DE3727805A1 - Chemische sensoreinrichtung mit einem feldeffekttransistor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine chemische Fühl- bzw. Sensoreinrichtung, in der ein Feldeffekttransistor verwendet wird bzw. vorgesehen ist.

Kürzlich hat eine biologische Detektionseinrichtung, ein sogenannter "Biofühler bzw. -sensor" auf dem Gebiet der medizinischen und gesundheitlichen Vorsorge, Fürsorge, Betreuung etc. Beachtung gefunden, und die Entwicklung desselben ist vorangetrieben worden. Der Biofühler bzw. -sensor ist grundsätzlich aus zwei wesentlichen Teilen zusammengesetzt bzw. aufgebaut, nämlich einem biochemi­ schen Rezeptor (der abgekürzt auch als BR bezeichnet wird), wie beispielsweise immobilisierte Enzyme auf Membranen, Antikörper oder Mikroorganismen, und einem elektronischen Meßwandler (der abgekürzt auch als ET bezeichnet wird). Der biochemische Rezeptor reagiert chemisch mit einer zu detektierenden Substanz, und der elektronische Meßwandler setzt die chemische Reaktion in ein meßbares elektrisches Signal um. Als elektronische Meßwandler wurden klassische Halbzellen, d. h. Elektroden, verwendet, jedoch ist ihre Leistungsfähigkeit für die Verwendung als Biosensor bzw. in einem Biosensor nicht genügend. Demgemäß wird erwartet, daß Halbleiterelemente entwickelt werden.

Es sei hier darauf hingewiesen, daß aus Gründen der Ab­ kürzung in der nachfolgenden Beschreibung und in den Patentansprüchen der Begriff "Biosensor" zusammenfassend für die Begriffe "Biofühler, Biomeßwertgeber, Bioaufnehmer, Biomeßfühler, Biosensor o. dgl." verwendet wird.

Beispiele von Halbleiterelementen, die entwickelt worden sind, umfassen einen Feldeffekttransistor (nachstehend als "FET" abgekürzt), einen Metall-Isolator-Halbleiter (für den auch die Abkürzung MIS verwendet wird), und dergleichen. Da der Feldeffekttransistor im Hinblick auf die Zusammen­ setzung bzw. den Aufbau und die Miniaturisierung von Vor­ teil ist, wurde in den letzten Jahren in einer schnellen Entwicklung ein ionenempfindlicher Feldeffekttransistor (der hier auch als "ISFET" abgekürzt wird) entwickelt, welcher durch Kombinieren eines Feldeffekttransistors als elektronischer Meßwandler mit einer ionenempfindlichen Membrane ausgebildet worden ist. Weiter wurde ein Biosensor oder ein biochemischer Feldeffekttransistor untersucht, der eine Membrane hat, die eine biologisch aktive Substanz immobilisiert. Ein Feldeffekttransistor hat jedoch eine Lichtempfindlichkeit, die durch die Licht-Leitfähigkeit bzw. die lichtinduzierte bzw. -beeinflußte Leitfähigkeit von Silizium verursacht wird. Demgemäß ist eine Dunkel­ kammer oder ein Dunkelkasten bzw. -behälter bei den Mes­ sungen notwendig, bei denen ein ionenempfindlicher Feld­ effekttransistor oder dergleichen verwendet wird, so daß infolgedessen der Meßbetrieb bzw. -vorgang mühsam, um­ ständlich, störend, lästig und beschwerlich ist.

Es sei nun ein kurzer Abriß der vorliegenden Erfindung ge­ geben:

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Notwendig­ keit einer Dunkelkammer oder eines Dunkelkastens bzw. -behälters bei Messungen auszuschalten, bei denen ein ionen- oder molekülempfindlicher Sensor verwendet wird, worin der vorerwähnte Feldeffekttransistor als ein elek­ tronischer Meßwandler vorgesehen ist, so daß dadurch auf­ grund der Erfindung der Meßbetrieb oder -vorgang einfach und leistungsfähig bzw. effizient gemacht wird.

Zum Erreichen des vorstehenden Ziels der Erfindung wird erfindungsgemäß ein chemischer Sensor (der Begriff Sensor soll allein oder in zusammengesetzten Worten insbesondere die Begriffe Fühler, Meßwertgeber, Aufnehmer, Meßfühler, Sensor o. dgl. umfassen) bzw. eine chemische Sensorein­ richtung unter Verwendung eines Feldeffekttransistors zur Verfügung gestellt, der bzw. die Mittel bzw. eine Einrich­ tung umfaßt, welche es einer extern zugeführten Proben­ flüssigkeit ermöglichen bzw. ermöglicht, von außen her einen Detektionsteil des Feldeffekttransistorsensors zu erreichen, welche es jedoch im wesentlichen verhindern bzw. verhin­ dert, daß äußeres Licht wenigstens einen Feldeffekttran­ sistorteil des Feldeffekttransistorsensors erreicht. Die Bedeutung der Worte "welche es im wesentlichen verhindern bzw. verhindert, daß Licht einen Feldeffekttransistorteil erreicht" ist die, daß die Intensität des Lichts an dem Feldeffekttransistorteil soweit vermindert ist, daß sie unter 1/20, vorzugsweise unter 1/100, im Vergleich mit der Lichtintensität an der Oberfläche des Gehäuses herabge­ setzt ist.

