DE3923420A1

DE3923420A1 - Kapazitives messverfahren fuer biosensoren

Info

Publication number: DE3923420A1
Application number: DE19893923420
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Chem Hinrichs
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1989-07-12
Publication date: 1989-12-07

Description

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Meßverfahren mittels eines Elektrolytkondensators.

Biosensoren sind Sensoren, mit denen das Vorhandensein von Stoffen aufgrund ihres biochemischen Verhaltens erkennbar gemacht werden kann. Darunter fallen sehr unterschiedliche Meßverfahren, bei denen in der Regel als Meßgröße ein elek trochemisches Potential, ein Redoxpotential, eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit oder eine optische Meßgröße erzeugt wird.

Beispielsweise wird die spezifische oder unspezifische Bin dung eines Stoffes an sein biochemisches Paßstück, z. B. die Bindung von Antigenen an Antikörper, zu analytischen Zwecken eingesetzt. Der menschliche oder tierische Organismus ist in der Lage, zu einer großen Anzahl von Stoffen die passen den Antikörper zu bilden. Derartige Antikörper lassen sich in reiner Form extrahieren und gentechnologisch vervielfäl tigen. Durch chemische Modifizierung der Stoffe läßt sich ihre Bindungskonstante den Erfordernissen des analytischen Einsatzes anpassen. Biochemische Stoffe lassen sich auf ei ner Trägeroberfläche immobilisieren, so daß die dazu kor respondierenden Stoffe entsprechend ihrer Konzentration im umgebenden Medium und der Bindungskonstanten zur weiteren Oberflächenbelegung beitragen. So ist bereits ein als Ellip sometrie bezeichnetes Verfahren bekannt, bei dem die Ober flächenbelegung optisch ausgewertet wird. Dabei werden al lerdings sehr hohe Ansprüche an die Ebenheit der Trägero berfläche gestellt. Die gebundenen Stoffe sind in der Regel sehr klein, teilweise kleiner als die Wellenlänge des zur Messung verwendeten Laserlichtes. Der meßtechnische Aufwand zur Auswertung ist deshalb erheblich und die Meßempfind lichkeit dieses Verfahrens unbefriedigend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit vergleichs weise niedrigem meßtechnischen Aufwand chemische oder bio chemische Stoffe nicht zerstörend zu messen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Verwendung an sich be kannter Elektrolytkondensatoren zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung chemischer oder biochemischer Sub stanzen.

Dazu wird bei einem Meßverfahren ein als Sensoroberfläche ausgebildetes Dielektrikum eines Elektrolytkondensators so behandelt, daß es für die zu bestimmenden Substanzen oder Substanzgruppen bindend ist. Dabei ist es vorteilhaft, daß ein als Sensoroberfläche ausgebildetes Dielektrikum eines Elektrolytkondensators für zu bestimmende Substanzen oder Substanzgruppen bindend behandelt, der zu untersuchende Stoff dem Elektrolyten zugegeben und die elektrische Kapa zitätsänderung der Sensoroberfläche gemessen wird.

Das Dielektrikum steht an seiner bindenden Oberfläche, die uneben sein kann, mit einem den nachzuweisenden Stoff ent haltenden Elektrolyten in Kontakt. Durch Bindung des nach zuweisenden Stoffes an die Sensoroberfläche vergrößert sich die Schichtdicke des Dielektrikums, was zur Veränderung der elektrischen Kapazität führt. Die nachzuweisende Substanz wird dabei zu einem zusätzlichen Bestandteil des Dielektri kums.

Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Maßnahmen sind zahl reiche Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise bei der Überwa chung von Stoffen im menschlichen oder tierischen Stoff wechsel, in der Krankheitsdiagnose, in der Überwachung bio chemischer Stoffe in Gewässern oder Abwässern oder in der Überwachung biotechnologischer Prozesse. Dabei ist es auch möglich, daß ein als Sensoroberfläche ausgebildetes Dielek trikum eines Elektrolytkondensators bereits von vornherein so aufgebaut wird, daß es für die zu bestimmenden Substan zen oder Substanzgruppen bindend ist.

Dieses Meßverfahren ist für den mobilen Einsatz geeignet und gestattet die direkte, nicht zerstörende Messung von Stoffen, ggf. auch innerhalb von zu überwachenden Systemen, beispielsweise einem Blutkreislauf.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, ein ca. 1 qmm großes Bruchstück einer Solarzelle an deren Quarzober fläche Rinderserumalbumin mit N-(2-Aminoethyl)-3-Aminopro pyl-Trimethoxysilan und Phenyldithioisocyanat gebunden ist.

Die Ränder, die Rückseite und die angelöteten Zuleitungen werden zur elektrischen Isolation mit Zweikomponentenkleber verklebt. Die belegte Oberfläche taucht in Pufferlösung pH 7,4, die zusätzlich 0,1 n Natriumchlorid als Leitsalz enthält. Als Kontakt zum Elektrolyten wird rostfreier Edel stahl verwendet. Der Biosensor ist einem elektrischen Schwingkreis aus 7,5 µ H und 19 pF parallelgeschaltet. Der Schwingkreis wird von einer speziell für diesen Zweck ent wickelten elektrischen Schwingschaltung mit sehr kleiner Amplitude angeregt, um das teilweise aus biochemischem Ma terial bestehende Dielektrikum nicht zu beschädigen. Die Frequenz der Schwingung wird mit einem Frequenzzähler ge messen und der Meßwert zur Auswertung weitergegeben. Der beschriebene Sensor reagiert auf Zusatz von Rinderantiserum mit Frequenzerhöhung und beim Spülen wieder mit einer Fre quenzerniedrigung.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeich nung schematisch und beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Elektrolytkon densators mit einer für eine zu bestimmende Sub stanz spezifisch bindenden Sensoroberfläche;

Fig. 2 eine elektrische Schwingschaltung, in der sich der Elektrolytkondensator nach der Fig. 1 als frequenz bestimmendes Element befindet.

