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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Biosensor,
der zur quantitativen Bestimmung einer spezifischen Komponente (eines
Analyts) in einer flüssigen
Probe verwendet werden kann, und insbesondere betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Biosensors. Elektrochemische
Biosensoren des einschlägigen
Typs sind in US 5,120,420 und 5,264,103 offenbart. Die in diesen
Patenten offenbarten Vorrichtungen weisen eine Basis bzw. Unterlage
aus Kunststoff auf, auf die Kohlenstoff-Elektroden gedruckt werden,
wobei die Elektroden mit einer Reagensschicht überzogen sind, die ein hydrophiles Polymer
in Kombination mit einer für
den Analyt spezifischen Oxidoreduktase umfasst. In typischer Weise
ist ein Abstandshalter (spacer element) auf der Basis angeordnet,
wobei dieses Element ausgeschnitten ist, um ein im Allgemeinen U-förmiges Stück und ein
Deckstück
zu ergeben, so dass, wenn die Basis, der Abstandshalter und das
Deckstück
miteinander laminiert werden, ein Kapillarraum geschaffen wird,
der die Elektroden und die Reagensschicht enthält. Zusätzlich zur Oxidoreduktase,
ist ein Elektronenakzeptor auf der Reagensschicht oder in einer
anderen Schicht innerhalb des Kapillarraums eingeschlossen. Ein
hydrophiles Polymer, z. B. Carboxymethylcellulose, wird angewandt,
um das Einziehen der wässrigen
Testflüssigkeit
in den Kapillarraum zu erleichtern.
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Kürzlich ist
ein elektrochemischer Sensor entwickelt worden, der zwei Teilstücke umfasst:
ein unteres Teilstück
(die Basis), welche die Elektrodenstruktur mit einer Oxidoreduktase
und einem Elektronenakzeptor tragen, die gleichmäßig in einer hydratisierbaren
Polymermatrix auf den Elektrodenoberflächen verteilt sind, und ein
oberes Teilstück
(den Deckel), die geprägt
sind, um drei Seiten eines Kapillarraums zu bilden, wobei die Basis
die vierte Seite bildet, wenn der Deckel auf die Basis gelegt wird.
Die Basis und der Deckel werden mit einem in der Wärme aktivierten
Klebstoff, mit dem der Deckel überzogen
ist, zusammenlaminiert. Der Sensor wird angewandt, indem das offene
Ende der Kapillare in einen kleinen Tropfen von Testflüssigkeit,
wie Blut, getaucht wird, die in das Kapillarrohr gezogen werden,
so dass sie das Enzym und den Elektronenakzeptor auf der Elektrodenoberfläche bedecken.
Aufgrund der hydratisierbaren Natur der Polymermatrix wird diese
in der wässrigen
Testflüssigkeit
dispergiert, um es dadurch zu ermög lichen, dass die Oxidoreduktase,
die Glucoseoxidase ist, wenn der Sensor zur Bestimmung der Konzentration
von Glucose im Blut entworfen ist, den Analyt und den Elektronenakzeptor
oxidiert, um die überschüssigen Elektronen
auf die Arbeitselektrode zu übertragen,
wodurch ein messbarer Strom erzeugt wird, der zur Konzentration
des Analyt in der Testflüssigkeit
proportional ist.
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Die
Herstellung der oben beschriebenen Sensoren des Standes der Technik
beinhaltet die Anwendung eines Extrateilstücks, nämlich einer Abstandsschicht,
sowie einer Anzahl von Verarbeitungsstufen, die bei einem Sensor
mit zwei Teilstücken
(der Basis und dem Deckel) nicht erforderlich sind, wie sie bei
der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangen. Jener Typ eines
Sensors wird mit einem geradlinigen Verfahren hergestellt, das die
Stufen beinhaltet:
- a) Drucken der Elektroden
auf das Basismaterial,
- b) Überziehen
der Elektroden mit der Polymermatrix, die die Oxidoreduktase und
den Elektronenakzeptor enthält,
- c) Aufbringen der auch in der vorliegenden Erfindung angewandten
bifunktionalen Klebstoffschicht auf den Deckel,
- d) Einprägen
des Kapillarkanals in den Deckel und
- e) Heißsiegeln
des Deckels auf die Basis.
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Dabei
ergibt sich zur Herstellung eines Sensors dieses Typs ein zweifaches
Problem. Das erste bezieht sich darauf, dass ein Sensor erstellt
wird, dessen Kapillarraum rasch mit der Testflüssigkeit gefüllt wird, und
das zweite beruht darauf, den Zusammenbau des Sensors durch Verkleben
des Deckels mit der Basis zu erleichtern. Um dies in einer Weise
zu bewerkstelligen, die den raschen Zusammenbau einer großen Menge von
Sensoren ermöglicht,
war es notwendig, einen Überzug
zur Aufbringung auf den Deckel herzustellen, welcher:
- i. stark und fest auf dem Deckelrohstoffmaterial haftet,
- ii. genügend
falt- und dehnbar ist, um die Einprägung in drei Seiten des Deckels
zu überstehen,
- iii. ein rasches Befüllen
des Kapillarraums ermöglicht,
- iv. die Befüllung über eine
Basis mit relativ hydrophober Oberfläche (Kontaktwinkel bis zu 90°) ermöglicht,
- v. die Befüllung
mit Blut ermöglicht,
das Hämatokrit-Werte
von 0 bis 60% aufweist, wenn Blut die Testflüssigkeit ist,
- vi. nicht-klebrig unter Umgebungsbedingungen ist,
- vii. befähigt
ist, aktiviert und durch Hitze gesiegelt zu werden, die durch den
Deckel hindurch aus einer Heißplatte,
mit ca. 165°C,
angewandt wird,
- viii. befähigt
ist, eine gute Bindung mit der Oberfläche des Basismaterials zu bilden,
- ix. nicht stört,
wenn einzelne Sensoren aus einer festen Anordnung eingesetzt werden,
und
- x. die obigen Eigenschaften über
einen hinreichend langen Zeitraum beibehält, um einen Sensor mit angemessener
Lagerungsdauer zu ergeben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Sensor zum
Nachweis eines Analyt in einer fluiden Testprobe, welcher umfasst:
- a) eine isolierende Basisplatte;
- b) eine Elektrodenschicht auf der Basisplatte in operativer
Verbindung mit einem Enzym, das mit dem Analyt reagiert, um bewegliche
Elektronen zu erzeugen; und
- c) einen Deckel aus verformbarem Material, das geprägt worden
ist, um eine konkave Fläche
in einem Teilbereich davon zu ergeben, wobei eine flache Oberfläche zurückbleibt,
die den konkaven Teilbereich in einer solchen Weise umgibt, dass,
beim Zusammenbringen mit der Basis, der Deckel und die Basis einen
Kapillarraum bilden, worin das Enzym zum direkten Kontakt mit der
fluiden Testprobe verfügbar
ist, die in den Kapillarraum durch Kapillarwirkung gezogen wird,
worin der genannte Sensor eine polymere Schicht auf der Unterseite
des Deckels aufweist, um die Bindung des Deckels zur Basis zu erleichtern,
wenn diese zusammengebracht werden, und um die hydrophile Natur
des Kapillarraums zu erhöhen,
um dadurch die Geschwindigkeit zu steigern, mit welcher das Blut
in diesen fließt.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
Konstruktion des Sensors, wovon die vorliegende Erfindung handelt,
ist in 1 dargestellt.
