DE102019000763A1

DE102019000763A1 - Arrangement for the electrical characterization of biological material

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Publication number: DE102019000763A1
Application number: DE102019000763.8A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-02-02
Filing date: 2019-02-02
Publication date: 2020-08-06

Abstract

Elektrische Vorrichtung zur Charakterisierung biologischen Materials bestehend ausa) Einer Probenkammer mit drei Elektrodenpaaren zur Einspeisung eines Messstromes (1, 2), zur Aufnahme einer Messspannung an der Probe (3, 4) und zum Anlegen eines gepulsten elektrischen Feldes (5, 6) an dem zu untersuchenden biologischen Material.b) Zwei unabhängig voneinander einstellbaren Pulsgeneratoren, die Pulse an die Elektroden 1, 2 und 5, 6 mit frei wählbaren Parametern, d. h. Pulsweite, Pulsfrequenz, Pulshöhe, Zeitverzögerung zwischen den Pulsen, Polarität und Verlauf von Anstieg und Abfall der jeweiligen Pulsflanken, ermöglichen.c) Einer Ablaufsteuerung, die die Einstellung der Pulsparameter in Abhängigkeit der zuvor erhaltenen Messergebnisse von Impedanz und Phasenverschiebung ermöglicht. Diese Einstellung kann entweder manuell durch eine Person oder durch einen zuvor programmierten Algorithmus oder einen selbstlernenden Algorithmus vorgenommen werden.Electrical device for characterizing biological material consisting of a) A sample chamber with three pairs of electrodes for feeding in a measuring current (1, 2), for receiving a measuring voltage on the sample (3, 4) and for applying a pulsed electric field (5, 6) to the biological material to be examined. b) Two independently adjustable pulse generators, the pulses to the electrodes 1, 2 and 5, 6 with freely selectable parameters, i.e. H. Pulse width, pulse frequency, pulse height, time delay between the pulses, polarity and course of the rise and fall of the respective pulse edges. C) A sequence control that enables the setting of the pulse parameters depending on the previously obtained measurement results of impedance and phase shift. This setting can be done either manually by a person or by a previously programmed algorithm or a self-learning algorithm.

Description

Anordnung zur elektrischen Charakterisierung von biologischen Material bestehend aus

a) einer Probenkammer mit einem ersten Elektrodenpaar (1, 2) zur Einspeisung eines Messstromes, einem zweiten Elektrodenpaar (3, 4) zur Aufnahme einer Messspannung an der Probe und einem dritten Elektrodenpaar (5, 6) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an dem zu untersuchenden biologischen Material,
b) zwei unabhängig voneinander einstellbaren Pulsgeneratoren, die Pulse mit frei wählbaren Parametern, d. h. Pulsweite (21, 25), Pulsfrequenz (34), Pulshöhe (20, 22), Zeitverzögerung zwischen den Pulsen (23, 27), Polarität und Verlauf von Anstieg und Abfall der jeweiligen Pulsflanken (28, 20; 31, 33), ermöglichen,
c) einer Ablaufsteuerung, die die Einstellung der Pulsparameter in Abhängigkeit der zuvor erhaltenen Messergebnisse von Impedanz und Phasenverschiebung ermöglicht. Diese Einstellung kann entweder manuell durch eine Person oder durch einen zuvor programmierten oder einen selbstlernenden Algorithmus vorgenommen werden.

Arrangement for the electrical characterization of biological material consisting of

a) a sample chamber with a first pair of electrodes ( 1 , 2nd ) for feeding a measuring current, a second pair of electrodes ( 3rd , 4th ) for recording a measuring voltage on the sample and a third pair of electrodes ( 5 , 6 ) to apply an electric field to the biological material to be examined,
b) two independently adjustable pulse generators, the pulses with freely selectable parameters, ie pulse width ( 21 , 25th ), Pulse rate ( 34 ), Pulse height ( 20 , 22 ), Time delay between the pulses ( 23 , 27 ), Polarity and course of rise and fall of the respective pulse edges ( 28 , 20 ; 31 , 33 ), enable,
c) a sequence control which enables the pulse parameters to be set as a function of the previously obtained measurement results of impedance and phase shift. This setting can be made either manually by a person or by a previously programmed or self-learning algorithm.

