DE19708166A1 - Sensoranordnung zum Nachweis von Substanzen in einem Probenanalyten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit mehre­ ren Sensoren zum Nachweis von Substanzen in einem Pro­ benanalyten, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2.

Als Stand der Technik ist es bekannt, für den Nachweis und die Konzentrationsbestimmung von biologischen und chemischen Substanzen in Flüssigkeiten oder gasförmigen Verbindungen Sensoren, insbesondere Halbleitersensoren, einzusetzen. Diese stellen als einzelne Komponente in der Regel einen Bestandteil eines elektronischen Meß- und Kontrollsystems dar. Abhängig vom Prinzip der Signalerkennung und Signalwandlung lassen sich diese Halbleitersensoren in unterschiedliche Transducerprin­ zipien klassifizieren.

Bei potentiometrischen Sensoren wird dabei die leistungslose, d. h. stromlose Messung durch das Sensor­ bauelement ausgenutzt. Solche Sensoren sind u. a. als ISE (Ionenselektive Elektrode), ISFET (Ionensensitiver Feldeffekttransistor), ChemFET (Chemisch sensitiver Feldeffekttransistor), BioFET (Biologisch sensitiver Feldeffekttransistor), ENFET (Enzym-Feldeffekt­ transistor) oder auch als kapazitiver Halbleitersensor in Form von sogenannten EIS-Strukturen (Elektrolyt-Iso­ lator-Silizium) aus der Literatur bekannt (G. Weiglein, Feldeffekttransistoren als Sensoren, Physik in unserer Zeit, 21, 3 (1990), S. 113-116 sowie K. Cammann, U. Lemke, A. Rohen, J. Sander, H. Wilken, B. Winter, Chemo- und Biosensoren - Grundlagen und Anwendungen, Angewandte Chemie 103 (1991), 519-541).

Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den oben aufgelisteten Transistorstrukturen (ISFET, BioFET, ChemFET, ENFET), da diese in Siliziumtechnik miniaturi­ sierbar und bei hohen Stückzahlen (< 10⁶) auch kosten­ günstig herstellbar sind. Aufgrund der Mikroelektronik­ kompatibilität ermöglichen solche Transistoranordnungen weiterhin die gemeinsame Integration von Sensor und der Signalverarbeitungselektronik auf einem Sensorchip in Form intelligenter Sensoren. Ein mögliches Fernziel stellt die Integration eines kompletten analytischen Labors innerhalb eines Sensorchips dar.

Allerdings weisen diese Sensoren auf Transistorbasis bis zum heutigen Zeitpunkt eine Vielzahl von Nachteilen und Schwierigkeiten auf, die einen bisherigen großtech­ nischen und industriellen Einsatz scheitern lassen. Dies sind u. a.:

• - die aufwendige Prozeßführung bei der Sensorherstel­ lung; für die Präparation werden mehrere Masken- und Lithographieschritte benötigt, so daß bei den üblicherweise in Frage kommenden Stückzahlen von einigen hundert bis tausend Stück pro Jahr die ef­ fektiven Kosten sehr hoch sind;
• - die unzureichende Korrosionsbeständigkeit und Sta­ bilität der Passivierungsschichten während des Be­ triebs; die mit Leiterbahnen u. a. strukturierten Oberflächen der Transistorbauelemente müssen mit geeigneten Materialsystemen elektrisch isoliert und gegenüber dem umliegenden Medium, d. h. der agressi­ ven Meßlösung bzw. der Gasphase, geschützt vorlie­ gen);
• - im Falle von Sensorarrayanordnungen die Maßgabe von exakt baugleichen Transistoren, um in Diffe­ renzschaltung zwischen den einzelnen Sensoren (Transistorstrukturen) mehrere Spezies simultan voneinander selektieren zu können.

Im Gegensatz dazu lassen sich Bio- und Chemosensoren auf der Basis der oben genannten EIS-Strukturen Prozeß­ technisch, ohne aufwendige Masken- und Lithographie­ schritte, wesentlich einfacher und kostengünstiger rea­ lisieren. Die Sensoren werden nach ihrer Präparation beispielsweise in einer Sensorzelle verkapselt bzw. O-Ring gedichtet eingebaut (M. Thust, M. J. Schöning, J.

