WO2003082469A2 - Device and method for carrying out and continuously monitoring chemical and/or biological reactions - Google Patents

Device and method for carrying out and continuously monitoring chemical and/or biological reactions Download PDF

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Abstract

The invention relates to a device for carrying out and continuously monitoring chemical and/or biological reactions in situ. Said device comprises a reaction vessel and a monitoring unit that is fixed in the latter, said unit permitting the continuous selective molecular identification of a single reaction partner. The invention also relates to a method for the selective continuous in situ identification of reaction partners in chemical and/or biological reactions, in addition to a computer program for carrying out the inventive method.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR DURCHFUHRUNG UND ZUR KONTINUIERLICHEN ÜBERWACHUNG VON CHEMISCHEN UND/ODER DEVICE AND METHOD FOR IMPLEMENTING AND CONTINUOUSLY MONITORING CHEMICAL AND / OR
BIOLOGISCHEN REAKTIONEN.BIOLOGICAL REACTIONS.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung und zur kontinuierlichen Überwachung von chemischen und oder biologischen Reaktionen umfassend ein Reaktionsgefäß und eine Überwachungseinheit, wobei die Überwachungseinheit die kontinuierliche selektive molekulare Erkennung eines Reaktionsteilnehmers einer chemischen und/oder biologischen Reaktion ermöglicht.The present invention relates to a device for carrying out and continuously monitoring chemical and or biological reactions, comprising a reaction vessel and a monitoring unit, the monitoring unit permitting the continuous selective molecular recognition of a reaction participant of a chemical and / or biological reaction.
Weiter umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The present invention further comprises a method for the continuous monitoring of chemical and / or biological reactions by means of a device according to the invention, and a computer program for carrying out the method according to the invention.
Systeme zur kontinuierlichen online Messtechnik sind bereits bekannt. Insbesondere sind FIA-Systeme (flow-injection-analysis) zur Gewinnung von kontinuierlichen Informationen über ein breites Spektrum von Substanzen bekannt, wobei diese Systeme ein aufwendiges Fluiddurchflußsystem mit Pumpen und Ventilen umfassen, und traditionelle analytische Bestimmungsverfahren mit Reagenzien oder ionenselektiven Elektroden am Ende eines Fließsystems als Detektoren verwenden.Systems for continuous online measurement technology are already known. In particular, FIA systems (flow-injection-analysis) for obtaining continuous information about a broad spectrum of substances are known, these systems comprising a complex fluid flow system with pumps and valves, and traditional analytical determination methods with reagents or ion-selective electrodes at the end of a flow system use as detectors.
Weitere bekannte Sensorsysteme, die Verwendung als kontinuierliche Prozeßüberwachungssensoren finden, beruhen auf potentiometrischen, voltammetrischen bzw. amperometrischen oder optischen Messtechniken.Other known sensor systems that are used as continuous process monitoring sensors are based on potentiometric, voltammetric or amperometric or optical measurement techniques.
Bislang sind jedoch die vorgenannten Sensorsysteme zumeist in einer miniaturisierten Messkammer angeordnet, durch die das zu untersuchende Material gepumpt wird. Damit sind also nur „Momentaufnahmen" beispielsweise eines Reaktionsgemisches zu einer bestimmten Zeit möglich, ohne dass der Reaktionsverlauf damit kontinuierlich überwacht werden kann. Amperometrische oder voltammetrische Systeme des Standes der Technik umfassen beispielsweise Biosensoren sowie miniaturisierte, modifizierte Elektroden wie „Glassy- Carbon" oder Graphit-Elektroden (Kalcher, K. et al, Z. Electroanalysis 7/1 (1995), S. 5-22). Ebenso sind ionenselektive Transistoren auf der Basis von ISFETs (Ion-selective-field-effect- transistors) bekannt (Schindler, J.G. et al, Biomedtech 36/11(1991) S.271-280). Alle vorerwähnten Systeme können wie schon vorstehend ausgeführt nur in sogenannten Durchflussvorrichtungen zum Einsatz kommen, wie sie beispielsweise in der CH 692120 A5 beschrieben sind. Damit ist die selektive kontinuierliche Bestimmung beispielsweise von Parametern nur eines einzigen Reaktionsteilnehmers nicht möglich.So far, however, the aforementioned sensor systems have mostly been arranged in a miniaturized measuring chamber through which the material to be examined is pumped. This means that only "snapshots" of a reaction mixture, for example, are possible at a certain time, without the reaction course being able to be continuously monitored. Amperometric or voltammetric systems of the prior art include, for example, biosensors and miniaturized, modified electrodes such as "glassy carbon" or graphite -Electrodes (Kalcher, K. et al, Z. Electroanalysis 7/1 (1995), pp. 5-22). Ion-selective transistors based on ISFETs (ion-selective field-effect transistors) are also known (Schindler, JG et al, Biomedtech 36/11 (1991) pp.271-280). All of the aforementioned systems can, as already explained above, only be used in so-called flow-through devices, as described, for example, in CH 692120 A5. This means that selective continuous determination of parameters, for example, of only one reaction participant is not possible.
Selektivitätsprinzipien beruhend auf so genannten „Erkennungsmolekülen", wie beispielsweise selektiven Liganden oder Selektivitätsprinzipien, die auf Verteilungsgleichgewichten beruhen, sind ebenfalls bekannt (siehe Fluka-Katalog „Selectophore®" 1996).Selectivity principles based on so-called “recognition molecules”, such as, for example, selective ligands or selectivity principles based on distribution equilibria, are also known (see Fluka catalog “Selectophore®” 1996).
Für eine detaillierte Beschreibung von Sensorsystemen, die im Stand der Technik Verwendung finden, wird auf die Veröffentlichung von U.E. Spichiger-Keller, Chemical Sensors and Biosensors for Medical and Biological Applications, Wiley, VCH, Weinheim, New York, 1998, verwiesen, auf deren Offenbarungsinhalt hier vollumfänglich Bezug genommen wird.For a detailed description of sensor systems used in the prior art, reference is made to the publication by U.E. Spichiger-Keller, Chemical Sensors and Biosensors for Medical and Biological Applications, Wiley, VCH, Weinheim, New York, 1998, to whose disclosure content reference is made here in full.
Weiter ist bekannt, dass durch Fluoreszensemission mit optischen Sensoren Sauerstoff, Kohlendioxyd und pH- Werte gemessen werden können.It is also known that oxygen, carbon dioxide and pH values can be measured by fluorescence emission with optical sensors.
Ebenso ist von der Firma Medisense ein amperometrischer Glucosesensor bekannt. Dabei weisen diese Geräte Sensoren mit mehreren verschiedenen selektiven Schichten auf, deren Kombination letztlich zur Selektivität dieser Sensoren beiführt.An amperometric glucose sensor is also known from Medisense. These devices have sensors with several different selective layers, the combination of which ultimately leads to the selectivity of these sensors.
Allen vorgenannten Sensoren ist gemein, dass eine kontinuierliche Überwachung von ausgewählten Reaktionsteilnehmern in Reaktionen, die sowohl chemischer als auch biologischer Natur sein können in Nicht-Durchflussvorrichtungen beispielsweise in geschlossenen Reaktionsgefaßen nicht möglich war.All of the aforementioned sensors have in common that continuous monitoring of selected reaction participants in reactions which can be both chemical and biological in nature was not possible in non-flow devices, for example in closed reaction vessels.
Dies ist insbesondere bei biologischen Reaktionen, d.h. in der tierischen, mikrobiologischen und pflanzlichen Zellkulturtechnik von Nachteil, bei der meist sogenannte low-cost Einweg- Reaktoren eingesetzt werden. Es handelt sich dabei im allgemeinen um Kunstoffgefässe mit einem Fassungsvolumen von einigen Millilitern bis zu wenigen Litern. Diese werden dem Verbraucher, steril verpackt, zugestellt. Der Anwender kann die Gefässe dann unter sterilen Bedingungen auspacken, das Medium einfüllen und mit Zellen animpfen. Nach dem Abschluss des Prozesses werden die Behälter gereinigt und entsorgt. Es sind also Einwegreaktoren. Somit entfällt eine mühsame Sterilisation der Reaktoren vor und nach dem Einsatz und die Gefahr von Kontaminationen wird verringert.This is particularly disadvantageous in the case of biological reactions, ie in animal, microbiological and plant cell culture technology, in which so-called low-cost disposable reactors are mostly used. These are generally plastic containers with a volume of a few milliliters to a few liters. These are delivered to the consumer in sterile packaging. The user can then unpack the vessels under sterile conditions, fill in the medium and inoculate with cells. After the process is complete, the containers are cleaned and disposed of. So they are single-use reactors. This eliminates the laborious sterilization of the reactors before and after use and the risk of contamination is reduced.
Diese low-cost Reaktoren sind besonders in der Forschung und Entwicklung aber auch in der Produktion von Zellen und pharmazeutischen Stoffen weit verbreitet. Dies einerseits aufgrund ihrer kostengünstigen Herstellung und andererseits deshalb, weil das Sterilisieren entfallt. Somit muss kein Sterilitätsnachweis erbracht werden und der Aufwand der Vorbereitungen kann stark reduziert werden.These low-cost reactors are particularly widespread in research and development, but also in the production of cells and pharmaceutical substances. On the one hand, this is due to their inexpensive production and, on the other hand, because there is no need for sterilization. This means that there is no need to provide evidence of sterility and the effort required to prepare can be greatly reduced.
Wenn nun eine Probe aus einem solchen Reaktor entnommen werden soll, um sie zu analysieren, so ist dies immer mit aufwendigen Arbeitsschritten und einer Gefahr der Kontamination der Zellkulturen verbunden.If a sample is to be taken from such a reactor in order to analyze it, this is always associated with complex work steps and a risk of contamination of the cell cultures.
