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Die
Erfindung betrifft eine Sensor-Anordnung und ein Sensor-Array.
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Biosensoren
zum Detektieren makromolekularer Biomoleküle gewinnen zunehmend an Bedeutung.
[1] und [2] beschreiben aus dem Stand der Technik bekannte DNA-Sensoren.
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Ein
wichtiger Sensortyp, insbesondere bei vollelektronischen DNA-Sensorchips,
ist das sogenannte Redox-Cycling. Grundlagen des Redox-Cycling sind
in [3], [4] beschrieben. Beim Redox-Cycling werden makromolekulare Biopolymere
an Oberflächen
elektronisch durch Erfassen von mittels redoxaktiven Stoffen hervorgerufenen
elektrischen Strömen
nachgewiesen.
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1A, 1B zeigen eine Redox-Cycling-Sensor-Anordnung
gemäß dem Stand
der Technik.
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Die
Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 100 weist zwei Gold-Elektronen 101, 102 auf,
die auf einem Substrat 103 gebildet sind. Auf jeder Gold-Elektrode 101, 102 sind
DNA-Fängermoleküle 104 mit
einer vorgegebenen Sequenz immobilisiert. Die Immobilisierung erfolgt
beispielsweise gemäß der sogenannten
Gold-Schwefel-Kopplung. Ferner ist in die Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 100 ein
zu untersuchender Analyt 105 aufgebracht. Der Analyt kann beispielsweise
eine elektrolytische Lösung
mit unterschiedlichen einzelsträngigen
DNA-Molekülen
sein.
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Sind
in dem Analyt 105 erste DNA-Halbstränge 106 mit einer
Sequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA-Fängermoleküle 104 nicht komplementär ist, so
hybridisieren diese ersten DNA-Halbstränge 106 nicht mit
den DNA-Fängermolekülen 104 (siehe 1A). Man spricht in diesem Fall
von einem "Mismatch". Sind in dem Analyt 105 dagegen
zweite DNA-Halbstränge 107 mit
einer Sequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA-Fängermoleküle 104 komplementär ist, so
hybridisieren diese zweiten DNA-Halbstränge 107 mit den DNA-Fängermolekülen 104. Man spricht
in diesem Fall von einem "Match". Anders ausgedrückt ist
ein DNA-Halbstrang 104 einer vorgegebenen Sequenz jeweils
nur in der Lage, selektiv mit einem ganz bestimmten DNA-Halbstrang
zu hybridisieren, nämlich mit
dem DNA-Halbstrang mit zu dem jeweiligen Fängermolekül komplementärer Sequenz.
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Wie
in 1B gezeigt, enthalten
die zu erfassenden zweiten DNA-Halbstränge 107 eine Markierung 108.
Nach der Hybridisierung der zu erfassenden zweiten DNA-Halbstränge 107 mit
den DNA-Fängermolekülen 104 wird
mittels der Markierung 108 bei Anwesenheit geeigneter Zusatzmoleküle 109 ein
Zyklus aus Oxidationen und Reduktionen von Bestandteilen der Zusatzmoleküle 109 ausgelöst, der
unter Wechselwirkung mit den Gold-Elektroden 101, 102 zum
Bilden reduzierter Moleküle 110 bzw.
oxidierter Moleküle 111 führt. Der
Zyklus aus Oxidationen und Reduktionen führt zu einem elektrischen Kreisstrom,
der einen Nachweis der zweiten DNA-Halbstränge 107 ermöglicht.
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Eine
Grundvoraussetzung für
die Funktionsfähigkeit
einer Redox-Cycling-Sensor-Anordnung ist die exakte Einstellbarkeit
der elektrischen Potentiale an den Elektroden 101, 102.
An der ersten Gold-Elektrode 101, die auch als Generatorelektrode bezeichnet
werden kann, ist ein oxidierendes elektrisches Potential erforderlich.
An der zweiten Gold-Elektrode 102, die auch als Kollektorelektrode bezeichnet
werden kann, ist ein reduzierendes elektrisches Potential erforderlich.
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2 zeigt ein Diagramm 200,
entlang dessen Abszisse 201 ein elektrisches Potential
aufgetragen ist, wohingegen entlang der Ordinate 202 von
Diagramm 200 ein elektrischer Strom aufgetragen ist. In
dem Diagramm 200 ist ein Zyklo-Voltammogram für para-Aminophenol gezeigt.
Para-Aminophenol wird bei Redox-Cycling-Sensor-Anordnungen häufig als
redoxaktiver Stoff verwendet. In Diagramm 200 ist ein Oxidationspotential
bei ungefähr
260 mV und ein Reduktionspotential bei ungefähr 10 mV gezeigt, bezogen auf
eine Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode. Wie aus dem Zyklo-Voltammogram
von 2 ersichtlich ist,
erfolgt bei sehr hohen, bzw. sehr niedrigen elektrischen Spannungen
ein starker Anstieg bzw. Abfall des elektrischen Stromes, was auf
zusätzliche
unerwünschte
elektrochemische Umsätze zusätzlicher
Komponenten in einem Elektrolyten zurückzuführen ist.
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Für die Funktionsfähigkeit
einer Redox-Cycling-Sensor-Anordnung
ist es somit wichtig, die elektrischen Potentiale an den Elektroden
bezogen auf das elektrische Potential des Elektrolyten korrekt einzustellen.
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In 3 ist eine aus dem Stand
der Technik bekannte Interdigitalelektroden-Anordnung 300 gezeigt,
die zwei fingerförmig
ineinandergreifende Elektroden, nämlich eine Generatorelektrode 301 und eine
Kollektorelektrode 302 aufweist. Ferner sind eine Referenzelektrode 303 und
eine Gegenelektrode 304 gezeigt. Die Elektroden 301 bis 304 sind
auf einem Substrat 305 gebildet. Auf die Interdigitalelektroden-Anordnung 300 kann
ein elektrolytischer Analyt (nicht gezeigt) aufgebracht werden,
der mit den Elektroden 301 bis 304 gekoppelt ist.
Das elektrische Potential des elektrolytischen Analyten wird mittels der
Referenzelektrode 303 einem invertierenden Eingang eines
Komparators 306 bereitgestellt und von diesem mit einem
elektrischen Sollpotential an dem nichtinvertierenden Eingang des
Komparators 306 verglichen. Bei einer Abweichung des elektrischen Potentials
der Referenzelektrode 303 von dem Sollpotential wird über einen
Ausgang des Komparators 306 die Gegenelektrode 304 derart angesteuert, dass
diese bedarfsweise elektrische Ladungsträger nachliefert, um das gewünschte elektrische
Potential des Elektrolyten aufrechtzuerhalten. Anschaulich bildet
die Referenzelektrode 303 gemeinsam mit dem Komparator 306 und
der Gegenelektrode 304 eine Potentiostat-Einrichtung. Die
elektrischen Potentiale an den Arbeitselektroden 301, 302 werden
relativ zu der Referenzspannung eingestellt. Mittels erster und zweiter
Amperemeter 307, 308 werden elektrische Sensorströme der Generatorelektrode 301 bzw.
der Kollektorelektrode 302 erfasst, welche Informationen über ein
möglicherweise
erfolgtes Sensorereignis enthalten.
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Wichtig
bei dem Betrieb der Interdigitalelektroden-Anordnung 300 ist
das korrekte Erfassen des elektrischen Potentials des elektrolytischen
Analyten, d.h. eine ausreichend gut und sicher funktionierende Referenzelektrode 303.
Dies stellt insbesondere bei mittels eines integrierten Schaltkreises
realisierten Sensor-Anordnungen häufig ein großes Problem
dar. Um beispielsweise eine Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode monolithisch zu integrierten,
sind eine Vielzahl von zusätzlichen
Prozessschritten erforderlich, was einen erheblichen Kostenaufwand
darstellt.
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In 4 ist eine Sensor-Anordnung 400 gemäß dem Stand
der Technik gezeigt, in welcher die bezugnehmend auf 3 beschriebenen Zusammenhänge genauer
dargestellt sind.
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Wie
in 4 gezeigt, bilden
die Generatorelektrode 301, die Kollektorelektrode 302,
die Referenzelektrode 303 und die Gegenelektrode 304 gemeinsam
mit einem möglicherweise
eingefüllten Analyten
das elektrochemische System 401. Die vier Elektroden 301 bis 304 sind
elektrochemisch mittels des elektrolytischen Analyten (nicht gezeigt)
elektrisch gekoppelt. Ein Potentiostat ist gebildet aus der Referenzelektrode 303,
welche das elektrochemische Potential des elektrolytischen Analyten
misst, und einem ersten Operationsverstärker 402 (oder Regelverstärker), der
an seinem Ausgang über
die Gegenelektrode 304 das elektrische Potential des Analyten
nachregelt. Der Sollwert für
das einzustellende Potential des elektrolytischen Analyten ist als "AGND" ("Analog Ground") bezeichnet. Für ein korrektes
Funktionieren der Schaltung hat AGND zwischen der positiven und
der negativen Betriebsspannung der Schaltung zu liegen. Typischerweise
liegt der Wert von AGND in der Mitte zwischen den beiden Betriebsspannungen.
Allerdings ist der Absolutwert von AGND nicht entscheidend für das Funktionieren der
Sensor-Anordnung 400,
da für
das elektrochemische System 401 lediglich die Potentialdifferenz
zwischen den Elektroden 301, 302 relevant ist.
Die elektrischen Spannungen an den Sensorelektroden 301, 302 werden
relativ zu der Bezugsspannung AGND unter Verwendung der zweiten
und dritten Operationsverstärker 403, 404 (oder
Regelverstärker)
eingeregelt. Die Generatorelektrode 301 wird auf AGND+V_ox
gebracht, und die Kollektorelektrode 302 wird AGND+V_red
gebracht, wobei V_ox das Oxidationspotential und V_red das Reduktionspotential
des redoxaktiven Stoffs ist (für
para-Aminophenol ist
V_ox = 260 mV, V_red = 10 mV, siehe 2).
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Elektrische
Sensorströme
an den Elektroden 301, 302 werden über einen
ersten und über
einen dritten p-MOS-Feldeffekttransistor 405, 409 für die Generatorelektrode 301 bzw. über einen
ersten und einen dritten n-MOS-Feldeffekttransistor 408, 410 für die Kollektorelektrode 302 gespiegelt
und verstärkt. Ein
zweiter n-MOS-Feldeffekttransistor 406 und
ein zweiter p-MOS-Feldeffekttransistor 407 sind
mit Ausgängen
der jeweiligen Operationsverstärker 403, 404 gekoppelt.
An einem ersten Sensorstrom-Ausgang 411 ist ein Sensorereignisse
an der Generatorelektrode 301 charakterisierendes Sensorsignal
bereitgestellt. An einem zweiten Sensorstrom-Ausgang 412 ist
ein Sensorereignisse an der Kollektorelektrode 302 charakterisierendes
Sensorsignal bereitgestellt. Die Sensorereignisse an den beiden
Elektroden sind korreliert.
