DE102008026929A1 - Sensor, device and method for determining physical and / or chemical properties - Google Patents

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Abstract

Es soll ein Sensor, eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen, chemischen oder biologischen Fluides oder von biochemischen Zellreaktionen, die durch Zugabe einzelner Substanzen oder Substanzgemische erzeugt werden, für die lediglich minimale Mengen (nl-Bereich) des zu untersuchenden Fluides erforderlich sind und die sich durch eine hohe Lebensdauer auszeichnen und darüber hinaus einfach zu handhaben sind. Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe durch den Einsatz von ionenselektiven Sensoren auf der Basis von Heterostrukturhalbleitern (Schichtfolge der Gruppe-III-Nitride) in einer Ausführungsform als AlGaN/GaN-HEMT-System. Der Anwendungsbereich dieser Erfindung liegt in der Ermittlung von chemischen, biochemischen oder biologischen Eigenschaften von Substanzen in flüssiger, gasförmiger oder fester Phase.It is a sensor, a device and an associated method for determining physical and / or chemical properties, in particular the pH of a liquid or gaseous, chemical or biological fluid or biochemical cell reactions that are generated by the addition of individual substances or substance mixtures for which only minimal amounts (nl range) of the fluid to be examined are required and which are characterized by a long service life and, moreover, are easy to handle. According to the invention, this object is achieved by the use of ion-selective sensors based on heterostructure semiconductors (layer sequence of the group III nitrides) in one embodiment as AlGaN / GaN-HEMT system. The scope of this invention is in the determination of chemical, biochemical or biological properties of substances in liquid, gaseous or solid phase.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen, chemischen oder biologischen Fluides oder von biochemischen Zellreaktionen, die durch Zugabe einzelner Substanzen oder Substanzgemische erzeugt werden.The The present invention relates to a sensor, a device and an associated method for the determination of physical and / or chemical properties, in particular the pH, of a liquid or gaseous, chemical or biological Fluids or biochemical cell reactions by addition individual substances or substance mixtures are generated.

Im Folgenden sollen mit dem Begriff biologische flüssige oder gasförmige Fluide in erster Linie Fluide, die in Zellen, Organen oder Organismen vorkommen und auch von diesen ausgeschieden werden können, definiert sein. Bekannte biologische Fluide sind beispielsweise Blut, Speichel, Urin, Lymphflüssigkeit und Gallenflüssigkeit. Darüber hinaus zählen wir zu den biologischen Fluiden Zellkulturmedien und Nährmedien zur Versorgung eukaryotischer und prokaryotischer Zellen. Der Begriff „Medium” bezeichnet hier üblicherweise ein biologisches Fluid, dass aus einer Mischung verschiedener biologischer Komponenten besteht und oft in einer Ausführungsform als Nährmedium bezeichnet wird. Ein Nährmedium, oft auch als Substrat bezeichnet, dient zur Kultur von Mikroorganismen, Zellen und Geweben. Man unterscheidet zwischen flüssigen (zum Beispiel Bouillon, Nährbouillon oder Nährlösung) und gelierten („festen”) Nährmedien (Nährboden). Diese biologischen Fluide können aufgrund ihrer spezifischen Zusammensetzung einen aggressiven Charakter aufweisen, der für eine Reihe von technischen Materialien Probleme aufwirft. Hierzu zählen beispielsweise Blut, welches ein relativ hohes Reduktionspotential hat, oder Magensaft, der einen stark sauren pH-Wert aufweist. Als chemische Fluide bezeichnen wir flüssige Substanzen, welche unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen (Temperaturbereich –50°C bis +150°C) im flüssigen Aggregatzustand vorliegen, das heißt, dass sie einer Formänderung so gut wie keinen, einer Volumenänderung hingegen einen großen Widerstand entgegensetzen. Chemische Fluide können sowohl reine Flüssigkeiten (z. B. Wasser, Essigsäure, flüssiger Ammoniak) als auch Gemische sein. Bei den Gemischen kann es sich sowohl um Lösungen ionischer Verbindungen (z. B. Natriumchlorid) als auch um Lösungen organischer Verbindungen in verschiedenen Lösungsmitteln (z. B. Wasser, organische Lösungsmittel, ionische Flüssigkeiten) handeln.in the The following are intended to use the term biological fluid or gaseous fluids primarily fluids that enter cells, Organs or organisms occur and also excreted by these be defined. Known biological fluids For example, blood, saliva, urine, lymph fluid and bile. In addition, count we refer to the biological fluids cell culture media and nutrient media for the supply of eukaryotic and prokaryotic cells. The term "medium" denotes here usually a biological fluid that comes from a Mixture of different biological components exists and often referred to in one embodiment as a nutrient medium becomes. A nutrient medium, often referred to as a substrate, is used to culture microorganisms, cells and tissues. One differentiates between liquid (for example, broth, nutrient broth or nutrient solution) and gelled ("solid") Nutrient media (nutrient medium). These biological fluids because of their specific composition one can have aggressive character for a number of technical materials issues. Which includes For example, blood, which is a relatively high reduction potential has, or gastric juice, which has a strongly acidic pH. When chemical fluids we call liquid substances, which under normal pressure and temperature conditions (temperature range -50 ° C to + 150 ° C) in the liquid state, that is, they are a shape change so well like no, a volume change, however, a large Resist resistance. Chemical fluids can both pure liquids (eg water, acetic acid, liquid ammonia) as well as mixtures. For the mixtures It can be both solutions of ionic compounds (eg, sodium chloride) as well as organic solutions Compounds in different solvents (eg water, organic solvents, ionic liquids) act.

Sensoren zur Ermittlung von chemischen, biochemischen oder biologischen Eigenschaften von Substanzen in flüssiger, gasförmiger oder fester Phase sowohl in homogenen als auch in heterogenen Phasen sind seit langem Gegenstand von Wissenschaft und Technik. Innerhalb der großen Klasse von Sensoren zur Bestimmung von chemischen, biochemischen und biologischen Eigenschaften von Substanzen befinden sich die so genannten „Biosensoren”. Als Biosensoren bezeichnet man Sensoren, die spezifische biochemische Reaktionen, die durch isolierte Enzyme, Immunosysteme, Organellen, ganzen Zellen oder Gewebe ausgelöst werden, einsetzen, um chemische Substanzen mit Hilfe optischer, elektrischer oder thermischer etc. Signale zu detektieren ( Nic, M., Jirat, J., and Kosata, B., IUPAC Compendium of Chemical Terminology, http://goldbook.iupac.org/index.html (accessed Nov 02, 2007) ).Sensors for the determination of chemical, biochemical or biological properties of substances in liquid, gaseous or solid phase in both homogeneous and heterogeneous phases have long been the subject of science and technology. Within the large class of sensors for the determination of chemical, biochemical and biological properties of substances are the so-called "biosensors". Biosensors are sensors which use specific biochemical reactions triggered by isolated enzymes, immunosystems, organelles, whole cells or tissue to detect chemical substances by means of optical, electrical or thermal signals etc. ( Nic, M., Jirat, J., and Kosata, B., IUPAC Compendium of Chemical Terminology, http://goldbook.iupac.org/index.html (accessed Nov 02, 2007) ).

