DE102021210044A1 - Measurement system, specimen, electrode device and method for measuring a variety of analytes - Google Patents
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Abstract
Ein Probenkörper umfasst eine erste Mehrzahl von in dem Probenkörper angeordneten und zur Aufnahme einer Analytprobe eingerichteten Vertiefungen und eine zweite Mehrzahl von Sensoreinrichtungen, wobei in jeder Vertiefung zumindest eine der Vertiefung zugeordnete Sensoreinrichtung angeordnet ist, die ausgebildet ist, um eine Messung des in der zugeordneten Vertiefung angeordneten Analytproben durchzuführen. Der Probenkörper umfasst ferner eine Schaltungsstruktur, die mit der Mehrzahl von Sensoreinrichtungen verschaltet ist, und ausgebildet ist, um jede der Mehrzahl von Sensoreinrichtungen elektrisch isoliert von weiteren Sensoreinrichtungen der Mehrzahl von Sensoreinrichtungen mit einem elektrischen Potential zu versorgen. A sample body comprises a first plurality of wells arranged in the sample body and designed to receive an analyte sample, and a second plurality of sensor devices, wherein at least one sensor device assigned to the well is arranged in each well and is designed to measure the in the associated well arranged analyte samples to perform. The sample body also includes a circuit structure which is connected to the plurality of sensor devices and is designed to supply each of the plurality of sensor devices with an electrical potential in an electrically insulated manner from other sensor devices of the plurality of sensor devices.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Probenkörper, eine Elektrodenvorrichtung, die gemeinsam in einem Messsystem verwendet werden können sowie auf ein entsprechendes Messsystem und auf ein Verfahren zum Messen einer Vielzahl von Analyten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Multi-pH-Messung und auf eine Vorrichtung zur schnellen pH-Messung in mehreren Proben.The present invention relates to a sample body, an electrode device that can be used together in a measuring system, as well as a corresponding measuring system and a method for measuring a large number of analytes. More particularly, the present invention relates to multi-pH measurement and apparatus for rapid pH measurement in multiple samples.
Bei der Messung des pH-Wertes in kleinen Volumen und sehr vielen Proben ist eine schnelle Messung des pH-Wertes erforderlich, um das Austrocken der Probe zu verhindern und eine Veränderung der Analytproben, beispielsweise durch CO2 aus der Umgebung, zu verhindern. Dieses Problem tritt insbesondere bei der pH-Messung in biochemischen Assays auf, die oftmals nur mit geringen Analytmengen (25 µl - 100 µl) auf 96er Mikrotiterplatten vorliegen.
Derzeit werden die Analytroben in die Wellplatten pipettiert. Hierzu gibt es automatische Pipettierroboter, die in jede Vertiefung der Wellplatte eine bestimmte Menge, z. B. 75 µl, Analyt pipettieren. Anschließend wird die beladene Wellplatte in die Kammer gestellt. Eine pH-Glaselektrode mit integrierter Ag/AgCI/3M KCI-Referenzelektrode (Einstabmesskette) wird nun zur pH-Messung genutzt und die folgenden Arbeitsschritte werden für jede der 96 Proben wiederholt:
- 1. Kalibration der Einstabmesskette an zwei Punkten, beispielsweise pH 4 und
pH 7 - 2. Anfahren des Messortes beziehungsweise Wells
- 3. Eintauchen in die Analytlösung
- 4. Durchführung der Messung
- 5. Reinigen/Spülen der Einstabmesskette
- 6. Anfahren der Ausgangsposition/Kalibrationsstation
- 1. Calibration of the combination electrode at two points, for example pH 4 and
pH 7 - 2. Approaching the measurement location or well
- 3. Immersion in the analyte solution
- 4. Carrying out the measurement
- 5. Cleaning/rinsing the combination electrode
- 6. Approaching the starting position/calibration station
Je nach Beschaffenheit und Genauigkeitsanforderungen können Punkt 1 und 5 modifiziert werden. Eine Abbildung eines für eine solche Messreihenfolge ausgelegten pH-Messroboters der Firma Hudson Robotics ist exemplarisch in
Nachteile des beschriebenen Ablaufs sind ein hoher Zeitaufwand, was zur Eintrocknung und Veränderung der Analytproben führen kann, ein relativ großes Probenvolumen, da die Elektrode (pH- und Referenzelektrode) vollständig benetzt sein muss, sowie die Gefahr von Glasbruch, da die pH-Elektrode aus einer sehr dünnen Glasmembran mit einer Dicke von in etwa 50 µm besteht und eine Gefahr von Kontaminationen/Verschleppungen durch pH-Elektrode und Referenzelektrode bei ungenügender Spülung vorliegt.Disadvantages of the process described are that it takes a lot of time, which can lead to the analyte samples drying out and changing, a relatively large sample volume, since the electrode (pH and reference electrode) must be completely wetted, and the risk of glass breakage, since the pH electrode is off a very thin glass membrane with a thickness of around 50 µm and there is a risk of contamination/carryover through the pH electrode and reference electrode if the rinsing is insufficient.
Wünschenswert wären demnach Probenkörper, eine Elektrodenvorrichtung, ein Messsystem sowie ein Verfahren zum Messen einer Vielzahl von Analytproben, die die genannten Nachteile überwinden und insbesondere eine schnelle Messung der Analytproben ermöglichen.Accordingly, it would be desirable to have test bodies, an electrode device, a measuring system and a method for measuring a large number of analyte samples that overcome the disadvantages mentioned and, in particular, enable the analyte samples to be measured quickly.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, Probenkörper, Elektrodenvorrichtungen, Messsysteme und Verfahren zum Messen einer Vielzahl von Analyten zu schaffen, die eine schnelle Auswertung der Analyten ermöglichen.It is therefore an object of the present invention to create sample bodies, electrode devices, measuring systems and methods for measuring a large number of analytes which enable rapid evaluation of the analytes.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine schnelle Messung von Analytproben beispielsweise in Mikrotiterplatten erfolgen kann, indem eine jeweilige Sensoreinrichtung direkt und individuell in die entsprechende Vertiefung (Well) eingebracht wird und mehrere Vertiefungen beziehungsweise die dort eingebrachten Analyten mit einer gemeinsamen Referenzelektrode kontaktiert werden, was eine individuelle Auswertung der Analytproben einerseits und eine geringe Anzahl an Bewegungen der Referenzelektrode andererseits ermöglichen, da die Referenzelektrode bei einer sequentiellen Messung der mit ihr kontaktierten Analyten unbewegt bleiben kann. Hierdurch wird eine deutliche Zeitersparnis erreicht, was vorteilhaft ist.A core idea of the present invention is that analyte samples can be measured quickly, for example in microtiter plates, by introducing a respective sensor device directly and individually into the corresponding well and contacting several wells or the analytes introduced there with a common reference electrode , which on the one hand enables an individual evaluation of the analyte samples and on the other hand a small number of movements of the reference electrode, since the reference electrode can remain stationary during a sequential measurement of the analytes in contact with it. This achieves a significant saving in time, which is advantageous.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Probenkörper eine erste Mehrzahl von in dem Probenkörper angeordneten und zur Aufnahme einer Analytprobe eingerichteten Vertiefungen und eine zweite Mehrzahl von Sensoreinrichtungen, wobei in jeder Vertiefung zumindest eine der Vertiefung zugeordnete Sensoreinrichtung angeordnet ist, die ausgebildet ist, um eine Messung des in der zugeordneten Vertiefung angeordneten Analyten durchzuführen. Der Probenkörper umfasst eine Schaltungsstruktur, die mit der Mehrzahl von Sensoreinrichtungen verschaltet ist und ausgebildet ist, um jede der Mehrzahl von Sensoreinrichtungen elektronisch isoliert von weiteren Sensoreinrichtungen der Mehrzahl von Sensoreinrichtungen mit einem elektrischen Potential zu versorgen.According to one embodiment, a sample body comprises a first plurality of wells arranged in the sample body and designed to receive an analyte sample and a second plurality of sensor devices, wherein at least one sensor device assigned to the well is arranged in each well and is designed to measure the in to carry out the analytes arranged in the associated well. The sample body comprises a circuit structure which is connected to the plurality of sensor devices and is designed to supply each of the plurality of sensor devices with an electrical potential, electronically isolated from other sensor devices of the plurality of sensor devices.