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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Sensorelement und ein Verfahren zum Versorgen von biologischem Material mit Nährstoffen. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Sensorelement zur impedimetrischen Erfassung und Bestimmung von Keimen.
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Bei der Untersuchung von Proben auf mikrobiellen Befall kommen derzeit vorwiegend mikrobiologische Methoden zum Einsatz. Bei bekannten mikrobiologischen Methoden erfolgt eine Kultivierung von Keimen auf Platten oder in Gefäßen mit Nährmedien und schließlich eine optische Erfassung und Bestimmung von gewachsenen Kolonien. Bei weiteren bekannten Methoden wird das Wachstum von Keimen in Nährlösungen durch impedimetrische Messmethoden nachgewiesen.
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Herkömmliche Verfahren zum Nachweis eines mikrobiellen Befalls gemäß dem Stand der Technik beruhen auf einer Kultivierung einzelner Keime (z. B. Bakterien, Hefen und Pilze) des zu untersuchenden Materials. Die Kultivierung erfolgt hierbei entweder auf festen Nährböden oder in flüssigen Nährlösungen bzw. -medien. Bei der im Stand der Technik bekannten Platten-Kultur-Analyse werden Nährmedien auf der Basis von Agar-Agar, die sich in Petrischalen befinden, mit der Probe beimpft und bei optimalen Wachstumsbedingungen kultiviert. Aus dem Wachstum und der Form der entstandenen Kulturen erfolgt eine optische, meist mit dem bloßen Auge vorgenommene Bestimmung der Art und des Ausmaßes des mikrobiellen Befalls der Probe. Dieses Verfahren wird beispielsweise bei Reihenuntersuchungen in der Produktions- und/oder Qualitätskontrolle für eine Mehrzahl von Substanzen, Rohstoffen und Produkten aus den unterschiedlichen Bereichen (z. B. Industrie, Handwerk, Gesundheit und Gastronomie) eingesetzt.
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Ein gegenüber der Platten-Kultur-Analyse gerätetechnisch aufwendigeres, bekanntes Analyseverfahren basiert auf einer Messung der Impedanz (oder Leitfähigkeit) in einer keimhaltigen Lösung, bei dem beispielsweise eine Änderung des Leitwerts bzw. der Leitfähigkeit gemessen wird. Im Stand der Technik ist ein Impedanzverfahren zur Bestimmung eines Wechselstromwiderstands bekannt. Die Leitwertänderung wird bei dem im Stand der Technik bekannten Verfahren durch das Keimwachstum und den aus dem Metabolismus generierten Bestandteilen der Lösung hervorgerufen.
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In der
DE 10 2006 016 326 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schnellen Messung eines mikrobiologischen Zustands einer Probe beschrieben.
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In der
DE 10 2004 054 547 B3 wird ein Temperatur-Zeit-Integrator basierend auf einem biologischen Indikator (Keim) mit einem bekannten Wachstumsprofil zur Kontrolle von Wachstumsbedingungen (zeitlicher Ablaut) beschrieben.
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In der
EP 1 626 278 A2 wird beschrieben, dass beim Kennzeichnen einer Zelle, und beim Separieren und Sammeln der Zelle gemäß einem Grad der Kennzeichnung unter Verwendung eines Zell-Separierers Effekte auf die Zelle minimiert werden und die Verwendung der gesammelten Zelle ermöglicht wird, wodurch, wenn eine Zelle gekennzeichnet wird, die Zelle in dem Zustand gekennzeichnet wird, wo die Interaktion von jeder Zelle behalten wird.
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Die
US 2004/0152067 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Beobachten der Migration oder Invasion eines biologischen Teilchens, wie beispielsweise eine Zelle. Die Vorrichtung umfasst eine obere Kammer, die angepasst ist, um eine Zellprobe zu empfangen und zu behalten, eine untere Kammer mit zumindest zwei Elektroden und eine biokompatible, poröse Membran mit einer Durchlässigkeit, die ausreichend ist, um zu ermöglichen, dass Zellen durch dieselbe migrieren. Die Membran ist in der Vorrichtung angeordnet, um die obere und die untere Kammer voneinander zu trennen. Die Migration von Zellen durch die poröse Membran erlaubt Kontakt zwischen den migrierenden Zellen und der einen oder mehreren Elektroden der unteren Kammer. Der Kontakt liefert eine messbare Änderung der Impedanz zwischen den Elektroden.
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Die
WO 2005/111193 A1 beschreibt eine Membran mit einem Gel verstärkt durch einen Support. Die Membran hat gegenüberliegende Oberflächen und eine Dicke zwischen den Oberflächen. Das Gel steht in Verbindung mit den gegenüberliegenden Oberflächen und erlaubt eine Diffusion einer Nährstofflösung durch die Membran. Ein Bioreaktor wird auch bereitgestellt, umfassend eine Membran-unterstützende Struktur, und eine Membran, die auf der Membran-unterstützenden Struktur getragen wird.
