DE19617964C2 - Method and measuring device for the detection of substances released or evaporated through the skin and associated measuring device - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßvorrichtung zum Nachweis von durch die Haut abgegebenen oder ausgedunsteten Substanzen, insbesondere von Alkohol, mittels eines auf die Substanzen ansprechenden Detektionssystems.The invention relates to a method and a measuring device for the detection of emitted or evaporated through the skin Substances, especially alcohol, by means of a Detection system responsive to substances.

Gerade im Bereich der Lebensmittelanalytik und der Medizin be­ steht ein ständiger Bedarf an neuen, gut handhabbaren und zu­ verlässigen Analysemethoden zum Nachweis der verschiedensten Substanzen. Bei einigen Einsatzgebieten kommt zusätzlich das Erfordernis hinzu, daß das zugehörige Analysegerät leicht transportierbar sein soll, um eine Analyse vor Ort zu ermögli­ chen. Zusätzlich spielt häufig der Kostengesichtspunkt eine Rolle, es werden daher auch besonders kostengünstig arbeitende Verfahren und Meßgeräte gesucht. Especially in the field of food analysis and medicine there is a constant need for new, easy to handle and reliable analysis methods to prove the most diverse Substances. In some areas of application this also comes Requires that the associated analyzer be lightweight should be transportable to enable on-site analysis chen. In addition, the cost aspect often plays a role Role, it will therefore also work particularly cost-effectively Processes and measuring equipment wanted.  

Für die polizeiliche Verkehrsüberwachung wird noch immer nach einem einfachen, zuverlässigen und hinlänglich genauen Test für eine schnelle Beurteilung des Blutalkoholgehaltes während der Verkehrskontrollen gesucht. Der bislang praktizierte Test auf Blutalkohol über die Atemluft setzt erstens die aktive Mit­ arbeit des Verkehrsteilnehmers voraus und kann außerdem durch zahlreiche Fremdeinflüsse stark verfälscht werden.Police traffic monitoring is still being followed a simple, reliable, and reasonably accurate test for a quick assessment of blood alcohol levels during the Traffic controls wanted. The test practiced so far First of all, blood alcohol via the air we breathe actively helps work of the road user ahead and can also by numerous external influences can be heavily falsified.

Es besteht daher ein großer Bedarf für einen zuverlässigen gut mit dem Blutalkoholgehalt korrellierten Test, der bei Verkehrs­ kontrollen von nicht-medizinischem Personal durchgeführt werden kann.There is therefore a great need for a reliable good test correlated with the blood alcohol level, which in traffic controls are carried out by non-medical personnel can.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, daß zunächst allgemein ein zuverlässiges, einfach handhabbares und hinlänglich genaues Analyseverfahren für die quantitative Be­ stimmung geringer Mengen in einer Lösung oder in einer Gasphase befindlicher Substanzen mittels geeigneter Detektoren gefunden werden soll, welches geeignet ist, indirekt den Blutalkoholge­ halt zu bestimmen. Für dieses Verfahren ist eine nach Möglich­ keit transportable, einfach und sicher zu bedienende Meßvor­ richtung zu entwickeln.The object underlying the invention is that generally a reliable, easy to use and sufficiently precise analysis procedure for the quantitative loading small quantities in a solution or in a gas phase substances found using suitable detectors which is suitable, indirectly the blood alcohol stop to determine. One is possible for this procedure transportable, easy and safe to use measuring device to develop direction.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Meßvorrichtung mit den Merkma­ len des Patentanspruchs 7 gelöst.This task is accomplished by a process with the characteristics of Claim 1 and by a measuring device with the Merkma len of claim 7 solved.

Bei der hier vorgestellten modifizierten Fließdiffusionsanalyse handelt es sich um ein aus der bekannten Fließ­ diffusionsanalyse abgeleitetes Verfahren.In the modified flow diffusion analysis presented here it is a known from the flow diffusion analysis derived method.

Dabei wird das bekannte Verfahren der Fließdiffusionsanalyse in der Weise modifiziert, daß die Membran einer von Akzeptor­ medium durchströmten Diffusionshalbzelle direkt mit einer die Substanz abdampfenden bzw. ausdünstenden Hautoberfläche in Kon­ takt gebracht wird. The well-known method of flow diffusion analysis in modified in such a way that the membrane is one of acceptor medium-flow diffusion half-cell directly with a Substance evaporating or evaporating skin surface in Kon clock is brought.  

Eine mit dem Blutalkoholspiegel korrellierende Alkoholmenge wird durch die Haut abgegeben und dort durch direktes Aufsetzen der Membran der Halbzelle auf die Haut gemessen.An amount of alcohol that correlates with the blood alcohol level is released through the skin and there by direct application the membrane of the half-cell measured on the skin.

Das Prinzip der Fließdiffusionsanalyse ist bekannt und für das Beispiel einer Ethanol-Konzentrationsbestimmung in Bier und Wein beschrieben in: "J. Mohns, W. Künnecke, "Deutsche Le­ bensmittel-Rundschau", 92. Jhrg. (1996), 5.1-4".The principle of flow diffusion analysis is known and for that Example of an ethanol concentration determination in beer and Wine described in: "J. Mohns, W. Künnecke," Deutsche Le bensmittel-Rundschau ", 92nd year (1996), 5.1-4".

