WO2001080728A1 - Device for automatically determining glucose content in blood - Google Patents

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WO2001080728A1
WO2001080728A1 PCT/EP2001/004685 EP0104685W WO0180728A1 WO 2001080728 A1 WO2001080728 A1 WO 2001080728A1 EP 0104685 W EP0104685 W EP 0104685W WO 0180728 A1 WO0180728 A1 WO 0180728A1
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reaction
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Oliver Simons
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SIMONS, Hans-Jürgen
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    • A61B5/14532Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring glucose, e.g. by tissue impedance measurement
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B01L3/502Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
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    • B01L2400/0677Valves, specific forms thereof phase change valves; Meltable, freezing, dissolvable plugs; Destructible barriers

Definitions

  • the invention relates to a device for the automatic determination of the glucose content of the blood by means of photochemical, optical and / or electronic measurement and evaluation methods according to the preamble of claim 1.
  • Blood glucose monitors for self-monitoring are state of the art.
  • a drop of whole blood is usually applied to a test strip, which is then used to determine the glucose concentration.
  • the patient takes blood from the fingertip or the earlobe, for example.
  • the test strip contains a reaction enzyme, for example glucose oxidase.
  • the reaction between blood glucose and enzyme can then be determined photochemically or optically by changing the color of an attached indicator.
  • the measuring range of these devices is usually 20 to 600 mg / dl or 1.1 to 33 mmol / l.
  • the achievable accuracy of the portable devices compared to a laboratory measurement, which is usually carried out using the hexokinase method, is around 10 to 15%.
  • the known devices or devices are disadvantageous for the patient for the following reasons.
  • the blood sugar level of a diabetic patient fluctuates widely during the day.
  • the few measurements that can be carried out during the course of the day, for example two to seven per day, provide too few data points to obtain an assessment of the hyper- and hypoglycic phases.
  • the object of the invention is achieved with a
  • the blood sugar measuring device is designed to be implantable and capable of collecting blood and / or intercellular liquid, mixing it with glucose oxidase or another suitable reaction medium, in order to then evaluate the mixture with regard to the glucose concentration using optical, photochemical or electronic methods ,
  • the device allows a very frequent, quasi-continuous determination of the blood sugar.
  • the measurement data or measurement results obtained can be transmitted inductively or via a high-frequency link to a remote station located outside the body for further processing or evaluation.
  • the data obtained can be used to control an insulin pump, which can also be designed to be implantable.
  • the blood or the intercellular fluid can first be dialyzed before mixing with the reaction medium takes place.
  • the reaction chambers for receiving the reaction medium are extremely small, the diameter, for example, in the range between 50 to 100 micrometers and a height of essentially 0.3 mm.
  • a planned high number of reaction chambers and assignment of the preferably optoelectronic sensors allows a very frequent, quasi-continuous measurement, for example every minute.
  • An integrated control unit can be used to specify the measurement frequency as a function of previously determined blood sugar values, for example to increase the measurement frequency if values outside of a normal or tolerance range have been determined. In the same sense, the number of measurements can be reduced in the normal range when values are determined.
  • the implantable assembly which forms the device for the automatic determination of the glucose content, has a multiplicity of aforementioned microchambers which are filled with the reactant and which are each located above an associated sensor for recognizing the changes in the reactant state. Prechambers for receiving blood or the intercellular fluid are assigned to a respective microchamber, the prechambers being closed with a cover membrane. A device for opening or removing the respective antechamber cover membrane as required then grants the blood or the intercellular liquid access to the reaction mixture.
  • the reactant in the reaction chamber is enclosed by a biomembrane which is permeable to glucose molecules.
  • the underside of the chamber is transparent to the relevant radiation when optoelectronic sensors are used.
  • the device for opening the prechamber cover membrane can comprise an electric heater or electrodes, so that when a voltage is applied the membrane melts, rolls to the edge or is destroyed in the electric field.
  • Each individual chamber or each individual heating device can be controlled separately.
  • a control unit for successively opening the cover membranes is provided, which can interact with a device for data evaluation and wireless transmission of the measurement data.
  • a data memory is provided for the temporary storage of recorded measurement data.
  • the measurement data can be sent on request, for example by querying an acknowledgment signal.
  • blue tooth interfaces are also suitable for data transmission from the implant to the environment, namely to a data receiver with a display device.
  • the implant preferably consists of a multilayer stack arrangement.
  • a first wafer is made with the large number of lation-emitting and radiation-sensitive components assigned to them. Such components can also be an integral part of the wafer.
  • a second wafer then has the plurality of recesses or openings for forming the reaction chambers, the second wafer being located above the first wafer in such a way that the optoelectronic components are in contact with the respective chamber bottoms on the radiation side in order to be able to determine color changes in the reaction mixture. This can also be done using fiber optic cables.
  • a third wafer arranged above the second has the plurality of antechambers for targeted absorption and filling with blood and / or body fluid, each antechamber being spatially assigned to at least one of the reaction chambers.
  • the cover membrane deposited or applied there is then on the surface of the prechamber.
  • Electronic assemblies for are below the first wafer or at least partially integrated therein
  • Control of the optoelectronic components and arranged for data acquisition, storage and transmission.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the implant in
  • FIG. 2 and 5 show a schematic diagram of the closure membranes with heating device and a sectional representation of the antechambers;
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of the
  • Fig. 4 is a schematic representation of a possible
  • Implantation site with interaction of implant and a data evaluation or counter station Implantation site with interaction of implant and a data evaluation or counter station
  • the implant consists of a titanium housing 1 or a plastic housing with a titanium coating.
  • sealing membranes 2 with heating conductors 3 are provided, each of which covers an antechamber 4 at the top.
  • the antechambers have walls made of preferably hydrophilic plastic.
  • a wafer 5 has a multiplicity of reaction chambers which are filled with a reaction enzyme 6.
  • a processor 8 is used for control and signal evaluation.
  • a transmitting device 9 transmits the measurement data to a remote station with a corresponding display device, as shown in principle in the figure.
