WO2019030584A1 - Sensorelement und dessen verwendung - Google Patents

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WO2019030584A1
WO2019030584A1 PCT/IB2018/054960 IB2018054960W WO2019030584A1 WO 2019030584 A1 WO2019030584 A1 WO 2019030584A1 IB 2018054960 W IB2018054960 W IB 2018054960W WO 2019030584 A1 WO2019030584 A1 WO 2019030584A1
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sensor
sensor element
channel
substance
analyte
Prior art date
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PCT/IB2018/054960
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English (en)
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Inventor
Daniel Riechers
Original Assignee
Presens Precision Sensing Gmbh
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Publication date
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    • G01N21/78—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour

Definitions

  • the invention relates to a sensor element and its use for the detection of an analyte in a sample.
  • the invention relates to a sensor element with a sensor substance, which has an optical behavior that depends on the analyte.
  • the sensor substance or a sensor element containing the sensor substance is brought into contact with the sample so that the analyte can reach the sensor substance.
  • the optical behavior of the sensor substance is then evaluated. Suitable sensor substances, various configurations of
  • Sensor elements which contain one or more sensor substances, as well as the most varied methods for detecting and evaluating the optical behavior of a sensor substance, are known to the person skilled in the art, see, for example, German patent applications DE 10 2010 061 182 A1, DE 10 201 1055 272 A1, DE 10 2014 107 837 A1 or the German Patent 10 2013 108 659 B3, and the cited therein
  • Sensor elements from the prior art often require a certain amount of advance on the part of the user, and therefore expenditure, before the sensor element can be used. Thus, it is necessary for some sensor elements to water them for some time in order to make them ready for use.
  • CDI System 500 Blood parameter values are offered by Terumo under the name CDI System 500. This system includes a dual gas calibrator to calibrate system sensors prior to metering. This can take about 20 minutes in
  • the sensors are operated in a flow cell.
  • a sample is supplied via a sample inlet to a channel system which leads the sample to one or more chambers in which reagents are stored, see, for example, publication WO 2014/159834 for international application PCT / GB2015 / 050905 A1 to
  • Reservoirs stored which can be formed as blisters. Such devices are suitable for analyzing a taken sample.
  • monitoring the concentration of an analyte in a volume such as a bioreactor, a cell culture, or more generally, an analyte during one
  • the sensor element according to the invention includes a reservoir in which a sensor substance is contained.
  • the sensor substance has an optical behavior that depends on an analyte.
  • the optical behavior may be
  • Luminescence includes at least fluorescence and phosphorescence.
  • the optical behavior may change.
  • the optical behavior may change.
  • Sensor substance change color which is e.g. can be detected with methods of colorimetry.
  • a luminescence phenomenon for example, an intensity of the luminescence or a decay time of intensity or polarization of the luminescence may depend on the concentration or the partial pressure of the analyte.
  • a reflectivity of the sensor substance dependent on the analyte can also be used to detect the analyte. Evaluation of the optical behavior of the
  • the concentration or partial pressure of the analyte can be determined down to specific error limits, or it can be determined that the concentration or partial pressure of the analyte lie within a certain range, this particular range being characterized by an upper limit and a lower limit or only by an upper limit or only by a lower limit.
  • the sensor element according to the invention further comprises a channel.
  • the sensor element is designed such that the sensor substance can be introduced from the reservoir into the channel. It is conceivable that the reservoir exclusively the
  • the sensor substance in the reservoir is component of a sensor mixture which can be introduced from the reservoir into the channel.
  • the reservoir can be completely or partially emptied.
  • the sensor element has a membrane which is permeable to the analyte and which forms a region of a wall of the channel.
  • suitable membranes are known to the person skilled in the art.
  • the membranes suitable for the sensor element according to the invention are also used in the prior art in order to form a selectively permeable layer between a sample and, for example, a layer containing a sensor substance in a sensor element.
  • sensor substance for example as part of a sensor mixture, can be introduced into the channel for the purpose of measurement.
  • the analyte to be detected can enter the channel and thus come into contact with the sensor substance.
  • the analyte can be qualitatively or quantitatively detected. Elaborate preparatory work is not necessary.
  • Membrane may be contacted with a sample volume, such as, but not limited to, in a port of a bioreactor or in a
  • the sensor element according to the invention is thus also suitable for measuring the analyte over a period of time.
  • the channel may be rectilinear in
  • the introduction of the sensor substance into the channel is preferably assisted by capillary forces; another
  • the channel is formed in a carrier plate and covered by the membrane.
  • the support plate is advantageously permeable to the
  • the carrier plate is approximately transparent to excitation light for excitation of the luminescence and for
  • Luminescent light The membrane can be glued or welded to the carrier plate, for example. Another possibility is to clamp the membrane to the carrier plate; For this purpose, for example, a metal grid or perforated plate can be used, which is connected at the edge of the carrier plate via brackets with this and the membrane presses flat against the support plate, without preventing the access of the analyte to the membrane.
  • a metal grid or perforated plate can be used, which is connected at the edge of the carrier plate via brackets with this and the membrane presses flat against the support plate, without preventing the access of the analyte to the membrane.
  • the invention is not limited to those mentioned
  • the membrane can form a tube, the channel is then through the
  • the tube is advantageously arranged on a carrier plate. Also for this carrier plate the above applies to the transparency of the carrier plate.
  • Support plate are the reservoir and any other components of the sensor element also on the support plate.
  • cycloolefin copolymers COC
  • polycarbonates polystyrenes
  • glass polyethylene terephthalate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • the carrier plate in contrast to the membrane, is not permeable to the analyte.
  • the membrane can then be brought into contact with the sample, the sensor substance in the channel is then influenced only by the analyte from the sample. If analyte is also outside the sample in the environment in which the sensor element is used, for example carbon dioxide as the analyte in the sample and in the ambient air, it is impermeable by an analyte
  • Support plate avoided that the sensor substance is additionally influenced by analyte, which passes through the support plate in the channel.
  • analyte which passes through the support plate in the channel.
  • Diffused carrier plate and thereby the analyte concentration is apparently reduced, or due to the then contained in the carrier plate analyte hysteresis occur.
  • the reservoir is formed by a blister;
  • the blister is separated from the channel by a barrier.
  • this barrier has a predetermined breaking point at which it breaks open when the internal pressure in the blister increases and thus clears the path into the channel for the contents of the blister.
  • the sensor element has a device through which the barrier can be perforated to this on Way for the contents of the blister to clear the way into the channel. It is thus possible for a user to make the sensor element ready for use by simply pressing on the blister.
  • a barrier of the type just described can also generally be used in the case of a reservoir, ie even if the reservoir is not formed by a blister; this applies correspondingly to a device for perforating the barrier.
  • the reservoir preferably closes its contents effectively against the environment as long as the barrier is intact. Diffusion of molecules out of or into the reservoir takes place at best to a small extent.
  • a sensor mixture provided in the reservoir during production of the sensor element thus changes its composition only moderately over the course of time, in particular outdiffusion of water from the sensor mixture is suppressed. Thus, the sensor mixture is in a state for a long period of time, which deviates only slightly from the state during an initial calibration of the sensor element. A recalibration of the sensor element before a measurement is thus unnecessary. If a blister is used as a reservoir, such an effective closure of the blister contents against the environment can be achieved by a metal layer,
  • Such a blister typically loses less than 0.5% of its contents during one year, stored at room temperature.
  • the sensor element has a plurality of reservoirs.
  • the sensor element is further designed such that a content of each of the plurality of reservoirs can be introduced into the channel.
  • each of the reservoirs may contain the same sensor mixture. For example, at the beginning of a measurement, it is possible to fill the channel from one of the reservoirs with sensor mixture and, if this filling of the channel has been used up, for example by "poisoning" the sensor
  • Sensor mixture to renew the filling of the channel from one of the other reservoirs.
  • "Poisoning" of the sensor mixture means the penetration of substances other than the analyte into the sensor mixture, which change the chemical conditions there so that they no longer correspond to the conditions which a calibration of the sensor was performed.
  • the composition of a buffer, which forms a component of the sensor mixture in embodiments can be changed by these substances.
  • a dye used as a sensor substance is gradually decomposed by exposure to light during measurements or even exposure to ambient light. It may be advantageous to flush the channel prior to introducing fresh sensor mixture.
  • a rinsing liquid can be contained in one of the reservoirs; on
  • the sensor element includes a collection chamber into which the channel opens. In the collecting chamber can be about used
  • the entirety of reservoir, channel and collecting chamber forms a sealed against the environment volume, which is advantageous for the sterilization of the sensor.