Vetter, P. Kordos, H. Lüth, A long-term stable penicil­ lin-sensitive potentiometric biosensor with enzyme im­ mobilized by heterobifunctional cross-linking, Anal. Chim. Acta 323 (1996) 115-121).

Das bei diesen EIS-Sensoren verwendete Meßprinzip ba­ siert auf der Ermittlung der Kleinsignalkapazität des Sensors bei gleichzeitig, sukzessiv veränderter Bias­ spannung. Der Nachweis einer bestimmten Spezies im Pro­ benanalyten erfolgt durch eine konzentrationsabhängige Veränderung der resultierenden Kapazitäts-Spannungs- (C/V)-Kurve, die beispielsweise über eine Regelschleife im sog. ConCap-(Constant Capacitance)-Modus direkt nachgeführt bzw. ermittelt werden kann.

Nachteilig bei den bekannten Sensoranordnungen kommen nur Transistoren als Sensoren zum Einsatz. Zudem nach­ teilig ist dabei, daß diese Sensoren nur einzelne Mes­ sungen mit einzelnen Sensoren zulassen und in einem Probenanalyten mehrere Substanzen nur nacheinander de­ tektiert werden können. Im Falle des Einsatzes eines Penicillinsensors wird nachteilig die Messung durch pH-Wert-Änderungen verfälscht. Schließlich sind die Nach­ weisgenauigkeiten bekannter Sensoranordnungen ver­ gleichsweise unzureichend.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine Sensoranord­ nung zu schaffen, bei der die genannten Nachteile ver­ ringert oder vermieden werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung, gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1 oder 2. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf einem dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.

Es wurde gemäß Anspruch 1 erkannt, die Sensoranordnung mit mehreren Sensoren zur Bestimmung mehrerer Substanzen in einem Probenanalyten mit mehreren kapazi­ tiven Sensoren auszugestalten, die unterschiedliche Substanzen erfassen. Dabei sind die Sensoren mittelbar oder unmittelbar so unterschiedlich ausgestaltet, daß sie unterschiedliches C/V-Verhalten in Abwesenheit der zu analysierenden Substanzen im Probenanalyten aufweisen.

Die Sensoren weisen gemäß Anspruch 2 im C/V-Verhalten unterschiedliche Meßkurven auf, die so zueinander verschoben sind, daß im Falle einer Parallelschaltung der Sensoren als Summenkurve eine Treppenfunktion gebildet ist. Die Sensoren können gemäß Anspruch 3 als Halbleiterbauelement ausgestaltet sein. Soweit andere kapazitive Sensoren geeignet sind, ist die erfindungsgemäße Sensoranordnung jedoch nicht auf den Einsatz solcher Halbleitersensoren beschränkt.

Unmittelbar kann gemäß Anspruch 4 in vorteilhafter Weise der Unterschied in der Gestaltung durch den inneren Aufbau der Sensoren vorgegeben sein. Zum Beispiel können als unmittelbare Ausgestaltung der jeweiligen Halbleitersensoren Unterschiede hinsichtlich der Schichtdicke oder der Dotierung der halbleitenden Struktur im Aufbau des jeweiligen Sensors genutzt werden. Jedoch können auch andere Größen des Aufbaus, soweit sie das C/V-Verhalten der Halbleiter-Isolator-Struktur des Sensors bestimmen, in Betracht kommen.

Mittelbar kann gemäß Anspruch 5 in vorteilhafter Weise der Unterschied in der Gestaltung durch Unterschiede, soweit nicht den inneren Aufbau der Sensoren betreffend genutzt werden. Zum Beispiel können als mittelbare Ausgestaltung der jeweiligen Halbleitersensoren diese jeweils mit in Serie geschalteter Spannungsquelle, durch Anlegen unterschiedlicher Batteriespannungen, unterschiedlich ausgestaltet sind. Andere mittelbare Ausgestaltungen sind vorstellbar. Mit solchen mittelbaren Ausgestaltungen können mehrere Sensoren mit gleichem inneren Aufbau oder aber auch verschiedenem inneren Aufbau genutzt werden.

