DE112006000942T5

DE112006000942T5 - Impedanzmesssystem mit integrierten internen Messdriftkompensationsnetzwerken

Info

Publication number: DE112006000942T5
Application number: DE112006000942T
Authority: DE
Inventors: David Mentone Jones; Peter Gordon Leigh-Jones; Dirk Seaford Kupershoek
Original assignee: MDS Analytical Technologies Canada; MDS Analytical Technologies US Inc
Current assignee: MDS Analytical Technologies Canada; Molecular Devices LLC
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2008-07-31
Also published as: GB2435330A; CA2588448A1; US7459918B2; GB2435330B; US20070057680A1; WO2007030686A3; WO2007030686A2; GB0710086D0; AU2006287367A1; JP2009508112A

Abstract

Impedanzmesssystem zur Messung der komplexen Impedanz jeder Vertiefung einer Mikrotiterplatte, wobei die Mikrotiterplattenvertiefungen in einer Anordnung von Reihen und Spalten ausgebildet sind und wobei die Mikrotiterplatte eine Oberseite und eine Unterseite hat und Sensoren in den unteren Vertiefungsenden und Kontaktfelder an der Unterseite der Mikrotiterplatte aufweist, wobei das Impedanzmesssystem aufweist:
(1) mindestens eine Tochterplatine, die eine Mess- und eine Multiplexschaltung aufweist,
wobei jede Tochterplatine einer bestimmten Reihe von Vertiefungen auf der Mikrotiterplatte zugeordnet ist,
wobei die mindestens eine Tochterplatine in einer Ebene senkrecht zu der Ebene der Mikrotiterplatte liegt,
(2) mindestens eine Platine mit oberem Kontakt,
wobei jede Platinenanordnung mit oberem Kontakt eine Verbindungseinrichtung zwischen einem Sensor, der einer bestimmten Vertiefung in einer bestimmten Reihe zugeordnet ist, und der Tochterplatine bereitstellt, die der Reihe zugeordnet ist,
wobei die mindestens eine Platine mit oberem Kontakt in einer Ebene, die parallel zu der Ebene der Mikrotiterplatte...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Technologie ist dadurch neu, dass sie ein Impedanzmesssystem mit massivem Parallelismus, hohem zeitlichen Sampling bzw. hoher zeitlicher Abtastung und einer Einrichtung zur Verbindung mehrerer Mikrotiterplattensensoren mit Impedanzmesskanälen bereitstellt. Die Technologie enthält auch ein Verfahren zur internen Kompensation einer Impedanzmessungsdrift bzw. -messwertwanderung aufgrund von Temperaturänderungen oder Komponentenalterung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Technologie stellt ein Impedanzmesssystem (ZMS) zur Messung der komplexen Impedanz von jeder Vertiefung einer Mikrotiterplatte mit einer einzelnen Vertiefung oder mehreren Vertiefungen bereit. Das ZMS verwendet eine neue Kombination von parallelen Impedanzmesskanälen und dem Multiplexen von Impedanzmesskanälen zur Verbindung mehrerer Mikrotiterplattensensoren und Referenzimpedanznetzwerke mit den Kanälen, was eine interne Korrektur der Impedanzmessungsdrift, eine maximierte Messgenauigkeit und minimierte Systemgröße ermöglicht. Das System ist unabhängig, thermisch geregelt bzw. gesteuert, stellt Vertiefungsanregung und -messung bereit und ermöglicht, dass die Messdaten gespeichert oder an einen externen Hostcomputer übertragen werden. Das System kann für Impedanzmessungen verschiedener Zeitdauern, einzelner oder mehrerer Frequenzen und verschiedener Messraten verwendet werden. Darüber hinaus verwendet das ZMS Parallelismus, um den erforderlichen Durchsatz bei der erforderlichen Wiederholbarkeit zu erreichen, und enthält neue Kalibrierungsverfahren, Selbstüberprüfungsverfahren und Verfahren zur Kompensation im Betrieb sowie eine interne Temperaturregelung bzw. -steuerung, um eine erhöhte Messgenauigkeit und Stabilität gegenüber thermischer Drift zu gewährleisten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1. Allgemeine ZMS-Struktur
Darstellung einer Ausführungsform der Gesamtstruktur des Impedanzmesssystems (ZMS).
2. Digitale Haupt- bzw. Grundplatinenschaltung
Darstellung einer Ausführungsform einer Haupt- bzw. Grundplatine (mother board) für das Impedanzmesssystem (ZMS).
3. Digitale Tochterplatinenschaltung
Darstellung einer Ausführungsform einer Tochterplatine (daughter board) für das Impedanzmesssystem (ZMS).
4. Thermisches Regel- bzw. Steuerschema
Darstellung einer Ausführungsform des thermischen Regel- bzw. Steuerschemas für das Impedanzmesssystem (ZMS).
BESCHREIBUNG DER SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Strukturelle Komponenten
In einer Ausführungsform des Impedanzmesssystems wird jede Reihe von Sensoren auf einer Mikrotiterplatte durch Messschaltungen (in der Form von analogen Signalkonditionierungsschaltungen, Multiplexschaltungen, Analog-Digital-Wandlern und digitalen Signalprozessoren) auf einer einzigen Tochterplatine adressiert. Die Verbindung jedes Sensors von einer bestimmten Vertiefung in einer bestimmen Reihe der Mikrotiterplatte mit der zugehörigen Tochterplatine wird durch eine Platinenanordnung mit oberem Kontakt (top contact printed circuit board assembly, PCBA) hergestellt, die alle Sensorsignale leitet. Jede Tochterplatine hat eine Multiplexschaltung, die es ermöglicht, dass ein oder mehrere Messkanäle die Sensoren für jede Vertiefung in der Reihe adressieren.