Der chemische Sensor bzw. die chemische Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen chemischen Rezeptor zum chemischen Reagieren einer spezifischen Sub­ stanz in einer Probenflüssigkeit bzw. für die chemische Reaktion mit einer spezifischen Substanz in einer Proben­ flüssigkeit, einen Feldeffekttransistor, der zum Umwandeln der chemischen Reaktion in ein meßbares elektrisches Si­ gnal mit dem chemischen Rezeptor verbunden ist, ein licht­ abschirmende Eigenschaften besitzendes Gehäuse zum In­ stallieren des chemischen Rezeptors und des Feldeffekt­ transistors darin, wobei das Gehäuse eine Öffnung zum Auf­ nehmen und Führen der extern in das Gehäuse zugeführten Probenflüssigkeit hat, und eine Lichtabschirmungseinrich­ tung oder ein lichtabschirmendes Mittel, welche bzw. wel­ ches es der Probenflüssigkeit gestattet, den chemischen Rezeptor zu erreichen, und welche bzw. welches es im we­ sentlichen verhindert, daß äußeres Licht den Feldeffekt­ transistor erreicht.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung seien nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzug­ ter Ausführungsformen eines chemischen Sensors bzw. einer chemischen Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfin­ dung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1A, 2A, 3B, 5A und 6A Aufsichten auf einen chemischen Sensor bzw. eine chemische Sensoreinrichtung ge­ mäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3A und 7A Aufrißansichten des chemischen Sensors bzw. der chemischen Sensoreinrichtung gemäß der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 1B, 2B, 3C, 4A, 5B, 6B und 7B Schnittansichten des chemischen Sensors bzw. der chemischen Sensor­ einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3D, 4B, 5C, 6C und 6D Aufsichten, die einen Teil des chemischen Sensors bzw. der chemischen Sensor­ einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ver­ anschaulichen.

Es sei nun eine in nähere Einzelheiten gehende Beschreibung der Erfindung gegeben:

Spezifische Beispiele der Einrichtung oder des Mittels ge­ mäß der vorliegenden Erfindung, die bzw. das es einer Probenflüssigkeit ermöglicht, den Detektionsteil des Feld­ effekttransistor-Sensors zu erreichen, jedoch verhindert, daß Licht den Feldeffekttransistor-Teil erreicht, sind die folgenden:

(1) Der Feldeffekttransistor-Sensor ist in einer lichtab­ schirmenden Baueinheit untergebracht (der Begriff "Bau­ einheit" soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Patentansprüche als abkürzend gebrauchter Begriff die folgenden Begriffe umfassen: "Packung, Baugruppe, Aufbau, Umschließung, Gehäuse, Baueinheit, insbesondere betriebs­ fertige Baueinheit, o. dgl."), die einen Öffnungsteil hat, der mit einem chemischen Rezeptor ver­ bunden ist, wobei der Öffnungsteil mit einem Lichtab­ sorptions- jedoch Flüssigkeitsdurchlässigkeitsteil bzw. mit einem lichtabsorbierenden, jedoch flüssigkeitsdurch­ lässigen Teil bedeckt ist.

Das flüssigkeitsdurchlässige Teil kann homogen oder hetero­ gen sein, so daß es insbesondere eine Dispersion bildet, die eine diskontinuierliche Phase enthält, oder es kann porös sein.

Zum Beispiel wird das homogene flüssigkeitsdurchlässige Teil von einem hydrophilen Polymer gebildet, das einen lichtabsorbierenden Farbstoff enthält. Ein typisches bzw. bevorzugtes Beispiel eines homogenen flüssigkeitsdurch­ lässigen Teils ist eine Gelatinemembran, die einen wasser­ löslichen Farbstoff, wie beispielsweise Oxonolfarbstoff, enthält.

Es ist zu bevorzugen, daß die disperse Phase lichtabsor­ bierende Teilchen enthält. Ein typisches bzw. bevorzugtes Beispiel eines flüssigkeitsdurchlässigen Teils mit disper­ ser Phase ist eine Gelatinemembran, die Ruß- bzw. Karbon­ black enthält. Weiter kann Farbstoff und dergleichen in der kontinuierlichen Phase enthalten sein.

Das poröse flüssigkeitsdurchlässige Teil kann aus licht­ absorbierendem Material ausgebildet sein, das Poren hat, oder es kann aus Material ausgebildet sein, welches Poren aufweist und als solches nicht lichtabsorbierend ist, jedoch lichtabsorbierende Teilchen enthält. Zum Beispiel kann das flüssigkeitsdurchlässige Teil in der Weise ausgebildet sein, daß es Ruß- bzw. Karbonblack in der festen Phase enthält und/oder Poren von porösem Celluloseacetat, das durch ein Phasentrennverfahren oder dergleichen hergestellt ist; insbesondere kann das flüssigkeitsdurchlässige Teil aus dem erwähnten porösen Celluloseacetat hergestellt sein, dessen Poren Ruß bzw. Karbonblack enthalten, insbesondere in der Weise, daß die Porenwände mit Ruß bzw. Karbonblack beschichtet sind.

Es ist nicht immer notwendig, daß alle Teile des flüssig­ keitsdurchlässigen Teils lichtabsorbierend sind, vielmehr ist es auch möglich, daß nur ein Teil, der sich in der Nähe des Feldeffekttransistor-Sensors befindet, und/oder ein Teil, der entfernt bzw. fern von dem Feldeffekttran­ sistor-Sensor ist, lichtabsorbierend ist.

