DE19839705A1

DE19839705A1 - Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen chemischen Schnell-Analyse sowie Methode zur Herstellung

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Publication number: DE19839705A1
Application number: DE19839705A
Authority: DE
Inventors: Helmut Starp; Norbert Buschmann; Karl Cammann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-09-01
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2000-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neue Form von einfachen und preiswerten mikrochemischen Schnell-Tests für fluide Proben auf Grundlage der Mikro-Chromatographie bzw. Mikro-Titration auf einem porösen, kapillaraktiven Träger, der im Falle der Mikro-Chromatographie mit einem für den jeweiligen Analyten geeigneten Indikator sowie weiteren Hilfsreagenzien und im Falle der Mikro-Titration zusätzlich mit einem Titrator (Urtiter), der mit dem Analyten selektiv und stöchiometrisch reagiert, imprägniert bzw. immobilisiert ist. Das imprägnierte kapillaraktive Trägermaterial ist vorzugsweise zwischen flüssigkeitsdichten Grenzflächen eingebettet. Periphere Öffnungen ermöglichen durch die Kapillarwirkung des Trägermaterials oder auch nur durch eng gegenüberliegende Grenzflächen alleine ein automatisches Einsaugen von flüssigen Probenaliquoten. Durch Reaktion mit einem geeigneten analyt-selektiven Indikator oder einer Indikatormischung im Falle der Mikro-Chromatographie und durch Titration und gleichzeitiger Indikation im Falle der Mikro-Titration lassen sich nach dieser Methode und mit dieser Anordnung alle Analyten mikrochemisch bestimmen, deren Bestimmung durch übliche naßchemische Titrationsverfahren oder photometrische Bestimmung bisher zugänglich war. Von zentraler Bedeutung für die Erfindung ist es, daß die jeweils pro Schnelltest aufgesaugte Probenmenge durch vektoriell sich zu Null addierende und dadurch abbremsende Kapillarfließströme sehr genau kontrolliert wird, wobei die ...

Description

Es besteht bekanntlich ein großer Bedarf an einfachen, schnellen chemischen Testmethoden, die einen bestimmten Analyten (zu bestimmender Stoff) ohne großen Aufwand "vor-Ort" mit hinreichender Genauigkeit bestimmen können. Die moderne Informationsgesellschaft verlangt ständig nach weiteren Informationen über die stoffliche Zusammensetzung bestimmter Materieproben. Eine weitere Verbesserung der medizinischen Diagnostik oder des Umweltschutzes beispielsweise ist nur durch eine Steigerung der chemischen Informationen (= Analysendaten) möglich. Traditionelle chemische Analysen verlangen i.d.R. ein gut eingerichtetes Laboratorium und qualifiziertes Fachpersonal. Klassische Analysenverfahren arbeiten üblicherweise mit größeren Probenvolumen (Milli liter-Bereich) und entsprechend größerem Chemikalien-Einsatz. Dies führt bei jeder weiteren Steigerung der Analysenhäufigkeit automatisch auch zu einer entsprechenden Steigerung des chemischen Sondermülls, der bei jeder traditionellen Analyse anfällt. Es besteht demzufolge ein Bedarf an chemischen Analysenverfahren, die diese Nachteile nicht aufweisen, kein Labor und/oder qualifizierteres Personal bzw. teure Analysengeräte benötigen.

Entsprechend diesem großen Bedarf an einfachen Analysenvorrichtungen sind einige Systeme bereits seit längerem auf dem Markt eingeführt. Sie werden unter der Bezeichnung "Teststäbchen", "Teststreifen" oder so ähnlich zusammengefaßt. Das dazugehörige chemische Gebiet heißt "Trockenchemie" (Oswald Sonntag; Trockenchemie: Analytik mit trägergebundenen Reagenzien, Thieme Verlag, Stuttgart 1988). Bei diesen Produkten versucht man eine klassisch-chemische Analyse (z. B. Photometrie mittels selektiver Farbreagenzien) auf einem inerten, mehr oder weniger porösen Träger aus Papier, Keramik oder dergleichen mit minimalem Chemikalien-Einsatz ablaufen zu lassen. Die Auswertung erfolgt bei diesen Schnell-Test-Produkten i.d.R. durch Farb- bzw. Intensitätsvergleich mittels einer mitgelieferten Farbvergleichs-Skala. Die Probenkonzentration des betreffenden Analyten ist dann jene, bei der Farbgleichheit herrscht. Die verschiedenen Teststäbchen oder Test-Streifen ähneln dem bekannten pH-Indikator Papier-Streifen.

Nachteilig bei allen derzeitig auf dem Markt befindlichen Teststäbchen ist die eingeschränkte Analysengenauigkeit, weshalb einige Hersteller auch klar von "halb-quantitativen" Methoden reden. Ein großes Problem bei allen Vorrichtungen ohne automatisiertes und standardisiertes Auswertegerät ist der objektive Farbabgleich mit bloßem Auge unter den verschiedensten Lichtverhältnissen oder bei gefärbten Proben. Aber auch die Zeitdauer des Eintauchens dieser Teststäbchen ist für die Genauigkeit wichtig und muß genau kontrolliert werden. In einigen Fällen werden dabei auch Chemikalien aus den Teststäbchen in die Probe ausgewaschen. Bei einigen Schnell-Test Vorrichtungen werden zur Erhöhung der Meßgenauigkeit sich automatisch durch Kapillarkräfte vollsaugende Mikropipetten verwendet, die allerdings wegen ihrer Kompliziertheit die Produktion preiswerterer Teststäbchen verhindern. Speziell für die Blutanalyse wurden auch integrierte Probenvorbereitungsstufen zur Abtrennung von z. B. der störenden Komponenten (z. B. rote Blutkörperchen) entwickelt. Alles dies führte zu immer komplizierter aufgebauten Teststäbchen, die beispielsweise nicht für wenige Pfennige zu erhalten sind.

Vor einigen Jahren wurde versucht, den etwas unsicheren Farbvergleich mittels mitzuliefernder lichtfester und daher teuren Farbskalen dadurch zu umgehen, daß man anstelle einer Färbung die Ausdehnung einer gefärbten Zone zu messen hat, um das Analysenergebnis zu erhalten (SALTESMO, Fa. Machery & Nagel, Düren). Hierbei handelt es sich nach den Erfindern (F.J. Förg und M. Staub Chem. Rdsch. (Solothurn, Schweiz) 17, (1964) Nr. 19) um eine "Titration auf dem Papier". Die klassischen Methoden der Maßanalyse beruhen auf dem Prinzip der chemischen Äquivalenz beim erkannten Endpunkt, was häufig durch eine scharf erkennbare Farbänderung geeigneter, zugesetzter Indikatoren sichtbar gemacht wird. Nach diesen Autoren sind "Halbquantitative Titrationen auf Papier" vorzugsweise zur raschen Kontrolle bestimmter Grenzkonzentrationen geeignet.

Entsprechend dem zu bestimmenden Analyten und dessen Konzentration wird dazu ein mit einer geeigneten Urtitersubstanz und Indikator getränktes Filtrierpapier hergestellt. Auf einen üblicherweise runden Testfleck dieses präparierten Filters auf einem geeigneten Träger wird dann zentral in der Mitte mittels einer genauen Mikropipette (1-10 µL) die Probe vorsichtig aufgetragen. Dabei ist auch die Zeitdauer zu beachten. Sodann muß mittels einer zweiten Mikropipette mit dest. Wasser nachgewaschen werden, um die Probe über den gesamten Testbereich zu verteilen. Durch die isotropen Kapillarkräfte des Filterpapiers ergeben sich so konzentrische An- oder Abfärbezonen um den Probenauftragsort. Die Größe dieser Flecke ist der Konzentration des Analyten proportional. Üblicherweise wird bei diesem halbquantitativen Test nur festgestellt, ob der gesamte Testbereich farblich verändert wird, was einer zu kontrollierenden Grenzkonzentration entspricht. Im Handel sind derartige Mikrotitrations-Vor richtungen für Halogenid-Anionen erhältlich. Sie basieren auf der Umsetzung der Halogenid-Ionen mit einem gefärbten Silbersalz (hier Silberchromat), das bei der Reaktion entfärbt wird.