Der Sensor 34 umfasst eine isolierende Basis 36,
auf welche in Abfolge (durch Siebdruck-Techniken) ein elektrisches
Leitmuster 38, ein Elektrodenmuster (39 und 40),
ein isolierendes (dielektrisches) Muster 42 und schließlich eine
Reagensschicht 44 gedruckt sind. Das elektrische leitende
Muster 38 liegt nur gegebenenfalls vor, aber dessen Vorliegen
im Sensor ist bevorzugt, um den Gesamtwiderstand des Sensors zu
verringern. Die Funktion der Reagensschicht ist es, Glucose, oder
einen anderen Analyt, stöchiometrisch
in eine chemische Spezies zu überfüh ren, die,
bezogen auf den erzeugten Strom durch die Komponenten im Elektrodenmuster elektrochemisch
messbar ist. Die zwei Teilstücke 39 und 40 des
Elektroden-Druckstückes
ergeben die zwei Elektroden, die zur elektrochemischen Bestimmung
notwendig sind. Die Elektroden-Tinte, die ca. 14 μm (0,00055'') dick ist, enthält elektrochemisch aktiven
Kohlenstoff. Die Komponenten der Leiter-Tinte sind in typischer
Weise eine Mischung aus Kohlenstoff und Silber und ergeben einen
niedrigen elektrischen Widerstandsweg zwischen den Elektroden und
der Abmessung, über
welche diese in operativer Verbindung stehen, über den Kontakt mit dem Leitermuster
am Fischschwanz-Ende 45 des
Sensors. Die typische Dicke der gesamten Struktur beträgt 6 μm (0,00025''). Die Funktion des dielektrischen Musters
ist es, die Reproduzierbarkeit der Sensor-Ablesung zu erhöhen, indem
die Elektroden von der Testprobe außer in einer definierten Fläche 41 des
Elektrodenmusters isoliert gehalten werden. Die definierte Fläche ist
wichtig in diesem Typ der elektrochemischen Bestimmung, weil die
gemessene Stromstärke
sowohl von der Konzentration des Analyt als auch der Fläche der
Elektrode abhängt,
die der den Analyt enthaltenden Testprobe ausgesetzt wird. Eine
typische dielektrische Schicht umfasst ein UV-gehärtetes Acrylat-modifiziertes
Polyurethan, das ca. 10 μm (0,0004'') dick ist. Die typische Dicke der Elektrodenstruktur
beträgt
6 μm (0,00025''). Der Deckel 46, der geprägt ist,
um einen konkaven Raum 48 zu ergeben, und ein Punktloch
aufweist, um einen Luftzug 50 zu ergeben, wird mit der
Basis 36 durch Heißsiegeln
verbunden. Die Basis und der Deckel werden zunächst angeordnet und dann mittels
einer erhitzten Metallplatte miteinander verpresst, welche so geformt
ist, dass ein Kontakt nur mit den flachen, nicht-geprägten Bereichen
des Deckels 52 hergestellt wird. Die Schicht aus in Wasser
dispergierbarem Polyurethan auf der Bodenoberfläche des Deckels wird dadurch
geschmolzen und dient dazu, den Deckel 46 und die Basis 36 miteinander
bei Kühlung
zu verschmelzen. Die typische Temperatur für die erhitzte Platte beträgt 165°C, wobei
der Druck 2200 p.s.i. beträgt.
Indem der Deckel und die Basis unter diesen Bedingungen der Hitze
und des Drucks 1 1/4 s lang gehalten werden, ergibt sich der gewünschte einheitliche Sensor
mit dem Kapillarraum zur Aufnahme der fluiden Testprobe. Die Polyurethan-Schicht
wird an die oberste dargelegte Schicht (das Dielektrikum 42 mit
gepunkteten Kanten) der Basis unter den flachen Bereichen des Deckels
gebunden. Alternativ dazu, sind die Kanten des Dielektrikums geringfügig verengt
(dargestellt durch eine dielektrische Schicht 42 mit festen
Kanten), wodurch es ermöglicht
wird, dass das Polyurethan an das Material des Elektroden-Druckmusters 40 gebunden
wird. Dies stellt eine be vorzugte Konfiguration dar, weil die Bindungsfestigkeit
zwischen dem Polyurethan-Klebstoff und der Elektroden-Tinte größer als
diejenige zwischen dem Klebstoff und dem dielektrischen Material
ist, um einen leckdichteren Kapillarraum zu ergeben.