(2) Der Feldeffekttransistor-Sensor ist in einer Baueinheit untergebracht, die es der von außen zugeführten Proben­ flüssigkeit gestattet, den chemischen Rezeptor des Feld­ effekttransistor-Sensors zu erreichen, jedoch im wesent­ lichen verhindert, daß Licht den Feldeffekttransistor-Teil des Feldeffekttransistor-Sensors erreicht.

Es seien nun nachstehend bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in näheren Einzelheiten unter Bezug­ nahme auf die Figuren der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1A ist eine Aufsicht, die eine erste Ausführungsform eines Feldeffekttransistor-Sensors bzw. einer Feldeffekt­ transistor-Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Er­ findung veranschaulicht, während Fig. 1B eine Schnittan­ sicht eines Schnitts längs der Linie U-U′ der Fig. 1A ist. Nach Fig. 1B hat der Feldeffekttransistor 1 einen Source- Bereich 1 a, einen Drain-Bereich 1 b und ein Gate 1 c. Auf der Oberfläche des Gates 1 c ist ein chemischer Rezeptor 2 vorgesehen. Der chemische Rezeptor 2 ist z. B. eine immo­ bilisierte Enzymmembran bzw. eine Membran, die immobili­ siertes Enzym aufweist. Der Feldeffekttransistor 1 ist zwischen einem unteren Rahmen 3 und einem oberen Rahmen 4 gehaltert, wobei jeder dieser Rahmen lichtabschirmende Eigenschaften hat (so daß sich insgesamt aus den beiden Rahmen 3 und 4 ein mit Ausnahme der verbleibenden Öffnung in der oberen Oberfläche des Rahmens 4 auf die nachstehend noch näher eingegangen ist, ein lichtdichtes Gehäuse für den Feldeffekttransistor 1 ergibt). Der lichtabschirmende untere und obere Rahmen 3 und 4 ist z. B. aus Polystyrol hergestellt, das 4 Gew.-% Ruß bzw. Karbonblack in der Form einer Dispersion enthält, diese beiden Rahmen sind in en­ gem bzw. dichtem Kontakt miteinander (der untere und der obere Rahmen können zu einem Körper vereinigt sein). Der obere Rahmen 4 hat eine Öffnung in seiner oberen Ober­ fläche, und diese Öffnung ist mit dem chemischen Rezeptor 2 des Sensors in Verbindung. Die Öffnung ist mit einem flüssigkeitsdurchlässigen und lichtabsorbierenden porösen Teil 7 a bedeckt, wie beispielsweise Baumwollstoff, insbe­ sondere Baumwollgewebe, Baumwollgestrick oder -gewirk, un­ gewebter Faserstoff aus langfasrigen Cellulosefasern, oder dergleichen, und zwar getränkt in oder beschichtet mit einer opaken bzw. lichtundurchlässigen Pigmentlösung. Die Probenflüssigkeit kann durch das poröse Teil 7 a perme­ ieren bzw. hindurchdringen, jedoch kann das Licht nicht durch das poröse Teil 7 a hindurchdringen, so daß das Licht den Feldeffekttransistor-Teil des Sensors bzw. der Sensor­ einrichtung nicht erreichen kann. Das poröse Teil 7 a muß chemisch inaktiv bezüglich der Probenflüssigkeit sein. Wenn die Probenflüssigkeit ihren Ursprung in einem lebenden Körper hat, muß das poröse Teil 7 a biochemisch inaktiv sein. Wenn die Probenflüssigkeit Blut ist, dann ist es zu bevor­ zugen, daß das poröse Teil 7 a aus einem Material herge­ stellt ist, das frei von Hämolyse ist bzw. keine hämoly­ tischen Eigenschaften hat. Mit den Bezugszeichen 1 d und 1 e sind Anschlüsse für den elektrischen Anschluß des Source- und Drain-Bereichs des Feldeffekttransistors 1 bezeichnet.