In der Regel werden also biologische Elemente wie z. B. Nukleinsäuren mit einem „Transducer-System” gekoppelt, um eine von der zu detektierenden Substanz abhängende biochemische Reaktion aufzunehmen und in ein elektrisches, meist zu verstärkendes Signal zu transformieren. Beginnend mit dem ersten Biosensor von Clark und Lyons ( Clark, L. C., and Lyons, C. 1962, Ann. N. Y. Acad. Sci., 102, 29. ), wurden neue Biosensoren über die Jahre entwickelt. Besonders die neuen, auf der Halbleitertechnik basierenden, Biosensoren ermöglichten neue Anwendungen ( Grodzinski, P., Silver, M., and Molnar, L. K. 2006, Expert Review of Molecular Diagnostics, 6, 307. 3. Gooding, J. 2006, Analytica Chimica Acta, 559, 137. ). Die Realisierung des Transducers mit Hilfe von ionenselektiven Feldeffekttransistoren, den sogenannten ISFETs, also einer Klasse der oben erwähnten halbleiterbasierten Sensoren, führte, beginnend mit der 1970 erschienenen Arbeit von Bergveld zu einer rasanten Entwicklung auf diesem Gebiet ( Bergveld, P. 2003, Sensors and Actuators B: Chemical, 88, 1. ). Der Artikel von P. Bergfeld, „The Impact of MOSFET-Based Sensors, Third International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, June 11–14, 1985” , beschreibt die Arbeitsweise von MOS-Feldeffekttransistoren unterschiedlicher Bauart zur Messung von physikalischen und chemischen Parametern. Schon 1986 sind als Stand der Technik unterschiedliche Arten von Feldeffekttransistoren bekannt, die als Sensoren eingesetzt werden. In dem Artikel ”A Generalized Theory of an Elektrolyte-Insulator-Semiconductor Field-Effect 'Transistor” (EISFET), Clifford D. Ring, et. al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. BD-33, No. 1 January 1986 , wird beispielsweise ein EISFET als pH-Sensor verwendet, wobei die physikalischen Grundlagen beschrieben werden.In general, so biological elements such. B. nucleic acids with a "transducer system" coupled to receive a dependent of the substance to be detected biochemical reaction and transform into an electrical, usually amplified signal. Starting with the first biosensor from Clark and Lyons ( Clark, LC, and Lyons, C., 1962, Ann. NY Acad. Sci., 102, 29. ), new biosensors have been developed over the years. Especially the new semiconductor-based biosensors enabled new applications ( Grodzinski, P., Silver, M., and Molnar, LK 2006, Expert Review of Molecular Diagnostics, 6, 307. 3. Gooding, J. 2006, Analytica Chimica Acta, 559, 137. ). The realization of the transducer by means of ion-selective field-effect transistors, the so-called ISFETs, ie a class of the above-mentioned semiconductor-based sensors, led, starting with the work of Bergveld published in 1970, to a rapid development in this field ( Bergveld, P. 2003, Sensors and Actuators B: Chemical, 88, 1. ). Of the Article by P. Bergfeld, "The Impact of MOSFET-Based Sensors, 3rd International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, June 11-14, 1985" , describes the operation of MOS field effect transistors of different types for the measurement of physical and chemical parameters. As early as 1986 different types of field-effect transistors are known as prior art, which are used as sensors. By doing Article "A Generalized Theory of Electrolyte Insulator Semiconductor Field-Effect Transistor" (EISFET), Clifford D. Ring, et. al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. BD-33, no. 1 January 1986 For example, an EISFET is used as a pH sensor, describing the physical principles.

Inzwischen wurde eine ganze Familie von unterschiedlichen ionenselektiven halbleiterbasierten Sensoren entwickelt. Sie können in Silizium basierte bioempfindliche ISFETs (BioFET), enzyme-modifizierte FETs (EnFET), immunologisch modifizierte FETs (ImmunoFET), DNA-modifizierte FETs (DNA-FET) and cell-basierte FETs (CPFET) unterteilt werden ( Schöning, M. J., and Poghossian, A. 2006, Electroanal., 18, 1893. ).In the meantime, a whole family of different ion-selective semiconductor-based sensors has been developed. They can be divided into silicon-based biosensing ISFETs (BioFETs), enzyme-modified FETs (EnFETs), immunologically modified FETs (ImmunoFETs), DNA-modified FETs (DNA FETs), and cell-based FETs (CPFETs) ( Schöning, MJ, and Poghossian, A. 2006, Electroanal., 18, 1893. ).

Alle die eben genannten Sensoren besitzen den Vorteil, dass sie in Silizium-Technologie hergestellt werden können (Massenproduktion). Ein großer Nachteil dieser Sensoren liegt dagegen in ihrer in Folge des aggressiven Charakters der zu untersuchenden Fluide geringen Langzeitstabilität ( Madou, M. J. 1989, Chemical sensing with solid state devices, Academic Press, Boston. ).All the sensors just mentioned possess the advantage that they can be made in silicon technology (mass production). On the other hand, a major disadvantage of these sensors is their low long-term stability due to the aggressive nature of the fluids to be investigated ( Madou, MJ 1989, Chemical sensing with solid state devices, Academic Press, Boston. ).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Sensor, eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen, chemischen oder biologischen Fluides oder von biochemischen Zellreaktionen, die durch Zugabe einzelner Substanzen oder Substanzgemische erzeugt werden, bereitzustellen, für die lediglich minimale Mengen (nl-Bereich) des zu untersuchenden Fluides erforderlich sind und die sich durch eine hohe Lebensdauer aufgrund ihrer Kompatibilität zu den zu untersuchenden Fluiden auszeichnen und darüber hinaus einfach zu handhaben sind.task Therefore, it is the object of the present invention to provide a sensor, a device and an associated method for determining physical and / or chemical properties, in particular the pH, of a liquid or gaseous, chemical or biological Fluids or biochemical cell reactions by adding individual Produce substances or mixtures of substances, for the only minimal amounts (nl range) of the fluid to be examined are required and characterized by a long service life their compatibility with the fluids under investigation and beyond that are easy to handle.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Patentansprüchen 1, 2 und 14.According to the invention succeeds the solution of this problem with the claims 1, 2 and 14.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments of the device according to the invention and the inventive method are in the Subclaims specified.

In Ambacher et al. DE 100 62 044 A1 ist die Funktionsweise eines ionenselektiven Sensors auf der Basis von Heterostrukturhalbleitern (Schichtfolge der Gruppe-III-Nitride) erstmals beschrieben worden. Solche Sensoren sind auch in einer Ausführungsform als AlGaN/GaN-HEMT System bekannt.In Ambacher et al. DE 100 62 044 A1 the operation of an ion-selective sensor based on heterostructure semiconductors (layer sequence of the group III nitrides) has been described for the first time. Such sensors are also known in one embodiment as AlGaN / GaN-HEMT system.