Aus Japan (US-Pat.: 4744952) ist eine Verbesserung dieser Halogenid bestimmungsmethode bekannt, die als sog. Urtiter auf dem Papier Berberin-Sulfat gemischt mit Pigmenten benutzt, wobei Patent Blau V als Indikator benutzt wird. Eine weitere japanische Erfindung (US-Pat.: 4211532) beschreibt die Herstellung des oben erwähnten Halogenid-Teststäbchens mittels einer kolloidalen Silberchromat-Lösung, einer oberflächenaktiven Substanz und eines Puffer-Rea genzes. Aus den USA (US-Pat.: 4444193) ist eine ähnliche Vorrichtung als Hautplakette bekannt, mit der eine Diagnose auf Cystischer Fibrose gestellt werden kann. Dazu wird eine bestimmte Menge Hautschweiß in die Reaktionszone gebracht. Nach Überschreiten der lokalen Verfärbung über ein bestimmtes Maß, wird ein umschließender anders indizierter zweiter Ring verfärbt. Tritt dieser Fall ein, so liegt ein erhöhter Chloridgehalt vor und im Rahmen der Meßgenauigkeit eine positive Diagnose auf cystischer Fibrose.

Aus einer deutschen Patentanmeldung (AZ: P 1 95 45 130.9-52) ist eine Vorrichtung bekannt, die ebenfalls die Konzentrationsermittlung über eine Strecken- bzw. Anzahlmessung von parallel durchgeführten Mikrotitrationen durchführt und daher den obigen Entwicklungen gleicht, nur daß hier mit der Mikrosystemtechnologie ein wesentlich größerer Aufwand bei der Herstellung der Containments für die maßanalytischen Reagenzien betrieben werden muß. Das Problem der genauen simultanen Probenahme für jeden Mikrotitrations-Reaktor kann jedoch bei diesem Patent nicht preiswert gelöst werden, bzw. ist offen gelassen worden, was seine Anwendbarkeit erheblich einschränkt.

Es besteht daher ein großer Bedarf an einfachen und preiswerten Schnell test-Vorrichtungen, die vor allem eine automatische und hochgenaue Probenahme integrieren, um die Analysengenauigkeit von der halbquantitativen Seite zur quantitativen Seite (Genauigkeiten besser als +/- 10%) zu verlagern. Ein großer Nachteil aller oben erwähnten Vorrichtungen für schnelle Vor-Ort-Analysen ist jedoch die Tatsache, daß die Probennahme und Dosierung des Probenaliquots nicht automatisch erfolgt und ein gewisser manueller Aufwand und eine große Sorgfalt dazu nötig wird. Auch das dabei manchmal erforderliche kontrollierte Auswaschen mit dest. Wasser in vorgeschriebenen Zeiträumen ist wenig praktisch und kann bei Nichtbeachtung oder Nachlässigkeiten zu großen Fehlern führen. Bei der oben erwähnten SALTESMO-Vorrichtung müssen die Testplättchen zuvor mittels einer Nadel in der Mitte angestochen werden, so daß dort die Probe eindringen kann. Die flüssige Probe dringt dann dort zentral ein und wandert durch die Kapillarwirkung des getränkten Filterpapiers zu dem Rand des kreisrunden Plättchens. Dabei breitet sich die Lösungsmittelfront ungleichmäßig in dem Papier aus, wobei sich diese Unregelmäßigkeiten gegen den Rand hin vergrößern. Größtes Problem hier ist, zu erkennen, wann sich das Test-Plättchen komplett vollgesogen hat und somit wann die Probenaufnahme bzw. Analyse beendet ist. Wenn die Probenflüssigkeit den Rand des Test-Plättchens erreicht hat, soll das Test-Plättchen aus der Analysenlösung genommen werden, und man muß die Größe der verfärbten Zone anhand einer Vergleichsskala abschätzen. Da sich die Lösungsmittelfront jedoch sehr ungleichmäßig ausbreitet, ist der Zeitpunkt der Entnahme des Test-Plättchens aus der Probenlösung relativ unsicher sowie die Form der verfärbten Fläche naturgemäß auch ungleichmäßig, so daß eine Abschätzung oder ein genaueres Abmessen der verfärbten Fläche sehr schwierig ist. Wegen dieser Ungenauigkeiten bezeichnet der Hersteller diesen Test auch nur als halbquantitativ.

Des weiteren sind viele Teststreifen oder Teststäbchen bekannt, die die Kapillarsaugwirkung von porösem Trägermaterial oder engen Spalten ohne poröses Trägermaterial (sog. Capillary Fill Devices) dazu ausnutzen, ein Proben-Aliquot in die eigentliche Analysenvorrichtung zu überführen. Dazu werden im ersten Fall regelmäßig nicht abgedeckte kapillaraktive Trägermaterialien (Löschblatt-Funktion) verwendet. Sie können sich so, fast von allen Seiten zugänglich, mit dem gasförmigen oder flüssigen Probenmedium vollsaugen. Die aufgesaugte Menge stellt dabei das analysierte Proben-Aliquot dar. Hierbei treten allerdings einige Probleme auf, die die Ursache für den halbquantitativen Charakter ausmachen: Einmal ist die Einströmrichtung der Probe in den porösen saugfähigen Träger nicht genau definiert, was eine Abhängigkeit von der Relativbewegung des Teststreifens zur Meßlösung nach sich zieht. Zum anderen kommt es aber wegen der großen Kontaktzone zwischen kapillarkraftaktiver Zone und der Lösung zu unerwünschten Ausbluterscheinungen bzw. zu unerwünschten Diffusionserscheinungen bei zu langer Probenahme, weshalb die Eintauch-Zeit als genau zu kontrollierender Faktor eingeht. Demgegenüber sind die trägerfreien sog. Kapillar-Füll-Vorrichtungen in der klinischen Analytik sehr populär. Sie werden i.d.R. nur mit einer einzigen offenen Seite mit der Probe in Berührung gebracht und saugen sich dann durch die Kapillarkräfte und nur durch diesen einen Probenzugang voll, wobei ein Entlüftungsloch am anderen Ende der mikropipetten-ähnlichen Vorrichtung den Abschluß markiert. Je nach der Benetzbarkeit können hierbei aber ungefüllte Bereiche am Ende der Kapillarpipette nicht ganz ausgeschlossen werden, was die Genauigkeit stark einschränkt.

Nachteilig bei allen bekannten Schnelltest-Vorrichtungen auf Basis der sog. Trockenchemie ist die relative Ungenauigkeit der Aliquotisierung bzw. die umständliche Handhabung, die Vorrichtung nur für eine gewisse, abgemessene Zeit mit der Probe in Kontakt zu bringen, um sie nach der kompletten Füllung mit dieser Öffnung aus der Probe herauszuziehen. Die bekannten Ungenauigkeiten zusammen mit den Auswaschproblemen haben bisher die Entwicklung genauer messender Teststreifen oder -stäbchen verhindert. Dies gilt auch für die Anwendung absolut messender (keine Kalibration erforderlich) Verfahren auf Basis der Maßanalyse mittels immobilisierter Urtitersubstanzen (Mikrotitration) und dazu geeigneter Indikatoren.