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Ein generelles Problem der im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren zur Analyse einer Probe ist jedoch, dass die Impedanzmessung an der Probe bzw. in der keimhaltigen Lösung einer Kammer durchgeführt wird und durch ein Zugeben einer Nährlösung in die Kammer die Impedanzmessung verfälscht wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Sensorelement zu schaffen, das eine zuverlässige Versorgung der Probe mit Nährstoffen und gleichzeitig eine präzisere Impedanzmessung an derselben ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Sensorelement nach Anspruch 1 und 20 und ein Verfahren nach Anspruch 18 gelöst.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Sensorelement mit einer ersten Kammer, einer zweiten Kammer, einer Membran, die zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer angeordnet ist, und Elektroden, die ausgelegt sind, um in der ersten Kammer ein Feld zu erzeugen, um eine Impedanzmessung durchzuführen. Hierbei ist die Membran ausgelegt, um eine Versorgung von biologischen Material, das sich in der ersten Kammer benachbart zu der Membran befindet, basierend auf einer Nährlösung, die sich in der zweiten Kammer befindet, mit Nährstoffen zu ermöglichen, ohne dass sich die erste Kammer vollständig mit der Nährlösung füllt.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass die oben genannte zuverlässige Versorgung der Probe und gleichzeitig präzisere Impedanzmessung erreicht werden können, wenn ein Feld in einer ersten Kammer mit Elektroden erzeugt wird, um eine Impedanzmessung durchzuführen, und wenn biologisches Material, das sich in der ersten Kammer benachbart zu einer Membran befindet, basierend auf einer Nährlösung, die sich in einer zweiten Kammer befindet, mit Nährstoffen durch die Membran versorgt wird, ohne dass sich die erste Kammer vollständig mit der Nährlösung füllt. Dadurch kann eine Verfälschung der Impedanzmessung durch die Zugabe einer Nährlösung in die Kammer, in der die Impedanzmessung durchgeführt wird, vermieden oder zumindest unterdrückt werden. Somit kann einerseits die Probe bzw. das biologische Material mit Nährstoffen versorgt werden, und andererseits kann gleichzeitig die präzisere Impedanzmessung erreicht werden. Dabei kann von einer ausgewählten Durchlässigkeit einer Membran Gebrauch gemacht werden und dieselbe gleichzeitig als Trennmembran verwendet werden.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist das Sensorelement ferner eine Agarschicht auf, die in der ersten Kammer auf der Membran angeordnet ist. Hierbei ist die Membran ausgelegt, um die Nährstoffe von der in der zweiten Kammer befindlichen Nährlösung zu der Agarschicht in der ersten Kammer durchzulassen. Durch die Anordnung der Agarschicht auf der Membran kann verhindert werden, dass sich die erste Kammer vollständig mit der Nährlösung füllt.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung grenzt die Agarschicht an eine erste Seite der Membran an, so das eine Diffusion der Nährlösung von der zweiten Kammer zu der Agarschicht in der ersten Kammer erfolgt. Durch die Kontaktierung der Agarschicht mit der Membran kann die Versorgung von biologischem Material, das sich in der ersten Kammer auf der Agarschicht befindet, durch die Diffusion der in der zweiten Kammer befindlichen Nährlösung oder Nährstoffe durch die Membran und die angrenzende Agarschicht ermöglicht werden.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die erste Kammer mit einem Gas gefüllt, so dass sich das biologische Material in einer Gasatmosphäre befindet. Ferner ist die zweite Kammer mit der Nährlösung gefüllt, die die Nährstoffe für das biologische Material bereitstellt. Somit werden gasförmige Metabolite, die von dem biologischen Material in der ersten Kammer erzeugt werden, in die mit dem Gas gefüllte erste Kammer abgegeben, die von der mit der Nährlösung gefüllten zweiten Kammer durch die Membran getrennt ist. Dadurch kann eine Abgabe von gasförmigen Metaboliten als Bläschen in eine das biologische Material umgebende Nährflüssigkeit vermieden oder zumindest unterdrückt werden. Somit ist eine Störung der Impedanzmessung, die durch Bläschen verursacht wird, die in eine das biologische Material umgebende Nährflüssigkeit abgegeben werden, vernachlässigbar, wodurch die Messergebnisse der Impedanzmessung erheblich verbessert werden können.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist die Membran eine Mehrzahl von Mikroöffnungen auf. Hierbei erstrecken sich die Mikroöffnungen zwischen einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Membran, wobei die erste Seite der Membran an die erste Kammer angrenzt und die der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der Membran an die zweite Kammer angrenzt. Durch die Anordnung der Membran mit der Mehrzahl von Mikroöffnungen zwischen der ersten und der zweiten Kammer kann ein Nährstoffaustausch durch die Mikroöffnungen der Membran ermöglicht werden, ohne dass sich die erste Kammer vollständig mit der Nährlösung füllt. Als Membranen können beispielsweise Tiefenfilter aus Kunststoff (z. B. Polysulfonat), Kernspurfilter bzw. mit Öffnungen versehene Folien, aber auch keramische Filter oder poröse Siliziummembranen dienen.
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Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Versorgen von biologischem Material mit Nährstoffen. Bei dem Verfahren wird ein Sensorelement mit einer ersten Kammer, einer zweiten Kammer und einer Membran, die zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer angeordnet ist, bereitgestellt. Ferner wird ein Feld in der ersten Kammer mit Elektroden erzeugt, um eine Impedanzmessung durchzuführen. Schließlich erfolgt eine Versorgung von biologischem Material, das sich in der ersten Kammer benachbart zu der Membran befindet, basierend auf einer Nährlösung, die sich in der zweiten Kammer befindet, mit Nährstoffen durch die Membran, ohne dass sich die erste Kammer vollständig mit Nährlösung füllt.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren, in denen gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Sensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Seitenansicht eines Sensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Seitenansicht eines Sensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Membran mit einer Mehrzahl von Mikroöffnungen zwischen einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer des Ausführungsbeispiels des Sensorelements gemäß 1; und
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5 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Versorgen von biologischem Material mit Nährstoffen bei gleichzeitiger Messung.
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Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Figuren näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass in den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen gleiche Elemente oder funktionell gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Eine Beschreibung von Elementen mit gleichen Bezugszeichen ist daher gegenseitig austauschbar und/oder in den verschiedenen Ausführungsbeispielen aufeinander anwendbar.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines Sensorelements 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, weist das Sensorelement 100 eine erste Kammer 110, eine zweite Kammer 120, eine Membran 130, die zwischen der ersten Kammer 110 und der zweiten Kammer 120 angeordnet ist, und Elektroden 140 auf. Hierbei sind die Elektroden 140 ausgelegt, um in der ersten Kammer 110 ein Feld zu erzeugen, um eine Impedanzmessung durchführen. Ferner ist die Membran 130 ausgelegt, um eine Versorgung von biologischem Material 150, das sich in der ersten Kammer 110 benachbart zu der Membran 130 befindet, basierend auf einer Nährlösung, die sich in der zweiten Kammer 120 befindet, mit Nährstoffen zu ermöglichen, ohne dass sich die erste Kammer 110 vollständig mit Nährlösung füllt. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Durchlässigkeit der Membran 130 so gewählt werden, dass nur eine begrenzte Menge der Nährlösung oder Nährstoffe durch die Membran 130 durchtreten kann. In 1 ist die Versorgung des biologischen Materials 150, das sich in der ersten Kammer 110 befindet, mit den Nährstoffen von der in der zweiten Kammer 120 befindlichen Nährlösung durch Pfeile 105 angedeutet.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Impedanzmessung, die über die Elektroden 140 in der ersten Kammer 110 durchgeführt wird, dazu verwendet werden, um einen Zustand oder eine Zustandsänderung des biologischen Materials 150, wie beispielsweise ein Keimwachstum, zu erfassen.