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sensoreinrichtungen in einem jeweiligen Bodenbereich der Vertiefungen angeordnet, was es ermöglicht, dass die Sensoreinrichtungen wenig Volumen der Vertiefung beanspruchen.According to one exemplary embodiment, the sensor devices are arranged in a respective bottom area of the depressions, which makes it possible for the sensor devices to take up little volume of the depression.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die Sensoreinrichtungen ionensensitive Feldeffekttransistoren, ISFETs. Diese sind besonders geeignet für Messungen an Analytproben, beispielsweise zur pH-Messung.According to one embodiment, the sensor devices include ion-sensitive field effect transistors, ISFETs. These are particularly suitable for measurements on analyte samples, for example for pH measurement.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Randbereich der ISFETs und/oder eine Trägerplatine der ISFETs mit einer elektrischen Vergussmasse bedeckt. Dies ermöglicht es, eine Kontaktierung der abgedeckten Bereiche mit der Analytprobe zu vermeiden, um präzise Messergebnisse zu erhalten, indem die Analytprobe lediglich die innere Kontaktoberfläche des ISFETs, dessen sensitiven Bereiches, kontaktiert.According to one embodiment, an edge area of the ISFETs and/or a carrier board of the ISFETs is covered with an electrical potting compound. This makes it possible to avoid contacting the covered areas with the analyte sample in order to obtain precise measurement results in that the analyte sample only contacts the inner contact surface of the ISFET, its sensitive area.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sensoreinrichtungen sensitiv für zumindest eines aus einem pH-Wert der Analytprobe, einer elektrischen Leitfähigkeit der Analytprobe, einer elektrischen Impedanz der Analytprobe, einer elektrischen Kapazität der Analytprobe und einer charakterisierenden Eigenschaft einer in der Analytprobe angeordneten biologischen Zelle. Dies ermöglicht die jeweilige Messung der Eigenschaft der Analytprobe, wobei unterschiedliche Sensoreinrichtungen des Probenkörpers auch unterschiedlich sensitiv für unterschiedliche Eigenschaften gebildet sein können, was es ermöglichen kann, identischen Analytproben in unterschiedliche Vertiefungen zur unterschiedlichen Vermessung durch unterschiedlich ausgebildete Sensoreinrichtungen einzubringen und ohne größeren zeitlichen Aufwand unterschiedliche Messungen an den identischen Analytproben durchzuführen, insbesondere, wenn eine selbe oder identische Referenzelektrode genutzt wird, wobei diese Vorteile auch unabhängig hiervon erhalten werden.According to one embodiment, the sensor devices are sensitive to at least one of a pH value of the analyte sample, an electrical conductivity of the analyte sample, an electrical impedance of the analyte sample, an electrical capacitance of the analyte sample and a characteristic property of a biological cell arranged in the analyte sample. This enables the property of the analyte sample to be measured in each case, with different sensor devices of the sample body also being able to be formed with different sensitivity for different properties, which can make it possible to introduce identical analyte samples into different wells for different measurement by differently designed sensor devices and to carry out different measurements without greater expenditure of time to be carried out on the identical analyte samples, in particular if a same or identical reference electrode is used, whereby these advantages are also obtained independently.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsstruktur zumindest teilweise in einem Substrat des Probenkörpers integriert, was es ermöglicht, die Schaltungsstruktur vor einem Kontakt mit Reinigungsmitteln oder Analytproben zu schützen.According to one embodiment, the circuit structure is at least partially integrated in a substrate of the sample body, which makes it possible to protect the circuit structure from contact with cleaning agents or analyte samples.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat ein lösungsmittelbeständiges und/oder analytbeständiges Substrat, was es ermöglicht, das Substrat zu reinigen und erneut zu verwenden.According to one embodiment, the substrate is a solvent resistant and/or analyte resistant substrate, allowing the substrate to be cleaned and reused.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsstruktur so ausgestaltet, dass sie einen Kontaktierungsabschnitt aufweist, der eine Mehrzahl von Kontaktierungsbereichen aufweist, die zum Kontaktieren mit einem elektrischen Verbinder eingerichtet sind, wobei jeder Kontaktierungsbereich einer Sensoreinrichtung eindeutig zugeordnet ist. Das bedeutet, über die Kontaktierungsbereiche kann eine Sensoreinrichtung individuell und elektrisch getrennt von einer anderen Sensoreinrichtung oder von jeder anderen Sensoreinrichtung kontaktiert werden, was unabhängige Messungen ermöglicht.According to one exemplary embodiment, the circuit structure is designed in such a way that it has a contacting section that has a plurality of contacting areas that are set up for contacting with an electrical connector, each contacting area being uniquely assigned to a sensor device. This means that a sensor device can be contacted individually and electrically separately from another sensor device or from any other sensor device via the contacting areas, which enables independent measurements.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist jede Sensoreinrichtung über eine elektrische Kontaktierung mit einer Anzahl elektrischer Kontakte kontaktiert. Der Kontaktierungsabschnitt weist für jede Sensoreinrichtung die Anzahl der elektrischen Kontakte eindeutig zugeordnet zur Sensoreinrichtung auf, so dass jede Sensoreinrichtung eindeutig adressierbar ist, was Mehrdeutigkeiten vermeidet.According to one exemplary embodiment, each sensor device is contacted via an electrical contact with a number of electrical contacts. For each sensor device, the contacting section has the number of electrical contacts uniquely assigned to the sensor device, so that each sensor device can be uniquely addressed, which avoids ambiguities.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der elektrische Verbinder als ein Steckverbinder gebildet, was es ermöglicht, den Probenkörper mit unterschiedlichen Steckverbindern und andersherum unterschiedliche Platten oder Probenkörper an einen gleichen Steckverbinder zu kontaktieren. Darüber hinaus wird es ermöglicht, den Probenkörper vom Messsystem zu trennen, etwa zu Reinigungszwecken oder Befüllzwecken.According to one embodiment, the electrical connector is formed as a plug connector, which allows to contact the specimen with different connectors and vice versa different boards or specimens to a same connector. In addition, it is possible to separate the specimen from the measuring system, for example for cleaning or filling purposes.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind Bereiche der Schaltungsstruktur außerhalb des Kontaktierungsabschnitts vor einem Kontakt mit einem Reinigungsmittel geschützt und der Kontaktierungsabschnitt in einem Lateralbereich des Probenkörpers angeordnet, der frei von Sensoreinrichtungen ist. Dadurch kann erreicht werden, dass beispielsweise in einem Tauchbad die Sensoreinrichtungen beziehungsweise die Vertiefungen mit den Sensoreinrichtungen in das Tauchbad mit dem Reinigungsmittel eingetaucht werden, der Lateralabschnitt mit dem Kontaktierungsabschnitt jedoch außerhalb des Reinigungsmittels verbleibt, um Kontakte des Kontaktierungsabschnitts zu schützen.According to one exemplary embodiment, areas of the circuit structure outside of the contacting section are protected against contact with a cleaning agent, and the contacting section is arranged in a lateral area of the sample body that is free of sensor devices. This means that, for example, in an immersion bath, the sensor devices or the depressions with the sensor devices are immersed in the immersion bath with the cleaning agent, but the lateral section with the contacting section remains outside the cleaning agent in order to protect contacts of the contacting section.