miniaturization can be used here. Electrochemical measuring cells according to the invention can be produced individually or preferably also in large numbers on a substrate, in which case the measuring cells can be separated after their production. Furthermore, a measuring cell according to the invention can be part of a microfluidic system, which can also contain other system components such as pumps, reaction lines or valves, which can be produced, for example, using known microstructure technologies.
Nach' einem erfindungsgemäßen Merkmal ist vorgesehen, daß die Meßkammer als Durchflußkammer ausgebildet ist, durch die der Analyt hindurchgeleitet werden kann. Die Meßzelle wird daher als Durchflußmeßzelle bezeichnet.According to a feature according to the invention, it is provided that the measuring chamber is designed as a flow-through chamber through which the analyte can be passed. The measuring cell is therefore referred to as a flow measuring cell.
Die Meßzellen können vorteilhafterweise linear oder in einem Array angeordnet werden. Das erfindungsgemäße Fer- tigungsverfahren erlaubt auf einfache Weise, Multi-Con- tainment-Arrays herzustellen, bei denen mehr als eine Containment-Meßzelle in linearen oder zweidi ensionalen Konfigurationen auf der strukturierten Seite des Sub- stratmaterials angeordnet sind. Diese Arrays ermöglichen dann die Bestimmung von N analytischen Parametern aus M Analyten, wobei N und M ganze Zahlen größer gleich 1 darstellen. Ein Beispiel hierfür wäre die lineare Anordnung von Containments an einem Durchflußkanal, der mehrere individuelle Durchflußmeßkammern beinhaltet, zur Bestimmung von mehreren analytischen Parametern aus einem Analyten oder auch zur redundanten Erfassung eines analytischen Parameters mit mehreren identischen Meßzellen.The measuring cells can advantageously be arranged linearly or in an array. The manufacturing method according to the invention allows in a simple manner to produce multi-containment arrays in which more than one containment measuring cell in linear or two-dimensional configurations on the structured side of the sub- strat material are arranged. These arrays then enable the determination of N analytical parameters from M analytes, where N and M represent integers greater than or equal to 1. An example of this would be the linear arrangement of containments on a flow channel, which contains several individual flow measuring chambers, for the determination of several analytical parameters from one analyte or also for the redundant detection of an analytical parameter with several identical measuring cells.
Mit der Erfindung werden Ziele erreicht, um die Fachwelt sich schon lange bemüht hat .The invention achieves goals that the professional community has long sought.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dar- gestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments illustrated in the figures. The special features described therein can be used individually or in combination with one another to create preferred embodiments of the invention. Show it:
Fig. 1 eine Aufsicht auf die strukturierte Substrat- fläche einer ersten erfindungsgemäßen Meßzelle,' Fig. 2 einen Schnitt A-A' zu Fig. 1 mit aufgesetztem1 shows a plan view of the structured substrate surface of a first measuring cell according to the invention, FIG. 2 shows a section A-A with respect to FIG
Abdeckelement , Fig. 3 einen Schnitt B-B' zu Fig. 1 mit aufgesetztem Abdeckelement,3, a section B-B 'to FIG. 1 with the cover element attached, FIG.
Fig. 4 eine Aufsicht auf die strukturierte Substrat- fläche einer zweiten erfindungsgemäßen Meßzelle und Fig. 5 einen Schnitt A-A1 zu Fig. 4 mit aufgesetztem Abdecke1ement .4 shows a top view of the structured substrate surface of a second measuring cell according to the invention, and FIG. 5 shows a section AA 1 to FIG. 4 with a cover element attached.
Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf die strukturierte Substratfläche 1 einer erfindungsgemäßen Meßzelle 2. In das Substrat 3 sind Vertiefungen für eine Containment 4, eine Meßkammer 5 und eine das Containment 4 mit der Meßkammer 5 verbindende Meßöffnung 6 eingebracht.1 shows a plan view of the structured substrate surface 1 of a measuring cell 2 according to the invention. In the substrate 3 there are depressions for a containment 4, a Measuring chamber 5 and a measuring opening 6 connecting the containment 4 to the measuring chamber 5 are introduced.