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung und ein elektrisches Verfahren zur Charakterisierung biologischen Materials.The invention relates to an electrical arrangement and an electrical method for characterizing biological material.

Es werden seit einiger Zeit verstärkt Bemühungen unternommen, biologisches Material mit Hilfe elektrischer Methoden zu charakterisieren. Weit verbreitet sind Verfahren, bei denen optischer Kontrast ausgenutzt wird. Hierfür ist es vielfach erforderlich, Fremdsubstanzen dem Probenmaterial hinzuzufügen, was als Anfärben oder „Staining“ bezeichnet wird. Auf diese Weise lassen sich z. B. verschiedene Zelltypen voneinander unterscheiden. Die Aufnahme von chemischen Wirkstoffen kann allerdings das Verhalten und die Vitalität von Zellen verändern, weshalb die Zellen für weitere Experimente nur noch eingeschränkt verwendbar sind. Es besteht deshalb großes Interesse an einem Verfahren, bei dem keine Fremdstoffe dem biologischem Material zugesetzt werden müssen und auch in keiner anderen Weise das biologische Material in seinen Eigenschaften verändert wird, aber dennoch möglichst umfassend das biologische Material bezüglich seiner Eigenschaft charakterisiert wird.For some time now, efforts have been made to characterize biological material using electrical methods. Methods in which optical contrast is used are widespread. To do this, it is often necessary to add foreign substances to the sample material, which is referred to as staining. In this way, z. B. differentiate different cell types from each other. However, the absorption of chemical agents can change the behavior and vitality of cells, which is why the cells can only be used to a limited extent for further experiments. There is therefore great interest in a method in which no foreign substances have to be added to the biological material and the properties of the biological material are not changed in any other way, but the properties of the biological material are characterized as comprehensively as possible.

Es ist bekannt, dass sich die einzelnen Körperorgane in dem Aufbau und der Struktur ihres Gewebes und weiteren biologischen Materials deutlich unterscheiden. Damit ist auch ein unterschiedliches elektrisches Verhalten des Gewebes und des biologischen Materials der verschiedenen Körperorgane verbunden. Dieses elektrische Verhalten lässt sich mit den Beträgen von Spannung und Strom an der zu charakterisierenden Probe, aus denen sich der Betrag der Impedanz der Probe ergibt, sowie der Zeitverzögerung zwischen dem Auftreten von Spannung und Strom, was als Phase oder Phasenverschiebung bezeichnet wird, beschreiben. Unter Impedanz ist der elektrische Widerstand zu verstehen, der auftritt, wenn an eine Probe eine Spannung angelegt wird, die sich zeitabhängig verändert.
So ließ sich z. B. zeigen, dass sich Impedanz und Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz (Impedanzspektroskopie) von unterschiedlichen Organen bei Mäusen deutlich voneinander unterscheiden [Juan Jose Montero, Impedance spectroscopy for characterization of biological matter, Logos Verlag Berlin, 2018]. Es ließ sich auch ein wesentlicher Unterschied zwischen den Werten von Impedanz und Phase bei gesunden Gewebe und Krebsgewebe nachweisen [Viviane S. Teixeira, Juan J. Montero-Rodriguez, Wolfgang Krautschneider, Bioimpedance Spectroscopy for Characterization of Healthy and Cancerous Tissues, IEEE Int. Conf. on Electrical Engineering and Photonics, Saint Petersburg]. Bei diesen Messungen sind sehr kleine Spannungen im Bereich von ca. 10 mV an dem zu untersuchenden biologischen Material zum Einsatz gekommen, die nicht in der Lage sind, dieses Material in irgendeiner Weise zu verändern.It is known that the individual body organs differ significantly in the structure and structure of their tissue and other biological material. This is also linked to a different electrical behavior of the tissue and the biological material of the different body organs. This electrical behavior can be described with the amounts of voltage and current on the sample to be characterized, from which the amount of the impedance of the sample results, and the time delay between the occurrence of voltage and current, which is referred to as phase or phase shift. Impedance is understood to be the electrical resistance that occurs when a voltage is applied to a sample that changes over time.
So z. B. show that impedance and phase shift as a function of frequency (impedance spectroscopy) of different organs in mice differ significantly from one another [Juan Jose Montero, Impedance spectroscopy for characterization of biological matter, Logos Verlag Berlin, 2018]. There was also a significant difference between the impedance and phase values in healthy tissue and cancer tissue [Viviane S. Teixeira, Juan J. Montero-Rodriguez, Wolfgang Krautschneider, Bioimpedance Spectroscopy for Characterization of Healthy and Cancerous Tissues, IEEE Int. Conf. on Electrical Engineering and Photonics, Saint Petersburg]. In these measurements, very small voltages in the range of approx. 10 mV were used on the biological material to be examined, which are not able to change this material in any way.

