DE10025580A1

DE10025580A1 - Messverfahren mit Substanzsensoren und Messvorrichtung

Info

Publication number: DE10025580A1
Application number: DE2000125580
Authority: DE
Inventors: Roland Thewes
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2001-12-06

Abstract

Die Erfindung ist gerichtet auf ein Messverfahren für eine Anordnung (1) von zumindest einem Substanzsensor mit folgenden Schritten: Aufbringen zumindest einer mit dem Substanzsensor reaktiven Kalibriersubstanz auf den Substanzsensor; Messen zumindest einer sich ergebenden elektrischen Kenngröße für die Kalibriersubstanz am Substanzsensor; Berechnen der Kenngrößendifferenz zwischen gemessenen Kenngrößenwert und dem bei der Kalibriersubstanz erwarteten Sollkenngrößenwert; und Festlegen eines Korrekturwerts, mit welchem bei Messungen von Analyten gemessene Kenngrößenwerte für den Substanzsensor kompensiert werden können. Es stehen zwei bevorzugte Ausführungsformen zur Kompensation der Kenngrößendifferenz zur Verfügung, eine rechnerische nach der Messung und eine, welche das Verhalten des Substanzsensors beeinflußt. Die Erfindung ist auch gerichtet auf eine Substanzsensormessvorrichtung mit einer Anordnung (1) von zumindest einem Substanzsensor; einem Kalibrierungsmittel zur Bestimmung und/oder Kompensation einer Kenngrößendifferenz einer elektrischen Kenngröße; einem Sensorsteuerungsmittel (23) zum Ansteuern und Auslesen des Substanzsensors; und einer Prozeßsteuerung (26) zum Durchführen von Messungen mit dem Substanzsensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Substanzsensormess vorrichtung und ein Messverfahren mit Substanzsensoren. Ins besondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation von Messfehlern bei Substanzsenso ren.

Substanzsensoren sind hybride Bauelemente, welche die Detek tion chemischer Substanzen mittels einer Reaktion, üblicher weise einer chemischen Bindung, mit einer sogenannten Indi katorsubstanz durch Veränderung elektrischer Kenngrößen an einem elektronischen Teil des Substanzsensors ermöglichen. Substanzsensoren können in zwei Klassen unterteilt werden, zum einen die Chemosensoren, welche chemische Substanzen im allgemeinen künstlichen Ursprungs bzw. einfache Verbindungen detektieren können, und zum anderen Biosensoren, welche zur Erkennung biologischer Verbindungen wie Nukleinsäuren, Pro teinen oder Stoffwechselprodukten verwendet werden.

Zur Herstellung eines Substanzsensors werden entweder durch den Hersteller oder aber durch den Benutzer Indikator- Substanzen (üblicherweise in flüssiger Form) auf den elek trischen Teil des Substanzsensors aufgebracht. Diese Indika tor-Substanzen können mittels chemischer Prozesse an ihre Po sition gebunden werden, z. B. indem sie chemische Verbindungen mit einem Material innerhalb des Substanzsensors, welches auch das Sensormaterial selbst oder eine Komponente des Sen sors sein kann, eingehen. Man spricht in diesem Falle von Im mobilisierung der jeweiligen Indikator-Substanz oder einer ihrer Komponenten.

So ist es möglich, einen Sensor für Nukleinsäuren zu kon struieren. Beispielsweise können zwei nebeneinander angeordnete Elektroden verwendet werden, auf denen sog. Fänger moleküle, beispielsweise Oligonukleotide oder DNA-bindende Proteine, immobilisiert werden. Für diesen Zweck kann als Elektrodenmaterial Gold verwendet werden. Die Immobilisierung geschieht beispielsweise über die aus der Biochemie bekannte Gold-Schwefel-Kopplung. Oberhalb der Sensorelektroden befin det sich während des aktiven Sensorbetriebes der zu unter suchende Analyt, der aus einem Elektrolyten besteht, der wiederum auf das Vorhandensein bestimmter Nukleinsäuren un tersucht werden soll. Eine Hybridisierung der Nukleinsäuren mit den Fängermolekülen findet nur dann statt, wenn Fänger moleküle und Nukleinsäure-Stränge gemäß dem Schlüssel-Schloß- Prinzip zueinander passen, was mit dem Begriff "Match" bezeichnet wird. Ist dieses nicht der Fall, findet keine Hy bridisierung statt. Diese Situation wird als "Mismatch" bezeichnet. Die Spezifität des Sensors leitet sich also aus der Spezifität der Fängermoleküle ab. Der elektrische Parame ter, der bei dieser Methode ausgewertet wird, kann z. B. die Impedanz zwischen den Elektroden sein. Im Falle erfolgter Hy bridisierung verringert sich diese, da Nukleinsäure- und Fängermoleküle nichtleitend sind und die jeweiligen Elektrode in gewissem Maße abschirmen. Die Impedanz zwischen den Elek troden muß hierbei nicht ausschließlich kapazitive Anteile aufweist. Eine wesentliche Ursache dafür liegt darin be gründet, daß die Bedeckung der Elektroden mit Fängermolekülen nicht ideal, d. h. nicht vollständig dicht, geschieht und der elektrisch leitende Elektrolyt, der ein elektrisch leitendes Medium darstellt, somit einen parasitären Pfad zwischen den Elektroden herstellt, der u. a. auch ohmsche Anteile enthält.

PCT/US 93/03829 beschreibt einen Biosensor mit zwei Elektro den, von denen die eine oberhalb einer Vertiefung, die andere am Boden der Vertiefung angeordnet ist. In DE 196 10 115 A1 werden Ansätze mit Planarelektroden beschrieben. Um die An forderung zu erfüllen, eine möglichst große Menge von Feld linien in dem Volumen zu lokalisieren, in welchem die Hy bridisierung erfolgt, wird vorgeschlagen, die Abmessungen der Elektroden und der Abstände zwischen ihnen in der Größenord nung der Länge der zu detektierenden Moleküle oder geringer zu wählen, z. B. 200 nm und darunter. Ferner wird nicht nur ein Elektrodenpaar verwendet, sondern es wird, wie in Fig. 1 der DE 196 10 115 A1 schematisch dargestellt, eine große An zahl solcher Elektroden parallelgeschaltet, so daß sich sog. Interdigitalelektroden ergeben. Darüber hinaus werden in DE 19 610 115 A1 verschiedene weitere andere Anordnungen der Parallelschaltung vorgeschlagen, z. B. konzentrische Kreise. In der US Anmeldung Nr. 60/007840 wird eine Herstel lungsmethode mit einer bestimmten Seitenwandsbedampfung stechnik zur Herstellung der Elektroden vorgeschlagen, die zu einer vergleichsweise komplexen Anordnung der Elektroden und zu ebensolchen Verläufen der Feldlinien führt.

Um verschiedene Substanzen gleichzeitig erfassen zu können oder mehrere zu untersuchende Proben (Analyte) gleichzeitig messen zu können, können eine Mehrzahl von Substanzsensoren zu Sensorfeldern zu sammengefasst werden, die rationeller beschickt und manipuliert werden können.