Zur Herstellung von Hochleistungstransistoren und Sensoren können insbesondere die elektrischen Transporteigenschaften der Elektronengase in AlGaN/GaN-Heterostrukturen herangezogen werden ( M. Stutzmann, G. Steinhoff, M. Eickhoff, O. Ambacher, C. E. Nebel, J. Schalwig, R. Neuberger, and G. Müller, Diamond and Related Materials 11 (2002) 886. ). Für die Sensorik sind die elektrischen Eigenschaften und die relativ großen piezoelektrischen Konstanten der Gruppe-III-Nitride besonders interessant. Wird eine AlxGa1-xN-Barriere pseudomorph auf eine epitaktische GaN-Schicht gewachsen, ist die AlGaN-Schicht tensil verspannt, wobei die Stärke der Verspannung mit zunehmender Al-Konzentration wächst. Deshalb kann die totale (piezoelektrische und spontane) Polarisation in der AlGaN-Schicht über deren Zusammensetzung kontrolliert werden. An den Grenzflächen zur GaN-Schicht bildet sich so ein abrupter Sprung in der Polarisation aus, der zu einer gebundenen Grenzflächenladung führt. Ist die gebundene, polarisationsinduzierte Ladung an der AlGaN/GaN-Grenzfläche positiv, sammeln sich dort Elektronen, die diese Ladung kompensieren. Bei einer Al-Konzentration von 35% können zweidimensionale Elektronengase (2DEGs) mit Flächenladungsdichten von bis zu 2 × 1013 cm–2 erreicht werden ( Ambacher, B. Foutz, J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K. Chu, M. Murphy, A. J. Sierakowski, W. J. Schaff, L. F. Eastman, R. Dimitrov, A. Mitchell, and M. Stutzmann, J. Appl. Phys. 87 (2000) 334. ). Wird das 2DEG seitlich kontaktiert entsteht ein sogenannter ionensenstitiver Feldeffekttransistor (ISFET) mit Source, Drain und einem offenen Gate. Jegliche Manipulation des Oberflächenpotentials resultiert in einer deutlichen Änderung der Flächenladungsdichte des 2DEGs und somit in einer messbaren Änderung des Drain-Stroms. Deshalb eignet sich eine AlGaN/GaN-Transistorstruktur für die Detektion von Ionen oder adsorbierten polaren Molekülen in Flüssigkeitströpfchen, die auf der Oberfläche abgesetzt werden. Das Gatepotential wird dabei durch die geladenen Ionen in der zu detektierenden Flüssigkeit bestimmt. Die Auswertung des Drain-Stroms ermöglicht den Nachweis von polaren Flüssigkeiten mit einer hohen Empfindlichkeit und einem großen Dynamikbereich. Der ISFET zeigt dabei eine intrinsische pH-Sensitivität am Nernst'schen Limit, die durch das an der Oberfläche vorhandene Oxid gegeben ist. Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen pH-Wert und Oberflächenpotential im pH-Bereich von 2 bis 12. Aufgrund der hohen chemischen Stabilität der Gruppe-III Nitride sowohl für Laugen, als auch für Säuren kann deshalb mit einem solchen Bauelement die Bestimmung von pH-Werten mit einer hohen Genauigkeit durchgeführt werden.For the production of high-performance transistors and sensors, in particular the electrical transport properties of the electron gases in AlGaN / GaN heterostructures can be used ( M. Stutzmann, G. Steinhoff, M. Eickhoff, O. Ambacher, CE Nebel, J. Schalwig, R. Neuberger, and G. Müller, Diamond and Related Materials 11 (2002) 886. ). For the sensors, the electrical properties and the relatively large piezoelectric constants of group III nitrides are particularly interesting. If an Al x Ga 1 -x N barrier is pseudomorphically grown on an epitaxial GaN layer, the AlGaN layer is tensilely stressed, with the strength of the stress increasing with increasing Al concentration. Therefore, the total (piezoelectric and spontaneous) polarization in the AlGaN layer can be controlled by their composition. At the interfaces to the GaN layer, an abrupt jump in polarization is formed which leads to a bounded interface charge. If the bound, polarization-induced charge at the AlGaN / GaN interface is positive, electrons gather there to compensate for this charge. At an Al concentration of 35%, two-dimensional electron gases (2DEGs) with surface charge densities of up to 2 × 10 13 cm -2 can be achieved ( Ambacher, B. Foutz, J. Smart, JR Shealy, NG Weimann, K. Chu, M. Murphy, AJ Sierakowski, WJ Schaff, LF Eastman, R. Dimitrov, A. Mitchell, and M. Stutzmann, J. Appl. Phys. 87 (2000) 334. ). When the 2DEG is laterally contacted, a so-called ion-sensitive field-effect transistor (ISFET) with source, drain and an open gate is formed. Any manipulation of the surface potential results in a significant change in the surface charge density of the 2DEG and thus in a measurable change in the drain current. Therefore, an AlGaN / GaN transistor structure is suitable for the detection of ions or adsorbed polar molecules in liquid droplets deposited on the surface. The gate potential is determined by the charged ions in the liquid to be detected. The evaluation of the drain current enables the detection of polar liquids with a high sensitivity and a large dynamic range. The ISFET exhibits an intrinsic pH sensitivity at the Nernst limit, which is given by the oxide present on the surface. There is a linear relationship between pH and surface potential in the pH range of 2 to 12. Due to the high chemical stability of Group III nitrides for both alkalis and acids, the determination of pH values can therefore be carried out with such a device be performed with high accuracy.

Auf der Basis des AlGaN/GaN Halbleitersystems werden ISFET Strukturen hergestellt. Die hervorragende Eignung des AlGaN/GaN Halbleitermaterials zur Untersuchung von biologischen oder chemischen Fluiden manifestiert sich vor allem in der biologischen und chemischen Inertheit des AlGaN-Materials, welches sich durch seine hohe Biokompatabilität bzgl. seiner Adhärenz von Zellen auszeichnet, d. h. es findet keine messbare Beeinflussung der Zellen und auch keine nennenswerte Veränderung der AlGaN-Oberflächen durch die Zellen statt. ( I. Cimalla, F. Will, K. Tonisch, M. Niebelschütz, V. Cimalla, V. Lebedev, G. Kittler, M. Himmerlich, S. Krischok, J. A. Schaefer, M. Gebinoga, A. Schober, T. Friedrich, and O. Ambacher „AlGaN/GaN biosensoreffect of device processing steps on the surface properties and biocompatibility accepted by Sens. Actuators B: Chem. (2006), doi:10.1016/j.snb.2006.10.030 ).Based on the AlGaN / GaN semiconductor system, ISFET structures are produced. The outstanding suitability of the AlGaN / GaN semiconductor material for the investigation of biological or chemical fluids manifests itself above all in the biological and chemical inertness of the AlGaN material, which is characterized by its high biocompatibility with respect to its adherence to cells, ie there is no measurable influence the cells and also no significant change in the AlGaN surfaces by the cells instead. ( I. Cimalla, F. Will, K. Tonisch, M. Niebelschuetz, V. Cimalla, V. Lebedev, G. Kittler, M. Himmerlich, S. Krischok, JA Schaefer, M. Gebinoga, A. Schober, T. Friedrich , and O. Ambacher "AlGaN / GaN biosensoreffect of device processing steps on the surface properties and biocompatibility accepted by Sens. Actuators B: Chem. (2006), doi: 10.1016 / j.snb.2006.10.030 ).