Das genaue Verhalten des elektrischen Widerstandes beim Anlegen einer Wechselspannung, d. h. der Impedanz, ist aber bisher wenig verstanden. Es gibt zwar Publikationen mit experimentellen Werten, aus denen sich aber keine aussagekräftigen Informationen über den Aufbau und die Struktur der Probe entnehmen lassen. Ein wesentlicher Grund besteht darin, dass in einer typischen biologischen Probe das Impedanzsignal von den unterschiedlichen chemischen Verbindungen und Substanzen in der Probe erzeugt wird, die jede für sich eine unterschiedliche Impedanz aufweisen. Das gemessene Impedanzsignal besteht deshalb aus der Superposition dieser einzelnen Signale. Eine Aufteilung des Superpositionssignals in seine einzelnen Komponenten ist bisher nicht möglich.
Es ist bekannt, dass bei niedrigen Frequenzen die sog. Alpha-Dispersion auftritt, die von den Gewebeeigenschaften abhängt. Für die Alpha-Dispersion wird z. B. ein Frequenzbereich von 10 Hz bis zu einigen kHz angegeben. Man muss hier allerdings noch verschiedene Bereiche der Alpha-Dispersion unterscheiden, die durch die mechanische Auslenkung der polarisierten Moleküle in einem elektrischen Feld auftreten und insbesondere bei sehr niedrigen Frequenzen sichtbar werden. Je nach Struktur, Größe und Polarisation der Moleküle sind ihre Auslenkung und ihr Zeitverhalten unterschiedlich. Diese Effekte treten bis zu sehr kleinen Frequenzen, die kleiner als 1 Hz sein können, auf. So können bei sehr kleinen Frequenzen die Moleküle dem elektrischen Feld nachfolgen, so dass es zu einem charakteristischen Verlauf der Impedanz kommt. Die Intensität der Bewegung der Moleküle in Richtung des angelegten elektrischen Feldes nimmt bei etwas höheren Frequenzen ab und kommt zum Erliegen, wenn die Reibung mit dem Medium, in dem sich die Moleküle bewegen, aufgrund der schnelleren Molekülbewegungen einen gleichen Wert erreicht wie die Feldkraft.
Wegen des kapazitiven Verhaltens der Arbeitselektroden können nur mit einer Anordnung, bei der Arbeits- und Messelektroden getrennt sind, valide Werte der Impedanz des biologischen Materials gewonnen werden.The exact behavior of the electrical resistance when an AC voltage is applied, ie the impedance, has so far been poorly understood. There are publications with experimental values, but no meaningful information about the structure and structure of the sample can be found. An essential reason is that in a typical biological sample, the impedance signal is generated by the different chemical compounds and substances in the sample, each of which has a different impedance. The measured impedance signal therefore consists of the superposition of these individual signals. It has not been possible to divide the superposition signal into its individual components.
It is known that so-called alpha dispersion occurs at low frequencies, which depends on the properties of the tissue. For the alpha dispersion z. B. specified a frequency range from 10 Hz to a few kHz. However, one has to differentiate between different areas of the alpha dispersion, which occur due to the mechanical deflection of the polarized molecules in an electrical field and are particularly visible at very low frequencies. Depending on the structure, size and polarization of the molecules, their deflection and their time behavior differ. These effects occur down to very low frequencies that are less than 1 Hz can be on. In this way, the molecules can follow the electric field at very low frequencies, resulting in a characteristic course of the impedance. The intensity of the movement of the molecules in the direction of the applied electric field decreases at somewhat higher frequencies and comes to a standstill when the friction with the medium in which the molecules move reaches the same value as the field force due to the faster molecular movements.
Because of the capacitive behavior of the working electrodes, valid values of the impedance of the biological material can only be obtained with an arrangement in which the working and measuring electrodes are separated.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, um eine möglichst zuverlässige und genaue Charakterisierung von biologischem Material durchzuführen.The object of the present invention is to provide a device and a method for performing a reliable and accurate characterization of biological material.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die für diesen Zweck erforderlichen Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the subject matter of claim 1. The configurations of the invention required for this purpose are specified in the subclaims.