  • a primary element 10 takes over the power supply of the implant.
  • the implant contains five modules stacked one above the other, the uppermost modules ensuring the supply of body fluid or blood to the actual measuring system.
  • the third module below contains the reaction medium mentioned, which contains the glucose molecules contained in the body fluids ⁇ ⁇ M f- ⁇ I- 1
  • optical radiation designed to be transparent.
  • the biomembrane allows glucose molecules to enter the chamber.
  • the glucose contained in the body fluid reacts with the reaction medium.
  • the reaction enzyme releases a dye in the course of the reaction which was previously chemically bound to the enzyme.
  • the amount of glucose contained in the body fluid defines the color change in the reaction chamber, which is generated by the color indicator bound to the reaction enzyme.
  • synthetically produced glucose imprints or other suitable reaction media can also be used.
  • the optical sensors are designed as silicon wafers below the reaction chambers.
  • Each reaction chamber is assigned a radiation-emitting and a radiation-sensitive component.
  • the color change in the reaction chamber can be measured both in the range of visible light and in the range of infrared radiation.
  • laser diodes can be used.
  • the lowermost module contains a processor and a data memory, the power supply for the implant and a data transmission device.
  • the optical measured values are assigned to a blood sugar value by means of a library and transmitted to a remote station via the transmission module.
  • the use of the frequency range around 27 kHz is also favorable, since the absorption behavior of the body fluid in this frequency range is low. All modules are sealed with a biocompatible material in order to achieve a biologically inactive and diffusion-tight surface of the implant.
  • a tablet type with flattened and rounded edges on all sides is advantageously chosen as the housing shape, since the biological compatibility has already been proven here.
  • the implant can be inserted into the adipose tissue under the skin or directly into the bloodstream.
  • the abdominal region is conceivable here.
  • the implant is preferably powered by a battery as the primary element, but alternatively energy can also be fed from outside the body via an induction field.
  • the frequency of the measurements is regulated as a function of the previously determined blood sugar value. If the values fall below the standard values, a more frequent measurement is carried out in order to identify potentially life-threatening hypoglycemia in good time. The same applies to very high blood sugar levels, which typically occur as postprandial peaks, i.e. immediately after meals. In the case when the blood sugar is in the normal range, measurements in intervals of 10 or 15 minutes are sufficient so that the overall duration of the implant 12 in the body can be increased.
  • the blood glucose values determined are transmitted to a remote station 11 located outside the body by means of a radio signal or another suitable method.
  • This remote station can acknowledge the measured data, save it, indicate warning signals when limit values are exceeded and
  • the measured values are stored in a memory unit of implant 12 and transmitted en bloc when the data connection is resumed.
  • the memory in the implant 12 is dimensioned such that at least one course of the day can be stored.
  • the remote station 11 can be carried around at any time and can exchange data with a personal computer via a suitable interface, so that long-term observation and analysis of the blood sugar course by the attending physician is also possible.
  • a conceivable lighting system for the reaction chambers is to be presented with the aid of FIGS. 6 and 7.
  • An optical system for illuminating and evaluating the reaction in the respective chamber is located under the respective chambers with reagent separated by the aforementioned second biomembrane.
  • a silicon wafer 14 carries a light-emitting diode 15 and at least one photosensitive diode (measuring diode) 16 on an outer edge.
  • the radiation is distributed to all reaction chambers opposite on the wafer. If the optical waveguide (s) 17 is cheap, the entire silicon wafer 14 is illuminated almost uniformly. Opposite each reaction chamber, i.e. At each individual point of view, the optical waveguide in question is designed such that it can be filled approximately halfway with a liquid which has essentially the same refractive index as the optical waveguide.
  • the liquid filling area is identified by the reference symbol 18 and the liquid itself by the reference symbol 19.
  • the liquid 19 can be removed from the corresponding region of the optical waveguide 17 by opening a membrane lying under the liquid container 18. As a result of this removal of the liquid 19, the light now emerges exactly at the defined point at an angle of essentially 90 ° to the optical waveguide path, and radiation energy reaches the reaction chamber in this way.

Abstract

The invention relates to a device for automatically determining glucose content in blood by using photochemical, optical and/or electrochemical measuring and evaluation methods and is characterized by a special implantable module. Said module comprises a multitude of micro-chambers which are filled with a reaction agent (6). Each chamber comprises at least one assigned sensor (7) for identifying changes in the state of the reaction agent. A pre-chamber (4) for receiving blood and/or intercellular fluid is assigned to each micro-chamber, whereby the pre-chambers are sealed by a covering membrane (2). The invention also relates to a device (3) for opening or removing, according to need, each pre-chamber covering membrane (21).

Description

Vorrichtung zur automatischen Bestimmung des Glucosegehalts des Blutes Device for the automatic determination of the blood glucose content
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Bestimmung des Glucosegehalts des Blutes mittels photochemischer, optischer und/oder elektronischer Meß- und Auswerteverfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for the automatic determination of the glucose content of the blood by means of photochemical, optical and / or electronic measurement and evaluation methods according to the preamble of claim 1.
Blutzucker-Meßgeräte zur Selbstkontrolle sind Stand der Technik. Bei derartigen Geräten wird im Regelfall ein Tropfen Vollblut auf einen Teststreifen aufgetragen, mit dessen Hilfe dann eine Bestimmung der Glucosekonzentration erfolgt. Der Patient entnimmt mit Hilfe einer feinen Lanzette Blut beispielsweise aus der Fingerkuppe oder dem Ohrläppchen. Der Teststreifen enthält ein Reaktionsenzym, beispielsweise Glucoseoxidase. Die Reaktion zwischen Blutglucose und Enzym kann dann photochemisch bzw. optisch durch einen Farbumschlag eines beigefügten Indikators bestimmt werden.Blood glucose monitors for self-monitoring are state of the art. In such devices, a drop of whole blood is usually applied to a test strip, which is then used to determine the glucose concentration. With the help of a fine lancet, the patient takes blood from the fingertip or the earlobe, for example. The test strip contains a reaction enzyme, for example glucose oxidase. The reaction between blood glucose and enzyme can then be determined photochemically or optically by changing the color of an attached indicator.
