DE10018433C2 - Sensor system for determining the pollution in water, this comprehensive device, process for its production and its use - Google Patents
Sensor system for determining the pollution in water, this comprehensive device, process for its production and its useInfo
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Description
Es gibt in der Limnologie und Meeresbiologie eine Reihe von Methoden, um die Qualität von Wasser, insbesondere seine Be lastung mit Schadstoffen, zu ermitteln. Neben physikalisch-che mischen Methoden finden solche Anwendung, die sich den Einfluß von Schadstoffen auf Indikatororganismen, wie einzellige Mikro organismen (z. B. Pilze, Bakterien, Ciliaten, Algen) und/oder mehrzellige Pflanzen (z. B. mehrzellige Algen oder Makrophyten), Metazoen (z. B. Coelenteraten, Weichtiere, Insektenlarven, - Krebse, Würmer oder Fische) und/oder Pilze, zunutze machen.There are a number of in limnology and marine biology Methods to measure the quality of water, especially its loading pollution with pollutants. In addition to physical Mixing methods are used in such a way that the influence of pollutants on indicator organisms, such as unicellular micro organisms (e.g. fungi, bacteria, ciliates, algae) and / or multicellular plants (e.g. multicellular algae or macrophytes), Metazoa (e.g. coelenterates, molluscs, insect larvae, Crabs, worms or fish) and / or mushrooms.
Die moderne Gewässergütebeurteilung hat vor allem die Aufgabe, die biologische Indikation sinnvoll in eine umfassende chemisch- biologische Bewertung des Wassers bzw. Gewässers einzubinden. Es gibt hierfür eine Reihe von Ansätzen (vergl. z. B. Tremp et al., Acta Botanica Gallica 142, 541-50 (1995); Grasmück et al., Hydrobiologia 300/301, 115-22 (1995); oder Robach et al., Hydrobiologia 340, 67-76 (1996)).The main task of modern water quality assessment is the biological indication meaningfully into a comprehensive chemical integrate biological assessment of the water or body of water. It There are a number of approaches for this (see e.g. Tremp et al., Acta Botanica Gallica 142, 541-50 (1995); Grasmück et al., Hydrobiologia 300/301, 115-22 (1995); or Robach et al., Hydrobiologia 340, 67-76 (1996)).
Die Saprobie kennzeichnet die Biomasse und den Umsatz heterotropher Organismen eines Gewässers, die Trophie Biomasse und Umsatz autotropher Organismen. Dem Saprobiensystem (DIN 38410) als System von Indikatororganismen liegt das ökologische Gesetz zugrunde, daß jeder Organismus nur dort (im Sinne einer ökologischen Nische) dauerhaft leben kann, wo seine ökologische Erwartung durch das ökologische Angebot in wesentlichen Bereichen gedeckt wird. Eigentlich ist das Saprobiensystem weniger ein Indikator- als vielmehr ein Toleranz-System. Ein niedriger Saprobiewert (z. B. 1) bedeutet geringe Toleranz, ein hoher Saprobiewert (z. B. 4) hohe Toleranz.Saprobia characterizes the biomass and the turnover heterotrophic organisms of a body of water, the biomass trophy and turnover of autotrophic organisms. The saprobia system (DIN 38410) as a system of indicator organisms lies the ecological Law that every organism only there (in the sense of a ecological niche) can live permanently where its ecological Expectation by the ecological offer in essential Areas is covered. Actually, the saprobia system less an indicator system than a tolerance system. On low saprobic value (e.g. 1) means low tolerance, on high saprobic value (e.g. 4) high tolerance.
Das Cell-Monitoring-System (CMS®) ist ein Aufbau zur optischen Beobachtung und physikochemischen Untersuchung tierischer bzw. menschlicher Zell- und Gewebskulturen (siehe Fig. 1).The Cell Monitoring System (CMS®) is a set-up for optical observation and physicochemical examination of animal or human cell and tissue cultures (see Fig. 1).
Cocconeis placentula (Ehrenberg) (zu den Diatomeen, Pennales, Monoraphnidae, Achnanthaceae gehörig) ist eine Bewuchs (auch "Aufwuchs", sog. "Pflanzenläuse") bildende, weit verbreitete und häufige Kieselalge europäischer Gewässer, die vom Gebirge bis in die Tiefebenen gefunden wird. Stark strömungsexponierte Orte in fließenden und stehenden Gewässern werden von der Art gemieden, leichte Strömungen dagegen bevorzugt. Die Art wird im Saprobiensystem als Indikatorart für oligo- bis β-mesosaprobe Gewässer (jedoch nur mit einem geringen Indikatorwert von 1) verwendet. Sie bevorzugt alkalische Gewässer (pH < 7) und ist auch in salzhaltigem Wasser zu finden.Cocconeis placentula (Ehrenberg) (to the diatoms, Pennales, Monoraphnidae, belonging to Achnanthaceae) is a vegetation (too "Growing up", so-called "plant lice") forming, widespread and Common diatoms from European waters, from the mountains to the lowlands is found. Places exposed to strong currents in flowing and standing waters are avoided by the way light currents preferred. The species is in Saprobia system as an indicator for oligo- to β-mesosa samples Waters (but only with a low indicator value of 1) used. It prefers alkaline waters (pH <7) and is also found in salty water.
Bekannt sind biomedizinische Meßeinrichtungen, in denen Zellen, beispielsweise tierische Zellen oder Tumorzellen, in Kammern auf Halbleitern, insbesondere Siliziumdioxid, direkt oder über Modifikationen der Oberfläche des Siliziumdioxids (beispiels weise mit Aluminiumoxid-Clustern, siehe z. B. EP 0 785 424 A1) durch Adhäsion gebunden sind. Weitere entsprechende Kammern sind. z. B. aus. DE 197 53 598 C1 bekannt. DE 42 18 937 A1 nennt Messeinrichtungen zur Bestimmung der Formaldehydkonzentration in wässrigen Medien.Biomedical measuring devices are known in which cells, for example animal cells or tumor cells, in chambers Semiconductors, especially silicon dioxide, directly or via Modifications of the surface of the silicon dioxide (example wise with alumina clusters, see e.g. B. EP 0 785 424 A1) Adhesion are bound. Other corresponding chambers are. z. B. out. DE 197 53 598 C1 known. DE 42 18 937 A1 names measuring devices for determining the formaldehyde concentration in aqueous media.
