DE102011009854A1

DE102011009854A1 - Sensoreinrichtung zur Messung von Eigenschaften von Analyten

Info

Publication number: DE102011009854A1
Application number: DE201110009854
Authority: DE
Inventors: B.Sc. Kottkamp Eike; Prof.Dr.rer.nat Wolf Bernhard; Dipl.-Ing. Quarder Martin
Original assignee: ERWIN QUARDER SYSTEMTECHNIK GmbH
Current assignee: ERWIN QUARDER SYSTEMTECHNIK GmbH
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2012-08-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Messung von Analyten, mit einem Gehäuse (12), das einen Messraum aufweist, in dem als Messaufnehmer eine biologische Komponente angeordnet ist, wobei die biologische Komponente in einem vorzugsweise aus Kunststoffspritzguss gebildeten Gehäuse (12) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Messung von Analyten, mit einem Gehäuse, das einen Messraum aufweist, in dem als Messaufnehmer eine biologische Komponente angeordnet ist.
Sensoreinrichtungen mit ein oder mehreren biologischen Komponenten als Messaufnehmer bzw. Messfühler werden allgemein auch als Biosensoren bezeichnet. Die biologische Komponente eines solchen Biosensors ist in der Lage, mit den zu messenden biochemischen oder chemischen Stoffen, den Analyten, zu interagieren. Abhängig von dieser Interaktion verändert sich die biologische Komponente bzw. sie sendet Signale aus. Die Änderungen/Signale der Komponente, im Rahmen der Anmeldung allgemein als ”Reaktionen” bezeichnet, sind in der Regel biochemischer, chemischer oder physikalischer Natur.
Ein Messwandler, ein sogenannter Transducer, erfasst die Reaktionen der biologischen Komponente und erzeugt ein für die Auswertung geeignetes Signal, in der Regel in ein physikalisches bzw. elektrisches Signal. Das erzeugte Signal ist abhängig von der analysierten Größe. Der Transducer verfügt dabei häufig über einen Detektor, der das erzeugte Signal sowohl rein qualitativ als auch quantitativ messen kann. Schließlich umfasst ein Biosensor in der Regel noch zusätzliche Elektronikkomponenten, beispielsweise Signalverstärker.
Biosensoren werden aufgrund der zugrundeliegenden, komplexen Zusammenhänge zurzeit vornehmlich in Einzelfertigung hergestellt. Dies ist aufwendig und kostenintensiv. Zudem weisen die auf dem Markt befindlichen Biosensoren große Abmessungen auf. In der Regel handelt es sich um großformatige Standgeräte.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoreinrichtung mit biologischer Komponente anzugeben, die bei kompakten Abmessungen möglichst auch industriell fertigbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Sensoreinrichtungen, die die Merkmale der Ansprüche 1, 9, 15, 18, 19 aufweisen.
Es wird eine Sensoreinrichtung zur Messung von Eigenschaften von Analyten vorgestellt, das ein Gehäuse aufweist, das bevorzugt aus Kunststoffspritzguss hergestellt ist. In dem Gehäuse ist ein Messraum angeordnet, in dem als Messaufnehmer die biologische Komponente angeordnet ist. Die biologische Komponente kann beispielsweise Enzyme, Mikroorganismen, Gewebeschnitte, Antikörper, Lektine, Aptamere, DNA, und dergleichen mehr umfassen. Der Analyt wird in der Regel als Teil einer gasförmigen oder flüssigen Analysenprobe in den Messraum eingebracht. Die biologische Komponente wechselwirkt mit einem Wandler bzw. Transducer, der bevorzugt in dem Messraum angeordnet ist. Letzterer liegt vorzugsweise mindestens teilweise an der biologischen Komponente an oder ist mit dieser verbunden. Abhängig von den durch die Wechselwirkungen ausgelösten Reaktionen der biologischen Komponente werden von dem Transducer auswertbare elektrische, elektromagnetische oder optische Signale erzeugt.
Das Gehäuse der Sensoreinrichtung weist bevorzugt mindestens einen Strömungskanal auf, durch den der Analyt von außen in das Gehäuse einströmen kann. Der Messraum ist mit dem mindestens einen Strömungskanal verbunden, sodass der Analyt in den Messraum hineinströmen kann. Insbesondere wenn der Analyt in einer gasförmigen oder flüssigen Analysenprobe vorliegt, ist es sinnvoll, in dem Gehäuse einen durchgängigen, sich durch das Gehäuse erstreckenden Strömungskanal mit voneinander getrenntem Gehäuseeinlass und Gehäuseauslass vorzusehen. In diesem Fall kann eine in der Umgebung der Sensoreinrichtung vorhandene Analysenprobe das Gehäuse mit einer geeigneten Strömungsgeschwindigkeit durchströmen.
Der Messraum ist in einer Ausführungsform der Erfindung unmittelbar in dem Strömungskanal angeordnet. In diesem Fall wird die biologische Komponente besonders stark von dem Analyt umströmt. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, die biologische Komponente beabstandet von einem Hauptströmungskanal in einem ansonsten als geschlossene Kammer ausgebildeten Messraum anzuordnen, der insbesondere ausschließlich durch eine Abzweigleitung mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist. In diesem Fall würde der Analyt die biologische Komponente zwar ebenfalls erreichen und umströmen. Allerdings wäre die Strömungsgeschwindigkeit des Analyten in dem Messraum in diesem Fall geringer als bei der Messraumanordnung unmittelbar im Strömungskanal. Eine geringere Strömungsgeschwindigkeit ist insbesondere von Vorteil bei biologischen Komponenten, die bei zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten von der Strömung mitgerissen werden würden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann die Sensoreinrichtung zur Beeinflussung der Strömung des Analyten bzw. der Analysenprobe durch das Gehäuse und/oder zur Beeinflussung des Drucks des Analyten/der Analysenprobe in dem Gehäuse ein oder mehrere, dem mindestens ein Strömungskanal zugeordnete, in dem Gehäuse angeordnete Ventile aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Sensoreinrichtung über eine in oder an dem Gehäuse angeordnete, geeignete Pumpeinrichtung verfügen.
