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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zur Einzelzelldetektion sowie ein Verfahren hierzu.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Systeme bekannt, mit denen das Vorhandensein von Zellen in Suspensionen detektiert werden kann.
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Ebenfalls sind aus dem Stand der Technik bereits Systeme bekannt, die das Vorhandensein einer einzelnen Zelle sowie auch deren Eigenschaften detektieren können.
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So ist beispielsweise aus der
EP 2 483 663 A1 bereits eine Durchflusskammer mit einer Zellleiteinrichtung bekannt. Dabei ist eine Durchflusskammer eines Durchflusszytometers vorgesehen, in der markierte Zellen mit Hilfe eines entsprechenden Sensors mit hoher Wahrscheinlichkeit detektierbar sind. Die Durchflusskammer ist von einem magnetisch markierte Zellen aufweisenden Medium durchströmbar ist und weist zumindest einen an einer inneren Oberfläche der Durchflusskammer positionierten Sensor zur Zelldetektion auf. Weiterhin ist eine magnetische oder magnetisierbare Zellleiteinrichtung vorgesehen, die in Strömungsrichtung gesehen vor dem Sensor positioniert ist und die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie die strömenden, magnetisch markierten Zellen direkt über den Sensor leitet. Hiermit wird erreicht, dass nur ein geringer Anteil markierter Zellen den Sensor außerhalb von dessen Reichweite passiert.
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Aus der
EP 1 880 766 A1 ist ein Analysesystem für die hochparallele Einzelzelldetektion bekannt. Dabei wird ein Analysesystem beschrieben, das auf porösem Material basiert, z.B. Silizium. Insbesondere handelt es sich dabei um poröses Silizium mit einer Vielzahl durchgehender Kanäle und auf dessen Verwendung zumindest zur Zellseparation, zur Zelllyse und Aufreinigung von Zielmolekülen, zur Amplifikation von Nukleinsäuremolekülen oder zur Detektion von gesuchten Zielmolekülen. Dieses System bezieht sich auch auf ein Analyseverfahren unter Verwendung von porösem Silizium. An den Innenwänden der Kanäle sind monoklonale Antikörper zur Zellseparation und immobilisierte Fängermoleküle zur Zelllyse und Aufreinigung angebracht.
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Aus der
US 5,993,665 ist weiter ein Verfahren zur Quantifizierung von mikroskopischen biologischen Proben bekannt, wobei mittels Magnetfeldern das Verhalten von Zellen überprüft wird.
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Wünschenswert wäre jedoch eine vergleichsweise einfache und zuverlässige Einzelzelldetektion, die ohne komplexe Strukturen, Magnetfelder oder dergleichen auskommen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Messsystem zur Einzelzelldetektion mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass ein Messsystem zur Einzelzelldetektion wenigstens einen Messraum, wenigstens ein erstes leitfähiges Nano-Element und wenigstens ein zweites leitfähiges Nano-Element aufweist, wobei die Nano-Elemente derart zueinander im Messraum angeordnet sind, dass mittels der Nano-Elemente das Vorhandensein wenigstens einer einzigen Zelle dadurch detektierbar ist, dass die Zelle die beiden Nano-Elemente derart beeinflusst, insbesondere direkt und/oder indirekt kurzschließt, dass wenigstens ein elektrisches Signal messbar ist.
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Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass mittels Nano-Elementen eine Zellfalle für eine einzelne Zelle dadurch bereitgestellt wird, dass die benachbart zueinander angeordneten Nano-Elemente z.B. durch eine einzige Zelle kurzgeschlossen werden können. Durch diesen Kurzschluss kann dann eine einzige Zelle bzw. das Vorhandensein einer einzigen Zelle detektiert werden. Grundsätzlich können hierdurch auch mehrere Zellen erkannt werden. Dabei macht man sich zunutze, dass die Zellhülle bzw. die Oberfläche der Zelle leitfähig ist. Genutzt werden kann auch, dass in der Regel die Zelloberfläche mit leitfähiger Flüssigkeit benetzt ist, so dass hierdurch eine Kurzschlussmöglichkeit gegeben ist.