Der dort beschriebene Aufbau für die Fließdiffusionsanalyse be­ stand aus einer 2-Kanal-Pumpe, zwei 3/2-Wege-Ventilen, einer temperierten Diffusionszelle mit hydrophober Gasdiffusionsmem­ bran, einem Enzymreaktor, einer Dickschichtelektrode in einer "wall-jet"-Fließzelle und einem Potentiostaten zur elektroche­ mischen Detektion. Die Steuerung und Datenaufnahme erfolgte über Computer. Das Prinzip der herkömmlichen FDA besteht nun darin, daß ein kontinuierlicher Donorstrom (Probe bzw. Stan­ dard) mit einer bestimmten Fließrate durch die ggf. temperierte Diffusionszelle gefördert wird, während ein Akzeptorstrom (im Beispiel 0,1 m Kaliumphosphatpuffer pH 7,5) mit derselben Fließrate auf der anderen Seite der Membran durch die Diffusi­ onszelle gepumpt wird. Für die Analyse wird der Akzeptorstrom i. a. durch Schalten der Ventile für einen bestimmten Zeitraum in der Diffusionszelle gestoppt, so daß die zu messende Sub­ stanz, hier Ethanol, durch die Membran aus dem Donorstrom in das Akzeptormedium diffundieren kann. Die Menge an durch die Membran diffundiertem Ethanol ist abhängig von der Schichtdicke bzw. Porengröße der Membran, der Stoppzeit (Akkumulationszeit) und dem Konzentrationsgradienten über die Membran. Nach erneu­ tem Schalten der Ventile wird das im Akzeptor mit Ethanol ange­ reicherte Volumenelement zur Detektion weitergeleitet.The structure described there for the flow diffusion analysis be consisted of a 2-channel pump, two 3/2-way valves, one tempered diffusion cell with hydrophobic gas diffusion membrane bran, an enzyme reactor, a thick film electrode in one "wall-jet" flow cell and a potentiostat for electrochecking mix detection. The control and data acquisition took place via computer. The principle of the conventional FDA now exists in that a continuous donor flow (sample or Stan dard) with a certain flow rate through the possibly tempered Diffusion cell is promoted while an acceptor current (im Example 0.1 m potassium phosphate buffer pH 7.5) with the same Flow rate on the other side of the membrane through the diffusi ons cell is pumped. For the analysis, the acceptor current i. a. by switching the valves for a certain period of time stopped in the diffusion cell so that the sub punch, here ethanol, through the membrane from the donor stream can diffuse the acceptor medium. The amount of through the Membrane diffused ethanol depends on the layer thickness or pore size of the membrane, the stopping time (accumulation time) and the concentration gradient across the membrane. After renewed The valve is switched on in the acceptor with ethanol enriched volume element forwarded for detection.

Das beschriebene Prinzip der Fließdiffusionsanalyse besitzt den Nachteil, daß der Donorstrom separat gesteuert werden muß, was eine apparativ aufwendigere Konstruktion erforderlich macht. Die FDA ist daher für schnelle Tests an verschiedenen Proben weniger geeignet. The principle of flow diffusion analysis described has the Disadvantage that the donor current must be controlled separately, what requires a more complex construction. The FDA is therefore responsible for quick tests on various samples less suitable.  

Aus der DE 41 25 739 A1 ist eine Einrichtung und ein Verfahren zur Entnahme und Messung von Proben von einer Anzahl verschie­ dener Messtellen bekannt, das für die Überwachung von Raumluft vorgesehen und geeignet ist. Die Probennahme erfolgt an ver­ schiedenen Sammelstellen im Raum, an denen die Luftproben über Ventile oder Membranen in eine Sammelleitung eingeführt und in­ nerhalb dieser mit einem Transportmedium zu einem Sensor ge­ führt werden. Es handelt sich bei dieser Einrichtung um eine stationäre Großanlage, so daß die Prinzipien des zugehörigen Verfahrens nicht ohne weiteres auf eine transkutane Blutalko­ holmessung auf der Haut eines Probanden übertragen werden kön­ nen.DE 41 25 739 A1 describes a device and a method for taking and measuring samples of a number of different whose measuring points are known, that for the monitoring of indoor air is provided and suitable. Sampling takes place at ver various collection points in the room where the air samples over Valves or membranes inserted into a manifold and in within this ge with a transport medium to a sensor leads. This facility is a large stationary plant, so that the principles of the associated Procedure does not readily involve a transcutaneous blood alcohol fetch measurement on the skin of a test subject nen.

Aus der DE 33 09 458 A1 ist weiterhin ein Meßverfahren für die Konzentration von brennbaren Bestandteilen in einer Flüssigkeit oder einem Gas bekannt, bei welchem ein Probenehmer aus einer gasdurchlässigen Membran, beispielsweise einem Kunststoff­ schlauch, in den Gasraum eines Reaktorkessels eingeführt wird und eindiffundierende brennbare Bestandteile mit reinem Sauer­ stoff als Trägergas einem Halbleitergassensor zugeführt werden. Auch hier wird nur ein rein stationäres System beschrieben.From DE 33 09 458 A1 is a measurement method for the Concentration of flammable components in a liquid or a gas in which a sampler from a gas permeable membrane, for example a plastic hose into the gas space of a reactor boiler and diffusing combustible components with pure acid material as a carrier gas are supplied to a semiconductor gas sensor. Here too, only a purely stationary system is described.

Aus der DE 31 37 765 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Detektion, Identifikation und Quantifikation von Spurenelementen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern be­ kannt, bei welchem auf der beheizbaren trägergashinterspülten Kontaktmembran eines Eingangskopfes eines Gaschromatographen eine Sammelfläche zur Aufnahme und zum Sammeln von Spurenele­ menten aufgebracht ist. Der Nachteil dieses ebenfalls stationä­ ren Systems besteht hauptsächlich darin, daß die zu untersu­ chenden Spurenelemente in getrennten Schritten zunächst auf der Sammelfläche absorbiert und anschließend durch Ausheizen wieder desorbiert und dem Trägergasstrom zugeführt werden müssen. Die­ ses Verfahren ist relativ aufwendig und erfordert auch eine aufwendige Auswertung, damit aus der sich auf summierenden Ad­ sorption auf eine Ursprungskonzentration geschlossen werden kann. DE 31 37 765 A1 describes a method and a device for quick detection, identification and quantification of Trace elements in gases, liquids and solids knows, which flushed on the heated carrier gas Contact membrane of an input head of a gas chromatograph a collection area for collecting and collecting trace elements ment is applied. The disadvantage of this also stationary Ren system mainly consists in that the to be examined trace elements in separate steps first on the Quilt is absorbed and then heated again desorbed and supplied to the carrier gas stream. The This process is relatively complex and also requires one elaborate evaluation, so that from the cumulative ad sorption can be deduced from an original concentration can.  