Auch besteht die Möglichkeit, ein Verfallsprodukt der vorstehend bechriebenen Reaktion, nämlich Wasserstoffperoxid, welches an einer Elektrode einen definierten Stromfluß erzeugt, elektronisch zu messen. Die Höhe des Stromflusses erlaubt dann eine mittelbare Bestimmung des Glucosewerts .There is also the possibility of electronically measuring a decay product of the reaction described above, namely hydrogen peroxide, which produces a defined current flow at an electrode. The amount of current flow then allows an indirect determination of the glucose value.
Unabhängig von den gewählten Verfahren des Standes der Technik liegt der Meßbereich dieser Geräte gewöhnlich bei 20 bis 600 mg/dl bzw. 1,1 bis 33 mmol/l. Die erzielbare Genauigkeit der tragbaren Geräte gegenüber einer Labormessung, die zumeist mit Hilfe der Hexokinase-Methode erfolgt, liegt bei etwa 10 bis 15%.Regardless of the selected prior art methods, the measuring range of these devices is usually 20 to 600 mg / dl or 1.1 to 33 mmol / l. The achievable accuracy of the portable devices compared to a laboratory measurement, which is usually carried out using the hexokinase method, is around 10 to 15%.
Die bekannten Geräte oder Vorrichtungen sind für den Patienten aus nachstehenden Gründen nachteilig. Der Blutzuckerspiegel eines Diabetes-Patienten unterliegt im Tagesverlauf starken Schwankungen. Die wenigen im Tagesverlauf durchführbaren Messungen, beispielsweise zwei bis sieben pro Tag, liefern zu wenig Datenpunkte, um eine Einschätzung der hyper- und hypoglykä ischen Phasen zu erhalten. DieThe known devices or devices are disadvantageous for the patient for the following reasons. The blood sugar level of a diabetic patient fluctuates widely during the day. The few measurements that can be carried out during the course of the day, for example two to seven per day, provide too few data points to obtain an assessment of the hyper- and hypoglycic phases. The
Folgen sind langandauernde Überzuckerungen oder versehentliche Unterzuckerungen durch falsche Dosierung der Insulinmenge .The consequences are prolonged hypoglycaemia or accidental hypoglycaemia due to incorrect dosage of the amount of insulin.
Häufige Überzuckerungen führen zu Langzeitschäden wieFrequent high sugar levels lead to long-term damage such as
Sehstörungen, Gefäßerkrankungen und Nekrosen sowie einem erheblich gesteigerten Herzinfarkt- und Schlaganfallrisiko. Bei starker Unterzuckerung wiederum besteht die Gefahr, daß der Patient in ein lebensbedrohliches Koma fällt.Visual disturbances, vascular diseases and necrosis as well as a significantly increased risk of heart attack and stroke. In the case of severe hypoglycaemia, there is a risk that the patient will fall into a life-threatening coma.
Letztendlich ist die mehrfache Messung am Tag für den Patienten schmerzhaft und umständlich. Für jede Messung muß ein Blutstropfen durch Einstich in die Fingerkuppe oder das Ohrläppchen gewonnen werden. Der Patient muß ständig ein Etui mit vielen Utensilien mit sich führen, wozu das Meßgerät, eine Dose mit Teststreifen, ein Vorrat an Glucoseflüssigkeit zur Kalibrierung und Überprüfung der Meßgenauigkeit, Stechlanzetten und ein Stechhilfegerät gehören. Auch ist es bei vielen der bekannten Geräte notwendig, diese zunächst auf die jeweilige Produktionscharge der Teststreifen durch Eingabe eines Codes einzustellen.Ultimately, multiple measurements a day are painful and cumbersome for the patient. A drop of blood must be obtained for each measurement by pricking the fingertip or the earlobe. The patient must always carry a case with many utensils, which includes the measuring device, a can with test strips, a supply of glucose liquid for calibration and checking the measuring accuracy, lancing lancets and a lancing device. With many of the known devices, it is also necessary to first adjust them to the respective production batch of the test strips by entering a code.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur automatischen Bestimmung des Glucosegehalts des Blutes anzugeben, die, ohne den Patienten zu belasten, genaue und reproduzierbare Messungen ermöglicht, so daß eine jeweils optimale und auf den jeweiligen erfaßten Zustand abgestimmte Insulingabe erfolgen kann.From the above, it is therefore an object of the invention to provide a device for the automatic determination of the glucose content of the blood, which enables accurate and reproducible measurements without burdening the patient, so that an optimal and adapted to the respective detected condition insulin can be given ,
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einerThe object of the invention is achieved with a
Vorrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen. Erfindungsgemäß ist das Blutzucker-Meßgerät implantierbar ausgeführt und in der Lage, Blut und/oder interzelluläre Flüssigkeit zu gewinnen, diese mit Glucoseoxidase oder einem anderen geeigneten Reaktionsmedium zu vermischen, um anschließend das Gemisch mit Hilfe optischer, photochemischer oder elektronischer Verfahren hinsichtlich der Glucosekonzentration zu bewerten. Die Vorrichtung erlaubt dabei eine sehr häufige, quasi kontinuierliche Bestimmung des Blutzuckers. Die erhaltenen Meßdaten oder Meßergebnisse können induktiv oder über eine Hochfrequenzstrecke zu einer außerhalb des Körpers befindlichen Gegenstation zur weiteren Verarbeitung oder Bewertung übertragen werden.Device according to the features of claim 1, wherein the subclaims represent at least useful refinements and developments. According to the invention, the blood sugar measuring device is designed to be implantable and capable of collecting blood and / or intercellular liquid, mixing it with glucose oxidase or another suitable reaction medium, in order to then evaluate the mixture with regard to the glucose concentration using optical, photochemical or electronic methods , The device allows a very frequent, quasi-continuous determination of the blood sugar. The measurement data or measurement results obtained can be transmitted inductively or via a high-frequency link to a remote station located outside the body for further processing or evaluation.