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sensoreinrichtungen in dem Probenkörper vermittels einer Vergussmasse fixiert, wobei die Vergussmasse eine Öffnung zum Kontakt der Sensoreinrichtung mit der Analytprobe aufweist. Dies ermöglicht eine robuste Ausgestaltung des Probenkörpers und eine zuverlässige Fixierung der Sensoreinrichtungen in dem Probenkörper.According to one exemplary embodiment, the sensor devices are fixed in the sample body by means of a casting compound, with the casting compound having an opening for the sensor device to come into contact with the analyte sample. This enables a robust configuration of the sample body and a reliable fixation of the sensor devices in the sample body.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Mehrzahl von Vertiefungen in einem Matrixmuster mit einer Mehrzahl von Zeilen und einer Mehrzahl von Spalten angeordnet. Dies ermöglicht eine einfache Repositionierung von Referenzelektroden in den Vertiefungen durch einfache laterale Verschiebung der Referenzelektrode.According to one embodiment, the plurality of wells are arranged in a matrix pattern having a plurality of rows and a plurality of columns. This allows easy repositioning of reference electrodes in the wells by simply shifting the reference electrode laterally.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Mehrzahl von Vertiefungen mit einem zur Aufnahme der Analytproben eingerichteten Messvolumen von 2 µl bis 5000 µl ausgestattet.According to one exemplary embodiment, the plurality of wells is equipped with a measuring volume of 2 μl to 5000 μl set up for receiving the analyte samples.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine Elektrodenvorrichtung für einen Probenkörper einen Vorrichtungskörper mit einer Kavität auf. Wie es nicht einschränkend aber erläuternd in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst jeder der Messbereiche zumindest eines aus einer Fritte einem Diaphragma und einem Kapillarkontakt und ist ausgebildet, um von der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit durchtränkt zu werden, etwa um die elektrisch leitfähige Flüssigkeit an die Außenseite oder zweite Seite zu leiten.According to one embodiment, each of the sensing areas includes at least one of a frit, a diaphragm, and a capillary contact and is configured to be saturated with the electrically conductive liquid, such as to direct the electrically conductive liquid to the outside or second side.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Messbereich als Fritte und insbesondere als Keramikfritte gebildet, was eine robuste und dennoch präzise Herstellung ermöglicht.According to one exemplary embodiment, the measuring area is formed as a frit and in particular as a ceramic frit, which enables robust and yet precise manufacture.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Mehrzahl von Kontaktierungsbereichen in zumindest einer Zeile und zumindest einer Spalte angeordnet. Dies ermöglicht eine präzise und einfache Verschiebung der Elektrodenvorrichtung zur Kontaktierung weiterer Messvolumina nach erfolgter Messung.According to one exemplary embodiment, the plurality of contacting areas is arranged in at least one row and at least one column. This enables the electrode device to be moved precisely and easily in order to contact further measurement volumes after the measurement has been completed.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrode eine Elektrode erster Art oder eine Elektrode zweiter Art.According to one embodiment, the reference electrode is an electrode of the first type or an electrode of the second type.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Referenzelektrode vermittels einer Positioniereinrichtung lösbar befestigt und die Referenzelektrode austauschbar. Dies ermöglicht die Anpassung der Elektrodenvorrichtung durch Austauschen der Eigenschaft der Elektrode ebenso wie eine zuverlässige und langfristige Nutzung der Elektrodenvorrichtung durch Ersetzen der Referenzelektrode, etwa basierend auf Verschleiß.According to one embodiment, the reference electrode is releasably attached by means of a positioning device and the reference electrode is exchangeable. This enables adaptation of the electrode device by changing the property of the electrode as well as reliable and long-term use of the electrode device by replacing the reference electrode, perhaps based on wear.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Messsystem einen hierin beschriebenen Probenkörper und eine hierin beschriebene Elektrodenvorrichtung. Eine Anordnung der Kontaktierungsbereiche der Elektrodenvorrichtung ist an eine Anordnung der Vertiefungen des Probenkörpers angepasst. Die Elektrodenvorrichtung ist ausgebildet, um in eine dritte Mehrzahl aus der ersten Mehrzahl von Vertiefungen in jeweils einen Kontaktbereich einzubringen, und um das elektrische Potential an Analytproben in der dritten Mehrzahl von Vertiefungen gleichzeitig einzulegen. Zusammen mit dem Probenkörper ermöglicht dies unabhängige Messungen in der dritten Mehrzahl von Vertiefungen, ohne dass hierzu die Elektrodenvorrichtung zwischen den individuellen Messungen bewegt werden müsste, was ein schnelles Durchführen der Messungen ermöglicht.According to one embodiment, a measurement system includes a sample body described herein and an electrode device described herein. An arrangement of the contacting areas of the electrode device is adapted to an arrangement of the depressions of the sample body. The electrode device is designed to introduce a contact area into a third plurality of the first plurality of wells, and to simultaneously apply the electrical potential to analyte samples in the third plurality of wells. Together with the sample body, this enables independent measurements in the third plurality of wells without having to move the electrode device between the individual measurements, which enables the measurements to be performed quickly.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Messsystem ausgebildet, um die Sensoreinrichtungen der dritten Mehrzahl von Vertiefungen sequentiell nacheinander anzusteuern, um eine Beeinflussung einer Analytprobe einer ersten Vertiefung auf eine Messung einer Sensoreinrichtung einer zweiten Vertiefung zu verhindern. Dies ermöglicht präzise Messergebnisse.According to one exemplary embodiment, the measuring system is designed to sequentially activate the sensor devices of the third plurality of wells in order to prevent an analyte sample of a first well from influencing a measurement of a sensor device of a second well. This enables precise measurement results.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Messsystem ausgebildet, um in einer ersten Messposition der Elektrodenvorrichtung die Mehrzahl von Kontaktbereichen in die dritte Mehrzahl von Vertiefungen zur Messung an darin befindlichen Analytproben einzuführen, und um die Elektrodenvorrichtung danach in eine zweite Messposition zu bewegen, in welcher die Kontaktbereiche in eine vierte Mehrzahl von Vertiefungen des Probenkörpers eingeführt sind, und um die Analytproben in der vierten Mehrzahl von Vertiefungen zu vermessen. Dies ermöglicht, dass die Elektrodenvorrichtung nicht sämtliche Vertiefungen des Probenkörpers gleichzeitig kontaktieren muss, dennoch durch die dritte beziehungsweise vierte Mehrzahl von gleichzeitig kontaktierten Vertiefungen eine entsprechende Zeitersparnis erhalten wird.According to one embodiment, the measuring system is designed to introduce the plurality of contact areas into the third plurality of wells for measuring analyte samples located therein in a first measuring position of the electrode device, and to then move the electrode device into a second measuring position in which the contact areas in a fourth plurality of wells of the specimen are inserted, and to measure the analyte samples in the fourth plurality of wells. This means that the electrode device does not have to contact all the depressions of the sample body at the same time, but the third or fourth plurality of depressions that are contacted at the same time still saves a corresponding amount of time.