Arbeitsschritte die heute durchgeführt werden müssen, um eine Probe aus einem Reaktor zu entnehmen und diese zu analysieren sind folgende:Steps that must be carried out today to take a sample from a reactor and analyze it are as follows:
• Entnehmen der Einweg-Reaktoren aus dem Brutschrank und transportieren in eine Flow- Bench• Remove the disposable reactors from the incubator and transport them to a flow bench
Öffnen der Flaschen und Entnahme der Probe Abfüllen der Probe in ein Probengefäss Beschriftung der Probe Transport der Probe in ein Analyselabor Analysieren der ProbeOpening the bottles and taking the sample Filling the sample into a sample container Labeling of the sample Transporting the sample to an analysis laboratory Analyzing the sample
Durch diese zeit- und personalintensiven Arbeitsschritte entstehen folgende Nachteile:These time-consuming and personnel-intensive work steps have the following disadvantages:
• Verändern des Klimas im Brutschrank (Temperaturabfall, Veränderung der O2 und CO2 Konzentrationen), zeit- und kostenintensive Probenentnahme, Gefahr der Kontaminationen durch das Öffnen der Flaschen, aufwendige Analyse der Proben, Gefahr der Verfälschung der Probe durch die Probeentnahme und den Transport ins Labor, zu spätes Erkennen von Veränderungen der Zusammensetzung des Kulturmediums. Dies führt zu einem groben Verbrauch an Medium, da große Probemengen erforderlich sind und damit zu einer unerwünschten Aufkonzentrierung der Zelldichte.• Changing the climate in the incubator (temperature drop, changing the O 2 and CO 2 concentrations), time and cost-intensive sampling, risk of contamination by opening the bottles, extensive analysis of the samples, risk of falsification of the sample by sampling and transportation to the laboratory, too late detection of changes in the composition of the culture medium. This leads to a rough consumption of medium, since large sample amounts are required and thus to an undesirable concentration of the cell density.
Dies führt zu erhöhten Kosten und vermehrten Ausfällen.This leads to increased costs and increased failures.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die Durchführung und gleichzeitige kontinuierliche Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen ermöglicht.It was therefore an object of the present invention to provide a device which enables chemical and / or biological reactions to be carried out and continuously monitored at the same time.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird, die ein Reaktionsgefaß mit einem Einlaß sowie eine Aussparung umfasst, wobei in der Aussparung eine Überwachungseinheit angeordnet ist, wobei die Überwachungseinheit in den Bereichen, die im Innern der Reaktionsgefäßes angeordnet sind, eine permeable Membran aufweist, und wobei die Überwachungseinheit einen Bereich umfasst, der die kontinuierliche selektive in- situ Erkennung eines Reaktionsteilnehmers während der chemischen und/oder biologischen Reaktion ermöglicht und weiter Mittel zur kontinuierlichen Umwandlung der selektiven Erkennung durch Erkennungsmittel in eine Messgröße aufweist, wobei der Bereich und die Umwandlungsmittel als eine einzige Schicht ausgebildet sind.The object is achieved in that a device is provided which comprises a reaction vessel with an inlet and a cutout, a monitoring unit being arranged in the cutout, the monitoring unit being arranged in the areas which are arranged in the interior of the reaction vessel permeable membrane, and wherein the monitoring unit comprises a region which enables the continuous selective in situ detection of a reaction participant during the chemical and / or biological reaction and further comprises means for the continuous conversion of the selective detection by means of detection means into a measurement variable, the region and the conversion means are formed as a single layer.
Besonders bevorzugt ist, dass der Bereich und die Umwandlungsmittel als eine einzige Schicht ausgebildet sind. Damit kann der Erkennungs- und Umwandlungs- (Transduktions-) Schritt in einer einzigen Schicht ablaufen und es werden Informationsverluste aufgrund einer möglichen räumlichen Trennung zwischen selektiven Erkennungsmitteln und Umwandlungsmitteln vermieden. Die Schicht ist dabei von ihrem Aufbau her der jeweiligen chemischen und/oder biologischen Reaktion ausgewählt angepaßt, wählbar und auch auswechselbar. Somit kann beispielsweise ein Reaktionsgefäß für eine Vielzahl von unterschiedlichen Reaktionen mit unterschiedlichen Schichten verwendet werden.It is particularly preferred that the area and the conversion means are formed as a single layer. The detection and conversion (transduction) step can thus take place in a single layer and information losses due to a possible spatial separation between selective detection means and conversion means are avoided. The structure of the layer is selected, adapted and selectable, and also interchangeable, to the particular chemical and / or biological reaction. Thus, for example, a reaction vessel can be used for a large number of different reactions with different layers.
Die Schicht kann dabei porös oder nicht porös sein. Sie kann ebenfalls als unlösliche Paste mit darin verteilten Umwandlungs- und/oder Erkennungsmitteln vorliegen. In einer weiteren Ausführungsform ist die Schicht eine poröse Polymerschicht (z.B. Polypropylen, -ethylen, PVC und andere geeignete Polymere). Ebenso kann die Schicht ein üblicher MOSFET, MISFET oder ISFET (metal oxide bzw. ion selective field effective transistor) sein. Weiter kann die Schicht aus Metalloxiden bzw. gemischten Metalloxiden oder aus Metallen wie Pt, Pd, Au, Ag, Cu bzw. deren Legierungen untereinander bestehen.The layer can be porous or non-porous. It can also be in the form of an insoluble paste with conversion and / or recognition agents distributed therein. In a further embodiment, the layer is a porous polymer layer (for example polypropylene, ethylene, PVC and other suitable polymers). The layer can also be a conventional MOSFET, MISFET or ISFET (metal oxide or ion selective field effective transistor). Further the layer can consist of metal oxides or mixed metal oxides or of metals such as Pt, Pd, Au, Ag, Cu or their alloys with one another.
Dabei wird erreicht, dass aus einer Vielzahl an Reaktionsteilnehmern, wie sie gewöhnlich während einer chemischen und/oder biologischen Reaktion auftreten, nur ein einziger selektiv über den gesamten Reaktionszeitraum hinweg kontinuierlich überwacht und gemessen werden kann. Aus den so gewonnenen Parametern, d.h. Informationen über physikalische und/oder chemische Eigenschaften des jeweils ausgewählten Reaktionsteilnehmers können somit weitere Rückschlüsse auf den Reaktionsverlauf gezogen werden. Da die Überwachung kontinuierlich und nicht nur periodisch, d.h. nur zu bestimmten Zeitpunkten erfolgt, kann die Reaktion an jeder beliebigen Stelle abgebrochen werden, bzw. ein Ende der Reaktion rechtzeitig erkannt werden. Dabei steht die Überwachungseinheit zumindest über den Bereich, der die kontinuierliche selektive in-situ Erkennung ermöglicht während der Reaktion in permanentem Kontakt mit dem Reaktionsmedium.It is thereby achieved that out of a large number of reaction participants, as usually occurs during a chemical and / or biological reaction, only a single one can be continuously monitored and measured selectively over the entire reaction period. From the parameters obtained in this way, i.e. Information about the physical and / or chemical properties of the selected reaction participant can thus be used to draw further conclusions about the course of the reaction. Since the monitoring is continuous and not just periodic, i.e. If the reaction takes place only at certain times, the reaction can be stopped at any point or an end of the reaction can be recognized in good time. The monitoring unit is at least above the area that enables continuous selective in-situ detection during the reaction in permanent contact with the reaction medium.
Darüber hinaus kann durch die kontinuierliche In-Situ-Messung erreicht werden, dass die Gefahr von Kontaminationen durch Öffnen der Reaktionsgefaße, Entnahme von Proben sowie Verfälschung von Proben durch die Probenentnahme und dem Transport ins Analytiklabor vermieden werden. Weiter wird dadurch das späte Erkennen von Veränderungen der Zusammensetzung von Kulturmedien insbesondere bei biologischen Reaktionen vollständig vermieden.In addition, the continuous in-situ measurement can avoid the risk of contamination by opening the reaction vessels, taking samples and falsifying samples by taking samples and transporting them to the analytical laboratory. This also completely avoids the late detection of changes in the composition of culture media, particularly in the case of biological reactions.
Die permeable Membran ist in einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung als semipermeable Membran ausgestaltet, so dass der zu verfolgende Reaktionsteilnehmer nur in eine Richtung zur Überwachungseinheit hin diffundieren kann. Außerdem verhindert die semipermeable Membran, dass eventuelle Umsetzungs-/ Folgereaktionsprodukte des Reaktionsteilnehmer, die durch den selektiven Erkennungsprozess bedingt sein können in das Reaktionsmedium rückdiffundieren.In a very particularly preferred embodiment of the invention, the permeable membrane is designed as a semipermeable membrane, so that the reaction participant to be followed can diffuse only in one direction towards the monitoring unit. In addition, the semipermeable membrane prevents any reaction / follow-up reaction products of the reactant, which may be caused by the selective recognition process, from diffusing back into the reaction medium.
Unter biologischer Reaktion werden Reaktionen zwischen biologischen Stoffen und/oder Lebewesen, d.h. beispielsweise tierische, mikrobiologische und pflanzliche Zellkulturen verstanden. Chemische Reaktionen sind erfindungsgemäß Reaktionen zwischen chemischen Verbindungen, die zu einer chemischen und oder physikalischen Veränderung der Edukte führen.A biological reaction is understood to mean reactions between biological substances and / or living beings, that is to say, for example, animal, microbiological and plant cell cultures. According to the invention, chemical reactions are reactions between chemical compounds which lead to a chemical and or physical change in the starting materials.
Der Begriff „Reaktionsteilnehmer" umfasst Edukte, Zwischenprodukte und Produkte von biologischen und chemischen Reaktionen.The term “reaction participant” encompasses starting materials, intermediates and products of biological and chemical reactions.
Unter „Überwachungseinheit" wird vorstehend ein Sensorsystem verstanden, das auf potentiometrischen, amperometrischen, voltammetrischen oder optischen Messtechniken beruht.“Monitoring unit” is understood above to mean a sensor system that is based on potentiometric, amperometric, voltammetric or optical measurement techniques.