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Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass das erste Nano-Element eine entgegengesetzte Polung wie das zweite Nano-Element hat. So kann beispielsweise das erste Nano-Element positiv gepolt sein, d.h. einen Pluspol darstellen. In diesem Fall ist das zweite Nano-Element negativ gepolt, stellt somit einen Minuspol dar.
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Insgesamt ist das Messprinzip somit denkbar einfach.
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So können wenigstens zwei leitfähige Nano-Elemente vorhanden sein, die nicht miteinander verbunden sind. Folglich kann auch kein Strom fließen. Sollte sich jetzt aber eine oder auch mehrere Zellen auf den Nano-Elementen absetzen, so entsteht ein Kurzschluss, welcher wiederum beispielsweise von einer entsprechenden Elektronik, die jedoch nicht zwangsweise Bestandteil des Messsystems sein muss, detektiert werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass das erste Nano-Element und das zweite Nano-Element jeweils wenigstens eine Leiterbahn ist oder umfasst. Durch Leiterbahnen können größere Messstrecken realisiert werden und hierdurch auch die Detektion einzelner Zellen oder einer einzigen Zelle erleichtert werden.
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Denkbar ist insbesondere, dass das erste Nano-Element und/oder das zweite Nano-Element eine Breite aufweist bzw. aufweisen, die im Bereich zwischen ca. 100 nm bis ca. 1,5 µm, ggf. zwischen ca. 100 nm bis ca. 1,0 µm, vorzugsweise zwischen ca. 100-300 nm, insbesondere bei ca. 200 nm gewählt ist. Bei den Zellen, die sich in der Größenordnung von mehreren 10 bis auch teilweise über 200 nm Ausdehnung bewegen, beispielsweise Erythrozyten einer Größenordnung von 7,5 µm bis 250 µm, kann bei einer derartigen Wahl der Breite im Bereich zwischen 100 bis 300 nm bzw. 200 nm eine sichere Detektion derartiger Zellen ermöglicht werden.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass das erste Nano-Element und/oder das zweite Nano-Element einen Abstand zueinander aufweisen, der im Bereich zwischen ca. 100 nm bis ca. 1,5 µm, ggf. zwischen ca. 100 nm bis ca. 1,0 µm, vorzugsweise zwischen ca. 100-300 nm, insbesondere bei ca. 200 nm gewählt ist. Damit kann ein ausreichender Abstand zwischen den beiden Nano-Elementen gewählt sein und gleichzeitig sichergestellt werden, dass bei einem Auftreffen einer Zelle diese sich derart über die beiden Nano-Elemente legt, dass diese dadurch kurzgeschlossen und verbunden sind.
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Das Messsystem kann eine Fluidaufsaugstruktur aufweisen. Durch das Vorhandensein einer Fluidaufsaugstruktur kann beispielsweise eine Zellsuspension oder eine Flüssigkeit mit Zellen derart bewegt bzw. manipuliert werden, dass auf die Zellen in Richtung der Nano-Elemente bewegt werden können, um hierdurch eine Messung oder ein zu messendes Ereignis, nämlich eine Beeinflussung wie z.B. einen Kurzschluss der beiden Nano-Elemente durch die Zelle zu ermöglichen.
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Die Fluidaufsaugstruktur kann benachbart zu den beiden Nano-Elementen angeordnet sein. Denkbar ist beispielsweise, dass auf der Fluidaufsaugstruktur die beiden Nano-Elemente angeordnet sind bzw. werden.
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Die Fluidaufsaugstruktur kann ein Mikro-Schwamm oder Nano-Schwamm sein. Derartige Fluidaufsaugstrukturen können in Folge der Kapillarwirkung Flüssigkeiten gut aufsaugen und hierdurch Zellen in Richtung auf bzw. zu den Nano-Elementen bewegen. Derartige Strukturen ermöglichen ein Aufsaugen von Flüssigkeiten auch bei sehr geringen Flüssigkeitsmengen.
