DE10229374C1

DE10229374C1 - Electrochemical unit detecting biochemical molecules in fluid, includes electrodes coated with complementary biochemical molecules

Info

Publication number: DE10229374C1
Application number: DE2002129374
Authority: DE
Inventors: Juergen Schuelein; Bjoern Grasl; Joerg Hassmann
Original assignee: November AG Novus Medicatus Bertling Gesellschaft fuer Molekular Medizin
Current assignee: November AG Novus Medicatus Bertling Gesellschaft fuer Molekular Medizin
Priority date: 2002-06-29
Filing date: 2002-06-29
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2022-06-30

Abstract

Reference- (RE) and opposite electrodes (GE) are complemented by three or more working electrodes (AE1-3) in the vessel (1). The working electrodes are coated with biochemical molecules which are complementary to the biochemical molecules which are to be detected. Reference- (RE) and opposite electrodes (GE) are complemented by three or more working electrodes (AE1-3) in the vessel (1). The working electrodes are coated with biochemical molecules which are complementary to the biochemical molecules which are to be detected. A potentiostat (P) generates a given potential profile between the working electrodes and the reference electrode. Each of the working electrodes is connected to a current/voltage converter (S1-3) holding them at the same potential. An instrument measures current (AD) through the working electrodes. An Independent claim is included for the corresponding method.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrochemischen Nachweis von in einer Flüssigkeit enthalte nen biochemischen Molekülen.The invention relates to an apparatus and a method for electrochemical detection of contained in a liquid biochemical molecules.

Zur Messung elektrochemischer Potenziale werden nach dem Stand der Technik Potentiostaten mit zwei oder mehreren Ar beitselektroden verwendet. Potentiostaten mit mehreren Ar beitselektroden werden auch als Multipotentiostaten bezeich net. Solche Multipotentiostaten weisen eine Referenzelektro de, eine Gegenelektrode und mehrere Arbeitselektroden auf. Die Spannung zwischen einer Arbeitselektrode und der Ref erenzelektrode wird über die zwischen der Gegenelektrode und der jeweiligen Arbeitselektrode anliegende Spannung geregelt. Ein vorgegebener Spannungsverlauf zwischen jeder der Arbeit selektroden und der Referenzelektrode wird für jede Arbeitse lektrode separat erzeugt.For the measurement of electrochemical potentials after the State of the art Potentiostats with two or more Ar beitselektroden used. Potentiostats with multiple ar Working electrodes are also referred to as multipotentiostats net. Such multipotentiostats have a reference electrode de, a counter electrode and several working electrodes. The voltage between a working electrode and the ref The reference electrode is connected between the counter electrode and voltage applied to the respective working electrode. A given tension curve between each work selektroden and the reference electrode will work for each electrode generated separately.

Aus der US 5,830,343 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mit tels eines Multipotentiostaten simultan die über eine Viel zahl von Arbeitselektroden abfallende Spannung gemessen wer den kann. Dabei wird jede Arbeitselektrode unabhängig von den anderen mit einem besonderen vorgegebenen Potenzial gegen die Referenzelektrode beaufschlagt. Infolgedessen bilden sich während der Messung zwischen den Arbeitselektroden Potenziale aus. Das macht die Auswertung der an den übrigen Arbeitselek troden gemessenen Ströme kompliziert.From US 5,830,343 a method is known in which by means of a multipotentiostat simultaneously over a lot number of working electrodes dropping voltage measured that can. Each working electrode is independent of the others with a particular predetermined potential against the Reference electrode applied. As a result, form potentials during the measurement between the working electrodes out. This makes the evaluation of the other working elements currents measured complicated.

Aus der US 5,149,629 ist ein Verfahren zur elektrochemischen Detektion von in einer Lösung enthaltenen Molekülen bekannt, bei dem sequenziell mit mehreren Arbeitselektroden gemessen wird. Die Durchführung einer solchen Messung ist zeitaufwän dig.From US 5,149,629 is a process for electrochemical Detection of molecules contained in a solution known which was measured sequentially with several working electrodes becomes. Such a measurement is time consuming dig.