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt zwischen der ersten Messposition und dem Bewegen in die zweite Messposition eine Reinigung der Kontaktbereiche der Elektrodenvorrichtung. Dies ermöglicht eine Vermeidung von Kontaminationen.According to one exemplary embodiment, the contact areas of the electrode device are cleaned between the first measurement position and the movement into the second measurement position. This makes it possible to avoid contamination.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Messsystem ausgebildet, um einen Druck an die elektrisch leitfähige Flüssigkeit anzulegen, also einen fluidischen Druck. Hierdurch wird eine Teilmenge der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit aus der Kavität durch die Kontaktbereiche gedrückt, um die Reinigung der Kontaktbereiche auszuführen. Dies ermöglicht eine simple Reinigung der Kontaktbereiche, die gleichzeitig zuverlässig ist, da eventuell eingetretene Analytprobe wieder aus dem Kontaktbereich herausgedrückt wird.According to one exemplary embodiment, the measuring system is designed to apply a pressure to the electrically conductive liquid, that is to say a fluidic pressure. As a result, a portion of the electrically conductive liquid is pressed out of the cavity through the contact areas in order to carry out the cleaning of the contact areas. This enables simple cleaning of the contact areas, which is also reliable since any analyte sample that may have entered is pressed out of the contact area again.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Messsystem ausgebildet, um eine Kalibrierung der Elektrodenvorrichtung und/oder der Sensoreinrichtungen zwischen der ersten Messposition und der zweiten Messposition durchzuführen, was ebenfalls zu präzisen Messergebnissen führt.According to one embodiment, the measurement system is designed to calibrate the electrode device and/or the sensor devices between the first measurement position and the second measurement position, which also leads to precise measurement results.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Querschnittsfläche der Kontaktbereiche der Elektrodenvorrichtung an eine Querschnittsfläche der Vertiefungen des Probenkörpers angepasst und ein Abstand zwischen Seitenwänden der Kontaktbereiche und Seitenwänden der Vertiefungen so ausgestaltet, dass er höchstens 2000 µm, vorzugsweise zumindest 1 µm und höchstens 100 µm beträgt. Hierdurch kann vermieden werden, dass unnötig viel Analytprobe aus den Vertiefungen entweicht, da die entsprechende Oberfläche durch die Kontaktbereiche abgedeckt ist. Es wird hier deutlich, dass auch an Vertiefungen, an denen derzeit nicht gemessen wird, dennoch ein Entweichen der Analytproben, etwa durch Verdunsten, vermieden werden kann, auch wenn keine Messung zum Zeitpunkt durchgeführt wird.According to one embodiment, a cross-sectional area of the contact areas of the electrode device is adapted to a cross-sectional area of the depressions of the sample body and a distance between side walls of the contact areas and side walls of the depressions is configured such that it is at most 2000 μm, preferably at least 1 μm and at most 100 μm. In this way it can be avoided that an unnecessarily large amount of analyte sample escapes from the wells since the corresponding surface is covered by the contact areas. It becomes clear here that even in wells that are currently not being measured, it is nevertheless possible to prevent the analyte samples from escaping, for example through evaporation, even if no measurement is being carried out at the time.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Elektrodenvorrichtung eine Referenzelektrode für Messungen in der dritten Mehrzahl von Vertiefungen und eine Relativposition zwischen dem Probenkörper und der Elektrodenvorrichtung veränderlich.According to an embodiment, the electrode device is a reference electrode for measurements in the third plurality of wells and a relative position between the sample body and the electrode device is variable.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Messen einer Vielzahl von Analytproben, die in einer korrespondierenden Mehrzahl von Vertiefungen eines Probenkörpers angeordnet sind, folgende Schritte: Ein Kontaktieren der Vielzahl von Analytproben jeweils mit einer zugeordneten Sensoreinrichtung und ein Kontaktieren der Vielzahl von Analytproben gleichzeitig mit einer gemeinsamen Referenzelektrode. Ferner umfasst das Verfahren ein Messen der Analytproben unter Verwendung der jeweils zugeordneten Sensoreinrichtung und der Referenzelektrode sequentiell nacheinander.According to one embodiment, a method for measuring a plurality of analyte samples, which are arranged in a corresponding plurality of wells of a sample body, comprises the following steps: contacting the plurality of analyte samples each with an associated sensor device and contacting the plurality of analyte samples simultaneously with a common one reference electrode. Furthermore, the method comprises measuring the analyte samples sequentially one after the other using the respectively assigned sensor device and the reference electrode.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand weiterer abhängiger Patentansprüche.Further advantageous embodiments are the subject of further dependent patent claims.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Probenkörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2a eine schematische Draufsicht auf einen ISFET-Chip, der einen ISFET-Kanal aufweist und gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Sensoreinrichtung verwendet wird; -
2b eine schematische Draufsicht auf eine Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3 eine schematische Draufsicht auf einen Probenkörper gemäß einem Ausführungsbeispielbei dem Vertiefungen durch eine elektrisch isolierende Vergussmasse bereitgestellt werden; -
4 eine schematische Seitenschnittansicht einer Referenzelektrodenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
5 eine schematische Draufsicht auf ein Messsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
6 eine schematische Seitenschnittansicht eines Teils des Messsystems aus5 ; -
7 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
8 eine Ablichtung verschiedener bekannter kommerzieller Mikrotiterplatten oder Wellplatten; und -
9 eine Abbildung eines für eine Messreihenfolge ausgelegten bekannten pH-Messroboters.
-
1 a schematic perspective view of a sample body according to an embodiment; -
2a a schematic plan view of an ISFET chip having an ISFET channel and used according to an embodiment in a sensor device; -
2 B a schematic plan view of a sensor device according to an embodiment; -
3 a schematic plan view of a sample body according to an embodiment in which depressions are provided by an electrically insulating potting compound; -
4 a schematic side sectional view of a reference electrode device according to an embodiment; -
5 a schematic plan view of a measurement system according to an embodiment; -
6 a schematic side sectional view of a part of the measuring system5 ; -
7 a schematic flowchart of a method according to an embodiment; -
8th a photocopy of various known commercial microtiter plates or well plates; and -
9 an illustration of a known pH measuring robot designed for a measuring sequence.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it is pointed out that identical elements, objects and/or structures that have the same function or have the same effect are provided with the same reference symbols in the different figures, so that the elements shown in different exemplary embodiments Description of these elements is interchangeable or can be applied to each other.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.Exemplary embodiments described below are described in connection with a large number of details. However, example embodiments can also be implemented without these detailed features. Furthermore, for the sake of comprehensibility, exemplary embodiments are described using block diagrams as a substitute for a described in detail. Furthermore, details and/or features of individual exemplary embodiments can be combined with one another without further ado, as long as it is not explicitly described to the contrary.