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Das erste Nano-Element und/oder das zweite Nano-Element kann mehrere Leiterbahnen umfassen. Durch das Vorhandensein mehrerer Leiterbahnen kann erreicht werden, dass leichter signalauslösende Ereignisse wie Kurzschlüsse generiert und damit auch mehrere Zellen gleichzeitig erfasst werden können. Gleichzeitig steigt auch die Wahrscheinlichkeit, eine einzige Zelle über eine größere Fläche detektieren zu können.
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Die Leiterbahnen können eine Mäanderstruktur ausbilden. Durch eine derartige Mäanderstruktur wird es beispielsweise möglich, größere Flächen und Oberflächen zu überdecken und hierdurch größere Messbereiche im Hinblick auf die zu überwachende Fläche auszubilden. Die Mäanderstruktur kann beispielsweise auch durch eine interdigitale Elektroden Struktur (IDES) ausgebildet sein.
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Das Messsystem kann beispielsweise zwei Mäanderstrukturen aufweisen, die ineinandergreifen. Das erste leitfähige Nano-Element ist dann der ersten Mäanderstruktur zugeordnet und das zweite leitfähige Nano-Element der zweiten Mäanderstruktur.
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Die Leiterbahnen des ersten Nano-Elementes und die Leiterbahnen des zweiten Nano-Elements können zumindest teilweise ineinandergreifen.
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Durch dieses Ineinanderschieben kann eine einfache Anordnungsgeometrie für die Nano-Elemente erreicht werden.
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Denkbar ist weiter, dass die Leiterbahnen eines Nano-Elementes parallel zueinander angeordnet sind. Dies ermöglicht eine einfache Anordnung der Nanoelemente zueinander.
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Denkbar ist auch weiter, dass mehrere Leiterbahnen an einem gemeinsamen Bogenelement angeschlossen sind. So ist insbesondere denkbar, dass an einem gemeinsamen Bogen eines Nano-Elementes mehrere Leiterbahnen entsprechend abzweigen.
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Diese Abzweigungen können nach Art von Fingern ausgebildet sein. Auch eine rechenartige Struktur oder dergleichen ist in diesem Zusammenhang denkbar.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Einzelzelldetektion. Dabei ist das Verfahren zur Einzelzelldetektion derart gestaltet, dass es wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellung wenigstens einem ersten leitfähigen Nano-Element und wenigstens einem zweiten leitfähigen Nano-Element;
- - Detektion des Vorhandenseins wenigstens einer einzigen Zelle mittels der Nano-Elemente dadurch, dass die Zelle die beiden Nano-Elemente beeinflusst.
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Das Verfahren kann mit dem vorstehend beschriebenen Messsystem bzw. den entsprechenden Ausführungsformen durchgeführt werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Messsystems;
- 2 eine weitere Darstellung des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messsystems;
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems;
- 4 eine weitere Darstellung des Messsystems gemäß 3;
- 5 eine weitere Darstellung des Messsystems gemäß 3;
- 6 eine weitere Darstellung des Messsystems gemäß 3;
- 7 eine weitere schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messsystems;
- 8 eine weitere Darstellung des Messsystems gemäß 7;
- 9 eine weitere Darstellung des Messsystems gemäß 7;
- 10 eine weitere Darstellung des Messsystems gemäß 7;
- 11 eine weitere Darstellung des Messsystems gemäß 7; und
- 12 eine schematische Darstellung des Messsystems gemäß 7.
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1 zeigt in schematischer Darstellung das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Messsystems 10 in einer sehr einfachen Ausführungsform.
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Das Messsystem 10 zu Einzelzelldetektion weist dabei einen Messraum M auf.
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Weiter ist ein erstes leitfähiges Nano-Element 12 und ein zweites leitfähiges Nano-Element 14 vorgesehen.
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Die Nano-Elemente 12 und 14 sind dabei als Leiterbahnen ausgeführt.
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Die Leiterbahn 12 ist dabei an einen Pluspol 16 und die Leiterbahn 14 an einen Minuspol 18 angeschlossen.
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Das Messsystem 10 kann dabei in einem nicht näher dargestellten Gefäß oder Behälter untergebracht sein.
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Beispielsweise ist denkbar, dass der Messraum M, in dem das erste leitfähige Nano-Element 12 und das zweite leitfähige Nano-Element 14 angeordnet sein können.
