DE102015209513A1

DE102015209513A1 - Measuring electrode for measuring a concentration of a substance in a tissue fluid, measuring device and method for producing a measuring electrode for measuring a concentration of a substance in a tissue fluid

Info

Publication number: DE102015209513A1
Application number: DE102015209513.4A
Authority: DE
Inventors: Yvonne Beyl; Isabelle Raible; Michael Stumber; Karin Lemuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2016-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messelektrode (100) zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit. Die Messelektrode (100) weist eine Trägerschicht (102) auf, an der zumindest eine Mikronadel (104) angeordnet ist. Die Mikronadel (104) ist ausgeformt, um die Messelektrode (100) in einem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern. Ferner weist die Messelektrode (100) eine zumindest abschnittsweise auf die Mikronadel (104) und/oder die Trägerschicht (102) aufgebrachte Detektionsschicht (112) zum elektrochemischen Detektieren der Substanz auf.The invention relates to a measuring electrode (100) for measuring a concentration of a substance in a tissue fluid. The measuring electrode (100) has a carrier layer (102) on which at least one microneedle (104) is arranged. The microneedle (104) is shaped to anchor the sensing electrode (100) in a tissue fluid tissue. Furthermore, the measuring electrode (100) has a detection layer (112) applied at least in sections to the microneedle (104) and / or the carrier layer (102) for the electrochemical detection of the substance.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung besteht aus einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Messeinrichtung und ein Computerprogramm.The invention consists of a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a measuring device and a computer program.

Zur Messung einer Blutzuckerkonzentration, etwa bei Diabetikern oder entsprechenden Risikogruppen, werden meistens einmalig verwendbare Teststreifen eingesetzt. Darüber hinaus sind Geräte bekannt, die eine kontinuierliche Messung der Glukosekonzentration in der interstitiellen Flüssigkeit ermöglichen.To measure a blood sugar concentration, for example in diabetics or corresponding risk groups, mostly single-use test strips are used. In addition, devices are known which allow continuous measurement of the glucose concentration in the interstitial fluid.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Messelektrode zum bequemen und schmerzfreien, bei Bedarf quasi kontinuierlichen Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit, eine Messeinrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, a measuring electrode for convenient and painless, if necessary, quasi-continuous measurement of a concentration of a substance in a tissue fluid, a measuring device, a method for producing a measuring electrode for measuring a concentration of a substance in a tissue fluid and finally corresponding computer program presented according to the main claims. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft eine Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz bzw. das Vorhandensein einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit, wobei die Messelektrode zumindest folgende Merkmale aufweist:
eine Trägerschicht;
zumindest eine an der Trägerschicht angeordnete Mikronadel, die ausgeformt ist, um die Messelektrode in einem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern; und
eine zumindest abschnittsweise auf die Mikronadel und/oder die Trägerschicht aufgebrachte Detektionsschicht zum elektrochemischen Detektieren der Substanz.The approach presented here creates a measuring electrode for measuring a concentration of a substance or the presence of a substance in a tissue fluid, the measuring electrode having at least the following features:
a carrier layer;
at least one microneedle disposed on the carrier layer and shaped to anchor the measuring electrode in a tissue having the tissue fluid; and
an at least partially applied to the microneedle and / or the carrier layer detection layer for electrochemical detection of the substance.

Unter einer Gewebsflüssigkeit, auch Interstitialflüssigkeit genannt, kann eine im Interstitium befindliche Körperflüssigkeit wie beispielsweise Lymphe oder Hämolymphe verstanden werden. Bei der Substanz kann es sich beispielsweise um Glukose, Laktat, Alkohol, Harnstoff, Fettsäuren, Cholesterin, Ionen, beispielsweise Na⁺, Ka⁺, Mg²⁺ etc.), Umweltgifte oder eine sonstige als Biomarker fungierende Substanz wie Zellen oder bestimmte Moleküle wie Enzyme oder Hormone oder eine Kombination aus Markern handeln. Unter einer Trägerschicht kann ein Substrat zum Halten oder Stabilisieren der Mikronadel verstanden werden. Insbesondere können die Trägerschicht und die Mikronadel aus dem gleichen Material, etwa aus Silizium oder einer Siliziumverbindung, gefertigt sein. Unter einer Mikronadel kann eine Nadel verstanden werden, die beispielsweise eine Länge von 50 µm aufweist. Je nach Ausführungsform kann die Trägerschicht beispielsweise 1, 5, 10, 100, 200 oder 500 solcher Mikronadeln aufweisen. Für eine ausreichende Empfindlichkeit und Messsicherheit ist es vorteilhaft, mindestens 9 mikronadelförmige Elektroden zu nutzen. Bei dem Gewebe kann es sich beispielsweise um Hautgewebe, insbesondere um eine Epidermisschicht, handeln. Entsprechend einer durch eine Dicke des Hautgewebes vorgegebenen Eindringtiefe kann die Mikronadel eine Länge von 0,05 mm, 0,1 mm, 0,5 mm, 1 mm oder 1,5 mm aufweisen. Unter einer Detektionsschicht kann eine Schicht zum Binden der Substanz sowie zum Elektronentransfer, etwa durch Oxidation oder Reduktion dem generellen Umsatz der Substanz, verstanden werden. Beispielsweise kann die Detektionsschicht zu diesem Zweck mit bestimmten Enzymen angereichert sein.A tissue fluid, also called an interstitial fluid, can be understood to be a body fluid located in the interstitium, such as, for example, lymph or hemolymph. The substance can, for example, glucose, lactate, alcohol, urea, fatty acids, cholesterol, ions, for example Na ^+, Ka ^+, Mg ^2+, etc.), environmental toxins, or any other acting as a biomarker substance such as cells or specific molecules, such as Act on enzymes or hormones or a combination of markers. A carrier layer may be understood to mean a substrate for holding or stabilizing the microneedle. In particular, the carrier layer and the microneedle may be made of the same material, such as silicon or a silicon compound. A microneedle can be understood to mean a needle which, for example, has a length of 50 .mu.m. Depending on the embodiment, the carrier layer can have, for example, 1, 5, 10, 100, 200 or 500 such microneedles. For sufficient sensitivity and measurement reliability, it is advantageous to use at least 9 microneedle-shaped electrodes. The tissue may, for example, be skin tissue, in particular an epidermis layer. According to a predetermined by a thickness of the skin tissue penetration depth, the microneedle may have a length of 0.05 mm, 0.1 mm, 0.5 mm, 1 mm or 1.5 mm. A detection layer can be understood as a layer for binding the substance and for electron transfer, for example by oxidation or reduction of the general conversion of the substance. For example, the detection layer may be enriched for this purpose with certain enzymes.

Der hier vorgeschlagene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass eine Messelektrode eine oder mehrere eingeschnürte und/oder harpunenförmig ausgestaltete Mikronadeln aufweisen kann, durch die die Messelektrode bequem, schmerzfrei und unblutig ins Interstitium eingeführt und dort verankert werden kann. Eine derartige Messelektrode ermöglicht es beispielsweise, eine kontinuierliche oder engmaschige Überwachung eines Glukosespiegels im Interstitium, wie sie etwa in kontinuierlichen Glukosemesssystemen zur Warnung bezüglich der Notwendigkeit einer Anpassung von z. B. Insulingaben bei Diabetikern erforderlich ist, sehr einfach und mit vergleichsweise geringen Kosten durchzuführen. Denkbar ist auch eine Erweiterung auf weitere Biomarker oder eine Auswahl anderer Biomarker, wie etwa Laktat.The approach proposed here is based on the knowledge that a measuring electrode can have one or more constricted and / or harpoon-shaped microneedles, by means of which the measuring electrode can be comfortably, painlessly and bloodlessly introduced into the interstitium and anchored there. Such a measuring electrode makes it possible, for example, a continuous or close monitoring of a glucose level in the interstitium, such as in continuous glucose measuring systems to warn about the need for adjustment of z. B. Insulinaben in diabetics is required to perform very easily and with relatively low cost. Also conceivable is an extension to other biomarkers or a selection of other biomarkers, such as lactate.

