DÜNNSCHICHTELEKTRODEN FÜR DIE MEDIZINISCHE DIAGNOSTIK G.Urban1, F,Kohl\ AJachimowicz1, F.Olcaytug1, P.Goiser\ F.Keplingerl, HXuttner1, R.Schallauer1, G Jobst1, T.Oubda1, P.Svasek1, FPittner2, T.Schalkhammer2, E.Buxbaum2 1 Ludwig Boltzmann-Institut für Biomedizinische Mikrotechnik und Institut für Allgemeine Elektrotechnik und Elektronik, Technische Universität Wien, Gußhausstraße 27-29,1040 Wien 2 Institut für Allgemeine Biochemie und Ludwig Boltzmann Forschungsstelle für Biochemie, Universität Wien, Währingerstraße 38, 1090 Wien EINLEITUNG
In den l e t z t e n 17 Jahren konnte an der Technischen Universität Wien ein Sensorzentrum für minia t u r i s i e r t e E l e k t r o d e n a u f g e b a u t werden. M i n i a t u r i s i e r t e Dünnschichtelektroden für die Abl e i t u n g von bis zu 16 EEG S i g n a l e n in der G e h i r n rinde haben v o l l k o m m e n neuartige Erkenntnisse in der Neurophysiologie erbracht. Darüberhinaus konnten mit der e n t w i c k e l t e n Technologie auch i n t e g r i e r t e m u l t i p l e Temperatur-, Sauerstoff- und EEG-Sonden r e a l i s i e r t w e r d e n , d i e ebenso e i n e n Schritt in Forschungsneuland ermöglichen /!/. Es k o n n t e n m i t d e r e n t w i c k e l t e n T e c h n o l o g i e d a rüber h i n a u s f ü r d i e h u m a n m e d i z i n i s c h e Diagnostik e b e n f a l l s S e n s o r i n s t r u m e n t e e n t w i c k e l t werden / 2 / . Hier bietet sich die hohe R e p r o d u z i e r b a r k e i t und d i e hochreine V a k u u m p r ä p a r a t i o n d e r D ü n n s c h i c h t technologie als die günstigste Methode zur Hers t e l l u n g von S e n s o r e n an. Diese Technologie ist w e i t e r s p r ä d e s t i n i e r t zur Herstellung massenf a b r i z i e r b a r e r , b i l l i g e r , i n t e g r i e r t e r Sensorsysteme. Diese werden durch ihre m i n i a t u r i s i e r t e Bauform sowohl die Analyse mehrerer Parameter auf k l e i n s t e r F l ä c h e e r m ö g l i c h e n u n d d a h e r sowohl g e r i n g e B l u t m e n g e n b e n ö t i g e n , a l s a u c h eine kont i n u i e r l i c h e in vivo Diagnostik ermöglichen.
Doch ist f ü r die medizinische Forschung die Durchblutungsmessung von allergrößter Bedeutung: Der d a z u v e r w e n d e t e Sensor besteht aus sechs Germanium-Widerstandsthermometern die in einem Abs t a n d von je 0.4 mm auf e i n e m 0.1 mm d i c k e n p l a n a r e n Glasträger aufgedampft worden sind. Der große Vorteil den die DUnnschichtechnologie bietet ist die hohe R e p r o d u z i e r b a r k e i t von W i d e r s t a n d (10%) und T e m p e r a t u r g a n g ( 0 . 2 % ) des Sensors. Ohne diese Technologie müssen gepaarte Thermistoren mit großem Aufwand ausgesucht werden. K o n t i n u i e r l i c h e Durchblutungsmessungen können mit diesem Multi-Temperatursensor leicht durchgeführt werden. Bei dieser Meßmethode w i r d ein Temperatursensor auf konstante Übertemperatur von 1K geheizt und mit einem auf der gleichen Sensornadel befindlichen u n g e h e i z t e n Temperatursensor v e r g l i c h e n . Die H e i z l e i s t u n g ist dann ein Maß f ü r den Wärmeabtransport und dieser ist wiederum ein indirektes Maß f d r die Durchblutung. Mit den Mehr fach temper atursensoren waren Temperaturverteilungs- und G r a d i e n t e n b e s t i m m u n g e n und Durchblutungsmessungen im Kortex von Kaninchen unter Normalbedingungen und während Atemgas- und Narkosegasänderungen durchführbar /4/. Weiters k a n n d i e s e r Sensor auch für die U n t e r s u c h u n g von Temperatur- und Durchblutungsverteilung in Tumoren eingesetzt werden.