  • the collecting chamber can be formed in particular by a blister.
  • the sensor element has a first shut-off device and a second shut-off device. By the first shut-off device and the second shut-off device extending between the first and second shut-off portion of the channel can be shut off. It is thus possible to fill the channel, including the said section, from a sensor mixture reservoir and then shut off the section so that there is a flow of
  • Sensor mixture is prevented in or out of the section.
  • Such a flow could be adjusted in particular due to a temperature gradient along the channel or due to a gradient of the osmotic pressure through the channel
  • the sensor element comprises a plurality of channels. For each of these channels, the above statements may apply.
  • the senor element has a reservoir in which a reference substance is contained.
  • the sensor element is designed such that the
  • Reference substance in a channel of the plurality of channels can be introduced.
  • Reference substance is a substance which exhibits an optical behavior of preferably the same kind as the optical behavior of the sensor substance, but the optical behavior of the reference substance does not depend on the analyte.
  • optical signals from a channel which contains sensor substance and from a channel which contains reference substance can then also be detected.
  • a first sensor substance from a first reservoir can be introduced into a first channel of the plurality of channels, and a second sensor substance from a second reservoir can be introduced into a second channel of the plurality of channels.
  • First and second sensor substance may differ, for example, with regard to the analyte, on which a respective optical behavior of the first or the second sensor substance depends. In this way, more than one analyte can be measured with the sensor element. The results can also be returned to
  • Partial pressure of the analyte in a manner useful for a measurement shows. If these ranges of values for the first and the second sensor substance are different, a larger range of values of the concentration or of the sensor can be used with the sensor element
  • Partial pressure of the analyte can be covered. Also, the sensor substances may differ in the type of optical behavior.
  • these two initiate different sensor substances in a common channel.
  • the two sensor substances can already be stored mixed in a reservoir, or each sensor substance is stored in a separate reservoir.
  • the sensor substances from the reservoir (s) can be introduced into the channel.
  • a reservoir includes a plurality of chambers. At least one component of a sensor mixture is stored in each of the chambers.
  • the components are first mixed, ie the sensor mixture is not formed until the sensor mixture is to be introduced into a channel of the sensor element.
  • the components of the sensor mixture are unstable with prolonged contact of the components, so that a longer storage of the components as a mixture is not possible.
  • the sensor element serves to detect
  • the membrane is gas-permeable and ion-impermeable, for example a microporous membrane of polyethylene (PE), polypropylene (PP), e.g. Accurel PP, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), or e.g. from a monolithic film of PVDF, PTFE, silicone, PE, perfluoroalkoxyalkane (PFA).
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the reservoir contains an alkaline
  • the membrane / film can in this example on the channel-facing side, for example by plasma etching or plasma grafting of hydrophilic monomers (eg Allyl alcohol) are hydrophilized, so that the filling of the channel by capillary forces bubble-free is possible.
  • hydrophilic monomers eg Allyl alcohol
  • An inventive sensor element of the type described above is commonly used to detect an analyte in a sample so that the membrane with the
  • Sample is brought into contact and the sensor mixture is introduced into the channel, the order of these two steps, unless determined by general conditions, such as the measurement setup, is usually irrelevant.
  • Light is then directed to the channel, for example to excite luminescence or to detect color or reflectivity, and optical signals from the channel are recorded.
  • the recorded signals are evaluated for qualitative or quantitative detection of the analyte.
  • the excitation, recording and evaluation is done according to one of the known from the prior art method.
  • FIG. 1 shows a plan view of a sensor element according to the invention.
  • FIG. 2 shows a sectional view of the sensor element according to the invention
  • FIG. 3 shows a plan view of a further sensor element according to the invention.
  • FIG. 4 shows a plan view of a further sensor element according to the invention.
  • FIG. 5 shows a sectional view of a sensor element according to the invention.
  • FIG. 6 shows a sectional view of a reservoir.
  • FIG. 7 shows a sensor element according to the invention in a measuring arrangement.
  • FIG. 8 shows a sensor element according to the invention in another
  • FIG. 1 shows a plan view of a sensor element 1 according to the invention, wherein the membrane 3 (see FIG. 2) is not shown.
  • the channel 2 runs in meanders and is formed in a carrier plate 5. From a
  • the sensor element 1 Preparation of a measurement. Previously, as long as the sensor element 1 is stored about and kept ready for use only, the sensor substance is trapped in the reservoir 4, sometimes as a component of a sensor mixture.
  • the illustrated embodiment of the sensor element 1 has further formed a collecting chamber 6.
  • the meandering channel 2 used in the embodiment shown has the advantage that a larger amount of sensor mixture and thus a larger amount of sensor substance can be provided in the channel 2.
  • excitation light can be used more efficiently and e.g. a more intense luminescence signal of the sensor substance can be received from the channel 2.
  • This also makes a given relative change in the luminescence intensity in absolute terms larger, which favors the accuracy of the measurement.
  • the invention can also be realized with a rectilinear channel.
  • FIG. 2 shows a sectional view of the sensor element 1 according to the invention from FIG. 1 along the line 100 shown in FIG. 1.
  • the course of the channel 2 has been simplified.
  • the support plate 5 is covered by membrane 3.
  • the membrane 3 It also covers the channel 2 and thus forms an area of a wall of the channel. 2
  • barrier 41 through which the reservoir 4 is closed against the channel 2. In the state shown, therefore, there is no sensor substance in channel 2.
  • the reservoir 4 may be formed, for example, by a blister. If a sufficiently large force is exerted on the reservoir or blister 4 in the direction of the arrow 101, a predetermined breaking point 43 of the barrier 41 opens and the contents of the reservoir can enter the channel 2.
  • the channel 2 has a rectangular cross-section of e.g. 100 pm to 100 pm size, but without limiting the invention thereto. With such dimensions, the filling of the channel 2 with sensor mixture from reservoir 4 is supported by capillary forces. If the channel 2 and the channel 2 facing surface 31 of the membrane 3 hydrophilized, the filling of the channel 2 is additionally supported.
  • the force on the reservoir 4 in the direction of the arrow 101 may be applied directly by a user, such as by pressure with a finger, or
  • FIG. 3 shows, according to the illustration in FIG. 1, a further embodiment of a sensor element 1 according to the invention.
  • the sensor element 1 is formed in a carrier plate 5.
  • the channel 2 opens into a collecting chamber 6.
  • the sensor element 1 a plurality of reservoirs 4, in particular three reservoirs 4, on.
  • each of the reservoirs 4 contain the same sensor mixture
  • the channel 2 is then filled from one of the reservoirs 4 with sensor mixture, and the sensor element 1 is used for measurements. If necessary, the sensor mixture in the channel 2 can then be renewed from one of the further reservoirs 4.
  • one of the reservoirs 4 rinsing liquid for the Channel 2 included.
  • valves may be provided, for example in the junction area 24.
  • a first shut-off device 21 and a second shut-off device 22 are provided in the embodiment shown.
  • a portion 23 of the channel 2 between the first shut-off device 21 and the second shut-off device 22 may by the
  • Shutters 21, 22 are shut off. This can be done, for example, after filling the channel 2 with sensor mixture in order to avoid a flow of the sensor mixture through the channel 2 and especially through the meandering section 23 during a measurement; such a flow can be approximately through a
  • Temperature gradients are caused along the channel and cause a drift of an optical signal from the channel 2.
  • FIG. 4 shows, according to the illustration in FIG. 1, a further embodiment of a sensor element 1 according to the invention.
  • the sensor element 1 has in carrier plate 5, a first channel 25 and a second channel 26, each of which opens into a separate collecting chamber 6. It would also be conceivable that both channels 25, 26 open into a common collecting chamber.
  • a first sensor substance for example as a component of a sensor mixture
  • a second sensor substance for example as a component of a sensor mixture
  • the first and the second sensor substance may differ, for example, by the analyte on which their respective optical behavior depends.
  • the first sensor substance in the first channel 25 can emit luminescent light after excitation, the decay time of this luminescence depending on the partial pressure of oxygen; the second sensor substance in the second channel 26 can be approximately after excitation
  • Luminescent emit light wherein the decay time of this luminescence depends on the partial pressure of carbon dioxide.
  • the respective optical behavior for both sensor substances depends on the same analyte, for example oxygen, but the value ranges of the concentration of the analyte differ, in which a sufficient for a measurement dependence of the optical behavior of the respective sensor substance of the analyte shows.