Die vorliegende Erfindung vermeidet alle oben genannten Nachteile des Standes der Probenahme-Technik durch eine geniale wie einfache Innovation, die am besten gekennzeichnet wird durch eine exakt zugangskontrollierende Kapillarsaugwirkung mit vektorieller Flüssigkeitsstrom-Kompensation, die zu einem abrupten Ende aller kapillaren Probenflüssigkeitsströme führt. Charakterisierend für die eingeschränkte Zugangskontrolle (minimierte Kontaktzone zwischen Teststäbchen und Probe) ist die Diffusionsbegrenzung der kapillaren Ansaugzone, was durch enge, planare Kapillarfüllzonen mit dichten Grenzflächen und peripher offenen schmalen Kontaktzonen (Einströmöffnung für Probe) bewerkstelligt wird. Zentraler Punkt der Erfindung ist weiter, daß die Probeflüssigkeit im Gegensatz zu allen bekannten Techniken nicht nur an einer Stelle in die Testvorrichtung eindringt. Wichtig ist, daß die Probe in eine zusammenhängende Kapillarfließstrecke (Kapillarkanal) stets von genau gegenüberliegenden Enden einströmt, wobei beim Aufeinandertreffen der Kapillarströme durch die vektorielle Kräfte-Addition (vergl. Kräfte Parallelogramm) die Kapillarsaugwirkung insgesamt abrupt (= genaue und zuverlässige Volumen dosierung) gestoppt wird. Aufgrund der kleinen Kontaktzone und der übrigen Begrenzung mit dichten Sperrschichten tritt ein Auswaschen der Reagenzien und/oder eine störende Rückdiffusion praktisch nicht mehr auf.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann darüber hinaus auch noch mittels eines sehr einfachen Herstellungsprozesses produziert werden. Die vorliegende Erfindung löst daher - wie oben bereits erläutert - insbesonders die Probleme der reproduzierbaren, automatischen und einfachen Probennahme und des Dosierens eines genauen Probenaliquots. Hierzu wird im Gegensatz zu der nächst gelegendsten Prior Art (SALTESMO) erfindungsgemäß die Analysenprobe nicht zentro-symmetrisch (oder wie generell beim Stand der Technik nur an einer einzigen Stelle) mit oder ohne Mikropipette auf das Zentrum des Testplättchens gegeben, sondern man läßt die Probe radialsymmetrisch (peripher) von einem allseitig offenen Rand her in die Test-Vorrichtung eindringen. Dabei wird der Flüssigkeitstransport durch die Kapillar-Saugwirkung eines geeigneten Trägermaterials oder durch die entsprechend eng gegenüberliegenden, flüssigkeitsdichten Grenzflächen bewerkstelligt.

Bei der erfindungsgemäßen Probenahme-Technik kommt der Prozeß des Probe-Auf saugens durch Kapillarkräfte automatisch zum Stillstand, wenn sich bei einer runden Vorrichtung (z. B. in Form einer Geldmünze) die radialen Transportflüsse im Zentrum treffen und sich gegenseitig blockieren. Zusätzlich wurde überraschenderweise gefunden, daß man auf diese Weise schneller und zu weit besser reproduzierbaren Probenahme-Aliquoten kommt, als mit allen anderen Kapillar-Füll-Vorrichtungen mit einer einzigen Einströmöffnung. Offensichtlich nivellieren sich die Unterschiede im kapillaren Proben-Transport je näher die Front dem Zentrum des Testplättchens kommt, was eine genauere Auswertung erlaubt und sicherstellt, daß bei gleichen Dimensionen und gleicher Bauweise des Testplättchens stets gleiche Mengen Probelösung aufgesogen werden. Aufgrund der trotzdem relativ großen Öffnung, an der die Flüssigkeit in die Test-Plakette eindringen kann (gesamter Umfang der Plakette), reduziert sich zudem die Dauer der Analyse erheblich und es können im Vergleich zu den oben beschriebenen trockenchemischen Teststreifen größere Probenaliquote mit hoher Genauigkeit genommen werden. Da die Probemenge um ein Vielfaches höher liegen kann, ergeben sich entsprechende Steigerungen bei den Nachweisgrenzen, was als ein weiterer Vorteil zu zählen ist. Das erfindungsgemäße Prinzip wird in Ermangelung bekannter Begriffe hier: vektorielle Strömungs-Addition zum allseitigen Stillstand (= allseitiger Kräfteausgleich) von Flüssigkeitsströmen genannt.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Mikro-Chromatographie, bei der ein selektives Nachweisreagenz mit oder ohne weitere Hilfestoffe verwendet wird. Voraussetzung für diese Schnell-Chromatographie mit automatischer Proben-Dosierung ist, daß der Analyt vom mit dem Nachweisreagenz imprägnierten Trägermaterial stark ad- oder absorbiert wird und einen konzentrations proportionalen Oberflächenbereich bedeckt, der dann wegen des Nachweis reagenzes gut sichtbar ist. In einer weiteren bevorzugten Anwendungsform sind zwischen den Grenzflächen mit oder ohne Trägermaterial ein Titrationsmittel in Form einer Urtitersubstanz und ein geeigneter Indikator bzw. weitere Hilfschemikalien immobilisiert. Wenn der Flächentiter oder Gesamttiter des Plättchens bekannt ist, kann man an der umgefärbten Zone bzw. dem indikatormäßig voll umgeschlagenem Plättchen in diesem Fall ohne jegliche Kalibrierung auf die Analytkonzentration schließen. Im Prinzip lassen sich so alle bekannten maßanalytischen Verfahren (Neutralisation, Redox, Fällung, Komplexbildung) im Mikromaßstab in Form der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführen.

Bei der erfindungsgemäßen Schnelltest-Vorrichtung wird das Test-Plättchen (s. Abb. 1) einfach komplett in die Probelösung geworfen, wobei letztere durch die Kapillarsaugwirkung des mit Urtiter und Indikator getränkten bzw. nur mit einem selektiven Nachweisreagenz getränkten und durch dichte Grenzflächen begrenztes Trägermaterials (Filterpapier oder ähnliches kapillaraktives Trägermaterial) radial in das Testplättchen eindringt. Durch die Kapillarkräfte des Materials des Titrator- (und Indikator)-Trägers dringt die Probe bis zum Zentrum vor, wo die Flüssigkeitsaufnahme automatisch durch die entgegenkommenden Kapillarflüssigkeitsströme zum Stillstand kommt. Selbstverständlich funktioniert die Kapillarsaugwirkung auch ohne einen kapillaraktiven Träger, wenn sich die beiden Begrenzungsflächen entsprechend eng gegenüberliegen, was durch einen am Umfang durchlöcherten Spacer (Abstandshalter aus einem inerten Material) einfach zu bewerkstelligen ist. Hierbei lassen sich bei einer strahlenförmigen Anordnung der durch den Spacer gebildeten Kapillarkanäle (s. Abb. 2) sogar Multianalyt-Testplättchen herstellen. In diesem Fall werden die Nachweis reagenzien oder Titriermittel (+ Indikator) auf den betreffenden Kanaloberflächen an den Innenseiten der Grenzflächen immobilisiert.