In
Der Probenkörper 10 umfasst ferner Sensoreinrichtungen 141, 142 und 143, die in den Vertiefungen 121 bis 12N angeordnet sind, um eine Messung des in der zugeordneten Vertiefung angeordneten Analytproben durchzuführen. Anders ausgedrückt ist in jeder für eine Messung vorgesehene Vertiefung 12 eine individuelle und eigen zugeordnete Sensoreinrichtung 14 angeordnet.The
Der Probenkörper 10 umfasst eine Schaltungsstruktur 16, die mit der Mehrzahl von Sensoreinrichtungen 14 verschaltet ist und ausgebildet ist, um jede der Mehrzahl von Sensoreinrichtungen 14 elektrisch isoliert von weiteren Sensoreinrichtungen der Mehrzahl von Sensoreinrichtungen 14 mit einem elektrischen Potential zu versorgen. Das bedeutet, es kann galvanisch getrennt voneinander eine Beaufschlagung von Sensoreinrichtungen 141, 142, ... 14N mit elektrischen Potentialen erfolgen, was unabhängige Messungen voneinander ermöglicht.The
Die Anordnung beziehungsweise Integration von Sensoreinrichtungen 14 in die jeweilige Vertiefung 12 ermöglicht bereits, dass die entsprechende Elektrode für eine solche Messung nicht auch in die Vertiefung 12 durch eine Öffnung derselben eingeführt werden muss, was bereits Platz einsparen kann. Darüber hinaus wird durch die Schaltungsstruktur 16 dahingehend, dass die Sensoreinrichtungen 141 bis 143 galvanisch getrennt voneinander betrieben werden können, eine Unabhängigkeit der Messung erreicht, was Vorteile sowohl bei identisch gebildeten Sensoreinrichtungen 14 als auch bei unterschiedlich sensitiven Sensoreinrichtungen 14 bietet.The arrangement or integration of
Gemäß Ausführungsbeispielen ist jede der Sensoreinrichtungen 141 bis 143 für zumindest eines aus einem pH-Wert der Analytproben, eine elektrische Leitfähigkeit des Analyten, eine elektrische Impedanz der Analytproben, eine elektrische Kapazität des Analyten und eine charakteristische Eigenschaft einer in den Analytproben angeordneten biologischen Zelle sensitiv. Daraus ergibt sich, dass beispielsweise bei gleichgebildeten Sensoreinrichtungen 141 bis 143 unterschiedliche Analytproben untersucht werden können und/oder dass für unterschiedlich sensitive Sensoreinrichtungen eine identische Analytprobe bezüglich unterschiedlicher Eigenschaften ausgewertet werden kann.According to exemplary embodiments, each of the
Als eine charakterisierende Eigenschaft einer in den Analytproben zugeordneten biologischen Zelle kann beispielsweise verstanden werden, dass Zellen mittels Impedanzspektroskopie auf ihre Vitalität geprüft werden können. Tote Zellen verlieren beispielsweise über die Zellwand ihre Inhaltsstoffe und somit ihre Zellantwort auf die Impedanzmessung. Durch entsprechende Messungen kann diese charakterisierende Eigenschaft der Zelle festgestellt werden.A characterizing property of a biological cell assigned in the analyte samples can be understood, for example, as the fact that cells can be checked for their vitality by means of impedance spectroscopy. For example, dead cells lose their contents via the cell wall and thus their cell response to the impedance measurement. This characteristic property of the cell can be determined by appropriate measurements.
In anderen Worten zeigt
Die elektrisch isolierende Vergussmasse 24 kann gleichzeitig die Vertiefung 12 ausbilden oder bereitstellen, so dass der ISFET-Chip und mithin die Sensoreinrichtung in einem Bodenbereich der Vertiefung 12 angeordnet ist.The electrically insulating
In anderen Worten zeigt
Anders ausgedrückt können bspw. die Sensoreinrichtungen 12 bei einer Herstellung auf ein Substrat aufgebracht oder darin integriert werden und dann vermittels der Vergussmasse teilweise bedeckt werden, um bestimmte Bereiche der Sensoreinrichtungen vor Medien zu schützen und/oder um die Sensoreinrichtungen 12 zu fixieren. Durch das Aufbringen der Vergussmasse kann der ISFET beziehungsweise die Sensoreinrichtung einen Boden der Vertiefung zumindest teilweise bilden und insofern in einem Bodenbereich angeordnet sein. Dies schließt jedoch andere Anbringungsorte nicht aus, wobei im Hinblick auf eine von der Öffnung der Vertiefung eingeführte Referenzelektrode insbesondere eine hiervon möglichst beabstandete und somit im Bodenbereich angeordnete Unterbringung der Sensoreinrichtung vorteilhaft istIn other words, the
Der Probenkörper 30 kann einen Kontaktierungsabschnitt 26 aufweisen, der beispielsweise einen Teil der Schaltungsstruktur 16 bilden kann. Der Kontaktierungsabschnitt 26 kann Kontaktierungsbereiche 281 bis 28M aufweisen, die beispielsweise als Kontakt-Pads gebildet sein können. Obwohl im Zusammenhang mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen elektrische Signale zum Auswerten und Betreiben der Sensoreinrichtungen 14 beziehungsweise 18 verwendet werden, sind alternativ auch andere Signale, beispielsweise optische Signale, möglich.The
Bei der beispielhaften Ausgestaltung der Sensorstruktur 14 als ISFET-Kanal 18 können beispielsweise zwei Kontaktierungen 221 und 222 aus
Jeder Kontaktierungsbereich 28 ist damit einer Sensoreinrichtung 14 beziehungsweise 18 eindeutig zugeordnet. Der Kontaktierungsbereich 26 kann ausgebildet sein, um ein Kontaktieren mit einem elektrischen oder alternativ optischen Verbinder zu ermöglichen, bevorzugt einem Steckverbinder. Dieser Steckverbinder kann mit unterschiedlichen Probenkörpern verbunden werden und alternativ kann der Probenkörper 30 mit unterschiedlichen Steckverbindern gekoppelt werden.Each
Obwohl eine Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen von Sensoreinrichtungen 14 möglich ist werden sogenannte ionensensitive Feldeffekttransistoren, ISFETs, in hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen bevorzugt.Although a large number of different configurations of
Die Anzahl von zwei elektrischen Kontaktierungen 221 und 222 für den ISFET-Kanal 181 ist dabei lediglich beispielhaft. Andere Ausgestaltungen der Sensorstruktur, beispielsweise ein EIS-Sensor (Electrolyte-Insulator-Semiconductor, Elektrolyt-Isolator-Halbleiter) kann beispielsweise mit einem einzigen Kontakt betrieben werden, während andere Ausgestaltungen des Sensorelements 14, beispielsweise als OFET (Organic Field-Effect Transistor, organischer Feldeffekttransistor) drei Anschlüsse für Source, Drain und Gate verwenden können und/oder bei einer Impedanzmessung oder einer 4-Punktmessung vier Anschlüsse verwendet werden können. Entsprechend sind die vorgesehenen Anschlüsse an den Kontaktierungsbereich 26 geführt. Jeder der elektrischen Kontakte kann einen eindeutig zugeordneten Kontaktierungsbereich 28 in dem Kontaktierungsabschnitt 26 umfassen. Dies ermöglicht eine eindeutige Zuordnung der Kontaktbereiche 28 zum jeweiligen Sensorelement, was für ein späteres Messsystem hilfreich sein kann.The number of two
Die Anzahl von Vertiefungen und/oder Sensorelementen kann, wie es in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel und wie in
Der Lateralbereich 36 kann entlang zumindest einer Richtung x oder y frei von Sensoreinrichtungen sein. Der Lateralbereich 36 kann beispielsweise einen Bereich definieren, der während eines Tauchbades zur Reinigung der Vertiefungen 12 und/oder Sensoreinrichtungen von Analytproben oder anderen Stoffen frei von dem Reinigungsbad bleibt beziehungsweise nicht in ein Tauchbad eingeführt wird. So können beispielsweise Bereiche der Schaltungsstruktur 16 außerhalb des Lateralbereichs 36 und/oder außerhalb des Kontaktierungsabschnitts 26 durch geeignete Maßnahmen vor einem Kontakt mit dem Reinigungsmittel geschützt sein. Solche Maßnahmen umfassen beispielsweise eine Bedeckung der Schaltungsstruktur 16 mit gegenüber dem Reinigungsmaterial resistenten Materialien, beispielsweise Lacke oder dergleichen und/oder ein Einbetten der Schaltungsstruktur 16 in das Substrat 38. Um die Kontaktierung des Probenkörpers 30 in dem Kontaktierungsabschnitt 26 einfach zu ermöglichen, sind dort gemäß Ausführungsbeispielen die Kontaktierungsbereiche 28 freigelegt, weswegen die Anordnung der Kontaktierungsbereiche 28 in dem Lateralbereich 36 Vorteile bietet.The
In dem Probenkörper 30 können die Sensoreinrichtungen, das heißt die ISFET-Chips beziehungsweise deren ISFET-Kanäle, vermittels der Vergussmasse 24 fixiert sein, wobei die Vergussmasse eine Öffnung zum Kontakt der Sensoreinrichtung mit dem Analyten aufweist oder bereitstellt.The sensor devices, ie the ISFET chips or their ISFET channels, can be fixed in the
In anderen Worten zeigt
Die erfinderische Lösungsidee für die Probenkörper basiert unter anderem auf der Nutzung von pH-sensitiven ISFETs, die als Boden der jeweiligen Wells genutzt werden. Die erforderlichen Kontakte werden auf eine darunterliegende, lösungsmittelbeständige Platine, zum Beispiel Keramik oder versiegelte FR4-Platinen elektrisch verbunden, zum Beispiel mittels Drahtbondung. Am Rand der Platine werden die Kontakte für die elektrische Kontaktierung aller ISFETs zusammengefasst, so dass diese sich gut elektrisch verbinden lassen, zum Beispiel über einen Steckverbinder. Anschließend werden die ISFETS so verkapselt, dass sich eine Vertiefung so ausbildet, dass die Analytproben hineindispenst werden kann. Die Vergussmasse ist auf die Lösungsmittel und Analytproben sowie die gesamte Messaufgabe abzustimmen, etwa im Hinblick auf Resistenzen oder Beständigkeiten.The inventive solution idea for the sample bodies is based, among other things, on the use of pH-sensitive ISFETs, which are used as the bottom of the respective wells. The required contacts are electrically connected, e.g. by wire bonding, to an underlying solvent-resistant board, e.g. ceramic or sealed FR4 boards. The contacts for the electrical contacting of all ISFETs are grouped together at the edge of the circuit board, so that they can be easily electrically connected, for example via a connector. The ISFETS are then encapsulated in such a way that a depression is formed in such a way that the analyte samples can be dispensed into. The casting compound must be tailored to the solvent and analyte samples as well as the entire measurement task, for example with regard to resistances or durability.