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Geeignete
Materialien für
die isolierende Basis schließen
Polycarbonat, Polyethylen und dimensionsstabile Vinyl- und Acrylpolymere
sowie Polymergemische wie Polycarbonat/Polyethylenterephthalat ein.
Der Deckel ist in typischer Weise aus einem verformbaren polymeren
Plattenmaterial wie aus Polycarbonat oder aus Polyethylenterephthalat
oder Glykol-modifiziertem Polyethylenterephthalat mit prägbarer Beschaffenheit gefertigt,
wogegen die dielektrische Schicht aus einem Acrylat-modifizierten
Polyurethan, das durch ultra-violettes (UV)-Licht härtbar ist,
einem Polyurethan, das durch UV-Licht oder Feuchtigkeit härtbar ist,
oder aus einem Vinylpolymer hergestellt sein kann, das in der Wärme härtbar ist.
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Die
Schicht aus in Wasser dispergierbarem Polyurethan auf der Unterseite
des Deckels dient dazu, die hydrophile Natur des Kapillarraums zu
erhöhen
und dessen enges Haften an die Basis entweder durch Bindung an die
dielektrische Schicht oder an das Elektrodenmaterial zu erleichtern.
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Durch
die vorliegende Erfindung lässt
sich der geprägte
Deckel (46, 1)
leicht zur Anwendung bringen, im Gegensatz zur Anwendung eines Abstandshalters
wie in den Sensorelementen des Standes der Technik, in denen, anstatt
der Prägung,
die zwei Seiten des Kapillarraums aus einem Ausschnitt in einem
Abstandshaltermaterial gebildet sind, welcher ebenfalls einen druckempfindlichen
Klebstoff aufweist, um die Basis mit dem Abstandshalter und den
Abstandshalter mit dem Deckel zu verkleben. Durch die Anwendung
des geprägten
Deckels wird es ermöglicht,
die Verwendung eines Extrateilstücks,
d. h. des Abstandshalters, und einer Anzahl von Verarbeitungsstufen
zu vermeiden. Die Stufen, die beim Zusammenbau des einen Abstandshalter aufweisenden
Sensors enthalten sind, sind:
- i. Herstellung
der vollständigen
Elektrodenstrukturen, einschließlich
der Reagensschicht, wobei ein Mittel zur Herbeiführung einer Dochtwirkung auf
das Blut in den Kapillarraum in die oberste Schicht eingeschlossen
werden muss;
- ii. Zufügung
einer zusätzlichen
Schicht, die ein Mittel zur Herbeiführung einer Dochtwirkung auf
das Blut in den Kapillarraum enthält, wobei diese Schicht vermieden
werden kann, falls das Mittel in die Chemie-Schicht eingeschlossen ist;
- iii. Matrizenschnitt eines Kapillarkanals in das Abstandshaltermaterial,
welches in typischer Weise ein Laminat aus Freisetzerschicht/Linierschicht/Klebstoff/Abstandshaltermaterial/Klebstoff/Freisetzerlinierschicht ist;
- iv. Abstreifen der Freisetzerlinierschicht von einer Seite des
Abstandshaltermaterials und Befestigen des Abstandshalters auf der
Basis; und
- v. Abstreifen der Freisetzerlinierschicht und Zusammenbau des
Deckels mit der anderen Seite des Abstandshalters.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Herstellung eines Sensors durch:
- i. Drucken
der Elektroden auf das Basismaterial;
- ii. Überziehen
der unteren Oberfläche
des Deckels mit der bifunktionalen Schicht;
- iii. Prägen
der Oberseite und der Seiten des Kapillarraums in den Deckel;
- iv. Zusammenfügen
des Deckels mit der Basis und Versiegeln durch Anwendung von Hitze
und Druck.
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Der
bifunktionale Überzug
ergibt gemäß der vorliegenden
Erfindung einen nicht-klebrigen Klebstoff im Gegensatz zur Klebrigkeit
eines druckempfindlichen Klebstoffes. Demzufolge braucht eine Freisetzungslinierschicht
vor dem endgültigen
Zusammenbau nicht aufgebracht und dann wieder entfernt zu werden,
und es ergibt sich somit eine drastische Verringerung der Probleme
im Zusammenhang mit einer Sensormontageausrüstung, die durch das Klebstoffmaterial
beeinträchtigt
wird. Demgemäss
können
die Sensoren der vorliegenden Erfindung durch Zusammenfügen einer
Anordnung aus mehreren Deckeln mit einer entsprechenden Anordnung
aus mehreren Basisstücken
gefertigt werden, worauf die einzelnen Sensoren aus der Anordnung
mit einem Prägeverfahren
herausgeschnitten werden. Ein klebriger, druckempfindlicher Klebstoff
wäre mit
dieser Prägestufe
wegen des Aufbaus von Klebstoff in den Matrizen unvereinbar und
würde häufiges Reinigen
und verlorene Produktionszeit bedingen.
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Die
in Wasser dispergierbaren Polyurethane schaffen gemäß der vorliegenden
Erfindung die Befähigung,
auf dem Deckelrohstoffmaterial in einem Muster aufgebracht und angeordnet
zu werden, um eine nicht-klebrige Schicht unter Umgebungsbedingungen
zu bilden. Sie können
zum Verschmelzen der Basis bei einer Temperatur aktiviert werden,
die hinreichend niedrig ist, um eine Beschädigung der Reagenzien in der Reagensschicht
zu vermeiden, wobei eine gute Bindung mit geeigneten langlebigen
Deckelmaterialien gebildet wird, um dadurch eine gute Lagerungsdauer
zu ergeben. Der Überzug
steigert auch die hydrophile Natur des Inneren des Kapillarraums
wegen seiner ionomeren Eigenschaft, die vermutlich verursacht, dass
die Oberfläche
gemäß ihrer
Eigenschaft deutlich ionisch ist. Auf der Grundlage dieser zweifachen
Eigenschaften können
die in Wasser dispergierbaren Polyurethane als ein bifunktionales Überzugsmaterial
bezeichnet werden.
