DE102008016121B4

DE102008016121B4 - Device and method for measuring the viscosity

Info

Publication number: DE102008016121B4
Application number: DE102008016121A
Authority: DE
Inventors: Karl-Ernst Ehwald; Mario Dr. Birkholz; Gunther Dr. Lippert; Dietrich Dr. Roscher
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-03-20
Also published as: DE102008016121A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung einer Konzentration, die einer Analytflüssigkeit zugeordnet ist, mittels Affinitätsviskosimetrie an einer von der Analytflüssigkeit verschiedenen Messflüssigkeit, mit
– einem ringartig geschlossenen Kanalsystem zur Aufnahme und Ermöglichung einer Zirkulation der Messflüssigkeit,
– einer Zuführungseinrichtung für die Analytflüssigkeit;
– einem oder mehreren Dialysekanälen im Kanalsystem, die mit der Zuführungseinrichtung verbunden sind und die zur Ermöglichung eines Angleichs einer die Viskosität der Messflüssigkeit beeinflussenden Analytkonzentration zwischen der Analytflüssigkeit und der Messflüssigkeit über eine Trennmembran ausgebildet sind,
– einem oder mehreren richtungsabhängigen Strömungswiderständen im Kanalsystem,
– einer Pulsatoreinrichtung, die in kommunizierender Verbindung mit dem Kanalsystem steht und ausgebildet ist, einen zeitlich sich periodisch ändernden Druckverlauf der Messflüssigkeit im Kanalsystem anzuregen,
– einer oder mehreren Messkammern, die mit dem Kanalsystem in kommunizierender Verbindung stehen, und die eine Messeinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf eines Messsignals zu erfassen und aus zugeben, das entweder von einem Druck...Device for measuring a concentration, which is assigned to an analyte liquid, by means of affinity viscometry on a different from the analyte liquid measuring liquid, with
An annularly closed channel system for receiving and facilitating a circulation of the measuring liquid,
A supply means for the analyte liquid;
One or more dialysis channels in the channel system, which are connected to the supply device and which are designed to enable an adjustment of an analyte concentration influencing the viscosity of the measuring liquid between the analyte liquid and the measuring liquid via a separating membrane,
One or more directional flow resistances in the duct system,
A pulsator device which is in communicating connection with the channel system and is designed to excite a time-varying pressure course of the measuring fluid in the channel system,
- One or more measuring chambers, which are in communication with the channel system, and having a measuring device which is adapted to detect and output a time course of a measuring signal, which is either from a pressure ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Viskosität, insbesondere von kleinsten Flüssigkeitsmengen mit Hilfe eines Mikroviskosimeters. Derartige Mikroviskosimeter werden z. B. in der Affinitätsviskosimetrie zur Bestimmung des Glucosegehaltes einer Analytflüssigkeit z. B. von Blut verwendet. Zu diesem Zweck wird die zu messende Analytflüssigkeit durch eine Trennmembran von einer Messflüssigkeit separiert, deren Viskosität im eindeutigen Zusammenhang mit dem Glucosegehalt der Analytflüssigkeit steht. Die Wirkungsweise derartiger Sensoren für die viskosimetrische Affinitätsanalyse beruht auf dem Austausch von Dextranmolekülen, die die Zuckerbindungsorte eines Lectinmoleküls besetzen, mit Glucosemolekülen, die durch die Trennmembran diffundieren [Beyer, P. U., Ballerstädt, R., Ehwald, R., Lebensm. Biotechnol. 13 143-146, 1996]. Der Verbleib des Mikroviskosimeters im menschlichen Körper über den Zeitraum von einigen Tagen bzw. dessen dauerhafte Implantation ermöglicht beispielsweise ein Monitoring des Blutzuckerspiegels.The The invention relates to an apparatus and a method for measuring the viscosity, especially of the smallest amounts of liquid with the help of a microviscometer. Become such microviscosimeter z. In affinity viscometry for determining the glucose content of an analyte fluid z. B. used by blood. For this purpose, the analyte liquid to be measured separated by a separation membrane of a measuring liquid whose viscosity in the clear Related to the glucose content of the analyte. The mode of action such sensors for the viscometric affinity analysis relies on the exchange of dextran molecules, which are the sugar-binding sites a lectin molecule occupy, with glucose molecules, which diffuse through the separation membrane [Beyer, P.U, Ballerstädt, R., Ehwald, R., Lebensm. Biotechnol. 13 143-146, 1996]. The rest of the microviscosimeter in the human body over the period of a few Days or its permanent implantation allows, for example, a monitoring the blood sugar level.

Mikroviskosimeter unter Anwendung der dem Fachmann bekannten Grundprinzipien der Viskosimetrie, die besonders für die Verwendung in der Affinitätsviskosimetrie geeignet sind, sind in unterschiedlichsten Ausführungen bekannt.microviscosimeter using the basic principles of viscometry known to those skilled in the art, especially for the use in affinity viscometry are suitable, are known in various designs.