Beim Einsatz eines solchen Substanzsensors wird die zu unter suchende Substanz, d. h. der Analyt (z. B. im Falle biologis cher Analyte Blut, Speichel, ggf. biochemisch vorbehandelt), auf alle Sensorpositionen gleichermaßen bzw. ganzflächig auf das Sensorfeld aufgebracht. Der Analyt bzw. die verschiedenen in dem Analyten vorhandenen Komponenten gehen nun mit den auf die einzelnen Sensoren zuvor aufgebrachten Indikator- Substanzen bestimmte Reaktionen ein oder auch nicht, wodurch sich das elektrische Signal des Sensors (in einem einfachen Fall z. B. ein Strom oder ein Widerstand) in charakter istischer Form ändert. Je nach Sensor- und Detektionsprinzip sind in dem gesamten Verfahren auch noch Spülschritte der ge samten Anordnung mit weiteren chemischen Substanzen not wendig.

Mikroelektronische Chips mit Substanzsensoranordnungen bieten die Möglichkeit der parallelen und schnellen Detektion einer Vielzahl von biochemischen Substanzen. Solche Substanzsen soranordnungen ermöglichen Anwendungen in der medizinischen Diagnostik, in der Pharmaforschung und anderen pharmakologis chen Anwendungen, in der Umwelt- und Nahrungsmitteltechnik, in der Gentechnik, in der Sicherheitstechnik und auf weiteren Feldern. Aufgrund dieser weitgefächerten An wendungsmöglichkeiten sind sie in der Lage, einen neuen Mas senmarkt zu erschließen und zu bedienen.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Beispiel einer solchen, aus dem Stand der Technik bekannten Substanzsensoranordnung.

Fig. 1 zeigt eine Substanzsensoranordnung 1, ein sogenanntes Bio-Chip-Array. Die Anordnung enthält eine Reihe von Sen soren, die in einem zweidimimensionalen Raster angeordnet sind. Diese Substanzsensoren können zum Beispiel sogenannte Interdigitalelektroden sein, mittels derer zum Beispiel eine Auswertung nach dem Prinzip der Impedanzspektroskopie oder des Redox-Recyclings durchgeführt werden kann. Oberhalb des in Fig. 2 als Querschnitt der Substanzsensoranordnung gezeigten elektronischen Teils der Substanzsensoren aus einer integrierten Schaltung 7 und einer Sensorschicht 10 befindet sich ein Analytenbett 2, in dem Analytentröge 3 angeordnet sind. Bei der Herstellung der Substanzsensoranordnung können die eigentlichen Substanzsensorelemente mit verschiedenen biochemischen Indikatorsubstanzen in Kontakt gebracht werden, indem diese in die Analytentröge 3 eingefüllt, beispielsweise pipettiert, oder sonstwie verbracht werden.

Das Analytenbett weist darüberhinaus einen Zufuhrkanal 4 und einen Abfuhrkanal 5 sowie Spülkanäle 6 auf, die zwischen al len Analytentrögen 3 verlaufen und nach oben mit einer Ab deckung (nicht dargestellt) verschlossen werden können. Diese dienen beim Betrieb der Substanzsensoranordnung dem Spülen der eigentlichen Substanzsensoren mit Reinigungs- und/oder Reaktanzflüssigkeiten und zur Aufbringung des Analyten. Die ses Kanalsystem und die für seinen Betrieb notwendigen Kompo nenten werden zusammengefaßt als "Fluidik" einer Substanzsen sormeßanordnung bezeichnet. Während Fig. 2 einen Querschnitt durch die Substanzsensoranordnung 1 längs der in Fig. 1 eingezeichneten Querschnittslinie II zeigt, stellt Fig. 3 einen Querschnitt längs der Querschnittslinie III der Fig. 1 dar, bei der die Analytentröge 3 und Substanzsensoren 8 angeschnitten sind. Dementsprechend zeigt Fig. 3 die Sub stanzsensoren 8 in schematischer Darstellung. Gezeigt ist hier die Substanzsensoranordnung im gefüllten Zustand, das heißt mit Analyten 9 in den Analytentrögen 3.

Die einzelnen Substanzsensoren können bei der oben geschilderten Anordnung gemäß Fig. 1 einen Durchmesser bis hinunter zu 100 µm oder noch kleiner haben. Auch der Abstand der einzelnen Sensoren voneinander kann bis hinunter zum Bereich von 100 µm oder kleiner liegen. Damit ist es zum Beispiel möglich, auf einer Sensorchipfläche von 1 cm² 2.500 Sensoren anzuordnen. Tatsächlich werden im Rahmen der Er findung auch Substanzsensoranordnungen mit einer großen Zahl von Substanzsensoren erwogen, um eine Vielzahl von Analyten, beziehungsweise eine Vielzahl von zu untersuchenden Substan zen gleichzeitig erfassen zu können.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen ein weiteres Beispiel einer bekannten Substanzsensoranordnung. Anders als in der Fig. 1 bis 3 sind hier die Sensoren nicht durch separierende Ana lytentröge voneinander getrennt. Vielmehr liegen die Gren zflächen der Substanzsensoren zum Analyten alle in einer großen gemeinsamen Wanne, welche vom Analytenbett 2 umgrenzt ist. Die Querschnittsdarstellungen der Fig. 5 und 6 sind hierbei wiederum längs der in Fig. 4 eingezeichneten Schnit tlinien genommen.

Mittels derartiger Anordnungen von Biosensoren kann z. B. eine Analyse des elektrischen Potentials, des pH-Haushaltes und des Stoffwechsels einer lebenden Zelle oder eines Zellverban des ortsaufgelöst untersucht werden, wobei diese Zelle oder der Zellverband innerhalb der großen Wanne auf den Substan zsensoren 8 aufliegt.

Substanzsensoren können unterschiedlich aufgebaut sein. So ist es möglich, einen MOS-FET Transistor zu implementieren, dessen verschiedene Spannungen als Kenngrößen verwendet wer den können. In diesem Beispiel sind Substanzsensoren nach dem Prinzip von Feldeffekt-Transistoren gut geeignet, wobei im Fall der Potentialmessung die Zelle(n) als Steuerelektrode (Gate, Gatter) der Substanzsensor-Transistoren fungieren, und im Falle der pH-Messung eine Besetzung von Störstellen mit geladenen Teilchen im Dielektrikum eines als ISFET ("Ion sensitive field effect transistor") bezeichneten Sensor- Transistors den Kanalsteuereffekt ausübt. Die Strukturgrößen in der Mikroelektronik erlauben hier einen Abstand zwischen den Zentren der einzelnen Sensoren im µm-Bereich.

Auch bei dieser Anordnung ist eine Fluidik vonnöten, um die Zelle oder den Zellverband mit Nährstoffen zu versorgen, chemische Anreize auf die Zellen im Zellverband auszuüben etc.

Auch Chemosensoren können in der Anordnung verwendet werden, da die Vorgehensweise bezüglich der Sensorik vergleichbar ist und nur die zu bewertende Substanz bzw. der Gesamtanalyt nicht-biologischen Ursprungs ist.

Unabhängig davon, ob eine elektronische Substanzsensor- Anordnung in einer Konfiguration gemäß dem im Zusammenhang mit Fig. 1-3 oder gemäß dem im Zusammenhang mit Fig. 4-6 diskutierten Beispiel oder aber in einer weiteren anderen Konfiguration betrieben wird, ist für den Praxiseinatz sol cher Anordnungen ein Lese- und Steuergerät oder -system notwendig, welches zum einen elektrische Steuersignale an den Chip abgibt, die gemessenen und ggf. chipintern bereits vor verarbeiteten Meßdaten liest, weiterverarbeitet und ggf. in terpretiert, und welches zum anderen das Fluid-Handling übe rnimmt.

