DE102010053276A1

DE102010053276A1 - Sensorvorrichtung für die Messung der Impedanz einer Probe und Sensorsystem

Info

Publication number: DE102010053276A1
Application number: DE201010053276
Authority: DE
Inventors: Tobias Schwarzenberger; Bernhard Wolf; Helmut Herz
Original assignee: HP MEDIZINTECHNIK GmbH
Current assignee: Lncyton De GmbH
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für die Messung der Impedanz einer Probe mit einem elektrisch isolierendes Substrat zur Anordnung der wenigstens einen Probe auf einer als Mess-Seite definierten Seite des Substrates. Weiter sind zumindest drei elektrisch leitende Mess-Elektroden auf dem Substrat angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für die Messung der Impedanz einer Probe sowie ein Sensorsystem mit zumindest zwei Sensorvorrichtungen und ein Verfahren zur Messung der Impedanz einer Probe mit einem Sensorsystem.
Sensorvorrichtungen für die Messung der Impedanz einer Probe sind grundsätzlich bekannt. Solche Sensorvorrichtungen werden beispielsweise verwendet, um das Wachstum von Zellen über die Zeit zu beobachten und quantitativ analysieren zu können sowie morphologisch strukturelle Veränderungen der Zellen innerhalb eines geschlossenen Zellverbandes zu detektieren. Dabei werden Elektroden verwendet, die ganz oder teilweise von Zellkulturen bewachsen werden können. Je nach Status des Bewuchses durch die Zellkulturen ändert sich die über die Elektroden messbare Impedanz der Zellkulturen bzw. wird die Eigenimpedanz der Elektrode wesentlich durch den Zellbewuchs beeinflusst, sodass auf diese Weise ein Rückschluss auf die aktuelle Bewuchssituation möglich ist. Bekannte Verfahren verwenden dabei eine Zwei-Elektrodenmesstechnik, bei welcher eine elektrische Wechselspannung an zwei Elektroden angelegt wird und damit die Impedanz zwischen diesen beiden Elektroden gemessen werden kann. Dabei kann auch eine Vielzahl von Elektrodenpaaren vorgesehen sein. Nachteilig bei diesen Verfahren ist es, dass die Messtechnik mittels zwei Elektroden für die quantitative und qualitative Impedanzmessung der (biologischen) Probe mit parasitären Messartefakten behaftet ist, da mit den Elektrodenimpedanzen, der Probenimpedanz sowie sich ändernden geometrischen Eigenschaften der Messzelle mehrere Faktoren unkontrollierbar die Gesamtimpedanz bestimmen. Ein weiterer Nachteil ist es, dass auf diese Weise nur grobe Aussagen über den Bewuchs mit Zellen getroffen werden können. Insbesondere kann keine örtliche Aussage über den Bewuchs mit Zellen einer Probe, beziehungsweise die örtliche Entwicklung des Bewuchses über die Zeit getroffen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die voranstehend erläuterten Nachteile zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig herstellbar ist und mit möglichst geringem Messfehler besonders aussagekräftig die Zellsituation hinsichtlich ihres Bewuchses, insbesondere zur Detektion struktureller Veränderungen einer voll bewachsenen Zellschicht detektieren kann.
Gelöst wird voranstehende Aufgabe durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Sensorsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10 und ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich unter anderem aus den an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung für die Messung der Impedanz einer Probe weist dabei ein elektrisch isolierendes Substrat auf, welches zur Anordnung der wenigstens einen Probe auf einer als Mess-Seite definierten Seite des Substrates ausgelegt ist. Ein solches Substrat kann beispielsweise eine Glasplatte sein, bei der eine der beiden Seiten als Mess-Seite definiert ist. Jedoch kann das Substrat auch Teil eines Aufnahmebehältnisses sein, beispielsweise eines Reagenzglases oder eines Wells einer Multiwellplatte. Insbesondere ist es möglich, dass beispielsweise eine Multiwellplatte, also eine Platte mit einer Vielzahl von kleinen Reaktionsgefäßen, den sogenannten Wells, mit einem einzigen Substrat, beispielsweise einer Glasplatte kombiniert wird, welches die Bodenplatte für sämtliche Wells der Multiwellplatte bietet. Auf diese Weise ist es möglich, dass das Substrat mit seinen Elektrodenstrukturen zentral in einem Schritt gefertigt wird, und für alle Wells als Mess-Anordnung die darauf angeordneten Sensorvorrichtungen zur Verfügung stellt. Das Substrat kann also eine im Wesentlichen ebene Erstreckung aufweisen. Jedoch ist es je nach Einsatzsituation auch möglich, dass das Substrat zumindest teilweise gekrümmt ist. Dabei sind rotationssymmetrische wie auch freie Krümmungen des Substrats möglich.
Weiter weist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zumindest drei elektrisch leitende Mess-Elektroden auf. Diese drei elektrisch leitenden Mess-Elektroden sind in Form einer Mess-Anordnung auf der Mess-Seite des Substrates angeordnet und weisen jeweils einen Elektrodenanschluss auf. Über diesen Elektrodenanschluss sind sie mit einer Messvorrichtung verbindbar. Die einzelnen Mess-Elektroden sind dabei zueinander zumindest abschnittsweise konzentrisch angeordnet.
Mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung ist es möglich in unterschiedlicher Weise Messungen der Impedanz der Probe durchzuführen. So kann in der bekannten Zweikanalmesstechnik gemessen werden. Jedoch ist es durch das Vorsehen von zumindest drei Mess-Elektroden auch möglich tripolar oder bei vier Mess-Elektroden sogar tetrapolar zu messen. Die tripolare oder die tetrapolare Messmethode ermöglichen es, Messfehler heraus zu filtern und auf diese Weise die Aussagekraft des Messwertes zu erhöhen. Bei bipolarer Messer besteht ein dominanter Einfluss der Elektrodenimpedanz beider Messelektroden auf Gesamtimpedanz, direkt beeinflusst durch den. Bewuchs und Adhäsionsgrad der Zellen. Dies hat den Nachteil, dass die Messstrecke Elektrode-Elektrolyt-Zellen-Elektrolyt-Zellen-Elektrolyt-Elektrode weder die Detailbetrachtung der Zellen noch der Elektroden erlaubt. Die tripolare Messung ähnelt der bipolaren Messung, jedoch mit räumlicher Konzentration auf eine Elektrode. Damit wird der Vorteil erzielt, dass die räumliche Auflösung durch Einzelbetrachtung mehrerer Elektroden möglich wird. Bei der tetrapolaren Messung sind Elektrodenimpedanzen/Schnittstellen Elektroden-Elektrolyt vernachlässigbar. Vielmehr ist die Impedanz der Probe zwischen den Mittenelektroden im Fokus.