In einer Ausführungsform ist die PCBA eine Kontakt-Platinenanordnung, die durch die Abscheidung leitfähiger Farben oder Epoxide zur Ausbildung leitfähiger Bahnen unmittelbar auf dem isolierenden Substrat der PCBA erzeugt wurde. Leitfähige Farben, die Silber-, Gold-, Platin- und/oder Kohlenstoffteilchen enthalten (wie etwa diejenigen von Unternehmen wie etwa Dupont und Acheson), sind typisch für diejenigen, die für diesen Zweck verwendet werden. Andere Platinenausführungsformen setzen PCBAs ein, die durch Photogravurtechnik (die eine Photomaske und chemisches Ätzen verwendet, um den Isolator von dem Substrat zu entfernen) oder PCB-Fräsen erzeugt werden (das ein mechanisches Frässystem verwendet, um den Isolator von dem Substrat wegzufräsen).
Innerhalb des Impedanzmesssystems liegt die PCBA mit oberem Kontakt in einer Ebene parallel zu und unmittelbar unter der Mikrotiterplatte, während die Tochterplatinen senkrecht zu der Ebene der Mikrotiterplatte sind. Eine horizontale Hauptplatine ist unterhalb der Tochterplatinen angeordnet.
Eine Zellenplattenkontaktanordnung stellt die elektrische Verbindung zwischen der PCBA mit oberem Kontakt und der Mikrotiterplatte über federbelastete Stifte (Pogo pins^TM) her, die sich an der Kontaktanordnung befinden und die mit Kontaktfeldern an der Unterseite der Mikrotiterzellenplatte und der oberen Oberfläche der PCBA in Verbindung stehen. Die Kontaktfel der sind mit einem leitfähigen Metall beschichtet, wie etwa Gold, Silber, Nickel, Zinn oder Kupfer.
Die Platine mit oberem Kontakt stellt die Verbindung zwischen den Tochterplatinen und den Mikrotiterplattensensoren bereit und dient als eine Fluidbarriere, die das ZMS-System vor Zellenplattenaustritten schützt. Die Platine mit oberem Kontakt ist ausreichend dick, um eine strukturelle Abstützung gegen die Kontaktkräfte bereitzustellen, die von den Federkontaktstiften der Zellenplattenkontaktanordnung erzeugt werden. In einer Ausführungsform ist die Dicke der PCBA in dem Bereich von 2 mm bis 5 mm. In einer anderen Ausführungsform ist die PCBA-Dicke in dem Bereich von 3 mm bis 4 mm. In noch einer anderen Ausführungsform beträgt die PCBA-Dicke um 3,2 mm. Darüber hinaus kann die PCBA eine Abschirmfunktion für elektromagnetische Kompatibilität (electromagnetic compatibility, EMC) und eine interne Erdungsebene (ground plane) enthalten.
Die PCBA mit oberem Kontakt enthält für jeden Sensor stromerfassende Widerstände. Die Funktion dieser Widerstände besteht darin, den durch jeden Sensor fließenden Strom in eine Spannung zur weiteren Signalverarbeitung umzusetzen. Dieses Signal wird als das Sensorstromsignal bezeichnet. Die Platine mit oberem Kontakt ist mit den Tochterplatinen über eine "Fünfdraht"-Schnittstelle oder Kelvin-Verbindungen gekoppelt, wobei die Kontakte die Sensorspannungs- und die -stromsignale leiten, um Messfehler zu verringern.
Die Tochterplatinen tragen die elektrischen Komponenten, um eine Reihe von Vertiefungen zu treiben bzw. anzusteuern und zu verarbeiten. Jeder Reihe der Mikrotiterplatte ist eine Tochterplatine zugeordnet. In einer Ausführungsform ist der obere Rand der Tochterplatinen mit einer Reihe von Vertiefungstreibern und einem vernetzten Satz von Mulitplex-Feldeffekttransistoren (oder FETs, eine Art von Transistor, die gewöhn lich zur Signalschaltung oder -verstärkung verwendet wird) zur Vertiefungsauswahl innerhalb einer Reihe ausgestattet. Die Anordnung der FETs an dem oberen Ende der Tochterplatine sorgt für kurze und gleichförmige Verbindungswege mit unwesentlicher Impedanz zu den Vertiefungselektroden über den oberen Kontakt und die Zellenplattenkontaktanordnung. Weiter an der Platine herunter kann ein programmierbarer Verstärker angeordnet sein, um eine einstellbare Verstärkung für den Strom-(I-)Kanal bereit zu stellen, was gewährleistet, dass die Analog-Digital-Wandlung nicht einem wesentlichen Bitverlust unterliegt. Ein Digital-Analog-Wandler kann verwendet werden, um für den Stromkanal eine Gleichstromverschiebungs- bzw. -offsetkorrektur bereit zu stellen, um zu gewährleisten, dass das Eingangssignal des Analog-Digital-Wandlers an dem Gleichtaktbereich (common mode range) zentriert ist. Darüber hinaus können die Tochterplatinen mit mehreren Analog-Digital-Wandlern (einschließlich eines für den Spannungskanal und eines für den Stromkanal), Digitalsteuerungsschaltungen (zum Beispiel Digitalsignalprozessoren, Speichervorrichtungen, feldprogrammierbare Toranordnungen (field programmable gate arrays) und/oder elektrisch programmierbaren logische Vorrichtungen (electrically programmable logic devices)) und Spannungsregulierungsschaltungen ausgerüstet sein. In einer Ausführungsform sind diese zusätzlichen Komponenten unter und seitlich von den analogen Abschnitten angeordnet. Die Impedanzdaten für eine Mikrotiterplattenreihe werden durch einen Digitalsignalprozessor verarbeitet, der jeder Reihe zugeordnet ist und sich auf den Tochterplatinen befindet.