Die vorliegende Erfindung ist sodann im Vergleich zu einer Einzelsensor-Messung insoweit modifiziert, daß abhängig von der Anzahl der verwendeten Sensoren, jeweils durch eine zusätzlich angelegte Gleichspannung (z. B. eine regelbare Batteriespannung) eine Verschiebung des jeweiligen linearen Arbeitsbereiches für jeden einzelnen Sensor entlang der Spannungsachse erfolgt. Das heißt, zu der von außen vorgewählten Biasspannung wird der jeweilige Einzelsensor mit einer zusätzlichen Gleichspannung beaufschlagt. Dabei hängt die Anzahl der einsetzbaren Sensoren im Wesentlichen von der Steilheit und dem Arbeitsbereich der jeweiligen C/V-Kurven ab. Die Selektivität der Einzelsensoren und damit die Empfindlichkeit der Multisensoranordnung wird durch den Einsatz unterschiedlicher, sensoraktiver Materialien bzw. unterschiedlich empfindlicher Sensoren bestimmt.

Die Sensoren können gemäß Anspruch 6 in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung vorteilhaft zueinander parallel geschaltet sein. Dabei ergibt sich ein einziges Gesamtsignal der Parallelschaltung, welches geeignet weiterverarbeitbar ist. Vorteilhafterweise kann dazu dann eine einzige Elektronik zur Auswertung dieses Signal vorgesehen sein. Damit verhindert man das Erfordernis mehrerer separater Auswerteelektroniken.

Soweit gemäß Anspruch 8 die erfindungsgemäße Sensoranordnung einen Sensor aufweist, der spezifisch eine erste Substanz im Material detektiert und der andere Sensor oder mehrere der anderen Sensoren sowohl empfindlich für diese Substanz als auch für zumindest eine weitere, im Probenanalyten vorhanden Substanz empfindlich ist bzw. sind, ist auf diese Weise ein Referenzsensor gebildet, der zuläßt das die erfindungsgemäße Sensoranordnung auch Substanzen bestimmen kann, für die ein Sensor nicht selektiv ausschließlich empfindlich ist sondern die Gegenwart einer Empfindlichkeit einer anderen Substanz zuläßt.

Dabei kann gemäß Anspruch 9 in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ein pH-Sensor und gemäß Anspruch 10 alternativ oder kummulativ ein Penicillin-Sensor vorgesehen sein.

Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einer Vielzahl von Sensoren zur Bildung einer Multisensoranordnung.

Zur Bildung der Sensoranordnung sind als Sensoren kapazitive Sensoren einzusetzen, insbesondere mehrere kapazitiven Halbleitersensoren gemäß Anspruch 3, die beispielsweise als EIS-Strukturen ausgebildet sind und die innerhalb einer Probenzellenkonfiguration angeordnet oder getrennt voneinander vorliegen.

In vorteilhafter Weise können diese Sensoren gemäß An­ spruch 7 über eine gemeinsame Meß- und Auswerteelek­ tronik miteinander verbunden sein. Dieses kapazitive Sensorarray ermöglicht die simultane Detektion bzw. den quantitativen Nachweis mehrerer Komponenten in einem Probenanalyten, der gemäß Anspruch 12 als Flüssigkeit (Elektrolyt) oder als gasförmige Substanz ausgebildet sein kann.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 erfindungsgemäße Sensoranordnung mit zwei Sensoren;

Fig. 2 Verlauf der Kapazität als Funktion der Gleichspannung U_Bias, zum einem separat für den pH-Sensor und den Penicillinsensor, zum anderen als Summensignal;

Fig. 3 erfindungsgemäße Sensoranordnung mit zwischen Meßelektronik und den jeweiligen Sensoren zusätzlich regelbaren Gleichspannungsquellen U₁ bzw. U₂;

Fig. 4 C/V-Kennlinie zur erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 Messung einer erfindungsgemäßen Multisen­ soranordnung;

Fig. 6 Verlauf einer Messung mit variabler Penicillinkonzentration;

Fig. 7 erfindungsgemäße Multisensoranordnung, be­ stehend aus einer Vielzahl von n Sensoren.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt schematisch eine kapazitive Sensoranord­ nung auf Halbleiterbasis, exemplarisch aufgebaut aus einer pH-empfindlichen EIS-Struktur (Sensor 1) und ei­ ner penicillinempfindlichen EIS-Struktur (Sensor 2). Die Sensoren können wahlweise in einer gemeinsamen Pro­ benzellenanordnung eingebracht oder jeweils einzeln verkapselt vorliegen. Die Sensoren befinden sich in di­ rektem Kontakt mit dem Probenanalyten, der z. B. eine zu untersuchende Flüssigkeit darstellen kann.