Weiter kann durch die vorliegende Erfindung der Vorteil erzielt werden, dass durch die zumindest abschnittsweise konzentrische Anordnung der Mess-Elektroden eine besonders vorteilhafte Abdeckung des zu messenden Bereichs erzielt wird. Insbesondere bei Mess-Behältnissen, wie beispielsweise Reagenzgläsern oder Wells in Multiwellplatten, sind diese häufig im Wesentlichen punktsymmetrisch, beispielsweise rechteckig oder mit einem runden Querschnitt ausgebildet. Durch das konzentrische Anordnen der Mess-Elektroden, wird dieser im Wesentlichen punktsymmetrischen Ausbildung der Mess-Behältnisse Rechnung getragen. Es ist damit möglich, dass die Mess-Seite des Substrates mit Bezug auf das Mess-Behältnis besonders umfassend abgedeckt wird, sodass mit anderen Worten kaum tote Mess-Bereiche, also Bereiche, in welchen keine Messung stattfinden kann, verbleiben. Es ist damit im Vergleich zu bekannten Sensorvorrichtungen möglich, den Mess-Bereich in einem Mess-Behältnis mittels einer bekannten Sensorvorrichtung zu optimieren. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, jedoch möglich, dass die Mess-Elektroden im Wesentlichen vollständig konzentrisch verlaufen. Vielmehr ist es ausreichend, dass Abschnitte, insbesondere Hauptabschnitte der Mess-Elektroden, also deren größter Anteil in Bezug auf ihre Längserstreckung, konzentrisch angeordnet sind.
Durch das Vorsehen von mehr als drei Mess-Elektroden ist es darüber hinaus möglich einen örtlichen Zusammenhang zwischen der gemessenen Impedanz und dem Ort der jeweils erfolgten quantitativen Messung zu ziehen. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass die einzelnen Mess-Elektroden nacheinander durchgerastert werden können, also von innen nach außen nacheinander quantitative Messungen erfolgen. Damit ist es möglich im konzentrischen Bereich der Mess-Elektroden einen radialen Wert dem jeweils gemessenen quantitativen Impedanzwert zuzuordnen. Auf diese Weise sind eine örtliche Verteilung der Impedanz und damit auch ein Rückschluss auf die örtliche Verteilung der Bewuchssituation einer Zellprobe möglich. Die Breite der einzelnen Mess-Elektroden liegt dabei zum Beispiel im Bereich um 15 μm +/– 10 μm.
Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung kann beispielsweise die Bewuchssituation einer Probe zur Bestimmung des Metastasierungspotenzials von Tumorzellen verwendet werden. Hierfür kann auf der Sensorvorrichtung beispielsweise, bezogen auf die konzentrische Anordnung der Mess-Elektroden, im Mittelpunkt eine Probe von Tumorzellen, oder beispielweise Gewebeschnitten, Biopsiematerial oder ähnlichem, angebracht werden. Der Bewuchs durch die Tumorzellen, also dessen Ausbreitung kann quantitativ durch die Messung mit Hilfe der Mess-Anordnung erfolgen und dabei eine quantitative Aussage über das Wachstum der Tumorzellen bringen. Darüber hinaus ist es jedoch auf diese Weise möglich, insbesondere eine radiale Komponente der Bewuchsrichtung der Tumorzellen feststellen zu können. Aus dieser örtlichen Aussage des Wachstums hinsichtlich der Tumorzellen kann neben dessen grundsätzlicher Wachstumsgeschwindigkeit auch dessen Neigung zur Metastasenbildung bestimmt werden. Insbesondere im Hinblick auf die Bestimmung der Art der Krebszellen, also hinsichtlich gutartiger oder bösartiger Zellen, ist eine solche Sensorvorrichtung auf diese Weise verbessert.
Weiter ist es möglich, dass für den Metastasierungstest die äußeren Mess-Elektroden ein sogenanntes Target bilden, auf welchem die auswachsenden, also die metastasierenden, Zellen anwachsen. Dies kann zum Beispiel durch eine künstliche Matrixstruktur oder aber auch durch einen zellulären Monolayer anderen Zelltyps, in den die Krebszellen eindringen können, als Beschichtung der äußeren Mess-Elektroden erzielt werden.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung können unterschiedlichste Verfahren zum Einsatz kommen. So ist es beispielsweise möglich, dass auf dem Substrat mittels Ätztechnik, mittels Aufdampfen oder mittels Lasertechnik die Leiterstrukturen erzeugt werden. Jedoch ist es auch möglich, dass mithilfe elektrisch leitfähiger Tinte die gewünschten Elektrodenstrukturen gedruckt werden. Bei der Verwendung von elektrisch leitfähiger Tinte und einem Druckverfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Substrats ist es weiter möglich, dass es sich bei dem Substrat selbst um ein biegsames Substrat handelt, welches auch komplexe Geometrien von Mess-Behältnissen auskleiden kann. Als Elektrodenmaterialen können zum Beispiel Gold, Platin, ITO (Indium-Tin-Oxide), transparente Elektroden oder nanotechnisch veredelte Oberflächen zum Einsatz kommen.
Es kann von Vorteil sein, wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei einer Sensorvorrichtung die einzelnen Mess-Elektroden derart angeordnet sind, dass jede Mess-Elektrode zumindest abschnittsweise entlang der Äquipotentiallinien der durch die benachbarten Elektroden erzeugten elektrischen Felder verläuft. Auf diese Weise wird die Aussagekraft der gemessenen Impedanz noch weiter erhöht, da ein Flächenscreening relativ zum Bezugspunkt in der Mitte durchgeführt werden kann. Durch das Anordnen, beziehungsweise Ausrichten der einzelnen Mess-Elektroden entlang der Äquipotentiallinien wird verhindert, dass sich zwischen den involvierten Mess-Elektroden Bereiche unterschiedlicher Sensitivität ergeben und dadurch aufgrund der geometrischen Anordnung der einzelnen Mess-Elektroden Messfehler in der Impedanzmessung entstehen. Insbesondere für den Fall, dass als elektrisches Messfeld ein quasi-konstantes, gleichmäßiges elektrisches Messfeld verwendet wird (gültig für alle typischerweise verwendeten niederfrequenten Messfrequenzen), bedeutet dies also, dass die einzelnen Mess-Elektroden insbesondere in dem konzentrischen Abschnitt, im Wesentlichen mit konstantem Abstand voneinander entfernt angeordnet sind.