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2 zeigt eine Seitenansicht eines Sensorelements 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in 2 gezeigte Sensorelement 200 entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Sensorelement 100. Allerdings weist das Sensorelement 200 in 2 ferner eine Agarschicht 210 auf, die in der ersten Kammer 110 auf der Membran 130 angeordnet ist. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Membran 130 ausgelegt, um die Nährstoffe von der in zweiten Kammer 120 befindlichen Nährlösung zu der Agarschicht 210 in der ersten Kammer 110 durchzulassen. Durch die Anordnung der Agarschicht 210 auf der Membran 130 kann verhindert werden, dass sich die erste Kammer 110 vollständig mit der Nährlösung füllt. Wesentlich ist, dass die Ausdehnung des elektrischen Feldes auch die Zellen oder das biologische Material 150, die auf bzw. in der Agarschicht 210 wachsen, mit einer für die impedimetrische Messung (Impedanzmessung) ausreichenden Feldstärke erfasst.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 grenzt die Agarschicht 210 des Sensorelements 200 an eine erste Seite 212 der Membran 130 an, so dass eine Diffusion der Nährlösung von der zweiten Kammer 120 zu der Agarschicht 210 in der ersten Kammer 110 erfolgt. In 2 ist die Diffusion der Nährlösung oder Nährstoffe durch die Membran 130 zu der Agarschicht 210 durch Pfeile 205 angedeutet. Durch die Kontaktierung der Agaschicht 210 mit der Membran 130 kann die Versorgung des biologischen Materials 150, das sich auf der Agarschicht 210 befindet, durch die Diffusion der Nährlösung oder Nährstoffe durch die Membran 130 und die angrenzende Agarschicht 210 ermöglicht werden. Somit kann bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel das auf der Agarschicht 210 befindliche biologische Material 150 zuverlässig mit einer durch die Membran 130 diffundierenden Nährlösung oder mit Nährstoffen versorgt werden, wobei durch die auf der Membran 130 angeordnete Agarschicht 210 verhindert werden kann, dass sich die erste Kammer 110 vollständig bzw. unkontrolliert mit der Nährlösung füllt.
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3 zeigt eine Seitenansicht eines Sensorelements 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei entspricht das Sensorelement 300 mit einer ersten Kammer 310, einer zweiten Kammer 320, einer Membran 330 und Elektroden 340 in 3 im Wesentlichen dem Sensorelement 100 mit der ersten Kammer 110, der zweiten Kammer 120, der Membran 130 und den Elektroden 140 in 1. Ferner ist in 3 die Agarschicht 210 gezeigt. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Kammer 310 mit einem Gas gefüllt, so dass sich das biologische Material 150 in einer Gasatmosphäre befindet. Ferner ist die zweite Kammer 320 mit der Nährlösung gefüllt, die die Nährstoffe für das biologische Material 150 bereitstellt, so dass gasförmige Metabolite, die von dem biologischen Material 150 in der ersten Kammer 310 erzeugt werden, in die mit dem Gas gefüllte erste Kammer 310 abgegeben werden, die von der mit der Nährlösung gefüllten zweiten Kammer 320 durch die Membran 330 getrennt ist. Dadurch kann eine Abgabe von gasförmigen Metaboliten als Bläschen in eine das biologische Material 150 umgebende Nährflüssigkeit vermieden oder zumindest unterdrückt werden. Somit kann die Impedanzmessung ohne oder nur mit einer vernachlässigbaren Störung, die durch in eine Nährflüssigkeit abgegebene Bläschen verursacht werden kann, durchgeführt werden. Dies ist dahingehend vorteilhaft, dass die Messergebnisse der Impedanzmessung erheblich verbessert werden können.
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Bei Ausführungsbeispielen gemäß 3 kann das Sensorelement 300 die auf der Membran 330 angeordnete Agarschicht 210 aufweisen. Hierbei kann das biologische Material 150 auf die Agarschicht 210 aufgebracht werden. Ferner kann bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß 3 die Agarschicht 210 weg gelassen werden, so dass das biologische Material 150 direkt auf die Membran 330 aufgebracht werden kann bzw. auf derselben liegt.
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Bei dem in 3 gezeigten Sensorelement 300 kann die in der ersten Kammer 310 befindliche Gasatmosphäre feuchtigkeitsgesättigt sein. Durch das Bereitstellen der feuchtigkeitssatten Gasatmosphäre in der ersten Kammer 310 kann ausreichend Feuchtigkeit für die Versorgung des biologischen Materials 150 bzw. für das Wachstum von Keimen, wie beispielsweise Bakterien, Hefen und Pilzen, geliefert werden. Somit kann einerseits das biologische Material 150 mit der Nährlösung oder Nährstoffen, die durch die Membran 330 durchtritt bzw. durchtreten, versorgt werden, und andererseits kann ausreichend Feuchtigkeit für die Versorgung des biologischen Materials 150 von der in der ersten Kammer 310 bendlichen Gasatmosphäre geliefert werden. Gleichzeitig kann die Durchlässigkeit der Membran 330 so gewählt werden, dass nur eine begrenzte Menge der Nährlösung oder Nährstoffe bei der Diffusion (Pfeile 305) durch die Membran 330 durchtreten kann. Ferner kann durch die Anordnung der Agarschicht 210 auf der Membran 330 verhindert werden, dass sich die erste Kammer 310 ständig mit der Nährlösung füllt. Dies hat wie bei den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen den Vorteil, dass die durch den Bläscheneffekt hervorgerufene Störung der Impedanzmessung vernachlässigbar ist.