Bereits in der DE 100 10 539 wurde ein Verfahren beschrieben, bei dem durch Ermittlung von Druckdifferenzen in durchströmten Mikrokanälen auf die Viskosität geschlossen werden kann. In der DE 196 48 695 werden viskositäts- und geschwindigkeitsabhängige Druckdifferenzen in durchströmten Mikrokanälen dazu benutzt, um die Pumpleistung von Mikropumpen zu regeln. Das gleiche Messprinzip wird auch in der Schrift DE 195 01 159 genutzt. Die Anordnung ist durch einen Mikromotor zur Erzeugung eines Druckes gekennzeichnet, der die sensitive Flüssigkeit durch eine Hohlfaser treibt, die gleichzeitig die Funktion einer Trennmembran erfüllt. Gemessen werden die sich ergebenden Druckverhältnisse in dem Flüssigkeitskanal, die in Zusammenhang mit der Viskosität der Messflüssigkeit stehen. Mikromotor und Messflüssigkeit werden in einem Ausführungsbeispiel über eine mit der Messflüssigkeit nicht mischbare hydraulische Flüssigkeit gekoppelt. Ein derartiges System mit zwei Flüssigkeitsphasen stellt jedoch hohe Anforderungen an die konstruktive Gestaltung insbesondere des fluidischen Systems. Nicht vollständig ausgeschlossen werden kann eine Wechselwirkung zwischen den beiden Flüssigkeitsphasen. Weiterhin beeinflusst die Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeitsphasen in erheblichen Umfang den Strömungswiderstand, wobei die Kontaktwinkel zwischen den beiden Flüssigkeiten und der Oberfläche des Kanals kontrolliert werden müssen. Zudem wird nicht berücksichtigt, dass Strömungsvorgänge in realen Fluiden nicht nur durch die Druckkraft und die Viskositätskraft, sondern auch durch Trägheitskräfte beeinflusst werden.Already in the DE 100 10 539 For example, a method has been described in which the viscosity can be determined by determining pressure differences in through-flow microchannels. In the DE 196 48 695 Viscosity- and speed-dependent pressure differences in through-flow microchannels are used to control the pumping power of micropumps. The same measuring principle is also used in writing DE 195 01 159 used. The arrangement is characterized by a micromotor for generating a pressure which drives the sensitive liquid through a hollow fiber which simultaneously fulfills the function of a separating membrane. The resulting pressure conditions in the liquid channel, which are related to the viscosity of the measuring liquid, are measured. In one exemplary embodiment, the micromotor and the measuring fluid are coupled via a hydraulic fluid immiscible with the measuring fluid. However, such a system with two liquid phases makes high demands on the structural design, in particular of the fluidic system. An interaction between the two liquid phases can not be completely ruled out. Furthermore, the interface between the two liquid phases significantly affects the flow resistance, and the contact angles between the two liquids and the surface of the channel must be controlled. In addition, it is not considered that flow processes in real fluids are influenced not only by the pressure force and the viscosity force, but also by inertial forces.

Aus der DE 197 14 087 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Messflüssigkeit in eine Dialysekammer gepumpt wird, anschließend über eine Trennmembran ein Angleich der Glucosekonzentration erfolgt, danach die Messflüssigkeit aus der Dialysekammer gepumpt wird und dabei der durch Scherkräfte beeinflusste Geschwindigkeitsverlauf gemessen wird. Der besondere Vorteil dieser Anord nung ist, dass kein Totvolumen der Messflüssigkeit entsteht und gegebenenfalls durch ein Reservoir neue Messflüssigkeit bereitgestellt wird.From the DE 197 14 087 a method is known in which a measuring liquid is pumped into a dialysis chamber, then an adjustment of the glucose concentration takes place via a separating membrane, after which the measuring liquid is pumped out of the dialysis chamber and the speed profile influenced by shearing forces is measured. The particular advantage of this arrangement is that there is no dead volume of the measuring liquid and, if necessary, new measuring liquid is provided by a reservoir.

Andere Verfahrensansätze zur Bestimmung der Viskosität nutzen die Bestimmung der Scherkräfte, die ein Messkörper auf die relativ zum Messkörper bewegte Messflüssigkeit ausübt. In kinematischer Umkehr kann auch der Geschwindigkeitsverlauf, den ein mit bekannter Kraft angetriebner Messkörper in der Messflüssigkeit entwickelt, zur Ermittlung der Scherkräfte bzw. Messung der Viskosität genutzt werden.Other procedural approaches for determining the viscosity use the determination of the shear forces that a measuring body up which moved relative to the measuring body measuring liquid exercises. In kinematic reversal can also the speed course, the with known force angetriebner measuring body in the measuring liquid developed, used to determine the shear forces and viscosity measurement.

In der DE 198 04 326 ist ein Messkörper als Biegezunge ausgeführt, die elektrisch angetrieben wird. Ebenfalls eine Biegezunge verwendet die Anordnung, die in der DE 100 27 684 beschrieben wird. In beiden Fällen dient dabei die Biegezunge gleichzeitig als Sensor für die Ermittlung der Geschwindigkeit der Biegezunge, die sich unter Einwirkung der Antriebs- und der Scherkräfte einstellt. Biegezungen lassen sich mit mikromechanischen Fertigungsverfahren einfach herstellen. Allerdings bedingt die Forderung nach einem kleinen Totvolumen, dass die Messung der Viskosität in unmittelbarer Nähe der Membran erfolgt, wenn nicht, wie in der DE 197 14 087 ein ständiger Austausch der Messflüssigkeit vorgesehen ist. Auf diese Problematik speziell von Affinitätssensoren wird in der DE 198 04 326 nicht eingegangen.In the DE 198 04 326 is a measuring body designed as a bending tongue, which is driven electrically. Also a bending tongue uses the arrangement, which in the DE 100 27 684 is described. In both cases, the bending tongue serves at the same time as a sensor for determining the speed of the bending tongue, which is adjusted under the action of the drive and the shear forces. Bending tongues can be easily produced using micromechanical production methods. However, the requirement for a small dead volume that the measurement of viscosity in the immediate vicinity of the membrane occurs, if not, as in the DE 197 14 087 a constant exchange of the measuring liquid is provided. This problem especially of affinity sensors is in the DE 198 04 326 not received.

