AT410223B - Biosensoren in dickschicht-technologie - Google Patents

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Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   (1) Das technische Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht: 
Die Erfindung bezieht sich auf Biosensoren in Dickschichttechnologie zur selektiven Detektie- rung und/oder Bestimmung enzymatisch umsetzbarer Substanzen oder Substanzkombinationen (wie z.B Glukose, Laktose, Glukose und Laktose, etc ), auf Verfahren zur Herstellung solcher Biosensoren, auf Druckpasten, die für diese Verfahren geeignet sind, sowie auf die Herstellung solcher Druckpasten (2) Der bisherige Stand der Technik. 



   Biosensoren beruhen auf der Kopplung einer oder mehrerer biochemisch mit hoher Selektivität aktiven Substanzen (z. B. Enzyme, Antikörper etc.) mit einem physikalisch chemischen Transduktor und anschliessender elektronischer Signalverarbeitung/Anzeige Für Anwendungen mit niedriger Nachweisgrenze (¯ 10-8 mol/l) und linearem Messbereich über bis zu 6 Konzentrationsdekaden bedient man sich amperometrischer Sensoren, die auf heterogenen Elektronentransferreaktionen zwischen dem bioaktiven Stoff und dem Transduktor basieren Die elektrische Kommunikation zwischen diesen erfolgt über sogenannte Mediatoren.

   Ein natürlich verfügbarer Kandidat für die Funktion des Mediators ist das Produkt der Reaktion des Analyten mit der bioaktiven Substanz In komplexen Analyten tritt dabei in bisher bekannt gewordenen Sensoren das Problem von Signalin- terferenzen durch andere elektrodenaktive Spezies auf Ein Losungskonzept für dieses Problem besteht im Zumischen von alternativen Mediatoren, die eine geringere Uberspannung an der Elektrode aufweisen, und daher bei kleineren Potentialen umgesetzt werden als die Störspezies. 



  Die Verwendung solcher alternativer Mediatoren ermoglichte die Entwicklung von Graphit als Transduktor Es ist üblich Graphit mit der bioaktiven Substanz, einem Losungsmittel sowie weite- ren Zusatzstoffen zu einer siebdruckfähigen Paste zu mischen Das erlaubt die Vorteile der Sieb- drucktechnik (z.B. bezüglich Struktunerung, Automatisierung etc) bei der Herstellung der bioakti- ven Schicht von Sensoren zu nützen Ein Problem bei der Verwendung von kleinen, beweglichen Molekülen als alternativen Mediatoren besteht jedoch darin, dass diese entweder wasserlöslich sind und daher während der Messung aus der bioaktiven Membran herausgelöst werden (z. B Hexacy- anoferrat, Hydroquinon), oder giftig und deshalb fur in vivo Anwendungen bedenklich sind (z B. 



  Vinylferrocene). Es wurde daher vorgeschlagen, das Problem des Herauslösens aus der Membran durch kovalente Anbindung der Mediatoren an die bioaktive Substanz zu vermeiden (US Pat 5 804 047) Soweit bisher bekannt, haben jedoch auf diese Art hergestellte Sensoren einen fur praktische Anwendungen ungenugend kleinen linearen Messbereich. Weiters wurde vorgeschlagen alternative Mediatoren kovalent an den Transduktor zu binden (AT Pat. 397 512), wobei jedoch die bioaktive Schicht nicht mittels Siebdruckverfahren hergestellt wird 
Es gibt ein weiteres Konzept in der Biosensortechnik in dem solche alternative Mediatoren kei- ne Rolle spielen (und somit auch keine Probleme machen) Dabei verwendet man zusätzliche Membranen entweder zwischen dem Analyten und der bioaktiven Schicht, oder zwischen der bioaktiven Schicht und der Elektrode.

   Erstere kann fur alle Störspezies ausser dem interessieren- den Analyten eine effektive Diffusionsbarriere bilden, letztere für alle Störspezies ausser dem Medi- ator Um eine effektive Diffusionsbarriere für Störspezies darzustellen, reichen allerdings die Schichtdicken von ca 100nm nicht aus, die durch Trocknung (mittels z B Dip-Coating etc.