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Der
Schaltkreis der Sensor-Anordnung 400 beruht zwingend auf
einer korrekten Erfassung des elektrischen Potentials des Analyten
unter Verwendung der Referenzelektrode 303.
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Im
Weiteren werden aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeiten
zum Realisieren einer solchen Referenzelektrode und physikalische
Eigenschaften einer solchen Referenzelektrode beschrieben.
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Bei
elektrochemischen Analysen werden Inhaltsstoffe eines Analysen basierend
auf einer Variation des elektrischen Potentials an Arbeitselektroden bzw.
mittels Erfassens eines elektrischen Stromflusses an Arbeitselektroden
bestimmt. Ein Redoxsystem, wie es bei vielen Biosensoren zum Erfassen
von Sensorereignissen verwendet wird, weist gemäß der nernstschen Gleichung
ein charakteristisches Potential auf, bei dem Oxidationen bzw. Reduktionen
erfolgen können.
Dieses Potential hängt
von den Konzentrationsverhältnissen
und von der Temperatur ab. Die nernstsche Gleichung lautet: E = E0 +
RT/(nF) log ([Ox]/[Red]) (1)
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In
Gleichung (1) ist E das elektrische Potential und E0 ein
Referenzpotential, z.B. ein Potential unter Standardbedingungen.
R ist die Gaskonstante, T die absolute Temperatur, n eine elektrochemische Wertigkeit
und F die Faraday-Konstante. Als [Ox] wird eine Konzentration einer
oxidierten Spezies bezeichnet, als [Red] wird eine Konzentration
einer reduzierten Spezies bezeichnet
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Wie
aus (1) ersichtlich ist, stellt das elektrische Potential E keine
absolute Größe dar,
sondern ist auf ein Referenzpotential E0 bezogen. Üblicherweise
wird eine Normal-Wasserstoff-Elektrode
als Bezugselektrode verwendet und alle elektrochemischen Spannungen
auf das Potential einer solchen Referenzelektrode bezogen. Statt
derartiger sogenannter Referenzelektroden erster Art, die einen
hohen apparativen Aufwand erfordern, werden in der Elektrochemie üblicherweise
Referenzelektroden zweiter Art verwendet, wie beispielsweise eine
Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode oder eine Kalomel-Elektrode.
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Für auf integrierten
Schaltkreisen basierenden Sensor-Anordnungen
kann eine nicht auf dem Chip integrierte Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode verwendet
werden. Eine solche Referenzelektrode ist allerdings sehr teuer
und läuft
als separate Komponente einer angestrebten Integration und fortgesetzten
Miniaturisierung zuwider.
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Das
Integrieren einer Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode ist technisch
schwierig und erfordert einen erheblichen Aufwand.
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Ferner
werden in Microchip-basierten Analysesystemen sogenannte Quasi-Referenzelektronen oder
Pseudo-Referenzelektroden
verwendet. Solche Elektroden bestehen aus einem Edelmetall (z.B. Gold),
das mit dem Elektrolyten in Kontakt steht. Da solche Edelmetall-Elektroden
im Wesentlichen inert sind, ist deren elektrochemisches Potential
im Wesentlichen konstant. Ändert
sich allerdings die chemische Zusammensetzung eines Analyten während eines
Experiments, so kann sich die Referenzspannung einer solchen Quasi-Referenzelektrode
verschieben. Diese Verschiebung kann so groß sein, dass ein fehlerfreier
Betrieb des elektrochemischen Analysesystem nicht mehr sichergestellt
ist. Bei einer Verschiebung des elektrischen Potentials sind die gemessenen
elektrochemischen Signale nicht mehr aussagekräftig, da nicht mehr wohldefiniert
ist, welcher Stoff an der Arbeitselektrode umgesetzt wird. Bei sehr
starken Verschiebungen kann sogar das Elektrodenmaterial selbst
elektrochemisch oxidiert werden und in Lösung gehen (beispielsweise
bei Gold-Elektroden als AuCl3). In diesem
Fall ist das Analysesystem irreversibel zerstört. Quasi-Referenzelektroden weisen das Problem
auf, dass das gemessene elektrische Potential nicht unabhängig von einem
Analyten ist und somit im Laufe der Messzeit driften kann. Dadurch
kann ein zunehmend falsches Potential des Analyten angezeigt werden.
Wird diese Drift zu groß,
so können
die Redoxreaktionen zum Stillstand kommen, da eines der beiden Redoxpotentiale
nicht mehr erreicht wird. Bei noch größerer Abweichungen können zusätzliche
Reaktionen an den Elektroden ablaufen, man erreicht ein Gebiet stark ansteigender
bzw. abfallender Flanken (siehe die Kurve in 2). Hierbei tritt ein deutlicher Stromfluss zwischen
einer der beiden Arbeitselektroden und der Gegenelektrode auf. Hält dieser
Zustand längere
Zeit an, so werden beispielsweise die Elektroden aufgrund Elektromigration
zerstört
oder es kommt durch Elektrolyse zu Gasbildung an den Elektroden.
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Der
Erfindung liegt insbesondere das Problem zugrunde, eine Sensor-Anordnung
bereitzustellen, bei der die aus dem Stand der Technik bekannten
Probleme einer Referenzelektrode vermieden sind.
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Das
Problem wird durch eine Sensor-Anordnung und durch ein Sensor-Array
mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Sensor-Anordnung zum
Erfassen von in einem elektrolytischen Analyten möglicherweise
enthaltenen Partikeln enthält
eine mit dem elektrolytischen Analyten elektrisch koppelbare Arbeitselektrode,
die derart eingerichtet ist, dass bei Anwesenheit des möglicherweise
zu erfassende Partikel aufweisenden elektrolytischen Analyten in
der Sensor-Anordnung an der Arbeitselektrode Sensorereignisse stattfinden.
Ferner ist bei der Sensor-Anordnung eine mit dem elektrolytischen
Analyten elektrisch koppelbare zusätzliche Elektrode vorgesehen.
Darüber
hinaus enthält
die Sensor-Anordnung
einen mit der Arbeitselektrode gekoppelten Betriebsschaltkreis,
der derart eingerichtet ist, dass er eine im Wesentlichen konstante
Potentialdifferenz zwischen der Arbeitselektrode und der zusätzlichen Elektrode
einstellt. Die Sensor-Anordnung weist ferner eine Einrichtung auf,
die derart eingerichtet, dass sie ein Verhältnis von an der Arbeitselektrode
und der zusätzlichen
Elektrode fließenden
elektrischen Strömen
im Wesentlichen konstant hält.
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Das
erfindungsgemäße Sensor-Array
enthält eine
Mehrzahl von Sensor-Anordnungen mit den oben beschriebenen Merkmalen.
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Eine
Grundidee der Erfindung besteht darin, die elektrische Spannung
zwischen zwei Elektroden der insbesondere als Zwei-Elektroden-Sensor-Anordnung
realisierbaren Sensor-Anordnung der Erfindung konstant einzustellen
und das Verhältnis
von elektrischen Strömen
an den beiden Elektroden konstant zu halten (z.B. Ströme gleichen
Betrags und unterschiedlichen Vorzeichens). Aufgrund dieser Maßnahme ist
eine Referenzelektrode ganz vermieden, so dass der gemäß dem Stand
der Technik erforderliche erhebliche Aufwand zum Ausbilden einer
solchen Referenzelektrode eingespart ist. Anders ausgedrückt ist
die Sensor-Anordnung der Erfindung von einer Referenzelektrode frei,
da die Wirkung einer Referenzelektrode gemäß dem Stand der Technik durch
die Wirkung des Betriebsschaltkreises und der Einrichtung zum Konstanthalten
des Verhältnisses der
an der Arbeitselektrode und der zusätzlichen Elektrode fließenden elektrischen
Ströme
ersetzt wird. Trotz des Einsparens einer Referenzelektrode ist bei
der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung ein
stabiler Betrieb der Sensor-Anordnung, die beispielsweise als elektrochemische
Sensor-Anordnung realisiert sein kann, sichergestellt.
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Anstelle
des gemäß dem Stand
der Technik erforderlichen Erfassens des elektrochemischen Potential
eines Analyten unter Verwendung einer Referenzelektrode wird erfindungsgemäß eine Potentialdifferenz
zwischen zwei Elektroden der Sensor-Anordnung, beispielsweise zwischen zwei
Arbeitselektroden einer Redox-Cycling-Sensor-Anordnung, konstant
gehalten und wird das Verhältnis
der elektrischen Ströme
an den beiden Elektroden ebenfalls konstant gehalten.
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Anschaulich
ist erfindungsgemäß bei betragsmäßig gleich
großen
Strömen
eine Zwei-Elektroden-Sensor-Anordnung ermöglicht, im Gegensatz zu einer
Vier-Elektroden-Anordnung gemäß dem Stand
der Technik mit Arbeitselektroden, Referenz- und Gegenelektrode.
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Es
ist ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung bzw. gemäß des erfindungsgemäßen Sensor-Arrays,
dass eine Referenzelektrode, wie sie gemäß dem Stand der Technik erforderlich
ist, erfindungsgemäß entbehrlich
ist. Insbesondere in hochentwickelten miniaturisierten Systemen
ist die Integration einer Referenzelektrode mit außerordentlich
großen
prozesstechnischen und somit finanziellem Aufwand verbunden. Die
erfindungsgemäße Anordnung
ermöglicht
trotz des Einsparens der Referenzelektrode eine höhere Betriebssicherheit
als bei einem Betrieb mit nach dem Stand der Technik eingesetzten
Quasi-Referenzelektroden, die lediglich konzentrationsabhängige Potentiale
liefern.
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Im
Weiteren werden unterschiedliche Typen von Elektroden charakterisiert,
wie sie in Sensor-Anordnungen verwendet werden.
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Unter
einer Arbeitselektrode wird insbesondere eine solche Elektrode verstanden,
die mit einem elektrolytischen Analyten gekoppelt ist und an der
die für
ein Sensorereignis relevanten, beispielsweise elektrochemischen,
Umsetzungen erfolgen. Beispiele für Arbeitselektroden sind Generator-
und Kollektorelektrode einer Redox-Cycling-Sensor-Anordnung.
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Unter
einer Gegenelektrode wird insbesondere eine Elektrode verstanden,
die mit einem elektrolytischen Analyten gekoppelt ist und diesem
bedarfsweise elektrische Ladungsträger bereitstellt, um ein vorgegebenes
elektrochemisches Potential des Analyten einzustellen.