In der DE 100 27 684 wird diese Aufgabe durch eine extreme Miniaturisierung lösbar, wenn man die elektrostatisch angetriebene Biegezunge in einer Hohlfaser unterbringt, deren Durchmesser eine minimal-invasive Verwendung zulässt. Dabei dürfte ein Durchmesser in der Größenordnung von 1 mm den gegenwärtigen technologischen Möglichkeiten entsprechen. Minimal-invasiv bedeutet in diesem Fall, dass lediglich die Hohlfaser mit innen liegender Biegezunge durch die Haut gestochen wird. Die Elektronik befindet sich außerhalb des Körpers. Dieser Wert stellt aus der Sicht des Patienten jedoch schon eine erhebliche Selbstverletzung dar. Ein wesentlich kleinerer Wert wäre wünschenswert.In the DE 100 27 684 this problem is solved by extreme miniaturization, if you put the electrostatically driven bending tongue in a hollow fiber whose diameter allows a minimally invasive use. A diameter of the order of 1 mm should correspond to the current technological possibilities. In this case, minimally invasive means that only the hollow fiber with internal flexion tongue is pierced through the skin. The electronics are outside the body. However, this value represents a significant self-injury from the patient's point of view. A much smaller value would be desirable.

Möglich ist auch die Ermittlung der Dämpfung, die eine Oberflächenwelle unter dem Einfluss der Viskosität erfährt. Eine entsprechende Anordnung, die aller dings erst für relativ hohe Viskositätswerte geeignet ist, ist in der US 7,007,546 beschrieben.It is also possible to determine the attenuation experienced by a surface wave under the influence of viscosity. A corresponding arrangement which, however, is only suitable for relatively high viscosity values, is disclosed in US Pat US 7,007,546 described.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Messvorrichtung für die Affinitätsviskosimetrie vorzuschlagen, die einen besonders kompakten Aufbau ermöglicht, geringe Messzeiten unter Vermeidung von Totvolumina der Messflüssigkeit in einer Dialysekammer ermöglicht und mit mikromechanischen Fertigungstechnologien einfach herstellbar ist.The The invention has the object, a measuring device for the affinity viscometry to propose, which allows a particularly compact structure, low measuring times while avoiding dead volumes of the measuring liquid in a dialysis chamber and easy to manufacture with micromechanical production technologies is.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Affinitätsviskosimeter ein ringförmig geschlossenes Kanalsystem für die Zirkulation der Messflüssigkeit enthält, wobei das Kanalsystem einen Pulsator zur Erzeugung einer Flüssigkeitsschwingung, richtungsabhängige Strömungswiderstände, elastisch verformbare Kammern, Dialysekanäle und Verbindungskanäle enthält.The The object is achieved in that the affinity viscometer a ring-shaped closed Channel system for the circulation of the measuring fluid contains wherein the channel system comprises a pulsator for generating a liquid vibration, directional Flow resistance, elastic deformable chambers, dialysis channels and connection channels contains.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ergeben sich durch Kombination dieser Merkmale mit den zusätzlichen Merkmalen eines der abhängigen Ansprüche. Mehrere abhängige Ansprüche können miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Ausführungsformen zu bilden, es sei denn, es handelt sich um alternative Ausführungsformen.embodiments the devices of the invention arise by combining these features with the additional ones Characteristics of one of the dependent Claims. Several dependent claims can be combined with each other to additional embodiments unless they are alternative embodiments.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die vorzugsweise als Mikrosensor ausgebildet ist, beruht auf dem an sich bekannten Messprinzip der Affinitätsmikroviskosimetrie. Hierbei wird ein viskosimetrisches Affinitätsassay (die Messflüssigkeit) über Mikrodialyse an eine Analytflüssigkeit gekoppelt. Dies ermöglicht einen Angleich einer die Viskosität der Messflüssigkeit beeinflussenden Analytkonzentration zwischen einer zu charakterisierenden Analytflüssigkeit und der Messflüssigkeit über eine Trennmembran. Anhand der Viskosität der Messflüssigkeit kann ein Messwert einer Konzentration ermittelt werden, die der Analytflüssigkeit zugeordnet ist und die die Viskosität der Messflüssigkeit in einer solcher Art bekannten Weise beeinflusst, dass der Messwert der Konzentration ermittelbar ist.The device according to the invention, which is preferably designed as a microsensor, based on the per se known measuring principle of affinity micro-viscosimetry. in this connection becomes a viscometric affinity assay (the measurement fluid) via microdialysis to an analyte fluid coupled. this makes possible an adjustment of the viscosity of the measuring liquid influencing analyte concentration between a to be characterized analyte and the measuring liquid over a Separation membrane. Based on the viscosity of the measuring fluid a measured value of a concentration can be determined which is the analyte is assigned and the viscosity of the measuring liquid in such a way known manner that affects the reading the concentration can be determined.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung einer Konzentration, die einer Analytflüssigkeit zugeordnet ist, mittels Affinitätsviskosimetrie an einer von der Analytflüssigkeit verschiedenen Messflüssigkeit, umfasst in einer Ausführungsform

– einen ringartig geschlossenen Kanalsystem zur Aufnahme und Ermöglichung einer Zirkulation der Messflüssigkeit,
– eine Zuführungseinrichtung für die Analytflüssigkeit;
– einen oder mehrere Dialysekanälen im Kanalsystem, die mit der Zuführungseinrichtung verbunden sind und die zur Ermöglichung eines Angleichs einer die Viskosität der Messflüssigkeit beeinflussenden Analytkonzentration zwischen der Analytflüssigkeit und der Messflüssigkeit über eine Trennmembran ausgebildet sind,
– einen oder mehrere richtungsabhängigen Strömungswiderständen im Kanalsystem,
– eine Pulsatoreinrichtung, die in kommunizierender Verbindung mit dem Kanalsystem steht und ausgebildet ist, einen zeitlich sich periodisch ändernden Druckverlauf der Messflüssigkeit im Kanalsystem anzuregen,
– eine oder mehrere Messkammern, die mit dem Kanalsystem in kommunizierender Verbindung stehen, und die eine Messeinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf eines Messsignals zu erfassen und auszugeben, das entweder von einem Druck der Messflüssigkeit in der Messkammer, oder von einem Druckabfall der Messflüssigkeit über mindestens einem der Strömungswiderstände oder von einer Geschwindigkeit der Messflüssigkeit in der Messkammer abhängt, und
– eine mit der Messeinrichtung verbundenen Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, anhand einer vorbestimmten Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs des Messignals von der Viskosität der Messflüssigkeit sowie anhand einer vorbestimmten Abhängigkeit der Viskosität der Messflüssigkeit von der Konzentration einen Messwert der Konzentration zu bestimmen.