Fig. 2A ist eine Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer betriebsfertigen Feldeffekttransistor-Sensor-Bau­ einheit, während Fig. 2B eine Schnittansicht eines Schnitts längs der Linie V-V′ der Fig. 2A ist. Gemäß den Fig. 2A und 2B hat der Feldeffekttransistor 11 einen Source-Be­ reich 11 a, einen Drain-Bereich 11 b und ein Gate 11 c. Auf der Oberfläche des Gates 11 c ist ein chemischer Rezeptor 12 vorgesehen. Der chemische Rezeptor ist zum Beispiel eine immobilisierte Enzymmembran bzw. eine Membran mit immobilisiertem Enzym. Der Feldeffekttransistor 11 ist zwischen einem unteren Rahmen 13 und einem oberen Rahmen 14 gehaltert, wobei jeder dieser Rahmen 13, 14 lichtab­ schirmende Eigenschaften hat bzw. lichtabschirmend ist. Der lichtabschirmende untere und obere Rahmen 13 und 14 ist beispielsweise aus Polystyrol hergestellt, das 4 Gew.-% Ruß bzw. Karbonblack in der Form einer Dispersion bzw. in dispergierter Form enthält, und die beiden Rahmen sind dicht in Kontakt miteinander (so daß sie ein lichtab­ schirmendes Gehäuse - mit Ausnahme der nachstehend genann­ ten oberen Öffnung - für den Feldeffekttransistor bilden). Der obere Rahmen 14 hat in seiner oberen Oberfläche eine Öffnung, und diese Öffnung befindet sich in Verbindung mit dem chemischen Rezeptor 12, der auf dem Feldeffekttran­ sistor 11 vorgesehen ist. Eine lichtabschirmende Abdeckung 16, die aus opak- bzw. lichtundurchlässig beschichtetem Metall oder Kunststoffmaterial hergestellt ist, ist zum Abdecken der Öffnung vorgesehen. Die lichtabschirmende Abdeckung 16 hat einen Probenflüssigkeitszuführungsdurch­ laß 15 in ihrer oberen Oberfläche, und sie ist durch eine Trennwandplatte 16 a in zwei Teile, nämlich einen oberen und einen unteren Teil unterteilt. Die Trennwandplatte 16 a hat eine Öffnung 17, die in einer Position ausgebildet ist, welche von dem Flüssigkeitszuführungsdurchlaß 15 entfernt und so vorgesehen ist, daß sie einen Durchgang der Proben­ flüssigkeit durch dieselbe gestattet. Die Probenflüssig­ keit kann durch die Öffnung 17 hindurchgehen, jedoch kann Licht, das von dem Flüssigkeitszuführungsdurchlaß 15 her einfällt, mit Ausnahme von geringfügigem gestreuten Licht, nicht durch die Öffnung 17 hindurchgehen. Weiter hat die Zwischenwandplatte 16 a ein Entlüftungsrohr 18, das mit dem Äußeren in Verbindung steht. Das Entlüftungsrohr 18 hat eine Abdeckung 18 a. Die Abdeckung 18 a verhindert, daß Licht durch das Entlüftungsrohr 18 so hindurchgehen kann, daß es den Feldeffekttransistor erreicht. Die Anordnung aus der lichtabschirmenden Abdeckung 16 und der Zwischenwand­ platte 16 a bildet in Verbindung mit der Anordnung des Flüssigkeitszuführungsdurchlasses 15 und der Öffnung 17 sowie der Öffnung in dem oberen Rahmen 14 eine für Licht praktisch undurchlässige, jedoch für Flüssigkeit durchläs­ sige Labyrinthanordnung oder eine lichtdichte Flüssigkeits­ schleuse bzw. Labyrinth-Flüssigkeitsschleuse; in entspre­ chender Weise bildet die Anordnung aus dem Entlüftungsrohr 18, der Abdeckung 18 a und der Öffnung in dem oberen Rahmen 14 eine lichtdichte Gasschleuse bzw. Labyrinth-Gasschleuse bzw. eine für Gas durchlässige, jedoch für Licht praktisch undurchlässige Labyrinthanordnung. Mit den Bezugszeichen 11 d und 11 e sind in Fig. 2A Anschlüsse für eine elektrische Verbindung mit dem Source- und Drain-Bereich des Feld­ effekttransistors 11 bezeichnet.

Fig. 3A ist eine Aufrißansicht, die eine dritte Aus­ führungsform einer betriebsfertigen Feldeffekttransistor- Sensor-Baueinheit zeigt, während Fig. 3B eine Aufsicht auf dieselbe und Fig. 3C eine Schnittansicht eines Schnitts längs der Linie X-X′ der Fig. 3B veranschaulicht. In den Fig. 3A bis 3C ist die Baueinheit zum Unterbringen des Feldeffekttransistors 21 aus einem unteren Rahmen 21 und einem oberen Rahmen 24 zusammengesetzt, wobei diese beiden Rahmen aus lichtabschirmendem Material hergestellt sind. Der Feldeffekttransistor 21 ist in dem oberen Rahmen 24 eingebettet, und der chemische Rezeptor 22 des Sensors, bzw. der dargestellten Sensoreinrichtung befindet sich in Verbindung mit einem Flüssigkeitskanal 27, der auf der oberen Oberfläche des unteren Rahmens 23 vorgesehen ist. Die von dem Flüssigkeitszuführungsdurchlaß 25 her zuge­ führte Probenflüssigkeit läuft durch den Flüssigkeits­ kanal 27, so daß die Probenflüssigkeit in Kontakt mit dem chemischen Rezeptor 22 gebracht werden kann bzw. wird. An einem Ende des Flüssigkeitskanals 27 ist eine Entlüftungs­ öffnung bzw. ein Entlüftungskanal 28 vorgesehen. Eine Ab­ deckung 28 a des Entlüftungskanals 28 verhindert, daß Licht durch den Entlüftungskanal 28 in das Innere eindringen kann. In Fig. 3B sind mit den Bezugszeichen 21 d und 21 e Anschlüsse für eine elektrische Verbindung mit dem Source- bzw. Drain-Bereich des Feldeffekttransistors 21 bezeichnet.

Fig. 3D ist eine Aufsicht auf das Gehäuse bzw. den unteren Rahmen, welche die obere Oberfläche des unteren Rahmens 23 des Sensors zeigt. Wenigstens die Kontaktoberflächen des unteren und oberen Rahmens, die in Kontakt mit der Probenflüssigkeit sind, müssen bezüglich der Probenflüssig­ keit chemisch inaktiv sein. Wenn die Probenflüssigkeit ihren Ursprung in einem lebenden Körper hat, müssen diese Oberflächen biochemisch inaktiv sein. Wenn die Proben­ flüssigkeit Blut ist, dann ist es zu bevorzugen, daß die bzw. diese Oberflächen aus einem Material hergestellt sind, das frei von Hämolyse ist bzw. das keine hämolytischen Eigenschaften hat. Wenigstens ein Teil des Flüssigkeits­ kanals 27 kann in der unteren Oberfläche des oberen Rahmens 24 vorgesehen sein.