Die gewonnenen Daten können für die Steuerung einer Insulinpumpe Verwendung finden, die ebenfalls implantierbar ausgeführt sein kann.The data obtained can be used to control an insulin pump, which can also be designed to be implantable.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Blut oder die interzelluläre Flüssigkeit zunächst dialysiert werden, bevor die Vermischung mit dem Reaktionsmedium stattfindet.In one embodiment of the invention, the blood or the intercellular fluid can first be dialyzed before mixing with the reaction medium takes place.
Die Reaktionskammern zur Aufnahme des Reaktionsmediums sind äußerst klein, wobei der Durchmesser beispielsweise im Bereich zwischen 50 bis 100 Mikrometern liegt bei einer Höhe von im wesentlichen 0,3 mm. Eine vorgesehene hohe Anzahl der Reaktionskämmern und Zuordnen der bevorzugt optoelektronischen Sensoren erlaubt eine sehr häufige, quasi kontinuierliche Messung beispielsweise im Minutentakt.The reaction chambers for receiving the reaction medium are extremely small, the diameter, for example, in the range between 50 to 100 micrometers and a height of essentially 0.3 mm. A planned high number of reaction chambers and assignment of the preferably optoelectronic sensors allows a very frequent, quasi-continuous measurement, for example every minute.
Über eine integrierte Steuereinheit kann die Meßhäufigkeit in Abhängigkeit von vorher bestimmten Blutzuckerwerten vorgegeben werden, um beispielsweise dann die Meßfrequenz zu erhöhen, wenn Werte außerhalb eines Norm- oder Toleranz- bereichs festgestellt wurden. Im selben Sinn kann die Zahl der Messungen bei festgestellten Werten im Normalbereich reduziert werden. Konkret weist die implantierbare Baugruppe, welche die Vorrichtung zur automatischen Bestimmung des Glucosegehalts bildet, eine Vielzahl von vorerwähnten Mikrokammern auf, welche mit dem Reaktionsmittel gefüllt sind und die sich jeweils über einem zugeordneten Sensor zum Erkennen der Veränderungen des Reaktionsmittel-Zustands befinden. Einer jeweiligen Mikrokammer sind Vorkammern zur Aufnahme von Blut oder der interzellulären Flüssigkeit zugeordnet, wobei die Vorkammern mit einer Deckmembran verschlossen sind. Eine Einrichtung zum bedarfsweisen Öffnen bzw. Entfernen der jeweiligen Vorkammer-Deckmembran gewährt dann dem Blut bzw. der interzellulären Flüssigkeit Zutritt zum Reaktionsgemisch.An integrated control unit can be used to specify the measurement frequency as a function of previously determined blood sugar values, for example to increase the measurement frequency if values outside of a normal or tolerance range have been determined. In the same sense, the number of measurements can be reduced in the normal range when values are determined. Specifically, the implantable assembly, which forms the device for the automatic determination of the glucose content, has a multiplicity of aforementioned microchambers which are filled with the reactant and which are each located above an associated sensor for recognizing the changes in the reactant state. Prechambers for receiving blood or the intercellular fluid are assigned to a respective microchamber, the prechambers being closed with a cover membrane. A device for opening or removing the respective antechamber cover membrane as required then grants the blood or the intercellular liquid access to the reaction mixture.
Das Reaktionsmittel in der Reaktionskammer ist von einer für Glucosemoleküle durchlässigen Biomembran eingeschlossen. Die Kammerunterseite ist im Falle der Anwendung optoelektronischer Sensoren für die relevante Strahlung durchlässig.The reactant in the reaction chamber is enclosed by a biomembrane which is permeable to glucose molecules. The underside of the chamber is transparent to the relevant radiation when optoelectronic sensors are used.
Die Einrichtung zum Öffnen der Vorkammer-Deckmembran kann einen elektrischen Heizer oder Elektroden umfassen, so daß beim Anlegen einer Spannung die Membran aufschmilzt, sich zum Rand rollt oder im elektrischen Feld zerstört wird. Dabei ist jede einzelne Kammer bzw. jede einzelne Heizeinrichtung getrennt ansteuerbar. Hierfür ist eine Steuereinheit zum sukzessiven Öffnen der Deckmebranen vorgesehen, die mit einer Einrichtung zur Datenauswertung und drahtlosen Übertragung der Meßdaten zusammenwirken kann.The device for opening the prechamber cover membrane can comprise an electric heater or electrodes, so that when a voltage is applied the membrane melts, rolls to the edge or is destroyed in the electric field. Each individual chamber or each individual heating device can be controlled separately. For this purpose, a control unit for successively opening the cover membranes is provided, which can interact with a device for data evaluation and wireless transmission of the measurement data.
Ein vorgesehener Datenspeicher dient dem temporären Ablegen erfaßter Meßdaten. Die Meßdaten können auf Anforderung abgesetzt werden, indem beispielsweise ein Quittierungssignal abgefragt wird. Für die Datenübertragung vom Implantat zur Umgebung, nämlich zu einem Datenempfänger mit Anzeigeeinrichtung, eignen sich neben induktiven Verfahren auch Blue-tooth- Schnittstellen.A data memory is provided for the temporary storage of recorded measurement data. The measurement data can be sent on request, for example by querying an acknowledgment signal. In addition to inductive methods, blue tooth interfaces are also suitable for data transmission from the implant to the environment, namely to a data receiver with a display device.