Gemäß einer Ausführungsform kann die zumindest eine Mikronadel eingeschnürt und/oder harpunenförmig ausgestaltet sein. Unter einer harpunenförmigen Mikronadel kann eine Mikronadel in Form eines Widerhakens verstanden werden. Unter einer eingeschnürten Mikronadel kann eine Nadel verstanden werden, die an ihrem Schaft, also im Bereich der Verbindung zwischen der Trägerschicht, eine geringere Querschnittsfläche aufweist als in einem weiter von der Trägerschicht entfernt angeordneten Bereich der Nadel. Allgemein wird angemerkt, dass im Nachfolgenden der Begriff „harpunenförmig“ derart verwendet wird, dass er auch eine Einschnürung der-)Nadeln mit umfasst, auch wenn in diesem Fall kein Widerhaken vorgesehen ist, der ein Austreten der Nadel aus dem Gewebe verhindern soll. Durch eine solche Harpunenform oder eine Einschnürung der Mikronadel kann ein unbeabsichtigtes Herauslösen der Mikronadel aus dem Gewebe entgegen einer Einführrichtung der Mikronadel verhindert werden.According to one embodiment, the at least one microneedle can be constricted and / or harpoon-shaped. Under a harpoon-shaped microneedle can be understood a microneedle in the form of a barb. A constricted microneedle can be understood as a needle which has a smaller cross-sectional area on its shaft, that is to say in the region of the connection between the carrier layer, than in a region of the needle further away from the carrier layer. It is generally noted that the term "harpoon-shaped" is used below to include a constriction of the needles, even if no barb is provided in this case to prevent the needle from exiting the tissue. Such a harpoon shape or a constriction of the microneedle can prevent inadvertent detachment of the microneedle from the tissue counter to an insertion direction of the microneedle.

Die Nadeln, auch Mikroelektroden genannt, können auch in einer Harpunen-Topologie ausgeführt sein, die eine definiertere Beschichtung und eine gezieltere Eindringtiefe sowie eine Fixierung der Messelektrode während einer Tragedauer ermöglicht. Alternativ können die Nadeln in Form einer spitzen Pyramide, kegelförmig oder als spitze Säulen realisiert sein.The needles, also called microelectrodes, can also be embodied in a harpoon topology which allows a more defined coating and a more targeted penetration depth as well as a fixation of the measuring electrode during a wearing period. Alternatively, the needles can be realized in the form of a pointed pyramid, conical or pointed columns.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Mikronadel aus einem siliziumhaltigen Halbleitermaterial oder Silizium gefertigt sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Trägerschicht aus dem siliziumhaltigen Halbleitermaterial oder Silizium gefertigt sein. Dadurch kann die Messelektrode besonders kostengünstig und zielgerichtet, etwa in einem Ätzverfahren, hergestellt werden. According to a further embodiment, the microneedle can be made of a silicon-containing semiconductor material or silicon. Additionally or alternatively, the carrier layer may be made of the silicon-containing semiconductor material or silicon. As a result, the measuring electrode can be produced in a particularly cost-effective and targeted manner, for example in an etching process.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Detektionsschicht zumindest ein Enzym und, zusätzlich oder alternativ, einen Redoxmediator aufweist. Unter einem Redoxmediator kann ein Elektronen übertragendes System wie beispielsweise Ferrocen oder Eisen (II/III)-, Ruthenium (II/III)-, Samarium (II/III)-, Osmium (II/III)-Verbindungen verstanden werden. Die Detektionsschicht kann insbesondere aus einem Polymer gefertigt sein. Durch diese Ausführungsform kann eine hohe Selektivität bei der Detektion der Substanz erreicht werden. Durch den Mediator kann ein Elektronentransfer zwischen Enzym und Mikronadel bzw. zwischen Enzym und Trägerschicht begünstigt werden. Dabei ermöglicht das Polymer eine stabile Immobilisierung des Enzyms bzw. des Mediators an der Mikronadel bzw. der Trägerschicht.It is also advantageous if the detection layer comprises at least one enzyme and, additionally or alternatively, a redox mediator. A redox mediator can be understood to mean an electron-transferring system such as ferrocene or iron (II / III), ruthenium (II / III), samarium (II / III), osmium (II / III) compounds. The detection layer may in particular be made of a polymer. By this embodiment, a high selectivity in the detection of the substance can be achieved. The mediator can promote electron transfer between the enzyme and the microneedle or between the enzyme and the carrier layer. The polymer allows a stable immobilization of the enzyme or of the mediator on the microneedle or the carrier layer.

Die Messelektrode kann mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht versehen sein, die zwischen der Detektionsschicht und der Mikronadel angeordnet sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Zwischenschicht zwischen der Detektionsschicht und der Trägerschicht angeordnet sein. Die Zwischenschicht kann beispielsweise eine Metall- oder Kohlenstoffschicht sein. Durch die Zwischenschicht kann ein elektrisch leitfähiger Übergang mit definierter Oberfläche zwischen Detektionsschicht und Mikronadel bzw. zwischen Detektionsschicht und Trägerschicht geschaffen werden.The measuring electrode can be provided with an electrically conductive intermediate layer, which can be arranged between the detection layer and the microneedle. Additionally or alternatively, the intermediate layer may be arranged between the detection layer and the carrier layer. The intermediate layer may be, for example, a metal or carbon layer. The intermediate layer can be used to create an electrically conductive transition with a defined surface between the detection layer and the microneedle or between the detection layer and the carrier layer.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Messelektrode zumindest ein Kontaktierungselement auf, das ausgeformt sein kann, um die Mikronadel durch die Trägerschicht hindurch elektrisch zu kontaktieren. Das Kontaktierungselement kann beispielsweise ein durch die Trägerschicht hindurchreichender Durchkontakt sein. Durch ein solches Kontaktierungselement kann die Messelektrode über eine von der Mikronadel abgewandten Seite der Trägerschicht elektrisch kontaktiert werden.According to a further embodiment, the measuring electrode has at least one contacting element, which may be formed to electrically contact the microneedle through the carrier layer. The contacting element may, for example, be a through-contact extending through the carrier layer. By means of such a contacting element, the measuring electrode can be electrically contacted via a side of the carrier layer facing away from the microneedle.

Optional kann die Messelektrode zumindest einen Anschlag, insbesondere einen Siliziumanschlag, aufweisen. Durch den Anschlag ist es möglich, die Messelektrode in einer definierten Eindringtiefe zu verankern.Optionally, the measuring electrode can have at least one stop, in particular a silicon stop. The stop makes it possible to anchor the measuring electrode in a defined penetration depth.

Des Weiteren schafft der hier beschriebene Ansatz eine Messeinrichtung mit folgenden Merkmalen:
zumindest einer Messelektrode gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen;
zumindest einer Gegenelektrode mit einer Gegenelektrodenträgerschicht und zumindest einer an der Gegenelektrodenträgerschicht angeordneten eingeschnürten und/oder harpunenförmig ausgestalteten Gegenelektrodenmikronadel, die ausgeformt ist, um die Gegenelektrode in dem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern.Furthermore, the approach described here creates a measuring device with the following features:
at least one measuring electrode according to one of the embodiments described herein;
at least one counter electrode with a counterelectrode support layer and at least one arranged on the counterelectrode support layer constricted and / or harpoon-shaped counterelectrode microneedle which is shaped to anchor the counter electrode in the tissue fluid having tissue.

Eine solche Messeinrichtung bietet den Vorteil eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus sowie einer zuverlässigen und genauen Konzentrationsmessung.Such a measuring device offers the advantage of a simple and inexpensive construction and a reliable and accurate concentration measurement.

Es ist vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung gemäß einer optionalen Ausführungsform zumindest einer Referenzelektrode mit einer Referenzelektrodenträgerschicht und zumindest einer an der Referenzelektrodenträgerschicht angeordneten eingeschnürten und/oder harpunenförmig ausgestalteten Referenzelektrodenmikronadel, die ausgeformt ist, um die Referenzelektrode in dem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu verankern. Unter einer Referenzelektrode kann allgemein eine erste Elektrode verstanden werden, die sich von einer zweiten Elektrode in der Form der Gegenelektrode unterscheidet. Hierbei kann die Messelektrode als Arbeitselektrode fungieren. Die Referenz- und die Gegenelektrode können analog zu einer der hier beschriebenen Ausführungsformen der Messelektrode aufgebaut sein.It is advantageous if, according to an optional embodiment, the measuring device has at least one reference electrode with a reference electrode carrier layer and at least one constricted and / or harpoon-shaped reference electrode microneedle arranged on the reference electrode carrier layer, which is shaped to anchor the reference electrode in the tissue having the tissue fluid. A reference electrode can generally be understood to mean a first electrode which differs from a second electrode in the form of the counterelectrode. Here, the measuring electrode as Working electrode act. The reference electrode and the counterelectrode can be constructed analogously to one of the embodiments of the measuring electrode described here.