   ) aufge- brachter Flüssigkeitsfilme oder Tropfen in einem Schritt realisierbar sind Sehr wohl erlaubt jedoch Dickschichttechnik in einem Durchgang die Herstellung von Membranen mit Schichtdicken ¯ 5  m Wie bereits erwähnt, ist in den bisher bekannten Dickschichtpasten fur bioaktive und/oder biokom- patible Membranen von Biosensoren stets Graphit enthalten, der auch als Transduktor fungiert Solche Pasten sind daher nicht geeignet, eine ausreichend diffusionskontrollierende Membran zwischen der bioaktiven Substanz und der Elektrode auszubilden Ohne den viskositätsbestim- menden Effekt des Graphitzusatzes jedoch lassen sich bisher bekannte Pasten nicht im Sieb- druckverfahren verarbeiten, und somit nicht die für eine ausreichende Diffusionsbarriere erforderli- che Schichtdicke in einem Arbeitsgang erzielen (3) Die technische Aufgabe, die mit der Erfindung gelöst werden soll:

   
Die Erfindung vereinigt die Vorteile von Biosensoren (wie z.B hohe Spezifität in komplexen Medien) mit denen der Dickschichttechnik (wie z B hohe Sensor-Design-Flexibilität, einfache Integration in elektrische Schaltungen, automatisierbare Produktion in standardisierbarer Qualität) Dies erlaubt die ökonomische Produktion von Sensoren für Anwendungen in Lebensmittel-, Bio-, Pharmazeutischer- und Medizinischer Analytik Weiters kann die Erfindung zu   Uberwachungszwe-   

 <Desc/Clms Page number 2> 

 cken eingesetzt werden, in Anwendungen, die von Korperfunktionen, über Bioreaktoren bis zur Umwelt reichen 
Die Herstellung von graphitfreien, bioaktiven Schichten in Dickschichttechnologie eliminiert auch in komplexen Analyten das Auftreten von Signalinterferenzen durch elektrodenaktive (Stör) Spezies, ohne dass alternative Mediatoren eingesetzt werden müssen.

   



   Die Herstellung samtlicher Sensorschichten, inklusive der bioaktiven Schichten in Dickschicht- technologie, erlaubt ausserst einfach die Strukturierung von miniaturisierten "Multi-Sensor-Arrays" zur signifikanten Steigerung der Zuverlässigkeit der Schaltungen (durch parallele Anwendung mehrerer identischer Sensoren) wie auch der Selektivität (durch logische Verknüpfung mehrerer nicht identischer Sensoren). 



   Die Herstellung der bioaktiven Schicht in Dickschichttechnologie eliminiert die Probleme von Inhomogenitäten in der Bioaktivität und damit der Sensitivität, die häufig bei Sensoren auftreten, deren bioaktive Membranen nach dem bisherigen Stand der Technik z B. in Dip-Coat-Technik etc. hergestellt werden. Auf Grund des kostengünstigen (und daher in der Elektonikindustrie bereits bestens etablierten) Dickschichtverfahrens lassen sich bisher (wirtschaftlich) nicht denkbare "Ein- mal-verwenden-und-wegwerfen"-Anwendungen realisieren. 



   Die dazu verwendeten Druckpasten entsprechen (a) den verfahrenstechnischen Anforderun- gen des Siebdruckverfahrens (z.B bezuglich Rheologie, Haftung am Substrat etc. ) und bilden nach dieser Prozedur (b) Membranen, die den Anforderungen der interessierenden Biosensoren ent- sprechen (z.B. bezüglich   Bioaktivität,   Selektivität, Sensitivität, Homogenität, Zuverlässigkeit, etc. ) 
Die Verwendung (mindestens) eines biokompatiblen Polymers und/oder anorganischen Gels zur Fixierung der Rezeptoren (z. B.

