DE102007059977A1

DE102007059977A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Federbalkens und Messanordnung mit einem solchen Federbalken

Info

Publication number: DE102007059977A1
Application number: DE102007059977A
Authority: DE
Inventors: Felice Mauro Battiston
Original assignee: Concentris GmbH
Current assignee: Concentris GmbH
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: DE102007059977B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb, speziell zur Schwingungsanregung, von mikromechanischen Federbalken, sog. Cantilevern, wie sie vielfach in Sensoren benutzt werden. Solche Sensoren sind häufig mit einer Vielzahl von Cantilevern versehen und werden beispielsweise zum Nachweis chemischer Substanzen, biologischer Moleküle, Mikroorganismen oder Viren sowie zur Untersuchung von Oberflächenphänomenen wie z.B. Konformationsänderungen oder Phasenübergängen in dünnen Schichten eingesetzt. Dabei werden im dynamischen Modus der oder die Cantilever zu Schwingungen angeregt und die Verschiebung der Eigenfrequenz und/oder einer oder mehrere Harmonischer als Folge sich an der Cantilever-Oberfläche abspielender Prozesse gemessen. Im statischen Modus wird die Auslenkung des Cantilevers bestimmt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Schwingungsanregung ermöglicht es, in flüssigkeiten und Gasen im dynamischen Modus zu messen, da durch eine Kombination von Unterlage, Schwingungserreger und Isolation ein hoher Wirkungsgrad in der Schwingungsübertragung auf den Cantilever erreicht wird und über einen weiten Frequenzbereich gemessen werden kann. Eine besondere Messanordnung verwendet die neue Vorrichtung und ermöglicht damit ein neuartiges Multiplex-Mes

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb, insbesondere zur Schwingungsanregung, von mikromechanischen Federbalken, sog. Cantilever-Sensoren, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung und eine Messeinrichtung mit derart angeregten Federbalken oder Cantilevern. Chemisch beschichtete, mikrofabrizierte Cantilever-Sensoren weisen eine sehr hohe Empfindlichkeit auf und werden beispielsweise zum Nachweis von chemischen Substanzen, Biomolekülen, Viren oder Bakterien oder zur Untersuchung von Oberflächenphänomenen eingesetzt. Dabei werden zwei Betriebsmodi unterschieden: Im sog. statischen Modus wird die Verbiegung eines Cantilevers als Folge von auftretenden Kräften (z. B. Oberflächenstress) gemessen. Im sog. dynamischen Modus wird die Resonanz- bzw. Eigenfrequenz des Cantilevers bestimmt und aus kleinen Frequenzänderungen oder -verschie-bungen beispielsweise auf die angelagerte Masse geschlossen. Für den Betrieb im dynamischen Modus ist es notwendig, den Cantilever zu einer Schwingung anzuregen. Dabei tritt v. a. bei Messungen in Flüssigkeiten eine starke Dämpfung der Schwingung auf, die eine genaue Bestimmung der Resonanzfrequenz erschweren kann. Die erfindungsgemässe Vorrichtung und das entsprechende Verfahren zeichnen sich durch eine effiziente Schwingungsanregung der Cantilever über einen weiten Frequenzbereich aus, womit Messungen in Flüssigkeiten und in gasförmiger Umgebung möglich sind. Die Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Auslesung der Cantileverschwingung mittels optischer Methoden (z. B. Beam-Deflection, Interferometrie), kann aber auch für andere Ausleseverfahren problemlos eingesetzt werden. Eine besondere Messanordnung verwendet die neue Vorrichtung und ermöglicht damit ein neuartiges Multiplex-Messverfahren für derartige Cantilever-Sensoren.
Einleitung und Stand der Technik
Für Anwendungen im Bereich der Biosensorik und der chemischen Analytik wird ein meist mittels Mikrofabrikationstechniken hergestellter Cantilever als Sensor benutzt, welcher üblicherweise als einseitig eingespannter Federbalken ausgebildet ist und chemisch mit einem möglichst spezifischen "Fängermolekül" beschichtet ist. Dieser Sensor wird typischerweise in Kontakt mit der zu analysierenden Flüssigkeit oder dem zu analysierenden Gas gebracht. Befinden sich Moleküle der gesuchten Substanz in der Flüssigkeit, binden diese chemisch an das "Fängermolekül". Dabei kommt es einerseits zu einer veränderten Oberflächenspannung auf dem Cantilever ("Stress"), andererseits zu einer Zunahme der Masse auf dem Cantilever. Während der Oberflächenstress zu einer minimalen mechanischen Verbiegung des Cantilevers führt, bewirkt die Massenzunahme typischerweise eine Abnahme der Eigenfrequenz des Cantilevers. Sowohl die minimale Auslenkung als auch die Änderung des Schwingungsverhaltens können als Indikatoren für die zu messende Grösse ermittelt werden.
Prinzipiell dient also eine mechanische Änderung des Zustands oder Verhaltens des Cantilevers zur Detektion. Die hohe Sensitivität von einseitig eingespannten mikromechanischen Cantilevern sowie die Kombination zweier komplementärer Messmethoden (statisch und dynamisch) ist ein besonderer Vorteil, der nur schwer oder überhaupt nicht mit anderen Methoden erreichbar ist.