Die Elektrodenvorrichtung 40 umfasst einen Vorrichtungskörper 42 mit einer Kavität 44, die auch als inneres Volumen des Vorrichtungskörpers 42 bezeichnet werden kann. Die Kavität 44 ist zur Aufnahme einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 46 eingerichtet. Als elektrisch leitfähige Flüssigkeit kann beispielsweise eine 3-molare Kaliumchloridlösung (3M KCI)-Lösung eingesetzt werden, wobei auch andere Lösungen möglich sind.The
Durch eine Öffnung 48 des Vorrichtungskörpers 42 kann eine Elektrode 52 mit dem Kavitätsvolumen 44 in Verbindung gebracht werden, etwa durch direktes Angrenzen, teilweises Einführen oder vollständiges Einführen der Elektrode 52 in das Kavitätsvolumen 44, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 46 und der Elektrode 52 erhalten wird. Die Elektrode 52 ist beispielsweise ein 3-molarer Silberchlorid-beschichteter Draht (3M AgCI-beschichteter Ag-Draht).An
Der Vorrichtungskörper umfasst eine Mehrzahl von 2 oder mehr Kontaktierungsbereichen 541 bis 544, die als eindimensionales Array oder als zweidimensionales Feld angeordnet sein können. In der schematischen Seitenschnittansicht der
Die Kontaktierungsbereiche 54 sind mit dem Kavitätsvolumen 44 verbunden und ausgebildet, um die elektrisch leitfähige Flüssigkeit 46 an einer ersten Seite 54A, beispielsweise einer Innenseite des Volumenkörpers, von der Kavität 54 aufzunehmen und an einer zweiten Seite 54B, etwa einer Außenseite, mit einem Messmedium zu kontaktieren. Das bedeutet, die Kontaktbereiche stellen zwar eine gewisse Dichtigkeit her, sind aber zumindest für einen lonenaustausch zwischen den Seiten 54A und 54B durchlässig. Die Kontaktbereiche 541 bis 544 können beispielsweise eine Fritte, insbesondere eine Keramikfritte, ein Diaphragma und/oder einen Kapillarkontakt umfassen und ausgebildet sein, um von der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 46 durchtränkt zu werden.The contacting
Die Kontaktierungsbereiche 54 sind dabei beabstandet voneinander an dem Vorrichtungskörper 42 angeordnet, was beispielsweise eine gleichzeitige Kontaktierung mehrerer Vertiefungen 12 mit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 46 beziehungsweise dem daran anliegenden Potential ermöglicht. Ein Abstand zwischen den Kontaktbereichen 54 kann beispielsweise an einen Abstand zwischen den Vertiefungen 12 angepasst sein.The contacting
Ein an einem Elektrodenanschluss 56 an die Elektrode 52 angelegtes elektrisches Potential kann somit vermittels der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 46 gleichzeitig an die Kontaktbereiche 54 angelegt werden. Gleichzeitig ermöglicht die Verwendung der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit gegenüber der Verwendung von zähen oder festen Stoffen, die im Rahmen von Ausführungsbeispielen dennoch verwendet werden können, einen einfachen Austausch der Flüssigkeit. Beispielsweise kann durch eine Entnahme der Elektrode 52 durch die Öffnung 48 auch die elektrisch leitfähige Flüssigkeit 46 entfernt beziehungsweise erneuert werden.An electrical potential applied to the
Optional kann die Elektrodenvorrichtung 40 ausgebildet sein, um einen Druck P auf die elektrisch leitfähige Flüssigkeit 46 auszuüben. Hierfür kann beispielsweise eine zusätzliche Öffnung in dem Vorrichtungskörper 42 vorgesehen sein, über die der Druck angelegt werden kann. Alternativ kann auch eine Deformation des Vorrichtungskörpers 42 oder eines Teils hiervon erfolgen, etwa um ein Volumen der Kavität 44 zu verringern. Der Druck P kann dazu führen, dass die elektrisch leitfähige Flüssigkeit 46 durch die durchlässigen Kontaktbereiche 54 gedrückt wird, so dass eine Teilmenge der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit aus der Kavität 44 durch die Kontaktbereiche 54 gedrückt wird, um eine Reinigung der Kontaktbereiche 54 auszuführen, etwa nachdem die Kontaktbereiche 54 in Kontakt mit einer Analytprobe waren.The
Die Elektrode 52 kann auch Teil der Elektrodenvorrichtung sein. Die Elektrode 52 kann dabei eine Elektrode erster Art sein, das heißt eine Elektrode, deren elektrisches Potential direkt von der Konzentration der sie umgebenden Elektrolytlösung abhängt. Alternativ kann die Elektrode auch eine Elektrode zweiter Art sein, das bedeutet, eine Elektrode, deren elektrisches Potential nur indirekt von der Konzentration der sie umgebenden Elektrolytlösung abhängt. Die Elektrode kann vermittels einer nicht dargestellten Positioniereinrichtung, beispielsweise über einen Schliff oder eine Dichtung in dem beispielsweise aus Glaskörper ausgebildeten Vorrichtungskörper, lösbar befestigt sein. Durch die Lösbarkeit kann die Elektrode 52 austauschbar sein, das heißt sie kann ohne Schäden zu verursachen aus dem Vorrichtungskörper 42 herausgenommen und durch eine andere Elektrode ersetzt werden. Dies ermöglicht eine lange Verwendung der Elektrodenvorrichtung.The
Die Elektrodenvorrichtung kann gemäß einem Ausführungsbeispiel so ausgebildet sein, dass der Vorrichtungskörper 42 eine lokale Vertiefung 58 in dem Kavitätsvolumen 44 aufweist, die ausgebildet ist, um Elektrodenschlamm der Elektrode 52 aufzunehmen. Hierzu ist die lokale Vertiefung 58 in einem Bereich der Elektrode 52 angeordnet und bezogen auf eine Ausrichtung der Elektrodenvorrichtung während eines normalen Betriebs derselben unterhalb der Elektrode 52 angeordnet, wobei die lokale Vertiefung 58 auch größer ausgedehnt sein kann als die Elektrode 52 selbst. An der Elektrode 52 entstehender und sich ablösender Elektrodenschlamm 62, etwa AgCI-Schlamm, kann somit in der lokalen Vertiefung 58, die als Auffangvolumen für den Elektrodenschlamm 62 dient, aufgenommen werden, womit eine Verteilung des Elektrodenschlamms 62 im weiteren Volumen 44 reduziert oder verhindert ist, was der Messgenauigkeit zuträglich ist.According to one exemplary embodiment, the electrode device can be designed in such a way that the
In anderen Worten zeigt