Bei kontrollierter und reproduzierbarer Herstellung der Testplättchen wird bei gleichen Abmessungen automatisch eine stets gleiche Probenmenge genommen. Umfangreiche Serienuntersuchungen mittels gravimetrischer Kontrollmessungen ergaben, daß die so aufgenommenen Probenvolumina je nach Größe, Dicke (mit oder ohne Spacer) und Trägerart im Mikro- bis Milliliterbereich liegen und überraschenderweise eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit um 1% (rel.) auf weisen. Damit sind die großen Probleme aller oben erläuterten Testvorrichtungen bezüglich einer einfachen, automatischen und vor allem hochgenauen Proben nahme und Probendosierung auf einfachste Weise gelöst. Der Zeitpunkt, an dem die Flüssigkeitszonen im Zentrum des Testplättchens in einem Punkt zusammenlaufen, ist mit bloßem Auge leicht erkennbar und ein Zeichen dafür, das Testplättchen aus der Probe zu nehmen und die anders gefärbte (oder umgefärbte) Zone auszumessen (s. Abb. 3). Um diesen Zeitpunkt besser erkennt lich zu machen, kann im Zentrum des Testplättchens auch ein zusätzlicher Indikator aufgetragen sein, der bei Anwesenheit des Lösungsmittels, in der sich der zu untersuchende Analyt befindet, die Farbe ändert. Für den Fall, daß eine wäßrige Lösung untersucht werden soll, kann man in das Zentrum des Plättchens beispielsweise ein wasserfreies blaues Cobalt(II)-Salz imprägnieren, das sich bei Anwesenheit von Wasser rosa färbt (Feuchtigkeitsindikator). Wegen des automatischen Stops der Kapillarkräfte-Saugwirkung zu diesem Zeitpunkt ist der Zeitpunkt der Entnahme des Testplättchens aus der Probe allerdings bei weitem nicht so kritisch wie bei allen weiter oben aufgeführten Vorrichtungen, bei denen die Probeflüssigkeit mehr oder weniger radial von einem Zentrum oder von einem einzigen mittleren Aufgabepunkt nach außen fließt. Hierbei kommt der Transport der Probeflüssigkeit nicht automatisch zum Erliegen, so daß für genauere Proben volumina eine manuelle genaue und exakte Überwachung (Fließfront erreicht Rand des Test-Plättchens) erforderlich wird, was für die Praxis zu unhandlich ist.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch eine besonders vorteilhafte und rationelle Produktionsmethode für diese Testscheibchen oder -plättchen. Dazu laminiert man im Falle des Mikro-Titrationsverfahrens das mit einer geeigneten Urtitersubstanz + Indikator + Hilfsreagenzien, im Falle der Mikro-Chromatographie das mit einem Nachweisreagenz sowie Hilfsstoffen getränkte kapillaraktive Trägermaterial (Filterpapier, Glasfaserpapier, Membranfilter oder ähnliches) zwischen zwei flüssigkeitsdichten Heißklebe-Folien großformatig ein und stanzt dann nachher (beispielsweise mit einem Korkbohrer) kreisrunde Segmente aus, die automatisch dabei am äußeren Umfang offen sind und die Probe dort entlang der dünnen Schnittfläche aufnehmen können. Bei einer parallelen, multiplen Ausstanzung mittels einer geeigneten Stanz-Schablone (z. B. auf einer Walze) fallen so gleichzeitig eine Vielzahl von absolut identischen Test-Plättchen an, die so chargenweise unter Umständen mit Hilfe einer aufzulegenden oder aufgedruckter Schablone (s. Abb. 4) kalibriert werden können (s. Abb. 5). Diese Methode ist durch das Vorhandensein preiswerter Heißlaminier-Apparate sehr einfach und kostengünstig, so daß die Herstellkosten der Test-Scheibchen im Pfennig-Bereich liegen.

In einer weiteren vorteilhaften Produktionsmethode läßt sich das entsprechend vorbereitete Trägermaterial mit geeigneten (wasserfesten) Klebern, die die Kapillarwirkung nicht unreproduzierbar beeinflussen, auch bei niedrigeren Temperaturen flüssigkeitsdicht begrenzen, was bei biosensoranalogen Test streifen wegen ihrer Hitze-Empfindlichkeit notwendig werden kann. Auch hier läßt sich bei großflächigen Ansätzen (< DIN A3) eine einfache und extrem preiswerte Massenproduktion verwirklichen. Gleichermaßen kann das poröse, kapillarkraft aktive Trägermaterial, das für die mikrochromatographischen oder mikromaß analytischen Methoden vorbereitet ist, auch durch Aufsprühen, Eintauchen oder andersartiges Aufbringen von sich später flüssigkeitsdicht verfestigenden Lösungen mit den notwendigen Begrenzungsschichten versehen werden. Hierbei können alle bekannten undurchlässigen Filmmaterialien (Lacke oder Polymere oder ähnliches, in einem verdunstbarem Lösungsmittel gelöst) verwendet werden.

Auch ein Durchziehen des getrockneten, imprägnierten Trägers durch ein Tauch bad kann dazu verwendet werden. Die Dicke der Grenzschichten spielt keine Rolle.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann auch auf einen kapillar aktiven Träger zwischen den flüssigkeitsdichten Begrenzungen gänzlich verzichtet werden. Dann werden die relativ formstabilen, dünnen Begrenzungen durch entsprechende Spacer getrennt, wobei letztere die Dicke der Ansaugkapillare bestimmen. Diese Anordnung eignet sich gemäß Abb. 2 besonders gut bei Multi-Analyt-Testplättchen. Anstelle des Spacers kann aber auch eine entsprechend mit Vertiefungen versehene Grenzfläche verwendet werden, die auf die andere geklebt wird.

Das Meßprinzip der erfindungsgemäßen Schnelltest-Vorrichtung ist im Grunde nur vergleichbar mit dem Prinzip der Prüfröhrchen für Gase (K. Leichnitz; Prüfröhrchen Taschenbuch: Luftuntersuchungen und technische Gasanalyse mit Dräger-Röhrchen, Drägerwerk AG, Lübeck) allerdings mit dem wesentlichen Unterschied, daß es sich hier um eine flüssige Probenmatrix handelt und daß im Gegensatz zum Gasprüfröhrchen das vorliegende Dosimeter die Analysenlösung automatisch selbst und vor allem kontrolliert von mindestens zwei Seiten ohne externe Pumpen oder dergleichen aufsaugt und dabei drei Analysenschritte: Proben nahme, Aliquot-Dosierung und Trennung des Analyten von der Matrix elegant vereinigt. Die Trennung von einer evtl. störenden Matrix (Stör komponenten, Feststoffe, Farbe etc.) geschieht hier in einer bestimmten Anordnung durch die filtrierende und chromatographische Wirkung des Träger materials (ähnlich der Papier-Chromatographie).

Die mittels dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Vorrichtung quantitativ bestimmbaren Stoffe sind vielfältig und entsprechen im Falle der Mikro-Titration generell den zugrunde liegenden maßanalytischen Titrationen, d. h. alle Stoffe, die durch eine volumetrische Titration mittels eines Titrators unter Zuhilfenahme von Indikatoren bestimmbar sind, können auch mittels der Testplättchen in weiten Konzentrationsbereichen bestimmt werden. Die auf dem porösen Träger immobilisierte Menge an Urtitersubstanz (entsprechend der Maßlösung) sowie der Radius, bzw. die Strecke bei Multianalyt-Ausführungen und die Dicke des Test-Plättchens bestimmen den jeweils erfaßbaren Konzentrations bereich entsprechend einem stöchiometrischen Verbrauch an Maßlösung). Im Falle der Mikro-Chromatographie lassen sich alle Analyte mit diesem Verfahren bestimmen, die auch photometrisch im sichtbaren Bereich mittels eines geeigneten Nachweisreagenzes selektiv bestimmt werden können, wenn die Trägermaterialoberfläche so ausgewählt wird, daß der gefärbte Analyt-Rea genz-Komplex auf der Trägeroberfläche durch Ad- oder Absorptionsvorgänge fest gehalten wird. Für den Fall, daß die Indikation durch eine Lichtabsorption oder -emission (Fluoreszenz) im UV-Bereich angezeigt wird, kann die visuelle Betrachtung auch unter einer UV-Lampe erfolgen.

Erfindungsgemäß ist allerdings im Interesse eines scharf ausgebildeten Randes der Umfärbezone (Ablesegenauigkeit) darauf zu achten, daß im Falle der Mikro-Titration die Urtitersubstanz bzw. der farblich umgeschlagene Indikator auf dem porösen Träger nicht durch die durch Kapillarkräfte nach innen strömende Probelösung mittransportiert wird. Bei Fällungstitrationen bzw. starken Adsorptionskräften ist dies automatisch garantiert. Bei Titrationsarten, bei denen der Titrator oder Indikator mit der Probelösung wandert, muß dies durch eine geeignete Immobilisierung von Titrator und Indikator (z. B. kovalente Ober flächenanbindung am kapillaraktiven Träger, bzw. an der Oberfläche der Begrenz ungsschichten) verhindert werden. Geeignete Methoden zur Oberflächen anbindung stehen aber zur Verfügung (vergl. Immobilisierung von Biomolekülen auf der Oberfläche von geeigneten Transducern) und sind dem Fachmann bekannt.