Anwendungen im biologischen Bereich basieren in der Regel auf möglichst hochspezifischen Bindungen, z. B. Antigen-Antikörper-Wechselwirkungen oder Bindung zwischen komplementären DNS-Strängen. Die Anwendung derartiger Techniken ist in der Literatur beschrieben, wie nachfolgend beispielhaft dargestellt wird:
In der PCT-Patentanmeldung WO 98/50773 (1997) beschreiben D. Charych et al. die Detektion von (Bio-)Molekülen nach dem "Schlüssel-Schloss-Prinzip", d. h. über auf dem Cantilever immobilisierte, spezifische Bindungspartner des zu detektierenden Moleküls.
Ergänzend beschreiben M. K. Baller et al. in der PCT-Patentanmeldung WO 0133226 unter dem Titel "Cantilever Sensors and Transducers" den Einsatz von ähnlich funktionalisierten Referenz-Cantilever innerhalb eines Arrays. Diese differenzielle Form der Messung – es werden Verbiegungen verschiedener Cantilever verglichen – erlaubt zuverlässigere und stabilere Messungen, da durch die Differenzbildung der Signale unerwünschte Einflüsse wie z. B. Temperaturschwankungen kompensiert werden können.
Diese beiden Patentschriften beziehen sich auf den statischen Modus. Messungen im dynamischen Modus wurden vorwiegend für Analyse von Gasen eingesetzt, da die in der Flüssigkeit auftretende Schwingungsdämpfung zu einer starken Reduktion der Schwingungsgüte führt und so mit den bekannten Anordnungen eine exakte Bestimmung der Frequenz erschwert. Zusätzlich enthalten viele Flüssigkeiten (beispielsweise alle in biologischen Experimenten eingesetzten Pufferlösungen) Ionen und somit elektrisch leitend. Insbesondere bei der Schwingungsanregung über ein piezoelektrisches Element ist damit eine elektrische Isolation erforderlich.
Im US-Patent 4 549 427 beschreibt E. S. Kolesar beispielsweise den Nachweis von Nervengasen mittels beschichteter Cantilever im dynamischen Modus. Dabei wird die natürliche Eigenfrequenz des Cantilevers ermittelt indem der Cantilever über eine elektrische Spannung mechanisch vorgespannt wird und nach dem Ausschalten der Spannung die abklingende Schwingung des zurückschnellenden Cantilevers gemessen wird. Dieser Aufbau ist für Gase geeignet, nicht aber für Flüssigkeiten. Ausserdem erlaubt er zudem nur die Ermittlung der Grundfrequenz des oder der eingesetzten Cantilever.
In Sensors and Actuators B 77 (2001), 122-131 beschreiben Battiston et al. die Verwendung eines mit verschiedenen Polymeren beschichteten Cantilever-Arrays als "elektronische Nase". Dabei werden die Cantilever über einen piezoelektrischen Dickenschwinger mechanisch angeregt und parallel das dynamische Signal mittels eines PLL (Phase Locked Loop) und das statische Signal über einen Tiefpassfilter bestimmt. Der dabei verwendete Aufbau zur Anregung der Schwingung ist einerseits nicht in Flüssigkeiten verwendbar, da die elektrische Isolation fehlt, andererseits ist er – da die Messungen ausschliesslich in gasförmiger Umgebung mit geringer Dämpfung erfolgten – nicht auf optimale Übertragung optimiert. Zudem ist der Cantilever-Array fest mit der Anregungsvorrichtung verklebt, so dass er nicht einfach ausgewechselt werden kann.
Messungen im dynamischen Modus in Flüssigkeiten unter Verwendung höher harmonischer Frequenzen des Cantilevers beschreiben Braun et al. in Phys. Rev. E 72 031907 (2005). Dabei ist der Cantilever-Array direkt auf einem Piezoelement angebracht, das in Schwingungen versetzt wird, die sich auf den Cantilever übertragen. Hierbei befindet sich das Piezoelement innerhalb der Flüssigkeit, was nebst einer elektrischen Isolation des Schwingungsanregers auch die direkte und damit starke Kopplung der Anregung an die Flüssigkeit und somit an das ganze Messsystem bewirkt. Dadurch können Reflektionen entstehen und Resonanzen angeregt werden, was die Messung erheblich stören kann. Ferner ist keine einfache Vorrichtung für das Auswechseln der Cantilever vorgesehen.
Die Signalauslesung der Cantileverschwingung kann in allen beschrieben Fällen beispielsweise optisch über die Ablenkung eines Laserstrahls (beam deflection), interferometrisch, piezoelektrisch, piezoresistiv, kapazitiv oder auf andere, bekannte Weise erfolgen.
Die Erfindung
Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft einen Aufbau zur Schwingungsanregung mikromechanischer Cantilever für Messungen im dynamischen Modus. Der Aufbau kombiniert eine effiziente Schwingungsanregung mit hohem Wirkungsgrad mit der Möglichkeit, in Gasen sowie in Flüssigkeiten über einen weiten Frequenzbereich im dynamischen Modus zu messen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Schwingungsanregung über ein Piezoelement nicht direkt mit dem Cantilever verbunden, sondern in eine sandwichartige Struktur integriert, die Bestandteil eines Halters sein kann. Dies ermöglicht ein einfaches Auswechseln des Cantilevers oder des Cantilever-Arrays.