Neben der elektrotechnischen Vorteile ist dies weiter vorteilhaft, da auf diese Weise die Radialschritte, welchen beim Durchrastern der Mess-Elektroden bei deren Messung die radiale Komponente der Impedanzmessung folgt, ebenfalls gleichmäßig sind. Auf diese Weise kann ein im Wesentlichen konstant aufgelöstes Bild hinsichtlich Impedanz und der Radialkomponente der Impedanz mithilfe einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung erzeugt werden.
Auch kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die radialen Abstände der jeweils benachbarten Mess-Elektroden in Umfangsrichtung des konzentrischen Abschnitts der Mess-Elektroden und/oder in radialer Richtung des konzentrischen Abschnitts der Mess-Elektroden im Wesentlichen konstant sind. Eine konstante Beabstandung in Umfangsrichtung der Mess-Elektroden hat den Vorteil, dass der Messfehler hinsichtlich der radialen Auflösung der quantitativen Impedanzbestimmung reduziert, insbesondere auf null minimiert wird. Da bei der vorliegenden Ausführungsform in einfachster Weise in Umfangsrichtung jeweils nur eine einzige Radialkomponente als örtliche Komponente des Impedanzwertes bestimmt wird, würde ansonsten ein Variieren des Abstandes zur benachbarten Elektrode in Umfangsrichtung eine Verfälschung hinsichtlich dieser Radialkomponente darstellen, da unterschiedliche Radialtiefen gemessen werden würden. Das konstante Beabstanden über die einzelnen Mess-Elektroden hinweg in radialer Richtung hat den Vorteil, dass auch in dieser radialen Richtung eine konstante Auflösung der örtlichen Komponente der gemessenen Impedanz erfolgen kann. Mit anderen Worten ist es durch diese Ausführungsform möglich, eine möglichst konstante und gleichmäßige Abdeckung der Fläche des Substrates hinsichtlich der zu überwachenden Messfläche auf der Mess-Seite zu erzielen, die in einer besonders gleichmäßigen Art des Messergebnisses zum Ausdruck kommt. Im Optimalfall sind dabei auch die Elektrodenanschlüsse voneinander gleichmäßig beabstandet.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zumindest die Form der äußersten Mess-Elektrode wenigstens abschnittsweise der Außenkontur des Substrates folgt. Dabei ist als Außenkante des Substrates der Bereich zu verstehen, der auch als Außenkante des Substrates mit Bezug auf das jeweilige Messvolumen des Messbehälters definiert ist. Eine Sensorvorrichtung, die auf einem Substrat angeordnet ist, welches großflächig eine Vielzahl von Messvolumina abdeckt, besitzt also auch eine Vielzahl von derartig definierten Außenkanten. Mit anderen Worten kann auf diese Weise zumindest die äußere Mess-Elektrode an die Kontur eines Messbehältnisses angepasst werden, sodass auch das äußerste Messbehältnis von der Messung erfasst wird. Mögliche Todräume, die zwar von Zellen bewachsen werden, aber durch die Impedanzmessung nicht erfasst werden können, werden auf diese Weise im Außenbereich des Messbehälters auf ein Minimum reduziert. Das Todvolumen für die Messung wird damit minimiert.
Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung der maximale Abstand der innersten Mess-Elektrode zu sich selbst kleiner oder gleich dem zwanzigfachen des Abstandes zur nächsten benachbarten Mess-Elektrode beträgt. Mit anderen Worten wird auf diese Weise ein maximales zentrales Fenster im Inneren der Mess-Anordnung definiert.
Dieses zentrale Fenster ist daher von Bedeutung, da dies nicht zwischen zwei Mess-Elektroden liegt, beziehungsweise zwischen drei Mess-Elektroden bei tripolarer Messung oder vier Mess-Elektroden bei tetrapolarer Messung, zwischen welchen eine Messung und der Impedanz stattfinden kann. Der zentrale Bereich ist damit ein Bereich, in welchem die Sensorvorrichtung hinsichtlich der zu messenden Impedanz sozusagen blind ist, also keine Messung durchführen kann.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung, insbesondere mit Abschnitten konzentrischer Anordnung der Mess-Elektroden, kann dieser blinde Bereich auf diese Weise reduziert werden, sodass auch im zentralen Bereich eine möglichst genaue und örtlich aufgelöste Messung erfolgen kann. Selbstverständlich kann der Abstand der innersten Mess-Elektrode zu sich selbst auch deutlich geringer sein als das zwanzigfache des Abstands zur benachbarten Elektrode. Beispielsweise ist es möglich, dass dieser kleiner als das achtzehnfache, kleiner als das sechzehnfache, kleiner als das vierzehnfache, kleiner als das zwölffache oder insbesondere kleiner oder gleich dem zehnfachen des Abstands zur benachbarten nächsten Mess-Elektrode ist. Der zentrale Freiraum kann darüber hinaus, wie später noch erläutert wird, zumindest teilweise transparent ausgebildet sein, sodass weitere zusätzliche Messungen, beispielsweise durch bildgebende Verfahren, durch diesen mit Bezug auf die Impedanzmessung blinden Bereich, durchgeführt werden können.
