DE19680548B4

DE19680548B4 - Mobiles Handgerät mit Biosensor

Info

Publication number: DE19680548B4
Application number: DE19680548T
Authority: DE
Inventors: Norbert Klimes; Dorothea Pfeiffer; Jan Szeponik; Jürgen Nentwig; Frieder Scheller
Original assignee: ABT Advanced Bioanalytical Technology GmbH
Current assignee: ABT ADVANCED BIOANALYTICAL TECHNOLOGY GMBH, 01454
Priority date: 1995-07-10
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2016-01-27
Also published as: CN1205478C; CN1194035A; US6171238B1; DE29511566U1; AU713539B2; WO1997003355A1; EP0842421B1; DE19680548D2; ES2251726T3; ATE306665T1; HK1017425A1; AU4714596A; EP0842421A1

Abstract

Mobiles Handgerät mit Biosensor, insbesondere für die dezentrale Bestimmung von originalen biologischen Lösungen mit
einem amperometrischen Biosensor (33),
einer Meßzelle (11),
Vorrats- (19) und Abfallbeutel (18) für frische und verbrauchte Systemlösung,
einer Pumpe (4),
einem Schlauch-Transportsystem (21),
einer Probenöffnung (24) und einem Probekanal (25), wobei sich der Biosensor (33)
unmittelbar unter der Probenöffnung (24) befindet,
einem Bedienungshebel mit Ventilfunktion (8),
einer Membrantauschvorrichtung (26, 27, 28, 29)
einem Display (1),
drei Bedienungselementen (12, 13, 14),
einem 9V-Accumulator (16),
einem Solarzellen- bzw. Netzteilanschluß (3),
einer Auswerteeinheit für die Signalerfassung und den Gesamtablauf des Meßprozesses (2) und
einem Gehäuse (15), in dem die erwähnten Vorrichtungsteile untergebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Handgerät zur Untersuchung von biologischen Flüssigkeiten wie Vollblut, Liquor, Urin und Serum ohne aufwendige Präanalytik mit Hilfe von elektrochemischen Biosensoren.

Biosensoren werden seit geraumer Zeit als empfindliche und selektive Detektionsmethoden in der Analytik, insbesondere der medizinischen Diagnostik verwendet. Dazu werden die entsprechenden Biosensoren in Analysatoren eingebracht, die in zentralen Laboratorien mit hohem Probenanfall eine schnelle, preiswerte und vor allem richtige Untersuchung der entsprechenden Parameter zulassen. Ein Probendurchsatz von 80 – 180/h ist dazu in der Regel notwendig.

Die Analysatoren basieren auf unterschiedlichen Prinzipien. Größtenteils arbeiten sie mit einem kontinuierlichen, luftsegmentierten Fluß der entsprechenden hochverdünnten Laborproben, das heißt die Methode bedarf mit der notwendigen Verdünnung des Analysenmaterials einer Vorbereitung der zu untersuchenden Lösungen (z.B. Vollblut). Einzelproben sind auf diesen Aparaturen sehr aufwendig zu analysieren, da die Effektivität der Analysatoren erst nach der Inbetriebnahme bei Abarbeiten hoher Probenzahlen zum Tragen kommt (ESAT, EBIO, ECA).

Weiterhin sind Anordnungen bekannt, die Einzelproben, auch ohne Präanalytik, messen können, die allerdings auf Grund von hohem integrierten Meßkomfort sehr unbeweglich und damit für den dezentralen Einsatz unbrauchbar sind (YSI, NOVA-stat).

Gegenwärtig kommerzialisierte mobile Systeme vgl. z.B. DE 42 27 323 A1 , DE 42 27 338 A1 , DE 41 15 792 A1 , DE 41 15 795 A1 sind mit integrierten Biosensoren auf Grund von hohem Meßkomfort (interne Kalibrierung) zu teuer, haben zu hohen Wartungsaufwand und arbeiten mit zu großen Transportwegen für die zu messende Probe. Daraus ergeben sich neben einem relativ hohen Preis Verzögerungen und Verunreinigungen, die sich nachteilig auf die analytische Qualität auswirken.