In der erfindungsgemässen Anordnung zur Schwingungsanregung ist ein Piezoelement vollständig mit isolierenden Materialien, dem "Isolator", umgeben, welches das Piezoelement sowohl gegen die Flüssigkeit als auch elektrisch isoliert. Um die Übertragung der Schwingung auf den Cantilever oder den Cantilever-Array effizient zu gestalten, ist der Isolator auf der Seite des Cantilevers möglichst dünn gehalten, typisch 0.2 mm, und bietet eine flache, glatte Auflagefläche für die Supportstruktur des Cantilevers. Auf der anderen Seite ist das Piezoelement über den Isolator fest mit einer starren Unterlage verbunden. Wird nun auf der Seite des dünnen Isolators ein Cantilever angebracht, erfolgt die Energieübertragung optimal auf den Cantilever, da die starre Unterlage Schwingungsenergie nur in sehr geringem Masse aufnimmt und die flache Cantileverauflage einen optimalen mechanischen Kontakt ermöglicht. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Systems signifikant und vermag die Dämpfung durch die Flüssigkeit so weit zu kompensieren, dass Messungen im dynamischen Modus in Flüssigkeit gut durchführbar sind.
Die vollständige Kapselung des Oszillators sowie der zugehörigen Kontaktdrähte erlaubt es, diese Vorrichtung unterzahlreichen Umgebungsbedingungen einzusetzen, beispielsweise in Gasen oder Flüssigkeiten oder sogar unter extremen Bedingungen, wie sie z. B. in einem Plasma herrschen.
Ein weiterer Vorteil des Aufbaus ist, dass durch den hohen Wirkungsgrad ein weiter Bereich von Frequenzen auf den Cantilever übertragen werden kann, typischerweise von wenigen kHz bis einigen MHz. Dadurch wird es beispielsweise möglich, höher harmonische Frequenzen des Cantilevers anzuregen, Cantilever-Arrays mit Cantilevern unterschiedlicher Eigenfrequenzen zu betreiben oder die Cantilever-Amplitude als Funktion der Anregungsfrequenz über einen weiten Bereich zu bestimmen.
Bei einer typischen Ausgestaltung der Vorrichtung wird der Cantilever oder der Cantilever-Array mit seiner Supportstruktur an der Seite mit dem dünneren Isolator befestigt (z. B. verleimt oder verklebt) oder – wenn Auswechselbarkeit gefordert ist – über eine Klemm- oder Schraubvorrichtung dort festgehalten und so gegen den Isolator gepresst, dass ein guter mechanischer Kontakt gewährleistet ist.
Speziell kann das erfindungsgemäss isolierte Piezoelement als Teil eines Halters ausgelegt sein, welcher die einfache Handhabung des Cantilevers ermöglicht. Speziell kann dieser Halter für eine Messzelle ausgelegt sein, wie sie in der deutschen Patentschrift DE 10 2004 046 685 beschrieben ist. Typischerweise wird dabei die Seite mit dem dickeren Isolator fest mit dem Halter verbunden. Der Cantilever oder der Cantilever-Array wird üblicherweise über seine Supportstruktur an der Seite mit dem dünneren Isolator fest oder auswechselbar in der oben beschriebenen Weise angebracht.
In einer speziellen Anordnung wird als feste Unterlage für das Piezoelement ein hartes Metall wie beispielsweise Titan verwendet und das Piezoelement gegenüber dem Titan mittels einer Keramikplatte elektrisch isoliert. Dabei ist das Piezoelement fest mit der Keramikplatte und die Keramikplatte fest mit der Metallunterlage verbunden, beispielsweise verleimt. Die Oberseite des Piezoelements ist mit einer dünnen Isolatorschicht, typischerweise ca. 0.2 mm dick, überzogen, welche vorzugsweise eine flache, glatte Auflage für die Supportstruktur des Cantilevers bietet. Der Aufbau ist zusätzlich seitlich elektrisch und gegen das Eindringen von Flüssigkeit isoliert.
In einer weiteren speziellen Ausgestaltung bestehen die seitliche Isolation und die dünne Isolationsschicht auf der Oberseite des Piezoelements aus einem monolithischen Block, in welchen das fest mit der starren Unterlage verbundene Piezoelement eingelassen ist. Dieser Block kann zusätzlich Kanäle für die Drähte enthalten, welche zur Kontaktierung des Piezoelements benötigt werden.
Speziell kann es sich beim isolierenden Material um einen biokompatiblen Kunststoff wie beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK) oder ein anderes, biokompatibles Material handeln.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass zusätzlich sowohl auf der Unter- als auch der Oberseite des Piezoelements Keramikplättchen befestigt sind. Das eine Keramikplättchen ist fest mit der Unterlage, das andere mit der dünnen Isolationsschicht verbunden. Die Keramikplättchen dienen einerseits als Abstandhalter zwischen dem Piezoelement und der Unterlage bzw. dem dünnen Isolator, andererseits werden durch entsprechende Aussparungen in den Keramikplättchen Kontaktierdrähte zum Piezoelement geführt und mit diesem verbunden werden. Durch die mechanische Härte der Keramikplättchen erfolgt eine optimale Schwingungsübertragung.
Typischerweise wird das Piezoelement zur Oszillationsanregung mit einer Elektronik verbunden, die eine Wechselspannung erzeugt und das Piezoelement und damit den oder die Cantilever in Schwingung versetzt.
