DE102007022323A1

DE102007022323A1 - Multiparameter-Messsystem

Info

Publication number: DE102007022323A1
Application number: DE200710022323
Authority: DE
Inventors: Winfried Prof. Dr. Vonau; Sigrun Herrmann; Frank Berthold; Ute Enseleit; Wilfried P. Dr. Bieger; Wolfgang Mayer
Original assignee: E V MEINSBERG; Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Current assignee: E V MEINSBERG; Kurt Schwabe Institut fuer Mess und Sensortechnik Ev Meinsberg
Priority date: 2007-05-12
Filing date: 2007-05-12
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen kostengünstig herstellbaren und in eine Messanordnung integrierten Multisensorchip zur quantitativen Bestimmung von mindestens vier analytischen Größen in extrazellulären Flüssigkeiten mit physikalisch-chemischen Methoden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein sich auf mehrere chipbasierte elektrochemische Sensoren gründendes Messsystem zur Untersuchung von Körperflüssigkeiten.
Stand der Technik
Von Vincent [Vincent, L.-C. et al.: Gesammelte Vorträge. Erster Kongress der Internationalen Gesellschaft Bio-Elektronik Vincent (SIBEV) vom 14.–15. Februar in Königstein/Taunus 1976] ist die Methode der Bioelektronischen Terrain-Analyse (BE-T-A) bekannt, welche ursprünglich entwickelt wurde, um ein aussagefähiges und praktikables Verfahren zur Wasserqualitätsanalyse hinsichtlich der Beurteilung der Wasserverträglichkeit durch den menschlichen Organismus zur Verfügung zu stellen. Er fand u. a. heraus, dass an Orten mit hartem, mineralreichem Wasser die Herz-Kreislauf-Erkrankungen deutlich höher lagen als an Orten mit weichem, mineralarmen Wasser. Nach seinen Untersuchungen korreliert die Benutzung von chloriertem Trinkwasser auch mit einer höheren Krebsrate.
Später wurde die Messmethode auf die Bestimmung der biologischen Qualität von Körperflüssigkeiten angewendet [Roujon, L.: Theorie und Praxis der Bio-Elektronik „Vincent". Marsat 1975, Sonderdruck der Internationalen Gesellschaft für Bio-Elektronik „Vincent", Ottfingen]. Sie wird heute zur Bestimmung des Biologischen Terrains oder des Biologischen Milieus von Naturheilkundeärzten und Heilpraktikern als humoralpathologisch orientierte Diagnosemethode bei der Prävention und nach der Manifestation von Erkrankungen praktiziert sowie u. a. auch zu einer ganzheitlich orientierten, stoffunspezifischen Lebensmittelqualitätsanalyse genutzt. So sollen sich mit dieser Methode z. B. deutlich und reproduzierbar mit relativ wenig Aufwand ökologisch hergestellte Lebensmittel von konventionell hergestellten unterscheiden lassen, was mit einer konventionellen Lebensmittelqualitätsanalyse meistens nicht möglich ist.
Bei der BE-T-A werden die physikochemischen oder elektrochemischen Kenngrößen pH-Wert, rH-Wert (Redoxpotenzial) und R-Wert (spezifischer elektrischer Widerstand) bei den extrazellulären Flüssigkeiten Speichel, Blut und Urin bestimmt. Der Begriff „Terrain" bezeichnet das extrazelluläre Milieu im Menschen [Elmau H.: Bioelektronik nach Vincent – Säure-Basen-, Wasser- und Elektrolythaushalt in Theorie und Praxis. Wiesbaden: Promedicina 2001].
U. a. für die BE-T-A, aber auch für weitere Applikationen sind Mehrfachsonden zur Bestimmung der relevanten Parameter mit angepasster Messelektronik erforderlich. Stand der Technik in diesem Zusammenhang sind zylinderförmige Mehrfachmesselektro den, die auf kleinstem Raum eine pH-Elektrode, eine Redox-Elektrode, eine Leitfähigkeitsmesszelle, eine Referenzelektrode und einen Temperatursensor konzentrieren; die jeweilige Körperflüssigkeit wird dann direkt nach der Probeentnahme in einer speziellen Messküvette gemessen.