Der Kontakt zu den Sensoren über den Probenanalyten kann über eine gemeinsame Bezugs-(Referenz-) oder Ge­ genelektrode oder beide erfolgen. Diese stehen über Zu­ leitungen in direktem Kontakt mit der Meßelektronik. Die Rückseitenkontaktierung der Sensoren erfolgt über eine Verbindung, beispielsweise einem Kontaktstift und elektrische Zuleitungen zwischen der ohmschen Kontakt­ schicht des jeweiligen Sensors, beispielsweise eine Metallschicht aus Aluminium oder Gold, und der Meßelek­ tronik.

Die Meßelektronik besteht im wesentlichen aus einem Po­ tentiostaten zur Erzeugung einer regelbaren, veränder­ lichen Gleichspannungsrampe U_Bias, die im Falle einer Sensoranordnung mit zwei Sensoren im Bereich zwischen + 10 Volt, vorzugsweise zwischen ± 4 Volt variiert werden kann. Zur Erfassung der differentiellen Kleinsignalka­ pazität wird diesem Gleichspannungssignal zusätzlich eine Wechselspannungsamplitude von bis zu 200 mV, vor­ zugsweise im Bereich zwischen 5 mV und 50 mV bei einer Wechselfrequenz von bis zu 100 kHz überlagert. Das ver­ wendete Meßprinzip entspricht der Aufnahme der komple­ xen Wechselstromimpedanz bei veränderlicher Gleichspan­ nung und einer fest vorgewählten Meßfrequenz.

Das resultierende Meßsignal (Kapazität als Funktion der Gleichspannung U_Bias) ist in Fig. 2, zum einem jeweils separat für den pH-Sensor S1 und den Penicillinsensor S2, zum anderen als Summensignal S1 und S2 dargestellt, wie es aus der Anordnung in Fig. 1 hervorgeht. Dabei entspricht die Kapazität C₁ der gemessenen Kapazität des Sensors 1 (S1) bzw. die Kapazität C₂, der des Sen­ sors 2 (S2). C_eff definiert denjenigen Anteil der er­ mittelten Kapazitäten der Sensoren S1 und S2, der je­ weils durch die dielektrischen Schichten zur Bildung des jeweiligen Sensors, z. B. aus SiO₂₁ Si₃N₄, Al₂O₃, Ta₂O₅, IrO₂ oder aus einer Kombination aus diesen, vorgegeben ist.

Man erhält für beide Sensoren (Fig. 2, jeweils links) typische C/V-Kurven, wie sie aus der Literatur für ka­ pazitive EIS-Strukturen bekannt sind. Abhängig von der Sensitivität und Selektivität der Sensoren erfolgt eine konzentrationsabhängige Verschiebung der C/V-Kurven. Im Falle des pH-Sensors (S1) verschiebt sich die C/V-Kurve entlang der Spannungsachse in positiver oder ne­ gativer Richtung bei einer Änderung des pH-Wertes im Probenanalyten. Dies kann als Verschiebung ΔU_pH ermit­ telt werden. Es wurde erkannt, daß beim Penicillinsen­ sor (S2) diese Verschiebung sowohl für den Fall einer pH-Wertänderung (ΔU_pH), erfolgt als auch falls sich die Penicillinkonzentration im Probenanalyten ändert (ΔU_pen).

Dies bedeutet, daß S2 eine gleichzeitige Pencillin- und pH-Wertänderung nicht voneinander trennen kann, wo­ hingegen S1 lediglich auf die pH-Wertänderung an­ spricht. Durch Addition beider Meßsignale resultiert daraus der C/V-Kennlinienverlauf, wie er in der Fig. 2 (rechts) dargestellt ist. Da die beiden kapazitiven Halbeitersensoren mit der gemeinsamen Meßelektronik parallel geschaltet sind, summieren sich die beiden Ka­ pazitäten der Sensoren S1 und S2 zu C = C₁ + C₂. Der gemessene Kennlinienverlaufist bei vergleichbarem U_Bias-Spannungsbereich wesentlich steiler, d. h. eine hö­ here Auflösung im linearen Bereich der C/V-Kurve kann erreicht werden. Allerdings kann eine Änderung der Zu­ sammensetzung des Probenanalyten, beispielsweise her­ vorgerufen durch eine Änderung des pH-Wertes, der Peni­ cillinkonzentration oder beiden Parametern nicht von­ einander separiert werden. In allen drei Fällen resul­ tiert eine Verschiebung der C/V-Kurve entlang der Span­ nungsachse in positiver oder negativer Richtung in Form einer Spannungsverschiebung ΔU_x.