Die vorliegende Erfindung hat insbesondere die Aufgabe, ein neues Indikatorsystem für die Wasserqualität, beispielsweise von Gewässern, zur Verfügung zu stellen, welches in einfacher Weise erlaubt, Veränderungen der Wasserqualität festzustellen. The present invention has the object, in particular new indicator system for water quality, for example from Waters to provide, which in a simple manner allows to detect changes in water quality.
Bei der Entwicklung und Erprobung derartiger Biosensoren (Kombination eines biologischen Mikrosystems mit einem physikalischen Transducer) hat sich gezeigt, daß nicht alle Zelltypen bzw. Biokomponenten einen gleich guten Kontakt mit für die Sensoren geeigneten Oberflächen herstellen können.When developing and testing such biosensors (Combination of a biological microsystem with a physical transducer) it has been shown that not all Cell types or biocomponents have an equally good contact with for the sensors can produce suitable surfaces.
Es wurde nun überraschend gefunden, daß bei einem analogen Aufbau wie dem CMS bei Beimpfung eines mit einem Kammeraufsatz verwendeten Halbleiter-, ferner Kunststoff- oder Glaschips mit Aufwuchsproben aus natürlichen Gewässern (marin, brackig oder limnisch) nach beispielsweise 10 Tagen bei regelmäßigem Medienwechsel oder leichtem Durchfluß (z. B. 1,2 µl/sec) und rhytmischer oder permanenter Beleuchtung verschiedener Qualität und Quantität eine Ansiedlung von Algen, insbesondere ein Primärbewuchs von Cocconeis placentula (Ehrenberg), gefunden wird, der sich den vorgegebenen Bedingungen angepasst hat und somit für das jeweilige Wasser, insbesondere Gewässer, "opti miert", d. h., an die darin vorherrschenden Bedingungen ange passt, ist, und für längere Zeit stabil gehalten werden kann.It has now surprisingly been found that an analog Structure like the CMS when inoculating one with a chamber attachment used semiconductor, also plastic or glass chips with Growth samples from natural waters (marine, brackish or limnic) after, for example, 10 days with regular Media change or light flow (e.g. 1.2 µl / sec) and Rhythmic or permanent lighting of different quality and quantity a settlement of algae, especially one Primary growth of Cocconeis placentula (Ehrenberg), found who has adapted to the given conditions and thus for the respective water, in particular water bodies, "opti miert ", i.e., to the conditions prevailing therein fits, is, and can be kept stable for a long time.
Wird z. B. ein derartig beschichtetes Substrat einem definierten
Pumprhytmus (beispielsweise von 5 min Durchfluß und 5 min By-
Pass-Fluß) ausgesetzt und der pH-Wert und der Sauerstoffgehalt
über und/ oder hinter dem Cocconeis-Primärbewuchs gemessen, so
gelingt es,
Is z. B. a substrate coated in this way is exposed to a defined pumping rhythm (for example of 5 min flow rate and 5 min bypass flow) and the pH value and the oxygen content are measured above and / or behind the cocconeis primary vegetation,
-
a) bei Beleuchtung der Zellkammern die Photosyntheseleistung
der angesiedelten Algen (gemessen als O2-Gehalt des
Durchflußmediums) und die Atmungsaktivität (gemessen als pH-
Wert, basierend auf der chemischen Reaktion gemäss der
Summenformel
CO2 + H2O → H2CO3
und der Dissoziation von Kohlensäure in wässriger Lösung nach
H2O + H2CO3 H3O+ + HCO3 -
bzw. als O2-Konzentration [mg/ml] und/odera) when the cell chambers are illuminated, the photosynthetic performance of the colonized algae (measured as the O 2 content of the flow medium) and the breathability (measured as pH, based on the chemical reaction according to the molecular formula)
CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3
and the dissociation of carbonic acid in aqueous solution
H 2 O + H 2 CO 3 H 3 O + + HCO 3 -
or as an O 2 concentration [mg / ml] and / or - b) bei Dauerdunkel in den Zellkammern die Atmungsaktivität (gemessen als O2-Gehalt und pH-Wert) zu ermitteln.b) to determine the breathability (measured as O 2 content and pH value) in permanent darkness in the cell chambers.
Bei Zugabe von Schadstoffen in das Durchflußmedium steigt bei spielsweise die Atmungsaktivität von Cocconeis placentula (Ehrenberg) an, d. h. der pH-Wert und Sauerstoffgehalt sinken, sowohl in beleuchteten als auch in nichtbeleuchteten Zellkammern. Allgemein wird bei Umweltveränderungen, die zu Änderungen der Wasserqualität führen, die Atmungsaktivität des Algenbewuchses stimuliert oder inhibiert, so daß durch mit Wasser reagierendes CO2 eine Ansäuerung oder Abnahme der Acidität beobachtet werden kann, und/oder eine Abnahme oder Zunahme des Sauerstoffgehaltes.When contaminants are added to the flow medium, the breathability of Cocconeis placentula (Ehrenberg) increases, ie the pH value and oxygen content decrease, both in illuminated and in non-illuminated cell chambers. In general, in the case of environmental changes which lead to changes in the water quality, the breathability of the algae growth is stimulated or inhibited, so that acidification or a decrease in the acidity can be observed by CO 2 reacting with water, and / or a decrease or increase in the oxygen content.