Die Meßkammer 5 ist als kanalförmige Durchflußmeßkammer ausgebildet und wird von einem zu analysierenden Analyten in der durch die Pfeile dargestellten Strömungsrichtung durchflössen. Die Meßzelle 2 ist in diesem Beispiel also eine Durchflußmeßzelle, mit der eine kontinuierliche Erfassung eine analytischen Parameters des durch die Meß- kammer 5 der Meßzelle 2 zugeführten Analyten möglich ist.The measuring chamber 5 is designed as a channel-shaped flow measuring chamber and is flowed through by an analyte to be analyzed in the flow direction shown by the arrows. In this example, the measuring cell 2 is therefore a flow measuring cell, with which a continuous detection of an analytical parameter of the analyte supplied through the measuring chamber 5 to the measuring cell 2 is possible.
Das Containment 4 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf und ist mit einem auch als Membranmaterial bezeichneten stofferkennenden Bestandteil 7 gefüllt . Mit einer solchen Meßzelle 2 lassen sich beispielsweise Stoffe wie Glucose, Penizillin, Harnstoff usw. in einem Analyten bestimmen. Damit der Analyt in der Meßkammer 5 in Kontakt mit dem in dem Containment 4 enthaltenen stofferkennenden Bestandteil 7 treten kann, ist die Meßkammer 5 über eine Meßöffnung 6 mit dem Containment 4 verbunden. Dabei ist die Querschnittsfläche der die Meßkammer 5 mit dem Containment 4 verbindenden Meßδffnung 6 in dem Substrat 3 als Verengung des Containment 4 ausgebildet. Dies führt zu einer Reduzierung des Ausblutens von Reagenzien aus dem Membranmaterial, was nicht nur den Verlust der elektrochemischen Eigenschaften, sondern wegen der Abgabe von Stoffen in den Analyten unter Umständen auch eine Einschränkung der Biokompatibilität beim Einsatz im medizinischen Bereich zur Folge hat.The containment 4 has a circular cross section and is filled with a substance-recognizing component 7, also referred to as membrane material. Such a measuring cell 2 can be used, for example, to determine substances such as glucose, penicillin, urea, etc. in an analyte. So that the analyte in the measuring chamber 5 can come into contact with the substance-recognizing component 7 contained in the containment 4, the measuring chamber 5 is connected to the containment 4 via a measuring opening 6. The cross-sectional area of the measuring opening 6 connecting the measuring chamber 5 to the containment 4 is formed in the substrate 3 as a narrowing of the containment 4. This leads to a reduction in the bleeding of reagents from the membrane material, which not only results in the loss of the electrochemical properties, but also, under certain circumstances, due to the release of substances in the analytes, and also in a restriction of the biocompatibility when used in the medical field.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind in der die- Meßkammer 5 mit dem Containment 4 verbindenden Meßöffnung 6 ein oder mehrere pfostenartige Stege 8 zwischen dem Substrat 3 und dem die Vertiefungen abdecken- den, in Fig. 1 nicht dargestellten Abdeckelement ausge- bildet. Diese. Stege 8 können zur mechanischen Stabilisierung der Anordnung, als Hilfsmittel beim Befüllen des Containments oder zur weiteren Verengung der Meßöffnung 6 dienen.In the embodiment shown in FIG. 1, one or more post-like webs 8 between the substrate 3 and the cover element, which is not shown in FIG. forms. This. Crosspieces 8 can serve to mechanically stabilize the arrangement, as an aid when filling the containment or to further narrow the measuring opening 6.
Die Vertiefungen in dem Substrat 3 werden vorzugsweise mittels eines mikromechanischen Herstellungsverfahrens gefertigt. Hierfür kommen, je nach Material des Substrats 3, beispielsweise photolitographische Prozesse, Laser- ablation, Heißprägen, Spritzgießen oder eine spanende mechanische Mikrofertigung wie z.B. Mikrofrasen in Betracht. Besondere Vorteile werden erzielt, wenn die Vertiefungen für die Meßkammer 5, die Meßöffnung 6 und das Containment 4 in einem gemeinsamen Arbeitsgang in dem Substrat 3 gefertigt werden, bei dem keine Justierarbeiten zwischen den Arbeitsgängen erforderlich sind.The depressions in the substrate 3 are preferably manufactured by means of a micromechanical manufacturing method. For this purpose, depending on the material of the substrate 3, for example photolithographic processes, laser ablation, hot stamping, injection molding or machining mechanical microfabrication such as e.g. Micro-milling. Particular advantages are achieved if the depressions for the measuring chamber 5, the measuring opening 6 and the containment 4 are produced in a common working step in the substrate 3, in which no adjustment work between the working steps is required.