Bevorzugt ist, dass der Bereich der die kontinuierliche selektive Erkennung eines Reaktionsteilnehmers ermöglicht so aufgebaut ist, dass nur ein einziger Reaktionsteilnehmer selektiv erkannt werden kann. Dadurch werden eventuelle Störungen, die aus der Erfassung beispielsweise von zwei Reaktionsteilnehmern, oder deren Wechselwirkung, die zu einer Verfälschung des Reaktionsergebnisses führen könnten, vollständig vermieden. Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass nur die spezifisch wirkenden Erkennungsmittel, wie z.B. Enzyme, Chromophore, Ionophore, Metalloxide, Metalle etc. in dem Bereich angeordnet/verteilt sind.It is preferred that the area that enables the continuous selective recognition of a reaction participant is constructed such that only a single reaction participant can be selectively recognized. This completely eliminates any disruptions that may result from the detection of two reaction participants, for example, or their interaction, which could lead to a falsification of the reaction result. This will e.g. achieved in that only the specifically acting detection means, such as Enzymes, chromophores, ionophores, metal oxides, metals etc. are arranged / distributed in the area.
Unter selektiver Erkennung wird erfindungsgemäß verstanden, dass der Bereich selektiv nur Moleküle/ Atome in Form von geladenen Molekülen/Atomen (Ionen) oder als nicht geladene Molekülen bzw. chemischer und/oder biologischer Verbindungen erkennt.According to the invention, selective recognition is understood to mean that the region selectively recognizes only molecules / atoms in the form of charged molecules / atoms (ions) or as non-charged molecules or chemical and / or biological compounds.
Dabei weist dieser Bereich vorzugsweise Erkennungsmittel auf, die die selektive Erkennung nur eines einzigen Reaktionsteilnehmers ermöglichen.This area preferably has detection means which enable the selective detection of only a single reaction participant.
Es ist weiter bevorzugt, dass dieser Bereich eine schnelle selektive reversible Erkennungsreaktion ermöglicht, da nur so eine genaue kontinuierliche Bestimmung der zu bestimmenden Substanzen/Reaktionsteilnehmer möglich ist. In Bezug auf Reversibilität bedeutet „schnell" eine Zeitspanne von wenigen ms bis s, bevorzugt 0,5 - 10 s.It is further preferred that this area enables a fast, selective, reversible recognition reaction, since only in this way is it possible to precisely determine the substances / reaction participants to be determined. In terms of reversibility, "fast" means a time span from a few ms to s, preferably 0.5-10 s.
Bevorzugt ist der Bereich schnell regenerierbar. "Schnell" bedeutet erfmdungsgemäß, für Regenierbarkeit einen Zeitraum von wenigen ms bis zu 10 Minuten. Die Regeneration wird dabei vorzugsweise nach dem Ende der chemischen und/oder biologischen Reaktion durchgeführt. Bei einigen Reaktionen Kann die Regeneration jedoch auch während des Reaktionsverlaufes stattfinden. Die Erkennung erfolgt selektiv, wobei die Zielsubstanz (der Reaktionsteilnehmer) gegenüber Begleitsubstanzen, d.h den anderen Reaktionsteilnehmern vorgezogen wird. Dieses sogenannte Selektivitätsprinzip kann auf Verteilungsgleichgewichten oder typischen chemischen Wechselwirkungen zwischen selektiertem Reaktionsteilnehmer und mindestens einer Erkennungskomponente beruhen. Es ist wie vorstehend ausgeführt reversibel und/oder dem Zeittakt des kontinuierlichen Überwachungs/Messystems entsprechend regenerierbar.The area can preferably be regenerated quickly. According to the invention, "fast" means a period of a few ms to 10 minutes for regenerability. The regeneration is preferably carried out after the end of the chemical and / or biological reaction carried out. In some reactions, however, regeneration can also take place during the course of the reaction. The detection takes place selectively, the target substance (the reaction participant) being preferred to accompanying substances, ie the other reaction participants. This so-called selectivity principle can be based on distribution equilibria or typical chemical interactions between selected reaction participants and at least one recognition component. As stated above, it is reversible and / or regenerable according to the timing of the continuous monitoring / measuring system.
Es ist besonders bevorzugt, dass dieser Bereich weiter Mittel zur kontinuierlichen Umwandlung (Transduktion) der selektiven Erkennung, die mittels der Erkennungsmittel vorgenommen wurde, in eine Messgröße aufweist. Damit ist gewährleistet, dass die kontinuierlichen Veränderungen, die von den Erkennungsmitteln registriert wurden, kontinuierlich in erkennbare quantifizierbare, physikalische Messgrößen umgewandelt werden. Als Umwandlung bzw. Transduktion wird dabei ein Schritt oder eine Folge von Schritten bezeichnet, welche, induziert/ausgelöst durch die selektive Erkennung, die Bildung einer in der Regel quantifizierbaren bzw. detektierbaren Messgrösse bewirkt. Der Umwandlungsschritt hängt dabei von der eingesetzten Messmethode ab. Bei einer optischen Messung wird die gemessene Absorption/Absorbanz, Reflektion, der Brechungsindex bzw. deren Änderung detektiert und in ein Signal umgewandelt. Bei einer potentiometrischen Messmethode wird das gebildete chemische Potenzial durch eine Elektrode/Kontakt mit einer Elektrode in ein elektrisches Potenzial, das gemessen wird, umgewandelt. Eine amperometrische Messmethode erzeugt bzw. verbraucht Elektronen (Oxidation und Reduktion), die über eine Elektrode / bzw. Kontakt mit einer Elektrode ab- oder zugeführt werden, so dass sich der Stromfluss ändert und einer Messung zugänglich ist.It is particularly preferred that this area also has means for the continuous conversion (transduction) of the selective detection, which was carried out by means of the detection means, into a measurement variable. This ensures that the continuous changes that have been registered by the detection means are continuously converted into recognizable, quantifiable, physical measurement variables. A conversion or transduction refers to a step or a sequence of steps which, induced / triggered by the selective recognition, causes the formation of a measurement quantity which is generally quantifiable or detectable. The conversion step depends on the measurement method used. In the case of an optical measurement, the measured absorption / absorbance, reflection, the refractive index or their change is detected and converted into a signal. In a potentiometric measurement method, the chemical potential formed is converted into an electrical potential that is measured by an electrode / contact with an electrode. An amperometric measurement method generates or consumes electrons (oxidation and reduction), which are removed or supplied via an electrode or contact with an electrode, so that the current flow changes and is accessible for measurement.
Die Bildung der Messgrösse ist das Resultat aus der Erkennung mit seinem für ihn typischen Selektivitätsprinzip und der darauffolgenden Umwandlung. Die Messgrösse kann sich bereits als Folge des aufgrund der Erkennung und Selektivitätsprinzips veränderten Verteilungsgleichgewichtes bilden (Potentiometrie, IR-Spektroskopie) oder durch Ankopplung von Hilfsstoffen (z.B. Indikatoren)The formation of the measured variable is the result of the recognition with its selectivity principle, which is typical for him, and the subsequent conversion. The measurement variable can already be formed as a result of the change in the distribution equilibrium due to the detection and selectivity principle (potentiometry, IR spectroscopy) or through coupling of auxiliary substances (e.g. indicators)
In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Schicht zwischen der Membran und der Überwachungseinheit angeordnet. Es ist weiter bevorzugt, dass die Umwandlungsmittel die erfassten quantifizierbaren Messgrößen kontinuierlich auf eine Übertragungsvorrichtung geben, die diese wiederum auf ein Datenerfassungsgerät übertragen.In a preferred embodiment, this layer is arranged between the membrane and the monitoring unit. It is further preferred that the conversion means continuously transmit the acquired quantifiable measurement variables to a transmission device, which in turn transmits them to a data acquisition device.
Damit ist gewährleistet, dass die erfassten Messdaten permanent aktualisiert und für die Person, die die Reaktion überwacht bzw. durchführt, ständig aktuell dem jeweiligen Reaktionsverlauf entsprechend informiert ist, so dass gegebenenfalls bei Fehlverläufen der Reaktion rechtzeitig eingegriffen werden kann.This ensures that the recorded measurement data is constantly updated and that the person who is monitoring or carrying out the reaction is kept up to date with the respective course of the reaction, so that, if necessary, the reaction can be intervened in good time.
Besonders bevorzugt ist, dass die Übertragung der Daten drahtlos erfolgt. Dadurch werden aufwendige Verkabelungssysteme vermieden, und die Einfachheit des Systems weiter gesteigert.It is particularly preferred that the data is transmitted wirelessly. This avoids complex cabling systems and further increases the simplicity of the system.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Übertragungsvorrichtung nur lose mit der Übertragungseinheit verbunden. Dadurch wird erreicht, dass die Übertragungsvorrichtung jederzeit aus der Überwachungseinheit ausgebaut werden kann, so dass das benutzte Reaktionsgefäß mit den Grundbestandteilen der Überwachungseinheit entsorgt werden kann, während die im allgemeinen kostenaufwendigere Übertragungseinrichtung für weitere erfindungsgemäße Vorrichtungen weiter verwendet werden kann.In a particularly advantageous embodiment, the transmission device is only loosely connected to the transmission unit. It is thereby achieved that the transmission device can be removed from the monitoring unit at any time, so that the reaction vessel used can be disposed of with the basic components of the monitoring unit, while the generally more expensive transmission device can continue to be used for further devices according to the invention.
Weiter wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur kontinuierlichen In-Situ-Überwachung von chemischen und biologischen Reaktionen unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei folgende Verfahrungsschritte.The object of the present invention is further achieved in that a method for continuous in-situ monitoring of chemical and biological reactions is provided using an apparatus according to the invention. The method according to the invention comprises the following steps.
a) Selektives kontinuierliches Erkennen eines einzigen Reaktionsteilnehmers einer chemischen und/oder biologischen Reaktiona) Selective continuous detection of a single reactant of a chemical and / or biological reaction
b) Umwandlung (Transduktion) der aus der kontinuierlichen selektiven Erkennung gewonnenen Daten in eine quantifizierbare physikalische Messgröße c) Kontinuierliche Übertragung der umgewandelten physikalischen Messgröße auf ein Datenerfassungsgerätb) Conversion (transduction) of the data obtained from the continuous selective detection into a quantifiable physical quantity c) Continuous transmission of the converted physical quantity to a data acquisition device
d) Kontinuierliche Erfassung der übertragenen Daten in einem Datenerfassungsgerät und Auswertung und in Relation setzen zu einer Eigenschaft oder Parameter der selektiv erkannten Substanzd) Continuous acquisition of the transmitted data in a data acquisition device and evaluation and relating to a property or parameter of the selectively recognized substance
Weiter wird ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgem'äßen Verfahrens zur Verfügung gestellt, wobei das Computerprogramm die erfassten Daten in der Datenerfassungseinheit in eine chemische und/oder physikalische Größe des gemessenen Reaktionsteilnehmers umsetzt.Further, a computer program is provided for carrying out the invention 'ate procedure available, the computer program converts the data acquired in the data acquisition unit in a chemical and / or physical size of the measured reactant.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Figur.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached figure.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend genannt noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Figuren und nicht-einschränkender Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of some figures and non-restrictive exemplary embodiments.
Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;Figure 1 shows the schematic representation of a device according to the invention;
Figur 2 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine amperometrische Überwachungseinheit;FIG. 2 shows the schematic cross section through an amperometric monitoring unit;
Figur 3 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine optische Überwachungseinheit;Figure 3 shows the schematic cross section through an optical monitoring unit;
Figur 4 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine potentiometrische Überwachungseinheit; Figur 5 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer potentiometrischen Überwachungseinheit;FIG. 4 shows the schematic cross section through a potentiometric monitoring unit; FIG. 5 shows the schematic cross section through a further embodiment of a potentiometric monitoring unit;
Figur 6 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform für eine amperometrische Überwachungseinheit undFIG. 6 shows the schematic cross section through a further embodiment for an amperometric monitoring unit and
Figur 7 zeigt die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.Figure 7 shows the schematic representation of a further embodiment of a device according to the invention.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100, umfassend ein Reaktionsgefäß 110 mit einem Einlass 111. Das Reaktionsgefäß kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein. Bei Einweg-Reaktionsgefäßen, die nach Ende der Reaktion weggeworfen werden, wird bevorzugt ein kostengünstiger Kunststoff oder Glas verwendet. Schematisch ist in Figur 1 ebenfalls ein Reaktionsmedium 140 dargestellt, dass die Reaktionsteilnehmer für eine chemische und/oder biologische Reaktion umfasst.FIG. 1 shows a device 100 according to the invention, comprising a reaction vessel 110 with an inlet 111. The reaction vessel can be made of any material. In the case of single-use reaction vessels which are thrown away after the end of the reaction, an inexpensive plastic or glass is preferably used. A reaction medium 140 is also shown schematically in FIG. 1, which comprises the reaction participants for a chemical and / or biological reaction.
Die Überwachungseinheit 120 ist in einer Aussparung 112 des Reaktionsgefäßes 1 10 angeordnet. Sie kann dabei über Dichtungen befestigt sein, oder aber, z. B. bei Reaktionsgefäßen aus Kunststoff oder Glas auch eingegossen sein. Ansonsten ist die Befestigungsart, z. B. Kleben usw. beliebig wählbar und dem Reaktionstyp angepaßt. Die Überwachungseinheit 120 ist durch eine semipermeable Membran 121, die beispielsweise aus Cellulose, einem Cellulosederivat oder einem anderen, dem Fachmann an sich bekannten, geeigneten Material sein kann, mit dem Innern des Reaktionsgefäßes 110 bzw. mit dem Reaktionsmedium 140 ganz oder teilweise in Kontakt. Vorzugsweise ist die Überwachungseinheit 120 ganz in das Reaktionsmedium eingetaucht. In der Überwachungseinheit 120 befindet sich ein Bereich 130, eine frei wählbare und auswechselbare sogenannte „molekulare Erkennungsschicht" 130, die die selektive Erkennung eines einzigen Reaktionsteilnehmers einer gewünschten Reaktion ermöglicht.The monitoring unit 120 is arranged in a cutout 112 in the reaction vessel 110. You can be attached via seals, or, for. B. can also be cast in reaction vessels made of plastic or glass. Otherwise, the type of attachment, for. B. glue etc. arbitrarily selectable and adapted to the reaction type. The monitoring unit 120 is wholly or partly in contact with the inside of the reaction vessel 110 or with the reaction medium 140 through a semipermeable membrane 121, which can be made of cellulose, a cellulose derivative or another suitable material known to the person skilled in the art. The monitoring unit 120 is preferably completely immersed in the reaction medium. In the monitoring unit 120 there is an area 130, a freely selectable and exchangeable so-called “molecular recognition layer” 130, which enables the selective recognition of a single reaction participant of a desired reaction.
Diese Erkennungsschicht 130 ist in Kontakt mit einem Umwandlungsmittel 131, das die mittels der Erkennungsschicht 130 gewonnenen Daten in eine physikalische Messgröße umwandelt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, bilden die Erkennungsschicht und das Umwandlungsmittel 131 ein einziges Bauteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Umwandlungsmittel 131 steht dabei in Kontakt mit einer Übertragungsvorrichtung 132, die die so gewonnenen Messgrößen weiter auf ein Datenerfassungsgerät 150 beispielsweise mittels Funk überträgt. Der Kontakt kann dabei aber auch z. B. elektrisch wie etwa über Metallelektroden, -drahte oder über geeignete optische Mittel erfolgen. Es versteht sich, dass die Übertragung der Daten von der Übertragungsvorrichtung 132 auf das Datenerfassungsgerät selbstverständlich mittels Kabel, oder Funk auch über ein zwischengeschaltetes Handheld-Gerät erfolgen kann, das anschließend die gesammelten Daten weiter auf ein weiteres Datenerfassungsgerät, beispielsweise einen Server oder ein Netzwerk, das in Figur 1 nicht dargestellt ist, zur weiteren Bearbeitung überträgt. Bei Verwendung eines Einwegreaktionsgefaßes wird die Übertragung mittels Funk bevorzugt sein, da der dafür verwendete Funkkopf (Sender) der Übertragungsvorrichtung 132 in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung einer lose mit der Überwachungseinheit 120 verbunden ist, z. B. aufgesteckt ist.This recognition layer 130 is in contact with a conversion means 131, which converts the data obtained by means of the recognition layer 130 into a physical measurement variable. In a particularly preferred embodiment, the detection layer and the conversion means 131 form a single component of the device according to the invention. The conversion means 131 is in contact with a transmission device 132, which further transmits the measurement variables thus obtained to a data acquisition device 150, for example by radio. The contact can also z. B. electrically such as about metal electrodes, wires or via suitable optical means. It goes without saying that the data can of course be transmitted from the transmission device 132 to the data acquisition device by means of a cable or radio, also via an interposed handheld device, which then further transfers the collected data to another data acquisition device, for example a server or a network. which is not shown in Figure 1, for further processing. When using a one-way reaction vessel, transmission by radio will be preferred, since the radio head (transmitter) of the transmission device 132 used for this purpose is loosely connected to the monitoring unit 120 in a preferred embodiment of the invention, e.g. B. is attached.
Damit kann der Funkkopf nach Reaktionsende abgezogen werden und bei einem neuen Einwegreaktionsgefäß weiterverwendet werden, während das benutzte Reaktionsgefaß weggeworfen werden kann. Somit ist auch eine kostengünstigere, standardisierte Herstellung erfindungsgemäßer Vorrichtungen möglich, da nur wenige auswechselbare und wiederverwendbare teure Funkköpfe benötigt werden und das Design der erfindungsgemäßen Vorrichtung damit wesentlich vereinfacht werden kann.The radio head can thus be removed after the end of the reaction and can be used again in a new one-way reaction vessel, while the used reaction vessel can be thrown away. This also enables a more cost-effective, standardized production of devices according to the invention, since only a few replaceable and reusable expensive radio heads are required and the design of the device according to the invention can thus be considerably simplified.
Es ist auch möglich, dass die gesamte Überwachungseinheit 120 so miniaturisiert ist, dass sie als Sensorchip ausgestaltet ist, der ein oder mehrere Überwachungseinheiten 120 aufweisen und/oder alle oder einen Teil der vorstehend beschriebenen Bauteile aufweisen kann.It is also possible for the entire monitoring unit 120 to be miniaturized in such a way that it is designed as a sensor chip which can have one or more monitoring units 120 and / or can have all or part of the components described above.
Figur 2 zeigt einen schematischen nicht maßstabsgetreuen Querschnitt durch eine auf dem amperometrischen Messprinzip beruhende Überwachungseinheit 200 (im Folgenden amperometrischer Sensor genannt) zum Einbau in ein Reaktionsgefäß. Genauer gesagt, handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Glucosesensor, dessen allgemeines Prinzip beispielsweise in der CH 692 120 A5 vorbeschrieben ist. Der amperometrische Sensor 200 weist einen Sensorkörper 203 auf, beispielsweise am Polysulfon. Das Material ist an sich beliebig wählbar, es sollte nur resistent bzw. inert gegenüber der ablaufenden Reaktionen bzw. dem Reaktionsmedium und nicht elektrisch leitend sein. Am unteren Ende eines Führungskanals 211 befindet sich eine selektive Schichtstruktur 208. Das Ableitelement besteht aus einem Platindraht 205, der in direktem Kontakt mit der Schichtstruktur 208 steht. Die Schichtstruktur 208 kann dabei auch als Paste ausgebildet sein. Diese wird beispielsweise gemäß Korell, U.; Spichiger, U.E. Electroanalysis 6 (1994) 305-315 oder Korell, U.; Spichiger, U.E. Anal. Chem. 66 (1994) 510-515 hergestellt. Sie enthält ein Enzym als Erkennungskomponente, TTF/TCNQ als Mediatoren und Silkonöl als Bulkmedium. Das Redox-aktive Enzym wird in die Paste eingebracht und zeigt in dieser Umgebung eine optimale Lebensdauer. Der Bulk der Paste dient dabei als Reservoir aus welchem aktives Enzym nachgeliefert werden kann. Die Paste kann in die dafür vorgesehenen Aussparung ins Kopfteil des Sensormoduls eingebracht werden. Die Oberfläche bildet das Sensorfeld wo Probe und selektive Schichtstruktur miteinander in Kontakt stehen.FIG. 2 shows a schematic cross section, not to scale, through a monitoring unit 200 based on the amperometric measuring principle (hereinafter referred to as amperometric sensor) for installation in a reaction vessel. More precisely, in the present case it is a glucose sensor, the general principle of which is described in CH 692 120 A5, for example. The amperometric sensor 200 has a sensor body 203, for example on the polysulfone. The material itself can be selected as desired, it should only be resistant or inert to the reactions taking place or the reaction medium and not be electrically conductive. At the lower end of a guide channel 211 there is a selective layer structure 208. The deflection element consists of a platinum wire 205 which is in direct contact with the layer structure 208. The layer structure 208 can also be designed as a paste. According to Korell, U .; Spichiger, UE Electroanalysis 6 (1994) 305-315 or Korell, U .; Spichiger, UE Anal. Chem. 66 (1994) 510-515. It contains an enzyme as a recognition component, TTF / TCNQ as mediators and silicone oil as a bulk medium. The redox-active enzyme is introduced into the paste and shows an optimal lifespan in this environment. The bulk of the paste serves as a reservoir from which active enzyme can be supplied. The paste can be placed in the recess in the head section of the sensor module. The surface forms the sensor field where the sample and the selective layer structure are in contact with each other.