Die US 4,315,753 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrich tung zur gleichzeitigen Ermittlung der Konzentration zweiter sauerstoffhaltiger Gase. Die Vorrichtung weist einen Poten tiostaten mit zwei Stromfolgern auf, die zur Erzeugung eines Differenzsignals miteinander verschalten sind. Mit der be kannten Vorrichtung ist es nicht möglich, mehrere in einer Lösung enthaltene biochemische Moleküle spezifisch nachzuwei sen.US 4,315,753 describes a method and a device device for simultaneously determining the concentration of second gases containing oxygen. The device has a pot tiostat with two current followers, which generate a Difference signal are interconnected. With the be Known device, it is not possible to use several in one Specifically detect solution contained biochemical molecules sen.

Aus Paeschke, Manfred et al.: Voltammetric Multichannel Meas urements Using Silicon Fabricated Microelectrode Arrays; in: Electroanalysis 1996, 8, Nr. 10; Seiten 891 bis 898 ist ein voltammetrisches Verfahren unter Verwendung eines Vielkanal potentiostaten beschrieben. Der beschriebene Vielkanalpoten tiostat ist aufwändig herzustellen. Angesehen davon, ergeben sich in der Praxis bei der Messung häufig Stabilitätsproble me. Ein spezifischer Nachweis von in einer Lösung enthaltenen biochemischen Molekülen ist damit nur eingeschränkt möglich.From Paeschke, Manfred et al .: Voltammetric Multichannel Measurements Using Silicon Fabricated Microelectrode Arrays; in: Electroanalysis 1996 , 8 , No. 10; Pages 891 to 898 describe a voltammetric method using a multi-channel potentiostat. The multi-channel potentiostat described is difficult to manufacture. Apart from this, stability problems often arise in practice during measurement. Specific detection of biochemical molecules contained in a solution is therefore only possible to a limited extent.

Die DE 41 36 779 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum simulta nen Nachweis verschiedener Gaskomponenten. Die Vorrichtung umfasst verschiedene Arbeitselektroden, eine gemeinsame Ge genelektrode sowie eine gemeinsame Referenzelektrode. Mit der Vorrichtung kann das Potenzial jeder Arbeitselektrode separat geregelt werden. Die entsprechende Regelungsschaltung ist kompliziert und störanfällig.DE 41 36 779 A1 describes a device for simulta detection of various gas components. The device includes different working electrodes, a common Ge gene electrode and a common reference electrode. With the Device can separate the potential of each working electrode be managed. The corresponding control circuit is complicated and prone to failure.

Aus der DE 100 15 818 A1 ist ein Biosensor bekannt. Zum Nach weis eines in einer Lösung enthaltenen Analyten wird dessen Oxidations- und Reduktionspotential an jeweils einer Elektro de gemessen. Es sind also zwei Elektroden pro nachzuweisendem Analyt notwendig. Der vorgeschlagene Biosensor ist relativ aufwändig herzustellen. Ein gleichzeitiger Nachweis mehrerer in einer Flüssigkeit enthaltener biochemischer Moleküle ist damit nicht möglich.A biosensor is known from DE 100 15 818 A1. To the night an analyte contained in a solution becomes its Oxidation and reduction potential on one electric each de measured. So there are two electrodes per one to be detected Analyte necessary. The proposed biosensor is relative complex to manufacture. A simultaneous proof of several is biochemical molecules contained in a liquid not possible with it.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben werden, mit denen ein elektrochemischer Nachweis von in einer Flüssigkeit enthaltenen biochemischen Molekülen einfach, kostengünstig und schnell durchführbar ist. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung sollen möglichst genaue Messergebnisse erzielbar sein.The object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art of technology to eliminate. There should be one device and one Methods are specified with which an electrochemical Detection of biochemical contained in a liquid Molecules simple, inexpensive and quick to implement is. According to a further aim of the invention, if possible accurate measurement results can be achieved.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 11, 13 und 14.This object is achieved by the features of claims 1 and 12 solved. Appropriate configurations result from the Features of claims 2 to 11, 13 and 14.