  • the first and second sensor substance differ in the nature of their respective optical behavior, for example, the color of the first sensor substance may change depending on the concentration of an analyte, and the second
  • Sensor substance can show a luminescence phenomenon whose decay time depends on the concentration of this analyte or another analyte.
  • a sensor substance can be introduced into the first channel 25 from the first reservoir 45, for example as a component of a sensor mixture.
  • a reference substance for example as part of a reference mixture, can be introduced into the second channel 26 from the second reservoir 26.
  • Reference substance is used for calibration purposes. Even with a sensor element 1 having a plurality of channels, as for example in FIG. 4 with two channels, a plurality of reservoirs, such as shown in FIG. 3 for a channel 2, may be provided for one or more of the channels.
  • Fig. 5 shows a cross section through a further embodiment of a
  • the channel 2 is given by a tube 7, which is formed by the membrane 3. That is, from the membrane 3, a tube 7 or a tube is formed, the interior of which is the channel 2.
  • the membrane 3 forms the wall of the tube 7 and thus of the channel 2.
  • the tube 7 is mounted on a support plate 5, for Example glued to the support plate 5, and there runs in meanders, so that the tube 7 is detected several times by the illustrated section.
  • Fig. 6 shows an embodiment of a reservoir 4 in cross section.
  • the illustrated reservoir 4 has three chambers 42 in which components of a
  • the reservoir 4 is closed by a barrier 41.
  • the barrier 41 has a predetermined breaking point 43 for each chamber 42.
  • the predetermined breaking points 43 are brought to burst, so that the content of the three chambers 42 in the channel 2 passes and is mixed.
  • Fig. 7 shows a possible measuring arrangement 300, together with the
  • Sensor element 1 can be used to qualitatively or quantitatively detect at least one analyte in a sample 200.
  • the sample 200 is in a sample container 210; For example, and without being limited by the invention, it may be a bioreactor.
  • Sensor element 1 is mounted in a corresponding holder 220, for example a port of a bioreactor. Of the sensor element 1 only membrane 3 and support plate 5 are shown. The membrane 3 is in contact with the sample 200, so that the at least one analyte from the sample 200 can pass through the membrane 3 to the channel or, depending on the configuration of the sensor element 1, the channels of the sensor element 1.
  • the measuring arrangement 300 here comprises a control unit 310, light sources 320 and a camera 330.
  • the light sources 320 are provided to excite a luminescence of a sensor substance in a channel of the sensor element 1, the camera 330 is provided to detect the luminescence signal from the sensor substance.
  • Light sources 320 and camera 330 are controlled by the control unit 310.
  • the evaluation ie the determination of the concentration of the analyte, can also be carried out by the control unit 310.
  • the support plate 5 is permeable in the embodiment shown for light from the light sources 320 for stimulating the luminescence, and for the luminescent light.
  • the membrane 3 may be formed to scatter light back around the body
  • the membrane 3 for this purpose
  • the sample container 210 may include other elements, such as an agitator.
  • other detector devices may be used.
  • excitation light and / or luminescent light can also be guided via waveguides, in particular optical fibers.
  • the measuring arrangement 300 here comprises a control unit 310 and an optical fiber 350, which is only shown very schematically
  • the optical fiber 350 serves to guide light from a light source (not shown) provided in the control unit 310 to the sensor element 1, in order there to excite luminescence of a sensor substance in a channel of the sensor element 1. Likewise, luminescent light generated thereby is guided from the sensor substance through the optical fiber 350 to the control unit 310 to be detected there after detection by a detector (not shown) provided in the control unit 310 for
  • Detection of the analyte to be evaluated instead of the optical fiber 350, a free-beam optics, as shown in FIG. 7, could also be used.
  • the membrane 3 may be configured to scatter light back.
  • the carrier plate 5 is, as in the embodiment of FIG. 7, permeable to light for exciting the luminescence of the sensor substance and luminescent light from the sensor substance.

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Abstract

Ein Sensorelement (1) hat einen Kanal (2) ausgebildet, in den aus einem Reservoir (4) des Sensorelements (1) eine Sensorsubstanz eingeleitet werden kann. Die Sensorsubstanz weist ein optisches Verhalten auf, das von einem Analyten abhängt. Der Analyt gelangt dabei aus einer Probe (200) durch eine für den Analyten durchlässige Membran (3) in den Kanal (2), welche einen Bereich einer Wandung des Kanals (2) bildet.

Description

SENSORELEMENT UND DESSEN VERWENDUNG
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement und dessen Verwendung zum Nachweis eines Analyten in einer Probe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Sensorelement mit einer Sensorsubstanz, welche ein optisches Verhalten aufweist, das von dem Analyten abhängt.
Es ist hinreichend bekannt, eine Abhängigkeit eines optischen Verhaltens einer
Sensorsubstanz, etwa eines Farbstoffs, von einem Analyten, also einem
nachzuweisenden Stoff, zu nutzen, um diesen Analyten in einer Probe qualitativ oder quantitativ nachzuweisen. Hierzu wird die Sensorsubstanz oder ein die Sensorsubstanz enthaltendes Sensorelement so mit der Probe in Kontakt gebracht, dass der Analyt die Sensorsubstanz erreichen kann. Das optische Verhalten der Sensorsubstanz wird dann ausgewertet. Geeignete Sensorsubstanzen, diverse Konfigurationen von
Sensorelementen, welche eine oder mehrere Sensorsubstanzen enthalten, sowie unterschiedlichste Verfahren zur Erfassung und Auswertung des optischen Verhaltens einer Sensorsubstanz sind dem Fachmann bekannt, siehe zum Beispiel die deutschen Patentanmeldungen DE 10 2010 061 182 A1 , DE 10 201 1 055 272 A1 , DE 10 2014 107 837 A1 oder das deutsche Patent 10 2013 108 659 B3, sowie die darin zitierten
Dokumente aus dem Stand der Technik.
Sensorelemente aus dem Stand der Technik erfordern anwenderseitig häufig einen gewissen Vorlauf, und damit Aufwand, ehe das Sensorelement eingesetzt werden kann. So ist es bei manchen Sensorelementen notwendig, diese für einige Zeit zu wässern, um sie einsatzbereit zu machen. Ein System zur Überwachung von
Blutparameterwerten wird von der Firma Terumo unter der Bezeichnung CDI System 500 angeboten. Zu diesem System gehört ein Kaiibrator mit zwei Gasen, um Sensoren des Systems vor dem Messeinsatz zu kalibrieren. Dies kann etwa 20 Minuten in
Anspruch nehmen. Die Sensoren werden dabei in einer Durchflusszelle betrieben.
Ferner ist darauf zu achten, dass Sensorelemente nicht zu lange gelagert werden, da sie dabei an Funktionalität einbüßen können. Insbesondere kann eine anfängliche Kalibrierung des Sensorelements ungültig werden, was eine Nachkalibrierung des Sensorelements, in der Regel unmittelbar vor dessen Einsatz, geboten erscheinen lässt; dies bedeutet jedoch wiederum zusätzlichen Aufwand vor der eigentlichen Messung. Neben dem allgemeinen Nachteil, dass der Anwender einige Vorarbeiten vor der eigentlichen Messung durchführen muss, ist in manchen Bereichen eine Verzögerung vor der eigentlichen Messung besonders kritisch zu sehen, etwa im Bereich der Notfall- und Intensivmedizin.
Bekannt ist ferner, Analysen mit Mikrofluid-Anordnungen durchzuführen. Manche derartige Anordnungen verfügen über eine Probenkammer, der Reagenzien über einen oder mehrere Kanäle zugeführt werden, siehe etwa die Veröffentlichung WO
2015/150742 A1 zur internationalen Anmeldung PCT/GB2015/050905, oder es wird beispielsweise eine Probe über einen Probeneinlass einem Kanalsystem zugeführt, welches die Probe zu einer oder mehreren Kammern führt, in welchen Reagenzien bevorratet sind, siehe etwa die Veröffentlichung WO 2014/159834 A1 zur
internationalen Anmeldung PCT/US2014/025281. Die Reagenzien sind dabei in
Reservoiren bevorratet, die als Blister ausgebildet sein können. Derartige Vorrichtungen eignen sich dazu, eine genommene Probe einer Analyse zu unterziehen. Eine
Überwachung beispielsweise der Konzentration eines Analyten in einem Volumen, etwa einem Bioreaktor, einer Zellkultur, oder allgemein eines Analyten während eines
Reaktionsablaufs über eine Zeitspanne hinweg, ist nicht möglich. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Sensorelement bereitzustellen, welches schnell einsatzfähig und vielseitig einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Sensorelement gemäß Anspruch 1.