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Die
Reaktion eines Diisocyanats mit äquivalenten
Mengen eines bifunktionellen Alkohols wie Glykol ergibt ein einfaches
lineares Polyurethan. Diese Produkte eignen sich nicht zur Verwendung
bei der Herstellung von Überzügen, Anstrichen
und Elastomeren. Werden einfache Glykole zuerst mit Dicarbonsäuren in
einer Polykondensationsreaktion zur Bildung langkettiger Polyesterdiole
und diese Produkte, die im Allgemeinen ein Durchschnittsmolekulargewicht
von 300 bis 2000 aufweisen, anschließend mit Diisocyanaten umgesetzt, ist
das Ergebnis die Bildung von Polyesterurethanen mit hohem Molekulargewicht.
Polyurethan-Dispersionen sind im Handel seit 1972 wichtig. Polyurethan-Ionomere
eignen sich strukturell zur Herstellung wässriger Zwei-Phasen-Systeme.
Jene Polymeren, die hydrophile ionische Stellen zwischen hauptsächlich hydrophoben Ketten-Segmenten
aufweisen, sind selbstdispergierend und bilden, unter günstigen
Bedingungen, stabile Dispersionen in Wasser ohne die Einwirkung
von Scherkräften
und in der Abwesenheit von Dispergiermitteln. Ein Verfahren zur
Herstellung kationischer Urethane erfolgt durch Reaktion eines Dibromids
mit einem Diamin. Enthält
eine dieser Komponenten ein langkettiges Polyether-Segment, wird
ein Ionomer erhalten. Alternativ dazu, können Polyammoniumpolyurethane
hergestellt werden, indem zuerst ein Polyurethan, das tertiären Stickstoff
enthält,
hergestellt und dann die Stickstoffatome in einer zweiten Stufe
quaterniert werden. Ausgehend von Polyether-basierten NCO-Präpolymeren
werden segmentierte quaternäre
Polyurethane erhalten. In ähnlicher
Weise können
kationische Polyurethane mit tertiären Sulfoniumgruppen hergestellt
werden, wenn t-Aminoglykol durch Thiodiglykol ersetzt wird. Der
ionische Rest oder seine Vorstufe können auch das Diisocyanat oder
Teil eines langkettigen Polyetherdiols sein.
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Zum
Erhalt anionischer Polyurethane werden gewöhnlich Diole, die eine Carbonsäure oder
eine Sulfonatgruppe aufweisen, eingeführt und die sauren Gruppen
anschließend,
z. B. mit tertiären
Aminen, neutralisiert. Sulfonatgruppen werden gewöhnlich über ein
Diaminoalkansulfonat aufgebaut, da diese Verbindungen in Wasser
löslich
sind und die Reaktion mit NCO-Präpolymeren
durch Wasser nicht gegenläufig
beeinflusst wird. Die sich ergebenden Polyurethan-Harze weisen eingebaute
ionische Gruppen auf, die me chanische und chemische Stabilität sowie
gute Filmbildungs- und Klebeeigenschaften ergeben.
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Die
wichtigste Eigenschaft von Polyurethan-Ionomeren ist deren Fähigkeit,
stabile Dispersionen in Wasser spontan unter bestimmten Bedingungen
zu bilden, um ein binäres
Kolloidal-System zu ergeben, worin eine diskontinuierliche Polyurethan-Phase
in einer kontinuierlichen wässrigen
Phase dispergiert ist. Der Durchmesser der dispergierten Polyurethan-Partikel
kann von ca. 10 bis 5.000 nm schwanken.
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Lösungen von
Polyurethan-Ionomeren in polaren Lösungsmitteln wie Aceton, Methylethylketon
und Tetrahydrofuran bilden spontan Dispersionen, wenn Wasser eingerührt wird.
Das organische Lösungsmittel kann
dann abdestilliert werden, um Lösungsmittel-freie
Sole und Latices der Ionomeren zu ergeben. Abhängig von der Gehaltsmenge ionischer
Gruppen und der Konzentration der Lösung, wird die Ionomer-Dispersion durch
Ausfällung
der hydrophoben Segmente oder durch Phasenumkehrungen der anfänglich gebildeten
inversen Emulsion gebildet.
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Zur Überführung einer
organischen Lösung
in eine wässrige
Dispersion wird ein Polyester mit einem Molekulargewicht von 2.000
auf Basis von Adipinsäure
mit überschüssigem Hexamethylendiisocyanat
umgesetzt, um ein NCO-terminiertes
Präpolymer
zu ergeben. Nach der Zugabe einer äquimolaren Menge von N-Methyldiethanolamin,
gelöst
in Aceton, steigt die Viskosität
an, während
die Polyaddition voranschreitet. Mit dem Viskositätsanstieg
werden zusätzliche
Mengen an Aceton zugegeben, um die Mischung rührbar zu halten. Das tertiären Stickstoff
enthaltende segmentierte Polyurethan wird nun mit Dimethylsulfat
quaterniert. Die Bildung des Polyurethan-Ionomers führt zu einem
weiteren Anstieg der Viskosität.
Die ionischen Zentren lagern sich in ähnlicher Weise zusammen wie
diejenigen von Seifen in Paraffinöl bei einem erkennbaren Anstieg
des Molekulargewichts. Wird Wasser langsam zu solch einer Ionomer-Lösung gegeben,
sinkt die Viskosität
während
der Zugabe der ersten wenigen mL Wasser ab. Offenbar ist die ionische
Zusammenlagerung reversibel, und jegliches vorhandene Wasser setzt
die ionische Zusammenlagerung herab, um eine klare Lösung zu
ergeben, worin das Ionomer molekular dispergiert vorliegt. Je mehr
Wasser zugegeben wird, steigt die Viskosität erneut an, obwohl die Konzentration
des Polymers absinkt. Dies stellt die erste Phase der Bildung der
Dispersion dar. Weitere Zugabe von Wasser erzeugt eine Trübung, was
den Beginn der Bildung einer dispergierten Phase anzeigt. Weitere
Wasserzugabe erhöht
die Trübung,
und schließlich
fällt die
Viskosität
ab, da, wegen des weiteren Absinkens der Aceton-Konzentration, die
Agglomerate umgelagert worden sind, um Mikrokugeln zu bilden. In
diesem Zustand gibt es eine kontinuierliche Wasser-Phase und eine
diskontinuierliche Phase aus Polyurethan-Partikeln, die durch Aceton
gequollen sind.
