DE102012218052A1

DE102012218052A1 - Biosensor mit auswechselbarer Sensorplatte

Info

Publication number: DE102012218052A1
Application number: DE201210218052
Authority: DE
Inventors: Michael Höft; Olaf Bartz
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2014-04-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein System für die Detektion eines Analyten in einem Fluid zur Verfügung, das sich durch eine austauschbare Sensorplatte auszeichnet, in die sich eine durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugte akustische Welle einkoppeln lässt. Die akustische Welle breitet sich in der Sensorplatte aus, wobei die Ausbreitungseigenschaften durch eine Anlagerung des Analyten an einem sensitiven Oberflächenbereich der Sensorplatte beeinflusst werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die akustische Welle an einer anderen Stelle der Sensorplatte wieder ausgekoppelt, um so die Anlagerung des Analyten mit Hilfe eines weiteren piezoelektrischen Wandlers nachweisen zu können. Alternativ dazu können die Ausbreitungseigenschaften auch mit einem einzigen piezoelektrischen Wandler erfasst werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Sensorplatte eine Flusszelle auf, die das zu analysierende Fluid über den sensitiven Oberflächenbereich leitet. Auf diese Weise wird eine einfach zu handhabende Einheit geschaffen, die sich kostengünstig austauschen lässt.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Biosensoren, insbesondere auf Biosensoren, die auf der Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen basieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Für die automatisierte Detektion oder die quantitative Erfassung verschiedenster organischer Substanzen gibt es eine Reihe etablierter Verfahren, die auf einer Kombination einer spezifischen biochemischer Reaktion mit der nachzuweisenden Substanz (d. h. dem Analyten) und einem physikalischen Effekt zum Nachweis der erfolgten Reaktion beruhen. Für die Analyt-spezifische Reaktion können beispielsweise Antikörper verwendet werden, die auf der Oberfläche eines Substrats immobilisiert wurden. Durch die Bindung des Analyten an die immobilisierten Antikörper ändert sich unter anderem die Massenbelegung der Oberfläche, die mit geeigneten physikalischen Verfahren nachweisbar ist. Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren basiert auf der Ausbreitung von akustischen Oberflächenwellen (SAW: surface accoustic wave).
Der schematische Aufbau eines herkömmlichen SAW-Biosensors, wie er beispielsweise aus dem Artikel „Surface acoustic wave biosensors: a review" von K. Länge, B. E. Rapp und M. Rapp (Anal. Bioanal. Chem 391: 1509–1519, 2008) bekannt ist, ist in 1 dargestellt. Der Biosensor umfasst ein piezoelektrisches Substrat (100), auf dem ein erster Satz fingerförmig verzahnte Elektroden (112) einen ersten Wandler (110) zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen bildet. Derartige Wandler sind auch als Interdigitaltransducer (IDT) bekannt. Die durch diesen Wandler erzeugte Oberflächenwelle breitet sich längs der Oberfläche des Substrats (100) aus, wie dies in 1 durch den Pfeil angedeutet ist. Ein zweiter, gleichartiger Wandler (120) mit einem zweiten Satz verzahnter Elektroden (122) dient der Detektion der sich so ausbreitenden Welle.
Zwischen dem ersten Wandler (dem Sender) und dem zweiten Wandler (dem Empfänger) befindet sich ein für den Analyten sensitiver Oberflächenbereich (230). Dieser Oberflächenbereich kann beispielsweise Analyt-spezifische Moleküle (170) umfassen, die direkt oder indirekt auf der Sensoroberfläche immobilisiert sind, beispielsweise mit Hilfe einer Zwischenschicht aus Gold oder einer Lipid-Doppelschicht (160). Bei den Analyt-spezifischen Molekülen (170) kann es sich um Antikörper handeln, die spezifisch an den Analyten (180) binden.
Durch die Anlagerung des Analyten an den sensitiven Oberflächenbereich ändern sich die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche, die für die Ausbreitung der akustischen Oberflächenwelle verantwortlich sind. Durch eine Analyse der Wellenausbreitung zwischen dem Sender (110) und dem Empfänger (120) lassen sich Rückschlüsse auf die Konzentration des Analyten in dem umgebenden Fluid (Flüssigkeiten oder Gase) treffen. Zur Analyse eignen sich u. A. die Laufzeit, die Dämpfung, oder die spektralen Eigenschaften der Wellenausbreitung.
Eine Vorrichtung zur Erregung einer akustischen Oberflächenwelle in einem nicht-piezoelektrischen Element ist aus der deutschen Patentschrift DE 11 2005 002 562 B4 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird ein piezoelektrischer Interdigitaltransducer gegen das nicht-piezoelektrische Element gedrückt, wobei die Länge des piezoelektrischen Wandlers in senkrechter Richtung zu den fingerförmigen Elektroden so eingestellt ist, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der Welle, die sich auf dem piezoelektrischen Wandler fortpflanzt, beträgt, so dass stehende Wellen einer akustischen Welle auf dem piezoelektrischen Wandler erzeugt werden, wenn eine Wechselspannung an den Wandler angelegt wird, um auf diese Weise die akustische Oberflächenwelle auf dem nicht-piezoelektrischen Element zu erregen.