Für viele mögliche Anwendungen elektronischer Substanzsensor- Chip-Arrays ist eine quantitative Bewertung der zu unter suchenden Parameter mit hoher Auflösung erwünscht, die weit über eine qualitative Ja-Nein-Aussage (z. B.: "zu detektier ende Substanz ist in dem untersuchten Analyten vorhanden/ nicht vorhanden") hinausgeht. Für die quantitative Auswertung elektronischer Substanzsensoren müssen sehr kleine elektris che Signale detektiert werden, z. B. Spannungen im mV-Bereich oder auch darunter, Ströme in der Größenordnung einiger 10 bis 100 pA, oder auch komplexere elektrische Größen wie kom plexer Widerstand, Phasenlage und/oder Frequenzspektrum eines Signals.

Im Bereich der Elektronik, speziell der Mikroelektronik, tre ten durch Herstellungstoleranzen und bestimmte unvermeidbare statistische Prozesse Parameterschwankungen zwischen Bauele menten auf, die in ihren elektrischen Kenngrößen eigentlich vollkommen identische Parameter aufweisen sollten. Solche Schwankungen treten zwischen unterschiedlichen Chargen, zwis chen unterschiedlichen Wafern einer Charge, zwischen unter schiedlichen Chips eines Wafers, und sogar zwischen benach barten Bauelementen mit gleichem Layout innerhalb eines Chips auf und sind z. T. aufgrund prinzipieller statistischer Ge setze, die sich auf die physikalischen Prozesse der Herstel lung auswirken, unvermeidbar. Zum Beispiel beträgt die Stan dardabweichung der Schwellenspannung von MOS-Transistoren mit einer Fläche von 1 µm² und einer Oxiddicke von 15 nm aufgrund von Fluktuationen der Kanaldotierung typischerweise etwa 10- 15 mV.

Wird nun eine Anordnung von Substanzsensoren für die quanti tative Auswertung von Substanzen auf einem Mikrochip real isiert, so weisen die darauf befindlichen Substanzsensoren Schwankungen auf, welche das Messergebnis beeinflussen und die Genauigkeit der Messung ggfs. erheblich vermindern.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel bereitzustellen, welche ein möglichst fehlerfreies und/oder fehlerkorrigiertes Meßergebnis eines Substanzsensors liefern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung eines Meßverfahrens gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und die Substanzsensormeßvorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentan spruch 15. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den ab hängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beige fügten Zeichnungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Grundgedanke zu Grunde, den an einem bestimmten Substanzsensor auftretenden Meßfehler zu kompensieren. Dies kann auf rechnerische Weise nach dem eigentlichen Meßvorgang geschehen oder durch eine elektro nisch/physikalische Beeinflussung des Substanzsensors, so daß bereits während der Messung eine Kompensation erfolgt.

Demzufolge ist die Erfindung zunächst gerichtet auf ein Meßverfahren für eine Anordnung von zumindest einem Substan zsensor mit folgenden Schritten:

- Aufbringen zumindest einer mit dem Substanzsensor reak tiven Kalibriersubstanz auf den Substanzsensor;
- Messen zumindest einer sich ergebenden elektrischen Kenngröße für die Kalibriersubstanz am Substanzsensor;
- Berechnen der Kenngrößendifferenz zwischen gemessenem Kenngrößenwert und dem bei der Kalibriersubstanz erwarteten Sollkenngrößenwert; und
- Festlegen eines Korrekturwerts, mit welchem bei Messungen von Analyten gemessene Kenngrößenwerte für den Substanzsensor kompensiert werden können.

Hierbei ist unter einer Substanz jede chemische Verbindung zu verstehen, die in einer vorgesehenen Weise eine Änderung der vorgesehenen elektrischen Kenngröße durch eine Aktion am Sub stanzsensor hervorruft.

Eine Kalibriersubstanz ist hierbei eine solche aktive Sub stanz in einer genau definierten Konzentration. Die Kalibri ersubstanz kann auch eine von der zu analysierenden Substanz abweichende Substanz sein, sofern sie eine Aussage über das Verhalten des Sensors ermöglicht. Kalibriersubstanzen können neben Flüssigkeiten und Lösungen auch Gase wie Luft oder aber sogar ein Vakuum sein.

Ein Analyt ist hierbei eine Probe, welche eine aktive Sub stanz für einen Substanzsensor enthält oder enthalten könnte. Analyten können Lösungen von Substanzen sein, wie im Falle von Biosensoren Körperflüssigkeiten, Extrakte aus Körperflüs sigkeiten, modifizierte Körperflüssigkeiten, Suspensionen von aus Tieren oder Pflanzen stammendem Material oder andere Ausscheidungen. Beispiele für Analyten können sein: Blut, Speichel, Sperma, Urin, Fäzes, Lymphflüssigkeit, Liquor, etc. Proben können sein Gewebe, wie beispielsweise Knochen, Haut, Leber, Niere etc., beziehungsweise pflanzliche Substanzen. Im Falle von Chemosensoren können die Substanzen einfache anor ganische und organische Stoffe, komplexe anorganische und or ganische Verbindungen, Stoffgemische etc in Form von Flüssig keiten, Lösungen, Suspensionen und Emulsionen o. ä. sein. Die Analyten können aus chemischen Verfahren entnommen sein, aus Erhebungen im Rahmen von Umweltanalytik wie Klärschlamm, Bo den- und Wasserproben, Gebäudeproben, Proben aus Müllhalden oder Müllverbrennungsanlagen etc. Analyten können desgleichen der Landwirtschaft entstammen. Analyten können schließlich auch in Lösung gebrachte gasförmige Substanzen sowie Gase selbst sein. Sie können im wesentlichen fest, flüssig oder gasförmig sein.

Die sich ergebende elektrische Kenngröße muß eine solche sein, die sich bei dem spezifisch verwendeten Substanzsensor und der zu überprüfenden Substanz, beispielsweise der Kali briersubstanz, ändert.

Der Sollkenngrößenwert ist derjenige Wert der Sollkenngröße, der bei einer bestimmten vorliegenden Konzentration der Kali briersubstanz für den spezifischen Substanzsensor erwartet werden würde. Der Sollkenngrößenwert kann beispielsweise bes timmt werden, indem auf rechnerische Weise die physikalischen Eigenschaften des Substanzsensors möglichst exakt bestimmt werden. Eine alternative, praktikablere Methode zur Festlegung eines Sollkenngrößenwertes ist die Messung einer Vielzahl von Substanzsensoren eines Typs und die Berechnung eines Mittelwertes aus diesen unter Kalibrierbedingungen durchgeführten Messungen.

Unter einer Kompensation im Sinne der Erfindung ist zu ver stehen, daß der sich letztendlich ergebende Wert bei Messung eines Analyten eine Kenngrößendifferenz zum Sol lkenngrößenwert von Null annimmt. Demzufolge ist der Korrek turwert eine Größe, welche in der Lage ist, die Kenngrößendifferenz auf Null zu verringern.

Um die Kenngrößendifferenz auf Null bringen zu können, daß heißt, die gemessenen Kenngrößenwerte kompensieren zu können, ist es notwendig, eine dafür benötigte Information für nach folgende Messungen von Analyten zu speichern. Demzufolge weist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise den weiteren Schritt auf:

- Speichern der Kenngrößendifferenz in einem Speicher.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Meßverfahren auch den weiteren Schritt aufweisen:

- Speichern des Korrekturwerts in einem Speicher.