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Unter
einer Referenzelektrode, die erfindungsgemäß vermieden ist, wird insbesondere
eine Elektrode verstanden, die mit einem elektrolytischen Analyten
gekoppelt ist und dessen elektrochemisches Potential bestimmt bzw.
abfühlt.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung
kann der elektrolytische Analyt einen an den zu erfassenden Partikeln
gebundenen Stoff mit einem ersten Redoxpotential in einer ersten
Konzentration in dem elektrolytischen Analyten und einem Zusatzstoff
mit einem zweiten Redoxpotential in einer zweiten Konzentration
in dem elektrolytischen Analyten aufweisen, wobei die zweite Konzentration
vorzugsweise mindestens so groß wie
die erste Konzentration ist. Ferner erfolgt gemäß der beschriebenen Weiterbildung
bei Sensorereignissen an der Arbeitselektrode eine elektrochemische
Umsetzung unter Beteiligung des an den zu erfassenden Partikeln
gebundenen Stoffes.
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Anschaulich
kann als Referenzpunkt das Oxidations- bzw. Reduktionspotential
des bekannten, vorzugsweise im Überschuss
vorhandenen Zusatzstoffes verwendet werden, der im Analyten oder
als immobilisierte Schicht auf einer der beiden Elektroden (beispielsweise
in einer Ausführung
aus Gegenelektrode) vorgesehen sein kann. Kern der beschriebenen
Weiterbildung ist somit, die gemäß dem Stand der
Technik erforderliche Referenzelektrode mittels Zugebens des Stoffs
und des Zusatzstoffs in dem Analyten sowie mittels der beschriebenen
Schaltungstechnik zum Betrieb des elektrochemischen Analysesystems
zu ersetzen. Dadurch ist ein zuverlässiger und stabiler Betrieb
des elektrochemischen miniaturisierten Analysesystems auch ohne
eine Referenzelektrode gewährleistet.
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Ferner
kann die Sensor-Anordnung derart eingerichtet sein, dass die im
Wesentlichen konstante Potentialdifferenz zwischen der Arbeitselektrode und
der zusätzlichen
Elektrode auf einen Wert eingestellt wird, der gleich oder größer der
Differenz zwischen dem ersten Redoxpotential und dem zweiten Redoxpotential
ist. Mit anderen Worten kann die Kenntnis des ersten Redoxpotentials
des an den zu erfassenden Partikeln gebundenen Stoffs und des zweiten
Redoxpotentials des Zusatzstoffs vorzugsweise in Überschusskonzentration
dazu verwendet werden, einen geeigneten Wert der Potentialdifferenz zwischen
den beiden Elektroden der Sensor-Anordnung
einzustellen (z.B. im Falle von para-Aminophenol auf ungefähr 250 mV
oder mehr, vgl. 2).
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Der
Betriebsschaltkreis kann ferner derart eingerichtet sein, dass er
im Falle von Sensorereignissen ein die Sensorereignisse charakterisierendes elektrisches
Sensorsignal bereitstellt. Dieses Sensorsignal kann beispielsweise
ein Sensorstrom oder eine Sensorspannung sein. Das Sensorsignal
kann auch On-Chip vorverarbeitet, z.B. digitalisiert und/oder verstärkt werden,
um das Signal/Rausch-Verhältnis
zu verbessern.
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Die
Sensor-Anordnung der Erfindung kann monolithisch in und/oder auf
einem Substrat integriert sein. Das Substrat kann beispielsweise
ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat (wie ein
Siliziumwafer oder ein Siliziumchip) sein. Dadurch kann die Sensor-Anordnung
als miniaturisierter integrierter Schaltkreis gebildet werden. Der
oder die Teil-Schaltkreise der Sensor-Anordnung, beispielsweise
der Betriebsschaltkreis, kann beispielsweise unterhalb des elektrochemischen
Systems mit dem Elektroden vorgesehen sein, was eine besonders platzsparende
Konfiguration ermöglicht.
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Alternativ
kann zumindest ein erster Teil der Komponenten der Sensor-Anordnung
extern von (d.h. getrennt von) einem Substrat vorgesehen sein, in
und/oder auf dem ein zweiter Teil der Komponenten der Sensor-Anordnung
ausgebildet ist.
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Die
Sensor-Anordnung kann als elektrochemische Sensor-Anordnung zum Erfassen
von oxidierbaren bzw. reduzierbaren Stoffen eingerichtet sein.
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Die
Sensor-Anordnung kann als Biosensor-Anordnung zum Erfassen von Biomolekülen, insbesondere
makromolekularen Biopolymeren, eingerichtet sein (z.B. DNA-Halbsträngen, Proteinen,
Enzymen, Polymeren, Oligomeren).
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Die
Sensor-Anordnung kann zum Erfassen von DNA-Molekülen, Oligonukleotiden, Polypeptiden und/oder
Proteinen eingerichtet sein.
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Bei
der Sensor-Anordnung können
zumindest an der Arbeitselektrode Fängermoleküle immobilisiert sein.
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Insbesondere
kann die Sensor-Anordnung als Redox-Cycling-Sensor-Anordnung eingerichtet sein,
d.h. als Sensor-Anordnung,
bei der das bezugnehmend auf 1A, 1B beschriebene Verfahren
durchführbar
ist, ohne dass hierfür
jedoch eine Referenzelektrode erforderlich ist.
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Ferner
kann die Sensor-Anordnung als dynamische Biosensor-Anordnung einrichtet
sein. Unter einer "dynamischen" Biosensor-Anordnung
wird insbesondere eine solche Biosensor-Anordnung verstanden, die nicht nur
quasi-statisch betrieben werden, sondern bei der dynamische, das
heißt
zeitlich stark veränderliche
Messsignale auftreten (z.B. Spannungssprünge, Wechselspannungs-Voltammetrie,
etc.).
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Die
Arbeitselektrode und die zusätzliche Elektrode
können
eine im Wesentlichen gleich große Oberfläche aufweisen.
Es ist vorteilhaft für
einen stabilen Betrieb der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung, dass
die Fläche
der zusätzlichen
Elektrode (beispielsweise einer Gegenelektrode) ungefähr gleich
der Fläche
der Arbeitselektrode entspricht. In diesem Fall kann die Stromdichte
an beiden Elektroden ausreichend gering gehalten werden, um unerwünschte Umsetzungen
zu vermeiden. In der Elektrochemie gemäß dem Stand der Technik wird üblicherweise
die Faustformel verwendet, dass die Gegenelektrode etwa die zehn-
bis hundertfache Fläche der
Arbeitselektrode aufweist. Dies ist gemäß dem Stand der Technik notwendig,
da dann eine Potentialverschiebung des Elektrolyten im Wesentlichen
auf der kapazitiven Kopplung der Gegenelektrode zum Elektrolyten über Doppelschichtkapazität erfolgt
und nur vernachlässigbare
Umsetzungen an der Gegenelektrode auftreten. Der Spannungshub, den
ein Potentiostat an der Gegenelektrode hervorruft, hat in diesem
Fall eine vernachlässigbar
kleine Amplitude.
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Insbesondere
bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung, bei der
ein zu reduzierender Stoff in ausreichend hoher (Überschuss-)Konzentration
zugesetzt wird, kann die Fläche
der Gegenelektrode wesentlich kleiner sein als gemäß dem Stand
der Technik und in der Größenordnung
der Fläche
der Arbeitselektrode liegen bzw. ungefähr gleichflächig mit der Arbeitselektrode
realisiert sein. Dies stellt besonders in miniaturisierten elektrochemischen
Analysesystemen einen Flächenvorteil dar,
so dass die Integrationsdichte erhöht werden kann.
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Bei
der Sensor-Anordnung der Erfindung kann die Einrichtung, die derart
eingerichtet ist, dass sie ein Verhältnis von an der Arbeitselektrode
und der zusätzlichen
Elektrode fließenden
elektrischen Strom im Wesentlichen konstant hält, ein elektrischer Schaltkreis
sein, das heißt
schaltungstechnisch realisiert sein.
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Dieser
Weiterbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine korrekte
Funktionsweise der Sensor-Anordnung beispielsweise gemäß dem Redox-Cycling-Verfahren
einerseits die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Elektroden,
die gemäß dem Redox-Cycling-Verfahren
beide Arbeitselektroden (nämlich
Kollektorelektrode und Generatorelektrode) sind, mindestens der
Differenz zwischen Oxidations- und Redoxpotential entsprechen soll.
Andererseits soll der Stromfluss an den beiden Arbeitselektroden
dem Betrag nach gleich sein oder zumindest in einem festen, d.h.
konstanten Verhältnis
zueinander stehen. Somit sind erfindungsgemäß nicht notwendigerweise die
elektrischen Potentiale an allen Elektroden eingestellt, sondern
es ist lediglich die Spannungsdifferenz zwischen Kollektor- und
Generatorelektrode einzustellen. Gemäß der beschriebenen Weiterbildung
wird nun unter Verwendung schaltungstechnischer Maßnahmen
ein vorgebbares Verhältnis
zwischen den Strömen
an den beiden Sensorelektroden erzwungen. Die korrekten Spannungswerte
stellen sich über
den elektrolytischen Analyten dann von selbst ein.
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Die
zusätzliche
Elektrode kann eine zusätzliche
Arbeitselektrode sein, die derart eingerichtet ist, dass bei Anwesenheit
eines möglicherweise
zu erfassende Partikel aufweisenden elektrolytischen Analyten in
der Sensor-Anordnung
an der zusätzlichen
Arbeitselektrode Sensorereignisse stattfinden. Mit anderen Worten
können
sowohl Arbeitselektrode als auch zusätzliche Elektrode als Arbeitselektroden ausgebildet
sein. Diese Weiterbildung ist beispielsweise bei einer Redox-Cycling-Sensor-Anordnung vorteilhaft,
bei der die Arbeitselektrode und die zusätzliche Elektrode der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung
als Kollektor- und Generatorelektrode realisiert sind.
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Gemäß der beschriebenen
Weiterbildung kann der Betriebsschaltkreis ferner eine mit einem elektrolytischen
Analyten elektrisch koppelbare Gegenelektrode aufweisen, die derart
eingerichtet ist, dass mittels der Gegenelektrode basierend auf
einem Vergleich der elektrischen Ströme an der Arbeitselektrode
und an der zusätzlichen
Arbeitselektrode dem Elektrolyten bedarfsweise elektrische Ladungsträger bereitgestellt
werden derart, dass im Wesentlichen eine konstante Potentialdifferenz
zwischen der Arbeitselektrode und der zusätzlichen Arbeitselektrode eingestellt
wird. Gemäß dieser
Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung eine Drei-Elektroden-Sensor-Anordnung
mit zwei Arbeitselektroden und einer Gegenelektrode. Die elektrischen
Ströme
an den beiden Arbeitselektroden werden miteinander verglichen, beispielsweise
voneinander subtrahiert, und basierend auf diesem Vergleichswert
werden über
die Gegenelektrode dem elektrolytischen Analyten elektrische Ladungsträger geeigneten
Betrags und Vorzeichens nachgeliefert, so dass eine konstante Potentialdifferenz
(bzw. ein konstantes Verhältnis
der Ströme
an den beiden Arbeitselektroden) ermöglicht ist.