Fig. 4A ist eine Schnittansicht einer vierten Ausführungs­ form einer betriebsfertigen Sensor-Baueinheit, deren äuße­ res Aussehen so ist, wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist, wobei die Ansicht der Fig. 4A eine Schnittansicht eines Schnitts entlang der Linie X-X′ der Fig. 3B ist. Die Aus­ führungsform der Fig. 4A ist im wesentlichen die gleiche, wie diejenige der Fig. 3C, jedoch mit Ausnahme der Tat­ sache, daß Stoff bzw. Tuch 37 a, insbesondere textiler Stoff bzw. textiles Tuch, in dem Flüssigkeitskanal 37 vorgesehen ist. Der Stoff bzw. das Tuch 37 a muß bezüglich der Proben­ lösung chemisch inaktiv sein. Wenn die Probenlösung ihren Ursprung in einem lebenden Körper hat, muß der Stoff bzw. das Tuch 37 a biochemisch inaktiv sein. Wenn die Proben­ lösung Blut ist, dann ist es zu bevorzugen, daß der Stoff bzw. das Tuch 37 a aus einem Material hergestellt ist, das frei von Hämolyse bzw. frei von hämolytischen Eigenschaften ist. Die Probenflüssigkeit wird im Stoff bzw. Tuch 37 a von dem Zuführungsdurchgang 35 her zugeführt, dringt durch das Tuch bzw. den Stoff 37 a hindurch und erreicht den chemischen Rezeptor 32 des Sensors bzw. der Sensoreinrich­ tung. Eine Entlüftungsöffnung bzw. ein Entlüftungskanal 38 ist an einem Ende des Flüssigkeitskanals 37 vorgesehen. Fig. 4B ist eine Teilansicht, welche die obere Oberfläche des unteren Rahmens 33 in dem Zustand zeigt, in dem der obere Rahmen 34 der Baueinheit entfernt worden ist.

Fig. 5A ist eine Aufsicht auf eine fünfte Ausführungsform einer betriebsfertigen Sensor-Baueinheit, und Fig. 5B ist eine Schnittansicht eines Schnitts entlang der Linie Y-Y′ der Fig. 5A, wobei in Fig. 5A der von oben nicht sichtbare Innenaufbau gestrichelt eingezeichnet ist (siehe auch Fig. 5B). Der Flüssigkeitskanal 47 ist zwischen dem lichtab­ schirmenden oberen Rahmen 44 und dem lichtabschirmenden unteren Rahmen 43 vorgesehen. Ein Feldeffekttransistor 41 ist in dem unteren Rahmen 43 eingebettet, und der chemische Rezeptor 42 ist dem Flüssigkeitskanal 47 zugewandt, ins­ besondere zwischen dem Flüssigkeitskanal 47 und dem Feld­ effekttransistor 41 angeordnet, wie Fig. 5B zeigt. In Fig. 5A sind mit den Bezugszeichen 41 d und 41 e Anschlüsse für die elektrische Verbindung mit im Source- bzw. Drain- Bereich des Feldeffekttransistors 41 bezeichnet. Fig. 5C ist eine Teilansicht, welche die obere Oberfläche des un­ teren Rahmens 43 in dem Zustand zeigt, in dem der obere Rahmen 44 der Baueinheit entfernt worden ist. Der Flüssig­ keitskanal 47 ist bogen- bzw. knieförmig so ausgebildet, daß er in der in Fig. 5C gezeigten Aufsicht L-förmig ist, so daß Licht von dem Zuführungsdurchlaß 45 kann oder praktisch gar nicht den Feldeffekttransistor 41 er­ reichen kann. Die Luft innerhalb des Flüssigkeitskanals 47 kann aus einem Exhaustkanal 48 herausgezogen bzw. -ge­ drückt werden. Um die Probenflüssigkeit zu übertragen, kann Stoff bzw. Tuch, insbesondere textiler Stoff bzw. textiles Tuch, in dem Flüssigkeitskanal 47 vorgesehen sein. Wenn die Probenflüssigkeit reines bzw. vollständiges Blut ist, ist ein ungewebter Faserstoff aus langfasriger Cellulose oder dergleichen geeignet, weil dann eine Hämolyse nur sehr schwer oder gar nicht auftritt.