Das ZMS kann auch Deflektorplatten (deflector boards) für thermische Gleichförmigkeit enthalten. Die Deflektorplatten gewährleisten, dass der Luftstrom und die lokale Erwärmungsumgebung für die äußeren ZMS-Tochterplatinen ähnlich zu denen für die inneren Platinen sind. In einer Ausführungsform sind den Deflektorplatten lokale Wärmequellen hinzugefügt, um bei der thermischen Regelung bzw. Steuerung zu helfen. In einer weiteren Ausführungsform befindet sich die Wärmequelle hinter den Deflektorplatten an einem separaten Deflektor. Die Deflektorplatten stellen auch eine physikalische Abstützung für den ZMS-Platinenstapel bereit. Die Deflektorplatten haben dieselbe Verbindungsanordnung wie die Tochterplatinen, aber haben zusätzliche Befestigungsklammern, die mit den Deflektorplatten und der Hauptplatine verschraubt sind (und zusätzlich mit der PCBA oder der Platine mit oberem Kontakt verschraubt sein können).
Die ZMS-Tochterplatinen passen an ihrem untersten Rand zu der Hauptplatine bzw. stehen an ihrem untersten Rand mit der Hauptplatine in Eingriff. Die Hauptplatine nimmt verschiedene elektrische Komponenten und Funktionen auf, einschließlich der digitalen Signalquelle, der Anregungs-Tiefpassfilterung, der überwachenden Verarbeitung, ROM/RAM, Hostdatenkommunikationen, und kann die Gehäusetemperatur regeln bzw. steuern. Die Hauptplatine verarbeitet die Impedanzmessdaten bei einer spezifischen Zeit und Frequenz von allen Vertiefungen der Mikrotiterplatte und überträgt die Ergebnisse zu der Systemsteuereinrichung.
Das elektrische Leistungsvermögen schreibt vor, dass die Tochterplatinenanordnung eng mit der Platine mit oberem Kontakt gekoppelt ist und dass die Schaltung so eng angeordnet wie möglich gehalten wird. Die Platine mit oberem Kontakt muss in einer präzisen physikalischen Beziehung zu der Kontaktanordnung gehalten werden und ist der Bezugspunkt für die Platinenanordnung. Die Platine mit oberem Kontakt und die obere Kontaktanordnung sind mit Hilfe von Anordnungsmerkmalen mit Positionierungsstäben an der oberen Platte ausgerichtet.
Die Platine mit oberem Kontakt wird außen durch eine obere Platte abgestützt. Zwischen der Platine und der Platte wird eine kombinierte Fluiddichtung und elektromagnetische Kompatibilitätsdichtung verwendet. In einer Ausführungsform hängt der vollständige Platinenstapel über die Deflektorplatten, die eine mechanische Verbindung zwischen der Platine mit oberem Kontakt und der Hauptplatine bereitstellen, von der PCBA-Platine herab, was die Notwendigkeit für irgendwelche mechanischen Träger von der Basis oder Seite der ZMS-Konstruktion beseitigt und die differentiellen thermischen Expansionsprobleme bei Verbindungen von Platine zu Platine beseitigt. Das Haupt-ZMS-Chassis wird durch ein "U"-förmiges gebogenes äußeres Gehäuse erzeugt, das die Wärmetauscherextrusionen zur thermischen Regelung bzw. Steuerung umgibt und Leitwände bereitstellt, die sowohl die interne als auch die externe Luftströmung steuern. Die obere Platte, die vordere Abdeckung und die hintere Abdeckung sind in einer Ausführungsform aus Stahlblech hergestellt. In weiteren Ausführungsformen können diese Strukturen aus jeder Kombination von Gehäuse, gefrästem Stahlblech, Aluminium oder Edelstahl hergestellt sein.
Diese physikalische Anordnung und elektrische Konfiguration maximiert die Genauigkeit der Impedanzmessungen durch Minimieren der elektrischen Weglänge und Streuimpedanzen, die mit dem Verbinden des Mikrotiterplattensensors mit der Messschaltung in Zusammenhang stehen. Die minimierte Weglänge optimiert auch Phasen- und Verstärkungsverfolgung (phase and gain tracking) und maximiert die Immunität gegenüber Störungen.
Die physikalische Konfiguration minimiert die Anzahl erforderlicher mechanischer Abstützungen und beseitigt Schlüsselprobleme der thermischen Ausdehnung, die mit anderen Ausgestaltungen verbunden sind. Die Konfiguration minimiert die Größe des Impedanzmesssystems und erlaubt dadurch eine effizientere interne Packung und thermische Stabilisierung der elektronischen Komponenten (aufgrund verringerter Konvektion). Die mi nimierte Weglänge optimiert auch Phasen- und Verstärkungsverfolgung und maximiert die Immunität gegenüber Störungen.