Im einfachsten Fall genügen eine, beispielsweise mit Enzym beschichtete Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode, beispielsweise ohne aufgetretenes Enzym, zwischen denen eine Spannung angelegt und ein entsprechender Strom gemessen werden kann. Bei kleinen Strömen kann dies ausreichen; für größere Ströme ist es vorteilhaft, wenn das Potential über die Referenzelektrode fixiert wird.In the simplest case, one, for example, coated with enzyme working electrode and a counter electrode, for example, without occurred enzyme, between which a voltage applied and a corresponding current can be measured. For small currents, this may be enough; for larger currents, it is advantageous if the potential is fixed via the reference electrode.

Besonders günstig ist es, wenn die Referenzelektrodenträgerschicht oder die Gegenelektrodenträgerschicht oder beide Schichten Teile der Trägerschicht sind. Dadurch können die Elektroden der Messeinrichtung auf einem gemeinsamen Chip untergebracht werden, was die Herstellung der Messeinrichtung vereinfacht.It is particularly favorable if the reference electrode carrier layer or the counterelectrode carrier layer or both layers are parts of the carrier layer. As a result, the electrodes of the measuring device can be accommodated on a common chip, which simplifies the production of the measuring device.

Der hier beschriebene Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen einer Trägerschicht;
Aufbringen einer Ätzmaske auf die Trägerschicht;
Durchführen eines Ätzprozesses unter Verwendung der Ätzmaske, um auf der Trägerschicht zumindest eine, beispielsweise eingeschnürte und/oder harpunenförmig ausgestaltete Mikronadel zum Verankern der Messelektrode in einem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe zu bilden; und
Bilden einer Detektionsschicht auf zumindest einem Teilabschnitt der Trägerschicht und/oder der Mikronadel, um die Substanz elektrochemisch detektieren zu können.The approach described herein further provides a method of manufacturing a sensing electrode for measuring a concentration of a substance in a tissue fluid, the method comprising the steps of:
Providing a carrier layer;
Applying an etching mask to the carrier layer;
Performing an etching process using the etching mask to form on the support layer at least one, for example, constricted and / or harpoon-shaped microneedle for anchoring the measurement electrode in a tissue fluid having the tissue; and
Forming a detection layer on at least a portion of the support layer and / or the microneedle to detect the substance electrochemically.

Unter einer Ätzmaske kann je nach Anzahl der zu bildenden Mikronadeln eine gelöcherte, beispielsweise gitterartige Struktur aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid verstanden werden. Der Ätzprozess kann je nach Ausführungsform isotrope und anisotrope Ätzschritte umfassen. Nach Beendigung des Ätzprozesses kann die Ätzmaske vor dem Schritt des Bildens von der Trägerschicht und der Mikronadel entfernt werden.Under an etching mask can be understood depending on the number of microneedles to be formed a perforated, for example, lattice-like structure of silicon dioxide or silicon nitride. The etch process may include isotropic and anisotropic etch steps, depending on the embodiment. Upon completion of the etch process, the etch mask may be removed from the carrier layer and the microneedle prior to the step of forming.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Durchführens eine Passivierungsschicht auf die Mikronadel und, zusätzlich oder alternativ, auf die Trägerschicht aufgebracht werden. Die Passivierungsschicht kann in einem vorbestimmten Bereich der Mikronadel geöffnet werden. Durch Ätzen kann eine Einschnürung in dem vorbestimmten Bereich erzeugt werden, um die Mikronadel harpunenförmig auszuformen und/oder mit einer Einschnürung zu versehen. Der vorbestimmte Bereich kann beispielsweise ein an die Trägerschicht angrenzender Endbereich der Mikronadel sein. Unter einer Einschnürung kann ein Bereich eines geringsten Durchmessers der Mikronadel verstanden werden. Durch diese Ausführungsform kann die Harpunenform oder die Einschnürung besonders einfach erzeugt werden.According to one embodiment, in the step of performing a passivation layer may be applied to the microneedle and, additionally or alternatively, to the carrier layer. The passivation layer can be opened in a predetermined area of the microneedle. Etching may produce a constriction in the predetermined area to harpoon and / or constrict the microneedle. The predetermined region may be, for example, an end region of the microneedle adjacent to the carrier layer. A constriction may be understood to mean a region of the smallest diameter of the microneedle. By this embodiment, the harpoon shape or the constriction can be generated particularly easily.

Je nach Ausführungsform kann im Schritt des Durchführens in einem ersten Ätzschritt eine Nadelspitze der Mikronadel vorgeformt werden, in einem zweiten Ätzschritt eine Nadellänge der Mikronadel definiert werden und in einem dritten Ätzschritt die Nadelspitze fertig ausgeformt werden, wobei die Mikronadel von der Ätzmaske getrennt wird. Hierbei kann die Mikronadel derart ausgeformt werden, dass sie im Wesentlichen senkrecht zur Trägerschicht ausgerichtet ist.Depending on the embodiment, in the step of performing a first etching step, a needle tip of the microneedle can be preformed, a needle length of the microneedle can be defined in a second etching step, and the needle tip can be fully formed in a third etching step, whereby the microneedle is separated from the etch mask. In this case, the microneedle can be shaped such that it is aligned substantially perpendicular to the carrier layer.

Die Harpunenform kann in der vorangehend beschriebenen Weise vor dem dritten Ätzschritt erzeugt werden.The harpoon shape may be generated in the manner described above prior to the third etching step.

Das Verfahren kann ferner mit einem Schritt des Beschichtens vorgesehen sein, in dem der Teilabschnitt der Mikronadel bzw. der Trägerschicht mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht beschichtet wird. Der Schritt des Beschichtens kann vor dem Schritt des Bildens durchgeführt werden, sodass die Detektionsschicht im Schritt des Bildens auf die Zwischenschicht aufgetragen wird. Durch die Zwischenschicht kann ein elektrisch leitfähiger Übergang mit definierter Oberfläche zwischen der Detektionsschicht und der Mikronadel bzw. der Trägerschicht geschaffen werden.The method may further be provided with a step of coating, in which the subsection of the microneedle or the carrier layer is coated with an electrically conductive intermediate layer. The step of coating may be performed before the step of forming, so that the detection layer is applied to the intermediate layer in the step of forming. Through the intermediate layer, an electrically conductive transition with a defined surface between the detection layer and the microneedle or the carrier layer can be created.

Die Messelektrode kann im Schritt des Beschichtens abschließend mit einer Schutzschicht beschichtet werden.The measuring electrode can finally be coated with a protective layer in the coating step.

Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:

1 eine schematische Darstellung einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 a schematic representation of a measuring electrode according to an embodiment;

2 eine schematische Darstellung eines Rasterelektronenmikroskopbilds eines Abschnitts einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 a schematic representation of a scanning electron microscope image of a portion of a measuring electrode according to an embodiment;

3 eine schematische Darstellung eines Mikroskopbilds eines Abschnitts einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel; 3 a schematic representation of a microscope image of a portion of a measuring electrode according to an embodiment;

4 eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 4 a schematic representation of a measuring device according to an embodiment;

5 eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 5 a schematic representation of a measuring device according to an embodiment;

6 eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 6 a schematic representation of a measuring device according to an embodiment;

7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel; 7 a flowchart of a method for producing a measuring electrode according to an embodiment;

8 ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Messungen eines Laktatspiegels im Blut und im Interstitium; und 8th a diagram showing different measurements of a lactate level in the blood and in the interstitium; and