Bekannte kommerzielle Anbieter o. g. Messtechnik zur Bestimmung aller drei erwähnten Komponenten oder nur einer davon in den Körperflüssigkeiten Blut, Speichel und Urin sind u. a. VEGA Grieshaber KG, Schiltach (BTA^® S-2000), EUTROPA AG, Gräfelfing (BETA-Gerät) oder Med-Tronik GmbH, Friesenheim (OXI-MED^®).
Kritik am Stand der Technik
Bekannte Lösungen zur Bestimmung konzentrationsanalytischer bzw. physikochemischer Größen in den Körperflüssigkeiten Blut, Urin und Speichel basieren auf relativ aufwendig mit Methoden der Feinwerktechnik herstellbaren miniaturisierten elektrochemischen Sensoren in konventioneller Bauart. Mehrfachmesselektroden sind daher konstruktionsbedingt in ihrer Parametervarianz stark eingeschränkt. Die Erfassung von insgesamt drei Größen mittels Direktpotentiometrie und Konduktometrie bei gleichzeitiger Temperaturmessung stellt im hier relevanten Kontext bisher das realisierte Maximum dar.
Insbesondere mit Blick auf das Applikationsfeld einer Diagnosestellung aus der Bewertung einer Matrix von Parametern, die in extrazellulären Flüssigkeiten bestimmt wurden, erscheint es zielführend, weitere analytisch gewonnene, den Stoffwechselzustand beschreibende Größen in die Bewertung einzubeziehen.
Weiterhin sollte der Fertigungsaufwand für die Multiparameter-Sensorik sehr gering sein, um zu sehr preiswerten Sensormodulen zu gelangen, damit ggf. auf aufwendige Sterilisierungen des Equipments zwischen den Messeinsätzen verzichtet werden kann. Dies ist beim Einsatz konventionell aufgebauter miniaturisierter elektrochemischer Sensoren aus Kostengründen nicht der Fall.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Multiparameter-Messsystem zur Ermittlung von mindestens vier analytischen bzw. physikalisch-chemischen Größen mit Relevanz für die sog. Terrainanalyse zu schaffen, die in extrazellulären Flüssigkeiten, wie Blut, Urin und Speichel zu bestimmen sind. Der Gegenstand der Erfindung ist dann u. a. nutzbringend bei der Therapierung von Radikalkrankheiten.
Insbesondere der multisensorische Teil des Gesamtsystems soll ein kostengünstiges Einweg-Element darstellen, um aufwendige Nachsterilisations- bzw. -desinfektionsvorgänge nicht erforderlich werden zu lassen.
Lösung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, indem das vorgeschlagene Multiparameter-Messsystem wie folgt aufgebaut ist:
Auf einem planaren oxidkeramischen Substrat befinden sich in Dickfilm- bzw. Dispensertechnik erzeugte sensorische Strukturen zur Detektion des pH- und des rH-Wertes sowie der Wasserstoffperoxidkonzentration und der Leitfähigkeit einschließlich aller Kontaktbahnen. Der somit vorliegende Sensorchip ist in der Weise konfektioniert, dass er Bestandteil eines Kunststoffteiles ist, welches seine elektrischen Kontakte gegen Zutritt von Analytlösung und anderen elektrolytisch leitenden Medien isoliert und gleichzeitig eine Messkammer für die Einbringung der Analytsubstanzen bildet. Armierungselement und integrierter Sensorchip bilden gemeinsam den Physiosensor, der zur Messung in ein Kontaktinterface eingesetzt ist. Das Kontaktinterface ist entweder ein separates Teil, das über ein Kabel mit dem Gerät zur Messung aller Stoffgrößen verbunden ist, oder es ist integrierter Bestandteil des Messgerätes.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Auf dem in 1 gezeigten 0,6 mm dicken Al₂O₃-Keramiksubstrat 1 mit den Kantenlängen 35 mm × 35 mm sind im Siebdruckprozess sensorische Strukturen aufgebracht und mit in der gleichen Technologie erzeugten Kontaktbahnen 7 verbunden, von denen aus eine Durchkontaktierung auf die Substratrückseite vorgenommen ist.