Nach Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zum elektro chemischen Nachweis von in einer Flüssigkeit enthaltenen bio chemischen Molekülen vorgesehen mit
einem mindestens eine Referenz- und mindestens eine Gegene lektrode sowie mehr als zwei Arbeitselektroden aufweisen den Mittel zur Aufnahme der Flüssigkeit, wobei die Arbeits elektroden mit zum nachzuweisenden biochemischen Molekül kom plementären biochemischen Molekülen beschichtet sind, einem Potentiostaten zur Erzeugung eines vorgegebenen Span nungsverlaufs zwischen den Arbeitselektroden und der Refer enzelektrode,
wobei jeder der Arbeitselektroden ein Strom-Spannungskonver ter nachgeschaltet ist, wobei die Strom-Spannungskonverter Spannungskonverter sämtliche Arbeitselektroden auf demselben Potenzial halten und
einem Mittel zum Messen der durch die Arbeitselektroden flie ßenden Ströme.According to the invention, a device for the electrochemical detection of bio-chemical molecules contained in a liquid is provided with
An at least one reference and at least one counter electrode and more than two working electrodes have the means for absorbing the liquid, the working electrodes being coated with biochemical molecules complementary to the biochemical molecule to be detected, a potentiostat for generating a predetermined voltage curve between the working electrodes and the reference electrode,
wherein each of the working electrodes is followed by a current-voltage converter, the current-voltage converter voltage converters keeping all working electrodes at the same potential and
a means for measuring the currents flowing through the working electrodes.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ist einfach aufgebaut. Es ist lediglich ein einziger Potentiostat zur Erzeugung eines an sämtliche Arbeitselektroden gleichzeitig angelegten identi schen vorgegebenen Spannungsverlaufs erforderlich. Indem sämtliche Arbeitselektroden auf demselben Potenzial gehalten werden, ist es beispielsweise möglich, die durch die Arbeits elektroden fließenden Ströme parallel zu messen. Dazu kann jede der Arbeitselektroden über einen Stromfolger zur indivi duellen Auswertung der Signale virtuell an der Schaltungs masse anliegen. Zum spezifischen Nachweis der in der Flüssig keit enthaltenen biochemischen Moleküle sind die Arbeitselek troden mit zum nachzuweisenden biochemischen Molekül komple mentären biochemischen Molekülen beschichtet.The proposed device is simple. It is just a single potentiostat to generate one all working electrodes applied identi specified voltage curve required. By doing all working electrodes kept at the same potential For example, it is possible by working to measure electrodes flowing currents in parallel. This can each of the working electrodes via a current follower to indivi duuell evaluation of the signals virtually on the circuit mass concern. For the specific detection of the in the liquid The biochemical molecules contained therein are the working ele trode with the biochemical molecule to be detected coated mental biochemical molecules.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere miteinan der verbundene oder kapazitiv gekoppelte Referenzelektroden vorgesehen. Damit kann die Geschwindigkeit der Messung weiter erhöht werden. In diesem Zusammenhang können auch mehrere miteinander verbundene Gegenelektroden vorgesehen sein.According to an advantageous embodiment, several are together the connected or capacitively coupled reference electrodes intended. This allows the speed of the measurement to continue increase. In this context, several can interconnected counter electrodes may be provided.

Zweckmäßigerweise weist das Mittel zum Messen einen Analog- Digital-Wandler auf. Ferner kann ein Multiplexer vorgesehen sein, so dass eine quasi zeitgleiche Messung der durch die Arbeitselektroden fließenden Ströme möglich ist.The means for measuring expediently has an analog Digital converter on. A multiplexer can also be provided be, so that a quasi-simultaneous measurement of the by Working electrodes flowing currents is possible.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Strom-Spannungskon verter ein einen ersten Operationsverstärker aufweisender Stromfolger, wobei ein nichtinvertierender Eingang des Opera tionsverstärkers an der Masse anliegt und dessen invertieren der Eingang über einen ersten Widerstand mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers und mit der Arbeitselektrode verbunden ist. Parallel zum ersten Widerstand kann eine Kapa zität geschaltet sein. Sie dient der Rauschunterdrückung. Zur Einstellung des Strommessbereichs können unterschiedlich große erste Widerstände zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers einschaltbar sein. Damit kann in einfacher Weise der Strommessbereich va riiert werden.According to a further embodiment, the current-voltage con a first operational amplifier Current follower, being a non-inverting input of the Opera tion amplifier is present at the ground and invert it the input via a first resistor with the output of the first operational amplifier and with the working electrode connected is. A Kapa be switched on. It serves to suppress noise. The setting of the current measuring range can be different large first resistances between the inverting input and the output of the first operational amplifier can be switched on his. This allows the current measuring range, in particular, in a simple manner be riied.