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Der
elektrische Schaltkreis kann auch einen Stromspiegel-Schaltkreis aufweisen,
welcher derart verschaltet ist, dass er die betragsmäßige elektrische Stromstärke an der
Arbeitselektrode im Wesentlichen der zusätzlichen Arbeitselektrode bereitstellt.
Mit anderen Worten kann (bei vernachlässigbar kleinen Ungenauigkeitenen
einer Stromspiegel-Schaltung) ein gleichbleibender Betrag zwischen
den Strömen
an Arbeitselektrode und zusätzlicher
Arbeitselektrode dadurch gewährleistet
werden, dass ein elektrischer Strom an der Arbeitselektrode unter
Verwendung des Stromspiegels mit einem Kopierfaktor von idealer Weise "minus eins" in die zusätzliche
Arbeitselektrode eingekoppelt wird.
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Der
Betriebsschaltkreis der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung kann einen Sourcefolger und genau
einen Operationsverstärker
aufweisen. Bei der Realisierung eines Betriebsschaltkreises im Fall von
zwei Arbeitselektroden sind häufig
zwei Operationsverstärker
erforderlich, wenn in dem Betriebsschaltkreis Sensorsignale bereitgestellt
werden sollen. Unter Verwendung eines Sourcefolgers kann einer der
beiden Operationsverstärker
eingespart werden, was einen verringerten schaltungstechnischen Aufwand
und eine Platzersparnis zur Folge hat.
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Die
Einrichtung der Sensor-Anordnung kann alternativ zu einer schaltungstechnischen
Realisierung als Isolations-Einrichtung ausgeführt sein, die derart eingerichtet
ist, dass sie den mit der Arbeitselektrode und der zusätzlichen
Elektrode elektrisch gekoppelten elektrolytischen Analyten gegenüber der
Umgebung des elektrolytischen Analyten elektrisch isoliert. Anders
ausgedrückt
stellt sich bei einer Sensor-Anordnung,
bei der (nur) die Arbeitselektrode und die zusätzliche Elektrode mit einem
elektrolytischen Analyten gekoppelt sind (z.B. in diesen eintauchen),
aufgrund der kirchhoffschen Gesetze ein fester Bezug zwischen den
Strömen
an den beiden Elektroden ein. Insofern stellt die beschriebene Weiterbildung
eine mechanische Realisierung der Einrichtung dar.
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Die
zusätzliche
Elektrode kann eine Konstantpotential-Elektrode sein, die auf ein konstantes elektrisches
Potential gebracht ist. Die zusätzliche Elektrode
nicht also notwendigerweise mit dem Betriebsschaltkreis gekoppelt
sein, sondern kann auch auf ein konstantes elektrisches Potential,
beispielsweise das elektrische Massepotential, gebracht sein.
-
Die
zusätzliche
Elektrode kann alternativ mit dem Betriebsschaltkreis gekoppelt
sein. In diesem Falle sind sowohl die Arbeitselektrode als auch
die zusätzliche
Elektrode mit dem Betriebsschaltkreis gekoppelt, so dass unter Verwendung
des Betriebsschaltkreises eine konstante Potentialdifferenz zwischen
den beiden Elektroden aufrechterhalten werden kann.
-
Ferner
kann bei der Sensor-Anordnung die Arbeitselektrode mit einer Funktionalisierung
(z.B. Fängermoleküle, mit
welchen zu erfassende Partikel hybridisieren können) versehen sein, an welcher Funktionalisierung
Sensorereignisse stattfinden können,
und die zusätzliche
Elektrode kann mit Ladungsträgerreservoir-Material
versehen sein, das im Falle von Sensorereignissen an der Arbeitselektrode
elektrische Ladungsträger
zum Abpuffern von Stromstößen aufgrund
von Sensorereignissen an der Arbeitselektrode bereitstellt. Bei
einem dynamischen System, bei dem in sehr kurzer Zeit sehr viele
Oxidations- bzw. Reduktionsereignisse an der Arbeitselektrode erfolgen
können,
ist es vorteilhaft, dass an der zusätzlichen Elektrode, beispielsweise
in ihrer Ausführung
als Gegenelektrode, eine ausreichende Menge umsetzbarer Stoffe immobilisiert
sind, die Ladungsträger
nachliefern können.
Dadurch kann die Zeitkonstante des Systems gering gehalten werden, und
es ist eine exakte Kontrolle der Elektrodenpotentiale ermöglicht.
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Ferner
kann die Sensor-Anordnung der Erfindung eine mit dem Elektrolyten
elektrisch gekoppelte Konstantpotential-Elektrode aufweisen, die auf ein konstantes
elektrisches Potential gebracht ist. Eine solche zusätzliche
Elektrode, die beispielsweise auf das elektrische Massenpotential
gebracht sein kann, kann dem elektrolytischen Analyten ein konstantes
elektrisches Potential bereitstellen.
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Im
Weiteren wird das erfindungsgemäße Sensor-Array,
das erfindungsgemäße Sensor-Anordnungen
enthält,
näher beschrieben.
Ausgestaltungen des Sensor-Arrays gelten auch für die Sensor-Anordnung und
umgekehrt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Sensor-Array können die
Sensor-Anordnungen
im Wesentlichen matrixförmig
angeordnet sein. Dies ermöglicht
eine besonders hohe Integrationsdichte der Sensor-Anordnungen, was
insbesondere für
High-Throughput-Analysen
vorteilhaft ist, bei denen jede Sensor-Anordnung auf ein anderes
Biomolekül
sensitiv ist, beispielsweise auf Oligonukleotide unterschiedlicher
Basensequenz.
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Das
Sensor-Array der Erfindung kann einen Steuerschaltkreis aufweisen,
der zum Ansteuern, Auswählen
und/oder Auslesen einer Sensor-Anordnung oder eines Teils der Sensor-Anordnungen (beispielsweise
einer Zeile oder Spalte von Sensor-Anordnungen) eingerichtet ist.
Ein solcher Steuerschaltkreis, der auf und/oder in einem Chip integriert
sein kann oder von dem Chip extern vorgesehen sein kann, enthält häufig eine
Vielzahl von Auswahltransistoren, Zeilen- und Spaltenleitungen, um gezielt einzelne
Sensor-Anordnungen anzusteuern, auszuwählen bzw. ein Sensorsignal
auszulesen.
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Die
zusätzliche
Elektrode kann für
zumindest einen Teil der Sensor-Anordnungen des Sensor-Arrays gemeinsam
vorgesehen sein und kann als Konstantpotential-Elektrode eingerichtet
sein, die auf ein konstantes elektrisches Potential (z.B. Massepotential)
gebracht ist. Mittels Vorsehens der zusätzlichen Elektrode gemeinsam
für einen
Teil oder alle der Sensor-Anordnungen kann eine besonders platzsparende
Anordnung geschaffen werden.
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Ferner
kann bei dem erfindungsgemäßen Sensor-Array
zumindest bei einem Teil der Sensor-Anordnung die jeweilige zusätzliche
Elektrode mit dem jeweiligen Betriebsschaltkreis gekoppelt sein,
und es kann eine gemeinsame Konstantpotential-Elektrode vorgesehen
sein, die auf ein konstantes elektrisches Potential gebracht ist.
Auch diese Ausgestaltung ermöglicht
eine vorteilhafte und platzsparende Anordnung der Sensor-Anordnungen des erfindungsgemäßen Sensor-Arrays.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren
näher erläutert.
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Es
zeigen:
-
1A, 1B unterschiedliche Betriebszustände einer
Redox-Cycling-Sensor-Anordnung
gemäß dem Stand
der Technik,
-
2 ein Diagramm, welches
ein Zyklo-Voltammogramm für
para-Aminophenol darstellt,
-
3 eine Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand
der Technik,
-
4 eine Sensor-Anordnung
gemäß dem Stand
der Technik,
-
5 ein schematisches Diagramm,
das eine Strom-Potential-Charakteristik
gemäß dem Stand
der Technik darstellt,
-
6 ein charakteristisches
Diagramm, das eine Strom-Potential-Charakteristik
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt,
-
7 eine Sensor-Anordnung
gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
8 eine Sensor-Anordnung
gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
9 eine Sensor-Anordnung
gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
10 ein Sensor-Array gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
11 ein Sensor-Array gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
12 eine Sensor-Anordnung
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
13 eine Sensor-Anordnung
gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
14 eine Sensor-Anordnung
gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
15 eine Sensor-Anordnung
gemäß einem
siebten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
16 eine Sensor-Anordnung
gemäß einem
achten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
Gleich
oder ähnliche
Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
-
Die
Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
-
Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 5 und 6 ein wesentlicher Aspekt
der Erfindung in Abgrenzung zum Stand der Technik beschrieben. Hierfür werden
Elektrodenstrombetrag-Elektrodenspannungs-Verläufe für eine Sensor-Anordnung
gemäß dem Stand
der Technik bezugnehmend auf 5 und
gemäß der Erfindung
bezugnehmend auf 6 erläutert.
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In 5 ist ein Diagramm 500 gezeigt,
entlang dessen Abszisse 501 eine Elektrodenspannung aufgetragen
ist, wohingegen entlang dessen Ordinate 502 ein betragsmäßiger Elektrodenstrom
für eine Redox-Sensor-Anordnung
gemäß dem Stand
der Technik aufgetragen ist.
-
Anschaulich
entspricht der Bereich positiver Elektrodenspannungen in 5 dem Bereich, in dem an
einer Elektrode Oxidationen stattfinden, wohingegen in dem Bereich
der Elektrodenspannung mit negativen Vorzeichen an einer Elektrode
Reduktionen erfolgen. In 5 ist
exemplarisch eine Kurve gezeigt, die den Elektrodenstrombetrag-Elektrodenspannungs-Verlauf 503 an
einer aus dem Stand der Technik bekannten Sensor-Anordnung mit einer
Referenzelektrode zeigt. Der Koordinatenursprung des Diagramms 500 entspricht
einem Ruhepunkt 504 bzw. Ruhepotential der Sensor-Elektrode.
In einem Bereich 505 erfolgen erwünschte Umsetzungen unter Beteiligung
zu erfassender Partikel an einer der Arbeitselektroden, wohingegen
in einem Bereich 506 unerwünschte Umsetzungen von in einem
elektrolytischen Analyten zusätzlich
enthaltenen Komponenten erfolgen.