Dabei können durch Variation der Schwingungsanregung ("Frequency Sweep") und Beobachtung der Amplitude des Signals des Cantilevers die Resonanzfre quenz oder höhere Harmonische der Resonanzfrequenz ermittelt werden. Dies kann für einen oder mehrere Cantilever erfolgen und mehrfach wiederholt werden, um so eine Verschiebung bzw. Änderung der Frequenz des oder der Cantilever als Folge einer Reaktion auf der Oberfläche zu ermitteln. Das Messen dieser Frequenzverschiebung erlaubt es beispielsweise, die angelagerte Masse oder eine Veränderung der Federkonstante des Cantilevers zu bestimmen.
Aus der Frequenzkurve können weitere Grössen wie Güte oder Dämpfung der Cantileverschwingung ermittelt werden. Beispielsweise kann die Güte Q aus der Resonanzfrequenz (Zentrum eines Peaks) und der Bandbreite (Breite des Peaks auf der Höhe der Amplitude dividiert durch Wurzel 2) ermittelt werden.
Ein Vergleich von Anregungssignal und Cantileversignal ermöglicht zusätzlich eine Bestimmung der Phase.
In einer anderen Betriebsart wird die Resonanzfrequenz und/oder eine und/oder mehrere Harmonische der Resonanzfrequenz bestimmt und die Verschiebung dieser Frequenz über die Zeit hinweg verfolgt, beispielsweise mittels eines Regelkreises (Phase Locked Loop, PLL). Dabei führt der Regelkreis die Anregungsfrequenz des Piezoelements laufend so nach, dass die Phasendifferenz zwischen der Anregung und dem Cantilever-Signal konstant bleibt. Die notwendige Verschiebung des Anregungssignals erlaubt somit direkt die Bestimmung der Frequenzverschiebung des Cantilevers.
In einer speziellen Betriebsart werden die Frequenzverschiebungen mehrerer Cantilever, z. B. in einem Cantilever-Array, sequenziell im sog, Zeit-Multiplex-Verfahren mit einem PLL ausgelesen. Um hohe Signalraten zu gewährleisten, muss die Zeit bis zum Einrasten des PLL beim Wechsel von einem Cantilever zum nächsten möglichst kurz gehalten werden. Dies kann erreicht werden, indem der aktuelle Zustand des PLL (z. B. Regelparameter und/oder Filterparameter) für jeden Cantilever nach Abschluss des Auslesezyklus für den jeweili gen Cantilever gespeichert wird. Zu Beginn des nächsten Auslesezyklus desselben Cantilevers wird mit Hilfe der zuvor gespeicherten Zustandsparameter der vorgängige Zustand des PLL für diesen Cantilever wiederhergestellt. Dies reduziert die Einrastzeit erheblich und erlaubt hohe Datenraten.
Werden zusätzlich grosse Verschiebungen der Resonanzfrequenz zwischen zwei Auslesezyklen erwartet (also während die übrigen Cantilever ausgelesen werden), kann zusätzlich jeweils die vorgängige Resonanzfrequenz des Cantilevers gespeichert und beim nächsten Zyklus als neue Ausgangsfrequenz (Freilauffrequenz) des PLL benutzt werden. Dies erweitert den Ziehbereich des PLL (d. h. den Frequenzbereich, innerhalb dessen der PLL eingerastet bleibt) auf einen grossen Bereich und verhindert so beispielsweise, dass die Frequenz bei einer grösseren Frequenzänderung zwischen zwei Messzyklen nicht mehr nachverfolgt werden kann und die Messung unterbrochen werden muss. Reicht dieses Vorgehen nicht, um den PLL eingerastet zu lassen, kann ein "vorausschauender" Algorithmus eingesetzt werden, welcher die erwartete neue Frequenz aus vorgängigen Frequenzverschiebungen berechnet und die Freilauffrequenz des PLL am Beginn des Messzyklus eines Cantilevers entsprechend anpasst. In der einfachsten Implementierung wird die Frequenzverschiebung, die zwischen den letzten beiden Auslesezyklen aufgetreten ist, zur Freilauffrequenz addiert und so die neue Freilauffrequenz bestimmt. Alternativ können komplexere Berechnungsmethoden eingesetzt werden.
Aus dieser Frequenzverschiebung kann dann beispielsweise die Anlagerung auf oder der Verlust von Masse von der Cantileveroberfläche (z. B. durch Adsorption- und Desorption von Molekülen) bestimmt werden, oder es können Aussagen über die zeitliche Veränderung der Federkonstante des Cantilevers (z. B. hervorgerufen durch eine Strukturveränderung der chemischen Beschichtung) gewonnen werden.
In einer speziellen Betriebsart kann die Frequenzverschiebung gegenüber der Ausgangsfrequenz nicht kontinuierlich, sondern in definierten zeitlichen Abständen bestimmt werden.
Bei einer weiteren Betriebsart wird die Amplitude des Cantilevers von der Elektronik aufrecht erhalten und die dazu benötigte Energie gemessen. Daraus lässt sich beispielsweise die Dämpfung der Cantileverschwingung ermitteln, womit die Viskosität der den Cantilever umgebenden Flüssigkeit bestimmt werden kann.
In einer noch weiteren Betriebsart wird parallel zur Schwingungsfrequenz die statische Auslenkung des Cantilevers bestimmt, beispielsweis über das Tiefpass-gefilterte Signal des Cantilevers.