Beim nachzuweisenden biochemischen Molekül kann es sich um eine Nukleinsäure und beim komplementären biochemischen Mole kül um zur nachzuweisenden Nukleinsäure komplementäre Nu kleinsäuren handeln. Im Falle einer Hybridisierung solcher Nukleinsäuren ändert sich der Stromverlauf durch die entspre chende Arbeitselektrode. Eine solche Änderung zeigt an, dass in der Lösung eine Nukleinsäure enthalten ist, welche zur an der Arbeitselektrode gebundenen Nukleinsäure komplementär ist. Ein solcher Nachweis ist hoch sensitiv und äußerst spe zifisch. Bei den biochemischen Molekülen kann es sich auch um synthetische einzelsträngige Nukleinsäuren oder deren natür liche und/oder synthetische Analoga, Antigene, Proteine, wie Antikörper, Antikörperfragmente, Derivate von Antikörpern oder Antikörperfragmenten, Nukleinsäure-bindende Proteine, Rezeptoren oder Liganden handeln. The biochemical molecule to be detected can be a nucleic acid and in the complementary biochemical mole cool to Nu complementary to the nucleic acid to be detected act small acids. In the case of hybridization such Nucleic acids change the current flow through the corresponding working electrode. Such a change indicates that a nucleic acid is contained in the solution, which to complementary nucleic acid bound to the working electrode is. Such evidence is highly sensitive and extremely special specific. The biochemical molecules can also be synthetic single-stranded nucleic acids or their natural Liche and / or synthetic analogs, antigens, proteins, such as Antibodies, antibody fragments, derivatives of antibodies or antibody fragments, nucleic acid binding proteins, Act receptors or ligands.

In weiterer Ausgestaltung weist der Potentiostat einen als Spannungsfolger geschalteten zweiten Operationsverstärker auf, an dessen nicht invertierendem Eingang die Referenzelek trode angeschlossen ist. Der Potentiostat kann ferner einen dritten Operationsverstärker aufweisen, an dessen Ausgang die Gegenelektrode angeschlossen ist, dessen invertierender Ein gang über einen zweiten Widerstand mit dem Ausgang des zwei ten Operationsverstärkers verbunden und über einen dritten Widerstand mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer wählba ren Sollspannung angeschlossen ist, und wobei der nichtinver tierende Eingang des dritten Operationsverstärkers an der Masse anliegt. Des Weiteren kann zwischen dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers und dessen invertierenden Ein gang eine Kapazität eingeschaltet sein.In a further embodiment, the potentiostat has an as Voltage follower switched second operational amplifier at whose non-inverting input the reference elec trode is connected. The potentiostat can also be a have third operational amplifier, at the output of which Counter electrode is connected, its inverting on going through a second resistor to the output of the two ten operational amplifier and connected via a third Resistor with a device for generating a selectable ren target voltage is connected, and the noninver ting input of the third operational amplifier at the Mass is present. You can also choose between the output of the third operational amplifier and its inverting on a capacity must be switched on.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum elektrochemischen Nachweis von in einer Flüssigkeit enthalte nen biochemischen Molekülen mit folgenden Schritten vorgese hen:
According to a further aspect of the invention, a method for the electrochemical detection of biochemical molecules contained in a liquid is provided with the following steps:

a) Providing a means to absorb the liquid speed, the means at least one counter and one Reference electrode and more than two working electrodes troden, the working electrodes with the complementary biochemical molecule to be detected biochemical molecules are coated,
b) bringing the liquid into contact with the working, Ge gene and reference electrodes,
c) simultaneous application of a predetermined voltage ver running between the working electrodes and the reference electrode and
d) measuring the currents flowing through the working electrodes me, whereby during the measurement all working electrical who are kept at the same potential.

Die Messung erfolgt quasi zeitgleich. Sie wird zweckmäßiger weise parallel oder mittels Multiplexen durchgeführt. Dabei kann die zwischen den Arbeitselektroden und der Referenzelek trode anliegende Spannung mit einem Potentiostaten geregelt werden. Das vorgeschlagene Verfahren ist relativ einfach durchführbar.The measurement takes place almost simultaneously. It becomes more appropriate performed in parallel or using multiplexing. there can the between the working electrodes and the reference trode applied voltage controlled with a potentiostat become. The proposed procedure is relatively simple feasible.

Bei dem vorgegebenen Spannungsverlauf kann es sich um einen sich während der Messung veränderlichen Spannungsverlauf han deln. Der Spannungsverlauf kann mittels einer programmierba ren Spannungsquelle vorgegeben werden.The given voltage curve can be one voltage curve changes during the measurement spindles. The voltage curve can be programmed using a programmable Ren voltage source can be specified.