Der resultierende Multisensorchip enthält als potentiometrische Sensoren eine pH-sensitive RuO₂-Elektrode 2 und eine Pt-Redox-Elektrode 3, die mit einer planaren Ag/AgCl-Referenzelektrode 4 kombiniert sind. Weiterhin befinden sich auf dem Chip eine 4-Elektroden(Pt)-Leitfähigkeitsstruktur 5 und eine membranbedeckte potentiostatische 3-Elektrodenstruktur zur Wasserstoffperoxidmessung 6. Der Wasserstoffperoxidsensor besteht aus einem Dreielektrodensystem, dessen Arbeits- und Gegenelektrode aus Platin und dessen Bezugselektrode aus Silber/Silberchlorid bestehen. Auf der Platin-Arbeitselektrode befinden sich durch Elektropolymerisation von 2-(4-Aminophenyl)-Ethylamin und dem 2,6-Dihydroxynaphthalin erzeugte dünne Polymerschichten, in die das Enzym Peroxidase in Gegenwart von Glutaraldehyd immobilisiert ist. Zusätzlich ist über das 3-Elektrodensystem eine Diffusionsmembran aus einem Silikonelastomer aufgebracht.
Zur Aufnahme des Analyten ist der Multisensorchip gemäß 2 in ein Kunststoffteil 9 flüssigkeitsdicht eingeklebt, das die zylindrische Messkammer bildet. Dieses Teil stellt den Physiosensor dar. Zur Messung ist der Physiosensor zwecks Kontaktierung in das Kontaktinterface 9, das über ein Kabel mit dem Multiparameter-Messgerät verbunden ist, eingesetzt. Ein sicherer Halt zwischen Physiosensor und Kontaktinterface 9 ist durch Aufsetzten eines als Kunststoffmutter ausgebildeten Verschraubungselementes 10 erreicht, wobei die Art der Verschraubung eine Verdrehsicherheit gewährleistet. D. h., aufgrund der Vielfältigkeit der Sensoren auf dem Multisensorchip ist eine eindeutige Zuordnung der jeweiligen Sensorsignale über die zugehörigen elektrischen Kontakte für eine Weiterleitung an die Sensorbetriebsschaltungen im Messgerät gewährleistet.
Der Physiosensor stellt einen vorzukonditionierenden Einweg-Artikel für Mess-Volumina von 200 ... 500 μL dar.
Darstellung der Vorteile der Erfindung
Vorteilhaft ist, dass die mittels Planartechnologien, wie Dickfilm- und Dispensertechnologie hergestellten Multisensorchips für nunmehr mindestens vier Parameter als Kernbestandteil der erfinderischen Lösung kostenmäßig vertretbar als Einwegsensoren eingesetzt werden können. Hiermit entfällt die ansonsten erforderliche Sterilisierung der Messfühler vor jedem weiteren Einsatz.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Verkapselung der Multisensorchips gleichzeitig die Funktion der Messkammer erfüllt und dass der so gestaltete Physiosensor nach der Messung durch den praktischen Schraubverschluss einfach und schnell ausgewechselt werden kann und damit auch die ansonsten erforderliche Messkammer- und Chipreinigung entfällt.
Der mittels Planartechnologien hergestellte Multisensorchip gestattet im Vergleich zu bisher bekannten Messzellen Analysen in kleinen Probevolumina, was insbesondere bei Blut/Serum von Interesse ist.
Die konstruktive Einheit zwischen Physiosensor und Multiparametermessgerät mit USB-Schnittstelle zum PC gestattet neben der störungsfreien Messung auch die schnelle und sichere Datenübertragung sowie Messwertspeicherung.
Bilder
1 Layout des Dickschicht-Multiparameterchips mit den Sensoren zur Bestimmmung des pH-Wertes, des Redoxpotentials, der Wasserstoffperoxidkonzentration und der Leitfähigkeit
