DE19734708C1

DE19734708C1 - In situ measurement of micro organisms in water supplies

Info

Publication number: DE19734708C1
Application number: DE1997134708
Authority: DE
Inventors: C Dipl Phys Koeslinger; A Dipl Ing Nitsch; E Dipl Phys Uttenthaler; Th Dipl-Ing Haerle
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1997-08-11
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2017-08-12

Abstract

In situ measurement of micro organisms in water supplies uses a housing with a piezo electric resonator with electrodes and a counter electrode and a flow cell

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erfassen der Konzentration von in Wasser vorhandenen Legionellen.The invention relates to an arrangement for detecting the concentration of Legionella present in water.

Zur bakteriologischen Untersuchung bestimmter Zellkulturen ist im Bereich der Mi krobiologie die Verwendung von Petrischalen weit verbreitet, in denen nach Einfül lung spezieller Nährböden eine gezielte Züchtung von Bakterien und/oder Pilzen zur weiteren Untersuchung erreicht werden kann. Zur quantitativen Erfassung der sich in den Nährböden bildenden Zellkulturen werden die Kolonien ausgezählt. For the bacteriological examination of certain cell cultures in the area of Mi krobiologie the use of petri dishes widely used in which after filling the cultivation of bacteria and / or fungi further investigation can be achieved. For the quantitative recording of the in The colonies are counted in the cell cultures forming the nutrient media.

Neben der nur unzureichend genauen Bestimmungsmöglichkeit der Konzentration von Zellkulturen, die in Flüssigkeiten gelöst sind, ist es mit Hilfe der vorstehend be schriebenen Methode nicht möglich, eine Insitu-Messung durchzuführen, die eine qualitative und quantitative, schnelle Aussage über das Vorliegen von Mikroorganis men in Flüssigkeiten gestattet.In addition to the insufficiently precise ability to determine the concentration of cell cultures, which are dissolved in liquids, it is with the help of the above be described method is not possible to carry out an in-situ measurement which qualitative and quantitative, quick statement about the presence of microorganism permitted in liquids.

Eine wesentliche Verbesserung auf dem Gebiet des Nachweises von in Flüssigkeiten gelösten Stoffen, insbesondere von Mikroorganismen, bietet der Einsatz piezoelektri scher Resonatoren, die als Sensoren zum Nachweisen eines Stoffes in einer Flüs sigkeit ausgebildet sind. In der DE 40 13 665 ist ein diesbezüglicher Sensor be schrieben.A major improvement in the detection of liquids The use of piezoelectrics offers dissolved substances, especially microorganisms shear resonators, which act as sensors for detecting a substance in a river are trained. DE 40 13 665 is a sensor in this regard wrote.

Auch geht ein ähnlicher Aufbau zum Erfassen bzw. Messen der Konzentration be stimmter Stoffe, die in einer Flüssigkeit gelöst sind unter Verwendung eines Schwingquarzplättchens aus dem Artikel von W. Stöckl und R. Schumacher, "In situ microweighing at the junction metal/electrode", Berichte der Bunsengesellschaft phy sikalische Chemie 91 (1987), S. 345-349, hervor.There is also a similar structure for detecting or measuring the concentration certain substances that are dissolved in a liquid using a Quartz crystal plates from the article by W. Stöckl and R. Schumacher, "In situ microweighing at the junction metal / electrode ", reports by the Bunsen Society phy sikalische Chemie 91 (1987), pp. 345-349.

An den Randbereichen eines Schwingquarzplättchens wird dieses elektrisch beidsei tig kontaktiert. Mit einer entsprechenden Flüssigkeitsabdichtung an einer Seite des Schwingquarzplättchens gelangt die zu untersuchende Flüssigkeit, in die der zu messende Stoff oder Mikroorganismus enthalten ist, in Oberflächenkontakt mit dem Plättchen, so daß sich das Resonanzverhalten des Plättchens entsprechend ändert und die Messung durchgeführt werden kann. Hierzu ist die Sensoroberfläche, die mit der Flüssigkeit in Kontakt tritt, mit einer chemischen oder biochemischen Schicht versehen, an der sich der zu messende Stoff an lagert. Durch die im Wege der Stof fanlagerung verbundene Massenänderung der Sensoroberfläche verändert sich zu gleich das Resonanzverhalten des Resonators, das mittels geeigneten Meßeinrich tungen erfaßt und ausgewertet werden kann. Schließlich kann das veränderte Reso nanzverhalten des Resonators in Relation zu der Menge der Stoffablagerung gesetzt werden, so daß eine Konzentrationsbestimmung auf diese Weise schnell und hoch genau durchgeführt werden kann. At the edge areas of a quartz crystal plate this is electrically both contacted. With an appropriate liquid seal on one side of the Quartz crystal plate gets the liquid to be examined, into which the measuring substance or microorganism is contained in surface contact with the Platelet, so that the resonance behavior of the platelet changes accordingly and the measurement can be carried out. For this, the sensor surface is the one with the liquid comes into contact with a chemical or biochemical layer provided on which the substance to be measured is attached. By the way of the fabric Changes in the mass of the sensor surface associated with fan storage change too the resonance behavior of the resonator, which can be determined by means of a suitable measuring device can be recorded and evaluated. Finally, the changed reso nance behavior of the resonator in relation to the amount of material deposition be so that a concentration determination in this way quickly and high can be done accurately.

Ähnlich arbeitende Sensoren unter Verwendung piezoelektrischer Resonatoren zur Immunoanalyse sind aus den Artikeln von K. Davis, T. Leary, "Continuous Liquid- Phase Piezoelectric Biosensor of immunoassays", Anal. Chem. 1989, Nr. 61, p. 1227 bis 1230 sowie von M. Thompson et al., "The potential of the bulk acoustic wave de vice as a liquid-phase immunosensor", IEEE transactions on ultrasonics, ferroelec trics and fequency control, volume UFFC 34, No. 2 March 1987, S. 127-135, be kannt.Similar sensors using piezoelectric resonators Immunoanalysis are from the articles by K. Davis, T. Leary, "Continuous Liquid- Phase Piezoelectric Biosensor of immunoassays ", Anal. Chem. 1989, No. 61, p. 1227 to 1230 and by M. Thompson et al., "The potential of the bulk acoustic wave de vice as a liquid-phase immunosensor ", IEEE transactions on ultrasonics, ferroelec trics and fequency control, volume UFFC 34, No. 2 March 1987, pp. 127-135, be knows.