Alle Betriebsarten können für einen oder mehrere Cantilever oder für Cantilever-Arrays eingesetzt werden. Beim Einsatz verschiedener Cantilever können diese identisch sein oder, bedingt durch verschiedene Geometrien und/oder Materialien, unterschiedliche mechanische Eigenschaften und damit Eigenfrequenzen aufweisen.
Beim Einsatz mehrerer Cantilever können deren Frequenzen bzw. Frequenzverschiebungen gleichzeitig oder zeitversetzt (Zeit-Multiplexing) bestimmt werden.
Die Anordnung zur Schwingungsanregung kann beim Einsatz mehrerer Cantilever so aufgebaut sein, dass alle Cantilever mit ein- und derselben Vorrichtung angeregt werden. Alternativ kann jeder Cantilever mit einer eigenen Vorrichtung zur Schwingungsanregung versehen sein.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die erfindungsgemässe Anordnung direkt oder auf einem Halter befestigt in einer Messzelle zu integrieren und/oder mit einem System zur Detektion der Cantilever-Bewegung (Verbiegung, Schwingungsfrequenz) zu kombinieren. In der bevorzugten Anordnung wird die Bewegung des Cantilevers optisch über die Ablenkung eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, durch den Cantilever ermittelt (Beam Deflection Method). Dabei trifft der Strahl auf das Ende des Cantilevers und wird von dort auf einen Detektor reflektiert, welcher die Auftreffposition des Strahls mit hoher Genauigkeit bestimmt. Bei Verwendung mehrerer Cantilever, z. B. eines Cantilever-Arrays, können zur parallelen Detektion beispielsweise Lichtquelle und Detektor mehrfach angeordnet sein oder es kann eine mehrfache Anordnung von Lichtquellen mit einem Detektor kombiniert werden. Dabei können die Lichtquellen sequenziell ein- und ausgeschaltet und somit die Signale der einzelnen Cantilever nacheinander ermittelt werden. Zusätzlich können wahlweise optische Elemente zur Fokussierung zum Einsatz kommen. In ähnlicher Weise kann eine bewegliche Lichtquelle oder bewegliche Optik mit einem Detektor kombiniert werden, wobei der Lichtstrahl die Cantilever abtastet oder "abrastert" und die Bewegungen der einzelnen Cantilever sequenziell ermittelt werden.
Die mehrfache Anordnung von Cantilevern ermöglicht beispielsweise den parallelen Nachweis verschiedener Substanzen oder den Einsatz von Referenzsensoren zur Steigerung der Zuverlässigkeit der Messung.
In anderen Anordnungen kann die Detektion der Bewegungen des oder der Cantilever beispielsweise interferometrisch oder mittels eines vom Cantilever erzeugten elektrischen Signals, z. B. bei Verwendung eines piezoresistiven Cantilevers, bestimmt werden.
Typischerweise wird die erfindungsgemässe Anordnung zum Nachweis von Massenänderungen auf dem Cantilever eingesetzt. Damit können beispielsweise Biomoleküle wie DNS, Proteine, Wirksubstanzen usw. in Flüssigkeiten quantitativ nachgewiesen werden, wobei der oder die Cantilever mit unterschiedlichen, auf die nachzuweisende Substanz abgestimmten Rezeptormole külen beschichtet sind. Ebenso ist der Einsatz für den Nachweis von Mikroorganismen, Viren, Reaktionen in Zellen oder chemischen Substanzen möglich. Sind die Sensorbeschichtungen nur teilweise spezifisch, kann durch die Kombination eines Arrays von Sensoren unterschiedlicher Beschichtung mit entsprechender Software eine "elektronische Nase" oder "elektronische Zunge" konstruiert werden.
Wird die Messung zeitaufgelöst durchgeführt, können aus den zeitabhängigen Daten Grössen wie etwa Bindungs-, Assoziations- oder Dissoziationskonstanten bestimmt werden.
Weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens gemäss der Erfindung können den Patentansprüchen entnommen werden.
Ausführungsbeispiele und Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemässen Anordnung zur Schwingungsanregung;
2 den Aufbau einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung (Kombination mit einem Halter);
3 den Aufbau eines Halters gemäss der Erfindung mit einem auswechselbaren Cantilever-Array;
4 ein Blockschaltbild mit den verschiedenen Teilen einer erfindungsgemässen Anordnung;
5 einen Frequenz-Sweep, der mit dem erfindungsgemässen Aufbau erzielt worden ist;
6 zeitaufgelöste Messdaten, die parallel die Verfolgung der Frequenzänderung (dynamischer Modus) und der Verbie gung des Cantilevers (statischer Modus) zeigen;
7 ein Blockdiagramm eines Arbeitsprinzips der Frequenzdetektion mittels eines PLL für mehrere Cantilever; und
8 das Schema des zeitlichen Ablaufs eines Algorithmus für die Frequenzbestimmung mehrerer Cantilever mit einem PLL.