Die Elektroden können aus herkömmlichen Materialien, bei spielsweise geeigneten Metallen wie Gold, Silber, Platin oder dgl. hergestellt sein. Es ist aber auch möglich, die Elektro den aus Kohlenstoff, insbesondere Grafit, herzustellen. Die Beschichtung der Elektroden erfolgt in herkömmlicher Weise, im Falle von Nukleinsäuren beispielsweise durch Ausbildung von Biotin-Streptavidin-Bindungen.The electrodes can be made of conventional materials suitable metals such as gold, silver, platinum or Like. Be manufactured. But it is also possible to use the electric to produce from carbon, especially graphite. The The electrodes are coated in a conventional manner, in the case of nucleic acids, for example, through training of biotin-streptavidin bonds.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich nung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is based on the drawing tion explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild und Fig. 1 is a schematic circuit diagram and

Fig. 2 ein mit der Schaltung gemäß Fig. 1 erzieltes Mess ergebnis. FIG. 2 shows a measurement result achieved with the circuit according to FIG. 1.

Ein Mittel zur Aufnahme der die nachzuweisenden biochemischen Moleküle enthaltenden Flüssigkeit kann z. B. ein Behälter 1 oder ein Feld auf einer aus einem isolierenden Material her gestellten Fläche, z. B. auf einem Chip, sein. Der Behälter 1 weist Arbeitselektroden AE1, AE2, AE3, eine Gegenelektrode GE sowie eine Referenzelektrode RE auf. Die Elektroden sind z. B. aus Silber, Gold, Platin oder Grafit hergestellt. Jede der Arbeitselektroden AE1, AE2, AE3 ist über eine Strom-Span nungskonverter S1, S2, S3 mit einer Messvorrichtung AD ver bunden.A means for taking up the liquid containing the biochemical molecules to be detected can e.g. B. a container 1 or a field on an area made of an insulating material, z. B. on a chip. The container 1 has working electrodes AE1, AE2, AE3, a counter electrode GE and a reference electrode RE. The electrodes are e.g. B. made of silver, gold, platinum or graphite. Each of the working electrodes AE1, AE2, AE3 is connected via a current-voltage converter S1, S2, S3 to a measuring device AD.

Die Strom-Spannungskonverter S1, S2, S3 weisen jeweils einen Operationsverstärker OP1 auf, dessen nichtinvertierender Ein gang (OP1+) an Schaltungsmasse anliegt. Infolgedessen werden sämtliche Arbeitselektroden AE1, AE2, AE3 auf demselben Po tenzial gehalten. Der invertierende Eingang OP1- des ersten Operationsverstärkers OP1 ist mit der Arbeitselektrode AE1, AE2, AE3 und über einen ersten Widerstand R1 mit dem Ausgang verbunden, der wiederum mit der Messvorrichtung AD in Verbin dung steht. Zur Rauschunterdrückung kann parallel zum ersten Widerstand R1 eine (hier nicht gezeigte) Kapazität geschaltet sein. Es können unterschiedlich große erste Widerstände R1 vorgesehen sein, welche alternativ einschaltbar sind. So kann auf einfache Weise der Messbereich geändert werden.The current-voltage converters S1, S2, S3 each have one Operational amplifier OP1, whose non-inverting on gear (OP1 +) is applied to the circuit ground. As a result all working electrodes AE1, AE2, AE3 on the same Po held potential. The inverting input OP1- of the first Operational amplifier OP1 is with the working electrode AE1, AE2, AE3 and via a first resistor R1 to the output connected, which in turn with the measuring device AD in Verbin manure stands. For noise reduction, parallel to the first Resistor R1 switched a capacitance (not shown here) his. First resistors R1 of different sizes can be used be provided, which can alternatively be switched on. So can the measuring range can be changed easily.