   Enzyme) erlaubt Komponenten in der Paste zu vermeiden, die zur Verdruckbarkeit benotigt werden, aber der Ausbildung einer effektiven Diffusionsbarriere für interferierende Störspezies zwischen dem Analyten und den Transduktoren abträglich sind (4) Erfindung,   vuie   sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist: 
Die gegenständliche Erfindung ist ein amperometrischer Biosensor mit folgendem Aufbau: auf einem inerten Trager (z. B.   A1203)   sind Arbeitselektrode, Gegenelektrode, Referenzelektrode sowie die benötigten Leiterbahnen aufgebracht (z B. mittels Siebdruck), getrocknet und fixiert. Darauf wird die Arbeitselektrode durch eine graphitfreie bioaktive Schicht von ¯ 5  m Schichtdicke bedeckt (bevorzugt mittels Siebdruckverfahren) und getrocknet.

   Diese bioaktive Schicht enthält als bioakti- ve Substanz z.B. ein oder mehrere Enzyme, bevorzugt Oxidasen, die durch Geleinschluss in min- destens einem biokompatiblen Polymer oder anorganischen Gel (bevorzugt polyHEMA, Si02, etc ) immobilisiert sind ohne Hitze oder UV-Strahlen anzuwenden 
Bringt man diese bioaktive Schicht in Kontakt mit einem Analyten, der das Substrat fur mindes- tens eines der in der Schicht immobilisierten Enzyme enthalt (z. B. Glukose für Glukoseoxidase), so diffundiert dieses Substrat in die Schicht bis es an einem Enzymmolekül umgesetzt wird. Das Reaktionsprodukt (z.B. H202) fungiert als in situ gebildeter Mediator und diffundiert zur als Trans- duktor wirkenden Arbeitselektrode.

   Die Diffusion dieses Mediators ist im zur Herstellung gewählten biokompatiblen Polymer oder anorganischen Gel (bevorzugt polyHEMA, SiO2, etc. ) hoher als jene von anderen elektrodenaktiven Spezies (wie z. B. Ascorbinsäure), wie sie gewöhnlich in komplexen Analyten enthalten sind, und die zu Storsignalen im Sensor führen bei den zur Detektion nötigen Überspannungen des in situ gebildeten Mediators. Eine (Polymer- und/oder Gel)Schicht von ¯ 5   (.im   ergibt daher eine effektive Diffusionsbarriere fur solche (Stör) Spezies und hat zur Folge, dass das Sensorsignal spezifisch vom Mediator herrührt. Die Herstellung der bioaktiven Membran als Dickschicht bewirkt, dass der Biosensor die Selektivität der interessierenden Bioreaktion hat (z. B. Oxidation von Glukose durch Glukoseoxidase). 



   Ist auch das Substrat für die Enzymreaktion von dieser Diffusionsbarrierewirkung betroffen, so kann es vorteilhaft sein, nur die dem Analyten nahegelegene Zone der bioaktiven Schicht mit der bioaktiven Substanz zu dotieren und die Transduktor-nahe Zone enzymfrei herzustellen Diese technisch etwas aufwendiger durchzuführende Herstellung führt bei teuren bioaktiven Substanzen zu vorteilhaften Matenalkosteneinsparungen 
Wählt man zur Herstellung dieser bioaktiven "Dickschicht" das Siebdruckverfahren, so ergibt sich als Vorteil, dass die Strukturierung der Sensorbauteile mit deutlich höherer Auflösung (¯ 10   um)   ausgeführt werden können als mit Verfahren,

   die wie Dip-Coating etc auf Trocknung eines Flüs- sigkeitsfilms oder-tropfens beruhen Die mit diesem Verfahren automatisch und kostengünstig 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 ausführbare Parallelanordnung mehrerer miniaturisierter identischer   Einzelsensoren   zu einem Sensorarray steigert signifikant die Zuverlässigkeit des Gesamtbauteils, da ein produktionsbedingt nicht funktionstuchtiger   Einzelsensor   nicht den Ausfall des Gesamtbautells zur Folge hat Die ebenfalls automatisch und kostengunstig ausführbare logische Verknupfung mehrerer miniaturisier- ter nicht identischer Einzelsensoren zu einem Sensorarray erlaubt die kombinierte Erfassung mehrerer Analyten und dadurch eine Selektivitätssteigerung über die einer einzelnen Bioreaktion hinaus. Dies bedeutet z.