Jede der beiden Informationen kann dazu verwendet werden eine Kompensation durchzuführen.

Das bislang geschilderte erfindungsgemäße Verfahren befaßt sich ausschließlich mit der Kalibrierphase eines Substanzsen sors, das heißt der Phase, in welcher die Kenngrößendiffernz festgestellt wird, indem eine Kalibriersubstanz auf dem Sub stanzsensor aufgebracht wird und in der gegebenenfalls ein Korrekturwert festgelegt wird. Um tatsächliche Messungen durchführen zu können, welche die Kenngrößendifferenz, bezie hungsweise den Korrekturwert berücksichtigen, weist das er findungsgemäße Verfahren vorzugsweise die folgenden weiteren Schritte auf:

- Aufbringen eines zu messenden Analyten auf den Substan zsensor; und
- Bestimmen eines kompensierten Kenngrößenwerts für den Ana lyten.

Mit der Anordnung können auch gleichzeitig zumindest zwei Analyte erfaßt werden. Bei dieser möglichen Ausführungsform ist es notwendig, mindestens zwei Tröge zur Aufnahme der bei den verschiedenen Analyte vorzusehen, die jeweils mindestens einen Substanzsensor aufweisen. Auf Grund der großen Zahl möglicher Substanzsensoren auf einer Substanzsensoranordnung kann die Zahl gleichzeitig erfaßbarer Analyte jedoch auch we sentlich höher sein.

Desweiteren wird es bevorzugt, daß die Anordnung zumindest zwei für verschiedene Substanzen reaktive Substanzsensoren aufweist. Auch Kombinationen der beiden Möglichkeiten sind vorstellbar, so daß eine Reihe von verschiedenen Analyten auf eine Reihe von enthaltenen Substanzen mittels verschiedener Substanzsensoren gleichzeitig getestet werden können. Zum Beispiel kann es möglich sein, eine XY-Anordnung von Substan zsensoren bereitzustellen, bei der in X-Richtung jeweils alle Substanzsensoren einer Reihe identisch sind und in Y-Richtung dann pro Reihe jeweils ein Analyt aufgetragen wird, der sich allen in X-Richtung angeordneten Substanzsensoren dieser Reihe gegenüber sieht, um verschiedene Substanzen finden zu können.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ermöglicht das ortsaufgelöste Erfassen von Analyten mit einer Ausdehnung. Hierbei weist die Anordnung eine Mehrzahl von in zumindest einer Dimension angeordneter Substanzsensoren auf, wobei der Analyt eine Ausdehnung aufweist, welche zumindest einen Teil der Anordnung überdeckt. Zumindest eine Kenngröße des Analy ten kann durch diese Anordnung von Substanzsensoren gemessen werden, um eine ortsaufgelöste Bestimmung der Kenngröße des Analyten über die zumindest eine Dimension der Anordnung zu erreichen. Beispiele für entsprechende Analyten könnten Zel len oder Zellverbände sein, wobei die Verteilung einer be stimmten Substanz in der Zelle oder dem Gewebe bestimmt wer den soll. Ein weiterer möglicher Einsatz einer solchen Anord nung ist die Vermessung der Substanzverteilung in einer fliessenden Flüssigkeit wie beispielsweise einem Fluß. Hier kann die Anordnung zur Messung in das Wasser verbracht wer den, wo sie ein Profil der zu messenden Substanz über die An ordnungsbreite erstellen helfen kann.

Der so gemessene Analyt muß kein zusammenhängender Block sein. Beispielsweise kann auch eine Zellkultur verwendet und beispielsweise deren Reaktion auf einen gerichteten äußeren Stimulus bestimmt werden. Der Analyt ist in diesem Fall die Zellkultur, die ja aus zahlreichen Einzelzellen besteht.

Für die Ausführung solcher zumindest eindimensionaler (also linearer), aber auch zwei-(flächiger) oder dreidimensionaler (räumlicher) Anordnungen können beispielsweise FET- Transistoren oder Elektrodensensoren verwendet werden.

Auch bei der Wahl der zu messenden elektrischen Kenngröße gibt es zahlreiche Möglichkeiten, in Abhängigkeit von der Konfiguration des jeweils verwendeten Substanzsensors, der oder den zu messenden Substanzen sowie Bedingungen der Prak tikabilität. Demzufolge ist die Erfindung vorzugsweise darauf gerichtet, daß die elektrische Kenngröße beispielsweise die Spannung, der Widerstand, der Strom, die Kapazität und/oder die Induktivität oder eine komplexe Mischgröße aus mehreren dieser Basiskenngrößen ist. Hierbei kann es sein, daß Kapazität und/oder Induktivität wiederum durch andere elek trische Kenngrößen wiedergegeben werden, die dann gemessen werden.

Eine mögliche Ausführungsform ist es, wenn der zumindest eine Substanzsensor einen Feldeffekttranistor darstellt und die elektrische Kenngröße eine Spannung an einem der Terminals (Source, Drain, Gate, Substratanschluß) des Feldeffekttran sistors ist, welche sich nach Aufbringen der reaktiven Sub stanz ergibt. Die reaktive Substanz kann hier sowohl die Ka libriersubstanz als auch eine in einem Analyten enthaltene Substanz sein. Demzufolge ergibt sich, daß die Kenngrößendif ferenz vorzugsweise eine Differenz zwischen gemessener Span nung und der erwarteten Spannung an einem der Terminals des Feldeffekttransistors ist.

Der zumindest eine Substanzsensor kann auch einen Kondensator darstellen, wobei die elektrische Kenngröße eine Kapazität zwischen zwei Elektroden des Kondensators ist, welche sich nach Aufbringen der reaktiven Substanz ergibt. In diesem Fall ist die Kenngrößendifferenz eine Differenz zwischen gemesse ner Kapazität und der erwarteten Kapazität zwischen den Elek troden des Kondensators.

Der erfindungsgemäß verwendete Substanzsensor kann dabei mit einer Napfelektrode mit zwei beschichteten Seitenwänden, oder ein Sensor mit einer oberflächlich gelegenen Elektrode und einer weiteren, am Boden eines Napfes gelegenen Elektrode ausgeführt sein. Er ebenfalls ein anderer Typ von Sensor sein, beispielsweise ein Sensor mit einer Planarelektrode.

Wie oben bereits erläutert, stehen zwei bevorzugte Aus führungsformen zur Kompensation der Kenngrößendifferenz zur Verfügung, eine rechnerische nach der Messung und eine, welche das Verhalten des Substanzsensors beeinflußt. Demgemäß ist die Erfindung auf ein Meßverfahren gerichtet, bei dem mit dem Korrekturwert der Wert der elektrischen Kenngröße bei Messungen von Analyten rechnerisch kompensiert werden kann. Bei bekannter Kenngrößendifferenz für die Kalibriersubstanz und dem daraus erhältlichen Korrekturwert ist dies ein ein faches mathematisches Verfahren, das weiter unten beispiel haft erläutert werden wird.

