Kartusche und Betriebsverfahren für Reagenzien eines Biosensorsystems

Die Erfindung betrifft eine Kartusche, welche mit Fluiden, insbesondere Reagenzien, für den Betrieb von Biosensorsystemen zur Messung von insbesondere Enzym-Inhibitoren zur Kontrolle der Wasserqualität eingesetzt wird. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betrieb der Kartusche am Biosensors beschrieben .

Allgemein ist der Einsatz von Biosensoren bekannt, die in der Regel organische Stoffe erfassen können. Der zentrale Biosen- sors trägt in der Regel ein bestimmtes Enzym. Gemessen werden allgemein katalytische Aktivitäten, wobei die Messungen der katalytischen Aktivitäten zwischen einer Messung mit einer Probe und einer Messung ohne Probe ausgewertet wird. Da bei einem Biosensor Enzyme, also Proteine, verwendet werden, ist der Einsatz dieser Biosensorsysteme damit verbunden, dass bestimmte Betriebsmittel eine endliche Haltbarkeit aufweisen. Die Versorgung eines Biosensorsystems erfordert somit eine Reihe von Reagenzien. Diese Reagenzien werden beim Betrieb des Biosensorsystems verbraucht und müssen von Zeit zu Zeit aufgefüllt werden.

Wird ein sogenanntes "wartungsarmes" Gerät gewünscht, so soll eine derartige Wiederauffüllung, beispielsweise nicht häufiger als einmal pro Woche, notwendig sein. Dies bedeutet, dass in der Kartusche enthaltene Reagenzien derart behandelt werden müssen, dass sie mindestens eine Woche stabil sind.

Die für einen Biosensor in einem Biosensorsystem notwendigen Reagenzien liegen meist in flüssiger Form vor, so dass eine Ankopplung an ein Biosensorsystem in der Regel über die flüssige Phase geschieht. Reagenzien werden bisher einzeln angemischt und in entsprechende Behälter abgefüllt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kartusche bereitzustellen, mittels der sämtliche Flüssigkeiten zum Betrieb eines Biosensorsystems verschlossen bevorratet werden können und das Volumen der jeweiligen in einem Behälter der Kartusche enthaltenen Reagenzien durch Anpassung der Behältergröße optimiert ist, so dass die Reagenzien restlos verbraucht werden. Weiterhin ist ein Betriebsverfahren zum Einsatz einer derartigen Kartusche anzugeben, wobei Wasser freie Reagenzien zu schützen sind. .

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination der jeweiligen Hauptansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung basiert darauf, dass der die Volumina der Reagenzien und der entsprechenden Behälter je nach spezifischem Verbrauch optimiert sind. Gleichzeitig hat eine Kartusche mit mehreren Behältern bereits sämtliche Flüssigkeiten bzw. Reagenzien zum Betrieb eines Biosensorsystems verschlossen be- vorratet, mit dem Vorteil, dass diese bei der Lagerung der Kartusche in wässrigem oder Wasser freiem Zustand vorliegen können. Durch die unterschiedlichen Volumen der Behälter in einer Kartusche können die beim Betrieb des Biosensors mit unterschiedlichem spezifischem Verbrauch behafteten Reagen- zien derart bereitgestellt werden, dass eine vollständige

Entleerung der einzelnen Behälter für eine vorgegebene Zeit, beispielsweise für eine Woche, möglich ist. Entsprechend werden die einzelnen Behälter der Kartusche in ihrem Volumen nach dem spezifischen Verbrauch der Reagenzien angepasst.

Die Behälter weisen einen zur Waagerechten schrägen Boden auf, wobei die Ankopplung an das Biosensorsystem über Hohlnadeln geschieht, die im angekoppelten Zustand durch die Folie durchgestochen sind und deren Ende im tiefsten Bereich des schrägen Bodens positioniert ist.

Durch die Einbringung einer zusätzlichen Vertiefung im tiefsten Bereich des schräg abfallenden Bodens eines jeden Behäl- ters, beispielsweise in Form einer halbkugelförmigen Vertiefung lässt sich in vorteilhafter Weise die Ausnutzung der einzelnen Reagenzien beim Betrieb des Biosensors bis zu einer geringen Restmenge betreiben.

Vorteilhaft ist eine Belüftung der einzelnen Behälter zum Druckausgleich, indem neben einer Öffnung für Hohlnadeln zur Entnahme von Reagenzien, eine Öffnung in die Folie, am gleichen Behälter angebracht wird, die zur Belüftung des Behäl- ters dient.

Die Belüftung kann insbesondere mit einem Wasser freien Gas betrieben werden, so dass Reagenzien, die Hydrolyse empfindlich sind, beispielsweise mit trockener Luft versorgt werden. Es kann jedes Gas, welches kein Wasser enthält, verwendet werden .