Die selektive Schichtstruktur 208 umfasst mindestens eine Komponente, die die Selektivität des Sensorelementes bewirkt, d.h. die bevorzugte Erfassung der Zielsubstanz bzw. einer Gruppe von Zielsubstanzen gegenüber Begleitsubstanzen erlaubt.The selective layer structure 208 comprises at least one component that effects the selectivity of the sensor element, i.e. the preferred detection of the target substance or a group of target substances over accompanying substances allows.
Die nachfolgenden Erklärungen gelten sinngemäß auch für sämtliche anderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schichtstrukturen bzw. molekulare Erkennungsschichten/selektive Bereiche :The following explanations apply analogously to all other configurations of the layer structures or molecular recognition layers / selective areas according to the invention:
Die Selektivität kann durch molekulare Erkennung der Zielsubstanz, dem Reaktionsteilnehmer bewirkt werden oder durch die Partition der Substanz zwischen Reaktionsteilnehmer und dem Sensorelement (durch ein Verteilungsgleichgewicht). Die selektive Schichtstruktur kann Hilfsstoffe enthalten, welche zur Bildung der Schicht nötig sind und/oder den Erkennungsschritt unterstützen, katalysieren und/oder den Einfluss von Interferenzen vermindern, sowie fakultativ eine weitere Komponente, welche für den Transduktionsschritt verantwortlich ist. Die Schichtstruktur umfasst die Möglichkeit die selektive Schicht mit Hilfsschichten zu kombinieren, welche z.B. die Biokompatibilität gewährleisten und/oder die Trennung zwischen gasförmigen, neutralen und geladenen Substanzen und/oder eine Diffusionsbarriere bilden. Die Schichtstruktur kann sowohl mehr oder weniger lipophile/apolare wie mehr oder weniger hydrophile/polare Schichten wie auch Mizellen oder Umkehrmizellen enthalten. Das Auswaschen von Komponenten in die Probe/das Specimen wird z.B. durch hohe Lipophilie der Komponenten verhindert, im Falle wo eine wässrige Probe / ein wässriges Specimen vorliegt oder durch Immobilisierung einzelner Komponenten.The selectivity can be brought about by molecular recognition of the target substance, the reaction participant or by the partition of the substance between the reaction participant and the sensor element (by means of a distribution equilibrium). The selective layer structure can contain auxiliary substances which are necessary for the formation of the layer and / or support, catalyze and / or reduce the influence of interference, as well as optionally a further component which is responsible for the transduction step. The layer structure includes the possibility of combining the selective layer with auxiliary layers which, for example, ensure biocompatibility and / or form the separation between gaseous, neutral and charged substances and / or form a diffusion barrier. The layer structure can contain both more or less lipophilic / apolar as well as more or less hydrophilic / polar layers as well as micelles or reverse micelles. The washing out of components in the sample / specimen is prevented, for example, by high lipophilicity of the components in the case where there is an aqueous sample / aqueous specimen or by immobilization of individual components.
Die selektive Schichtstruktur ist vorzugsweise so befestigt, dass sie leicht entfernbar bzw. austauschbar ist, z. B. also nur durch geeignete Befestigungselemente, etwa Nuten, Klemmen etc. mit dem Sensorkörper verbunden ist. Der Schichtstruktur wird damit eine gewisse Beweglichkeit ("Flexibilität") verliehen, mit der sie evtl. auftretende Spannungen gut kompensieren kann. Sie kann beispielsweise auch nur durch die Befestigung des Sensorkörpers an der Membran zwischen diesen beiden festgeklemmt sein, oder aber durch Adhäsivkräfte auf dem Sensorkörper haften.The selective layer structure is preferably attached so that it is easily removable or replaceable, e.g. B. is only connected to the sensor body by suitable fastening elements, such as grooves, clamps etc. The layer structure is thus given a certain flexibility ("flexibility") with which it can compensate for any tensions that may occur. It can, for example, only be clamped between the two by fastening the sensor body to the membrane, or it can adhere to the sensor body through adhesive forces.
Dies vermögen Befestigungsarten wie z. B. Kleben oder Eingießen nicht zu leisten. Eingeklebte oder eingegossene selektive Schichtstrukturen sind darüberhinaus von großem Nachteil, da die Kleber/Gußmaterialien nicht chemisch resistent gegen fast alle bekannten Reaktionsmedien sind. Dadurch lässt sich bzw. reagiert ein Teil des Klebers/Gußmaterials und diffundiert sowohl in das Reaktionsmedium wie aber auch in die selektive Schichtstruktur, deren Zusammensetzung und Aufbau dadurch Änderungen erfährt. Da die Zusammensetzung und der Aufbau der Schichtstruktur aber wesentlich ihre Selektivität und ihre schnelle Reversibilität bestimmen, wirken sich die vorstehend erklärten Änderungen dahingehend aus, dass sich sowohl die Selektivität, für einen Reaktionsteilnehmer verschlechtert, d.h. z.B., dass die Nachweisgrenze zu einer höheren Konzentration hin verschoben wird, die Messung daher ungenau ist bzw. im Laufe der Messung wird und sich auch die Reversibilität der Schichtstruktur verschlechtert, d. h. sich verlangsamt.This can fasten types such. B. Not to stick or pour. In addition, glued or cast-in selective layer structures are of great disadvantage since the adhesives / casting materials are not chemically resistant to almost all known reaction media. As a result, some of the adhesive / casting material can be reacted and diffuses both into the reaction medium and also into the selective layer structure, the composition and structure of which changes as a result. However, since the composition and structure of the layer structure essentially determine its selectivity and its rapid reversibility, the changes explained above have the effect that both the selectivity deteriorates for a reaction participant, i.e. e.g. that the detection limit is shifted to a higher concentration, the measurement is therefore inaccurate or becomes in the course of the measurement and the reversibility of the layer structure also deteriorates, i.e. H. slows down.
Die selektive Schichtstruktur kann auf einem geeigneten Träger z.B. auf einen planaren Wellenleiter, auf einer optische Faser, auf einer reflektierenden Schicht, oder auf einer Diffusionsbarriere aufgetragen werden und auch als "disposable layer" angeboten und in ein Modul eingesetzt werden. (Disposable layers or disposable waveguides with target-analyte selective layers.) Wenn ein Sensorelement bzw. eine Schichtstruktur verbraucht ist, können entweder nur das selektive Element aber auch Teile der Uberwachungseinheit bzw. die gesamte Überwachungseinheit ersetzt werden.The selective layer structure can be applied on a suitable carrier, for example on a planar waveguide, on an optical fiber, on a reflecting layer, or on a diffusion barrier and can also be offered as a "disposable layer" and used in a module. (Disposable layers or disposable waveguides with target-analyte selective layers.) If a sensor element or a layer structure is used up, you can either only the selective element but also parts of the monitoring unit or the entire monitoring unit are replaced.
Weiter kann gegebenenfalls eine Thermostatisierung des amperometrischen Sensors, aber auch der auf anderen Prinzipien basierenden Überwachungseinheiten vorgesehen sein.Furthermore, thermostatting of the amperometric sensor, but also of the monitoring units based on other principles, can optionally be provided.
Die vorstehend erwähnte Paste kann z.B. in Form einer Tablette angepasster Viskosität ins Kopfteil eingesetzt, auf ein Sensorfeld aufgelegt oder mit dem auswechselbaren Platindraht verbunden eingebracht werden. Der Führungskanal 21 1 kann zonenweise aus einem Platinröhrchen bestehen, das gleichzeitig Gegenelektrode und Führungskanal bildet. Der amperometrische Sensor 200 weist weiter ein Referenzmodul auf, bestehend vorzugsweise aus einer "free-flow free-diffusion" Elektrode, die sich im kontinuierlichen Betrieb als äusserst robust und interferenzarm erwiesen hat. Dieses Referenzmodul besteht aus einer Aussparung 207 im Sensorkörper 203, das die Elektrolytlösung für die bevorzugt aus Silberdraht bestehende Referenzelektrode 206 aufweist. Die Aussparung 207 ist über eine Kapillare 210 mit dem Innern des nicht dargestellten Reaktionsgefäßes verbunden. Die Kapillare kann natürlich auch durch andere, geeignete Vorrichtungen wie z.B. ein Diaphragma etc. ersetzt werden. Weiter ist im Elektrodenkörper 203 ein Platinknopf 204 verbunden mit einem Platindraht 209 angeordnet, die zusammen die Gegenelektrode bilden.The above-mentioned paste can e.g. inserted in the form of a tablet of adjusted viscosity into the head part, placed on a sensor field or inserted with the exchangeable platinum wire. The guide channel 21 1 can consist zone by zone of a platinum tube which simultaneously forms the counter electrode and the guide channel. The amperometric sensor 200 also has a reference module, preferably consisting of a "free-flow free-diffusion" electrode, which has proven to be extremely robust and low-interference in continuous operation. This reference module consists of a recess 207 in the sensor body 203, which has the electrolyte solution for the reference electrode 206, which preferably consists of silver wire. The recess 207 is connected via a capillary 210 to the inside of the reaction vessel, not shown. The capillary can of course also be replaced by other suitable devices such as e.g. a diaphragm etc. to be replaced. Furthermore, a platinum button 204 is arranged in the electrode body 203 connected to a platinum wire 209, which together form the counterelectrode.