An apparatus according to the invention for measuring a concentration associated with an analyte liquid by means of affinity viscometry on a measuring liquid other than the analyte liquid comprises in one embodiment

An annularly closed channel system for receiving and facilitating a circulation of the measuring liquid,
A supply device for the analyte liquid;
One or more dialysis channels in the channel system, which are connected to the supply device and which are designed to enable an adjustment of an analyte concentration influencing the viscosity of the measuring liquid between the analyte liquid and the measuring liquid via a separating membrane,
One or more directional flow resistances in the duct system,
A pulsator device which is in communicating connection with the channel system and is designed to excite a pressure profile of the measuring liquid in the channel system that changes periodically over time,
- One or more measuring chambers, which are in communication with the channel system, and having a measuring device which is adapted to detect and output a time profile of a measuring signal, either from a pressure of the measuring liquid in the measuring chamber, or from a pressure drop the measuring liquid depends on at least one of the flow resistances or on a velocity of the measuring liquid in the measuring chamber, and
- An evaluation unit connected to the measuring device, which is designed to determine a measured value of the concentration based on a predetermined dependence of the time profile of the measuring signal on the viscosity of the measuring liquid and on the basis of a predetermined dependence of the viscosity of the measuring liquid on the concentration.

Die Betrachtung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen fluidischen Systems kann zweckmäßig anhand einer elektrischen Analogie erläutert werden, die immer dann anwendbar ist, wenn reale inkompressible Fluide verwendet werden und diese sich im Zustand einer stationären, laminaren Strömung befinden. Dabei entspricht die Druckkraft einer elektrischen Spannung und die Geschwindigkeit des Fluids dem elektrischen Strom. Der mit der Viskosität im direkten Zusammenhang stehende Strömungswiderstand entspricht dem elektrischen Widerstand. Die Masse der Flüssigkeit kann einer Induktivität gleichgesetzt werden, die analoge Größe für eine Elastizität ist die Kapazität.The Consideration of the operation of the fluidic system according to the invention can appropriate basis an electrical analogy will be explained which is always applicable when using real incompressible fluids and these are in the state of a stationary, laminar flow. The pressure force corresponds to an electrical voltage and the speed of the fluid to the electric current. The one with the Viscosity in directly related flow resistance corresponds the electrical resistance. The mass of the liquid can be equated with an inductance the analogous size for an elasticity is the Capacity.

Die Erfindung wird nachfolgend zusätzlich anhand weiterer Ausführungsbeispiele erläutert.The Invention is additionally described below further embodiments explained.

Es zeigenIt demonstrate

1 eine schematische Übersicht des fluidischen Gesamtsystems 1 a schematic overview of the fluidic overall system

2 den zeitlichen Verlauf des Druckes im Bereich A in 1 2 the time course of the pressure in the area A in 1

3 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Pulsators 3 a cross-sectional view of an embodiment of a pulsator

4 ein elektrisches Analogschema eines Ausführungsbeispiels eines einfachen Fluidiksystems 4 an electrical analog scheme of an embodiment of a simple fluidic system

5 ein elektrisches Analogschema des Fluidiksystems eines Ausführungsbeispiels mit verbesserter Dämpfung 5 an electrical analog scheme of the fluidic system of an embodiment with improved damping

6 ein elektrisches Analogschema des Fluidiksystems eines Ausführungsbeispiels für eine Phasenauswertung 6 an electrical analog scheme of the fluidic system of an embodiment of a phase evaluation

7 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Auswerteschaltung 7 a schematic block diagram of an embodiment of an evaluation circuit

8 eine erste Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Gesamtsystems einer Messkanüle; 8th a first sectional view of an embodiment of an overall system of a measuring cannula;

9 eine zweite Schnittansicht des Ausführungsbeispiels der 8 in einer die Linie A-A aus 8 enthaltenden Ebene; 9 a second sectional view of the embodiment of 8th in a line AA 8th containing level;

10 eine erste Schnittansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Gesamtsystems einer Messkanüle mit zweiseitiger Kanalführung 10 a first sectional view of an alternative embodiment of an overall system of a measuring cannula with two-sided channel guide

11 eine zweite Schnittansicht des Ausführungsbeispiels der 10 in einer die Linie A-A aus 10 enthaltenden Ebene; 11 a second sectional view of the embodiment of 10 in a line AA 10 containing level;

In 1 ist zunächst die Struktur des fluidischen Gesamtsystems dargestellt. In der Pulsatorkammer 1 werden Druckschwingungen erzeugt, die durch richtungswirksame fluidische Ventile 2a und 2b einen pulsierenden Fluss in Richtung des Dämpfungskanals 3 bewirken. Die fluidischen Ventile 2a und 2b haben dabei die Form eines Diffusors bzw. Konfusors mit je nach Strömungsrichtung unterschiedlichen Widerstandszahlen. Die gleiche Wirkung wird auch erreicht, wenn die dynamischen Ventile als Kanäle mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten ausgeführt werden. In Kombination mit einem Verlauf der Druckschwingung mit unterschiedlich steilen Anstiegsflanken wird so ein Übergang von laminarer in turbulente Strömung genutzt, um einen pulsierenden Fluss zu erzeugen (siehe DE 196 48 694 ).In 1 First, the structure of the fluidic system is shown. In the pulsator chamber 1 Pressure oscillations are generated by directionally effective fluidic valves 2a and 2 B a pulsating flow in the direction of the damping channel 3 cause. The fluidic valves 2a and 2 B have the shape of a diffuser or confuser with depending on the flow direction different resistance numbers. The same effect is also achieved when the dynamic valves are designed as channels with different flow cross-sections. In combination with a progression of the pressure oscillation with differently steep rising edges, a transition from laminar to turbulent flow is used to generate a pulsating flow (see DE 196 48 694 ).