Das Implantat besteht bevorzugt aus einer Mehrschicht-Stapelanordnung. Ein erster Wafer ist mit der Vielzahl von strah- lungsemittierenden sowie diesen zugeordneten strahlungssensitiven Bauelementen versehen. Derartige Bauelemente können auch integraler Bestandteil des Wafers sein. Ein zweiter Wafer weist dann die Vielzahl von Ausnehmungen oder Durchbrüchen zur Bildung der Reaktionskammern auf, wobei der zweite Wafer so über dem ersten Wafer befindlich ist, daß die optoelektronischen Bauelemente mit den jeweiligen Kammerböden strahlungsseitig in Kontakt stehen, um Farbveränderungen des Reaktionsgemisches ermitteln zu können. Dies kann auch über Lichtwellenleiter realisiert werden.The implant preferably consists of a multilayer stack arrangement. A first wafer is made with the large number of lation-emitting and radiation-sensitive components assigned to them. Such components can also be an integral part of the wafer. A second wafer then has the plurality of recesses or openings for forming the reaction chambers, the second wafer being located above the first wafer in such a way that the optoelectronic components are in contact with the respective chamber bottoms on the radiation side in order to be able to determine color changes in the reaction mixture. This can also be done using fiber optic cables.
Ein dritter, über dem zweiten angeordneter Wafer weist die Vielzahl von Vorkammern zur gezielten Aufnahme und Füllung mit Blut und/oder Körperflüssigkeit auf, wobei jede Vorkammer räumlich mindestens einer der Reaktionskammern zugeordnet ist. Auf der Vorkammer-Oberfläche befindet sich dann die dort abgeschiedene oder aufgebrachte Deckmembran.A third wafer arranged above the second has the plurality of antechambers for targeted absorption and filling with blood and / or body fluid, each antechamber being spatially assigned to at least one of the reaction chambers. The cover membrane deposited or applied there is then on the surface of the prechamber.
Unterhalb des ersten Wafers oder mindestens teilweise in diesen integriert sind elektronische Baugruppen zurElectronic assemblies for are below the first wafer or at least partially integrated therein
Ansteuerung der optoelektronischen Bauelemente sowie zur Datenakquisition, -abspeicherung und -Übertragung angeordnet.Control of the optoelectronic components and arranged for data acquisition, storage and transmission.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei- spiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment and with the aid of figures.
Hierbei zeigen:Here show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Implantats imFig. 1 is a schematic representation of the implant in
Teilschnitt;Partial section;
Fig. 2 und 5 eine Prinzipdarstellung der Verschlußmembranen mit Heizeinrichtung sowie eine Schnittdar- Stellung der Vorkammern; Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung der2 and 5 show a schematic diagram of the closure membranes with heating device and a sectional representation of the antechambers; Fig. 3 is a schematic sectional view of the
Reaktionskammern mit den darunter befindlichen optoelektronischen Bauelementen;Reaction chambers with the optoelectronic components underneath;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer möglichenFig. 4 is a schematic representation of a possible
Implantationsstelle mit Zusammenwirken von Implantat und einer Datenauswerte- bzw. Gegenstation; undImplantation site with interaction of implant and a data evaluation or counter station; and
Fig. 6 und 7 eine Ausführungsform der optoelektronischen6 and 7 an embodiment of the optoelectronic
Sensorik.Sensors.
Gemäß Fig. 1 besteht das Implantat aus einem Titangehäuse 1 oder einem Kunststoffgehäuse mit Titanbeschichtung. Auf der Oberfläche des Gehäuses sind Verschlußmembranen 2 mit Heizleiter 3 vorgesehen, welche jeweils eine Vorkammer 4 nach oben abdecken. Die Vorkammern weisen Wände aus bevorzugt hydrophilem Kunststoff auf.1, the implant consists of a titanium housing 1 or a plastic housing with a titanium coating. On the surface of the housing, sealing membranes 2 with heating conductors 3 are provided, each of which covers an antechamber 4 at the top. The antechambers have walls made of preferably hydrophilic plastic.
Ein Wafer 5 weist eine Vielzahl von Reaktionskammern auf, die mit einem Reaktionsenzym 6 gefüllt sind.A wafer 5 has a multiplicity of reaction chambers which are filled with a reaction enzyme 6.
An der Unterseite der Reaktionskammern 2, 1 befinden sich optoelektronische Bauelemente 7, welche einerseits Strahlung emittieren und andererseits strahlungssensitiv sind, um einen Farbumschlag des Reaktionsenzyms 6 zu erkennen. Ein Prozessor 8 dient der Steuerung und der Signalbewertung. Eine Sendeeinrichtung 9 überträgt die Meßdaten an eine Gegenstation mit einer entsprechenden Anzeigeeinrichtung, wie in der Figur prinzipiell dargestellt. Ein Primärelement 10 übernimmt die Stromversorgung des Implantats.On the underside of the reaction chambers 2, 1 there are optoelectronic components 7 which on the one hand emit radiation and on the other hand are radiation-sensitive in order to detect a change in color of the reaction enzyme 6. A processor 8 is used for control and signal evaluation. A transmitting device 9 transmits the measurement data to a remote station with a corresponding display device, as shown in principle in the figure. A primary element 10 takes over the power supply of the implant.
Nach dem Ausführungsbeispiel enthält das Implantat fünf übereinander geschichtete Module, wobei die obersten Module für die Zuführung von Körperflüssigkeit oder Blut zu dem eigentlichen Meßsystem sorgen. Das darunter liegende dritte Modul enthält das erwähnte Reaktionsmedium, welches mit den in den Körperflüssigkeiten enthaltenen Glucosemolekülen ω ω M f-υ I-1 According to the exemplary embodiment, the implant contains five modules stacked one above the other, the uppermost modules ensuring the supply of body fluid or blood to the actual measuring system. The third module below contains the reaction medium mentioned, which contains the glucose molecules contained in the body fluids ω ω M f-υ I- 1
Cπ o Cπ o Cπ O Cπ ω σ σCπ o Cπ o Cπ O Cπ ω σ σ
H- H- H-H- H- H-
O Φ HiO Φ Hi
3 Hi3 Hi
Φ o dΦ o d
3 tr CO tr Φ H-3 tr CO tr Φ H-
H ti oH ti o
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Hl i-* I-1 Hl i- * I- 1
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3
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3
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optische Strahlung durchlässig ausgebildet. Die Biomembran erlaubt das Eindringen von Glucosemolekülen in die Kammer.optical radiation designed to be transparent. The biomembrane allows glucose molecules to enter the chamber.