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Anschaulich
ist in 5 eine schematische Darstellung
des betragsmäßigen elektrischen
Stroms an einer Elektrode in einem elektrochemischen System gemäß dem Stand
der Technik gezeigt, wenn deren elektrisches Potential ausgehend
von dem Ruhepunkt 504 erhöht bzw. erniedrigt wird. Bei
einer Erhöhung
des elektrischen Potentials an einer Arbeitselektrode setzen zunächst die
erwünschten
Oxidationen ein, siehe Bereich 505. Dies können beispielsweise
Oxidationen von Ferrocen-Markierungen
an zu erfassenden DNA-Halbsträngen
sein. Bei einer weiteren Erhöhung
der elektrischen Spannung werden zusätzliche Stoffe des elektrochemischen
Systems in unerwünschter
Weise umgesetzt, siehe Bereich 506. Eine Gegenelektrode
kompensiert den an der Arbeitselektrode fließenden Strom und wird hierfür von einer
Potentiostaten-Schaltung
auf ein negatives elektrisches Potential gebracht. Gemäß dem Stand
der Technik ist dieses Potential nicht exakt bestimmt, sondern hängt von
den Inhaltstoffen des Elektrolyten ab. Das Potential an der Arbeitselektrode
wird gemäß dem Stand
der Technik unter Verwendung einer Referenzelektrode bestimmt, die
das Potential des Elektrolyten konzentrationsunabhängig bestimmt.
Das Arbeitselektroden-Potential wird dann relativ zu diesem elektrischen
Potential eingestellt.
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Ein
Aspekt der Erfindung wird anhand des in 6 gezeigten Diagramms 600 erläutert, entlang dessen
Abszisse 601 eine Elektrodenspannung aufgetragen ist, wohingegen
entlang dessen Ordinate 602 ein betragsmäßiger Elektrodenstrom
aufgetragen ist.
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Auch
in 6 ist ein Elektrodenstrom-Elektrodenspannungs-Verlauf 603 gezeigt,
der sich jedoch in einem Bereich negativer Elektrodenspannungen
von dem Elektrodenstrombetrags-Elektrodenspannungsverlauf 503 aus 5 unterscheidet. Wiederum
entspricht der Koordinatenursprung in 6 einem
Ruhepunkt 604 bzw. einem Ruhepotential. Ferner sind in 6 ein Bereich erster erwünschter Umsetzungen 605 und
ein Bereich zweiter erwünschter
Umsetzungen 606 sowie ein Bereich unerwünschter Umsetzungen 607 gezeigt.
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Anschaulich
ist in 6 der betragsmäßige Strom
in einer Elektrode in einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensor-Anordnung
dargestellt, wenn das Potential der Elektrode aus dem Ruhepunkt 604 heraus
erhöht
bzw. erniedrigt wird. Bei einer Erhöhung des elektrischen Potentials
an der Arbeitselektrode, das heißt im Bereich positiver Elektrodenspannungen
an der Abszisse 601, setzen zunächst die erwünschten
Oxidationen ein, siehe Bereich 605. Dies können beispielsweise
Oxidationen von Ferrocen-Markierungen an DNA-Halbsträngen sein. Bei noch höheren elektrischen
Spannungen werden zusätzliche
Stoffe des elektrochemischen Systems umgesetzt, was nicht erwünscht ist,
siehe Bereich 607. Eine Gegenelektrode hat den an der Arbeitselektrode
fließenden
Strom zu kompensieren und wird hierfür beispielsweise von einer
Potentiostaten-Schaltung auf ein ausreichend negatives Potential
gebracht. Im Unterschied zum Stand der Technik, wo dieses Potential
nicht exakt bestimmt ist und von den Inhaltstoffen des Analyten
abhängt,
ist bei der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung
dem Elektrolyten ein Zusatzstoff von ausreichend hoher Konzentration
zugesetzt, dessen Reduktionspotential vergleichsweise nahe an dem
Ruhepotential 604 der Gegenelektrode liegt, zumindest näher als
das Reduktionspotential anderer Inhaltsstoffe des Elektrolyten (siehe 6, Bereich negativer Spannungen). Wird
die Gegenelektrode nun von der Potentiostaten-Schaltung auf ein
negatives elektrisches Potential gebracht, so kann diese den erforderlichen
Strom bereits bei einer geringeren Auslenkung des Potentials aus
der Ruhelage 604 aufbringen, da zunächst der im Überschuss
zugesetzte Zusatzstoff im Elektrolyten reduziert wird. Hierbei wird
ausgenutzt, dass sowohl das Oxidationspotential des an der Arbeitselektrode
umzusetzenden Stoffes, als auch das Reduktionspotential des zugesetzten
Zusatzstoffes bekannt sind. Ausschlaggebend für einen erfolgreichen Betrieb
des erfindungsgemäßen Analysesystems
ist nicht die Kenntnis beider Potentiale bezüglich eines Referenzpotentials,
sondern es genügt
die Kenntnis der Differenz der beiden Potentiale. Diese Differenz ist
unabhängig
von einem Referenzpotential und zeigt nur eine schwache Abhängigkeit
von der Zusammensetzung des Elektrolyten.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 7 eine
Sensor-Anordnung 700 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Bei
der Sensor-Anordnung 700 ist ein elektrolytischer Analyt 701 in
einem Reaktionsvolumen vorgesehen und mittels einer Isolations-Einrichtung 709 von
der Umgebung elektrisch isoliert. In den elektrolytischen Analyt 701 tauchen
eine Arbeitselektrode 702 und eine Gegenelektrode 703 ein.
Ferner enthält
die Sensor-Anordnung 700 einen Betriebsschaltkreis 704 mit
einem Eingang 707, welcher mit der Arbeitselektrode 702 gekoppelt
ist. Die Gegenelektrode 703 ist auf das elektrische Massepotential 705 gebracht.
Ferner ist der Betriebsschaltkreis 704 derart eingerichtet,
das er ein positives Potential einer Elektrodenpotential-Einrichtung 706 der
Arbeitselektrode 702 derart bereitstellen kann, dass zwischen
der Arbeitselektrode 702 und der auf dem Massepotential
befindlichen Gegenelektrode 703 eine konstante Spannung
angelegt ist. An einem Ausgang 708 des Betriebsschaltkreises 704 ist
ein Messwert, das heißt
ein Sensorsignal, bereitgestellt, beispielsweise eine Spannung Vout oder ein Strom Iout.
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Die
Sensor-Anordnung 700 ist zum Erfassen von in dem elektrolytischen
Analyten 701 möglicherweise
enthaltenen Partikeln eingerichtet. Die Arbeitselektrode 702 ist
derart eingerichtet, dass in Anwesenheit des möglicherweise zu erfassenden
Partikel aufweisenden Analyten 701 in der Sensor-Anordnung 700 an
der Arbeitselektrode 700 Sensorereignisse stattfinden.
Hierfür
sind an der Arbeitselektrode 702 Fängermoleküle immobilisiert, die mit in
dem Analyten 701 möglicherweise
enthaltenden DNA-Halbsträngen
hybridisieren können.
Die Gegenelektrode 703 ist mit dem elektrolytischen Analyten 701 elektrisch
gekoppelt, indem sie in den Analyten 701 eintaucht. Der
Betriebsschaltkreis 704 ist derart eingerichtet, dass er
zwischen den Elektroden 702, 703 eine konstante
Potentialdifferenz V einstellt. Die Isolations-Einrichtung 709 ermöglicht,
dass die an der Arbeitselektrode 702 und an der Gegenelektrode 703 fließenden elektrischen
Ströme
betragsmäßig gleich
sind.
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Die
Sensor-Anordnung 700 ist somit ein Zwei-Elektroden-System
eingerichtet, bei dem sowohl die Arbeitselektrode 702 als
auch die Gegenelektrode 703 in das gleiche Reaktionsvolumen
(Analyt 701) eintauchen, welches gegenüber der Umgebung mittels der
Isolations-Einrichtung 709 elektrisch isoliert ist. Das
Elektrolyt-Potential wird sich demzufolge auf einen Wert einstellen,
bei dem an beiden Elektroden 702, 703 betragsmäßig der
gleiche Strom fließt
(Kirchhoff-Gesetze). Der Potentialunterschied zwischen den beiden
Elektroden 702, 703 wird mittels des Betriebsschaltkreises 704 und
der Elektrodenpotential-Einrichtung 706 gesteuert und auf
einen Wert eingestellt, der zum Betrieb der Sensor-Anordnung 700 geeignet
ist. Die Sensor-Anordnung 700 ist gut für ein quasistatisches Sensorsystem
geeignet, wie beispielsweise eine auf dem Redox-Cycling-Prinzip
basierende Sensor-Anordnung.
Bei einem Redox-Cycling-Sensor ist ein Zusatzstoff mit ausreichend
hoher Konzentration bereits inhärent
vorhanden und muss nicht extra zugesetzt werden. Der redoxaktive
Stoff ist bei Redox-Cycling (z.B. unter Verwendung von para-Aminophenol)
ein Stoff mit bekanntem Redoxverhalten. Mit der Sensor-Anordnung 700 kann
ein Elektrodenstrombetrag-Elektrodenspannungsverlauf erhalten werden,
wie er beispielsweise in 6 gezeigt
ist.
-
Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 8 eine
Sensor-Anordnung 800 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
-
Die
in 8 gezeigte Sensor-Anordnung 800 unterscheidet
sich von der in 7 gezeigten Sensor-Anordnung 700 im
Wesentlichen dadurch, dass die Gegenelektrode 703 nicht
auf elektrischem Massepotential 705 befindlich ist, sondern über einen zusätzlichen
Eingang 801 des Betriebsschaltkreises 704 mit
dem Betriebsschaltkreis 704 gekoppelt ist. Unter Verwendung
der Elektrodenpotential-Einrichtung 706 wird somit mittels
des Betriebsschaltkreises 704 zwischen die Elektroden 702, 703 eine
vorgegebene Spannung V angelegt.
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Ein
Unterschied zwischen der Sensor-Anordnung 700 und der in 8 gezeigten Sensor-Anordnung 800 besteht
darin, dass bei der Sensor-Anordnung das elektrische Potential der
Gegenelektrode 703 fest vorgegeben ist, indem die Gegenelektrode 703 in 7 auf das elektrische Massepotential 705 gebracht
ist. Im Unterschied dazu ist bei der Sensor-Anordnung 800 das
elektrische Potential beider Elektroden 702, 703 frei.