Der zentrale Bereich eines Messbehälters, welcher dem zentralen Bereich der Sensorvorrichtung entspricht, ist daher besonders wichtig, da üblicherweise dort die Proben platziert werden. Insbesondere Proben, deren örtliche Wachstumskomponente für die Beurteilung der Probe relevant sind, werden zentral platziert, sodass ein blinder Punkt hinsichtlich der Impedanzmessung an exakt der wichtigsten Stelle von großem Nachteil wäre. Die Reduktion dieses blinden Punktes mithilfe der vorliegenden Erfindung ermöglicht es also diese Messproblematik zu verringern.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es weiter von Vorteil sein, wenn die Mess-Elektroden im konzentrischen Abschnitt der Mess-Anordnung zumindest abschnittsweise gekrümmt sind. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass eine konzentrische Anordnung grundsätzlich jede Form der Krümmung, wie auch jede Form von ungekrümmten Mess-Elektroden aufweisen kann. So ist es beispielsweise möglich, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung einzelne Mess-Elektroden in ihrem konzentrischen Abschnitt im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch oder auch dreieckförmig ausgebildet sind. Auch Mehrecke sind im konzentrischen Abschnitt der Mess-Elektroden möglich. Das Vorsehen von zumindest abschnittsweise gekrümmten Bereichen der konzentrischen Abschnitte der Mess-Elektroden hat den Vorteil, dass damit auch komplexe Geometrien des Substrates, wie auch der Messbehältnisse noch besser abgebildet werden können. Insbesondere bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung für im Wesentlichen runde Messbehältnisse, wie beispielsweise Reagenzgläser, Kolben oder Wells einer Multiwellplatte, sind die Mess-Elektroden auf diese Weise noch besser an die jeweils vorgefundene Messsituation anpassbar. Die Krümmung der konzentrischen Abschnitte kann dabei konstant oder variiert sein. Bei variierten Krümmungsradien kann es vorteilhaft sein, wenn im Wesentlichen elliptische oder teilelliptische Formen der Mess-Elektroden ausgebildet werden.
Auch kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung der konzentrische Abschnitt der Mess-Elektroden den Hauptteil der Mess-Anordnung ausmacht, insbesondere mehr als 60% der gesamten geometrischen Ausprägung der jeweiligen Mess-Elektrode beträgt. Ein Bereich von 66 bis 75% kann dabei vorteilhaft sein. Unter der geometrischen Ausprägung ist dabei der Verlauf der Mess-Elektrode auf dem jeweiligen Substrat zu verstehen. Besitzt eine Mess-Elektrode also beispielsweise eine Länge von 10 cm, so beträgt der konzentrische Abschnitt insbesondere mehr als 80% dieser Länge, ist also länger als 8 cm dieser Mess-Elektrode. Das Ausbilden der konzentrischen Abschnitte in einem derart großen Bereich der Mess-Elektroden hat den Vorteil, dass auf diese Weise die mit der konzentrischen Ausbildung zusammenhängenden Vorteile, wie die bessere Abdeckung der zu überwachenden Fläche des Substrats und die Erzeugung einer radialen Informationskomponente mit Bezug zur gemessenen Impedanz, auf diese Weise auch dem größten Teil der mit der Sensorvorrichtung zu überwachenden Fläche zur Verfügung gestellt werden.
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung innerhalb der innersten Mess-Elektrode ein zumindest teilweise transparenter Abschnitt vorgesehen ist. Ein transparenter Abschnitt kann beispielsweise als Fenster ausgebildet sein, welches aus Kunststoff oder Glas oder einem anderen Material besteht. Durch diesen transparenten Abschnitt hindurch können zusätzliche Messungen durchgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich durch diesen transparenten Abschnitt bildgebende Verfahren zur Überwachung der in dem Messbehältnis enthaltenen Proben einzusetzen. Als bildgebendes Verfahren kann beispielsweise Mikroskopie oder Videoanalyse verwendet werden. Auch andere Sensoren, wie beispielsweise das Auslesen von Fluoreszenzsignalen sind auf diese Weise möglich.
Selbstverständlich ist es auch möglich, alternativ oder parallel zu den zusätzlichen Messverfahren, durch den transparenten Abschnitt in die Probe einzuwirken. Das Einwirken kann beispielsweise durch das Einbringen von Strahlung, zum Beispiel UV-Strahlung oder elektromagnetischer Strahlung erfolgen. Die Verwendung von UV Strahlung als Bestrahlung der Probe kann zum Beispiel zur Aktivierung und/oder Unterstützung photosynthetischer Reaktionen der Probe verwendet werden. Insbesondere Strahlung, die eine transparente Verbindung benötigt ist in diesem Zusammenhang interessant. Dabei ist zu beachten, dass das Material des transparenten Abschnitts keine oder nur eine sehr geringe Barriere für die einzubringende energetische Strahlung darstellt. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass auch die Mess-Elektroden zumindest teilweise aus einem transparenten Material gebildet sind. Auch kann in der Mitte der Sensorvorrichtung eine aperometrische und/oder eine voltametrische und/oder eine elektrochemische Sensorik angeordnet sein. Bei einem im wesentlichen geschlossenen Ring aus Mess-Elektroden ist der mittige Bereich ein feldfreier Raum durch den abschirmenden shielding effect der innersten Mess-Elektrode.
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die Elektrodenanschlüsse und/oder die Mess-Elektroden zumindest abschnittsweise mit einer zur messenden Probe hin isolierenden Isolierschicht versehen sind. Dies hat den Vorteil, dass die Elektrodenanschlüsse und/oder die Mess-Elektroden in dem isolierten Bereich nicht zur Messung beitragen, diese also nicht beeinflussen können. Die Elektrodenanschlüsse sind dabei insbesondere nicht der geometrischen Anordnung der Mess-Elektroden folgend, sondern durch die notwendige Anschlusssituation vordefiniert. Um sicherzustellen, dass durch von der Mess-Elektrodenanordnung abweichende Anordnung der Elektrodenanschlüsse entstehende Beeinflussung der Messung der Impedanz unterbleibt, kann durch die Isolierung dieser Elektrodenanschlüsse dieser Bereich von der Messung ausgeschlossen werden. Bei Tetrapolarmessungen ist es auch möglich, die Mess-Elektroden vollständig zu passivieren. Weiter wäre es sogar möglich, den Chip als eine Art Sensorstempel zu verwenden und lediglich eine Folie/Membran darüberzulegen.