   B. eine entscheidende Unterstutzung bei der Diagnose von komplexen medizinischen und biologischen Phänomenen 
Die Herstellung der bioaktiven Membran in Siebdrucktechnik erlaubt die reproduzierbare Kon- trolle der Homogenität der bioaktiven Schicht bezüglich der Verteilung der bioaktiven Substanz dann Damit lassen sich jene Inhomogenitäten vermeiden, die beim Trocknen von mittels Dip- Coating oder verwandten Verfahren hergestellten Schichten auftreten, und die die Sensitivität bisher bekannter Sensoren nachteiligerweise schwanken lassen. 



   Die siebdruckfahige Paste, aus der Sensoren gekennzeichnet durch solch vorteilhafte bioaktive Schichten hergestellt werden, bestehen zumindest aus (a) mindestens einer in gepufferter Umgebung bioaktiven Substanz (z. B Enzym, bevorzugt 
Oxidasen), (b) mindestens einer biokompatiblen, anorganischen und/oder organischen Substanz (z.B biokompatibles Polymer, bevorzugt polyHEMA, anorganischer Gelbildner, bevorzugt ein oder mehrere Silikate, Aluminate, deren Hydrate, Hydroxylate, Alkoholate etc ) zur Einstel- lung der für Dickschichtverfahren benotigten rheologischen Eigenschaften (z B. Viskosität, 
Thixotropie etc ) (c) ein Losungsmittel oder Lösungsmittelgemisch (z B.

   Wasser, Alkohol(e), Glykol(e), Poly- glykole etc), das keine physikalische oder chemische Desaktivierung der bioaktiven Sub- stanz bewirken 
Solche Pasten sind frei von Komponenten, die als Transduktor fungieren Da bisher allen sieb- gedruckten bioaktiven Schichten Graphit zugesetzt wird, stellen diese keine effektiven Diffusions- barrieren dar fur (Stor)Spezies aus dem Analyten, und damit hergestellte Sensoren benötigen fur Signalselektivitat zusätzlich alternative Mediatoren. Auf diese kann aufgrund der gegenstandlichen Erfindung verzichtet werden. 



   (5) Pastenherstellung: 
Die Herstellung der oben beschriebenen Siebdruckpasten erfolgt vorteilhafterweise durch ge- trennte Herstellung und nachfolgender, kontrollierter Vereinigung der Lösungen von biokompatib- lem Polymer, anorganischem Gelbildner und gepuffertem Enzym Zur Herstellung der Losung sowohl des Polymers, als auch des anorganischen Gelbildners kann entweder ein bereits vorher "ex situ" synthetisiertes Verdickungsmittel (z B. polyHEMA) eingesetzt werden, oder das Verdi- ckungsmittel aus dessen Komponenten in situ" vernetzt werden (z. B anorganisches Gel aus Oxiden, Hydroxiden, Hydraten oder Alkoholaten von AI, B, Ca, Fe, K, Na, Mg, Si, Ti). 



   Beispiel 1: Herstellung einer Glukoseoxidasesensor-Dickschichtpaste 
In einer Polymerlösung bestehend aus 6,625 Massenteilen polyHEMA (polymerisiertes Hydro- xyethylen-methacrylat, Molekulargewicht - 48'000) mit 59,581 Masseanteilen Diethylenglykol (DEG) und 33,794 Masseanteilen Wasser wird mit 14,959 Masseanteilen Si02-Gelbildner vereinigt Dazu werden 720 U/(g Paste) Glukoseoxidase (GOD, EC 1.1.3 4.), typischerweise gelöst in 50 mM Kaliumphosphatpuffer pH 7,0, der durch Zusammenmischen von 50 mM   KH2P04   und 50 mM K2HPO4 mit Wasser hergestellt wird (der pH-Wert des   Kahumphosphatpuffers   wird mit 3M NaOH eingestellt) gegeben.