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Die
Endstufe zur Herstellung der wässrigen
Dispersion stellt die Beseitigung von Aceton durch Destillation
dar. Die Trübung
steigt an, und die Viskosität
sinkt ab, weil sich die Polymerkette wieder aufwickelt oder schrumpft.
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Die
physikalischen Eigenschaften der Dispersion hängen von einer Vielzahl von
Parametern wie der chemischen Zusammensetzung, dem Typ und der Menge
der ionischen Gruppen, dem Molekulargewicht und dem Herstellverfahren
ab. Der Durchmesser der Partikel schwankt von ca. 10 nm bis 5 μm, und das
Aussehen der Dispersion kann zwischen einem opaken durchscheinenden
Sol und einer milchigen weißen
Dispersion schwanken. Die Viskosität und die rheologischen Eigenschaften
können
auch in weiten Grenzen schwanken, einschließlich einer Viskosität vom Bingham-Typ
und Rheopexie.
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Ionomere
sind ausgezeichnete Dispergiermittel. Das Aceton-Verfahren funktioniert
gut, sogar wenn nur ein Bruchteil des Polyurethans ionisch ist,
da dieser Teil des Materials die Außenschale der relativ groben Latexpartikel
bildet.
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Das
obige Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Dispersionen ist
universell; alle linearen Polyurethane, die in organischen Lösungsmitteln
synthetisiert werden können,
können
mit ionischen Gruppen modifiziert werden. Wegen seines niedrigen
Siedepunkts und seiner niedrigen Toxizität ist Aceton besonders geeignet
zur Herstellung von Polyurethan-Dispersionen.
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Konstruktion
und Zusammenbau eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung
werden nun gemäß dem folgenden
allgemeinen Beispiel durchgeführt
und angegeben:
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Allgemeines Beispiel
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In
diesem Beispiel wird eine große
Zahl von Sensor-Deckeln aus einem aufgerollten Blatt aus Polycarbonat
gefertigt, das abgerollt worden ist, um eine flache Oberfläche zu ergeben.
Dieses Blatt wird als das Deckelrohstoffmaterial bezeichnet, da
es die Quelle einer Vielzahl von Deckeln darstellt.
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Eine
bifunktionale Überzugslösung, umfassend
eine wässrige
Polyurethan-Dispersion, wird auf der einen Seite eines Polycarbonat-Blattes
(0,0075''/175 μm dick) mit
einem mit Draht umwickelten Stab oder einem Überziehgerät mit Schlitz-Matrize ausgebreitet
und an der Luft getrocknet. Die getrocknete Überzugsdicke liegt im Bereich
von 0,0007'' bis 0,002'' (17 μm
bis 50 μm),
wobei die nasse Überzugsdicke
im Bereich von 0,0014'' bis 0,005'' (35 μm
bis 125 μm)
für einen
typischen Feststoffgehalt von 40 bis 50% liegt. Die Trocknung kann bei
Umgebungstemperatur oder verschärft
unter einem Luftstrom bei 70°C
erfolgen. Die bifunktionale Schicht weist etwas Klebrigkeit für eine kurze
Zeitdauer nach der Trocknung auf, und bei erneuter Aufwicklung des Blattes
werden ein temporäres
Liniermittel oder ein Zwischenblatt in Kontakt mit dem Überzug eingebracht, wobei
der Überzug
in Kontakt mit dem Liniermittel des Polycarbonats vorliegt. Nach
einer Dauer von einigen Stunden geht die anfängliche Klebrigkeit verloren,
und es wird ermöglicht,
dass das Deckelrohstoffmaterial aus Polycarbonat ohne Beschädigung des Überzugs
abgerollt werden kann. Geeignete Materialien für das Liniermittel sind Polyolefine
oder Polyethylenterephthalat in einer Dicke von 0,001 bis 0,003'' (25 bis 75 μm).
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Die
nächste
Stufe des Verfahrens beinhaltet die Prägung konkaver Flächen in
den Deckeln und das Stanzen verschiedener Löcher im Polycarbonat- Blatt zur Registrierung
und Spurenbildung. Das Blatt wird dann in Längsrichtung gespalten, um ein
Band von Sensor-Deckeln in einer Linie zu ergeben, die dann aufgerollt
wird. Es ist wesentlich, dass der Klebstoff nicht-klebrig ist, so dass
er weder an den Präge-
und Stanzwerkzeugen noch an der verkehrten Seite der Polycarbonat-Unterlage
klebt, während
er in Bandform aufgerollt vorliegt. Es ist ebenfalls wesentlich,
dass der Klebstoff keine Ablagerungen aus Gummi auf den Stanz- oder
Prägewerkzeugen
bildet, was häufiges
Reinigen erforderlich machen würde.
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Das
Rohstoffmaterial der Basis, das in typischer Weise aus Polycarbonat
besteht, wird mit verschiedenen Tinten zur Bildung der Elektroden
bedruckt und dann mit einer dielektrischen Schicht in einem vorbestimmten
Muster überzogen,
und zwar so, dass eine gewünschte
Oberfläche
der Elektrode freigelegt bleibt. Das bifunktionale Material muss
am dielektrischen Material kleben, wenn der Deckel direkt mit der
dielektrischen Schicht zusammengebracht wird. Zum Zusammenbau des
Deckel-Rohstoffmaterials mit der Basis wird das kontinuierliche
Band aus dem Deckel-Rohstoffmaterial abgewickelt und durch einen
speziellen Laminator geleitet, wo es registriert und dann mit einem
Streifen aus dem Basis-Rohstoffmaterial unter der Einwirkung von
Hitze und Druck vereinigt wird. Das Heißsiegelverfahren sollte ca.