Der Aufbau von abgeschlossenen Volumen, der durch Behälter einer Kartusche realisiert ist, sieht die oberseitige Begren- zung und Abdichtung der Behälter durch eine Folie vor. Damit sind biologische Reagenzien und allgemein Hydrolyse empfindliche Substanzen in den Behältern Wasser frei gelagert werden .

Es ist sehr vorteilhaft, das Trocknungsmittel direkt auf der Kartusche, zur Darstellung von Wasser freiem Gas.

Im Folgenden werden anhand von schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben .

Figuren 1, IA, IB zeigen die Aufsicht und die Seitenansicht einer Kartusche 10 mit den Umrissen der einzelnen Behälter 11-17,

Figuren 2, 2A, 3,3A, 4,4A zeigen jeweils die Aufsicht der Kartusche und eine Schnittdarstellung entspre- chend Schnitt A-A, bei einer Belüftung mit trockenem Gas,

Figuren 5, 5A, 6, 6A, zeigen jeweils die Aufsicht der Kar- tusche und eine Schnittdarstellung entsprechend

Schnitt A-A, bei einer langfristigen Lagerung von Reagenzien .

Eine Kartusche 10 mit mehreren Behältern 11-17, enthält sämt- liehe Flüssigkeiten, insbesondere Reagenzien, zum Betrieb eines Biosensors in einem Biosensorsystem. Der Vorteil einer Lösung entsprechend der Erfindung besteht darin, dass die Volumenverhältnisse der einzelnen Behälter dem Verbrauch beim Betrieb des Biosensors angepasst sind und so eine vollständi- ge Entleerung zu einer vorgegebenen Zeit von sämtlichen der Behälter gleichzeitig möglich.

Die Hohlnadeln 5 sind starr mit dem Biosensorsystem verbunden. Damit wird vermieden, dass die Schläuche an der rückwär- tigen Seite der Hohlnadeln 5 bewegt werden und damit Störungen, beispielsweise durch Knicken der Schläuche auftreten. Durch das Knicken der Schläuche ermüdet deren Material und deren Innenvolumen verändert sich, sodass nach dem Anschließen der Kartusche Luft in den Schläuchen auftauchen kann.

Eine wasserfreie Belüftung von einzelnen Behältern ermöglicht die Lagerung von Hydrolyse empfindlichen Reagenzien in wasserfreien organischen Lösungsmitteln.

Die Lagerung von einigen Reagenzien in der Kartusche entsprechend der Erfindung kann damit ohne Kühlung betrieben werden.

Zur Belüftung mit wasserfreier Luft kann beispielsweise ein Wasserabsorber vorgeschaltet sein, sodass Behälter mit Umge- bungsluft gefüllt werden können, die in einer Vorbehandlung getrocknet ist. Zur Erzielung der insgesamt möglichst restlosen Entleerung aller Behälter gleichzeitig sind die Enden der Hohlnadeln 5 auf der Seite eines Behälters jeweils in der Nähe einer Vertiefung 18 positioniert, die sich im Boden der Behälter be- findet. Der Boden der einzelnen Behälter ist jeweils schräg angestellt .

Die Reagenzien, die zu bevorraten und dem Betrieb des Biosensors zur Verfügung zu stellen sind, werden in einer Kartusche eingefüllt. Die Anzahl der Behälter entspricht in der Regel der Anzahl der Reagenzien. Die Behältergröße ist derart gewählt, dass nach einer definierten Messzeit, wie beispielsweise eine Woche, möglichst keine Reste in der Kartusche in irgendeinem Behälter vorhanden sind. Die Volumenverhältnisse sind dabei schematisch durch die unterschiedlich großen Umrisse der einzelnen Behälter dargestellt. Berücksichtigt ist der spezifische Verbrauch der Reagenzien aus den einzelnen Behältern .

Die Bestückung eines Biosensorsystems kann. Dabei kann durch die Folie in die einzelnen Kammern gestochen werden, womit eine fluidische Ankopplung an das Biosensorsystem hergestellt wird.

Um durch den Betrieb des Biosensorsystems bzw. der Entnahme von Reagenzien aus den Behältern keinen Unterdruck innerhalb eines Behälters zu erzeugen, und damit ein Blockieren der Flüssigkeitsentnahme zu verursachen, werden zur Belüftung von Behältern beim Ankoppeln der Kartusche Öffnungen bzw. Löcher in die Folie gestanzt.