Eine entsprechende Verwendung des Sensorelements ist Gegenstand von Anspruch 17. Das erfindungsgemäße Sensorelement beinhaltet ein Reservoir, in welchem eine Sensorsubstanz enthalten ist. Die Sensorsubstanz weist ein optisches Verhalten auf, das von einem Analyten abhängt. Bei dem optischen Verhalten kann es sich
beispielsweise um eine Farbe oder eine Lumineszenzerscheinung handeln; Lumineszenz umfasst mindestens Fluoreszenz und Phosphoreszenz. In Abhängigkeit von dem Analyten, das heißt zum Beispiel je nach Konzentration oder Partialdruck des Analyten, kann sich das optische Verhalten ändern. So kann beispielsweise die
Sensorsubstanz ihre Farbe wechseln, was z.B. mit Methoden der Farbmetrik erfasst werden kann. Im Falle einer Lumineszenzerscheinung können etwa eine Intensität der Lumineszenz oder eine Abklingdauer von Intensität oder Polarisation der Lumineszenz von der Konzentration oder dem Partialdruck des Analyten abhängen. Auch ein vom Analyten abhängiges Reflektionsvermögen der Sensorsubstanz kann zum Nachweis des Analyten verwendet werden. Auswertung des optischen Verhaltens der
Sensorsubstanz ermöglicht so einen qualitativen oder quantitativen Nachweis des Analyten. So lassen sich Konzentration oder Partialdruck des Analyten bis auf fachspezifische Fehlergrenzen bestimmen, oder es kann festgestellt werden, dass Konzentration oder Partialdruck des Analyten innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen, wobei dieser bestimmte Bereich gekennzeichnet ist durch eine Obergrenze und eine Untergrenze oder nur durch eine Obergrenze oder nur durch eine Untergrenze.
Das erfindungsgemäße Sensorelement umfasst ferner einen Kanal. Das Sensorelement ist dabei derart ausgebildet, dass die Sensorsubstanz aus dem Reservoir in den Kanal einleitbar ist. Es ist hierbei denkbar, dass das Reservoir ausschließlich die
Sensorsubstanz enthält. Ebenso ist es denkbar, dass die Sensorsubstanz im Reservoir Komponente eines Sensorgemisches ist, welches aus dem Reservoir in den Kanal eingeleitet werden kann. Bei der Einleitung der Sensorsubstanz oder des
Sensorgemisches in den Kanal kann das Reservoir vollständig oder teilweise entleert werden.
Erfindungsgemäß weist das Sensorelement eine Membran auf, die für den Analyten durchlässig ist, und die einen Bereich einer Wandung des Kanals bildet. Je nach Analyt und Umgebung, in der das Sensorelement eingesetzt werden soll, sind geeignete Membranen dem Fachmann bekannt. Die für das erfindungsgemäße Sensorelement geeigneten Membranen werden auch im Stand der Technik eingesetzt, um dort eine selektiv durchlässige Schicht zwischen einer Probe und beispielsweise einer eine Sensorsubstanz enthaltenden Schicht in einem Sensorelement zu bilden. Bei einem erfindungsgemäßen Sensorelement kann zur Messung Sensorsubstanz, etwa als Teil eines Sensorgemisches, in den Kanal eingeleitet werden. Durch die Membran hindurch kann der nachzuweisende Analyt in den Kanal gelangen und so in Kontakt mit der Sensorsubstanz treten. Durch Auswertung des optischen Verhaltens der Sensorsubstanz im Kanal in Kontakt mit dem Analyten kann der Analyt qualitativ oder quantitativ nachgewiesen werden. Aufwändige Vorarbeiten sind nicht nötig. Die
Membran kann mit einem Probenvolumen in Kontakt gebracht werden, etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, in einem Port eines Bioreaktors oder in einem
Durchflusselement; das erfindungsgemäße Sensorelement eignet sich damit auch zur Messung des Analyten über eine Zeitspanne hinweg.
Für den Kanal sind verschiedene Formen und Querschnitte denkbar. Der Kanal kann beispielsweise, ohne jedoch die Erfindung darauf zu beschränken, geradlinig, in
Mäandern, im Zick-Zack oder als Spirale verlaufen. Das Einleiten der Sensorsubstanz in den Kanal wird vorzugsweise durch Kapillarkräfte unterstützt; eine weitere
Unterstützung ist möglich, wenn der Kanal und/oder die kanalseitige Oberfläche der Membran hydrophilisiert sind.
In einer Ausführungsform ist der Kanal in einer Trägerplatte ausgebildet und durch die Membran bedeckt. Dabei ist die Trägerplatte vorteilhaft durchlässig für die beim
Nachweis des Analyten relevanten Lichtwellenlängenbereiche; falls das optische Verhalten des Analyten eine Lumineszenzerscheinung ist, so ist die Trägerplatte etwa durchlässig für Anregungslicht zur Anregung der Lumineszenz und für
Lumineszenzlicht. Die Membran kann mit der Trägerplatte beispielsweise verklebt oder verschweißt werden. Eine weitere Möglichkeit ist, die Membran an der Trägerplatte festzuklemmen; hierzu kann beispielsweise ein Metallgitter oder Lochblech verwendet werden, das am Rand der Trägerplatte über Klammern mit dieser verbunden wird und die Membran flächig gegen die Trägerplatte presst, ohne den Zugang des Analyten zu der Membran zu verhindern. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten
Möglichkeiten der Verbindung zwischen Membran und Trägerplatte beschränkt. Alternativ kann die Membran eine Röhre bilden, der Kanal ist dann durch den
Innenbereich der Röhre gegeben. Vorteilhaft ist aus Gründen der Handhabbarkeit und/oder der Stabilität die Röhre auf einer Trägerplatte angeordnet. Auch für diese Trägerplatte gilt das vorstehend zur Lichtdurchlässigkeit der Trägerplatte Gesagte. In bevorzugten Weiterbildungen jeder der genannten Ausführungsformen mit
Trägerplatte befinden sich das Reservoir und etwaige weitere Komponenten des Sensorelements ebenfalls auf der Trägerplatte.
Als Material für die Trägerplatte kommen, ohne die Erfindung jedoch darauf zu beschränken, beispielsweise in Frage: Cycloolefin-Copolymere (COC), Polycarbonate, Polystyrole, Glas, Polyethylenterephthalat (PET), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyethylennaphthalat (PEN).
Es ist von Vorteil, wenn die Trägerplatte, im Gegensatz zur Membran, nicht für den Analyten durchlässig ist. Die Membran kann dann mit der Probe in Kontakt gebracht werden, die Sensorsubstanz im Kanal wird dann nur durch den Analyten aus der Probe beeinflusst. Falls sich Analyt auch außerhalb der Probe in der Umgebung befindet, in der das Sensorelement eingesetzt wird, beispielsweise Kohlendioxid als Analyt in der Probe und in der Raumluft, so ist durch eine für den Analyten undurchlässige
Trägerplatte vermieden, dass die Sensorsubstanz zusätzlich durch Analyt, welcher durch die Trägerplatte in den Kanal gelangt, beeinflusst wird. Durch eine für den Analyten undurchlässige Trägerplatte ist ferner vermieden, dass der Analyt in die
Trägerplatte diffundiert und hierdurch die Analytkonzentration scheinbar verringert wird, oder bedingt durch den dann in der Trägerplatte enthaltenen Analyten Hystereseeffekte auftreten.
In Ausführungsformen des Sensorelements ist das Reservoir durch einen Blister gebildet; vorzugsweise ist der Blister von dem Kanal durch eine Barriere getrennt. Diese Barriere weist in einer Ausgestaltung eine Sollbruchstelle auf, an welcher sie bei Erhöhung des Innendrucks im Blister aufbricht und so für den Inhalt des Blisters den Weg in den Kanal freigibt. In einer alternativen Ausgestaltung weist das Sensorelement eine Vorrichtung auf, durch welche die Barriere perforiert werden kann, um auf diese Weise für den Inhalt des Blisters den Weg in den Kanal freizugeben. Es ist für einen Anwender somit möglich, das Sensorelement durch einfaches Drücken auf den Blister einsatzbereit zu machen. Eine Barriere der eben erläuterten Art kann auch allgemein bei einem Reservoir eingesetzt werden, also auch dann, wenn das Reservoir nicht durch einen Blister gebildet ist; dies gilt entsprechend für eine Vorrichtung zur Perforation der Barriere.
