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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die chemische Analyse von Flüssigkeiten
und insbesondere einen optischen Sensor zur Erfassung des Analytgehalts
biologischer fluider Medien wie von Blut.
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2. Hintergrundinformation
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Die chemische Analyse von Flüssigkeiten,
einschließlich
biologischer fluider Medien wie von Blut, Plasma oder Urin, ist
oft erwünscht
oder notwendig. Sensoren unter Anwendung verschiedener Analysenelemente
zur Erleichterung der Analyse von Flüssigkeiten sind bekannt. Diese
Sensorelemente enthalten oft ein Reagens in entweder einer nassen
oder trockenen Form, das empfindlich gegenüber einer zu analysierenden Substanz
oder einem entsprechenden Merkmal ist, welche hierin als Analyt
bezeichnet werden. Das Reagens bewirkt, bei Kontakt mit einer flüssigen Probe,
die den Analyt enthält,
die Bildung eines gefärbten
Materials oder einer anderen nachweisbaren Änderung in Reaktion auf das
Vorliegen des Analyts. Beispiele trockener Analysen-Sensorelemente
schließen
pH-Teststreifen
und ähnliche
Indikatoren ein, wobei ein Papier oder ein anderer hoch absorbierender
Träger
mit einem Material imprägniert
sind, das chemisch oder auf sonstige Weise reaktiv ist und auf den
Kontakt mit einer Flüssigkeit,
die Wasserstoffionen oder einen anderen Analyt enthält, reagiert
und entweder eine Farbe erzeugt oder sich verfärbt. Spezifische Beispiele
derartiger Teststreifen sind in
EP 0 119 861 B1 , worin ein Test für Bilirubin
beschrieben ist, in
US 5,462,858 ,
worin ein trockener Mehrfachstreifen zur Messung der Transaminase-Aktivität beschrieben
ist, und in
US 5,464,777 offenbart,
worin ein auf Reflexion beruhender Assay für Kreatinin beschrieben ist.
Indem sie einen Bequemlichkeitsfaktor darstellen, indem sie trocken
gelagert werden können
und bei Bedarf gebrauchsfertig sind, werden diese individuellen Testelemente
ganz allgemein in "nasser" Blut- oder Serumchemie
angewandt, wobei die Streifen bei Gebrauch gesättigt werden. Diese Hydratation
und die Erschöpfung
reaktiver chemischer Reagenzien verhindern wirksam deren Wiederverwendung.
Dieser Sachverhalt gestaltet auch die Handhabung und Verfügbarkeit
der Mehrzahl individuell verwendeter Testelemente kompliziert.
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Alternativ dazu, können einige
Analyte mit einem Sensorelement gemessen werden, das nach einer anfänglichen
Benetzung und Eichung und mit Waschvorgängen zwischen den Probendurchläufen wiederholt verwendet
wird. Beispielsweise sind ein wiederverwendbarer elektrochemischer
Sensor für
Sauerstoff in der der Allgemeinheit zugeteilten
US 5,387,329 und ein wiederverwendbarer
elektrochemischer Sensor für
Glucose in der der Allgemeinheit zugeteilten
US 5,601,694 beschrieben. Diese Sensoren
funktionieren im Zusammenwirken mit einem komplexen Teilstück einer
Stützinstrumentierung
zur Durchführung
sich wiederholender Eich- und Waschfunktionen.
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Weitere Analysen-Sensorelemente,
die auf einer optischen Signalreaktion beruhen, sind in
US 4,752,115, 5,043,286 und
5,453,248 und von Papkovsky et al
in Anal. Chem. Vol. 67, S. 4112–4117
(1995) offenbart, welche einen gegenüber Sauerstoff empfindlichen
Farbstoff in einer Polymer-Membran beschreiben, wie dies auch in
der der Allgemeinheit zugeteilten US-Patentanmeldung mit der Nr.
08/617.714 beschrieben ist. Beispiele eines optischen CO
2-Sensors sind in
US 4,824,789, 5,326,531 und
5,506,148 beschrieben. Diese Elemente
wenden eine Polymer-basierte Membranchemie an, um Vorteile bei Lagerung
und kontinuierlicher Verwendung oder Wiederverwendung im Vergleich
mit benetzbaren oder hydratisierten Streifen mit einer Chemie zur
Einzelanwendung zu erzielen. Analysenelemente dieses Typs werden
in typischer Weise für
Mehrfachanwendungen innerhalb einer einzelnen Probenkammer einer
optischen Sensoranordnung angepasst. Im Anwendungsvorgang wird eine
fluide Probe mit unbekanntem Analytgehalt (eine "unbekannte Probe") durch Einführung der Probe in die Probenkammer
getestet, wo sie mit dem Analysenelement in Kontakt gelangt. Dabei wird
eine Änderung
bei den optischen Eigenschaften der Analysenelemente beobachtet.
Eine derartige Beobachtung wird dann mit Eichdaten verglichen, die
vorab durch entsprechende Testung einer Eichflüssigkeit mit bekanntem Analytgehalt
erhalten wurden. Auf diese Weise werden die charakteristischen Eigenschaften
des Analyts von Interesse in der unbekannten Probe ermittelt und
bestimmt.
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Ein Beispiel einer im Einzeleinsatz
erfolgenden optischen Sensoranwendung dieses im Normalfall wiederverwendbaren
Typs ist als "AVL
OPTI 1", erhältlich von
AVL List GmbH aus Graz, Austria, bekannt. Während Sensoren dieses Typs
in vielen Anwendungsfällen
genügend
gut funktionieren können,
sind sie nicht ganz ohne Einschränkungen
anwendbar. Insbe sondere beruhen sie auf nacheinander ablaufenden
Stufen zur Eichung und anschließenden
Ablesung der Probe, wobei jede derartige Sensorvorrichtung vor dem
Test einer unbekannten Probe individuell geeicht werden muss. Diese
technische Vorgehensweise muss wegen Abweichungen und Schwankungen
bei den Analysenelementen von Sensor zur Sensor angewandt und durchgeführt werden.
Diese Varianzen können
einer Vielzahl von Faktoren zugeordnet werden, einschließlich von
Herstellvariablen wie Differenzbeträgen bei den individuellen Losen
und von unterschiedlichen Lagerungsabläufen.
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Der Reihe nach ablaufende Eichung
und Ablesung der Probe können
in problematischer Weise zur Kontaminierung der Probe für den Fall
führen,
dass die Probenkammer und die Analysenelemente zwischen den Probendurchläufen ungenügend gewaschen
werden. Ausserdem ist die Eichung zeitaufwendig und kann die Analyse
der unbekannten Probe verzögern.
Diese Verzögerung
kann in einigen Durchführungsumgebungen
wie z. B. kritischen Pflegerahmenbedingungen besonders unangenehm
sein.
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Ein zusätzlicher Nachteil des der Reihe
nach ablaufenden Ansatzes ist die zeitliche Abweichung oder Zeitverzögerung zwischen
der Testung des Eichmittels und der Testung der unbekannten Probe.
Diese Abweichung kann eine Möglichkeit
für Ungenauigkeiten
bei den Testergebnissen darstellen.
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Ferner machen die verworfenen Waschflüssigkeiten
ca. 80% des Abfalls aus, der mit solchen herkömmlichen Sensor-basierten Testverfahrenstechniken
erzeugt wird. Dieser Abfall wird als biogefährlich eingestuft, besonders
wenn er mit biologischen Proben vermischt ist, und somit ist die
entsprechende Entsorgung relativ teuer, sowohl in wirtschaftlicher
als auch auf die Umwelt bezogener Hinsicht. Dieser Abfall stellt
auch ein mögliches
Gesundheitsrisiko für
das Personal der Gesundheitspflege und für diejenigen dar, die auf sonstige
Weise in Kontakt mit dem Abfall während oder nach der Entsorgung
geraten können.
Somit besteht ein Bedarf für
einen verbesserten optischen Sensor, der die Notwendigkeit zur Serien-Eichung
beseitigt und die Probleme der Abfallerzeugung berücksichtigt,
die mit den Sensoranwendungen des Standes der Technik zusammenhängen, wobei
die Vorteile verfügbarer,
gebrauchsfertiger Vorrichtungen erhalten bleiben.