Die Erfindung stellt eine Anordnung zur elektrischen Charakterisierung von biologischem Material bereit, bestehend aus:

a) Einer Probenkammer mit drei Paaren von Elektroden mit jeweils unterschiedlichen elektrischen Funktionen. Das erste Elektrodenpaar dient der Einspeisung und Ausleitung eines Wechselstromes durch das biologische Material (Arbeitselektroden). Mit dem zweiten Elektrodenpaar wird der Spannungsabfall abgeleitet, der beim Durchgang des Messstromes durch das biologische Material an diesem auftritt, und einem Auswertegerät zugeführt, das die Impedanz und die Phasenverschiebung, die an dem biologischen Material auftreten, bestimmt (Messelektroden). Mit dem dritten Elektrodenpaar wird ein elektrisches Feld an das biologische Material angelegt (Feldelektroden). Dieses elektrische Feld kann zeitlich konstant sein, aber auch zeitlich variabel. Dies gilt sowohl für die Stärke des elektrischen Feldes als auch für seine Richtung. Sowohl die Stärke des elektrischen Feldes als auch seine Richtung können in Abhängigkeit von dem Messstrom gewählt werden, der in das biologische Material eingespeist wird.
b) Einem Pulsgenerator, der Pulse mit unterschiedlicher Weite, Höhe, Verlauf des Spannungs- oder Stromanstiegs, Verlauf des Spannungs- oder Stromabfalls, Frequenz und Zeitverzögerung zwischen den Pulsen ermöglicht. Diese Parameter des Pulses können in Abhängigkeit von der jeweiligen Impedanz und/oder Phasenverschiebung gesteuert werden.
c) Aus einer gesamten Messanordnung, die so aufgebaut ist, dass an das erste Elektrodenpaar ein Pulsgenerator mit den beschriebenen Eigenschaften angeschlossen wird. An das dritte Elektrodenpaar wird ebenfalls ein Pulsgenerator mit den beschriebenen Eigenschaften angeschlossen. Beide Pulsgeneratoren sind über eine Kontrolleinrichtung an das Messsystem zur Bestimmung der Impedanz angeschlossen.
d) Einer Ablaufsteuerung, die so aufgebaut ist, dass z. B. die Impedanzmessung mit einem bestimmten gepulsten Strom beginnt, dessen Frequenz in einem weiten Bereich variiert wird. Anschließend wird ein Puls mit unterschiedlicher Weite an das biologische Material angelegt und die zeitabhängige Variation der Impedanz gemessen, woraus sich z. B. die Relaxationszeit der biologischen Probe entnehmen lässt. Diese Relaxationszeiten sind spezifisch für die jeweiligen chemischen Verbindungen, aus denen die Probe aufgebaut ist. Diese Abhängigkeiten der Impedanz ergeben sich auch bei der Variation der anderen Pulsparameter, d. h. der Höhe der Pulsspannung oder des Pulsstromes, der Frequenz und des zeitlichen Verlaufs der ansteigenden und abfallenden Pulsflanke. Aufgrund der hohen Variabilität der verwendbaren Pulsparameter lässt sich nicht nur die Impedanz und die Phasenverschiebung bei einem gegebenen Wechselspannungs- oder Stromsignal bestimmen, sondern auch die Einschwingzeit, mit der die angeregten Moleküle einer schnellen Änderung der angelegten Spannung oder des angelegten Stromes folgen können. Durch die Feldelektroden, deren zeitabhängige Spannung in Abhängigkeit von der an die Arbeitselektroden angelegten Spannung oder Strom gesteuert wird, lässt sich unabhängig von dem Strom oder der Spannung an den Arbeitselektroden das elektrische Verhalten des biologischen Materials in definierter Form verändern, so dass ein zusätzlicher Parameter für die Charakterisierung des biologischen Materials zur Verfügung steht. Dies kann z. B. vorteilhaft verwendet werden, um zu verifizieren, ob durch die an die Arbeitselektroden angelegte Spannung oder Strom eine Bewegung der Moleküle erfolgt oder ob es sich um eine stationäre Rotation handelt. Weiterhin lässt sich durch Variation der Verzögerungszeit zwischen den Pulsen die Intensität der Bewegung und der Rotation ermitteln. Daraus lassen sich genaue Rückschlüsse auf die Struktur und Größe der Moleküle ziehen. Weiterhin können so durch die Pulsvariation an den Feldelektroden, durch die unterschiedliche Impedanzsignale erzeugt werden, verschiedene Substanzen voneinander unterschieden werden.