SENSORENTWICKLUNG
ELEKTROCHEMISCHE MESSVERFAHREN Temperatur-, Ionen- und elektrochemische Sensoren konnten in großer V i e l f a l t gefertigt und sowohl in vitro als auch in vivo ausgetestet werden. Durch Immobilisieren von Enzymen auf Dünnschichts t r u k t u r e n können hochselektive und hochsensitive Biosensoren r e a l i s i e r t werden. THERMISCHE MESSVERFAHREN
Die Temperatur gehört zu den wesentlichsten Parametern in der Physiologie. Die DUnnschichttechnologie e r m ö g l i c h t die hochreproduzierbare H e r s t e l l u n g von m i n i a t u r i s i e r t e n Thermistoren die auch in einem Array angeordnet sein können /3
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Potentiometrische Sensoren Bei pH- und K a l i u m b e s t i m m u n g im V o l l b l u t ist die D ü n n s c h i c h t t e c h n o l o g i e w i e d e r u m von größter Bedeutung. Die potentiometrische lonendetektIon wurde m i t t e l s einer Membranelektrode mit neutralen C a r r i e r n d u r c h g e f ü h r t /5/. Solcherart hergestellte Sensoren zeigten schnelles Ansprechen im S e k u n d e n b e r e i c h , die theoretisch vorhergesagte Elektrodensteigung und eine geringe Meßwertdrift von 2%/h. Wiederum ist die hohe Reproduzierbarkeit von »ImV zu beachten.
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in Mnperomettische Diosensoren M i n i a t u r i s i e r t e e l e k t r o c h e m i s c h e M e ß z e l l e n sind f ü r die in vivo Messung von Neurotransmittern entw i c k e l t worden / 6 / . Mit diesen Sensoren kann eine Reproduzierbarkeit von rund 2% pro Charge für die Detektion von A s c o r b i n s ä u r e ( V i t a m i n C) e r r e i c h t werden. D a r U b e r h i n a u s können biologischen Substanzen auf diese M e ß a n o r d n u n g e n i m m o b i l i s i e r t werden und solcherart Biosensoren realisiert werden. FUr Diabetiker aber auch fUr den intraoperativen Einsatz ist die Kenntnis der Glukosekonzentration im Blut äußerst wichtig. In beiden Fällen muß der Sensor k l e i n und robust sein und ein schnelles Ansprechverhalten aufweisen. FUr die Glukosebestimmung wurde die Oetektion von Wasserstoffperoxid, welches bei der Glukose/EnzymR e a k t i o n e n t s t e h t , g e w ä h l t . Zur B e s t i m m u n g des Wasserstoffperoxids kamen Drei-und Vierelektrodenstrukturen zum Einsatz mit dUnnen P l a t i n f i l m e n als E l e k t r o d e n m a t e r i a l f ü r die Gegenelektrode u n d A r b e i t s e l e k t r o d e ( n ) und Ag/AgCl als Material f ü r die R e f e r e n z e l e k t r o d e . Der D u r c h m e s s e r der gesamten Sensormeßanordnung beträgt im Falle des in v i t r o Sensors f ü r den D i a b e t i k e r 2.5 mm und f ü r den in v i v o Sensor 0.2 mm (Abb. 1).
weder Referenzmessungen zwischen i m m o b i l i s i e r t e r und blanker Arbeitselektode, um Interferenzen ausz u s c h a l t e n , oder ein Nachweis z w e i e r P a r a m e t e r möglich wird (Abb. Ib). Die Verbindung von Dünnschichtmetallisierungen mit kovalenter "DUnnschicht"-Kopplung von Enzymen erzeugt wieder eine hohe Reproduzierbarkeit von + /5% vom Meßwert. DarUberhinaus ist durch den DUnns c h i c h t a u f b a u eine A n s p r e c h s z e i t von 30 sec. möglich! P a r a l l e l laufende Versuche m a k r o s k o p i s c h e Biosensoren auf der Basis von G l a s k o h l e n s t o f f zu realisieren ergab eine Streuung der Meßwerte von rund 100%. Abschließend kann gesagt werden, daß mittels der DUnnschichttechnologie nicht nur p r e i s w e r t e Bauelemente produziert werden können sondern auch hochreproduzierbare, schnelle und genaue Sensoren, die mit anderen Technologien kaum h e r s t e l l b a r sind. LITERATUR /!/ O.Prohaska et al M u l t i p l e Chamber-type Probe for B i o m e d i c a l
/2/ COHWCTIHe LIHtf
/3/ COONTt* SllCTKOOt
/4/
/5/ a.)
b.)
