DE102013015033A1 - Flow measuring cell for the analysis of fluid media - Google Patents
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Abstract
Es war mit möglichst einfachen Mitteln eine Durchfluss-Messzelle zur Analytik fluider Medien zu schaffen, welche zur universellen Verwendung aufwandgering an unterschiedlichste Einsatz- und Messbedingungen anpassbar und für eine Wiederverwendbarkeit gut zu reinigen ist. Erfindungsgemäß besteht die Durchfluss-Messzelle aus einem sandwichartigen modularen Aufbau eines doppelseitig mit einer oberen sowie einer unteren Abdeckung (5, 6, 10) flüssigkeitsdicht verschließbaren austausch- und somit in seiner Kanalstruktur (2) veränderbaren Durchflusskörpers (1).It was possible to create a flow-through measuring cell for the analysis of fluid media with as simple a means as possible, which can be adapted to a wide variety of application and measuring conditions for universal use and which can be easily cleaned for reusability. According to the invention, the flow-through measuring cell consists of a sandwich-like modular structure of a double-sided with an upper and a lower cover (5, 6, 10) liquid-tight sealable exchange and thus in its channel structure (2) variable flow body (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Durchfluss-Messzelle zur Analytik fluider Medien, beispielsweise für Blutuntersuchungen, um diese Medien hinsichtlich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften zu charakterisieren. Als physikalische Eigenschaften könnten beispielsweise das Flussvermögen (Viskosität) oder das Ablagerungsverhalten von in den Flüssigkeiten enthaltenen Substanzen untersucht werden. Zur chemischen und biochemischen Charakterisierung werden die Zusammensetzung der fluiden Medien und insbesondere die darin enthaltenen Substanzen und Verbindungen, wie DNA, RNA, Proteine, Moleküle etc., bestimmt, unter anderem mit dem Ziel, für Feld- und Vor-Ort-Analysen im Diagnostik-Bereich sowie für Schnelltests in der medikamentösen Therapie Ergebnisse mit hoher Aussagekraft zu gewinnen.The invention relates to a flow measuring cell for the analysis of fluid media, for example for blood tests, in order to characterize these media with regard to their chemical and physical properties. As physical properties, for example, the flowability (viscosity) or the deposition behavior of substances contained in the liquids could be investigated. For chemical and biochemical characterization, the composition of the fluid media and in particular the substances and compounds contained therein, such as DNA, RNA, proteins, molecules, etc., are determined, inter alia with the aim of field and on-site analysis in diagnostics Range as well as for rapid tests in drug therapy to gain results with high informative value.
Bekannte mögliche Anwendungsbereiche sind die pharmazeutische, die chemische und die Lebensmittelindustrie, aber auch medizinische Praxen und Einrichtungen. Solche Durchfluss-Messzellen ermöglichen nicht nur qualitative sondern auch quantitative Angaben zur Identifikation der Fluide. Gerade für ein therapiebegleitendes Online-Monitoring von Medikamentengaben ist es notwendig, zu überwachen, ob die Medikamentenkonzentration im Wirkbereich, dem so genannten „steady state”-Bereich, liegt, um gegebenenfalls Maßnahmen bei einer möglichen Überdosis einleiten zu können. Auch bei verminderter Nieren- oder Leberfunktion ist die Überwachung des Medikamentenspiegels notwendig, da es sonst zu lebensbedrohlichen toxischen Nebenwirkungen führen kann. Auch bei der Anwendung von Immunsupressiva oder bei der Chemotherapie ist es erforderlich, den Medikamentenspiegel im Blut zu überwachen.Known potential applications are the pharmaceutical, chemical and food industries, but also medical practices and facilities. Such flow measuring cells not only provide qualitative but also quantitative information for the identification of the fluids. Especially for a therapy-accompanying online monitoring of drug administration, it is necessary to monitor whether the drug concentration in the range of action, the so-called "steady state" range, is located in order to initiate measures in case of a possible overdose. Even with reduced kidney or liver function monitoring the drug level is necessary because it can lead to life-threatening toxic side effects otherwise. It is also necessary to monitor levels of the drug in the blood when using immunosuppressants or chemotherapy.