Die Bestimmung des pH-Wertes z. B. in der Medizintechnik (Blut-pH) mit der gesetzlich geforderten hohen Genauigkeit stellt hohe Anforderungen an den gesamten Messaufbau und das zu entwickelnde Mess- und Auswerteverfahren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise ein kompaktes transportables System, mit dessen Hilfe schnelle und rauscharme Messungen an AlGaN/GaN-basierenden Sensoren durchgeführt werden. An dieses Systems ist ein Strom-Spannungs-Analyzer mit dem sowohl kleine Spannungs-(μV-Bereich) als auch Stromänderungen (nA-Bereich) innerhalb eines sehr kleinen Zeitintervalls (ms- bzw. μs-Bereich) detektiert werden können, gekoppelt. Als Schnittstelle zwischen dem Analyzer und der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bestehend aus mindestens einem aktiven, nichtpassivierten ionensensitiven/-selektiven Sensor mit einer AlGaN/GaN-Struktur und einer Referenzelektrode, wird ein geschlossener und vor allem elektrisch abgeschirmter Messaufbau (z. B. faradayscher Käfig) verwendet, der die negativen Einflüsse möglicher Störgrößen (z. B. Licht, elektrische Umgebungsfelder) auf die Genauigkeit des Messergebnisses minimieren soll.The determination of the pH z. B. in medical technology (blood pH) with the legally required high accuracy makes high demands on the entire measurement setup and the development of measurement and evaluation. The device according to the invention is preferably a compact transportable system with the aid of which fast and low-noise measurements are based on AlGaN / GaN-based the sensors are performed. A current-voltage analyzer with which both small voltage (μV range) and current changes (nA range) can be detected within a very small time interval (ms or μs range) is coupled to this system. As an interface between the analyzer and the device according to the invention, comprising at least one active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensor with an AlGaN / GaN structure and a reference electrode, a closed and above all electrically shielded measuring structure (eg Faraday cage) which is intended to minimize the negative effects of possible disturbance variables (eg light, ambient electrical fields) on the accuracy of the measurement result.

Die Realisierung einer Referenzelektrode für elektrochemische Messungen mit ISFETs, stellt insbesondere im Hinblick auf Miniatur- und Festkörper-Varianten einen kritischen Punkt in einem Analysesystem dar. Der grundsätzliche Aufbau der Referenzelektrode setzt sich stets aus den Komponenten Innenableitung, Leitelektrolyt und Membran zusammen. Die Innenableitung wird über einen Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl)-Draht oder eine Ag/AgCl-Dickschicht realisiert. Der Leitelektrolyt besteht entweder aus einer wässrigen KCl-Lösung oder einem mit KCl versetzten Hydrogel, das gleichzeitig über eine kleine Öffnung („einhole junction” 0–100 μm) als Membran zum Analyt dient. Im Falle einer KCl-Lösung wird eine poröse Membran benötigt, die in Glas, Keramik oder Teflon hergestellt werden kann.The Realization of a reference electrode for electrochemical Measurements with ISFETs, in particular with regard to miniature and solid-state variants a critical point in one Analysis system dar. The basic structure of the reference electrode always consists of the components internal drainage, conductive electrolyte and membrane together. The internal drainage is over one Silver / silver chloride (Ag / AgCl) wire or Ag / AgCl thick film realized. The conducting electrolyte consists either of an aqueous one KCl solution or a KCl-added hydrogel, the at the same time over a small opening ("catch up junction "0-100 μm) as a membrane to the analyte serves. In the case of a KCl solution becomes a porous Membrane needed, made in glass, ceramic or teflon can be.

Für die Positionierung der Referenzelektrode zu einem Sensor oder zu einem Sensorarray wird eine plane Referenzeinheit realisiert, die gleichzeitig als Abdeckplatte dient und gegenüber dem Array angebracht wird. Damit wird ebenfalls eine einfache Reinigung des Systems gewährleistet, da nur plane Flächen gereinigt werden müssen.For the positioning of the reference electrode to a sensor or to a sensor array, a planar reference unit is realized, the simultaneously serves as a cover plate and opposite the array is attached. This is also a simple cleaning of the Systems ensures that only plane surfaces cleaned Need to become.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das System als Klappsystem (1) ausgeführt. Über eine Kapillarzuführung (3) wird das zu untersuchende Fluid auf der aktiven Sensoroberfläche (4) abgesetzt. Die Flächen, der innerhalb der in 1 dargestellten Kreise sind hydrophil, wogegen die restlichen Bestandteile des Systems hydrophob sind. In einem zweiten Schritt wird der Deckel mit der Referenzelektrode (2) abgesetzt und taucht in das zu untersuchende Fluid ein. Die Messung wird durchgeführt. Es wird gespült. Die Referenzelektrode wird verworfen. Es wird gespült. Eine neue Referenzelektrode wird eingesetzt.In one embodiment of the invention, the system is designed as a folding system ( 1 ). Via a capillary feed ( 3 ), the fluid to be examined is deposited on the active sensor surface ( 4 ) discontinued. The areas inside the in 1 The circles shown are hydrophilic whereas the remaining components of the system are hydrophobic. In a second step, the lid with the reference electrode ( 2 ) and immersed in the fluid to be examined. The measurement is performed. It is being rinsed. The reference electrode is discarded. It is being rinsed. A new reference electrode is used.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die auswechselbaren Referenzelektroden in einem Kartuschensystem, d. h. in einem Magazin vorgehalten. Von dort aus werden sie dem Messfeld zugeführt und elektrisch kontaktiert. Das Spülen erfolgt nach dem oben beschriebenen Prinzip.In a further embodiment of the invention become the interchangeable reference electrodes in a cartridge system, d. H. held in a magazine. From there they will be the Metering field fed and electrically contacted. The rinse takes place according to the principle described above.

Für die Bestimmung des pH-Wertes wird ein einfaches Verfahren favorisiert. Die Source- und Drainkontakte des aktiven Sensors (5) und die notwendige Bezugs- bzw. Referenzelektrode der wässrigen Lösung wird mit jeweils einem Ausgangskanal des Analyzers verbunden. In der ersten vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung wird nach der Kalibrierung des Systems (Messung der Strom-Spannungskennlinien definierter Pufferlösungen mit unterschiedlichen pH-Werten) die aktive Fläche des Sensors mit der zu untersuchenden Flüssigkeitsprobe benetzt und ebenfalls die Strom-Spannungskennlinie des kalibrierten Sensors gemessen. Der pH-Wert wird aus der Verschiebung dieser Kennlinie zu den einzelnen Kalibrierungskurven berechnet.For the determination of the pH a simple procedure is favored. The source and drain contacts of the active sensor ( 5 ) and the necessary reference or reference electrode of the aqueous solution is connected to one output channel of the analyzer. In the first preferred embodiment of the invention, after calibration of the system (measurement of the current-voltage characteristics of defined buffer solutions with different pH values), the active area of the sensor is wetted with the liquid sample to be examined and the current-voltage characteristic of the calibrated sensor is also measured. The pH is calculated from the shift of this characteristic to the individual calibration curves.