In diesem Zusammenhang ist zweckmäßigerweise in oder an dem Gehäuse der Sensoreinrichtung eine geeignete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung angeordnet, mit der das mindestens eine Ventil und/oder die Pumpeinrichtung steuerbar und/oder regelbar ist. Hintergrund ist, mittels geeigneter Bauteile sowie ein oder mehrerer geeigneter Strömungskanäle zu erreichen, dass die biologische Komponente möglichst optimal von dem Analyten umströmt wird.
Gemäß einer eigenständigen Besonderheit der Erfindung wird die biologische Komponente teilweise oder vollständig von einem flächigen, mit dem Gehäuse verbundenen, für den zu messenden Analyten durchlässigen Überdeckungsmittel überdeckt. Vorzugsweise wird die biologische Komponente mit diesem Überdeckungsmittel in deren Position in dem Messraum fixiert und/oder es werden unerwünschte Bewegungen der biologischen Komponente in dem Messraum begrenzt. Ein solches Überdeckungsmittel kann beispielsweise ein für den zu messenden Analyten durchlässiges Netz sein oder eine für diesen durchlässige Membran.
Bevorzugt ist das Überdeckungsmittel dabei haubenartig ausgebildet mit einer gekrümmten Oberfläche. Wenn beispielsweise die biologische Komponente an einer den Messraum begrenzenden Wandung des Gehäuses angeordnet ist, würde das Überdeckungsmittel bevorzugt an dieser Wand befestigt sein und die biologische Komponente in Richtung des Messraums überdecken. Vorzugsweise liegt das Überdeckungsmittel dabei mindestens bereichsweise an der biologischen Komponente an.
Wenn entsprechend der oben genannten Ausführungsform der Erfindung das Gehäuse ein Spritzgussteil aus Kunststoff ist, kann das Überdeckungsmittel derart mit dem Gehäuse verbunden sein, dass es in Verbindungsbereichen, beispielsweise in bestimmten Endbereichen, mit Kunststoff umspritzt ist. Diese Verbindung kann während des Spritzgussverfahrens hergestellt werden.
Gerade die genannte Ausführungsform der Erfindung, in der das Gehäuse und gegebenenfalls weitere Komponenten der Sensoreinrichtung im Rahmen eines Spritzgussverfahrens aus Kunststoff hergestellt werden, erlaubt es, den Biosensor in großer Stückzahl industriell zu fertigen. Es ist dabei beispielsweise denkbar, dass die nicht aus Kunststoff bestehenden Bauteile der Sensoreinrichtung, etwa die biologische Komponente, das Überdeckungsmittel oder elektronische Bauteile, vor dem Spritzgießen in die Spritzgussform eingelegt werden. Die Kunststoffkomponenten, insbesondere das Gehäuse, ggf. mit ein oder mehreren Strömungskanälen, werden dann anschließend in der Form in geeigneter Weise spritzgegossen, sodass insgesamt eine kompakte Sensoreinrichtung mit Kunststoffgehäuse und integrierten Sensorbauteilen geschaffen ist.
Was den die Reaktionen der biologischen Komponente erfassenden und daraus verwertbare Signale erzeugende Transducer betrifft, so ist dieser bevorzugt – gegebenenfalls zusammen mit weiteren elektronischen Bauteilen – in dem Messraum an einer diesen begrenzenden Wandung befestigt ist und/oder in diese integriert bzw. eingelassen.
Vorteilhafterweise ist der Transducer, gegebenenfalls mit weiteren elektronischen Bauteilen, auf einem stabilisierenden Trägermaterial angeordnet. Hierbei kann es sich insbesondere um Glas, Keramik oder Silizium handeln. Das Trägermaterial ist dann an der den Messraum begrenzenden Wandung befestigt und/oder in diese integriert.
Um Sensoreinrichtungen verschiedenster Gestalt herstellen zu können, ist das Trägermaterial bevorzugt flexibel ausgebildet. Hierdurch kann es an die Formgebung des Gehäuses bzw. der Wandung, der das Trägermaterial zugeordnet ist, angepasst werden, insbesondere an gekrümmte Wandungskonturen oder dergleichen.
Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung verfügt die Sensoreinrichtung über eine optische Überwachungseinrichtung, mit der der Messraum bzw. die biologische Komponente von außen überwacht werden können. Zusätzlich kann ein Beleuchtungsorgan vorgesehen sein, mit dem der Messraum, insbesondere die biologische Komponente in dem Messraum, zur Verbesserung der Überwachung mindestens teilweise beleuchtet werden kann. Durch die Beleuchtung wird die optische Überwachung gegebenenfalls erst möglich gemacht. Die Überwachung ermöglicht es gegebenenfalls, erkennen zu können, ob die im Gehäuseinneren angeordnete biologische Komponente noch funktionsfähig ist bzw. ob sie noch lebt.