In einer weiteren Ausführungsform wird jede Spalte von Sensoren statt jeder Reihe von Sensoren auf einer Mikrotiterplatte durch eine Messschaltung auf einer einzigen Tochterplatine adressiert, wobei die Systemanordnung der Platinen dieselbe bleibt.
Funktionelle Elemente
Für jeden Impedanzwert in der Domäne (gekennzeichnet durch Vertiefungsnummer, Frequenz und Zeit) wird jede Vertiefung mit einer sinusförmig variierenden Spannungswelle angeregt, und die resultierende Spannung über und der resultierende Strom durch die Vertiefung werden gemessen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt werden alle Vertiefungen auf der Platte durch Sinuswellen derselben Frequenz und Phase angeregt, um Vertiefungswechselwirkung und das Risiko von Intermodulation (die "Multiplikation" oder Verstärkung einer Frequenz in einem nichtlinearen Element eines Systems durch andere Frequenzen, die durch das System übertragen werden) zu minimieren.
Signalquelle für digital erzeugte "Sinuswellen"
Das Sinuswellen-Anregungssignal wird durch einen direkten digitalen Hochgeschwindigkeitssynthesizer bzw. -synthetisierer erzeugt, der auf der Hauptplatine angeordnet ist. In einer Ausführungsform läuft der Synthesizer mit einer Taktfrequenz von 256 MHz. Andere Frequenzen enthalten jede Frequenz von 50 MHz bis 400 MHz mit geeigneter Filterung und einer kompatiblen Synthesizervorrichtung. Bei hohen Frequenzen wird die Anzahl von Punkten pro Periode verringert, wobei die Anzahl von Punk ten durch das Verhältnis von Haupttakt- und Antriebs- bzw. Steuerfrequenzen bestimmt wird. Höhere Taktfrequenzen sind wünschenswert.
Sinus-Tiefpassfilter
Die digital erzeugte Sinuswelle wird tiefpassgefiltert, um die Treppenstufe (die plötzlichen Anstiege in der Amplitude) zu verringern, die sich aus einer Zeitschrittbegrenzung bei hohen Frequenzen und jeder Amplitudenauflösungsbegrenzung bei niedrigen Frequenzen ergibt. Die Tiefpassfilterung findet auf der Hauptplatine statt und wird mit drei Filtergruppen erreicht, von denen jede ein Drittel (auf einer logarithmischen Skala) des Frequenzbereichs abdeckt. Die Filterbankwahl zu einem gegebenen Zeitpunkt im Betrieb wird durch Verstärker mit Ausgangsdeaktivierungs-(hohe Impedanz, Z)Fähigkeit ausgewählt. In jeder Filtergruppe werden vier kaskadierte Stufen erster Ordnung verwendet. Dieser Ansatz ist gewählt worden, um maximale Stabilität und minimale Einschwingzeit bzw. Ansprechzeit bereitzustellen. Jede Filtergruppe hat weniger als 6 db Abfall im Ausgang an dem hohen Ende ihres Frequenzbereichs, aber liefert 40 db Dämpfung für die niedrigste Treppenstufenfrequenzkomponente in der digitalisierten Sinuswelle, wobei das Ergebnis eine sehr reine und agile Sinuswelle ist.
Vertiefungstreiber/Pufferanordnung
Das Ausgangssignal der Filtergruppe des direkten digitalen Synthesizers (direct digital synthesizer, DDS) wird durch eine Treiberanordnung gepuffert. Ein Haupt- bzw. Masterpuffer treibt einen Satz von Reihentreibern (einer pro Tochterplatine) bzw. steuert diese an. Die Reihentreiber treiben jeweils einen Satz individueller Vertiefungstreiber (sechszehn pro Tochterplatine) bzw. steuern diesen an. Jeder Vertiefungstreiber ist eine kurzschlusssichere, niederimpedante Spannungsquelle mit festem Ausgang. Dieser Ansatz isoliert jede Vertiefung und ermöglicht, dass das Trieb- bzw. Steuersignal eng mit der Vertiefung gekoppelt ist, wodurch die Phasenverschiebungen vermieden werden, die verursacht würden, wenn lange Treiberkabel verwendet worden wären. Der Treib- bzw. Ansteuerstrom ist auf einen quadratischen Mittelwert (root mean square, RMS) von 100 mA begrenzt. Die Treib- bzw. Ansteuerspannung hat eine obere Grenze von 2 Volt von Spitze zu Spitze. Der tatsächliche Vertiefungstrieb bzw. die tatsächliche Vertiefungsansteuerung wird in der Größenordnung von 100 mV von Spitze zu Spitze liegen, um Signalpegel zu maximieren, ohne eine signifikante Verzerrung einzuführen.
Anregung
Jede Vertiefung wird einer abgestuften Abtastung (einer Reihe von Einfrequenzsignalen bzw. -impulsen – ein Signal bzw. Impuls für jede gewählte Frequenz) unterzogen. Die Signale bzw. Impulse bestehen aus einer ganzzahligen Anzahl von Perioden. In einer Ausführungsform beträgt die Anzahl von Perioden typischerweise 15. Die Anzahl von Perioden für weitere Ausführungsformen ist so gewählt, dass sie ausreichend ist, dass Vertiefungs- und Verstärkungsmultiplexer-Schalttransienten (well and gain multiplexer switching transients) abklingen und um die notwendige Anzahl von Abtastpunkten zu erhalten. Auf Basis vorläufiger Modellbildung und Untersuchung sind nicht mehr als 68,2 ms pro Vertiefung für alle Frequenzen erforderlich, um ausreichende Werte zu erhalten. Für eine Ausführungsform, bei der eine Platte mit 96 Vertiefungen und 12 Vertiefungen pro Reihe plus vier Referenznetzwerkkanäle verwendet werden, deuten Berechnungen zur Bestimmung ausreichender Werte einen 1091 ms Messzeitraum an, was in dem Zielaktualisierungs zeitraum von 1,5 Sekunden 409 ms zur Multiplexerschaltung und zum Signaleinschwingen übrig lässt.