Es ist für einen Fachmann ebenfalls selbstverständlich, neben der Immobilisierung von Titrator (entspricht in der Maßanalyse der eingestellten Titerlösung) und Indikator auch weitere Hilfsreagenzien auf dem porösen Trägermaterial zu fixieren. Dies können beispielsweise Puffersubstanzen zur Einstellung eines bestimmten optimalen pH-Wertes sein; es kann sich dabei aber auch um Reagenzien handeln, die eine bekannte Störung durch einen anderen Stoff durch beispielsweise Ausfällen oder Maskieren (durch Komplex-Bildung aus dem Gleichgewicht entfernen) verhindern. Ebenfalls bekannt sind auch Substanzen, die den Umschlagspunkt des Indikators verstärken und dadurch deutlicher erkenntlich machen. Als weitere fixierbare Hilfsmittel kommen Katalysatoren, Enzyme und Oxidationsmittel sowie Reduktionsmittel in Betracht.

Für einen Fachmann ist es ebenfalls selbstverständlich, im Falle der Mikro-Chromatographie dem mikroporösen Träger eine geeignete Oberflächenfunktion (Polarität) zu verleihen, die den Analyt-Farbreagenz-Komplex optimal bindet. So lassen sich zum Beispiel stark polare Analyt-Reagenz-Addukte durch eine entsprechend stark polare Oberfläche am Ort ihrer Entstehung fixieren. Umgekehrt können stark lipophile Addukte durch unpolare Oberflächen (z. B. analog dem aus der Chromatographie bekannten RP-18 Material) am Ort ihrer Bildung festgehalten werden. Bei elektrisch geladenen Addukten sollte die Trägermaterial-Oberfläche die entsprechende Gegenladung aufweisen. Besonders fest binden sich dabei Polykationen an Polyanionen. Erfindungsgemäß reicht es aber auch aus, wenn das indizierte Reaktionsprodukt oder der Reaktionspartner des Analyten bei der Adduktbildung auf der Trägeroberfläche stationär bleibt.

Generell wird erfindungsgemäß die mikroporöse Kapillarsaugwirkung des Trägermaterials bzw. der eng gegenüber liegenden, durch einen Spacer getrennten, Begrenzungsflächen von der chemischen Oberflächenfunktionalität getrennt, was eine neue Betrachtungsweise ist. Bei der Auswahl eines geeigneten Trägermaterials (Papier, Glasfasermatte, Cellulose-Membran, Keramik oder ähnliches) interessiert primär die Sauggeschwindigkeit der Kapillarkanäle des mikroporösen Materials für die Probelösung, damit der Vorzug des Patents, der automatischen und volumenmäßig genau kontrollierten Probenahme ohne weiteres Hilfsmittel voll zum Tragen kommt. Die je nach der Lipophilie oder Ladung des Analyten optimierte Oberflächenbehandlung des mikroporösen Trägermaterials kann vor oder nach der Imprägnierung oder Immobilisierung der geeigneten Reagenzien und Hilfsstoffe oder aber auch simultan erfolgen. Schon bei geringen Grundkenntnissen in der Chromatographie kann der Fachmann die für den betreffenden Fall optimierte Oberflächenfunktionalität (Polarität) durch geeignete Maßnahmen durchführen. Gegebenenfalls kann dazu das Träger material auch durch Plasmaentladung auf eine höhere Polarität gebracht werden.

Für die äußere Form der vorliegenden Schnelltest-Vorrichtung kommen neben der runden Form natürlich auch noch weitere Gestaltungsmöglichkeiten (z. B. planare Polyeder oder aber auch mit einem porösen Träger gepackte Röhrchen oder ungepackte, enge Kapillarröhrchen (s. Abb. 6) in Betracht. Von zentraler Bedeutung ist hier nur die Tatsache, daß die jeweils pro Schnelltest aufgesaugte Probenmenge durch auf sich zulaufende und sich dadurch bei Kontakt abbremsende Kapillarfließströme sehr genau und automatisch kontrolliert wird. Sobald sich zwei Kapillarfließströme vektoriell zum Stillstand bringen, ist der Effekt der vorliegenden Innovation erfüllt. Dann kommt der Vorgang der Proben-Auf saugung (Löschpapier-Effekt) zum Stillstand und man erhält auch hier überraschenderweise extrem gut reproduzierbare Probenaliquote, was diese Vorrichtung von allen bekannten Kapillar-Füll-Vorrichtungen mit nur einer Probeneinlaßöffnung besonders auszeichnet. Wichtig ist hier auch der weitere Unterschied zu traditionellen Kapillarpipetten, die nur mit einem offenen Ende in die Probelösung getaucht werden; im vorliegenden Fall ist das gesamte Kapillar-Test röhrchen in die Probe zu versenken, damit es sich von beiden Enden vollsaugen kann und der Effekt der vektoriellen Fließstromkompensation stattfinden kann. Man muß die Vorrichtung also nicht bis zum Ende der Probenahme in der Hand halten. Zur Verstärkung des Abstopp-Effektes der kapillaren Strömungen kann die Zone, in der die beiden entgegengesetzt strömenden Flüssigkeiten aufeinandertreffen auch verjüngt ausgelegt sein. Dadurch wird, analog wie bei einem Meßkolben mit seinem dünnen Hals mit der Graduierung, die Volumenmeßgenauigkeit noch einmal gesteigert.

Die runde, außen offene Form des Test-Streifens (Test-Plakette, Abb. 1) hat jedoch mehrere gravierende Vorteile. Zum einen reduziert sich durch die Form und große Gesamtöffnung die Analysendauer erheblich (da wegen des Umfangs mehr Probe einströmen kann) und zum anderen gibt es keine Randeffekte, die eine ungleichmäßige Laufmittelfront erzeugen. Drittens sind kreisrunde Farbzonen durch eine Zielscheibenskala aus konzentrischen Kreisen sehr einfach und genau quantifizierbar.

Getestet wurden neben der runden, außen offenen Form u. a.: a) runde Scheibe und eine oder beide Folien haben in der Mitte ein flüssigkeitsundurchlässiges hydrophobisiertes Loch (<1 mm) zum Entweichen von Luft, die durch die Fließströme verdrängt wird; b) rechteckige Form bei dem der gesamte äußere Rand (d. h. alle vier Kanten) offen sind: c) rechteckige Form, zwei sich gegenüberliegende Seiten des Randes sind offen; d) vieleckige Gebilde, die den Effekt des automatischen Stops der Saugflüsse zeigen; e) rechteckige Form, nur eine Kante des Randes ist offen. Bei der letztgenannten Variante liegen allerdings keine konvergent zu laufenden Kapillarströme vor. Diese Variante hat den Vorteil, daß man eine dann verfärbte Strecke besser ausmessen kann als Kreisradien, aber diese Variante weist immer störende Randeffekte auf, die keine gleichmäßige Laufmittelfront zulassen.

Um mehr als einen Analyten mit Hilfe eines Dosimeters im Sinne dieser Erfindung zu bestimmen, kommen weitere Gestaltungsmöglichkeiten in Betracht. Zur gleichzeitigen Bestimmung von zwei Analyten kann man quasi zwei Dosimeter übereinander anordnen (s. Abb. 7). Damit erhält man folgende Schichten: Äußere Grenzfläche/imprägnierter poröser Träger (für Analyt A)/Trennungsfläche/ imprägnierter poröser Träger (für Analyt B)/äußere Grenzfläche. Heißklebefolien mit beidseitiger Polyethylen-Beschichtung sind beispielsweise kommerziell erhältlich. Auf der Oberseite des Dosimeters läßt sich somit der Analyt A bestimmen, und auf der Unterseite des Dosimeters läßt sich gleichzeitig Analyt B bestimmen. Die mittlere Grenzschicht braucht dabei nicht durchsichtig zu sein.