Um die unterschiedlichen Meßsignale selektiv erfassen zu können, wurde die in Fig. 1 aufgebaute Meßananord­ nung insoweit als kapazitive Sensoranordnung modi­ fiziert, daß zwischen der Meßelektronik und den jewei­ ligen Sensoren S1 bzw. S2 zusätzlich eine regelbare Gleichspannungsquelle U₁ bzw. U₂ in der Art und Weise eingebracht wurde, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Gleichspannungsquellen lassen sich im einfachsten Fall beispielweise in Form einer handelsüblichen Batte­ rie (z. B. 9 V), die über ein Potentiometer steuerbar ist oder einer Spannungsquelle, realisieren. Abhängig von der verwendeten zusätzlichen Gleichspannungsquelle ist der Spannungshub in einem großen Bereich variier­ bar. Im Falle dieser Sensoranordnung werden die Span­ nungen U₁ bzw. U₂ im Bereich ± 20 V verwendet, insbe­ sondere im Bereich kleiner ± 4 V. Dabei ist es von Vor­ teil für die beiden Sensoren S1 und S2 die Gleich­ spannungsquellen U₁ und U₂ jeweils betragsmäßig in der gleichen Größenordnung, jedoch umkehrt verpolt (unterschiedliches Vorzeichen) zu verschalten. Der Grund hierfür läßt sich anhand von Fig. 4 erklären.

In Fig. 4 erfolgt exemplarisch eine Verschiebung der C/V-Kennlinie von S1 in negative Spannungsrichtung durch die zusätzliche Gleichspannungsquelle U₁ um ΔU₁. Dementsprechend erfolgt die Verschiebung von Sensor S2 durch die zweite zusätzliche Gleichspannungsquelle U₂ um ΔU₂ in positive Richtung. Die jeweils gestrichelt dargestellte C/V-Kurve zeigt den ursprünglichen Kennli­ nienverlauf ohne die beiden zusätzlichen Gleichspan­ nungsquellen. Die Verschaltung der Gleichspannungsquel­ len ist frei wählbar, d. h. auch eine Verschiebung in umgekehrter Richtung bzw. Reihenfolge ist möglich.

Abhängig vom Betrag und der Richtung der Spannungsver­ schiebung resultiert eine, aufgrund der Parallelschal­ tung der Sensoren S1 und S2, "stufenförmige" C/V-Kurve, wie sie in Fig. 4 (rechts) schematisch darge­ stellt ist. Die Gesamtkapazität ergibt sich analog zu dem in Fig. 2 ermittelten Kennlinienverlauf. Die Aus­ prägung der Stufe in der aus den Summensignalen von Sensor S1 und Sensor S2 ausgebildeten C/V-Kurve hängt von der Verschiebung der jeweiligen Einzelsensoren durch die zusätzlichen Gleichspannungsquellen U₁ und U₂ ab.

Der Vorteil dieser Verschiebung und der resultierenden Stufe liegt darin begründet, daß aus der Summenkurve (Fig. 4, rechts) jeweils die C/V-Kurven der einzelnen Sensoren S1 und S2 voneinander getrennt werden können.

In diesem Beispiel entspricht die erste Stufe, d. h. der obere Teil der Gesamt-C/V-Kurve Sensor 1, also dem pH-Sensor und die zweite Stufe, d. h. der untere Teil der C/V-Kurve Sensor 2, also dem Penicillin-Sensor. Da beide Sensoren unterschiedlich auf die Änderungen des pH-Wertes bzw. der Penicillinkonzentration reagieren (siehe auch Fig. 2, links) kann mit dieser Anordnung sowohl die Änderung eines dieser beiden Parameter als auch die gleichzeitige Änderung beider Untersu­ chungsgrößen erfaßt werden. Eine Änderung des pH-Wertes im Probenanalyten erkennen Sensor 1 und Sensor 2. Die C/V-Kurve verschiebt sich komplett, d. h. sowohl im obe­ ren als auch im unteren Bereich (1. und 2. Stufe) . Auf eine Änderung der Penicillinkonzentration im Probenana­ lyten spricht lediglich Sensor 2 an, d. h. nur der un­ tere Bereich (2. Stufe) im Kennlinienfeld verschiebt sich. Fig. 5 und Fig. 6 zeigen typische Ergebnisse aus Messungen, wie sie exemplarisch für eine Multisen­ soranordnung, aufgebaut aus einem kapazitiven pH-Sensor und einem kapazitiven Enzymsensor für den Penicillin­ nachweis, erzielt werden konnten.