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In GB-A-1 485 506 (54, 55, 57, 58) ist ein optischer Lesekopf in freier
räumlicher
Nähe zu
einem Gewebe aus einer Vielzahl von Sensorstreifen offenbart.
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In US-A-5 397 538 (1–2, 6) ist ein Gewebe mit einer Vielzahl
von Sensorstreifen offenbart, die sich quer dazu erstrecken und
jeder von einer jeweiligen einer Vielzahl von Kammern so eingeschlossen
ist, dass eine Vielzahl getrennter individueller Ablesungen in jeder
Kammer mit dem entsprechenden Streifen ermöglicht wird.
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In US-A-4 806 491 (3) ist ein Teststreifen mit einer Vielzahl
individueller Reagenszonen auf dessen Oberfläche offenbart.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung wird eine optische Sensoranordnung gemäß den Ansprüchen 1 und 5 bereitgestellt,
die zur Erfassung des Analytgehalts einer Vielzahl von Proben ausgestaltett
ist.
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In einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 13
und 19 zur betrieblichen Anwendung eines optischen Sensors angegeben
und zur Verfügung
gestellt.
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Die obigen und weiteren Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der Lektüre der nun
folgenden detaillierten beschreibung verschiedener Gesichtspunkte
der Erfindung im Zusammenhang mit dem beigefügten Zeichnungen noch unmittelbarer
ersichtlich und erkennbar.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine Draufsicht eines in der vorliegenden Erfindung verwendeten
optischen Sensors;
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2 ist
eine Perspektivansicht einer Ausgestaltungsform einer optischen
Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung, einschließlich des
optischen Sensors von 1 und
einer darin angeordneten Probenkammer;
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3 ist
ein Querschnitt-Aufriss entlang 3–3 aus 2;
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4A ist
eine Perspektivansicht, mit abgeschälten und aufgeklappten Teilbereichen,
einer alternativen Ausgestaltungsform einer optischen Sensoranordnung
der vorliegenden Erfindung, einschließlich des optischen Sensors
von 1 und einer Vielzahl
von darin angeordneten Probenkammern;
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4B ist
eine Ansicht, ähnlich
der von 4A, einer weiteren
alternativen Ausgestaltungsform einer optischen Sensoranordnung
der vorliegenden Erfindung;
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4C ist
eine Ansicht, ähnlich
denen von 4A und 4B, noch einer alternativen
Ausgestaltungsform der optischen Sensoranordnung der vorliegenden
Erfindung;
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5 ist
eine schematische Darstellung eines Teilbereichs einer Testvorrichtung
mit der Befähigung zur
Verwendung in Kombination mit einem in der vorliegenden Erfindung
verwendeten Sensor;
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6 ist
eine schematische Darstellung einer Testvorrichtung, einschließlich des
in 5 gezeigten Teilbereichs
davon, mit der Befähigung
zur Messung des Ausstoßsignals
eines in der vorliegenden Erfindung verwendeten lumineszenten optischen
Sensors;
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7A ist
eine grafische Darstellung der optischen Reaktion eines Teils eines
optischen Sauerstoff-Sensors des in 1 und 4 dargestellten Typs;
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7B ist
eine grafische Darstellung der Reaktion auf wässrige Puffer-Proben des zur
Erstellung der 7A eingesetzten
Teils des optischen Sauerstoff-Sensors;
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8 ist
eine grafische Darstellung der Reaktion eines optischen Sauerstoff-Sensors
des in 1 und 4 dargestellten Typs, welcher
aus einer zweiten unterschiedlichen Membran- und Farbstoff-Formulierung
aufgebaut ist;
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9 ist
eine Reaktionskurve, ähnlich
der von 7B, für ein Kohlendioxid-Sensorteil
eines optischen Sensors des in 1 und 4 dargestellten Typs;
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10 ist
eine grafische Darstellung der Reaktion auf die Ansäuerung des
Fluoreszein-Farbstoffs des in 1 und 4 beschriebenen Teils des
optischen pH-Sensors;
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11 ist
eine grafische Darstellung der gleichzeitigen Reaktion von in der
vorliegenden Erfindung verwendeten Sensoren für drei Analyte für drei unterschiedliche
bekannte Proben; und
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12 ist
eine grafische Reaktionskurve für
einen in der vorliegenden Erfindung verwendeten Einzel-Sauerstoff-Sensorstreifen,
geeicht unter Anwendung mehrerer bekannter Proben, ähnlich den
zur Erstellung von 11 eingesetzten.
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Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausgestaltungen
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Bezüglich der Figuren in den beigefügten Zeichnungen
werden nun beispielhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung
im Folgenden detailliert beschrieben. Zur Klarheit der Darstellungen
sind gleiche Merkmale, die in den beigefügten Zeichnungen angegeben
sind, mit gleichen Bezugsziffern und ähnliche Merkmale, die z. B.
in alternativen Ausgestaltungen in den Zeichnungen angegeben sind,
mit ähnlichen
Bezugsziffern bezeichnet.
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Kurz beschrieben, schließt die vorliegende
Erfindung einen mehrfachen optischen Sensor zur Einzelanwendung
ein, der als Serie kontinuierlicher Sensorstreifen 14 gefertigt
ist, die auf einem Substratgewebe 12 abgelegt sind (1). Eine Probenkammer 16 (2) oder Mehrfach-Probenkammern 116 (4) sind angepasst, um sich
quer über
einen diskreten Teil der Serie von Sensorstreifen 14 zu
erstrecken, um die Analyse einer darin vorgelegten Probe zu erleichtern.
Die Probenkammer 16 kann bewegt bzw. verschoben werden, oder
zusätzliche
Probenkammern können
eingesetzt werden, um anschließende
Messungen weiterer Proben an unbenutzten diskreten Teilbereichen
der Sensorstreifen 14 zu ermöglichen. Die kontinuierliche
Natur der Sensorstreifen ergibt eine Konsistenz entlang ihrer Längen, um
Eichdaten zu ermöglichen,
die aus einem diskreten Teilbereich eines Sensorstreifens 14 erhalten
werden, welcher zum Test und zur Bestimmung des Vorliegens und der
Konzentration von Analyten in einer unbekannten Probe eingesetzt
wird, die an einem weiteren diskreten Teilbereich des Sensorstreifens
vorgelegt ist. Dieser Sachverhalt beseitigt in vorteilhafter Weise
die Notwendigkeit, dass ein besonderer diskreter Teilbereich eines
Sensorstreifens 14 mit mehr als einer Probe in Kontakt
zu bringen ist, um so eine verbesserte Sensorleistung und einen
verringerten Abfall zu ergeben.
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Über
die vorliegende Offenbarung hinweg soll sich der Begriff "Analyt" auf eine Substanz,
Verbindung oder eine charakteristische Eigenschaft wie z. B. den
pH-wert zum Nachweis und/oder zur Messung bezüglich einer flüssigen Probe
beziehen. In ähnlicher
Weise soll sich der Begriff "Konzentration" auf den Gehalt oder Grad
beziehen, mit welchem ein Analyt in einer Probe vorliegt und vorhanden
ist. Der Begriff "axial" oder "longitudinal" soll sich bezüglich eines
Elements der vorliegenden Erfindung auf die relativ lange Abmessung
oder Länge
davon beziehen. Beispielsweise soll sich im Zusammenhang mit einem
in der vorliegenden Erfindung verwendeten optischen Sensor "longitudinal" auf eine Richtung beziehen,
die im Wesentlichen parallel zu dem Sensorstreifen 14 davon
verläuft.
In ähnlicher
Weise soll sich der Begriff "quer" auf eine Richtung
beziehen, die im Wesentlichen senkrecht zur axialen oder longitudinalen
Richtung verläuft.
Ausserdem soll der Begriff "Eichung" oder "Eichprobe" so verstanden werden,
dass damit eine Probe einer im Wesentlichen bekannten Analytzusammensetzung
umfasst wird, unter Einschluß von "QC"- oder "Qualitätskontrolle"-Proben, die gewöhnlich von
den Fachleuten verwendet werden, um dazu beizutragen, die Einheitlichkeit
zwischen den Tests zu gewährleisten.