Bei der Gestaltung der runden Scheibchen, kann man in einer weiteren vorteil haften Ausführung die Scheiben in keilförmige Segmente aufteilen, die jeweils unterschiedlich - entsprechend zur Bestimmung unterschiedlicher Analyten - imprägniert sind (s. Abb. 8). Dadurch läßt sich die Anzahl der zu bestimmenden Analyten vervielfachen. Um dem dabei entstehenden Problem der unter schiedlichen Sauggeschwindigkeiten durch unterschiedlich imprägnierte Teilseg mente zu begegnen, kann man kationische Tenside (Weichspüler) imprägnieren. Dadurch können die unterschiedlichen Einflüsse der verschiedenen Imprägniersubstanzen überkompensiert und somit eine überall gleichmäßige Sauggeschindigkeit eingestellt werden. Diese Multi-Analyt-Anordnung läßt sich auch in der trägerfreien Variante technologisch leicht herstellen, wenn beispielsweise auf der einen Grenzfläche der abstand-kontrollierende Spacer durch die Dickfilm-Technik erzeugt wird während mit der gleichen Technologie auf der anderen Grenzfläche die Reagenzien und die weiteren Hilfsstoffe immobilisiert werden.

Außerdem kann am äußeren Rand des Dosimeters eine Reaktionszone vorgeschaltet werden, in der eine Vorbehandlung des Analyten oder von störenden Komponenten stattfinden kann (z. B. Oxidation/Reduktion des zu bestimmenden Analyten oder störenden Stoffes oder Ausfällung bzw. Maskierung der letzteren).

Eine weitere Variante der vorliegenden Erfindung greift auf bereits fertige Dünnschicht-Chromatographie Träger zurück, die dann entweder ebenfalls zwischen zwei Heißklebefolien einlaminiert werden oder bei denen mittels eines sogenannten Spacers mit Einström-Öffnungen für die Probelösung eine kapillaraktive flache Kavität (Dicke: < 1 mm) dadurch erzeugt wird, daß der Spacer eine doppelte Klebefunktion aufweist und mit einer durchsichtigen Abdeckung aus einem beliebigen Material, vorzugsweise aber labile Kunststoff-Folie, verschlossen wird. Der Titrator und/oder das Farbreagenz kann entweder auf der Dünn schicht-Chromatographie-Platte oder aber auch auf der durchsichtigen Abdeckung immobilisiert werden.

Besonders vorteilhafte Schnelltest-Scheibchen lassen sich bei Verwendung von Filterpapier oder Papier für die Papierchromatographie herstellen. Umfangreiche Tests haben ergeben, daß im Interesse einer raschen Anzeige die Sauggeschwindigkeit (entspricht der Saughöhe in der Papierchromatographie - üblicherweise angegeben in [mm/30 min]) größer als 50 mm/30 min sein sollte. Gute Ergebnisse wurden mit Papieren erhalten, die eine diesbezügliche Geschwindigkeit von ca. 200 mm/30 min hatten. Die optimale Papierdicke soll < 0,05 mm, vorzugsweise < 0,2 mm betragen. Selbstverständlich lassen sich auch andere Trägermaterialien mit kapillaraktiven Eigenschaften (Glasfasermatten, Filze aus verschiedensten Materialien, poröse Keramik etc.) verwenden.

Zur Imprägnierung hat es sich bewährt, den Titrator (Urtitersubstanz) und/oder Indikator(en) und/oder andere Hilfsstoffe in einem leicht verdampfbaren Lösungs mittel (-gemisch) zu lösen (Imprägnierlösung) und anschließend den kapillar aktiven Träger mit dieser Imprägnierlösung zu tränken, so daß sich der Träger gleichmäßig vollsaugt. Anschließend läßt man das Lösungsmittel(-gemisch) vollständig abdampfen. Von zentraler Bedeutung ist hierbei eine gleichmäßige Belegung mit dem Titrator (Titer pro Fläche) und/oder Indikator(en) und/oder anderen Hilfsstoffe(n).

Als bevorzugte Einschweißtechnik hat sich das Einlaminieren des getrockneten imprägnierten Trägers in bekannte Heißklebe-Folien mittels der dazugehörigen Apparate besonders bewährt. Umfangreiche Vorversuche haben ergeben, daß aus Stabilitätsgründen die Dicke der dazu verwendeten Folien größer als 10 µm, vorzugsweise 60-125 µm, betragen sollte. Natürlich können dazu auch kalt zu verklebende Grenzflächen aus beliebigen Materialien verwendet werden.

Erfindungsgemäß lassen sich durch das Prinzip der vektoriellen Kapillarströmungs-Stop-Technik mit mindestens zwei Eindringöffnungen auch gasförmige Proben mit erhöhter Genauigkeit vermessen. Hierbei kann einmal die analyt-selektive Reagenzschicht durch hygroskopische Mittel wie z. B. Lithiumsalze oder Magnesiumperchlorat, Polyvinylalkohol o. ä. feucht gehalten werden, wobei in diesem Fall ein Diffusionsvorgang gestoppt wird. Alternativ läßt sich die gasförmige Probe aber auch durch Verteilung (Henry'sches Gesetz) zwischen Gasphase und einem abgemessenen Flüssigkeitsvolumen (Akzeptorphase) über die flüssige Phase in das Testplättchen einbringen. Dabei kann die Verteilung und das Aufnehmen auch simultan erfolgen.

Neben der optischen Indikation (Farbumschlag oder Fluoreszenz-Änderung) sind selbstverständlich auch andere Arten möglich. So läßt sich beispielsweise eine elektrochemische Anzeige durch konzentrisch angebrachte (innen auf der Begrenzungsfolie aufgedampfte oder gedruckte) Ringelektroden bewerkstelligen, die ebenfalls die Größe der Reaktionszone zu bestimmen erlauben. Unter elektrochemisch werden hier die Methoden der Konduktometrie, der Amperometrie und der Potentiometrie verstanden. Dabei können die planaren Elektroden auch automatisch als Spacer funktionieren. Eine mögliche Ausführungsvariante für eine Drei-Elektrodenanordnung ist in Abb. 9 dargestellt. Die Meß- bzw. Indikatorelektroden (a_x) sind dabei in Form von konzentrische Kreisen auf einem kreisrunden Teststreifen dargestellt. Diese Elektroden liegen für eine geringe Abstufung der Konzentrationsbestimmung möglichst dicht beieinan der. Dazu können auf einem Teststreifen bis zu x = 50 Ringelektroden unterge bracht sein. In Abb. 9 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur drei Meß- bzw. Indikatorelektroden (x = 3) dargestellt. Im Inneren stellt eine weitere Ringelektrode die Gegenelektrode (b) und die mittlere punktförmige Elektrode die Referenz elektrode (c) dar. Zur Auswertung des vollgesaugten Teststreifens drückt man den Teststreifen auf eine Kontaktplatte, wobei die keilförmigen Kontakte (d) durch die undurchlässige Grenzschicht (Sperrschicht) des Teststreifens gepreßt werden. Dadurch wird der simultane Abgriff der einzelnen Elektroden (a_x, b, c) ermöglicht. Die Ableitung kann mit Hilfe von Leiterplatten, auf denen Leiterbahnen (Aax, Ab, Ac) aufgebracht sind, erfolgen. Um eine präzise Positionierung der Kontakte (d) auf die Elektroden (a_x, b, c) zu ermöglichen, wird der Teststreifen vor dem durchstoßen der undurchlässigen Grenzschicht durch Führungshilfen (e) in die richtige Position gelenkt.

Die folgenden Beispiele sollen die Leistungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung unterstreichen:

Beispiel 1

Nickel-Dosimeter zur Bestimmung der Konzentration an Nickel-Ionen (Ni²⁺) in wäßriger Probenmatrix (z. B. in Abwässern).

Herstellung

Man löst Dimethylglyoxim in Aceton und gibt Puffer pH = 7 zu. Man tränkt ein weißes kapillaraktives Papier mit dieser Imprägnierlösung und läßt das Lösungsmittelgemisch (Aceton/Wasser) vollständig abdampfen, wobei das Papier rein weiß bleibt. Nach dem Einlaminieren zwischen zwei kommerziell erhältlichen Heißklebefolien werden Scheiben mit einem Durchmesser von beispielsweise 3 cm ausgestanzt (s. Abb. 1).