Das Messsystem 50 umfasst ferner eine Elektrodenvorrichtung, etwa die Elektrodenvorrichtung 40. Diese weise lediglich exemplarisch acht Kontaktbereiche 541 bis 548 auf, beispielsweise in zwei Spalten und vier Zeilen angeordnet, wobei eine beliebige andere Anordnung mit zumindest einer Zeile und/oder zumindest einer Spalte mit Ausnahme einer 1x1-Anordnung möglich ist. Die Anordnung der Kontaktbereiche 54 ist an eine Anordnung der Vertiefungen 12 des Probenkörpers angepasst, insbesondere im Hinblick auf die Abmessungen, Durchmesser, Tiefen und Abstände.Measuring
Die Elektrodenvorrichtung 40 kann als Referenzelektrode für Messungen in der jeweiligen Menge von Vertiefungen, also für die Sensoreinrichtungen dienen. Eine Relativposition zwischen dem Probenkörper und der Elektrodenvorrichtung kann veränderlich sein.The
Die Elektrodenvorrichtung 40 ist bspw. ausgebildet, um in eine Teilmenge oder in alle der Vertiefungen 12 jeweils einen Kontaktbereich 54 einzubringen, um das an der Elektrode 52 anliegende elektrische Potential an Analytproben in der so beaufschlagten Menge von Vertiefungen gleichzeitig anzulegen. Das Messsystem 50 weist ferner einen Verbinder 64, beispielsweise einen Steckverbinder, auf, um elektrische Potentiale an die Kontaktierungsbereiche 281 bis 28M anzulegen oder davon abzugreifen. So kann das Messsystem 50 die Sensoreinrichtungen, an die das Potential der Elektrode 52 angelegt wird, sequentiell nacheinander ansteuern, um den darin befindlichen Analytproben zu vermessen. So kann eine Beeinflussung der Analytproben einer ersten Vertiefung, etwa der Vertiefung 122, auf eine Messung einer Sensoreinrichtung in einer anderen Vertiefung, etwa der Vertiefung 123, verhindert werden. Beispielsweise kann das Potential der Elektrode 52 als Referenzelektrode dienen, so dass die Elektrodenvorrichtung 40 eine Mehrfach-Referenzelektrode bereitstellt. Durch sequentielle Messung der Analytproben in den mit dem Referenzpotential beaufschlagten Analytproben, was aufgrund der Schaltungsstruktur problemlos möglich ist, können so individuelle Messungen durchgeführt werden. Sind alle gewünschten oder alle beaufschlagten Vertiefungen, die über die aktuelle Position der Elektrodenstruktur 40 erreichbar sind, vermessen, kann die Elektrodenvorrichtung 40 in eine andere Position gebracht werden, etwa durch laterale Verschiebung entlang positiver oder negativer x-Richtung. Bei einem größeren Feld der Vertiefungen 12, etwa durch eine höhere Anzahl von Zeilen 34 und/oder bei einer geringeren Anzahl von Kontaktierungsbereichen der Elektrodenstruktur 40, kann alternativ oder zusätzlich auch eine Bewegung entlang der y-Richtung vorgesehen sein.The
Hierdurch kann beispielsweise in der dargestellten Messposition eine Vermessung der dadurch erreichten Vertiefungen beziehungsweise der darin befindlichen Analytproben durchgeführt werden und in einer danach erhaltenen zweiten Messposition dieselben Kontaktbereiche 54 in andere Vertiefungen eingeführt werden, um eine veränderte Mehrzahl von Vertiefungen beziehungsweise darin befindliche Analytproben zu vermessen. Zwischen den unterschiedlichen Positionen kann eine Reinigung der Kontaktbereiche der Elektrodenvorrichtung 40 durch das Messsystem ausgeführt werden, etwa durch Einführen in ein Reinigungsbecken, durch Aufbringen von Reinigungsmitteln von außen und/oder durch Anlegen des in
Alternativ oder zusätzlich kann zwischen den unterschiedlichen Messpositionen eine Kalibrierung der Elektrodenvorrichtung und/oder der Sensoreinrichtungen durch das Messsystem 50 ausgeführt werden.Alternatively or additionally, the electrode device and/or the sensor devices can be calibrated by the measuring
In einem Schritt 710 erfolgt ein Kontaktieren der Vielzahl von Analyten jeweils mit einer zugeordneten Sensoreinrichtung. Ein Schritt 720 umfasst ein Kontaktieren der Vielzahl von Analyten gleichzeitig mit einer gemeinsamen Referenzelektrode.In a
Ein Schritt 730 umfasst ein Messen der Analytproben unter Verwendung der jeweils zugeordneten Sensoreinrichtung und der Referenzelektrode sequentiell nacheinander.A
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen schnelle Messungen von Analytproben. Für die Messungen wird, wie es bekannt ist, der Analytprobe in die Kavitäten, Vertiefungen dispenst. Hierzu sind gegenüber bekannten Konzepten kleinere Volumen, beispielsweise 25 µl, ausreichend, da sich die aktive Schicht, die Sensoreinrichtung, auf dem Boden des Wells befindet, so dass keine entsprechende Elektrode in das Volumen aufgenommen werden muss, wie in bekannten Messverfahren.The embodiments described herein allow for rapid measurements of analyte samples. For the measurements, as is known, the analyte sample is dispensed into the wells. Compared to known concepts, smaller volumes, for example 25 μl, are sufficient for this, since the active layer, the sensor device, is located on the bottom of the well, so that no corresponding electrode has to be included in the volume, as in known measuring methods.
Anschließend wird eine Referenzelektrode, wie beispielsweise in
Da die Keramikfritten mit ihrer Öffnung nach unten ausgerichtet sind, kann mit sehr kleinen Analytprobenmengen, zum Beispiel 50 µl, gearbeitet werden, wie im Querschnitt beispielhaft in
Nach der durchgeführten Messung kann die Mikrotiterplatte einfach mit konventionellen Reinigungsprozeduren gereinigt, bei Bedarf kalibriert und wiederverwendet werden. Gleiches gilt für die Mehrfach-Referenzelektrode.After the measurement has been carried out, the microtiter plate can be easily cleaned with conventional cleaning procedures, calibrated if necessary and reused. The same applies to the multiple reference electrode.
Ausführungsbeispiele ermöglichen gegenüber bekannten Konzepten mehrere Vorteile, darunter:
- • Deutlich schnellere Messungen durch einen Wegfall von vielen Positionier-, Kalibrier- und Reinigungsschritten der Referenzelektrode, sowie eine schnellere Messung durch die Verwendung von ISFETs anstelle von Glaselektroden;
- • ein Gewinn an Zuverlässigkeit, da weniger Kontaminationen zu erwarten sind und Glasbruch der Glaselektrodenmembranen bei Verwendung entsprechender Referenzelektroden nicht mehr auftreten kann; und
- • geringere Analytprobenmengen durch verbesserte Messgeometrie.