Alternativ dazu kann mit dem Korrekturwert das Verhalten des zumindest einen Substanzsensors so beeinflußt werden, daß die Kenngrößendifferenz bei Messungen von Analyten eliminiert werden kann. Dieses Verfahren setzt voraus, daß der Substan zsensor in seiner Konfiguration beziehungsweise in seinen Be triebsgrößen, beeinflußbar ist. Dies kann innerhalb der zur Ansteuerung des Substanzsensors verwendeten Schaltungsanord nung durch Beeinflussung elektrischer Bauelemente geschehen. Wenn beispielsweise die gemessene elektrische Kenngröße ein Widerstand ist, besteht die Möglichkeit, einen einstellbaren variablen Vorwiderstand in Reihe zu schalten, der in Abhän gigkeit von dem berechneten Korrekturwert eingestellt wird. Weitere Beispiele für dieses Verfahren werden unten beschrie ben.

Die Erfindung ist weiterhin gerichtet auf eine Substanzsen sormeßvorrichtung. Für die Substanzsensormeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gilt das bezüglich des Verfahrens Ausgeführte, so daß auf dessen Aspekte, Vorteile und Details voll inhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird.

Die Substanzsensormeßvorrichtung weist eine Anordnung von zu mindest einem Substanzsensor auf, ein Kalibrierungsmittel zur Bestimmung und/oder Kompensierung einer Kenngrößendifferenz einer elektrischen Kenngröße, ein Sensorsteuerungsmittel zum Ansteuern und Auslesen des Substanzsensors und eine Pro zeßsteuerung zum Durchführen von Messungen mit dem Substan zsensor. Es ist möglich, die Anordnung so auszulegen, daß zu mindest zwei Analyte gleichzeitig erfaßt werden können. Vor zugsweise kann die Anordnung zumindest zwei für unterschied liche Substanzen reaktive Substanzsensoren aufweisen.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anordnung eine Mehrzahl von in zumindest einer Dimension angeordneten Substanzsen soren zur ortsaufgelösten Bestimmung einer Kenngröße des Ana lyten über die zumindest eine Dimension der Anordnung auf weisen.

Die elektrische Kenngröße kann die Spannung, der Widerstand, der Strom, die Kapazität und/oder die Induktivität oder eine andere elektrische Kenngröße oder eine Mischgröße aus anderen Kenngrößen sein.

Weiterhin kann das Kalibrierungsmittel einen Speicher auf weisen, der zum speichern der durch die Kalibrierung erhal tenen Kenngrößendifferenz oder des Korrekturwerts dient. Die ser Speicher kann ein üblicherweise zum Speichern von Infor mationen verwendeter Halbleiterspeicher sein, beispielsweise ein CMOS-Halbleiterspeicher, wie ein EEPROM.

Um die notwendigen Kalkulationen durchführen zu können, kann das Kalibrierungsmittel weiterhin aufweisen ein Rechenmittel zur Berechnung der Kenngrößendifferenz, des Korrekturwerts und/oder eines kompensierten Messkenngrößenwerts. Das Rechen mittel kann beispielsweise eine CPU oder auch ein Analogrechner sein. Bei Verwendung eines digitalen Rechenmit tels ist es nötig, die elektrische Kenngröße analog/digital zu wandeln.

Weiterhin kann das Kalibrierungsmittel aufweisen eine Steu ereinheit zur Steuerung des Verhaltens des Substanzsensors, so daß die Kenngrößendifferenz bei Messungen von Analyten kompensiert ist. Bei dieser alternativen Ausführungsform wird das Rechenmittel nicht benötigt, um einen kompensierten Meßkenngrößenwert zu berechnen, da bereits durch die Steu erung des Verhaltens des Substanzsensors, welche sich durch den Korrekturwert ergibt, die Kenngrößendifferenz auf Null gesetzt wird.

Das Kalibrierungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung er füllt also zusammenfassend eine Reihe von Funktionen, von denen einige je nach verwendetem Kompensationsverfahren benötigt werden oder wegfallen können. Die einzelnen Kompo nenten und logischen Funktionsseinheiten des Kalibrierung smittels können in einer Einheit zusammengefaßt sein. Sie können jedoch auch verteilt sein. Demzufolge kann das Sensor steuermittel zumindest einen Teil des Kalibrierungsmittels beinhalten oder die Prozeßsteuerung kann zumindest einen Teil des Kalibrierungsmittels beinhalten. So können beispielsweise Sensorsteuermittel und Kalibrierungsmittel als integrierte Schaltungen ausgeführt sein und auf demselben integrierten Halbleiter angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, das Kalibrierungsmittel als Funktion als Einheit getrennt von Sensorsteuermittel und Prozeßsteuerung zu halten.

Um eine Kalibrierung durchführen zu können, wird es weiterhin bevorzugt, daß das Substanzsensormeßgerät weiterhin aufweist ein Mittel zur Zuführung zumindest einer Kalibriersubstanz zu den Substanzsensoren. Dieses Mittel können Kalibriersub stanzvorratsbehälter, Zuführleitungen, Pumpen beziehungsweise Ventile, etc. sein.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Aus führungsbeispielen erläutert werden, wobei auf die beige fügten Zeichnungen Bezug genommen werden wird, in denen fol gendes dargestellt ist:

Fig. 1 zeigt eine Substanzsensoranordnung in Aufsicht;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Substanzsensora nordnung der Fig. 1 längs der Schnittlinie II;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Substanzsensora nordnung der Fig. 1 längs der Querschnittslinie III;

Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf eine weitere Substanzsensora nordnung ohne Analytentröge;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch die Substanzsensora nordnung der Fig. 4 längs der Schnittlinie V;

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch die Substanzsensora nordnung der Fig. 4 längs der Querschnittslinie VI;

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Substanzsensors mit Zu- und Ableitungen im Querschnitt;

Fig. 8 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 7 gezeigten Substanzsensors;

Fig. 9 zeigt eine Substanzsensormeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Substan zsensormeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Kalibriereinrichtung.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Ver meidung des Einfusses von Parameterschwankungen auf das Bew ertungsergebnis vorgestellt. Bevor die Substanzsensor- Anordnung (beispielsweise in Form eines Array-Chips) für die Charakterisierung von bzgl. ihrer quantitativen Zusammen setzung aus möglichen Teilkomponenten unbekannten Analyten verwendet wird, muß die Anordnung mit einer in ihrer Zusam mensetzung exakt bekannten biochemischen oder anderen bekannten Substanz betrieben werden. Dieser Betrieb, d. h. Be trieb mit der für die Kalibrierung verwendeten Substanz, darf keinen Einfluß auf die im eigentlichen Betrieb bei der Charakterisierung unbekannter Analyten auftretenden bio chemischen Prozesse haben. Von jeder einzelnen Position wird das Charakterisierungsergebnis, der Kenngrößenwert, gemessen und mit dem genau bekannten Sollwert, den die Charakter isierung der zur Kalibrierung verwendeten Substanz im Falle einer fehlerfreien Messung, d. h. einer solchen mit idealen Substanzsensoren, ergeben hätte, verglichen. Der bekannte Sollwert kann auch als der Mittelwert der gesamten gemessenen Kenngrößenwerte ad hoc bestimmt werden. Der resultierende Meßfehler, die Kenngrößendifferenz, oder aber die daraus ab geleitete Korrekturgröße wird zu jeder Position auf dem Array entweder in einem Speicher auf der Anordnung, beispielsweise auf dem Chip selbst oder in einem davon getrennten Kalibri ermittel oder aber in der Prozeßsteuerung ab- oder zwis chengespeichert. Bei der später folgenden Charakterisierung eines unbekannten Analyten wird dieser Wert dann zur Korrek tur des Meßergebnisses verwendet. Je nachdem, welches Sensor prinzip und welche elektrische Kenngröße für die Messung ver wendet wird, sind für diese Kalibrierung eine oder aber auch mehrere verschiedene Kalibrier-Substanzen mit genau bekannten Eigenschaften und Sollwerten fur das Meßergebnis zu verwenden und ggf. ebenso viele Werte für den/die Kenngrößendifferenzen oder die daraus abgeleitete(n) Korrekturgröße(n) ab- oder zwischenzuspeichern. Wie erwähnt, kann die Kalibriersubstanz ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder auch ein Gas bzw. ein Vakuum sein, auch bei Verwendung mit Flüssigkeitssubstanzsen soren, also solchen Sensoren, bei denen die zu untersuchenden Analyten in flüssiger Form zugegeben werden.