The invention provides an arrangement for the electrical characterization of biological material, consisting of:

a) A sample chamber with three pairs of electrodes, each with different electrical functions. The first pair of electrodes is used to feed and discharge an alternating current through the biological material (working electrodes). With the second pair of electrodes, the voltage drop that occurs when the measuring current passes through the biological material is derived and fed to an evaluation device that determines the impedance and the phase shift that occur on the biological material (measuring electrodes). With the third pair of electrodes, an electric field is applied to the biological material (field electrodes). This electric field can be constant over time, but also variable over time. This applies to both the strength of the electric field and its direction. Both the strength of the electric field and its direction can be selected depending on the measuring current that is fed into the biological material.
b) A pulse generator that enables pulses with different width, height, course of the voltage or current rise, course of the voltage or current drop, frequency and time delay between the pulses. These parameters of the pulse can be controlled as a function of the respective impedance and / or phase shift.
c) From an entire measuring arrangement, which is constructed in such a way that a pulse generator with the described properties is connected to the first pair of electrodes. A pulse generator with the described properties is also connected to the third pair of electrodes. Both pulse generators are connected to the measuring system for determining the impedance via a control device.
d) A sequential control system that is constructed such that, for. B. the impedance measurement begins with a certain pulsed current, the frequency of which is varied over a wide range. Then a pulse with different width is applied to the biological material and the time-dependent variation of the impedance is measured. B. the relaxation time of the biological sample. These relaxation times are specific for the respective chemical compounds from which the sample is constructed. These dependencies of the impedance also result from the variation of the other pulse parameters, ie the level of the pulse voltage or the pulse current, the frequency and the time profile of the rising and falling pulse edge. Due to the high variability of the pulse parameters that can be used, not only the impedance and the phase shift can be determined for a given alternating voltage or current signal, but also the settling time with which the excited molecules can follow a rapid change in the applied voltage or the applied current. The field electrodes, whose time-dependent voltage is controlled as a function of the voltage or current applied to the working electrodes, can be used to change the electrical behavior of the biological material in a defined form, regardless of the current or voltage, so that an additional parameter for the characterization of the biological material is available. This can e.g. B. can be used advantageously to verify whether the voltage or current applied to the working electrodes causes a movement of the molecules or whether it is a stationary rotation. Furthermore, the intensity of the movement and the rotation can be determined by varying the delay time between the pulses. This enables precise conclusions to be drawn about the structure and size of the molecules. Furthermore, through the Pulse variation on the field electrodes, by means of which different impedance signals are generated, different substances are distinguished from one another.