Die im dezentralen Einsatz befindlichen Meßsysteme zur Bestimmung von Parametern wie Glucose und Lactat basieren momentan alle auf nicht wiederverwendbaren Verbrauchsmaterialien (Teststreifen, photometrisch; Streifenelektrode, amperometrisch). Damit ist die Analyse durch den Preis des Teststreifens determiniert und der Teststreifen ist nicht kalibrierbar, da nur einmal verwendbar.

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, die technische Lösung für die Realisierung eines dezentral einsetzbaren Gerätes zur Untersuchung von Blut, Urin, Liquor ohne Präanalytik und wiederverwendbarem Biosensor zu schaffen, das sich durch einen niedrigen Preis als auch niedrigstem Wartungsaufwand auszeichnet.

Die Aufgabe wird durch die Konstruktion eines Handgerätes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das Handgerät besteht aus einer fest verankerten Elektrode, die mit einer austauschbaren Biomembran bedeckt ist, einem Systemlösungs-Vorratsbeutel und einem Abfallbeutel, einer Pumpe, einem Schlauch-Transportsystem, einem Bedienhebel mit Ventilfunktion, drei Bedienelementen, einem Display und einer Steuereinheit für die Signalerfassung und den Gesamtablauf.

Das Gerät arbeitet mit einer Temperaturkompensation, so daß veränderte Empfindlichkeiten des Biosensors über Schwankungen der Umgebungstemperaturen im Bereich von 15 °C bis 35 °C auf der Basis einer Signal-Temperatur-Funktion ausgeglichen werden.

Als Vorratsbeutel für die Systemlösung sowie für den Abfall werden bevorzugt verschweißte PE-Folien verwendet, wobei das Vorratsvolumen ca 1/3 und das Abfallvolumen ca. 2/3 des Gesamtvolumens einnimmt. Die Öffnung der Beutel erfolgt beim Einsatz in das Handgerät durch eine Kanüle. Beim Neueinsatz eines Vorratsbeutels ist die zweite Hälfte des PE-Beutels leer. In dem Maße wie der Vorrat zum Reinigen der Meßzelle verbraucht wird, wird der Abfallbeutel gefüllt. Nach vollständigem Verbrauch der Systemlösung wird der Gesamtbeutel entsorgt.

Die festverankerte Elektrode ist eine Pt-Ag/AgCl-Elektrode vom Typ einer CLARK-Elektrode. Mit dem Kombinieren mit einer konfektionierten Biomembran durch einfaches Auflegen derselben wird die Elektrode zum Biosensor, der entsprechend dem verwendeten Biomolekül verschiedene Substanzen registrieren kann.

Zur Durchführung einer Messung wird der Bedienhebel aus der Ruheposition B in Position A gebracht und damit das Fließsystem geöffnet. Durch Drehen der Pumpe in die Stellung I wird die Elektrode mit dem Wegsaugen der davorstehenden Systemlösung in den meßbereiten Zustand versetzt.

Die Zuführung der zu analysierenden Probe erfolgt durch Einstellen der frisch genommenen Probe in eine Kapillare in die Probeöffnung des Handgerätes, die sich unmittelbar über dem Biosensor befindet. Anschließend wird die Pumpe in die Stellung II gesetzt und damit die zu messende Probe vor den Biosensor transportiert. Nach erfolgter Messung wird das Resultat im Display angezeigt und der Bediener zur Reinigung des Systems aufgefordert. Die Kapillare wird durch den Nutzer entnommen, und mit dem Zurücklegen des Bedienhebels in Position B wird das Reinigungssystem wieder geschlossen. Die Reinigung selbst wird durch langsames Drehen der Pumpe realisiert, solange bis im Display die Ausschrift 'ready for use'erscheint, was als Bestätigung der abgeschlossenen Reinigung gilt und die Pumpe in Stellung III steht.