Zwischen dem Dämpfungskanal 3 und den Dialysekanälen 6 ist über einen Bypass die Impedanzkammer 4 angeordnet. Die Impedanzkammer 4 enthält einen Vorrat an Messflüssigkeit 9 und wird durch eine elastische Federmembran 11 abgedeckt. Über den Rücklaufkanal 8 gelangt die Messflüssigkeit 9 wiederum in die Pulsatorkammer 1.Between the damping channel 3 and the dialysis channels 6 is via a bypass the impedance chamber 4 arranged. The impedance chamber 4 contains a supply of measuring fluid 9 and is made by an elastic spring membrane 11 covered. Via the return channel 8th the measuring liquid passes 9 again in the pulsator chamber 1 ,

Eine Ausführungsform des Pulsators ist in 3 dargestellt. Die Druckschwingungen werden durch ein Bimorphsystem mit einer Federmembran 11 und einer aufgeklebten Piezoscheibe 10 erzeugt. Die Anregung des Bimorphes erfolgt beispielsweise durch eine Sinusschwingung, wobei in einer vorteilhaften Ausführungsform die Piezoscheibe 10 mit ihrer Kapazität aus energetischen Gründen Teil eines Schwingkreises ist. Zusammen mit den richtungsabhängigen dynamischen Ventilen 2a und 2b entsteht am Punkt A in 1 ein pulsförmiger Druckverlauf, wie er idealisiert in 3 dargestellt wird. Eine weitere Verbesserung der energetischen Verhältnisse kann erreicht werden, wenn die Frequenz der elektrischen Anregung der Piezoscheibe 10 mit der mechanischen Resonanzfrequenz der Impedanzkammer 4 übereinstimmt.An embodiment of the pulsator is in 3 shown. The pressure oscillations are caused by a bimorph system with a spring diaphragm 11 and a glued piezo disc 10 generated. The excitation of the bimorph takes place for example by a sinusoidal oscillation, wherein in an advantageous embodiment, the piezoelectric disc 10 with its capacity for energetic reasons is part of a resonant circuit. Together with the directional dynamic valves 2a and 2 B arises at the point A in 1 a pulse-shaped pressure gradient, as he idealized in 3 is pictured. A further improvement of the energetic conditions can be achieved if the frequency of the electrical excitation of the piezo disc 10 with the mechanical resonance frequency of the impedance chamber 4 matches.

Aber auch eine dreieckförmige elektrische Anregung des Bimorphes ist vorteilhaft, da damit Geschwindigkeitsspitzen vermieden und laminare Strömungsverhältnisse insbesondere im Messkanal 7 sichergestellt werden können.But even a triangular electrical excitation of the bimorph is advantageous because it avoids speed peaks and laminar flow conditions, especially in the measuring channel 7 can be ensured.

Die elektrische Analogie des Fluidiksystems ist in 4 schematisch dargestellt. In Zusammenfassung der Wirkungsweise des Pulsators mit den dynamischen Ventilen 2 erzeugt der Signalgenerator sinusförmige Spannungsimpulse ug mit einem Verlauf, wie er in 2 dargestellt ist. Der Dämpfungskanal 3 wirkt als Widerstand R₁. Die Impedanzkammer 4 ist in der Analogie als Reihenschwingkreis bestehend aus den Elementen L_t und C_t aufzufassen. Über den Messkanal 7, entsprechend R₂, den Dialysekanälen, entsprechend R₃, und dem Rücklaufkanal 6 bzw. R₄ wird der Kreis geschlossen.The electrical analogy of the fluidic system is in 4 shown schematically. In summary of the operation of the pulsator with the dynamic valves 2 generates the signal generator sinusoidal voltage pulses ug with a course, as in 2 is shown. The damping channel 3 acts as a resistor R ₁ . The impedance chamber 4 is to be understood in the analogy as a series resonant circuit consisting of the elements L _t and C _t . Over the measuring channel 7 , corresponding to R ₂ , the dialysis channels, corresponding to R ₃ , and the return channel 6 or R ₄ , the circle is closed.

Ist die Folgefrequenz der Sinusimpulse identisch mit der Eigenfrequenz des aus den Elementen L_t und C_t gebildeten Schwingkreises, so wird als Messsignal u_t im wesentlichen nur der Gleichspannungsanteil der Sinusimpulsfolge gemessen. Der Spannungsabfall über den Widerstand R₂, der im direkten Zusammenhang mit der Viskosität steht, ergibt sich aus der Spannungsteilerregel unter der Berücksichtigung der Widerstände R₁ bis R₄ aus dem Gleichspannungsanteil der Generatorspannung u_g.If the repetition frequency of the sine pulses is identical to the natural frequency of the resonant circuit formed by the elements L _t and C _t , essentially only the dc voltage component of the sine pulse sequence is measured as the measuring signal u _t . The voltage drop across the resistor R ₂ , which is directly related to the viscosity, results from the voltage divider rule taking into account the resistors R ₁ to R ₄ from the DC voltage component of the generator voltage u _g .

Vorteilhaft bei dieser Abstimmung ist, dass relativ geringe Druckschwankungen in den Dialysekanälen 6 auftreten und damit die Trennmembran 15 nur gering belastet wird.An advantage of this vote is that relatively low pressure fluctuations in the dialysis channels 6 occur and thus the separation membrane 15 only slightly loaded.