Durchführung

Man legt das Nickel-Dosimeter in die zu untersuchende wäßrige Analysenlösung. Aufgrund von Kapillarkräften saugt das imprägnierte Papier die Analysenlösung in die Test-Scheibe hinein und verdrängt die darin enthaltenen Luft. Da das Dimethylglyoxim (DMG) kaum wasserlöslich ist, wird der Farbstoff durch die einströmende Analysenlösung nicht ausgespült. Einströmendes zweiwertiges Nickel (Ni²⁺) bildet mit dem Farbstoff den bekannten roten wasserunlöslichen Nickel-DMG-Niederschlag, der sich auf dem Test-Plättchen in Form eines roten Kranzes zeigt (s. Abb. 3).

Je höher die Konzentration des Analyten ist, desto größer ist die von weiß nach rot verfärbte Fläche. Die Größe der roten Fläche und damit die Konzentration des Analyten kann visuell mit dem bloßen Auge ermittelt werden. Zur genaueren Quantifizierung kann auch eine durchsichtige Schablone mit aufgedruckter Skalierung (konzentrische Kreise) eingesetzt werden, auf der direkt der Gehalt an Ni²⁺ beispielsweise in ppm angegeben sein kann (s. Abb. 4). Diese Skalierung kann auch direkt auf der/den Heißklebefolie(n) aufgedruckt sein.

Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Traditionelle Teststreifen für diesen Analyten arbeiten nach dem Prinzip des Indikatorpapiers, bei dem eine Farbänderung und -tiefe festgestellt werden muß, was selbst für Geübte schwierig ist und Farbblinde nicht vermögen. Die Färbung ist stark von der Eintauchdauer und vom pH-Wert der Lösung abhängig. Daher wird evtl. ein weiterer Arbeitsschritt (pH-Kontrolle und Einstellung) notwendig.

Beispiel 2

Sulfat-Dosimeter zur Bestimmung der Konzentration an Sulfat-Ionen (SO₄ ^2-) in wäßriger Probenmatrix (z. B. zur Beurteilung des Betonangriffsvermögens von Wässern).

Reaktionsprinzip

BaRh_{(s, rot)}

+ SO₄ ^2- _{(aq., farblos)}

→ BaSO_{4 (s, weiß)}

+ Rh^2- _{(aq. weiß-gelblich)}

Rh = Rhodizonat.

Eine besondere Schwierigkeit bei der Herstellung eines Dosimeters nach diesem Reaktionsprinzip im Sinne des Patents besteht darin, festes Bariumrhodizonat gleichmäßig auf dem Trägermaterial zu imprägnieren, da es sich weder in Wasser noch in organischen Lösungsmitteln löst. Deshalb wurde das Bariumrhodizonat direkt auf dem Trägermaterial ausgefällt.

Herstellung

Man tränkt ein weißes kapillaraktives Papier mit einer verdünnten BaCl₂-Lösung und trocknet das imprägnierte Papier in einem Trockenschrank. Man imprägniert das getrocknete Papier anschließend mit einer frisch angesetzten wäßrigen Dinatrium-Rhodizonat-Lösung und spült das feuchte Papier mit verdünnter Salzsäure. Dadurch erhält man ein gleichmäßig durch Bariumrhodizonat rot gefärbtes Papier. Anschließend trocknet man wiederum das fertig imprägnierte Papier. Nach dem Trocken wird das imprägnierte Papier zwischen zwei kommerziell erhältlichen Heißklebefolien einlaminiert und Scheiben mit einem Durchmesser von beispielsweise 4 cm ausgestanzt.

Durchführung

Legt man das Sulfat-Dosimeter in die zu untersuchende Analysenlösung, saugt das Dosimeter die Analysenlösung wieder aufgrund der Kapillarkräfte auf. Dabei bilden einströmende Sulfat-Ionen schwerlösliches Bariumsulfat, wobei sich das rote Bariumrhodizonat stöchiometrisch auflöst. Auf dem Dosimeter zeigt sich die Reaktion in einem Farbwechsel von rot nach gelb. Je höher die Konzentration des Analyten ist, desto größer ist die von rot nach gelb verfärbte Fläche. Die Größe der verfärbten Fläche ist dann ein Maß für die Konzentration an Sulfat-Ionen. In Abb. 10 ist beispielhaft eine Kalibration dargestellt.

Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Die von Macherey-Nagel angebotenen Schnelltests zur Sulfatbestimmung (visicolor®Sulfat und nanocolor®Sulfat 200) beruhen auf der Trübungsmessung von zu fällendem Bariumsulfat in wäßriger Lösung. Bei diesen Schnelltests treten zwei gravierende Nachteile auf, die von dem Sulfat-Dosimeter elegant gelöst werden. Zum einen ist es deutlich einfacher, eine verfärbte Fläche auszumessen als eine Trübung zu quantifizieren und zum anderen entfällt bei dem Sulfat-Dosimeter das Abfiltrieren von Trübungen der Analysenlösung selbst, die das Ergebnis verfälschen würden. Somit kann beim Sulfat-Dosimeter ein ganzer Arbeitsschritt, der bei trüben Realproben zwingend notwendig ist, entfallen.

Der von Merck angebotene Sulfat-Schnelltest (Merckoquant® 10 019) besteht aus einem Teststreifen auf dem vier Testzonen aufgebracht sind, die unterschiedliche Mengen eines roten Barium-Thorin-Komplexes enthalten. Bei Anwesenheit einer entsprechenden Menge Sulfat-Ionen erfolgt ein Umschlag von rot nach gelb (freies Thorin). Zur Beurteilung der Sulfat-Konzentration taucht man das Teststäbchen kurz in die Analysenlösung und kann anhand der Anzahl der gelb verfärbten Testzonen die Sulfat-Konzentration abschätzen. Da der Teststreifen nur vier Testzonen hat, lassen sich letztendlich nur drei Konzentrationsbereiche stufenweise abschätzen. Das Sulfat-Dosimeter im Sinne dieses Patents läßt demgegenüber eine stufenlose Bestimmung der Sulfat-Konzentration zu.

Beispiel 3

Dosimeter zur Bestimmung von Wasserstoffperoxid in wäßriger Probenmatrix (z. B. in Desinfektionsmitteln).

Prinzip

Man reduziert einen wasserunlöslichen Leuko-Küpenfarbstoff (z. B. Indigo) mit alkalischer Natriumdithionit-Lösung, wodurch der Farbstoff in eine farblose und wasserlösliche Form übergeht (vgl. Textilfärbung mit Küpenfarbstoffen). Man tränkt ein kapillaraktives Trägermaterial (vorzugsweise Cellulosefaser) mit diesem Farbstoff, läßt das Lösungsmittel unter Inertgas gleichmäßig abdampfen, laminiert das imprägnierte Trägermaterial ein und stanzt wiederum Scheiben aus.

Legt man dieses Dosimeter in eine Lösung, die Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid einhält, saugt das Dosimeter die Analysenlösung wieder aufgrund der Kapillarkräfte auf. Dabei oxidiert Wasserstoffperoxid den reduzierten Küpenfarbstoff, wodurch wieder die intensive Färbung des Küpenfarbstoffes entsteht. Die Größe der gefärbten Fläche ist dann ein Maß für die Konzentration an Wasserstoffperoxid (bzw. andere (starke) Oxidationsmittel).

Beispiel 4

Tensid-Dosimeter zur Bestimmung von kationischen Tensiden sowie lipophilen Aminen in wäßriger Lösung.

Prinzip

Der lipophile anionische Farbstoff 3', 3'', 5', 5''-Tetrabrom-m-kresolsulfon phthalein-Natriumsalz bildet im mineralsauren Medium einen grünblauen Komplex mit kationischen lipophilen Tensiden (wie beispielsweise Benzalkoniumchlorid) und lipophilen Aminen. Man imprägniert den lipophilen anionischen Farbstoff und einen Citrat/Salzsäure-Puffer pH = 2-4 beispielsweise auf einem Glasfaserpapier oder Zellulosefaserpapier, läßt das Lösungsmittel abdampfen, laminiert das imprägnierte Trägermaterial ein und stanzt wiederum Scheiben aus. Legt man das gelbe Dosimeter in eine Lösung, die kationische Tenside oder lipophile Amine enthält, saugt das Dosimeter die Analysenlösung wieder aufgrund der Kapillarkräfte auf. Die Größe der sich durch den grün-blauen Tensid-Farb stoff-Komplex bildenden Fläche ist dann auch hier ein Maß für die Konzentration der Analyten.