Auch Teile der Abschnitte der Mess-Elektroden selbst können dazu tendieren die Messung zu verfälschen. Insbesondere Bereiche, die nicht konzentrisch ausgebildet sind, können durch das isolierende Beschichten von der Messung ausgeschlossen werden. Auch bei besonders kostengünstigen Ausführungsformen, bei welchen kein Ringschluss für jede Mess-Elektrode erfolgt, sondern diese jeweils einen einzigen Elektrodenanschluss besitzen und die Mess-Elektrode am gegenüberliegenden Ende endet, kann das jeweilige Ende der Mess-Elektrode zur Verfälschung des eingebrachten energetischen Feldes und damit der gemessenen Impedanz in Bezug auf die zu überwachende Probe führen. Das Isolieren dieser Bereiche mithilfe einer Isolierschicht ermöglicht sozusagen das Ausklammern dieser Messbereiche in Bezug auf die Messung der Impedanz und damit eine Optimierung der Messung selbst.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorsystem für die Messung der Impedanz einer Vielzahl von Proben. Ein solches Sensorsystem weist zumindest zwei erfindungsgemäße Sensorvorrichtungen auf, wobei die Substrate der einzelnen Sensorvorrichtungen als gemeinsames Substrat integral miteinander ausgebildet sind. Dies ist beispielsweise der Fall beim Einsatz einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung für Multiwellplatten. Dort kann ein zentrales Substrat als Boden für eine Vielzahl einzelner Wells einer Multiwellplatte verwendet werden, um für jedes einzelne Well eine Sensorvorrichtung auf einem gemeinsamen Substrat zur Verfügung zu stellen. Eine solche zentrale Bodenplatte als Substrat kann separat und damit kostengünstig gefertigt werden und auf diese Weise kostengünstig und einfach eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen für eine Vielzahl von Wells auf einer Multiwellplatte zur Verfügung stellen. Damit sind auch die für den hohen Durchsatz notwendigen Multiwellplatten mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zur Messung der Impedanz der Proben ausstattbar.
Ein erfindungsgemäßes Sensorsystem kann vorteilhafterweise derart ausgebildet sein, dass die Elektrodenanschlüsse der einzelnen Sensorvorrichtungen über voneinander isolierte Leiterbahnen auf dem Substrat mit einer Kontaktiervorrichtung verbunden sind. Die Kontaktiervorrichtung kann dabei kabelgebunden oder drahtlos sein. Die Kontaktiervorrichtung kann eine Messvorrichtung beinhalten und dadurch die beschriebene analoge Domäne (zum Sensor) mit der digitalen Domäne (zum PC) verbinden. Drahtlos ist es beispielsweise möglich über Wireless LAN oder Bluetooth oder ähnliche Kurz- oder Langstreckenfunktechniken eine Kommunikation zwischen den einzelnen Mess-Elektroden und einer Auswertvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Auch ist es möglich über die Kontaktiervorrichtung die für die Messung der Impedanz notwendigen Stimulationssignale zu einzelnen Mess-Elektroden zu erzeugen. In einfachster Weise ist daher die Kontaktiervorrichtung als Steckverbindung ausgebildet, um eine bidirektionale Kommunikation des Sensorsystems nach Außen zu besonders einfach und kostengünstig ermöglichen.
Die einzelnen isolierten Leiterbahnen können dabei als BUS-System vorgesehen sein, das mithilfe der Kontaktiervorrichtung schaltbar ist. Unter BUS-System ist dabei folgendes zu verstehen. Jede Sensorvorrichtung weißt für jede seiner Mess-Elektroden mindestens eine eigenständige isolierte Leiterbahn zur Kontaktiervorrichtung auf. Es gibt also zu jeder Sensorvorrichtung eine Gruppe beispielweise paralleler Leiterbahnen. Eine einzelne Leiterbahn kann dabei vorteilhafter Weise Mess-Elektroden mehrerer Sensorvorrichtungen kontaktieren da diese räumlich getrennt für separate Messbehältnisse agieren. Der im Folgenden verwendet Ausdruck BUS meint daher den gesamten Kontaktierungsstrang der Mess-Anordnung. Der BUS ist sozusagen das Subsystem das Signale zwischen Kontaktiervorrichtung und Sensorik transferiert.
Mit anderen Worten sind an ihrem einen Ende die Leiterbahnen der isolierten Leiterbahnen als BUS-System mit den einzelnen Elektrodenanschlüssen der Mess-Elektroden verbunden, während auf der anderen Seite ein aktives und flexibel variierbares Schalten der einzelnen Leiterbahnen und damit der einzelnen Mess-Elektroden jeder einzelnen Sensorvorrichtung erfolgen kann. Es ist auf diese Weise grundsätzlich auch möglich, dass einzelne Leiterbahnen für eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen zusammen verwendet werden können, sodass Komplexität und Material eingespart werden können.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Messung der Impedanz einer Probe mit einem erfindungsgemäßen Sensorsystem. Ein solches Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

• Schaltung der Leiterbahnen in einer Kontaktiervorrichtung für die tetrapolare, die tripolare oder die bipolare Messung der einzelnen Sensorvorrichtungen,
• Messung der Impedanz der Proben mittels der Sensorvorrichtung mit den jeweils innersten zwei, drei oder vier Mess-Elektroden,
• Anschließende mehrfache Messung der Proben mittels der Sensorvorrichtungen jeweils um eine Mess-Elektrode nach außen versetzt.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch das bewusste Variieren der Mess-Elektroden ein aufeinander folgendes unterschiedliches örtliches Messen der einzelnen Sensorvorrichtungen erzielt. Durch das Durchrastern wird die Auflösung der gesamten Messung in radialer Richtung, also örtlich, verfeinert. Dies kann auch als stückweises Durchrastern des Bereichs durch die Sensorvorrichtung verstanden werden. Dabei kann von innen begonnen werden, jedoch ist auch ein Beginn an jeder anderen Position mittels der Sensorvorrichtung durch entsprechendes Auswählen der einzelnen Mess-Elektroden denkbar. Eine Überwachung von innen nach außen ist jedoch insbesondere mit Bezug auf eine zentrale Platzierung der zu überwachenden Probe im Inneren eines Messbehältnisses von Vorteil, da auf diese Weise eine radiale Auflösung von innen nach außen und damit die Überwachung eines Wachstums von innen nach außen der zu überwachenden Zellprobe möglich wird. In gleicher Weise kann selbstverständlich auch eine tetrapolare Messung durchgeführt werden, bei der das Rastern der innersten Reihe der Mess-Elektroden, der anschließenden drei Mess-Elektroden und so weiter erfolgt. Dabei erfolgt sozusagen ein rollierendes Messen, also eine Messung mit den Mess-Elektroden (von innen gezählt) 1, 2, 3, und 4, anschließend mithilfe der Mess-Elektroden 2, 3, 4 und 5, und anschließend mit den Mess-Elektroden 3, 4, 5, und 6, und so weiter. Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann der gemessenen quantitativen Impedanz eine örtliche Komponente mit besonders feiner radialer Auflösung hinzugefügt werden, mit deren Hilfe zusätzliche Informationen über die zu überwachende Probe erhalten werden können. Solche zusätzliche Information ist beispielsweise bei der Überwachung von Tumorzellen dessen Potential Metastasen zu bilden.