9 ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Energieflussraten während einer muskulären Energiebereitstellung. 9 a diagram illustrating different energy flow rates during a muscular energy supply.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messelektrode 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Messelektrode 100 zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit weist eine Trägerschicht 102 und beispielhaft sechs auf der Trägerschicht 102 angeordnete Mikronadeln 104 in Harpunenform auf. Die Mikronadeln 104 dienen der Verankerung der Messelektrode in einem die Gewebsflüssigkeit enthaltenden Gewebe, etwa einer Hautschicht. 1 shows a schematic representation of a measuring electrode 100 according to an embodiment. The measuring electrode 100 for measuring a concentration of a substance in a tissue fluid has a carrier layer 102 and by way of example six on the carrier layer 102 arranged microneedles 104 in harpoon form. The microneedles 104 serve to anchor the measuring electrode in a tissue containing the tissue fluid, such as a skin layer.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Mikronadeln 104, auch Mikronadelelektroden oder Mikroelektroden genannt, im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Trägerschicht 102. Die Mikronadeln 104 sind je mit einem der Trägerschicht 102 zugewandten Nadelsockel 106 und einer auf dem Nadelsockel 106 sitzenden Nadelspitze 108 dargestellt. Die Nadelspitze 108 weist einen keilförmigen Querschnitt mit einem breiten Ende und einem spitzen Ende auf, wobei das breite Ende dem Nadelsockel 106 zugewandt ist. Die Harpunenform bzw. Einschnürung der Mikronadeln 104 ergibt sich dadurch, dass der Nadelsockel 106 einen geringeren Durchmesser bzw. eine geringere Querschnittsfläche als das breite Ende der Nadelspitze 108 aufweist, sodass das breite Ende rund um den Nadelsockel 106 ein Stück weit über den Nadelsockel 106 hinausragt und hierdurch einen Widerhaken bzw. die Einschnürung bildet, der/die verhindert, dass sich die in das Gewebe eingeführten Mikronadeln 104 entgegen einer Einführrichtung aus dem Gewebe herauslösen. Der Nadelsockel 106 kann beispielsweise durch eine Einschnürung der Mikronadeln 104 in einem Ätzprozess erzeugt werden, wie nachfolgend näher beschrieben.According to this embodiment, the microneedles extend 104 Also called microneedle electrodes or microelectrodes, substantially perpendicular to a main plane of extension of the carrier layer 102 , The microneedles 104 are ever with one of the carrier layer 102 facing needle base 106 and one on the needle base 106 sitting needlepoint 108 shown. The needle point 108 has a wedge-shaped cross-section with a wide end and a pointed end, wherein the wide end of the needle socket 106 is facing. The harpoon shape or constriction of the microneedles 104 This results from the fact that the needle socket 106 a smaller diameter or a smaller cross-sectional area than the broad end of the needle tip 108 has, so the broad end around the needle base 106 a little way over the needle base 106 protrudes and thereby forms a barb or the constriction, which prevents the inserted into the tissue microneedles 104 detach out of the tissue counter to an insertion direction. The needle base 106 For example, by a constriction of the microneedles 104 be generated in an etching process, as described in more detail below.

Eine definierte Oberfläche der Mikronadeln 104, hier beispielhaft eine Oberfläche der jeweiligen Nadelspitzen 108, ist mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht 110 beschichtet. Die Zwischenschicht 110 kann beispielsweise durch Metallisierung oder Karbonisierung der Nadelspitzen 108 erzeugt werden.A defined surface of the microneedles 104 , here an example of a surface of the respective needle tips 108 , is with an electrically conductive intermediate layer 110 coated. The intermediate layer 110 For example, by metallization or carbonization of the needle tips 108 be generated.

Auf die Zwischenschicht 110 ist eine Detektionsschicht 112 aufgebracht, die der enzymatischen oder elektrochemischen Detektion der Substanz in der Gewebsflüssigkeit dient. On the interlayer 110 is a detection layer 112 applied, which serves the enzymatic or electrochemical detection of the substance in the tissue fluid.

Ein derart mikrostrukturierter Elektrodenarray in Form der Messelektrode 100 hat den Vorteil, dass er schmerzfrei und bequem in eine obere Hautschicht, insbesondere die Epidermis, eingeführt werden kann, etwa zur elektrochemischen Bestimmung eines Glukosewerts. Die Bestimmung des Glukosewerts kann quasi kontinuierlich in beliebig festzulegenden kurzen Zeitabständen erfolgen.Such a microstructured electrode array in the form of the measuring electrode 100 has the advantage that it can be introduced painlessly and comfortably into an upper skin layer, in particular the epidermis, for example for the electrochemical determination of a glucose value. The determination of the glucose value can be carried out quasi-continuously in arbitrarily definable short time intervals.

Die harpunenförmigen bzw. mit je einer Einschnürung versehenen, in 1 im Wesentlichen senkrecht zur Waferebene, d. h. zur Haupterstreckungsebene der Trägerschicht 102, ausgerichteten Mikroelektroden 104 lassen sich sicher in die Haut einführen und verbleiben dort zuverlässig in einer entsprechenden Eindringtiefe. Die quantitative Erfassung des Glukosewerts und gegebenenfalls weiterer Inhaltsstoffe der Interstitialflüssigkeit erfolgt durch elektrochemische Detektion mittels passender Enzyme, im Fall des Glukosewerts beispielsweise mittels Glukoseoxidase, Cellubiose, Dehydrogenase oder PQQ-abhängige Dehydrogenase. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können diese Enzyme mittels der Detektionsschicht 112 stabil an der Messelektrode 100, gemäß 1 an den Nadelspitzen 108, immobilisiert werden, beispielsweise durch einen Abscheideprozess mit einem geeigneten Polymer.The harpoon-shaped or with a constriction, in 1 essentially perpendicular to the wafer plane, ie to the main extension plane of the carrier layer 102 , aligned microelectrodes 104 can be safely introduced into the skin and remain there reliably in a corresponding penetration depth. The quantitative determination of the glucose value and optionally further ingredients of the interstitial fluid is carried out by electrochemical detection by means of suitable enzymes, in the case of the glucose value, for example by means of glucose oxidase, cellulase, dehydrogenase or PQQ-dependent dehydrogenase. According to one embodiment, these enzymes can be detected by means of the detection layer 112 stable at the measuring electrode 100 , according to 1 at the needle tips 108 be immobilized, for example by a deposition process with a suitable polymer.

Durch Beigabe eines oder mehrerer geeigneter Mediatoren zu den Enzymen kann ein Messpotenzial in einen physiologisch günstigen Bereich geschoben werden. Durch eine entsprechende Wahl der Abscheidebedingungen kann die Diffusionskonstante der Glukose innerhalb der als Polymerschicht realisierten Detektionsschicht 112 angepasst werden, um ein ausreichend schnelles Signal und einen idealen Empfindlichkeitsbereich einzustellen.By adding one or more suitable mediators to the enzymes, a measurement potential can be pushed into a physiologically favorable range. By appropriate selection of the deposition conditions, the diffusion constant of the glucose within the detection layer realized as a polymer layer 112 adjusted to provide a sufficiently fast signal and an ideal sensitivity range.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Messelektrode 100 den folgenden Aufbau auf.According to one embodiment, the measuring electrode 100 the following construction.

Die Elektrodenspitzen in Form der Mikronadeln 104 werden in einem mikromechanischen Prozess mit einer Einschnürung erzeugt, durch die sich die Harpunenform der Mikronadeln 104 bzw. die Einschnürung der Mikronadeln 104 ergibt. Der mikromechanische Prozess ist weiter unten anhand von 7 näher beschrieben.The electrode tips in the form of microneedles 104 are created in a micromechanical process with a constriction through which the harpoon shape of the microneedles 104 or the constriction of the microneedles 104 results. The micromechanical process is described below with reference to 7 described in more detail.

Eine Oberfläche der Messelektrode 100 ist je nach Ausführungsform im Bereich der Mikronadeln 104 oder der Trägerschicht 104 mit der Zwischenschicht 110 metallisiert oder karbonisiert, etwa durch Sputtern, Elektroplattieren, Atomlagenabscheidung, Galvanisieren, Tinte oder Pasten wie Grafitpasten oder glasartige Kohlenstoffpasten.A surface of the measuring electrode 100 is depending on the embodiment in the field of microneedles 104 or the carrier layer 104 with the intermediate layer 110 metallized or carbonized, such as by sputtering, electroplating, atomic layer deposition, electroplating, ink or pastes such as graphite pastes or glassy carbon pastes.

Ferner ist die Messelektrode 100 mit einer enzymhaltigen Detektionsschicht 112 beschichtet. Die Detektionsschicht 112 kann insbesondere auf Abschnitte der Messelektrode 100 aufgebracht sein, die mit der Zwischenschicht 110 beschichtet sind. Zusätzlich zu dem Enzym kann die Detektionsschicht 112 einen Mediator enthalten, der den Elektronentransfer zwischen Enzym und Elektrode verbessert und übernimmt und eine Detektion bei einem geringeren Arbeitspotenzial ermöglicht. Hierdurch kann eine höhere Selektivität erreicht werden. Der Elektronentransfer kann auch über Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhrchen, englisch carbon nanotubes, oder Metallnanoteilchen erfolgen.Furthermore, the measuring electrode 100 with an enzyme-containing detection layer 112 coated. The detection layer 112 especially on sections of the measuring electrode 100 be applied with the interlayer 110 are coated. In addition to the enzyme, the detection layer 112 include a mediator that enhances and adopts electron transfer between the enzyme and the electrode, allowing detection at a lower workload. As a result, a higher selectivity can be achieved. The electron transfer can also take place via nanomaterials such as carbon nanotubes, English carbon nanotubes, or metal nanoparticles.