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Was nun die Zeichnungen im Detail
betrifft, schließt,
wie in 1 dargestellt,
der in der vorliegenden Erfindung verwendete optische Sensor 10 ein
Stütz-
oder Substratgewebe 12 mit einer Vielzahl von Sensorstreifen 14 ein,
die sich longitudinal in parallelem Abstand zueinander erstrecken.
Das Stützgewebe 12 ist
als Platte aus einem Material gefertigt, das in einem vorbestimmten
optischen Spektrum optisch durchsichtig ist, wie dies nun diskutiert
wird. Das Stützgewebe
ist vorzugsweise aus einem für
Flüssigkeiten
und Gase im Wesentlichen undurchllässigen Material, wie z. B.
aus Glas oder einem thermoplastischen Material wie Polyethylenterephthalat
oder SARAN®,
gefertigt.
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Diesbezüglich erkennt der Fachmann,
dass Fertigung und Herstellung des Substratgewebes aus für Gas relativ
durchlässigen
Materialien, wie z. B. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), in unvorteilhafter
Weise die Analyt-Analyse verfälschen
kann. Dies deshalb, weil die Tendenz besteht, dass Analyte aus der
Probe diffundieren oder Umgebungsgase wie atmosphärischer
Sauerstoff (O2) und/oder Kohlendioxid (CO2) aus dem Substrat heraus und in das Sensormaterial
oder die Probe hinein während
der Analyse lecken bzw. gelaugt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung
ist das Substratgewebe 12 als Film aus einem polymeren
Kunststoffmaterial gefertigt, das unter der Handelsmarke Mylar® von
DuPont verkauft wird. Gewebe wurden von ERA Industries INC. aus
Seabrook, NH, erhalten. Zusätzlich
zu der für
Gase im Wesentlichen undurchlässigen
Beschaffenheit ergibt dieses Material in vorteilhafter Weise für das Substratgewebe 12 Flexibilität, was nun
detaillierter diskutiert wird. Das Substratgewebe kann mit einem
einfachen, im Stand der Technik üblichen
Verfahren, wie mit herkömmlichen
Formungs-, Gieß-
und Extrusionsverfahren oder mit weiteren geeigneten Fertigungstechniken
für Filme,
hergestellt werden.
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Jeder Sensorstreifen 14 kann
als Serie diskreter Teilbereiche, wie eine Serie von Punkten, gefertigt sein,
die in einer Reihe angeordnet sind, die sich longitudinal entlang
dem Substratgewebe erstreckt. Alternativ dazu, erstreckt sich in
einer dargestellten bevorzugten Ausführungsform jeder Sensorstreifen 14 im
Wesentlichen kontinuierlich in der Längsrichtung. Jeder Sensorstreifen 14 umfasst
mindestens eine Anzahl von Analysenelementen unter Einschluss von
Substanzen, Verbindungen oder Strukturen, von denen es dem Fachmann bekannt
ist; dass sie gegenüber
einem vorbestimmten Analyt optisch empfindlich sind. Eine solche
optische Empfindlichkeit kann z. B. die Darstellung optisch unterscheidbarer
Reflexionsänderungen,
des Brechungsindex, der Lichtdurchlässigkeit oder in einer bevorzugten
Ausgestaltung der Lumineszenz sein, die ausgestrahltes Licht in
der Form von entweder Phosphoreszenz oder Fluoreszenz umfasst.
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Beispiele von Analyten, die analysiert
werden können,
schließen
BUN (blood urea nitrogen = Blutharnstoff-Stickstoff), Glucose, Calcium
(Ca
++), Kalium (K
+),
Natrium (Na
+), den pH-Wert und die Partialdrücke von Kohlendioxid
(pCO
2) und von Sauerstoff (pO
2)
ein. Bevorzugte Analysenelemente schließen z. B. Analysenelemente
für Kohlendioxid
(pCO
2) gemäß
US 5,387,525 (das 525-Patent): und
5,506,148 (das 148-Patent), ein Analyseelement für den pH-Wert gemäß WO 95/30148
und von Bruno et al aus Anal. Chem. Vol. 69, S. 507–513 (1997)
und ein Analysenelement für
Sauerstoff (pO
2) gemäß US-Anmeldung mit der Nummer 08/617714
ein. Alle diese bevorzugten Analysenelemente strahlen eine charakteristische
Lumineszenz aus, die auf das Vorliegen von deren jeweiligen Analyten
reagiert, wenn einfallendes Licht einer vorbestimmten Spektralwellenlänge oder
eines vorbestimmten Spektralbereichs eingestrahlt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst jeder Sensorstreifen 14 ein Einzel-Analysenelement. Allerdings
ist zu bedenken, dass jeder in der vorliegenden Erfindung verwendete
Sensorstreifen eine Vielzahl von AnAlysenelementen umfassen kann,
wobei jedes der vielen Analysenelemente eine unabhängig messbare
Reaktion auf das Vorliegen von deren jeweiligen Analyten zeigt und
ergibt. Diesbezüglich
kann ein einzelner Sensorstreifen 14 beispielsweise erste,
zweite und dritte Analysenelemente umfassen. Das erste Analysenelement
kann eine erhöhte
Fluoreszenz bei Vorliegen eines ersten Analyt zeigen und ergeben,
wenn einfallendes Licht in einem ersten Spektralbereich eingestrahlt
wird. Das zweite Analysenelement kann eine verminderte Phosphoreszenz
bei Vorliegen eines zweiten Analyt zeigen und ergeben, wenn einfallendes
Licht in einem zweiten Spektralbereich eingestrahlt wird. Das dritte
Analysenelement kann beispielsweise eine weitere optische Reaktion,
wie eine erhöhte
Reflexion, bei vorliegen eines dritten Analyt zeigen und ergeben,
wenn einfallendes Licht in einem vorbestimmten Spektralbereich eingestrahlt
wird.
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Die Sensorstreifen 14 werden
auf das Substratgewebe 12 mit herkömmlichen Mitteln und Maßnahmen entweder
mit Chargen- oder kontinuierlichen Verfahren aufgebracht. Beispielsweise
können
die Streifen 14 mit herkömmlichen Drucktechniken, wie
Seidenraster- oder weiteren lithografischen Verfahrenstechniken,
angewandt und aufgebracht werden. Ebenfalls ist in Betracht zu ziehen,
dass Laser- oder Tintenstrahldrucktechnologien schließlich zur
Aufbringung der Sensorstreifen angewandt werden können. Alternativ
dazu, können
die Streifen mit kontinuierlicher Direktabscheidung oder mit Aufbringverfahren
vom Anstrich-Typ sowie durch Sprüh-Auftragung
aufgebracht werden.
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Beispielsweise kann man, in einer
bevorzugten Ausführungsform,
ein Mikro-Spendersystem des Typs, der im Handel von Gilson, Worthington,
OH, Cavro Scientific Instruments Inc., Sunnyvale, CA, Elder Laboratories
Inc., Napa, CA, IVEK Corp. Springfield, VT, oder von Fluid Metering
Inc., Oyster Bay, NY, erhältlich
ist, sowie weitere handelsübliche
Quellen für
chromatografische Abgabesysteme anwenden. Mit der Betriebsweise
dieser Ausrüstungsgegenstände ist
der Fachmann vertraut. Kurz beschrieben, wird das Material, das
den Sensorstreifen umfasst, der mindestens ein Analysenelement einschließt, in flüssiger Form
zubereitet und in eine Düse
vorbestimmter Größe und Form
eingespeist und auf dem Substratgewebe 12 suspendiert oder
darauf aufgebracht. Die Flüssigkeit
wird aus der Düse
mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit auf das Substratgewebe aufgedrückt, wobei
das Gewebe in Längsrichtung
mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit relativ zur Düse mit entweder
umgekehrten oder gewalzten Gewebetechnologien einer kontinuierlicheren
Art bewegt wird. Dieses Verfahren wird an beabstandeten Orten entlang
der Querabmessung der Breite des Substratgewebes für jeden
Sensorstreifen wiederholt. Die Flüssigkeit wird dann in herkömmlicher
weise getrocknet oder gehärtet,
um einen festen Sensorstreifen 14 zu bilden.