Weichen die Folgefrequenz der Sinusimpulse von der Eigenfrequenz des Schwingkreises mit L_t und C_t ab, finden sich in der gemessenen Spannung u_t Frequenzanteile, die mit der Generatorspannung u_g in einer von R2 abhängigen Phasenbeziehung stehen. Kann also eine bestimmte Restwelligkeit des Druckes an den Dialysekanälen 6 akzeptiert werden, besteht die einfache, gegenüber der Messung von Amplituden vorteilhafte Möglichkeit, über die Messung der Phasenverschiebung zwischen u_g und u_t den Wert für R₂ und damit für die Viskosität zu erhalten. Die Amplitude des Pulsators sowie der Wirkungsgrad der dynamischen Ventile gehen in das Messergebnis nicht ein, solange im Messkanal 7 laminare Strömungsverhältnisse vorliegen, was im beschriebenen Beispiel vorausgesetzt wird.If the repetition frequency of the sinusoidal pulses deviates from the natural frequency of the resonant circuit with L _t and C _t , frequency components are found in the measured voltage u _t which are in a phase relationship dependent on _R 2 with the generator voltage u _g . So can a certain residual ripple of the pressure on the dialysis channels 6 be accepted, There is the simple, compared to the measurement of amplitudes advantageous way to obtain the value for R ₂ and thus for the viscosity of the measurement of the phase shift between u _g and u _t . The amplitude of the pulsator and the efficiency of the dynamic valves are not included in the measurement result, as long as in the measuring channel 7 laminar flow conditions are present, which is assumed in the example described.

Ausreichend ist, dass nur an einem Punkt des geschlossenen Kanalsystems, gebildet aus den Funktionselemente 1 bis 8, der Druck gemessen wird und mit der Phase der Ansteuerspannung u_g verglichen wird. Die Druckmesskammer 5 kann dabei vorteilhaft mit der Impedanzkammer 4 identisch sein. Gemessen wird dabei die beispielsweise das Ausmaß einer Verformung der elastischen Abdeckung durch die Federmembran 11.Sufficient is that only at one point of the closed channel system, formed from the functional elements 1 to 8th , the pressure is measured and compared with the phase of the drive voltage u _g . The pressure measuring chamber 5 can be advantageous with the impedance chamber 4 be identical. Measured is the example, the extent of deformation of the elastic cover by the spring diaphragm 11 ,

Ein schematisches Blockdiagramm der Auswerteschaltung ist in 7 dargestellt. Die Funktion des Phasenvergleichers übernimmt zweckmäßigerweise ein Signalprozessor, der zugleich eine Kalibrierung des Systems übernehmen kann und das Messsignal st in Anhängigkeit von der Viskosität der Messflüssigkeit bzw. in einem Anwendungsfall von dem Glucosegehalt in der Analytflüssigkeit linearisiert.A schematic block diagram of the evaluation circuit is shown in FIG 7 shown. The function of the phase comparator expediently takes over a signal processor which can at the same time undertake a calibration of the system and linearizes the measuring signal st as a function of the viscosity of the measuring liquid or in an application of the glucose content in the analyte liquid.

Es ist zweckmäßig, den Widerstand von R₂ sehr viel größer als den Widerstand von R3 beispielsweise R₂ > 10 R₃ zu wählen, um eine hohe Empfindlichkeit der Messanordnung und gleichzeitig einen geringen Druckabfall über die Dialysekanäle 6 zu erhalten.It is expedient to choose the resistance of R ₂ much greater than the resistance of R ₃ , for example R ₂ > 10 R _3, in order to achieve a high sensitivity of the measuring arrangement and at the same time a low pressure drop across the dialysis channels 6 to obtain.

Die Gesamtmenge der in dem geschlossenen Fluidiksystem befindlichen Messflüssigkeit liegt bei einer mikromechanischen Herstellung der Kanäle mit einer Kanaltiefe von 50 μm ... 100 μm in der Größenordnung von einem Mikroliter. Damit zirkuliert die Messflüssigkeit unter dem Einfluss des Pulsators und der dynamischen Ventile innerhalb von wenigen Sekunden, sodass sich im gesamten Fluidiksystem eine Gleichverteilung des Wertes der analytabhängigen Viskosität der Messflüssigkeit einstellt.The Total amount of located in the closed fluidic system measuring liquid lies in a micromechanical production of the channels with a Channel depth of 50 μm ... 100 μm in the order of magnitude of a microliter. This circulates the measuring liquid under the influence of the pulsator and the dynamic valves inside of a few seconds, so that in the entire fluidic an equal distribution the value of the analyte-dependent viscosity of the measuring liquid established.

Totvolumina sollten im Kanalsystem insbesondere durch Abrundungen und kontinuierliche Kanalübergänge, wie dem Fachmann bekannt, vermieden werden. Wenn auch die Messflüssigkeit 9 innerhalb der Impedanzkammer ausgetauscht werden soll, ist es zweckmäßig, diese bei gleicher Wirkungsweise nicht als Bypass, sondern in Reihe mit den Kanälen 3, 6, 7 und 8 anzuordnen, wie in der Ausführungsvariante nach 10 und 11 dargestellt wird.Dead volumes should be avoided in the channel system, in particular by rounding off and continuous channel transitions, as known to those skilled in the art. Even if the measuring liquid 9 is to be replaced within the impedance chamber, it is expedient not with the same mode of action as a bypass, but in series with the channels 3 . 6 . 7 and 8th to arrange, as in the embodiment according to 10 and 11 is pictured.

In den 5 bis 6 sind weitere Ausführungsformen des fluidischen Netzwerkes und der sich daraus ergebenden Ersatzschaltbilder dargestellt, die sich durch eine höhere Empfindlichkeit der Phasenverschiebung und einem mehr linearen Zusammenhang zwischen u_g und u_t in Abhängigkeit von einer Änderung des Widerstandes R2 auszeichnen. In 5 wird der Dämpfungskanal 3 mit einem großen Querschnitt ausgestattet, sodass die Masse der in dem Dämpfungskanal befindlichen Messflüssigkeit 9 nicht vernachlässigt werden kann und als Induktivität LD berücksichtigt werden muss. Daraus ergeben sich zusätzliche Dimensionierungsmöglichkeiten. In 6 wird zusätzlich noch die Masse der im Rücklaufkanal 8 befindlichen Messflüssigkeit 9 berücksichtigt.In the 5 to 6 Further embodiments of the fluidic network and the resulting equivalent circuit diagrams are shown, which are characterized by a higher sensitivity of the phase shift and a more linear relationship between u _g and u _t in response to a change in the resistance R2. In 5 becomes the damping channel 3 equipped with a large cross section, so that the mass of the measuring liquid located in the damping channel 9 can not be neglected and must be considered as inductance LD. This results in additional sizing options. In 6 In addition, the mass of the return channel 8th located measuring liquid 9 considered.