Zweckmäßigerweise weist die Überwachungseinrichtung ein optisches Erfassungsorgan auf, insbesondere eine Linse oder eine Kamera. Das optische Erfassungsorgan ist dabei bevorzugt im Inneren des Messraums angeordnet bzw. ragt in das Innere hinein. Alternativ kann das Erfassungsorgan auch in einer den Messraum begrenzenden Wandung eingelassen bzw. integriert sein und/oder an dieser Wandung befestigt sein.
Das optische Erfassungsorgan ist bevorzugt mit mindestens einer Leitung verbunden, mit der von dem optischen Erfassungsorgan stammende Überwachungssignale, vorzugsweise Lichtsignale oder elektrische Signale, aus dem Messraum nach außen, das heißt aus dem Gehäuse heraus geführt werden können. Wenn die Leitung beispielsweise ein Lichtwellenleiter ist, würde dieser so platziert werden, dass Bilder der biologischen Komponente bzw. entsprechende Lichtsignale über den Lichtwellenleiter nach außen geführt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das optische Erfassungsorgan mindestens teilweise ein für Licht durchlässiges Beobachtungselement. Dieses kann etwa aus Glas oder geeignetem Kunststoff bestehen. Das Beobachtungselement ist dann in eine äußere Wandung des Gehäuses integriert. Insofern die Innenseite der äußeren Wandung an den Messraum angrenzt und/oder diesen begrenzt, kann durch das Beobachtungselement unmittelbar der Messraum bzw. die biologische Komponente von außen überwacht bzw. optisch erfasst werden. Dies setzt allerdings voraus, dass sich das Beobachtungselement von außen durch die äußere Wandung bis zum Innenraum erstreckt.
In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass das Beobachtungselement zugleich als Träger der biologischen Komponente bzw. des Transducers dient. In diesem Fall könnte unmittelbar die dem Beobachtungselement zugewandte Rückseite der biologischen Komponente durch das Beobachtungselement von außen überwacht werden.
Natürlich können zusätzlich oder alternativ zu einer solchen optischen Überwachungseinrichtung auch verschiedenste andere Arten von Überwachungseinrichtungen zur Überwachung der Funktionsfähigkeit der biologischen Komponente eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung ist der Messraum mediendicht, vorzugsweise gas- oder flüssigkeitsdicht, verschlossen oder verschließbar.
Bevorzugt ist in einem ersten, mediendicht verschlossenen Zustand des Messraums ein gasförmiges oder flüssiges Medium in dem Messraum enthalten, das die biologische Komponente der Sensoreinrichtung am Leben erhält und/oder in einen definierten Referenzzustand hält. Hintergrund ist, dass bestimmte biologische Komponenten beispielsweise in üblicher Luftatmosphäre nur sehr kurze Zeit lebensfähig sind. Die Lagerung einer derartigen Sensoreinrichtung über längere Zeit wäre zumindest in Luftatmosphäre nicht möglich, ohne die Einrichtung unbrauchbar zu machen.
Das Medium, das die Komponente am Leben erhält bzw. in dem definierten Referenzzustand, verbleibt bis zum Einsatz der Sensoreinrichtung in dem Messraum. Um die Sensoreinrichtung dann einsatzbereit zu machen, wird der Messraum dementsprechend in einen zweiten Zustand überführt, in dem der Messraum unverschlossen ist und in dem das gasförmige oder flüssige Medium aus dem Messraum bzw. aus dem Gehäuse nach außen entweichen kann. Anschließend kann der Analyt zur eigentlichen Messung von außen durch die Leitungen in den Messraum dringen.
In dem verschlossenen Zustand des Messraums sind sämtliche Zu- und/oder Ableitungen, die zu dem Messraum führen und diesen mit der Außenumgebung der Sensoreinrichtung bzw. des Gehäuses verbinden, durch geeignete Verschlussmittel verschlossen.
Solche Verschlussmittel können insbesondere derart ausgebildet sein, dass der Messraum durch Entfernung oder Zerstörung derselben in den unverschlossenen Zustand überführt werden kann. Beispielsweise können quer zu den vorgenannten Leitungen verlaufende Abdicht- bzw. Verschlussfolien oder dergleichen vorgesehen sein, die durch geeignete Öffnungsmittel bei Bedarf kurz vor dem Einsatz der Sensoreinrichtung von außen mit geeigneten Öffnungswerkzeugen durchstoßen werden können.
Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung sind der biologischen Komponente Mittel zur Stimulation derselben zugeordnet. Diese Stimulationsmittel sind mit der biologischen Komponente wirkverbunden und können diese stimulieren. Derartige Stimulationen können bestimmte Reaktionen in der biologischen Komponente hervorrufen. Wenn die biologische Komponente beispielsweise über Nervenzellen oder Nervenstränge verfügt, ist denkbar, durch die Stimulation der Zelle mit ein oder mehreren Elektroden Reaktionen der Nervenzellen hervorzurufen, die anschließend in der oben beschriebenen Weise von dem Transducer in verwert- und auswertbare Signale umgewandelt werden können. Es ist denkbar, auf diese Weise Aussagen über den aktuellen Zustand der biologischen Komponente zu erhalten. Beispielsweise ist es möglich, anhand der Messergebnisse beurteilen zu können, ob die biologische Komponente noch lebt bzw. noch funktionsfähig ist.