Allen bekannten, auf der Basis piezoelektrischer Resonatoren arbeitenden Sensoren zur Messung von Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten haften jedoch zusammenfas send folgende Nachteile an:
Die in den Resonatoren verwendeten Schwingquarzplättchen sind in Halterungen geklebt oder geklemmt, wodurch das Resonanzverhalten des Resonators selbst durch mechanische Verspannungen beeinträchtigt werden kann. Auch sind geklebte und geklemmte elektrische Kontakte auf der Oberfläche des Schwingquarzplättchens insbesondere für den Einsatz zum Messen von Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten nicht uneingeschränkt betriebssicher. Vorkehrungen müssen getroffen werden, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden. Eine dauerhafte und gleichbleibende Quali tät der Kontaktierung läßt sich auf diese Weise nicht erreichen.In summary, however, all known sensors based on piezoelectric resonators for measuring substance concentrations in liquids have the following disadvantages:
The quartz oscillating plates used in the resonators are glued or clamped in brackets, which means that the resonance behavior of the resonator itself can be impaired by mechanical tension. Also, glued and clamped electrical contacts on the surface of the quartz crystal plate are not absolutely reliable, particularly for use in measuring substance concentrations in liquids. Precautions must be taken to avoid electrical short circuits. A permanent and constant quality of contact cannot be achieved in this way.

In allen bekannten Fällen weist der piezoelektrische Resonator sowohl auf seiner Vorder- als auch auf seiner Rückseite Kontaktbereiche auf, die zur elektrischen Kon taktierung an einen elektrischen Schwingkreis bzw. an eine Meßanordnung anzu schließen sind. Die Integration des piezoelektrischen Resonators in eine Gehäusung mit entsprechender elektrischer Kontaktierung ist zeitaufwendig und schwierig. Eine gleichbleibende gute Qualität der elektrischen Eigenschaften insbesondere bei Ver wendung eines piezoelektrischen Resonators in einer Halterung, die es gestattet das Schwingquarzplättchen einseitig mit einer zu untersuchenden Flüssigkeit in Kontakt zu bringen, ist nicht möglich. In all known cases, the piezoelectric resonator has both on its Contact areas on the front as well as on the back, which lead to electrical con clocking to an electrical resonant circuit or to a measuring arrangement are close. The integration of the piezoelectric resonator in a housing with appropriate electrical contacting is time consuming and difficult. A consistent good quality of the electrical properties, especially with Ver application of a piezoelectric resonator in a holder that allows it Quartz crystal plates in contact on one side with a liquid to be examined it is not possible to bring.

Derartige Halterungen werden auch als Durchflußzellen bezeichnet, die eine Einheit darstellen, in der das Schwingquarzplättchen bereits elektrisch kontaktiert mit An schlußelektroden verbunden ist. Ferner ist ein definierter Zu- und Abflußkanal vorge sehen, über die die zu untersuchende Flüssigkeit dem piezoelektrischen Resonator gezielt zu- und wieder abführbar ist. Eine derartige Durchflußzelle geht beispielswei se aus dem obenstehend genannten Artikel von M. Thompson in Fig. 4 hervor.Such holders are also referred to as flow cells, which represent a unit in which the quartz crystal plate is already electrically contacted with connection electrodes connected to. Furthermore, a defined inflow and outflow channel is provided, via which the liquid to be examined can be fed to and removed from the piezoelectric resonator in a targeted manner. Such a flow cell can be seen, for example, from the above-mentioned article by M. Thompson in FIG. 4.

Für Anwender dieser Durchflußzellen sind ein hoher Zeitaufwand und handwerkli ches Geschick beim Wechseln der Zelle notwendig. Insbesondere im Bereich der Biosensorik sind häufig Wechselmaßnahmen notwendig, zumal für jeden unter schiedlich zu erfassenden Stoff eine eigens präparierte Durchflußzelle notwendig ist. Die mit dem Wechsel verbundenen Arbeiten stehen einer kommerziellen Verbreitung des Einsatzes von piezoelektrischen Resonatoren entgegen.For users of these flow cells are a lot of time and craftsmanship dexterity necessary when changing the cell. Especially in the area of Biosensors are often necessary, especially for everyone a specially prepared flow cell is necessary for different substances to be detected. The work associated with the change is commercially available against the use of piezoelectric resonators.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Wasser vorhandenen Legionellen nach zuweisen und ihre Konzentration genau zu bestimmen. Die Durchführung des Nach weises und die Konzentrationsbestimmung soll schnell und ohne umständliche meßtechnische Maßnahmen erfolgen. Die Messung soll insbesondere operationell einsetzbar sein und die Möglichkeit einer in-situ Erfassung der Meßwerte bieten. Ferner soll die Durchführung der Messungen reproduzierbar und für langandauernde Meßreihen ausgelegt sein.The invention has for its object to Legionella present in water assign and precisely determine their concentration. The implementation of the after wise and the concentration determination should be quick and without cumbersome metrological measures take place. The measurement should in particular be operational be usable and offer the possibility of in-situ recording of the measured values. Furthermore, the implementation of the measurements should be reproducible and for long-term Series of measurements should be designed.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Legionellen-Nachweis mit einer Anord nung durchzuführen, in der ein Sensorelement mit einem flächig ausgebildeten piezoelektrischen Resonator zum Einsatz gelangt, dessen erste Seite ausschließlich einen Elektrodenbereich vorsieht, der elektrisch leitend mit einem Elektrodenbereich auf der zweiten Seite des piezoelektrischen Resonators verbunden ist, auf der ge genüber dem Elektrodenbereich elektrisch isoliert ein Gegenelektrodenbereich vor gesehen ist, wobei der Elektrodenbereich auf der ersten Seite des piezoelektrischen Resonators mit einer auf Legionellen reagierenden chemischen oder biochemischen Schicht überzogen ist und der Elektroden- und Gegenelektrodenbereich auf der zweiten Seite mit einer Signalquelle und einer Meßanordnung derart verbindbar sind, daß der Elektroden- und Gegenelektrodenbereich ausschließlich von der zweiten Seite des piezoelektrischen Resonators mittels Anschlußelektroden elektrisch kon taktierbar sind. Das Sensorelement ist in eine Durchflußzelle integriert, die eine Oberfläche mit zwei elektrischen Kontaktbereichen aufweist, die über Anschluß- bzw. Bonddrähte mit den Kontaktbereichen für die Elektrode und Gegenelektrode des Sensorelementes verbunden sind. Schließlich ist ein Flüssigkeitskanalsystem, an die Durchflußzelle fluiddicht ankoppelbar.The invention is based on the idea of detecting legionella bacteria with an arrangement voltage to perform in which a sensor element with a flat piezoelectric resonator is used, the first side exclusively provides an electrode area that is electrically conductive with an electrode area is connected on the second side of the piezoelectric resonator, on the ge a counter-electrode area is electrically insulated from the electrode area is seen, the electrode area on the first side of the piezoelectric Resonators with a chemical or biochemical reaction to Legionella Layer is coated and the electrode and counter electrode area on the second side can be connected to a signal source and a measuring arrangement, that the electrode and counter electrode area exclusively from the second Side of the piezoelectric resonator by means of connecting electrodes electrically con are tactable. The sensor element is integrated in a flow cell, the one Surface with two electrical contact areas, which via connection or Bond wires with the contact areas for the electrode and counter electrode of the Sensor element are connected. Finally, a fluid channel system to which Flow cell can be coupled in a fluid-tight manner.