Programmierbare Stromverstärkungsstufe mit Verschiebungs- bzw. Offseteinstellung
Die programmierbare Stromverstärkungsstufe stellt eine Verstärkung in Vielfachen von Zwei von 1 bis 64 bereit. Die Verstärkungsbandbreite dieser Stufe ist an den Frequenzbereich angepasst. Die Verstärkungsauswahl erfolgt über einen Multiplexer in dem Rückführ- bzw. Rückkopplungsweg der kaskadierten Verstärkungsstufen in dem Stromweg. Der Verstärkungsmultiplexer ist in dem Spannungsweg repliziert, um die optimale Phasenverfolgung bzw. -regelung (phase tracking) zu bewahren. Restphasen- und -verstärkungsfehler (residual phase and gain errors) werden durch lineare Korrekturverfahren in dem digitalen Signalprozessor von den Abtastung-zu-Abtastung-Messungen der Referenz-Widerstands/Kapazitäts-Netzwerke verringert. Eine Verschiebungs- bzw. Offseteinstellung wird durch Einspeisen eines Stroms in den Stufensummierknoten erreicht. Dieser Strom wird durch einen Digital-Analog-Wandler unter Softwaresteuerung erzeugt, um zu gewährleisten, dass das an den Analog-Digital-Wandler ADC gelieferte Signal um die AC-Gleichtaktspannung (AC common mode voltage) zentriert ist. Die Bedeutung von Verschiebungs- bzw. Offseteinstellungsanforderungen ist durch den Einsatz eines höheren Stromerfassungs-"Nebenschluss"-Widerstandswertes (current sense "shunt" resistance value) verringert worden.
Die Verstärkungs/Phasen- und DC-Verschiebungs- bzw. -Offsetkompensation stellt eine "einstellungsfreie" Ausgestaltung bereit, die Variationen von Komponente zu Komponente sowie jegliche Drift in Komponenten korrigiert.
Hochgeschwindigkeitsbegrenzer
Während der Verstärkungsschaltung und Vertiefungsauswahl werden Transienten erzeugt, obwohl Nulldurchgangspannungspunkte (zero crossing voltage points) ausgewählt sind. Die Amplitude dieser Transienten wird durch Hochgeschwindigkeitsbegrenzungsverstärker begrenzt, um zu gewährleisten, dass die Analog-Digital-Wandler nicht außerhalb ihrer linearen Eingangsgrenzen gebracht werden.
Differentielle Analog-Digital-Wandler-Treiber
Ein Puffer/differentieller Treiber stellt komplementäre Signale bereit, die um die Analog-Digital-Wandler-Gleichtaktspannung zentriert sind.
Analog-Digital-Wandler
Für jeden der Strom- und Spannungskanäle wird ein Hochgeschwindigkeits-ADC hoher Auflösung verwendet. Die ADCs sind 14 Bit, 60 Mega-Werte pro Sekunde, um hohe Geschwindigkeit und Genauigkeit bereit zu stellen (insbesondere bei den niedrigeren Stromwerten, die unter manchen Umständen erwartet werden). Um die niedrigste Drift zu gewährleisten, arbeiten die ADCs mit konstant hoher Taktrate, wobei überschüssige Werte dann durch die feldprogrammierbare Toranordnung (field programmable gate array) FPGA oder die elektrisch programmierbare logische Vorrichtung (electrically programmable logic device) EPLD verworfen. Ein FPGA oder eine EPLD wird auf sowohl der Hauptplatine als auch den Tochterplatinen verwendet, um allgemeine Organisations- bzw. Verwaltungsaufgaben und auch spezielle Hoch geschwindigkeitsfunktionen zu erfüllen, die mit der Anregungsfrequenzerzeugung und Datenerfassung in Zusammenhang stehen.
Repräsentative digitale Schaltungen für die Hauptplatine und die Tochterplatine sind in 2 bzw. 3 gezeigt.
Der Strom durch und die Spannung über jede Vertiefung wird skaliert, in digitale Werte umgewandelt und über die Messkanäle zu entweder einer Speichervorrichtung oder einem zugehörigen Computer übertragen. Eine sorgfältige Anpassung von sowohl den Signalpegeln als auch der Topologie der Strom- und Spannungskanäle gewährleistet eine exzellente Phasenverfolgung bzw. -regelung, insbesondere bei hohen Frequenzen. Integrierte bzw. On-Board-Kalibrierungskanäle werden in Bezug genommen, um Restverstärkungs- und -phasenfehler zu minimieren.
Daten- und Steuerschnittstelle
Ein integrierter Instrumentensteuercomputer ist die externe Schnittstelle für Daten und zur Steuerung für das ZMS. Die Schnittstelle muss dazu in der Lage sein, einer erwarteten Datenrate von ungefähr 5000 Datenpunkten pro Sekunde Rechnung zu tragen. In einer Ausführungsform wird diese serielle Verbindung durch einen USB 1.1 bereit gestellt. Der USB würde auch eine mögliche Schnittstelle unmittelbar zwischen dem ZMS und einem externen Computer unterstützen. Alternative Schnittstellen umfassen Ethernet, USB, RS-485 oder Firewire.