Zur Kompensation möglicher Störeinflüsse, wie beispielsweise Licht und/oder elektrischer und/oder magnetischer Felder, wird in einer vorteilhaften Ausbaustufe des Systems ein von allen Seiten geschlossener und abgedunkelter faradayscher Käfig realisiert. In einer weiteren bevorzugten Ausbaustufe wird im Inneren dieses Käfigs eine Strahlungsquelle mit einer definierten Beleuchtungsstärke und Wellenlänge des ausgesendeten Lichts installiert. Durch diese Maßnahme wird die lichtempfindliche Drift des Sensors minimiert und dadurch die Genauigkeit des Messergebnisses verbessert.to Compensation of possible interference, such as for example, light and / or electrical and / or magnetic Fields, is in an advantageous expansion stage of the system Closed and darkened Faraday cage on all sides realized. In a further preferred expansion stage is inside this cage a radiation source with a defined Illuminance and wavelength of the emitted Light installed. By this measure, the photosensitive drift of the sensor minimizes and thereby the accuracy of the measurement result improved.

Eine vollständige Kompensation aller auf den Sensor einwirkenden Störgrößen wird durch diese Ausbaustufe jedoch nicht erreicht. Aus diesem Grund werden in einer weiteren vorteilhaften Verbesserung der Erfindung die zur Messung verwendeten aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren in eine Brückenschaltung mit mehreren vorzugsweise identischen passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren eingebunden. Als passivierte ionensensitiven/-selektiven Sensoren werden solche Sensoren bezeichnet bei denen auf das AlGaN/GaN oder GaN/AlGaN/GaN Schichtsystem eine Schicht aus chemisch inerten, je nach Anwendung optisch transparenten (z. B. ein Glaslot) oder optisch intransparenten (z. B. eine Polyimidschicht) Materials aufgebracht wird, so dass kein direkter Kontakt der Sensoroberfläche mit einem zu messenden Fluid besteht.A complete compensation of all forces acting on the sensor Disturbance is due to this stage of development but not reached. For this reason, in another advantageous improvement of the invention the active, used for the measurement, non-passivated ion-sensitive / -selective sensors in one Bridge circuit with several preferably identical passivated ion-sensitive / -selective sensors integrated. When passivated ion-sensitive / -selective sensors become such sensors refer to those on the AlGaN / GaN or GaN / AlGaN / GaN layer system a layer of chemically inert, depending on the application optically transparent (eg a glass solder) or optically non-transparent (eg a polyimide layer) Material is applied so that no direct contact of the sensor surface with a fluid to be measured.

Da klassische Brückenschaltungen, wie beispielsweise die Wheatstonesche Brücke, zur Messung sehr kleiner Widerstände nicht geeignet sind, werden die Sensoren nach dem Prinzip einer Thomson Messbrücke geschalten. Hierbei wird parallel zu den Zuleitungen und den beiden inneren Brückenzweigen, die jeweils als Reihenschaltung vorzugsweise eines aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensors und eines passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensors ausgeführt ist, ein zweiter Spannungsteiler geschaltet, der zusätzlich den Einfluss der äußeren Zuleitungswiderstände auf das Messergebnis kompensiert. Die einzelnen aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren der inneren Brückenzweige werden jeweils mit einem definierten Fluid (z. B. Pufferlösungen mit bestimmten pH-Wertes) benetzt. Die so den einzelnen Sensoroberflächen zugeführten Ladungen verändern durch Anreicherung oder Verarmung von Ladungsträgern im leitenden Kanal des Sensors dessen elektrischen Widerstand. In Abhängigkeit der elektrischen Sensorwiderstände stellt sich eine stabile Querspannung der Brückenschaltung ein. Wird nun einer der aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren beispielsweise mit der Messflüssigkeit benetzt, verschiebt die damit verbundene Änderung des elektrischen Widerstandes dieses Sensors die Querspannung der Messbrücke. Diese Änderung der Querspannung wird quantitativ ausgewertet und in Bezug zum pH-Wert gesetzt. Durch dieses Messprinzip entfällt ein aufwendiger Nullabgleich der Brückenschaltung.Since classical bridge circuits, such as the Wheatstone bridge, are not suitable for measuring very small resistances, the sensors are switched according to the principle of a Thomson bridge. In this case, parallel to the leads and the two inner bridge branches, each as a series connection preferably an active, non-passivated ions sensitive / selective sensor and a passivated ion-sensitive / -selective sensor is performed, a second voltage divider connected, which additionally compensates the influence of the external lead resistances on the measurement result. The individual active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensors of the inner bridge branches are each wetted with a defined fluid (eg buffer solutions with a specific pH value). The charges thus supplied to the individual sensor surfaces change its electrical resistance by accumulation or depletion of charge carriers in the conductive channel of the sensor. Depending on the electrical sensor resistance, a stable transverse voltage of the bridge circuit is established. If, for example, one of the active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensors is wetted with the measuring liquid, the associated change in the electrical resistance of this sensor shifts the transverse voltage of the measuring bridge. This change in the transverse stress is quantitatively evaluated and related to the pH value. This measurement principle eliminates a complex zero balance of the bridge circuit.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden zur Steigerung der Messdynamik mindestens vier vorzugsweise identische aktive, nicht passivierte ionensensitive/-selektive Einzelsensoren parallel gemessen. Hierbei werden mindestens drei dieser Sensoren mit wässrigen Referenzpuffern unterschiedlicher pH-Werte und der vierte Sensor beispielsweise mit der Messflüssigkeit benetzt. Im Anschluss werden gleichzeitig die Strom-Spannungskennlinien aller Sensoren gemessen und der pH-Wert ermittelt.In Another embodiment of the invention are used to increase at least four preferably identical active, non-passivated ion-sensitive / -selective single sensors in parallel measured. Here are at least three of these sensors with aqueous Reference buffers of different pH values and the fourth sensor for example, wetted with the measuring liquid. In connection simultaneously become the current-voltage characteristics of all sensors measured and the pH determined.

Verschiedene Ausführungsformen der fluidischen Kopplung bzw. der fluidischen Komponenten erlauben den Einsatz des vorgestellten Sensorsystems für unterschiedliche Messaufgaben. So kann ein Sensor/Referenzelektrodensystem in einen fluidischen Kanal integriert werden, das über Mehrwegeventile sowohl mit der zu messenden Flüssigkeit als auch mit entsprechenden Spül- und Reinigungsflüssigkeiten beaufschlagt werden kann. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden besonders kleine Flüssigkeitsmengen aus bzw. mit einer Kapillare auf den Sensor in einer Messkammer aufgetragen. Gerade die planare Anordnung der erfindungsgemäßen Anordnung des Messsystems aus Sensor und Referenzelektrode erlaubt ein einfaches Aufbringen eines Tropfens Messflüssigkeit sowie nach der Messung eine leicht durchzuführende Reinigung der planaren Fläche mit Hilfe geeigneter Reinigungsflüssigkeiten.Various Embodiments of the fluidic coupling or the fluidic Components allow the use of the presented sensor system for different measuring tasks. So can a sensor / reference electrode system be integrated into a fluidic channel that over Multi-way valves both with the liquid to be measured as well as with appropriate rinsing and cleaning fluids acted upon can be. In an embodiment according to the invention are particularly small amounts of liquid from or with a capillary applied to the sensor in a measuring chamber. Just the planar arrangement of the inventive arrangement the measuring system of sensor and reference electrode allows a simple Applying a drop of measuring liquid and after the Measurement of an easy cleaning of the planar Area with the help of suitable cleaning fluids.