Derartige Veränderungen des pH-Wertes und/oder Sauerstoff gehaltes sind als Indikator für eine Belastung der Algen (Streß) durch Stoffe oder Stoffgemische, wie Schadstoffe, im Wasser zu verstehen. Somit stellt die Kombination von Algen, insbesondere Cocconeis placentula, und einem Substrat (vorzugsweise einen Halbleiterchip umfassend) einen geeigneten, zur Integration auch mehrerer gleichzeitig vorliegender, schädigender Einflüsse befä higenden Biosensor für Wasser-, insbesondere Gewässerveränderun gen, beispielsweise -verschmutzungen, insbesondere für Abwei chungen von der Durchschnittsbelastung des Wassers bzw. Gewäs sers, dar.Such changes in pH and / or oxygen content as an indicator of algae contamination (stress) due to substances or mixtures of substances, such as pollutants, in the water understand. Thus, the combination of algae, in particular Cocconeis placentula, and a substrate (preferably one Semiconductor chip comprising) a suitable one, for integration too several simultaneous, damaging influences suitable biosensor for water, especially water changes conditions, for example soiling, in particular for divergence of the average water or water pollution sers.
Die Erfindung betrifft daher ein (biologisches) Sensorsystem für die Ermittlung der Schadstoffbelastung in Wasser, welches eine Kammer (9) umfasst, die mindestens eine Zu- und mindestens eine Ableitung hat, wobei ein oder mehrere Sauerstoffsensoren (4 und/oder 11) und/oder ein oder mehrere pH-Sensoren (3 und/oder 13) vorliegen, und gewünschtenfalls weitere Sensoren (14 und/oder 15) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer ein Substrat (6), insbesondere einen Chip, umfasst, welches mit Kieselalgen, vor allem Cocconeis placentula (Ehrenberg) bewachsen ist. The invention therefore relates to a (biological) sensor system for determining the pollution in water, which comprises a chamber ( 9 ) which has at least one inlet and at least one outlet, one or more oxygen sensors ( 4 and / or 11 ) and / or one or more pH sensors ( 3 and / or 13 ) are present and, if desired, further sensors ( 14 and / or 15 ) are present, characterized in that the chamber comprises a substrate ( 6 ), in particular a chip, which with Diatoms, especially Cocconeis placentula (Ehrenberg) is overgrown.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Substrates für dieses Sensorsystems und dessen Verwendung, sowie Vorrichtungen, die dieses Sensorsystem umfassen.The invention also relates to a method for producing a Substrates for this sensor system and its use, as well Devices comprising this sensor system.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemässen Sensorsystems zählt insbesondere auch die Anpassbarkeit an bestimmte Gewässer (dort vorkommende Algenarten werden als integrierendes Messsystem für die Gewässerbelastung über Sauerstoffbildung/Verbrauch und. pH- Wert verwendet). Der Einsatz eines flächendeckenden Gewässergütemonitoring-Netzes auf Basis der erfindungsgemässen Sensorsysteme ermöglicht, den Ist-Zustand der Qualität der jeweiligen Gewässer zu dokumentieren und Verbesserungen und Verschlechterungen kontinuierlich zu ermitteln und darzustellen. Ein räumlich und zeitlich dichtes Netz an Messungen ermöglicht nicht nur die Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte, sondern sichert zugleich beispielsweise die Ermittlung illegaler Einleitungen und ermöglicht die Haftbarmachung ihrer Verursacher. Weitere Vorteile des erfindungsgemässen Sensorsystems bestehen im einfachen und kompakten Aufbau, einfacher Handhabung und guter Automatisierbarkeit.The advantages of the sensor system according to the invention include especially the adaptability to certain waters (there occurring algae species are used as an integrated measuring system for the water pollution via oxygen formation / consumption and. pH Value used). The use of a nationwide Water quality monitoring network based on the inventive Sensor systems enables the actual state of the quality of the to document respective waters and improvements and To continuously determine and present deteriorations. A spatially and temporally dense network of measurements enables not just compliance with legal limits, but also ensures, for example, that illegal ones are identified Discharges and allows the liability of their Cause. Further advantages of the invention Sensor systems consist of a simple and compact structure, easy handling and easy automation.
Die im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung
verwendeten allgemeinen Begriffe haben vorzugsweise die
nachfolgend genannten Bedeutungen:
Eine Kammer (9), die mindestens eine Zu- und eine Ableitung hat,
ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als
Zellkultureinheit aufgebaut. Insbesondere handelt es sich um
eine miniaturisierte Kammer. Sie umfasst das Substrat (6) für
den Bewuchs mit Kieselalgen, vor allem Cocconeis placentula
(Ehrenberg); in einer bevorzugten Ausführungsform umfasst sie
mindestens eine transparente Apertur, die beispielsweise zur
Beobachtung mit einem Mittel zur optischen Beobachtung (12), wie
einem Mikroskop, oder zur Einleitung von Licht mittels einer
Lichtquelle (z. B. zur gezielten Stimulation der Photosynthese)
verwendet werden kann.
The general terms used in the description of the present invention preferably have the meanings given below:
In a preferred embodiment of the invention, a chamber ( 9 ) which has at least one inlet and one outlet is constructed as a cell culture unit. In particular, it is a miniaturized chamber. It comprises the substrate ( 6 ) for the growth of diatoms, especially Cocconeis placentula (Ehrenberg); In a preferred embodiment, it comprises at least one transparent aperture, which are used, for example, for observation with a means for optical observation ( 12 ), such as a microscope, or for introducing light by means of a light source (for example for the targeted stimulation of photosynthesis) can.