Für das Substrat 3 kommen nahezu beliebige Materialien in Betracht . Hierzu rechnen nicht nur die im Stand der Tech- nik verwendeten Halbleitersubstrate, beispielsweise Silizium, sondern auch andere Stoffe wie Glas, photostruktu- rierbares Glas, Keramik, Kunststoffe oder andere geeignete Materialien. Bevorzugt besteht das Substrat 3 aus einem Kunststoff, beispielsweise aus PMMA oder PC, die eine- kostengünstige Herstellung ermöglichen.Almost any materials can be considered for the substrate 3. This includes not only the semiconductor substrates used in the prior art, for example silicon, but also other substances such as glass, photostructurable glass, ceramics, plastics or other suitable materials. The substrate 3 preferably consists of a plastic, for example of PMMA or PC, which enable inexpensive production.
In Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Meßkammer 5, die im Ausführungsbeispiel kanalförmig ausgebildet ist, auf der strukturierten Substratfläche 1 neben dem Containment 4 angeordnet ist und die Meßkammer 5 über die eine Verbindung in Richtung der strukturierten Substratfläche 1 herstellende Meßöffnung 6 mit dem Containment 4 verbunden ist. Diese Ausbildung hat besondere Vorteile für die Herstellung der Meßzelle 2, da die erforderlichen Vertiefun- gen hochgenau und in einem Arbeitsgang hergestellt werden können und mit einem Abdeckelement, das nicht strukturiert sein muß, ohne hohen Montageaufwand zur Bildung der Hohlräume für das Containment 4, die Meßöffnung 6 und die Meßkammer 5 abgedeckt werden können.In Fig. 1 it can be seen that the measuring chamber 5, which is channel-shaped in the exemplary embodiment, is arranged on the structured substrate surface 1 next to the containment 4 and the measuring chamber 5 via the measuring opening 6 which creates a connection in the direction of the structured substrate surface 1 with the Containment 4 is connected. This training has particular advantages for the production of the measuring cell 2, since the required recesses are produced with high precision and in one operation can and can be covered with a cover element, which does not have to be structured, without high assembly effort to form the cavities for the containment 4, the measurement opening 6 and the measurement chamber 5.
Der stofferkennende Bestandteil 7 kann jedes nach dem Stand der Technik bekannte Material zur Durchführung einer elektrochemischen oder chemo-/biosensorischen Messung sein. Für potentiometrische und insbesondere ampero- metrische Biosensoren lassen sich alle Immobilisierungsmaterialien einsetzen. Beispiele hierfür sind Gelatine, Kollagen, Alginate, Agar, Zellulose, Triacetat, Silikongummi, Polyvenylalkohol , Polyurethan und HEMA. Photover- netzbare Materialien können nach dem Einfüllen durch UV- Bestrahlung vernetzt werden. In diese Materialien werden die aktiven stofferkennenden Komponenten wie beispielsweise Enzyme oder Antikörper immobilisiert. Dies kann nach bekannten Verfahren erfolgen.The substance-recognizing component 7 can be any material known from the prior art for carrying out an electrochemical or chemo- / biosensory measurement. All immobilization materials can be used for potentiometric and in particular amperometric biosensors. Examples include gelatin, collagen, alginates, agar, cellulose, triacetate, silicone rubber, polyvinyl alcohol, polyurethane and HEMA. Photocrosslinkable materials can be crosslinked by UV radiation after filling. The active substance-recognizing components such as enzymes or antibodies are immobilized in these materials. This can be done by known methods.