Um Vielfachmessungen zu ermöglichen, sind die Reinigungsprozeduren das wichtigste Werkzeug, um den Sensor und das System zu regenerieren. Verschleppungen von den verschiedenen Lösungen könnten eine umfangreiche Fehlerquelle darstellen und sollten verhindert werden. Dabei sind in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform die aktiven Sensoroberflächen und die Referenzelektrode plan ausgeführt. Dies reduziert Oberflächen und erleichtert die Reinigung.Around To enable multiple measurements are the cleaning procedures the most important tool to regenerate the sensor and the system. Carryover from the various solutions could represent an extensive source of error and should be prevented become. Here are in an inventive Embodiment the active sensor surfaces and the reference electrode made flat. This reduces Surfaces and facilitates cleaning.

Als eine besonders wichtige Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Messung des pH-Werts von Blut bzw. von in Blut gelösten Gasen (pO2 und pCO2) zu benennen. Dies ist im Besonderen für kleinste Flüssigkeitsmengen eine besonders schwer zu lösende Aufgabe. Der Grund liegt hierfür in der stark oxidierenden Wirkung des Blutes, da Blut schließlich im Organismus u. a. für die Sauerstoffversorgung verantwortlich ist.As a particularly important application of the present invention, the measurement of the pH of blood or gases dissolved in blood (pO 2 and pCO 2 ) should be named. This is a particularly difficult task to solve for very small amounts of liquid. The reason for this lies in the strong oxidizing effect of the blood, since blood is ultimately responsible in the organism for, among other things, the oxygen supply.

Es werden daher ganz unterschiedliche Wege zur Bestimmung von Blut-Parametern wie den pH-Wert gegangen. So wird Blut in zeitunkritischen Laboruntersuchungen unterschiedlichen Verfahren unterworfen und einer Messung zugeführt.It are therefore very different ways of determining blood parameters as the pH has gone. This is how blood becomes in non-critical laboratory tests subjected to different procedures and fed to a measurement.

In klinischen Anwendungen dagegen ist die unmittelbare und schnelle Messung vorzugsweise des pH-Wertes von Blut eine notwendige Voraussetzung, um entsprechende Behandlungsmaßnahmen einzuleiten.In clinical applications, however, is immediate and fast Measuring preferably the pH of blood a necessary condition to initiate appropriate treatment measures.

Einen besonders wichtigen Fall stellt z. B. die fetale Mikroblutuntersuchung (MBU) bei der Blutgasbestimmung dar. Sie wird unter der Geburt bei pathologischem/präpathologischem CTG (Cardiotokograph) angewendet und liefert wichtige Informationen zu den fetalen Vitalparametern. Ziel ist es, bei kritischen pH-Werten (< 7,2) durch eine sofortige Entbindung per Sectio einer Asphyxie beim Kind vorzubeugen und somit mögliche spätere Beeinträchtigungen beim Kind (z. B. Hirnschaden) durch länger anhaltenden Sauerstoffmangel zu verhindern. Die Blutentnahme für eine MBU erfolgt beim noch ungeborenen Kind auf der Kopfoberfläche durch eine kleine Inzision. Das austretende Blut muss mittels einer heparinisierten Kapillare von der Kopfoberfläche getupft werden, was unter den eingeschränkten Sicht- und Platzverhältnissen nicht einfach ist. In die Kapillare aufgenommene Luftblasen, extrem schnell gerinnendes, fetales Blut und eine zu lange Zeitspanne, bis die erforderlichen 35–40 μl Blut für eine pH-Bestimmung erreicht sind, machen die Probe für die Analyse unbrauchbar. Die Probeentnahme muss wiederholt werden. Das führt zu einem Zeitverlust. Für das Handling dieser kleinen Probenvolumina sind sowohl spezielle Mikrosensoren, als auch geeignete Mikrofluidiksysteme notwendig, die es gestatten auch kritische Blutproben wie z. B. Nabelschnurblut zuverlässig zu analysieren.a particularly important case z. B. the fetal microblood examination (MBU) at the blood gas determination. It is at birth pathological / pathopathic CTG (cardiotocograph) applied and provides important information about fetal vital signs. The goal is to achieve immediate delivery at critical pH levels (<7.2) to prevent per sectomy of asphyxia in the child and thus possible later impairments in the child (eg brain damage) to prevent by prolonged lack of oxygen. The blood for a MBU takes place in the unborn child on the head surface through a small incision. The escaping blood must by means of a heparinized capillary of the head surface to be spotted, resulting in the restricted Visibility and space is not easy. In the Capillary ingested air bubbles, extremely fast clotting, fetal Blood and too long a period of time until the required 35-40 μl Blood is reached for a pH determination, make the sample unusable for analysis. The sampling must be repeated. This leads to a loss of time. For the handling these small sample volumes are both special microsensors, as well as suitable microfluidic systems that allow it also critical blood samples such. B. umbilical cord blood reliable analyze.

Das Problem fetale MBU wird auch auf internationaler Ebene intensiv diskutiert. Um fehlgeschlagene MBU zu vermeiden, gibt es inzwischen Empfehlungen zur Blutentnahme (Auswahl des Entnahmebestecks, Präparation der Entnahmestelle, sicherheitshalber gleich zwei Kapillaren füllen usw.). Doch niemand hat bisher an der minimal erforderlichen Blutmenge gezweifelt, die für eine solche Untersuchung notwendig ist. Ursache dafür ist das Konzept der Gerätehersteller, die bisherigen Blutgassysteme durch mehr Parameter aufzurüsten, um sie universell an den verschiedensten Einsatzorten zu etablieren. Dabei werden die Blutgasparameter (pH, pO2, pCO2) mit der Bestimmung z. B. von Na+, K+, Ca2+, Cl–, Hämoglobin (in verschiedenen Formen), Glukose, Lactat und anderen Messgrößen kombiniert, wobei das minimale Messvolumen bei 30 μl liegt. Hierbei wird kein Wert auf eine Probenminimierung oder eingeschränkte Anwendung mit nur ein oder zwei Messgrößen gelegt. Führende Gerätehersteller (Radiometer, Roche, IL etc.) bieten keine Lösung für diese spezifische Anwendung an. Anwendungsmöglichkeiten für ein System, das mit einem Probenvolumen von 10 μl Blut oder sogar weniger auskommt, sind nicht nur in der Geburtshilfe in dem Sonderfall „fetale MBU” zu sehen. Ein weiterer, ebenfalls sehr sensibler Bereich ist die neonatologische Intensivmedizin, die eine ständige Überwachung der Vitalparameter von „Frühchen” oder auch bei Geburt stark beeinträchtigten Normalgeborenen erfordert. Auch hierbei spielt der Blut-pH-Wert eine entscheidende Rolle. Eine Messmethode, die für die Kinder in dieser Situation weniger traumatisch wäre, würde mit Sicherheit auf großes Interesse stoßen, da die erforderliche Blutmenge von 40 μl bei herkömmlichen BG-Systemen eine ganz andere Dimension bekommt, wenn der Patient nur 800 g oder weniger wiegt.The problem fetal MBU is also on inter national level. In order to avoid failed MBU, there are now recommendations for blood sampling (selection of the removal kit, preparation of the sampling point, for safety's sake, fill two capillaries, etc.). But nobody has ever doubted the minimum amount of blood required for such an examination. The reason for this is the concept of the device manufacturers to upgrade the previous blood gas systems with more parameters in order to establish them universally at the most diverse places of use. The blood gas parameters (pH, pO 2 , pCO 2 ) with the determination z. B. of Na + , K + , Ca 2+ , Cl - , hemoglobin (in various forms), glucose, lactate and other measurands combined, the minimum measurement volume is 30 ul. No value is placed on sample minimization or limited application with only one or two measurands. Leading device manufacturers (Radiometer, Roche, IL, etc.) do not offer a solution for this specific application. Applications for a system that can handle a sample volume of 10 μl of blood or even less can not be seen only in obstetrics in the special case of "fetal MBU". Another very sensitive area is neonatal intensive care, which requires constant monitoring of the vital signs of premature babies or normal births severely affected at birth. Again, the blood pH plays a crucial role. A measurement method that would be less traumatic for the children in this situation would certainly attract great interest, as the required 40 μl blood volume in conventional BG systems takes on a completely different dimension if the patient weighs only 800 g or less.