Das Substrat (6) ist vorzugsweise ein Chip auf Halbleiter-, wie Siliciumbasis, oder umfasst einen derartigen Chip; der Chip beinhaltet in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als pH-Sensor (13) direkt einen oder mehrere pH-messende ISFETs, die direkt an der von den Kieselalgen bewachsenen Seite vorliegen, und/oder eine oder mehrere Dünnschicht- Sauerstoffelektroden als Sauerstoffsensoren (11), die direkt an der von den Algen bewachsenen Seiten vorliegen - diese Sensoren ermöglichen am Ort der Zellen die Messung des pH und/oder der Sauerstoffkonzentration ("Mikroklima"). Alternativ können die pH-Sensoren (3) und/oder die Sauerstoffsensoren (4) auch an einer oder mehreren Ableitungen der Kammer (9) vorliegen, so daß die Parameter des abfliessenden Materials gemessen werden, oder es können sowohl am Ort des Kieselalgenbewuchses als auch an einer oder mehreren Ableitungen der Kammer (9) pH- (3, 13) und Sauerstoffsensoren (4, 11) vorliegen. Sämtliche Kombinationen sind möglich, bei denen mindestens ein pH- oder ein Sauerstoffsensor vorliegt. Das Substrat kann beliebige Formen haben, vorzugsweise ist es planar.The substrate ( 6 ) is preferably a chip based on semiconductors, such as silicon, or comprises such a chip; in a preferred embodiment of the invention, the chip directly contains, as pH sensor ( 13 ), one or more pH-measuring ISFETs which are present directly on the side overgrown by the diatoms, and / or one or more thin-film oxygen electrodes as oxygen sensors ( 11 ) , which are directly on the side overgrown by the algae - these sensors enable the pH and / or the oxygen concentration ("microclimate") to be measured at the cell location. Alternatively, the pH sensors ( 3 ) and / or the oxygen sensors ( 4 ) can also be present on one or more discharge lines of the chamber ( 9 ) so that the parameters of the outflowing material are measured, or it can be both at the location of the diatom growth and also pH ( 3 , 13 ) and oxygen sensors ( 4 , 11 ) are present on one or more derivatives of the chamber ( 9 ). All combinations are possible in which there is at least one pH or one oxygen sensor. The substrate can have any shape, preferably it is planar.
Sauerstoffsensoren (4) können "klassisch", z. B. nach dem Prinzip der Clarkschen Sauerstoffelektrode, aufgebaut sein, oder als Mikroelektrode (O2-Mikroelektrode), beispielsweise als planare Clark-Elektrode, oder vorzugsweise als Dünnschicht(= "Thin Film")-Sauerstoffsensor (insbesondere im Fall eines Sauerstoffsensors (11)) vorliegen.Oxygen sensors ( 4 ) can be "classic", e.g. B. according to the principle of Clark's oxygen electrode, or as a microelectrode (O 2 microelectrode), for example as a planar Clark electrode, or preferably as a thin film (= "thin film") - oxygen sensor (especially in the case of an oxygen sensor ( 11 )) are available.
pH-Sensoren (3) können ebenfalls klassisch aufgebaut sein, beispielsweise in Form einer Glaselektrode vorliegen, oder vorzugsweise als Halbleitermikrosensoren, insbesondere als pH- sensitive ISFETs (Ion Sensitive Field Effect Transistors) (insbesondere im Falle eines pH-Sensors (13)).pH sensors ( 3 ) can also have a classic structure, for example in the form of a glass electrode, or preferably as semiconductor microsensors, in particular as pH-sensitive ISFETs (ion-sensitive field effect transistors) (in particular in the case of a pH sensor ( 13 )).
Bei ISFETs wird Selektivität durch Beschichtung des Gate-Iso lators mit entsprechenden Materialien oder Membranen erreicht. In ISFETs, selectivity is achieved by coating the gate iso lators achieved with appropriate materials or membranes.
Weitere Sensoren (5, 14 und/oder 15) sind möglich, beispielsweise für die Messung anderer Ionen (im Falle von 14), die Temperaturmessung (im Falle von 15), die Messung von organischen Substanzen (im Falle von 14), optische Messungen (Fluoreszenz und/oder Extinktion) etc. Hierfür eignen sich beispielsweise ISFETs, Zellpotential-FETs (FET = feldelektrischer Transistor), Enzym-FETs (insbesondere zur Messung organischer Komponenten), Temperatursensoren, IDES (In terdigitated Electrode Structures, geeignet zur Messung der Impedanz adhärent wachsender Zellen, z. B. zur Messung von Änderungen der Form der Zellen oder deren Bewuchsdichte), etc., die alle für die Verwendung als Halbleitermikrosensoren geeignet sind, sowie Photozellen und/oder Leuchtdioden.Further sensors ( 5 , 14 and / or 15 ) are possible, for example for the measurement of other ions (in the case of 14 ), the temperature measurement (in the case of 15 ), the measurement of organic substances (in the case of 14 ), optical measurements (Fluorescence and / or extinction) etc. For this purpose, for example, ISFETs, cell potential FETs (FET = field electric transistor), enzyme FETs (in particular for measuring organic components), temperature sensors, IDES (interdigitated electrode structures, suitable for measuring impedance) are suitable adherently growing cells, e.g. for measuring changes in the shape of the cells or their growth density), etc., all of which are suitable for use as semiconductor microsensors, as well as photocells and / or light-emitting diodes.
Vorzugsweise liegen diese, wie auch die pH- und Sauerstoffsensoren, in durch CMOS-Technologie erhaltener Ausführung vor (CMOS = Complementary Metal Oxyde Semiconductor).These are preferably, like the pH and Oxygen sensors, obtained through CMOS technology Execution before (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor).
Mindestens eine Zu- und Ableitung bedeutet, daß die Kammer (9) nicht dauerhaft geschlossen ist, sondern jeweils einen oder mehrere Zu- und Abflüsse, beispielsweise in Form von Löchern, die mit Röhrchen oder Schläuchen verbunden sind, haben, wobei vorzugsweise insbesondere die Zuleitungen, gewünschtenfalls auch die Ableitungen, über Ventile öffen- und schliessbar sind.At least one inlet and outlet means that the chamber ( 9 ) is not permanently closed, but each has one or more inlets and outlets, for example in the form of holes which are connected to tubes or hoses, preferably in particular the inlet lines , if necessary also the derivatives, can be opened and closed via valves.
Kieselalgen sind insbesondere in natürlichen Gewässern vorkommende Kieselalgen (entweder mehrere Arten oder vorzugsweise Einzelarten), die in der Lage sind, einen Aufwuchs (Periphyton) zu bilden. Besonders bevorzugt ist ein ausschließlicher Bewuchs mit Cocconeis placentula (Ehrenberg).Diatoms are particularly common in natural waters occurring diatoms (either several species or preferably single species) that are able to grow (Periphyton) form. A is particularly preferred exclusive vegetation with Cocconeis placentula (Ehrenberg).