Zum Beispiel muss Methotrexat (MTX), ein Medikament zur Krebs- und Tumortherapie, bei Anwendung durch regelmäßige Gabe von Leukovorin ausgeglichen werden, sonst kann es zu schweren Knochenmark- und Schleimhautschäden kommen. Um den Abfall bzw. Anstieg des MTX-Pegels auf kritische Konzentration zu überwachen, wird bisher nach der Behandlung alle 5 bis 6 Stunden eine Blutprobe genommen und analysiert (
Vorrichtungen zum Nachweis gering konzentrierter Substanzen sind an sich bekannt. Als Referenzmethoden haben sich auf Grund der guten Sensitivität und Spezifität gerade im Drugmonitoring die Hochdruckflüssigkeits- und Gaschromatographie durchgesetzt (
Um gering konzentrierte Substanzen nachzuweisen, wird die Wechselwirkung der Substanz mit einer Oberfläche so realisiert, dass eine optische Detektion ermöglicht wird. Dafür kann der Nachweis beispielsweise über den oberflächenverstärkten Raman-Effekt (SERS), über Fluoreszenz, über Oberflächen-Plasmon-Resonanz oder reflektometrische Interferenz erfolgen. Darüber hinaus sind auch andere optische/elektromagnetische Detektionsarten (wie z. B. Absorption, Transmission, magnetisch induktive oder kapazitive) denkbar.To detect low-concentration substances, the interaction of the substance with a surface is realized so that an optical detection is possible. For example, the detection can be carried out via the surface-enhanced Raman effect (SERS), via fluorescence, via surface plasmon resonance or reflectometric interference. In addition, other optical / electromagnetic detection types (such as absorption, transmission, magnetic inductive or capacitive) are conceivable.
Speziell für Stoffuntersuchungen in analytischen Bereichen hat sich SERS als leistungsstarke Methode etabliert (
So wird in der
In
Gemäß
In
In
In
Bekannt sind weitere sogenannte optofluidische chip-basierende Messzellen. Beispielsweise wird in (
Es ist auch eine SERS-Messzelle beschrieben, welche mit einen Microarray-Chip und Kolloiden gekoppelt wird und zum Nachweis von Bakterien verwendet wird, so dass ein nur geringes Kontaminationsrisiko besteht (
Bekannt ist weiterhin eine Messzelle mit integrierter Temperatur- und Flussgeschwindigkeitsregelung (
Es wurde auch eine elektrochemische Messzelle präsentiert (
Eine Messzelle mit einem effektiven Fassungsvermögen von 2,5 μl wurde von Kennedy et al. dargestellt (
Auch von Gouveia et al. (
Zusammenfassend ist festzustellen, dass eine Vielzahl von Durchfluss-Messzellen bekannt ist, wobei diese sowohl von ihrem Aufbau, insbesondere ihrem Durchfluss-System für das zu untersuchende Fluid, als auch vom verwendeten Nachweissystem jeweils für spezielle und einsatzspezifische Verwendungen gestaltet und vorgesehen sind. Verwendungen darüber hinaus bedingen somit jeweils auch die Bereitstellung und den Einsatz anderer Messvorrichtungen.In summary, it should be noted that a multiplicity of flow measuring cells are known, wherein these are designed and provided for their specific and application-specific uses both by their structure, in particular their flow system for the fluid to be investigated, and by the detection system used. In addition, uses therefore also require the provision and use of other measuring devices.
Ein Nachteil der bisher genannten Messzellen besteht darin, dass zwar Produkte mit definierten Nachweiseigenschaften für bestimmte Einsatzzwecke entstehen, diese Zellen aber nicht ohne Weiteres multivalent für unterschiedliche Nachweisverfahren eingesetzt werden können.A disadvantage of the previously mentioned measuring cells is that although products with defined detection properties for certain applications arise, but these cells can not be readily used multivalent for different detection methods.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit möglichst einfachen Mitteln eine Durchfluss-Messzelle zur Analytik fluider Medien zu schaffen, welche zur universellen Verwendung aufwandgering an unterschiedlichste Einsatz- und Messbedingungen anpassbar und für eine Wiederverwendbarkeit gut zu reinigen ist.The invention is therefore based on the object to create a flow-through cell for the analysis of fluid media with the simplest possible means, which aufwandgering for universal use adaptable to a variety of application and measurement conditions and is easy to clean for reusability.
Diese Aufgabe wird bei einer Durchfluss-Messzelle zur Analytik fluider Medien, insbesondere zum Nachweis von in diesen enthaltenen Substanzen, wobei das fluide Medium die Durchfluss-Messzelle vorzugsweise über Ein- und Ausflussstutzen in einer definierten flüssigkeitsdicht verschließbaren Kanalstruktur durchströmt und dabei einer optischen bzw. elektromagnetischen Strahlung von Nachweismethoden, wie z. B. (oberflächenverstärkte) Raman-Spektroskopie (SERS), Fluoreszenz, Oberflächen-Plasmon-Resonanz (SPR), reflektometrische Interferenz (RIFS), ausgesetzt ist, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfluss-Messzelle aus einem sandwichartigen modularen Aufbau eines doppelseitig mit einer oberen sowie einer unteren Abdeckung flüssigkeitsdicht verschließbaren austausch- und somit in seiner Kanalstruktur veränderbaren Durchflusskörpers besteht.This object is achieved in a flow measuring cell for the analysis of fluid media, in particular for the detection of substances contained therein, wherein the fluid medium, the flow-through measuring cell preferably flows through inlet and outlet nozzles in a defined liquid-tight sealable channel structure and thereby an optical or electromagnetic Radiation of detection methods, such. B. surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), fluorescence, surface plasmon resonance (SPR), reflectometric interference (RIFS), according to the invention, characterized in that the flow-through measuring cell of a sandwich-like modular construction of a double-sided with a upper and a lower cover liquid-tight sealable exchange and thus changeable in its channel structure flow body consists.