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Das in 3 gezeigte Sensorelement 300 weist Interdigitalelektroden 342 auf, die auf einer ersten Seite 312 der Membran 330 angeordnet sind. Hierbei sind die Interdigitalelektroden 342 ausgelegt, um in der ersten Kammer 310 ein Feld mit Feldlinien 360 zu erzeugen, die sich zwischen den Interdigitalelektroden 342 erstrecken. Die Anordnung der Interdigitalelektroden 342 auf der Membran 330 ist so, dass das von denselben erzeugte Feld eine auf der Membran 330 angeordnete Agarschicht 210 und die darauf wachsenden Zellen bzw. das biologische Material 150 in der ersten Kammer 310 durchdringt, womit die Impedanzmessung durchgeführt werden kann. Die mit den Interdigitalelektroden 342 durchgeführte Impedanzmessung kann dazu verwendet werden, um einen Zustand eine Zustandsänderung des biologischen Materials 150, wie beispielsweise ein Keimwachstum, zu erfassen. Somit erfolgt bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel die Impedanzmessung im wesentlichen zwischen den Interdigitalelektroden 342 in der ersten Kammer 310.
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Dadurch, dass die erste Kammer 310 eine feuchtigkeitsgesättigte Gasatmosphäre und keine Flüssigkeit aufweisen kann, kann die von den Interdigitalelektroden 342 durchgeführte Impedanzmessung ohne oder nun mit einer vernachlässigbaren Störung erfolgen, so dass eine präzisere Impedanzmessung ermöglicht wird.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß 3 weist das Sensorelement 300 eine erste und eine zweite Flächenelektrode 344-1, 344-2 auf. Hierbei ist die erste Flächenelektrode 344-1 auf der ersten Seite 312 der Membran 330 angeordnet, während die zweite Flächenelektrode 344-2 auf einer der Membran 330 zugewandten Seite 382 eines Trägermaterials 380, das an die erste Kammer 310 angrenzt, angeordnet ist, so dass sich die erste und die zweite Flächenelektrode 344-1, gegenüberliegen. Wie in 3 gezeigt, sind die erste und die zweite Flächenelektrode 344-1, 344-2 ausgelegt, um in der ersten Kammer 310 ein Feld mit Feldlinien 370 zu erzeugen, die sich zwischen der ersten und der zweiten Flächenelektrode 344-1, 344-2 erstrecken, so dass das von der ersten und der zweiten Flächenelektrode 344-1, 344-2 erzeugte Feld eine auf der Membran 330 angeordnete Agarschicht 210 in der ersten Kammer 310 durchdringt, womit die Impedanzmessung durchgeführt werden kann. Die von den gegenüberliegenden Flächenelektroden 344-1, 344-2 durchgeführte Impedanzmessung kann dazu verwendet werden, um das biologische Material 150, das sich zwischen der ersten und der zweiten Flächenelektrode 344-1, befindet, zu charakterisieren. Bei dem in 3 gezeigten Sensorelement 300 kann die Impedanzmessung, die mit den gegenüberliegenden Flächenelektroden 344-1, 344-2 ermöglicht wird, mit einer vergleichsweise hohen Präzision durchgeführt werden, da eine Abgabe von Bläschen in eine umgebende Nährflüssigkeit vermieden werden kann.
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Bezug nehmend auf 3 kann das Sensorelement 300 Interdigitalelektroden 342 und Flächenelektroden 344-1, 344-2 aufweisen, wobei das Sensorelement 300 ausgelegt ist, um die Interdigitalelektroden 342 und die Flächenelektroden 344-1, 344-2 gleichzeitig zu betreiben, um die Impedanzmessungen durchzuführen. Durch das gleichzeitige Betreiben der Interdigitalelektroden 342 und der Flächenelektronen 344-1, 344-2 kann die Genauigkeit der durch die Impedanzmessungen erhaltenen Messergebnisse, die den Zustand bzw. die Zustandsänderung des biologischen Materials 150 in der ersten Kammer 310 beschreiben, noch erhöht werden. Somit kann basierend auf gleichzeitig durchgeführten Impedanzmessungen die Charakterisierung der Probe oder das Erfassen des Keimwachstums gegenüber einer einzeln durchgeführten Impedanzmessung, die nur mit den Interdigitalelektroden 342 oder nur mit den Flächenelektroden 244-1, 344-2 erfolgt, verbessert werden.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß 3 weist das Sensorelement 300 ferner weitere Elektroden 346, 348 auf, die ausgelegt sind, um in der zweiten Kammer 320 ein Feld zu erzeugen, um eine Impedanzmessung in der zweiten Kammer 320 durchzuführen. Die in der zweiten Kammer 320 befindlichen weiteren Elektroden 346, 348 des Sensorelements 300 umfassen beispielsweise Interdigitalelektroden 346, die auf einer der ersten Seite 312 gegenüberliegenden zweiten Seite 314 der Membran 330 angeordnet sind, oder gegenüberliegende Flächenelektroden 348 mit einer ersten Flächenelektrode 352-1 auf der zweiten Seite 314 der Membran 330 und einer zweiten Flächenelektrode 352-2 auf einer der Membran 330 zugewandten Seite 386 eines weiteren Trägermaterials 384, das an die zweite Kammer 320 angrenzt. Hierbei sind die in der zweiten Kammer 320 befindlichen Interdigitalelektroden 346 ausgelegt, um in der zweiten Kammer 320 eine Impedanzmessung zwischen denselben durchzuführen (Feldlinien 362), während die in der zweiten Kammer 320 befindlichen Flächenelektroden 348 ausgelegt sind, um in der zweiten Kammer 320 eine Impedanzmessung zwischen denselben durchzuführen (Feldlinien 372). Bei Ausführungsbeispielen kann das in 3 gezeigte Sensorelement 300 ausgelegt sein, so dass die Impedanzmessungen, die von den Interdigitalelektroden 346 und den Flächenelektroden 348 in der zweiten Kammer 320 durchgeführt werden, gleichzeitig erfolgen. Die gleichzeitig durchgeführten Impedanzmessungen können zu einer höheren Präzision der Messergebnisse führen.