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Kontaktierung des Membranmaterials durch elektrisch leitende Kontaktflächen 9, die auf dem Boden der Vertiefung des. Containment 4 angebracht sind. Um möglichst große Meßsignale zu erzielen, sollte die Kontakfläche 9, insbesondere bei einem amperometrischen Meßprinzip, möglichst groß gewählt werden. Die Kontaktfläche 9 ist über eine elektrisch leitende Kontaktbahn 10 an die Meßelektronik angeschlossen. Die Kontaktflächen 9 und die Kontaktbahnen 10 können beispielsweise durch Aufbringen dün- ner metallischer Schichten, z.B. durch Verdampfen oderIn the embodiment shown in FIG. 1, the membrane material is contacted by electrically conductive contact surfaces 9, which are attached to the bottom of the recess of the containment 4. In order to achieve the largest possible measurement signals, the contact surface 9 should be chosen to be as large as possible, particularly in the case of an amperometric measurement principle. The contact surface 9 is connected to the measuring electronics via an electrically conductive contact track 10. The contact surfaces 9 and the contact tracks 10 can be made, for example, by applying thin metallic layers, e.g. by evaporation or
Sputtern, auf die strukturierte Substratfläche 1 und/oder das Abdeckelement aufgebracht werden. Die Dicke dieser Schichten beträgt typischerweise ca. 50 bis 100 nm. Erforderlichenfalls sind entsprechende Vertiefungen auf der strukturierten Substratfläche 1 bzw. dem Abdeckelement vorzusehen.Sputtering are applied to the structured substrate surface 1 and / or the cover element. The thickness of these layers is typically approximately 50 to 100 nm. If necessary, corresponding depressions are on to provide the structured substrate surface 1 or the cover element.
Die elektrischen Kontaktschichten bestehen bevorzugt aus Edelmetallfilmen wie Platin, Gold oder Silber. Es können aber auch andere elektrische leitfähige Materialien wie Graphit oder Aluminium verwendet werden. Die elektrischen Kontaktschichten können beispielsweise durch bekannte Dünnschichttechnologien, Aufdampfen, Aufspattern, photo- lithographisch strukturierte Filme, Aufdampfen oder Auf- sputtern mit anschließendem Strukturieren, Aufdampfen • oder Aufsputtern durch Schattenmasken oder nach dem Elek- trospray-Verfahren aufgebracht werden.The electrical contact layers preferably consist of noble metal films such as platinum, gold or silver. However, other electrically conductive materials such as graphite or aluminum can also be used. The electrical contact layers can be applied, for example, by known thin-film technologies, vapor deposition, sputtering, photolithographically structured films, vapor deposition or sputtering with subsequent structuring, vapor deposition or sputtering through shadow masks or using the electrospray method.
Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt A-A' der Meßzelle 2 aus Fig. 1 mit einem aufgesetzten Abdeckelement 11. Das Abdeckelement 11 ist, ebenso wie das Substrat 3, bevorzugt plattenförmig ausgebildet. Es kann auf der Seite, die der strukturierten Substratfläche 1 gegenüberliegt, zur Bildung des Containment 4, der Meßkammer 5 oder der Meßöffnung 6 strukturiert sein. Bevorzugt ist das Abdek- kelement 11 auf der dem Substrat 3 zugewandten Seite flach ausgebildet. Das Abdeckelement 11 besteht aus' einem geeigneten Material, beispielsweise einem der oben für das Substrat 3 vorgeschlagenen Materialien.FIG. 2 shows a section A-A 'of the measuring cell 2 from FIG. 1 with a cover element 11 attached. The cover element 11, like the substrate 3, is preferably plate-shaped. It can be structured on the side opposite the structured substrate surface 1 to form the containment 4, the measuring chamber 5 or the measuring opening 6. The cover element 11 is preferably flat on the side facing the substrate 3. The cover element 11 consists of a suitable material, for example one of the materials proposed above for the substrate 3.