Im folgenden soll das Beispiel eines Potentialsensors auf Ba sis eines Feldeffekttransistors (FET), der als Sourcefolger betrieben werden soll, betrachtet werden, was bedeutet, das auch das elektrische Meßsignal an der Source des Transistors abgegriffen wird (Sourcespannung Vs). Ein Beispiel für einen solchen Substanzsensor ist in Fig. 7 dargestellt. Der ei gentliche Substanzsensor umfasst ein Dielektrikum 13, unter dem sich ein Kanalbereich befindet, sowie Drain 11 und Source 12 des Feldeffekttransistors, der den Substanzsensor bildet. Diese Elemente sind in eine Halbleiterschicht 7 eingebettet, die ein p-dotiertes Substrat ist. Das Dielektrikum 13 ist in eine Schicht 10 eines weiteren Dielektrikums eingebettet. Drainleiter 14 und Sourcenleiter 15 stellen die Verbindung des Substanzsensors mit der Umwelt her. Am Drainleiter 14 liegt die Spannung V_D an, während am Sourceleiter 15 die Spannung V_S (Sourcespannung) anliegt und über den Sourceleu ter 15 der Strom I_IN eingerägt wird.

Fig. 8 ist ein Ersatzschaltbild dieser Schaltung, in welchem die Steuerwirkung des Analyten auf den Kanal des Sensor- Transistors durch eine Spannungsquelle V_Bio modelliert ist, und die Abweichung der Schwellenspannung dieses Sensor- Transistors vom Mittelwert der Schwellenspannungen aller Sen sor-Transistoren im gesamten Array (= V_th) durch eine Span nungsquelle mit dem Wert ΔVth in Serie mit der Quelle V_BIO erfaßt ist. Bei regulärem Betrieb des Arrays muß der durch ΔV_th bedingte Meßfehler kompensiert werden. Die Quelle I_IN liefert den in den Substanzsensor-Transistor eingeprägten Strom, und die Quelle V_D dessen Drainspannung. Sofern der Wert der Spannung V_D nicht zu niedrig gewählt wird (z. B. V_D < V_Bio), ist der Einfluß von V_D auf den Drainstrom I_D ve rnachlässigbar, so daß näherungsweise gilt:

I_IN = I_D = 1/2 × k × [V_Bio - (V_th + ΔV_th + V_S)]² , (1)

wobei k eine Konstante ist. (1) läßt sich umformen zu

V_S = -(2 × I_IN/k)^1/2 + V_Bio -(V_th + ΔV_th), (2)

Sofern ΔV_th für alle Sensor-Transistoren des Arrays = 0 wäre, wäre die Spannung V_S also ein exaktes, nur in ihrem Wert um einen bestimmten, aber für alle Substanzsensor-Transistoren gleichen Betrag, versetztes Abbild der zu charakterisierenden Spannung V_Bio, was aufgrund des für jeden Substanzsensor- Transistor individuellen Fehlers ΔV_th jedoch nicht der Fall ist.

Die Kalibrierung und die Korrektur des Fehlers bei regulärem Betrieb kann nun dadurch erfolgen, daß der Wert der Spannung V_S in der Kalibrierungsphase für alle Substanzsensor- Transistoren des Arrays bestimmt wird, daraus der Mittelwert VS,_mean berechnet wird, und daraus wiederum für jeden Sub stanzsensor-Transistor der Anordnung der Wert

ΔV_th = V_S,_mean - V_S, (3)

bestimmt wird. Dieser Wert wird nun positionszugeordnet ab gespeichert, und die bei regulärem Betrieb der Anordnung ge messenen Werte V_S werden jeweils um diesen Wert korrigiert. Bei diesem Verfahren handelt es sich also um eine direkte Speicherung der Kenngrößendifferenz. Der Korrekturwert ent spricht in diesem Fall einfach der Kenngrößendifferenz.

Es versteht sich jedoch, daß auch andere Möglichkeiten zur Kompensation der Kenngrößendifferenz bestehen, wenn beispiel sweise der Fehler nicht durch einfache Korrektur um die Kenngrößendifferenz kompensiert werden kann. Im Falle an derer Sensoren, anderer Meßmethoden, und anderer ausgewählter Parameter, kann eine solche Korrektur auch durch Multiplika tion mit einem Korrekturterm erfolgen müssen. Ferner sind grundsätzlich auch alle anderen mathematischen Operationen und auch die Kombination zweier oder mehrerer mathematischer Operationen (z. B. Addition eines ersten Korrekturtermes und Multiplikation mit einem zweiten Korrekturterm) wie auch die Anwendung komplexerer mathematischer funktionaler Zusammen hänge möglich.

In einer weiteren, bevorzugtgen Ausführungsform der vorlieg enden Erfindung kann bei der Verwendung von aus der Kenngrößendifferenz abgeleiteten Korrekturgrößen wie folgt vorgegangen werden. In der Kalibrierungsphase, in der jeder Substanzsensor mit der gleichen Steuerspannung V_Bio betrieben wird, wird ein Sollwert für die resultierende Sourcespannung V_S vorgegeben. Gemäß (2) kann der Wert von V_S durch Wahl des eingeprägten Stromes I_IN eingestellt werden. In der Kalibri erungsphase wird also zu jedem Substanzsensor-Transistor in dividuell ein Strom I_IN bestimmt, der dazu führt, daß sich als Meßsignal die Soll-Sourcespannung V_S einstellt. Der Wert dieses Stromes wird abgespeichert und später bei regulärem Betrieb der Anordnung wieder abgerufen und in den betreffen den Substanzsensor-Transistor eingeprägt.

In diesem Falle geschieht die Fehlerkompensation also nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß die Kenngrößendifferenz bestimmt wird und später bei regulärem Betrieb der Anordnung wieder abgezogen wird, sondern dadurch, daß der Arbeitspunkt des Substanzsensor-Transistors jeweils individuell so gewählt wird, daß identische Steuerspan nungen V_Bio an verschiedenen Sensor-Transistoren von vorn herein zu identischen Meßsignalen V_S führen. Hierdurch wird also das Verhalten des Substanzsensors so beinflusst, daß die Kenngrößendifferenz bereits bei der Messung eliminiert werden kann.