Mit dem Bezugszeichen P ist ein Potentiostat bezeichnet, des sen Eingang mit einer (hier nicht gezeigten) programmierbaren Spannungsquelle verbunden ist. Der Potentiostat P umfasst ei nen als Spannungsfolger geschalteten zweiten Operationsver stärker OP2 und einen dritten Operationsverstärker OP3. Der nichtinvertierende Eingang OP2+ des zweiten Operationsver stärkers OP2 ist an die Referenzelektrode RE angeschlossen. Der invertierende Eingang OP2- des zweiten Operationsverstär kers OP2 ist mit dessen Ausgang und über einen zweiten Wider stand mit dem invertierenden Eingang OP3- des dritten Opera tionsverstärkers OP3 verbunden. Der nichtinvertierende Ein gang OP3+ des dritten Operationsverstärkers liegt an Schal tungsmasse. Die (hier nicht gezeigte) programmierbare Schal tungsquelle ist über einen dritten Widerstand R3 mit dem in vertierenden Eingang OP3- des dritten Operationsverstärkers OP3 sowie dem zweiten Widerstand OP2 verbunden. Der Ausgang des dritten Operationsverstärkers OP3 ist mit der Gegenelek trode GE verbunden. Zwischen dem Ausgang des dritten Operati onsverstärkers OP3 und dessen invertierenden Eingang kann ei ne (hier nicht gezeigte) weitere Kapazität eingeschaltet sein.The reference symbol P denotes a potentiostat sen input with a programmable (not shown here) Voltage source is connected. The potentiostat P comprises ei NEN switched as a voltage follower op stronger OP2 and a third operational amplifier OP3. The non-inverting input OP2 + of the second op Strengthener OP2 is connected to the reference electrode RE. The inverting input OP2- of the second operational amplifier kers OP2 is with its output and via a second counter stood with the inverting input OP3- of the third Opera tion amplifier OP3 connected. The non-inverting one gang OP3 + of the third operational amplifier is due to scarf tung masse. The programmable scarf (not shown here) is via a third resistor R3 with the in vertical input OP3- of the third operational amplifier OP3 and the second resistor OP2 connected. The exit of the third operational amplifier OP3 is with the counterelek trode GE connected. Between the exit of the third operati ons amplifier OP3 and its inverting input can ei ne (not shown here) additional capacity switched on his.

Bei der Messvorrichtung AD kann es sich um einen Analog-Di gital-Wandler mit Multiplexer handeln. Das ermöglicht eine quasi zeitgleiche Messung der durch die Arbeitselektroden AE1, AE2, AE3 fließenden Ströme.The measuring device AD can be an analogue Di act gital converter with multiplexer. That enables one quasi-simultaneous measurement of the through the working electrodes AE1, AE2, AE3 flowing currents.

Indem die Referenzelektrode RE an den nichtinvertierenden Eingang OP2+ des zweiten Operationsverstärkers OP2 ange schlossen ist, erhält man einen Spannungsfolger mit einer sehr hohen Eingangsimpedanz. Ein durch die Referenzelektrode RE fließender Elektrolysestrom wird damit wirkungsvoll unter bunden. Infolgedessen wird eine besonders genaue Messung er reicht.By placing the reference electrode RE on the non-inverting Input OP2 + of the second operational amplifier OP2 indicated is closed, you get a voltage follower with a very high input impedance. One through the reference electrode RE flowing electrolysis current is effectively under prevented. As a result, it becomes a particularly accurate measurement enough.

Der mit der Gegenelektrode GE verbundene Ausgang des dritten Operationsverstärkers OP3 wird im Betrieb so angesteuert, dass zwischen dessen Eingängen OP3-, OP3+ keine Spannung an liegt. Der nichtinvertierende Eingang OP3+ des dritten Opera tionsverstärkers OP3 liegt an Schaltungsmasse an. Infolgedes sen liegt auch der invertierende Eingang OP3- virtuell auf Masse und damit auf demselben Potenzial wie die Arbeitselek troden AE1, AE2, AE3. Bei geeigneter Regelung ist der durch den dritten Widerstand R3 fließende Strom gleich dem durch den zweiten Widerstand R2 fließenden Strom. Da die Spannung über dem zweiten Widerstand R2 dem Betrag nach gleich der Spannung zwischen der Referenzelektrode RE und den Arbeitse lektroden AE1, AE2, AE3 ist, kann das Potenzial der Arbeitse lektroden AE1, AE2, AE3 gegen die Referenzelektrode RE durch eine proportionale Spannung am Eingang U des Potentiostaten P vorgegeben werden. In der Praxis wird zweckmäßigerweise der zweite Widerstand R2 gleich dem dritten Widerstand R3 ge wählt, wodurch die Proportionalitätskonstante auf den Wert -1 festgelegt wird. Alternativ kann in diesem Fall eines addie renden Potentiostaten P der dritte Widerstand R3 durch mehre re Widerstände ersetzt werden, wodurch mehrere Eingänge, z. B. zur Modulation, erhalten werden.The output of the third connected to the counter electrode GE Operational amplifier OP3 is controlled during operation so that there is no voltage between its inputs OP3-, OP3 + lies. The non-inverting input OP3 + of the third Opera tion amplifier OP3 is connected to circuit ground. Infolgedes The inverting input OP3- is also virtually present Mass and therefore on the same potential as the Arbeitsselek trode AE1, AE2, AE3. With a suitable regulation, the is through the current flowing through the third resistor R3 is equal to that current flowing through the second resistor R2. Because the tension over the second resistor R2 the amount equal to that Voltage between the reference electrode RE and the worker electrodes is AE1, AE2, AE3, can work potential electrodes AE1, AE2, AE3 against the reference electrode RE a proportional voltage at the input U of the potentiostat P be specified. In practice, the second resistor R2 is equal to the third resistor R3 ge selects, causing the proportionality constant to the value -1 is set. Alternatively, an addie potentiostat P, the third resistor R3 through several Re resistors are replaced, whereby several inputs, for. B. for modulation.