Je nach Ausführungsform kann der Mediator im Film 112 frei beweglich sein, beispielsweise in Form von (Fe(CN)₆)^3–, Benzochinon oder Preußisch Blau, oder an ein Polymer wie beispielsweise einem Osmium-Ruthenium-Redox-Komplex (Os²⁺/Os³⁺, Ru²⁺/Ru³⁺) oder Ferrocen und dessen Derivate gebunden sein. Zur Polymerisation eignen sich beispielsweise Polymere aus der Gruppe der Polybenzoxazine, wie auch beschrieben in C. Andronescu et al.: Electrochemistry Communications 41 (2014), 12–15, Polyvinylpyridine, Polypyrrole, Polyvinylimidazol, acrylatbasierte Polymere oder eine Kombination aus verschiedenen Monomergruppen dieser Polymere . Das in der Detektionsschicht 112 enthaltene Polymer erfüllt zusätzlich die Funktion, Enzym und Mediator physikalisch gut mit der Elektrode zu verbinden. Die Abscheidung der Detektionsschicht 112 kann beispielsweise elektrochemisch erfolgen, wodurch eine gleichmäßige, qualitativ hochwertige und mechanisch stabile Schicht entsteht. Hierbei kann das Enzym durch Van-der-Waals-Wechselwirkungen oder Wasserstoffbrückenbindungen in die Schicht eingeschlossen werden. Zusätzlich kann während der elektrochemischen Abscheidung eine weitere Vernetzung nicht vollständig polymerisierter Seitengruppen oder zusätzlich hinzugefügter Quervernetzer stattfinden, wodurch die Stabilität der Detektionsschicht 112 erhöht werden kann.Depending on the embodiment, the mediator in the film 112 be freely mobile, for example in the form of (Fe (CN) ₆ ) ^3- , benzoquinone or Prussian blue, or to a polymer such as an osmium-ruthenium redox complex (Os ²⁺ / Os ³⁺ , Ru ²⁺ / Ru ³⁺ ) or ferrocene and its derivatives. For example, polymers from the group of polybenzoxazines are suitable for the polymerization, as also described in US Pat C. Andronescu et al .: Electrochemistry Communications 41 (2014), 12-15, polyvinylpyridines, polypyrroles, polyvinylimidazole, acrylate-based polymers or a combination of different monomer groups of these polymers , That in the detection layer 112 In addition, the polymer contained fulfills the function, the enzyme and mediator physically good to connect to the electrode. The deposition of the detection layer 112 For example, can be done electrochemically, creating a uniform, high-quality and mechanically stable layer. Here, the enzyme may be entrapped in the layer by van der Waals interactions or hydrogen bonds. Additionally, during the electrochemical deposition, further crosslinking of incompletely polymerized side groups or additionally added crosslinkers may occur, thereby increasing the stability of the detection layer 112 can be increased.

Je nach Ausführungsform kann die Messelektrode 100 vollständig oder zumindest in den mit der Detektionsschicht 112 überzogenen Abschnitten mit einer diffusionsregelnden Schutzschicht beschichtet sein, die der Trennung von Elektrode und Enzym vom Körper dient und einen mechanischen Schutz darstellt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schutzschicht aus dem gleichen Polymer wie die Detektionsschicht 112, jedoch ohne Enzyme und Mediator, hergestellt ist. Die Schutzschicht kann ausgebildet sein, um eine Biokompatibilität zwischen der Messelektrode 100 und einem die Messelektrode 100 umgebenden Gewebe herzustellen oder die Selektivität zu erhöhen, etwa durch die Verwendung von Nafion als Ionenfilter.Depending on the embodiment, the measuring electrode 100 completely or at least in the one with the detection layer 112 coated portions are coated with a diffusion-controlling protective layer, which serves the separation of the electrode and the enzyme from the body and provides mechanical protection. It is particularly advantageous if the protective layer consists of the same polymer as the detection layer 112 , but without enzymes and mediator. The protective layer can be designed to provide biocompatibility between the measuring electrode 100 and one the measuring electrode 100 produce surrounding tissue or increase the selectivity, such as by the use of Nafion as an ion filter.

Zur Messung der Glukosekonzentration ist es erforderlich, eine definierte Oberfläche der Messelektrode 100 in der Haut zu verankern. Dies wird durch die harpunenförmige Ausgestaltung der Mikronadeln 104 mit metallisierten oder karbonisierten Nadelspitzen 108 sichergestellt.To measure the glucose concentration, it is necessary to have a defined surface of the measuring electrode 100 to anchor in the skin. This is due to the harpoon-shaped design of the microneedles 104 with metallized or carbonized needle tips 108 ensured.

Denkbar ist auch eine Verwendung der Messelektrode 100 zur Laktatmessung mittels der Mikroelektroden 104 auf oder in der Haut.It is also conceivable to use the measuring electrode 100 for lactate measurement by means of the microelectrodes 104 on or in the skin.

Insbesondere bei sportlicher Betätigung kann eine Protokollierung des Laktatspiegels zum Erreichen optimaler Ergebnisse und zur Vermeidung gesundheitlicher Beeinträchtigungen hilfreich sein. Mithilfe der Messelektrode 100 kann die Laktatkonzentration im Rahmen einer minimal invasiven und dadurch kontinuierlich durchführbaren Messung sehr genau bestimmt werden. Optional kann die Messung mit einer Warnfunktion gekoppelt sein.In particular, during exercise, logging the lactate level to achieve optimal results and to prevent health impairments may be helpful. Using the measuring electrode 100 The lactate concentration can be determined very accurately within the framework of a minimally invasive and thus continuously feasible measurement. Optionally, the measurement may be coupled with a warning function.

Die Messelektrode 100 eignet sich damit zum einen zur Identifizierung eines optimalen Trainingsbereichs durch Messung einer Laktatkonzentration während sportlicher Betätigung und hilft ferner, Überanstrengungen zu vermeiden. Zum anderen kann die Messelektrode 100 zur Messung der Laktatkonzentration eingesetzt werden, um den Bereich der maximalen Fettverbrennung zu identifizieren.The measuring electrode 100 On the one hand, this makes it possible to identify an optimal training area by measuring a lactate concentration during exercise and also helps prevent overstraining. On the other hand, the measuring electrode 100 used to measure lactate concentration to identify the area of maximum fat burning.

Dadurch, dass die Messelektrode 100 leicht am Körper getragen werden kann, ist es möglich, den Laktat- und/oder Glukosespiegel ohne Beeinträchtigung einer sportlichen Betätigung in der interstitiellen Flüssigkeit zu messen und zu protokollieren.Because of the measuring electrode 100 can be easily carried on the body, it is possible to measure and record the lactate and / or glucose levels without interfering with exercise in the interstitial fluid.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Messelektrode 100 als nicht oder minimal invasiver Sensor mit Mikroelektroden 104 realisiert, die auf oder in der äußeren Hautschicht, dem Stratum corneum der Epidermis, verankerbar sind und zur Messung eines Laktat- und/oder Glukosespiegels im Interstitium mittels bestimmter enzymatischer Reaktionen dienen. Die Reaktionen werden über ein Elektrodensignal beispielsweise amperometrisch erfasst.According to one embodiment, the measuring electrode 100 as a non or minimally invasive sensor with microelectrodes 104 realized, which are anchored on or in the outer skin layer, the stratum corneum of the epidermis, and serve to measure a lactate and / or glucose level in the interstitium by means of certain enzymatic reactions. The reactions are detected amperometrically via an electrode signal, for example.

Als Enzym wird beispielsweise eine Laktatoxidase verwendet, die eine ähnliche Rolle bei der Laktatmessung spielt wie die Glukoseoxidase bei der Glukosemessung. Nachfolgend ist eine beispielhafte Reaktionsgleichung einer Reaktion von Glukose bzw. Laktat in Verbindung mit einem Mediator, hier Eisenhexacyanoferrat, dargestellt.