/6/
Abb. la Schema des in vivo Glukosesensors Ib Schema des in vitro Glukosesensors Das E n z y m Glukoseoxidase wurde k o v a l e n t auf den dUnnen Platinschichten immobilisiert , wobei neuentwickelte I m m o b i l i s a t i o n s m e t h o d e n erprobt w u r d e n , die sich fUr den g e w ü n s c h t e n Meßbereich von 0.3 m m o l / 1 bis 40 m m o l / 1 Glukosekonzentration in vitro bestens bewährt haben /7/. Diese Methode erlaubt die selektive I m m o b i l i s i e r u n g des Enzyms auf einer bestimmten Arbeitselektrode, eodaß ent-
/T/
Application Techn. Digest Transducer 87', Tokyo 1987 G.Urban et al Developement of a m u l t i p l e thin f i l m semi-micro DC-probe for intracerebral recordings IEEE Trans. Biomed. Eng. in press G.Urban et al. High resolution t h i n - f i l m temperature sensors for medical applications Sensors t Actuators Vol.A, No 22 (1990) 650-654 G.Urban et.al. High resolution m u l t i - temperature sensors for biomedical applications Medical Progress through technology in press D. Amman et al Neutral carrier based ion-selective electrodes -selective Electrode Review VolS., Nr. l (1983), 3-93 C.Pifl, A.Jachimowicz, G.Urban, F.Kohl, P.Goiser, J.Theiner, G.Nauer A new type of a T h i n - l a y e r M i c r o e l e c t r o d e for in vivo Voltammetry: Electro-oxidat ion of Dopamine, DOPAC and Ascorbic Acld Sensors fc Actuators Vol B., Nr.l (1990) 468-472 E.Buxbaum, A.Jachimowicz, G.Jobst, F.Olcaytuq, F.Pittner, T.Schalkhammer, G.Urban New m i c r o m i n i a t u r i z e d glucosesensors u s i n g covalent Immobilisation techniques Sensors fc Actuatore Vol. B, Nol (1990) 518-5?:
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In den l e t z t e n 17 Jahren konnte an der Technischen Universität Wien ein Sensorzentrum für minia t u r i s i e r t e E l e k t r o d e n a u f g e b a u t werden. M i n i a t u r i s i e r t e Dünnschichtelektroden für die Abl e i t u n g von bis zu 16 EEG S i g n a l e n in der G e h i r n rinde haben v o l l k o m m e n neuartige Erkenntnisse in der Neurophysiologie erbracht. Darüberhinaus konnten mit der e n t w i c k e l t e n Technologie auch i n t e g r i e r t e m u l t i p l e Temperatur-, Sauerstoff- und EEG-Sonden r e a l i s i e r t w e r d e n , d i e ebenso e i n e n Schritt in Forschungsneuland ermöglichen /!/. Es k o n n t e n m i t d e r e n t w i c k e l t e n T e c h n o l o g i e d a rüber h i n a u s f ü r d i e h u m a n m e d i z i n i s c h e Diagnostik e b e n f a l l s S e n s o r i n s t r u m e n t e e n t w i c k e l t werden / 2 / . Hier bietet sich die hohe R e p r o d u z i e r b a r k e i t und d i e hochreine V a k u u m p r ä p a r a t i o n d e r D ü n n s c h i c h t technologie als die günstigste Methode zur Hers t e l l u n g von S e n s o r e n an. Diese Technologie ist w e i t e r s p r ä d e s t i n i e r t zur Herstellung massenf a b r i z i e r b a r e r , b i l l i g e r , i n t e g r i e r t e r Sensorsysteme. Diese werden durch ihre m i n i a t u r i s i e r t e Bauform sowohl die Analyse mehrerer Parameter auf k l e i n s t e r F l ä c h e e r m ö g l i c h e n u n d d a h e r sowohl g e r i n g e B l u t m e n g e n b e n ö t i g e n , a l s a u c h eine kont i n u i e r l i c h e in vivo Diagnostik ermöglichen.