Bei der Sensor-Anordnung 800 stellt der Betriebsschaltkreis 704 sicher,
dass das elektrische Potential der beiden Elektroden 702, 703 einen
nutzbaren Spannungsbereich des Betriebsschaltkreises 704 nicht
verlässt.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 9 eine
Sensor-Anordnung 900 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
-
Die
Sensor-Anordnung 900 unterscheidet sich von der in 8 gezeigten Sensor-Anordnung 800 im
Wesentlichen dadurch, dass eine Masseelektrode 901 zusätzlich zu
den anderen Komponenten der Sensor-Anordnung 800 bei der
Sensor-Anordnung 900 bereitgestellt ist. Die Masseelektrode 901 ist
in den elektrolytischen Analyten 701 eingetaucht und somit
mit dem Analyten 701 gekoppelt. Auch bei der Sensor-Anordnung 900 ist
eine Isolations-Einrichtung 709 zum Begrenzen des Reaktionsvolumens
vorgesehen. Ein zusätzlicher
Unterschied zwischen der Sensor-Anordnung 900 und der Sensor-Anordnung 800 ist
darin zu sehen, dass aufgrund des Hinzufügens der Masseelektrode 901 nunmehr nicht
zwangsläufig
die elektrischen Ströme
an den Elektroden 702, 703 betragsmäßig gleich
groß sein müssen. Aufgrund
des Anlegens eines extern vorgegebenen Potentials, nämlich des
elektrischen Massepotentials 705, an den elektrolytischen
Analyten 701 führen
nun die Kirchhoff-Gesetze nicht mehr notwendigerweise dazu, dass
die elektrischen Ströme
an der Elektroden 702, 703 betragsmäßig gleich sind.
Um dennoch sicherzustellen, dass ein Verhältnis der elektrischen Ströme an der
Arbeitselektrode 702 und an der Gegenelektrode 703 im
Wesentlichen konstant ist, ist bei der Sensor-Anordnung 900 der Betriebsschaltkreis 704 derart
eingerichtet, dass das Verhältnis
dieser beiden Ströme
im Wesentlichen konstant bleibt. Mit anderen Worten ist bei der
Sensor-Anordnung 900 aufgrund einer schaltungstechnischen
Konfiguration ein konstantes Stromverhältnis ermöglicht. Der Betriebsschaltkreis 704 kann
sich an den Elektrodenanschlüssen 707, 801 wie
eine ideale Stromquelle verhalten. Mittels der zusätzlichen
Masseelektrode 901 ist das Potential des elektrolytischen Analyten 701 festgelegt.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 10 ein
Sensor-Array 1000 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Das
Sensor-Array 1000 enthält
ein Reaktionsvolumen, in welches ein elektrolytischer Analyt 701 eingefüllt ist.
In den elektrolytischen Analyten 701 tauchen eine erste
Arbeitselektrode 1001, eine zweite Arbeitselektrode (nicht
gezeigt), ..., und eine n-te Arbeitselektrode 1002 ein.
Ferner taucht in den elektrolytischen Analyten 701 eine
für alle
Sensor-Anordnungen des Sensor-Arrays 1000 gemeinsame Gegenelektrode 1003 in
den Analyten ein, welche gemeinsame Gegenelektrode 1003 auf
ein elektrische Massepotential 705 gebracht ist. Jeder
der ersten bis n-ten Arbeitselektroden 1001, 1002 ist
ein Betriebsschaltkreis 1004, 1005 zugeordnet.
Der ersten Arbeitselektrode 1001 ist ein erster Betriebsschaltkreis 1004 zugeordnet,
der zweiten Arbeitelektrode ist ein zweiter Betriebsschaltkreis
(nicht gezeigt) zugeordnet ..., und der n-ten Arbeitselektrode 1002 ist
ein n-ter Betriebsschaltkreis 1005 zugeordnet. Jede Arbeitselektrode
ist mit einem Eingang 707 des zugehörigen Betriebsschaltkreises
gekoppelt. An einem jeweiligen Ausgang 708 eines jeweiligen
Betriebsschaltkreises ist ein Sensorsignal in Form eines Sensorstromes
einer Sensorspannung, etc. bereitgestellt, welches für an der
zugehörigen
Arbeitselektrode erfolgte Sensorereignisse charakteristisch ist.
Jeder Betriebsschaltkreis enthält
eine Elektrodenpotential-Einrichtung 706, welche derart
eingerichtet ist, dass sie das elektrische Potential zwischen der
dem jeweiligen Betriebsschaltkreis zugeordneten Arbeitselektrode
und der gemeinsamen Gegenelektrode 1003 konstant hält.
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Bei
dem Sensor-Array 1000 sind somit insgesamt n Einheiten
von Arbeitselektroden und zugehörigen
Betriebsschaltkreisen vorgesehen, welche n Einheiten oder Sensor-Anordnungen
beispielsweise matrixförmig
angeordnet sein können
(was in der schematischen Darstellung von 10 nicht gezeigt ist). In 10 ferner nicht gezeigt
ist eine Auswahl- und Steuerelektronik zum Auswählen, Ansteuern bzw. Auslesen
aus einer jeweiligen der Arbeitselektroden. Das Sensor-Array 1000 ist
anschaulich eine Anordnung einer Mehrzahl von Sensor-Anordnungen, die
als hochintegriertes Analysesystem verschaltet sind und gemeinsam
betrieben werden können.
Die gemeinsame Gegenelektrode 1003 kann mit einer Fläche vorgesehen
sein, die wesentlich größer ist
als jede Einzelfläche
einer der Arbeitselektroden 1001, 1002.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 11 ein
Sensor-Array 1100 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Das
Sensor-Array 1100 unterscheidet sich von dem in 10 gezeigten Sensor-Array 1000 im Wesentlichen
dadurch, dass jeder Arbeitselektrode 1001, 1002 bei
dem Sensor-Array 1100 eine individuelle Gegenelektrode 1102, 1103 zugeordnet
ist. Diese individuelle Gegenelektrode ist an einen zusätzlichen
Anschluss 801 des jeweils zugehörigen Betriebsschaltkreises 1004, 1005 angeschlossen.
Ferner taucht eine gemeinsame Masseelektrode 1101 in den
Elektrolyten 701 ein, die eine größere Fläche als jede der Arbeitselektroden 1001, 1002 bzw.
jede der Gegenelektroden 1102, 1103 aufweist.
Die gemeinsame Masseelektrode 1101 ist auf elektrisches Massepotential 705 gebracht.
Somit ist das Sensor-Array 1100 aus n Sensor-Anordnungen gebildet, nämlich einer
ersten Sensor-Anordnung mit erster Arbeitselektrode 1001,
erster Gegenelektrode 1102 und erstem Betriebsschaltkreis 1004,
einer zweiten Sensor-Anordnung
(nicht gezeigt) mit zweiter Arbeitselektrode, zweiter Gegenelektrode
und zweitem Betriebsschaltkreis, ... und einer n-ten Sensor-Anordnung
mit einer n-ten Arbeitselektrode 1002, einer n-ten Gegenelektrode 1103 und
einem n-ten Betriebsschaltkreis 1005. Es sind insgesamt
n Einheiten oder Sensor-Anordnungen matrixförmig angeordnet, wobei wiederum
eine geeignete Steuerelektronik (nicht gezeigt) vorgesehen sein
kann.
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Gemäß 11 ist jeder Arbeitselektrode
individuell eine Gegenelektrode mit im Vergleich zu der gemeinsamen
Gegenelektrode 1003 aus 10 deutlich
verringerter Fläche
zugeordnet. Die Potentialdifferenz zwischen der Gegenelektrode und
der zugeordneten Arbeitselektrode jeder der Sensor-Anordnungen wird
konstant gehalten. Die Betriebsschaltkreise der Arbeitselektroden
messen den jeweils auftretenden Strom und stellen diesen als Messsignal
einer Auswerteschaltung (nicht gezeigt) bereit, welche an den Ausgang 708 angeschlossen ist.
-
Für den Fall,
dass das Reaktionsvolumen, das heißt der elektrolytische Analyt 701,
eines einzelnen elektrochemischen Systems (einer einzelnen Sensor-Anordnung)
nicht elektrisch isoliert ist, also ein Strom über zusätzliche, beispielsweise benachbarte
Elektroden abfließen
kann (siehe insbesondere 11,
aber auch 10) ist für einen
stabilen Betrieb der Sensor-Anordnung mittels Steuerns sowohl des
Stromes an den Arbeitselektroden als auch an den Gegenelektroden
sicherzustellen, dass in die jeweilige Gegenelektrode gleich viel
Strom hineinfliest wie der Arbeitselektrode entnommen wird. Dadurch kann
kein Strom über
andere Elektroden im Reaktionsvolumen abfließen. Dieses Steuern kann mittels einer
Schaltung in dem zugeordneten Betriebsschaltkreis erfolgen, die
zum einen die Spannungsdifferenz zwischen der Arbeitselektrode und
der Gegenelektrode auf einem bestimmten, vorgebbaren Wert einstellt
und simultan den an der Arbeitselektrode gemessenen Strom wieder
in die Gegenelektrode einspeist. Letzteres kann beispielsweise unter
Verwendung einer geeigneten Stromspiegel-Schaltung erfolgen. Da
derartige Stromspiegel-Schaltungen einen geringen Fehler aufweisen
können,
das heißt
einen von "minus
eins" geringfügig abweichenden
Kopierfaktor, ist ein solcher Fehlerstrom entweder schaltungsintern
zu eliminieren oder von einer zusätzlichen Massenelektrode aufzunehmen,
die im Reaktionsvolumen angeordnet ist (vergleiche 11). Häufig ist der Fehler einer Stromspiegel-Schaltung
aber auch vernachlässigbar
gering.
-
Eine
solche Schaltung bietet Vorteile bei hochintegrierten parallelbetriebenen
System aus Arbeits- und Gegenelektroden. Lokale Änderungen der Konzentrationsverhältnisse
führen
nicht zu Instabilitäten
des Systems. Jedes Subsystem der Matrix stellt selbständig die
Potentialdifferenz an den Elektroden ein und stellt sicher, dass
beide Elektrodenströme dem
Betrage nach im Wesentlichen gleich sind. Somit ist auch das Potential
der Elektroden gegenüber dem
Elektrolyten frei, und es stellt sich automatisch so ein, dass lokale
Konzentrationsänderungen
ausgeglichen werden.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 12 eine
Sensor-Anordnung 1200 gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Die
Sensor-Anordnung 1200 ähnelt
der in 8 gezeigten Sensor-Anordnung 800.
In 12 ist gezeigt, dass
die Arbeitselektrode 1201 mit Fängermolekülen 1202 bedeckt ist,
die auf der Arbeitselektrode 1201 immobilisiert sind. Auf
einer Gegenelektrode 1203 ist gemäß 12 eine Ladungsreservoir-Schicht 1204 zum
bedarfsweisen Bereitstellen elektrischer Ladungsträger vorgesehen.
Insofern kann man davon sprechen, dass sowohl die Arbeitselektrode 1201 unter
Verwendung der Fängermoleküle 1202 geeignet
funktionalisiert ist, und das zusätzlich auch die Gegenelektrode 1203 mittels
der Ladungsreservoir-Schicht 1204 funktionalisiert ist. Die
Ladungsreservoir-Schicht 1204 kann beispielsweise unter
Verwendung einer Polymermatrix realisiert werden, so dass nahe der
Oberfläche
der Gegenelektrode 1203 ein reduzierbarer bzw. oxidierbarer
Stoff vorgesehen sein kann, abhängig
davon, ob an der Arbeitselektrode Oxidationen oder Reduktionen stattfinden.
