DE10203996A1 - Schaltkreis-Anordnung, Redox-Recycling-Sensor, Sensor-Anordnung und Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor-Elektrode bereitgestellten Stromsignals - Google Patents

Schaltkreis-Anordnung, Redox-Recycling-Sensor, Sensor-Anordnung und Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor-Elektrode bereitgestellten Stromsignals

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    • G01N27/3277—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction being a redox reaction, e.g. detection by cyclic voltammetry

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltkreis-Anordnung, einen Redox-Recycling-Sensor, eine Sensor-Anordnung und ein Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor-Elektrode bereitgestellten Stromsignals. Die Schaltkreis-Anordnung weist eine Sensor-Elektrode, eine Regelungsschaltung, welche über einen Eingang mit der Sensor-Elektrode gekoppelt ist, und eine Stromquelle auf, welche über ihren Steuereingang mit einem Steuerausgang der Regelungsschaltung gekoppelt ist, derart, dass die Stromquelle von der Regelungsschaltung steuerbar ist, und welche über ihren Ausgang mit der Sensor-Elektrode gekoppelt ist. Die Regelungsschaltung ist derart eingerichtet, dass, wenn das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal außerhalb eines vorgebebenen Stromstärke-Bereichs ist, die Regelungsschaltung die Stromquelle derart steuert, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom derart einstellt, dass der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom auf einen vorgegebenen Stromstärke-Wert gebracht wird. Wenn das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal innerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist, steuert die Regelungsschaltung die Stromquelle, derart, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom auf dem aktuellen Wert festhält. Ferner weist die Schaltkreis-Anordnung eine Detektions-Einheit auf, mit der das Ereignis detektiert werden kann, dass das in die Regelungsschaltung über ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltkreis-Anordnung, einen Redox-Recycling-Sensor, eine Sensor-Anordnung und ein Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor-Elektrode bereitgestellten Stromsignals.
  • In Fig. 2A, Fig. 2B ist ein Biosensorchip gezeigt, wie er in [1] beschrieben ist. Der Sensor 200 weist zwei Elektroden 201, 202 aus Gold auf, die in einer Isolatorschicht 203 aus elektrisch isolierendem Material eingebettet sind. An die Elektroden 201, 202 sind Elektrodenanschlüsse 204, 205 angeschlossen, mittels derer das an der Elektrode 201, 202 anliegende elektronische Potential zugeführt werden kann. Die Elektroden 201, 202 sind als Planarelektroden ausgestaltet. Auf jeder Elektrode 201, 203 sind DNA-Sondenmoleküle 206 (auch als Fängermoleküle bezeichnet) immobilisiert (vgl. Fig. 2A). Die Immobilisierung erfolgt gemäß der Gold-Schwefel- Kopplung. Auf den Elektroden 201, 202 ist der zu untersuchende Analyt, beispielsweise ein Elektrolyt 207, aufgebracht.
  • Sind in dem Elektrolyt 207 DNA-Stränge 208 mit einer Basensequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA- Sondenmoleküle 206 komplementär ist, d. h., die zu den Fängermolekülen gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip sterisch passen, so hybridisieren diese DNA-Stränge 208 mit den DNA- Sondenmolekülen 206 (vgl. Fig. 2B).
  • Eine Hybridisierung eines DNA-Sondenmoleküls 206 und eines DNA-Strangs 208 findet nur dann statt, wenn die Sequenzen des jeweiligen DNA-Sondenmoleküls und des entsprechenden DNA- Strangs 208 zueinander komplementär sind. Ist dies nicht der Fall, so findet keine Hybridisierung statt. Somit ist ein DNA-Sondenmolekül einer vorgegebenen Sequenz jeweils nur in der Lage, einen bestimmten, nämlich den DNA-Strang mit jeweils komplementärer Sequenz, zu binden, d. h. mit ihm zu hybridisieren, woraus der hohe Grad an Selektivität des Sensors 200 resultiert.
  • Findet eine Hybridisierung statt, so verändert sich, wie aus Fig. 2B ersichtlich, der Wert der Impedanz zwischen den Elektroden 201 und 202. Diese veränderte Impedanz wird mittels Anlegens einer geeigneten elektrischen Spannung an die Elektrodenanschlüsse 204, 205 und mittels Erfassens des daraus resultierenden Stroms detektiert.
  • Im Falle einer Hybridisierung verringert sich der kapazitive Anteil der Impedanz zwischen den Elektroden 201, 202. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sowohl die DNA-Sondenmoleküle 206 als auch die DNA-Stränge 208, die möglicherweise mit den DNA-Sondenmolekülen 206 hybridisieren, elektrisch nicht leitend sind und somit anschaulich die jeweilige Elektrode 201, 202 teilweise elektrisch abschirmen.
  • Zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist es aus [2] bekannt, eine Mehrzahl von Elektrodenpaaren 201, 202 zu verwenden und diese parallel zueinander anzuordnen, wobei diese anschaulich miteinander verzahnt angeordnet sind, sodass sich eine sogenannte Interdigitalelektrode 300 ergibt, deren Draufsicht in Fig. 3A und deren Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie I-I' aus Fig. 3A in Fig. 3B gezeigt ist. Die Abmessung der Elektroden und die Abstände zwischen den Elektroden liegen in der Größenordnung der Länge der zu detektierenden Moleküle, d. h. der DNA-Stränge 208, oder darunter, beispielsweise im Bereich von 200 nm und darunter.
  • Weiterhin sind Grundlagen über einen Reduktions-/Oxidations- Recycling-Vorgang zum Erfassen makromolekularer Biomoleküle, beispielsweise aus [1], [3] bekannt. Der Reduktions-/Oxidations-Recycling-Vorgang, im Weiteren auch als Redox- Recycling-Vorgang bezeichnet, wird im Weiteren anhand Fig. 4A, Fig. 4B, Fig. 4C näher erläutert.
  • In Fig. 4A ist ein Biosensor 400 mit einer ersten Elektrode 401 und einer zweiten Elektrode 402 gezeigt, die auf einer Isolatorschicht 403 aufgebracht sind. Auf der ersten Elektrode 401 als Gold ist ein Haltebereich 404 aufgebracht. Der Haltebereich 404 dient zum Immobilisieren von DNA- Sondenmolekülen 405 auf der ersten Elektrode 401. Auf der zweiten Elektrode 402 ist ein solcher Haltebereich nicht vorgesehen.
  • Sollen mittels des Biosensors 400 DNA-Stränge 407 mit einer Sequenz, die komplementär ist zu der Sequenz der immobilisierten DNA-Sondenmoleküle 405 erfasst werden, so wird der Sensor 400 mit einer zu untersuchenden Lösung, beispielsweise einem Elektrolyt 406, in Kontakt gebracht derart, dass in der zu untersuchenden Lösung 406 eventuell enthaltene DNA-Stränge 407 mit der komplementären Sequenz zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 405 hybridisieren können.
  • Fig. 4B zeigt den Fall, dass in der zu untersuchenden Lösung 406 die zu erfassenden DNA-Stränge 407 enthalten sind und mit den DNA-Sondenmolekülen 405 hybridisiert sind.
  • Die DNA-Stränge 407 in der zu untersuchenden Lösung sind mit einem Enzym 408 markiert, mit dem es möglich ist, im Weiteren beschriebene Moleküle in elektrisch geladene Teilmoleküle zu spalten. Üblicherweise ist eine erheblich größere Anzahl von DNA-Sondenmolekülen 405 bereitgestellt, als zu ermittelnde DNA-Stränge 407 in der zu untersuchenden Lösung 406 enthalten sind.
  • Nachdem die in der zu untersuchenden Lösung 406 möglicherweise enthaltenen DNA-Stränge 407 samt dem Enzym 408 mit den immobilisierten DNA-Sondenmolekülen 405 hybridisiert sind, erfolgt eine Spülung des Biosensors 400, wodurch die nicht hybridisierten DNA-Stränge entfernt werden und der Biosensorchip 400 von der zu untersuchenden Lösung 406 gereinigt wird. Der zur Spülung verwendeten Spüllösung oder einer in einer weiteren Phase eigens zugeführten weiteren Lösung wird eine elektrisch ungeladene Substanz beigegeben, die Moleküle enthält, die mittels des Enzyms 408 an den hybridisierten DNA-Strängen 407 gespalten werden können, in ein erstes Teilmolekül 410, mit einer negativen elektrischen Ladung und in ein zweites Molekül mit einer positiven elektrischen Ladung.
  • Die negativ geladenen ersten Teilmoleküle 410 werden, wie in Fig. 4C gezeigt, zu der positiv geladenen ersten Elektrode 401 gezogen, was mittels des Pfeils 411 in Fig. 4C angedeutet ist. Die negativ geladenen ersten Teilmoleküle 410 werden an der Elektrode 401, die ein positives elektrisches Potential aufweist, oxidiert und werden als oxidierte Teilmoleküle 413 an die negativ geladene zweite Elektrode 402 gezogen, wo sie wieder reduziert werden. Die reduzierten Teilmoleküle 414 wiederum wandern zu der positiv geladenen ersten Elektrode 401. Auf diese Weise wird ein elektrischer Kreisstrom generiert, der proportional ist zu der Anzahl der jeweils mittels der Enzyme 406 erzeugten Ladungsträger.
  • Der elektrische Parameter, der bei dieser Methode ausgewertet wird, ist die Änderung des elektrischen Stroms m = dI/dt als Funktion der Zeit t, wie dies in dem Diagramm 500 in Fig. 5 schematisch dargestellt ist.
  • Fig. 5 zeigt die Funktion des elektrischen Stroms 501 in Abhängigkeit von der Zeit 502. Der sich ergebende Kurvenverlauf 503 weist einen Offsetstrom Ioffset 504 auf, der unabhängig ist von dem zeitlichen Verlauf. Der Offsetstrom Ioffset 504 wird erzeugt aufgrund von Nichtidealitäten des Biosensors 400. Eine wesentliche Ursache für den Offsetstrom Ioffset liegt darin, dass die Bedeckung der ersten Elektrode 401 mit den DNA-Sondenmolekülen 405 nicht ideal, d. h. nicht vollständig dicht erfolgt. Im Falle einer vollständig dichten Bedeckung der ersten Elektrode 401 mit den DNA- Sondenmolekülen 405 ergebe sich aufgrund der sogenannten Doppelschichtkapazität, die durch die immobilisierten DNA- Sondenmoleküle 405 entsteht, zwischen der ersten Elektrode 401 und der elektrisch leitenden, zu untersuchenden Lösung 406 eine im Wesentlichen kapazitive elektrische Kopplung. Die nicht vollständige Bedeckung führt jedoch zu parasitären Strompfaden zwischen der ersten Elektrode 401 und der zu untersuchenden Lösung 406, die unter anderem auch ohmsche Anteile aufweisen.
  • Um jedoch den Oxidations-/Reduktions-Prozess zu ermöglichen, soll die Bedeckung der ersten Elektrode 401 mit den DNA- Sondenmolekülen 405 gar nicht vollständig sein, damit die elektrisch geladenen Teilmoleküle, d. h. die negativ geladenen ersten Teilmoleküle 410 zu der ersten Elektrode 401 infolge einer elektrischen Kraft gelangen können. Um andererseits eine möglichst große Sensitivität eines solchen Biosensors zu erreichen, und um simultan möglichst geringe parasitäre Effekte zu erreichen, sollte die Bedeckung der ersten Elektrode 401 mit DNA-Sondenmolekülen 405 ausreichend dicht sein. Um eine hohe Reproduzierbarkeit der mit einem solchen Biosensor 400 bestimmten Messwerte zu erreichen, sollen beide Elektroden 401, 402 stets ein hinreichend großes Flächenangebot für den Oxidations-/Reduktions-Prozess im Rahmen des Redox-Recycling-Vorgangs bereitstellen.
  • Unter makromolekularen Biomolekülen sind beispielsweise Proteine oder Peptide oder auch DNA-Stränge einer jeweils vorgegebenen Sequenz zu verstehen. Sollen als makromolekulare Biomoleküle, Proteine oder Peptide erfasst werden, so sind die ersten Moleküle und die zweiten Moleküle Liganden, beispielsweise Wirkstoffe mit einer möglichen Bindungsaktivität, welche die zu erfassenden Proteine oder Peptide an die jeweilige Elektrode binden, auf der die entsprechenden Liganden angeordnet sind.
  • Als Liganden kommen beispielsweise Enzymagonisten, Pharmazeutika, Zucker oder Antikörper oder irgendein anderes Molekül in Betracht, das die Fähigkeit aufweist, Proteine oder Peptide spezifisch zu binden.
  • Werden als makromolekulare Biomoleküle DNA-Stränge einer vorgegebenen Sequenz verwendet, die mittels des Biosensors erfasst werden sollen, so können mittels des Biosensors DNA- Stränge einer vorgegebenen Sequenz mit DNA-Sondenmolekülen mit der zu der Sequenz der DNA-Stränge komplementären Sequenz als Moleküle auf der ersten Elektrode hybridisiert werden.
  • Unter einem Sondenmolekül(auch Fängermolekül genannt) ist ein Ligand oder ein DNA-Sondenmolekül zu verstehen.
  • Der oben eingeführte Wert m = dI/dt, welcher der Steigung der Geraden 503 aus Fig. 5 entspricht, ist proportional zur Elektrodenfläche der zur Erfassung des Mess-Stroms verwendeten Elektroden. Daher ist der Wert m proportional zur Längsausdehnung der verwendeten Elektroden, beispielsweise bei der ersten Elektrode 201 und der zweiten Elektrode 202 proportional zu deren Länge senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 2A und Fig. 2B. Sind mehrere Elektroden parallel geschaltet, beispielsweise in der bekannten Interdigitalelektroden-Anordnung (vgl. Fig. 3A, Fig. 3B), so ist die Änderung des Mess-Stroms proportional zur Anzahl der jeweils parallel geschalteten Elektroden.
  • Der Wert der Änderung des Mess-Stroms kann jedoch aufgrund unterschiedlicher Einflüsse einen sehr stark schwankender Wertebereich aufweisen, wobei der von einem Sensor detektierbare Strom-Bereich als Dynamikbereich bezeichnet wird. Häufig wird als wünschenswerter Dynamikbereich ein Stromstärke-Bereich von fünf Dekaden genannt. Ursachen für die starken Schwankungen können neben der Sensor-Geometrie auch biochemische Randbedingungen sein. So ist es möglich, dass zu erfassende makromolekulare Biomoleküle unterschiedlicher Typen stark unterschiedliche Wertbereiche für das sich ergebende Mess-Signal, d. h. insbesondere den Mess-Strom und dessen zeitliche Änderung bewirken, was wiederum zu einer Ausweitung des erforderlichen gesamten Dynamikbereichs mit entsprechenden Anforderungen für eine vorgegebene Elektrodenkonfiguration mit nachfolgender einheitlicher Mess-Elektronik führt.
  • Die Anforderungen an den großen Dynamikbereich einer solchen Schaltung führen dazu, dass die Messelektronik teuer und kompliziert ausgestaltet ist, um im dem erforderlichen Dynamikbereich ausreichend genau und zuverlässig zu arbeiten.
  • Ferner ist häufig der Offsetstrom Ioffset viel größer als die zeitliche Änderung des Mess-Stroms m über die gesamte Messdauer hinweg. In einem solchen Szenario muss innerhalb eines großen Signals eine sehr kleine zeitabhängige Änderung mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Dies stellt sehr hohe Anforderungen an die eingesetzten Messinstrumente, was das Erfassen des Mess-Stroms aufwändig, kompliziert und teuer gestaltet. Auch wirkt diese Tatsache einer angestrebten Miniaturisierung von Sensor-Anordnungen entgegen.
  • Zusammenfassend sind die Anforderungen an den Dynamikbereich und daher an die Güte einer Schaltung zum Detektieren von Sensor-Ereignissen ausgesprochen hoch.
  • Es ist bekannt, beim Schaltungsdesign die Nicht-Idealitäten der verwendeten Bauelemente (Rauschen, Parametervariationen) in der Form zu berücksichtigen, dass für diese Bauelemente in der Schaltung ein Arbeitspunkt gewählt wird, in dem diese Nichtidealitäten eine möglichst vernachlässigbare Rolle spielen.
  • Sofern eine Schaltung über einen großen Dynamikbereich betrieben werden soll, wird die Einhaltung eines optimalen Arbeitspunkts über alle Bereiche hinweg jedoch zunehmend schwieriger, aufwändiger und damit teurer.
  • Kleine Signalströme, wie sie beispielsweise an einem Sensor anfallen, können mit Hilfe von Verstärkerschaltungen auf ein Niveau angehoben werden, das eine Weiterleitung des Signalstroms beispielsweise an ein externes Gerät oder eine interne Quantifizierung erlaubt.
  • Aus Gründen der Störungssicherheit sowie der Benutzerfreundlichkeit ist eine digitale Schnittstelle vom Sensor zum auswertenden System vorteilhaft. Die analogen Mess-Ströme sollen also bereits nahe des Sensors in digitale Signale gewandelt werden, was mittels eines integrierten Analog-Digital-Wandlers (ADC) erfolgen kann. Ein solches integriertes Konzept zum Digitalisieren eines analogen, kleinen Stromsignals ist beispielsweise in [4] beschrieben.
  • Um den erforderlichen Dynamikbereich zu erreichen, sollte der ADC eine entsprechend große Auflösung und ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Das Integrieren eines derartigen Analog-Digital-Wandlers in unmittelbarer Nähe einer Sensor-Elektrode stellt ferner eine hohe technologische Herausforderung dar, die entsprechende Prozessführung ist aufwändig und teuer. Ferner ist das Erreichen eines ausreichend hohen Signal-Rausch-Verhältnisses in dem Sensor außerordentlich schwierig.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine fehlerrobuste Schaltkreis-Anordnung mit einer verbesserten Nachweisempfindlichkeit für zeitlich sehr schwach veränderliche elektrische Ströme zu schaffen.