The enzyme used is, for example, a lactate oxidase which plays a similar role in lactate measurement as does glucose oxidase in glucose measurement. The following is an exemplary reaction equation of a reaction of glucose or lactate in conjunction with a mediator, here Eisenhexacyanoferrat shown.

In beiden Fällen dient der hier eingesetzte Mediator zum Transfer von Elektronen zur Elektrode. Statt Eisenhexacyanoferrat kann auch ein anderer Mediator verwendet werden, der geeignet ist, um Elektronen zuverlässig aufzunehmen und wieder abzugeben, etwa ein Osmium-Komplex oder ein Komplex mit Ruthenium oder Samarium. Das eigentliche Mediatorarbeitspotenzial kann aufgrund verschiedener Liganden an den Metallzentren an verschiedene Anforderungen anpassbar sein. Hierbei sind der Mediator sowie die Enzyme Glukooxidase (GOD) und Laktatoxidase (LOD) auf der Elektrodenoberfläche, insbesondere mithilfe der Detektionsschicht 112, fixiert.In both cases, the mediator used here serves to transfer electrons to the electrode. Instead of ferric hexacyanoferrate, it is also possible to use another mediator which is suitable for reliably taking up and releasing electrons, for example an osmium complex or a complex with ruthenium or samarium. The actual Mediatorarbeitspotenzial may be due to different ligands at the metal centers to different requirements adaptable. In this case, the mediator and the enzymes glucooxidase (GOD) and lactate oxidase (LOD) on the electrode surface, in particular by means of the detection layer 112 , fixed.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Rasterelektronenmikroskopbilds eines Abschnitts einer Messelektrode 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der in 2 abgebildeten Messelektrode 100 handelt es sich beispielsweise um eine Messelektrode, wie sie vorangehend anhand von 1 beschrieben ist. Zu erkennen sind sechs Siliziummikronadeln 104, die durch Sputtern mit Platin metallisiert sind und mit einem elektrochemisch vernetzten, glukoseoxidasehaltigen Polymer, etwa BA-tepa, beschichtet sind. Die Mikronadeln 104 weisen im Bereich des Nadelsockels 106 eine nur schwach ausgebildete Einschnürung auf. Die Nadelspitzen 108 weisen eine rechteckige Grundfläche auf. 2 shows a schematic representation of a scanning electron microscope image of a portion of a measuring electrode 100 according to an embodiment. At the in 2 illustrated measuring electrode 100 is, for example, a measuring electrode, as described above with reference to 1 is described. Evident are six silicon micro-needles 104 which are metallized by sputtering with platinum and coated with an electrochemically crosslinked, glucose oxidase-containing polymer, such as BA-tepa. The microneedles 104 in the area of the needle socket 106 an only weakly formed constriction. The needle points 108 have a rectangular base.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikroskopbilds eines Abschnitts einer Messelektrode 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel in der Seitenansicht. Im Unterschied zu 2 weisen die in 3 gezeigten Mikronadeln 104 eine stark ausgeprägte Einschnürung im Bereich der Nadelsockel 106 und somit eine entsprechend stark ausgeprägte Harpunenform auf. 3 shows a schematic representation of a microscope image of a portion of a measuring electrode 100 according to an embodiment in the side view. In contrast to 2 have the in 3 shown microneedles 104 a pronounced constriction in the area of the needle base 106 and thus a correspondingly pronounced harpoon shape.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Messeinrichtung 400 weist eine Messelektrode 100 auf, wie sie vorangehend anhand der 1 bis 3 beschrieben ist. Die Messelektrode 100 ist gemäß 4 mit zwei Siliziumnadeln als Mikronadeln 104 realisiert, die über ein Kontaktierungselement 402, hier eine Siliziumdurchkontaktierung, kurz Si-TSV, durch die Trägerschicht 102 hindurch elektrisch kontaktiert sind. Das Kontaktierungselement 402 weist eine Kontaktfläche 404 auf, die sich auf einer den Mikronadeln 104 gegenüberliegenden Unterseite der Trägerschicht 102 befindet. 4 shows a schematic representation of a measuring device 400 according to an embodiment. The measuring device 400 has a measuring electrode 100 on, as previously stated by the 1 to 3 is described. The measuring electrode 100 is according to 4 with two silicon needles as microneedles 104 realized that via a contacting element 402 , Here is a silicon via, short Si-TSV, through the carrier layer 102 through electrically contacted. The contacting element 402 has a contact surface 404 on, focusing on one of the microneedles 104 opposite underside of the carrier layer 102 located.

Die Kontaktierungselemente sind von der Trägerschicht 102 und damit auch voneinander elektrisch isoliert. In den einfacheren Fällen, wie beispielsweise in den 1 und 2 dargestellt, fungiert die gesamte Trägerschicht 102 als Kontaktierungselement. Daher sollte in diesem Fall zur gegenseitigen Isolation der Elektroden ein Aufbau gemäß 6 gewählt werden, der dazu dient, die Mikronadeln der verschiedenen Elektroden auf separaten Trägerschichten voneinander zu trennen.The contacting elements are of the carrier layer 102 and thus also electrically isolated from each other. In the simpler cases, such as in the 1 and 2 represented, the entire carrier layer acts 102 as a contacting element. Therefore, in this case, for mutually insulating the electrodes, a structure should be adopted 6 can be selected, which serves to separate the microneedles of the different electrodes on separate carrier layers from each other.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Mikronadeln 104 und das Kontaktierungselement 402 über eine Bondschicht 406, beispielsweise eine Al-Ge-Bondschicht, elektrisch leitend miteinander verbunden. Bei der Trägerschicht 102 kann es sich um einen hoch dotierten Trägerwafer handeln. Neben den beiden Mikronadeln 104 ist ein optionaler Siliziumanschlag 408 angeordnet. Der Siliziumanschlag 408 ist wie die Nadelspitzen 108 mit der Zwischenschicht 110 beschichtet. Ebenso sind Abschnitte der Trägerschicht 102 mit der Zwischenschicht 110 beschichtet. Je nach Ausführungsform können der Siliziumanschlag 408 und die Abschnitte der Trägerschicht 102 alternativ oder zusätzlich mit der Detektionsschicht beschichtet sein.In this embodiment, the microneedles are 104 and the contacting element 402 via a bonding layer 406 , For example, an Al-Ge bond layer, electrically conductively connected to each other. In the carrier layer 102 it can be a highly doped carrier wafer. Next to the two microneedles 104 is an optional silicon stopper 408 arranged. The silicon stop 408 is like the needle points 108 with the intermediate layer 110 coated. Likewise, portions of the carrier layer 102 with the intermediate layer 110 coated. Depending on the embodiment, the silicon stop 408 and the sections of the carrier layer 102 alternatively or additionally be coated with the detection layer.

Die Messeinrichtung 400 weist zusätzlich zur Messelektrode 100 eine Referenzelektrode 410 mit zwei harpunenförmigen Referenzelektrodenmikronadeln 412 sowie eine Gegenelektrode 414 mit zwei harpunenförmigen Gegenelektrodenmikronadeln 416 auf, wobei die beiden Referenzelektrodenmikronadeln 412 auf einer Referenzelektrodenträgerschicht 418 und die beiden Gegenelektrodenmikronadeln 416 auf einer Gegenelektrodenträgerschicht 420 angeordnet sind. Die Referenzelektrode 410 ist zwischen der Messelektrode 100 und der Gegenelektrode 412 angeordnet, wobei die Messelektrode 100 als Arbeitselektrode fungiert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Trägerschichten 418, 420 sowie die Trägerschicht 102 einteilig ausgeführt.The measuring device 400 points in addition to the measuring electrode 100 a reference electrode 410 with two harpoon-shaped reference electrode microneedles 412 and a counter electrode 414 with two harpoon-shaped counterelectrode microneedles 416 on, with the two reference electrode microneedles 412 on a reference electrode carrier layer 418 and the two counterelectrode microneedles 416 on a counterelectrode support layer 420 are arranged. The reference electrode 410 is between the measuring electrode 100 and the counter electrode 412 arranged, wherein the measuring electrode 100 acts as a working electrode. According to this embodiment, the two carrier layers 418 . 420 as well as the carrier layer 102 executed in one piece.