Nach einer Variation an der Schaltung ist es möglich, die Strom-Spannungskonverter S1, S2, S3 im Frequenzgang zu be schränken. Dadurch kann das Gesamtrauschen vermindert werden. Eine solche Beschränkung im Frequenzgang kann durch Kondensa toren erreicht werden, die jeweils parallel zum ersten Wider stand R1 geschaltet werden. Zur Vergrößerung des Strommessbe reichs kann es von Vorteil sein, die ersten Widerstände R1, ggf. mit dazu parallel geschalteten Kondensatoren, mittels Relais oder analoger elektronischer Schalter oder einer Kom bination der beiden schaltbar auszuführen.After a variation on the circuit it is possible to change the Current-voltage converter S1, S2, S3 in the frequency response limit. This can reduce the overall noise. Such a limitation in the frequency response can be caused by condensation gates can be achieved, each parallel to the first counter stand R1 are switched. To increase the current measurement Reichs it can be advantageous to use the first resistors R1, if necessary with capacitors connected in parallel, by means of Relay or analog electronic switch or a comm combination of the two switchable.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis von mit der erfindungsgemäßen Schaltung durchgeführten Messungen. Dazu sind unbeschichtete Arbeitselektroden mit einer DNA enthaltenden Lösung in Kon takt gebracht worden. Die Messung ist erfolgt mittels Diffe renzialpulsvoltammetrie. Aufgetragen in Fig. 2 ist über der Spannung die an der Arbeitselektrode gemessene Stromdifferenz jeweils vor und nach einer Spannungsmodulation. Der linke Pe ak zeigt die Oxidation von Guanin von an der Arbeitselektrode adsorbierter DNA. Der rechte Peak zeigt die Oxidation von Adenin. Es sind die Ergebnisse aufgetragen welche durch Mes sung an einer ersten Arbeitselektrode AE1 und an einer zwei ten Arbeitselektrode AE2 gewonnen worden sind. Fig. 2 shows the result of performed with the inventive circuit measurements. For this purpose, uncoated working electrodes have been brought into contact with a solution containing DNA. The measurement was carried out using differential pulse voltammetry. The current difference measured at the working electrode is plotted in FIG. 2 before and after a voltage modulation. The left Pe ak shows the oxidation of guanine from DNA adsorbed on the working electrode. The right peak shows the oxidation of adenine. The results are plotted which have been obtained by measurement on a first working electrode AE1 and on a second working electrode AE2.

Die vorliegende Messung zeigt lediglich einen unspezifischen Nachweis von DNA in einer Lösung. Bei einer geeigneten Be schichtung der Arbeitselektroden ist es im Rahmen der Erfin dung möglich, spezifisch vorgegebene DNA oder dgl. in einer Lösung nachzuweisen. Die Anzahl der spezifisch nachzuweisen den DNA-Sequenzen oder dgl. hängt ab von der Anzahl der ver wendeten Arbeitselektroden. The present measurement only shows an unspecific one Detection of DNA in a solution. With a suitable loading Layering of the working electrodes is part of the Erfin possible, specifically specified DNA or the like in one To prove solution. The number of specifically demonstrated the DNA sequences or the like depends on the number of ver applied working electrodes.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Behälter
OP1, 2, 3 erster, zweiter, dritter Operationsverstärker
P Potentiostat
S1, 2, 3 erster, zweiter, dritter Strom-Spannungskon verter
R1, 2, 3 erster, zweiter, dritter Widerstand
AD Messvorrichtung
AE1, 2, 3 Arbeitselektroden
GE Gegenelektrode
RE Referenzelektrode
U Ausgang einer programmierbaren Spannungsquelle
container
OP1, 2, 3 first, second, third operational amplifier
P potentiostat
S1, 2, 3 first, second, third current-voltage converter
R1, 2, 3 first, second, third resistor
AD measuring device
AE1, 2, 3 working electrodes
GE counter electrode
RE reference electrode
U Output of a programmable voltage source