Die Überwachungseinheit 200 umfasst weiter eine Übertragungsvorrichtung 201, die als Funkkopf zur drahtlosen Übertragung von gewonnenen Messdaten ausgestaltet ist. Daher reicht es, wenn nur der Sensorkörper 203 in dem hier nicht dargestellten Reaktionsgefäß angebracht ist. Der teure Funkkopf 201 kann daher vorteilhafterweise stets wieder verwendet werden. Am Funkkopf 201 ist sowohl der Platindraht 205 der Messelektrode, wie auch der Silberdraht 206 der Referenzelektrode sowie ein Platinknopf 212 zur Verbindung mit dem Platindraht 209 befestigt, die somit auch stets wiederverwendet werden können. Natürlich ist auch anstelle des Funkkopfes eine feste Verbindung mittels Kabel möglich.The monitoring unit 200 further comprises a transmission device 201, which is designed as a radio head for the wireless transmission of measurement data obtained. It is therefore sufficient if only the sensor body 203 is attached in the reaction vessel (not shown here). The expensive radio head 201 can therefore advantageously always be used again. The platinum wire 205 of the measuring electrode, as well as the silver wire 206 of the reference electrode and a platinum button 212 for connection to the platinum wire 209 are fastened to the radio head 201 and can therefore always be reused. Of course, a fixed connection using a cable is also possible instead of the radio head.
Ebenso ist in der hier gezeigten Ausfertigungsform, wie auch bei allen anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen Platin durch andere, geeignete Metalle bzw. Legierungen ersetzbar. Hgur ό zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine optische Uberwachungseinheit 300. Diese besteht aus einem drahtlosen Funkkopf 302 ähnlich dem in Figur 2 gezeigten zur Übertragung der Messergebnisse auf ein hier nicht dargestelltes Datenerfassungsgerät.Likewise, in the embodiment shown here, as in all the other embodiments according to the invention, platinum can be replaced by other suitable metals or alloys. Hgur ό shows a schematic cross section through an optical monitoring unit 300. This consists of a wireless radio head 302 similar to that shown in FIG. 2 for transmitting the measurement results to a data acquisition device, not shown here.
Dieser ist in losem Kontakt mit dem in den nicht dargestellten Reaktionsgefäß fest eingebauten Sensorkörper 301 , der eine selektive Schichtstruktur 303 aufweist, die beispielsweise über einen in einem Führungskanal 305 angeordneten Platindraht 304, einen optischen Lichtwellenleiter oder über ein anderes geeignetes Übertragungsmedium mit dem Funkknopf 302 verbunden ist. Die selektive Schichtstruktur umfasst dabei einen geeigneten Liganden, oder aber auch ein Gemisch verschiedener Liganden. Die Synthese der selektiven Schichtstruktur erfolgte beispielsweise auf der Basis von bekannten Nitrit- und Chloridselektiven Liganden (Nitritionophore I, Fluka Chemie AG, Buchs, Schweiz; Chloridselektiver Ligand ETH 9033, Synthese im Zentrum f. Chemische Sensoren). Dazu wurde beispielsweise ein H+-selektiver Chromoionophor (Chromoionophor I, II und VI für Nitrit; Chromoionophor III für Chlorid, Fluka Chemie AG, Buchs, Schweiz) mit dem Nitrit- bzw. Chlorid-selektiven Liganden und, wo dies zur Ladungskompensation notwendig ist, gemeinsam mit anionischen lipophilen Hilfsstoffen in einer DOS-plastifizierten PVC-Schicht gelöst. Die Absorbanzänderung als Folge der Koextraktion des Anions zusammen mit H+ aus der gepufferten Probelösung wird photometrisch bestimmt und folgt der Konzentrationsänderung des Anions.The latter is in loose contact with the sensor body 301 permanently installed in the reaction vessel (not shown), which has a selective layer structure 303, which is connected to the radio button 302, for example, via a platinum wire 304 arranged in a guide channel 305, an optical fiber or via another suitable transmission medium is. The selective layer structure comprises a suitable ligand, or else a mixture of different ligands. The selective layer structure was synthesized, for example, on the basis of known nitrite and chloride-selective ligands (Nitritionophore I, Fluka Chemie AG, Buchs, Switzerland; chloride-selective ligand ETH 9033, synthesis at the center for chemical sensors). For this purpose, for example, an H + -selective chromoionophore (chromoionophore I, II and VI for nitrite; chromoionophore III for chloride, Fluka Chemie AG, Buchs, Switzerland) with the nitrite or chloride-selective ligand and, where this is necessary for charge compensation , dissolved together with anionic lipophilic excipients in a DOS plasticized PVC layer. The change in absorbance as a result of the co-extraction of the anion together with H + from the buffered sample solution is determined photometrically and follows the change in the concentration of the anion.
Für Nitrit liegt der Messbereich zwischen 0.5 bis 5000 mg kg- 1, Chlorid wird mit einen Selektivitätsfaktor von 10"2-9 (molale Einheiten) diskriminiert. Der Messbereich und, vom Messbereich abhängig, auch die Ansprechgeschwindigkeit ändern sich mit dem verwendeten Chromoionophoren; die Chromoionophoren zeigen unterschiedliche Stabilität. Die Implementierung mehrerer Optodenschichten für die Nitritbestimmung in einem System ist ebenfalls möglich. Die Nitrit-selektive Membran mit Chromoionophor VI als Indikator zeigt eine Lumineszenzemission im sichtbaren Bereich des Spektrums und kann deshalb auch als Lumineszenz-aktive Schicht eingesetzt werden.For nitrite, the measuring range is between 0.5 and 5000 mg kg - 1 , chloride is discriminated with a selectivity factor of 10 " 2 - 9 (molar units). The measuring range and, depending on the measuring range, also the response speed change with the chromoionophor used; Chromoionophores show different stability. The implementation of several optode layers for the determination of nitrite in one system is also possible. The nitrite-selective membrane with chromoionophore VI as an indicator shows a luminescence emission in the visible range of the spectrum and can therefore also be used as a luminescence-active layer.
Die Messgrösse kann z.B. durch Messungen im ATR-Modus (attenuated reflection) gebildet werden, durch Messungen von Brechungsindexänderungen, durch Messung der Lumineszenz-Zerfallszeit oder durch die Ableitung der Lumineszenzemission gebildet werden . Die dazu erforderliche Lichtenergie kann von außerhalb des Moduls über eine optische Faser eingestrahlt werden oder die Lichtquelle kann durch die Implementierung von Dioden beispielsweise in den Sensorkopf 302 integriert werden. Auch eine Detektordiode kann in den Sensorkopf 302 integriert werden. Natürlich ist auch hier anstelle einer drahtlosen Funkverbindung eine Verbindung über Kabel von Sensor/Überwachungsvorrichtung zu dem in der Figur nicht dargestellten Datenerfassungsgerät möglich.The measured variable can be formed, for example, by measurements in ATR mode (attenuated reflection), by measurements of changes in refractive index, by measuring the luminescence decay time or by deriving the luminescence emission. The light energy required for this can be radiated in from outside the module via an optical fiber or the light source can be integrated into the sensor head 302, for example, by implementing diodes. A detector diode can also be integrated into the sensor head 302. Of course, instead of a wireless radio connection, a cable connection from the sensor / monitoring device to the data acquisition device (not shown in the figure) is also possible here.
Figur 4 zeigt den schematischen, nicht maßstabsgetreuen Schnitt durch eine potentiometrische Überwachungseinheit 400, im folgenden auch potentiometrischer Sensor genannt.FIG. 4 shows the schematic section, not to scale, through a potentiometric monitoring unit 400, also referred to below as a potentiometric sensor.
Auch der potentiometrische Sensor weist in dieser Ausgestaltungsform einen drahtlosen Funkkopf 401 auf, an dem die Messelektrode 404 und die Referenzelektrode 403 befestigt sind. Damit ist ebenfalls eine gute Wiederverwendbarkeit gewährleistet.In this embodiment, the potentiometric sensor also has a wireless radio head 401, to which the measuring electrode 404 and the reference electrode 403 are attached. This also ensures good reusability.
Die selektive Schichtstruktur 405 wird auf ein Sensorfeld gelegt und steht an dieser Stelle mit dem Reaktionsmedium über eine nicht dargestellte Membran in Kontakt. Basisteil 402 und Kopfteil 401 können unabhängig voneinander produziert und nach dem Einbringen der Schichtstruktur zusammengefügt/verschlossen werden. Das Basisteil 402 enthält das Sensorelement mit der Schichtstruktur 405, eine Aussparung 406, die über eine Kapillare 407 mit dem Reaktionsmedium verbunden ist. Der Funkkopf weist aus den vorerwähnten Gründen der Wiederverwendbarkeit die Ableitvorrichtung bzw das Ableitelement 404 auf, sowie die Elektrode 403. Natürlich ist auch hier anstelle einer drahtlosen Funkverbindung eine Verbindung über Kabel von Sensor/Überwachungsvorrichtung zu einem in der Figur nicht dargestellten Datenerfassungsgerät möglich.The selective layer structure 405 is placed on a sensor field and is in contact with the reaction medium at this point via a membrane, not shown. Base part 402 and head part 401 can be produced independently of one another and can be joined / closed after the layer structure has been introduced. The base part 402 contains the sensor element with the layer structure 405, a recess 406 which is connected to the reaction medium via a capillary 407. For the aforementioned reasons of reusability, the radio head has the discharge device or the discharge element 404, as well as the electrode 403. Of course, instead of a wireless radio connection, a connection via cable from the sensor / monitoring device to a data acquisition device (not shown in the figure) is also possible here.
Figur 5 zeigt einen weiteren schematischen nicht maßstabsgetreuen Querschnitt durch eine potentiometrische Überwachungseinheit 500, im Folgenden auch potentiometrischer Flachsensor genannt.FIG. 5 shows a further schematic cross-section, not to scale, through a potentiometric monitoring unit 500, also referred to below as a potentiometric flat sensor.