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Während
das vorgenannte Verfahren zur Abscheidung der Sensorstreifen 14 bevorzugt
ist, kann im Wesentlichen jedes Abscheidungsverfahren herangezogen
werden, mit dem es ermöglicht
wird, dass die mechanischen und optischen Eigenschaften der Sensorstreifen 14 im
Wesentlichen konstant über
deren Längen gehalten
werden. Diesbezüglich
werden Parameter wie Streifendicke, -breite, -kontur und -zusammensetzung auf
einem vorbestimmten Niveau gehalten, um eine Sensorreaktion zu ergeben,
die relativ konstant oder identisch an verschiedenen Positionen
entlang der Länge
eines jeden Sensorstreifens 14 ist. Außerdem wird der Fachmann erkennen,
dass die Sensorreaktion besonders konsistent über relativ kurze Streifenabschnitte
ist und bleibt. Mit anderen Worten, wird die Einheitlichkeit der
Reaktion diskreter Teilbereiche eines Sensorstreifens 14 in
gewisser Hinsicht proportional zum räumlichen Abstand dazwischen
sein.
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Was nun 2 betrifft, schließt eine optische Sensoranordnung 14 der
vorliegenden Erfindung eine Probenkammer 16 ein, die zur
Anwendung in Kombination mit einem optischen Sensor 10 angepasst
ist. Die Probenkammer 16 umfasst eine verlängerte,
im Wesentlichen rohrförmige
Aushöhlung 18,
die innerhalb einem verlängerten
Kammerelement 19 angeordnet ist. Die Aushöhlung 18 weist
einen transversalen Querschnitt auf, der sich nominal einheitlich
entlang ihrer Länge
erstreckt und, teilweise, durch eine im Wesentlichen konkave oder
zurückspringende
Oberfläche 21 definiert
ist, wie dies am besten in 3 dargestellt
ist. Über
die vorliegende Offenbarung hinweg, soll sich der Begriff "konkav" auf einen im Wesentlichen
ausgehöhlten
Rücksprung
oder eine Aushöhlung
beziehen, unabhängig
davon, ob deren Oberfläche
gekrümmt
ist oder eine Vielzahl von im Wesentlichen flachen Oberflächen, wie
hierin dargestellt, umfasst. was diesbezüglich 3 betrifft, erstreckt sich die konkave
Oberfläche 21 nach
innen aus einer im Wesentlichen planaren Umfassungsoberfläche 24 des
Kammerelements 19.
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Wie in 2 und 3 dargestellt, ist die Verbindungsoberfläche 24 angepasst,
um in Querrichtung oben zu liegen, vorzugsweise in gleitbarer, Oberfläche-zu-Oberfläche-Verbindung
mit dem Substratgewebe 12 und dem Sensorstreifen 14.
So angeordnet, schließt
ein diskreter Teilbereich des Gewebes 12, einschließlich der Teilbereiche
der Sensorstreifen 14, in wirkungsvoller Weise die konkave
Oberfläche 21 ab,
um so eine longitudinale Seitenwand der rohrförmigen Aushöhlung 18 zu definieren.
Ausserdem sind die Verbindungsoberflächen 24, das Substratgewebe 12 und die
Sensorstreifen 14 jeweils genügend glatt, dass bei Anwendung
einer vorbestimmten Kraft mit der Tendenz, einen derartigen Oberfläche-zu-Oberfläche-Kontakt
aufrecht zu erhalten, ein fluiddichter Verschluss dazwischen aufrecht
erhalten wird. Die Probenkammer 16 ist somit angepasst, eine
fluide Probe in Oberfläche-zu-Oberfläche- oder
in Analyterfassendem Kontakt mit einem diskreten Teilbereich jedes
Sensorstreifens 14 gestützt
zu halten, wie dies nun detaillierter bezüglich der Betriebsweise der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung diskutiert wird.
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Wie in 2 gezeigt,
erstrecken sich Eingangs- und Ausgangsöffnungen 20 bzw. 22 jeweils
durch das Kammerelement 19. Die Öffnungen erstrecken sich jeweils
senkrecht zur und in Verbindung mit der Aushöhlung 18 an deren
gegenüberliegenden
Enden, um den Probenfluss in und aus der Probenkammer 16 zu
erleichtern.
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Wie dargestellt, ist die Probenkammer 16 eine
wiederverwendbare Vorrichtung, die entweder für Mehrfachtests an einem besonderen
diskreten Ort auf dem Sensorstreifen 14 oder, alternativ
dazu, für
eine fortschreitende Bewegung zu frischen (unbenutzten) Teilbereichen
der Sensorstreifen für
nacheinander ablaufende Probentests ausgestaltet ist. Diese alternativen
Testverfahrenstechniken werden nun bezüglich der Betriebsweise der
vorliegenden Erfindung diskutiert.
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Was nun 4A betrifft, ist eine alternative Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung als optische Sensoranordnung 115 dargestellt.
Diese optische Sensoranordnung schließt mehrfache individuelle Probenkammern 116 ein,
die auf dem optischen Sensor 10 vorliegen. Die Sensoranordnung 115 ist
vorzugsweise als Laminat hergestellt, umfassend den optischen Sensor 10,
ein Zwischen- oder Kammergewebe 26 und ein Deckgewebe 28.
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Das Kammergewebe 26 umfasst,
in Kombination mit dem Deckgewebe 28, Probenkammern 116.
Wie dargestellt, ist das Kammergewebe 26 eine verlängerte Platte,
die eine Serie von sich in Querrichtung erstreckenden Aushöhlungen 118 einschließt. Die
Aushöhlungen
sind in vorbestimmten Abständen
voneinander entlang der Länge
des Gewebes beabstandet.
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Das Gewebe 26 ist vorzugsweise
aus einem Material und in ähnlicher
Weise wie das des Substratgewebes 10 hergestellt. Die Aushöhlungen 118 werden
mit einem herkömmlichen
Verfahren gebildet, wie z. B. dadurch, dass das Gewebe 26 herkömmlichen
Verfahrensabläufen
zum Schneiden von Formen unterzogen wird. Alternativ dazu, können für den Fall,
dass das Gewebe 26 durch Formgebungsverfahren hergestellt
wird, die Aushöhlungen 118 integral
damit geformt werden.
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Das Deckgewebe 28 wird in
einer versiegelten, fluiddichten Weise über das Kammergewebe 26 gelegt oder
darauf laminiert. Diese Kombination aus Kammergewebe 26 und
Deckgewebe 28 stattet an wirkungsvoller Weise jede Kammer 116 mit
einem transversalen Querschnitt aus, der durch die konkave Oberfläche 21 definiert
wird, wie dies bereits oben bezüglich 3 beschrieben wurde. Eine
Serie von Eingangs- und Ausgangsbohrungen oder -öffnungen 20 und 22 erstreckt
sich durch das Deckgewebe 28 in Verbindung mit gegenüberliegenden
Enden der Aushöhlungen 118,
wie dies ebenfalls oben bereits diskutiert wurde. Alternativ dazu,
können
die Bohrungen 18 und 22 auch im Substratgewebe 12 selbst
ausgebildet oder in Kombination mit Öffnungen im Deckgewebe 28 angewandt
werden. Das Deckgewebe 28 ist vorzugsweise aus einem Material
und in ähnlicher
Weise wie das von sowohl dem Substratgewebe 12 und dem
Kammergewebe 26 hergestellt. Jede herkömmliche Maßnahme, einschließlich z.
B. Ultraschall und Vibrationsschweißen oder Klebemittel verschiedener
Typen, können
angewandt werden, um das Deckgewebe 28 auf das Kammergewebe 26 zu
laminieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird allerdings
ein herkömmlicher
Klebstoff verwendet, um die Gewebe 26 und 28 miteinander
zu verbinden.