Bei der Wahl der Kompensationsmethode (direkte Bestimmung der Kenngrößendifferenz(en) oder Verwendung daraus abgeleiteter Korrekturgröße(n)) ist jeweils zu beachten, welche Methode in der praktischen Realisierung einer Substanzsensor-Anordnung einfacher ist bzw. zu höherer Genauigkeit führt. Die Beant wortung dieser Fragestellung hängt von der Wahl des Sensors, des oder der ausgewählten Parameter, und ggf. auch vom gewählten Sensorarbeitspunkt ab und kann nicht allge meingültig gegeben werden, sondern muß jeweils individuell entschieden werden.

Im folgenden sollen Substanzsensormessvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung beispielhaft gezeigt werden, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind.

Falls eine Konfiguration gemäß dem im Zusammenhang mit Fig. 1 -3 diskutierten Beispiel benutzt wird, kann ein Kalibri erungsvorgang dadurch geschehen, daß alle Positionen der ge samten Anordnung zunächst ganzflächig mit einer einzigen In dikator-Substanz belegt werden, die mit einem bekannten Ana lyten eine genau bekannte Wechselwirkung hat, was sich ent sprechend auf das Meßsignal auswirkt. Im in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Beispiel kann die Indikator-Substanz flüssig, gas förmig oder ein Vakuum sein. Nachdem der entsprechende Analyt aufgebracht wurde und das Meßsignal aufgenommen worden ist, muß der gesamte Chip gespült werden, um danach erst die für jede Position verschiedenen Indikator-Substanzen aufzubrin gen.

Falls jedoch diese individuell verschiedenen Indikator- Substanzen bereits vor der Kalibrierung aufgebracht sind, kann die Kalibrierung mittels einer Spülflüssigkeit erfolgen, welche ebenfalls genau bekannte Meßsignale ergibt. Diese Spülflüssigkeit darf mit den Indikator-Substanzen wechsel wirken, sofern diese Wechselwirkung keinen Einfluß auf die später folgende mögliche Reaktion zwischen Indikator- Substanzen und Analyten hat bzw. sofern diese erste Wechsel wirkung, z. B. durch Spülung mit einer weiteren Substanz, wie der vollkommen rückgängig gemacht werden kann.

Falls eine Konfiguration gemäß dem im Zusammenhang mit Fig. 4 -6 diskutierten Beispiel benutzt wird, geschieht das er findungsgemäße Kalibrierverfahren dadurch, daß ein bekannter Analyt homogen in der gesamten Wanne verteilt wird, wobei die Messung und Ab- bzw. Zwischenspeicherung der Meßdaten wie oben beschrieben vorgenommen wird. Eine besonders einfache Situation ergibt sich z. B. für den Fall, daß Potentiale ort saufgelöst gemessen werden sollen: In die Wanne muß dann eine elektrisch leitende Flüssigkeit, z. B. verschiedene Elektro lyte, nicht destilliertes Wasset, etc. eingefüllt werden, die auf einem bekannten genau definierten Potential gehalten wird. Dadurch erfahren alle Sensoren die gleiche Wirkung bzw. den gleichen Stimulus.

Fig. 9 zeigt eine Substanzsensormeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche aus einem Steuergerät 21 und einem Substanzsensor-Schaltkreis-Gehäuse 22 besteht. Dieses enthält einen Substanzsensor-Schaltkreis 20 mit einer Sub stanzsensoranordnung 1, einer diese ansteuernden Sensorsteu erung 23 sowie im vorliegenden Beispiel einem Speicher zum Speichern von Kenngrößendifferenz und/oder Korrekturwert für jeden der auf der Substanzsensoranordnung 1 angeordneten Sub stanzsensoren 8. Das Steuergerät 21 enthält eine Prozeßsteu erung 26, welche den koordinierten Ablauf eines Kalibriervor gangs und/oder von Meßvorgängen steuern kann. Zu diesem Zweck benötigt sie zumindest Spülflüssigkeitsreservoirs 27, die über Spülflüssigkeitszuführungen 28 und ein Ventil beziehung sweise Pumpsystem 29 einer Fluidzuführung 30 zugeführt wer den, welche die Spülflüssigkeitsreservoirs 27 mit der Sub stanzsensoranordnung 1 verbindet. Die Verbindung könnte zum Beispiel über einen Zufuhrkanal 4, wie in Fig. 1 dar gestellt, geschehen, der mit der Fluidzuführung 30 verbunden ist beziehungsweise in diese übergeht. Die der Substanzsen soranordnung 1 zugeführten Flüssigkeiten müssen auch wieder abgeführt werden. Dafür dient die Fluidabführung 31. Steuer signalleitungen 25 verbinden die Prozeßsteuerung 26 mit der Sensorsteuerung 23; und Sensorsignalleitungen 24 verbinden die Sensorsteuerung 23 mit der Substanzsensoranordnung 1.

Falls die Kalibrierung durch den Hersteller der Substanzsen sor-Schaltkreise 20 bereits vorgenommen wird, muß jeder Sub stanzsensor-Schaltkreis 20 notwendigerweise einen nicht- flüchtigen Speicher 32 enthalten, in den die Werte der ermit telten Kenngrößendifferenzen oder der daraus abgeleiteten Korrekturgrößen eingetragen werden, da diese Daten auch nach Abschalten des Chips nach Beendigung des Kalibriervorgangs, beispielsweise auf dem Weg zum Käufer, nicht verloren gehen dürfen. Der Aufwand bezüglich der Fluidik im Steuergerät 21 reduziert sich in diesem Fall, da keine Kalibriersubstanzen verarbeitet werden müssen.

Falls die Kalibrierung durch einen Endnutzer vorgenommen wird, muß das Steuergerät 21 ein Fluidik-Handling enthalten, welches die Be- und ggf. Entladung des Chips mit der oder den Kalibriersubstanzen neben möglichen Spülflüssigkeiten und den Flüssigkeiten mit den Analyten durchführt.

Fig. 10 zeigt ein Beispiel für eine solche erfindungsgemäße Substanzsensormeßvorrichtung. Diese weist zusätzlich zu den in Fig. 9 gezeigten Merkmalen, die mit gleichen Bezug szeichen versehen sind, Kalibrierflüssigkeitsreservoirs 33 auf, welche über Kalibrierflüssigkleitszufuhren 34 ebenfalls durch das Ventil-/Pumpsystem 29 hindurchgeführt werden kön nen, um einen Kalibriervorgang zu bewirken. Bei dieser Anord nung ist es möglich, den Speicher zur Speicherung der Kenngrößendifferenz, beziehungsweise der davon abgeleiteten Korrekturgrößen, entweder auf dem selben integrierten Hal beiter wie den Substanzsensor-Schaltkreis 20 oder zumindest im selben Substanzsensor-Schaltkreis-Gehäuse 22 und in Ver bindung zur Sensorsteuerung 23, beziehungsweise als Teil der Sensorsteuerung 23 auszuführen oder den Speicher (dargestellt durch die Alternative 32a) im Steuergerät 21 in Verbindung zur Prozeßsteuerung 26, beziehungsweise als Teil von dieser zu realisieren.

Dabei kommen als Speichertyp dynamische Speicher (embedded DRAM) oder statische flüchtige Speicher (embedded SRAM) in Frage, sofern der Substanzsensor-Schaltkreis 20 zwischen Ka librierung und Charakterisierung eines unbekannten Analyten nicht ausgeschaltet wird, oder aber, unabhängig davon, ob der Chip zwischenzeitlich abgeschaltet wird oder nicht, nicht flüchtige Speicher (z. B. EEPROMs).