Fig. 5 zeigt als Beispiel eine Messung einer solchen kapazitiven Multisensoranordnung, bestehend aus einem als EIS-Struktur aufgebauten pH-Sensor (S1) und einem, ebenfalls als EIS-Struktur aufgebauten, Enzymsensor der empfindlich gegenüber Penicillin und des pH-Wertes ist. In diesem Beispiel ändert sich der PH-Wert im Probena­ nalyten zwischen pH 5 und pH 8. Da aufgrund ihres Auf­ baus beide Sensoren sensitiv gegenüber einer Änderung des PH-Wertes in der Meßlösung reagieren (siehe auch Fig. 2), macht sich dies anhand der Verschiebung der "stufenförmigen" C/V-Kurve bemerkbar. Sowohl die 1. Stufe ("eigene" C/V-Kurve des pH-Sensors S1) als auch die 2. Stufe ("eigene" C/V-Kurve des Penicillinsensors S2) verschieben sich mit steigendem pH-Wert in Rich­ tung positiver Spannungswerte. Die Verschiebung ist für beide Einzelsensoren vergleichbar (S1 bzw. S2) und liegt jeweils in der Größenordnung von ca. 55 mV pro pH-Dekade. Diese Sensitivitäten entsprechen damit auch Werten, wie sie aus der Literatur bei getrennten Ein­ zelmessungen für kapazitive EIS-Strukturen mit Si₃N₄ als pH-sensitivem Material bekannt sind.

Um diesen "stufenförmigen" C/V-Kennlinienverlauf zu er­ zielen, wurde S1 über die zusätzliche Gleichspannungs­ quelle U₁ z. B. um 1 V in Richtung negativer Spannungs­ werte und S2 über die zusätzliche Gleichspannungsquelle U₂ um denselben Betrag in Richtung positiver Spannungs­ werte verschoben. Die Gleichspannungsrampe U_Bias wurde von -2,5 V nach + 1,5 V durchfahren. Die Frequenz der Wechselspannungsamplitude U_AC liegt im Bereich zwischen 10 Hz und 100 kHz, vorzugsweise bei 1 kHz. Der Effektivwert der Wechselspannungsamplitude kann zwi­ schen 1 mV und 500 mV eingestellt werden, vorzugsweise beträgt er 20 mV.

In Fig. 6 ist der Aufbau zu dem in Fig. 5 gewählten identisch. Dies gilt auch für die verwendeten Meßpara­ meter. Hier wird allerdings innerhalb des Probenanaly­ ten gezielt die Penicillinkonzentration im Bereich zwi­ schen 0 mM und 10 mM Penicillin G Lösung variiert. Im Gegensatz zu Fig. 5 erkennt man, daß lediglich der Pe­ nicillinsensor (S2) mit einer Verschiebung der 2. Stufe ("eigene" C/V-Kurve von S2) reagiert. Mit Zu­ nahme der Penicillinkonzentration verschiebt sich der untere Teil der "stufenförmigen" gesamten C/V-Kurve nach links, während der obere Teil der C/V-Kurve kon­ stant bleibt und sich nicht ändert. Dies liegt in der Selektivität des Penicillinsensors begründet. Die Ge­ samtempfindlichkeit liegt im gewählten Konzentrations­ bereich bei etwa 100 mV zwischen 0 mM und 10 mM Peni­ cillingehalt und entspricht damit in guter Überein­ stimmung derjenigen, die für einen als EIS-Struktur ausgebildeten Einzelsensor bekannt ist.