Vorteilhaft kann die Durchfluss-Messzelle im Wesentlichen bereits aus dem besagten modularen Aufbau des die Kanalstruktur aufweisenden Durchflusskörpers mit seiner unteren und oberen Abdeckung bestehen, wobei der Durchflusskörper zum automatischen Ein- und Auslass des zu analysierenden fluiden Mediums vorzugsweise jeweils unmittelbar einen fest mit diesem verbundenen Ein- und Ausflussstutzen für das zu analysierende fluide Medium aufweist.Advantageously, the flow-through measuring cell essentially already consist of said modular construction of the flow passage body having the channel structure with its lower and upper cover, wherein the flow body for the automatic inlet and outlet of the fluid medium to be analyzed preferably each directly directly one permanently connected to this - And effluent nozzle for the fluid to be analyzed has.
Es kann auch von Vorteil sein, wenn der Durchflusskörper zum Zweck der Austauschbarkeit oder Reinigung in einem Rahmen mit Ein- und Ausflussstutzen für das zu analysierende fluide Medium aufgenommen ist, wobei die Verbindungen zwischen dem Durchflusskörper sowie jeweils den Ein- und Ausflussstutzen des Rahmens flüssigkeitsdicht und trennbar ausgestaltet sind.It may also be advantageous if the flow body is accommodated for the purpose of interchangeability or cleaning in a frame with inlet and outlet for the fluid to be analyzed, the connections between the flow body and each of the inlet and outlet nozzle of the frame liquid-tight and are designed separable.
Damit kann der Durchflusskörper der Durchfluss-Messzelle mit seiner Kanalstruktur ausgetauscht und jeweils auf aufwandgeringe und schnelle Weise durch andere Durchflusskörper mit anders gestaltetem Kanalsystem (andere Kanalformen, -verläufe und -geometrien, beispielsweise auch Kanäle mit Zonen unterschiedlicher Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums für spezielle oder unterschiedliche Nachweismethoden) ersetzt werden.Thus, the flow body of the flow cell can be exchanged with its channel structure and in each case in a low and fast way by other flow body with differently shaped channel system (other channel shapes, gradients and geometries, for example, channels with zones of different flow rate of the fluid medium for specific or different Detection methods).
Der Durchflusskörper wird durch eine obere und eine untere Abdeckung flüssigkeitsdicht verschlossen, wobei eine dieser Abdeckungen, insbesondere auf der Oberseite des Durchflusskörper als Fenster für die anzuwendende Nachweismethode (beispielsweise ein optisches Fenster für den SERS-Nachweis) und die gegenüberliegende Abdeckung unmittelbar vollständig oder teilweise als Oberflächensubstrat für die angewendete Nachweismethode zur Untersuchung des fluiden Mediums ausgebildet sein können.The flow body is liquid-tightly closed by an upper and a lower cover, one of these covers, in particular on the upper side of the flow body as a window for the detection method to be used (for example, an optical window for SERS detection) and the opposite cover completely or partially as Surface substrate for the applied detection method for the investigation of the fluid medium may be formed.
Auf diese Weise ist nicht nur der Durchflusskörper mit seinem Kanalsystem modular austauschbar (und somit individuell konfigurier- und änderbar), sondern jeweils auch das Fenster und das Oberflächensubstrat für die besagte Nachweismethode, wodurch die Durchfluss-Messzelle anwendungsspezifisch und universell an unterschiedlichste Einsatzbedingungen angepasst werden kann, unabhängig davon, ob die Durchfluss-Messzelle, wie vorbeschrieben bereits durch den Durchflusskörper mit seinen besagten Abdeckungen gebildet wird oder ob sich dieser in einem Rahmen befindet. So kann beispielsweise das Oberflächensubstrat in Kombination mit einem Borosilikat-Glas oder einem anderen Glas mit den erforderlichen optischen Eigenschaften angepasst werden, welche durch den modularen Aufbau der Durchfluss-Messzelle zu deren unmittelbaren Bestandteil werden. Weiterhin kann die Durchfluss-Messzelle auch für andere als optische Nachweismethoden durch den Austausch des Oberflächensubstrats und der anderen Abdeckung gerüstet werden. Dabei können selbst solche Abdeckungen gewählt werden, welche durch ihr Material oder entsprechende Oberflächenbeschichtung während des Durchströmens des fluiden Mediums mit diesem interagieren können, um spezielle Untersuchungen durchzuführen.In this way, not only the flow body with its channel system is modular exchangeable (and thus individually configurable and changeable), but also the window and the surface substrate for the said detection method, whereby the flow cell can be adapted application-specific and universal to a variety of application conditions regardless of whether the flow measuring cell, as already described by the flow body with its said covers is formed or whether this is located in a frame. Thus, for example, the surface substrate in combination with a borosilicate glass or other glass with the required optical properties can be adapted, which are due to the modular design of the flow measuring cell to the immediate part. Furthermore, the flow cell can be prepared for other than optical detection methods by the exchange of the surface substrate and the other cover. In this case, even those covers can be selected, which can interact with their material or corresponding surface coating during the passage of the fluid medium with this, to perform special investigations.