Das Reservoir schließt vorzugsweise seinen Inhalt, solange die Barriere intakt ist, wirksam gegen die Umgebung ab. Eine Diffusion von Molekülen aus dem Reservoir heraus oder in dieses hinein findet allenfalls in geringem Ausmaß statt. Ein in dem Reservoir bei Herstellung des Sensorelements bereitgestelltes Sensorgemisch verändert seine Zusammensetzung im Laufe der Zeit somit nur mäßig, insbesondere wird ein Ausdiffundieren von Wasser aus dem Sensorgemisch unterdrückt. Damit befindet sich das Sensorgemisch über lange Zeiträume in einem Zustand, welcher nur geringfügig von dem Zustand bei einer anfänglichen Kalibrierung des Sensorelements abweicht. Eine Nachkalibrierung des Sensorelements vor einer Messung ist damit in der Regel entbehrlich. Wird ein Blister als Reservoir verwendet, so kann ein solch wirksamer Abschluss des Blisterinhalts gegen die Umgebung durch eine Metallschicht,
beispielsweise aus Aluminium, erzielt werden. Ein solcher Blister verliert typischerweise im Laufe eines Jahres, bei Raumtemperatur gelagert, weniger als 0,5% Flüssigkeit aus seinem Inhalt.
In einer Ausführungsform weist das Sensorelement eine Vielzahl an Reservoiren auf. Das Sensorelement ist dabei ferner derart ausgebildet, dass ein Inhalt eines jeden der Vielzahl an Reservoiren in den Kanal einleitbar ist. Beispielsweise kann jedes der Reservoire das gleiche Sensorgemisch enthalten. So ist es etwa möglich, zu Beginn einer Messung den Kanal aus einem der Reservoire mit Sensorgemisch zu füllen, und, wenn diese Füllung des Kanals verbraucht ist, etwa durch„Vergiften" des
Sensorgemisches, die Füllung des Kanals aus einem der weiteren Reservoire zu erneuern.„Vergiften" des Sensorgemisches bedeutet dabei das Eindringen von anderen Substanzen als dem Analyten in das Sensorgemisch, welche dort die chemischen Bedingungen ändern, so dass diese nicht mehr den Bedingungen entsprechen, bei denen eine Kalibrierung des Sensors durchgeführt wurde. Beispielsweise kann durch diese Substanzen die Zusammensetzung eines Puffers, welcher in Ausführungsformen eine Komponente des Sensorgemisches bildet, verändert werden. Eine weitere
Möglichkeit, gemäß der sich die Füllung eines Kanals verbrauchen kann, ist, dass ein als Sensorsubstanz verwendeter Farbstoff durch die Exposition an Licht bei Messungen oder auch die Exposition an Umgebungslicht allmählich zersetzt wird. Es kann vorteilhaft sein, den Kanal vor dem Einbringen frischen Sensorgemisches zu spülen. Dazu kann in einem der Reservoire eine Spülflüssigkeit enthalten sein; ein
nichteinschränkendes Beispiel für eine Spülflüssigkeit ist destilliertes Wasser. In einer Ausführungsform beinhaltet das Sensorelement eine Auffangkammer, in welche der Kanal mündet. In der Auffangkammer können sich etwa verbrauchtes
Sensorgemisch und Spülflüssigkeit sammeln. Auf diese Weise wird die Umgebung des Sensorelements nicht durch das Sensorgemisch oder die Spülflüssigkeit verunreinigt, das Sensorelement lässt sich also sauber handhaben und einsetzen. Ferner bildet die Gesamtheit aus Reservoir, Kanal und Auffangkammer ein gegen die Umgebung abgeschlossenes Volumen, was für die Sterilisierung des Sensors vorteilhaft ist. Die Grenzen dieses Volumens, also Wandungen von Reservoir, Kanal und Auffangkammer, bilden eine Sterilbarriere, das Sensorelement kann durch Strahlung sterilisiert werden. Die Auffangkammer kann insbesondere durch einen Blister gebildet sein. In einer Ausführungsform verfügt das Sensorelement über eine erste Absperrvorrichtung und eine zweite Absperrvorrichtung. Durch die erste Absperrvorrichtung und die zweite Absperrvorrichtung ist ein zwischen der ersten und zweiten Absperrvorrichtung verlaufender Abschnitt des Kanals absperrbar. Es ist damit möglich, den Kanal einschließlich des genannten Abschnitts aus einem Reservoir mit Sensorgemisch zu füllen, und sodann den Abschnitt abzusperren, so dass eine Strömung von
Sensorgemisch in den oder aus dem Abschnitt verhindert wird. Eine solche Strömung könnte sich insbesondere aufgrund eines Temperaturgradienten entlang des Kanals einstellen oder aufgrund eines Gradienten des osmotischen Druckes durch die
Membran. ln einer Ausführungsform umfasst das Sensorelement eine Vielzahl an Kanälen. Für jeden dieser Kanäle können die vorstehenden Ausführungen gelten. In einer
Weiterbildung hat das Sensorelement ein Reservoir, in dem eine Referenzsubstanz enthalten ist. Das Sensorelement ist dabei derart ausgebildet, dass die
Referenzsubstanz in einen Kanal der Vielzahl der Kanäle einleitbar ist. Die
Referenzsubstanz ist eine Substanz, die ein optisches Verhalten von bevorzugt gleicher Art wie das optische Verhalten der Sensorsubstanz zeigt, wobei jedoch das optische Verhalten der Referenzsubstanz nicht von dem Analyten abhängt. Bei einer Messung können dann zugleich optische Signale von einem Kanal, welcher Sensorsubstanz enthält, und von einem Kanal, welcher Referenzsubstanz enthält, erfasst werden.
Hierdurch können Einflüsse wie etwa Schwankungen der Intensität des Anregungslichts oder auch Querempfindlichkeiten berücksichtigt werden.
In einer Ausführungsform ist in einen ersten Kanal der Vielzahl an Kanälen eine erste Sensorsubstanz aus einem ersten Reservoir einleitbar, und in einen zweiten Kanal der Vielzahl an Kanälen eine zweite Sensorsubstanz aus einem zweiten Reservoir einleitbar. Erste und zweite Sensorsubstanz können sich beispielsweise hinsichtlich des Analyten unterscheiden, von dem ein jeweiliges optisches Verhalten der ersten bzw. der zweiten Sensorsubstanz abhängt. Auf diese Weise kann mit dem Sensorelement mehr als ein Analyt gemessen werden. Die Ergebnisse können ebenfalls wieder zur
Berücksichtigung von Querempfindlichkeiten verwendet werden. Ebenso ist es denkbar, dass das optische Verhalten der ersten Sensorsubstanz und das optische Verhalten der zweiten Sensorsubstanz von dem gleichen Analyten abhängen, sich jedoch diese Abhängigkeit nur in bestimmten Wertebereichen der Konzentration oder des
Partialdrucks des Analyten in für eine Messung brauchbarer Weise zeigt. Sind diese Wertebereiche für die erste und die zweite Sensorsubstanz verschieden, so kann mit dem Sensorelement ein größerer Wertebereich der Konzentration oder des
Partialdrucks des Analyten abgedeckt werden. Auch können sich die Sensorsubstanzen hinsichtlich der Art des optischen Verhaltens unterscheiden.
Anstatt, wie eben beschrieben, zwei unterschiedliche Sensorsubstanzen in getrennte Kanäle einzuleiten, ist es in Ausführungsformen vorgesehen, diese zwei unterschiedlichen Sensorsubstanzen in einen gemeinsamen Kanal einzuleiten. Hierzu können die beiden Sensorsubstanzen bereits in einem Reservoir vermischt bevorratet sein, oder jede Sensorsubstanz ist in einem separaten Reservoir bevorratet. In jedem Fall sind die Sensorsubstanzen aus dem Reservoir/den Reservoiren in den Kanal einleitbar.