Gewässer sind insbesondere natürliche oder künstliche Gewässer mit beispielsweise limnischem, brackigem oder marinem Wasser, beispielsweise aus fliessenden oder stehenden Gewässern, wie Flüssen, Bächen, Seen, Teichen oder Brunnen; auch Leitungswasser kann ferner gemeint sein. Waters are, in particular, natural or artificial waters with limnic, brackish or marine water, for example, for example from flowing or standing water, such as Rivers, streams, lakes, ponds or fountains; also tap water can also be meant.
Eine Vorrichtung, die das erfindungsgemässe Sensorsystem umfasst, ist insbesondere eine komplette Messeinrichtung, welche (i) ein oder mehrere erfindungsgemässes Sensorsysteme wie oben oder unten beschrieben, die (ii) mit einer Versorgungs- und Kontrolleinheit (7) (die als echte "Einheit" oder in Form einer oder mehrerer über die Messeinrichtung verteilter Komponenten vorliegen kann), welche insbesondere (a) eine Vorrichtung zur (permanenten oder in Intervallen stattfindenden) Zuführung von Gewässerproben, und (b) eine oder mehrere Pumpen und Ventile umfasst - gewünschtenfalls auch (c) Testsubstanzen (beispiels weise zur Eichung oder Kontrolle der Funktion des Sensorsystems), (d) zur Verbesserung der Kulturbedingungen geeignete Medien, (e) Kontrolleinheiten (optional) für ein den Fluss über einen Bypass oder durch die Kammer (9) regulierendes Ventil, falls ein Bypass vorhanden ist, (f) Kontrolleinheiten (optional) für Mittel zur optischen Beobachtung, (g) Kontrolleinheiten (optional) für Lichtquellen und/oder (h) Mittel zur Kontrolle und Einstellung der Temperatur (optional, aber wünschenswert); sowie (iii) mit einer Einheit zur Stromversorgung (über ein Stromnetz, eine Batterie: oder insbesondere über Solarzellen, Windkraft oder Wasserkraft) und Signalprozessierung (1) verbunden sind; umfasst; und (iv) in einer bevorzugten Ausführungsform auch eine (über Leitungen und/oder beispielsweise Funk) angeschlossene Vorrichtung zur Datenaufnahme und Auswertung (2) (beispielsweise einen Computer) umfasst. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die entsprechende Vorrichtung zwei oder mehr Messsysteme mit den vorstehend genannten Merkmalen (i), (ii) und (iii), die gemeinsam (über Leitungen und/oder Funk) an eine (gemeinsame) Vorrichtung zur Datenaufnahme und Auswertung (2) angeschlossen sind und beispielsweise an verschiedenen Stellen eines Gewässers in Abständen zueinander angeordnet sind.A device which comprises the sensor system according to the invention is, in particular, a complete measuring device which (i) one or more sensor systems according to the invention as described above or below, (ii) with a supply and control unit ( 7 ) (which as a real "unit" or in the form of one or more components distributed over the measuring device), which in particular (a) a device for (permanent or at intervals) supply of water samples, and (b) one or more pumps and valves - if desired also (c ) Test substances (e.g. for calibration or control of the function of the sensor system), (d) media suitable for improving the culture conditions, (e) control units (optional) for a valve regulating the flow through a bypass or through the chamber ( 9 ), if there is a bypass, (f) control units (optional) for means for optical observation, (g) control units (optional) for light sources and / or (h) means for controlling and adjusting the temperature (optional, but desirable); and (iii) are connected to a unit for power supply (via a power grid, a battery: or in particular via solar cells, wind power or hydropower) and signal processing ( 1 ); includes; and (iv) in a preferred embodiment also comprises a device (via lines and / or for example radio) for data acquisition and evaluation ( 2 ) (for example a computer). In another preferred embodiment, the corresponding device comprises two or more measuring systems with the above-mentioned features (i), (ii) and (iii), which together (via lines and / or radio) to a (common) device for data acquisition and evaluation ( 2 ) are connected and are arranged, for example, at different points in a body of water at intervals.
Die Herstellung eines erfindungsgemässen Sensorsystems oder einer erfindungsgemässen Vorrichtung gelingt insbesonders durch ein Verfahren zur Herstellung des mit Kieselalgen bewachsenen Substrats (6), worin man ein Substrat (6) mit aus einem Gewässer (z. B. marin, limnisch oder brackig) gewonnenem Wasser, welches im entsprechenden Wasser vorliegende Kieselalgen enthält, inku biert, erfoderlichenfalls unter ausreichend häufigem Medienwechsel, um eine schädliche Veränderung der Wasserqualität zu verhindern, bis ein Kieselalgenbewuchs vorliegt, wobei das Substrat vorzugsweise im ansonsten weitgehend oder ganz fertiggestellten Sensorsystem oder der ansonsten fertiggestellten Vorrichtung angeordnet ist, und erforderlichenfalls das Sensorsystem oder die Vorrichtung fertigstellt. Die Herstellung findet vorzugsweise direkt in der für die Herstellung des erfindungsgemässen Sensorsystems verwendeten Kammer (9) statt, wobei das zu verwendende Wasser für ausreichende Zeit, z. B. mehrere Tage, wie 8 bis 12, z. B. 10 Tage, in Zeitintervallen oder permanent durch die Kammer gepumpt wird, vorzugsweise unter leichtem Durchfluß, z. B. im Bereich von 1 bis 10 µl/sec, erforderlichenfalls unter rhythmischer oder permantenter Beleuchtung, bis ein entsprechender, gleichmässig bleibender Bewuchs stattgefunden hat. Die Herstellung kann beispielsweise durch Ansiedlung der Kieselalgen direkt am Ort des geplanten Einsatzes des Sensorsystems oder der Vorrichtung unter Verwendung von Wasser aus dem dortigen Gewässer erfolgen.A sensor system according to the invention or a device according to the invention is produced in particular by a method for producing the substrate ( 6 ) covered with diatoms, in which a substrate ( 6 ) is obtained with water obtained from a body of water (e.g. marine, limnic or brackish), which contains diatoms present in the corresponding water, incubates, if necessary with sufficient frequent media changes, in order to prevent a harmful change in the water quality until there is a growth of diatoms, the substrate preferably being arranged in the otherwise largely or completely finished sensor system or the otherwise finished device, and, if necessary, completes the sensor system or the device. The production preferably takes place directly in the chamber ( 9 ) used for the production of the sensor system according to the invention, the water to be used for a sufficient time, for. B. several days, such as 8 to 12, e.g. B. 10 days, at intervals or permanently pumped through the chamber, preferably with a light flow, z. B. in the range of 1 to 10 µl / sec, if necessary under rhythmic or permanent lighting, until a corresponding, uniform growth has taken place. The production can take place, for example, by settling the diatoms directly at the location of the planned use of the sensor system or the device using water from the local water.