Solche Stimulationen können auch mittels vorzugsweise elektrisch betriebenen Aktoren erzeugt werden. So ist denkbar, mittels eines geeigneten Aktors Vibrationen in die biologische Komponente einzubringen, die messbare Reaktionen der biologischen Komponente hervorrufen. Grundsätzlich können jegliche Aktoren verwendet werden, die die biologische Komponente mit mechanischer Energie beaufschlagen, insbesondere Bewegungsenergie.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung im Querschnitt,
2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung im Querschnitt,
3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in Schrägansicht,
4 einen Schnitt durch die Ausführungsform aus 3 entlang der Schnittlinie I-I,
5 den Schnitt gemäß 4 in vergrößerter Darstellung,
6 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung im Querschnitt,
7 eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in einem ersten, verschlossenen Zustand,
8 die Ausführungsform aus 7 in einem zweiten, geöffneten Zustand,
9 die Ausführungsform aus 1 mit einer optischen Überwachungseinrichtung,
10 die Ausführungsform der 1 mit einer weiteren optischen Überwachungseinrichtung.
In der 1 ist eine Sensoreinrichtung 10 dargestellt, mit der Eigenschaften von Analyten gemessen werden können. Die Analyten, das heißt diejenigen Stoffe, über die mit Hilfe der Sensoreinrichtung 10 Aussagen getroffen werden sollen, sind in der Regel in einer gasförmigen oder flüssigen Analysenprobe enthalten.
Die Sensoreinrichtung 10 verfügt über ein im vorliegenden Fall im Spritzgussverfahren hergestelltes Gehäuse 12 aus Kunststoff. Das Gehäuse 12 weist Wandungen auf, von denen in 1 eine untere Wandung 14a und eine obere Wandung 14b dargestellt sind. Die Wandungen 14a, 14b begrenzen einen Strömungskanal 16 in dem Gehäuse 12. Der Strömungskanal 16 ist über einen Einlass 18 und einen. Auslass 20 mit der Umgebung der Sensoreinrichtung 10 bzw. des Gehäuses 12 verbunden.
Ein zu analysierendes Medium bzw. eine Analysenprobe mit darin enthaltenem Analyten kann beispielsweise von außen durch den Einlass 18 entlang des Strömungskanals 16, der durch das Gehäuse 12 hindurchgeführt ist, bis zum Auslass 20 strömen und dort aus dem Gehäuse 12 austreten.
Innerhalb des Strömungskanals 16 ist eine biologische Komponente 22 angeordnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um Enzyme handeln, Antikörper, biologische Membrane, Zellen, tierische oder pflanzliche Gewebe oder vieles mehr. Die biologische Komponente 22 dient innerhalb der Sensoreinrichtung 10 als Messaufnehmer bzw. Messfühler. Sie tritt mit dem oder den Analyten in der Analysenprobe in Wechselwirkung.
Diese Wechselwirkung löst in der biologischen Komponente 22 Reaktionen aus. Diese Reaktionen können Veränderungen der biologischen Komponente sein, beispielsweise ein Gewichtszuwachs oder eine Gewichtsabnahme derselben. Die Reaktionen können beispielsweise auch in einer Wärmeerzeugung münden, in der Abgabe von Lichtsignalen, in der Veränderung von Brechungsindizes der biologischen Komponente 22 und dergleichen mehr. Je nach Art der eingesetzten biologischen Komponente 22 können die Reaktionen unterschiedlichster Natur sein.
Um die Reaktionen messbar zu machen, ist die biologische Komponente 22 wirkverbunden mit einer Sensorbaugruppe 24. Diese Sensorbaugruppe 24 umfasst insbesondere einen Transducer. Ein solcher Transducer kann ein oder mehrere Sensoren umfassen, beispielsweise optische Sensoren, Thermistoren, elektrochemische Sensoren, amperometrische Elektroden und dergleichen mehr. Der Transducer erfasst die hervorgerufenen Reaktionen der biologischen Komponente 22 und erzeugt abhängig von diesen für eine nachfolgende Messwerterfassung und Messwertauswertung geeignete Signale, insbesondere elektrische Signale.
Der Transducer liegt in der Regel mindestens teilweise an der Unterseite der biologischen Komponente 22 an.
Die Sensorbaugruppe 24 kann außer dem Transducer noch weitere Bauteile, insbesondere elektronische Bauteile, wie etwa Signalverstärker oder dergleichen aufweisen. Die Sensorbaugruppe 24 ist auf einem Träger 26 angeordnet. Der Träger 26 kann beispielsweise aus Glas, Keramik, Silizium oder anderen geeigneten Materialien bestehen, aber auch aus Folienmaterial oder dergleichen.
Der Träger 26 ist zusammen mit der Sensorbaugruppe 24 in die Wandung 14a des Gehäuses 12 integriert bzw. dort eingelassen. Der Träger 26 bzw. die Sensorbaugruppe 24 werden zu diesem Zweck vorteilhafterweise bereits während des Spritzgussverfahrens unmittelbar in das Spritzgussgehäuse 12 integriert. Hierbei ist es denkbar, den Träger 26 mitsamt Sensorbaugruppe 24 in das entsprechende Spritzgusswerkzeug bzw. in die entsprechende Spritzgussform einzulegen, die Form dann zu schließen und die Sensorbaugruppe 24 mitsamt Träger 26 schließlich entsprechend mit Kunststoff zu um- und/oder hinterspritzen.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, im Rahmen des Spritzgussverfahrens in der Wandung 14a eine geeignete Auslassung bzw. Freimachung vorzusehen, in die dann in einem späteren Arbeitsschritt, das heißt nach Abschluss des Spritzgussverfahrens, der Träger 26 mitsamt auf diesem befestigter Baugruppe 24 eingefügt wird.