Interne Kalibrierung
Das ZMS sieht Kalibrierung, Selbsttest bzw. -überprüfung, Kompensation während des Betriebs (in-run compensation) und Driftkompensation vor.
Kalibrierung der Einheit wird durch Messen von Präzisions-Kalibrierungswiderstandsnetzwerken (precision, calibration resistor networks) auf einer "Kalibrierungsplatte" und Korrigieren der internen Referenznetzwerke durchgeführt. Selbstüberprüfung wird durch Verwenden des ZMS über einen definierten Frequenzsatz auf den internen Referenznetzwerken und Vergleichen von Ergebnissen mit den gespeicherten Standard-Kalibrierungswerten durchgeführt. Für Selbstüberprüfungen führt das ZMS eine abgestufte Abtastung auf allen Referenz-RC-Netzwerken durch, ohne dass irgendwelche Kalibrierungsfaktoren angewendet werden. Die Ergebnisse werden mit einem Satz von Werten verglichen, der von dem Instrumentencomputer heruntergeladen wurde. Die gespeicherten Werte werden zur Zeit der Herstellung festgelegt. Die von der Abtastung zurückgegebenen Ergebnisse müssen innerhalb der durch die gespeicherten Werte gesetzten Grenzen liegen.
Die Autokompensation im Betrieb wird durch Aufnahme von RC-Netzwerken hoher Stabilität als Referenzkanäle, die als eine zusätzliche Vertiefung behandelt werden, und Anwenden einer von dem Referenzdatensatz abgeleiteten Kompensation auf den Vertiefungsdatensatz durchgeführt. Zur Kompensation im Betrieb sind drei Präzisions-RC-Netzwerke in dem System enthalten. In einer Ausführungsform sind drei Präzisions-RC-Netzwerke enthalten. Eine alternative Ausführungsform enthält vier Referenznetzwerke. Weitere Ausführungsformen können jede Anzahl größer als drei enthalten. Das Hauptreferenznetzwerk hat Werte, die eingestellt sind, um zu den groben Eigenschaften einer Vertiefung mit Zellen zu passen. Die anderen Netzwerke haben Werte, die eine Impedanzeigenschaft sowohl über als auch unter dem primären Netzwerk liefern, um eine Überprüfung und Kompensation in Bezug auf System-Nichtlinearität zu ermöglichen. Diese Netzwerke werden auch mit dem Selbstüberprüfungsmerkmal des ZMS verwendet.
Driftkompensation wird erreicht, indem an dem Beginn jedes Laufs eine abgestufte Abtastung auf den Kalibrierungsnetzwerken und den Vertiefungen durchgeführt wird, um die DC-Basisverschiebungs-, Verstärkungs- und Phasenkorrekturfaktoren zu bestimmen, die für jede Frequenz- und Stromverstärkungseinstellung erforderlich sind. Während des Abtastintervalls pro Reihe führt das ZMS eine abgestufte Abtastung auf den Referenz-RC-Netzwerken durch. Jegliche Änderungen von den Werten, die von den Werten am Beginn des Laufs erhalten wurden, werden verwendet, um eine Driftkompensation zu bestimmen, die auf die Vertiefungsergebnisse angewendet wird. Die Kompensationsfaktoren, die erforderlich sind, um die Kalibrierungsnetzwerke auf ihren Wert am Beginn des Durchlaufs zu bringen, werden auf die Vertiefungsergebnisse angewendet, was Temperatureffekte und andere mögliche Drifteffekte stark verringert, die Alterung und Variation von Komponente zu Komponente umfassen. Die Stabilität und Präzision über jeden Lauf wird hauptsächlich durch die Referenz-RC-Netzwerke bestimmt.
Thermische Regelung bzw. Steuerung
Zusätzlich zu der Temperaturkompensation, die durch die Selbstkalibrierung und Betriebs-Kalibrierungsnetzwerke bereitgestellt wird, erfordert das ZMS eine stabile geregelte bzw. gesteuerte thermische Umgebung. Um die gewünschte Rate an ZMS-Genauigkeit und -Wiederholbarkeit zu erreichen, ist eine Temperaturregelung bzw. -steuerung auf innerhalb von ±1,5°C erforderlich. In einer weiteren Ausführungsform muss die Temperaturregelung bzw. -steuerung innerhalb von ±1,0°C sein. In noch einer weiteren Ausführungsform muss die Temperaturregelung bzw. -steuerung innerhalb von ±0,5°C sein.
Das thermische ZMS-Regel- bzw. -Steuersystem enthält ein Zwangsbelüftungssystem hohen Durchflusses, um eine räumliche Temperaturgleichförmigkeitsfähigkeit bereit zu stellen, um durch ZMS-Heizung erzeugte Abwärme abzuführen, um eine optimale Betriebstemperatur-Temperaturüberwachung von grober Lufttemperatur und Gradienten einen Wärmetauscher, um den Aufbau von Verunreinigungen zu verhindern, die Oberflächenleck- bzw. -verlustströme verursachen.