Alternativ zu den im Zusammenhang mit den Fig. 9 und 10 diskutierten Ausführungsformen ist es möglich, daß das Steu ergerät 21 kein Fluid-Handling enthält und daß die gesamte Fluidik komplett innerhalb des Substanzsensor-Schaltkreis- Gehäuses 22 mittels vom Steuergerät 21 angesteuerter elektro mechanischer Komponenten geschieht. In diesem Falle kann das Substanzsensor-Schaltkreis-Gehäuse 22, sofern es nicht vom Hersteller mit Kalibrierdaten ausgestattet wurde, wie in den oben diskutierten Beispielen kalibriert werden, wobei jedoch innerhalb des Gehäuses 22 eine oder mehrere Kalibriersubstan zen vorrätig sein müssen, die durch das Steuergerät 21 ak tiviert werden.

Alle in dieser Erfindung offenbarten Verfahren zur Kalibri erung elektronischer Substanzsensor-Anordnungen können auf elektronische Sensor-Anordnungen für andere Zwecke übertragen werden, in denen sich ebenfalls das Problem kleiner Meßsig nale in Verbindung mit dem Auftreten von Parametervariationen der Sensoren und der elektronischen Bauelemente und Komponen ten stellt.

Claims

1. Messverfahren für eine Anordnung (1) von zumindest einem Substanzsensor (8) mit folgenden Schritten:

- Aufbringen zumindest einer mit dem Substanzsensor (8) inte ragierenden, aktiven Kalibriersubstanz auf den Substanzsensor (8)
- Messen zumindest einer sich ergebenden elektrischen Kenngröße für die Kalibriersubstanz am Substanzsensor (8);
- Berechnen der Kenngrößendifferenz zwischen gemessenem Kenngrößenwert und dem bei der Kalibriersubstanz erwarteten Sollkenngrößenwert; und
- Festlegen eines Korrekturwerts, mit welchem bei Messungen von Analyten gemessene Kenngrößenwerte für den Substanzsensor (8) kompensiert werden können.

2. Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es den weiteren Schritt aufweist:

- Speichern der Kenngrößendifferenz in einem Speicher (32, 32a).

3. Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß es den weiteren Schritt aufweist:

- Speichern des Korrekturwerts in einem Speicher (23, 23a).

4. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es die weiteren Schritte aufweist:

- Aufbringen eines zu messenden Analyten auf den Substanzsen sor (8);
- Bestimmen eines kompensierten Kenngrößenwerts für den Ana lyten.

5. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Anordnung (1) gleichzeitig zu mindest zwei Analyte erfasst werden können.

6. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (1) zumindest zwei für ver schiedene Substanzen reaktive Substanzsensoren (8) aufweist.

7. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (1) eine Mehrzahl von in zumindest einer Dimension angeordneten Substanzsensoren (8) aufweist, der Analyt eine Ausdehnung aufweist, welche zumin dest einen Teil der Anordnung überdeckt und zumindest eine Kenngröße des Analyten durch die Substanzsensoren (8) gemes sen wird, um eine ortsaufgelöste Bestimmung der Kenngröße des Analyten über die zumindest eine Dimension der Anordnung (1) zu erreichen.

8. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kenngröße eine Spannung, ein Widerstand, ein Strom, eine Kapazität und/oder eine In duktivität oder eine Mischgröße aus diesen Größen ist.

9. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Substanzsensor (8) einen Feldeffekttransistor (17) darstellt und die elektrische Kenngröße eine Spannung und/oder einen Strom an einem Termi nal (12) des Feldeffekttransistors (17) ist, welche bzw. welcher sich nach Aufbringen der aktiven Substanz ergibt.

10. Messverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngrößendifferenz eine Differenz zwischen gemesse ner Spannung und der erwarteten Spannung an dem Terminal des Feldeffekttransistors (17) ist.

11. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kenngröße eine Kapazität zwischen zwei Elektroden des Substanzsensors (8) ist, welche sich nach Aufbringen der aktiven Substanz ergibt.

12. Messverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngrößendifferenz eine Differenz zwischen gemesse ner Kapazität und der erwarteten Kapazität zwischen den Elek troden des Substanzsensors (8) ist.

13. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kenngröße eine Impedanz zwischen zwei Elektroden des Substanzsensors (8) ist, welche sich nach Aufbringen der aktiven Substanz ergibt.

14. Messverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kenngrößendifferenz eine Differenz zwischen gemesse ner Impedanz und der erwarteten Impedanz zwischen den Elek troden des Substanzsensors (8) ist.

15. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Korrekturwert der Wert der elek trischen Kenngröße bei Messungen von Analyten rechnerisch kompensiert werden kann.

16. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Korrekturwert das Verhalten des zumindest einen Substanzsensors (8) so beinflusst werden kann, daß die Kenngrößendifferenz bei Messungen von Analyten eliminiert werden kann.

17. Substanzsensormessvorrichtung mit
einer Anordnung (1) von zumindest einem Substanzsensor (8);
einem Kalibrierungsmittel zur Bestimmung und/oder Kompensa tion einer Kenngrößendifferenz einer elektrischen Kenngröße;
einem Sensorsteuerungsmittel (23) zum Ansteuern und Auslesen des Substanzsensors; und
einer Prozeßsteuerung (26) zum Durchführen von Messungen mit dem Substanzsensor (8).

18. Substanzsensormessvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Anordnung gleichzeitig zumindest zwei Analyte erfasst werden können.

19. Substanzsensormessvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zumindest zwei für unterschiedliche Substanzen reaktive Substanzsensoren (8) aufweist.

20. Substanzsensormessvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (1) eine Mehrzahl von in zumindest einer Dimension angeordneter Sub stanzsensoren (8) zur ortsaufgelösten Bestimmung einer Kenn größe des Analyten über die zumindest eine Dimension der An ordnung (1) aufweist.

21. Substanzsensormessvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kenngröße eine Spannung, ein Widerstand, ein Strom, eine Kapazität und/oder eine Induktivität oder eine Mischgröße aus diesen Größen ist.

22. Substanzsensormessvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierungsmittel weiterhin aufweist einen Speicher (32, 32a) zum Speichern der durch die Kalibrierung erhaltenen Kenngrößendifferenz oder des Korrekturwerts.

23. Substanzsensormessvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierungsmittel weiterhin aufweist ein Rechenmittel zur Berechnung der Kenngrößendifferenz, des Korrekturwerts und/oder eines kom pensierten Messkenngrößenwerts.

24. Substanzsensormessvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierungsmittel weiterhin aufweist eine Steuereinheit zur Steuerung des Ver haltens des Substanzsensors, so daß die Kenngrößendifferenz bei Messungen von Analyten kompensiert ist.

25. Substanzsensormessvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsteuermittel (23) zumindest einen Teil des Kalibrierungsmittels beinhal tet.

26. Substanzsensormessvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß Sensorsteuermittel und Kalibrierungsmit tel als integrierte Schaltungen ausgeführt sind und auf dem selben integrierten Halbleiter angeordnet sind.

27. Substanzsensormessvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßsteuerung (26) zumindest einen Teil des Kalibrierungsmittels beinhaltet.

28. Substanzsensormessvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Substanzsensormess gerät weiterhin aufweist ein Mittel (33, 34, 29, 30) zur Zuführung zumindest einer Kalibiersubstanz.