Eine Kartusche mit integriertem SAW-Sensor ist aus der WO 2009/153189 A1 bekannt. In dieser Kartusche ist ein Sensorchip zur Bestimmung eines Analyten in einem Fluid, insbesondere ein SAW-Sensor mit mehreren Sensorelementen, und eine Flusszelle zur Führung des Fluids über die für den Analyten sensitive Sensoroberfläche des Sensorchips vereint. Die Flusszelle weist ein Deckelteil auf, das auf die sensitive Sensoroberfläche aufgesetzt ist, wobei sich der Rand des Deckelteils vermittels einer Dichtung dichtend an die Sensoroberfläche anlegt, wobei Mittel zum Verspannen des Deckelteils gegen die Dichtung vorhanden sind und wobei der Sensorchip Leiterbahnen zur Kontaktierung der Sensoroberfläche aufweist, die aus der Flusszelle herausführen.
Für den Nachweis unterschiedlicher Analyten sind unterschiedliche Präparationen des sensitiven Oberflächenbereichs erforderlich. Je nach Analyt ist der sensitive Oberflächenbereich zudem unter Umständen nur einmalig oder nur für einen begrenzten Zeitraum verwendbar. Für einen kommerziellen Einsatz müssen die Biosensoren daher kostengünstig austauschbar sein. Dem steht jedoch der komplexe Aufbau des herkömmlichen Biosensors und die Verwendung des kostspieligen piezoelektrischen Substrats im Wege.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen für den Massenmarkt tauglichen Biosensor zu Verfügung zu stellen, der kostengünstig erneuerbar und/oder an wechselnde Aufgaben anpassbar ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die oben genannte Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, den Analyt-spezifischen Oberflächenbereich auf einer austauschbaren Sensorplatte anzuordnen, wobei die akustischen Wellen extern erzeugt werden und über geeignete Mittel in die Sensorplatte ein- und ggf. wieder ausgekoppelt werden. Da die akustischen Wellen nicht direkt in der Sensorplatte erzeugt werden, kann die Sensorplatte selbst aus einem kostengünstigen Material gefertigt werden. Bei einer Erneuerung der sensitiven Oberfläche können die piezoelektrischen Wandler zur Erzeugung und Detektion der akustischen Wellen wieder verwendet werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Bestimmung eines Analyten in einem Fluid zur Verfügung gestellt. Das System umfasst eine Messeinheit mit einem ersten piezoelektrischen Wandler zur Erzeugung akustischer Wellen und einem zweiten piezoelektrischen Wandler zur Detektion akustischer Wellen; eine austauschbare Sensorplatte mit einem für den Analyten sensitiven Oberflächenbereich, der mit dem Fluid in Kontakt bringbar ist; und eine Koppelvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Sensorplatte mit dem ersten piezoelektrischen Wandler und dem zweiten piezoelektrischen Wandler lösbar zu verbinden, so dass im verbundenen Zustand eine von dem ersten piezoelektrischen Wandler erzeugte akustische Welle durch die Sensorplatte zu dem zweiten piezoelektrischen Wandler übertragen wird, wobei die Übertragung der akustischen Welle von einer Konzentration des Analyten an dem sensitiven Oberflächenbereich abhängig ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messeinheit des Weiteren eine Elektronik, die dazu eingerichtet ist, den ersten piezoelektrischen Wandler anzusteuern und Signale von dem zweiten piezoelektrischen Wandler zu verarbeiten. Insbesondere kann die Elektronik dazu eingerichtet sein, die für die Ansteuerung des ersten piezoelektrischen Wandlers erforderliche Wechselspannung zu erzeugen oder das Signal von dem zweiten piezoelektrischen Wandler zu verstärken.
Vorteilhafterweise kann die Elektronik auch dazu eingerichtet sein, das ggf. verstärkte Signal auszuwerten und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Konzentration des Analyten in dem Fluid angibt.
In einer Alternative des ersten Aspekts umfasst das System eine Messeinheit mit einem ersten piezoelektrischen Wandler zur Erzeugung akustischer Wellen; eine austauschbare Sensorplatte mit einem für den Analyten sensitiven Oberflächenbereich, der mit dem Fluid in Kontakt bringbar ist; und eine Koppelvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Sensorplatte mit dem ersten piezoelektrischen Wandler lösbar zu verbinden, so dass im verbundenen Zustand eine von dem ersten piezoelektrischen Wandler erzeugte akustische Welle sich in der Sensorplatte ausbreitet, wobei die Ausbreitung der akustischen Welle von einer Konzentration des Analyten an dem sensitiven Oberflächenbereich abhängig ist und mittels des ersten piezoelektrischen Wandlers detektierbar ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Alternative umfasst die Messeinheit des Weiteren eine Elektronik, die dazu eingerichtet ist, den ersten piezoelektrischen Wandler anzusteuern und eine elektrische Eigenschaft des ersten piezoelektrischen Wandlers, vorzugsweise dessen Impedanz, zu erfassen. Insbesondere kann die Elektronik dazu eingerichtet sein, die für die Ansteuerung des ersten piezoelektrischen Wandlers erforderliche Wechselspannung zu erzeugen. Vorteilhafterweise kann die Elektronik auch dazu eingerichtet sein, die erfasste elektrische Eigenschaft (beispielsweise in Abhängig von der Frequenz der erzeugten Wechselspannung) auszuwerten und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Konzentration des Analyten in dem Fluid angibt.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung dieser Alternative umfasst die Messeinheit des Weiteren einen Wellenreflektor, insbesondere ein Reflektionsgitter, der/das dazu eingerichtet ist, die sich in der Sensorplatte ausbreitende akustische Welle in Richtung des ersten piezoelektrischen Wandlers zurück zu reflektieren. Auf diese Weise kann eine stehende Welle erzeugt erzeugt werden, deren Eigenschaften unter anderem von der Analytkonzentration abhängig sind.