Das Substrat 3 weist Vertiefungen für die Meßkammer 5, die Meßöffnung 6 und das Containment 4 auf. In dem dargestellten Beispiel sind diese Vertiefungen alle gleich tief. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich und kann mit geeigneten Mikrostrukturierungsverfahren auch anders gestaltet werden, beispielsweise um im Bereich der Meßöffnung 6 durch eine geringere Tiefe eine zusätzliche Querschnittsverengung zu realisieren. Die Vertiefungen, welche.die Meßkammer 5, das Containment 4 und die Meßöff- nung 6 bilden, sind auf der strukturierten SubstratflächeThe substrate 3 has depressions for the measuring chamber 5, the measuring opening 6 and the containment 4. In the example shown, these depressions are all of the same depth. However, this is not absolutely necessary and can also be designed differently using suitable microstructuring methods, for example in order to achieve an additional cross-sectional constriction in the area of the measuring opening 6 due to a smaller depth. The wells, which . the measuring chamber 5, the containment 4 and the measuring opening form 6 are on the structured substrate surface
1 ausgebildet und Durchdringen das Substrat 3 nicht in Richtung seiner Dicke. Die von den Vertiefungen gebildeten Hohlräume werden somit auf ihrer von dem Abdeckele- ment 11 abgewandten Seite von dem Material des Substrats 3 umschlossen. Dadurch wird das Membranmaterial sicher in dem Containment 4 gehalten und die Herstellung der Meßzelle 2 ist einfach und hochgenau möglich.1 formed and do not penetrate the substrate 3 in the direction of its thickness. The cavities formed by the depressions are thus enclosed on their side facing away from the cover element 11 by the material of the substrate 3. As a result, the membrane material is held securely in the containment 4 and the measurement cell 2 can be produced easily and with high precision.
In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel sind die Wände der Vertiefungen in etwa senkrecht zur strukturierten Substratfläche 1 ausgebildet. Der sich ergebende Flankenwinkel hängt von dem verwendeten Herstellungsprozeß ab und beträgt vorzugsweise zwischen 85° und 95°. Er kann jedoch, ohne daß dies die Funktionsfähigkeit der MeßzelleIn the example shown in FIG. 2, the walls of the depressions are approximately perpendicular to the structured substrate surface 1. The resulting flank angle depends on the manufacturing process used and is preferably between 85 ° and 95 °. However, it can, without affecting the functionality of the measuring cell
2 beeinträchtigt, auch über einen weiten Bereich frei geändert werden.2 impaired, can also be freely changed over a wide range.
Das Abdeckelement 11 wird mit dem Substrat 3 verbunden, wodurch die Vertiefungen in dem Substrat 3 unter Bildung von Hohlräumen abgedeckt werden. Ein Abdeckelement 11 aus Kunststofffolie kann durch eine Reihe von bekannten Verfahren wie z.B. thermisches Laminieren, Laserverschweißen, Kleben, Mikrowellen- oder Ultraschallschweißen mit dem Substrat 3 verbunden werden.The cover element 11 is connected to the substrate 3, as a result of which the depressions in the substrate 3 are covered to form cavities. A cover member 11 made of plastic film can be made by a number of known methods such as e.g. thermal lamination, laser welding, gluing, microwave or ultrasonic welding can be connected to the substrate 3.
Das Einbringen des stof erkennenden Bestandteils 7 in das Containment 4 kann vor oder nach dem Aufbringen des Abdeckelements 11 auf das Substrat 3 erfolgen. Hierzu ist ggf . eine Befüllungsöffnung in dem Substrat 3 oder dem Abdeckelement 11 vorzusehen. Das Einbringen einer Polymermembran, einer Flüssigmembran bzw. anderer relevanter Membranmaterialien (z.B. Hydrogel) , die aus flüssiger Phase hergestellt werden, kann mit Hilfe einer automati- sehen Mikrodosiereinrichtung erfolgen. Hierbei wird die Membranflüssigkeit in das Containment 4 eingefüllt . Nach einer gewissen Zeit verflüchtigt sich das Lösungsmittel und es bildet sich die verfestigte ionenselektive Flüssigmembran in dem Containment 4 aus . Bei Verwendung eines zusätzlichen Festelektrolyts kann dieser über der Membran als weitere Schicht in gleicher Weise aus der flüssigen Phase aufgebracht werden.The substance-recognizing constituent 7 can be introduced into the containment 4 before or after the covering element 11 has been applied to the substrate 3. For this purpose, to provide a filling opening in the substrate 3 or the cover element 11. The introduction of a polymer membrane, a liquid membrane or other relevant membrane materials (eg hydrogel), which are produced from the liquid phase, can be carried out using an automatic microdosing device. Here, the Membrane liquid filled in the containment 4. After a certain time, the solvent evaporates and the solidified ion-selective liquid membrane forms in the containment 4. If an additional solid electrolyte is used, it can be applied from the liquid phase in the same way as a further layer over the membrane.