Der als Schwingquarzplättchen ausgebildete piezoelektrische Resonator weist eine Elektroden- bzw. Gegenelektrodenanordnung auf, die es erlaubt den piezoelektri schen Resonator von nur einer einzigen Seite aus zu kontaktieren. Hierbei ist der Elektrodenbereich, der ausschließlich auf einer Seite vorgesehen ist über den Rand des Schwingquarzplättchen auf die gegenüberliegende Seite nach oben geführt, so daß eine elektrische Kontaktierung des Elektrodenbereiches von der gegenüberlie genden Seite erfolgen kann. Zudem sieht die gegenüberliegende Seite des Schwingquarzplättchens wenigstens einen Kontaktbereich für die Gegenelektrode auf, der elektrisch isoliert gegenüber dem Elektrodenbereich angeordnet ist.The piezoelectric resonator designed as a quartz crystal plate has one Electrode or counter electrode arrangement, which allows the piezoelectric to contact the resonator from only one side. Here is the Electrode area that is only provided on one side over the edge of the quartz crystal plate is guided upwards to the opposite side, see above that electrical contacting of the electrode area from the opposite opposite side can be done. In addition, the opposite side of the Quartz crystal plate at least one contact area for the counter electrode on, which is arranged electrically isolated from the electrode area.

Alternativ oder zusätzlich zu der elektrischen Kontaktierung des Elektrodenbereiches auf die gegenüberliegende Schwingquarzplättchenseite über den Rand des Plätt chens, können auch elektrische Leitpfade die senkrecht durch das Plättchen verlau fen, einen elektrischen Kontakt zwischen den Elektrodenbereichen auf beiden Ober flächen des Plättchens herstellen.Alternatively or in addition to the electrical contacting of the electrode area on the opposite side of the quartz plate over the edge of the plate chens, electrical conductive paths can also run vertically through the plate fen, an electrical contact between the electrode areas on both upper Make surfaces of the tile.

Zur elektrischen Kontaktierung des piezoelektrischen Resonators weisen die auf dem Schwingquarzplättchen aufgebrachten Elektroden- und/oder Gegenelektroden stegartig ausgebildete Absätze auf, die zum Anbringen von Anschluß bzw. Bond drähten vorgesehen sind. Durch das Vorsehen konkreter Kontaktstrukturen in den Elektroden- und Gegenelektrodenbereichen können bauelementspezifische Abwei chungen, die sich möglicherweise auf etwaige Meßergebnisse auswirken können, erheblich eingeschränkt werden. For electrical contacting of the piezoelectric resonator, the have on the Vibrating quartz plates applied electrode and / or counter electrodes web-like heels, which are used to attach or bond wires are provided. By providing concrete contact structures in the Electrode and counter electrode areas can deviate from the component that may affect any measurement results, be significantly restricted.

Durch die elektrische Kontaktierung des Sensorelementes von nur einer Seite ist es möglich, das mit Legionellen versetzte Wasser ausschließlich mit der Seite des pie zoelektrischen Resonators in Kontakt zu bringen, auf der ausschließlich der Elektro denbereich aufgebracht ist.It is due to the electrical contacting of the sensor element from only one side possible, the water mixed with Legionella only with the side of the pie to bring zoelectric resonator into contact, on which only the electro the area is applied.

Zur operativen Durchführung der vorstehend genannten Messungen wird das Senso relement in eine Durchflußzelle integriert, die vorzugsweise als scheibenartiges Spritzgußteil ausgebildet ist und an ihrer Oberfläche zwei elektrische Kontaktberei che aufweist, die über Anschluß- bzw. Bonddrähte mit den Kontaktbereichen für die Elektrode und Gegenelektrode des Sensorelementes verbindbar sind. Zur Integration des Sensorelementes in das Spritzgußteil, weist dieses an seiner Oberfläche eine Vertiefung auf, in die das Sensorelement einsetzbar ist. Hierbei schließt das Senso relement mit seiner ausschließlich den Elektrodenbereich aufweisenden Seite und das Spritzgußteil einen Hohlraum ein, der das Durchflußzellenvolumen bildet, wobei der Hohlraum wenigstens zwei Durchlaßkanäle aufweist, durch die das zu untersu chende Fluid zu- bzw. ableitbar ist.The Senso relement integrated into a flow cell, preferably as a disk-like Injection molded part is formed and two electrical contact areas on its surface che, which has connection or bond wires with the contact areas for the Electrode and counter electrode of the sensor element can be connected. For integration of the sensor element in the injection molded part, this has on its surface Deepening in which the sensor element can be inserted. The Senso closes here relement with its side exclusively containing the electrode area and the injection molded part forms a cavity which forms the flow cell volume, wherein the cavity has at least two passage channels through which to be examined fluid can be fed in or out.