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Das Kammergewebe 26 wird
so auf den optischen Sensor 10 laminiert, dass der Sensor 10 in
wirkungsvoller Weise die konkaven Oberflächen 21 einer jeden
Aushöhlung 118 in ähnlicher
Weise wie der oben bezüglich
der Aushöhlung 18 beschriebenen
Weise abschließt
und versiegelt. Somit sind, anstatt beweglich zu sein, wie dies
für die
oben beschriebene Aushöhlung 18 der
Fall ist, die Aushöhlungen 118 vorzugsweise unbeweglich
oder dauerhaft an beabstandeten Zwischenräumen entlang der Länge des
optischen Sensos 10 angeordnet. Die Art und Weise, wie
das Kammergewebe 26 auf den optischen Sensor 10 laminiert
wird, ähnelt derjenigen,
mit welcher das Kammergewebe 26 an das Deckgewebe 28 gebunden
wird.
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Was nun 4B betrifft, ist eine weitere alternative
Ausgestaltung als optische Sensoranordnung 115' dargestellt.
Die Anordnung 115' ähnelt im
Wesentlichen der optischen Sensoranordnung 115, mit dem
Unterschied, dass die Eingangs- und Ausgangsöffnungen 20' und 22' im Substratgewebe 12 anstatt
im Gewebe 28 angeordnet sind und vorliegen.
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Eine weitere, ähnliche alternative Ausführungsform
ist in 4C als optische
Sensoranordnung 115'' dargestellt.
In der Anordnung 115'' sind einige
der Eingangs- und Ausgangsöffnungen
(d. h. die Ausgangsöffnungen 22,
wie dargestellt) im Gewebe 28 angeordnet, während weitere
der Eingangs- und Ausgangsöffnungen
(d. h. die Eingangsöffnungen 20') im Substratgewebe 12 angeordnet
sind.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
sind beschrieben worden, im Folgenden werden deren Betriebsabläufe beschrieben.
Was nun am Anfang die optische Sensoranordnung 15 betrifft,
wie in 2 und 3 dargestellt, wird eine
Probe, die getestet werden soll, in die Eingangsöffnung 20, wie mit
einer Pumpe (nicht dargestellt, wobei aber die Anwendung von Kapillarkräften oder
negativen oder positiven Drücken
eingeschlossen sein kann), eingeführt. Die Probe wird eingebracht,
bis sie im Wesentlichen die Probenkammer 16 füllt, und
sie wird somit in einen den Analyt erfassenden Kontakt mit einem
diskreten Teilbereich des jeweiligen Sensorstreifens 14 gebracht,
wie dies oben bereits diskutiert wurde. Sobald dies erfolgt ist,
kann eine Vielzahl geeigneter Geräte eingesetzt werden, um die
optische Reaktion der diskreten Teilbereiche zu messen, um das Vorhandensein
und/oder die Konzentration von Analyten in der Probe zu ermitteln
und zu bestimmen. Beispiele derartiger Geräte schließen eine im Handel erhältliche
fluorimetrische Vorrichtung ein, die als Modell LS50-b Spektrofluorimeter
bekannt ist, erhältlich
von Perkin Elmer Corporation aus Norwalk, Connecticut. Ein festes Probenhalterzubehör wurde
spezifisch modifiziert, um die in Streifen angeordneten Filmsensoren
für frontseitige
Fluoreszenzmessungen aufzunehmen. Mit "frontseitig" oder "Frontoberfläche" ist gemeint, dass das Anregungs- und
Ausstrahlungssammeln aus der gleichen Oberfläche erfolgen. Die Beleuchtungs-
und Sammeloptiken ermöglichen
die Übertragung
der Anregungs- und Ausstrahlungssignale durch das Mylar®-Substrat hindurch.
Proben wurden in eine ausgehöhlte
Aluminium-Probenkammer eingebracht, die auf der Seite des Mylar® gegenüber den
Beleuchtungs- und Sammeloptiken angeordnet wurde, wobei deren Öffnung mit
dem Sensorsreifen abgedeckt wurde, so dass die Proben mit dem Streifen
direkt in Kontakt gelangten. Probenmessungen mit dieser Vorrichtung
sind in Beispiel 6 (9)
und Beispiel 8 (10)
angegeben.
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Alternativ dazu, kann die in 5 dargestellte Testvorrichtung 140 angewandt
und eingesetzt werden. Kurz beschrieben, schließt eine derartige Vorrichtung 140 eine
Fließzellenanordnung 60 und
eine Anregungsquelle und ein Detektor-Subsystem 100 wie
das in der US-Anmeldung mit der Nummer 08/617714 offenbarte ein.
Das Subsystem 100 strahlt einen Lichtstrahl mit einer vorbestimmten
Wellenlänge
oder einem vorbestimmten Wellenlängenbereich
aus. Das Licht wird durch das Faseroptikkabel 80 auf die
Oberfläche
des Substratgewebes 10 direkt gegenüber einem Streifen 14 in
der Probenkammer 16 geleitet. Das Licht geht durch das
Gewebe, welches, wie oben bereits erwähnt, im Wesentichen durchsichtig
dafür ist,
wobei das Licht auf einen vorbestimmten Streifen der Sensorstreifen 14 einfällt. Das
einfallende Licht dient dazu, einen Teilbereich des Sensorstreifens 14 anzuregen.
Der Streifen 14 zeigt und ergibt dann eine optische Reaktion,
die Parametern (z. B. dem Vorliegen und/oder der Konzentration)
des vorbestimmten Analyt in der in der Probenkammer vorgelegten
Probe entspricht. Diese optische Reaktion wird vom Detektor-Subsystem 100 aufgenommen
und empfangen.
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Die Eichinformation für die optische
Sensoranordnung wird durch Einbringen einer Eichprobe oder eines
Eichmittels mit bekannter Analytzusammensetzung in die Probenkammer
und durch Messung der Reaktion der Sensorstreifen darauf in einer
Weise erhalten, die der Testung einer unbekannten Probe im Wesentlichen ähnelt.
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Was nun 5 und 6 betrifft,
werden die Testvorrichtungskomponenten 60 und 100 nun
in weiterem Detail beschrieben. Wie in 5 dargestellt, ist die Fließzellenanordnung 60 angepasst,
um einen optischen Sensor 10 zur Messung aufzunehmen. Strahlung
oder Licht, die auf das Substratgewebe 12 einfallen und
aus dem Streifen 14 wieder ausgestrahlt werden, werden
jeweils zu und aus einer Quelle und dem Nachweis-Subsystem 100 durch ein Faseroptikkabel 80 geleitet.
Das Kabel 80 schließt
einen Kern 82, eine Umhüllung 84 und
einen Schaft 86 ein, worin der Kern 82 und die
Umhüllung 84 aus
entweder Glas- oder Kunststoffpolymermaterialien beschaffen sein
können.
Das Kabel 80 ist in eine Basis 62 eingebettet,
die vorzugsweise eine nur niedrige Durchlässigkeit für Gase und eine flache Oberfläche zum
Kontakt mit dem Substrat 12 aufweist. Die Basis 62 kann
aus Edelstahl oder einem anderen harten, thermisch leitfähigen Material
sein, welches die Befähigung
aufweist, zur Temperatursteuerung der Membran 14 behilflich
zu sein. Die Quellenstrahlung aus Kabel 80 geht durch das
Substrat 12 und regt die in der Membran 14 dispergierten
Lumineszenz-Farbstoffmoleküle
an. Das verlängerte
Element 19, einschließlich
der Probenkammer 16, wird flach gegen den optischen Sensor 10 gedrückt, wie
dies bereits oben diskutiert wurde. Alternativ dazu, kann eine Sensoranordnung 115 (4), einschließlich der
Probenkammern 116 (4),
angewandt und eingesetzt werden. Die Proben können durch die Eingangs- und
Ausgangsöffnungen 20 und 22 eintreten
und anschließend
wieder austreten. Das Signal aus jedem individuellen Streifen 14 wird
dann durch das Kabel 80 übertragen und zur Quelle und
zum Detektor-Subsystem 100 zurückgeleitet.
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Bezugnehmend auf 6, ist die Messvorrichtung 140 aus
einer Fließzellenanordnung 60 mit
einem Quellen- und Detektor-Subsystem 100 zusammengesetzt.