Demgegenüber ist aus der WO 94/07407 A1 ein Blutalkoholüberwa­ chungssystem bekannt, welches die kontinuierliche Blutalko­ holüberwachung von Personen mit Hilfe einer transkutanen Sen­ soreinheit ermöglichen soll. Dabei wird eine den Sensor enthal­ tende Probenaufnahmezelle auf die Haut aufgesetzt, die zur Hautseite hin mit einer alkoholdurchlässigen Membran abge­ schlossen ist. Dieses System arbeitet nicht mit einem fließen­ den Transportmedium auf der Akzeptorseite, so daß grundsätzlich nicht durch die Einstellung eines Akzeptorvolumenstroms auf Konzentrations- oder Empfindlichkeitsunterschiede in der Probe eingegangen werden kann.In contrast, WO 94/07407 A1 is a blood alcohol monitor known system, which the continuous blood alcohol fetching of people with the help of a transcutaneous sen sensor unit should enable. This will include the sensor Tent sample receiving cell placed on the skin, which for Skin side covered with an alcohol-permeable membrane is closed. This system doesn't work with a flow the transport medium on the acceptor side, so that basically not by setting an acceptor volume flow Differences in concentration or sensitivity in the sample can be received.

Die US 4 809 698 zeigt einen ähnlich arbeitenden transkutanen Blutgassensor. Diese Vorrichtung beschränkt sich im wesentli­ chen auf einen auf die Haut auf setzbaren Sensorhalter, wobei der elektrochemisch arbeitende Sensor mit einer die Elektrolyt­ lösung zurückhaltenden Membran abgeschlossen ist. Auch hierbei ist kein Einfluß auf die Probennahme möglich.US 4 809 698 shows a similarly operating transcutaneous Blood gas sensor. This device is essentially limited chen on a sensor holder that can be placed on the skin, whereby the electrochemically working sensor with the electrolyte solution retaining membrane is complete. Here too there is no influence on the sampling.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Meßvorrichtung ermögli­ chen es nun, innerhalb eines Fließdiffusionsverfahren mit Dif­ fusionshalbzellen zu arbeiten - in einer Weise wie sie ähnlich von den oben geschilderten Sensorzellen her bekannt ist. Dabei wird die von einem Akzeptormedium durchströmte, mit einer für die nachzuweisende Substanz durchlässigen Membran abgeschlosse­ ne Diffusionshalbzelle wenigstens für die Dauer der Messung in Kontakt mit der gasförmig abgedampften oder ausgedünsteten Sub­ stanz gebracht. Der Volumenstrom des Akzeptormediums wird mit geeigneten Mitteln so gesteuert, daß die während der Meßdauer in den Akzeptor diffundierte Substanzmenge für die exakte De­ tektion ausreichend groß ist.The method according to the invention and the measuring device enable now, within a flow diffusion process with Dif fusion half cells to work - in a way similar to them is known from the sensor cells described above. Here is flowed through by an acceptor medium, with a for the membrane to be detected permeable membrane closed ne diffusion half-cell at least for the duration of the measurement in Contact with the vaporized or vaporized sub punched. The volume flow of the acceptor medium is included suitable means controlled so that during the measurement period amount of substance diffused into the acceptor for the exact de section is sufficiently large.

Es ist dabei auch möglich, die Membran der Diffusionshalbzelle direkt auf die Haut aufzusetzen, beispielsweise zum Nachweis von Alkohol, wobei der durch die Haut ausgedunstete Alkohol, mit dem Blutalkoholgehalt gut korrelliert.It is also possible to use the membrane of the diffusion half-cell to put directly on the skin, for example for detection of alcohol, the alcohol evaporated through the skin, well correlated with the blood alcohol content.

Der Akzeptorstrom kann in der Diffusionshalbzelle während der Messung für einen bestimmen Zeitraum angehalten werden, um eine definierte Anreicherung der nachzuweisenden Substanz im Akzep­ tormedium zu bewirken.The acceptor current can be in the diffusion half cell during the Measurement to be stopped for a certain period of time  Defined enrichment of the substance to be detected in the accept effect medium.

Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, zwischen der Membran der Halbzelle und der Haut der zu untersuchenden Person einen kleinen abgeschlossenen Gasraum zu schaffen, durch den der Al­ kohol über eine kurze Strecke bis an die Membran diffundiert, um Einflüsse von Hautunregelmäßigkeiten zu minimieren.Under certain circumstances, it can be advantageous between the membrane the half cell and the skin of the person to be examined to create a small enclosed gas space through which the Al alcohol diffuses over a short distance to the membrane, to minimize the effects of skin irregularities.

Als Detektionssystem wird vorzugsweise ein Biosensor verwendet. Biosensoren zum Nachweis verschiedener Substanzen sind in der Literatur bekannt. Für den Nachweis von Alkohol wird vorzugs­ weise Alkohol-Oxidase (AOD) verwendet, wobei das äquimolar ge­ bildete Wasserstoffperoxid an einer Elektrode, vorzugsweise ei­ ner Platin-Dickschichtelektrode, elektrochemisch bzw. amperome­ trisch bestimmt wird. Dabei kann die Alkohol-Oxidase mit der Glutaraldehyd-Methode an "controlled pore glass" (CPG) immobi­ lisiert sein und in einem gesonderten Enzymreaktor vorliegen, oder die Dickschichtelektrode kann direkt mit dem Enzym be­ schichtet sein. Weiterhin kann in alternativer Verfahrensfüh­ rung vorgesehen sein, daß das Enzym, bzw. ein Nachweisreagens, direkt dem Akzeptormedium zugesetzt ist, so daß anschließend (am Detektor) nur noch die Detektion der Nachweisreaktion er­ folgt, z. B. mit elektrochemischen oder optischen Mitteln.A biosensor is preferably used as the detection system. Biosensors for the detection of various substances are in the Literature known. For the detection of alcohol is preferred as alcohol oxidase (AOD) used, the equimolar ge formed hydrogen peroxide on an electrode, preferably egg ner platinum thick-film electrode, electrochemical or amperome is determined trically. The alcohol oxidase can with the Glutaraldehyde method on "controlled pore glass" (CPG) immobi be lized and present in a separate enzyme reactor, or the thick film electrode can be directly with the enzyme be stratified. Furthermore, in an alternative procedure tion that the enzyme, or a detection reagent, is added directly to the acceptor medium, so that subsequently (on the detector) only the detection of the detection reaction follows, e.g. B. with electrochemical or optical means.