In Ausführungsformen enthält ein Reservoir eine Vielzahl an Kammern. In jeder der Kammern ist dabei wenigstens eine Komponente eines Sensorgemischs bevorratet. In dieser Ausführungsform werden die Komponenten erst vermischt, das Sensorgemisch also erst gebildet, wenn das Sensorgemisch in einen Kanal des Sensorelements eingeleitet werden soll. Dies ist von Vorteil, wenn Komponenten des Sensorgemischs bei längerem Kontakt der Komponenten instabil sind, so dass eine längere Lagerung der Komponenten als Gemisch nicht möglich ist. In solch einem Fall kann es besonders vorteilhaft sein, mehrere gleichartige Reservoire auf dem Sensorelement vorzusehen, um, wie oben in allgemeinerem Rahmen erläutert, das Sensorgemisch in dem Kanal bei Bedarf erneuern zu können.
In einer speziellen Ausgestaltung dient das Sensorelement dem Nachweis von
Kohlendioxid, welches damit Analyt im Sinne der Anmeldung ist. Die Membran ist gasdurchlässig und ionenimpermeabel, zum Beispiel eine mikroporöse Membran aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), z.B. Accurel PP, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), oder z.B. aus einem monolithischen Film aus PVDF, PTFE, Silikon, PE, Perfluoralkoxylalkan (PFA). Das Reservoir enthält ein alkalisches
Sensorgemisch mit HPTS als Farbstoff, HEPES-Puffer, Carboanhydrase und der notwendigen Kochsalzmenge, um die Sensorlösung auf den osmotischen Druck der den Analyten enthaltenden Probe einzustellen. Der Nachweis des Kohlendioxids geschieht hier indirekt über die durch das Kohlendioxid bewirkte Veränderung des pH-Wertes des Sensorgemischs, das Lumineszenzverhalten von HPTS ist abhängig vom pH-Wert.
Die Membran/der Film kann in diesem Beispiel auf der dem Kanal zugewandten Seite z.B. durch Plasmaätzen oder Plasmapropfung von hydrophilen Monomeren (z.B. Allylalkohol) hydrophilisiert werden, so dass das Füllen des Kanals durch Kapillarkräfte blasenfrei möglich wird.
Mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement können, je nach verwendeter
Sensorsubstanz bzw. je nach verwendetem Sensorgemisch, aber auch andere Analyten nachgewiesen werden, beispielsweise können der Partialdruck von Gasen wie
Sauerstoff, Schwefeldioxid, oder Ammoniak, die Konzentration von Ionen oder
Molekülen, oder der pH-Wert gemessen werden. Entsprechende geeignete
Sensorsubstanzen bzw. Sensorgemische sind dem Fachmann bekannt.
Ein erfindungsgemäßes Sensorelement der oben beschriebenen Art wird zum Nachweis eines Analyten in einer Probe gemeinhin so eingesetzt, dass die Membran mit der
Probe in Kontakt gebracht und das Sensorgemisch in den Kanal eingeleitet wird, wobei die Reihenfolge dieser beiden Schritte, soweit nicht von Rahmenbedingungen, etwa des Messaufbaus, bestimmt, in der Regel irrelevant ist. Es wird dann Licht auf den Kanal gerichtet, beispielsweise um eine Lumineszenz anzuregen oder um eine Farbe oder ein Reflektionsvermögen ermitteln zu können, und optische Signale aus dem Kanal werden aufgezeichnet. Die aufgezeichneten Signale werden zum qualitativen oder quantitativen Nachweis des Analyten ausgewertet. Die Anregung, Aufzeichnung und Auswertung geschieht entsprechend einem der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten
Zeichnungen noch näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement.
Figur 2 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Sensorelements aus
Fig. 1.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes Sensorelement. Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes Sensorelement.
Figur 5 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
Figur 6 zeigt eine Schnittansicht eines Reservoirs. Figur 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement in einer Messanordnung.
Figur 8 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement in einer weiteren
Messanordnung.
Die Zeichnungen stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischer Weise dar, ohne jedoch die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Ferner sei angemerkt, dass, aus Gründen der Klarheit der Darstellung zur Erläuterung der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellten Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement 1 , wobei die Membran 3 (siehe Fig. 2) nicht dargestellt ist. In der gezeigten Ausführungsform verläuft der Kanal 2 in Mäandern und ist in einer Trägerplatte 5 ausgebildet. Aus einem
Reservoir 4 ist eine Sensorsubstanz in den Kanal 2 einleitbar. Dies geschieht in
Vorbereitung einer Messung. Vorher, solange das Sensorelement 1 etwa gelagert und nur für den Einsatz bereitgehalten wird, ist die Sensorsubstanz in dem Reservoir 4 eingeschlossen, mitunter als eine Komponente eines Sensorgemisches. Die gezeigte Ausführungsform des Sensorelements 1 hat ferner eine Auffangkammer 6 ausgebildet.
Gegenüber einem gerade zwischen Reservoir 4 und Auffangkammer 6 verlaufendem Kanal hat der in der gezeigten Ausführungsform verwendete mäanderförmige Kanal 2 den Vorteil, dass eine größere Menge Sensorgemisch und damit eine größere Menge Sensorsubstanz in dem Kanal 2 bereitgestellt werden kann. Somit kann Anregungslicht effizienter genutzt und z.B. ein intensiveres Lumineszenzsignal der Sensorsubstanz aus dem Kanal 2 empfangen werden. Damit fällt auch eine gegebene relative Änderung der Lumineszenzintensität absolut gesehen größer aus, was die Genauigkeit der Messung begünstigt. Dennoch lässt sich die Erfindung auch mit einem geradlinig verlaufenden Kanal realisieren.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Sensorelements 1 aus Fig. 1 entlang der in Fig. 1 gezeigten Linie 100. Der Verlauf des Kanals 2 wurde dabei vereinfacht dargestellt. Die Trägerplatte 5 ist durch Membran 3 bedeckt. Die Membran 3 bedeckt dabei auch den Kanal 2 und bildet so einen Bereich einer Wandung des Kanals 2.
Gezeigt ist ferner Barriere 41 , durch welche das Reservoir 4 gegen den Kanal 2 verschlossen ist. In dem gezeigten Zustand befindet sich also keine Sensorsubstanz in Kanal 2. Das Reservoir 4 kann beispielsweise durch einen Blister gebildet sein. Wird dabei eine hinreichend große Kraft in Richtung des Pfeils 101 auf das Reservoir bzw. den Blister 4 ausgeübt, so öffnet sich eine Sollbruchstelle 43 der Barriere 41 und der Inhalt des Reservoirs kann in den Kanal 2 gelangen. In Ausführungsbeispielen hat der Kanal 2 einen rechteckigen Querschnitt von z.B. 100 pm auf 100 pm Größe, ohne jedoch die Erfindung darauf zu beschränken. Bei solchen Abmessungen wird die Füllung des Kanals 2 mit Sensorgemisch aus Reservoir 4 durch Kapillarkräfte unterstützt. Sind der Kanal 2 und eine dem Kanal 2 zugewandte Oberfläche 31 der Membran 3 hydrophilisiert, so wird die Füllung des Kanals 2 zusätzlich unterstützt. Die Kraft auf das Reservoir 4 in Richtung des Pfeils 101 kann zum Beispiel direkt durch einen Anwender ausgeübt werden, etwa durch Druck mit einem Finger, oder
beispielsweise durch einen Stößel oder ein anderes Element einer übergeordneten Apparatur, in welche das Sensorelement 1 eingesetzt wird. Für das Prinzip der
Erfindung ist dies unerheblich. Ebenso sind die genaue Ausgestaltung der Barriere, der Sollbruchstelle 43 oder eines Perforationsmechanismus für die Barriere für die
Erfindung nicht relevant; entsprechende Details lassen sich bei Bedarf dem Stand der Technik entnehmen.