Für das
optische Quellen- und Detektor-Subsystem 100 werden eine
LED-Quelle 152 und eine Linse 154 angewandt, um
Anregungslicht durch einen Filter 162 in den einen Ast 182 des
Faseroptik-Bündels 180 (erhältlich von
American Laubscher Corp., Farmingdale, NY) zu leiten. Das lumineszente
oder ausgestrahlte Lichtsignal, das aus dem Sensor 10 herab
zu Faserkabel 80 und Ast 184 zurückkehrt,
geht durch den Filter 168 und die Öffnung 158 vor dem
Nachweis durch die Fotodiode 172. Der Ausstoßstrom des
Emissionsdetektors 172 wird mit einem Vorverstärker 174,
wie einem Stanford Research SR570-Stromvorverstärker, verstärkt, in einen Spannungswert überführt und
zur Anwendung in der Analyse wiedergegeben. Beispielsweise wäre, bei
dem den pH-Wert erfassenden Farbstoff Fluoreszein, der in enem Sensorstreifen
verwendet wird, eine Panasonic® -Blau-LED (P389ND, erhältlich von
Digikey, Theif River Falls, MN) für die Quelle 152 bevorzugt.
Ein 485 nm Zentralenwellenlänge-Filter
mit einer Halbbandenbreite von 22 nm (erhältlich von Omega Optical, Brattleboro,
VT) wäre
für den
Filter 162 und ein 535 nm Zentalwellenlänge-Filter mit einer Halbbandenbreite
von 35 nm, ebenfalls erhältlich
von Omega Optical, Brattleboro, VT, wäre für den Filter 168 bevorzugt.
Es sollte ebenfalls auf der Hand liegen, dass jeder individuelle
Sensorstreifen, worin ein anderer Farbstoff zur Anwendung gelangt,
seine eigene bevorzugte LED-Quelle 152, seinen eigenen
bevorzugten Anregungsinterferenzfilter 162 und Emissionsinterferenzfilter 68 erforderlich
macht. Während
besondere Anordnungen optischer Quellen- und Nachweissysteme hierin
offenbart worden sind, sind weitere gleichwertige Instrumentensysteme
dem Fachmann bekannt und sollen im Umfang der vorliegenden Erfindung
liegen.
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Die Testverfahrensabläufe erfolgen
an jedem Sensorstreifen 14 in der Probenkammer 16,
entweder der Reihe nach oder parallel, um alle der vorbestimmten
Analyten zu testen. Sobald die Analyse beendet ist, entfernt das
Pumpmittel die Probe aus der Kammer 16 durch die Ausgangsöffnung 22.
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Die Analyse anschließender Proben
sowie die vorgenannte Analyse einer Eichprobe können in einer Weise durchgeführt werden,
die für
Sensoren des Standes der Technik üblich ist. Die Probenkammer 16 kann nämlich mit
Waschflüssigkeit
gespült
werden, um Spuren der vorherigen Probe aus der Probenkammer und den
Sensorstreifen zu entfernen. Die Probenkammer 16 und die
gleichen diskreten Teilbereiche der Probenstreifen 14,
mit denen die Probenkammer überschichtet
ist, können
für eine
anschließende
Testprobe wiederverwendet werden. Auf diese Weise kann die Sensoranordnung 15 als
eine herkömmliche
Vorrichtung zur "Mehrfachverwendung" fungieren. Alternativ
dazu, schließt
die vorliegende Erfindung die Anwendung des optischen Sensors 10 als
eine "Vorrichtung
zur mehrfachen Einzelverwendung" ein,
in welcher anschließende Tests
an diskreten unbenutzten Teilbereichen der Sensorstreifen 14 durchgeführt werden
können.
Diesbezüglich
kann, nachdem das Testverfahren beendet ist, die Probenkammer 16 gewaschen
und genügend
gut getrocknet werden, um jegliche Probenspuren aus dem Kammerelement 19 zu
klären
und eine Mitschleppung von Flüssigkeit
zur nächsten
gewählten
Position zu verhindern. Die Probenkammer 16 kann dann relativ
zur Länge
des optischen Sensors 10 bewegt werden, um die Aushöhlung 18 in
einem unbenützten
Teilbereich der Sensorstreifen 14 darüber anzuordnen. Sobald dies
so angeordnet ist, kann eine anschließende Probe in die Probenkammer 16 zur
Analyt-Analyse eingespeist werden. Diese Stufen können wiederholt
durchgeführt
werden, so dass ein frischer diskreter Teilbereich eines jeden Sensorstreifens 14 für jede Probe
(Eichmittel oder unbekannte Probe) entweder der Reihe nach oder
gleichzeitig eingesetzt wird.
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Allerdings wird die vorliegende Erfindung
vorzugsweise in dem Modus einer "mehrfachen
Einzelverwendung" eingesetzt
und angewandt, wenn sie mit Vorkehrungen für eine Vielzahl von Probenkammern 116 kombiniert
ist, wie dargestellt in 4,
um zu bewerkstelligen, dass jede Probenkammer nur 1 Mal verwendet wird.
Dies beseitigt namentlich die Notwendigkeit für Waschvorgänge, und jede Probenkammer
wird in wirkungsvoller weise zu einem Abfallbehälter für ihre eigene Probe. Ausserdem
beseitigt dieser Sachverhalt im Wesentlichen die Möglichkeit
zur Kreuz-Kontamination von Proben, was bei wiederholtem Einsatz
der Probenkammern vorommt, wie hierin oben bereits erwähnt.
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Einen zusätzlichen Vorteil dieser Konstruktion
stellt die Fähigkeit
dar, parallele Testverfahren bei unbekannten und Eichproben durchzuführen. Diesbezüglich können Probenkammern 116,
die nahe und vorzugsweise benachbart angeordnet sind, nacheinander
zur Testung von Eichproben und unbekannten Proben eingesetzt und
angewandt werden. Eine solche parallele, gleichzeitige Testverfahrensweise
ergibt eine zusätzliche
Genauigkeit beim Testverfahren, die mit Vorrichtungen des Standes
der Technik nicht verfügbar
war, indem in wirkungsvoller weise jegliche Ungenauigkeiten bei
der Sensorreaktion, die durch zeitliche Abweichungen zwischen Tests
von Eich- und unbekannten Proben verursacht werden, beseitigt sind.
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Ausserdem können, in einer weiteren Variation,
sowohl die Sensoranordnung 15 (2) als auch die Sensoranordnung 115 (4) an mehrfachen diskreten
Teilbereichen entlang den Längen
der Sensorstreifen 14 geeicht werden. Dies ergibt in vorteilhafter
Weise zusätzliche
Datenpunkte zur erhöhten
Genauigkeit der Eichinformation. Diesbezüglich können zur noch weiteren Genauigkeit,
Eichproben in Kammern getestet werden, die an gegenüberliegenden
Seiten einer und benachbart zu einer Probenkammer angeordnet vorliegen, die
eine unbekannte Probe enthält.
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Diese Mehrfachpositionseichung erleichtert
auch die Anwendung diskreter Eichproben mit unterschiedlichen Kombinationen
von darin vorgelegten Analyten. Dieser Sachverhalt ergibt die Tendenz,
dass die Stabilität
der individuellen Eichmischungen erhöht wird, indem eine Trennung
von Analyten, wie z. B. von Glucose und Sauerstoff, ermöglicht wird.
Der Fachmann wird erkennen, dass die Gegenwart von Sauerstoff in
einer Glucose-Lösung
eine Tendenz ergibt, dass oxidatives Mikroorganismenwachstum begünstigt wird.
Somit ist es von Vorteil, Sauerstoff- und Glucose-Eichlösungen getrennt
zu halten. Im Allgemeinen kann eine erste Eichprobe mit einer ersten
vorbestimmten Kombination von Analyten und eine zweite Eichprobe
kann mit einer zweiten vorbestimmten Kombination von Analyten vorgesehen
sein und bereitgestellt werden. Die ersten und zweiten Eichproben
werden dann gleichzeitig an diskreten Positionen von Sensorstreifen 14 getestet.
Die Daten, die aus dem Test dieser getrennten Eichproben erhalten
werden, können
zur Analyse von Testergebnissen für unbekannte Proben an den
gleichen oder weiteren diskreten Positionen entlang den Sensorstreifen 14 kombiniert
werden.