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Die
Sensor-Anordnung 1200 ist besonders vorteilhaft, wenn ein
Analysesystem nicht nur quasistatisch betrieben werden soll, sondern
wenn dynamische Messungen durchgeführt werden sollen (z.B. Messungen,
bei denen Spannungssprünge
auftreten oder Wechselspannungs-Voltammetrie). Handelt es sich um
ein System, bei dem zu erfassende Partikel (z.B. DNA-Halbstränge) mit
auf der Oberfläche
der Arbeitselektrode 1201 immobilisierten Fängermolekülen 1202 hybridisieren
(z.B. bei einem DNA-Sensor mit elektrochemischen Markierungen),
so kann bei einem Match in kürzester
Zeit eine vergleichsweise große
Ladungsmenge an der Arbeitselektrode 1201 anfallen. Daher
ist bei der Sensor-Anordnung 1200 auch auf der Gegenelektrode 1203 eine
ausreichend große
Menge umsetzbarer Stoffe als Ladungsreservoir-Schicht 1204 immobilisiert.
Wäre dies
nicht der Fall, müsste
der umzusetzende Stoff erst aus der Lösung zur Gegenelektrode 1203 diffundieren,
was die Zeitkonstante des Systems beträchtlich vergrößern würde und
nicht in allen Fällen
eine exakte Kontrolle der Elektrodenpotentiale zulassen würde.
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In
dynamischen Systemen ist es zudem vorteilhaft, dass sich die Flächen der
Arbeitselektrode 1201 und der Gegenelektrode 1203 nicht
wesentlich unterscheiden. Die Doppelschichtkapazität einer Elektrode
nimmt näherungsweise
linear mit der Fläche
der Elektrode zu. Ist die Fläche
der Gegenelektrode wesentlich größer als
die der Arbeitselektrode, so ist die Kopplung der Gegenelektrode
an den elektrolytischen Analyten 701 wesentlich besser
als die der Arbeitselektrode. In diesem Fall wird bei Spannungsänderungen
die elektrische Ladung hauptsächlich
in der Doppelschichtkapazität
gespeichert, und es kommt nicht in ausreichendem Maße zu den erforderlichen
Umsetzungen an der Gegenelektrode, die zur Stabilisierung der Elektrodenpotentiale
notwendig sind. Bei einem Spannungssprung würde dies zu einer unerwünschten
Verschiebung des Elektrolyt-Potentials und somit zu unkontrollierten
Umsetzungen an der Arbeitselektrode führen. Aus den gleichen Gründen ist
auch eine im Vergleich zur Gegenelektrode zu große Arbeitselektrode nachteilig
für die Stabilität des Systems.
Werden Elektrodenflächen dennoch
stark unterschiedlich gewählt,
so ist dies bei der Wahl der Sprungspannungen zu berücksichtigen. Die
Form der Elektroden ist grundsätzlich
frei wählbar,
jedoch sollten Arbeitselektrode und Gegenelektrode in möglichst
kleinem Abstand voneinander angeordnet sein. Sofern es der Herstellungsprozess des
Sensors erlaubt, können
Interdigitalelektroden verwendet werden. In diesem Fall ist sichergestellt, dass
beide Elektroden der gleichen chemischen Umgebung ausgesetzt sind
und somit ihr elektrochemisches Potential gegenüber dem Elektrolyten näherungsweise
gleich ist.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 13 eine
Sensor-Anordnung
gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Die
Sensor-Anordnung 1300 weist eine Interdigitalelektroden-Anordnung aus einer
Generatorelektrode 1301 und einer Kollektorelektrode 1302 auf, die
fingerförmig
miteinander verzahnt sind. Ein elektrochemisches System 1310 weist
abgesehen von den Elektroden 1301, 1302 eine Gegenelektrode 1303 auf,
die wie die Elektroden 1301, 1302 in einen elektrolytischen
Analyten eintaucht. Die Gegenelektrode 1303 ist mit einem
Ausgang 1304c eines ersten Operationsverstärkers 1304 gekoppelt.
Ferner ist die Generatorelektrode 1301 mit einem ersten
Source-/Drain-Anschluss
eines ersten n-MOS-Feldeffekttransistor 1313 gekoppelt
und ist mit einem nichtinvertierenden Eingang 1305a eines
zweiten Operationsverstärkers 1305 gekoppelt.
Ein invertierender Eingang 1305b des zweiten Operationsverstärkers 1305 ist
auf das elektrische Potential AGND+V_ox gebracht. Die Kollektorelektrode 1302 ist
mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss eines zweiten p-MOS-Feldeffekttransistors 1316 gekoppelt
und ist mit dem nichtinvertierenden Eingang 1306a eines dritten
Operationsverstärkers 1306 gekoppelt.
Der invertierende Eingang 1306b des dritten Operationsverstärkers 1306 ist
auf das elektrische Potential AGND+V red gebracht. Der Ausgang 1305c des zweiten
Operationsverstärkers 1305 ist
mit dem Gate-Anschluss des ersten n-MOS-Feldeffekttransistor 1313 gekoppelt.
Ferner ist der Ausgang 1306c des dritten Operationsverstärkers 1306 mit
dem Gate-Anschluss des zweiten n-MOS-Feldeffekttransistor 1316 gekoppelt.
Der zweite Source-/Drain-Anschluss des ersten n-MOS-Feldeffekttransistor 1313 ist
mit einem Gate-Anschluss und mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss
eines ersten n-MOS-Feldeffekttransistor 1314 gekoppelt,
dessen zweiter Source-/Drain-Anschluss auf das Versorgungsspannungs-Potential 1307 gebracht
ist. Ferner ist der Gate-Anschluss des ersten n-MOS-Feldeffekttransistor 1314 mit
den Gate-Anschlüssen eines
dritten n-MOS-Feldeffekttransistor 1318 und eines vierten n-MOS-Feldeffekttransistor 1320 gekoppelt.
Erste Source-/Drain-Anschlüsse
der dritten und vierten n-MOS-Feldeffekttransistoren 1318, 1320 sind
auf dem Versorgungsspannungs-Potential 1307. Ferner ist
der zweite Source-/Drain-Anschluss des vierten n-MOS-Feldeffekttransistor 1320 mit
einem ersten Signalausgang 1308 zum Bereitstellen eines
Sensorsignals gekoppelt, das charakteristisch für Sensorsignale an der Generatorelektrode 1301 ist.
Ferner ist der zweite Source-/Drain-Anschluss des dritten n-MOS-Feldeffekttransistor 1318 mit
einem ersten Anschluss eines ersten ohmschen Widerstandes 1311 gekoppelt,
dessen zweiter Anschluss mit einem ersten Anschluss eines zweiten
ohmschen Widerstandes 1312 gekoppelt ist. Der zweite Anschluss des
zweiten ohmschen Widerstandes 1312 ist mit einem ersten
Source-/Drain-Anschluss eines dritten n-MOS-Feldeffekttransistor 1377 gekoppelt,
dessen zweiter Source-/Drain-Anschluss auf das elektrische Massepotential 705 gebracht
ist. Ferner ist der Gate-Anschluss des dritten n-MOS-Feldeffekttransistors 1317 mit
einem Gate-Anschluss und mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss
des zweiten n-MOS-Feldeffekttransistor 1315 gekoppelt,
dessen zweiter Source-/Drain-Anschluss auf das elektrische Massepotential 705 gebracht
ist. Der Gate-Anschluss des dritten n-M0S-Feldeffekttransistor 1317 ist
ferner mit einem Gate-Anschluss eines vierten n-MOS-Feldeffekttransistor 1319 gekoppelt.
Ferner ist der erste Source-/Drain-Anschluss des vierten n-MOS-Feldeffekttransistor 1319 mit
einem zweiten Signalausgang 1309 gekoppelt, an welchem
ein elektrisches Sensorsignal bereitgestellt ist, welches für Sensorsignale
an der Kollektorelektrode 1302 charakteristisch ist. Der
zweite Source-/Drain-Anschluss des vierten n-MOS-Feldeffekttransistor 1319 ist
auf das elektrische Massepotential 705 gebracht. Zwischen
den beiden ohmschen Widerständen 1311, 1312 ist
ein elektrischer Knotenpunkt angeordnet, der auf einem Potential
Vref ist. Dieser ist mit dem invertierenden Eingang 1304b des
ersten Operationsverstärkers
gekoppelt.
-
Anschaulich
wird bei der Schaltung der Sensor-Anordnung 1300 das korrekte
Referenzpotential aus einem Vergleich der elektrischen Ströme an den beiden
Arbeitselektroden, das heißt
an der Generatorelektrode 1301 und an der Kollektorelektrode 1302,
abgeleitet. Die Mess- und Regelschaltung für die Generator- und Kollektorelektroden 1301, 1302 ist ähnlich wie
in der in 4 gezeigten
Schaltung gemäß dem Stand
der Technik. Die an der Generatorelektrode 1301 und an
der Kollektorelektrode 1302 fließenden Ströme werden in einem Pfad unter
Verwendung des dritten n-MOS-Feldeffekttransistor 1318,
des ersten ohmschen Widerstandes 1311 sowie des zweiten
ohmschen Widerstandes 1312 und des dritten n-MOS-Feldeffekttransistor 1317 voneinander
subtrahiert und die Differenz an dem Knoten Vref bereitgestellt.
Ist beispielsweise in einem ersten Betriebszustand der Strom an
der Generatorelektrode 1301 betragsmäßig größer als an der Kollektorelektrode 1302,
so wird die Spannung an Knotenpunkt Vref über den dritten n-MOS-Feldeffekttransistor 1318 und
den ersten ohmschen Widerstand 1311 steigen. Dies führt zu einer
Absenkung des elektrischen Potentials an der Gegenelektrode 1303.
Dies wiederum verringert den Generatorstrom. Im Gleichgewicht wird
Vref auf die Spannung AGND nachgeregelt, wie sie an dem nichtinvertierenden
Eingang 1304a des ersten Operationsverstärkers 1304 bereitgestellt
ist. Ist dagegen beispielsweise in einem zweiten Betriebszustand
der Strom an der Generatorelektrode 1301 betragsmäßig kleiner
als an der Kollektorelektrode, so wird das Potential an der Gegenelektrode 1303 erhöht. Dies
wiederum erhöht
den Generatorstrom.
-
Bei
der Sensor-Anordnung 1300 ist eine Referenzelektrode, wie
gemäß dem Stand
der Technik erforderlich, entbehrlich. Die gemessenen Ströme als Sensorsignale
sind an den ersten und zweiten Signalausgängen 1308, 1309 bereitgestellt.