  • Das Problem wird durch eine Schaltkreis-Anordnung, einen Redox-Recycling-Sensor, eine Sensor-Anordnung und ein Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor-Elektrode bereitgestellten Stromsignals mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist eine Schaltkreis-Anordnung bereitgestellt, die eine Sensor-Elektrode, eine Regelungsschaltung, welche über einen Eingang mit der Sensor- Elektrode gekoppelt ist und eine Stromquelle, welche über ihrer Steuereingang mit einem Steuerausgang der Regelungsschaltung gekoppelt ist derart, dass die Stromquelle von der Regelungsschaltung steuerbar ist, und welche über ihren Ausgang mit der Sensor-Elektrode gekoppelt ist, aufweist. Die Regelungsschaltung ist derart eingerichtet, dass, wenn das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal außerhalb eines vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist, die Regelungsschaltung die Stromquelle derart steuert, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom derart einstellt, dass der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom auf einen vorgegebenen Stromstärke-Wert gebracht wird. Ferner ist die Regelungsschaltung derart eingerichtet, dass, wenn das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal innerhalb des vorgegebenen Stromstärke- Bereichs ist, die Regelungsschaltung die Stromquelle derart steuert, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom auf dem aktuellen Wert festhält. Ferner weist die Schaltkreis-Anordnung eine Detektions-Einheit auf, mit der das Ereignis detektiert werden kann, dass das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal außerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist.
  • Anschaulich erfolgt an der Sensor-Elektrode ein Sensor- Ereignis, z. B. das Hybridisieren eines DNA-Strangs mit einem Enzymlabel an einem auf der Sensor-Elektrode immobilisierten Fängermolekül, wobei das Enzym bei Zugabe einer entsprechend geeigneten Flüssigkeit freie Ladungsträger erzeugt, welche einen Stromfluss an der Sensor-Elektrode bewirken. Dies bewirkt an der Sensor-Elektrode eine zeitabhängige Veränderung des Sensor-Stroms, wie beispielsweise in Fig. 5 gezeigt. Dieser Sensor-Strom ISensor beeinflusst den über den Eingang der Regelungsschaltung fließenden Strom IMess charakteristisch. Die Regelungsschaltung ist derart eingerichtet, dass, falls der über ihren Eingang fließende Strom IMess außerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist, die Regelungsschaltung über deren Steuerausgang dem Steuereingang der Stromquelle ein derartiges Signal bereitstellt, dass die Stromquelle an ihrem Ausgang einen derarten Stromwert IRange bereitstellt, dass die über dem Eingang der Regelungsschaltung fließende Stromstärke IMess auf den vorgegebenen Stromstärke-Wert gebracht wird. Eine Detektions-Einheit, die vorzugsweise mit der Regelungsschaltung gekoppelt ist, detektiert das Ereignis, dass das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal IMess außerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist. Liegt hingegen das in die Regelungsschaltung über ihrem Eingang fließende Stromsignal innerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs, so erzeugt die Regelungsschaltung an ihrem Steuerausgang ein entsprechendes Signal, das dem Steuereingang der Stromquelle bereitgestellt wird, und diese dazu veranlasst, den von ihr erzeugten Strom IRange auf dem aktuellen, konstanten Wert festzuhalten. Anschaulich wird bei jedem weiteren Anstieg des Sensor-Stroms ISensor um ein vorgegebenes Stromintervall ein Detektions-Signal erzeugt, sodass auf diese Weise ein Sensor- Ereignis einer Sensor-Elektrode erfasst wird.
  • Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß die Signalverarbeitung kleinster Ströme im pA-nA-Bereich realisiert, wobei das analoge Stromsignal ISensor in unmittelbarer Nähe des Sensors in eine Abfolge von Detektions-Signalen, beispielsweise Pulsen, umgewandelt wird. Mit anderen Worten erfolgt eine Digitalisierung mittels Umwandelns des analogen Stromsignals ISensor in eine zeitliche Abfolge von Detektions-Signalen, vorzugsweise in eine Frequenz. Infolge der Signalverarbeitung in unmittelbarer Nähe des Sensors sind störende Einflüsse auf dem Weg des Sensor-Signals zu einer Signalverarbeitungs- Einheit vermieden bzw. gering gehalten, woraus ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis resultiert. Mit anderen Worten wird das Nutzsignal in unmittelbar Nähe des Sensors aus dem Sensor-Signal herausgefiltert.
  • Ferner ist es vorteilhaft, dass mittels der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung die Sensitivität und der Dynamikbereich des Sensors bzw. der Signalverarbeitungseinheit flexibel auf die Bedürfnisse des Einzelfalls einstellbar sind. Wie in Fig. 5 gezeigt, erfolgt beispielsweise im Falle des Nachweises von DNA-Strängen unter Verwenden des Redox-Recycling-Prinzips eine Umwandlung der Hybridisierungsereignisse in einen zeitlich konstant ansteigenden Signalstrom. Mittels Einstellens der Mess-Zeit und mittels Einstellens des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs, dessen jeweiliges Überschreiten jeweils einen Detektions-Puls auslöst, sind Sensitivität und Dynamikbereich justierbar. Ein gewünschter Dynamikumfang von fünf Dekaden (beispielsweise zum Erfassen von elektrischen Strömen zwischen 1 pA und 100 nA) ist daher erfindungsgemäß sehr einfach realisierbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung weist diese ferner ein mit der Detektions-Einheit elektrisch gekoppeltes Zähler-Element auf, das derart eingerichtet ist, dass es die Anzahl und/oder die zeitliche Abfolge der von der Detektions-Einheit detektierten Ereignisse zählt.
  • Vorzugsweise ist das Zähler-Element derart eingerichtet, dass, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Obergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs überschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erhöht wird. Wenn hingegen der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Untergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs unterschreitet, wird der Zählerstand vorzugsweise um einen vorgegebenen Wert erniedrigt.
  • Die beschriebene Funktionalität des Zähler-Elements entspricht dem Szenario, dass der Sensor-Strom ein derartiges Vorzeichen aufweist, dass es infolge eines Sensor-Ereignisses der Sensor-Strom ISensor sukzessive erhöht wird. Bei jedem Überschreiten des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs wird anschaulich der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert (vorzugsweise um "1") erhöht, wohingegen bei jedem Unterschreiten des vorgegebenen Bereichs der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert (vorzugsweise um "1") erniedrigt wird.
  • Im Falle eines dazu komplementären Szenarios, bei dem der Sensor-Strom ein Vorzeichen hat, dass der Strom ISensor infolge eines Sensor-Ereignisses sukzessive erniedrigt wird, ist das Zähler-Element derart eingerichtet, dass wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Obergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs überschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erniedrigt wird und dass, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Untergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs unterschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erhöht wird.
  • Das Absinken des Stromwertes in einem Szenario, in dem ein Detektions-Ereignis den Stromwert einer Sensor-Elektrode erhöht, ist beispielsweise auf störende und parasitäre Ereignisse, wie Rauschereignisse etc., zurückzuführen.
  • Es ist vorteilhaft, dass erfindungsgemäß der Detektor das Überschreiten bzw. das Unterschreiten des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs selektiv detektiert und infolgedessen den Zählerstand des Zähler-Elements entweder hoch oder runter setzt. Mit anderen Worten erfolgt eine automatische Mittelwertbildung des Signals, und Fehler infolge von Rauscheffekten etc. werden dadurch kompensiert. Dies führt zu einer Erhöhung der Nachweissensitivität.
  • Vorzugsweise ist die Stromquelle eine spannungsgesteuerte Stromquelle.
  • Ferner weist die Regelungsschaltung vorzugsweise an deren Eingang einen Strom-Spannungs-Wandler auf, der derart eingerichtet ist, dass der an dem Eingang der Regelungsschaltung anliegende Strom mittels des Strom- Spannungs-Wandlers in ein elektrisches Spannungssignal umgewandelt wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung ist diese als integrierter Schaltkreis ausgebildet.
  • Die Integration der Schaltkreis-Anordnung, beispielsweise in ein Silizium-Substrat (z. B. einen Chip in einem einen Wafer) bewirkt eine hohe Nachweisgenauigkeit infolge der Stromsignalverarbeitung On-Chip. Auf dem Chip wird direkt und in unmittelbarer Nähe der Sensor-Elektrode der Strom verarbeitet, wodurch störende Signale, wie ein zusätzliches Rauschen infolge eines erhöhten Übermittlungsweges, vermieden sind. Ferner ist vorteilhaft, dass infolge der Integration der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung, beispielsweise in ein Halbleiter-Substrat, die Dimension der Schaltkreis- Anordnung verringert werden kann. Diese Miniaturisierung führt zu einem Kostenvorteil, da makroskopisches Messequipment eingespart ist.
  • Es ist zu betonen, dass infolge der Integration der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung in ein Halbleiter- Substrat die Schaltkreis-Anordnung unter Verwendung standardisierter und weit verbreiteter sowie ausgereifter halbleitertechnologischer Prozesse herstellbar ist, was Qualitäts- und Kostenvorteile bewirkt.
  • Ferner ist erfindungsgemäß ein Redox-Recycling-Sensor mit einer Schaltkreis-Anordnung mit den zuvor beschriebenen Merkmalen bereitgestellt.
  • Die Sensitivität der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung ist wie beschrieben ausreichend hoch, um sehr kleine elektrische Ströme, wie sie üblicherweise bei dem Nachweis von Biomolekülen geringer Konzentration anfallen, erfassen zu können. Daher ist die Schaltkreis-Anordnung der Erfindung vorzugsweise als Redox-Recycling-Sensor mit dem oben bezugnehmend auf Fig. 4A, Fig. 4B, Fig. 4C beschriebenen Merkmalen ausgebildet.
  • Des weiteren ist erfindungsgemäß eine Sensor-Anordnung mit einer Mehrzahl von Schaltkreis-Anordnungen mit den beschriebenen Merkmalen geschaffen. Insbesondere kann jede der Schaltkreis-Anordnungen der Sensor-Anordnungen als Redox- Recycling-Sensor ausgebildet sein.
  • Das Anordnen einer Mehrzahl von Schaltkreis-Anordnungen zum Ausbilden einer Sensor-Anordnung beispielsweise in einer im Wesentlichen matrixförmigen Anordnung ermöglicht zum Beispiel eine parallele Analyse einer zu untersuchenden Flüssigkeit. Enthält diese Flüssigkeit beispielsweise unterschiedliche Biomoleküle, wie beispielsweise unterschiedliche DNA- Halbstränge, und sind auf den unterschiedlichen Sensor- Elektroden der Sensor-Anordnung unterschiedliche Arten von Fängermolekülen immobilisiert, so können zeitlich parallel die unterschiedlichen DNA-Halbstränge detektiert werden. Die parallele Analyse ist auf vielen technischen Gebieten eine wünschenswerte Rationalisierungs-Maßnahme, mittels der Arbeitszeit und somit Kosten eingespart sind. Daher ist eine zeitsparende Analyse einer zu untersuchenden Flüssigkeit erfindungsgemäß realisiert.
  • Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor-Elektrode bereitgestellten Stromsignals näher beschrieben. Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung, des erfindungsgemäßen Redox-Recycling-Sensors und der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung gelten auch für das Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor-Elektrode bereitgestellten Stromsignals.
  • Das Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor- Elektrode bereitgestellten Stromsignals erfolgt unter Verwenden einer Schaltkreis-Anordnung mit den oben beschriebenen Merkmalen.
  • Gemäß dem Verfahren wird, wenn das in die Regelschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal außerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist, die Stromquelle von der Regelschaltung derart gesteuert, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom derart einstellt, dass der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom auf den vorgegebenen Stromstärke-Wert gebracht wird. Wenn dagegen das in den Eingang der Regelungsschaltung fließende Stromsignal innerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist, steuert die Regelungsschaltung die Stromquelle derart, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom auf dem aktuellen Wert festhält. Ferner wird mittels der Detektions- Einheit das Ereignis detektiert, dass das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal außerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird mittels eines mit der Regelungsschaltung elektrisch gekoppelten Zähler- Elements die Anzahl und/oder die zeitliche Abfolge der Ereignisse gezählt.
  • Gemäß einer ersten Alternative wird, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Obergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs überschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erhöht. Dagegen wird, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Untergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs unterschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erniedrigt.
  • Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung wird, wenn der in der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Obergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs überschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erniedrigt und es wird, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Untergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs unterschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erhöht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Schaltkreis-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • Fig. 2A eine Querschnitts-Ansicht eines Sensors gemäß dem Stand der Technik in einem ersten Betriebszustand,
  • Fig. 2B eine Querschnitts-Ansicht des Sensors gemäß dem Stand der Technik in einem zweiten Betriebszustand,
  • Fig. 3A eine Draufsicht von Interdigitalelektroden gemäß dem Stand der Technik,
  • Fig. 3E eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie I-I' der in Fig. 3A gezeigten Interdigitalelektroden gemäß dem Stand der Technik,
  • Fig. 4A einen auf dem Prinzip des Redox-Recyclings basierenden Biosensor in einem ersten Betriebszustand gemäß dem Stand der Technik,
  • Fig. 4B einen auf dem Prinzip des Redox-Recyclings basierenden Biosensor in einem zweiten Betriebszustand gemäß dem Stand der Technik,
  • Fig. 4C einen auf dem Prinzip des Redox-Recyclings basierenden Biosensor in einem dritten Betriebszustand gemäß dem Stand der Technik,
  • Fig. 5 einen Funktionsverlauf eines Sensor-Stroms im Rahmen eines Redox-Recycling-Vorgangs,
  • Fig. 6 eine detaillierte Ansicht des Funktionsverlaufs eines Sensor-Stroms im Rahmen eines Redox-Recycling-Vorgangs,
  • Fig. 7 eine schematische Ansicht einer Schaltkreis-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • Fig. 8A ein Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit des Sensor-Stroms ISensor von der Zeit t für die in Fig. 7 gezeigte Sensor-Elektrode zeigt,
  • Fig. 8B ein Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit des Mess-Stroms IMess von der Zeit t für das in Fig. 8A dargestellte Diagramm zeigt,
  • Fig. 9A eine schematische Ansicht einer Schaltkreis- Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • Fig. 9B ein Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit des Mess-Stroms IMess von der Zeit t für das in Fig. 8A dargestellte Diagramm und für das in Fig. 9A gezeigte dritte Ausführungsbeispiel der Schaltkreis-Anordnung der Erfindung zeigt,
  • Fig. 10A eine schematische Ansicht einer Schaltkreis- Anordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • Fig. 10B eine Prinzipskizze der Detektions-Einheit des in Fig. 10A gezeigten vierten Ausführungsbeispiels der Schaltkreis-Anordnung der Erfindung.
  • Anschaulich schafft die Erfindung unter anderem ein On-Chip integriertes Schaltungskonzept zur direkten Wandlung eines Sensor-Signals eines elektronischen Biosensors, welcher auf dem Prinzip des Redox-Recyclings basiert, in Frequenzen. Das Signal, welches diese Frequenz trägt, liegt in Form von Binärsignalen mit Digitalpegeln vor.
  • Eine grundsätzliche Idee für die erfindungsgemäße Frequenzwandlung eines Sensor-Stromsignals, die mittels der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung realisiert ist, ist in Fig. 6 schematisch anhand eines Diagramms 600 gezeigt.
  • Das in Fig. 6 gezeigte Diagramm 600 weist eine Abszisse 602 auf, entlang derer die Zeit t aufgetragen ist. Entlang der Ordinate 601 des Diagramms 600 ist der Sensor-Strom ISensor aufgetragen. Ferner ist ein Kurvenverlauf Strom-Zeit 603 gezeigt. Ein Offsetstrom IOffset 604 ist ferner in das Diagramm 600 aus Fig. 6 eingetragen.
  • Ausgehend von einem Stromwert I0 zu einem ersten Zeitpunkt t0 ist die Stromachse 601 gedanklich in äquidistante Abschnitte der Größe ΔI eingeteilt. In dem Zeitintervall zwischen dem ersten Zeitpunkt t0 und dem zweiten Zeitpunkt t1 werden, wie gezeigt, von dem Kurvenverlauf Strom-Zeit 603 n Stromintervalle ΔI überstrichen. Erfindungsgemäß wird in geeigneter Weise detektiert, wie viele vollständige Abschnitte n und daher welches Stromintervall nΔI von dem Sensor-Strom ISensor in dem Zeitintervall zwischen dem ersten Zeitpunkt t0 und dem zweiten Zeitpunkt t1 überstrichen werden. Bezugnehmend auf die oben eingeführte Nomenklatur ist die messtechnisch relevante Größe der Stromanstieg m 605, d. h. der Sensor-Strom I1 zu dem zweiten Zeitpunkt t1 abzüglich des Sensor-Stroms 2% zu dem ersten Zeitpunkt t0 dividiert durch das überstrichene Zeitintervall t1 - t0 (für einen linear mit der Zeit ansteigenden Strom):