Die als Fenster ausgebildete Abdeckung des Durchflusskörpers muss nicht zwingend in seiner Geometrie ein passförmiges Abbild zur Kanalstruktur des Durchflusskörpers aufweisen, da der Durchflusskörper selbst die Kanalstruktur für das Durchströmen des fluiden Mediums und dessen Auswertung formt.The cover of the flow body designed as a window does not necessarily have to have in its geometry a pass-shaped image of the channel structure of the flow body, since the flow body itself forms the channel structure for the passage of the fluid medium and its evaluation.
Infolge der trennbaren Abdeckungen des Durchflusskörpers sind sowohl die Kanalstruktur für das fluide Medium als auch das Fenster sowie das Oberflächensubstrat für das Nachweissystem nicht nur universell wechselbar, sondern auch gut zugänglich und insbesondere für deren Wiederverwendbarkeit leicht zu reinigen. Infolge der unkomplizierten und schnellen Reinigung oder Austauschmöglichkeit werden nach Durchströmen eines Mediums für eine weitere Verwendung Kontaminationen, Verschleppungs- bzw. Memoryeffekte, die bei bekannten Vorrichtungen durchaus auftreten können, wirksam vermieden.As a result of the separable covers of the flow body both the channel structure for the fluid medium and the window and the surface substrate for the detection system are not only universally interchangeable, but also easily accessible and easy to clean especially for their reusability. As a result of the uncomplicated and quick cleaning or replacement possibility, after passing through a medium for further use contaminations, carry-over or memory effects, which may well occur in known devices, effectively avoided.
Mit der vorgeschlagenen Durchfluss-Messzelle muss nicht jeweils das gesamte Durchfluss- und Sensorsystem für spezielle Einsatzbedingungen gewechselt werden, sondern lediglich der modulare Aufbau vom Durchflusskörper und dessen Abdeckungen. Mit dieser Anpassungsfähigkeit wäre die Durchfluss-Messzelle sogar mit der Anpassungsfähigkeit der Durchflusskörper-Abdeckungen für neue Nachweismethoden zukunftssicher vorbereitet.With the proposed flow cell, it is not necessary to change the entire flow and sensor system for specific operating conditions, but only the modular structure of the flow body and its covers. With this adaptability, the flow cell would be prepared for the future even with the adaptability of the flow body covers for new detection methods.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Durchfluss-Messzelle genannt.In the subclaims further advantageous embodiments of the flow measuring cell are mentioned.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawing.
Es zeigen:Show it:
In
Über einen Einlassport
Die dargestellte Ausführungsform in
In
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
-
1, 1a 1b1,
1a 1b - DurchflusskörperFlow body
- 2, 2a, 2b2, 2a, 2b
- Kanalstrukturchannel structure
- 33
- Aufnahmebettreceiving bed
- 44
- Grundkörper (Rahmen)Basic body (frame)
- 55
- Glasplatteglass plate
- 66
- Deckplattecover plate
- 7, 7a7, 7a
- Schraubescrew
- 8, 128, 12
- Gewindebohrungthreaded hole
- 99
- Zentralbohrungcentral bore
- 1010
- Oberflächensubstratsurface substrate
- 1111
- Befestigungsflanschmounting flange
- 1313
- Einlassportinlet port
- 1414
- Auslassportoutlet port
- 1515
- Zuflussöffnunginflow opening
- 1616
- Abflussöffnungdrain opening
- 1717
- Pfeile (fluides Medium)Arrows (fluid medium)
- 1818
- Molekülmolecule
- 19, 2019, 20
- Innenkanalinternal channel
- 2121
- Anregungslichtexcitation light
- 2222
- Emissionslichtemission light
- 2323
- Fängermolekülcapture molecule
- 2424
- optisches Fensteroptical window
- 2525
- Bohrungdrilling
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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