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Somit beruht, wie hierin oben bereits
diskutiert wurde, anstatt auf zeitlicher Stabilität zu beruhen,
die vorliegende Erfindung auf räumlicher
Stabilität,
nämlich
auf der Annahme, dass Sensorbereiche, die nahe zueinander entlang
den Sensorstreifen angeordnet sind, im Wesentlichen identische Reaktionscharakteristika zeigen
und ergeben. Dieser Sachverhalt wird durch die Abscheidung der Analysenelemente
als im Wesentlichen kontinuierliche Sensorstreifen 14,
wie hierin oben bereits diskutiert, mit erhöhter Genauigkeit ermöglicht, was,
wie gewünscht,
durch die Anwendung benachbarter Probenkammern 116 für die jeweiligen
Test- und Eichverfahren bewerkstelligt wird.
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Ausserdem ermöglicht die Kombination räumlicher
und zeitlicher Nähe
bei diesen Messungen die Anwendung herkömmlicher differenzieller und
verhältnissmetrischer
Techniken, um deren Genauigkeit und Präzision noch weiter zu verbessern.
Insbesondere ist es durch Einführung
und Messung einer unbekannten Probe und eines Eichmittels in die
jeweiligen Probenkammern zur gleichen Zeit möglich, die Reaktionsdynamiken des
Eichmittels gegenüber
der unbekannten Probe gleichzeitig zu beobachten und zu vergleichen,
um die Genauigkeit der Messung des Reaktionsverhaltens noch weiter
zu steigern.
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Die Konstruktion der vorliegenden
Erfindung richtet sich auch auf das Problem von Abweichungen bei der
Lagerungsgeschichte, welche dazu neigen, dass das Leistungsvermögen und
die Konsistenz von Sensoren des Standes der Technik beeinträchtigt werden.
Beispielsweise können
ansonsten identische Sensoren des Standes der Technik unterschiedliche
Zeiträume
lang gelagert oder Veränderungen
bei den Umweltbedingungen (z. B. unterschiedlicher Temperatur, Feuchtigkeit
oder Strahlung) während
der Lagerung ausgesetzt worden sein, was die Konsistenz unter den
Sensoren beeinflussen kann. Durch die Fertigung und Herstellung der
Analysenelemente als namentlich kontinuierliche Streifen auf einem
Einzelsubstrat ergibt die vorliegende Erfindung die Tendenz, dass
gewährleistet
ist, dass jeder diskrete Teilbereich der Sensorstreifen 14 eine
identische Lagerungsgeschichte hat, um die Sensorkonsistenz weiter
zu verbessern.
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Ausserdem ergeben die vorliegende
Erfindung und insbesondere die Sensoranordnung 115 einen
wesentlichen Vorteil bezüglich
der Abfallverringerung. Wie hierin oben bereits erwähnt, umfassen
ca. 80% des Abfalls im Zusammenhang mit Sensoren des Standes der
Technik Waschflüssigkeit,
die verwendet wird, um die Probenkammer und die Analysenelemente
zwischen unbekannten Proben zu reinigen. Ein solcher Abfall wird
im Allgemeinen als biogefährlich
klassifiziert, was relativ rigorose und teure Sonderbehandlungsmaßnahmen
erforderlich macht. Indem die Notwendigkeit zum Waschen durch die
Konstruktion individualisierter Probenkammern 116 im Wesentlichen
verringert oder beseitigt wird, wie hierin oben bereits diskutiert,
wird durch die vorliegende Erfindung in wirkungsvoller Weise biogefährlicher
Abfall im Vergleich mit Vorrichtungen des Standes der Technik unter
wünschenswerten
Kosten- und Sicherheitsverbesserungen verringert und herabgesetzt.
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Die folgenden veranschaulichenden
Beispiele sollen bestimmte Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung
darlegen. Es sollte selbstverständlich
sein, dass diese Beispiele keine Einschränkung darstellen. In den Beispielen
wurden Sensorstreifen 14 auf einem 75 μm (Mikrometer) dicken Mylar®-Substratgewebe 12 abgeschieden,
das mit einer IVEK LS-Tafel
positioniuert wurde. Die Abscheidung der Polymer- und Farbstoff-Formulierungen wurde
mit einem Mikro-Spendersystem des oben bereits diskutierten Typs
durchgeführt.
Beispiele der Konstruktion in Streifen angeordneter Sensormembranen
und Darlegungen ihrer Funktionalität werden im Folgenden angegeben:
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Beispiel 1
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In 1 mL Lösungsmittel Tetrahydrofuran
(THF) von Alrich (Milwaukee, WI) wurden 100 mg Polystyrol (MG =
280000, erhalten von Scientific Polymer Products Inc. in Ontario,
NY) und 2 mg des Sauerstoff erfassenden Farbstoffs Octaethyl-Pt-porphyrinketon
(OEPK) vom Joanneum Research Institute in Graz, Austria, gelöst. Die
Viskosität
der Lösung
betrug 37 Centipoise (cps), gemessen an einem Brookfield RVDVIIIC/P-Rheometer.
Die Mischung wurde dann durch eine Düse in einem Abstand von 75 μm über einem
klaren Mylar®-Film mit
einer Geschwindigkeit von 5 mL/s mit einem Digispense 2000-Pump-System
von IVEK abgeschieden, um einen Streifen bei einer Lineargeschwindigkeit
von 50 mm/s mit einer Breite von ca. 2 mm und einer Dicke von ca.
5 μm nach
Trocknung zu erzeugen. Nach Lufttrocknung wurden die Streifen bei
110°C 1
h lang unter einem Vakuum gehärtet
und abgekühlt,
wobei alle Lösungsmittelspuren
entfernt wurden. Die entstandenen Sauerstoff erfassenden Streifen
waren durchsichtig und hell purpurrot.
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Beispiel 2
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Ein Sensorstreifen aus Beispiel 1
wurde in die in 5 beschriebene
Messvorrichtung gegeben, mit dem Unterschied aber, dass diese die
entsprechende gelbe LED-Quelle, einen Omega 585DF20-Anregungsfilter
und einen Omega 750DF50-Emissionsfilter für den Farbstoff Octaethyl-Pt-porphyrinketon enthielt.
Ein fließender
Gasstrom mit unterschiedlichen Sauerstoff-Partialdrücken von
0, 100, 26, 12, 7, 12, 26, 100 und schließlich wieder 0% Sauerstoff
wurde über
den Sensor geleitet, und es wurde die aus dem Farbstoff ausgestrahlte
Lumineszenz aufgenommen. Die Lumineszenz-Quenchspur in 7A wurde herangezogen, um
eine Stern-Volmer-Quench-Konstante
von 0,026 (mmHg)–1 abzuleiten. Die Anwendung
der in Streifen angeordneten, Sauerstoff erfassenden Membran auf
doppelte wässrige
Pufferproben, abgetönt
auf Partialdrücke
von 92, 43 und 171 mmHg Sauerstoff, erzeugte ebenfalls rasche und
reversible Reaktionen, wie dokumentiert in 7B, welche dazu herangezogen werden konnten,
um die Menge des gelösten
Sauerstoffes in der Lösung quantitativ
zu bestimmen.
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Beispiel 3
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Ein Erfassungsstreifen für den Analyt
Sauerstoff wurde wie folgt konstruiert. Der Farbstoff Octaethyl-Pt-prophyrin
wurde gemäß den in
J. Molecular Spectroscopy 35: 3 S. 359–375 (1970) beschriebenen Verfahren
synthetisiert. Das Styrol/Acrylnitril-Copolymer mit MG = 165000,
enthaltend 25% Acrylnitril, wurde von Scientific Polymer Products
Inc., Ontario, New York, erhalten. Eine Mischung aus 2 mg Farbstoff
und 100 mg Copolymer, gelöst
in 1 mL THF, wurde auf einem Mylar®-Film
wie in Beispiel 1 abgeschieden.
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Beispiel 4
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Ein Sensorstreifen aus Beispiel 3
wurde in die oben in 5 beschriebene
Messvorrichtung gegeben, und es wurde ein fließender Gasstrom mit Sauerstoff-Partialdrücken von
0, 26 und schließlich
100 Sauerstoff über
den Sensor geleitet. Die Lumineszenz, ausgestrahlt mit grünem Anregungslicht
von 540 nm aus dem Octaethyl-Pt-Porphyrin-Farbstoff, wurde bei 650
nm kontinuierlich gemessen, und es wurde die Lumineszenz-Quenchspur aufgenommen,
wie in 8 dargestellt.