Gewünschtenfalls kann eine im letzten Absatz beschriebene Vorrichtung, aber auch ein erfindungsgemässes Sensorsystem, auch (v) eine Lichtquelle (erforderlichenfalls ebenfalls durch die Versorgungseinheit (7) zum Ein- und Ausschalten oder zur Regulation der Helligkeit ansteuerbar); (vi) Mittel zur optischen Beobachtung, beispielsweise eine Videokamera oder ein Mikroskop oder Kombinationen hiervon, oder (vii) einen Bypass (8), welcher eine temporäre oder andauernde Umleitung des Versorgungsmediums um die Kammer (9) (die z. B. auch durch eine andere Zellkultureinheit führen kann) ermöglicht; oder zwei oder mehr dieser Merkmale (v), (vi) und (vii); umfassen.If desired, a device described in the last paragraph, but also a sensor system according to the invention, can also (v) a light source (if necessary, can also be controlled by the supply unit ( 7 ) for switching on and off or for regulating the brightness); (vi) means for optical observation, for example a video camera or a microscope or combinations thereof, or (vii) a bypass ( 8 ), which temporarily or continuously redirects the supply medium around the chamber ( 9 ) (e.g. also through another cell culture unit)); or two or more of these features (v), (vi) and (vii); include.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Sensorsystems oder einer Vorrichtung, wie vor- und nachstehend beschrieben, zur Ermittlung der Wasserqualität, insbesondere von Leitungswasser oder Wasser aus einem Gewässer, inbesondere zur Ermittlung von Veränderungen der Wasserqualität, dadurch gekennzeichnet, daß man mittels einer oder mehrerer pH- und/oder Sauerstoffsensoren den pH-Wert und/oder die Sauer stoffkonzentration des Mediums am Ort der Kieselalgen und/oder nach Kontakt mit den Kieselalgen direkt an einer Kieselalgenzelle (Sensoren in das Substrat integriert) und/oder an einer Ableitung ausserhalb der Kammer (9) ermittelt und mit vor- oder nachher gemessenen Werten vergleicht, wobei eine Änderung der Messwerte Änderungen der Wasserqualität anzeigt.The invention also relates to the use of a sensor system or a device, as described above and below, for determining the water quality, in particular tap water or water from a body of water, in particular for determining changes in water quality, characterized in that one or more pH and / or oxygen sensors, the pH and / or the oxygen concentration of the medium at the location of the diatoms and / or after contact with the diatoms directly on a diatom cell (sensors integrated in the substrate) and / or on a drain outside the chamber ( 9 ) determined and compared with values measured before or after, a change in the measured values indicating changes in the water quality.
Die vor- und nachstehend genannten allgemeinen Ausdrücke können, soweit sinnvoll und zweckmässig, in bevorzugten Ausführungen durch die nachfolgend genannten spezifischeren Definitionen ersetzt werden; resultierende Ausführungsformen der Erfindung sind dann bevorzugter Gegenstand der vorliegenden Erfindung.The general terms mentioned above and below can as far as reasonable and expedient, in preferred versions by the more specific definitions given below be replaced; resulting embodiments of the invention are then the preferred subject of the present invention.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemässes Sensorsystem oder eine erfindungsgemässe Vorrichtung, welche(s) als Sensoren nur ein oder mehrere pH-Sensoren (3) ausserhalb der Kammer (9) oder insbesondere pH-Sensoren (13) innerhalb der Kammer (9) und ein oder mehrere Sauerstoffsensoren (4) ausserhalb der Kammer (9) oder Sauerstoffsensoren (11) innerhalb der Kammer (9) umfasst, sowie vorzugsweise zusätzlich einen Temperatursensor (15).Preferred is a sensor system according to the invention or a device according to the invention which, as sensors, has only one or more pH sensors ( 3 ) outside the chamber ( 9 ) or in particular pH sensors ( 13 ) inside the chamber ( 9 ) and one or more Oxygen sensors ( 4 ) outside the chamber ( 9 ) or oxygen sensors ( 11 ) inside the chamber ( 9 ), and preferably additionally a temperature sensor ( 15 ).
Stärker bevorzugt ist ein erfindungsgemässes Sensorsystem oder eine erfindungsgemässe Vorrichtung, welche(s) als Sensoren nur ein oder mehrere Sauerstoffsensoren (4) ausserhalb der Kammer (9) oder insbesondere ein oder mehrere Sauerstoffsensoren (11) innerhalb der Kammer (9) umfasst, sowie vorzugsweise zusätzlich einen Temperatursensor (15).A sensor system according to the invention or a device according to the invention is more preferred which comprises as sensors only one or more oxygen sensors ( 4 ) outside the chamber ( 9 ) or in particular one or more oxygen sensors ( 11 ) inside the chamber ( 9 ), and preferably additionally a temperature sensor ( 15 ).