Fig. 6A ist eine Aufsicht und eine Aufrißansicht einer sechsten Ausführungsform einer betriebsfertigen Sensor- Baueinheit, wobei der von außen nicht sichtbare Innenaufbau in gestrichelten Linien dargestellt ist, und Fig. 6B ist eine Schnittansicht eines Schnitts entlang der Linie Z-Z′ der Fig. 6A. Ein Flüssigkeitskanal 57 ist zwischen dem oberen lichtabschirmenden Rahmen 54 und dem unteren licht­ abschirmenden Rahmen 53 angeordnet. Ein Feldeffekttran­ sistor 51 ist in dem unteren Rahmen 53 eingebettet, und ein chemischer Rezeptor 52 ist dem Flüssigkeitskanal 57 zugewandt, und zwar ist der chemische Rezeptor 52 vorzugs­ weise, wie Fig. 6B zeigt, zwischen dem Feldeffekttransistor 51 und dem Flüssigkeitskanal 57 vorgesehen. Mit den Bezugs­ zeichen 51 d und 51 e sind in Fig. 6A Anschlüsse für eine elektrische Verbindung mit dem Source- und Drain-Bereich des Feldeffekttransistors 51 bezeichnet. Fig. 6C ist eine Teilansicht, welche die obere Oberfläche des oberen Rahmens 54 der Baueinheit zeigt, und Fig. 6D ist eine Teilansicht, welche die obere Oberfläche des unteren Rahmens 53 in dem Zustand zeigt, in dem der obere Rahmen 54 der Baueinheit entfernt worden ist. Der Flüssigkeitskanal 57 ist so ge­ krümmt, daß er in der in Fig. 6D gezeigten Aufsicht U-förmig ist, so daß Licht von dem Zuführungsdurchlaß 55 kann oder praktisch gar nicht den Feldeffekttransistor 51 erreichen kann. Die Probenflüssigkeit geht vom Zu­ führungsdurchlaß her durch den Kanal 57 und erreicht dann den chemischen Rezeptor 52 des Sensors bzw. der Sensorein­ richtung. Luft innerhalb des Flüssigkeitskanals 57 kann aus einem Exhaustkanal 58 abgezogen bzw. herausgedrückt werden. Um die Probenflüssigkeit zu übertragen bzw. zu transportieren, kann Stoff bzw. Tuch 57 a, insbesondere textiler Stoff bzw. textiles Tuch, (beispielsweise unge­ webter Faserstoff aus langfasriger Baumwolle) in dem Flüssigkeitskanal 57 vorgesehen sein.

Fig. 7A ist eine Aufrißansicht einer siebten Ausführungs­ form einer betriebsfertigen Sensor-Baueinheit, und Fig. 7B ist eine Schnittansicht eines senkrecht hierzu durch dieselbe ausgeführten Schnitts. Der in der Zeichnung dar­ gestellte Sensor ist in der Weise für den Gebrauch geeig­ net, daß er hierzu in die Probenflüssigkeit versenkt bzw. eingetaucht wird bzw. daß er die Probenflüssigkeit ein­ saugt. Der Sensor ist an einem Ende eines lichtabschirmen­ den Rohrs 66 b befestigt, das seinerseits an der Mitte eines Doppelzylinders 66, 66 a befestigt ist, welcher aus lichtabsorbierendem Material hergestellt ist. Der Sensor, der an dem Ende des mittigen Rohrs 66 b vorgesehen ist, ist von dem lichtabschirmenden äußeren und inneren Zylinder 66 und 66 a umgeben bzw. umgriffen. Ein Flüssigkeitskanal 67 ist zwischen dem lichtabschirmenden äußeren Zylinder 66 und dem lichtabschirmenden inneren Zylinder 66 a sowie zwischen dem inneren Zylinder 66 a und dem mittigen Rohr 66 b ausgebildet. Ein Flüssigkeitstransportteil 67 a (wie beispielsweise ungewebter Faserstoff aus langen Cellulose­ fasern) ist innerhalb des Flüssigkeitskanals 67 vorge­ sehen. Ein Feldeffekttransistor 61 ist abgedichtet in dem Rohr 66 b in der Mitte des inneren Zylinders 66 a vorgesehen, und ein chemischer Rezeptor 62 ist dem Flüssigkeitskanal 67 durch die Öffnung bzw. durch eine Öffnung in dem Rohr 66 b zugewandt, wobei der Aufbau vorzugsweise so ist, daß der chemische Rezeptor 62 zwischen dem Flüssigkeitskanal 67 und dem Feldeffekttransistor 61 angeordnet ist, wie Fig. 7B zeigt. Mit dem Bezugszeichen 61 f sind Verbindungs­ leitungen für den elektrischen Anschluß des Source- und Drain-Bereichs des Feldeffekttransistors 61 bezeichnet. Der äußere Zylinder 66 hat einen Flüssigkeitszuführungs­ durchlaß 65 an seinem unteren Ende, und der innere Zylinder 66 a hat eine Öffnung 67 b, die in einer von dem Flüssig­ keitszuführungsdurchlaß 65 entfernten Position angeordnet und so vorgesehen ist, daß sie einen Durchgang der Probenflüssigkeit durch dieselbe gestattet. Die von dem Flüssigkeitszuführungsdurchlaß 65 zugeführte Probenflüs­ sigkeit kann durch das Flüssigkeitstransportteil 67 a in der Öffnung 67 b hindurchgehen, so daß die Probenflüssig­ keit den chemischen Rezeptor 62 des Sensors bzw. der Sensoreinrichtung erreichen kann. Im Gegensatz hierzu kann Licht, das von dem Flüssigkeitszuführungsdurchlaß 65 her einfällt, kaum oder überhaupt nicht durch die Öffnung 67 b in den Sensorteil eindringen. Der äußere und innere Zylinder 66 und 66 a müssen chemisch inaktiv bezüglich der Probenflüssigkeit sein. Weiter hat der innere Zylinder 66 a einen Entlüftungsdurchgang 68 von kleiner Abmessung, der an dem oberen Ende desselben angeordnet und in Verbindung mit der Außenatmosphäre ist. Obwohl Fig. 7A den Fall ver­ anschaulicht, in welchem sowohl der äußere Zylinder 66 als auch der innere Zylinder 66 a wie auch das mittige Rohr 66 b im Querschnitt rund, insbesondere kreisförmig, sind, ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt, insbesondere kann jedes dieser eben erwähnten drei Bauteile in geeig­ neter Weise geformt sein. Zum Beispiel kann jedes dieser Bauteile im Querschnitt vieleckig sein, wie beispiels­ weise dreieckig, rechteckig, sechseckig, achteckig oder dergleichen, oder es kann im Querschnitt elliptisch oder oval geformt sein, wobei die einzelnen dieser drei Bauteile auch voneinander unterschiedliche Querschnittsformen haben können.