Was die biologische Komponente 22 betrifft, so liegt sie in der vorliegenden Ausführungsform unmittelbar auf dem Transducer der Sensorbaugruppe 24 auf bzw. liegt an diesem an. Diese räumliche Anlage ist aber nicht zwingend. Entscheidend ist, dass die biologische Komponente 22 und der Transducer wirkverbunden sind, sodass die Reaktionen der biologischen Komponente 22 durch den Transducer erfasst werden können.
Die biologische Komponente 22 ist in dem Strömungskanal 16 des Gehäuses 12 positioniert. Der Strömungskanal 16 bzw. Teile von diesem bilden im vorliegenden Fall daher den Messraum, in dem mittels der biologischen Komponente 22 die Messung des jeweiligen Analyten- bzw. der jeweiligen Analysenprobe stattfindet.
Eine beispielsweise gasförmige Analysenprobe, die durch die Einlassöffnung 18 eintritt, strömt entlang des Strömungskanals 16 und umströmt dabei die in dem Strömungskanal angeordnete biologische Komponente 22.
Bei einer zu starken Strömung, das heißt einer zu hohen Strömungsgeschwindigkeit, kann dabei grundsätzlich die Gefahr bestehen, dass die biologische Komponente 22 von der Strömung mitgerissen wird.
Um dies zu verhindern, ist die biologische Komponente 22 vorliegend hinsichtlich eventueller Bewegungen begrenzt und somit im Wesentlichen räumlich fixiert, und zwar durch ein Überdeckungsmittel 28.
Bei dem Überdeckungsmittel 28 handelt es sich um ein haubenartiges, flächiges Element, das die biologische Komponente 22 an ihren sämtlichen freien, das heißt in den Messraum ragenden Seiten in Richtung des Messraums überdeckt. Das Überdeckungsmittel 28 ist vorliegend als Netz ausgebildet, sodass eine fluide Analysenprobe das Netz bzw. die Netzöffnungen durchdringen kann und so zu der biologischen Komponente 22 gelangen kann.
Das Überdeckungsmittel 28 ist an derselben Wandung 14a des Gehäuses 12 befestigt, an der die biologische Komponente 22 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die biologische Komponente 22 eingeschlossen in dem Teilraum, der sich zwischen Überdeckungsmittel 28 und Wandung 14a ergibt.
Wie in der 1 zu sehen ist, liegt das Überdeckungsmittel 28 bereichsweise an Außenseiten der biologischen Komponente 22 an.
Für die Verbindung des Überdeckungsmittels 28 mit der ihr zugeordneten Wandung 14a gibt es verschiedenste Möglichkeiten. Bevorzugt werden endständige bzw. randseitige Verbindungsbereiche 30 des Überdeckungsmittels 28 im Rahmen des Spritzgussverfahrens in die Wandung 14a integriert bzw. dort eingelassen. Hierbei können die Verbindungsbereiche 30 beim Spritzgießen entsprechend mit Kunststoff umspritzt werden.
Das Überdeckungsmittel 28 ist im vorliegenden Beispiel flexibel ausgebildet, sodass ein Größenwachstum der biologischen Komponente 22 möglich ist. Ein entsprechender Zuwachs der Komponente 22 nach außen, das heißt in Richtung des Überdeckungsmittels 28, würde zu einem entsprechenden Nachgeben des Überdeckungsmittels 28 in diese Richtung führen.
Was den Träger 26 betrifft, so ist auch denkbar, auf diesen zu verzichten und die Sensorbaugruppe 24 ohne Träger 26 in die Wandung 14a zu integrieren oder auf deren Innenseite zu befestigen, das heißt auf der zum Messraum zeigenden Seite der Wandung 14a.
Die 2 bis 10 zeigen weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Sensoreinrichtungen 10. Gleiche oder gleichartige Bauteile sind in diesen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen versehen wie bei der Ausführungsform gemäß 1.
Die Sensoreinrichtung 10 der 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 vornehmlich durch die Gestalt des Gehäuses 12. Von dem zentralen, querverlaufenden Strömungskanal 16 zweigt winklig hierzu eine Abzweigleitung 32 ab, an deren Ende eine ansonsten geschlossene Kammer 34 als Messraum gebildet ist.
Die Kammer 34 ist unterhalb des zentralen Strömungskanals 16 angeordnet. In ihr sind die biologische Komponente 22, das Überdeckungsmittel 28, die Sensorbaugruppe 24 und der Träger 26 angeordnet.
Die biologische Komponente 22 befindet sich während eines Messvorgangs dementsprechend nicht innerhalb des Hauptstroms der Analysenprobe, der durch den Strömungskanal 16 strömt. Vielmehr wird die biologische Komponente 22 nur indirekt durch einen Zweigstrom der Analysenprobe umströmt, der über die Abzweigleitung 32 in die Kammer 34 gelangt.
In der Kammer 34 herrschen dementsprechend deutlich geringere Strömungsgeschwindigkeiten als in dem (Haupt-)Strömungskanal 16. Insbesondere bei empfindlichen biologischen Komponenten 22 kann es sinnvoll sein, diese nicht unmittelbar der starken Hauptprobenströmung auszusetzen.