Noch stärker bevorzugt ist ein erfindungsgemässes Sensorsystem oder eine erfindungsgemässe Vorrichtung, welche(s) als Sensoren nur ein oder mehrere pH-Sensoren ausserhalb der Kammer (9) oder insbesondere ein oder mehrere pH-Sensoren innerhalb der Kammer (9) umfasst, sowie vorzugsweise zusätzlich einen Temperatursensor (15).Even more preferred is a sensor system according to the invention or a device according to the invention which, as sensors, comprises only one or more pH sensors outside the chamber ( 9 ) or in particular one or more pH sensors inside the chamber ( 9 ), and preferably additionally a temperature sensor ( 15 ).
Bevorzugt ist auch ein erfindungsgemässes Sensorsystem oder eine erfindungsgemässe Vorrichtung wie oben beschrieben, welche(s) einen Bypass (8) umfasst (dieser ermöglicht es, Inkubationen in der Messkammer vorzunehmen, die über eine längere Zeit laufen können, ohne dass ein Mediumswechsel stattfindet, oder bei Vorliegen von Sensoren außerhalb der Kammer (9) an deren Ableitung den Vergleich der Messung mit oder ohne Kontakt mit den Algen in der Kammer (9)).Also preferred is a sensor system according to the invention or a device according to the invention as described above, which comprises a bypass ( 8 ) (this makes it possible to carry out incubations in the measuring chamber which can run over a longer time without a medium change taking place, or if there are sensors outside the chamber ( 9 ) at their derivation, compare the measurement with or without contact with the algae in the chamber ( 9 )).
Bevorzugt ist auch ein Sensorsystem oder eine Vorrichtung gemäss der Erfindung wie oben beschrieben, welche(s) eine Lichtquelle umfasst (diese ermöglicht insbesondere die Messung photosynthetischer Prozesse).A sensor system or a device according to FIG of the invention as described above, which is a light source includes (this enables in particular the measurement photosynthetic processes).
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Sensorsystems oder einer Vorrichtung (insbesondere der jeweils bevorzugten Ausführungsvarianten) zur Ermittlung der Wasserqualität, ins besondere von Leitungswasser oder Wasser aus einem Gewässer, insbesondere zur Ermittlung von Veränderungen der Wasser qualität, wobei man den pH-Wert und/oder der die Sauerstoff konzentration am Ort der Kieselalgen und/oder nach Kontakt mit den Kieselalgen (insbesondere an einer Ableitung der Kammer (9) ermittelt, und gewünschtenfalls mittels weiterer Sensoren wei tere Parameter misst, insbesondere um gegebenenfalls Änderungen feststellen zu können, die eine Veränderung der Wasserqualität anzeigen (oder die Konstanz der Wasserqualität zu untermauern).The invention also relates to the use of a sensor system or a device (in particular of the respectively preferred embodiment variants) for determining the water quality, in particular tap water or water from a body of water, in particular for determining changes in water quality, the pH value and / or which determines the oxygen concentration at the location of the diatoms and / or after contact with the diatoms (in particular at a discharge of the chamber ( 9 ), and if necessary measures further parameters by means of further sensors, in particular in order to be able to detect changes that may be a change of water quality (or to substantiate the constancy of water quality).
Die Erfindung betrifft insbesondere die in den Beispielen beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren.The invention relates in particular to those in the examples described devices and methods.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemässes Sensorsystem in einer erfin dungsgemässen Vorrichtung. (1) Einheit zur Stromversorgung und Signalprozessierung; (2) Vorrichtung zur Datenaufnahme und Auswertung (hier als Computer gezeigt) (3) (hier als pH- Mikroelektrode ausgebildeter) pH-Sensor; (4) Sauerstoffsensor; (5) ein oder mehrere optionale weitere Sensoren (Immuno-, Enzym-, Fluoreszenz- oder Extinktionssensoren, oder dergleichen); (6) Substrat (hier gezeigt mit Bewuchs von Kieselalgen, insbesonder von Cocconeis placentula (Ehrenberg)); (7) Versorgungs- und Kontrolleinheit (enthält insbesondere Vorrichtung zur Zuführung von Gewässerproben und ein oder mehrere Pumpen und Ventile, und gewünschtenfalls Testsubstanzen, zur Verbesserung der Kulturbedingungen geeignete Medien, Kontrolleinheiten für ein Ventil zur Umleitung über einen Bypass (8), Kontrolleinheiten für Mittel zur optischen Beobachtung und/oder Kontrolleinheiten für Lichtquellen, Mittel zur optischen Beobachtung und/oder Mittel zur Kontrolle und Einstellung der Temperatur); (8) Bypass (oder andere Zellkultureinheit); (9) (hier als Zellkultureinheit ausgebildete) Kammer; (10) Auffangbehälter; (11) hier als Dünnschicht-Sauerstoffelektrode ausgebildeter) Sauerstoffsensor; (12) (hier als Mikroskop ausgebildetes) Mittel zur optischen Beobachtung (optional); (13) (hier als ISFET ausgebildeter) pH- Sensor; (14) (hier als IDES (optional) und/oder als ISFET, z. B. ionenselektiv ausser für H+ ausgebildete(r)) weitere(r) Sensor(en); (15) Temperatursensor (optional). Fig. 1 shows an inventive sensor system in an inventive device. ( 1 ) power supply and signal processing unit; ( 2 ) Device for data acquisition and evaluation (shown here as a computer) ( 3 ) (here designed as a pH microelectrode) pH sensor; ( 4 ) oxygen sensor; ( 5 ) one or more optional additional sensors (immuno, enzyme, fluorescence or extinction sensors, or the like); ( 6 ) substrate (shown here with growth of diatoms, especially Cocconeis placentula (Ehrenberg)); ( 7 ) Supply and control unit (contains in particular a device for supplying water samples and one or more pumps and valves, and if necessary test substances, media suitable for improving the culture conditions, control units for a bypass valve ( 8 ), control units for agents for optical observation and / or control units for light sources, means for optical observation and / or means for controlling and adjusting the temperature); ( 8 ) bypass (or other cell culture unit); ( 9 ) chamber (here designed as a cell culture unit); ( 10 ) collecting container; ( 11 ) oxygen sensor designed here as a thin-film oxygen electrode; ( 12 ) (here designed as a microscope) means for optical observation (optional); ( 13 ) pH sensor (here designed as an ISFET); ( 14 ) (here as IDES (optional) and / or as ISFET, e.g. ion-selective other sensor (s) except for H + trained); ( 15 ) Temperature sensor (optional).