Als Pumpe wird bevorzugt eine Schlauchpumpe eingesetzt.

Die drei Bedienelemente sind für folgende Funktionen zuständig:
B1: Ein/Aus
B2: Menüfunktionen
B3: Set-Taste

Die Stromversorgung ist sowohl über einen internen 9 V Accumulator als auch über eine externe Solarzelle bzw. ein Netzteil möglich. Die erwähnten Vorrichtungen sind im Gehäuse untergebracht.

Eine Biomembran hat in Abhängigkeit vom verwendeten Biomolekül eine befristete Lebensdauer, die im allgemeinen zwischen 10 und 30 Tagen liegt. Der Ablauf der Lebensdauer wird dem Nutzer im Display angezeigt. Nach Ablauf der Lebensdauer wird die Biomembran durch eine neue ersetzt.

Der Austausch der Biomembran erfolgt durch Entriegelung der entsprechenden Verschlußkappe, der Entnahme der verbrauchten Membran und dem einfachen Auflegen der neuen Membran. Aus den im Display angezeigten Hinweisen wird der Nutzer bis zur Funktionsfähigkeit der neuen Membran über die notwendigen Arbeitsschritte informiert.

Die Signalerfassung und der Gesamtablauf wird über eine Steuereinheit geregelt. Der Gesamtablauf beinhaltet den Beginn der Signalerfassung (Start), das Ende der Signalerfassung, die Ablage und Speicherung der Meßwerte, die Eichung des Gerätes und die Display-Informationen für den Bediener bezüglich der Arbeitsschritte.

Die Neuerung ermöglicht ein Minimum von 300 Messungen, ohne daß der Vorratsbeutel ausgewechselt werden muß. Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß das Gerät unabhängig vom Einsatzort und der Einsatzzeit im Temperaturbereich von 15°C bis 35°C einsatzfähig ist.

Durch das folgende Ausführungsbeispiel mit Zeichnungen wird das Handgerät näher erläutert. Es zeigen:

l – Gesamtansicht des Handgerätes

2 – Prinzipdarstellung des Gerätes und der Anordnung von Vorrats- und Abfallbeutel;

3 – Ansicht der Elektrodenanordnung und Darstellung Biomembrantausch.

Das Handgerät, gemäß 1 dient zur Untersuchung von Vollblut, Liquor, Gewebsflüssigkeit, Urin, Serum, Plasma, Lebensmittelproben sowie Wasserproben bezüglich von Metaboliten wie z.B. Glucose, Lactat; aber auch von Nährstoffen sowie Produkten der Lebensmittel- und Fermentationsindustrie wie z.B. Lactose, Ascorbinsäure, Äpfelsäure und verschiedene Aminosäuren.

In 1, 2 und 3 ist der prinzipielle Ablauf einer solchen Messung demonstriert. Bei geöffnetem Bedienhebel 8 (Position A – 10) wird das Puffersegment mit der Pumpe 4 in die Position I (5) gebracht, eine Kanüle mit zu analysierender Probe in die Öffnung 24 gestellt, die Pumpe 4 in Position II (6) gebracht, und damit im Probekanal 25 über den Biosensor 33 positioniert, womit die Messung beginnt. Nach abgeschlossener Messung wird im Display (1) der Meßwert angezeigt und der Bediener zum Reinigen des Systems aufgefordert. Dazu wird die Probekanüle aus der Öffnung 24 entnommen, der Bedienhebel 8 in Position B (9) und durch Drehen an der Pumpe 4 Systemlösung aus dem Vorratsbeutel 19 über das Schlauch-Transportsystem 21 in den Abfallbeutel bewegt. Dieser Kontakt des Biosensors mit der Pufferlösung führt zur Reinigung des Sensors. Der Bediener wird mit der Ausschrift 'ready for use'im Display 1 über den Abschluß der Reinigung informiert. Die Pumpe wird jetzt in die Ruhestellung III (7) gebracht. Damit ist das Handgerät wieder meßbereit und die darauffolgende Messung läuft nach dem gleichen Schema ab.