Die vorliegende Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Die dabei verwendeten Begriffe „links”, „rechts”, „oben” und „unten” beziehen sich dabei auf die Ausrichtung der Zeichnungsfiguren mit normal lesbaren Bezugszeichen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Sensorvorrichtung,
2 eine weitere Ausführungsform einer Sensorvorrichtung,
3 eine Ausführungsform eines Sensorsystems,
4 eine weitere Ausführungsform einer Sensorvorrichtung,
5 einen Ausschnitt einer Ausführungsform einer Sensorvorrichtung bezogen auf die innerste Mess-Elektrode,
6 eine weitere Ausführungsform einer Sensorvorrichtung, und
7 eine weitere Ausführung einer Sensorvorrichtung.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 dargestellt. Diese Sensorvorrichtung 10 ist auf einem Substrat 20 angeordnet. Das Substrat 20 ist dabei beispielsweise aus Kunststoff oder Glas oder einem anderen Material, beispielsweise einer Folie gefertigt und weist eine im Wesentlichen flächige, insbesondere eine ebene Erstreckung auf.
Auf dem Substrat 20 ist eine Mess-Anordnung 30 auf der Mess-Seite 20a des Substrats 20 vorgesehen. Die Mess-Anordnung 30 weist eine Vielzahl von Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e auf. Jeder dieser Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e ist dabei im Wesentlichen ringförmig, und konzentrisch ausgebildet. Das bedeutet, dass die Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e alle eine Ausbildung aufweisen, die eine Krümmung um einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweist. Die Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e sind darüber hinaus jeweils mit einem Elektrodenanschluss 34 verbunden, der eine Zuleitung zwischen dem Rand des Substrats 20 und den einzelnen Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e beinhaltet.
Wie zu erkennen ist, sind die Zuleitungen der Elektrodenanschlüsse 34 deutlich enger beieinanderliegend, als dies bei den Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e der Fall ist. Um zu verhindern, dass Messverfälschungen durch den engen Abstand zwischen den Elektrodenanschlüssen 34 zustande kommen, sind diese vorteilhafterweise mit einer isolierenden Schicht in Richtung der zu messenden Probe versehen, sodass diese Bereiche auf der einen Seite von der isolierenden Schicht und auf der anderen Seite von der Mess-Seite 20a des Substrats 20 isoliert sind. Durch diese Isolierung findet keine Teilnahme an der Messung durch die Elektrodenanschlüsse 34 statt. Diese sind sozusagen von der Messung entkoppelt.
2 zeigt eine Variante einer Sensorvorrichtung 10. Auch hier sind die Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e konzentrisch, insbesondere im Wesentlichen kreisförmig angeordnet. Die Sensorvorrichtung 10 ist in einem runden Messbehältnis, beispielsweise dem Well einer Multiwellplatte vorgesehen und kleiden dessen gesamten Boden im Wesentlichen vollständig aus. Die äußerste Mess-Elektrode 32a verläuft dabei im Wesentlichen entlang dem äußeren Rand des Substrats 20, insbesondere entlang dem äußeren Umfang des Messbehältnisses, für welchen die Sensorvorrichtung 10 bestimmt ist. Damit sind Todräume, die nicht von der Messung erfasst werden können, in diesem äußeren Randbereich auf ein Minimum reduziert.
Darüber hinaus weist bei der Ausführungsform der 2 die Sensorvorrichtung 10 einen transparenten Abschnitt 24 in deren Zentrum auf. Der transparente Abschnitt 24 kann dabei beispielsweise als Fenster ausgebildet sein. Durch dieses Fenster hindurch kann mithilfe eines optischen Messgerätes 130, beispielsweise also mithilfe eines Mikroskops oder einer Kamera, eine bildgebende Messung für das Innere des Messbehältnisses durchgeführt werden. Gleichzeitig kann über den transparenten Abschnitt 24 auch Strahlung, beispielsweise Licht oder UV-Strahlung in das Innere des Messbehältnisses eingebracht werden. Der transparente Abschnitt 24 ist dabei vorteilhafterweise möglichst klein ausgestaltet, sodass die innerste Mess-Elektrode 32a einen besonders kleinen Radius aufweist und damit der Todraum im Zentrum, welcher ebenfalls nicht von der Messung der Impedanz erfasst werden kann, minimiert ist. Weiter kann in diesem Zentrum durch die elektrische Abschirmung von elektrischen Feldern mittels der innersten Mess-Elektrode 32e auch eine oder mehrere weitere Sensorik angeordnet sein.
Darüber hinaus ist eine Messvorrichtung 50 vorgesehen, die mit den einzelnen Elektrodenanschlüssen 34 der Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e verbunden ist. Insbesondere sind die einzelnen Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e voneinander galvanisch entkoppelt und auf diese Weise einzeln adressierbar Über diese Messvorrichtung kann bidirektional gearbeitet werden. Das bedeutet also, dass über die Messvorrichtung 50 zum Einen die einzelnen Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e mit einem Erregersignal beaufschlagt werden können, und gleichzeitig über Spannungsabfall an der Probe eine Relation zur Impedanz der Elektrode bzw. Probe hergestellt werden kann. Die Messvorrichtung 50 dient also sowohl zur Aktivierung, als auch zum Auslesen der Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e.
Selbstverständlich kann diese Messvorrichtung 50 auch aufgeteilt sein, sodass Messung, also Auswertung der gemessenen Impedanzwerte, und das zur Verfügung stellen von Strom für die Messung voneinander örtlich und/oder funktional separiert sind.