Der besondere Vorteil der Durchflußzelle besteht darin, daß die Durchflußzelle als leicht auswechselbares Modul in eine Meßanordnung implementierbar und aus die ser wieder entnehmbar ist. Insbesondere gewährt die Durchflußzelle durch die bloße Kontaktierung des Sensorelementes mittels Bonddrähten einen spannungsfreien Sitz, der nicht durch Zugspannungen, die beispielsweise über Anschlußdrähte auf das Sensorelement einwirken können, irritiert wird.The particular advantage of the flow cell is that the flow cell as easily replaceable module implementable in a measuring arrangement and from the it can be removed again. In particular, the flow cell grants through the mere Contacting of the sensor element by means of bond wires is a stress-free one Seat that is not due to tensile stresses, for example via connecting wires the sensor element can act irritated.

Die eigentliche elektrische Kontaktierung der Durchflußzelle erfolgt über Kontaktbe reiche, die auf dem Spritzgußteil aufgebracht sind und auf die geeignet ausgestaltete Anschlußkontakte aufsetzbar sind.The actual electrical contacting of the flow cell takes place via Kontaktbe rich, which are applied to the injection molded part and on the suitably designed Connection contacts are attachable.

Da in allen bekannten Meßanordnungen das Einsetzen des Sensorelementes re spektive der, das Sensorelement einschließenden Durchflußzelle mit großem hand werklichen Aufwand verbunden ist, zumal häufig feste Klebeverbindungen und um ständliche Dichtungsmaßnahmen verwendet werden, ist eine gattungsgemäße An ordnung, wie sie bspw. aus der DE 40 13 665 C2 hervorgeht, erfindungsgemäß da durch ausgebildet, daß ein Fluidkanalsystem fluiddicht auf der einen Seite der Durchflußzelle ankoppelbar ist und Anschlußelektroden für eine Signalquelle und eine Meßanordnung mit den elektrischen Kontaktbereichen an der gegenüberliegen den Oberfläche der Durchflußzelle verbindbar sind.Since the insertion of the sensor element re in all known measuring arrangements Spotting the flow cell enclosing the sensor element with a big hand technical effort is connected, especially since fixed adhesive connections and around constant sealing measures are used is a generic type order, as can be seen, for example, from DE 40 13 665 C2, according to the invention formed by that a fluid channel system fluid-tight on one side of the Flow cell can be coupled and connection electrodes for a signal source and a measuring arrangement with the electrical contact areas on the opposite the surface of the flow cell can be connected.

Die Anordnung weist eine Art Schnellwechselgehäuse auf, die aus zwei gegeneinan der festlegbaren Gehäuseteilen zusammengesetzt ist, zwischen denen die Durch flußzelle lediglich in eine entsprechende Vertiefung, die an die Außenkontur der Durchflußzelle angepaßt ist, eingelegt werden kann. Weitere Einzelheiten zu der er findungsgemäßen Anordnung werden in Verbindung mit den Figuren beschrieben.The arrangement has a type of quick-change housing, which consists of two against each other of the definable housing parts is composed, between which the through flow cell only in a corresponding recess that is attached to the outer contour of the Flow cell is adapted, can be inserted. More details on the he Arrangement according to the invention are described in connection with the figures.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is hereinafter without limitation of the general inventions thanks based on exemplary embodiments with reference to the drawings described as an example. Show it:

Fig. 1 Querschnitt und Draufsichtdarstellung piezoelektrischen Resonators, Fig. 1 cross section and plan view of the piezoelectric resonator,

Fig. 2 perspektivische Darstellung der Grundstruktur einer Durchflußzelle, FIG. 2 perspective view of the basic structure of a flow cell,

Fig. 3 schematisierte Querschnittsdarstellung durch ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Schnellwechselgehäuse sowie Fig. 3 schematic cross-sectional view through a quick-change housing designed according to the invention and

Fig. 4 Explosionsdarstellung einer Ausführungsform eines Schnellwechselge häuses. Fig. 4 exploded view of an embodiment of a Schnellwechselge housing.

In Fig. 1 ist im oberen Teil eine Querschnittsdarstellung durch einen beschichteten piezoelektrischen Resonator dargestellt, dessen Kern aus einem Quarzsubstrat 1 besteht. Das als Schwingquarzplättchen ausgebildete Quarzsubstrat 1 ist gemäß Fig. 1 obere Darstellung mit einer Haftschicht 2 weitgehend vollständig mit Ausnahme der beiden offen gelassenen Stellen 6 überzogen. Die Haftschicht 2 besteht aus einer Titan-Wolfram-Legierung und ist ferner mit einer elektrisch leitenden Schicht 3 über zogen, die vorzugsweise aus Gold besteht.In Fig. 1 in the upper part a cross-sectional illustration through a coated piezoelectric resonator whose core consists of a quartz substrate 1. The quartz substrate 1, which is designed as a quartz crystal plate, is largely completely covered with an adhesive layer 2 , as shown in FIG. 1, with the exception of the two locations 6 left open. The adhesive layer 2 consists of a titanium-tungsten alloy and is also coated with an electrically conductive layer 3 , which preferably consists of gold.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die gesamte Unterseite des pie zoelektrischen Resonators mit einer Goldschicht überzogen, die zugleich auch den Elektrodenbereich E definiert. Der Elektrodenbereich E zieht sich über die Ränder des piezoelektrischen Resonators auf die Oberseite des Quarzsubstrats 1 auf der zusätzlich ein Gegenelektrodenbereich G abgeschieden ist, der gegenüber dem Elektrodenbereich E räumlich beabstandet und somit elektrisch isoliert angeordnet ist. Zur Bestimmung von Legionellen in Wasser ist zusätzlich auf der Unterseite des Quarzsubstrats 1 eine auf Legionellen reagierende chemische oder biochemische Schicht 5 aufgebracht, die vorzugsweise als rekombinante Antikörperschicht ausge bildet ist.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the entire underside of the piezoelectric resonator is coated with a gold layer which also defines the electrode region E. The electrode region E extends over the edges of the piezoelectric resonator onto the upper side of the quartz substrate 1, on which a counter-electrode region G is additionally deposited, which is spatially spaced from the electrode region E and is thus arranged in an electrically insulated manner. To determine Legionella in water, a chemical or biochemical layer 5 which reacts to Legionella is additionally applied to the underside of the quartz substrate 1 and is preferably formed as a recombinant antibody layer.