In der Reaktionskämmer reagiert die in der Körperflüssigkeit enthaltene Glucose mit dem Reaktionsmedium. Beim Ausführungsbeispiel setzt das Reaktionsenzym im Laufe der Reaktion einen Farbstoff frei, der zuvor chemisch an das Enzym gebunden wurde. Die Menge der in der Körperflüssigkeit enthaltenen Glucose definiert den Farbumschlag in der Reaktionskammer, welche durch den an das Reaktionsenzym gebundenen Farbindikator erzeugt wird.In the reaction chamber, the glucose contained in the body fluid reacts with the reaction medium. In the exemplary embodiment, the reaction enzyme releases a dye in the course of the reaction which was previously chemically bound to the enzyme. The amount of glucose contained in the body fluid defines the color change in the reaction chamber, which is generated by the color indicator bound to the reaction enzyme.
Alternativ können auch synthetisch erzeugte Glucose-Imprints oder andere geeignete Reaktionsmedien Verwendung finden.Alternatively, synthetically produced glucose imprints or other suitable reaction media can also be used.
Die optischen Sensoren sind als Siliziumwafer unterhalb der Reaktionskämmern ausgebildet. Jeder Reaktionskammer ist ein Strahlungsemittierendes und ein strahlungssensitives Bauelement zugeordnet. Die Messung des Farbumschlags in der Reaktionskammer kann sowohl im Bereich des sichtbaren Lichts als auch im Bereich infraroter Strahlung erfolgen. In vorteilhafter Ausgestaltung können Laserdioden Verwendung finden.The optical sensors are designed as silicon wafers below the reaction chambers. Each reaction chamber is assigned a radiation-emitting and a radiation-sensitive component. The color change in the reaction chamber can be measured both in the range of visible light and in the range of infrared radiation. In an advantageous embodiment, laser diodes can be used.
Neben den genannten optischen Verfahren zur Auswertung kann auch eine photochemische und elektrochemische Analyse genutzt werden.In addition to the optical methods mentioned for evaluation, a photochemical and electrochemical analysis can also be used.
Das unterste Modul enthält, wie erläutert, einen Prozessor sowie einen Datenspeicher, die Stromversorgung des Implantats sowie eine Datenübertragungseinrichtung. Hier werden die optischen Meßwerte mittels einer Bibliothek einem Blutzuckerwert zugeordnet und über das Übertragungsmodul an eine Gegenstation übermittelt. Neben einer Blue-tooth-Schnittstelle ist auch die Nutzung des Frequenzbereichs um 27 kHz günstig, da das Absorptionsverhalten der Körperflüssigkeit in diesem Frequenzbereich gering ist. Der Verschluß aller Module erfolgt mit einem biokompatiblen Werkstoff, um eine biologisch inaktive und diffusionsdichte Oberfläche des Implantats zu erzielen.As explained, the lowermost module contains a processor and a data memory, the power supply for the implant and a data transmission device. Here the optical measured values are assigned to a blood sugar value by means of a library and transmitted to a remote station via the transmission module. In addition to a blue tooth interface, the use of the frequency range around 27 kHz is also favorable, since the absorption behavior of the body fluid in this frequency range is low. All modules are sealed with a biocompatible material in order to achieve a biologically inactive and diffusion-tight surface of the implant.
Als Gehäuseform wird vorteilhafterweise eine Tablettenart mit allseits abgeflachten und verrundeten Kanten gewählt, da hier die biologische Verträglichkeit bereits nachgewiesen ist.A tablet type with flattened and rounded edges on all sides is advantageously chosen as the housing shape, since the biological compatibility has already been proven here.
Das Implantat kann in das Fettgewebe unter die Haut oder unmittelbar in den Blutkreislauf eingesetzt werden. Beispielsweise ist hier die Bauchgegend denkbar. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, das Implantat mit einem Anti- koagulant oder einer weiteren geeigneten Oberfläche zu beschichten, um eine Kapselbildung im Fettgewebe bzw. eine Stehnosenbildung im Blutkreislauf zu vermeiden.The implant can be inserted into the adipose tissue under the skin or directly into the bloodstream. For example, the abdominal region is conceivable here. It is also possible to coat the implant with an anticoagulant or another suitable surface in order to avoid capsule formation in the fatty tissue or formation of a standing socket in the bloodstream.
Mit dem Implantat kann eine quasi kontinuierliche Bestimmung des Glucosegehalts des Blutes bzw. der interzellulären Flüssigkeit und eine unmittelbare Warnung bei abnormalen Werten des Blutzuckerspiegels vorgenommen werden. Durch die miniaturisierte Ausführung der Reaktionskammern und der dazu gehörigen Sensoren kann eine hohe Anzahl von Kammern im Implantat untergebracht werden. Da jede Kammer nur einmal für eine Messung verwendet werden kann, bestimmt die Anzahl der Kammern die Langlebigkeit des Implantats und die mögliche Häufigkeit der Messungen. Bei entsprechender baulicher Ausführung können Messungen im Minutentakt bei gleichzeitiger mehrjähriger Verweildauer des Implantats im Körper des Patienten erreicht werden.With the implant, a quasi-continuous determination of the glucose content of the blood or the intercellular fluid and an immediate warning of abnormal blood glucose levels can be carried out. Due to the miniaturized design of the reaction chambers and the associated sensors, a large number of chambers can be accommodated in the implant. Since each chamber can only be used once for a measurement, the number of chambers determines the longevity of the implant and the possible frequency of the measurements. With the appropriate construction, measurements can be taken every minute with the implant remaining in the patient's body for several years.