2 Physiosensor (a), Kontaktinterface zum Messgerät (b) und Verschraubungselement (c)(v. l. n. r.)

1: Substrat
2: pH-Elektrode
3: Redoxelektrode
4: elektrochemische Bezugselektrode
5: Leitfähigkeitselektroden
6: Wasserstoffperoxidsensor
7: Kontaktbahnen
8: Kunststoffteil zur Bildung der zylindrischen Messkammer (Physiosensor)
9: Kontaktinterface
10: Verschraubungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Vincent, L.-C. et al.: Gesammelte Vorträge. Erster Kongress der Internationalen Gesellschaft Bio-Elektronik Vincent (SIBEV) vom 14.–15. Februar in Königstein/Taunus 1976 [0002]
- Roujon, L.: Theorie und Praxis der Bio-Elektronik „Vincent". Marsat 1975 [0003]
- Elmau H.: Bioelektronik nach Vincent – Säure-Basen-, Wasser- und Elektrolythaushalt in Theorie und Praxis. Wiesbaden: Promedicina 2001 [0004]

Claims

Multiparameter-Messsystem zur Bestimmung des Zustandes extrazellulärer Flüssigkeiten in Mengen ab ca. 200 μl, wie Blut, Speichel und Urin mit physikalisch-chemischer Sensorik, dadurch gekennzeichnet, dass dieses System zum Einen aus einem in ein Kontaktinterface (9) eingepassten konfektionierten Multisensorchip, dem Physiosensor, besteht, welcher auf einem planaren Substrat (1) aus Glas, Keramik oder Glaskeramik mindestens vier in Dickschichttechnik und weiteren Planartechnologien realisierte Sensorstrukturen trägt, wobei es sich dabei um potentiostatische, konduktometrische und/oder potentiometrische Sensoren einschließlich der hierfür erforderlichen elektrochemischen Bezugselektrode (4), handelt, und dass er zum Anderen aus einem Multiparameter-Messgerät besteht, wobei der Physiosensor entweder in das Messgerät konstruktiv integriert oder als separates Teil mit diesem über ein Kabel verbunden ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den planaren Sensoren um Messfühler zur Bestimmung der Wasserstoffperoxidkonzentration (6), der Leitfähigkeit (5), des Redoxpotentials (3) und des pH-Wertes (2) handelt.
Messsystem nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der potentiometrischen Elektrode zur Bestimmung des pH-Wertes (2) um einen in Dickschichttechnik hergestellten Rutheniumoxidsensor, einen Iridiumoxidsensor, einen planaren Antimonsensor oder einen gleichartigen Bismutsensor handelt, dass die Redoxelektrode (3) auf einer Platin-, Gold- oder Palladiumelektrode, hergestellt in konventioneller Dickschichttechnik, basiert, dass der potentiostatische Wasserstoffperoxidsensor (6) ein Zwei- oder Dreielektrodensystem ist, dessen Arbeits- und Gegenelektrode aus Platin-, Gold- oder Palladium und dessen Bezugselektrode aus Silber/Silberchlorid bestehen, und der mit einer das Enzym enthaltenden Membranschicht und/oder einer zusätzlichen Diffusionsmembran bedeckt ist, dass die Leitfähigkeitselektrode (5) eine sich auf Platin-Gold- oder Graphitpasten gründende Vierelektrodenmesszelle in Balken- oder Ringstruktur darstellt und dass die elektrochemische Bezugselektrode (4) eine Silberchloridelektrode mit Überführung in Dickschichttechnik oder eine auf übergangsmetalloxidischen Bronzen beruhende Elektrode ist.
Messsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der potentiostatische Wasserstoffperoxidsensor das Enzym Peroxidase kovalent gebunden an ein bifunktionelles Kopplungsreagenzien, wie Carbonsäurehalogenide, Isocyana te, Chinone, Aldehyde, und/oder immobilisiert in eine nichtleitende Polymer-/Copolymermatrix, wie 2-(4-Aminophenyl)-Ethylamin, 2,6-Dihydroxynaphthalin, enthält und mit einer weiteren die Diffusion von Wasserstoffperoxid begrenzenden Membranschicht, hergestellt aus Polymeren der Gruppen Polyvinylalkohol, Polyurethane, Silikonelastomere, überdeckt wird.
Messsystem nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfektionierung des Multisensorchips auf die Art vorgenommen ist, dass dieser Chip in einem Kunststoffteil (8), welches die zylindrische Messkammer für die extrazellulären Flüssigkeiten bildet eingeklebt ist, so dass alle elektrischen Kontakte, also die die Sensorsignale ableitenden bzw. die Sensoren mit Polarisationsspannung speisenden Kontaktbahnen (7) und die Durchkontaktierungen zur Rückseite des Substrates (1) gegen den Zutritt von Analytlösunge und anderen elektrolytisch leitenden Medien isoliert sind.
Messsystem nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein sicherer Halt und eine Verdrehsicherheit zwischen Physiosensor und Kontaktinterface (9) durch ein Verschraubungselement (10) erreicht sind, welches im verschraubten Zustand den auswechselbaren Physiosensor fest in das Kontaktinterface (9) andrückt.
Messsystem nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktinterface (9) Bestandteil des Multiparameter-Messgerätes ist oder als ein separates Teil über ein Kabel mit dem Gerät verbunden ist.