Eine vorteilhafte flächige Anordnung von Elektrodenbereich E und Gegenelektroden bereich G auf der Oberseite des piezoelektrischen Resonators ist aus der unteren Darstellung gemäß Fig. 1 zu entnehmen. Zusätzlich weist der mittige Gegenelektro denbereich G einen stegartigen Absatz 4 auf, durch den ein Bereich zur elektrischen Kontaktierung mittels Bonddrähte vorgegeben ist. Neben der bloßen räumlichen Be abstandung zwischen Elektrodenbereich E und Gegenelektrodenbereich G kann der Zwischenraum ZW mit elektrisch isolierendem Material aufgefüllt werden, um Kurz schlußeffekte, die beispielsweise durch Feuchtigkeit auftreten können, vollständig auszuschließen.An advantageous planar arrangement of the electrode area E and the counter-electrode area G on the upper side of the piezoelectric resonator can be seen from the lower illustration according to FIG. 1. In addition, the central counterelectrode region G has a web-like shoulder 4 , through which an area for electrical contacting by means of bond wires is predetermined. In addition to the mere spatial spacing between the electrode area E and the counter electrode area G, the intermediate space ZW can be filled with electrically insulating material in order to completely rule out short-circuiting effects which can occur, for example, due to moisture.

Zwar ist in Fig. 1 ein rundes Schwingquarzplättchen dargestellt, doch sind auch da von abweichende Geometrien, beispielsweise rechteckige Formen, denkbar.Although a round quartz crystal plate is shown in FIG. 1, other geometries, for example rectangular shapes, are also conceivable there.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Spritzgußteil 7 zur Realisierung ei ner Durchflußzelle dargestellt, das sowohl aus herstellungstechnischen Gründen so wie aus Gründen der chemischen Beständigkeit aus Kunststoff vorzugsweise aus Polyaryletherketon hergestellt ist. Insbesondere bietet der Kunststoff PEEK einerseits bei dünnen Schichten akzeptable Wärmeübergänge und zum anderen ist er che misch beständig, warmfest bis 300°C und gut zu bearbeiten.In Fig. 2, an injection molded part 7 designed according to the invention for realizing egg ner flow cell is shown, which is preferably made of polyaryl ether ketone for manufacturing reasons as well as for reasons of chemical resistance from plastic. In particular, the plastic PEEK offers acceptable heat transfer for thin layers on the one hand and on the other hand it is chemically resistant, heat-resistant up to 300 ° C and easy to work with.

Der mittels Spritzgußverfahren herstellbare Formkörper gemäß Fig. 2 sieht auf seiner Oberfläche 8 zwei Vertiefungen 9, 10 vor, in die zur elektrischen Kontaktierung Kontaktflächen, vorzugsweise goldbesputterte Siliziumplättchen (nicht in der Figur dargestellt) eingeklebt werden können.The producible by injection molding shaped bodies according to FIG. 2, provides on its surface 8 two grooves 9, 10 (not shown in the figure) in the contact surfaces for electrical contacting, preferably goldbesputterte silicon wafers may be bonded.

Mittig in dem Formkörper ist eine Vertiefung 11 eingearbeitet, die für das Einlegen des vorstehend beschriebenen Sensorelementes geeignet ist. In der Vertiefung 11 ist zudem eine Struktur eingearbeitet, die einen umlaufenden Auflagesteg 12 vorsieht, der ringförmig über eine innere Fläche 13, die der Auflagesteg 12 umschließt, empor ragt. Im Bereich der inneren Fläche 13 sind zwei Durchgangskanäle 14 und 15 ein gearbeitet, durch die das zu untersuchende Wasser zu- bzw. ableitbar ist. Bündig auf den Auflagesteg 12 ist ein nicht in der Fig. 2 dargestelltes Schwingquarzplättchen aufgelegt, das seitlich durch drei Führungsbegrenzungen 16 mittig in der Vertiefung 11 auf dem Auflagesteg 12 zentriert wird. Das auf dem Auflagesteg 12 aufliegende Sensorelement wird mit geeignetem Klebstoff fest fixiert, wobei überschüssiger Kleb stoff in die peripher um den Auflagesteg 12 umlaufende Nut 17 abfließen kann. Das Sensorelement schließt in dieser Anordnung einen sich zwischen der Unterseite des Schwingquarzplättchens und der inneren Fläche 13 bildenden Hohlraum ein, der die Durchflußzellenkammer bildet. Auf der gegenüberliegenden Oberseite des Senso relementes werden die Elektroden und Gegenelektrodenbereiche mittels Bonddräh ten mit den elektrischen Kontaktflächen 9 und 10 verbunden. Durch die relativ groß flächig ausgestalteten Kontaktflächen 9 und 10 bieten diese relativ robuste elektri sche Anschlußmöglichkeiten, die als auf die Kontaktbereiche aufsetzbare An schlußelektroden ausgebildet sind.A recess 11 is machined in the center of the molded body and is suitable for inserting the sensor element described above. In addition, a structure is incorporated in the recess 11 , which provides a circumferential support web 12 which projects in a ring shape over an inner surface 13 which the support web 12 encloses. In the area of the inner surface 13 , two through channels 14 and 15 are worked through, through which the water to be examined can be supplied or discharged. A quartz crystal plate, not shown in FIG. 2, is placed flush on the support web 12 and is centered laterally by three guide delimiters 16 in the center of the recess 11 on the support web 12 . The sensor element resting on the support web 12 is firmly fixed with a suitable adhesive, excess adhesive material being able to flow into the groove 17 running peripherally around the support web 12 . In this arrangement, the sensor element encloses a cavity which forms between the underside of the quartz crystal plate and the inner surface 13 and forms the flow cell chamber. On the opposite top of the sensor element, the electrodes and counter-electrode regions are connected to the electrical contact surfaces 9 and 10 by means of bond wires. Due to the relatively large area contact surfaces 9 and 10 , they offer relatively robust electrical connection options which are designed as connection electrodes that can be placed on the contact areas.