Speziell zur Belüftung von einzeln Behältern, in denen wasserfrei zu lagernde Reagenzien enthalten sind, wird eine Belüftung darstellt, in Kombination, beispielsweise mit einem Element zur Versorgung mit trockenem Gas, wie trockener Luft. Alternativ können auch wasserfreie Gase zur Spülung entsprechender Behälter eingesetzt werden. Reagenzien, liegen vorzugsweise als Fluide vor, können beispielsweise als chemische Puffer in drei verschiedenen Zusammensetzungen wie Salzsäure, Mischung aus verschiedenen Enzymen und zwei verschiedene wasserlösliche Lösungen von Enzym- Substraten bereitgestellt sein. Die wasserfreien Lösungen der Enzymsubstrate werden relativ zeitnah vor dem Gebrauch im Biosensorsystem mit Pufferlösungen gebrauchsfertig angemischt, da diese Hydrolyse empfindlich sind. Die wasserfreien Stammlösungen dürfen daher auch nicht mit feuchter Luft in Kontakt kommen. Die entsprechenden Behälter müssen zur Aufnahme der entsprechenden Reagenzien daher mit getrockneter Luft oder anderen trockenen Gasen belüftet werden.

Mit der Erfindung können chemische Puffer und die Enzyme tro- cken in der Kartusche bevorratet werden. Dadurch werden diese besonders haltbar, sodass die Kühlung bei der Lagerung entfallen kann. Nach dem Anschluss der Kartusche an ein Biosensorsystem werden die einzelnen Behälter mit den trocken gelagerten Reagenzien mit Reinstwasser befüllt. Dadurch werden diese Reagenzien gebrauchsfertig und die Kartusche ist mit allen Reagenzien einsetzbar.

Für den Einsatz des Biosensorsystems bzw. der Kartusche an besonders warmen Einsatzorten kann die Kartusche gekühlt wer- den. Hier ist der Einsatz einer Metallplatte unterhalb der Kartusche in Kombination mit einem Peltierelement möglich, welches diese Metallplatte kühlt. Die Metallplatte kann speziell geformt sein, sodass die thermisch empfindlichen Reagenzien besonders gut gekühlt werden.

Zu den Figuren 1, IA und IB ist anzumerken, dass in verschiedenen, teilweise geschnittenen Ansichten, eine Kartusche von verschiedenen Betrachtungsrichtungen und in Einzelheiten dargestellt ist. Figur 1 zeigt eine Kartusche 10 in der Auf- sieht, wobei unterschiedlich große Behälter 11-17 in ihren Umrissen erkennbar sind. Weiterhin sind durch Kreise die Punkte gekennzeichnet, an denen Hohlnadeln 5 durch eine die Behälter von oben abdeckende Folie durchgestochen werden. An diesen in Figur 1 sichtbaren Kreisen befinden sich die Vertiefungen 18 des Bodens der Kartusche, wobei die in den Behältern 11-17 von oben eingeführten Hohlnadeln 5 mit ihren Enden, im angekoppelten Zustand der Kartusche an ein Biosen- sorsystem in der Nähe der Vertiefung 18 positioniert sind.

Figur IA zeigt den Schnitt A-A aus Figur 1, wobei der schräg verlaufende Boden des Behälters 11 die Vertiefung 18 aufweist. Diese zeigt eine etwa halbkugelförmige Ausbildung. Der gleiche Gegenstand ist in der Einzelheit A in Fig. IB nochmals angeführt.

Fig. 2 und Fig. 2A zeigen eine Variante mit Trocknungsmittel 1 auf der Kartusche im Behälter 17. Es kann ein getrocknetes also Wasser freies Gas erzeugt werden und zur Belüftung von Behältern bei der Entnahme von Reagenzien aus diesen eingeleitet werden.

Die Figuren 3 und 4 mit den zugehörigen Figuren 3A und 4A zeigen in der Aufsicht und in der jeweiligen Schnittansicht ebenfalls Belüftungsmöglichkeiten, wobei getrocknete Luft 3 in mehreren Varianten erzeugt und den bestimmten Behältern zugeführt wird. In Fig. 3A wird die Belüftung 7 auf das Trocknungsmittel 1 geleitet und hindurchgeführt, so dass ge- trocknete Luft 3 entsteht.

In Fig. 4A wird eine Membran 4 eingesetzt, die ein Vermischung von Reagenzien und Trocknungsmittel verhindert, jedoch eine Trocknung von Gas erlaubt.

Die Figuren 5, 5A und 6, 6A zeigen Vorratsvarianten für das trocknungsmittel 1. In Fig. 5A ist ein Depot angelegt, in dem beispielsweise über eine semipermeable Membran eine direkte Trocknung eines Reagenz 8 ermöglicht wird. In Fig. 6A sind Reagenz 8 und Trocknungsmittel 1 vermischt und werden erst bei Entnahme des Reagenz 8 getrennt.