Bei Verwendung sehr kleiner Containments 4 oder bei Sub- straten 3 mit sehr kleinen Abmessungen kann es vorteilhaft sein, die Membranflüssigkeit auf indirektem Weg in das Containment 4 einzubringen. Hierbei wird auf dem Substrat 3 oder dem Abdeckelement 11 eine zusätzliche Vertiefung bzw. Einfüllkammer mit einem kapillaren Verbin- dungskanal zum Containment 4 mit einem der Containmentherstellung entsprechenden Verfahren erzeugt.When using very small containments 4 or with substrates 3 with very small dimensions, it can be advantageous to introduce the membrane liquid into the containment 4 indirectly. In this case, an additional depression or filling chamber with a capillary connecting channel to the containment 4 is produced on the substrate 3 or the cover element 11 using a method corresponding to the containment manufacture.
Es ist auch möglich, mit einer einzigen Einfüllkammer mehrere davon abzweigende kapillare Verbindungskanäle zu mehreren Containments 4 auf einen Substrat 3 zu füllen. Eine andere mögliche Befüllung des Containment 4 ist z.B. die Verwendung einer automatischen Dispensiervorrichtung nach dem Tintenstrahlprinzip.It is also possible to use a single filling chamber to fill several capillary connecting channels branching off from it to form several containments 4 on a substrate 3. Another possible filling of containment 4 is e.g. the use of an automatic dispensing device based on the inkjet principle.
Typische Abmessungen einer erfindungsgemäßen Meßzelle sind wie folgt: Dicke des Substrats ca. 10 μm bis 10 mm, Querabmessungen in Richtung der strukturierten Substrat- fläche 3 ca. 1 mm bis 5 cm, Tiefe des Containment 4 ca. 10 μm bis 1 mm und Durchmesser des Containment 4 ca. 10 μm bis 10 mm.Typical dimensions of a measuring cell according to the invention are as follows: thickness of the substrate approx. 10 μm to 10 mm, transverse dimensions in the direction of the structured substrate surface 3 approx. 1 mm to 5 cm, depth of the containment 4 approx. 10 μm to 1 mm and diameter of the containment 4 approx. 10 μm to 10 mm.
Die Fig. 3 zeigt einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt B-B* zu Fig. 1. Die Fig. 4 zeigt eine Meßzelle 2, die sich von der in Fig. 1 dargestellten Meßzelle durch eine andere Form des Containments 4 unterscheidet. Im Rahmen der Erfindung kann die Form des Containments 4 beliebig den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden; beispielsweise kann die Vertiefung des Containments 4 einen kreisförmigen, dreieckigen oder rechteckigen Querschnitt haben. Dabei können die Erfordernisse des Membranmaterials mit dem stofferkennenden Bestandteil 7 und der Nachweistechnik, die Anforderungen hinsichtlich der Meßkammer 5 und insbesondere die Anforderungen hinsichtlich einer eine Engstelle bildenden Meßöffnung 6 berücksichtigt werden. Das Containment 4 kann sich stetig oder unstetig, kanalförmig, abschnittsweise oder auf eine sonstige beliebige Art und Weise zu der Meßöffnung 6 hin verjüngen.FIG. 3 shows a section BB * corresponding to FIG. 2 corresponding to FIG. 1. FIG. 4 shows a measuring cell 2 which differs from the measuring cell shown in FIG. 1 by a different shape of the containment 4. In the context of the invention, the shape of the containment 4 can be adapted as required to the respective requirements; for example, the recess of the containment 4 can have a circular, triangular or rectangular cross section. The requirements of the membrane material with the substance-recognizing component 7 and the detection technology, the requirements with regard to the measuring chamber 5 and in particular the requirements with regard to a measuring opening 6 forming a constriction can be taken into account. The containment 4 may taper continuously or discontinuously, in the form of a channel, in sections or in any other manner towards the measuring opening 6.