    m = (I1 - I0)/(t1 - t0) (1)
  • Infolge der Unterteilung der Stromachse in Abschnitte ΔI und infolge des Detektierens des jeweiligen Überschreitens eines weiteren Intervalls ΔI wird tatsächlich eine Größe m* erfasst, die durch folgenden Ausdruck beschrieben wird:

    m*(t1) = nΔI/(t1 - t0) (2)
  • Für den relativen Fehler infolge der Quantelung des Stroms in endlich breite Stromintervalle ΔI ist folgender Ausdruck maßgeblich:

    (m - m*)/m = 1/(n + 1) (3)
  • Aus (3) erkennt man, dass bei ausreichend großer Wahl von n (d. h. bei einer ausreichend großen Messzeit bzw. bei einer ausreichend kleinen Wahl des Stromintervalls ΔI der relative Fehler vernachlässigbar klein gehalten werden kann. Für n gilt näherungsweise:

    n ≍ (I1 - I0)/ΔI (4)

  • Somit besteht die Möglichkeit, mittels geeigneter Wahl des Intervalls ΔI zu Konfigurationen zu gelangen, die zu hinreichend großen Werten n über einen Dynamikbereich des Sensor-Signals führen, sodass der verbleibende Charakterisierungsfehler vernachlässigbar klein ist.
  • Bezugnehmend auf Fig. 1 wird im Weiteren eine auf dem beschriebenen Prinzip basierende Schaltkreis-Anordnung 100 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die Schaltkreis-Anordnung 100 weist eine Sensor-Elektrode 101, eine Regelungsschaltung 102, welche über einen Eingang 103 mit der Sensor-Elektrode 101 gekoppelt ist und eine Stromquelle 104 auf, welche über ihren Steuereingang 105 mit einem Steuerausgang 106 der Regelungsschaltung 102 gekoppelt ist derart, dass die Stromquelle 104 von der Regelungsschaltung 102 steuerbar ist, und welche über ihren Ausgang 107 mit der Sensor-Elektrode 101 gekoppelt ist. Die Regelungsschaltung 102 ist derart eingerichtet, dass, wenn das in die Regelungsschaltung 102 über ihren Eingang 103 fließende erste Stromsignal 108 außerhalb eines vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist, die Regelungsschaltung 102 die Stromquelle 104 derart steuert, dass die Stromquelle 104 das von ihr erzeugte zweite Stromsignal 109 derart einstellt, dass das in den Eingang 103 der Regelungsschaltung 102 fließende erste Stromsignal 108 auf einen vorgegebenen Stromstärke-Wert gebracht wird. Ferner ist die Regelungsschaltung 102 derart eingerichtet, dass, wenn das in die Regelungsschaltung 102 über ihren Eingang 103 fließende erste Stromsignal 108 innerhalb des vorgegebenen Stromstärke- Bereichs ist, die Regelungsschaltung 102 die Stromquelle 104 derart steuert, dass die Stromquelle 104 das von ihr erzeugte zweite Stromsignal 109 auf dem aktuellen Wert festhält. Ferner weist die Schaltkreis-Anordnung 100 eine Detektions- Einheit 110 auf, mit der das Ereignis detektiert werden kann, dass das in die Regelungsschaltung 102 über ihren Eingang 103fließende erste Stromsignal 108 außerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist.
  • Ferner sind in Fig. 1 Fängermoleküle 111 gezeigt, die an der Sensor-Elektrode 101 immobilisiert sind. Ferner sind mit diesen Fängermolekülen 111 hybridisierte zu erfassende Moleküle 112 mit einem Enzym-Label 113 gezeigt. Das auf dem Prinzip des Redox-Recyclings basierende System der Sensor- Elektrode 101, der Fängermoleküle 111, der zu erfassenden Moleküle 112 mit deren Enzymlabeln 113, etc. bewirkt, dass elektrisch geladene Partikel 114 erzeugt werden, welche ein drittes Stromsignal 115 der Sensor-Elektrode 101 erzeugt. Dieses dritte Stromsignal 115, das dem in Fig. 6 dargestellten Kurvenverlauf Strom-Zeit 603 entspricht, enthält die Information, welche Anzahl zu erfassender Partikel 113 mit den Fängermolekülen 111 auf der Oberfläche der Sensor- Elektrode 101 hybridisiert sind. Mittels der Schaltkreis- Anordnung 100 ist es möglich, aus dem dritten Stromsignal 115 die Sensor-Information herauszufiltern.
  • Die genaue Funktionalität der Schaltkreis-Anordnung der Erfindung wird im Weiteren bezugnehmend auf Fig. 7 beschrieben, in der eine Schaltkreis-Anordnung 700 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist.
  • Die Schaltkreis-Anordnung 700 weist eine Sensor-Elektrode 701, eine Regelungsschaltung 702, welche über einen Eingang 703 mit der Sensor-Elektrode 701 gekoppelt ist und eine Stromquelle 704 auf, welche über ihren Steuereingang 705 mit dem Steuerausgang 706 der Regelungsschaltung 702 steuerbar ist, und welche über ihren Ausgang 707 mit der Sensor- Elektrode 701 gekoppelt ist. Die Regelungsschaltung 702 ist derart eingerichtet, dass, wenn das in die Regelungsschaltung 702 über ihren Eingang 703 fließende Mess-Stromsignal IMess 708 außerhalb eines vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist, die Regelungsschaltung 702 die Stromquelle 704 derart steuert, dass die Stromquelle 704 das von ihr erzeugte Hilfs- Stromsignal IRange 709 derart einstellt, dass das in den Eingang 703 der Regelungsschaltung 702 fließende Mess- Stromsignal IMess 708 auf einen vorgegebenen Stromstärke-Wert IBase 710 gebracht wird. Ferner ist die Regelungsschaltung 702 derart eingerichtet, dass, wenn das in die Regelungsschaltung 702 über ihren Eingang 703 fließende Mess-Stromsignal 708 innerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist, die Regelungsschaltung 702 die Stromquelle 704 derart steuert, dass die Stromquelle 704 das von ihr erzeugte Hilfs- Stromsignal 709 auf dem aktuellen Wert festhält. Ferner weist die Schaltkreis-Anordnung 700 eine Detektions-Einheit 711 auf, mit der das Ereignis detektiert werden kann, dass das in die Regelungsschaltung 702 über ihren Eingang 703 fließende Mess-Stromsignal 708 außerhalb des vorgegebenen Stromstärke- Bereichs ist.
  • Der vorgegebene Stromstärke-Bereich wird mittels eines Schwellwert-Detektors 712 der Regelungsschaltung 702 überwacht. Gemäß dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel der Schaltkreis-Anordnung 700 ist der vorgegebene Stromstärke-Bereich, also der Bereich zwischen IBase und IBase + ΔI mit der Bezugsziffer 713 versehen.
  • Ferner ist in Fig. 7 ein mit der Detektions-Einheit 711 elektrisch gekoppeltes Zähler-Element 714 gezeigt, das derart eingerichtet ist, dass es die Anzahl und die zeitliche Abfolge der von der Detektions-Einheit 711 detektierten Ereignisse zählt. Insbesondere ist das Zähler-Element 714 derart eingerichtet, dass, wenn der in den Eingang 703 der Regelungsschaltung 702 fließende elektrische Strom die Obergrenze IBase + ΔI überschreitet, der Zählerstand um den vorgegebenen Wert "1" erhöht wird.
  • Des weiteren ist in Fig. 7 das Sensor-Stromsignal ISensor 715 gezeigt, der infolge von Sensor-Ereignissen an der Sensor- Elektrode 701 erzeugt wird.
  • Darüber hinaus sind in Fig. 7 in Diagrammen 716, 717, 718 die Zeitverläufe des Mess-Stromsignals 708 (Diagramm 716), des Hilfs-Stromsignals 709 (Diagramm 717) und des Sensor- Stromsignals 715 (Diagramm 718) gezeigt.
  • Es ist zu betonen, dass das die Diagramme 716 bzw. 717 eine idealerweise erwünschte Zeitabhängigkeit des Mess- Stromsignals 708 bzw. Hilfs-Stromsignals 709 zeigen, wohingegen die Diagramme 719 bzw. 728 eine reale Zeitabhängigkeit des Mess-Stromsignals 708 bzw. Hilfs- Stromsignals 709 zeigen. Mittels geeigneter Wahl der Komponenten der Schaltkreis-Anordnung 700 bzw. des Betriebsverfahrens ist es jedoch möglich, die reale Zeitabhängigkeit des Mess-Stromsignals (Diagramm 719) und des Hilfs-Stromsignals 709 (Diagramm 717) dem Idealverlauf des Mess-Stromsignals 708 (Diagramm 716) bzw. Hilfs-Stromsignals 709 (Diagramm 717) anzunähern. Zum Zwecke einer anschaulichen, vereinfachten Beschreibung der Funktionalität der Komponenten der Schaltkreis-Anordnung 700 wird im Weiteren der Fall beschrieben, dass das Mess-Stromsignal 708 bzw. das Hilfs-Stromsignal 709 mittels eines idealen Verlaufs, wie in Diagramm 716 bzw. Diagramm 717 gezeigt, beschreibbar ist.
  • Die in Fig. 7 gezeigt Stromquelle 704 ist eine spannungsgesteuerte Stromquelle.
  • Bei der Schaltkreis-Anordnung 700 weist die Regelungsschaltung 702 an deren Eingang 703 einen Strom- Spannungs-Wandler 720 auf, der derart eingerichtet ist, dass das an dem Eingang 703 der Regelungsschaltung 702 anliegende Mess-Stromsignal 708 mittels des Strom-Spannungs-Wandlers 720 in ein elektrisches Spannungs-Signal umgewandelt wird.
  • Die Komponenten der Schaltkreis-Anordnung 700 sind in ein in Fig. 7 nicht gezeigtes Silizium-Substrat integriert, bzw. ein Teil der Komponenten ist auf dem Silizium-Substrat ausgebildet.
  • Das in Fig. 7 gezeigte Schaltungskonzept stellt eine Realisierung des erfindungsgemäßen Prinzips dar. Die Schaltungsidee beruht auf der Verwendung von drei über einen elektrischen Knoten 721 miteinander verknüpften Stromsignalen, IMess 708, IRange 709 und ISensor 715.
  • Der Sensor-Strom ISensor 715 bezeichnet den elektrischen Strom, der infolge von auf der Sensor-Elektrode 701 erfolgten Sensor-Ereignissen ausgehend von der Sensor-Elektrode 701 fließt (vgl. Fig. 1). Eine typische Zeitabhängigkeit des Sensor-Stroms ISensor 715 ist im Diagramm 718 gezeigt. Die dort gezeigte Zeitabhängigkeit entspricht im Wesentlichen dem oben bezugnehmend auf Fig. 6 beschriebenen Kurvenverlauf Strom-Zeit 603. Eine solche Kurve wird beispielsweise bei einer Detektion entsprechend dem Redox-Recycling-Verfahren erhalten. In dem Diagramm 718 ist schematisch gezeigt, dass der Sensor-Strom ISensor 715 gedanklich in Intervalle ΔI aufgeteilt ist.
  • Das Mess-Stromsignal IMess 708 ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser elektrische Strom auf einen festen Strombereich zwischen IBase und IBase + ΔI begrenzt ist. Dieser Strombereich ist der vorgegebene Stromstärke-Bereich 713. Erreicht das Mess-Stromsignal IMess 708, wie in Diagramm 716 gezeigt, die obere Schwelle IBase + ΔI, so wird erfindungsgemäß das Hilfs- Stromsignal IRange 709 mittels der Regelungsschaltung 702 auf einen derartigen Stromwert eingestellt, dass das Mess- Stromsignal IMess 708 zum unteren Ende des Strombereichs, d. h. auf den vorgegebenen Stromstärke-Wert IBase 710 zurückgeführt wird. Mit anderen Worten dient das Hilfs-Stromsignal IRange 709 dazu, das Mess-Stromsignal IMess 708 auf das vorgegebene Intervall 713 zu begrenzen, indem es Stromanteile, die über die Schwelle dieses Kanals hinausgehen, aufnimmt.
  • Gemäß dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel der Schaltkreis-Anordnung 700 ist für den vorgegebenen Stromstärke-Wert IBase 700 als Wert 0 A gewählt. In anderen Konfigurationen der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung kann jedoch die Wahl eines von dem Stromwert 0 A abweichenden vorgegebenen Stromstärke-Werts IBase 710 günstig sein.
  • Infolge des Zusammenlaufens der drei Stromsignale 708, 709, 715 an dem elektrischen Knoten 721 gilt:

    ISensor = IMess + IRange (5)
  • Die im Weiteren beschriebene Funktionalität der Schaltkreis- Anordnung 700 bewirkt, dass die für die Analyse der Sensor- Ereignisse relevante Information bzgl. des Stromanstiegs m in dem Mess-Stromsignal IMess 708 enthalten ist, wohingegen das Hilfs-Stromsignal IRange 709 eine Hilfsfunktion erfüllt.
  • Zwei Betriebszustände der Schaltkreis-Anordnung 700 werden im Weiteren erläutert:
    In einem ersten Betriebszustand {1} gilt:

    IMess(t) = ISensor(t) - ISensor(t*) + IBase (6a)

    IRange(t) = ISensor(t*) - IBase (6b)
  • In einem zweiten Betriebszustand {2} gilt:

    IMess(t) = IBase (7a)