Claims

1. Device for the electrochemical detection of biochemical molecules contained in a liquid
at least one reference (RE) and at least one Ge counter electrode (GE) and more than two working electrodes (AE1, AE2, AE3) having means ( 1 ) for absorbing the liquid, the working electrodes (AE1, AE2, AE3) with the complementary bio-chemical molecules to be detected are coated,
a potentiostat (P) for generating a predetermined voltage curve between the working electrodes (AE1, AE2, AE3) and the reference electrode (RE),
wherein each of the working electrodes (AE1, AE2, AE3) is followed by a current-voltage converter (S1, S2, S3), the current-voltage converter (S1, S2, S3) all working electrodes (AE1, AE2, AE3) at the same potential hold, and
a means (AD) for measuring the currents flowing through the working electrodes (AE1, AE2, AE3).

2. Device according to claim 1, wherein several with each other connected or capacitively coupled reference electrodes (RE) are provided.

3. Device according to claim 1 or 2, wherein several with interconnected counter electrodes (GE) are provided.

4. Device according to one of the preceding claims, where the means (AD) for measuring an analog-digital converter having.

5. Device according to one of the preceding claims, where at the current-voltage converter (S1, S2, S3) a one he most operational amplifier (OP1) having a current follower, being a non-inverting input (OP1 +) of the first ope tion amplifier (OP1) is connected to ground and its invert animal input (OP1-) via a first resistor (R1) with the output of the first operational amplifier (OP1) and is connected to the working electrode (AE1).

6. Device according to one of the preceding claims, where with a capacitance parallel to the first resistor (R1) is switched.

7. Device according to one of the preceding claims, where different for setting the current measuring range large first resistors (R1) between the inverting ones gang (OP1-) and the output of the first operational amplifier (OP1) can be switched on.

8. Device according to one of the preceding claims che, where the biochemical molecule to be detected is a nu small acid and the complementary biochemical molecules for complementary nucleic acids to be detected are.

9. Device according to one of the preceding claims, where with the potentiostat (P) switched as a voltage follower has th second operational amplifier (OP2), at the non-inverting input (OP2 +) the reference electrode (RE) connected.

10. Device according to one of the preceding claims, where with the potentiostat (P) a third operational amplifier (OP3) has at its output the counter electrode (GE) is closed, its inverting input (OP3-) via a second resistor (R2) with the output of the second Operational amplifier (OP2) connected and via a third Resistor (R3) on a device for generating a selectable target voltage is connected, and wherein the non-inverting input (OP3 +) of the third operation ver amplifier (OP3) is connected to ground.

11. Device according to one of the preceding claims, where at between the output of the third operational amplifier (OP3) and its inverting input (OP3-) a capacitance is switched on.

12. Method for the electrochemical detection of biochemical molecules contained in a liquid, with the following steps:

a) Providing a means ( 1 ) for receiving the liquid, the means ( 1 ) having at least one counter (GE) and one reference electrode (RE) and more than two working electrodes (AE1, AE2, AE3), the Working electrodes (AE1, AE2, AE3) are coated with biochemical molecules complementary to the biochemical molecule to be detected,
b) bringing the liquid into contact with the working (AE1, AE2, AE3), counter (GE) and reference electrodes (RE),
c) simultaneous application of a predetermined voltage course between the working electrodes (AE1, AE2, AE3) and the reference electrode (RE) and
d) Measuring the currents flowing through the working electrodes (AE1, AE2, AE3), all working electrodes (AE1, AE2, AE3) being kept at the same potential during the measurement.

13. The method of claim 13, wherein the measuring is parallel or is carried out by means of multiplexing.

14. The method according to any one of claims 13 or 14, wherein the between the working electrodes (AE1, AE2, AE3) and the Refe reference electrode (RE) applied voltage with a potentiosta ten (P) is regulated.