Unabhängig vom mechanischen Anpreßdruck etwaiger Anschlußelektroden auf den elektrischen Kontaktbereichen 9 und 10 verbleibt die elektrische Kontaktierung des eingeklebten Sensorelementes frei von äußeren mechanischen Spannungen, da das Sensorelement ausschließlich mittels feinster Bonddrähte kontaktiert ist. Regardless of the mechanical contact pressure of any connection electrodes on the electrical contact areas 9 and 10 , the electrical contacting of the glued sensor element remains free of external mechanical stresses, since the sensor element is contacted only by means of the finest bonding wires.

Die in Fig. 2 dargestellte Durchflußzelle ist als modulares Einbauelement zu be trachten. Die Durchflußzelle gestattet einen schnellen Ein- bzw. Ausbau aus einer Meßanordnung, die im folgenden beschrieben wird und kann darüber hinaus als Verbrauchsmaterial bzw. als Einwegartikel verstanden werden.The flow cell shown in Fig. 2 is to be considered as a modular installation element. The flow cell allows rapid installation and removal from a measuring arrangement, which is described below, and can also be understood as a consumable or as a disposable item.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Meßanordnung zum Messen der Konzentration von in Wasser vorhandenen Legionellen dargestellt. Die Anordnung besteht aus zwei Gehäuseteilen 19, 20, die über ein Scharniergelenk 21 gegenein ander schwenkbar verbunden sind. Das obere Gehäuseteil 19 sieht darüber hinaus eine Schließvorrichtung in Form eines Schließhakens 22 vor, durch den das obere Gehäuseteil 19 mit dem unteren Gehäuseteil 20 fest gegeneinander gelagert werden kann. Das untere Gehäuseteil 20 ist mit einem Flüssigkeitskanalsystem 23 ausge stattet, durch dessen einen Kanal das zu untersuchende Wasser dem Gehäuseteil 20 zugeführt und über den anderen Kanal das Wasser aus dem Gehäuseteil abge führt werden kann. Ferner sieht das untere Gehäuseteil eine Ausnehmung 24 vor, die paßgenau an die äußere Kontur der mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichneten Durchflußzelle ausgeformt ist. Bündig mit den in der Durchflußzelle 18 eingearbeite ten Durchgangskanäle 14, 15 sind die Öffnungen 25, 26 des Fluidkanalsystems 23 in dem unteren Gehäuseteil 20 eingearbeitet. Zur fluiddichten Verbindung zwischen dem unteren Gehäuseteil 20 und der Durchflußzelle 18 sind jeweils Dichtungsringe 27 vorgesehen.In Fig. 3, a preferred embodiment of a measuring device is shown for measuring the concentration of water present in Legionella. The arrangement consists of two housing parts 19 , 20 which are pivotally connected to each other via a hinge joint 21 . The upper housing part 19 also provides a locking device in the form of a locking hook 22 , through which the upper housing part 19 with the lower housing part 20 can be firmly supported against one another. The lower housing part 20 is equipped with a liquid channel system 23 , through one channel of which the water to be examined is supplied to the housing part 20 and the water can be discharged from the housing part via the other channel. Furthermore, the lower housing part provides a recess 24 which is shaped to fit the outer contour of the flow cell identified by the reference number 18 . Is flush with the work in the flow cell 18 th passage channels 14, 15, the openings 25, 26 of the fluid channel system 23 are incorporated in the lower housing part 20th Sealing rings 27 are provided for the fluid-tight connection between the lower housing part 20 and the flow cell 18 .

Die Durchflußzelle 18 besteht wie im vorgeschilderten Fall unter Bezugnahme auf Fig. 2 aus einem Spritzgußteil in das jeweils zwei elektrische Kontaktbereiche 9, 10 eingearbeitet sind, die über Bonddrähte 28 mit den Elektroden bzw. Gegenelektro denbereichen auf dem Sensorelement 29 elektrisch verbunden sind. Das Senso relement 29 schließt mit der Durchflußzelle ein Durchflußzellenvolumen 30 ein, in dem das zu untersuchende Fluid mit der Unterseite des Sensorelementes 29 in Kontakt tritt, wodurch das Resonanzverhalten des Sensorelementes beeinflußt wird. The flow cell 18 consists, as in the aforementioned case with reference to FIG. 2, from an injection molded part into which two electrical contact regions 9 , 10 are incorporated, which are electrically connected to the electrodes or counterelectrode regions on the sensor element 29 via bond wires 28 . The senso element 29 includes a flow cell volume 30 with the flow cell, in which the fluid to be examined comes into contact with the underside of the sensor element 29 , thereby influencing the resonance behavior of the sensor element.

Die in die Ausnehmung 24 eingelegte Durchflußzelle 18 wird mittels als Federkon takte ausgebildete Anschlußelektroden 31, die mit dem oberen Gehäuseteil 19 ver bunden sind, kontaktiert. Durch entsprechendes Verriegeln beider Gehäuseteile 19 und 20 gegeneinander mittels des Schließhakens 22 wird zum einen die Durchfluß zelle fluiddicht von oben gegen die Dichtungen 27 gepreßt und zugleich mit Hilfe der Federkontakte 31 elektrisch kontaktiert.The flow cell 18 inserted into the recess 24 is contacted by means of connecting electrodes 31 designed as a spring contact, which are connected to the upper housing part 19 , connected. By appropriately locking both housing parts 19 and 20 against each other by means of the locking hook 22 , the flow cell is pressed fluid-tight from above against the seals 27 and at the same time electrically contacted with the aid of the spring contacts 31 .