Gemäß 3 kann nach Ablauf der Lebensdauer einer Biomembran (was im Display 1 dem Bediener angezeigt wird) die Biomembran ausgetauscht werden. Dazu wird der Bedienhebel 8 über die Feder 17 nach oben gezogen und um 90° nach oben gedreht, sodaß die Meßzellenabdeckung 28 an der Achse 26 durch Lösen der Arretierung 29 um 90° nach oben geklappt werden kann. Jetzt wird die verbrauchte Biomembran 32 entnommen und eine neue auf die Elektrode 33 gelegt, die mit einer Gummidichtung 34 versehen ist. Danach wird die Meßzellenabdeckung wieder nach unten geklappt, in 29 anetiert und der Bedienhebel wieder in Position B (9) gebracht Damit ist das Fließsystem wieder geschlossen und durch das Drehen der Pumpe wird zur Konditionierung Systemlösung über den Biosensor gebracht.

1: Display
2: Auswerteeinheit
3: Anschluß für Solarzelle bzw. Netzteil
4: Pumpe
5: Pumpe-Stellung I
6: Pumpe-Stellung II
7: Pumpe-Stellung III
8: Bedienhebel
9: Bedienhebel – Position B
10: Bedienhebel – Position A
11: Meßzelle mit Biosensor
12: Bedienelement B1
13: Bedienelement B2
14: Bedienelement B3
15: Gehäuse
16: Accumulator
17: Feder für Bedienhebel
18: Abfallbeutel
19: Vorratsbeutel
20: Kanüle (Verbindung Schlauchsystem – Abfall- bzw. Vorratsbeutel)
21: Schlauchsystem
22: Verschluß Abfallbeutel
23: Verschluß Vorratsbeutel
24: Probe-Öffnung
25: Probekanal
26: Achse
27: Anschluß zum Schlauch-Transportsystem (Verbindung Probekanal-Schlauch)
28: Meßzellenabdeckung
29: Arretierung der Meßzellenabdeckung
30: Meßzellenboden
31: Anschlüsse Elektrode
32: Biomembran
33: Elektrode
34: Elektrodendichtung

Claims

Mobiles Handgerät mit Biosensor, insbesondere für die dezentrale Bestimmung von originalen biologischen Lösungen mit einem amperometrischen Biosensor (33), einer Meßzelle (11), Vorrats- (19) und Abfallbeutel (18) für frische und verbrauchte Systemlösung, einer Pumpe (4), einem Schlauch-Transportsystem (21), einer Probenöffnung (24) und einem Probekanal (25), wobei sich der Biosensor (33) unmittelbar unter der Probenöffnung (24) befindet, einem Bedienungshebel mit Ventilfunktion (8), einer Membrantauschvorrichtung (26, 27, 28, 29) einem Display (1), drei Bedienungselementen (12, 13, 14), einem 9V-Accumulator (16), einem Solarzellen- bzw. Netzteilanschluß (3), einer Auswerteeinheit für die Signalerfassung und den Gesamtablauf des Meßprozesses (2) und einem Gehäuse (15), in dem die erwähnten Vorrichtungsteile untergebracht sind.
Mobiles Handgerät mit Biosensor nach Anspruch 1, bei dem die eingesetzte Pumpe (4) per Hand und ohne Elektroenergieeinsatz bewegt wird.
Mobiles Handgerät mit Biosensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei für den Vorrats- (19) und den dazugehörigen Abfallbeutel (18) verschweißte PE-Folie verwendet wird wobei, die beiden Beutel miteinander verschweißt sind, übereinander angeordnet werden und nach Verbrauch des Puffervorrates gemeinsam entsorgt werden.
Mobiles Handgerät mit Biosensor nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Stromversorgung der Elektrode des Biosensors über einen aufladbaren Akkumulator (16) als auch über eine Solarzelle bzw. ein Netzteil (3) realisiert werden kann.
Mobiles Handgerät mit Biosensor nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Gewicht des Gerätes unter 500 g ist.