Das thermische ZMS-Regel- bzw. -Steuersystem hält sehr große lineare Luftgeschwindigkeiten über die Tochterplatinen aufrecht, um Verstärkervorrichtungen auf vernünftigen Temperaturen zu halten, um Rauschen zu verringern und um die Betriebssicherheit der Komponenten zu verbessern. Das thermische Regel- bzw. -Steuersystem erreicht dies unter Verwendung eines zweiteiligen Schemas. Ein abgedichtetes inneres Luftvolumen um die ZMS-Leiterplatten rezirkuliert Luft mit hoher Geschwindigkeit zwischen Platinen und einer inneren Wärmetauscherfläche. Die erzeugte Wärme wird dann durch externe Lüfter bzw. Gebläse entfernt, die Luft mit Umgebungstemperatur über die äußere Wärmetauscherfläche blasen. Das Regel- bzw. Steuerschema verwendet eine grobe Regelung bzw. Steuerung der Geschwindigkeit des äußeren Lüfters bzw. Gebläses, um Änderungen in der Umgebungslufttemperatur als eine Steuerung (open loop control) zu kompensieren. Eine genaue innere Lufttemperatur wird durch Hinzufügen von Wärme mit einer Heizeinrichtung (oder Heizeinrichtungen) aufrecht erhalten, die an den Wärmetauschern oder einer anderen inneren Fläche befestigt ist (sind). Dies ist eine präzise lineare Regelung (closed loop linear control). Das Temperaturregel- bzw. -steuerelement für das ZMS kann sich entweder innerhalb des ZMS selbst oder außerhalb des Systems befinden.
Das thermische ZMS-Regel- bzw. -Steuersystem ist in 4 gezeigt.
SCHLUSSFOLGERUNG
Während das Obige eine vollständige Beschreibung möglicher Ausführungsformen der Vorrichtung ist, können verschiedene Alternativen, Modifikationen und Äquivalente verwendet werden. Die obige Beschreibung sollte lediglich als beispielhafte Ausführungsform der Vorrichtung betrachtet werden, deren Grenzen geeignet durch den Bereich und die Grenzen der folgenden Ansprüche definiert sind.
Zusammenfassung
Die vorliegende Technologie stellt ein Impedanzmesssystem (ZMS) zur Messung der komplexen Impedanz jeder Vertiefung einer Einzelvertiefungs- oder Mehrfachvertiefungs-Mikrotiterplatte bereit, das eine neue Kombination von parallelen Impedanzmesskanälen, Multiplexen und Referenzimpedanznetzwerken verwendet, was ein interne Korrektur von Impedanzmessdrift, maximierte Messgenauigkeit und minimierte Systemgröße ermöglicht.

Claims

Impedanzmesssystem zur Messung der komplexen Impedanz jeder Vertiefung einer Mikrotiterplatte, wobei die Mikrotiterplattenvertiefungen in einer Anordnung von Reihen und Spalten ausgebildet sind und wobei die Mikrotiterplatte eine Oberseite und eine Unterseite hat und Sensoren in den unteren Vertiefungsenden und Kontaktfelder an der Unterseite der Mikrotiterplatte aufweist, wobei das Impedanzmesssystem aufweist: (1) mindestens eine Tochterplatine, die eine Mess- und eine Multiplexschaltung aufweist, wobei jede Tochterplatine einer bestimmten Reihe von Vertiefungen auf der Mikrotiterplatte zugeordnet ist, wobei die mindestens eine Tochterplatine in einer Ebene senkrecht zu der Ebene der Mikrotiterplatte liegt, (2) mindestens eine Platine mit oberem Kontakt, wobei jede Platinenanordnung mit oberem Kontakt eine Verbindungseinrichtung zwischen einem Sensor, der einer bestimmten Vertiefung in einer bestimmten Reihe zugeordnet ist, und der Tochterplatine bereitstellt, die der Reihe zugeordnet ist, wobei die mindestens eine Platine mit oberem Kontakt in einer Ebene, die parallel zu der Ebene der Mikrotiterplatte ist, über der mindestens einen Tochterplatine und unter der Mikrotiterplatte liegt, (3) eine Hauptplatine, die eine Signalerzeugungs- und eine Signalverarbeitungsschaltung aufweist, wobei die Hauptplatine in einer Ebene, die parallel zu der Ebene der Mikrotiterplatte ist, und unter der mindestens einen Tochterplatine liegt, (4) eine Zellenplattenkontaktanordnung, die eine Einrichtung zur elektrischen Verbindung zwischen der mindestens einen Platinenanordnung und den Mikrotiterplatten-Kontaktfeldern bereitstellt, (5) eine Einrichtung zur thermischen Steuerung bzw. Regelung und (6) eine mindestens drei Widerstands-Kondensator-Netzwerke aufweisende Einrichtung zur Systemimpedanzdriftkompensation.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die Mikrotiterplatte 96 Vertiefungen hat, die in einer Anordnung von 8 Reihen und 12 Spalten angeordnet sind.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Platine mit oberem Kontakt eine Kontaktplatinenanordnung ist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Platine mit oberem Kontakt eine Dicke über 3 mm und von weniger als 4 mm aufweist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Platinenanordnung über einen Fünfleiter mit der mindestens einen Tochterplatine in Verbindung steht.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zur thermischen Steuerung bzw. Regelung Deflektorplatten und mindestens eine Wärmequelle aufweist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zur thermischen Steuerung bzw. Regelung die Systemtemperatur auf innerhalb von ±1,5°C steuern bzw. regeln kann.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zur thermischen Steuerung bzw. Regelung die System temperatur auf innerhalb von ±1,0°C steuern bzw. regeln kann.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zur Systemimpedanzdriftkompensation vier Widerstands-Kondensator-Netzwerke aufweist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 9, bei dem die drei Widerstands-Kondensator-Netzwerke ein Referenznetzwerk mit Impedanzwerten, die äquivalent zu einem Mikrotiterplattenvertiefungssensor mit Zellen sind, ein R-C-Netzwerk mit Impedanzeigenschaften über dem Referenznetzwerk und ein R-C-Netzwerk mit Impedanzeigenschaften unter dem Referenznetzwerk aufweisen.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 1, das zusätzlich eine externe Schnittstelleneinrichtung zum Datenzugriff und zur Systemsteuerung aufweist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 11, bei dem die externe Schnittstelleneinrichtung ein Instrumentensteuercomputer ist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 11, bei dem die externe Schnittstelleneinrichtung eine externe Speichervorrichtung ist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 11, bei dem die externe Schnittstelleneinrichtung mit dem Impedanzmesssystem über ein serielles USB-Kabel in Verbindung steht.