Es ist anzumerken, dass die Ströme
aus dem Signal an der Generatorelektrode 1301 bzw. an der
Kollektorelektrode 1302 zu zwei separaten Sensorsignalen
an den ersten und zweiten Signalausgängen 1308, 1309 führen, welche
allerdings dieselbe Sensorinformation beinhalten. Insofern steht
die Information bei der Sensor-Anordnung 1300 redundant
zur Verfügung und
kann beispielsweise gemittelt werden, wodurch die Sensitivität der Sensor-Anordnung
weiter erhöht wird.
-
Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 14 eine
Sensor-Anordnung 1400 gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
-
Bei
der Sensor-Anordnung 1400 ist im Unterschied zu der Sensor-Anordnung 1300 auch
eine Gegenelektrode 1303 entbehrlich. Daher ist bei der
Sensor-Anordnung 1400 das elektrochemische System 1310 aus
der Generatorelektrode 1301, der Kollektorelektrode 1302 und
dem elektrolytischen Analyten gebildet, in welchem die Elektroden 1301, 1302 eingetaucht
sind. Da bei der Sensor-Anordnung 1400 eine Gegenelektrode
nicht vorgesehen ist, entfallen auch die Operationsverstärker 1304 zum
Ansteuern der Gegenelektrode 1303 sowie der Pfad aus 13, in welchem die ohmschen
Widerstände 1311, 1312 enthalten
sind. Ferner ist lediglich ein einziger Signalausgang 1401 vorgesehen,
anstelle der zwei Signalausgänge 1308, 1309 aus 13.
-
Anschaulich
stellt sich das Potential des elektrolytischen Analyten aufgrund
der betragsmäßig im Wesentlichen
gleichen Ströme
an der Generatorelektrode 1301 und an der Kollektorelektrode 1302 automatisch
ein. In 14 ist die Potentiostatenfunktion
komplett in das Sensorfeld integriert. Bei der Sensor-Anordnung 1400 ist
der Zweig zum Erfassen des Stromes in der Generatorelektrode 1301 gegenüber 13 im Wesentlichen unverändert. Der
dort gemessene Strom wird über
den dritten n-MOS-Feldeffekttransistor 1318, den dritten
n-MOS-Feldeffekttransistor 1317 und
den zweiten n-MOS-Feldeffekttransistor 1315 in
den Zweig der Kollektorelektrode 1302 eingespiegelt. Anschaulich
dienen die genannten Komponenten somit als Stromspiegel-Schaltkreis.
Ferner ist anzumerken, dass bei dem dritten n-MOS-Feldeffekttransistor 1317 der
Gate-Anschluss und der nicht auf Massepotential 705 befindliche
Source-/Drain-Bereich miteinander gekoppelt sind.
-
Der
Strom durch die Kollektorelektrode 1302 wird durch die
beschriebenen Maßnahmen
begrenzt und kann den Strom durch die Generatorelektrode dem Betrage
nach nicht übersteigen.
-
Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 15 eine
Sensor-Anordnung 1500 gemäß einem
siebten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
-
Die
Sensor-Anordnung 1500 unterscheidet sich von der Sensor-Anordnung 1400 im
Wesentlichen dadurch, dass die aus dem dritten Operationsverstärker 1306 gebildete
Regelschaltung für
die Spannungsregelung an der Kollektorelektrode 1302 durch
einen Sourcefolger ersetzt ist, der aus dem in der in 15 gezeigten Weise verschalteten
zweiten n-MOS-Feldeffekttransistor 1316 gebildet
ist. Die Kollektorelektrode 1302 ist mit einem Source-/Drain-Anschluss
des zweiten n-MOS-Feldeffekttransistor 1316 gekoppelt und
ist ferner mit dem invertierenden Eingang 1305b des zweiten
Operationsverstärkers 1305 gekoppelt.
An den Gate-Anschluss des als Sourcefolger verschalteten zweiten n-MOS-Feldeffekttransistors 1316 ist
ein vorgebbares Konstantpotential AGND angelegt. Die Spannungsdifferenz
zwischen den beiden Elektroden 1301, 1302 wird über den
zweiten Operationsverstärker 1305 eingestellt.
Der Vorteil bei der Sensor-Anordnung 1500 ist abgesehen
von der schaltungstechnischen Vereinfachung auch die Tatsache, dass
lediglich ein Regelverstärker
(Einsparung des Operationsverstärkers 1306)
vorhanden ist und somit die Stabilität der Schaltung in der Regelschaltung
leicht zu gewährleisten
ist.
-
Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 16 eine
Sensor-Anordnung 1600 gemäß einem
achten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
-
Die
Sensor-Anordnung 1600 entspricht im Wesentlichen der Sensor-Anordnung 1500 und
stellt ein modifiziertes Ausführungsbeispiel
dar, bei dem wiederum nur ein einziger Operationsverstärker 1305 erforderlich
ist, ohne dass Sourcefolger 1316 erforderlich ist.
-
In
diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
- [1]
Hofmann, F et al. "Passive
DNA Sensor with Gold Electrodes Fabricated in a CMOS Backend Process" Proc. ESSDERC 2002,
Digist of Tech. Papers, Seiten 487 bis 490
- [2] Thewes, R et al. "Sensor
Arrays for Fully Electronic DNA Detection on CMOS", ISSCC, Digist of
Tech. Papers, 2002, Seiten 350 bis 351
- [3] Hintsche. R et al. "Microelectrode
arrays and application to biosensing devices", Biosensors & Bioelectronics, Vol. 9, Seiten 697
bis 705, 1994
- [4] Hintsche. R et al. "Microbiosensors
Using Electrodes Made in Si-Technology", Frontiers in Biosensorics, Fundamental
Aspects, F. W. Scheller et al. (eds.), Dirk Hauser Verlag, Basel,
Seiten 267 bis 283, 1997
-
- 100
- Redox-Cycling-Sensor-Anordnung
- 101
- erste
Gold-Elektrode
- 102
- zweite
Gold-Elektrode
- 103
- Substrat
- 104
- DNA-Fängermoleküle
- 105
- Analyt
- 106
- erste
DNA-Halbstränge
- 107
- zweite
DNA-Halbstränge
- 108
- Markierung
- 109
- Zusatzmoleküle
- 110
- reduzierte
Moleküle
- 111
- oxidierte
Moleküle
- 200
- Diagramm
- 201
- Abszisse
- 202
- Ordinate
- 300
- Interdigitalelektroden-Anordnung
- 301
- Generatorelektrode
- 302
- Kollektorelektrode
- 303
- Referenzelektrode
- 304
- Gegenelektrode
- 305
- Substrat
- 306
- Komparator
- 307
- erstes
Amperemeter
- 308
- zweites
Amperemeter
- 400
- Sensor-Anordnung
- 401
- elektrochemisches
System
- 402
- erster
Operationsverstärker
- 403
- zweiter
Operationsverstärker
- 404
- dritter
Operationsverstärker
- 405
- erster
p-MOS-Feldeffekttransistor
- 406
- erster
n-MOS-Feldeffekttransistor
- 407
- zweiter
p-MOS-Feldeffekttransistor
- 408
- zweiter
n-MOS-Feldeffekttransistor
- 409
- dritter
p-MOS-Feldeffekttransistor
- 410
- dritter
n-MOS-Feldeffekttransistor
- 411
- erster
Sensorstrom-Ausgang
- 412
- zweiter
Sensorstrom-Ausgang
- 500
- Diagramm
- 501
- Abszisse
- 502
- Ordinate
- 503
- Elektrodenstrombetrag-Elektrodenspannungs-Verlauf
- 504
- Ruhepunkt
- 505
- Bereich
erwünschter
Umsetzungen
- 506
- Bereich
unerwünschter
Umsetzungen
- 600
- Diagramm
- 601
- Abszisse
- 602
- Ordinate
- 603
- Elektrodenstrombetrag-Elektrodenspannungs-Verlauf
- 604
- Ruhepunkt
- 605
- Bereich
erster erwünschter
Umsetzungen
- 606
- Bereich
zweiter erwünschter
Umsetzungen
- 607
- Bereich
unerwünschter
Umsetzungen
- 700
- Sensor-Anordnung
- 701
- elektrolytischer
Analyt
- 702
- Arbeitselektrode
- 703
- Gegenelektrode
- 704
- Betriebsschaltkreis
- 705
- Massepotential
- 706
- Elektrodenpotential-Einrichtung
- 707
- Eingang
- 708
- Ausgang
- 709
- Isolations-Einrichtung
- 800
- Sensor-Anordnung
- 801
- zusätzlicher
Eingang
- 900
- Sensor-Anordnung
- 901
- Masseelektrode
- 1000
- Sensor-Array
- 1001
- erste
Arbeitselektrode
- 1002
- n-te
Arbeitselektrode
- 1003
- gemeinsame
Gegenelektrode
- 1004
- erster
Betriebsschaltkreis
- 1005
- n-ter
Betriebsschaltkreis
- 1100
- Sensor-Array
- 1101
- gemeinsame
Masseelektrode
- 1102
- erste
Gegenelektrode
- 1103
- n-te
Gegenelektrode
- 1200
- Sensor-Anordnung
- 1201
- Arbeitselektrode
- 1202
- Fängermoleküle
- 1203
- Gegenelektrode
- 1204
- Ladungsreservoir-Schicht
- 1300
- Sensor-Anordnung
- 1301
- Generatorelektrode
- 1302
- Kollektorelektrode
- 1303
- Gegenelektrode
- 1304
- erster
Operationsverstärker
- 1304a
- nichtinvertierter
Eingang
- 1304b
- invertierter
Eingang
- 1304c
- Ausgang
- 1305
- zweiter
Operationsverstärker
- 1305a
- nichtinvertierter
Eingang
- 1305b
- invertierter
Eingang
- 1305c
- Ausgang
- 1306
- dritter
Operationsverstärker
- 1306a
- nichtinvertierter
Eingang
- 1306b
- invertierter
Eingang
- 1306c
- Ausgang
- 1307
- Versorgungsspannungs-Potential
- 1308
- erster
Signalausgang
- 1309
- zweiter
Signalausgang
- 1310
- elektrochemisches
System
- 1311
- erster
ohmscher Widerstand
- 1312
- zweiter
ohmscher Widerstand
- 1313
- erster
n-MOS-Feldeffekttransistor
- 1314
- erster
p-MOS-Feldeffekttransistor
- 1315
- zweiter
n-MOS-Feldeffekttransistor
- 1316
- zweiter
p-MOS-Feldeffekttransistor
- 1317
- dritter
n-MOS-Feldeffekttransistor
- 1318
- dritter
p-MOS-Feldeffekttransistor
- 1319
- vierter
n-MOS-Feldeffekttransistor
- 1320
- vierter
p-MOS-Feldeffekttransistor
- 1400
- Sensor-Anordnung
- 1401
- Signalausgang
- 1500
- Sensor-Anordnung
- 1600
- Sensor-Anordnung