Vorteilhafterweise ist die Koppelvorrichtung des Weiteren dazu eingerichtet, die Sensorplatte mit dem Wellenreflektor lösbar zu verbinden, so dass im verbundenen Zustand die sich in der Sensorplatte ausbreitende akustische Welle in Richtung des ersten piezoelektrischen Wandlers zurück reflektiert wird. Alternativ dazu kann auch die Sensorplatte, vorzugsweise an einer oder mehreren ihrer Kanten, dazu eingerichtet sein, die sich in der Sensorplatte ausbreitende akustische Welle in Richtung des ersten piezoelektrischen Wandlers zurück zu reflektieren.
Vorteilhafterweise umfasst die Koppelvorrichtung elastische Elemente, die dazu eingerichtet sind, die Sensorplatte gegen den ersten piezoelektrischen Wandler und/oder den zweiten piezoelektrischen Wandler und/oder den Wellenreflektor zu pressen. Alternativ kann die Koppelvorrichtung auch eine Unterdruckvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, einen Unterdruck zu erzeugen, so dass die Sensorplatte gegen den ersten piezoelektrischen Wandler und/oder den zweiten piezoelektrischen Wandler und/oder den Wellenreflektor gepresst wird. Auf diese Weise wird ein enger Kontakt zwischen den Wandlern oder dem Reflektor und der Sensorplatte sichergestellt, so dass die akustische Welle zuverlässig ein- und ausgekoppelt bzw. reflektiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der sensitive Oberflächenbereich auf der Oberseite der Sensorplatte angeordnet, wobei der erste piezoelektrische Wandler dazu eingerichtet ist, eine akustische Oberflächenwelle, vorzugsweise eine Love-Welle, zu erzeugen, und die Koppelvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Oberflächenwelle auf der Oberseite der Sensorplatte ein- und/oder auszukoppeln.
In einer anderen Ausführungsform ist der sensitive Oberflächenbereich ebenfalls auf der Oberseite der Sensorplatte angeordnet, wobei jedoch der erste piezoelektrische Wandler dazu eingerichtet ist, eine Plattenschwingung, vorzugsweise eine Lamb-Welle, zu erzeugen, und die Koppelvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Plattenschwingung auf der Oberseite oder der Unterseite der Sensorplatte ein- und/oder auszukoppeln.
Der erste und/oder der zweite piezoelektrische Wandler ist bevorzugt ein Interdigitaltransducer, der für die Erzeugung bzw. Detektion von akustischen Oberflächenwellen besonders geeignet ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorplatte zur Verwendung in einen System zur Bestimmung eines Analyten in einem Fluid gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bereit gestellt. Die Sensorplatte besteht aus einem nicht-piezoelektrischen Material, vorzugsweise aus Glas oder einem Kunststoff, und weist einen für den Analyten sensitiven Oberflächenbereich auf, der mit dem Fluid in Kontakt bringbar ist.
Vorzugsweise weist der sensitive Oberflächenbereich eine Beschichtung mit anorganischen und/oder organischen Substanzen auf, die zu einer selektive Anlagerung des Analyten führt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sensorplatte des Weiteren eine Flusszelle, die dazu eingerichtet ist, das Fluid über den für den Analyten sensitiven Oberflächenbereich zu leiten. Die Flusszelle besteht vorzugsweise aus Glas oder einem Kunststoff.
Vorteilhafterweise weist die Flusszelle zumindest eine Eintrittsöffnung für das Fluid auf, die vor einer erstmaligen Verwendung mit einer Folie versiegelt sind. Der sensitive Oberflächenbereich kann so vor Umwelteinflüssen geschützt werden.
Die Sensorplatte kann des Weiteren einen Einkoppelbereich aufweisen, der dazu eingerichtet ist, mit einem ersten piezoelektrischen Wandler verbunden zu werden, um eine akustische Welle einzukoppeln, und einen Auskoppelbereich aufweisen, der dazu eingerichtet ist, mit einem zweiten piezoelektrischen Wandler verbunden zu werden, um die akustische Welle wieder auszukoppeln, wobei die die akustische Welle von dem Einkoppelbereich durch die Sensorplatte zu dem Auskoppelbereich übertragbar ist und die Übertragung der akustischen Welle von einer Konzentration des Analyten an dem sensitiven Oberflächenbereich abhängig ist.