Die Meßanordnung gewinnt insbesondere dadurch an Attraktivität, da durch einfa ches Verschwenken und Verriegeln beider Gehäuseteile gegeneinander die Durch flußzelle betriebssicher in der Anordnung integriert werden kann. Nach Vollendung einer Messung ist die Durchflußzelle durch Entnehmen aus der Meßanordnung ein fach und kostengünstig durch das Implementieren einer neuen, unverbrauchten Durchflußzelle zu ersetzen. Die Meßanordnung ist quasi als Schnellwechselmeßge häuse ausgebildet, das es gestattet eine Vielzahl von Durchflußzellen in unmittelba rer Meßabfolge ohne großen Wechselaufwand gegeneinander auszutauschen.The measuring arrangement is particularly attractive because it is simple Ches pivoting and locking the two housing parts against each other the through flow cell can be safely integrated into the arrangement. After completion the flow cell is a measurement by removing it from the measuring arrangement professional and inexpensive by implementing a new, unused Flow cell to replace. The measuring arrangement is quasi as a quick change measurement housing designed that allows a variety of flow cells in immediate rer measurement sequence to exchange with each other without much effort.

Aus Fig. 4 ist eine detailliertere Darstellung des vorstehend beschriebenen Schnellwechselgehäuses im Rahmen einer Explosionsdarstellung gezeigt. Das un tere Gehäuseteil 19, ist aus einer Vielzahl einzelner Komponenten zusammenge setzt: Eine Trägerplatte 32, an der das Scharniergelenk 21 angelenkt ist, dient zur Aufnahme eines Kühlkörpers 33 sowie einer Grundplatte 34. Außerdem besitzt die Trägerplatte 32 Ausfräsungen für die Aufnahme einer Heiz-/Kühleinrichtung 35, die vorzugsweise als Peltierelement ausgebildet ist. Der Kühlkörper 23 sowie die Grund platte 34 sind mit der dazwischen liegenden Heiz-/Kühleinrichtung 35 durch die Trä gerplatte 32 miteinander fest verschraubt. Die Grundplatte 34 besitzt an ihrer Ober seite eine Ausnehmung für die Aufnahme der Durchflußzelle 18 sowie eine Vertie fung zur erleichterten Entnahme der Durchflußzelle 18 aus der Grundplatte 34. Die Zu- und Ableitungen des Flüssigkeitskanalsystems 23 sind hinter der Grundplatte 34 angebracht und münden in den Durchgangskanälen 14 und 15, die symmetrisch in der Durchflußzelle eingebracht sind. From Fig. 4 is a more detailed illustration is shown of the quick-change frame housing in an exploded view above. The lower housing part 19 is composed of a large number of individual components: a carrier plate 32 , to which the hinge joint 21 is articulated, serves to accommodate a heat sink 33 and a base plate 34 . In addition, the carrier plate 32 has cutouts for receiving a heating / cooling device 35 , which is preferably designed as a Peltier element. The heat sink 23 and the base plate 34 are screwed together with the intermediate heating / cooling device 35 by the Trä gerplatte 32 . The base plate 34 has on its upper side a recess for receiving the flow cell 18 and a Vertie tion for easier removal of the flow cell 18 from the base plate 34th The supply and discharge lines of the liquid channel system 23 are mounted behind the base plate 34 and open into the through channels 14 and 15 , which are introduced symmetrically in the flow cell.

Das obere Gehäuseteil 19 besteht aus einer Druckplatte 36, einem Oszillator 37 der als Signalquelle zum Betrieb des piezoelektrischen Resonators dient mit zugehöri gem Gehäuse 38, einem Deckel 39, dem Schließhaken 22 sowie zugehörigen Hal teelementen 40 und 41.The upper housing part 19 consists of a pressure plate 36 , an oscillator 37 which serves as a signal source for the operation of the piezoelectric resonator with associated housing 38 , a cover 39 , the locking hook 22 and associated Hal teelemente 40 and 41st

Das Oszillatorgehäuse 38 dient überdies als Aufnahme für die Druckplatte 36, die von unten an das Oszillatorgehäuse angebracht ist, sowie zum Anbringen der Halte rungen 40 und 41.The oscillator housing 38 also serves as a receptacle for the pressure plate 36 , which is attached from below to the oscillator housing, and for attaching the stanchions 40 and 41st

Zum Einlegen der Durchflußzelle 18 wird die Meßanordnung über den Schließhaken 22 entriegelt und das obere Gehäuseteil 19 bis zum Anschlag geöffnet. Anschlie ßend wird die entsprechend präparierte Durchflußzelle vorzugsweise mit Hilfe einer Pinzette in die vorgesehene Ausnehmung in der Grundplatte eingelegt. Beim Schlie ßen der Vorrichtung wird die Durchflußzelle über zwei Federkontakte, die vom Os zillator 37 durch das Gehäuse 38 und die Grundplatte 37 durchgeführt sind, kontak tiert. Die fluidische Abdichtung der Durchflußzelle 18 gegen die Grundplatte 35 er folgt durch den entstehenden Druck auf die Dichtringe 27 (s. hierzu Fig. 5 in der Grundplatte). Zum Verschließen der Meßanordnung wird der Schließhaken 22 soweit nach unten gedrückt, bis er in eine entsprechende Rasterung einrastet.To insert the flow cell 18 , the measuring arrangement is unlocked via the locking hook 22 and the upper housing part 19 is opened until it stops. The appropriately prepared flow cell is then inserted into the provided recess in the base plate, preferably with the aid of tweezers. When closing the device, the flow cell is contacted via two spring contacts, which are carried out by the oscillator 37 through the housing 38 and the base plate 37 . The fluidic sealing of the flow cell 18 against the base plate 35 it follows from the pressure created on the sealing rings 27 (see. Fig. 5 in the base plate). To close the measuring arrangement, the locking hook 22 is pressed down until it engages in a corresponding grid.