    IRange(t) = ISensor(t) - IBase (7b)
  • Dabei bezeichnet t einen aktuell vorliegenden Zeitpunkt und t* einen bestimmten, zeitlich vor dem aktuellen Zeitpunkt t liegenden Zeitpunkt.
  • Beispielhaft ist ein Zeitintervall, das dem ersten Betriebszustand {1} entspricht, in den Diagrammen 716, 717, 718 (und auch in Diagramm 719) mit der Bezugsziffer 722 bezeichnet. In diesem Zustand ist das Hilfs-Stromsignal IRange709 auf einem konstanten zeitunabhängigen aktuellen Stromwert fixiert. Dieser Stromwert ist durch die Differenz zwischen dem Sensor-Strom ISensor(t*) 715, wie er zu dem vorigen Zeitpunkt t*floss und durch den vorgegebenen Stromstärke- Wert IBase 710 festgelegt (vgl. (6b)). Folglich ist das Mess- Stromsignal IMess 708 zum Zeitpunkt t durch die Differenz der Sensor-Stromsignale 715 zu den Zeitpunkten t bzw. t* zuzüglich des vorgegebenen Stromstärke-Werts IBase 710 festgelegt (vgl. (6b)). In dem Betriebszustand {1} ist, wie in Diagramm 716 gezeigt, das Mess-Stromsignal 708 innerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs 713 befindlich.
  • Der Betriebszustand {2} ist dadurch gekennzeichnet, dass das an der Sensor-Elektrode 701 zum Zeitpunkt t generierte Sensor-Stromsignal 715, vermindert um den vorgegebenen Stromstärke-Wert Ibase 710, das Hilfs-Strom-Signal 709 zum Zeitpunkt t bildet (vgl. (7b)). Das Mess-Stromsignal IMess ist zum Zeitpunkt t folglich unabhängig vom Sensor-Stromsignal ISensor 715 auf dem vorgegebenen Stromstärke-Wert Ibase 710 befindlich (vgl. (7a)). Der vorgegebene Stromstärke-Wert Ibase 710, der, wie oben angesprochen, gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zu 0 A gewählt ist, dient daher der Einstellung eines Arbeitsbereichs des Mess-Stromsignals IMess 708. Gemäß dem beschriebenen Szenario, bei dem Ibase = 0 A gewählt ist, ist im Betriebszustand {2} das gesamte Sensor- Strom-Signal ISensor 715 das Hilfs-Strom-Signal IRange 709, so dass das Mess-Stromsignal IMess 708 verschwindet.
  • Der Betriebszustand {2} ist in Fig. 7 beispielhaft durch den mit der Bezugsziffer 723 bezeichneten Zeitpunkt gekennzeichnet, der in die Diagramme 716, 717, 718 eingezeichnet ist. Anschaulich wird hierbei infolge des Überschreitens der oberen Grenze IBase + ΔI seitens des Mess- Stromsignal IMess 708 das Mess-Stromsignal IMess 708 auf den vorgebenden Stromstärke-Wert 710 zurückgesetzt und das (zusätzliche) Stromstärke-Intervall ΔI dem Hilfs-Strom-Signal 709 zugeführt.
  • Die idealerweise getroffene Annahme, dass der zweite Betriebszustand {2} durch einen möglichst kleinen Zeitraum, d. h. im Idealfall durch einen Zeitpunkt 723 gekennzeichnet ist, ist in der Realität häufig nicht erreichbar. Die zeitliche Breite Δt eines realen zweiten Betriebszustands {2} 723a ist in das Diagramm 719 eingezeichnet. Das in dem Diagramm 719 gezeigte Zeitintervall Δt kann jedoch in der Realität so gewählt werden, dass die Dauer des Betriebszustands {2} vernachlässigbar klein gegenüber der Dauer des Betriebszustands {1} ist. Zum Verständnis der Funktionalität der Schaltkreis-Anordnung 700 ist die endliche Dauer des zweiten Betriebszustands {2} 723a jedoch unerheblich, so dass in der weiteren Beschreibung davon ausgegangen wird, dass der zweite Betriebszustand {2} 723 im Wesentlichen mittels eines Zeitpunkts beschreibbar ist. Die Bedeutung des Zeitintervalls Δt wird bei der unten beschriebenen Generierung eines Detektions-Pulses (der zeitlichen Länge Δt) wieder aufgegriffen.
  • Die beiden Betriebszustände {1} und {2} 722, 723 werden in der Schaltkreis-Anordnung 700 von der Regelungsschaltung 702 und der spannungsgesteuerten Stromquelle 704 gesteuert.
  • Um den Betriebszustand {2} zu realisieren, wird die Stromquelle 704 von der Regelungsschaltung 702 mittels eines Parameters y angesteuert, der im Falle der Schaltkreis- Anordnung 700 eine elektrische Spannung ist. Mit anderen Worten ist die Stromquelle 704 eine spannungsgesteuerte Stromquelle. Das Mess-Stromsignal IMess 708 wird mittels des Stromspannungs-Wandlers 720 in eine Größe x transformiert, die gemäß der in Fig. 7 beschriebenen Schaltkreis-Anordnung 700 eine elektrische Spannung ist. Diese Spannung ist die Ausgangsgröße des Strom-Spannungs-Wandlers 720 und die Eingangsgröße einer Regelungseinheit 724 der Regelungsschaltung 702. Die Regelung bewirkt, dass das Mess- Stromsignal auf dem vorgegebenen Stromstärke-Wert IBase = 0 A 710 ist. Mittels eines an einem weiteren Eingang 725 der Regelungseinheit 725 anliegenden Signals ist der Regelungseinheit 724 die Information bereitgestellt, ob die Schaltkreis-Anordnung in dem Betriebszustand {1} oder in dem Betriebszustand {2} betrieben werden soll.
  • Um die erfindungsgemäße Schaltkreis-Anordnung im Betriebszustand {1} betreiben zu können, ist die Regelungseinheit 724 derart eingerichtet, dass bei einem entsprechenden Signal an dem weiteren Eingang 725, der zu einem vorherigen Zeitpunkt (beispielsweise t*) aktuelle Regelwert der Spannung y festgehalten wird. Sobald das Hilfs- Strom-Signal IRange 709 von diesem zeitunabhängigen Regelwert bestimmt wird, ist der Betriebszustand {1} realisiert.
  • Ein weiterer Bereich der Schaltkreis-Anordnung 700, nämlich der Schwellwert-Detektor 712 der Regelungsschaltung 702, die Detektions-Einheit 711 und das Zähler-Element 714 definieren, wann von der Schaltkreis-Anordnung 700 der Betriebszustand {1} oder {2} realisiert wird. Überschreitet der Eingangswert x, der dem Schwellwert-Detektor 712 mittels des damit gekoppelten Strom-Spannungs-Wandlers 720 bereitgestellt ist, einen vorgegebenen Schwellwert 726, so wird an dem Ausgang des Schwellwert-Detektors 712 ein derartiges Signal generiert und dem Eingang der Detektions-Einheit 711 bereitgestellt, dass die Detektions-Einheit 711 einen Puls 727 generiert. Der von der Detektions-Einheit 711 generierte Puls 727 wird dem weiteren Eingang 725 der Regelungseinheit 724 bereitgestellt. Dieser der Regelungseinheit 724 bereitgestellt Puls informiert die Regelungseinheit 724 darüber, dass der vorgegebene Schwellwert 726 an dem Schwellwert-Detektor 712 überschritten ist, was der Fall ist, wenn das Mess- Stromsignal IMess 708 den Wert IBase + ΔI überschreitet. Das Überschreiten des Schwellwerts 726 ist äquivalent zu dem Ereignis, dass das Mess-Stromsignal IMess 708 den vorgegebenen Stromstärke-Bereich 713 überschritten hat, d. h. den Stromstärke-Wert IBase + ΔI überschritten hat.
  • Es ist zu betonen, dass die zeitliche Länge des Pulses 727 der Detektions-Einheit 711 derjenigen Länge entspricht, die in dem Diagramm 719 als reale Länge des zweiten Betriebszustands 723a mit Δt bezeichnet ist. Es kann günstig sein, dass der von der Detektions-Einheit 711 erzeugte Puls 727 eine möglichst kurze zeitliche Länge Δt → 0 aufweist.
  • Der an dem weiteren Eingang der Regelungseinheit 724 bereitgestellte Puls 727 bewirkt, dass während der Zeitdauer Δt des Pulses 727 die Regelungseinheit 724 die Schaltkreis- Anordnung 700 derart regelt, dass während dieses Zeitintervalls Δt der zweite Betriebszustand {2} aufrechterhalten ist. In Abwesenheit eines derartigen Pulses 727 an dem weiteren Eingang 725 der Regelungseinheit 724 befindet sich die Schaltkreis-Anordnung 700 im Betriebszustand {1}.
  • Das Resultat des Zusammenspiels aller Schaltungskomponenten der Schaltkreis-Anordnung 700 ist in den Diagrammen 716, 717, 718 dargestellt. Überschreitet das Mess-Stromsignal IMess 708 den Wert IBase + ΔI, so erfolgt ein Rücksetzen des Mess- Stromsignals IMess auf den vorgegebenen Stromstärke-Wert IBase 710 mit Hilfe des Betriebszustands {2}. Nach dem Rücksetzen wächst das Mess-Stromsignal IMess 708 wiederum mit einer Rate an, die von dem Sensor-Stromsignal ISensor 715 bestimmt ist. Die bei jedem Rücksetz-Vorgang von der Detektions-Einheit 711 erzeugten Pulse 727 werden nicht nur dem weiteren Eingang 725 der Regelungseinheit 724 bereitgestellt, sondern auch, wie in Fig. 7 gezeigt, dem Zähler-Element 714. Das Zähler-Element 714 zählt die Anzahl der Pulse und deren zeitliche Abfolge. Mit anderen Worten erfasst das Zähler-Element 714 die Anzahl n der Pulse in digitaler Form, dadurch ist an dem Zähler- Element 714 ermittelbar, welcher Stromstärke-Zuwachs nΔI in dem erfassten Mess-Zeitraum erfolgt ist.
  • Damit diese Anzahl n identisch ist mit der Anzahl der Überschreitungen des Sensor-Stromsignals ISensor 715 über ΔI- Abschnitte innerhalb der Zeitperiode t0 - t1, sollte die Größe Δt vorzugsweise vernachlässigbar klein gegenüber der Zeit zwischen zwei Rücksetzvorgängen sein. Unter dieser Voraussetzung, die in der Praxis oft gut erfüllbar ist, kann der Stromanstieg m* über n bestimmt werden. Ist n ausreichend groß bzw. ΔI ausreichend klein bzw. die Messzeit ausreichend lang gewählt, so kann m näherungsweise gleich m* angenommen werden.
  • Es ist zu betonen, dass das beschriebene Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor-Elektrode 701 bereitgestellten Sensor-Strom-Signals 715 auch dann anwendbar ist, wenn das Zeitintervall Δt, d. h. die Länge des Pulses 727, nicht vernachlässigbar klein ist. In einem solchen Szenario ist die messtechnisch zu erfassende Größe m* gemäß folgendem Ausdruck zu ermitteln:

    m*(t1) = nΔI/(t1 - t0 - nΔI) (8)
  • Es ist zu betonen, dass abweichend von der in Fig. 7 gezeigten Schaltkreis-Anordnung 700 anstelle des Bereitstellens des Zähler-Elements 714 auch direkt die Frequenz der Pulse 727 am Ausgang der Detektions-Einheit 711 erfasst werden kann. In dieser Frequenz ist die Information des Sensor-Strom-Signals ISensor 715 enthalten.
  • Das auf der Verwendung der Schaltkreis-Anordnung 700 basierende Verfahren zum Verarbeiten eines über die Sensor- Elektrode 701 bereitgestellten Sensor-Stromsignals ISensor 715 weist zusammenfassend die folgenden Schritte auf: wenn das in die Regelungsschaltung 702 über ihren Eingang 703 fließende Mess-Stromsignal IMess 708 außerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs 713 ist, steuert die Regelungsschaltung 702 die Stromquelle 704 derart, dass die Stromquelle 704 das von ihr erzeugte elektrische Hilfs-Stromsignal IRange 709 derart einstellt, dass das in den Eingang 703 der Regelungsschaltung 702 fließende elektrische Mess-Stromsignal IMess 708 auf den vorgegebenen Stromstärke-Wert Ibase 710 gebracht wird. Wenn das in die Regelungsschaltung 702 über ihren Eingang 703 fließende Mess-Stromsignal IMess 708 innerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs 713 ist, steuert die Regelungsschaltung 702 die Stromquelle 704 derart, dass die Stromquelle 704 das von ihr erzeugte elektrische Hilfs-Strom-Signal IRange 709 auf dem aktuellen Wert festhält. Es wird ferner mittels der Detektions-Einheit 711 das Ereignis detektiert, dass das in die Regelungsschaltung 702 über ihren Eingang 703 fließende Mess- Stromsignal IMess 708 außerhalb des vorgegebenen Stromstärke- Bereichs 713 ist.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 8A, Fig. 8B beschrieben, wie das erfindungsgemäße Prinzip funktioniert, wenn das Sensor-Stromsignal ISensor von seiner idealen linearen Form (vgl. Fig. 6) abweicht und Signal-Schwankungen (beispielsweise infolge von Rauscheffekten) auftreten.
  • In Fig. 8A ist ein Diagramm 800 gezeigt, entlang dessen Abszisse die Zeit t 802 aufgetragen ist, und entlang deren Ordinate der elektrische Sensor-Strom 801 aufgetragen ist. Wie in Fig. 8A gezeigt, ist der Kurvenverlauf Sensor-Strom- Zeit 803 nicht linear, sondern weist Schwankungen auf.
  • In Fig. 8B ist ein weiteres Diagramm 810 gezeigt, entlang dessen Abszisse die Zeit t 812 aufgetragen ist, die der in Fig. 8A aufgetragenen Zeit 802 entspricht. Entlang der Ordinate des weiteren Diagramms 810 ist der elektrische Mess- Strom 811 aufgetragen. Ferner ist in Fig. 8B der Kurvenverlauf Mess-Strom-Zeit 813 aufgetragen, wie er sich bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung 700 für den Fall, dass der in Fig. 8A dargestellte Kurvenverlauf Sensor-Strom- Zeit 803 vorliegt, ergibt.
  • Ferner ist in Fig. 8A ein Stromstärke-Intervall ΔI 804 gezeigt. Der für die Funktionalität der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung wesentliche vorgegebene Stromstärke- Bereich, also der Bereich zwischen einem vorgegebenen Stromstärke-Wert IBase 814 und IBase + ΔI ist in Fig. 8B mit der Bezugsziffer 815 bezeichnet.
  • Nach jedem weiteren Überschreiten eines Stromstärke- Intervalls ΔI 804 durch den elektrischen Sensor-Strom ISensor wird der elektrische Mess-Strom 811 zurückgesetzt. Diese Rücksetz-Punkte 816 sind in Fig. 8B gezeigt, und deren Anzahl entspricht der oben eingeführten Kenngröße n. Entscheidend für die Funktionalität der Schaltkreis-Anordnung zum indirekten Erfassen des elektrischen Sensor-Stroms 801 ist es, dass bei einem mehrmaligen Überschreiten einer bestimmten Stromintervall-Linie genau ein Rücksetz- und damit Zählvorgang ausgelöst wird. Dieses Phänomen ist verständlich, wenn man ein Messintervall des Sensor-Stroms 805 mit einem Messintervall des Mess-Stroms 817 vergleicht. Innerhalb des von den Messintervallen 805, 817 festgelegten Zeitraums wird in dem Messintervall des Sensor-Stroms 805 (beispielsweise infolge von Rauscheffekten oder ähnlichem) die in Fig. 8A gezeigte Stromintervall-Linie 806 mehrfach über- und unterschritten. Aus Fig. 8B erkennt man jedoch, dass in dem Messintervall des Mess-Stroms 817 nur bei dem ersten Überschreiten der Stromintervall-Linie 806 ein Rücksetz-Punkt 816 zu erkennen ist. Mit anderen Worten wird nur bei dem ersten Überschreiten einer Stromintervall-Linie 806 ein Puls ausgegebenen, der von einem Zähler-Element gezählt wird. Alle weiteren Überschreitungen derselben Stromintervall-Linie 806 erreichen nicht mehr den Schwellwert IBase + ΔI in Fig. 8B.
  • Das auf der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung basierende Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor- Elektrode bereitgestellten Stromsignals ist also robust gegen Signalschwankungen. Weiter vorteilhaft ist der mittels des Verfahrens erzielte Mittelungs-Effekt bei der Bestimmung des Stromkurven-Anstiegs.
  • Der in Fig. 8B gezeigte Kurvenverlauf Mess-Strom-Zeit 813 zeigt, dass der elektrische Mess-Strom 811 infolge des sukzessiven Rücksetzens bei Überschreiten des Stromwerts IBase + ΔI nach oben begrenzt ist. Allerdings ist eine untere Begrenzung des Stroms nicht gegeben.
  • In Fig. 9A ist eine Schaltkreis-Anordnung 900 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, die eine Weiterbildung der in Fig. 7 gezeigten Schaltkreis-Anordnung 700 darstellt. Diejenigen Elemente der Schaltkreis-Anordnung 900 aus Fig. 9A, die identisch mit Komponenten der Schaltkreis-Anordnung 700 sind, sind in Fig. 9A mit denselben Bezugszeichen versehen und werden im Weiteren nicht mehr detailliert erläutert.
  • Die in Fig. 9A gezeigte Schaltkreis-Anordnung 900 weist gegenüber der in Fig. 7 gezeigten Schaltkreis-Anordnung 700 die vorteilhafte Weiterbildung auf, dass der elektrische Mess-Strom auch nach unten hin beschränkt ist.
  • Die Schaltkreis-Anordnung 900 weist abweichend von der in Fig. 7 gezeigten Schaltkreis-Anordnung 700 folgende Komponenten auf: eine Regelungsschaltung 901, deren Regelungseinheit 905 anstelle des weiteren Eingangs 725 aus Fig. 7 einen ersten weiteren Eingang 906a und einen zweiten weiteren Eingang 906b aufweist. Die Detektions-Einheit der in Fig. 9A gezeigten Schaltkreis-Anordnung 900 weist einen ersten Bereich der Detektions-Einheit 902a und einen zweiten Bereich der Detektions-Einheit 902b auf. Der Schwellwert-Detektor der Schaltkreis-Anordnung 900 weist einen ersten Bereich des Schwellwert-Detektors 903a und einen zweiten Bereich des Schwellwert-Detektors 903b auf. Das von dem Strom-Spannungs- Wandler 720 an dessen Ausgang bereitgestellte Spannungs- Signal x wird der Regelungseinheit 905 und sowohl dem ersten Bereich des Schwellwert-Detektors 903a als auch dem zweiten Bereich des Schwellwert-Detektors 903b bereitgestellt.
  • Der erste Bereich des Schwellwert-Detektors 903a erfüllt im Wesentlichen dieselbe Funktionalität wie der in Fig. 7 gezeigte Schwellwert-Detektor 712. Überschreitet das von dem Stromspannungs-Wandler 720 dem Eingang des ersten Bereichs des Schwellwert-Detektors 903a bereitgestellte Spannungssignal x einen ersten vorgegebenen Schwellwert 907a des ersten Bereichs des Schwellwert-Detektors 903a, so wird von dem Ausgang des ersten Bereichs des Schwellwert-Detektors 903a an den mit diesem Ausgang gekoppelten Eingang des ersten Bereichs der Detektions-Einheit 902a ein entsprechendes Signal übermittelt. Der erste Bereich der Detektions-Einheit 902a weist einen Ausgang auf, der mit dem ersten weiteren Eingang 906a der Regelungseinheit 905 gekoppelt ist und der mit dem ersten Eingang 904a des Zähler-Elements 904 gekoppelt ist. Der erste Bereich der Detektions-Einheit 902a erzeugt einen ersten Puls 908a, der dem ersten weiteren Eingang 906a der Regelungseinheit 905 bereitgestellt wird und der dem ersten Eingang 904a des Zähler-Elements 904 bereitgestellt wird. Das erste Pulssignal 908a bewirkt an dem ersten weiteren Eingang 906a der Regelungseinheit 905, dass das Mess-Stromsignal IMess 708 von dem Wert IBase + ΔI auf den Wert IBase zurückgesetzt wird. Der erste Puls 908a bewirkt an dem ersten Eingang 904a des Zähler-Elements 904, dass der Zählerstand des Zähler-Elements 904 um einen vorgegebenen Wert (beispielsweise um "1") erhöht wird. Insoweit entspricht die Funktionalität der Schaltkreis-Anordnung 900 jener der Schaltkreis-Anordnung 700.
  • Ferner wird das von dem Strom-Spannungs-Wandler 720 erzeugte Spannungssignal x, das charakteristisch für das aktuelle Mess-Stromsignal 708 ist, dem zweiten Bereich des Schwellwert-Detektors 903b an dessen Eingang bereitgestellt. Unterschreitet das Spannungssignal x den zweiten vorgegebenen Schwellwert 907b des zweiten Bereichs des Schwellwert- Detektors 903b, so wird an dem Ausgang des zweiten Bereichs des Schwellwert-Detektors 903b, welcher mit dem Eingang des zweiten Bereich der Detektions-Einheit 902b gekoppelt ist, ein entsprechendes elektrisches Signal generiert und dieses dem Eingang des zweiten Bereichs der Detektions-Einheit 902b übermittelt. In diesem Fall wird von dem zweiten Bereich der Detektions-Einheit 902b ein zweiter Puls 908b erzeugt. Der Ausgang des zweiten Bereichs der Detektions-Einheit 902b ist sowohl mit dem zweiten weiteren Eingang 906b der Regelungseinheit 905 als auch mit dem zweiten Eingang 904b des Zähler-Elements 904 gekoppelt. Daher wird der zweite Puls 908b, falls dieser an dem zweiten Bereich der Detektions- Einheit 902b erzeugt ist, diesen beiden Eingängen bereitgestellt. Das beschriebene Szenario entspricht dem in Fig. 9B mit dem Zeitpunkt 927 bezeichneten Szenario, bei dem das Mess-Stromsignal 708 die Untergrenze IBase - ΔI des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs 925 erreicht. Das der Regelungseinheit 905 an deren zweiten weiteren Eingang 906b bereitgestellte zweite Pulssignal 908b bewirkt eine Regelung der Stromquelle 704 derart, dass das Mess-Signal IMess 708 auf den vorgegebenen Stromstärke-Wert IBase 924 zurückgesetzt wird. Der dem zweiten Eingang 904b des Zähler-Elements 904 bereitgestellte zweite Puls 908b bewirkt dort, dass der Zählerstand des Zähler-Elements 904b um einen vorgegebenen Wert (beispielsweise um "1") herabgesetzt wird. Dadurch ist ein korrektes Aufsummieren der Rücksetz-Pulse realisiert, da der zu dem Zeitpunkt 927 erfolgte Rücksetz-Puls keine Erhöhung des Sensor-Stroms um einen weiteren Stromstärke- Bereich 804 zur Ursache hat, sondern eine beispielsweise auf Rauscheffekte zurückzuführende Herabsetzung des Stromsignals.