In 3 ist die Ausführungsform der 2 auf ein Sensorsystem 100 angewendet. Der Einfachheit und Übersichtlichkeit wegen fehlt in dieser Darstellung die schematische Aufführung eines Messbehältnisses. Vielmehr ist hier ein gemeinsames Substrat 20 für eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen 10, nämlich in diesem Fall als Beispiel acht Sensorvorrichtungen 10 dargestellt. Jede dieser Sensorvorrichtungen 10 ist im Wesentlichen ausgeführt wie die Ausführungsform 2, also mit einer Vielzahl von Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e, die jeweils über einen Elektrodenanschluss 34 verfügen.
Jeder dieser Elektrodenanschlüsse 34 wird über isolierte Leiterbahnen 110 zu einer Kontaktiervorrichtung 120 geführt. Wie zu erkennen ist, wird für die isolierten Leiterbahnen 110 vorteilhafterweise ein BUS-System verwendet, welches in kodierter Weise Strom zu den einzelnen Elektrodenanschlüssen 34 führen kann, und in umgekehrter Richtung Messinformationen von den einzelnen Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e erhalten kann. Die Kodierung, also die Ansteuerung der einzelnen Elektrodenanschlüsse 34 erfolgt dabei vorteilhafterweise im Inneren der Kontaktiervorrichtung 120, welche wiederum mit einer Messvorrichtung 50 verbunden sein kann, wie dies beispielsweise zu 2 erläutert worden ist. Die Kontaktiervorrichtung 120 kann dabei sowohl über eine Funkverbindung, oder aber auch über eine Steckverbindung mit einer Messvorrichtung 50 oder aber auch mit weiteren Komponenten verbunden werden. Insbesondere beim zur Verfügung stellen von Strom für die Messung an den einzelnen Sensorvorrichtungen 10 ist eine Steckvorrichtung durchaus vorteilhaft.
Bei einem Sensorsystem 100 und den verwendeten BUS-Systemen für die isolierten Leiterbahnen 110 kann beispielsweise über die Kontaktiervorrichtung 120 ein hintereinander geschaltetes Durchrasten bei der Messung mittels der Sensorvorrichtungen 100 vonstattengehen. Dieses wird nachfolgend im Beispiel einer tripolaren Messung mit Bezug auf die 2 näher erläutert.
So ist es beispielsweise möglich, dass für die erste Messung über das BUS-System die Elektrodenanschlüsse 34 der drei innersten Mess-Elektroden 32e, 32d, 32c beaufschlagt werden. Nach erfolgter Messung und Auswertung der gemessenen Impedanz wird die Messung um einen Schritt nach außen geschoben, also eine Messung mithilfe der nächstliegenden äußeren Mess-Elektroden, also der Mess-Elektroden 32d, 32c und 32a durchgeführt. Dies kann bei dem Vorsehen von deutlich mehr Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e weiter vonstattengehen, sodass durch die Messung ein Durchrasten von innen nach außen, oder aber auch in umgekehrter Reihenfolge von außen nach innen erfolgen kann. Mit anderen Worten ist es über die Adressierung der einzelnen Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e über deren Elektrodenanschlüsse 34, beispielsweise über isolierte Leiterbahnen 110 in Form eines BUS-Systems, möglich, jeder Impedanzmessung eine örtliche Komponente zuzuordnen, sodass insbesondere bei konzentrischer Anordnung eine radiale Ortskomponente zusätzlich zur quantitativen Analyse der gemessenen Impedanz zugeordnet werden kann. Auf diese Weise kann, beispielsweise bei der Verwendung für die Bestimmung des Auswachsens und der Ausbreitung von Tumorzellen aus einer Probe, deren Neigung zur Bildung von Metastasen bestimmt werden.
In 4 ist beispielhaft eine alternative Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 10 dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass eine konzentrische Ausbildung nicht zwingend mit gekrümmten Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e einhergehen muss. Vielmehr ist es auch möglich, dass Teilbereiche oder aber auch Hauptabschnitte der Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e im Wesentlichen gerade verlaufen, und in ihrer Zusammenschau eine Vielzahl von Rechtecken oder auch Quadraten bilden können. Insbesondere bei Messbehältnissen, welche eine quadratische oder rechteckige Querschnittsform aufweisen, ist eine solche Ausführung von Vorteil, da auf diese Weise Randbereiche, in denen Zellen wachsen können, aber keine Messung durchgeführt werden kann, minimiert werden. Auf diese Weise erfolgt eine Anpassung hinsichtlich der Reduktion des Todraums der Messung an das jeweilige Messbehältnis durch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung. Die Funktionsweise hinsichtlich der Messung, insbesondere auch ein mögliches Durchrasten durch die einzelnen Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e, ist selbstverständlich auch bei der Ausführungsform der 4 möglich, wie dies beispielhaft an den 2 und 3 erläutert worden ist.
5 zeigt beispielhaft im Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 dessen beiden innersten Mess-Elektroden 32d und 32e. Hier ist zu erkennen, dass es einen Abstand AE zwischen benachbarten Elektroden und einen maximalen Abstand AE im Inneren der innersten Mess-Elektrode 32e gibt. Der innerste Abstand AE ist dabei kleiner oder gleich einem 20fachen, insbesondere jedoch kleiner oder gleich dem 10fachen des Abstandes AE zu der nächstbenachbarten Mess-Elektrode 32d. Auf diese Weise wird eine ausreichende Fertigungsmöglichkeit für die innerste Mess-Elektrode 32e gewährleistet, während gleichzeitig der Todraum im Inneren der innersten Mess-Elektrode 32a minimiert wird. Da eine Messung der Impedanz nur zwischen zwei benachbarten Mess-Elektroden, jedoch nicht zwischen einer Mess-Elektrode mit sich selbst gemessen werden kann, kann im Inneren der innersten Mess-Elektrode 32e entsprechend auch keine Messung durchgeführt werden. Dies ist demnach hinsichtlich der Messung der Impedanz ein Todraum, der durch die vorliegende Erfindung verkleinert werden konnte.
In 6 ist eine alternative Ausführungsform der Ausführungsform der 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Elektrodenanschlüsse 34 geändert. Bei dieser Änderung wurde berücksichtigt, dass die Abstände zwischen Elektrodenanschlüssen 34 im Wesentlichen identisch sind zu den Abständen zwischen den Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Abstand im Wesentlichen entlang der gesamten Struktur aus Elektrodenanschluss 34 und Mess-Elektrode 32a, 32b, 32c, 32d und 32e konstant ist und auf diese Weise keine Messverfälschung durch variierende Abstände erfolgt. Bei einer solchen Ausführungsform kann insbesondere auf eine isolierende Beschichtung der Elektrodenanschlüsse 34 verzichtet werden, da keine Verfälschung der Impedanzmessung, oder nur eine geringe Verfälschung im geringen Maße zu befürchten ist.