Der potentiometrische Flachsensor 500 weist in dieser Ausgestaltungsform einen drahtlosen Funkkopf 501 auf, an dem Kontakte 502, 503 und 504 zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontaktes mit den Elektroden, der Messelektrode 510 und der Referenzelektrode 1 1 oeresugi sinα. ιs-onιaια _.υ^ ist nicnt immer eπoroeπich und kann gegebenenfalls weggelassen werdenIn this embodiment, the potentiometric flat sensor 500 has a wireless radio head 501, on which contacts 502, 503 and 504 for producing an electrically conductive contact with the electrodes, the measuring electrode 510 and the reference electrode 1 1 oeresugi sinα. ιs-onιaια _.υ ^ is not always eπoroeπich and can be omitted if necessary
Die Mess- bzw. die Referenzelektrode 510 und 51 1 sind auf einem Sensorkörper 505 als dünne Filme aufgebracht. Das Aufbringen auf den Sensorkörper 505 kann beispielsweise durch Aufdrucken (Tintenstrahldrucker, Walzen, Druckformen etc.), Rakeln, CVD (chemical vapor deposition), Sputtern oder geeignete andere Aufbringmethoden erfolgen. Der Sensorkörper 505 besteht in der vorliegenden speziellen Ausführungsform beispielsweise aus Polyethylen, Polypropylen, Copolymeren aus Ethylen, Propylen bzw. anderen geeigneten im Wesentlichen chemisch resistenten Kunststoffen, wie beispielsweise Polybutadien, Polybutadienstyrolcopolymere und dergleichen. Die Dicke des Kunststoffträgers beträgt zwischen 0,1 bis 4 mm, bevorzugt von 0,2 bis 1,5 mm. Die Elektroden 510 und 511 bestehen im Wesentlichen aus Kohlenstoff bzw. Graphit mit verschiedenen chemischen Zusätzen, wie z.B. Partikel oder Pulver leitfähiger Stoffe, wie Ag, Pt, Pd, Au, Cu deren Salze sowie geeignete leitende Metalloxide. Im vorliegenden Fall wird dem Kohlenstoff Silber und/oder Silberchlorid zugefügt, um die Leitfähigkeit zu verbessern.The measuring and reference electrodes 510 and 51 1 are applied to a sensor body 505 as thin films. The application to the sensor body 505 can be carried out, for example, by printing (inkjet printer, rollers, printing forms, etc.), doctor blades, CVD (chemical vapor deposition), sputtering or other suitable application methods. In the present specific embodiment, the sensor body 505 consists, for example, of polyethylene, polypropylene, copolymers of ethylene, propylene or other suitable, essentially chemically resistant plastics, such as, for example, polybutadiene, polybutadiene styrene copolymers and the like. The thickness of the plastic carrier is between 0.1 to 4 mm, preferably from 0.2 to 1.5 mm. The electrodes 510 and 511 consist essentially of carbon or graphite with various chemical additives, e.g. Particles or powders of conductive substances, such as Ag, Pt, Pd, Au, Cu and their salts, as well as suitable conductive metal oxides. In the present case, silver and / or silver chloride is added to the carbon in order to improve the conductivity.
Die stabförmigen aufgedruckten Elektroden 510 und 51 1 laufen an der Unterseite des Sensorkörpers 505 in vergrößerten, bevorzugt kreisförmigen oder rechteckigen Flächen 506 bzw. 507 aus. Die Elektroden bestehen wie vorstehend ausgeführt bevorzugt aus Kohlenstoff, oder aber aus Ag, Pt, Cu, Au bzw. Legierungen und Mischungen davon. An der Messelektrode 510 wird auf das kreisförmige Ende 506 die molekulare Erkennungsschicht, die in Figur 5 nicht gezeigt ist, aufgebracht. Natürlich ist es auch möglich, dass die Enden der Elektroden nicht vergrößert sind. Als molekulare Erkennungsschicht kann beispielsweise die in Figur 2 beschriebene Paste verwendet werden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das Erkennungsmittel bzw. das Material der Erkennungsschicht, z.B. der Ionophor, das Enzym etc., direkt der Elektrodenmaterialmischung vor dem Aufbringen auf den Sensorkörper zugegeben und somit in die Elektrode mitintegriert. Ein nachträgliches Aufbringen ist daher in diesem Falle nicht nötig, obwohl es selbstverständlich auch nicht ausgeschlossen ist. Nach erfolgtem Aufbringen der molekularen Erkennungsschicht, bevorzugt in Form einer Paste, wird eine zweite Kunststofffolie 512 aus dem gleichen Material wie die Kunststofffolie 505 auf die erste Kunststofffolie 505 aufgebracht und versiegelt, so dass zwischen den zwei Kunststoffträgern 505 bzw. 512 kein Zwischenraum besteht, in den möglicherweise Flüssigkeit eindringen kann und die Messung verfälschen kann. Das Autbringen der zweiten unststottschicht ertolgt jedoch nicht über die gesamte Länge der Kunststofffolie 505, sondern nur über etwa 2 Drittel der Gesamtfläche. Dies ist durch Linie mit dem Bezugszeichen 513 in Figur 5 dargestellt. In die zweite Kunststoffschicht 512 werden an der Stelle der vergrößerten Enden der Mess- bzw. Referenzelektrode 510 und 511 Öffnungen 508 und 509 geschnitten, um eine Messung zu ermöglichen.The rod-shaped printed electrodes 510 and 51 1 run out on the underside of the sensor body 505 in enlarged, preferably circular or rectangular areas 506 and 507. As stated above, the electrodes preferably consist of carbon, or else of Ag, Pt, Cu, Au or alloys and mixtures thereof. The molecular recognition layer, which is not shown in FIG. 5, is applied to the circular end 506 on the measuring electrode 510. Of course, it is also possible that the ends of the electrodes are not enlarged. For example, the paste described in FIG. 2 can be used as the molecular recognition layer. In another preferred embodiment, the detection means or the material of the detection layer, for example the ionophore, the enzyme etc., is added directly to the electrode material mixture before being applied to the sensor body and is thus integrated into the electrode. Subsequent application is therefore not necessary in this case, although it is of course not excluded. After the molecular recognition layer has been applied, preferably in the form of a paste, a second plastic film 512 made of the same material as the plastic film 505 is applied to the first plastic film 505 and sealed, so that there is no space between the two plastic carriers 505 and 512, respectively which liquid can possibly penetrate and distort the measurement can. However, the application of the second undisturbed layer does not take place over the entire length of the plastic film 505, but only over about 2 thirds of the total area. This is represented by the line with reference number 513 in FIG. 5. Openings 508 and 509 are cut into the second plastic layer 512 at the location of the enlarged ends of the measuring or reference electrodes 510 and 511 in order to enable a measurement.
Figur 6 zeigt einen weiteren schematischen, nicht maßstabgetreuen Schnitt durch eine amperometrische Überwachungseinheit 600, im Folgenden auch amperometrischer Flachsensor genannt.FIG. 6 shows a further schematic section, not to scale, through an amperometric monitoring unit 600, also referred to below as an amperometric flat sensor.
Der amperometrische Flachsensor 600 weist zunächst ebenfalls einen wie vorstehend erläuterten Funkkopf 601 mit Kontakten 602, 603 und 604 auf. Wichtig ist insbesondere, dass die Kontakte korrosionsfest sind bzw. in geeigneter Weise (Ummantelung und dergleichen) gegen Korrosion geschützt sind.The amperometric flat sensor 600 initially also has a radio head 601, as explained above, with contacts 602, 603 and 604. It is particularly important that the contacts are corrosion-resistant or that they are protected against corrosion in a suitable manner (casing and the like).
Der zweite Teil des amperometrischen Flachsensors 600 besteht aus einem Kunststoffträger (Folie) 605, der im Wesentlichen aus dem gleichen Material besteht und die gleichen Abmessungen und Eigenschaften hat wie der in Figur 5 dargestellte. Auf dem Kunststoffträger 605 sind drei Elektroden 608, 606 und 607 angeordnet, die ebenfalls beispielsweise aus Kohlenstoff mit Zusätzen aus beispielsweise Silber bzw. Silberchlorid bestehen und auf den Kunststoffkörper 605 aufgedruckt sind. Es versteht sich, dass andere Aufbringungsmethoden, wie beispielsweise zu Figur 5 diskutiert, ebenso auf den amperometrischen Flachsensor in Figur 6 anwendbar sind. Die amperometrische Flachsensor 600 weist eine Referenzelektrode 606 sowie eine Gegenelektrode 608 auf. Die Messelektrode 607 sowie die Referenz- bzw. Gegenelektrode 606 und 608 weisen ebenfalls verbreiterte, bevorzugt kreisförmige Enden 611, 610 und 612 am unteren Ende auf. Auf der Messelektrode 607 bzw. dem kreisförmigen Ende 610 ist ebenfalls die selektive Schicht, beispielsweise in Form einer Paste, wie sie vorstehend erläutert ist, aufgebracht. Die selektive Schicht ist in Figur 6 nicht dargestellt. Nach dem Aufbringen der Pasten wird auf die aufgedruckten Elektrode 606, 607, 608 und den Sensorkörper 605 eine zweite Kunststoffschicht 615 vorzugsweise ebenfalls in Form einer Kunststofffolie, die aus dem gleichen Material wie der Kunststoffkörper besteht, aufgebracht. Diese zweite Schutzfolie 615 wird nicht über die gesamte Länge des Sensorkörpers aufgetragen, sondern nur auf zwei Dritteln der Fläche, was beispielsweise im vorliegenden Fall durch das Bezugszeichen 616 dargestellt ist. Natürlich kann wie vorstehend auch die zweite Folie 615 eine andere chemische Zusammensetzung haben als die erste Folie 605. Wie vorstehend erläutert, werden die beiden Kunststofffolien 605 und 615 miteinander verschweißt bzw. so luftdicht miteinander verbunden, dass keine flüssigen oder gasförmigen Substanzen eindringen können, die die Messung eventuell verfälschen. An der Stelle der kreisförmigen Enden der Elektroden 606, 607 und 608 werden ebenfalls kreisförmige Aussparungen in die Schutzfolie 615 gestanzt mit den Bezugszeichen 614, 612 und 613. Damit ist ebenfalls eine Messung im Medium möglich.The second part of the amperometric flat sensor 600 consists of a plastic carrier (film) 605, which essentially consists of the same material and has the same dimensions and properties as the one shown in FIG. Three electrodes 608, 606 and 607 are arranged on the plastic carrier 605, which likewise consist, for example, of carbon with additions of, for example, silver or silver chloride and are printed on the plastic body 605. It goes without saying that other application methods, as discussed for example in relation to FIG. 5, can also be applied to the amperometric flat sensor in FIG. 6. The amperometric flat sensor 600 has a reference electrode 606 and a counter electrode 608. The measuring electrode 607 and the reference or counter electrode 606 and 608 likewise have widened, preferably circular ends 611, 610 and 612 at the lower end. The selective layer, for example in the form of a paste, as explained above, is also applied to the measuring electrode 607 or the circular end 610. The selective layer is not shown in FIG. 6. After the pastes have been applied, a second plastic layer 615, preferably also in the form of a plastic film, which is made of the same material as the plastic body, is applied to the printed electrode 606, 607, 608 and the sensor body 605. This second protective film 615 is not applied over the entire length of the sensor body, but only on two thirds of the area, what for example in the present case is represented by reference number 616. Of course, as above, the second film 615 can also have a different chemical composition than the first film 605. As explained above, the two plastic films 605 and 615 are welded to one another or bonded to one another so airtight that no liquid or gaseous substances can penetrate possibly falsify the measurement. At the location of the circular ends of the electrodes 606, 607 and 608, circular cutouts are likewise punched into the protective film 615 with the reference numerals 614, 612 and 613. This also enables measurement in the medium.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Figur 7a ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 700, umfassend ein Reaktionsgefäß 701 mit einem Einlass 702 dargestellt. Das Reaktionsgefaß besteht aus einem beliebigen Material, jedoch vorzugsweise aus Kunststoff, beispielsweise Poly(meth)acrylaten und deren Derivaten. Natürlich ist jedes andere Material, das weitgehend chemisch inert ist, ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbar. Schematisch ist ebenfalls ein Reaktionsmedium 703 dargestellt, das die Reaktionsteilnehmer für eine chemische und/oder biologische Reaktion umfasst.FIG. 7 shows a further embodiment of the device according to the invention. FIG. 7a shows a device 700 according to the invention, comprising a reaction vessel 701 with an inlet 702. The reaction vessel consists of any material, but preferably plastic, for example poly (meth) acrylates and their derivatives. Of course, any other material that is largely chemically inert can also be used within the scope of the present invention. A reaction medium 703 is also shown schematically, which comprises the reaction participants for a chemical and / or biological reaction.