Die 3, 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Sensoreinrichtung 10 als Messlanze ausgebildet ist mit einem länglichen, im vorliegenden Fall quaderförmigen Gehäusekörper 12. Im oberen Bereich des quaderförmigen Gehäusekörpers 12 ist ein Griffteil 42 angeordnet. Im unteren Bereich ist der durchgehende Strömungskanal 16 angeordnet mit Einlass 18 an einer Gehäusekörperseite und Auslass 20 an der gegenüberliegenden Gehäusekörperseite. Das Griffteil 42 kann von einem Benutzer gegriffen werden. Anschließend kann der untere Bereich des Gehäusekörpers 12 und insbesondere der Kanal 16 beispielsweise in einer flüssige Analysenprobe gehalten werden. Die Analysenprobe durchströmt dann den Strömungskanal 16 und umströmt die darin angeordnete biologische Komponente 22.
Anders als bei den Ausführungsformen der 1 und 2 ist das Überdeckungsmittel 28 nachgiebig, im vorliegenden Fall federnd gelagert. Hierzu ist das Überdeckungsmittel 28 mittels Federelementen 36a, 36b an einer unteren Gehäusekörperwandung 38 des Gehäuses 12 gelagert. Hierdurch ist es möglich, auch bei Einsatz eines nicht-flexiblen Überdeckungselements 28 sicherzustellen, dass das Überdeckungsmittel 28 bei einem Größenwachstum der biologischen Komponente 22 mitgeführt und das Wachstum somit nicht beschränkt wird.
In 6 ist eine Ausführungsform einer Sensoreinrichtung 10 gezeigt, bei der der Strömungskanal 16 von einer zylindrischen Wandung 40 des Gehäuses 12 begrenzt wird. Der Träger 26 ist flexibel ausgebildet und an der Innenseite der zylindrischen Wandung 40 befestigt. Hierbei ist der Träger 26 entsprechend der Kontur der Innenseite der Wandung 40 gekrümmt und liegt dort an. Das Überdeckungsmittel 28 ist wiederum flexibel ausgebildet und auf der Innenseite, das heißt der in den Messraum zeigenden Seite des Trägers 26 befestigt. Hierzu liegen die Verbindungsbereiche 30 des Überdeckungsmittels 28 an entsprechenden Bereichen des flexiblen Trägers 26 an und sind mit diesen verklebt.
7 zeigt eine Sensoreinrichtung 10 entsprechend 1, bei der der Einlass 18 durch ein Verschlussmittel 44a verschlossen ist, der Auslass 20 durch ein Verschlussmittel 44b. Bei den Verschlussmitteln 44a, 44b handelt es sich um geeignete, mediendichte, insbesondere gasdichte Folien, die den Kanalquerschnitt quer zum Strömungskanal überdecken und auf diese Weise mediendicht verschließen. Innerhalb des in dem Strömungskanal 16 befindlichen, auf diese Weise verschlossenen Messraums ist ein im vorliegenden Fall gasförmiges Medium 46 enthalten.
Mit diesem gasförmigen Medium 46 ist der Messraum bei Herstellung der Sensoreinrichtung 10 befüllt worden. Es dient dazu, die biologische Komponente 22 am Leben zu erhalten oder in einem geeigneten Referenzzustand zu halten, bevor die Sensoreinrichtung 10 für Messvorgänge eingesetzt wird. Medien, die für einen solchen Zweck geeignet sind, sind im Stand der Technik bekannt. Der Einsatz solcher Medien ist insbesondere bei solchen biologischen Komponenten 22 wichtig, die andernfalls nicht verwendet werden könnten, da sie beispielsweise bei Luftatmosphäre zerfallen bzw. nicht dauerhaft funktionsfähig sind.
Unmittelbar bevor eine solche Sensoreinrichtung 10 eingesetzt werden soll, können die Verschlussmittel 44a, 44b, also die beiden Folien, durchstoßen werden, um den Messraum über den Strömungskanal 16 mit der Außenumgebung zu verbinden. Das Durchstoßen der Verschlussmittel 44a, 44b kann durch an den Kanal 16 im Bereich des Einlasses 18 bzw. des Auslasses 20 angepasste Öffnungsmittel, vorliegend Öffnungsstopfen 48a, 48b, erfolgen. Diese Öffnungsstopfen 48a, 48b verfügen jeweils im vorderen Bereich über Schneidelemente, nämlich im vorliegenden Fall Schneidspitzen 50, mit denen die Folien 44a, 44b durchstoßen werden können. Sie werden zum Durchstoßen der Folien 44a, 44b jeweils durch den Einlass 18 bzw. den Auslass 20 in den Strömungskanal 16 geschoben.
Die Öffnungsmittel 48a, 48b verfügen über zentrale Durchgangsbohrungen 52, durch die im in den Strömungskanal eingeschobenen Zustand, vgl. 8, das Medium 46 entweichen kann.
Anschließend kann der Messvorgang beginnen. Entsprechend kann eine sich in der Umgebung der Sensoreinrichtung 10 befindliche Analysenprobe durch die Bohrungen 52 in das Gehäuseinnere bzw. in den Messraum strömen.
In den 9 und 10 sind Ausführungsformen der Erfindung gezeigt, bei denen die Sensoreinrichtung 10 jeweils über eine optische Überwachungseinrichtung 54 verfügt.
Die optische Überwachungseinrichtung 54 in 9 umfasst einen Lichtwellenleiter 56, dessen Ende in den Messraum ragt. Das Ende des Lichtwellenleiters 56 bildet dabei ein optisches Erfassungsorgan 58, dessen Blickrichtung auf die biologische Komponente 22 gerichtet ist. Der Lichtwellenleiter 56 ist durch die obere Wandung 14a geführt und endet außerhalb des Gehäuses 12.