Die Erfindung ermöglicht eine hochgenaue und spezifische elektrische Charakterisierung von biologischem Material. Bei der Verwendung sehr kleiner Probenkammern und integrierter Schaltkreise, die sowohl die Auswertung des Messsignals bezüglich Impedanz und Phasenverschiebung durchführen als auch die Pulse mit variablen Parametern für die Arbeitselektroden, die den Probenstrom zur Verfügung stellen, und für die Feldelektroden bereitstellen, lässt sich das System sehr kompakt aufbauen. Die integrierten Schaltkreise können z. B. als Application Specific Integrated Circuits (ASIC) hergestellt werden, um so die für die elektrische Charakterisierung des biologischen Materials passgenauen elektrischen Eigenschaften und Steuerungsmöglichkeiten zur Verfügung zu stellen.
Durch die räumlich direkte Anordnung der integrierten Schaltkreise an den Probenkammern lassen sich elektrische Störungen, die bei längeren Drahtverbindungen auftreten können, vermeiden und es lässt sich ein kompakter Aufbau realisieren, der kompatibel mit den in biologischen Laboratorien verwendeten Multi-Proben-Arrays ist.The invention enables a highly precise and specific electrical characterization of biological material. When using very small sample chambers and integrated circuits that perform the evaluation of the measurement signal with regard to impedance and phase shift as well as the pulses with variable parameters for the working electrodes that provide the sample stream and for the field electrodes, the system can be made available very easily build compact. The integrated circuits can e.g. B. as Application Specific Integrated Circuits (ASIC), so as to provide the electrical properties and control options available for the electrical characterization of the biological material.
Due to the spatially direct arrangement of the integrated circuits on the sample chambers, electrical disturbances that can occur with longer wire connections can be avoided and a compact structure can be realized that is compatible with the multi-sample arrays used in biological laboratories.

Unter biologischem Material sind Proben von Gewebe, flüssigen oder festen Substanzen und ein Konglomerat auch aus einzelne Zellen zu verstehen, die in Lebewesen unter natürlichen Umständen vorkommen. Das biologische Material kann von Menschen, Säugetieren oder anderen Tiergattungen stammen, aber auch von Pflanzen. Es kann sich auch z. B. um Bakterien, Pilze oder Viren handeln.Biological material means samples of tissue, liquid or solid substances and a conglomerate of individual cells that occur naturally in living things. The biological material can come from humans, mammals or other animal species, but also from plants. It can also z. B. bacteria, fungi or viruses.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind integrierten Schaltkreise zur Auswertung des Messstroms für Impedanz und Phase mit den Schaltkreisen für die Generation der Pulse, die an die Arbeitselektroden und an die Feldelektroden angelegt werden, über einen Datenbus miteinander verbunden. Dieser Datenbus ermöglicht die Kommunikation der Schaltkreise untereinander, aber auch die Steuerung der Messanordnung über einen angeschlossenen PC. Mit diesem PC kann eine Person die Messung steuern, es können aber auch Algorithmen zum Selbstlernen implementiert werden, die die Steuerung des Systems auf der Grundlage der aktuellen Messwerte durchführen und die mit einer statistischen Datenbasis auf der Grundlage vorheriger Messergebnisse parametrisiert sind.

1 eine schematische Sicht auf eine Probenkammer
2 eine schematische Darstellung der Funktionsblöcke des Pulsgenerators
3 als Beispiele einige der Pulsformen, die der Generator zur Verfügung stellen kann.
4 Ablaufdiagramm zur Steuerung des Pulsgenerators

In a preferred embodiment, integrated circuits for evaluating the measurement current for impedance and phase are connected to one another via a data bus with the circuits for the generation of the pulses which are applied to the working electrodes and to the field electrodes. This data bus enables the circuits to communicate with each other, but also to control the measuring arrangement via a connected PC. With this PC, a person can control the measurement, but self-learning algorithms can also be implemented that control the system based on the current measurement values and that are parameterized with a statistical database based on previous measurement results.