1 zeigt einen schematischen Aufbau zur Schwindungsanregung gemäss der Erfindung. Hierbei wird ein Piezoelement als zentrales Element der Schwingungsanregung eingesetzt. Unterhalb des Piezoelements befindet sich eine starre, feste Unterlage, mit der das Piezoelement starr verbunden ist. Handelt es sich bei der Unterlage um ein elektrisch leitendes Material, z. B. ein Metall, ist zwischen Piezoelement und Unterlage zusätzlich ein Isolator, z. B. ein Keramikplättchen angebracht. An der Oberseite des Piezoelements befindet sich ein dünner Isolator, welcher die Ankopplung an einen (in 1 nicht dargestellten) Cantilever ermöglicht. Eine Supportstruktur für den Cantilever kann hier in einer Vertiefung auf der Oberseite des isolierenden Materials, die eine flache, glatte Auflagefläche zur Verfügung stellt, angebracht werden. Der Cantilever kann dabei mit dem isolierenden Material (Isolator) fest verbunden sein oder über eine Schraub- oder Klemmvorrichtung in die Vertiefung gepresst werden. Das Piezoelement ist durch das isolierende Material zudem seitlich sowohl elektrisch als auch gegen das Eindringen von Flüssigkeit isoliert.
2 zeigt einen spezielleren Aufbau, wobei die Vorrichtung zur Schwingungsanregung in einen Halter integriert ist. Dabei ist das Piezoelement auf Ober- und Unterseite fest mit Keramikplättchen verbunden. Diese Sandwichstruktur ist fest mit einer starren Platte, beispielsweise einer Metallplatte aus Titan, verbunden. Ein aus isolierendem Material gefertigter monolithischer Block vereint die dünne, an das Piezoelement gekoppelte Isolationsschicht zur Aufnahme des Cantilevers mit der elektrischen Isolation sowie der Isolation gegen das Eindringen von Flüssigkeiten. Der Cantilever ist über seine Sup portstruktur, den Cantilever-Support, mit dem Aufbau fest oder über eine entsprechende Schraub- oder Klemmvorrichtung auswechselbar mit der Anordnung verbunden. Der Support des Cantilevers kann dabei exakt über dem Piezoelement oder – wie in 2 dargestellt – versetzt angeordnet sein.
3 zeigt einen Halter, wobei die Anordnung zur Schwingungsanregung in einen monolithischen Block aus isolierendem Material integriert ist. Dieser Block enthält eine Aussparung zur Aufnahme des Cantilever-Arrays. Der Cantilever-Array wird dort durch eine Klemmplatte festgehalten und gegen die Auflage gedrückt. Die Klemmplatte selbst wird über eine Klemmschraube fixiert. Sowohl Klemmplatte als auch Klemmschraube können aus einem biokompatiblen Material gefertigt sein, z. B. PEEK oder Titan. Diese Vorrichtung erlaubt eine einfache Auswechslung des Cantilever-Arrays.
4 zeigt ein Blockschaltbild mit den verschiedenen Teilen einer erfindungsgemässen Anordnung. Der Cantilever bzw. der Cantilever-Array liefert über die Ablenkung von einem oder mehreren Laserstrahlen elektrische Signale, welche die momentane Auslenkung des bzw. der Cantilever messen. Das hochpassgefilterte Signal wird einem Frequenzdetektor zugeführt, der die Eigenfrequenz und/oder Harmonische und/oder die Frequenzverschiebung gegenüber einer definierten Ausgangsfrequenz bestimmt. Dabei kann es sich z. B. um einen PLL (Phase Locked Loop) handeln. Das tiefpassgefilterte Signal kann gleichzeitig ermittelt und zur Bestimmung der statischen Verbiegung oder Auslenkung des Cantilevers benutzt werden. Ein Computer mit entsprechender Software dient der Visualisierung sowie der weiteren Verarbeitung der Signale.
5 zeigt das Frequenzspektrum eines Cantilevers im Bereich von 180-640 kHz in Flüssigkeit (destilliertes Wasser). Deutlich sind die Harmonischen als Peaks zu erkennen. Der verwendete Cantilever hatte eine Abmessung von 100 Mikrometern × 500 Mikrometern und eine Dicke von 1 Mikrometer. Die Grundfrequenz in Luft liegt knapp unterhalb von 40 kHz.
6 zeigt links die Frequenzverschiebung eines in Flüssigkeit schwingenden Cantilevers als Folge der Anlagerung von Thiolen (Mercaptohexanol) auf der goldbeschichteten Seite eines Silizium-Cantilevers als Funktion der Zeit. Die Frequenzverschiebung wurde dabei ausgehend von der ursprünglichen Frequenz mit einem PLL ermittelt. Die Anlagerung der Moleküle ab Sekunde 50 führt zu einer Erhöhung der Cantileverfrequenz um rund 100-120 Hz. In diesem Falle kommt die Frequenzverschiebung durch eine Veränderung der Oberflächenstruktur (Anlagerung von Thiolen) zustande, wodurch sich die Federkonstante des Cantilevers erhöht. Gezeigt sind die Kurven für zwei Cantilever innerhalb eines Arrays. Die rechte Figur zeigt die gleichzeitig aus dem tiefpass-gefilterten Signal ermittelte statische Verbiegung des Cantilevers als Funktion der Zeit. Diese Verbiegung ergibt sich als Folge der Oberflächenspannung (Stress), welche sich bei der Anlagerung der Thiole aufbaut.