Somit kann deutlich zwischen den einzelnen Substanzen in der Analytlösung sowohl qualitativ als auch quanti­ tativ separiert werden. Mit der gewählten kapazitiven Multisensoranordnung kann damit neben der Penicillin­ konzentration gleichzeitig der pH-Wert in der Meßlösung und umgekehrt detektiert werden. Außerdem kann diese Anordnung zur Erzielung einer besseren Nachweisgenauig­ keit eines potentiometrischen Penicillinsensors bei gleichzeitigem Einfluß des pH-Wertes auf das Sensormeß­ signal genutzt werden.

Das hier exemplarisch für zwei Sensoren realisierte Meßprinzip sowie die Multisensoranordnung lassen sich auf beliebige kapazitive Halbleitersensoren übertragen, wobei der zu untersuchende Probenanalyt sowohl ein flüssiges als auch gasförmiges Medium darstellen kann.

Fig. 7 zeigt schematisch eine solche Multisensoranord­ nung, bestehend aus n Sensoren, die über eine gemein­ same Kontaktierung mit dem zu untersuchenden Probenana­ lyten verbunden sind. Die Sensoren können wahlweise voneinander getrennt oder in einer gemeinsamen Proben­ zellenkonfiguration vorliegen. Gemäß dem in Fig. 3 ausgeführten Beispiel wird jeder Sensor mit einer zu­ sätzlichen regalbaren Gleichspannungsquelle oder einer konstanten Gleichspannungsquelle mit unterschiedlichem Absolutspannungswert betrieben. Die Aufnahme des resul­ tierenden C/V-Kennlinienverlaufs für alle Sensoren er­ folgt über eine gemeinsame Meßelektronik, die im We­ sentlichen U_AC und U_Bias beinhaltet.

Abhängig von der Anzahl der gewählten Sensoren variiert die Gleichspannungsrampe U_Bias beispielsweise bis zu ± 20 V, insbesondere bis zu kleiner als ± 8 V. Die ein­ zelnen Sensoren S1 bis Sn können so ausgestattet sein, daß sie unterschiedliche Sensitivitäten und/oder Selektivitäten gegenüber den verschiedenen Spezies im Probenanalyten besitzen. Damit besteht einmal die Mög­ lichkeit, gleichzeitig verschiedene Substanzen und Kom­ ponenten im Probenanalyten nachzuweisen und zu bestim­ men. Weiterhin kann durch eine solche Multisensoranord­ nung die Nachweisgenauigkeit für verschiedene zu detek­ tierende Spezies im Probenanalyten verbessert bzw. er­ höht werden. Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere Sensoren innerhalb der beschriebenen Multisensoranord­ nung redundant auszulegen oder redundante Sensoren für den Nachweis unterschiedlicher Substanzen einzusetzen.

Fig. 8 zeigt schematisch die Verschiebung der jeweili­ gen Einzelsensoren um ΔU₁ bis AUF durch die in Fig. 7 zusätzlich eingebrachten Gleichspannungsquellen U₁ bis U_n. Die gestrichelten Kennlinien zeigen die jeweilige Verschiebung der C/V-Kurven um ΔU im Vergleich zu der ursprünglichen Kennlinie (durchgezogene C/V-Kurve). Die jeweilige Verschiebung kann über die zugehörige Gleich­ spannungsquelle konstante Absolutwerte betragen oder kann variabel eingestellt werden oder beides. Um den Spannungsbereich U_Bias zu begrenzen, ist es sinnvoll die Verschiebung der Einzelsensoren S1 bis Sn paarweise in positive und negative Spannungsrichtung durchzuführen. Dabei kann beispielsweise die Verschiebung ΔU₁ bzw. ΔU₂ betragsmäßig im Intervall [U_C1max-U_C1min] oder [U_C2max- U_C2min] liegen bzw. für n Sensoren im Intervall n/2 × [U_Cnmax-U_Cnmin]. Die Spannungen U_C1max bzw. U_C1min be­ schreiben die bei den C/V-Kennlinienverläufen in Fig. 4 und Fig. 8 zu den Maximalkapazitäten C_1max bzw. Mini­ malkapazitäten C_1min jeweils korrespondierenden Spannun­ gen. Dementsprechendes gilt für die Spannungen U_Cnmax bzw. U_Cnmin.