Doch ist f ü r die medizinische Forschung die Durchblutungsmessung von allergrößter Bedeutung: Der d a z u v e r w e n d e t e Sensor besteht aus sechs Germanium-Widerstandsthermometern die in einem Abs t a n d von je 0.4 mm auf e i n e m 0.1 mm d i c k e n p l a n a r e n Glasträger aufgedampft worden sind. Der große Vorteil den die DUnnschichtechnologie bietet ist die hohe R e p r o d u z i e r b a r k e i t von W i d e r s t a n d (10%) und T e m p e r a t u r g a n g ( 0 . 2 % ) des Sensors. Ohne diese Technologie müssen gepaarte Thermistoren mit großem Aufwand ausgesucht werden. K o n t i n u i e r l i c h e Durchblutungsmessungen können mit diesem Multi-Temperatursensor leicht durchgeführt werden. Bei dieser Meßmethode w i r d ein Temperatursensor auf konstante Übertemperatur von 1K geheizt und mit einem auf der gleichen Sensornadel befindlichen u n g e h e i z t e n Temperatursensor v e r g l i c h e n . Die H e i z l e i s t u n g ist dann ein Maß f ü r den Wärmeabtransport und dieser ist wiederum ein indirektes Maß f d r die Durchblutung. Mit den Mehr fach temper atursensoren waren Temperaturverteilungs- und G r a d i e n t e n b e s t i m m u n g e n und Durchblutungsmessungen im Kortex von Kaninchen unter Normalbedingungen und während Atemgas- und Narkosegasänderungen durchführbar /4/. Weiters k a n n d i e s e r Sensor auch für die U n t e r s u c h u n g von Temperatur- und Durchblutungsverteilung in Tumoren eingesetzt werden.
SENSORENTWICKLUNG
ELEKTROCHEMISCHE MESSVERFAHREN Temperatur-, Ionen- und elektrochemische Sensoren konnten in großer V i e l f a l t gefertigt und sowohl in vitro als auch in vivo ausgetestet werden. Durch Immobilisieren von Enzymen auf Dünnschichts t r u k t u r e n können hochselektive und hochsensitive Biosensoren r e a l i s i e r t werden. THERMISCHE MESSVERFAHREN
Die Temperatur gehört zu den wesentlichsten Parametern in der Physiologie. Die DUnnschichttechnologie e r m ö g l i c h t die hochreproduzierbare H e r s t e l l u n g von m i n i a t u r i s i e r t e n Thermistoren die auch in einem Array angeordnet sein können /3
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Potentiometrische Sensoren Bei pH- und K a l i u m b e s t i m m u n g im V o l l b l u t ist die D ü n n s c h i c h t t e c h n o l o g i e w i e d e r u m von größter Bedeutung. Die potentiometrische lonendetektIon wurde m i t t e l s einer Membranelektrode mit neutralen C a r r i e r n d u r c h g e f ü h r t /5/. Solcherart hergestellte Sensoren zeigten schnelles Ansprechen im S e k u n d e n b e r e i c h , die theoretisch vorhergesagte Elektrodensteigung und eine geringe Meßwertdrift von 2%/h. Wiederum ist die hohe Reproduzierbarkeit von »ImV zu beachten.