7 zeigt ein Blockdiagramm eines Algorithmus oder Systems zur Bestimmung der Resonanzfrequenzen und/oder höher Harmonischer mehrerer Cantilever mittel eines PLL im Zeit-Multiplex-Verfahren. Zu einem bestimmten Zeitpunkt im Akquisitionszyklus k ist ein bestimmter Cantilever i aktiv und liefert ein Signal s(t). Dieses Signal wird einem PLL zugeführt. Neben dem Signal s(t) hat der PLL zwei weitere Eingänge:

• state_k-1,i ist ein Satz von Parametern, welche den Zustand des PLL am Ende des vorgängigen Zyklus k-1 beschreiben, als Cantilever i das letzte Mal aktiv war. Dazu gehören z. B. Filter- und/oder Regelparameter, die nötig sind, um den Zustand des PLL zu definieren.
• f_center ist die Freilauffrequenz des PLL, d. h. die Frequenz, mit welcher die Frequenz des Signal s(t) verglichen wird, um die Frequenzverschiebung zu bestimmen. Diese Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz (oder höher Harmonischen) f_0,k-1,i, die für Cantilever i am Ende des vorhergehenden Akquisitionszyklus k-1 gemessen worden ist.

Das Ende jeder Akquisitionsperiode oder -zyklus für einen bestimmten Cantilever wird durch das clock-Signal bestimmt. Am Ende der Akquisitionsperiode eines bestimmten Cantilevers i wird die Frequenzverschiebung Δf_k,i bestimmt, d. h. die Differenz zwischen der Frequenz des Cantilevers i und der Freilauffrequenz f_center am Ende des aktuellen Akquisitionszyklus k. Δf_k,i wird beispielsweise einem Computer zur Visualisierung und Speicherung zugeführt. Zusätzlich wird der Satz der PLL-Parameter state_k-1,i mit den aktuellen Zustandsparametern des PLL für den Cantilever i (state_k,i) überschrieben. Die aktuelle Resonanzfrequenz (oder höher Harmonische) des Cantilevers i wird berechnet, indem die Frequenzverschiebung Δf_k,i zur ursprünglichen Frequenz f_0,k-1,i addiert wird. Der Wert f_0,k-1,i wird den mit dem neuen Wert der Frequenz f_0,k,i überschrieben, um beim nächsten Auslesen der Frequenz von Cantilever i als Freilauffrequenz des PLL zu dienen. Dieser Ablauf wird für alle n Cantilever wiederholt und stellt so einen vollständigen Akquisitionszyklus dar. Ist der Akquisitionszklus k beendet, wiederholt sich derselbe Ablauf für den Akquisitionszyklus k + 1 usw.
Stehen aus dem vorgängigen Zyklus keine Werte für die Freilauffrequenz und/oder andere Parameter des PLL zur Verfügung, z. B. zu Beginn der Messung, können Standardwerte benutzt werden oder die Ausgangswerte können aufgrund einer alternative Bestimmung der Resonanzfrequenz (oder einer höher Harmonischen) für jeden Cantilever festgelegt werden.
8 zeigt den chronologischen Ablauf der Frequenzbestimmung mehrerer Cantilever mit einem PLL in einem Zeit-Multiplex-Verfahren, wie es in 7 diskutiert wurde. Der Ablauf beginnt mit dem k-ten Akquisitionszyklus kT_sample. Während des Akquisitionszyklus wird die Frequenz für alle n bestimmt. Der Vorgang beginnt mit Cantilever i = 1 und endet mit Cantilever i = n und läuft wie folgt ab:

1. Die Parameter, welche für Cantilever i am Ende des letzten Akquisitionszyklus (k-1) T_sample gespeichert worden sind, werden geladen. Dazu gehören z. B. die Zustandsparameter des PLL state_k-1,i und/oder die Resonanzfrequenz (oder höher Harmonische) f_0,k-1,i.
2. Nach der Akquisitionsperiode T_sample/n, d. h. der Zeit, die benötigt wird, um die Frequenzverschiebung Δf_k,i des Cantilevers i zu ermitteln, werden die neuen Zustandsparameter des PLL state_k,i gespeichert. Zusätzlich wird die neue Resonanzfrequenz (oder höhere Harmonische) f_k,i =f_k-1,i + Δf_k,i berechnet und für den nächsten Akquisitionszyklus gespeichert.

Nachdem dies für alle n Cantilever erfolgt ist, ist der Akquisitionszklus k beendet, und derselbe Ablauf wiederholt sich für den Akquisitionszyklus k + 1 usw.
Die Implementierung der beschriebenen Mess-Funktionen bereitet einer mit dem Fachgebiet vertrauten Person keine Schwierigkeiten; für viele Teilfunktionen ist kommerzielle Software verfügbar oder, soweit dies nicht der Fall ist, kann solche Software ohne Schwierigkeiten erstellt werden.