Die Fig. 5 zeigt einen Schnitt A-A' zu Fig. 4 mit aufgesetztem Abdeckelement 11; sie entspricht insoweit der Fig. 3. FIG. 5 shows a section AA ′ to FIG. 4 with a cover element 11; in this respect it corresponds to FIG. 3.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
strukturierte Substratfläche Meßzelle Substrat Containment Meßkammer Meßöffnung Stofferkennender Bestandteil Steg Kontaktfläche Kontaktbahn Abdeckelement structured substrate surface measuring cell substrate containment measuring chamber measuring opening substance-recognizing component web contact surface contact track cover element

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrochemische Durchflußmeßzelle (2) zum Durchführen einer elektrochemischen oder biosensorischen Mes- sung an einem Analyten, umfassend eine mit dem Analyten befüllbare Meßkammer (5) , die als Durchflußmeßkammer ausgebildet ist, und ein mit der Meßkammer (5) in Verbindung stehendes Containment (4) , das mit einem stofferkennenden Bestandteil (7) zum Bestimmen • eines analytischen Parameters des Analyten befullbar ist, wobei die Meßzelle (2) ein Substrat (3) , in dem auf einer strukturierten Substratfläche (1) Vertiefungen für die Meßkammer (5) , für das Containment (4) und für eine die Meßkammer (5) mit dem Containment (4) verbindende Meßöffnung (6) ausgebildet sind, und ein Abdeckelement (11) umfaßt, das auf der strukturierten Substratfläche (1) mit dem Substrat (3) verbunden ist und die Vertiefungen der Meßkammer (5) , des Contain- ment (4) und der Meßöffnung (6) abdeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen, welche die Meßkammer (5) , das Containment (4) und die Meßöffnung (6) bilden, auf der strukturierten Substratfläche (1) ausgebildet sind und das Substrat (3) nicht in Richtung seiner Dicke durchdringen, so daß die von den Vertiefungen gebildeten Hohlräume auf ihrer von dem Abdeckelement (11) abgewandten Seite von dem Material des Substrats (3) umschlossen werden, und die Querschnittsfläche der die Meßkammer (5) mit dem Containment (4) verbindenden Meßöffnung (6) in dem Substrat (3) als Verengung des Containment (4) ausgebildet ist, so daß das Verarmen des Stofferkennenden Bestandteils (7) aus dem Containment (4) beim Fließen des Analyten durch die Durchflußmeßkammer reduziertist .1. An electrochemical flow measuring cell (2) for carrying out an electrochemical or biosensory measurement on an analyte, comprising a measuring chamber (5) which can be filled with the analyte and which is designed as a flow measuring chamber, and a containment (5) connected to the measuring chamber (5). 4), which can be filled with a substance-recognizing component (7) for determining • an analytical parameter of the analyte, the measuring cell (2) being a substrate (3), in which, on a structured substrate surface (1), depressions for the measuring chamber (5) , are formed for the containment (4) and for a measuring opening (6) connecting the measuring chamber (5) with the containment (4), and comprises a cover element (11) which is on the structured substrate surface (1) with the substrate (3 ) is connected and covers the wells of the measuring chamber (5), the containment (4) and the measuring opening (6), characterized in that the wells which the measuring chamber (5), the cont form ainment (4) and the measuring opening (6), are formed on the structured substrate surface (1) and do not penetrate the substrate (3) in the direction of its thickness, so that the cavities formed by the depressions on their by the cover element (11) facing away from the material of the substrate (3), and the cross-sectional area of the measuring opening (6) connecting the measuring chamber (5) to the containment (4) in the substrate (3) is designed as a narrowing of the containment (4), so that the depletion of the substance-recognizing component (7) from the containment (4 ) is reduced as the analyte flows through the flow measurement chamber.
2. Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (5) auf der strukturierten Substratfläche (1) neben dem Containment (4) angeordnet ist und die Meßkammer (5) über die eine Verbindung in Richtung der strukturierten Substratfläche (1) herstellende Meßöffnung (6) mit dem Containment (4) verbun- den ist.2. Measuring cell according to claim 1, characterized in that the measuring chamber (5) on the structured substrate surface (1) next to the containment (4) is arranged and the measuring chamber (5) via which a connection in the direction of the structured substrate surface (1) producing Measuring opening (6) with the containment (4) is connected.
3. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakt- bahnen (10) zum Kontaktieren des Stofferkennenden Bestandteils (7) auf der strukturierten Substratfläche (1) und/oder dem Abdeckelement (11) angebracht sind.3. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical contact tracks (10) for contacting the substance-recognizing component (7) on the structured substrate surface (1) and / or the cover element (11) are attached.
4. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (3) und/oder das Abdeckelement (11) plattenförmig ausgebildet ist.4. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate (3) and / or the cover element (11) is plate-shaped.
5. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement (11) zur Bildung des Containment (4) , der Meßkammer (5) oder der Meßöffnung (6) strukturiert ist.5. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the cover element (11) to form the containment (4), the measuring chamber (5) or the measuring opening (6) is structured.
6. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement (11) auf der dem Substrat (3) zugewandten Seite flach ausgebildet ist.6. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the cover element (11) is formed flat on the side facing the substrate (3).
7. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (3) ein7. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate (3)
Halbleitersubstrat ist .Semiconductor substrate is.
8. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (3) aus einem Kunststoff, insbesondere aus PMMA oder PC besteht .8. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate (3) consists of a plastic, in particular PMMA or PC.
9. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen in dem Substrat (3) mittels eines mikromechanischen Herstellungsverfahrens gefertigt sind, insbesondere mittels eines photolithographischen Prozesses, durch Laserablation, durch Heißprägen, durch Spritzgießen oder durch spannende mechanische Mikrofertigung wie Mikrofrasen.9. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the depressions in the substrate (3) are manufactured by means of a micromechanical manufacturing process, in particular by means of a photolithographic process, by laser ablation, by hot stamping, by injection molding or by exciting mechanical microfabrication such as microfrases.
10. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen für die Meßkammer (5) , die Meßöffnung (6) und das Containment (4) in einem gemeinsamen Arbeitsgang in dem Substrat (3) gefertigt sind.10. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the depressions for the measuring chamber (5), the measuring opening (6) and the containment (4) are made in a common operation in the substrate (3).
11.. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (5) kanal- förmig ausgebildet ist.11 .. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring chamber (5) is channel-shaped.
12. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen einen Flankenwinkel zwischen 85 und 95 Grad zu der struktu- rierten Substrätflache (1) aufweisen. 12. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the depressions have a flank angle between 85 and 95 degrees to the structured substrate surface (1).
13. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der die Meßkammer (5) mit dem Containment (4) verbindenden Meßöffnung (6) ein oder mehrere pfostenartige Stege (8) zwischen dem Substrat (3) und dem Abdeckelement (11) ausgebildet sind.13. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that in the measuring chamber (5) with the containment (4) connecting measuring opening (6) one or more post-like webs (8) between the substrate (3) and the cover element (11th ) are trained.
14. Meßzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung des Containment (4) einen kreisförmigen, dreieckigen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.14. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the recess of the containment (4) has a circular, triangular or rectangular cross section.
15. Elektrochemische oder biosensorische Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Meßzelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 enthält.15. Electrochemical or biosensory measuring device, characterized in that it contains at least one measuring cell (2) according to one of claims 1 to 14.
16. Mikrofluidisches System, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine Meßzelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 enthält.16. Microfluidic system, characterized in that it contains at least one measuring cell (2) according to one of claims 1 to 14.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Meßzellen (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist, die linear oder in einem Array angeordnet sind. 17. The apparatus according to claim 15 or 16, characterized in that it has a plurality of measuring cells (2) according to one of claims 1 to 15, which are arranged linearly or in an array.
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