Alternativ kann die Sensorplatte auch einen Ein-/Auskoppelbereich aufweisen, der dazu eingerichtet ist, mit einem ersten piezoelektrischen Wandler verbunden zu werden, um eine akustische Welle ein- und auszukoppeln, wobei sich die akustische Welle ausgehend von dem Ein-/Auskoppelbereich in der Sensorplatte ausbreiten kann und die Ausbreitung der akustischen Welle von einer Konzentration des Analyten an dem sensitiven Oberflächenbereich abhängig ist.
Vorzugsweise ist die akustische Welle eine akustische Oberflächenwelle, höchst vorzugsweise eine Love-Welle, und die Sensorplatte hat eine Dicke von ungefähr 0,2 mm bis ungefähr 2 mm, höchst vorzugsweise von ungefähr 0,3 mm bis ungefähr 0,5 mm. Je nach Anwendungsbereich kann die akustische Welle aber auch eine Plattenschwingung sein, vorzugsweise eine Lamb-Welle, wobei die Sensorplatte dann eine Dicke von ungefähr 1 μm bis ungefähr 100 μm, höchst vorzugsweise von ungefähr 1 μm bis ungefähr 10 μm, aufweist.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleich oder ähnliche Elemente bezeichnen. Es zeigt:
1 schematisch den Aufbau eines herkömmlichen Biosensors,
2 schematisch den Aufbau eines Biosensors mit auswechselbarer Sensorplatte gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 schematisch den Aufbau eines Biosensors mit auswechselbarer Sensorplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 schematisch den Aufbau eines Biosensors mit auswechselbarer Sensorplatte gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 schematisch den Aufbau eines Biosensors mit auswechselbarer Sensorplatte gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
6 schematisch den Aufbau eines Biosensors mit auswechselbarer Sensorplatte gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
2 zeigt schematisch den Aufbau eines Biosensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Biosensor umfasst eine austauschbare Sensorplatte (200) mit einem Einkoppelbereich (in der Figur links) und einem Auskoppelbereich (in der Figur rechts), über die eine akustische Welle, insbesondere eine akustische Oberflächenwelle, ein- bzw. auskoppelbar ist. Die akustische Welle kann mittels eines ersten piezoelektrischen Wandlers (110) erzeugt werden und mittels eines zweiten piezoelektrischen Wandlers (120) detektiert werden. Die Ausbreitung der akustischen Welle in der Sensorplatte oder an deren Oberfläche wird in der Figur durch den Pfeil angedeutet.
Die beiden piezoelektrischen Wandler umfassen ein Substrat (111, 121) aus einem piezoelektrischen Material, wie z. B. einen Kristall aus Quarz, LiNbO₃ oder LiTaO₃, auf dem fingerförmig verzahnte Elektroden (112, 122) in der Art eines Interdigitaltransducers angeordnet sind. Die Elektroden können in einer Schutzschicht (113, 123) eingebettet sein. Der Aufbau und die Herstellung derartiger Wandler ist im Stand der Technik generell bekannt.
Für eine effektive Ein- und Auskopplung der akustischen Welle sollte ein guter Kontakt zwischen den piezoelektrischen Wandlern (110, 120) und der Sensorplatte (200) sichergestellt sein. (Der in den Figuren ersichtliche Spalt zwischen den Wandlern und der Sensorplatte dient nur der Klarheit der Darstellung und ist nicht maßstäblich.) Ein derartiger Kontakt kann beispielsweise durch eine geeignete Oberflächenbehandlung im Kontaktbereich und Ausüben eines mechanischen Drucks auf die Kontaktflächen hergestellt werden. Vorzugsweise erfolgt dies mit Hilfe einer Klemmvorrichtung, die die Sensorplatte gegen die Wandler drückt. Alternativen, wie z. B. die Verwendung einer Unterdruckvorrichtung, die die Sensorplatte mittels Unterdruck gegen die Wandler drückt, sind ebenfalls möglich.
Da die akustischen Wellen außerhalb der Sensorplatte erzeugt werden, muss diese keine piezoelektrischen Eigenschaften aufweisen und kann daher aus kostengünstigeren Materialien gefertigt werden. Insbesondere kann die Sensorplatte ein Substrat (210) aus Glas oder einem Kunststoff aufweisen. Dieses Substrat kann eine oder mehrere Beschichtungen (220) aufweisen. Die Materialien der Beschichtungen können ausgewählt werden, um die Ein- und Auskopplung der akustischen Wellen zu verbessern oder um deren Ausbreitung an der Oberfläche der Sensorplatte gezielt zu beeinflussen. Die Beschichtung kann außerdem für eine Immobilisierung der Analyt-spezifischen Substanzen (170) an der Oberfläche der Sensorplatte erforderlich sein. Insbesondere kann es sich dabei um eine dünne Metallschicht (z. B. Gold) handeln, auf der geeignete Antikörper immobilisiert werden. Die Beschichtung kann auch biologische Schichten umfassen, wie z. B. Dextran-Schichten oder Flüssigkristall-artige Schichten aus Lipiden oder andere selbst-organisierende Monoschichten, auf denen die Analyt-spezifischen Substanzen (170) immobilisert werden. Bei der Beschichtung kann es sich auch um eine Substanz handeln, die direkt für eine An- oder Einlagerung des Analyten sorgt, wie z. B. eine dünne Schicht aus Palladium, um so einen Sensitivität für Wasserstoff zu erhalten. Verschiedene Verfahren und Techniken zur Beschichtung des Substrats sind im Stand der Technik bekannt und für die vorliegende Erfindung anwendbar, wie z. B. Aufdampfen, Aufdrucken, Aufrakeln, Aufspühen, galvanische Verfahren, Tauchen, Abscheiden, etc.