Brought to you by | University of Glasgow Library Biomedizinische Technik Band 35 Ergänzungsband 1990 Authenticated Download Date | 6/26/15 2:39 PM
in Mnperomettische Diosensoren M i n i a t u r i s i e r t e e l e k t r o c h e m i s c h e M e ß z e l l e n sind f ü r die in vivo Messung von Neurotransmittern entw i c k e l t worden / 6 / . Mit diesen Sensoren kann eine Reproduzierbarkeit von rund 2% pro Charge für die Detektion von A s c o r b i n s ä u r e ( V i t a m i n C) e r r e i c h t werden. D a r U b e r h i n a u s können biologischen Substanzen auf diese M e ß a n o r d n u n g e n i m m o b i l i s i e r t werden und solcherart Biosensoren realisiert werden. FUr Diabetiker aber auch fUr den intraoperativen Einsatz ist die Kenntnis der Glukosekonzentration im Blut äußerst wichtig. In beiden Fällen muß der Sensor k l e i n und robust sein und ein schnelles Ansprechverhalten aufweisen. FUr die Glukosebestimmung wurde die Oetektion von Wasserstoffperoxid, welches bei der Glukose/EnzymR e a k t i o n e n t s t e h t , g e w ä h l t . Zur B e s t i m m u n g des Wasserstoffperoxids kamen Drei-und Vierelektrodenstrukturen zum Einsatz mit dUnnen P l a t i n f i l m e n als E l e k t r o d e n m a t e r i a l f ü r die Gegenelektrode u n d A r b e i t s e l e k t r o d e ( n ) und Ag/AgCl als Material f ü r die R e f e r e n z e l e k t r o d e . Der D u r c h m e s s e r der gesamten Sensormeßanordnung beträgt im Falle des in v i t r o Sensors f ü r den D i a b e t i k e r 2.5 mm und f ü r den in v i v o Sensor 0.2 mm (Abb. 1).
weder Referenzmessungen zwischen i m m o b i l i s i e r t e r und blanker Arbeitselektode, um Interferenzen ausz u s c h a l t e n , oder ein Nachweis z w e i e r P a r a m e t e r möglich wird (Abb. Ib). Die Verbindung von Dünnschichtmetallisierungen mit kovalenter "DUnnschicht"-Kopplung von Enzymen erzeugt wieder eine hohe Reproduzierbarkeit von + /5% vom Meßwert. DarUberhinaus ist durch den DUnns c h i c h t a u f b a u eine A n s p r e c h s z e i t von 30 sec. möglich! P a r a l l e l laufende Versuche m a k r o s k o p i s c h e Biosensoren auf der Basis von G l a s k o h l e n s t o f f zu realisieren ergab eine Streuung der Meßwerte von rund 100%. Abschließend kann gesagt werden, daß mittels der DUnnschichttechnologie nicht nur p r e i s w e r t e Bauelemente produziert werden können sondern auch hochreproduzierbare, schnelle und genaue Sensoren, die mit anderen Technologien kaum h e r s t e l l b a r sind. LITERATUR /!/ O.Prohaska et al M u l t i p l e Chamber-type Probe for B i o m e d i c a l
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Abb. la Schema des in vivo Glukosesensors Ib Schema des in vitro Glukosesensors Das E n z y m Glukoseoxidase wurde k o v a l e n t auf den dUnnen Platinschichten immobilisiert , wobei neuentwickelte I m m o b i l i s a t i o n s m e t h o d e n erprobt w u r d e n , die sich fUr den g e w ü n s c h t e n Meßbereich von 0.3 m m o l / 1 bis 40 m m o l / 1 Glukosekonzentration in vitro bestens bewährt haben /7/. Diese Methode erlaubt die selektive I m m o b i l i s i e r u n g des Enzyms auf einer bestimmten Arbeitselektrode, eodaß ent-
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Application Techn. Digest Transducer 87', Tokyo 1987 G.Urban et al Developement of a m u l t i p l e thin f i l m semi-micro DC-probe for intracerebral recordings IEEE Trans. Biomed. Eng. in press G.Urban et al. High resolution t h i n - f i l m temperature sensors for medical applications Sensors t Actuators Vol.A, No 22 (1990) 650-654 G.Urban et.al. High resolution m u l t i - temperature sensors for biomedical applications Medical Progress through technology in press D. Amman et al Neutral carrier based ion-selective electrodes -selective Electrode Review VolS., Nr. l (1983), 3-93 C.Pifl, A.Jachimowicz, G.Urban, F.Kohl, P.Goiser, J.Theiner, G.Nauer A new type of a T h i n - l a y e r M i c r o e l e c t r o d e for in vivo Voltammetry: Electro-oxidat ion of Dopamine, DOPAC and Ascorbic Acld Sensors fc Actuators Vol B., Nr.l (1990) 468-472 E.Buxbaum, A.Jachimowicz, G.Jobst, F.Olcaytuq, F.Pittner, T.Schalkhammer, G.Urban New m i c r o m i n i a t u r i z e d glucosesensors u s i n g covalent Immobilisation techniques Sensors fc Actuatore Vol. B, Nol (1990) 518-5?:
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