1 a schematic view of a sample chamber
2nd is a schematic representation of the functional blocks of the pulse generator
3rd as examples, some of the pulse shapes that the generator can provide.
4th Flow diagram for controlling the pulse generator

1 zeigt in a) eine Draufsicht auf eine Probenkammer mit einem Paar Arbeitselektroden (1, 2), zwei Paaren Messelektroden (3, 4) und einem Paar Feldelektroden (5, 6).
Die Elektroden können auch in gleicher Anordnung in Form von Spitzenelektroden ausgeführt sein, wie in gezeigt. 1 shows in a) a top view of a sample chamber with a pair of working electrodes ( 1 , 2nd ), two pairs of measuring electrodes ( 3rd , 4th ) and a pair of field electrodes ( 5 , 6 ).
The electrodes can also be designed in the same arrangement in the form of tip electrodes as in shown.

2 zeigt die Funktionsblöcke des Pulsgenerators zur Generation von Pulsen mit hoher Variabilität der Pulsparameter. Funktionsblock 10 stellt die Pulsweite ein, Funktionsblock 11 Pulsfrequenz, Funktionsblock 12 die Höhe des Spannungs- oder Strompulses, Funktionsblock 13 die Verzögerungszeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen, Funktionsblock 14 eine positive oder negative Polarität der Pulsspannung oder des Pulsstromes, Funktionsblock 15 den zeitlichen Verlauf der Pulsanstiegsflanke und Funktionsblock 16 den zeitlichen Verlauf der Pulsbfallflanke. Die Funktionsblöcke liefern ein synthetisiertes Gesamtsignal an den Ausgang 18. Das gesamte System lässt sich über einen Bus 17 steuern, mit dem auch die Parameter für die einzelnen Funktionsblöcke 10 - 16 eingestellt werden. 2nd shows the function blocks of the pulse generator for the generation of pulses with high variability of the pulse parameters. Function block 10th sets the pulse width, function block 11 Pulse rate, function block 12th the level of the voltage or current pulse, functional block 13 the delay time between two successive pulses, function block 14 a positive or negative polarity of the pulse voltage or pulse current, function block 15 the time course of the pulse rising edge and function block 16 the time course of the pulse falling edge. The function blocks deliver a synthesized overall signal to the output 18th . The entire system can be operated via a bus 17th control with which the parameters for the individual function blocks 10-16 can be set.

3 zeigt Beispiele für mögliche Verläufe der Spannungs- oder Strompulse. Die Höhe des Spannungs- oder Strompulses 20, die Weite der positiven Amplitude 21, die Höhe der abfallenden Flanke 22, die Zeitverzögerung bis zum nächsten Puls 23, die Höhe der negativen Amplitude 24, die Weite der negativen Amplitude 25, die Höhe der ansteigenden Flanke 26 und die nachfolgende Zeitverzögerung 27, während der keine Spannung oder kein Strom ausgegeben wird. Es kann auch eine Anstiegszeit für die ansteigende Flanke des Pulses 28 gewählt werden, anschließend eine definierte Dauer des Plateaus 29 und eine Abfallzeit des Pulses 30. Sowohl die ansteigende Flanke des Pulses kann sich zeitabhängig verändern 31, als auch die abfallende Flanke 33. 3rd shows examples of possible courses of the voltage or current pulses. The level of the voltage or current pulse 20 , the width of the positive amplitude 21 , the height of the falling edge 22 , the time delay until the next pulse 23 , the amount of negative amplitude 24th , the width of the negative amplitude 25th , the height of the rising flank 26 and the subsequent time delay 27 , during which no voltage or current is output. There may also be a rise time for the rising edge of the pulse 28 selected, then a defined duration of the plateau 29 and a fall time of the pulse 30th . Both the rising edge of the pulse can change depending on the time 31 , as well as the falling edge 33 .