7 zeigt eine weitere Variation der Ausführungsform aus den 1 und 7. Hier wurde grundsätzlich die Anschlusssituation der 1 beibehalten, jedoch eine Symmetrie hinsichtlich des Elektrodenanschlusses 34 durchgeführt. Jede Mess-Elektrode 32a, 32b, 32c, 32d und 32e hat nun zwei Elektrodenanschlüsse 34 und ist damit eine kreisförmige Mess-Elektrode 32a, 32b, 32c, 32d und 32e, die von beiden Seiten über den gemeinsamen doppelten Elektrodenanschluss 34 kontaktiert wird. Eine solche symmetrische Anordnung hat den Vorteil, dass im Inneren eines Messbehältnisses, in dem mittels der Sensorvorrichtung 10 eine Messung der Impedanz durchgeführt werden soll, keine Mess-Elektrode an einem Punkt endet, sondern durch die kreisförmige Ausgestaltung kein Ende im Inneren dieser Sensorvorrichtung 10 zu finden ist. Da es sich um gleichmäßige Ausbildung des elektrischen Feldes und damit Messverfälschungen handeln kann, wird durch die Vermeidung solcher Enden durch das doppelte Anschließen mittels zwei Elektrodenanschlüssen 34 für zwei Mess-Elektroden 32a, 32b, 32c, 32d und 32e der Messfehler in Bezug auf diese Enden eliminiert. Um darüber hinaus die minimierten Abstände zwischen den Elektrodenanschlüssen 34 und deren messverfälschende Eigenschaft ausschließen zu können, ist auch hier eine isolierende Beschichtung als Isolierschicht 36 vorgesehen, die diese Elektrodenanschlüsse 34 gegen das Innere eines Messbehältnisses für welches die Sensorvorrichtung 10 gedacht ist, elektrisch isoliert. Auf diese Weise wird in doppelter Hinsicht die Messgenauigkeit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 erhöht.
Es ist selbstverständlich, dass es sich bei den erläuterten Ausführungsformen nur um Beispiele handelt, die den Rahmen der vorliegenden Erfindung nur erläutern und nicht einschränken.
Bezugszeichenliste

10: Sensorvorrichtung
20: Substrat
20a: Mess-Seite
22: Außenkontur des Substrats
24: zumindest teilweise transparenter Abschnitt
30: Mess-Anordnung
32a: Mess-Elektrode
32b: Mess-Elektrode
32c: Mess-Elektrode
32d: Mess-Elektrode
32e: Mess-Elektrode
34: Elektrodenanschluss
36: Isolierschicht
50: Messvorrichtung
100: Sensorsystem
110: Leiterbahn
120: Kontaktiervorrichtung
130: optisches Messgerät

Claims

Sensorvorrichtung (10) für die Messung der Impedanz einer Probe, aufweisend ein elektrisch isolierendes Substrat (20) zur Anordnung der wenigstens einen Probe auf einer als Mess-Seite (20a) definierten Seite des Substrates (20), zumindest drei elektrisch leitende Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e), die in Form einer Mess-Anordnung (30) auf der Mess-Seite des Substrats (20) angeordnet sind und jeweils wenigstens einen Elektrodenanschluss (34) aufweisen, über den sie mit einer Messvorrichtung (50) verbindbar sind, wobei die einzelnen Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) zueinander zumindest abschnittsweise konzentrisch angeordnet sind.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) derart angeordnet sind, dass jede Mess-Elektrode (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) zumindest abschnittsweise entlang der Äquipotentiallinen der durch die benachbarten Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) erzeugten elektrischen Felder verläuft.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Abstände (AE) der jeweils benachbarten Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) in Umfangsrichtung des konzentrischen Abschnitts der Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) und/oder in radialer Richtung des konzentrischen Abschnitts der Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) im Wesentlichen konstant sind.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Form der äußersten Mess-Elektrode (32e) wenigstens abschnittsweise der Außenkontur (22) des Substrates (20) folgt.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Abstand (Al) der innersten Mess-Elektrode (32a) zu sich selbst kleiner als das 20fache des Abstandes (AE) zur nächsten benachbarten Mess-Elektrode (32b) beträgt.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) im konzentrischen Abschnitt der Mess-Anordnung (30) zumindest abschnittsweise gekrümmt sind.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konzentrische Abschnitt der Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) den Hauptteil der Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) ausmacht, insbesondere mehr als 60% der gesamten geometrischen Ausprägung der jeweiligen Mess-Elektrode (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) beträgt.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der innersten Mess-Elektrode (32a) ein zumindest teilweise transparenter Abschnitt (24) vorgesehen ist.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanschlüsse (34) und/oder die Messe-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d, 32e) zumindest abschnittsweise mit einer zum messenden Medium isolierenden Isolierschicht (36) versehen sind.
Sensorsystem (100) für die Messung der Impedanzen einer Vielzahl von Proben, aufweisend zumindest zwei Sensorvorrichtungen (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Substrate (20) der einzelnen Sensorvorrichtungen (10) als ein gemeinsames Substrat (20) integral miteinander ausgebildet sind.
Sensorsystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanschlüsse (34) der einzelnen Sensorvorrichtungen (10) über voneinander isolierte Leiterbahnen (110) auf dem Substrat (20) mit einer Kontaktiervorrichtung (120) verbunden sind.
Verfahren für die Messung der Impedanz einer Probe mit einem Sensorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11, aufweisend die folgenden Schritte: • Schaltung der Leiterbahnen (110) in der Kontaktiervorrichtung (120) für die tetrapolare, die tripolare oder die bipolare Messung mittels der einzelnen Sensorvorrichtungen (10), • Messung der Impedanz der Proben mittels der Sensorvorrichtungen (10) mit den innersten zwei, drei oder vier Mess-Elektroden (32a, 32b, 32c, 32d), • Anschließende mehrfache Messung der Proben mittels der Sensorvorrichtungen (10) jeweils um eine Mess-Elektrode (32b, 32c, 32d, 32e) nach Außen versetzt.