Der für n ≧ 2 Sensoren resultierende "stufenförmige" Gesamtkennlinienverlauf der C/V-Kurve, der sich aus der Parallelschaltung der Einzelsensoren S1 bis Sn ad­ diert, ist in Fig. 9 dargestellt. Die Anzahl der Stu­ fen wird durch die Anzahl der ausgewählten Sensoren festgelegt. Die Gesamtkapazität ergibt sich analog zu dem in Fig. 2 ermittelten Kennlinienverlauf. Die Aus­ prägung der Stufen hängt von der Verschiebung der je­ weiligen Einzelsensoren durch die zusätzlichen Gleich­ spannungsquellen U₁ bis U_n ab.

Der Vorteil der resultierenden Stufen liegt darin be­ gründet, daß aus der kompletten C/V-Kurve jeweils die C/V-Kurven der einzelnen Sensoren S1 bis Sn separiert werden können. Nach dem in Fig. 7 erläuterten Prinzip reagiert jeder Sensor S1 bis Sn mit einer charakteri­ stischen Verschiebung ΔU_S1 bis ΔU_Sn seiner "eigenen" C/V-Kurve. Dabei können die Sensoren redundant ausge­ legt sein, sie können unterschiedliche Sensitivitäten oder Selektivitäten besitzen oder eine Kombination all dieser Eigenschaften beeinhalten. Die resultierenden Einzelverschiebungen können beispielsweise direkt oder über chemometrische Auswertemethoden miteinander korre­ liert werden, um die nachzuweisenden Substanzen im Pro­ benanalyten qualitativ und quantitativ zu erfassen. Weiterhin ermöglicht diese Multisensoranordnung die Nachweisgenauigkeit verschiedener Spezies im Probenana­ lyten unter der Berücksichtung von interferierenden Querempfindlichkeiten.

Claims (12)

1. Sensoranordnung mit mehreren Sensoren (S1, S2) zur Bestimmung mehrerer Substanzen in einem Probenanaly­ ten, gekennzeichnet durch mehrere kapazi­ tive Sensoren (S1, S2), die unterschiedliche Sub­ stanzen erfassen können, wobei die Sensoren mittel­ bar oder unmittelbar so unterschiedlich ausgestaltet sind, daß sie unterschiedliches C/V-Verhalten in Ab­ wesenheit der zu analysierenden Substanzen im Pro­ benanalyten aufweisen.

2. Sensoranordnung mit mehreren Sensoren (S1, S2) zur Bestimmung mehrerer Substanzen in einem Probenanaly­ ten, gekennzeichnet durch mehrere kapazi­ tive Sensoren (S1, S2), die unterschiedliche Sub­ stanzen erfassen können, wobei die Sensoren mittel­ bar oder unmittelbar so unterschiedlich ausgestaltet sind, daß sie im C/V-Verhalten unterschiedliche Meß­ kurven aufweisen, die so zueinander verschoben sind, daß im Falle einer Parallelschaltung der Sensoren als Summenkurve eine Treppenfunktion gebildet ist.

3. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch Sensoren auf Halbleiter-Basis.

4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur unterschiedlichen unmittelbaren Ausgestaltung der jeweiligen Halbleitersensoren (S1, S2, S3, . . . Sn), diese Unterschiede in einer das C/V-Verhalten der Halbleiter-Isolator-Struktur des Sensors bestimmen­ den Größe, insbesondere hinsichtlich der Schicht­ dicke oder der Dotierung der halbleitenden Struktur, aufweisen.

5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur unterschiedlichen mittelbaren Ausgestaltung der je­ weiligen Halbleitersensoren (S1, S2), diese jeweils mit in Serie geschalteter Spannungsquelle (U1, U2, U3, . . . Un) ausgestaltet sind.

6. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren zueinander parallel geschaltet sind.

7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine Elektro­ nik zur Weiterverarbeitung des von den parallel ge­ schalteten Sensoren kommenden gemeinsamen Signals.

8. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ ner der Sensoren (S1) so ausgebildet ist, daß er spezifisch eine erste Substanz (pH) im Material de­ tektiert und der andere Sensor (S2) oder mehrere der anderen Sensoren (S2, . . . ., Sn) sowohl empfindlich für diese Substanz als auch für zumindest eine weitere im Probenanalyten vorhanden Substanz empfindlich ist bzw. sind.

9. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen pH-Sensor (S1).

10. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Penicillin-Sensor (S2).

11. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Sensoren zur Bildung einer Multisensoranordnung.

12. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch einen Elek­ trolyten als Probenanalyt.