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2 zeigt das Messsystem 10 gemäß 1.
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Hier ist eine Zelle Z auf den beiden Leiterbahnen 12 und 14 abgelegt und erzeugt somit einen Kurzschluss.
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Das erste Nano-Element 12 und auch das zweite Nano-Element 14 weisen dabei jeweils eine Breite auf, die hier im Bereich zwischen 100 und 300 nm gewählt ist, nämlich bei ca. 200 nm.
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Der Abstand zwischen dem ersten Nano-Element 12 und dem zweiten Nano-Element 14 beträgt hier ebenfalls ca. 200 nm. Er ist also ebenfalls im Bereich zwischen ca. 100 bis 300 nm gewählt.
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Das Messsystem 10 kann weiter eine Elektronik aufweisen, die hier nicht näher dargestellt ist.
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Mittels der Messelektronik kann dann der Kurzschluss, wie in 2 gezeigt, durch die Zelle Z entsprechend detektiert werden.
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Wie ebenfalls in 1 und 2 ersichtlich ist, sind das erste Nano-Element 12 und das zweite Nano-Element 14 parallel zueinander angeordnet.
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Die beiden Leiterbahnen 12 und 14 überlappen sich dabei in großen Teilen, wobei jedoch in den dem Pluspol 16 bzw. Minuspol 18 zugewandten Abschnitten der jeweiligen Leiterbahn 12, 14 keine Überlappung vorliegt.
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Die Funktion des Messsystems 10 kann sich dabei wie folgt beschreiben lassen:
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Die beiden Nano-Elemente 12 und 14 sind dabei nicht miteinander verbunden.
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Das Nano-Element 12 mit seiner Leiterbahn 12 ist an den Pluspol 16 angeschlossen und damit positiv geladen.
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Das Nano-Element 14 mit seiner Leiterbahn 14 ist an den Minuspol 18 angeschlossen und dabei negativ geladen.
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Da die beiden Leiterbahnen 12, 14 bzw. Nano-Elemente 12, 14 nicht miteinander verbunden sind, kann auch kein Strom fließen.
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Sollte sich jetzt eine Zelle Z, wie in 2 gezeigt, auf die Leiterbahnen 12, 14 absetzen, so entsteht ein Kurzschluss, welcher wiederum von einer Messelektronik des Messsystems 10 oder einer mit dem Messsystem 10 verbundenen Messelektronik detektiert werden kann.
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Durch die Nano-Elemente 12, 14 kann eine Dimensionierung derart gewählt werden, dass Zellen im Bereich zwischen 7 µm bis 100 µm unproblematisch und sicher detektiert werden können.
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Detektierbar sind aber auch Bakterien bei entsprechender Dimensionierung der Nano-Elemente 12, 14, wobei diese Bakterien zwischen1-10 µm groß sind. Auch ist denkbar, die Dimensionierung so zu wählen, dass Bakterien mit einer Größe zwischen 0,4-0,8 µm detektiert werden können.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems 110.
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Das Messsystem 110 weist dabei sämtliche strukturellen und funktionalen Merkmale auf, wie das Messsystem 10 gemäß 1 und 2.
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Ähnliche bzw. identische Elemente sind dabei mit einem Bezugszeichen bezeichnet, das um den Betrag 100 erhöht ist.
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Zusätzlich weist das Messsystem 110 hier eine Fluidaufsaugstruktur 120 auf.
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Die Fluidaufsaugstruktur 120 ist hier ein Mikroschwamm 120. Mittels des Mikroschwammes 120 können Trägerfluide (d.h. Flüssigkeiten aller Art und Eignung), beispielsweise eine Zellsuspension 122 oder ein Tropfen einer Zellsuspension teilweise aufgesaugt werden.
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Ein derartiger Tropfen einer Zellsuspension 122 mit einer Zelle Z ist in 4 gezeigt.
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Mittels des Mikroschwammes 120 kann der Flüssigkeitsanteil 124 der Zellsuspension 122 aufgesaugt werden (vgl. 5).