   Diese Paste ist im Anschluss direkt im Siebdruck verdruckbar oder bei 4 C lagerbar 
Beispiel 2: Herstellung einer Laktatoxidasesensor-Dickschichtpaste 
Zu einer Polymer- und anorganischen Gel-Lösung gemäss Beispiel 1, werden 380 U/(g Paste) Laktatoxidase (LOD, EC 1.1 3.2 ), typischerweise gelöst in 50 mM   Kaliumphosphatpuffer   pH 7,4, der durch Zusammenmischen von 50 mM KH2P04 und 50 mM   K2HPO4   mit Wasser hergestellt wird (der pH-Wert des Kaliumphosphatpuffers wird mit 3M NaOH eingestellt) zugegeben Diese Paste ist im Anschluss direkt im Siebdruck verdruckbar oder bei 4 C lagerbar. 



   Beispiel 3 : Herstellung einer Glukoseoxidasesensor-Dickschichtpaste 
Eine Polymerlösung gemass Beispiel 1 wird mit 3,506 Masseanteilen SIO2 0,800 Masseanteilen 

 <Desc/Clms Page number 4> 

   A1203,   0,040 Masseanteilen Fe203/FeO, 0,011 Masseanteilen Ti02, 0,185 Masseanteilen MgO, 0,080 Masseanteilen CaO, 0,014 Masseanteilen Na20 Gelbildner vereinigt Danach wird Glukose- oxidase-Lösung gemäss Beispiel 1 zugegeben. Diese Paste ist im Anschluss direkt im Siebdruck verdruckbar oder bei 4 C lagerbar. 



   Beispiel 4: Herstellung einer Laktatoxidasesensor-Dickschichtpaste 
Eine Polymerlosung gemass Beispiel 1 wird mit Gelbildner gemäss Beispiel 3 vereinigt. Danach wird Laktatoxidase-Lösung gemäss Beispiel 2 zugegeben. Diese Paste ist im Anschluss direkt im Siebdruck verdruckbar oder bei 4 C lagerbar. 



   Beispiel 5: Fliessverhalten   einer     siebdruckfahigen     Glukoseoxidasesensor-Dickschichtpaste   
Eine Siebdruckpaste bestehend aus 66,63 Masseanteilen polyHEMA, 89,326 Masseanteilen Diethylenglykol (DEG) und 4,011 Masseanteilen Wasser, 14,959 Masseanteilen Si02-Gelbildner und 720 U/(g Paste) Glukoseoxidase (GOD, EC 1.1.3.4.), typischerweise gelost in 50 mM Kalium- phosphatpuffer pH 7,0, der durch Zusammenmischen von 50 mM KH2P04 und 50 mM K2HP04 mit Wasser hergestellt wird (der pH-Wert des Kaliumphosphatpuffers wird mit 3M NaOH eingestellt), zeigt eine Fliesskurve gemass Figur 1 und entspricht damit den Anforderungen der Siebdrucktech- nik 
Beispiel 6: Herstellung einer bioaktiven Dickschichtmembran, mit kontrollierter Schichtdicke 
Die Druckpaste gemass z. B.

   Beispiel 1 wird mittels einer Spatel auf das Druckgitter einer Sieb- druckmaschine aufgebracht, gleichmässig uber der Maske verteilt, und danach durch eine Gummi- rackel von der Siebdruckmaschine durch das Druckgitter auf das Substrat aufgedruckt und an- schliessend getrocknet. Die Schichtdicke der bioaktiven Membran kann z.B. mittels der Trock- nungsparameter gesteuert werden (Tabelle 1) 
Tabelle 1.

   Zusammenhang zwischen Trocknungstemperatur und Schichtdicke 
 EMI4.1 
 
<tb> Trocknungsbedingungen <SEP> Membrandicke
<tb> 
<tb> 3d <SEP> bei <SEP> 4 C <SEP> 37 <SEP> (.im
<tb> 3d <SEP> bei <SEP> RT <SEP> 23 <SEP> (.im
<tb> 3d <SEP> bei <SEP> 37 C <SEP> 22 <SEP> (am
<tb> 3d <SEP> bei <SEP> 80 C <SEP> 19 <SEP> um <SEP> 
<tb> 
 
Beispiel 7 :   Bioaktive   Glukoseoxidase-Dickschichtmembran 
Ein Sensor mit einer Membran hergestellt aus einer Siebdruckpaste gemäss Beispiel 1, nach dem Verfahren gemäss Beispiel 6, enthalt GOD mit 80% der eingesetzten Aktivität. Das Sensorsig- nal ist im  A Bereich, stabil nach 20 Sekunden und linear für Glukosekonzentrationen von 0 bis 20 mM (Figur 2), womit der physiologisch interessante Bereich quantitativ abgedeckt wird. 