- • Significantly faster measurements by eliminating many positioning, calibration and cleaning steps of the reference electrode, as well as faster measurement by using ISFETs instead of glass electrodes;
- • a gain in reliability, since less contamination is to be expected and glass electrode membranes can no longer break when using corresponding reference electrodes; and
- • Lower amounts of analyte sample due to improved measurement geometry.
Aspekte der vorliegenden Erfindung beziehen sich ferner auf:
- 1. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur pH-Messung in L Analytproben mittels M ISFETs, angeordnet auf einem Träger und dort kontaktiert, sowie einer N-fach Referenzelektrode. M, N sind ganze Zahlen. Die N-fach Referenzelektrode kann zum Träger der ISFETs ausgerichtet und positioniert werden. Hierbei kann die Referenzelektrode oder aber der Träger mit den ISFETs, z.B. mit einem x-y-Tisch bewegt werden. Anschließend wird entweder die N-fach Referenzelektrode in die mit Analyt beladenen ISFETs so eingetaucht, dass die Analytprobe sowohl die ISFET-Sensorfläche als auch die Referenzelektrodenkontaktfläche (Fritte) benetzen. Jetzt werden nacheinander die pH-Werte der L Analytproben bzw. M ISFETs mit der N-fach Referenzelektrode gemessen. Nachdem jede Kontaktfläche der N-fach Referenzelektrode, die zur Messung vorgesehen war, verwendet wurde, kann sich ein Reinigungs- und/oder Kalibrierschritt anschließen. Dieser Vorgang kann sich beliebig wiederholen, z.B. solange bis alle M ISFETs die Messung abgeschlossen haben.
- 2. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach Aspekt 1 mit ISFETs angeordnet auf dem Träger in einem Raster, wie in Std.- Multititerplatten.
- 3. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach Aspekt 1
oder 2 mit Positioniermarken und/oder Vorrichtungen zur Positionierung und Positionserkennung von Referenzelektroden zur Analytprobenposition. - 4. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach einem der Aspekte 1
bis 3 mit N-Fach Referenzelektrode, wobei die N sich am Raster der ISFETs orientiert. - 5. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach einem der Aspekte 1 bis 4 mit ISFETs, deren Chip-Rand und Kontakte mit einer Vergussmasse passiviert sind.
- 6. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach Aspekt 4 oder 5mit einer Vergussmasse, die eine Kavität bildet und den ISFET Sensor-Kanal so einfasst, dass er vom Analyt sicher benetzbar ist
- 7. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach einem der Aspekte 1 bis 6, welches andere Parameter als den pH Wert misst, wie beispielsweise Leitfähigkeit, Impedanz, Kapazität, biologische Zellcharakterisierung (Vitalität), etc.
- 8. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach einem der Aspekte 1
bis 7, bei dem die Referenzelektrode auf eine Silber/Silberchlorid oder Kalomel-Referenzelektrode zurückzuführen ist. (Elektroden 2. Art), Elektroden 1. Art (NHE wäre auch möglich) - 9. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach einem der Aspekte 1 bis 8, bei dem der Chlorid beschichtete Silberdraht wechselbar ist, z.B. über einen Schliff oder eine Dichtung in dem Glaskörper.
- 10. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach einem der Aspekte 1 bis 9, bei dem die elektrische Anbindung des chlorierten Silberdrahtes über eine Kaliumchloridlösung, 0,1 Mol/L bis ges. Lösung, vorzugsweise 3 Mol/L und einer semipermeablen Vorrichtung (z.B. Diaphragma, Keramikfritte...). Die Porengröße kann in Abhängigkeit der Messaufgabe angepasst werden.
- 11. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach einem der Aspekte 1
bis 10, bei der die Verdunstung der Analytprobenlösung durch die Referenzelektrode minimiert wird. - 12. Probenkörper, Elektrodenvorrichtung, Messystem und/oder Verfahren zur nach einem der Aspekte 1
bis 12, bei dem im Spülvorgang ein Überdruck an die Referenzelektrode angelegt wird, um eventuell eingedrungene Analytprobenreste aus der Fritte herauszudrücken und abzuspülen.
- 1. Sample body, electrode device, measuring system and/or method for pH measurement in L analyte samples using M ISFETs, arranged on a carrier and contacted there, and an N-fold reference electrode. M, N are integers. The N-fold reference electrode can be aligned and positioned to the carrier of the ISFETs. Here, the reference electrode or the carrier with the ISFETs can be moved, for example with an xy table. Then either the N-fold reference electrode is immersed in the ISFETs loaded with analyte in such a way that the analyte sample wets both the ISFET sensor surface and the reference electrode contact surface (frit). The pH values of the L analyte samples or M ISFETs are now measured one after the other with the N-fold reference electrode. After each contact surface of the N-fold reference electrode that was provided for the measurement has been used, a cleaning and/or calibration step can follow. This process can be repeated as desired, for example until all M ISFETs have completed the measurement.
- 2. Sample body, electrode device, measuring system and/or method according to aspect 1 with ISFETs arranged on the carrier in a grid, as in standard multititer plates.
- 3. Sample body, electrode device, measuring system and/or method according to
aspect 1 or 2 with positioning marks and/or devices for positioning and position detection of reference electrodes for the analyte sample position. - 4. Sample body, electrode device, measuring system and/or method according to one of aspects 1 to 3 with N-fold reference electrode, the N being based on the grid of the ISFETs.
- 5. Sample body, electrode device, measuring system and/or method according to one of aspects 1 to 4 with ISFETs whose chip edge and contacts are passivated with a casting compound.
- 6. Sample body, electrode device, measuring system and/or method according to aspect 4 or 5 with a casting compound that forms a cavity and encloses the ISFET sensor channel in such a way that it can be reliably wetted by the analyte
- 7. Sample body, electrode device, measuring system and/or method according to one of aspects 1 to 6, which measures parameters other than the pH value, such as conductivity, impedance, capacity, biological cell characterization (vitality), etc.
- 8. Sample body, electrode device, measuring system and/or method according to one of aspects 1 to 7, in which the reference electrode can be traced back to a silver/silver chloride or calomel reference electrode. (electrodes of the 2nd type), electrodes of the 1st type (NHE would also be possible)
- 9. Sample body, electrode device, measuring system and/or method according to one of aspects 1 to 8, in which the chloride-coated silver wire can be changed, eg via a joint or a seal in the glass body.
- 10. Test body, electrode device, measuring system and/or method according to one of aspects 1 to 9, in which the electrical connection of the chlorinated silver wire is via a potassium chloride solution, 0.1 mol/L to sat. Solution, preferably 3 mol/L and a semi-permeable device (e.g. diaphragm, ceramic frit...). The pore size can be adjusted depending on the measurement task.
- 11. Sample body, electrode device, measuring system and/or method according to one of aspects 1 to 10, in which the evaporation of the analyte sample solution through the reference electrode is minimized.
- 12. Sample body, electrode device, measuring system and/or method according to one of aspects 1 to 12, in which overpressure is applied to the reference electrode during the rinsing process in order to press out any analyte sample residues that have penetrated the frit and rinse them off.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.In some embodiments, a programmable logic device (e.g., a field programmable gate array, an FPGA) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein. In some embodiments, a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein. In general, the procedures in some execution tion examples performed by any hardware device. This can be hardware that can be used universally, such as a computer processor (CPU), or hardware that is specific to the method, such as an ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It is understood that modifications and variations to the arrangements and details described herein will occur to those skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
Claims (30)
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