Die Mikronadeln 412, 416 dienen zusammen mit den beiden Mikronadeln 104 der Messelektrode 100 zur Verankerung der Messeinrichtung 400 im Gewebe. Wie in 4 schematisch angedeutet, sind die Mikronadeln 412, 416 im Wesentlichen identisch zu den beiden Mikronadeln 104 ausgeführt. Die Nadelspitzen der Mikronadeln 412, 416 können wie die Nadelspitzen 108 der Mikronadeln 104 mit der Zwischenschicht 110 beschichtet sein. Ferner sind die Referenzelektrodenmikronadeln 412 über ein Referenzelektrodenkontaktierungselement 422 und die Gegenelektrodenmikronadeln 416 über ein Gegenelektrodenkontaktierungselement 424 durch die Trägerschicht 102 hindurch elektrisch kontaktiert. Wie das Kontaktierungselement 402 sind auch die beiden Kontaktierungselemente 422, 424 mit weiteren Kontaktflächen 426, 428 ausgeformt, die sich ebenfalls auf der Unterseite der Trägerschicht 102 befinden.The microneedles 412 . 416 serve together with the two microneedles 104 the measuring electrode 100 for anchoring the measuring device 400 in the tissue. As in 4 schematically indicated are the microneedles 412 . 416 essentially identical to the two microneedles 104 executed. The needle points of the microneedles 412 . 416 can like the needle points 108 the microneedles 104 with the intermediate layer 110 be coated. Further, the reference electrodes are micro-needles 412 via a reference electrode contacting element 422 and the counterelectrode microneedles 416 via a counter electrode contacting element 424 through the carrier layer 102 electrically contacted. Like the contacting element 402 are also the two contacting elements 422 . 424 with further contact surfaces 426 . 428 formed, which is also on the underside of the carrier layer 102 are located.

Die Messeinrichtung 400 eignet sich beispielsweise zur Verwendung als kontinuierlicher Sensor zur Erfassung und Verfolgung von Körperparametern oder auch zur Verwendung als medizinischer Glukosesensor.The measuring device 400 For example, it is suitable for use as a continuous sensor for detecting and tracking body parameters or for use as a medical glucose sensor.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. 5 zeigt die anhand von 4 beschriebene Messeinrichtung in der Draufsicht. Zu erkennen sind neben der Messelektrode 100, der Referenzelektrode 410 und der Gegenelektrode 414 eine weitere Referenzelektrode 500 und eine weitere Gegenelektrode 502, wobei die weitere Referenzelektrode 500 zwischen der weiteren Gegenelektrode 502 und der Messelektrode 100 angeordnet ist. Gemäß dem in 5 gezeigten 1-Chip-Konzept sind sämtliche Elektroden der Messeinrichtung 400 auf einem einzigen Siliziumchip miteinander kombiniert. 5 shows a schematic representation of a measuring device 400 according to an embodiment. 5 shows the basis of 4 described measuring device in plan view. You can see next to the measuring electrode 100 , the reference electrode 410 and the counter electrode 414 another reference electrode 500 and another counter electrode 502 , wherein the further reference electrode 500 between the other counter electrode 502 and the measuring electrode 100 is arranged. According to the in 5 shown 1- Chip concept are all electrodes of the measuring device 400 combined on a single silicon chip.

6 zeigt eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung 400 aus 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 5 sind die in 6 gezeigten Elektroden 100, 410, 414, 500, 502 als separate Chips mit beispielsweise 4 bis 400 Mikroelektroden ausgeführt, die jeweils zu einer Elektrode verbunden sind. 6 shows a schematic representation of a measuring device 400 out 5 according to an embodiment. In contrast to 5 are the in 6 shown electrodes 100 . 410 . 414 . 500 . 502 as separate chips with, for example, 4 to 400 microelectrodes, each connected to an electrode.

7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Herstellen einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 kann beispielsweise zur Herstellung einer vorangehend anhand der 1 bis 6 beschriebenen Messelektrode zum Messen einer Konzentration einer Substanz in einer Gewebsflüssigkeit durchgeführt werden. 7 shows a flowchart of a method 700 for producing a measuring electrode according to an embodiment. The procedure 700 For example, for the preparation of a preceding on the basis of 1 to 6 described measuring electrode for measuring a concentration of a substance in a tissue fluid can be performed.

In einem ersten Schritt 710 wird eine Trägerschicht bereitgestellt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt 720 eine Ätzmaske auf die Trägerschicht aufgebracht. In einem dritten Schritt 730 wird ein Ätzprozess unter Verwendung der Ätzmaske durchgeführt. Hierbei wird zumindest eine harpunenförmige Mikronadel auf der Trägerschicht ausgeformt. Die harpunenförmige Mikronadel dient der Verankerung der Messelektrode in einem die Gewebsflüssigkeit aufweisenden Gewebe. In einem vierten Schritt 740 wird je nach Ausführungsform auf zumindest einem Teilabschnitt der Trägerschicht oder der Mikronadel eine Detektionsschicht gebildet, die dazu dient, die Substanz elektrochemisch in der Gewebsflüssigkeit detektieren zu können.In a first step 710 a carrier layer is provided. Subsequently, in a second step 720 an etching mask is applied to the carrier layer. In a third step 730 For example, an etching process is performed using the etching mask. In this case, at least one harpoon-shaped microneedle is formed on the carrier layer. The harpoon-shaped microneedle serves to anchor the measuring electrode in a tissue fluid having the tissue. In a fourth step 740 Depending on the embodiment, a detection layer is formed on at least one subsection of the carrier layer or the microneedle, which serves to be able to detect the substance electrochemically in the tissue fluid.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 700 durchgeführt werden, um Mikroelektrodenstrukturen mit einer Beschichtung für elektrochemische Messungen in der Haut herzustellen. Dazu wird im Schritt 720 die Ätzmaske, etwa eine Hardmask aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, aufgebracht und strukturiert, um die Positionen der späteren Mikronadeln festzulegen. Im Schritt 730 werden durch isotropes Ätzen zunächst die späteren Nadelspitzen vorbereitet. Durch anisotropes Ätzen in die Tiefe, insbesondere durch reaktives Ionentiefenätzen, kurz DRIE, wird eine jeweilige Länge der Mikronadeln definiert. In einem weiteren isotropen Ätzschritt werden die Nadelspitzen endgültig ausgeformt und die Mikronadeln von ihrer Maske getrennt. Vor diesem abschließenden isotropen Ätzschritt wird die Harpunenform der Mikronadeln erzeugt. Dies erfolgt durch Anlegen einer Einschnürung in folgenden Prozessschritten.According to one embodiment, the method 700 be performed to produce microelectrode structures with a coating for electrochemical measurements in the skin. This is done in step 720 the etch mask, such as a silicon or silicon nitride hardmask, is deposited and patterned to define the locations of the later microneedles. In step 730 are prepared by isotropic etching first the later needle tips. By deep anisotropic etching, in particular by reactive ion etching, DRIE for short, a respective length of the microneedles is defined. In a further isotropic etching step, the needle tips are finally shaped and the microneedles are separated from their mask. Before this final isotropic etching step, the harpoon shape of the microneedles is created. This is done by applying a constriction in the following process steps.

Zunächst wird über die gesamten Mikronadeln eine Passivierungsschicht abgeschieden, beispielsweise durch ein längeres C4F8-Plasma, gefolgt von einem gerichteten, isotropen Ätzschritt, etwa durch ein SF6-Plasma für eine Dauer von 1 bis 3 Minuten. Durch diesen Ätzschritt wird die Passivierung am Ätzgrund geöffnet und eine Einschnürung im Bereich der entstandenen Öffnung erzeugt. Anschließend wird die Passivierung insgesamt geöffnet und die Nadelform hergestellt. Optional kann durch einen Reinigungsschritt mit O2-Plasma die Passivierung der Mikronadeln definiert entfernt werden, bevor ihnen in den anschließenden isotropen und anisotropen Ätzprozessen ihre endgültige Form gegeben wird.First, a passivation layer is deposited over the entire microneedles, for example by a longer C4F8 plasma, followed by a directional isotropic etch step, such as by an SF6 plasma for a period of 1 to 3 minutes. By this etching step, the passivation is opened at the etching base and creates a constriction in the region of the resulting opening. Subsequently, the passivation is opened in total and made the needle shape. Optionally, the passivation of the microneedles can be definedly removed by a cleaning step with O 2 plasma, before they are given their final shape in the subsequent isotropic and anisotropic etching processes.