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Wie in 6 gezeigt, ist nach erfolgter Aufsaugung des Flüssigkeitsanteils 124 der Zellsuspension 122 lediglich nur noch die Zelle Z auf den beiden Leiterbahnen 112, 114 der Nano-Elemente 112, 114 abgelegt, wodurch wieder erneut der Kurzschluss (vgl. auch 2) erzeugt wird.
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Dieser Kurzschluss kann dann entsprechend detektiert werden, wie vorstehend beschrieben, so dass auf das Vorhandensein einer Zelle entsprechend geschlossen werden kann.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messsystems 210 gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Das Messsystem 210 weist dabei sämtliche strukturellen und funktionalen Merkmale auf, wie das Messsystem 10 gemäß 1 und 2 bzw. wie das Messsystem 110 gemäß 3 bis 6.
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Ähnliche bzw. identische Elemente sind dabei mit einem Bezugszeichen bezeichnet, das um den Betrag 100 bzw. 200 erhöht ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind mehrere Nano-Elemente 212 bzw. 214 vorgesehen (vgl. auch Draufsicht gemäß 12).
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Dabei sind mehrere erste Nano-Elemente 212 vorgesehen, die an einem entsprechenden Bogenelement 213 angeschlossen sind.
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Die Leiterbahnen des zweiten Nano-Elements 214 sind dabei an einem Bogenelement 215 angeschlossen.
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Das Bogenelement 213 ist dann wiederum mit einer Messelektronik 230 und dem Pluspol 216 verbunden.
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Das Bogenelement 215 ist mit dem Minuspol 218 und ebenfalls mit der Messelektronik 230 verbunden.
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Die Messelektronik 230 wiederum ist mit einer Recheneinheit 240 verbunden, die beispielsweise ein PC, ein Tablet-PC, ein Handheld, ein Smartphone, ein Handy mit entsprechender Anwendung (sog. App) oder dergleichen ist.
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Mittels des PCs kann dann eine Auswertung der Messergebnisse vorgenommen werden.
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Ebenfalls ersichtlich ist eine Fluidaufsaugstruktur mit einem Mikroschwamm 220, der in einem Boden eines Gefäßes G angeordnet ist.
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In 7 ist die Zelle Z sowie ebenfalls die Flüssigkeit 224 der Zellsuspension 222 ersichtlich.
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In den 8 bis 11 wird das Messprinzip entsprechend gezeigt.
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Zunächst wird die Zellsuspension 222 von oben in das Gefäß G eingefüllt und über die Nano-Elemente 212, 214 geleitet.
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Um die Fluidverteilung entsprechend zu erleichtern, kann ein Verteilelement 250 von oben nachgeführt werden.
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Mittels des Verteilelements 250 (vgl. 9) kann eine Fluidverteilung dadurch erfolgen, dass die Zellsuspension 222 durch die Mäanderstruktur der Leiterbahnen des ersten und zweiten Nano-Elements 112, 114 hindurchgedrückt wird.
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In 11 ist sodann die gesamte Flüssigkeit 224 der Zellsuspension 222 durch die Fluidaufsaugstruktur 220 aufgenommen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messsystem
- 12
- erstes Nano-Element / Leiterbahn
- 14
- zweites Nano-Element / Leiterbahn
- 16
- Pluspol
- 18
- Minuspol
- 110
- Messsystem
- 112
- erstes Nano-Element / Leiterbahn
- 114
- zweites Nano-Element / Leiterbahn
- 116
- Pluspol
- 118
- Minuspol
- 120
- Fluidaufsaugstruktur / Mikroschwamm
- 122
- Zellsuspension
- 124
- Flüssigkeitsanteil
- 210
- Messsystem
- 212
- erstes Nano-Element / Leiterbahn
- 213
- Bogenelement
- 214
- zweites Nano-Element / Leiterbahn
- 215
- Bogenelement
- 216
- Pluspol
- 218
- Minuspol
- 220
- Mikroschwamm
- 222
- Zellsuspension
- 224
- Flüssigkeit
- 230
- Messelektronik
- 240
- Recheneinheit
- 250
- Verteilelement
- G
- Gefäß
- M
- Messraum
- Z
- Zelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2483663 A1 [0004]
- EP 1880766 A1 [0005]
- US 5993665 [0006]