Fig. 3 zeigt, der Darstellung in Fig. 1 entsprechend, eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1. Bei dem Sensorelement 1 ist Kanal 2 in einer Trägerplatte 5 ausgebildet. Der Kanal 2 mündet in eine Auffangkammer 6. In der gezeigten Ausführungsform weist das Sensorelement 1 eine Vielzahl an Reservoiren 4, hier speziell drei Reservoire 4, auf. Beispielsweise kann jedes der Reservoire 4 das gleiche Sensorgemisch enthalten, der Kanal 2 wird dann aus einem der Reservoire 4 mit Sensorgemisch befüllt, und das Sensorelement 1 wird zu Messungen verwendet. Bei Bedarf kann das Sensorgemisch in dem Kanal 2 dann aus einem der weiteren Reservoire 4 erneuert werden. Auch kann eines der Reservoire 4 Spülflüssigkeit für den Kanal 2 enthalten. Um dabei ein Einströmen von Sensorgemisch oder Spülflüssigkeit aus einem Reservoir 4 in ein bereits früher entleertes Reservoir 4 zu vermeiden, können, etwa im Einmündungsbereich 24, Ventile vorgesehen sein. Für den Kanal 2 sind in der gezeigten Ausführungsform eine erste Absperrvorrichtung 21 und eine zweite Absperrvorrichtung 22 vorgesehen. Ein Abschnitt 23 des Kanals 2 zwischen der ersten Absperrvorrichtung 21 und der zweiten Absperrvorrichtung 22 kann durch die
Absperrvorrichtungen 21 , 22 abgesperrt werden. Dies kann beispielsweise nach Füllung des Kanals 2 mit Sensorgemisch erfolgen, um während einer Messung eine Strömung des Sensorgemischs durch den Kanal 2 und speziell durch den mäandrierenden Abschnitt 23 zu vermeiden; eine solche Strömung kann etwa durch einen
Temperaturgradienten entlang des Kanals hervorgerufen werden und eine Drift eines optischen Signals aus dem Kanal 2 verursachen.
Fig. 4 zeigt, der Darstellung in Fig. 1 entsprechend, eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1 . Das Sensorelement 1 weist in Trägerplatte 5 einen ersten Kanal 25 und einen zweiten Kanal 26 auf, von denen jeder in eine separate Auffangkammer 6 mündet. Ebenso wäre es denkbar, dass beide Kanäle 25, 26 in eine gemeinsame Auffangkammer münden. In einer Ausgestaltung kann in den ersten Kanal 25 aus einem ersten Reservoir 45 eine erste Sensorsubstanz, beispielsweise als Komponente eines Sensorgemisches, eingeleitet werden. In den zweiten Kanal 26 kann in dieser Ausgestaltung aus einem zweiten Reservoir 46 eine zweite Sensorsubstanz, beispielsweise als Komponente eines Sensorgemisches, eingeleitet werden. Die erste und die zweite Sensorsubstanz können sich beispielsweise durch den Analyten unterscheiden, von dem ihr jeweiliges optisches Verhalten abhängt. So kann etwa die erste Sensorsubstanz im ersten Kanal 25 nach Anregung Lumineszenzlicht emittieren, wobei die Abklingzeit dieser Lumineszenz vom Partialdruck von Sauerstoff abhängt; die zweite Sensorsubstanz im zweiten Kanal 26 kann etwa nach Anregung
Lumineszenzlicht emittieren, wobei die Abklingzeit dieser Lumineszenz vom Partialdruck von Kohlendioxid abhängt. Ebenso ist es möglich, dass für beide Sensorsubstanzen das jeweilige optische Verhalten vom gleichen Analyten abhängt, beispielsweise von Sauerstoff, sich jedoch die Wertebereiche der Konzentration des Analyten unterscheiden, in denen sich eine für eine Messung hinreichende Abhängigkeit des optischen Verhalten der jeweiligen Sensorsubstanz von dem Analyten zeigt. Auch kann es sein, dass sich erste und zweite Sensorsubstanz in der Art ihres jeweiligen optischen Verhaltens unterscheiden, beispielweise kann die Farbe der ersten Sensorsubstanz sich in Abhängigkeit von der Konzentration eines Analyten ändern, und die zweite
Sensorsubstanz kann eine Lumineszenzerscheinung zeigen, deren Abklingzeit von der Konzentration dieses Analyten oder eines anderen Analyten abhängt.
Auf diese Weise können mit dem gezeigten Sensorelement 1 zwei unterschiedliche Analyten in einer Probe gemessen werden, oder es kann ein größerer Wertebereich der Konzentration oder des Partialdrucks eines Analyten mit dem Sensorelement 1 abgedeckt werden.
In einer anderen Ausgestaltung des gezeigten Sensorelements 1 kann beispielsweise in den ersten Kanal 25 aus dem ersten Reservoir 45 eine Sensorsubstanz eingeleitet werden, etwa als Komponente eines Sensorgemisches. In den zweiten Kanal 26 kann aus dem zweiten Reservoir 26 eine Referenzsubstanz, etwa als Bestandteil eines Referenzgemisches, eingeleitet werden. So können mit dem Sensorelement 1
Messungen eines Analyten unter Ausnutzung eines optischen Verhaltens der
Sensorsubstanz durchgeführt werden, wobei etwa ein optisches Verhalten der
Referenzsubstanz zu Kalibrierzwecken genutzt wird. Auch bei einem Sensorelement 1 mit mehreren Kanälen, wie beispielsweise in der Fig. 4 mit zwei Kanälen, können zu einem oder mehreren der Kanäle mehrere Reservoire, wie etwa in Fig. 3 zu einem Kanal 2 gezeigt, vorgesehen sein.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Sensorelements 1. In dieser Ausführungsform ist der Kanal 2 durch eine Röhre 7 gegeben, welche durch die Membran 3 gebildet wird. Das heißt, aus der Membran 3 ist eine Röhre 7 oder ein Schlauch geformt, dessen Inneres den Kanal 2 darstellt. Die Membran 3 bildet die Wandung der Röhre 7 und damit des Kanals 2. In der gezeigten Ausführungsform ist die Röhre 7 auf einer Trägerplatte 5 befestigt, zum Beispiel mit der Trägerplatte 5 verklebt, und verläuft dort in Mäandern, so dass die Röhre 7 durch den dargestellten Schnitt mehrmals erfasst wird.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform eines Reservoirs 4 im Querschnitt. Das gezeigte Reservoir 4 hat drei Kammern 42 ausgebildet, in denen Komponenten eines
Sensorgemischs getrennt voneinander bevorratet werden können. Das Reservoir 4 ist durch eine Barriere 41 verschlossen. Die Barriere 41 weist für jede Kammer 42 eine Sollbruchstelle 43 auf. Bei Einsatz in einem Sensorelement 1 , wie in Fig. 2 zu dem dort gezeigten Reservoir 4 dargestellt und erläutert, können durch Ausübung einer Kraft auf das Reservoir 4 die Sollbruchstellen 43 zum Bersten gebracht werden, so dass der Inhalt der drei Kammern 42 in den Kanal 2 gelangt und vermischt wird.
Fig. 7 zeigt eine mögliche Messanordnung 300, zusammen mit der das
erfindungsgemäße Sensorelement 1 eingesetzt werden kann, um wenigstens einen Analyten in einer Probe 200 qualitativ oder quantitativ nachzuweisen. Die Probe 200 befindet sich dabei in einem Probenbehälter 210; es kann sich dabei beispielsweise und ohne die Erfindung darauf zu beschränken, um einen Bioreaktor handeln. Das
Sensorelement 1 ist in einer entsprechenden Halterung 220, beispielsweise einem Port eines Bioreaktors, angebracht. Von dem Sensorelement 1 sind nur Membran 3 und Trägerplatte 5 gezeigt. Die Membran 3 ist mit der Probe 200 in Kontakt, so dass der mindestens eine Analyt aus der Probe 200 durch die Membran 3 hindurch zu dem Kanal bzw., je nach Ausgestaltung des Sensorelements 1 , den Kanälen des Sensorelements 1 gelangen kann.
Die Messanordnung 300 umfasst hier eine Steuereinheit 310, Lichtquellen 320 und eine Kamera 330. Die Lichtquellen 320 sind dazu vorgesehen, eine Lumineszenz einer Sensorsubstanz in einem Kanal des Sensorelements 1 anzuregen, die Kamera 330 ist dazu vorgesehen, das Lumineszenzsignal von der Sensorsubstanz zu erfassen.
Lichtquellen 320 und Kamera 330 werden durch die Steuereinheit 310 gesteuert. Die Auswertung, d.h. die Ermittlung etwa der Konzentration des Analyten, kann ebenfalls durch die Steuereinheit 310 erfolgen. Die Trägerplatte 5 ist in der gezeigten Ausführungsform durchlässig für Licht von den Lichtquellen 320 zur Anregung der Lumineszenz, und für das Lumineszenzlicht. Die Membran 3 kann so ausgebildet sein, dass sie Licht zurückstreut, um das
Anregungslicht besser auszunutzen und einen größeren Anteil des Lumineszenzlichts in Richtung der Kamera zu lenken; beispielsweise kann die Membran 3 hierzu
Titandioxidpartikel enthalten. Zwischen Lichtquellen 320 und Trägerplatte 5 und/oder zwischen Trägerplatte 5 und Kamera 330 können weitere optische Elemente, darunter auch Filter, vorgesehen sein. Der Probenbehälter 210 kann weitere Elemente enthalten, etwa ein Rührwerk. Anstelle der Kamera 330 können andere Detektorvorrichtungen eingesetzt werden. Anstelle einer hier gezeigten Freistrahloptik können Anregungslicht und/oder Lumineszenzlicht auch über Wellenleiter, insbesondere optische Fasern, geführt werden.