Alternativ könnte an einen mit Alkohol-Dehydrogenase (ADH) ar­ beitenden Biosensor gedacht werden.Alternatively, one might ar with alcohol dehydrogenase (ADH) processing biosensor.

Im Falle von quantitativen Messungen ist vorgesehen, daß das System vor der Messung mit externen oder internen Mitteln kali­ briert wird.In the case of quantitative measurements, it is provided that the System before measurement with external or internal means kali is burned.

Auch die für die Durchführung des Verfahrens verwendete Meßvor­ richtung ist wesentlich vereinfacht gegenüber einem klassischen FDA-Aufbau.Also the Meßvor used to carry out the method direction is significantly simplified compared to a classic FDA structure.

Bei quantitativer Messung kann eine Kalibriereinheit vorgesehen sein, sofern nicht mit einer externen Kalibrierung gearbeitet wird. Die Kalibriereinheit kann eine ggf. nachfüll- oder aus­ tauschbare Standardlösung umfassen.A calibration unit can be provided for quantitative measurement unless you are working with an external calibration  becomes. The calibration unit can be a refill or off if necessary interchangeable standard solution.

Die Meßvorrichtung besitzt einen austauschbaren Meßkopf, der die nur für einen Meßvorgang verwendbaren Teile der Vorrichtung umfaßt. Der Meßkopf ist vorzugsweise fest an eine Meßvorrich­ tung von handlicher Größe angeschlossen, er könnte jedoch auch mit einer flexiblen Leitung mit einem Stand-Meßgerät verbunden sein.The measuring device has an interchangeable measuring head which the parts of the device that can only be used for one measuring operation includes. The measuring head is preferably fixed to a measuring device device of a handy size, but it could also connected with a flexible line to a level measuring device be.

Bei der Meßvorrichtung ist - schon aus hygienischen Gründen - die Membran im austauschbaren Meßkopf angeordnet, da sie mit der Haut der zu untersuchenden Person in Kontakt kommt und des­ halb vorteilhafterweise nach jeder Messung erneuert wird.With the measuring device - for hygienic reasons alone - the membrane is arranged in the interchangeable measuring head, as it is with the skin of the person to be examined comes into contact and half advantageously after each measurement is renewed.

Der austauschbare Meßkopf umfaßt auch einen bereits mit der Ak­ zeptorlösung (z. B einer Pufferlösung) gefüllten Vorrats­ behälter. Er kann ferner die gesamte Diffusionsanalysen-Halb­ zelle, das Detektionssystem, sofern dies nicht mehrmals verwendbar ist, und/oder einen Abfallbehälter für verbrauchte Akzeptorlösung enthalten.The interchangeable measuring head also includes one with the Ak zeptor solution (e.g. a buffer solution) filled supply container. It can also do the entire diffusion analysis half cell, the detection system, unless this is done multiple times is usable, and / or a waste container for used Acceptor solution included.

Zur Förderung der Akzeptorlösung und zur Erzeugung eines (über die Messung konstanten) Volumenstroms des Akzeptormediums sind alle hierfür geeigneten Mittel verwendbar. Insbesondere kann eine Pumpe eingesetzt werden, die für die genaue Steuerung des Akzeptorvolumenstroms, einschließlich etwaiger Anhaltezeiten verwendet werden kann.To promote the acceptor solution and to generate a (via are the measurement of constant) volume flow of the acceptor medium all suitable means can be used. In particular, can a pump can be used for the precise control of the Acceptor volume flow, including any stopping times can be used.

Alternativ ist es auch möglich, einfachere mechanische drucker­ zeugende Mittel, wie zum Beispiel eine mechanische Handpumpe, verbunden mit Mitteln zur Druckregulierung, d. h. Ventilen, Drosselstrecken u. dergl., zur Erzeugung und gleichmäßigen Auf­ rechterhaltung des Akzeptorvolumenstromes während der Meßdauer einzusetzen.Alternatively, it is also possible to use simpler mechanical printers generating means, such as a mechanical hand pump, associated with pressure regulation means, d. H. Valves, Throttle sections u. The like., For generation and uniform on maintenance of the acceptor volume flow during the measurement period to use.

Für eine transportable, möglichst handliche Meßvorrichtung ist es angestrebt, daß die Bauelemente der Meßvorrichtung klein di­ mensioniert sind. Gleichzeitig erhöht sich bei Anreicherung der nachzuweisenden Substanz in einem kleineren Akzeptorvolumen die Empfindlichkeit des Verfahrens. Deshalb ist vorzugsweise vorge­ sehen, daß die Mittel zur Förderung der Akzeptorlösung und zur Steuerung des Volumenstroms Mikrofluidbauelemente sind.For a portable, as handy as possible measuring device it aimed that the components of the measuring device small di are dimensioned. At the same time the enrichment increases  substance to be detected in a smaller acceptor volume Sensitivity of the procedure. Therefore, it is preferred see that the means to promote the acceptor solution and Control of the volume flow are microfluidic components.

Derartige Mikrofluidbauelemente sind in der Mikrotechnik be­ kannt. Zur Förderung und Dosierung kleiner Flüssigkeitsmengen im Bereich von wenigen Nanolitern bis zu einigen Millilitern pro Minute können Pumpen, Ventile, Fließsysteme und -kanäle, Durchfluß- und Drucksensoren mit Hilfe mikrotechnischer Ferti­ gungsverfahren z. B. in Silizium-Mikromechanik hergestellt wer­ den. Besonders vorteilhaft hierbei sind die hohe Präzision und die preisgünstige Fertigung der Bauelemente bei hohen Stückzah­ len. Die Kombination von Sensorik, Aktorik und Signalverarbeit­ tung kann durch Verbindung mikrofluidischer und mikroelektroni­ scher Bauteile geschehen.Such microfluidic components are used in microtechnology knows. For pumping and dosing small amounts of liquid in the range from a few nanoliters to a few milliliters per minute pumps, valves, flow systems and channels, Flow and pressure sensors with the help of microtechnical ferti delivery process z. B. manufactured in silicon micromechanics the. The high precision and the inexpensive manufacture of components with high quantities len. The combination of sensors, actuators and signal processing tion can be achieved by combining microfluidic and microelectronic shear components happen.