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Durch das Bereitstellen der weiteren Elektroden 346, 348 in der zweiten Kammer 320 zusätzlich zu den Interdigitalelektroden 342 und den Flächenelektroden 344-1, 344-2 in der ersten Kammer 310 können die Impedanzmessungen in der ersten Kammer 310 und in der zweiten Kammer 320 unabhängig voneinander durchgeführt werden. Die unabhängig voneinander durchgeführten Impedanzmessungen bieten den Vorteil, dass die Impedanz oder Leitfähigkeit der bzw. des in der zweiten Kammer 320 befindlichen Nährlösung oder Nährmediums, die bzw. das von der Probe bzw. dem biologischen Material 150 getrennt ist, zusätzlich zu der in der ersten Kammer 310 erhaltenen Impedanz oder Leitfähigkeit gemessen werden kann, so dass basierend auf dieser zusätzlich gemessenen Impedanz bzw. Leitfähigkeit die Auswertung der Messsignale verbessert werden kann.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß 3 weist das Sensorelement 300 ferner eine Passivierungsschicht 350 auf, die auf den Elektroden (z. B. Interdigitalelektroden 346 und Flächenelektroden 348 in der zweiten Kammer 320) angeordnet ist. Die auf die Elektroden 346, 348 aufgebrachte Passivierungsschicht 350 kann ausgelegt sein, um eine galvanische Trennung zwischen den Elektroden 346, 348 und der in der zweiten Kammer 320 befindlichen Nährlösung zu ermöglichen. Durch die galvanische Trennung können die Elektroden 346, 348 geschützt werden, indem eine zumindest teilweise Elektrolyse der Elektroden 346, 348 verhindert wird. Ferner kann bei weiteren Ausführungsbeispielen das Sensorelement weitere Passivierungsschichten aufweisen, die auf den anderen Elektroden (z. B. Flächenelektroden 344-1, 344-2 und Interdigitalelektroden 342) angeordnet sind. Die auf den anderen Elektroden aufgebrachten Passivierungsschichten können so ausgelegt sein, dass die anderen Elektroden durch eine galvanische Trennung vor einer zumindest teilweise Elektrolyse geschützt werden. Mit anderen Worten, eine Passivierung ist generell auf allen Elektroden (also z. B. auch auf den Elektroden 344-1, 344-2 und 342 sowie insbesondere auf den Elektroden 346 und 348) möglich.
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Membran 330 des Sensorelements 300 eine erste und eine zweite Membranschicht 332, 334 mit einem dazwischen liegenden Heizelement 336 auf. Das zwischen den beiden Membranschichten 332, 334 liegende Heizelement 336 kann ausgelegt sein, um eine vorbestimmte Temperatur für das Sensorelement 300 einzustellen. Das Einstellen der vorbestimmten Temperatur kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass die Temperatur für ein Keimwachstum optimal ist. Die mit dem Heizelement 336 eingestellte Temperatur kann beispielsweise so hoch gewählt werden, dass das biologische Material 150 bzw. die Keime zuverlässig abgetötet werden, wodurch eine Sterilisierung des Sensorelements 300 erreicht werden kann.
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Ferner kann bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel das zwischen der ersten Kammer 310 und der zweiten Kammer 320 liegende Heizelement 336 so ausgelegt sein, dass die Impedanzmessungen in der ersten Kammer 310 und in der zweiten Kammer 320 durch das Heizelement 336 elektrisch abgeschirmt voneinander durchgeführt werden können. Mit anderen Worten, das Heizelement kann zudem als elektrische Abschirmung zwischen der Impedanzmessung in der oberen Kammer 310 und der Impedanzmessung in der unteren Kammer 320 dienen. Die abschirmende Nutzung des dazwischenliegenden Heizelementes kann bei Ausführungsbeispielen besonders vorteilhaft sein.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Membran 130 mit einer Mehrzahl von Mikroöffnungen 435 zwischen einer ersten Kammer 110 und einer zweiten Kammer 120 des Ausführungsbeispiels des Sensorelements 100 gemäß 1. Wie in 4 gezeigt, kann die Membran 130 des Sensorelements 100 eine Mehrzahl von Mikroöffnungen 435 aufweisen. Die Mikroöffnungen 435 erstrecken sich zwischen einer ersten Seite 132 und einer der ersten Seite 132 gegenüberliegenden zweiten Seite 134 der Membran 130. Hierbei grenzt die erste Seite 132 der Membran 130 an die erste Kammer 110 an, während die der ersten Seite 132 gegenüberliegende zweite Seite 134 der Membran 130 an die zweite Kammer 120 angrenzt. Bei Ausführungsbeispielen kann die Membran 130 somit zwischen der ersten und der zweiten Kammer 110, 120 angeordnet sein, um einen Nährstoffaustausch durch die Mikroöffnungen 435 zu ermöglichen, ohne dass sich die erste Kammer 110 vollständig mit der von der zweiten Kammer 120 durch die Membran 130 durchtretende Nährlösung füllt. Der Nährstoffaustausch zwischen den beiden von der Membran 130 getrennten Kammern 110, 120 ist in 4 durch Pfeile 405 angedeutet.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist ein Durchmesser d der Mikroöffnungen 435 kleiner als die Dicke l der Membran 130, durch die sich die Mikroöffnungen 435 erstrecken. Durch den relativ kleinen Durchmesser d der Mikroöffnungen 435 kann erreicht werden, dass ein kontrollierter Nährstoffaustausch zwischen den beiden Kammern 110, 120 des Sensorelements 100 durch die Membran 130 stattfindet und dass die erste Kammer 110 nicht vollständig mit der Nährlösung gefüllt wird. Andererseits ermöglicht die relativ große Dicke l der Membran 130, dass dieselbe eine relativ hohe Stabilität besitzt und somit als Trennmembran zwischen den beiden Kammern 110, 120 verwendet werden kann.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Membran 130 des Sensorelements 100 eine Filtermembran mit einer Mehrzahl von Mikroporen, wobei ein Durchmesser der Mikroporen beispielsweise zwischen 0,1 μm und 3 μm, beispielsweise bevorzugt zwischen 0,1 μm und 0,8 μm, liegt. Durch die Verwendung der Filtermembran mit der Mehrzahl von Mikroporen, die einen Durchmesser in dem angegebenen Bereich (bevorzugter Bereich z. B. zwischen 0,2 μm und 0,45 μm) haben, kann erreicht werden, dass nur solche Nährstoffe oder Teilchen von der in der zweiten Kammer 120 befindlichen Nährlösung, die kleiner sind als der Durchmesser der Mikroporen, durch die Filtermembran durchtreten bzw. diffundieren können, während die größeren Nährstoffe bzw. Teilchen an der Filtermembran aufgehalten werden. Durch die geeignete Auswahl des Durchmessers der Mikroporen kann eine kontrollierte Nährstoffversorgung realisiert werden, die dadurch ausgezeichnet ist, dass genügend Nährstoffe durch die Filtermembran durchdringen können, so dass die Nährstoffversorgung bzw. der Nährstoffaustausch kontrolliert erfolgt und die erste Kammer 110 nicht mit der Nährlösung geflutet wird.