Die Überwachungseinheit 707 ist in einer Aussparung 704 angeordnet. Die Überwachungseinheit 707 ist in einem weiteren Gefäß 705 angeordnet, das als Membran ausgestaltet ist. Diese Membran weist im Wesentlichen die gleiche chemische Zusammensetzung wie vorstehend geschildert auf. Insbesondere ist sie eine relativ formstabile Zellulosemembran. Jedoch kann sie zusätzlich noch weitere chemische Substanzen, beispielsweise Kunststoffe enthalten, die eine noch größere Versteifung und erhöhte Festigkeit bewirken. Im Allgemeinen wird die Membran, wenn sie keine ausreichende Steifigkeit aufweist, auf eine Gitterstruktur aus chemisch inertem Material aufgebracht, die den Raum und die Form des Gefäßes 705 definiert. Die Überwachungseinheit 707 ist im vorliegenden Fall beispielsweise ein amperometrischer Sensor mit drei Elektroden 708, 709 und 710, die wie vorstehend in den Figur 6 und 7 erläutert auf eine dünne Kunststofffolie 711 ist, aufgedruckt werden. Im Wesentlichen handelt es sich bei der Überwachungseinheit also um einen Sensor, wie er in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist. Der Sensor 707 weist ebenfalls einen Funkkopf 711 auf. Das Sensorelement 707 kann somit in das Gefäß 705, das gleichzeitig als Membran wirkt, eingeführt werden. Durch die Membran kann das Reaktionsmedium 703 durchdiffundieren bzw. ausschließlich αer zu messenαe i eiinenmer, so αass beispielsweise eine erste Selektivität über die Art der Membran 705 gewählt werden kann. An der selektiven Schichtstruktur 706 wird dann anschließend der zu messende Reaktionsteilnehmer gemessen.The monitoring unit 707 is arranged in a recess 704. The monitoring unit 707 is arranged in a further vessel 705, which is designed as a membrane. This membrane has essentially the same chemical composition as described above. In particular, it is a relatively dimensionally stable cellulose membrane. However, it can also contain other chemical substances, for example plastics, which bring about even greater stiffening and increased strength. In general, if the membrane does not have sufficient rigidity, it is applied to a lattice structure made of chemically inert material, which defines the space and shape of the vessel 705. In the present case, the monitoring unit 707 is, for example, an amperometric sensor with three electrodes 708, 709 and 710 which, as explained above in FIGS. 6 and 7, is printed on a thin plastic film 711. Essentially, the monitoring unit is therefore a sensor as shown in FIGS. 5 and 6. The sensor 707 also has a radio head 711. The sensor element 707 can thus be inserted into the vessel 705, which also acts as a membrane. The reaction medium 703 can diffuse through the membrane or exclusively To measure it, so for example a first selectivity can be selected via the type of membrane 705. The reaction participant to be measured is then subsequently measured on the selective layer structure 706.
Figur 7b zeigt im Wesentlichen die gleiche Vorrichtung 730, wie in Figur 7a dargestellt, jedoch zeigt die Vorrichtung 730 die Situation während der Messung auf. Dabei ist die Membran 705 bzw. die gesamte Überwachungseinheit 707 vollständig in der Aussparung 704 versenkt und taucht zum Teil in das Reaktionsmedium 703 ein, so dass an der selektiven Schichtstruktur 706 entsprechend ein Reaktionsteilnehmer selektiv und kontinuierlich gemessen werden kann. FIG. 7b shows essentially the same device 730 as shown in FIG. 7a, but the device 730 shows the situation during the measurement. The membrane 705 or the entire monitoring unit 707 is completely sunk in the recess 704 and is partially immersed in the reaction medium 703, so that a reaction participant can be measured selectively and continuously on the selective layer structure 706.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (100) zur Durchführung und In-Situ-Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen, umfassend ein Reaktionsgefäß (110) mit einer Aussparung (112), in der eine Überwachungseinheit (120) angeordnet ist, wobei die Überwachungseinheit (120) an den Bereichen, die im Innern des Reaktionsgefäßes (110) angeordnet sind, eine permeable Membran (121) aufweist und wobei die Überwachungseinheit einen Bereich (130) umfasst, der im Innern des Reaktionsgefaßes angeordnet ist, der die kontinuierliche selektive In-Situ-Erkennung eines Reaktionsteilnehmers während einer chemischen und/oder biologischen Reaktion ermöglicht und weitere Mittel (131) zur kontinuierlichen Umwandlung der selektiven Erkennung durch Erkennungsmittel in eine Messgröße aufweist, dadurch gekennzeichnet dass der Bereich (130) und die Umwandlungsmittel (131) als eine einzige Schicht ausgebildet sind.1. Device (100) for carrying out and in-situ monitoring of chemical and / or biological reactions, comprising a reaction vessel (110) with a recess (112) in which a monitoring unit (120) is arranged, the monitoring unit (120 ) has a permeable membrane (121) on the areas which are arranged in the interior of the reaction vessel (110), and the monitoring unit comprises a region (130) which is arranged in the interior of the reaction vessel, which enables the continuous selective in-situ Detection of a reaction participant during a chemical and / or biological reaction is made possible and further means (131) for the continuous conversion of the selective detection by detection means into a measurement variable, characterized in that the area (130) and the conversion means (131) are formed as a single layer are.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (130) so aufgebaut ist, dass er nur einen einzigen Reaktionsteilnehmer selektiv erkennt.2. Device according to claim 1, characterized in that the region (130) is constructed such that it selectively recognizes only a single reaction participant.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (130) chemisch reversibel und/oder schnell regenierbar ist.3. Device according to claim 2, characterized in that the region (130) is chemically reversible and / or can be rapidly regenerated.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungsmittel (131 ) die Messgröße kontinuierlich auf eine Übertragungsvorrichtung (132) geben.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the conversion means (131) continuously give the measured variable to a transmission device (132).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter umfassend ein Datenerfassungsgerät (150) auf das die Messgrößen von der Übertragungsvorrichtung (132) übertragen werden.5. The device according to claim 4, further comprising a data acquisition device (150) to which the measured variables are transmitted by the transmission device (132).
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsvorrichtung fest mit der Überwachungseinheit (120) verbunden ist.6. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the transmission device is fixedly connected to the monitoring unit (120).
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsvorrichtung (132) lose mit der Überwachungseinheit (120) verbunden ist. 7. The device according to claim 4, characterized in that the transmission device (132) is loosely connected to the monitoring unit (120).
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung drahtlos stattfindet.8. The device according to claim 6 or 7, characterized in that the transmission takes place wirelessly.
9. Verfahren zur kontinuierlichen In-Situ-Überwachung von chemischen und/oder biologischen Reaktionen, unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte.9. A method for the continuous in-situ monitoring of chemical and / or biological reactions, using the device according to one of the preceding claims, comprising the following steps.
a) Kontinuierliches selektives Erkennen eines einzigen Reaktionsteilnehmers einer chemischen und / oder biologischen Reaktion.a) Continuous selective detection of a single reaction participant in a chemical and / or biological reaction.
b) Kontinuierliche Umwandlung der durch das kontinuierliche Erkennen gewonnenen Daten in eine physikalische Messgröße.b) Continuous conversion of the data obtained through continuous recognition into a physical measurement variable.
c) Kontinuierliches Übertragung der physikalischen Messgröße auf eine Datenerfassungsvorrichtung.c) Continuous transmission of the physical measured variable to a data acquisition device.
d) Erfassung der übertragenen Daten in einer Datenerfassungsvorrichtung und Zuordnung der Daten zu einem physikalischen Parameter des selektiv erfassten Reaktionsteilnehmers.d) acquisition of the transmitted data in a data acquisition device and assignment of the data to a physical parameter of the selectively acquired reaction participant.
10. Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 9, wobei die erfassten Daten einer physikalischen Größe des Reaktionsteilnehmers zugeordnet werden. 10. Computer program for performing a method according to claim 9, wherein the recorded data are assigned to a physical quantity of the reaction participant.
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