Das Detektionssystem kann aus einem Enzymreaktor und einem nachgeschalteten Detektor bestehen. Enzymatisch arbeitende Bio­ sensoren sind heute schon für den Nachweis verschiedener Sub­ stanzen bekannt und im Gebrauch. Es ist zu erwarten, daß noch ständig neue Biosensoren für weitere interessierende Substanzen entwickelt werden können. Interessant sein könnte bei­ spielsweise auch der Nachweis von Lactat, oder von verschie­ denen Ionen in biologisch-medizinischen Systemen.The detection system can consist of an enzyme reactor and a downstream detector exist. Enzymatic bio sensors are already used for the detection of different sub punch known and in use. It is expected that still constantly new biosensors for other substances of interest can be developed. Could be interesting at for example, the detection of lactate or various which ions in biological medical systems.

Für den Nachweis von Alkohol, bzw. Ethanol besteht der bevor­ zugte Biosensor in einem mit gegebenenfalls an "controlled pore glass" (CPG) immobilisierter Alkoholoxidase (AOD) beschicktem Enzymreaktor. Hier erfolgt die enzymatische Umsetzung des Etha­ nols mit Sauerstoff zu Acetaldehyd und Wasserstoffperoxid. Das bei der Alkoholoxidase-Reaktion äquimolar gebildete Wasser­ stoffperoxid wird anschließend amperometrisch an einer Elek­ trode als Detektor, vorzugsweise einer Platin-Dickschichtelek­ trode bei 700 mV, quantitativ nachgewiesen.For the detection of alcohol or ethanol, there is before pulled biosensor in one with possibly on "controlled pore glass "(CPG) immobilized alcohol oxidase (AOD) Enzyme reactor. The enzymatic conversion of the etha takes place here nols with oxygen to acetaldehyde and hydrogen peroxide. The water formed equimolar in the alcohol oxidase reaction Material peroxide is then amperometric on an elec trode as a detector, preferably a platinum thick-film electrode trode at 700 mV, quantitatively proven.

Alternativ kann die Dickschichtelektrode mit dem Enzym be­ schichtet sein. Der gesonderte Enzymreaktor entfällt dann. Alternatively, the thick-film electrode can be with the enzyme be stratified. The separate enzyme reactor is then omitted.  

Als Membrane eignen sich besonders solche aus Polydimethylsi­ loxan, nativem oder modifiziertem Polytetrafluorethylen, Poly­ propylen, üblichen organischen Matrialien - beispielsweise Dia­ lysemembrane - anorganischen Materialien, wie porösem Silizium, porösen Metallfolien oder Silikat-Gläsern, insbesondere in mit Silikon beschichteter oder hydrophobisierter Form. Solche Mem­ brane können für die Ethanol-Detektion, sowie auch für den Nachweis anderer niedermolekularer Substanzen eingesetzt wer­ den. Für die Ethanol-Detektion sind generell hydrophobe Mem­ brane oder hydrophobierte Stützmaterialien, bzw. mit hydropho­ bem Material beschichtete Membrane geeignet. Weitere vorteil­ haft verwendbare Membrane sind dem Fachmann aus der Membran­ technik bekannt. Die Schichtdicken der Austauschschicht, d. h., der Membran selbst oder der Beschichtung, können beispielsweise zwischen 1 und 2000 µm liegen, vorzugsweise zwischen 10 und 1000 µm.Those made of polydimethylsi are particularly suitable as membranes loxane, native or modified polytetrafluoroethylene, poly propylene, usual organic materials - for example dia lysembrane - inorganic materials, such as porous silicon, porous metal foils or silicate glasses, especially in with Silicone coated or hydrophobized form. Such mem brane can be used for ethanol detection, as well as for the Detection of other low molecular weight substances used the. Hydrophobic membranes are generally used for ethanol detection brane or hydrophobized support materials, or with hydropho suitable material coated membrane. Another advantage Membrane that can be used are known to a person skilled in the art from the membrane technology known. The layer thicknesses of the exchange layer, i.e. H., the membrane itself or the coating, for example are between 1 and 2000 microns, preferably between 10 and 1000 µm.

Im folgenden wird die Meßvorrichtung sowie das Verfahren anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The measuring device and the method are described below of embodiments shown in the drawing explained.

In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:

Fig. 1-3 schematische Darstellungen von verschiedenen Aus­ führungsbeispielen der Meßvorrichtung, wobei die abnehmbaren Meßköpfe mit jeweils unterschiedlichen Bauteilen ausgerüstet sind; Fig. 1-3 schematic representations of various exemplary embodiments from the measuring device, the removable measuring heads are each equipped with different components;

Fig. 4a-c) Darstellungen von Meßergebnissen bei der Alkohol­ messung am Menschen mit auf die Haut aufgesetzter Diffusions-Halbzelle. Fig. 4a-c) representations of measurement results in alcohol measurement on humans with diffusion half-cell placed on the skin.