Der in der Fig. 1 dargestellte Biosensor 10 besteht aus einer Kondensatorplatte 13, die mit einem dünnen Dielek trikum 12 belegt ist, daß zu einem Elektrolyten 15 hin eine Sensoroberfläche 11 bildet. Die andere Kondensatorplatte wird durch den Elektrolyten 15 gebildet. Der Elektrolyt 15 ist über einen elektrischen Kontakt 14 und einen elektri schen Anschluß 18 an weitere, in der Fig. 2 dargestellte Komponenten einer elektrischen Schwingschaltung 17 ange schlossen. Die Sensoroberfläche 11 ist aufgrund ihrer Affi nität mit einer zu bestimmenden Substanz 16 belegt. Die Kondensatorplatte 13 ist über einen zweiten elektrischen Anschluß 18 a ebenfalls mit der elektrischen Schwingschal tung 17 verbunden. Die durch die Belegung auftretende Kapa zitätsänderung wird gemessen.

Ein derartiger Biosensor 10 läßt sich beispielsweise in der Krankheitsdiagnostik wie folgt einsetzen. Ein an einer un bekannten Infektionskrankheit erkrankter Patient bildet An tikörper gegen diese Krankheit. Ein mit entsprechenden An tigenen belegter Biosensor wird an das Meß- und Auswertege rät angeschlossen. Eine Blutprobe des Patienten wird in den Elektrolyten des Sensors gegeben und die Kapazitätsänderung gemessen. Ist der für eine bestimmte Krankheit charakteri stische Antikörper in dem Blut enthalten, dann spricht der Sensor darauf an. Das Auswertegerät zeigt an, daß diese Krankheit vorliegt (Immuno-Essay).

Durch mehrere unterschiedlich spezifisch behandelte Biosen soren kann dabei gleichzeitig nach verschiedenen Krankhei ten gesucht werden.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel betrifft die Überwachung gentechnologischer Betriebe, in denen mit biochemischen Ge fahrstoffen gearbeitet wird. Dabei wird ein auf den jewei ligen Gefahrstoff ansprechender Biosensor permanent mit dem Abwasser des Betriebes beaufschlagt. Gegebenenfalls ausge tretene Gefahrstoffe werden so angezeigt und es können schnell Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten elektrischen Schwing schaltung 17 sind C 1, C 2, C 3 und C 4 Keramik-Kondensatoren von 100 nF. C 5 ist eine als Bauteil nicht vorhandene Kapa zität von ca. 19 pF, die sich aus den Halbleiterkapazitäten von T 1, T 2 und D 1, sowie den Kapazitäten der angeschlosse nen Leitungen und der Spulenkapazität von L zusammensetzt und mit frequenzbestimmend ist. R 1 und R 4 sind Widerstände von 560 Ohm, R 2 von 680 Ohm, R 3 von 100 Ohm und R 5 von 4,7 Kiloohm. L ist eine Spule mit 7,5 µ H , D 1 eine Siliziumdiode BAW 76, T 1 ein Dual-Gate-MOS-Feldeffekttransitor BF 900 und T 2 und T 3 sind 5 PNP-HF-Silizium-Transitoren BF 450.

Bezugszeichen:

10 Biosensor
11 Sensoroberfläche
12 Dielektrikum
13 Kondensatorplatte
14 Kontakt zum Elektrolyten
15 Elektrolyt
16 gebundener Stoff
17 elektrische Schwingschaltung
18 elektrischer Anschluß
18 a elektrischer Anschluß

Claims

1. Verwendung an sich bekannter Elektrolytkondensatoren zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung chemischer oder biochemischer Substanzen.

2. Verwendung eines Elektrolytkondensators mit einem flüs sigen Elektrolyten, zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung chemischer oder biochemischer Substanzen.

3. Verfahren zur Bestimmung chemischer oder biochemischer Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Sensorober fläche ausgebildetes Dielektrikum eines Elektrolytkondensa tors so behandelt wird, daß es für die zu bestimmenden Sub stanzen oder Substanzgruppen bindend ist.

4. Verfahren zur Bestimmung chemischer oder biochemischer Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Sensorober fläche ausgebildetes Dielektrikum eines Elektrolytkondensa tors für zu bestimmende Substanzen oder Substanzgruppen bindend behandelt, der zu untersuchende Stoff dem Elektro lyten zugegeben und die elektrische Kapazitätsänderung der Sensoroberfläche gemessen wird.

5. Verfahren zur Bestimmung chemischer oder biochemischer Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Sensorober fläche ausgebildetes Dielektrikum eines Elektrolytkondensa tors so aufgebaut wird, daß es für die zu bestimmenden Sub stanzen oder Substanzgruppen bindend ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit, in der sich die nachzuweisende Substanz befindet, verwendet wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die elektrische Kapazitätsänderung als Fre quenzänderung in einem elektrischen Schwingkreis gemessen wird.

8. Sensor zur Bestimmung chemischer und/oder biochemischer Substanzen, gekennzeichnet durch mindestens eine als Di elektrikum wirkende Sensoroberfläche (11), die die zu be stimmenden Substanzen oder Substanzgruppen bindet, und durch eine das Dielektrikum tragende, elektrische Konden satorplatte (12, 13), die mit einem Anschluß zur Messung ihrer Kapazitätsänderung versehen ist.