4 zeigt ein Beispiel für ein Ablaufdiagramm für eine Messung mit der elektrischen Anordnung zur Charakterisierung von biologischem Material. Nach dem Starten der Ablaufsteuerung 41 werden die Messparameter gesetzt 42, was entweder manuell erfolgen kann oder auf der Grundlage von Rechenwerten, die ein Auswertealgorithmus generiert hat. Anschließend wird die Messung durchgeführt 43 und die Messergebnisse werden ausgewertet 44 und die Daten werden gespeichert 45. In Abhängigkeit von der Auswertung werden entweder die Pulsparameter aktualisiert 46 oder die Messung wird als abgeschlossen betrachtet und die Messwerte werden angezeigt 47. 4th shows an example of a flow chart for a measurement with the electrical arrangement for the characterization of biological material. After starting the sequential control system 41 the measurement parameters are set 42 , which can either be done manually or on the basis of calculated values generated by an evaluation algorithm. The measurement is then carried out 43 and the measurement results are evaluated 44 and the data is saved 45 . Depending on the evaluation, either the pulse parameters are updated 46 or the measurement is considered complete and the measurement values are displayed 47 .

Publikationen Publications

A. Schilling, W. Krautschneider, T. Winkler, K. Hafkemeyer, J. Tomasik, N. Elneel, J. Burhop, miniaturized device for the characterization of biological material DE 10 2010 052 196 B4 , July 23, 2015
JS Bottman, Pulsed-Based Impedance Measurement Instrument, U.S. Patent 5,633,801 , May 27, 1997.
DA Dean, D. Machando-Aranda, T. Ramanathan, I. Molina and R. Sundararajan, Electrical Properties of Biological Tissues - An Impedance Spectrocopy Study, Ann. Report Conf. Electr. Insulation and Dielectric Phenomena, p. 357, 2006 .
Mejia-Aguilar and R. Pallas-Areny, Electrical impedance measuring using pulse exication, IMEKO TC4 Symposium, p. 22, 2008 .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102010052196 B4 [0015]
US 5633801 [0015]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

THERE. Dean, D. Machando-Aranda, T. Ramanathan, I. Molina and R. Sundararajan, Electrical Properties of Biological Tissues - An Impedance Spectrocopy Study, Ann. Report Conf. Electr. Insulation and Dielectric Phenomena, p. 357, 2006 [0015]
Mejia-Aguilar and R. Pallas-Areny, Electrical impedance measuring using pulse exication, IMEKO TC4 Symposium, p. 22, 2008 [0015]

Claims

Electrical device for characterizing biological material consisting of a) A sample chamber with three pairs of electrodes for feeding a measuring current (1, 2), for receiving a measuring voltage on the sample (3, 4) and for applying a pulsed electric field (5, 6) to the biological material to be examined. b) Two independently adjustable pulse generators, the pulses to the electrodes 1, 2 and 5, 6 with freely selectable parameters, d. H. Pulse width, pulse frequency, pulse height, time delay between the pulses, polarity and course of rise and fall of the respective pulse edges. c) A sequence control which enables the pulse parameters to be set as a function of the previously obtained measurement results of impedance and phase shift. This setting can be done either manually by a person or by a previously programmed algorithm or a self-learning algorithm.

Electrical device after Claim 1 characterized in that pulses can be applied both to the measuring electrodes (1, 2) and to the field electrodes (5, 6), the parameters of which can be freely selected and coordinated with one another in order, for. B. after a current pulse on the measuring electrodes in the subsequent time after a selectable delay on the field electrodes to apply pulses so as to record measuring points from which the field-dependent relaxation behavior can be derived.

Electrical device according to one of the preceding claims, consisting of a sample chamber or a plurality of sample chambers, each having a pair of working electrodes for introducing an electrical current into the biological material to be characterized, a pair of measuring electrodes for deriving the measuring signal for determining the impedance and a pair of field electrodes for applying one electric field with predeterminable time behavior, strength and polarity. The evaluation and electronic control is preferably implemented in integrated circuits. These integrated circuits can also be Application Specific Integrated Circuits (ASIC).