1 s lang dauern, was einen Klebstoff mit der Befähigung zur sehr raschen Bildung
einer starken und festen Bindung erforderlich macht. Nach dem Heißsiegeln
wird das kontinuierliche Laminatband auf eine Spule aufgewickelt.
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Um
die jeweiligen Sensoren aus dem Laminatband einzeln herzustellen,
wird das Laminat durch ein Stanzgerät geleitet, worin die einzelnen
Sensoren aus dem Band gestanzt und dann in eine Puffer-Zubereitung gegeben
werden, um in eine Folien-Blisterpackung (Durchdrückpackung)
zur Lagerung eingebracht zu werden. Hierbei ist es wiederum wesentlich,
dass der Klebstoff nicht gummiartig wird oder im Kalten auffließt und Ablagerungen
im Stanzmechanismus bildet. Ebenfalls ist es wesentlich, dass der
Klebstoff frei von Klebrigkeit bleibt, so dass der Sensor nicht
mit dem Stanzwerkzeug verklebt und zuverlässig in den und aus dem Puffer in
die Blisterpackung übertragen
wird, aus welcher er später
wieder freigesetzt werden muss. Demzufolge muss der Schmelzpunkt
des Überzugs
hoch genug liegen, um ein zufälliges
Schmelzen und eine sich ergebende Klebrigkeit durch Reibungserwärmung beim
Schmelzverfahren zu verhindern. Ferner muss die Verbindungsstärke des
Klebstoffes zwischen dem Rohstoffmaterial aus dem Deckel und der
Basis fest und stark genug sein, um Delaminierungsschälkräften zu
widerstehen, die beim Stanzvorgang auftreten.
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Im
bevorzugten Verfahren zur Anwendung der Sensoren werden diese in
einer kreisförmigen
Scheibe verpackt, die zehn individuelle Abteilungen (Blister) in
radial sich erstreckender Anordnung aufweist. Die Scheibe ist aus
einem Laminat aus Aluminiumfolie/Kunststoff hergestellt und versiegelt,
um den Sensor von Umgebungsfeuchte und weiteren Sensoren bei einem
Bersten der Folienabdeckung isoliert zu halten, wobei die Scheibe
innerhalb eines speziell konstruierten Geräts montiert wird. Der Sensor
wird durch ein Trocknungsmittel trocken gehalten, das im Inneren
der einzelnen Abteilungen angeordnet wird. Zur Freisetzung eines
Sensors wird ein Messer durch die geborstene Folie hindurch in eine
individuelle verlängerte
Abteilung hinein an dem Ende, das zur Scheibennabe am nächsten liegt,
betätigt
und dann in radialer Richtung hin zum Umkreis des Blisters bewegt.
Dadurch betätigt
das Messer das hintere Ende (den Fischschwanz) des Sensors in diesem
Abteil. Die radiale Führung
des Messers drückt
den Sensorstreifen durch die geborstene Folie und durch Teile des
Geräts
so heraus, dass die Nase des Sensors aus dem Gerät vollkommen herausragt und
zur Aufnahme einer fluiden Testprobe, z. B. von Blut, bereit ist.
Für diese
Stufe ist es wesentlich, dass die Bindung zwischen der Basis und
dem Deckel des Sensors den Scherkräften widersteht, die erzeugt
werden, wenn der Sensor durch die Folie herausbricht. Dieses Verfahren
zur Bereitstellung eines zum Einsatz bereiten Sensors ist vollständiger in
US 5,575,403 beschrieben.
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Schließlich gelangt
die Sensorspitze, die die Öffnung
hin zum Kapillarraum aufweist, in Berührung mit einem kleinen Tropfen
der fluiden Testprobe, die in typischer Weise Blut ist, das durch
einen Stich in den Finger erzeugt wird. Das Blut wird rasch in den
Kapillarraum gezogen, wo die Wechselwirkung mit dem Enzym in Gang
gesetzt wird, und es wird dem Gerät signalisiert, seinen zeitlichen
Ablauf in Gang zu setzen. Es ist wesentlich, dass das Blut sehr
rasch in den Kapillarraum gezogen wird, und zwar unabhängig von
dessen räumlicher
Orientierung, damit der zeitliche Ablauf in Gang gesetzt wird.
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Der
bifunktionale Überzug
beruht gemäß der vorliegenden
Erfindung auf einem in Wasser dispergierbaren Polyurethan, das wie
vorher beschrieben hergestellt wird. Eine besonders geeignete Formulierung
ist Dispercoll U 53 BC, von Bayer AG, das ein lineares aliphatisches
Polyesterurethan auf Basis von Hexamethylendiisocyanat (HDI) und
Isophorondiisocyanat (IPDI) in wässriger
Dispersion mit einem mittleren Partikelgröße von 100 nm ist. Dieses Produkt,
dessen Prozent-Gesamtgewicht der Feststoffe in wässriger Dispersion 40 ± 1 beträgt, weist
eine Viskosität
bei 73°F/23°C (cps/mPa)
(Brookfield LVF, Spindel 2, 30 U/min) von <600 auf. Die weiße flüssige Dispersion weist ein
spezifisches Gewicht von 1,2 g/cm3 auf,
und das Polymer ergibt einen hohen Kristallisationsgrad. Das spezifische
Gewicht der Dispersion beträgt
1,1, ihr pH-Wert beträgt
7, und sie trägt
eine anionische Partikelladung. Die Hersteller empfehlen, die Dispersion
bei einem pH-Wert von 6 bis 8 zu halten, da saure oder hochalkalische
Bedingungen einen Verlust der Eigenschaften wegen eines hydrolytischen
Abbaus des Polymers verursachen können.
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Dispercoll
U, der Handelsname für
einen Bereich wässriger,
kolloidaler Dispersionen von Hydroxylpolyurethanpolymeren mit hohem
Molekulargewicht, ist zur Anwendung in der vorliegenden Erfindung
bevorzugt. Weil sie durch das vorher beschriebene Ionomer-Verfahren
hergestellt werden, enthalten diese Dispersionen nur geringe Mengen
Emulgatoren, wobei sie immer noch eine ausgezeichnete mechanische
und chemische Stabilität
ergeben.