Die vorgestellte Erfindung erlaubt das Problem der Mikroblutuntersuchung zu lösen. Im Kleinstvolumenbereich (> nl) kann mit dem System der pH-Wert des Blutes bestimmt werden. Besonders vorteilhafte Arbeitsbedingungen liegen im Volumenbereich 500 nl bis 5 μl. Darüber hinaus stellt die hohe chemische Inertheit des Sensormaterials eine ausgezeichnet Eignung für die Messung aggressiver Materialien wie Blut dar.The presented invention allows the problem of microblood examination to solve. In the smallest volume range (> nl), the pH of the system can be adjusted with the system Blood be determined. Particularly advantageous working conditions are in the volume range of 500 nl to 5 ul. About that In addition, the high chemical inertness of the sensor material creates a Excellent suitability for the measurement of aggressive materials like blood.

In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform kann das System so kompakt und miniaturisiert ausgeführt werden, dass in einer Stabausführung direkt die Inzision und simultane Messung des Blut pH-Wertes am Kopf des Ungeborenen realisiert werden kann (2). Hierbei wird die Referenzelektrode gleichzeitig als Anritzer benutzt, um eine kleine Menge Blut (ca. 1 μL) aus der Haut zu entnehmen. Ein Herüberziehen des Schlittens (6) in die angegebene Richtung (7), drückt den Anritzer (die Referenzelektrode) mit dem Blut direkt in das Messfeld.In a further preferred embodiment, the system can be made so compact and miniaturized that the incision and simultaneous measurement of the blood pH at the head of the unborn child can be realized directly in a rod embodiment ( 2 ). At the same time, the reference electrode is used as a scorer to remove a small amount of blood (about 1 μL) from the skin. A pulling over of the carriage ( 6 ) in the indicated direction ( 7 ), presses the scorer (the reference electrode) with the blood directly into the measuring field.

11
fluidische Anschlüssefluidic connections
22
Referenzelektrodereference electrode
33
Kapillarzuführungcapillary feed
44
aktive Sensoroberflächeactive sensor surface
55
Source- und Drainkontakte des aktiven Sensorssource and drain contacts of the active sensor
66
Schlittencarriage
77
Bewegungsrichtung des Anritzermovement direction the scorer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (18)