Fig. 2 zeigt eine pH-Messung, die den Effekt von Tributylzinn (TBT) demonstriert: (16) Zugabe von TBT; (17) Seewasserzugabe. x-Achse: Zeit t (in sec), y-Achse: Spannung U (mV). Figure 2 shows a pH measurement demonstrating the effect of tributyltin (TBT): ( 16 ) addition of TBT; ( 17 ) Sea water addition. x-axis: time t (in sec), y-axis: voltage U (mV).
Die nachfolgend genannten Beispiele dienen der Illustration der Erfindung, ohne ihren Umfang einschränken zu sollen:The examples below serve to illustrate the Invention without restricting its scope:
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein Sensorsystem als Bestandteil einer Vorrichtung gemäss der Erfindung. Eine Einheit zur Stromversorgung und Signalprozessierung (1), eine Vorrichtung zur Datenaufnahme und Auswertung (2), im vorliegenden Fall ein Computer, sowie eine Versorgungs- und Kontrolleinheit (7), die eine Vorrichtung zur Zuführung von Gewässerproben, eine Pumpe und gewünschtenfalls Testsubstanzen (wie TBT aus Beispiel 2) sowie eine Kontrolleinheit für ein Ventil für einen Bypass (8), und Mittel zur Kontrolle und Einstellung der Temperatur, ermöglichen die Messung und Kontrolle des eigentlichen Sensorsystems, welches hier folgende Komponenten umfasst: ein oder mehrere pH-Sensoren (3) (hier als Mikroelektrode ausgebildet) und ein oder mehrere Sauerstoffsensoren (4), beispielsweise als Clarke-Elektrode, ermöglichen die Messung von pH und Sauerstoffgehalt des Gesamtmediums entweder nach Passieren der Kammer (9) mit Algenbewuchs oder (als Vergleich und Basislinie) nach Passieren des Bypass (8). Zusätzliche Sensoren (5) können weitere Parameter messen, z. B. mittels Immun- oder Enzymsensoren. Das Mikroklima direkt an Zellen wird über pH-Sensoren (13), welche als ISFET ausgebildet sind, und über Sauerstoffelektroden (11), hier als Dünnschichtsauers toffelektrode ausgebildet, gemessen, sowie gewünschtenfalls über weitere Sensoren für Temperatur (n), andere Ionen und organische Substanzen sowie die Impedanz der Zellen (14). Eine transparente Apertur der Kammer (9) ermöglicht die optische Beobachtung des Algenbewuchses mittels eines Mikroskopes (12). Die Kammer (9) enthält das Substrat (6), welches als Halbleitermikrochip ausgebildet ist, der die Sensoren (11), (13), (14) und (15) sowie die transparente Apertur enthält, und mit Cocconeis placentula (Ehrenberg) bewachsen ist. Fig. 1 shows an example for a sensor system as a component shows a device according to the invention. A unit for power supply and signal processing ( 1 ), a device for data acquisition and evaluation ( 2 ), in the present case a computer, and a supply and control unit ( 7 ) which contains a device for supplying water samples, a pump and, if required, test substances ( such as TBT from example 2) and a control unit for a valve for a bypass ( 8 ), and means for controlling and adjusting the temperature, enable the measurement and control of the actual sensor system, which here comprises the following components: one or more pH sensors ( 3 ) (designed here as a microelectrode) and one or more oxygen sensors ( 4 ), for example as a Clarke electrode, enable the pH and oxygen content of the entire medium to be measured either after passing through the chamber ( 9 ) with algae growth or (as a comparison and baseline) Passing the bypass ( 8 ). Additional sensors ( 5 ) can measure further parameters, e.g. B. by means of immune or enzyme sensors. The microclimate directly on cells is measured via pH sensors ( 13 ), which are designed as ISFETs, and via oxygen electrodes ( 11 ), here designed as thin-film oxygen electrodes, and, if desired, via further sensors for temperature (s), other ions and organic Substances and the impedance of the cells ( 14 ). A transparent aperture of the chamber ( 9 ) enables optical observation of the algae growth using a microscope ( 12 ). The chamber ( 9 ) contains the substrate ( 6 ), which is designed as a semiconductor microchip, which contains the sensors ( 11 ), ( 13 ), ( 14 ) and ( 15 ) and the transparent aperture, and is covered with cocconeis placentula (Ehrenberg) is.
Fig. 2 zeigt die Änderung des pH-Wertes innerhalb eines erfindungsgemässen Sensorsystems. Gemessen wird das Mikroklima mittels eines ISFET-pH-Sensors (in Fig. 1 unter (13) fallend). Zugabe von Tributylzinn (TBT), einem z. T. noch zum Schutz von Schiffrümpfen verwendeten Schutzmittel, das insbesondere Fäulnis verhindert, in einer Konzentration von 1 µg/l des zu untersuchenden Wassers ergibt eine Steigerung der gemessenen Spannung U in mV, welche reversibel ist nach Entfernen des TBT. Die Steigerung der Spannung entspricht einer Ansäuerung durch vermehrtes mit Wasser reagierendes CO2 als Folge vermehrter Atmung des Probeorganismus, Cocconeis placentula (Ehrenberg). Fig. 2 shows the change of the pH value is within an inventive sensor system. The microclimate is measured using an ISFET pH sensor (falling under ( 13 ) in FIG. 1). Add tributyltin (TBT), e.g. T. still used to protect ship hulls, which in particular prevents rotting, in a concentration of 1 µg / l of the water to be examined results in an increase in the measured voltage U in mV, which is reversible after removal of the TBT. The increase in voltage corresponds to an acidification due to increased CO 2 reacting with water as a result of increased breathing of the test organism, Cocconeis placentula (Ehrenberg).
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