Claims

Anordnung zum Betrieb, insbesondere der Schwingungsanregung, von mindestens einem mikromechanischen Cantilever mittels eines Oszillators, dadurch gekennzeichnet, • dass der Oszillator elektrisch isoliert und gas- bzw. flüssigkeitsdicht gekapselt ist, • wobei er einerseits mit einer starren, schwingungsunfähigen Unterlage, vorzugsweise an seiner Unterseite, fest verbunden ist, • und andererseits, vorzugsweise an seiner der Unterseite gegenüberliegenden Oberseite, eine dünne Isolationsschicht aufweist, auf der mindesten ein mikromechanischer Cantilever befestigbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator ein Piezoelement aufweist, das insbesondere als piezoelektrischer Dickenschwinger ausgebildet ist, und dass dieses Piezoelement mit der starren Unterlage an seiner Unterseite fest verbunden ist und an seiner Oberseite die dünne Isolationsschicht aufweist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement auf seiner Unter- und/oder Oberseite zusätzlich mit Keramikplättchen versehen ist, welche mit der starren Unterlage bzw. der dünnen Isolationsschicht verbunden sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die starre, schwingungsunfähige Unterlage aus Metall, insbesondere aus Hartmetall besteht.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht aus einem biokompatiblen Material, z. B. PEEK, besteht.
Halter für mindestens einen mikromechanischen Cantilever, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung zur Schwingungsanregung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist ist, wobei die Befestigung des Cantilevers insbesondere lösbar ausgeführt ist.
Messanordnung mit einer Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Oszillator verbundene elektronische Schaltung vorgesehen ist, deren Ausgangssignal den Oszillator zu Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen anregt, wobei diese Schaltung mit einem Detektor verbunden ist, der der die Schwingungen des Cantilevers aufnimmt.
Messanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Detektor ermittelten Messignale sowohl einem Tiefpassfilter als auch einem Hochpassfilter zugeführt werden, wobei mittels des Tiefpassfilters die statische Auslenkung des Cantilevers oder der Cantilever ermittelt wird und mittels des Hochpassfilters die Frequenzdetektion erfolgt, aus der ein Anregungssignal abgeleitet wird, das dem Oszillator zugeführt wird.
Messanordnung nach Anspruch 7 oder 8 mit einer PLL-Schaltung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz jedes Cantilevers i einer Anordnung aus mehreren Cantilevern mittels eines Time-Multiplex-Verfahrens, wobei diese PLL-Schaltung folgende Mittel aufweist: – einen Eingang zum Empfang eines Signals s(t), das von einem aktivierten Cantilever i erzeugt wird, – Speichermittel zur Speicherung eines ersten Parametersatzes state_k-1,i, der den Status der PLL-Schaltung am Ende eines ersten Aufnahmezyklus k-1 darstellt, wobei dieser erste Parametersatz einen Wert für die Resonanzfrequenz f_0,k-1,i dieses Cantilevers i enthält und den Signalen s(t) entspricht, die vom Cantilever i während des ersten Aufnahmezyklus erzeugt werden, – Speichermittel zur Speicherung eines zweiten Parametersatzes state_k,i, der den Status der PLL-Schaltung am Ende eines zweiten Aufnahmezyklus k darstellt, wobei dieser zweite Parametersatz den Signalen s(t) entspricht, die vom Cantilever i während des zweiten Aufnahmezyklus k erzeugt werden, und die dabei ermittelte Resonanzfrequenz f_0,k,i enthält, – Mittel zur Bestimmung einer Frequenzverschiebung Δf_k,i definiert als die Differenz zwischen der Resonanzfrequenz f_0,k-1,i des Cantilevers i im ersten Aufnahmezyklus k-1 und der Resonanzfrequenz f_0,k,i im zweiten Aufnahmezyklus k, – Mittel zur Speicherung und/oder Darstellung dieser Frequenzverschiebung Δf_k,i.
Messanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch – Mittel zur Erzeugung eines Frequenzdurchlaufs über einen vorgegebenen Frequenzbereich für die Anregungsfrequenz des Oszillators und – Mittel zur Ermittlung der Frequenzabhängigkeit der Cantilever-Amplitude zur Bestimmung der Eigenfrequenz eines Cantilevers.
Messanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch – Mittel zur Konstanthaltung der Schwingungsamplitude eines Cantilevers und – Mittel zur Ermittlung der vom Oszillator dazu benötigten Energie.
Messanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch – Mittel zur gleichzeitigen Messung der statischen Auslenkung mindestens zweier Cantilever.
Verfahren zur Bestimmung der Eigenfrequenz oder von Harmonischen mindestens eines mikromechanischen Cantilevers in einer Messanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever durch den Oszillator mit einer Frequenz zur Schwingung angeregt wird, die ungefähr seiner Eigenfrequenz und/oder einer Harmonischen seiner Eigenfrequenz entspricht und das ermittelte Messsignal einem Frequenzdetektor zugeführt wird, dessen Ausgangssignal mittelbar die Frequenzanregung des Oszillators steuert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Frequenzverschiebung mindestens eines Cantilevers mittels eines Regelkreises, insbesondere mittels eines PLLs, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei mindestens ein Cantilever mit verschiedenen Frequenzen, insbesondere über einen vorgegebenen Frequenzbereich angeregt wird, die Frequenzabhängigkeit der Amplitude des Cantilevers bestimmt und so die Eigenfrequenzen des Cantillevers ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei durch wiederholte Messung Frequenzverschiebungen ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schwingungsamplitude mindestens eines Cantilevers konstant gehalten und die dafür benötigte Anregungsenergie, die dem Oszillator zugeführt werden muss, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei welchem zusätzlich zur dynamischen Bestimmung der Eigenfrequenzen die statische Auslenkung mindestens eines Cantilevers ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die statische Auslenkung ermittelt wird indem das ermittelte dynamische Messsignal durch ein Tiefpassfilter gefiltert wird.