Impedanzmesssystem zur Messung der komplexen Impedanz jeder Vertiefung einer Mikrotiterplatte, wobei die Mikrotiterplattenvertiefungen in einer Anordnung von Reihen und Spalten ausgebildet sind und wobei die Mikrotiterplatte eine Oberseite und eine Unterseite hat und Kontaktfelder an der Unterseite der Mikrotiterplatte aufweist, wobei das Impedanzmesssystem aufweist: (1) mindestens eine Tochterplatine, die eine Mess- und eine Multiplexschaltung aufweist, wobei jede Tochterplatine einer bestimmten Reihe von Vertiefungen auf der Mikrotiterplatte zugeordnet ist, wobei die mindestens eine Tochterplatine in einer Ebene senkrecht zu der Ebene der Mikrotiterplatte liegt, (2) mindestens eine Platinenanordnung mit oberem Kontakt, wobei jede Platinenanordnung mit oberem Kontakt eine Verbindungseinrichtung zwischen einem Sensor, der einer bestimmten Vertiefung in einer bestimmten Spalte zugeordnet ist, und der Tochterplatine bereitstellt, die der Spalte zugeordnet ist, wobei die mindestens eine Platine mit oberem Kontakt in einer Ebene, die parallel zu der Ebene der Mikrotiterplatte ist, über der mindestens einen Tochterplatine und unter der Mikrotiterplatte liegt, (3) eine Hauptplatine, die eine Signalerzeugungs- und eine Signalverarbeitungsschaltung aufweist, wobei die Hauptplatine in einer Ebene, die parallel zu der Ebene der Mikrotiterplatte ist, und unter der mindestens einen Tochterplatine liegt, (4) eine Zellenplattenkontaktanordnung, die eine Einrichtung zur elektrischen Verbindung zwischen der mindestens einen Platinenanordnung und den Mikrotiterplatten-Kontaktfeldern bereitstellt, (5) eine Einrichtung zur thermischen Steuerung bzw. Regelung und (6) eine mindestens drei Widerstands-Kondensator-Netzwerke aufweisende Einrichtung zur Systemimpedanzdriftkompensation.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 15, bei dem die Mikrotiterplatte 96 Vertiefungen hat, die in einer Anordnung von 8 Reihen und 12 Spalten angeordnet sind.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 15, bei dem die mindestens eine Platine mit oberem Kontakt eine Kontaktplatinenanordnung ist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 15, bei dem die mindestens eine Platinenanordnung eine Dicke über 3 mm und von weniger als 4 mm aufweist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 15, bei dem die mindestens eine Platinenanordnung über einen Fünfleiter mit der mindestens einen Tochterplatine in Verbindung steht.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 15, bei dem die Einrichtung zur thermischen Steuerung bzw. Regelung Deflektorplatten und mindestens eine Wärmequelle aufweist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 15, bei dem die Einrichtung zur thermischen Steuerung bzw. Regelung die Systemtemperatur auf innerhalb von ±1,5°C steuern bzw. regeln kann.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 15, bei dem die Einrichtung zur thermischen Steuerung bzw. Regelung die Systemtemperatur auf innerhalb von ±1,0°C steuern bzw. regeln kann.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 15, bei dem die Einrichtung zur Systemimpedanzdriftkompensation drei Widerstands-Kondensator-Netzwerke aufweist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 23, bei dem die drei Widerstands-Kondensator-Netzwerke (1) ein Referenz-R-C-Netzwerk mit Impedanzwerten, die äquivalent zu einer Mikrotiterplattenvertiefung mit Zellen sind, (2) ein R-C-Netzwerk mit Impedanzeigenschaften über den Impedanzwerten des Referenz-R-C-Netzwerks und (3) ein R-C-Netzwerk mit Impedanzeigenschaften unter den Impedanzwerten des Referenz-R-C-Netzwerks aufweisen.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 15, das zusätzlich eine externe Schnittstelleneinrichtung zum Datenzugriff und zur Systemsteuerung aufweist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 25, bei dem die externe Schnittstelleneinrichtung ein Instrumentensteuercomputer ist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 25, bei dem die externe Schnittstelleneinrichtung eine externe Speichervorrichtung ist.
Impedanzmesssystem nach Anspruch 25, bei dem die externe Schnittstelleneinrichtung mit dem Impedanzmesssystem über ein serielles USB-Kabel in Verbindung steht.