In den Fig. 1 bis 3 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs­ zeichen bezeichnet.In Figs. 1 to 3 like parts are designated by like reference characters.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Aus­ führungsbeispiels. Mit einer einfachen Mechanik 10, z. B. einer kleinen Handpumpe, wird Druck auf einen Druckluftbehälter 20 aufgegeben. Der auf gegebene Druck kann dabei sinnvollerweise etwa bis zu 5 bar betragen. Die den Druckluftbehälter 20 ver­ lassende Druckluftleitung 30 führt über ein ggf. elektronisch steuerbares Ventil 40, so daß dem Akzeptor-Vorratsbehälter 50 steuerbar dosiert Druckluft zugeführt werden kann. Hierdurch wird im Zusammenwirken mit der Drosselstrecke 60 - hier einer Kapillarstrecke - in der Leitung 70 der gewünschte Akzeptorvo­ lumenstrom erzeugt. Der Akzeptorvolumenstrom wird durch die Diffusions-Halbzelle 80 geleitet, die mit der Membran 81 ver­ schlossen ist. Während der Messung findet hier in Halbzelle 80 die Anreicherung der Akzeptorlösung mit der durch die Membran 81 diffundierten nachzuweisenden Substanz statt. Fig. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment. With a simple mechanism 10 , z. B. a small hand pump, pressure is applied to a compressed air tank 20 . The given pressure can usefully be up to 5 bar. The compressed air tank 20 ver leaving compressed air line 30 leads via a possibly electronically controllable valve 40 , so that the acceptor reservoir 50 can be metered compressed air supplied. As a result, the desired acceptor volume flow is generated in line 70 in cooperation with the throttle section 60 - here a capillary section. The acceptor volume flow is passed through the diffusion half-cell 80 , which is closed with the membrane 81 ver. During the measurement, the acceptor solution is enriched in half cell 80 with the substance to be detected that has diffused through membrane 81 .

Sofern der Akzeptorlösung ein Nachweisreagens zugegeben ist, findet in der Halbzelle auch schon die Nachweisreaktion statt, die später bei Durchlauf am Detektionssystem 90 in geeigneter Weise, z. B. optisch oder hier amperometrisch, detektiert wird.If a detection reagent is added to the acceptor solution, the detection reaction already takes place in the half cell, which is later carried out in a suitable manner, for example when the detection system 90 is run through. B. optically or here amperometric, is detected.

Die mit der nachzuweisenden Substanz beladene Akzeptorlösung wird dann dem Detektionssystem 90 zugeführt, das beispielsweise den Enzymreaktor und die zugehörige Detektionsvorrichtung - z. B. eine Elektrode umfaßt.The acceptor solution loaded with the substance to be detected is then fed to the detection system 90 which, for example, the enzyme reactor and the associated detection device - e.g. B. comprises an electrode.

Alternativ kann das Enzym direkt mit der Detektionsvorrichtung verbunden sein; für den Ethanol-Nachweis kann es sich bei dem Detektionssystem 90 um eine mit Alkoholoxidase beschichtete Platin-Dickschichtelektrode handeln.Alternatively, the enzyme can be directly connected to the detection device; for the ethanol detection, the detection system 90 can be a platinum thick-film electrode coated with alcohol oxidase.

Vom Detektionssystem 90 werden auch die Meßdaten abgenommen und angezeigt (hier nicht dargestellt). Vom Detektionssystem 90 aus wird die beladene Akzeptorlösung einem Abfallbehälter 100 zuge­ führt, der bei 101 zum Druckausgleich entlüftet wird.The measurement data are also taken from the detection system 90 and displayed (not shown here). From the detection system 90 , the loaded acceptor solution is fed to a waste container 100 , which is vented at 101 to equalize the pressure.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die unter der gestrichelten Linie angeordneten Bauelemente in einem austauschbaren Meßkopf zusammengefaßt und können so nach jeder Messung erneuert wer­ den. Dies sind im vorliegenden Fall der mit der Halbzelle 80 einschließlich Membran 81 über die Drosselstrecke 60 verbundene Akzeptor-Vorratsbehälter 50, das Detektionssystem 90 und der Abfallbehälter 100. In this embodiment, the components arranged under the dashed line are combined in an exchangeable measuring head and can thus be renewed after each measurement. In the present case, these are the acceptor storage container 50 connected to the half cell 80 including membrane 81 via the throttle section 60 , the detection system 90 and the waste container 100 .

Diese Anordnung bringt den Vorteil mit sich, daß die Akzeptor­ lösung jeweils frisch in den austauschbaren Meßköpfen vorgehal­ ten werden kann. Die Meßvorrichtung ohne den Meßkopf bleibt dann "trocken" und umfaßt nur die Mechanik (ggf. Mikromecha­ nik), die druckluftführenden Teile und die in der Zeichnung nicht dargestellte Anzeige- und Auswerte-Elektronik.This arrangement has the advantage that the acceptor solution fresh in the interchangeable measuring heads can be. The measuring device without the measuring head remains then "dry" and includes only the mechanics (possibly micromecha nik), the compressed air-carrying parts and those in the drawing Display and evaluation electronics, not shown.

Wie die nachfolgend beschriebenen Fig. 2 und 3 zeigen, sind jedoch auch andere Aufteilungen zwischen Meßvorrichtung und zu­ gehörigem Meßkopf möglich.As shown in FIGS. 2 and 3 described below, other divisions between the measuring device and the associated measuring head are also possible.

Fig. 2 zeigt (bei entsprechender Bezeichnungsweise) eine Meß­ vorrichtung, bei der das Drucksteuerungsventil und die Drossel­ strecke aus dem Meßkopf herausgenommen wurden. Dies hat den Vorteil, daß wiederverwendbare Teile nicht unnötig ausgetauscht werden. Fig. 2 shows (with the appropriate designation) a measuring device in which the pressure control valve and the throttle line were removed from the measuring head. This has the advantage that reusable parts are not exchanged unnecessarily.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel, bei dem sich die Mittel zur Förderung des Akzep­ torlösungsstroms einschließlich der Steuerung des Volumenstroms während der Analyse auf eine Pumpe 200 beschränken. Der Akzep­ tor-Vorratsbehälter 50 kann hier über Leitung 55 entlüftet wer­ den. Fig. 3 shows a schematic representation of another exemplary embodiment, in which the means for promoting the acceptor stream including the control of the volume flow during the analysis are limited to a pump 200 . The acceptor reservoir 50 can be vented here via line 55 who the.