Ionensensitiver/-selektiver Sensor mit einer ISFET- oder HEMT-Struktur aus einem Schichtsystem der Gruppe III Nitride zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen Fluides oder von biochemischen Zellreaktionen, die durch Zugabe einzelner Substanzen oder Substanzgemische erzeugt werden dadurch gekennzeichnet, dass er pH-sensitiv ist und/oder eine Deck- oder Funktionsschicht aufweist, die kompatibel mit dem zu untersuchenden Fluid ist.Ion-sensitive / selective sensor with an ISFET or HEMT structure of a group III nitride layer system for the determination of physical and / or chemical properties, in particular the pH, of a liquid or gaseous fluid or of biochemical cell reactions by adding individual substances or mixtures of substances are produced characterized in that it is pH-sensitive and / or has a top or functional layer, which is compatible with the fluid to be examined. Vorrichtung zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen Fluides oder von biochemischen Zellreaktionen, die durch Zugabe einzelner Substanzen oder Substanzgemische erzeugt werden, bestehend aus: • mindestens einem aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensor nach Anspruch 1 • mindestens einer Referenzelektrode, die mit dem gleichen zu untersuchenden Fluid in Kontakt steht dadurch gekennzeichnet, dass der/die aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren und die Referenzelektroden mit dem zu untersuchenden Fluid in einem offenen oder in einem teilweise oder vollständig geschlossenen, abgedunkelten Gehäuse, das vorzugsweise als faradayscher Käfig ausgeführt und mit fluidischen Anschlüssen versehen ist, angeordnet sind, wobei mehrere aktive, nicht passivierte ionensensitive/-selektive Sensoren vorzugsweise in Serie oder parallel geschaltet sind.Device for determining physical and / or chemical properties, in particular the pH, of a liquid or gaseous fluid or biochemical cell reactions, which is produced by adding individual substances or substance mixtures be composed of: • at least one active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensor according to claim 1 • at least one reference electrode that is the same in contact with the fluid to be examined characterized, that the active, non-passivated ion-sensitive / -selective Sensors and the reference electrodes with the fluid to be examined in an open or in a partial or complete closed, darkened housing, preferably designed as a Faraday cage and with fluidic Terminals is provided, are arranged, with several active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensors, preferably in series or in parallel. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren in dem Gehäuse angeordnet ist.Device according to claim 2, characterized in that that at least one of the active, non-passivated ion-sensitive / -selective Sensors is arranged in the housing. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mehrere passivierte ionensensitive/-selektive Sensoren mit einer ISFET- oder HEMT-Struktur aus einem Schichtsystem der Gruppe III Nitride umfasst, die eine oder mehrere transparente oder licht-/strahlungsundurchlässige Passivierungsschichten aufweisen, und zusammen mit den oder dem aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren zur Reduzierung einwirkender Störeinflüsse, insbesondere Licht und/oder elektrische und/oder magnetische Felder, in einer Brückenschaltung zusammengefasst sind.Device according to one of claims 2 or 3 characterized in that it additionally passivated several ion sensitive / selective sensors with an ISFET or HEMT structure from a layer system of group III nitrides, comprising a or more transparent or light / radiopaque Have passivation layers, and together with the or active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensors for Reduction of acting disturbing influences, in particular Light and / or electric and / or magnetic fields, in one Bridge circuit are summarized. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung aus aktiven, nicht passivierten und passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren einen ersten und einen zweiten inneren Brückenzweig aufweist, die über äußere Zuleitungen mit einer Betriebsspannung gemeinsam versorgt werden, und parallel zu den äußeren Zuleitungen für die Betriebsspannung und den beiden inneren Brückenzweigen zusätzlich ein Spannungsteiler vorgesehen ist, der aus mindestens zwei nicht licht- und/oder strahlungsempfindlichen konstanten oder auf einen konstanten Wert einstellbaren Widerständen oder Transistoren besteht, wobei die Querspannung der Brückenschaltung an den beiden Verbindungspunkten der inneren Brückenzweige abgegriffen wird.Device according to claim 4, characterized that the bridge circuit consists of active, not passivated and passivated ion-sensitive / -selective sensors a first and a second inner bridge branch having over outer Supply lines are supplied together with an operating voltage, and parallel to the outer leads for the operating voltage and the two inner bridge branches In addition, a voltage divider is provided, consisting of at least two non-light and / or radiation-sensitive constant or to a constant value adjustable resistors or transistors, wherein the transverse voltage of the bridge circuit at the two connection points of the inner bridge branches is tapped. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der beiden inneren Brückenzweige ein aktiver, nicht passivierter ionensensitiver/-selektiver Sensor vorhanden ist und die Reihenschaltung in den beiden einzelnen inneren Brückenzweige und des Spannungsteilers beliebig an verschiedene Messaufgaben anpassbar ist.Device according to claim 5, characterized that in at least one of the two inner bridge branches an active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensor is present and the series connection in the two individual inner bridge arms and the voltage divider as desired adaptable to different measurement tasks is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse ein oder mehrere Beleuchtungskörper vorhanden sind, die Teile oder den gesamten Messaufbau, bestehend aus der oder den Referenzelektroden und dem oder den aktiven, nicht passivierten und den passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren, mit einer definierten Strahlungsintensität und Wellenlänge ausleuchten.Device according to one of claims 2 to 6 characterized in that in the housing a or Several lighting fixtures are present, the parts or the entire measurement setup, consisting of the reference electrode (s) and the one or more active, non-passivated and passivated ion-sensitive / -selective substances Sensors, with a defined radiation intensity and Illuminate the wavelength. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der/die aktiven, nicht passivierten und passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren und die Referenzelektroden planare Oberflächen aufweisen.Device according to one of claims 2 to 7, characterized in that the active, non-passivated and passivated ion-sensitive / -selective sensors and the reference electrodes have planar surfaces. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der aktiven, nicht passivierten und passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren hydrophil und die die Sensoren umgebenden Flächen hydrophob ausgestaltet sind.Device according to one of claims 2 to 8 characterized in that the surfaces of the active, non-passivated and passivated ion-sensitive / -selective Sensors hydrophilic and surrounding the sensors surfaces are designed hydrophobic. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven, nicht passivierten und passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren mit einem Schieberegister zur Ladungsakkumulation (CCD-Architektur) ausgestattet sind.Device according to one of claims 2 to 9, characterized in that the active, not passivated and passivated ion-sensitive / -selective sensors with a Shift registers for charge accumulation (CCD architecture) are equipped. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektroden auswechselbar sind und aus einem mit Elektrolytlösung versetzten Hydrogel bestehen.Device according to one of claims 2 to 10 characterized in that the reference electrodes are interchangeable and from a hydrogel mixed with electrolyte solution consist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode unterhalb eines klappbaren Gehäusedeckels befestigt ist.Device according to one of claims 2 to 11, characterized in that the reference electrode below a hinged housing cover is attached. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode als Anritzer ausgeführt ist, mit dem kleine Mengen des zu untersuchenden Fluides aus einem Reservoir entnommen werden, und ein Schlitten zur Zuführung dieser Fluidprobe zum Messfeld vorgesehen ist.Device according to one of claims 2 to 11, characterized in that the reference electrode is designed as a scorer, are removed with the small amounts of the fluid to be examined from a reservoir, and a carriage for supplying this fluid sample to the measuring field is provided. Verfahren zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen Fluides oder von biochemischen Zellreaktionen, die durch Zugabe einzelner Substanzen oder Substanzgemische erzeugt werden, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere vorzugsweise identische aktive, nicht passivierte ionensensitive/-selektive Sensoren gleichzeitig oder in kurzen oder mittleren Zeitabständen mit Referenzmedien unterschiedlicher pH-Werte und mindestens ein weiterer vorzugsweise identischer aktiver, nicht passivierter ionensensitiver/-selektiver Sensor mit dem zu untersuchenden Fluid benetzt werden und der pH-Wert des zu untersuchenden Fluids oder der biochemischen Zellreaktion aus der Verschiebung der gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien der einzelnen aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren ermittelt wird.Method for determining physical and / or chemical properties, in particular the pH, of a liquid or gaseous fluid or biochemical cell reactions, which is produced by adding individual substances or substance mixtures be, with a device according to one of the claims 2 to 13, characterized in that a plurality of preferably identical active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensors simultaneously or at short or medium intervals with reference media of different pH values and at least one further preferably identical active, non-passivated ion-sensitive / selective sensor with the too wetted fluid and the pH of the examined Fluids or the biochemical cell reaction from the shift the measured current-voltage characteristics of the individual active, unpassivated ion-sensitive / -selective sensors detected becomes. Verfahren nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des zu untersuchenden Fluids oder der biochemischen Zellreaktion unter der Bedingung, dass der durch den aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensor fließende Strom durch Regelung der Referenzspannung konstant gehalten wird, aus der Änderung der Referenzspannung bestimmt wird.Method according to claim 14, characterized that the pH of the fluid or biochemical Cell reaction under the condition that by the active, not passivated ion-sensitive / -selective sensor flowing current through Regulation of the reference voltage is kept constant from the change the reference voltage is determined. Verfahren nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des zu untersuchenden Fluids oder der biochemischen Zellreaktion unter der Bedingung, dass die Referenzspannung konstant gehalten wird, aus der Änderung des durch den aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensor fließenden Stroms bestimmt wird.Method according to claim 14, characterized that the pH of the fluid or biochemical Cell reaction under the condition that the reference voltage kept constant is, from the change of the active, not passivated ion-sensitive / -selective sensor flowing current determined becomes. Verfahren zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen Fluides oder von biochemischen Zellreaktionen, die durch Zugabe einzelner Substanzen oder Substanzgemische erzeugt werden, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des zu untersuchenden Fluides oder der biochemischen Zellreaktion aus der Änderung der Querspannung der Brückenschaltung ermittelt wird.Method for determining physical and / or chemical properties, in particular the pH, of a liquid or gaseous fluid or biochemical cell reactions, which is produced by adding individual substances or substance mixtures be, with a device according to one of the claims 4 to 13, characterized in that the pH of the examined Fluids or the biochemical cell reaction from the change the transverse voltage of the bridge circuit is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass im selben Messvolumen Mehrfachmessungen akkumulierend durchgeführt werden.Method according to one of claims 14 to 17 characterized in that in the same measurement volume multiple measurements accumulating be performed.
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