Beispiel 5

Gas-Dosimeter zur Bestimmung von Aldehyden und Ketonen (z. B. Formaldehyd in Raumluft).

Prinzip

Man setzt die zu bestimmenden Aldehyde mit dem farblosen N-Methyl-benzo thiazolon-(2)-hydrazon zu den entsprechenden blauen Tetra-aza-pentamethin cyanin-Verbindungen um. Dieses Reagenz befindet sich in der Reagenzienschicht des Testplättchens zusammen mit Puffer- und weiteren Hilfschemikalien. Zur Analyse wird die gasförmige Probe durch ein bestimmtes Volumen einer geeigneten Akzeptorlösung (Waschlösung) geleitet. Das Testplättchen wird während dieses Vorgangs oder auch nach einer gewissen Zeit in die Akzeptorlösung gegeben. Nach einer entsprechenden Kalibration kann man auch die gasförmige Probe direkt in eine feucht gehaltene Reagenzschicht eindringen lassen.

Claims

1. Verfahren zu einem chemischen Schnell-Test fluider Proben durch Mikro-Titration, Mikro-Chromatographie oder anderen Methoden der Trocken chemie und Methode zur Herstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die betreffenden chemischen Analysenverfahren dadurch genauer werden, daß die Teilprobennahme erfindungsgemäß durch das Prinzip der vektoriellen Kapillarströmungs-Addition erfolgt, was durch mindestens zwei entgegen gerichtete Fließrichtungen in einer kapillarkraft-aktiven Vorrichtung mit mindestens zwei Eintrittsöffnungen für die Probe erreicht wird, wobei die gesamte Test vorrichtung von der Probe umspült wird und die genaue quantitative Auswertung mittels einer analytkonzentrations-proportionalen Flächen- oder Streckenmessung erfolgt und bei mehreren unterschiedlich vorbereiteten Kapillarzonen mit einer Testvorrichtung so simultan mehrere Analyte bestimmt werden können.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß ein kapillarkraft-fähiger Träger (mit Löschpapiereigenschaften) zusammen mit allen maßanalytischen Reagenzien, Indikatoren und Hilfschemikalien planar zwischen zwei undurchlässigen Grenzflächen aus organischen Polymeren oder Gläsern einlaminiert oder geklebt ist und die Probe von mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten peripher einströmen kann, so daß sich die Kapillarflüssigkeitsströme zwischen den Grenzflächen möglichst mittig treffen und dabei abstoppen, wobei bei eng gegenüberliegenden Grenzflächen, die durch einen die Probe einströmen lassenden Spacer getrennt sind, dies auch ohne zusätzlichen flüssigkeitsaufsaugenden Träger bewerkstelligt werden kann und bei mehreren voneinander abgegrenzten Kapillarsaugzonen mit diesen Eigenschaften und unterschiedlicher Chemie simultan ablaufende Mehrstoff-Analysen möglich sind.

3. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung planar und polyedrisch bis rund ist und einen Durchmesser im Zentimeterbereich und eine Dicke zwischen 1 Mikrometer und 5 Millimetern aufweist und der kapillarkraft-aktive, mit Nachweis- und Bestimmungs-Chemikalien getränkte Träger aus Filter- oder Fließpapier auf Cellulose- oder Glasfaserbasis, aus porösen Fest- oder Sinterstoffen (z. B. Kreide, Fritten aus Ton Glas oder dergleichen), saugfähigen Pulvern, Material für die Dünn schicht-Chromatographie etc. besteht und am Rand zur Seite hin offen ist, so daß die Probeflüssigkeit radial vom äußeren Rand zur Mitte einströmt und dort beim Zusammentreffen automatisch zum Stillstand kommt.

4. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die Form einer stäbchenförmigen Kapillar-Mikro-Pipette (Kapillare aus Glas oder anderem durchsichtigen Kunststoff, Länge im Zentimeter-Be reich, Innendurchmesser im sub-Millimeter Bereich) mit oder ohne zusätzliche kapillarkraft-aktive Trägerfüllung (neben den Nachweis- und Bestimmungs chemikalien) hat, wobei aber die Probeflüssigkeit von beiden Enden ungehindert eindringen können muß.

5. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine undurchlässige Grenzfläche aus einem durchsichtigen Material besteht und eine visuelle Erkennung eines gefärbten Bereiches in der eingeschlossenen Teilprobenzone mit oder ohne weitere Hilfsmittel (z. B. UV-Lampe, aufgedruckte Konzentrationsbereiche o. ä.) erfolgt oder entsprechend geformte planare Ringelektroden mit oder ohne entsprechenden Kontakt durchführungen für eine elektrochemische Auswertung enthalten.

6. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die betreffenden Reagenzien für die analytische Bestimmung in einem verdunstbaren Lösungsmittel aufgelöst werden und der poröse Träger damit getränkt und danach getrocknet wird, so daß ein flächenproportionaler Titer entsteht, bevor er zwischen zwei flüssigkeitsdichten Klebefolien (heiß oder kalt) einlaminiert bzw. geklebt wird und daraus die betreffenden Testplättchen ausgestanzt werden.

7. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendigen Nachweis- und Bestimmungsreagenzien direkt auf der/die Oberfläche(n) der flüssigkeitsdichten Testraumabgrenzung nach den bekannten Methoden einer chemischen Immobilisierung gegeben werden und anstelle des porösen Trägermaterials ein separater oder form-integrierter Spacer verwendet wird, der einen Abstand von weniger 1 mm zwischen den Grenzflächen einstellt.

8. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum zwischen den Grenzflächen mittels oberflächenaktiven Verbindungen so modifiziert werden, daß probenbedingte Unterschiede im kapillaren Fließ- und Ansaugevermögen nivelliert werden.

9. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß eine geeignete Indikatorsubstanz in der Mitte der Testvorrichtung anzeigt, daß die mindestens zwei kapillaren Probenströmungen sich getroffen haben.

10. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß als kapillarkraft-aktives Trägermaterial analyt-geeignetes Material zur Dünnschicht-Chromatographie verwendet wird, welches den Analyten von der Probenmatrix trennt und das Testplättchen ein analytselektives Nachweisreagenz zur optischen oder elektrochemischen Detektion immobilisiert enthält.

11. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß im Probeneinströmbereich eine zusätzliche Probenbehandlung (chemische Reaktion: Fällung, Maskierung, Redox-Reaktion, Immuno-Reaktion; oder Filtration, Dialyse, etc.) erfolgt.

12. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Test-Vorrichtung auf den bekannten Biosensor-Typen basiert und der Analyt mittels extrem selektiv wirkender Biomoleküle (Enzyme und Antikörper, bzw. Bio-Rezeptoren, DNA-komplementäre DNA, etc.) detektiert wird, wobei bei den enzymatischen Reaktionen ein Reaktionspartner vermessen wird und bei den sog. Bindungs-Assays die Verdrängung einer markierten Verbindung, die sich optisch oder elektrochemisch nachweisen läßt, durch den Analyten zur Anzeige ausgenutzt wird.

13. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der laminar aufgebauten Einzel-Testvorrichtungen zu einem Stapel von zwei oder mehreren zusammengefügt werden, wodurch Simultananalysen möglich werden.

14. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikation der Zone der verbrauchten Urtitersubstanz elektrochemisch durch ortsauflösende Methoden der Konduktometrie, Potentiometrie oder Amperometrie vermessen wird.

15. Verfahren und Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß eine schnelle und zuverlässige Bestimmung von kationischen Tensiden und lipophilen Aminen dadurch ermöglicht wird, daß als Indikator ein lipophiler anionisch geladener Farbstoff aus der Gruppe der Triarylmethan-Farbstoffe wie das 3', 3'', 5', 5''-Tetrabrom-m-kresolsulfonphthalein-Natriumsalz und ein Puffer mit pH = 2-6 imprägniert ist.