  • Mit anderen Worten ist mittels der Schaltkreis-Anordnung 900 aus Fig. 9A eine Begrenzung des Mess-Stromsignals IMess auf den vorgegebenen Stromstärke-Bereich 925 zwischen IBase - ΔI und IBase + ΔI realisiert. Damit stellt die in Fig. 9A gezeigte Schaltkreis-Anordnung eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltkreis-Anordnung 700 dar, da mittels der Schaltkreis- Anordnung 900 auch ein Absinken des Mess-Stromsignals 708 korrekt detektiert werden kann. Das Zähler-Element 904 der Schaltkreis-Anordnung 900 ist als Vorwärts-/Rückwärtszähler ausgebildet.
  • Die Funktionalität der Schaltkreis-Anordnung 900 aus Fig. 9A wird im Weiteren bezugnehmend auf das Diagramm 920 aus Fig. 9B beschrieben.
  • Das Diagramm 920 weist eine Abszisse auf, entlang derer die Zeit 922 aufgetragen ist. Entlang der Ordinate ist der elektrische Mess-Strom 921 aufgetragen. Ferner ist der Kurvenverlauf Mess-Strom-Zeit 923 gezeigt, wie er unter Verwendung der in Fig. 9A gezeigten Schaltkreis-Anordnung 900 bei einem Kurvenverlauf Sensor-Strom-Zeit 803, wie er in Fig. 8A gezeigt ist, erhalten wird. Der elektrische Mess-Strom 921 verbleibt innerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs 925 um den vorgegebenen Stromstärke-Wert IBase 924 herum mit einer nach oben bzw. nach unten hin sich erstreckenden Bandbreite ΔI. In Fig. 9B sind ferner erste Rücksetz-Punkte 926a und ein zweiter Rücksetz-Punkt 926b gezeigt. Ein Vergleich des Kurvenverlaufs Mess-Strom-Zeit 923 mit dem Kurvenverlauf-Sensor-Strom-Zeit 803 zeigt, dass die ersten Rücksetzpunkte einem jeweiligen Anwachsen des Sensor-Stroms 801 um ein weiteres Stromstärke-Intervall 804 wiederspiegeln, wohingegen der Rücksetz-Punkt 926b das zu dem Zeitpunkt 927 zu verzeichnende Rückfallen des Sensor-Stroms 801 um ein Stromstärke-Intervall ΔI 804 symbolisiert. Die von dem "+ΔI"- Ereignis erzeugten zweiten Pulse 908b werden dem Vorwärtseingang 904a des Zähler-Elements 904 zugeführt, die von dem "-ΔI"-Ereignis generierten zweiten Pulse 908b werden dem Rückwärtseingang 904b des Zähler-Elements 904 zugeführt. Folglich nimmt der Zählerstand 928 bei jedem ersten Rücksetz- Punkt 926a um den vorgegebenen Wert von "1" zu, wohingegen bei dem zweiten Rücksetz-Punkt 926b der Zählerstand 928 um "1" abnimmt. Mittels der in Fig. 9A gezeigten Schaltkreis- Anordnung 900 ist es folglich ermöglicht, ein vollständig korrektes Aufsummieren der Pulse auch in einem Szenario zu ermöglichen, bei dem infolge von unerwünschten Effekten der Sensor-Strom zeitweise abnimmt.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 10A, Fig. 10B ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung 1000 detailliert beschrieben.
  • Die in Fig. 10A gezeigte Schaltkreis-Anordnung 1000 stellt eine schaltungstechnische Realisierung der in Fig. 7 gezeigten Schaltkreis-Anordnung 700 dar. Daher sind diejenigen Schaltungsblöcke der Schaltkreis-Anordnung 1000, die in der Schaltkreis-Anordnung 700 als äquivalentes Element ausgestaltet sind, mit denselben Bezugsziffern versehen.
  • Die Sensor-Elektrode 701, ausgehend von welcher das Sensor- Strom-Signal 715 fließt, ist mit dem einem Source-Drain- Bereich eines ersten p-MOS-Transistors 1001 gekoppelt, der den Strom-Spannungs-Wandler 720 ausbildet. Ferner ist der elektrische Knoten 721 mit dem einen Source-Drain-Bereich eines zweiten p-MOS-Transistors 1002 gekoppelt. Zwischen dem elektrischen Knoten 721 und dem ersten p-MOS-Transistor 1001 fließt das Mess-Stromsignal IMess 708, und zwischen dem Knoten 721 und dem einen Source-Drain-Bereich des zweiten p-MOS- Transistors 1002 fließt das Hilfs-Strom-Signal IRange. Der Gate-Bereich des ersten p-MOS-Transistors 1001 ist mit einem zweiten elektrischen Knoten 1003 gekoppelt. Der zweite elektrische Knoten 1003 ist mit einem dritten elektrischen Knoten 1004 gekoppelt. Der dritte elektrische Knoten 1004 ist mit dem Ausgang eines ersten Operationsverstärkers 1005 gekoppelt. Ferner ist der dritte elektrische Knoten 1004 mit dem einen Source-Drain-Bereich eines dritten p-MOS- Transistors 1006 gekoppelt. Der nicht invertierte Eingang des ersten Operationsverstärkers 1005 ist mit dem elektrischen Knoten 721 gekoppelt. Der nicht invertierte Eingang des ersten Operationsverstärkers 1005 ist mit einer ersten Referenz-Spannungsquelle 1007 gekoppelt. Der andere Source- Drain-Bereich des ersten p-MOS-Transistors 1001 ist mit dem einen Source-Drain-Bereich eines vierten p-MOS-Transistors 1008 gekoppelt. Der andere Source-Drain-Bereich des vierten p-MOS-Transistors 1008 ist mit einer Versorgungs- Spannungsquelle 1009 gekoppelt. Der Gate-Bereich des vierten p-MOS-Transistors 1008 ist mit einem vierten elektrischen Knoten 1010 gekoppelt. Der vierte elektrische Knoten 1010 ist mit dem Ausgang der Detektions-Einheit 711 und mit dem Eingang des Zähler-Elements 714 gekoppelt. Der zweite elektrische Knoten 1003 ist ferner mit dem invertierten Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 1011 gekoppelt. Der nicht invertierte Eingang des zweiten Operationsverstärkers 1011 ist mit einer zweiten Referenz- Spannungsquelle 1012 gekoppelt. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 1011, an dem ein erstes Ausgangssignal 1013 anliegen kann, ist mit dem Eingang der Detektions- Einheit 711 gekoppelt. Ein weiterer Ausgang der Detektions- Einheit 711 ist mit dem Gate-Bereich des dritten p-MOS- Transistors 1006 gekoppelt. Der andere Source-Drain-Bereich des dritten p-MOS-Transistors 1006 ist mit einem fünften elektrischen Knoten 1014 gekoppelt. Der fünfte elektrische Knoten 1014 ist mit dem Gate-Bereich des zweiten p-MOS- Transistors 1002 und mit einem Speicher-Kondensator 1015 gekoppelt. Der Speicher-Kondensator 1015 ist ferner mit einem sechsten elektrischen Knoten 1016 gekoppelt. Der sechste elektrische Knoten 1016 ist ferner mit dem anderen Source- Drain-Bereich des zweiten p-MOS-Transistors 1002 gekoppelt. Der sechste elektrische Knoten 1016 ist darüber hinaus mit der Versorgungs-Spannungsquelle 1009 gekoppelt.
  • Der zweite p-MOS-Transistor 1002 und der dazu parallel geschaltete Speicher-Kondensator 1015 bilden die spannungsgesteuerte Stromquelle 704 aus. Die erste Referenz- Spannungsquelle 1007, der erste Operationsverstärker 1005, der dritte elektrische Knoten 1004 und der dritte p-MOS- Transistor 1006 bilden die Regelungseinheit 725 aus. Der zweite Operationsverstärker 1011 und die zweite Referenz- Spannungsquelle 1012 bilden den Schwellwert-Detektor 712 aus.
  • Wie in Fig. 10A angedeutet, ist die Detektions-Einheit 7111 derart eingerichtet, dass die Detektions-Einheit 711 in einem Szenario, in welchem dem Eingang der Detektions-Einheit 711 von dem Schwellwert-Detektor 712 ein erstes Ausgangssignal 1013 bereitgestellt ist, dem Zähler-Element 714 und dem Gate- Bereich des vierten p-MOS-Transistors 1008 einen ersten Puls 1017 bereitstellt. Ferner ist die Detektions-Einheit 711 derart ausgebildet, dass in einem Szenario, in dem der Detektions-Einheit 711 von dem Schwellwert-Detektor 712 ein erstes Ausgangssignal 1013 bereitgestellt ist, die Detektions-Einheit 711 dem Gate-Bereich des dritten p-MOS- Transistors 1006 einen zweiten Puls 1018 bereitstellt.
  • Die genaue Ausgestaltung des Zählers 714 ist in Fig. 10A nicht gezeigt. Der Zähler 714 kann beispielsweise ein aus JK-Flip- Flops aufgebauter, synchroner Dualzähler sein.
  • Der genaue Aufbau der Detektions-Einheit 711 wird unten bezugnehmend auf Fig. 10B detailliert erläutert.
  • Es ist darauf hinzuweisen, das die in Fig. 10A gezeigte Schaltkreis-Anordnung 1000 im Unterschied zu der in Fig. 7 gezeigten Schaltkreis-Anordnung 700 ein elektrisches Kopplungsmittel 1019 zum Koppeln des elektrischen Knotens 721 mit der Regelungseinheit 725, genauer gesagt mit dem nicht- invertierten Eingang des ersten Operationsverstärkers 1005 der Regelungseinheit 725, aufweist. Um die Funktion des elektrischen Knotens 721 als Summationspunkt entsprechend Gleichung (5) zu erreichen, soll gewährleistet sein, dass der Strom in dieser zusätzlichen Leitung, die mittels des elektrischen Kopplungsmittels 1019 ausgebildet ist, verschwindet. Sind die Transistoren der Eingangs- Differenzstufe des ersten Operationsverstärkers 1005 als MOS- Transistoren ausgebildet, ist diese Anforderung gut erfüllt.
  • In Abhängigkeit des Leitungszustands der dritten und vierten p-MOS-Transistoren 1006, 1008 ergeben sich zwei unterschiedliche aktive Regelkreise 1020, 1021.
  • Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 1005 ist mittels des zweiten bzw. ersten p-MOS-Transistors 1002, 1001 invertierend auf den nicht-invertierten Eingang zurückgekoppelt. Im Weiteren ist mit A1 die Open-Loop- Verstärkung des ersten Operationsverstärkers 1005 bezeichnet. Dann gilt, solange die Rückkoppelung dafür sorgt, dass der erste Operationsverstärker 1005 nicht in Begrenzung gerät:

    VOut = A1(VK - VBias) (9)
  • VOut ist die an dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 1005 anliegende Spannung, VK ist die an dem elektrischen Knoten 721 und daher an dem nicht invertierten Eingang des ersten Operationsverstärkers 1005 anliegende Spannung und VBias ist die von der ersten Referenz-Spannungsquelle 1007 dem invertierten Eingang des ersten Operationsverstärkers bereitgestellte elektrische Spannung. Dann ergibt sich nach einfacher Umformung:

    VK = VBias + VOut/A1 (10)
  • Für eine große Open-Loop-Verstärkung (A1 → ∞) folgt dann aus Gleichung (10), dass die an dem elektrischen Knoten 721 anliegende Spannung gleich der an dem invertierten Eingang des ersten Operationsverstärkers 1005 von der ersten Referenz-Spannungsquelle 1007 bereitgestellten elektrischen Spannung ist.
  • Das Potential am elektrischen Knoten 721 wird also auf den von der ersten Referenz-Spannungsquelle 1007 am invertierten Eingang des ersten Operationsverstärkers 1005 vorgegebenen Wert VBias eingeregelt. Dieser Spannungswert, der simultan das elektrische Potential an der Sensor-Elektrode 701 bestimmt, ist erforderlich, um den Vorgang des Redox-Recyclings zu ermöglichen.
  • Im Weiteren werden der erste Regelungszustand 1020 und der zweite Regelungszustand 1021 genauer beschrieben.
  • Zunächst wird der erste Regelungskreis 1020 beschrieben, der dem oben mit Betriebszustand {1} bezeichneten Betriebszustand der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung entspricht.
  • Dieser Fall entspricht dem Szenario, dass die Detektions- Einheit 711 an deren Ausgang sowie an deren weiteren Ausgang einen ersten Puls 1017 und einen zweiten Puls 1018 nicht erzeugt. Indem ein erster Puls 1017, der gemäß Fig. 10A einen logischen Wert "0" abweichend von einem ansonsten konstant herrschenden logischen Wert "1" darstellt, nicht bereitgestellt ist, ist der Gate-Bereich des vierten p-MOS- Transistors 1008 leitend. Da die Detektions-Einheit 711 einen zweiten Puls 1018 nicht erzeugt, der, wie in Fig. 10A gezeigt, ausgehend von einem logischen Wert "0" für die Dauer des Pulses den logischen Wert "1" erzeugen würde, ist der Gate- Bereich des dritten p-MOS-Transistors 1006 nicht leitend. Gemäß dem ersten Regelungszustand 1020 ist also der Gate- Bereich des dritten p-MOS-Transistors 1006 nicht leitend, wohingegen der Gate-Bereich des vierten p-MOS-Transistors 1008 leitend ist.
  • Da der Gate-Bereich des dritten p-MOS-Transistors 1006 nicht leitend ist, liegt an dem Speicherkondensator 1015 und damit an dem Gate-Bereich des zweiten p-MOS-Transistors 1002 eine konstante elektrische Spannung an. Da an dem elektrischen Knoten 721 ebenfalls eine konstante elektrische Spannung anliegt, ergibt sich ein zeitunabhängiger Hilfs-Strom IRange 709 durch den Gate-Bereich des zweiten p-MOS-Transistors 1002 hindurch. Der zeitlich veränderte Sensor-Strom ISensor 715 fließt daher durch den Gate-Bereich des ersten p-MOS- Transistors 1001. Die elektrische Spannung an dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 1005 stellt sich so ein, dass die elektrische Spannung an dem Gate-Bereich des ersten p- MOS-Transistors 1001 den erforderlichen Stromfluss ermöglicht.
  • Im Weiteren wird der zweite Regelungskreis 1021 beschrieben, der dem oben als Betriebszustand {2} bezeichneten Betriebszustand der Schaltkreis-Anordnung 1000 entspricht. Gemäß diesem Szenario erzeugt die Detektions-Einheit 711 infolge eines entsprechenden ersten Ausgangssignals 1013 an deren Eingang einen ersten Puls 1017 und einen zweiten Puls 1018 an deren beiden Ausgängen. Der erste Puls 1018 ist, wie in Fig. 10A gezeigt, derart eingerichtet, dass dadurch der Gate-Bereich des dritten p-MOS-Transistors 1006 leitend wird. Dagegen ist der erste Puls 1017, wie in Fig. 10A gezeigt, derart eingerichtet, dass während der Pulsdauer der Gate- Bereich des vierten p-MOS-Transistors 1008 nicht leitend wird. Da der Gate-Bereich des vierten p-MOS-Transistors 1008 nicht leitend ist, resultiert unabhängig von der Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers 1005 ein verschwindender Mess-Strom IMess 708 (IMess = 0). Der Gate- Bereich des dritten p-MOS-Transistors 1006 befindet sich dagegen im leitenden Zustand, und gemäß diesem Szenario ist die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers 1005 die Gate-Spannung des zweiten p-MOS-Transistors 1002, und steuert daher den Hilfs-Strom IRange, der durch den Gate- Bereich des zweiten p-MOS-Transistors 1002 hindurchfließt. Die Gate-Spannung des zweiten p-MOS-Transistors 1002 wird von der Schaltkreis-Anordnung 1000 derart geregelt, dass der Hilfs-Strom IRange 709 gleich dem Sensor-Strom ISensor 715 ist. Der gesamte Sensor-Strom der Sensor-Elektrode 701 wird also in den Range-Kanal abgeleitet.
  • Ein Umschalten des Betriebszustands der Schaltkreis-Anordnung 1000 von dem zweiten Betriebszustand 1021 in den ersten Betriebszustand 1020 entspricht daher einer Änderung des Leitungszustands der dritten und vierten p-MOS-Transistoren 1006, 1008 ausgehend von einem Zustand, in dem der dritte p- MOS-Transistor 1006 leitend und der vierte p-MOS-Transistor 1008 nicht leitend ist, hin zu einem Zustand, in dem dritte p-MOS-Transistor 1006 nicht leitend ist und der vierte p-MOS- Transistor 1008 leitend ist.
  • Wenn der dritte p-MOS-Transistor 1006 nicht leitend geschaltet wird, wird mittels der elektrischen Spannung an dem Speicher-Kondensator 1015 der Hilfs-Strom IRange 709 mittels des zweiten p-MOS-Transistors 1002 abgespeichert. In dem ersten Betriebszustand 1020 ist daher der Mess-Strom IMess 708 der Sensor-Strom ISensor 715 abzüglich des gespeicherten Hilfs-Stroms IRange 709.
  • Das Ansteuern der dritten und vierten p-MOS-Transistoren 1006, 1008 erfolgt mittels des zweiten Pulses 1018 und des ersten Pulses 1017 der Detektions-Einheit 711. In dem ersten Betriebszustand 1020 der Schaltkreis-Anordnung 1000 führt ein Anwachsen des Sensor-Stroms ISensor 715 zu einem größeren Mess- Strom IMess 708. Entsprechend verringert sich die Gate- Spannung des ersten p-MOS-Transistors 1001. Unterschreitet die Gate-Spannung den Wert der Spannung der zweiten Referenz- Spannungsquelle 1012 des zweiten Operationsverstärkers 1011, so wird am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 1011 (der als Komparator fungiert) eine positive Flanke generiert. Diese Flanke regt die Detektions-Einheit 711 zum Erzeugen eines Pulses an. Wie bereits oben angesprochen, ist die Detektions-Einheit derart eingerichtet, dass im Normalzustand die beiden Ausgänge der Detektions-Einheit 711 den Betriebszustand {1} 1020 schalten. Das heißt, dass der Gate- Bereich des dritten p-MOS-Transistors 1006 nicht leitend ist, wohingegen der Gate-Bereich des vierten p-MOS-Transistors 1008 leitend ist. In der Detektions-Einheit 711 werden ein erster Puls 1017 und ein zweiter Puls 1018 erzeugt, die für ein vorgegebenes Zeitintervall Δt den zweiten Betriebszustand {2} herstellen. Gemäß diesem Szenario ist der Gate-Bereich des dritten p-MOS-Transistors 1006 leitend, wohingegen der Gate-Bereich des vierten p-MOS-Transistors 1008 nicht leitend ist. In diesem zweiten Betriebszustand wird der Mess-Strom IMess 708 auf den Wert 0 zurückgeführt, und gleichzeitig wird ein neuer Hilfs-Strom IRange 709 festgelegt. Die Anzahl der Rücksetz-Vorgänge wird mittels Registrierens der Anzahl der Pulse mittels des Zähler-Elements 714 realisiert, wobei die Anzahl bzw. die zeitliche Abfolge der Pulse in dem Zähler- Element 714 digital gespeichert werden.
  • Im Folgenden wird bezugnehmend auf Fig. 10B ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Detektions-Einheit 711 beschrieben.
  • Das in Fig. 10B beschriebene Ausführungsbeispiel der Detektions-Einheit 711 zeigt, wie ausgehend von dem ersten Ausgangssignal 1013 des Schwellwert-Detektors 712 ein Puls der zeitlichen Länge Δt erzeugt werden kann, der für einen Zeitraum Δt ein Signal mit einem logischen Wert "1" zu bereitstellt, wohingegen vor dem Puls und nach dem Puls das Signal einen logischen Wert "0" einnimmt. Ein derartiger Puls entspricht dem in Fig. 10A gezeigten Puls 1018. Ein erster Puls 1017 aus Fig. 10A kann beispielsweise erzeugt werden, in dem zunächst ein Puls von der Art des zweiten Pulses 1018 erzeugt wird, und dieser Puls von einem konstanten Signal subtrahiert wird.
  • Die in Fig. 10B gezeigte Detektions-Einheit 711 weist ein Flip-Flop 1050 mit einem ersten Eingang 1051, einem zweiten Eingang 1052 und einem Ausgang 1053 auf. Der erste Eingang 1051 ist der flankensensitive Eingang des Flip-Flops 1050, und an diesen Eingang wird das in Fig. 10A definierte und gezeigte erste Ausgangssignal 1013 angelegt. Dadurch wird der Ausgang 1053 des Flip-Flops 1050 von einem logischen Wert "0" auf einen logischen Wert "1" gebracht. Der Ausgang 1053 des Flip-Flops 1050 ist mit einem elektrischen Knoten 1054 gekoppelt. Dieser elektrische Knoten ist mit einem ohmschen Widerstand 1055 gekoppelt. Der ohmsche Widerstand 1055 ist mit einem zweiten elektrischen Knoten 1056 gekoppelt. Der zweite elektrische Knoten 1056 ist mit einem Kondensator 1057 gekoppelt. Ferner ist der zweite elektrische Knoten 1056 mit einer ersten Verstärker-Stufe 1058 gekoppelt, und die erste Verstärker-Stufe 1058 ist mit einer zweiten Verstärker-Stufe 1059 gekoppelt. Die zweite Verstärker-Stufe 1059 ist mit dem zweiten Eingang 1052 des Flip-Flops 1050 gekoppelt. Die Funktionalität der Verstärker-Stufen 1058, 1059 ist darin zu sehen, dass am zweiten Eingang 1052 des Flip-Flops 1050 definierte Logikpegel anliegen. Die Ausgangsflanke an dem Ausgang 1053 des Flip-Flops 1050 wird mittels des aus dem ohmschen Widerstand 1056 und dem Kondensator 1057 gebildeten RC-Glieds verzögert und als Reset für das Flip-Flop 1050 verwendet. Als Ergebnis wird ein Puls der Länge Δt proportional zu RC erzeugt, wobei R der Widerstandswert des ohmschen Widerstands 1055 und C die Kapazität des Kondensators 1057 ist. Daher wird die Pulsdauer im Wesentlichen von einem RC-Glied bestimmt.
  • In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
    [1] Hintsche, R, Paeschke, M, Uhlig, A, Seitz, R (1997) "Microbiosensors using Electrodes made in Sitechnology", Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects, Scheller, FW, Schubert, F, Fedrowitz, J (eds.), Birkhauser Verlag Basel, Schweiz, S. 267-283
    [2] van Gerwen, P (1997) "Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors", IEEE, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, 16.-19. Juni 1997, Chicago, S. 907-910
    [3] Paeschke, M, Dietrich, F, Uhlig, A, Hintsche, R (1996) "Voltammetric Multichannel Measurements Using Silicon Fabricated Microelectrode Arrays", Electroanalysis, Vol. 7, No. 1, S. 1-8
    [4] Uster, M, Loeliger, T, Guggenbühl, W, Jäckel, H (1999) "Integrating ADC Using a Single Transistor as Integrator and Amplifier for Very Low (1 fA Minimum) Input Currents", Advanced A/D and D/A Conversion Techniques and Their Applications, Konferenz der Universität Strathclyde (Großbritannien) 27.-28. Juli 1999, Conference Publication No. 466, S. 86-89, IEE Bezugszeichenliste 100 Schaltkreis-Anordnung
    101 Sensor-Elektrode
    102 Regelungsschaltung
    103 Eingang
    104 Stromquelle
    105 Steuereingang
    106 Steuerausgang
    107 Ausgang
    108 erstes Stromsignal
    109 zweites Stromsignal
    110 Detektions-Einheit
    111 Fängermoleküle
    112 zu erfassende Moleküle
    113 Enzyme
    114 elektrische geladene Partikel
    115 drittes Stromsignal
    200 Sensor
    201 Elektrode
    202 Elektrode
    203 Isolator
    204 Elektrodenanschluss
    205 Elektrodenanschluss
    206 DNA-Sondenmolekül
    207 Elektrolyt
    208 DNA-Stränge
    300 Interdigitalelektrode
    400 Biosensor
    401 erste Elektrode
    402 zweite Elektrode
    403 Isolatorschicht
    404 Haltebereich erste Elektrode
    405 DNA-Sondenmolekül
    406 Elektrolyt
    407 DNA-Strang
    408 Enzym
    409 spaltbares Molekül
    410 negativ geladenes erstes Teilmolekül
    411 Pfeil
    412 weitere Lösung
    413 oxidiertes erstes Teilmolekül
    414 reduziertes erstes Teilmolekül
    500 Diagramm
    501 elektrischer Strom
    502 Zeit
    503 Kurvenverlauf Strom Zeit
    504 Offset-Strom
    600 Diagramm
    601 elektrischer Sensor-Strom
    602 Zeit
    603 Kurvenverlauf Strom-Zeit
    604 Offset-Strom
    605 Steigung des Kurvenverlaufs Strom-Zeit
    700 Schaltkreis-Anordnung
    701 Sensor-Elektrode
    702 Regelungsschaltung
    703 Eingang
    704 Stromquelle
    705 Steuereingang
    706 Steuerausgang
    707 Ausgang
    708 Mess-Stromsignal
    709 Hilfs-Stromsignal
    710 vorgegebener Stromstärke-Wert
    711 Detektions-Einheit
    712 Schwellwert-Detektor
    713 vorgegebener Stromstärke-Bereich
    714 Zähler-Element
    715 Sensor-Stromsignal
    716 Diagramm
    717 Diagramm
    718 Diagramm
    719 Diagramm
    720 Strom-Spannungs-Wandler
    721 elektrischer Knoten
    722 erster Betriebszustand
    723 zweiter Betriebszustand
    723a realer zweiter Betriebszustand
    724 Regelungs-Einheit
    725 weiterer Eingang
    726 vorgegebener Schwellwert
    727 Puls
    728 Diagramm
    800 Diagramm
    801 elektrischer Sensor-Strom
    802 Zeit
    803 Kurvenverlauf Sensor-Strom-Zeit
    804 Stromstärke-Intervall
    805 Messintervall des Sensor-Stroms
    806 Stromintervall-Linie
    810 Diagramm
    811 elektrischer Mess-Strom
    812 Zeit
    813 Kurvenverlauf Mess-Strom-Zeit
    814 vorgegebener Stromstärke-Wert
    815 vorgegebener Stromstärke-Bereich
    816 Rücksetzpunkte
    817 Messintervall des Mess-Strom
    900 Schaltkreis-Anordnung
    901 Regelungsschaltung
    902a erster Bereich der Detektions-Einheit
    902b zweiter Bereich der Detektions-Einheit
    903a erster Bereich des Schwellwert-Detektors
    903b zweiter Bereich des Schwellwert-Detektors
    904 Zähler-Element
    904a erster Eingang
    904b zweiter Eingang
    905 Regelungs-Einheit
    906a erster weiterer Eingang
    906b zweiter weiterer Eingang
    907a erster vorgegebener Schwellwert
    907b zweiter vorgegebener Schwellwert
    908a erster Puls
    908b zweiter Puls
    920 Diagramm
    921 elektrischer Mess-Strom
    922 Zeit
    923 Kurvenverlauf Mess-Strom-Zeit
    924 vorgegebener Stromstärke-Wert
    925 vorgegebener Stromstärke-Bereich
    926a erste Rücksetzpunkte
    926b zweiter Rücksetzpunkt
    927 Zeitpunkt
    928 Zählerstand
    1000 Schaltkreis-Anordnung
    1001 erster p-MOS-Transistor
    1002 zweiter p-MOS-Transistor
    1003 zweiter elektrischer Knoten
    1004 dritter elektrischer Knoten
    1005 erster Operationsverstärker
    1006 dritter p-MOS-Transistor
    1007 erste Referenz-Spannungsquelle
    1008 vierter p-MOS-Transistor
    1009 Versorgungs-Spannungsquelle
    1010 vierter elektrischer Knoten
    1011 zweiter Operationsverstärker
    1012 zweite Referenz-Spannungsquelle
    1013 erstes Ausgangssignal
    1014 fünfter elektrischer Knoten
    1015 Speicher-Kondensator
    1016 sechster elektrischer Knoten
    1017 erster Puls
    1018 zweiter Puls
    1019 elektrisches Kopplungsmittel
    1020 erster Regelungskreis
    1021 zweiter Regelungskreis
    1050 Flip-Flop
    1051 erster Eingang
    1052 zweiter Eingang
    1053 Ausgang
    1054 elektrischer Knoten
    1055 ohmscher Widerstand
    1056 zweiter elektrischer Knoten
    1057 Kondensator
    1058 erste Inverter-Stufe
    1059 zweite Inverter-Stufe