Fig. 8 zeigt eine weitere mögliche Messanordnung 300, zusammen mit der das erfindungsgemäße Sensorelement 1 eingesetzt werden kann, um wenigstens einen Analyten in einer Probe 200 qualitativ oder quantitativ nachzuweisen. Die Probe 200 befindet sich dabei in einem Probenbehälter 210, welcher als Durchflusselement ausgebildet ist und hier von der Probe 200 in der Strömungsrichtung 240 durchströmt wird. Das Sensorelement 1 , von dem nur Membran 3 und Trägerplatte 5 gezeigt sind, befindet sich in einer Halterung 220, welche in der Wandung des Durchflusselements vorgesehen ist. Die Membran 3 ist dabei in Kontakt mit der Probe 200, so dass der mindestens eine Analyt aus der Probe 200 durch die Membran 3 hindurch zu dem Kanal bzw., je nach Ausgestaltung des Sensorelements 1 , den Kanälen des Sensorelements 1 gelangen kann. Die Messanordnung 300 umfasst hier eine Steuereinheit 310 und eine, nur sehr schematisch dargestellte, optische Faser 350. Geeignete
Ankoppelvorrichtungen für optische Fasern an Sensorelemente sind dem Fachmann bekannt. Die optische Faser 350 dient dazu, Licht von einer in der Steuereinheit 310 vorgesehenen Lichtquelle (nicht gezeigt) zu dem Sensorelement 1 zu führen, um dort eine Lumineszenz einer Sensorsubstanz in einem Kanal des Sensorelements 1 anzuregen. Ebenso wird dadurch erzeugtes Lumineszenzlicht von der Sensorsubstanz durch die optische Faser 350 zu der Steuereinheit 310 geführt, um dort nach Erfassung durch einen in der Steuereinheit 310 vorgesehenen Detektor (nicht gezeigt) zum
Nachweis des Analyten ausgewertet zu werden. Es könnte hier anstelle der optischen Faser 350 auch eine Freistrahloptik, etwa wie in der Fig. 7 gezeigt, verwendet werden. Die Membran 3 kann auch hier, wie in der Ausführungsform der Fig. 7, dazu ausgebildet sein, Licht zurückzustreuen. Die Trägerplatte 5 ist, wie in der Ausführungsform der Fig. 7, durchlässig für Licht zur Anregung der Lumineszenz der Sensorsubstanz und für Lumineszenzlicht von der Sensorsubstanz.
Bezugszeichenliste
1 Sensorelement
2 Kanal
3 Membran
4 Reservoir
5 Trägerplatte
6 Auffangkammer
7 Röhre
21 erste Absperrvorrichtung
22 zweite Absperrvorrichtung
23 Abschnitt des Kanals
24 Einmündungsbereich
25 erster Kanal
26 zweiter Kanal
31 Oberfläche der Membran
41 Barriere
42 Kammer
43 Sollbruchstelle
45 erstes Reservoir
46 zweites Reservoir
100 Linie
101 Pfeil
200 Probe
210 Probenbehälter
220 Halterung für Sensorelement
240 Strömungsrichtung
300 Messanordnung
310 Steuereinheit
320 Lichtquelle
330 Kamera
350 optische Faser

Claims

Patentansprüche
1. Sensorelement (1 ) mit einem Reservoir (4), in welchem eine Sensorsubstanz enthalten ist, die ein optisches Verhalten aufweist, das von einem Analyten abhängt; einem Kanal (2), wobei das Sensorelement (1 ) derart ausgebildet ist, dass die Sensorsubstanz aus dem Reservoir (4) in den Kanal (2) einleitbar ist; gekennzeichnet durch eine Membran (3), die für den Analyten durchlässig ist, und welche einen Bereich einer Wandung des Kanals (2) bildet.
2. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der Kanal (2) in einer Trägerplatte (5) ausgebildet und durch die Membran (3) bedeckt ist.
3. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der Kanal (2) durch den Innenbereich einer durch die Membran (3) geformten Röhre (7) gebildet ist.
4. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 3, wobei die Röhre (7) auf einer Trägerplatte (5) angeordnet ist.
5. Sensorelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Reservoir (4) durch einen Blister gebildet ist.
6. Sensorelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Reservoir (4) von dem Kanal (2) durch eine Barriere (41 ) getrennt ist, wobei die Barriere (41 ) eine Sollbruchstelle (43) aufweist, oder wobei das Sensorelement (1 ) eine Vorrichtung aufweist, durch welche die Barriere (41 ) perforiert werden kann.
7. Sensorelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Sensorelement (1 ) eine Vielzahl an Reservoiren (4) aufweist, und das
Sensorelement (1 ) derart ausgebildet ist, dass ein Inhalt eines jeden Reservoirs (4) der Vielzahl an Reservoiren (4) in den Kanal (2) einleitbar ist.
8. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 7, wobei ein Reservoir (4) der Vielzahl an Reservoiren (4) eine Spülflüssigkeit enthält.
9. Sensorelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Sensorelement (1 ) eine Auffangkammer (6) umfasst, in welche der Kanal (2) mündet.
10. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 9, wobei die Auffangkammer (6) durch einen Blister gebildet ist.
1 1 . Sensorelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer ersten Absperrvorrichtung (21 ) und einer zweiten Absperrvorrichtung (22), wobei ein zwischen der ersten Absperrvorrichtung (21 ) und der zweiten Absperrvorrichtung
(22) verlaufender Abschnitt (23) des Kanals (2) durch die erste
Absperrvorrichtung (21 ) und die zweite Absperrvorrichtung (22) absperrbar ist.
12. Sensorelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Sensorelement (1 ) eine Vielzahl an Kanälen (2) umfasst. 13. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 12, mit einem Reservoir (4), in dem eine
Referenzsubstanz enthalten ist, wobei das Sensorelement (1 ) derart ausgebildet ist, dass die Referenzsubstanz in einen Kanal (2) der Vielzahl an Kanälen (2) einleitbar ist.
14. Sensorelement (1 ) nach Anspruch 12 oder 13, wobei in einen ersten Kanal (25) der Vielzahl an Kanälen eine erste Sensorsubstanz aus einem ersten Reservoir
(45) einleitbar ist, in einen zweiten Kanal (26) der Vielzahl an Kanälen eine zweite Sensorsubstanz aus einem zweiten Reservoir (46) einleitbar ist, und sich die erste Sensorsubstanz und die zweite Sensorsubstanz unterscheiden hinsichtlich des Analyten, von dem ein jeweiliges optisches Verhalten der jeweiligen
Sensorsubstanz abhängt, und/oder hinsichtlich des Wertebereichs eines
Analyten, für welchen sich eine Abhängigkeit des jeweiligen optischen Verhaltens der jeweiligen Sensorsubstanz von dem Analyten zeigt, und/oder hinsichtlich der Art des optischen Verhaltens. Sensorelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Einleitung in einen Kanal (2) des Sensorelements (1 ) mindestens zwei
Sensorsubstanzen vorgesehen sind und sich die Sensorsubstanzen
unterscheiden hinsichtlich des Analyten, von dem ein jeweiliges optisches Verhalten der jeweiligen Sensorsubstanz abhängt, und/oder hinsichtlich des Wertebereichs eines Analyten, in welchem sich eine Abhängigkeit des jeweiligen optischen Verhaltens der jeweiligen Sensorsubstanz zeigt, und/oder hinsichtlich der Art des optischen Verhaltens.
Sensorelement (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Reservoir (4) eine Vielzahl an Kammern (42) enthält und in jeder der Kammern (42) wenigstens eine Komponente eines Sensorgemischs bevorratet ist.
Verwendung eines Sensorelements (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum Nachweis eines Analyten in einer Probe (200), wobei die Membran (3) mit der Probe (200) in Kontakt gebracht wird, das Sensorgemisch in den Kanal (2) eingeleitet wird, Licht auf den Kanal (2) gerichtet wird, optische Signale aus dem Kanal (2) aufgezeichnet und zum qualitativen oder quantitativen Nachweis des Analyten ausgewertet werden.
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