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Beispiel 5
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Ein Analysenelement für CO2 wurde im Wesentlichen wie in den oben zitierten
525 und 148-Patenten hergestellt. Es wurde eine 7%-ige Lösung (gewichtbezogen)
von Ethylcellulose durch Auflösen
von 7 g davon in 100 mL einer 7 : 3-Toluol-Ethanol-Mischung hergestellt.
Zu dieser Lösung
wurden 5 mg Hydroxypyrentrisulfonsäure (HPTS) gegeben. 2 mL Tetrabutylammoniumhydroxid
wurden zu der Mischung gegeben. Die Lösung wurde in Streifen mit
einer Lineargeschwindigkeit von 50 mm/s mit einer Auftragsgeschwidigkeit
der Lösung von
5 mL/s mit einer Düse
im Abstand von 75 μm über dem
Substrat aufgebracht. Nach Lufttrocknung über Nacht ergaben sich sehr
schwach grüne
Streifen zur Erfassung von CO2.
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Beispiel 6
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Ein Teil des in Streifen angeordneten
CO2-Sensors aus Beispiel 5 wurde in eine
optische Kammer auf einem Perkin Elmer LS-50B-Sectrofluorimeter gegeben. Frontoberflächenbeleuchtungs-
und Sammeloptiken ergaben, dass die Anregungssignale mit 460 nm
und die Emissionssignale mit 506 mm durch das Mylar®-Substrat
geleitet wurden. Abgetönte
Flüssigkeitsproben
wurden in eine ausgehöhlte
Aluminium-Probenkammer mit einer Öffnung eingebracht, die von
Sensorstreifen bedeckt war. Die Einleitung und Erhöhung von
CO2-Partialdrucken auf 5,66 und 8,33 CO2 verursachten reversible Fluoreszenzänderungen,
wie in 9 dokumentiert.
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Beispiel 7
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50 mg eines pH-empfindlichen Copolymers
aus N,N-Dimethylacrylamid- und
N-t-Butylacrylamid-Monomeren mit einem kovalent gebundenen 4-Acryl-amidofluoreszein
wurden in 1 mL THF in der von Alder et al in der oben zitierten
WO 95/30148 beschriebenen Weise aufgelöst. Die Polymer-Lösung wurde
in Streifen mit einer Geschwindigkeit von 50 mm/s mit einer Ausbringgeschwindigkeit
von 4 mL/s aus einem Düsenkopf
im Abstand von 100 μm über dem
Mylar®-Film
aufgebracht. Nach Verdampfung des Lösungsmittels waren die Streifen
eigentlich farblos, solange sie benetzt waren, und sie wurden schwach
grün mit
einer basischen wässrigen
Probe zur Messung.
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Beispiel 8
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Ein in Streifen angeordneter pH-Sensor,
der wie in Beispiel 7 konstruiert war, wurde ferner in die Probenvorrichtung
gegeben und mit dem Perkin Elmer LS50-B in ähnlicher Weise wie in Beispiel
6 gemessen. In diesem Fall wurde die Anregungswellenlänge auf
485 mm festgelegt, und es wurde die Emission bei 530 mm aufgenommen,
wobei nach einander Pufferproben mit einem pH-Wert von 7,5, 7,1,
6,8, 7,1 und 7,5 in den Sensor eingebracht wurden. Die reversible
Fluoreszenz-Quenchung des Ansäuerung
durch Fluoreszein-Sensorfarbstoffs durch die Proben ist in 10 dargestellt.
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Beispiel 9
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Mit den in Beispielen 3, 5 und 7
beschriebenen Streifverfahren wurde eine Serie paralleler Sensorstreifen
für Sauerstoff,
Kohlendioxid und den pH-Wert auf einen Mylar®-Film
in ähnlicher
Weise wie in 1 abgelegt.
Ein 150 μm
dicker Film aus Mylar® mit doppelseitigem Klebeband,
was eine Gesamtdicke von 210 μm ergab,
wurde mit einer Serie paralleler Ausschnitte quer zur Längsrichtung
des Films ausgestanzt, um das Zwischengewebe 26 zu bilden.
Dieses Zwischengewebe wurde dann auf einem Klarfilm aus Mylar® zur
Bildung des Deckgewebes 28 fixiert, und es wurde eine Serie
von Löchern
gestanzt, und zwar jeweils eines an jedem Ende der parallelen Ausschnitte.
In der endgültigen
Zusammenbaustufe wurde der Film mit den Sensorstreifen als letzte
Sandwich-Schicht auf den Boden mit der Sensorseite in Kontakt mit
den transversalen Ausschnitten auf der Zwischenschicht gelegt, wie
in 4 dargestellt, wodurch
die Probenkammern 118 mit einer Tiefe von ca. 210 μm gebildet
wurden. Für
die Messungen und Analyt-Bestimmungen wurde diese Sensoranordnung
anschließend
in ein Gerät
mit mehreren faseroptischen Bündelanordnungen,
die parallel zu den Probenkammern verliefen, gegeben. Die entsprechende
Farbanregungs- und Sammeloptik wurde direkt unterhalb des entsprechenden
Streifens, der gemessen wurde, angeordnet, wie dies in 5 dargestellt ist. Während der
Längsbewegung
der Anordnung mit den Sensorstreifen und Probenkammern war ein Stab
mit einer Einlass- und Ausgangsöffnung über die
Portallöcher
auf dem klaren Mylar®-Film (Deckgewebe 28)
geklammert, und es wurde eine individuelle Probenkammer mit einem
einzelnen Eichmittel oder einer einzelnen Probe befällt. Für Demonstrationszwecke
dienten Ampullenröhrchen
der Certain® Plus-Standards
von Chiron Diagnostics sowohl als Eichmittel als auch als Proben
mit bekannten Werten. Die Röhrchen
wurden geöffnet
und in die Probenlöcher über den
Sensorstreifen gesaugt. Die Werte für Level 1 entsprachen pH =
7,151, pCO2 = 68,9 mmHg und pO2 =
69,0 mmHg. Die Werte für
Level 3 entsprachen pH = 7,409, pCO2 = 40,1
mmHg und pO2 = 104,5 mmHg. Die gleichzeitige
Reaktion der Sensoren auf Änderungen
beim Eichmittel ist in 11 dargestellt.
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Beispiel 10
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Mit dem in Beispiel 9 beschriebenen
Sensorformat und der Vorgehensweise wurde eine Standard-Reaktionskurve
für einen
Einzelsensor erhalten, der mit drei bekannten Certain®-Standards,
entsprechend 71,6, 107,7 und 144,5 mmHg Sauerstoff, geeicht wurde,
was durch die ausgezogene Gerade in 12 dargestellt ist.
Die optische Sensoranordnung wurde dann auf eine neue Position verschoben,
und es wurde eine weitere, aber bekannte Probe auf eine frische
Position auf jedem Sensorstreifen angesaugt. Diese werden durch
die einzelnen Sensor-Punktreaktionen dargestellt. Tabelle 1 zeigt
den Vergleich der gemessenen Werte, die dann mit dem Eichalgorithmus
berechnet wurden. Obwohl die Eichung für 1 Sensor durchgeführt wurde,
wurde der Algorithmus auf getrennte individuelle Sensorpositionen
entlang des Streifens angewandt, und zwar jede mit nur einer Einzelmessung
-
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Die vorstehende Beschreibung dient
in erster Linie der Veranschaulichung. Obwohl die Erfindung unter
Bezug auf eine entsprechende beispielhafte Ausgestaltung dargelegt
und beschrieben worden ist, sollte es für den Fachmann klar sein, dass
die vorstehenden und verschiedene weitere Änderungen, Weglassungen und
Hinzufügungen
in der entsprechenden Form und dem entsprechenden Detail durchgeführt werden
können,
ohne vom Umfang der Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen abzuweichen.
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Für
die so beschriebene Erfindung gelten die Patentansprüche 1 bis
27.