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Verschiedene
weitere Materialien können
mit der Urethan-Dispersion kombiniert werden, um die Klebeeigenschaften
und die Hydrophilie zu erhöhen,
was zur Herstellung der Sensoren nützlich ist. Die Zugabe von
oberflächenaktiven
Mitteln steigert die Benetzbarkeit der Oberfläche des getrockneten Polyurethan-Films, um
die Befähigung
der Testflüssigkeiten
wie von Blut zum Eintritt in den Kapillarraum zu begünstigen.
So eignet sich die Zugabe von oberflächenaktiven Mitteln wie des
Natriumsalzes eines Octylphe noxypolyethoxyethylsulfats (Triton® W30),
einer Fluorkohlenstoffverbindung wie eines Aminperfluoralkylsulfonats
(FluoradTM FC 99), eines Kaliumsalzes eines
Fluoralkylcarboxylats (FluoradTM FC 129)
oder eines anionischen oder neutralen Fluoroberflächenmittels
wie von Zonyl® FSA
oder Zonyl® FSN
zur Begünstigung
der Befähigung
des Kapillarraums, Testfluid einzuziehen, und zur Vermeidung von
Mängeln
beim Überziehverfahren
durch Verbesserung der Benetzung des Substrats. Es gibt einen optimalen
Konzentrationsbereich für
jedes oberflächenaktive
Mittel, d. h., mit welchem eine gute hydrophile Natur im Kapillarraum
des Sensors bereitgestellt, die Bindungsfestigkeit zwischen dem
Deckel und der Basis aber nicht verringert wird. Die Konzentrationen
betragen in typischer Weise 0,05 bis 0,2 Gew.-% der Polyurethan-Dispersion.
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Es
können
ein Sekundärpolymer
oder Copolymer wie Airflex® 400, ein Vinylacetat-Ethylen-Copoylmer, Elvace® 40705
oder 40722 in Mengen bis zu ca. 33 Gew.-% der Dispersion zugefügt werden,
um die Bindung zwischen dem Deckel und der Schicht aus dem dielektrischen
Material zu verstärken.
Vinylacetat-Copolymere, wie Flexbond® 150
von Air Products, können
ebenfalls in Mengen bis zu ca. 10 Gew.-% der Dispersion angewandt
werden, um die Bindungsfestigkeit zwischen dem Deckel und der dielektrischen
Schicht zu erhöhen. Dies
trifft ganz besonders zu, wenn die dielektrische Schicht Silicon-Additive als Entschäumer enthält.
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Verdicker,
wie Acrysol RM-8, das ein Polyurethan-Assoziativ-Verdicker ist,
können
ebenfalls zur Dispersion gegeben werden, um ihre Viskosität zum leichteren Überziehen
zu erhöhen
und einen Bruch der Polyurethan-Schicht beim Trocknen zu verhindern.
Ein Färbemittel,
wie Erioglaucine von Sigma Chemical Company, ein wasserlöslicher
blauer Chromophor, kann dem Überzugsmaterial
als Mittel zur Sichtbarmachung zugefügt werden. In der folgenden
Tabelle A sind acht Formulierungen für den bifunktionalen Überzug angegeben,
der sich zur Herstellung des Sensor eignet, mit welchem die vorliegende
Erfindung befasst ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun durch die folgenden Beispiele noch
weiter erläutert:
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Beispiel I – In Wasser
dispergierbares Polyurethan U53 als die bifunktionale Schicht
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Die
Komponenten wurden in der in Tabelle 1 angegebenen Reihenfolge unter
gründlichem
Vermischen zusammengebracht:
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Die
Lösung
wurde einige h lang stehen gelassen, um eingeschlossene Blasen entweichen
zu lassen, worauf sie auf ein Blatt aus Polycarbonat (0,0075''/190 μm
dick) mit einem #38 Draht-umwickelten Stab aufgebracht wurde, um
eine nasse Dicke von 0,0013 inch zu ergeben. Nach Trocknung bei
50°C über 3 min
unter einem auf 60°C
erhitzten Luftstrom war der Film aus der trockenen Zusammensetzung
0,0013 inch/35 μm
dick. Dieser Film war klebrig, konnte aber mit einem Zwischenblatt
aus Polyethylen aufgerollt werden. Nach einer Zeitspanne von einigen
h wurde dieses Zwischenblatt ohne Beschädigung des Films beseitigt,
und es blieb eine glatte, nicht-klebrige Oberfläche zurück. Dieses Material wurde dann
in mechanischen Werkzeugen gestanzt und geformt, um die geprägte konkave
Gestalt des Deckels zu erzeugen, wie dar gestellt in 1. Eine isolierende Basis aus Polycarbonat
wurde nacheinander mit den folgenden Tinten bedruckt: einem Leitermuster
unter Verwendung einer polymeren Dickfilmzusammensetzung 5085 von
duPont, einem dielektrischen Muster unter Verwendung einer polymeren
Dickfilmzusammensetzung 7102T, ebenfalls von duPont, und mit einem
dielektrischen Muster unter Verwendung von RDMSK 4954 von Norcote.
Dieses Dielektrikum enthält
im Normalfall eine kleine Menge des oberflächenaktiven Mittels Silwet® 77.
Für Versuchszwecke
wurden einige Drucke ohne dieses oberflächenaktive Mittel hergestellt.
Das geprägte
Deckel-Rohstoffmaterial wurde mit dem entsprechenden Bereich des
Basismaterials angeordnet und mit einer heißen Platte bei einer Temperatur
von 165°C
unter Anwendung von ca. 2000 p.s.i. 1 s lang in der Hitze gesiegelt.
Das Deckel-Rohstoffmaterial wurde direkt mit dem dielektrischen Überzug auf
der Basis verschmolzen.