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Membran 130 des Sensorelements 100 eine Kunststofffolie mit einer Mehrzahl von Löchern, wobei die Löcher beispielsweise mit einem Laserstrahl erzeugt wurden. Hierbei liegt ein Durchmesser der Löcher beispielsweise zwischen 1 μm und 100 μm, beispielsweise bevorzugt zwischen 15 μm und 20 μm. Das Verwenden der Kunststofffolie ist dahingehend vorteilhaft, dass die mit dem Laserstrahl erzeugten Löcher eine große Regelmäßigkeit aufweisen. Die große Regelmäßigkeit der Löcher in der Kunststofffolie ermöglicht beispielsweise ein gleichmäßigeres Wachstum von Keimen auf derselben, was die Messergebnisse besser prognostizierbar macht.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist die Membran 130 des Sensorelements 100 eine Keramikschicht mit einer Mehrzahl von Mikroöffnungen auf. Der Vorteil bei der Verwendung der Keramikschicht liegt darin, dass dieselbe von der Nährlösung nicht aufgeweicht wird und somit ein besonders guter Nährstoffaustausch möglich ist. Ferner ist die Keramikschicht hitzebeständig und auch für hohe Temperaturen geeignet, was insbesondere beim Abtöten des biologischen Materials für die Sterilisierung des Sensorelements von Bedeutung ist. Die Keramikschicht kann auch von der porösen Struktur her besser für den Nährstoffaustausch geeignet sein.
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Bei Ausführungsbeispielen kann die Membran 130 als Trennmembran zwischen den beiden Kammern 110, 120 des Sensorelements 100 ausgebildet sein. Die Trennmembran zwischen den beiden Kammern ist gekennzeichnet durch beispielsweise Interdigitalelektroden für eine kapazitive Messung.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen können die Elektroden in Dünnfilmtechnik oder mit Dickschichttechnologie (gedruckt) hergestellt werden. Dabei ist die Dünnfilmtechnik generell nur auf einer glatten Oberfläche möglich, während die Dickschichttechnologie mit einer größeren Rauhigkeit einhergehen kann. Ferner kann beispielsweise eine dünne Passivierung (z. B. Parylen) zur galvanischen Trennung von der Nährlösung bzw. der Flüssigkeit vorgesehen werden. Als Membranen können beispielsweise Kunststofffolien mit Löchern (z. B. basierend auf Laser oder auf Kernspur) und Elektroden, die einseitig oder beidseitig auf der Membran angeordnet sind, oder eine dünne Keramik mit Löchern und Elektroden verwendet werden. Die Membranen können beispielsweise einseitig mit Agar beschichtet sein (Agarschicht). Mögliche Membranmaterialen gemäß Ausführungsbeispielen sind in der angefügten Tabelle (6) dargestellt. Durch die Agarschicht kann sichergestellt werden, dass die Nährlösung nicht unkontrolliert durch die Löcher in die obere (erste) Kammer strömt, so dass sich die erste Kammer 110 nicht vollständig mit der Nährlösung füllt. Vielmehr kann die Agarschicht eine zuverlässige Versorgung der auf ihr befindlichen Keime mit Nährstoffen gewährleisten.
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Bezug nehmend auf 3 weist das Sensorelement 300 zur Erfassung und Bestimmung von Keimen beispielsweise zwei Elektroden auf, die sich entweder als Interdigitalelektroden 342 auf der Membran 330 bzw. auf der Vorderseite eines beispielsweise perforierten Folienmaterials befinden oder als flächige Elektroden (Flächenelektroden 344-1, 344-2) auf der Membran 330 und dem Trägermaterial 380 oder beispielsweise auf zwei Folien angebracht sind. Hierbei ist es wesentlich, dass das elektrische Feld der Elektroden in die Agarschicht 210 reicht, die beispielsweise als Wachstumsoberfläche und Nährmedium für die Keime dient. Wesentlich ist, dass die Ausdehnung des elektrischen Feldes (bzw. die Feldlinien 360) auch die Zellen oder das biologische Material 150, die auf bzw. in der Agarschicht wachsen, mit einer für die impedimetrische Messung ausreichenden Feldstärke erfasst. Das kombinierte Element aus der Agarschicht und den Elektroden kann als Mess- oder Sensorelement bezeichnet werden. Sofern es der Handhabbarkeit des Sensorelements dienlich ist, kann beispielsweise eine oder können beide Folien durch stabile Materialien ersetzt werden. Diese Materialien sollten wegen der elektrischen Messbarkeit allerdings nur eine geringe Leitfähigkeit haben.
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Bei Ausführungsbeispielen kann das Sensorelement selbst zur Probennahme (Abklatsch der Probe) dienen. Durch eine Perforation des Folienmaterials als Träger der Elektroden kann gewährleistet werden, dass die Keime mit ausreichend Nährstoffen und Feuchtigkeit für ihr Wachstum versorgt werden.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann als Alternative zur Verwendung der Membran stattdessen auch ein Folienmaterial verwendet werden. Das Wachstum der Keime auf dem Messelement kann schließlich mit Hilfe der Elektrodenstrukturen durch eine impedimetrische Messung erfasst werden. Dabei können z. B. Interdigitalelektroden und Flächenelektroden gleichzeitig verwendet werden, um die Messsicherheit zu erhöhen. Durch eine Kontaktierung der Agarschicht 210 mit einem Nährmedium bzw. mit der in der zweiten Kammer 320 befindlichen Nährlösung kann eine Nährstoffversorgung des biologischen Materials bzw. der Keime beispielsweise durch eine Diffusion (Pfeile 305) durch poröse oder perforierte Trägerfolien ermöglicht werden. Zudem kann durch zusätzliche Hilfselektroden (z. B. Elektroden 346, 348) die Impedanz (Leitfähigkeit) der Nährlösung bzw. des Nährmediums getrennt vom Zellwachstum mitvermessen werden und somit zur Auswertung der elektrischen Signale bzw. Messergebnisse beitragen.