Alle Meßvorrichtungen können mit konventionellen Bauelementen oder mit Mikrofluidelementen ausgerüstet sein. Bei der Ver­ wendung von Mikrofluidelementen kann die Meßvorrichtung bei­ spielsweise etwa stiftförmig von der Größe eines Füllhalters sein, wobei der Meßkopf jeweils am unteren Ende des "Stiftes" angeordnet ist.All measuring devices can be used with conventional components or be equipped with microfluidic elements. When ver Using microfluidic elements, the measuring device can for example about the size of a fountain pen be, the measuring head at the lower end of the "pin" is arranged.

Für den quantitativen Nachweis von Substanzen ist außerdem eine hier in der Zeichnung nicht dargestellte Kalibrierungsein­ richtung erforderlich. Die Kalibrierung kann entweder intern an einer in der Meßvorrichtung vorhandenen Kalibriereinheit erfol­ gen, oder mit Hilfe einer externen Kalibriereinheit, an der vor der Messung die gesamte Meßvorrichtung - mit u. U. ausgetausch­ tem Meßkopf - kalibriert wird. There is also a for the quantitative detection of substances Calibration not shown here in the drawing direction required. The calibration can either be done internally an existing calibration unit in the measuring device gene, or with the help of an external calibration unit on the front the measurement the entire measuring device - with u. U. exchanged measuring head - is calibrated.  

Fig. 4 zeigt bei der Alkoholmessung über die Abdunstung von der Haut einer Untersuchungsperson mit dem erfindungs-gemäßen Verfahren gewonnene Meßdaten. Auf der Abszisse ist jeweils die Zeit aufgetragen. Die Messung erfolgte mit direkt auf die Haut aufgesetzter Membran. FIG. 4 shows measurement data obtained by measuring the evaporation from the skin of an examinee using the method according to the invention. Time is plotted on the abscissa. The measurement was carried out with the membrane placed directly on the skin.

Fig. 4a) zeigt eine Vergleichsmessung an einer Person, die keinen Alkohol zu sich genommen hatte, die Messung wurde über etwa 30 Minuten durchgeführt und verdeutlicht die Schwankung der Basislinie; Fig. 4b) zeigt demgegenüber bei gleicher Ver­ stärkung, bzw. gleichem Maßstab auf der Ordinate, die Ergeb­ nisse bei einem Blutalkoholgehalt der untersuchten Person von ca. 0,5 Promille. Es ist klar ersichtlich, daß die Empfindlich­ keit der Methode bei Vergleich mit dem Rauschpegel und der Ba­ sislinienschwankungen aus Fig. 4a) die Messung auch geringer Blutalkoholgehalte ohne weiteres zuläßt. FIG. 4a) shows a comparison measurement of a person who had taken no alcohol at all, the measurement was carried out over about 30 minutes and shows the fluctuation of the base line; Fig. 4b) shows in contrast with the same Ver amplification, or the same scale on the ordinate, the results with a blood alcohol content of the person examined of about 0.5 per thousand. It is clearly evident that the sensitivity of the method, when compared with the noise level and the base line fluctuations from FIG. 4a), allows the measurement of even low blood alcohol levels without further ado.

Fig. 4c) schließlich zeigt ein über ca. 120 Minuten ab Alko­ holzuführung aufgenommenes Profil, das beispielhaft hier für eine Testperson den Aufbau der über die Haut abgegebenen Alko­ holkonzentration verdeutlicht. Fig. 4c) finally shows a profile taken over about 120 minutes from alcohol supply, which exemplifies the structure of the alcohol concentration emitted through the skin for a test person.

Claims (17)

1. Verfahren zum Nachweis von durch die Haut abgegebenen oder ausgedunsteten Substanzen, insbesondere von Alkohol, mittels eines auf diese Substanzen ansprechenden Detektionssystems, wo­ bei eine in einem austauschbaren Meßkopf angeordnete Membran für die Dauer der Probenahme auf die Haut einer zu untersuchen­ den Person aufgesetzt oder in Kontakt mit einem über der Haut gebildeten, abgeschlossenen Gasvolumen gebracht wird, wobei ei­ ne von einem Akzeptormedium durchströmte, mit der Membran abge­ schlossene Diffusionshalbzelle verwendet wird und wobei die mit der nachzuweisenden Substanz beladene Akzeptorlösung dem Detek­ tionssystem zugeführt wird.1. Procedure for the detection of or released through the skin evaporated substances, especially alcohol, by means of a detection system responsive to these substances, where with a membrane arranged in an exchangeable measuring head to examine for the duration of the sample on the skin of one the person put on or in contact with one over the skin Formed, closed gas volume is brought, ei ne flowed through by an acceptor medium, removed with the membrane closed diffusion half-cell is used and the with the acceptor solution loaded with the substance to be detected to the detec tion system is fed. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Akzeptorstrom in der Diffusionshalbzelle für einen bestimmten Zeitraum angehalten wird, um eine definierte Anreicherung der nachzuweisenden Sub­ stanz im Akzeptormedium zu bewirken.2. The method of claim 1, wherein the acceptor current in the Diffusion half cell stopped for a certain period of time is to a defined enrichment of the sub effect in the acceptor medium. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem Akzeptormedium für die Bestimmung der Substanz ein Nachweisreagens zugegeben wird und die Nachweisreaktion am Detektor detektiert wird. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the acceptor medium a detection reagent was added to determine the substance and the detection reaction is detected at the detector.   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Detek­ tionssystem ein Biosensor verwendet wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein as Detek tion system a biosensor is used. 5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Biosensor zum Nachweis von Äthenol, vorzugsweise durch Alkohol-Oxidase (AOD), mit an­ schließender amperometrischer Bestimmung des äquimolar gebilde­ ten Wasserstoffperoxids an einer Elektrode, vorzugsweise einer Platin-Dickschichtelektrode, verwendet wird.5. The method according to claim 4, wherein a biosensor for detection of ethenol, preferably by alcohol oxidase (AOD) final amperometric determination of the equimolar structure th hydrogen peroxide on an electrode, preferably one Platinum thick film electrode is used. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei vor der Messung eine Kalibrierung des Nachweissystems durchgeführt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein before Measurement performed a calibration of the detection system becomes. 7. Meßvorrichtung zum Nachweis von durch die Haut abgegebenen oder ausgedunsteten Substanzen durch Fließdiffusionsanalyse mittels eines auf diese Substanzen ansprechenden Detektionssy­ stems, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die in der Meßvorrichtung angeordnete Fließdiffusionsanalyse-Einheit besteht aus:

• - Mitteln zur Bevorratung und Förderung einer Akzeptorlösung (50, 10, 20, 30, 70),
• - Mitteln zur Steuerung des Volumenstroms der Akzeptorlösung (40, 60, 200),
• - einer Diffusionsanalysen-Halbzelle (80), bestehend aus einer Kammer zur Aufnahme der Akzeptorlösung und einer diese Kammer abschließenden, für die zu detektierende Substanz durch­ lässigen Membran (81),
• - einem Detektionssystem (90) zum Nachweis der zu detektieren­ den Substanz und
• - Mitteln zur Auswertung und Anzeige der Meßergebnisse,
• - wobei die Meßvorrichtung einen austauschbaren Meßkopf (81) aufweist, der wenigstens eine nur für einen Meßvorgang ver­ wendbare Membran (81) und Mittel (50) zur Bevorratung der Akzeptorlösung umfaßt.

7. Measuring device for the detection of substances released or evaporated through the skin by flow diffusion analysis by means of a detection system responding to these substances, in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, wherein the flow diffusion analysis unit arranged in the measuring device consists of:

• - means for stocking and promoting an acceptor solution ( 50 , 10 , 20 , 30 , 70 ),
• Means for controlling the volume flow of the acceptor solution ( 40 , 60 , 200 ),
• - a diffusion analysis half-cell ( 80 ), consisting of a chamber for receiving the acceptor solution and a chamber that closes off this chamber, for the substance to be detected through a permeable membrane ( 81 ),
• - A detection system ( 90 ) for detecting the substance to be detected and
• Means for evaluating and displaying the measurement results,
• - The measuring device has an interchangeable measuring head ( 81 ) which comprises at least one ver usable for one measuring process membrane ( 81 ) and means ( 50 ) for storing the acceptor solution.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der austauschbare Meß­ kopf ferner die Diffusions-Halbzelle (80) und das Detektionssys­ tem (90) umfaßt. 8. Measuring device according to claim 7, wherein the replaceable measuring head further comprises the diffusion half-cell ( 80 ) and the detection system ( 90 ). 9. Meßvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei als Mittel zur Förderung der Akzeptorlösung und zur Steuerung des Volumen­ stroms eine Pumpe (200), vorzugsweise eine Mikropumpe, vorhan­ den ist.9. Measuring device according to claim 7 or 8, wherein as a means for promoting the acceptor solution and for controlling the volume flow, a pump ( 200 ), preferably a micropump, is present. 10. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei als Mittel zur Förderung der Akzeptorlösung und zur Steuerung des Volumenstroms mechanische druckerzeugende Mittel (10, 20), ver­ bunden mit Mitteln zur Druckregulierung, vorzugsweise mit einem Ventil (40) und einer Drosselstrecke (60), vorhanden sind.10. Measuring device according to one of claims 7 to 9, wherein as means for promoting the acceptor solution and for controlling the volume flow mechanical pressure-generating means ( 10 , 20 ), connected with means for pressure regulation, preferably with a valve ( 40 ) and a throttle section ( 60 ) are present. 11. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei als Mittel zur Förderung der Akzeptorlösung und zur Steuerung des Volumenstroms Mikrofluidbauelemente vorhanden sind.11. Measuring device according to one of claims 7 to 10, wherein as Means to promote the acceptor solution and to control the Volume flow microfluidic components are available. 12. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei hinter dem Detektionssystem (90) ein Abfallbehälter (100) zur Aufnahme der mit der zu detektierenden Substanz beladenen Ak­ zeptorlösung angeordnet ist.12. Measuring device according to one of claims 7 to 11, wherein behind the detection system ( 90 ) a waste container ( 100 ) for receiving the loaded with the substance to be detected Ak zeptorlösung is arranged. 13. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Membran (81) aus Polydimethylsiloxan, nativem oder modifizier­ tem Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Dialysemembranen, po­ rösem Silizium, porösen Metallfolien oder Silikat-Gläsern, be­ steht.13. Measuring device according to one of claims 7 to 12, wherein the membrane ( 81 ) made of polydimethylsiloxane, native or modified system polytetrafluoroethylene, polypropylene, dialysis membranes, po rous silicon, porous metal foils or silicate glasses, be. 14. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das Detektionssystem (90) ein aus Enzymreaktor und Detektor beste­ hender Biosensor oder ein mit Enzym präparierter Detektor ist.14. Measuring device according to one of claims 7 to 13, wherein the detection system ( 90 ) is a best consisting of enzyme reactor and detector biosensor or an enzyme-prepared detector. 15. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei das Detektionssystem (90) zum Nachweis von Alkohol aus einem mit immobilisierter Alkoholoxidase beschickten Enzymreaktor und ei­ ner Elektrode, vorzugsweise einer Platin-Dickschichtelektrode zur amperometrischen Bestimmung des äquimolar gebildeten Was­ serstoffperoxids, besteht.15. Measuring device according to one of claims 7 to 14, wherein the detection system ( 90 ) for the detection of alcohol from an immobilized alcohol oxidase and an enzyme reactor egg ner electrode, preferably a platinum thick-film electrode for the amperometric determination of the equimolar What serstoffperoxid consists. 16. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei das Detektionssystem (90) zum Nachweis von Alkohol aus einer mit Alkoholoxidase beschichteten Elektrode, vorzugsweise einer Pla­ tin-Dickschichtelektrode, besteht.16. Measuring device according to one of claims 7 to 14, wherein the detection system ( 90 ) for the detection of alcohol consists of an electrode coated with alcohol oxidase, preferably a platinum thick-film electrode. 17. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, wobei ei­ ne Kalibrierungseinheit vorhanden ist.17. Measuring device according to one of claims 7 to 16, wherein egg ne calibration unit is available.