In einem optionalen Schritt 745, der zwischen den Schritten 730, 740 durchgeführt wird, kann die Messelektrode entweder ganzflächig oder nur an einer Oberseite der Mikronadeln, etwa an den Nadelspitzen, durch Aufbringen einer Zwischenschicht metallisiert oder karbonisiert werden. Dies wird erreicht, indem während des Metallisierungsprozesses ein unterhalb der Nadelspitzen befindlicher Teil der Messelektrode abgedeckt und geschützt wird, beispielsweise durch einen Fotolack oder eine Folie, die später entfernt werden können.In an optional step 745 that between the steps 730 . 740 is carried out, the measuring electrode can be metallized or carbonized either over the entire surface or only on an upper side of the microneedles, such as at the needle tips, by applying an intermediate layer. This is achieved by covering and protecting a part of the measuring electrode located below the needle tips during the metallization process, for example by means of a photoresist or a foil, which can later be removed.

8 zeigt ein Diagramm (nach M. Ellmerer et. al., Biosensors & Bioelectronics 13 (1998) 1007–1013 ) zur Messung eines Laktatspiegels im Interstitium unter Verwendung einer Messelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ein zeitlicher Verlauf (auf der Abszisse) einer Laktatkonzentration (aufgetragen auf der Ordinate) im Blut (durchgezogene Linie mit Punkten) und im subkutanen Gewebe (durchgezogene Linie ohne Punkten) in Abhängigkeit von sportlicher Betätigung. Die in 8 gezeigten Messverläufe können beispielsweise mittels einer im Vorangehenden anhand der 1 bis 7 beschriebenen Messelektrode ermittelt werden, wobei die Detektionsschicht der Messelektrode mit Laktatoxidase angereichert sein kann. 8th shows a diagram (after M. Ellmerer et. al., Biosensors & Bioelectronics 13 (1998) 1007-1013 ) for measuring a lactate level in the interstitium using a measuring electrode according to an embodiment. Shown is a time course (on the abscissa) of a lactate concentration (plotted on the ordinate) in the blood (solid line with dots) and in the subcutaneous tissue (solid line without dots) depending on exercise. In the 8th shown measuring curves can, for example, by means of a previously with reference to the 1 to 7 be determined, wherein the detection layer of the measuring electrode may be enriched with lactate oxidase.

9 zeigt ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Energieflussraten während einer muskulären Energiebereitstellung über die Zeit, wobei auf der Abszisse die Zeiten von etwa 10 Sekunden (~ 10 sec), etwa eine Minute (~ 1 min) und etwa eine Stunde (~ 1 h) eingetragen sind. Eine erste Kurve 910 repräsentiert den zeitlichen Verlauf einer Energieflussrate bei anaerober Atmung und direkt im Muskel stattfindender Spaltung energiereicher Phosphate wie ATP und CP. Eine zweite Kurve 920 repräsentiert den Verlauf einer Energieflussrate bei direkt im Muskel stattfindender anaerober Glykolyse, bei der Glukose in Laktat umgewandelt und das entstandene Laktat in die Blutbahn abgegeben wird. Eine dritte Kurve 930 repräsentiert den Verlauf einer Energieflussrate bei vorwiegend aerober Glykolyse. Hierbei wird aus Glykogen und Fett im Muskelgewebe Glukose gewonnen und in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Eine vierte Kurve 940 repräsentiert den Verlauf einer Energieflussrate bei rein aerober Atmung. Hierbei wird Fett aus Fettdepots und Glykogen aus der Leber abgebaut. Die Fettsäuren werden durch Betaoxidation in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. 9 Figure 12 is a graph plotting various energy flow rates over a period of time during muscular energy delivery, plotted on the abscissa being approximately 10 seconds (~ 10 sec), approximately one minute (~ 1 min), and approximately one hour (~ 1 hr) , A first turn 910 represents the time course of an energy flow rate in anaerobic respiration and cleavage of high-energy phosphates such as ATP and CP occurring directly in the muscle. A second turn 920 represents the progression of an energy flow rate in anaerobic glycolysis that takes place directly in the muscle, in which glucose is converted into lactate and the resulting lactate is released into the bloodstream. A third turn 930 represents the course of a Energy flow rate in predominantly aerobic glycolysis. Glucose is extracted from glycogen and fat in the muscle tissue and converted into carbon dioxide and water. A fourth curve 940 represents the course of an energy flow rate in purely aerobic respiration. This fat is broken down from fat deposits and glycogen from the liver. The fatty acids are converted by beta oxidation into carbon dioxide and water.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

C. Andronescu et al .: Electrochemistry Communications 41 (2014), 12-15, polyvinylpyridines, polypyrroles, polyvinylimidazole, acrylate-based polymers or a combination of different monomer groups of these polymers [0050]
M. Ellmerer et. al., Biosensors & Bioelectronics 13 (1998) 1007-1013 [0075]

Claims

Measuring electrode ( 100 ) for measuring a concentration of a substance in a tissue fluid, wherein the measuring electrode ( 100 ) has at least the following features: a carrier layer ( 102 ); at least one on the carrier layer ( 102 ) arranged microneedle ( 104 ), which is shaped around the measuring electrode ( 100 ) in a fabric containing the tissue fluid to anchor; and one at least in sections on the microneedle ( 104 ) and / or the carrier layer ( 102 ) applied detection layer ( 112 ) for electrochemically detecting the substance.

Measuring electrode ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the microneedle ( 104 ) constricted and / or designed harpoon-shaped.

Measuring electrode ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier layer ( 102 ) and / or the microneedle ( 104 ) are made of a silicon-containing semiconductor material or silicon.

Measuring electrode ( 100 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the detection layer ( 112 ) at least one enzyme and / or a mediator, in particular wherein the detection layer ( 112 ) is made of a polymer.

Measuring electrode ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized by an electrically conductive intermediate layer ( 110 ) between the detection layer ( 112 ) and the microneedle ( 104 ) and / or between the detection layer ( 112 ) and the carrier layer ( 102 ) is arranged.

Measuring electrode ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized by at least one contacting element ( 402 ), which is shaped around the microneedle ( 104 ) through the carrier layer ( 102 ) electrically contact.

Measuring device ( 400 ) having the following features: at least one measuring electrode ( 100 ) according to one of the preceding claims; and at least one counterelectrode ( 414 ) with a counterelectrode support layer ( 420 ) and at least one on the counterelectrode support layer ( 420 ) arranged constricted and / or harpoon-shaped counterelectrode microneedle ( 416 ), which is shaped to the counter electrode ( 414 ) in the fabric having tissue fluid.

Measuring device ( 400 ) according to claim 7, characterized by at least one reference electrode ( 410 ) with a reference electrode carrier layer ( 418 ) and at least one at the reference electrode support layer ( 418 ) arranged constricted and / or harpoon-shaped reference electrode microneedle ( 412 ), which is shaped to the reference electrode ( 410 ) in the fabric having tissue fluid.

Measuring device ( 400 ) according to claim 7 or 8, characterized in that the reference electrode carrier layer ( 418 ) and / or the counterelectrode support layer ( 420 ) Part of the carrier layer ( 102 ).

Procedure ( 700 ) for producing a measuring electrode ( 100 ) for measuring a concentration of a substance in a tissue fluid, the method ( 700 ) comprises the following steps: providing ( 710 ) a carrier layer ( 102 ); Application ( 720 ) of an etching mask on the carrier layer ( 102 ); Carry out ( 730 ) of an etching process using the etching mask in order to deposit on the carrier layer ( 102 ) at least one constricted and / or harpoon-shaped microneedle ( 104 ) for anchoring the measuring electrode ( 100 ) in a tissue fluid tissue to form; and forming ( 740 ) a detection layer ( 112 ) on at least one subsection of the carrier layer ( 102 ) and / or the microneedle ( 104 ) to detect the substance electrochemically.

Procedure ( 700 ) according to claim 10, characterized in that in the step of performing ( 730 ) a passivation layer on the microneedle ( 104 ) and / or the carrier layer ( 102 ), the passivation layer in a predetermined area of the microneedle ( 104 ) is opened and a constriction is generated in the predetermined area by etching to the microneedle ( 104 ) harpoon-shaped and / or provided with a constriction.

Procedure ( 700 ) according to claim 10 or 11, characterized by a step of coating ( 745 ) of the subsection of the microneedle ( 104 ) and / or the carrier layer ( 102 ) with an electrically conductive intermediate layer ( 110 ), wherein the step of coating ( 745 ) before the step of making ( 740 ) is carried out.

Computer program that is designed to handle all the steps of a procedure ( 700 ) according to any one of claims 10 to 12, implement and / or to control.

A machine readable storage medium storing the computer program of claim 13.