Das Schema des Gesamtaufbaus wird in den 8 und 9 verdeutlicht. Das gesamte Fluidiksystem ist in Form von Kavitäten auf die Oberfläche eines Kanalkörpers 12 eingearbeitet. Der Kanalkörper 12 kann beispielsweise sowohl aus Silizium, aus Keramik oder aus Kunststoff bestehen.The scheme of the overall structure is in the 8th and 9 clarified. The entire fluidic system is in the form of cavities on the surface of a channel body 12 incorporated. The channel body 12 may for example consist of silicon, ceramic or plastic.

Die Abdeckung des Kanalsystems erfolgt durch eine Folie bzw. dünne Platte, die auf Grund ihrer Elastizität als Federmembran 11 sowohl als Teil des Bimorph-Antriebes des Pulsators, als verformbare Kammerwandung der Impedanzkammer 4, als auch als elastische verformbare Feder für die Druckmessung 5 wirkt. Lediglich die Dialysekanäle 6 werden gesondert, nämlich partiell durch die Trennmembran 15 abgedeckt, durch die ein Austausch von Molekülen stattfindet.The cover of the channel system is made by a foil or thin plate, which due to their elasticity as a spring diaphragm 11 both as part of the bimorph drive of the pulsator, as deformable chamber wall of the impedance chamber 4 , as well as elastic deformable spring for pressure measurement 5 acts. Only the dialysis channels 6 are separated, namely partially through the separation membrane 15 covered by an exchange of molecules takes place.

Im Ausführungsbeispiel der 8 ist die Impedanzkammer 4 mit der Druckmesskammer identisch. Auf der Federmembran 11 sind Piezoschichten 16 aufgebracht, die je nach Verformung ein auswertbares Signal s_t liefern. Das gesamte Kanalsystem ist in einem Injektionsgehäuse 19 untergebracht, um ein Einführen des Affinitätsviskosimeters zu erleichtern.In the embodiment of 8th is the impedance chamber 4 identical with the pressure measuring chamber. On the spring membrane 11 are piezo layers 16 applied, which provide an evaluable signal s _t depending on the deformation. The entire channel system is in an injection housing 19 housed to facilitate insertion of the affinity viscometer.

In 10 und 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Kanalsystem ist dabei auf beiden Oberflächen des Kanalkörpers 12 eingearbeitet. Damit wird die Baugröße insgesamt verringert und ein zylindrischer Aufbau angenähert. Die Trennmembran 15 kann dabei als Schlauch ausgeführt werden. Die Pulsatorkammer 1 und die Impedanzkammer 4 befinden sich direkt übereinander und werden durch einen Kanal 18, der die Funktion eines Diffusors übernimmt, miteinander verbunden.In 10 and 11 another embodiment is shown. The channel system is on both surfaces of the channel body 12 incorporated. Thus, the overall size is reduced and approximated a cylindrical structure. The separation membrane 15 can be made as a hose. The pulsator chamber 1 and the impedance chamber 4 are located directly above each other and are separated by a channel 18 , which takes over the function of a diffuser, interconnected.

Claims

Apparatus for measuring a concentration associated with an analyte fluid by affinity viscometry on a measurement fluid other than the analyte fluid, comprising - an annularly closed channel system for receiving and facilitating circulation of the analyzer fluid Measuring liquid, - a supply device for the analyte liquid; One or more dialysis channels in the channel system, which are connected to the supply device and which are designed to enable an adjustment of an analyte concentration influencing the viscosity of the measuring liquid between the analyte liquid and the measuring liquid via a separating membrane, one or more directionally dependent flow resistances in the channel system, one Pulsatoreinrichtung, which is in communicating communication with the channel system and is adapted to stimulate a temporally periodically changing pressure profile of the measuring liquid in the channel system, - one or more measuring chambers, which communicate with the channel system in communicating, and having a measuring device which is formed to detect and output a time course of a measurement signal, either from a pressure of the measuring liquid in the measuring chamber, or from a pressure drop of the measuring liquid over at least one d it depends on a speed of the measuring liquid in the measuring chamber, and with - an evaluation unit connected to the measuring device, which is formed on the basis of a predetermined dependence of the time course of the measuring signal on the viscosity of the measuring liquid and on the basis of a predetermined dependence of the viscosity of the measuring liquid to determine from the concentration a reading of the concentration.

Apparatus according to claim 1, wherein - a part of the duct system or the complete duct system is designed such that he / she in a descriptive the channel system electrical analog circuit an analogy to an electrical resonant circuit forms and has a natural frequency, - The pulsator formed is, the periodically changing pressure curve of the measuring liquid to excite in the channel system with the natural frequency of the resonant circuit, - the evaluation unit is formed, an amount of a DC component in the To determine temporal course of the measuring signal and from it Inclusion of predetermined characteristics of the channel system, which in the electrical analogue diagram values of the resistors, inductors and capacities correspond to the viscosity the measuring liquid to investigate.