Claims (17)

1. Schaltkreis-Anordnung
mit einer Sensor-Elektrode;
mit einer Regelungsschaltung, welche über einen Eingang mit der Sensor-Elektrode gekoppelt ist;
mit einer Stromquelle, welche über ihren Steuereingang mit einem Steuerausgang der Regelungsschaltung gekoppelt ist derart, dass die Stromquelle von der Regelungsschaltung steuerbar ist, und welche über ihren Ausgang mit der Sensor-Elektrode gekoppelt ist;
wobei die Regelungsschaltung derart eingerichtet ist, dass, wenn das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal
außerhalb eines vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist, die Regelungsschaltung die Stromquelle derart steuert, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom derart einstellt, dass der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom auf einen vorgegebenen Stromstärke-Wert gebracht wird;
innerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist, die Regelungsschaltung die Stromquelle derart steuert, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom auf dem aktuellen Wert festhält;
mit einer Detektions-Einheit, mit der das Ereignis detektiert werden kann, dass das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal außerhalb des vorgegebenen Stromstärke- Bereichs ist.
2. Schaltkreis-Anordnung nach Anspruch 1, die ferner ein mit der Detektions-Einheit elektrisch gekoppeltes Zähler-Element aufweist, das derart eingerichtet ist, dass es die Anzahl und/oder die zeitliche Abfolge der von der Detektions-Einheit detektierten Ereignisse zählt.
3. Schaltkreis-Anordnung nach Anspruch 2, bei der das Zähler-Element derart eingerichtet ist, dass, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Obergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs überschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erhöht wird.
4. Schaltkreis-Anordnung nach Anspruch 3, bei der das Zähler-Element derart eingerichtet ist, dass, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Untergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs unterschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erniedrigt wird.
5. Schaltkreis-Anordnung nach Anspruch 2, bei der das Zähler-Element derart eingerichtet ist, dass, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Obergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs überschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erniedrigt wird.
6. Schaltkreis-Anordnung nach Anspruch 5, bei der das Zähler-Element derart eingerichtet ist, dass, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Untergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs unterschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erhöht wird.
7. Schaltkreis-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Stromquelle eine spannungsgesteuerte Stromquelle ist.
8. Schaltkreis-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Regelungsschaltung an deren Eingang einen Strom- Spannungs-Wandler aufweist, der derart eingerichtet ist, dass der an dem Eingang der Regelungsschaltung anliegende Strom mittels des Strom-Spannungs-Wandlers in ein elektrisches Spannungs-Signal umgewandelt wird.
9. Schaltkreis-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist.
10. Redox-Recycling-Sensor mit einer Schaltkreis-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Sensor-Anordnung mit einer Mehrzahl von Schaltkreis-Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor- Elektrode bereitgestellten Stromsignals
mit einer Schaltkreis-Anordnung
mit einer Sensor-Elektrode;
mit einer Regelungsschaltung, welche über einen Eingang mit der Sensor-Elektrode gekoppelt ist;
mit einer Stromquelle, welche über ihren Steuereingang mit einem Steuerausgang der Regelungsschaltung gekoppelt ist derart, dass die Stromquelle von der Regelungsschaltung steuerbar ist, und welche über ihren Ausgang mit der Sensor- Elektrode gekoppelt ist;
wobei die Regelungsschaltung derart eingerichtet ist, dass, wenn das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal
außerhalb eines vorgegebenen Stromstärke- Bereichs ist, die Regelungsschaltung die Stromquelle derart steuert, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom derart einstellt, dass der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom auf einen vorgegebenen Stromstärke-Wert gebracht wird;
innerhalb des vorgegebenen Stromstärke- Bereichs ist, die Regelungsschaltung die Stromquelle derart steuert, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom auf dem aktuellen Wert festhält;
mit einer Detektions-Einheit, mit der das Ereignis detektiert werden kann, dass das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal außerhalb eines vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist;
wobei gemäß dem Verfahren
wenn das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal
außerhalb des vorgegebenen Stromstärke- Bereichs ist, die Regelungsschaltung die Stromquelle derart steuert, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom derart einstellt, dass der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom auf den vorgegebenen Stromstärke-Wert gebracht wird;
innerhalb des vorgegebenen Stromstärke- Bereichs ist, die Regelungsschaltung die Stromquelle derart steuert, dass die Stromquelle den von ihr erzeugten elektrischen Strom auf dem aktuellen Wert festhält;
mittels der Detektions-Einheit das Ereignis detektiert wird, dass das in die Regelungsschaltung über ihren Eingang fließende Stromsignal außerhalb des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem mittels eines mit der Regelungsschaltung elektrisch gekoppelten Zähler-Elements die Anzahl und/oder die zeitliche Abfolge der Ereignisse gezählt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Obergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs überschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erhöht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Untergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs unterschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erniedrigt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Obergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs überschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erniedrigt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem, wenn der in den Eingang der Regelungsschaltung fließende elektrische Strom eine Untergrenze des vorgegebenen Stromstärke-Bereichs unterschreitet, der Zählerstand um einen vorgegebenen Wert erhöht wird.
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