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Da der Bewuchs (biologisches Material 150) auf der oberen Agarschicht 210 nicht in einem flüssigen Medium, sondern in einer feuchtigkeitsgesättigten Gasatmosphäre in der ersten Kammer 310 impedimetrisch gemessen werden kann, ist der Einfluss des umgebenden Mediums vernachlässigbar. Zudem kann dadurch eine Störung der impedimetrischen Messung durch die Abgabe von gasförmigen Metaboliten (z. B. CO2) als Bläschen in das Nährmedium in der zweiten Kammer 320 vermieden werden, da diese Metabolite direkt in die Gasatmosphäre in der ersten Kammer 310 abgegeben werden können. Als Messmethoden kommen beispielsweise die Messung der Agarschicht mit den Interdigitalelektroden, als Gesamtfläche mit den außen liegenden Hilfselektroden oder über die am Gefäßdeckel angebrachten Elektroden in Frage. Diese Messmethoden können gemäß Ausführungsbeispielen in geeigneter Weise kombiniert werden. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Nährlösung bzw. das Nährmedium impedimetrisch über die Interdigitalelektroden und/oder über die im Boden angebrachten Hilfselektroden vermessen werden.
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Ferner kann das Sensorelement zusätzliche Elektrodenstrukturen enthalten. Diese können z. B. zur Messung der Temperatur und zum Heizen des Sensorelements verwendet werden, um die optimalen Temperaturen für das Keimwachstum einzustellen. Auch das Abtöten der Keime durch Heizer-Strukturen (Heizelement 336), beispielsweise nach Abschluss der Messungen durch sehr hohe Temperaturen, ist möglich. Auch kann das Heizelement 336 zur Abschirmung und elektrischen Trennung der Messelektroden (z. B. Interdigitalelektroden 342 und 346) dienen.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen können das Folienmaterial bzw. die Membran und/oder die Elektroden zudem Strukturierungen aufweisen, die ausgelegt sind, um das Wachstum von Keimen zu begünstigen oder zu inhibieren. Dabei sind Ausgestaltungen in Form von beispielsweise Erhebungen oder Vertiefungen (z. B. Noppen, Näpfe, Kanäle, Furchen, Spitzen) oder auch chemische bzw. physikalische Modifikationen der Oberflächen möglich.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das Sensorelement in einen (einfachen) elektronischen Aufbau integriert sein oder diverse weitere elektronische Bauteile enthalten, wie z. B. eine Spannungsversorgung, eine Messsteuerung oder eine drahtlose Verbindung. Die Aufteilung der notwendigen Elektronik, die aus analoger Messelektronik und digitaler Elektronik zur Steuerung, Speicherung und Auswertung besteht, kann weitgehend frei gestaltet werden und richtet sich nach der voraussichtlichen Anwendung.
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Durch die Integration des Sensorelements in Kultivierungsgefäße (z. B. Zellkulturflaschen, -platten) kann die Handhabung deutlich vereinfacht und die Infektion mit fremden Keimen minimiert werden.
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Zusammenfassend umfasst das in 3 gezeigte Sensorelement 300 beispielsweise eine obere Sensorfolie (Trägermaterial 380), Elektroden der oberen Sensorfolie (Flächenelektrode 344-2), das biologische Material 150 bzw. eine Zellschicht, eine dünne obere Agarschicht 210, einen Atmosphärenraum in der ersten Kammer 310, obere Elektroden einer mittleren Sensorschicht bzw. der Membran 330 (Interdigitalelektroden 342), eine obere Sensorfolie der mittleren Sensorschicht (erste Membranschicht 332), eine Heizstruktur bzw. Abschirmschicht in der mittleren Sensorschicht (Heizelement 336), eine untere Sensorfolie der mittleren Sensorschicht (zweite Membranschicht 334), untere Elektroden der mittleren Sensorschicht (weitere Interdigitalelektroden 346), eine Nährlösung in der zweiten Kammer 320, Elektroden einer unteren Sensorfolie (weitere Flächenelektrode 352-2) und die untere Sensorfolie (weiteres Trägermaterial 384). Hierbei sind die Elektroden der oberen Sensorfolie (Flächenelektrode 344-2) oberhalb des biologischen Materials 150 bzw. oberhalb der wachsenden Zellschicht und des Atmosphärenraums in der ersten Kammer 310 angeordnet. Ferner dient die dünne obere Agarschicht 210 als Wachstumsoberfläche. Der Atmosphärenraum in der ersten Kammer 310 kann beispielsweise Luft, CO2 oder ein anderes Gas in beliebigen Mischungen, jeweils mit definierter Feuchte, aufweisen. Die Nährlösung in der zweiten Kammer 320 dient zur Nährstoffversorgung. Als Alternative zur Nährlösung in der zweiten Kammer 320 kann ein dickes unteres Nährmedium, wie beispielsweise eine dicke untere Agarschicht, verwendet werden. In diesem Fall können die Elektroden der unteren Sensorfolie (weitere Flächenelektrode 352-2) unterhalb der dicken unteren Agarschicht zur Nährstoffversorgung angeordnet werden.