Zur Realisierung der Spezifität für den gewünschten Analyten können die bei den herkömmlichen Biosensoren verwendeten Verfahren und Techniken zum Einsatz gebracht werden. Zur Detektion komplexer biochemischer Moleküle können insbesondere geeignete Antikörper auf der (beschichteten) Sensorplatte immobiliert werden. Verschiedene Verfahren und Techniken zur Herstellung und Immobilisierung der Analyt-spezifischen Substanzen sind im Stand der Technik bekannt und für die vorliegende Erfindung anwendbar.
Wenn die Sensorplatte mit dem ersten und dem zweiten Wandler gekoppelt ist, kann sich die akustische Welle in der Sensorplatte oder an dessen Oberfläche ausbreiten und so vom Senderwandler (110) zum Empfängerwandler (120) übertragen werden. Die Übertragung der Welle wird dabei durch die Verhältnisse an dem sensitiven Oberflächenbereich (230) beeinflusst. Beispielsweise ändert sich durch die Anlagerung des Analyten die Massebelegung in diesem Oberflächenbereich und damit die Geschwindigkeit oder andere Eigenschaften der Wellenausbreitung. Diese Änderung kann durch eine geeignete Auswerteelektronik erfasst und quantifiziert werden.
Da die Auswerteelektronik auch bei einem Austausch der Sensorplatte dauerhaft mit den piezoelektrischen Wandlern verbunden bleiben kann, ergeben sich im Gegensatz zu der herkömmlichen Vorrichtung aus 1 keine Probleme mit der elektrischen Kontaktierung zwischen der Elektronik und den Wandlern.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Art von akustischen Wellen beschränkt. So können neben Oberflächenwellen bei hinreichend dünner Ausgestaltung der Sensorplatte auch Plattenschwingungen, insbesondere Lamb-Wellen, angeregt und detektiert werden, bei denen die Sensorplatte in Membran-artige Schwingungen versetzt wird. Je nach Art des die Sensorplatte umgebenden Fluids können bestimmte Schwingungsmoden Vorteile aufweisen. In Flüssigkeiten werden beispielsweise Rayleigh-Schwingung stark gedämpft, so dass horizontal polarisierte Scherwellen, insbesondere Love-Wellen, den Vorteil haben, dass ihre Ausbreitungseigenschaften weniger von dem umgebenden Fluid als von der Anlagerung des Analyten abhängig ist. Sowohl die piezoelektrischen Wandler als auch die Sensorplatte können für die Erzeugung, Ausbreitung und Detektion einer bestimmten Wellenart eingerichtet sein.
Vorteilhafterweise ist die Art der verwendeten Welle und die Anordnung der Wandler und des sensitiven Oberflächenbereichs auf einander abgestimmt. Bei der Verwendung von Oberflächenwellen befinden sich Wandler und sensitiver Oberflächenbereich vorzugsweise auf der gleichen Seite der Sensorplatte. Bei Verwendung von Plattenschwingungen können sich die Wandler und der sensitive Oberflächenbereich auch auf entgegengesetzten Seiten der Sensorplatte befinden.
Ein Beispiel für eine Ausführungsform des Biosensors, bei der sich die Wandler und der sensitive Oberflächenbereich auf entgegengesetzten Seiten der Sensorplatte befinden, ist in 3 dargestellt. In dieser Ausführungsform erzeugt der erste piezoelektrische Wandler (110) vorzugsweise eine Plattenschwingung, die in die Sensorplatte (200) eingekoppelt wird und sich dort bis zu dem zweiten piezoelektrischen Wandler (120) ausbreitet. Der sensitive Oberflächenbereich (230) liegt auf der den Wandlern gegenüberliegenden Seite der Sensorplatte. Auf diese Weise können unterschiedliche Funktionen (Erzeugung und Detektion der akustischen Wellen einerseits und die (bio-)chemischen Reaktion im Kontakt mit dem Fluid andererseits) räumlich voneinander getrennt werden. Voraussetzung für die Anregung der Plattenschwingungen ist eine geeignete geometrische Dimensionierung der Sensorplatte, insbesondere bzgl. ihrer Dicke bei gegebenem Elastizitätsmodul. Bei Verwendung von Glas oder Kunststoff kann die Sensorplatte eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 100 μm aufweisen. Vorzugsweise weist die Sensorplatte eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 10 μm auf. Der Aufbau der piezoelektrischen Wandler und der Sensorplatte ist ansonsten identisch zu dem der vorherigen Ausführungsformen, auf deren detailierte Erläuterung verwiesen wird.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich von der Ausführungsform der 2 dadurch unterscheidet, dass auf der Sensorplatte eine Flusszelle (270) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, das Fluid mit dem Analyten über den sensitiven Oberflächenbereich (230) der Sensorplatte zu leiten. Die Flusszelle ist dabei vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie den sensitiven Oberflächenbereich (230) der Sensorplatte überdeckt. Der Aufbau der piezoelektrischen Wandler und der Sensorplatte ist ansonsten identisch zu dem der vorherigen Ausführungsformen, auf deren detailierte Erläuterung verwiesen wird. Die Ausführungsform der 4 kann auch mit der Ausführungsform der 3 kombiniert werden.