**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.

Claims (7)

  1. Beispiel 8 : Selektivitat der bioaktiven Glukoseoxidase-Dickschichtmembran Das glukosespezifische Signal eines Biosensors mit einer Dickschichtmembran gemäss Bei- spiel 7 wird durch (Stör)spezies wie z.B Ascorbinsaure, Harnstoff, Glycin oder Paracethamol nicht beeinträchtigt Figur 3 zeigt den potentiostatisch gemessen Signalverlauf an der Membranelektro- de fur folgende Fälle- Kurve A' Analyt enthält 5 mM Glukose (typische physiologische Konzentrati- on im Blut) sowie keine Storspezies, Kurven B, C und D. Analyt enthalt 5 mM Glukose plus 60 M Ascorbinsaure (maximale physiologische Konzentration im Blut), bzw plus 25 mM Harnstoff (5- faches der typischen physiologischen Konzentration im Blut), bzw plus 2,5 mM Paracethamol (15- fache der maximalen Konzentration im Blut eines damit behandelten Arthrosepatienten).
    Selbst bei Bildvergrösserung (Insert in Figur 3) sind alle Kurven innerhalb der Messgenauigkeit ident PATENTANSPRÜCHE: 1 Amperometrische Biosensoren in Dickschichttechnologie zur Detektierung und/oder Be- stimmung von enzymatisch umsetzbaren Substanzen, wie Glukose oder Laktat, bestehend aus einer Struktur von elektronisch leitenden und elektronisch nicht leitenden Schichten auf einem inerten Träger, gekennzeichnet durch zumindest eine bioaktive Schicht, die <Desc/Clms Page number 5> sowohl Substanzen, wie Enzyme, enthält, die spezifisch mit dem zu messenden Analyten reagieren, und deren Schichtdicke so bemessen ist, dass sie als Diffusionsbarriere elektro- denaktive Störspezies, wie Ascorbinsäure im Falle eines Glukosesensors, effektiv am Er- reichen der Transduktoren hindert
  2. 2 Biosensoren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest eine bioaktive Schicht,
    die aus 2 oder mehreren Zonen besteht, von denen zumindest die transduktorseitige Zone, die als Diffusionsbarriere dient, frei von bioaktiven Substanzen ist.
  3. 3 Biosensoren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass zumindest eine der bioaktiven Schichten im Siebdruck hergestellt ist.
  4. 4 Verfahren zur Herstellung von Biosensoren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, dass mindestens eine bioaktive Schicht aus mindestens einer Paste, welche mindes- tens eine bioaktive, jedoch keine als Transduktor fungierende Komponente enthält, auf ei- nem geeignet strukturiertem Substrat aufgebracht wird.
  5. 5 Verfahren zur Herstellung von Biosensoren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenität mindestens einer der bioaktiven Schichten reproduzierbar eingestellt werden kann
  6. 6. Druckpaste mit bioaktiver Funktionskomponente, dadurch gekennzeichnet, dass sie sowohl im Siebdruckverfahren verdruckbar ist, als auch dadurch bioaktive Schichten bildet, die sowohl Substanzen wie Enzyme enthalten, die spezifisch mit den zu messenden Analyten reagieren, und deren Schichtdicke so bemessen ist, dass sie als Diffusionsbarriere elektro- denaktive Storspezies, wie Ascorbinsaure im Falle eines Glukosesensors, effektiv am Er- reichen der Transduktoren hindert
  7. 7 Verfahren zur Herstellung Druckpasten mit bioaktiver Funktionskomponente nach An- spruch 6, dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Einstellung der benötigten rheologischen Ei- genschaften mindestens ein biokompatibles Polymer und/oder anorganisches Gel verwen- det wird.
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