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In 3 sind die impedimetrischen Messungen zwischen den oberen Elektroden der mittleren Sensorschicht (zwischen den Interdigitalelektroden 342), die impedimetrische Messung zwischen den Elektroden der oberen Sensorfolie und den oberen Elektroden der mittleren Sensorschicht (zwischen den Flächenelektroden 344-1, 344-2), die impedimetrische Messung zwischen den unteren Elektroden der mittleren Sensorschicht (zwischen den weiteren Interdigitalelektroden 346) und die impedimetrische Messung zwischen den Elektroden der unteren Sensorfolie und den unteren Elektroden der mittleren Sensorschicht (zwischen den weiteren Flächenelektroden 352-1, 352-2) jeweils durch die Feldlinien 360, 370, 362 und 372 dargestellt. Ferner ist der Stoffaustausch zwischen der dünnen oberen Agarschicht 210 in der ersten Kammer 310 und der Nährlösung in der zweiten Kammer 320 (oder der dicken unteren Agarschicht) durch Diffusion, wie beispielsweise von Nährstoffen und Metaboliten, durch die Pfeile 305 dargestellt.
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5 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 500 zum Versorgen von biologischem Material 150 mit Nährstoffen bei gleichzeitiger Messung. Das Verfahren 500 umfasst beispielsweise die folgenden Schritte. Zunächst wird ein Sensorelement 100 mit einer ersten Kammer 110, einer zweiten Kammer 120 und einer Membran 130, die zwischen der ersten Kammer 110 und der zweiten Kammer 120 angeordnet ist, bereitgestellt (Schritt 510). Ferner wird ein Feld in der ersten Kammer 110 mit Elektroden 140 erzeugt, um eine Impedanzmessung durchzuführen (Schritt 520). Schließlich erfolgt eine Versorgung von biologischem Material 150, das sich in der ersten Kammer 110 benachbart zu der Membran 130 befindet, basierend auf einer Nährlösung, die sich in der zweiten Kammer 120 befindet, mit Nährstoffen durch die Membran 130, ohne dass sich die erste Kammer 110 vollständig mit der Nährlösung füllt (Schritt 530).
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Bei dem in 5 gezeigten Verfahren 500 kann das Sensorelement 100 so bereitgestellt werden, dass die erste Kammer mit einem Gas gefüllt ist, so dass sich das biologische Material 150 in einer Gasatmosphäre befindet, wobei die zweite Kammer mit der Nährlösung gefüllt ist, die die Nährstoffe für das biologische Material 150 bereitstellt. Somit können gasförmige Metabolite, die von dem biologischen Material 150 in der ersten Kammer erzeugt werden, in die mit dem Gas gefüllte erste Kammer abgegeben werden, die von der mit der Nährlösung gefüllten zweiten Kammer durch die Membran getrennt ist.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, so dass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Sensorelement, das einfacher in der Handhabung ist und Kosten bei der Anwendung gegenüber herkömmlichen Verfahren einsparen kann.
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Bei Ausführungsbeispielen kann das Sensorelement so ausgeführt sein, dass es auch zur Probennahme dienen kann (Abklatsch der Probe).
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind dahingehend vorteilhaft, dass das Wachstum der Keime während der Kultivierung kontinuierlich und automatisiert überprüft werden kann, was zu einer Zeitersparnis bei positiven Proben führen kann, und dass die Endkontrolle schneller als beim herkömmlichen Verfahren erfolgt und hierfür kein qualifiziertes Personal erforderlich ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung haben insbesondere die folgenden Vorteile. Es wird eine Versorgung mit Nährstoffen über poröse/perforierte Trägerfolien ermöglicht. Metaboliten können in eine Nährlösung diffundieren. Ein Heizelement oder ein Temperatursensor kann in perforierte Trägerfolien eingearbeitet werden. Das Heizelement dient einerseits zur Sterilisierung der Messeinrichtung nach Abschluss der Messung und andererseits als elektrische Abschirmung zwischen einem Nährflüssigkeitsreservoir und der Agarschicht.
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Ausführungsbeispiele ermöglichen eine getrennte Impedimetrie von der Nährflüssigkeit für den Metabolismus und der Agarschicht für das Keimwachstum. Bei Ausführungsbeispielen befindet sich die Agarschicht in einer feuchtigkeitsgesättigten Gasatmosphäre. Dadurch kann eine impedimetrische Abtrennung der Agarschicht von dem umgebenden Medium ermöglicht werden, die besser ist als bei einer Lagerung der Agarschicht in einer Flüssigkeit. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann durch den Verzicht auf eine Aktuatorik ein einfacherer und unabhängiger bzw. Stand Alone-Betrieb ermöglicht werden (z. B. über in das System eingearbeitete Mikrochips). Schließlich kann bei Ausführungsbeispielen eine Störung der impedimetrischen Messung durch die Abgabe von gasförmigen Metaboliten als Bläschen in das umgebende Medium vermieden werden.
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Ganz allgemein schafft die vorliegende Erfindung ein Konzept, bei dem ein hoher personeller Aufwand und geschultes Personal nicht erforderlich sind. Mit anderen Worten kann ein hoher apparativer Aufwand vermieden werden, was daher für Qualitätskontrollen, bei denen eine Mehrzahl von Proben aufkeime untersucht werden muss, vorteilhaft ist.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich wie die bekannte Platten-Kultur-Analyse durch einen geringen apparativen Aufwand aus. Im Gegensatz zu der bekannten Platten-Kultur-Analyse ist hingegen der Bedarf an qualifiziertem Personal geringer und die Untersuchungszeit verhältnismäßig kurz. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine kontinuierliche Überwachung des Keimwachstums und eine schnelle, automatisierte Anwendung bei geringem personellen Aufwand.
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Zusammenfassend schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein Konzept zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung und Bestimmung von Keimen, das einfacher in der Handhabung ist als herkömmliche mikrobiologische Nachweisverfahren.
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Im Übrigen vereinen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung manche Vorteile der Platten-Kultur-Analyse mit denen des Impedanzverfahrens.
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Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind alle Bereiche, in welchen Hygiene eine Rolle spielt. Das kann von der automatisierten Messung in Lüftungskanälen über Abklatschproben in Küchen, Kantinen, lebensmitteltechnischen Fabriken, auch in Toiletten bis hin zu Anwendungen im Krankenhaus reichen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen Kartuschen, die händisch in ein geeignetes Gerät eingelegt werden können, das die notwendige Elektronik zur Datenverarbeitung etc. enthält, oder Kartuschen in einem automatisierten System zur regelmäßigen Beprobung (z. B. an unzugänglichen Stellen).