Die Flusszelle (270) kann aus jedem geigneten Material bestehen, beispielsweise Glas oder Kunststoff. Die Flusszelle kann zudem aus dem gleichen Material bestehen wie das Substrat (210) der Sensorplatte. Die Flusszelle (270) kann einstückig mit dem Substrat (210) der Sensorplatte hergestellt werden, beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren. Die Beschichtung (220) der Sensorplatte kann sich ganz oder teilweise über die gesamte Substratoberfläche erstrecken oder auf den Bereich, der von der Flusszelle umschlossen wird, begrenzt sein (nicht dargestellt).
Die Flusszelle hat zumindest eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung, durch die das Fluid geleitet werden kann. Die Ein- und Austrittsöffnungen können vor dem ersten Gebrauch der Sensorplatte mit einer Folie, z. B. Aluminiumfolie, versiegelt sein, um die sich in der Flusszelle befindlichen biologischen Schichten vor Umwelteinflüssen zu schützen. Beim Einsetzen der Sensorplatte in die Messvorrichtung werden die Schutzfolien entweder automatisch durchstochen (z. B. durch entsprechende Kanülen) oder sie werden vorher manuell entfernt.
Die Flusszelle kann in Form eines Mikrofluidkanals ausgeführt sein, um auch kleinste Fluidmengen im Mikroliter- und Nanoliterbereich analysieren zu können. Anstelle der Flusszelle kann auch eine Kammer mit nur einer Einfüllöffnung vorgesehen sein, die ebenfalls vor der erstmaligen Verwendung versiegelt sein kann. Eine derartige Konfiguration kann insbesondere für eine einmalige Verwendung der Sensorplatte ausgelegt sein.
Durch die Kombination der Sensorplatte mit einer Flusszelle, einem Mikrofluidkanal oder einer Kammer, sind alle Komponenten des Messsystems, die mit dem Fluid in Berührung kommen, in einer austauschbaren Einheit vereint. Der Betrieb der Messeinheit wird dadurch signifikant vereinfacht. Außerdem ist durch die Einheit aus Sensorplatte und Flusszelle (bzw. Mikrofluidkanal oder Kammer) sichergestellt, dass der sensitive Oberflächenbereich der Sensorplatte und die Flusszelle (bzw. Mikrofluidkanal oder Kammer) genau aneinander ausgerichtet sind und kein Fluid austreten kann. Die Handhabung der Messeinheit wird dadurch weiter vereinfacht.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann sowohl die Anregung als auch die Detektion der akustischen Welle in der Sensorplatte mit einem einzigen Wandler erfolgen. Die Ausbreitungseigenschaften der akustischen Welle in der Sensorplatte hängen empfindlich von der Anlagerung des Analyten am sensitiven Oberflächenbereich ab. Die Ausbreitungseigenschaften (Resonanzfrequenz, Dämpfung, etc.) können über elektrische Eigenschaften, insbesondere die Impedanz des zur Anregung der Welle verwendeten Wandlers erfasst werden. Die Konfiguration einer derartigen alternativen Ausführungsform mit nur einem Wandler entspricht den in 2 bis 4 gezeigten Konfigurationen, wobei lediglich der zweite piezoelektrische Wandler (120) weggelassen wird oder durch einen Reflektor ersetzt wird, wie dies untenstehend erläutert wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung der alternativen Ausführungsform ist zusätzlich ein Reflektor vorgesehen, der die von dem ersten und einzigen Wandler erzeugte Welle zurück reflektiert. Für den Reflektor kann insbesondere ein Reflektionsgitter verwendet werden, dessen Aufbau dem eines Interdigitaltransducer gleicht, wobei aber die ineinander verzahnten Finger elektrisch kurzgeschlossen sind. Derartige Reflektionsgitter sind beispielsweise aus dem Artikel „Improved Pure SH SAW Transduction Efficiency an LGS Using Finite Thickness Gratings" von T. B. Pollard und M. Pereira da Cunha (Ultrasonics Symposium, 2005 IEEE, Vol. 2, 18-21 Sept. 2005) bekannt.
5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit nur einem Wandler, die sich von der Ausführungsform der 2 dadurch unterscheidet, dass der zweite piezoelektrische Wandler (120) durch ein (optionales) Reflektionsgitter (130) ersetzt wurde.
Das Reflektionsgitter umfasst, ähnlich wie der piezoelektrische Wandler (110), ein Substrat (131) aus einem piezoelektrischen Material, wie z. B. einen Kristall aus Quarz, LiNbO₃ oder LiTaO₃, auf dem fingerförmig verzahnte und elektrisch miteinander verbundene Elektroden (132) angeordnet sind. Die Elektroden können in einer Schutzschicht (133) eingebettet sein.