Vorteil dieses Aufbaus ist die schnelle Austauschbarkeit und die einfache Handha bung der Durchflußzelle. Die Einströmöffnung in der Grundplatte ist soweit von der eigentlichen Meßzelle entfernt, daß eine Drift der Oszillatorfrequenz durch thermi sche Spannungen minimiert werden kann. Außerdem ist durch die Gestaltung der Meßanordnung gewährleistet, daß das zu untersuchende Wasser einen ausreichend langen Weg durch die durch die Heiz- und Kühleinrichtung temperierte Grundplatte durchläuft, um einen nötigen Temperaturausgleich für stabile Messungen zu erfah ren. The advantage of this construction is the quick interchangeability and the simple handling Exercise the flow cell. The inflow opening in the base plate is as far from the actual measuring cell removed that a drift of the oscillator frequency by thermi stresses can be minimized. In addition, the design of the Measuring arrangement ensures that the water to be examined is sufficient long way through the base plate tempered by the heating and cooling device runs through, in order to experience a necessary temperature compensation for stable measurements ren.

Reference list

11

Quarzsubstrat
Quartz substrate

22nd

Haftschicht
Adhesive layer

33rd

elektrisch leitende Schicht
electrically conductive layer

44th

stegartiger Absatz
web-like heel

55

chemische oder biochemische Schicht
chemical or biochemical layer

66

offene Stelle
vacancy

77

Spritzgußteil
Injection molded part

88th

Oberfläche des Spritzgußteils
Surface of the injection molded part

99

Vertiefung für elektrische Kontaktflächen
Recess for electrical contact areas

1010th

Vertiefung für elektrische Kontaktflächen
Recess for electrical contact areas

1111

Vertiefung
deepening

1212th

Auflagesteg
Footbridge

1313

innere Fläche
inner surface

1414

Durchgangskanal
Through channel

1515

Durchgangskanal
Through channel

1616

Führungsbegrenzung
Leadership limitation

1717th

Nut
Groove

1818th

Durchflußzelle
Flow cell

1919th

Oberes Gehäuseteil
Upper part of the housing

2020th

Unteres Gehäuseteil
Lower part of the housing

2121

Scharniergelenk
Hinge joint

2222

Schließhaken
Locking hook

2323

Fluidkanalsystem
Fluid channel system

2424th

Ausnehmung
Recess

2525th

Öffnung des Flüssigkeitskanalsystem
Opening of the liquid channel system

2626

Öffnung des Flüssigkeitskanalsystem
Opening of the liquid channel system

2727

Dichtringe
Sealing rings

2828

Bonddrähte
Bond wires

2929

Sensorelement
Sensor element

3030th

Durchflußzellenvolumen
Flow cell volume

3131

Federkontakt
Spring contact

3232

Trägerplatte
Carrier plate

3333

Kühlkörper
Heatsink

3434

Grundplatte
Base plate

3535

Heiz-/Kühleinrichtung
Heating / cooling device

3636

Druckplatte
printing plate

3737

Oszillator
oscillator

3838

Oszillatorgehäuse
Oscillator housing

3939

Deckel
cover

4040

, ,

4141

Halteelemente
E Elektrodenbereich
G Gegenelektrodenbereich
ZW Zwischenraum
A Absatz
Holding elements
E electrode area
G counter electrode area
ZW space
A paragraph

Claims

1. Arrangement for detecting the concentration of Le gionella present in water, using a sensor element with

- A flat-shaped piezoelectric resonator, the first side of which only provides an electrode area, which is electrically conductively connected to an electrode area on the second side of the piezoelectric resonator, on which an electrode region is provided in an electrically insulated manner from the electrode area, the electrode area on the first side of the piezoelectric resonator is coated with a chemical or biochemical layer reacting to Legionella and the electrode and counterelectrode region on the second side can be connected to a signal source and a measuring arrangement in such a way that the electrode and counterelectrode region only from the second side of the piezoelectric Resona tors are electrically contactable by means of connecting electrodes,
- A flow cell into which the sensor element can be integrated with a surface having two electrical contact areas, which can be connected to the contact areas for the electrode and counterelectrode of the sensor element via connecting or bonding wires, and
- A liquid channel system to which the flow cell can be coupled in a fluid-tight manner.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that a housing is provided which two against each other which has definable housing parts between which the flow cell introduces bar and is fluid-tight to the liquid channel provided in a housing part stem can be coupled, the flow cell in the Ge provided with the liquid channel system part of the housing can be removed so that a fluid-tight coupling of the Liquid channel system to the through channels of the flow cell by means of you is possible and the other housing part has the connection electrodes which on the electri rule contact areas of the flow cell can be placed, and by setting both housing parts against each other the flow cell relative to Liquid channel system and fixable to the connection electrodes.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the connecting electrodes are constructed as spring contacts det.

4. Arrangement according to one of claims 2 or 3, characterized in that the Ge having the liquid channel system part of the housing provides a recess adapted to the contour of the flow cell, in which the flow cell can be inserted.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the housing comprising the liquid channel system partly thermally to a temperature sensor and / or to a heating / cooling device is coupled.

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the heating / cooling device is a Peltier element.

7. Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the liquid channel system at least section is thermally coupled to the heating / cooling device.

8. Arrangement according to one of claims 2 to 7, characterized in that both housing parts pivotable about an axis with are connected.

9. Arrangement according to one of claims 2 to 8, characterized in that the other housing part, which the connection electrodes has, for the liquid-tight pressing of the flow cell against the liquid channel system a pressure plate, the signal source and a locking device points.

10. Arrangement according to claim 9, characterized in that the locking device as a locking hook with coulter nier is formed, the two housing parts releasably firmly against each other.

11. Arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the biochemical layer is an antibody layer.

12. Arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the flow cell as a recess in a Kör is formed by, on which the sensor element can be applied and with the flow cell encloses a cavity which with at least two through the flow cell abutting through channels is connected through which the fluid to be examined can be supplied or derived.

13. Arrangement according to claim 12, characterized in that the recess is circular.

14. Arrangement according to claim 12 or 13, characterized in that a circumferential in the surface of the flow cell Support web is incorporated, on which the sensor element can be applied.

15. Arrangement according to one of claims 12 to 14, characterized in that in the recess of the flow cell at least two lateral guide limits are provided, which the sensor element on the Center the surface.

16. Use of the arrangement according to one of claims 1 to 15 for after white of legionella.