Durch unmittelbare wiederholte Messung mit einer hohen Meßfolgefrequenz ergibt sich eine verbesserte Diagnostik und damit eine wesentlich wirksamere Diabetes-Therapie. Langzeitschäden wie Lähmungen, Amputationen, Nierenversagen, Wundheilungsstörungen und Erblindung können vermieden werden.Immediately repeated measurements with a high frequency of measurement sequences result in improved diagnostics and thus a much more effective diabetes therapy. Long-term damage such as paralysis, amputations, kidney failure, wound healing disorders and blindness can be avoided.
Wie ausgeführt, wird das Implantat vorzugsweise durch eine Batterie als Primärelement versorgt, wobei alternativ aber auch Energie über ein Induktionsfeld von außerhalb des Körpers eingespeist werden kann.As stated, the implant is preferably powered by a battery as the primary element, but alternatively energy can also be fed from outside the body via an induction field.
In Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglichkeit, die Häufigkeit der Messungen in Abhängigkeit vom vorher bestimmten Blutzuckerwert zu regeln. So erfolgt bei Unterschreiten der Normwerte eine häufigere Messung, um eine eventuell lebensbedrohliche Hypoglykämie rechtzeitig zu erkennen. Selbiges gilt für sehr hohe Blutzuckerwerte, wie typischer- weise als postprandiale Spitzen auftreten, d.h. unmittelbar nach den Mahlzeiten. In dem Fall, wenn sich der Blutzucker im Normbereich bewegt, sind Messungen im Takt von 10 oder 15 Minuten ausreichend, so daß insgesamt die Verweildauer des Implantats 12 im Körper erhöht werden kann.In an embodiment of the invention, it is possible to regulate the frequency of the measurements as a function of the previously determined blood sugar value. If the values fall below the standard values, a more frequent measurement is carried out in order to identify potentially life-threatening hypoglycemia in good time. The same applies to very high blood sugar levels, which typically occur as postprandial peaks, i.e. immediately after meals. In the case when the blood sugar is in the normal range, measurements in intervals of 10 or 15 minutes are sufficient so that the overall duration of the implant 12 in the body can be increased.
Die ermittelten Blutzuckerwerte werden mittels eines Funksignals oder eines anderen geeigneten Verfahrens an eine außerhalb des Körpers befindliche Gegenstation 11 übertragen. Diese Gegenstation kann die Meßdaten quittieren, speichern, Warnsignale beim Überschreiten von Grenzwerten angeben undThe blood glucose values determined are transmitted to a remote station 11 located outside the body by means of a radio signal or another suitable method. This remote station can acknowledge the measured data, save it, indicate warning signals when limit values are exceeded and
Kurvenverläufe darstellen. Für den Fall einer vorübergehenden Trennung des Datenverkehrs zwischen Implantat 12 und Gegenstation 11 werden die Meßwerte in einer Speichereinheit des Implatants 12 abgelegt und mit Wiederaufnahme der Daten- Verbindung en bloc übermittelt. Der Speicher im Implantat 12 ist so dimensioniert, daß zumindest ein Tagesverlauf abgelegt werden kann.Show curves. In the event of a temporary separation of the data traffic between implant 12 and remote station 11, the measured values are stored in a memory unit of implant 12 and transmitted en bloc when the data connection is resumed. The memory in the implant 12 is dimensioned such that at least one course of the day can be stored.
Die Gegenstation 11 ist tragbar, um sie jederzeit mitzu- führen, und kann über eine geeignete Schnittstelle Daten mit einem Personal-Computer austauschen, so daß auch eine länger- fristige Beobachtung und Analyse des Blutzuckerverlaufs durch den behandelnden Arzt möglich ist.The remote station 11 can be carried around at any time and can exchange data with a personal computer via a suitable interface, so that long-term observation and analysis of the blood sugar course by the attending physician is also possible.
Mit Hilfe der Fig. 6 und 7 soll ein denkbares Beleuchtungssystem für die Reaktionskammern vorgestellt werden. Unter den jeweiligen Kammern mit Reagenzmittel befindet sich durch die vorerwähnte zweite Biomembran abgetrennt ein optisches System zur Beleuchtung und Auswertung der Reaktion in der jeweiligen Kammer.A conceivable lighting system for the reaction chambers is to be presented with the aid of FIGS. 6 and 7. An optical system for illuminating and evaluating the reaction in the respective chamber is located under the respective chambers with reagent separated by the aforementioned second biomembrane.
Hierfür trägt ein Siliziumwafer 14 an einer Außenkante eine lichtemittierende Diode 15 sowie mindestens eine photosensitive Diode (Meßdiode) 16.For this purpose, a silicon wafer 14 carries a light-emitting diode 15 and at least one photosensitive diode (measuring diode) 16 on an outer edge.
Über ein verzweigtes System von auf dem oder in dem Siliziumwafer 14 eingebrachten Lichtwellenleiterbahnen 17 wird die Strahlung an alle auf dem Wafer gegenüberliegenden Reaktionskammern verteilt. Bei günstiger Ausführung des bzw. der Lichtwellenleiter 17 erfolgt eine nahezu gleichmäßige Beleuchtung des gesamten Siliziumwafers 14. Gegenüber jeder Reaktionskammer, d.h. jedem einzelnen Betrachtungspunkt, ist der betreffende Lichtwellenleiter so ausgeführt, daß er jeweils in etwa zur Hälfte mit einer Flüssigkeit füllbar ist, die im wesentlichen den- selben Lichtbrechungsindex wie der Lichtwellenleiter aufweist .Via a branched system of optical waveguide tracks 17 introduced on or in the silicon wafer 14, the radiation is distributed to all reaction chambers opposite on the wafer. If the optical waveguide (s) 17 is cheap, the entire silicon wafer 14 is illuminated almost uniformly. Opposite each reaction chamber, i.e. At each individual point of view, the optical waveguide in question is designed such that it can be filled approximately halfway with a liquid which has essentially the same refractive index as the optical waveguide.
Der Flüssigkeits-Füllungsbereich ist mit dem Bezugszeichen 18 und die Flüssigkeit selbst mit dem Bezugszeichen 19 gekenn- zeichnet.The liquid filling area is identified by the reference symbol 18 and the liquid itself by the reference symbol 19.