Aufgrund des Reflektionsgitters 130 breitet sich die akustische Welle nicht mehr nur in einer Richtung aus, sondern wird von dem Reflektionsgitter 130 zurückgeworfen (angedeutet durch die Pfeile), so dass sich durch Überlagerung der beiden Wellen eine stehende Welle bilden kann. Abhängig von der Analytkonzentration, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle beeinflussen kann, und den geometrischen Gegebenheiten ändert sich die Resonanzfrequenz dieser Anordnung, die wiederum über das Impedanzverhalten des Wandlers 110 erfasst werden kann.
Anstelle eines Reflektors kann auch die Sensorplatte dazu eingerichtet sein, die akustische Welle an bestimmten Stellen zu reflektieren. Die Reflektion kann beispielsweise an den Kanten der Sensorplatte erfolgen, ohne dass dazu weitere Vorkehrungen getroffen werden müssen. Alternativ können die geometrischen oder mechanischen Eigenschaften der Sensorplatte, wie z. B. deren Dicke, gezielt beeinflusst oder variiert werden, um für eine Reflektion der akustischen Wellen an einer bestimmten Stelle der Sensorplatte zu sorgen.
6 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit nur einem Wandler, die sich von der Ausführungsform der 3 dadurch unterscheidet, dass der zweite piezoelektrische Wandler (120) weggelassen wurde und der verbleibende Wandler (110) mittig unter dem sensitiven Oberflächenbereich (230) angeordnet wurde. Die von diesem Wandler erzeugte akustische Welle kann sich in alle Richtungen ausbreiten (angedeutet durch die Pfeile) und wird ggf. an den Kanten der Sensorplatte reflektiert (nicht dargestellt). Wie bereits im Zusammenhang mit 5 erläutert, kann die Analytkonzentration über das Impedanzverhalten des Wandlers (110) ermittelt werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein System für die Detektion eines Analyten zur Verfügung gestellt, das sich durch eine austauschbare Sensorplatte auszeichnet, in die sich eine durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugte akustische Welle einkoppeln lässt. Die akustische Welle breitet sich in der Sensorplatte aus, wobei die Ausbreitungseigenschaften durch eine Anlagerung des Analyten an einem sensitiven Oberflächenbereich der Sensorplatte beeinflusst werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die akustische Welle an einer anderen Stelle der Sensorplatte wieder ausgekoppelt, um so die Anlagerung des Analyten mit Hilfe eines weiteren piezoelektrischen Wandlers nachweisen zu können. Alternativ dazu können die Ausbreitungseigenschaften auch mit einem einzigen piezoelektrischen Wandler erfasst werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Sensorplatte eine Flusszelle auf, die das zu analysierende Fluid über den sensitiven Oberflächenbereich leitet. Auf diese Weise wird eine einfach zu handhabende Einheit geschaffen, die sich kostengünstig austauschen lässt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112005002562 B4 [0006]
WO 2009/153189 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Surface acoustic wave biosensors: a review” von K. Länge, B. E. Rapp und M. Rapp (Anal. Bioanal. Chem 391: 1509–1519, 2008) [0003]
„Improved Pure SH SAW Transduction Efficiency an LGS Using Finite Thickness Gratings” von T. B. Pollard und M. Pereira da Cunha (Ultrasonics Symposium, 2005 IEEE, Vol. 2, 18-21 Sept. 2005) [0053]

Claims

System zur Bestimmung eines Analyten in einem Fluid, umfassend eine Messeinheit mit einem ersten piezoelektrischen Wandler zur Erzeugung akustischer Wellen und einem zweiten piezoelektrischen Wandler zur Detektion akustischer Wellen; eine austauschbare Sensorplatte mit einem für den Analyten sensitiven Oberflächenbereich, der mit dem Fluid in Kontakt bringbar ist; und eine Koppelvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Sensorplatte mit dem ersten piezoelektrischen Wandler und dem zweiten piezoelektrischen Wandler lösbar zu verbinden, so dass im verbundenen Zustand eine von dem ersten piezoelektrischen Wandler erzeugte akustische Welle durch die Sensorplatte zu dem zweiten piezoelektrischen Wandler übertragen wird, wobei die Übertragung der akustischen Welle von einer Konzentration des Analyten an dem sensitiven Oberflächenbereich abhängig ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Messeinheit des Weiteren eine Elektronik umfasst, die dazu eingerichtet ist, den ersten piezoelektrischen Wandler anzusteuern und Signale von dem zweiten piezoelektrischen Wandler zu verarbeiten.
System zur Bestimmung eines Analyten in einem Fluid, umfassend eine Messeinheit mit einem ersten piezoelektrischen Wandler zur Erzeugung akustischer Wellen; eine austauschbare Sensorplatte mit einem für den Analyten sensitiven Oberflächenbereich, der mit dem Fluid in Kontakt bringbar ist; und eine Koppelvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Sensorplatte mit dem ersten piezoelektrischen Wandler lösbar zu verbinden, so dass im verbundenen Zustand eine von dem ersten piezoelektrischen Wandler erzeugte akustische Welle sich in der Sensorplatte ausbreitet, wobei die Ausbreitung der akustischen Welle von einer Konzentration des Analyten an dem sensitiven Oberflächenbereich abhängig ist und mittels des ersten piezoelektrischen Wandlers detektierbar ist.