Apparatus according to claim 1, wherein - a part of the duct system or the complete duct system is designed such that he / she in a descriptive the channel system electrical analog circuit an analogy to an electrical resonant circuit forms and has a natural frequency, - The pulsator formed is, the periodically changing pressure curve of the measuring liquid in the channel system by means of a control signal with one of the natural frequency to stimulate the measuring circuit to deviate from the resonant circuit, - the evaluation unit is formed, in addition to the time course of the measuring signal also to detect the timing of the control signal, a phase difference between the measuring signal and the control signal to determine and off the phase difference involving a predetermined dependence a characteristic of the channel system, in the electrical analogue circuit a value of that of the measuring chamber formed resistance, from the determined phase difference the viscosity the measuring liquid to investigate.

Apparatus according to claim 3, wherein the separation membrane is formed in the one or more dialysis chambers, occurring pressure fluctuations absorb as part of the measurement process.

Apparatus according to claim 3, wherein the pulsator means is formed and arranged, the time periodically changing Pressure curve of the measuring fluid in the channel system in a way that in the measuring chamber a laminar flow pattern the measuring liquid generated.

Device according to one of the preceding claims, wherein the Pulsatoreinrichtung a Pulsatorkammer and an electrically controllable bimorph actuator with a piezo disc ( 10 ) and an associated spring diaphragm ( 11 ), wherein the spring diaphragm is arranged to be in direct contact with the measurement fluid in the pulsator chamber.

Apparatus according to claim 6, wherein the pulsator means a signal generator for generating a control signal, the the bimorph actuator to excite the periodically changing Pressure curve of the measuring liquid controls, and in which the signal generator is formed, a sinusoidal Output control signal to the bimorph actuator.

Apparatus according to claim 6, wherein the Pulsatoreinrichtung a signal generator for generating a control signal containing the bimorph actuator to stimulate the periodically changing Pressure curve of the measuring liquid controls, and in which the signal generator is formed, a triangular Output control signal to the bimorph actuator.

Device according to one of the preceding claims, wherein the direction-dependent Strö tion resistors are designed as Confusors or diffusers or as a combination of Confusors and diffusers.

Device according to Claim 2 or 3, having an impedance chamber ( 4 ) communicating with the channel system and having an elastically deformable chamber wall.

The apparatus of claim 10, wherein the impedance chamber is at the same time the measuring chamber, and wherein the measuring device is formed, one of an extent of a pressure-dependent deformation of the elastically deformable chamber wall of the impedance chamber ( 4 ) dependent measurement signal (ut) to capture.

Device according to one of the preceding claims, with a substrate containing a channel body forms, in which the channel system formed as a layer structure with cavities is.

Apparatus according to claim 12, wherein the channel body ( 12 ) is provided with cavities on two opposite surfaces.

Apparatus according to claim 6 and according to claim 12 or 13, wherein the cavities in the region of the measuring chamber and the pulsator chamber in a direction away from the substrate interior partially or completely with a spring diaphragm ( 11 ) and in the region of the dialysis channels partially or completely with a separating membrane ( 15 ) are covered.

Apparatus according to claim 6, 10 and 13, in the pulsator chamber ( 1 ) and impedance chamber ( 4 ) on different surfaces of the channel body ( 12 ) are arranged and by a perpendicular to the surface of the channel body ( 12 ) extending diffuser channel ( 17 ) and a subsequent to the diffuser channel and also perpendicular to the surface of the channel body ( 12 ) extending damping channel ( 3 ) are connected.

Device according to one of the preceding claims, in which the separating membrane ( 15 ) designed as a tubular and on the channel body ( 12 ) can be pushed and deducted from the channel body.

Device according to one of the preceding claims, with an injection housing, that at one longitudinal end one for introduction in vessels of the human or animal body having formed hollow needle, wherein the channel body at least partially disposed in the lumen of the hollow needle.

Method for measuring a concentration, the one analyte is assigned by means of affinity viscometry at a different from the analyte Measuring liquid, With - Provide an annularly closed channel system with one or more directional Flow resistances, to Recording and enabling a circulation of the measuring liquid, - Feeding one analyte in one or more dialysis channels in the sewer system to enable an adjustment of the viscosity of the measuring liquid influencing analyte concentration between the analyte fluid and the measuring liquid over a Separation membrane - Stimulate a temporally periodically changing pressure curve the measuring liquid in the canal system, - To capture and outputting a time history of a measurement signal in one or more measuring chambers communicating with the channel system in communication stand, the measurement signal either from a pressure of the measuring liquid in the measuring chamber, or by a pressure drop of the measuring liquid over at least one of the flow resistances or of a velocity of the measuring liquid in the measuring chamber depends and - Determine a measurement of the concentration based on a predetermined dependence the time course of the measuring signal of the viscosity of the measuring liquid and on the basis of a predetermined dependence of the viscosity of the measuring liquid from the concentration.

The method of claim 18, wherein - providing of the channel system comprises that part of the channel system or the full Channel system is designed such that he / she in a channel system descriptive electrical analog circuit an analogy to a forms an electrical resonant circuit and has a natural frequency, - the time periodically changing Pressure curve of the measuring fluid excited in the channel system with the natural frequency of the resonant circuit becomes, - one Amount of a DC component over time Measuring signal is determined and from there including pre-determined Characteristics of the Channel system, which in the electrical analogue diagram values of it contained resistors, inductors and capacities correspond to the viscosity the measuring liquid is determined.

The method of claim 18, wherein providing the channel system comprises forming a part of the channel system or the complete channel system such that it forms an analogy with an electrical resonant circuit and has a natural frequency in an electrical analogue circuit describing the channel system, - The time periodically changing pressure curve of the measuring liquid in the duct system with the help of a Control signal is excited with a deviating from the natural frequency of the resonant circuit measurement frequency, - the temporal course of the control signal is detected in addition to the time course of the measurement signal, a phase difference between the measurement signal and the control signal is determined and from the phase difference, including a predetermined dependence of a characteristic of the channel system, which corresponds in the electrical analogue circuit diagram to a value of the resistance formed by the measuring chamber, the viscosity of the measuring liquid is determined from the determined phase difference.