Die Verwendung des Sensors bzw. der Sensoreinrichtung ge­ mäß der vorliegenden Erfindung hat das Ergebnis, daß die Messung ohne tastende Ausrüstung ausgeführt werden kann, wie es beispielsweise Meßmaschinen bzw. -einrichtungen und experimentelle Anordnungen sind, die in eine Dunkel­ kammer gebracht werden müssen; oder Analysiereinrichtun­ gen, die in einen Dunkelkasten bzw. -behälter gebracht werden müssen; und dergleichen, so daß ein Herumtasten und Suchen im Dunkeln und die damit verbundenen Erschwerungen, Fehler und Verlangsamungen von Messungen ausgeschlossen werden.

Beispiel einer Messung

Harnstoff in einer Probenflüssigkeit, die auf einen pH-Wert von 7,3 gepuffert war, wurde mittels eines Harnstoffsen­ sors detektiert, der mittels Albumin und Glutaraldehyd immobilisierte Urease am Gate eines ISFET aufwies. Die Messung wurde in der Weise ausgeführt, daß der Harnstoff­ sensor ohne Gehäuse in einem Raum angeordnet war, der mit zwei 40-W-Fluoreszenzlampen aus geraden Rohren von der Decke des Raumes her beleuchtet war. Das elektrische Potential variierte in einem Bereich von etwa 2 mV in dem Fall, in welchem die Probe keinen Harnstoff enthielt, und in einem Bereich von 4 mV in dem Fall, in welchem die Probe Harnstoff enthielt.

Die Messung wurde in der gleichen Weise, wie oben beschrie­ ben, unter Verwendung eines Harnstoffsensors ausgeführt, der in einer betriebsfertigen Baueinheit gemäß den Fig. 7A und 7B untergebracht war, was zu dem Ergebnis führte, daß die elektrischen Potentiale in einem Bereich von nur 0,5 mV oder weniger variierten. Weiterhin waren die Ab­ solutwerte des elektrischen Potentials etwa 10 mV höher im Vergleich mit den Absolutwerten, die durch die obige Messung erhalten worden waren, welche mit dem dem Licht ausgesetzten Harnstoffsensor ausgeführt worden war.

Claims (18)

1. Chemische Sensoreinrichtung zum Analysieren einer spezifischen Substanz in einer Flüssigkeit, umfassend einen chemischen Rezeptor für chemisches Reagieren mit der spezifischen Substanz in einer Probenflüssigkeit und einen mit dem chemischen Rezeptor verbundenen Feldeffekt­ transistor zum Umwandeln der chemischen Reaktion und/oder von deren Ergebnis in ein meßbares elektrisches Signal, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem chemischen Rezeptor (2, 12, 22, 32, 42, 52, 62) verbundene Feldeffekttransistor (1, 11, 21, 31, 41, 51, 61) in einem Gehäuse (3, 4; 13, 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44; 53, 54; 66, 66 a) installiert ist, das lichtabschirmende Eigenschaften hat, wobei das Gehäuse (3, 4; 13, 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44; 53, 54; 66, 66 a) einen Öffnungsteil (5, 15, 25, 35, 45, 55, 65) bzw. eine Öffnung hat, welcher bzw. welche die Probenflüssigkeit aufnimmt und zu bzw. in den chemischen Rezeptor (2, 12, 22, 32, 42, 52, 62) zuführt bzw. einführt, und eine licht­ abschirmende Einrichtung (7 a; 16, 16 a; 27; 37, 37 a; 47; 57, 57 a; 67, 67 b) bzw. ein lichtabschirmendes Mittel um­ faßt, die bzw. das es im wesentlichen verhindert, daß Licht von außen den Feldeffekttransistor (1, 11, 21, 31, 41, 51, 61) erreicht, es jedoch der Probenflüssigkeit er­ möglicht, den chemischen Rezeptor (2, 12, 22, 32, 42, 52, 62) zu erreichen.

2. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabschirmende Einrichtung (7 a) bzw. das lichtabschirmende Mittel ein flüssigkeitsdurchlässiges und lichtabsorbierendes poröses Teil (7 a, 37 a, 57 a, 67 a) zum Abdecken des ersten Öffnungs­ teils (5, 35, 55, 65) bzw. der ersten Öffnung umfaßt oder ist.

3. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Teil (7 a, 37 a, 57 a, 67 a) eines oder mehrere der folgenden Teile um­ faßt oder aus einem oder mehreren der folgenden Teile be­ steht: Baumwollstoff, Baumwollgewebe, Baumwollgewirk, Baum­ wollgestrick und/oder ungewebter Faserstoff, insbesondere aus langfasriger Cellulose, und einen lichtabsorbierenden Farbstoff und/oder ein lichtabsorbierendes Pigment, das darin inkorporiert bzw. aufgenommen ist.

4. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabschirmende Einrichtung eine lichtabschirmende Kammer umfaßt, die einen Probenflüssigkeitszuführungsdurchlaß (15) auf bzw. in ihrer Oberfläche hat, und eine Zwischenwandplatte (16 a), die in der bzw. einer lichtabschirmenden Abdeckung (16) zur Unterteilung der lichtabschirmenden Kammer in einen oberen und unteren Teil ausgebildet bzw. vorgesehen ist, wobei die Zwischenwandplatte (16 a) eine Öffnung (17) hat, die in einer von dem Flüssigkeitszuführungsdurchlaß (15) ent­ fernten Position ausgebildet ist, so daß es dadurch der Probenflüssigkeit ermöglicht wird, durch dieselbe hindurch­ zugehen, während äußeres Licht von dem Probenflüssigkeits­ zuführungsdurchlaß (15) her abgeschirmt wird.

5. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwandplatte (16 a) ein Entlüftungsrohr (18) aufweist, das zum Äußeren der lichtabschirmenden Einrichtung (16, 16 a) bzw. zur Außen­ atmosphäre führt.

6. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Entlüftungsrohr (18) eine Abdeckung (18 a) an einem Ende desselben hat, welche verhindert, daß Licht durch dasselbe hindurchgeht.

7. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3, 4; 13, 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44; 53, 54; 66, 66 a) aus licht­ absorbierendem Material besteht.

8. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (23, 24; 33, 34; 43, 44; 53, 54; 66, 66 a) ein Flüssigkeits­ kanal (27, 37, 47, 57, 67) zum Transportieren bzw. Zu­ führen der Probenflüssigkeit von dem Öffnungsteil (25, 35, 45, 55, 65) zu dem chemischen Rezeptor (22, 32, 42, 52, 62) vorgesehen ist, der sich longitudinal zu dem Ge­ häuse (23, 24; 33, 34; 43, 44; 53, 54; 66, 66 a), vorzugs­ weise senkrecht zu dem Öffnungsteil (25, 35, 45, 55, 65), erstreckt und mit dem Öffnungsteil (25, 35, 45, 55, 65) an einem Ende desselben bzw. an einem Ende dieses Flüssig­ keitskanals (27, 37, 47, 57, 67) verbunden ist.

9. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (47) in der Ebene bzw. in einer Ebene bzw. in seiner Ebene L-förmig ist.

10. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (57) in der Ebene bzw. in einer Ebene bzw. in seiner Ebene U-förmig ist.

11. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entlüftungsöffnung bzw. ein Entlüftungskanal (28, 38, 48 58, 68) in dem Gehäuse (23, 24; 33, 34; 43, 44; 53, 54; 66, 66 a) vorgesehen und der Flüssigkeitskanal (27, 37, 47, 57, 67) an seinem einen Ende mit dem Öffnungsteil (25, 35, 45, 55, 65) und an seinem anderen Ende mit der Entlüftungsöffnung bzw. dem Entlüftungskanal (28, 38, 48, 58, 68) verbunden ist.

12. Chemische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, insbesondere nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich der mit dem Feld­ effekttransistor (21, 31, 41, 51, 61) verbundene chemische Rezeptor (22, 32, 42, 52, 62) in einer Position zwischen beiden Enden des Flüssigkeitskanals (27, 37, 47, 57, 67) befindet.

13. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüs­ sigkeitskanal (47) so gebogen ist bzw. verläuft, daß er in der Ebene bzw. in einer Ebene bzw. in seiner Ebene L-förmig ist.

14. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (57) in der Ebene bzw. einer Ebene bzw. seiner Ebene U-förmig ist.

15. Chemische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, insbesondere nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Stoff bzw. Tuch (37 a, 57 a, 67 a), insbesondere textiler Stoff bzw. textiles Tuch, der bzw. das bezüglich der Probenflüssigkeit chemisch inert ist, innerhalb des Flüssigkeitskanals (37, 57, 67) vor­ gesehen ist.

16. Chemische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gehäuse (66, 66 a) einen Dual- bzw. Doppelzylinder umfaßt, der an beiden Enden ge­ schlossen ist und einen inneren Zylinder (66 a) sowie einen äußeren Zylinder (66), welcher den inneren Zylinder (66 a) wenigstens teilweise umgibt, umfaßt, wobei der innere Zylinder (66 a) ein Teil (66 b) hat, welches den Feldeffekt­ transistor (61) hält, der darin eingeschlossen ist, und den chemischen Rezeptor (62), der mit dem Inneren des in­ neren Zylinders (66 a) in Verbindung steht.

17. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 16, da­ durch gekennzeichnet, daß an dem un­ teren Ende des äußeren Zylinders (66) eine erste Öffnung (65) zum Aufnehmen der Probenflüssigkeit in den äußeren Zylinder (66) ausgebildet ist, und daß eine zweite Öffnung (67 b) zum Führen der Probenflüssigkeit weiter in das Innere des inneren Zylinders (66 a) durch den inneren Zylinder (66 a) in einer Position ausgebildet ist, die entfernt von der ersten Öffnung (65) ist; und daß eine Entlüftungsöffnung (68) oder ein Entlüftungs­ kanal, die bzw. der zum Äußeren des Gehäuses (66, 66 a) bzw. zur Außenatmosphäre hin offen ist, in dem oberen Ende des inneren Zylinders (66 a) ausgebildet ist.

18. Chemische Sensoreinrichtung nach Anspruch 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Öffnung (67 b) in dem oberen Ende des inneren Zylinders (66 a) oder auf dem Niveau des inneren Zylinders (66 a), das dem oberen Ende des äußeren Zylinders (66) entspricht, ausgebildet ist.