Die Flüssigkeit 19 kann durch das Öffnen einer unter dem Flüssigkeitsbehälter 18 liegenden Membran aus dem entsprechenden Bereich des Lichtwellenleiters 17 entfernt werden. Durch diese Entfernung der Flüssigkeit 19 tritt nun das Licht genau an der definierten Stelle unter einem Winkel von im wesentlichen 90° zur Lichtwellenleiterbahn aus, und es gelangt auf diesem Wege Strahlungsenergie in die Reaktionskammer. Durch sequentielles Öffnen aller Membranen können nach und nach alle auf auf einem bzw. über einen Lichtwellenleiter plazierte Kammern beleuchtet werden. The liquid 19 can be removed from the corresponding region of the optical waveguide 17 by opening a membrane lying under the liquid container 18. As a result of this removal of the liquid 19, the light now emerges exactly at the defined point at an angle of essentially 90 ° to the optical waveguide path, and radiation energy reaches the reaction chamber in this way. By sequentially opening all the membranes, all of the chambers placed on one or via an optical waveguide can be gradually illuminated.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur automatischen Bestimmung des Glucosegehalts des Blutes mittels photochemischer, optischer und/oder elektrochemischer Meß- und Auswerteverfahren, gekennzeichnet durch eine implantierbare Baugruppe mit einer Vielzahl von Mikrokammem, welche mit einem Reaktionsmittel gefüllt sind und die jeweils über einen zugeordneten Sensor zum Erkennen der Veränderungen des Reaktionsmittel-Zustands verfügen, einer jeweiligen Mikrokammer zugeordnete Vorkammer zur Aufnahme von Blut und/oder interzellulärer Flüssigkeit, wobei die Vorkammern mit einer Deckmembran verschlossen sind, und eine Einrichtung zum bedarfsweisen Öffnen oder Entfernen der jeweiligen Vorkammer-Deckmembran.1. Device for the automatic determination of the glucose content of the blood by means of photochemical, optical and / or electrochemical measurement and evaluation methods, characterized by an implantable assembly with a large number of microchambers, which are filled with a reactant and which each have an assigned sensor for detecting the Changes in the state of the reactant have a prechamber associated with a respective microchamber for receiving blood and / or intercellular liquid, the prechambers being closed with a cover membrane, and a device for opening or removing the respective prechamber cover membrane as needed.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmittel in der Reaktionskammer von einer für Glucosemoleküle durchlässigen Biomembran eingeschlossen und die Kammerunterseite für optische Strahlung durchlässig ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the reaction medium is enclosed in the reaction chamber by a biomembrane which is permeable to glucose molecules and the underside of the chamber is transparent to optical radiation.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Öffnen der Vorkammer-Deckmembran einen elektrischen Heizer oder Elektroden umfaßt, so daß beim Anlegen einer Spannung die Membran aufschmilzt oder im elektrischen Feld zerstört wird.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the device for opening the prechamber cover membrane comprises an electric heater or electrodes so that the membrane melts or is destroyed in the electric field when a voltage is applied.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit zum sukzessiven Öffnen der Deckmembran und eine Einrichtung zur drahtlosen Übertragung der Meßdaten vorgesehen sind. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a control unit for successively opening the cover membrane and a device for wireless transmission of the measurement data are provided.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Datenspeicher zum mindestens temporären Ablegen erfaßter Meßdaten.5. The device according to claim 4, characterized by a data memory for at least temporarily storing recorded measurement data.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Meßwertschwelle die Anzahl zu öffnender Deckmembranen und damit die Häufigkeit der Meßwerteerfassung festlegt.6. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the control unit determines the number of cover membranes to be opened and thus the frequency of the measurement value acquisition depending on a predeterminable measurement threshold.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Implantat aus einer Mehrschicht-Stapelanordnung besteht.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the implant consists of a multi-layer stack arrangement.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrschicht-Stapelanordnung enthält einen ersten Wafer mit der Vielzahl von strahlungsemit- tierenden sowie diesen zugeordneten strahlungssensitiven Bauelementen, einen zweiten Wafer mit einer Vielzahl von Ausnehmungen oder Durchbrüchen zur Bildung der Reaktionskammern, welcher so über dem ersten Wafer befindlich ist, daß die optoelektronischen Bauelemente mit den jeweiligen Kammerböden optisch in Kontakt stehen, einen dritten, über dem zweiten angeordneten weiteren Wafer mit einer Vielzahl von Vorkammern zur gezielten Aufnahme und Füllung mit Blut und/oder Körperflüssigkeit, wobei jede Vorkammer räumlich einer Reaktionskammer zugeordnet ist, sowie die auf der Vorkammer-Oberfläche abgeschiedene oder aufgebrachte Deckmembran umfaßt.8. The device according to claim 7, characterized in that the multilayer stack arrangement contains a first wafer with the plurality of radiation-emitting and radiation-sensitive components associated therewith, a second wafer with a plurality of recesses or openings to form the reaction chambers, which so about the first wafer is that the optoelectronic components are optically in contact with the respective chamber bottoms, a third further wafer arranged above the second with a large number of prechambers for targeted absorption and filling with blood and / or body fluid, each prechamber spatially one Reaction chamber is assigned, and includes the cover membrane deposited or applied on the prechamber surface.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des ersten Wafers oder mindestens teilweise in diesen integriert eine elektronische Baugruppe zur Ansteuerung der optoelektronischen Bauelemente sowie zur Datenakquisition, Datenabspeicherung und Datenübertragung angeordnet ist.9. The device according to claim 8, characterized in that below the first wafer or at least partially integrated therein an electronic assembly for controlling the optoelectronic components and Data acquisition, data storage and data transmission is arranged.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionskammer-Wafer oberseitig mit der Biomembran und unterseitig mit der strahlungsundurchlässigen Schicht versehen ist. 10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the reaction chamber wafer is provided on the top with the biomembrane and on the underside with the radiation-opaque layer.
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