System nach Anspruch 3, wobei die Messeinheit des Weiteren eine Elektronik umfasst, die dazu eingerichtet ist, den ersten piezoelektrischen Wandler anzusteuern und eine elektrische Eigenschaft des ersten piezoelektrischen Wandlers, vorzugsweise dessen Impedanz, zu erfassen.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Messeinheit des Weiteren einen Wellenreflektor, insbesondere ein Reflektionsgitter, umfasst, der/das dazu eingerichtet ist, die sich in der Sensorplatte ausbreitende akustische Welle in Richtung des ersten piezoelektrischen Wandlers zurück zu reflektieren.
System nach Anspruch 5, wobei die Koppelvorrichtung des Weiteren dazu eingerichtet ist, die Sensorplatte mit dem Wellenreflektor lösbar zu verbinden, so dass im verbundenen Zustand die sich in der Sensorplatte ausbreitende akustische Welle in Richtung des ersten piezoelektrischen Wandlers zurück reflektiert wird.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Sensorplatte, vorzugsweise an einer oder mehreren ihrer Kanten, dazu eingerichtet ist, die sich in der Sensorplatte ausbreitende akustische Welle in Richtung des ersten piezoelektrischen Wandlers zurück zu reflektieren.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Koppelvorrichtung elastische Elemente umfasst, die dazu eingerichtet sind, die Sensorplatte gegen den ersten piezoelektrischen Wandler und/oder den zweiten piezoelektrischen Wandler und/oder den Wellenreflektor zu pressen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Koppelvorrichtung eine Unterdruckvorrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, einen Unterdruck zu erzeugen, so dass die Sensorplatte gegen den ersten piezoelektrischen Wandler und/oder den zweiten piezoelektrischen Wandler und/oder den Wellenreflektor gepresst wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der sensitive Oberflächenbereich auf der Oberseite der Sensorplatte angeordnet ist; wobei der erste piezoelektrische Wandler dazu eingerichtet ist, eine akustische Oberflächenwelle, vorzugsweise eine Love-Welle, zu erzeugen; wobei die Koppelvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Oberflächenwelle auf der Oberseite der Sensorplatte ein- und/oder auszukoppeln.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der sensitive Oberflächenbereich auf der Oberseite der Sensorplatte angeordnet ist; wobei der erste piezoelektrische Wandler dazu eingerichtet ist, eine Plattenschwingung, vorzugsweise eine Lamb-Welle, zu erzeugen; wobei die Koppelvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Plattenschwingung auf der Oberseite oder der Unterseite der Sensorplatte ein- und/oder auszukoppeln.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der erste und/oder der zweite piezoelektrische Wandler ein Interdigitaltransducer ist.
Sensorplatte zur Verwendung in einen System zur Bestimmung eines Analyten in einem Fluid nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Sensorplatte aus einem nicht-piezoelektrischen Material besteht, vorzugsweise aus Glas oder einem Kunststoff, und einen für den Analyten sensitiven Oberflächenbereich aufweist, der mit dem Fluid in Kontakt bringbar ist.
Sensorplatte nach Anspruch 13, wobei der sensitive Oberflächenbereich eine Beschichtung mit anorganischen und/oder organischen Substanzen aufweist, die zu einer selektive Anlagerung des Analyten führt.
Sensorplatte nach Anspruch 14, des Weiteren umfassend eine vorzugsweise aus Glas oder einem Kunststoff bestehende Flusszelle, die dazu eingerichtet ist, das Fluid über den für den Analyten sensitiven Oberflächenbereich zu leiten.
Sensorplatte nach Anspruch 15, wobei die Flusszelle zumindest eine Eintrittsöffnung für das Fluid aufweist, die vor einer erstmaligen Verwendung mit einer Folie versiegelt ist, um den sensitiven Oberflächenbereich zu schützen.
Sensorplatte nach einem der Ansprüche 13 bis 16, desweiteren umfassend einen Einkoppelbereich, der dazu eingerichtet ist, mit einem ersten piezoelektrischen Wandler verbunden zu werden, um eine akustische Welle einzukoppeln, und einen Auskoppelbereich, der dazu eingerichtet ist, mit einem zweiten piezoelektrischen Wandler verbunden zu werden, um die akustische Welle wieder auszukoppeln, wobei die die akustische Welle von dem Einkoppelbereich durch die Sensorplatte zu dem Auskoppelbereich übertragbar ist und die Übertragung der akustischen Welle von einer Konzentration des Analyten an dem sensitiven Oberflächenbereich abhängig ist.
Sensorplatte nach einem der Ansprüche 13 bis 16, desweiteren umfassend einen Ein-/Auskoppelbereich, der dazu eingerichtet ist, mit einem ersten piezoelektrischen Wandler verbunden zu werden, um eine akustische Welle ein- und auszukoppeln, wobei sich die akustische Welle ausgehend von dem Ein-/Auskoppelbereich in der Sensorplatte ausbreiten kann und die Ausbreitung der akustischen Welle von einer Konzentration des Analyten an dem sensitiven Oberflächenbereich abhängig ist.