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Der
endgültig
hergestellte Sensor wurde in senkrechter Richtung mit nach unten
gerichteter Kapillaröffnung
montiert, und es wurde ein kleiner Bluttropfen (7 μL) nach oben
gezogen, um die Öffnung
gerade zu berühren.
Die Zeit, die das Blut brauchte, um in senkrechter Richtung nach
oben von vorne nach hinten in der Kapillare (über einen Abstand von 4 mm)
zu fließen,
wurde mit einer Video-Kamera gemessen. Die Befüllungszeiten sind in Tabelle
2 angegeben.
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Zur
Messung der Schälfestigkeit
der Bindung zwischen dem Deckel und der dielektrischen Schicht auf der
Basis wurde eine gesiegelte Fläche
von 0,2 inch × 0,4
inch zwischen dem Deckelrohstoff und der Basis herangezogen, wobei
die Basis festgehalten und der Deckelrohstoff bei einem Winkel von
90° abgeschält wurden.
Die mittlere Kraft in p.l.i. (pounds per linear inch), die notwendig
ist, um dies durchzuführen,
wurde gemessen und ist ebenfalls in Tabelle 2 angegeben.
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In
diesem Versuch wies die Basis keine Reaktionsschicht auf. Trotzdem
zeigte sich eine starke Bindungsfestigkeit und eine sehr rasche
Füllzeit über den
Lagerungsbedingungsbereich von 4° bis
40°. Der
Einschluss des o berflächenaktiven
Mittels Silwet® L-77
in der dielektrischen Schicht hatte eine vernachlässigbare Wirkung.
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Beispiel 2 – In Wasser
dispergierbares Polyurethan, kombiniert mit dem Sekundärpolymer
Flexbond® 845
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Der
Film wurde hergestellt und wie im vorherigen Beispiel mit den in
Tabellen 3 und 4 angegebenen Ergebnissen getestet. Die Testergebnisse
zeigen eine gute Bindungsfestigkeit und ein raschen Befüllen mit Blut
sogar bei einem hohen Hämatokrit-Wert,
wenn dieses bei Kühlschranktemperaturen
gelagert wird. Das Vinyl-Acrylat-Copolymer liegt lediglich gegebenenfalls
zusammen mit dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten bifunktionalen Überzugsmaterial
vor. Es kann in vorteilhafter Weise in Situationen wie denjenigen angewandt
werden, in denen die dielektrische Schicht eine lange beständige Bindung
mit dem Polyurethan bildet.
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Beispiel 3 – In Wasser
dispergierbares Polyurethan U53 mit dem oberflächenaktiven Mittel Triton® W30
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Dieser
Film wurde wie in den vorherigen Beispielen mit den Komponenten
hergestellt, die in der angegebenen Reihenfolge zugegeben wurden.
Die Befüllungszeiten
mit dem hochgestellten Index 1 entsprechen Sensoren ohne die Reagensschicht,
die nach 10 Wochen getestet wurden. Diejenigen Sensoren mit dem hochgestellten
Index 2 wiesen Reagensschichten aus Glucoseoxidase/Kaliumferricyanid
in Poly(ethylenoxid) unterhalb der dielektrischen Schicht auf und
waren teilweise durch die Öffnung
in dieser Schicht hin durch freigelegt. Die Ergebnisse dieses Versuchs
sind in Tabellen 5 und 6 angegeben:
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Diese
Daten belegen die hohe Bindungsfestigkeit und die raschen Füllzeiten
unter allen getesteten Lagerungsbedingungen, sogar mit Blut mit
einem extrem hohen Hämatokrit-Wert.
Das Vorliegen eines oberflächenaktiven
Mittels im Dielektrikum verursacht eine geringfügige Verbesserung bei den Befüllungszeiten.
Dieses Beispiel belegt die guten Befüllungszeiten für Blut mit
sowohl normalem als auch hohem Hämatokrit-Wert, sogar
nachdem der Sensor Belastungen ausgesetzt war. Vier Vergleichssensoren
mit einer Reagensschicht wurden unter Verwendung eines Deckel-Rohstoffmaterials
zusammengebaut, das wie beschrieben gestanzt und geformt worden
war, das aber den bifunktionalen Überzug nicht aufwies. Diese
Sensoren wurden durch doppelseitiges Klebeband zusammengehalten.
Die Befüllungszeit
für diese
frisch hergestellten Sensoren betrug mehr als 11 s, wodurch angezeigt
ist, dass der bifunktionale Überzug
bei der vorliegenden Erfindung zur raschen Befüllung des Kapillarraums entscheidend
ist.
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Beispiel 4 – In Wasser
dispergierbares Polyurethan U53, kombiniert mit dem Sekundär-Copolymer
Airflex® 400,
einer Vinyl-Ethylen-Emulsion, und Fluorad® FC99
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Der
Film wurde wie im ersten Beispiel hergestellt und getestet, mit
der Ausnahme, dass die Basis eine Reaktionsschicht über den
gedruckten Elektroden aufwies. Die Ergebnisse sind in Tabellen 7
und 8 angegeben:
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Die
Daten aus den Tabellen 7 und 8 belegen, dass die Kombination mit
einem weiteren oberflächenaktiven
Mittel und mit einem weiteren Sekundärpolymer ausgezeichnete Befüllungszeiten
mit Blut mit normalem und hohem Hämatokrit-Wert ergibt, ohne
dass eine Aufbewahrung im Kühlschrank
erforderlich ist.
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Beispiel 5 – In Wasser
dispergierbares Polyurethan U54, kombiniert mit Elvace® 40722,
einer Vinylacetat-Ethylen-Emulsion, mit Flexbond® 150,
einer druckempfindlichen Allzweck-Emulsion auf Basis von Polyvinylacetat, und
mit dem oberflächenaktiven
Mittel FluoradTM FC129
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Die
unter Verwendung dieser Formulierung ermittelten Daten sind in den
Tabellen 9 und 10 angegeben:
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Dieses
Beispiel belegt das ausgezeichnete Leistungsvermögen mit einem weiteren unterschiedlichen wasserlöslichen
Polyurethan.