Das Erfassungsorgan 58 kann alternativ auch eine an dem Lichtwellenleiter 56 endständig angeordnete Linse sein.
Mittels der Überwachungseinrichtung 54 ist es beispielsweise möglich, die biologische Komponente 22 von außen zu überwachen. Optisch erkennbare Veränderungen derselben, die die Funktionsfähigkeit der Sensoreinrichtung 10 in Frage stellen könnten, können so mittels der Überwachungseinrichtung 54 erfasst werden.
Für die Ausbildung einer solchen optischen Überwachungseinrichtung 54 gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Anstelle des Lichtleiters 56 können beispielsweise Strom- und/oder Datenkabel in den Messraum geführt werden, die endständig mit einer geeigneten elektronischen Kamera verbunden sind. Die Kamera kann ihre Bilder dann entsprechend über die Leitungen nach außen übertragen.
Auf einen außen am Gehäuse 12 angeordneten Bildschirm können dann beispielsweise Live-Bilder übertragen werden. Denkbar ist natürlich auch eine steuerungstechnisch- und/oder computergestützte Auswertung solch übertragener Bilder. Beispielsweise können die Aufnahmen der biologischen Komponente 22 automatisch mit hinterlegten Referenzbildern verglichen werden. Abhängig von dem Vergleich kann dann ein Signal erzeugt werden, das auf detektierte, unerwünschte Veränderungen der biologischen Komponente 22 hinweist.
Zur Verbesserung der Bildqualität ist es in weiterer Ausbildung der vorgenannten Ausführungsform vorteilhaft, ein Beleuchtungsorgan vorzusehen, das den Messraum bzw. insbesondere die biologische Komponente 22 beleuchtet.
In der 10 ist eine Überwachungseinrichtung 54 gezeigt, die über einen die Sensorbaugruppe 24 tragenden Träger 26 aus transparentem Material, wie etwa Glas, verfügt. Der Träger 26 ist in die äußere Wandung 14b eingelassen und erstreckt sich von außen nach innen durch die Wandung 14b hindurch.
Ein Beobachter kann durch den transparenten Träger 26 die Bauteilgruppe 24 von außen erkennen und gegebenenfalls, insofern die Baugruppe 24 dies ermöglicht, die Rückseite der oberhalb der Baugruppe 24 angeordneten biologischen Komponente 22 inspizieren.
Bezugszeichenliste

10: Sensoreinrichtung
12: Gehäuse
14a: untere Wandung
14b: obere Wandung
16: Strömungskanal
18: Einlass
20: Auslass
22: biologische Komponente
24: Sensorbaugruppe
26: Träger
28: Überdeckungsmittel
30: Verbindungsbereiche
32: Abzweigleitung
34: Kammer
36a: Federelement
36b: Federelement
38: Gehäusewandung
40: Wandung
42: Griffteil
44a: Verschlussmittel
44b: Verschlussmittel
46: Medium
48a: Öffnungsstopfen
48b: Öffnungsstopfen
50: Schneidspitzen
52: Durchgangsbohrung
54: Überwachungseinrichtung
56: Lichtwellenleiter
58: Erfassungsorgan

Claims

Sensoreinrichtung zur Messung von Analyten, mit einem Gehäuse (12), das einen Messraum aufweist, in dem als Messaufnehmer eine biologische Komponente (22) angeordnet ist, wobei die biologische Komponente (22) teilweise oder vollständig von einem flächigen, mit dem vorzugsweise aus Kunststoffspritzguss gebildeten Gehäuse (12) verbundenen, für den zu messenden Analyten durchlässigen Überdeckungsmittel (28) überdeckt ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdeckungsmittel (28) die biologische Komponente (22) in deren Position in dem Messraum fixiert und/oder unerwünschte Bewegungen der biologischen Komponente (22) in dem Messraum begrenzt.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdeckungsmittel (28) mindestens bereichsweise an der biologischen Komponente (22) anliegt.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdeckungsmittel (28) haubenartig ausgebildet ist mit einer gekrümmten Oberfläche.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) ein Spritzgussteil aus Kunststoff ist und dass das Überdeckungsmittel (28) in Verbindungsbereichen (30) zur Verbindung mit dem Gehäuse (12) mit Kunststoff umspritzt ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdeckungsmittel (28) als für den zu messenden Analyten durchlässiges Netz oder als für den zu messenden Analyten durchlässige Membran ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdeckungsmittel (28) flexibel ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdeckungsmittel (28) nachgiebig, vorzugsweise federnd, an dem Gehäuse (12) gelagert ist, insbesondere derart, dass das Überdeckungsmittel (28) bei einem Größenwachstum der biologischen Komponente (22) mitführbar ist.
Sensoreinrichtung zur Messung von Analyten, mit einem Gehäuse, das einen Messraum aufweist, in dem als Messaufnehmer eine biologische Komponente (22) angeordnet ist, insbesondere gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtung (10) über ein Beleuchtungsorgan verfügt, mit dem der Messraum, insbesondere die biologische Komponente (22), mindestens teilweise beleuchtbar ist und/oder eine, vorzugsweise optische, Überwachungseinrichtung (54), mit der der Messraum, insbesondere die biologische Komponente (22), von außen überwachbar ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (54) ein optisches Erfassungsorgan (58) aufweist, insbesondere eine Linse oder eine Kamera, das im inneren des Messraums angeordnet ist oder in einer den Messraum begrenzenden Wandung (14b).
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungsorgan (58) mit mindestens einer Leitung (56) verbunden ist, mit der von dem optischen Erfassungsorgan (58) stammende Signale, vorzugsweise Lichtsignale oder elektrische Signale, aus dem Messraum nach außen geführt werden können.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung ein Lichtwellenleiter (56) ist, mit dem Lichtsignale aus dem Messraum nach außen führbar sind.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungsorgan (58) ein mindestens teilweise für Licht durchlässiges Beobachtungselement (26) ist, vorzugsweise aus Glas oder geeignetem Kunststoff, das in eine äußere Wandung (14b) des Gehäuses (12) integriert ist, und durch das der Messraum, insbesondere die biologische Komponente (22), beobachtbar bzw. optisch erfassbar ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die biologische Komponente (22) auf der Innenseite der äußeren Wandung (14b) angeordnet ist, und dass das Beobachtungselement (26) auf der Rückseite der biologischen Komponente (22) in diese äußere Wandung integriert ist, sodass die Rückseite derselben von außen durch das Beobachtungselement (26) beobachtbar ist.
Sensoreinrichtung zur Messung von Analyten, mit einem Gehäuse, vorzugsweise aus Kunststoffspritzguss, das einen Messraum aufweist, in dem als Messaufnehmer eine biologische Komponente (22) angeordnet ist, insbesondere gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, wobei der Messraum mediendicht, vorzugsweise gas- oder flüssigkeitsdicht, verschlossen oder verschließbar ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum von einem ersten verschlossenen Zustand, in dem er mediendicht verschlossen ist und ein gasförmiges oder flüssiges Medium enthält, das die biologische Komponente (22) am Leben erhält und/oder in einem definierten Referenzzustand hält, in einen zweiten Zustand überführbar ist, in dem der Messraum unverschlossen ist und in dem das gasförmige oder flüssige Medium aus dem Messraum entweichen kann.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und/oder Ableitungen, die von außen zu dem Messraum führen, in dem verschlossenen Zustand durch geeignete Verschlussmittel (52) verschlossen sind, insbesondere durch zur Überführung des Messraums in den unverschlossenen Zustand entfernbare und/oder zerstörbare Verschlussmittel (52).
Sensoreinrichtung zur Messung von Analyten, mit einem Gehäuse, vorzugsweise aus Kunststoffspritzguss, das einen Messraum aufweist, in dem als Messaufnehmer eine biologische Komponente (22) angeordnet ist, insbesondere gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, wobei der biologischen Komponente Mittel zur Stimulation derselben zugeordnet sind, insbesondere mindestens eine Elektrode und/oder mindestens ein Aktor, insbesondere ein mechanische Energie auf die biologische Komponente übertragener Aktor.
Sensoreinrichtung zur Messung von Analyten, mit einem Gehäuse, vorzugsweise aus Kunststoffspritzguss, das einen Messraum aufweist, in dem als Messaufnehmer eine biologische Komponente (22) angeordnet ist, insbesondere gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, wobei die biologische Komponente (22) mit einem geeigneten, in dem Messraum angeordneten, vorzugsweise an der biologischen Komponente (22) anliegenden Transducer wirkverbunden ist, abhängig von Reaktionen der Komponente (22) infolge einer Wechselwirkung mit dem Analyten elektrische, elektromagnetische oder optische Signale erzeugt, wobei der Transducer, gegebenenfalls zusammen mit weiteren elektronischen Bauteilen, in dem Messraum an einer diesen begrenzenden Wandung (14a) befestigt ist und/oder in diese integriert ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer, gegebenenfalls mit weiteren elektronischen Bauteilen, auf einem stabilisierenden Trägermaterial (26) angeordnet ist, insbesondere aus Glas, Keramik oder Silizium, wobei das Trägermaterial (26) an der den Messraum begrenzenden Wandung (14a) befestigt ist und/oder in diese integriert ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (26) flexibel ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) mindestens einen Strömungskanal (16) aufweist, durch den der Analyt von außen in das Gehäuse (12) einströmen kann, und dass der Messraum mit dem mindestens einen Strömungskanal (16) verbunden ist, sodass der Analyt in den Messraum hineinströmen kann.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) mindestens einen Strömungskanal (16) aufweist, durch den der Analyt von innen aus dem Gehäuse (12) ausströmen kann, und dass der Messraum mit dem mindestens einen Strömungskanal (16) verbunden ist, sodass der Analyt aus dem Messraum hinausströmen kann.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum unmittelbar in einem Strömungskanal (16) angeordnet ist, durch den der Analyt in das Gehäuse (12) einströmen kann.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) einen Hauptströmungskanal (16) aufweist, durch den der Analyt in das Gehäuse (12) einströmen und aus diesem ausströmen kann, und dass die biologische Komponente (22) beabstandet von dem Hauptströmungskanal (16) in einem durch eine Abzweigleitung mit diesem verbundenen, ansonsten als geschlossene Kammer ausgebildeten Messraum angeordnet ist.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (10) zur Beeinflussung der Strömung des Analyten durch das Gehäuse (12) und/oder des Drucks des Analyten in dem Gehäuse (12) mindestens ein einem Strömungskanal (16) zugeordnetes, in dem Gehäuse angeordnetes Ventil aufweist ist und/oder eine in oder an dem Gehäuse (12) angeordnete, geeignete Pumpeinrichtung.
Sensoreinrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an dem Gehäuse (12) eine geeignete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung angeordnet ist, mit der das Ventil und/oder die Pumpeinrichtung steuerbar und/oder regelbar ist.