DE4244338A1 - Elektrochemische Meßkette zur ortsaufgelösten Konzentrationsbestimmung von chemisch und/oder biochemisch relevanten Analyten - Google Patents

Description

Elektrochemische Meßkette zur ortsaufgelösten Konzentrationsbestimmung von chemisch und/oder biochemisch relevanten Analyten.

Das Prinzip der ortsaufgelösten Konzentrationsbestimmung eines Analyten ist schon seit langem bekannt. Entwickelt wurde dieses Prinzip vor allem für den Einsatz in der Chirurgie und Intensivmedizin zur Bestimmung des lokalen Sauerstoffpartialdruckes (pO₂) auf den Oberflächen von Organen wie Herz, Lunge, Leber, Niere, Darm etc. Die Bestimmung des lokalen p(O₂) ist in der Medizin von immenser Bedeutung. Anhand des lokalen p(O₂) an der Ober­ fläche eines Organs läßt sich aussagekräftig die allgemeine Versorgungslage des betreffenden Organs mit Sauerstoff beurteilen [J. Hauss, K Schönleben, H.-U. Spiegel: Therapiekontrolle durch Überwachung des Gewebe-pO₂, Verlag Hans Huber Bern Stuttgart Wien, S. 50-52]. Es gilt: Entspricht der gemessene lokale p(O₂) seinem Sollwert, so ist der Zustand des Organs als unkritisch zu betrachten, weicht er davon ab, so gilt sein Zustand als kritisch. Dabei wird eine O₂-Unterversorgung sich zuerst an der Oberfläche des Organs bemerkbar machen, da das Gewebe an der Oberfläche des Organs am weitesten von der O₂-Quelle, der Versorgung über das arterielle Blut, entfernt ist. Damit ist der lokale p(O₂) nicht nur ein geeigneter, sondern auch gleichzeitig ein sehr empfindlicher Indikator für eine entsprechende O₂- Unterversorgung des Organs.

Zur Beurteilung der O₂-Versorgung eines Organs reicht es nicht, einzelne bzw. eine für die statistische Absicherung dieser Messung erforderliche Anzahl von einzelnen lokalen p(O₂) zu bestimmen, da sich an der Oberfläche von Geweben Sauerstoffpartialdruckfelder aufbauen, d. h. daß der lokale p(O₂) auf der Oberfläche des Organs variiert [siehe oben: S. 37-40]. Daher wird zur Beurteilung ein Verteilungsmuster des lokalen p(O₂) über eine bestimmte Fläche herangezogen, wozu jedoch mindestens einhundert ver­ schiedene Einzelmeßwerte erforderlich sind [siehe oben: S. 50-51]. Die Auf­ nahme eines sogenannten pO₂-Histogramms ist damit bei Verwendung einer einfachen Eindrahtoberflächenelektrode vom Clark-Typ in der Praxis an Patienten nicht denkbar. So entwickelte man schon in den sechziger [M. Kessler, D.W. Lübbers, Pflügers Arch. ges. Physiol. 291, 82 (1966)] und siebziger [A. Huch, R. Huch, B. Arner, G. Rooth, Scand. J. Clin. Lab. Invest. 31, 269 (1973)] Jahren die ersten Mehrdrahtoberflächenelektroden, die für jeden Einzeldraht einen eigenen unabhängigen Meßwert lieferten. Obwohl die elektronische Anlage zum Betrieb dieser Mehrdrahtoberflächenelektroden sowie zur Aufnahme der Meßdaten fortlaufend verbessert wurde, so daß eine entsprechende Anlage heute nur noch einen Bruchteil der ursprünglichen räumlichen Ausmaße hat und auch entsprechend preiswerter geworden ist, hat sich an der eigentlichen Meßelektrodenkonzeption nichts geändert. Daher finden auch heute noch die Bestimmungen von lokalen Sauerstoff­ partialdruckverteilungen auf der Oberfläche von Organen mit der Mehr­ drahtoberflächenelektrode nach Kessler und Lübbers statt [J. Hauss, K Schönleben, H.-U. Spiegel: Therapiekontrolle durch Überwachung des Gewebe-pO₂, Verlag Hans Huber Bern Stuttgart Wien, S. 44-45].

Die Problematik einer ortsaufgelösten Sauerstoffpartialdruck-Messung mit einer Mehrdrahtoberflächenelektrode nach Kessler und Lübbers zeigt sich folgendermaßen:

Für eine Beurteilung der O₂-Versorgung eines Organs über die Bestimmung des lokalen p(O₂) sind mindestens einhundert einzelne Meßwerte erforderlich. Die Elektrode nach Kessler und Lübbers enthält jedoch nur acht einzelne Platindrähte und liefert somit auch nur acht Meßwerte. In der Praxis löst man dieses Problem, indem man die Elektrode vom Organ abhebt, 10° um ihre Längsachse dreht und wieder aufsetzt. Diese Prozedur wiederholt man solange, bis man genügend Meßwerte hat bzw. bis man die Kreisfläche unter dem Elektrodenkörper in 10°-Schritten "abgescant" hat. Diese Prozedur erfordert jedoch nicht nur einen enormen Zeitaufwand, sondern auch ein Höchstmaß an Justierpräzision seitens des Bedieners.

Ein weiteres Problem stellt sich in der Fertigung der Mehrdrahtoberflächen­ elektrode nach Kessler und Lübbers. Die Fertigung erfolgt nach wie vor in aufwendiger Handarbeit. Die einzelnen Platindrähte werden zuerst einzeln in Glaskapillaren und dann zusammen als Bündel in einen gemeinsamen Glas­ körper eingeschmolzen. Diese Prozedur ist nicht nur sehr zeitaufwendig, sondern zeigt auch zugleich hohe Ausschußraten. Eine weitere Miniaturi­ sierung der Mehrdrahtoberflächenelektrode bzw. eine Erweiterung der Anzahl der einzelnen Platindrähte ist durch diese Fertigungstechnik stark eingeschränkt. Außerdem ist es unmöglich, bei dieser Fertigungstechnik eine genau definierte und strukturierte geometrische Anordnung der acht einzel­ nen Platindrähte zu erhalten. Somit ist jede Mehrdrahtoberflächenelektrode als ein Unicum vor ihrem ersten Einsatz geometrisch auszumessen. Das meßdatenverarbeitende Programm muß diese Daten bei der bildlichen Meß­ datenwiedergabe entsprechend umsetzen. Ein weiterer Nachteil der Mehrdrahtoberflächenelektrode ist die starke Abhängigkeit des Meßsignals vom Anpressdruck sowie von der Meß­ temperatur. Auch hier gilt: Da jede Mehrdrahtoberflächenelektrode ein Unicum ist, muß auch jede Elektrode einzeln in Abhängigkeit von Druck und Temperatur kalibriert werden. Zuletzt sei noch aufgeführt, daß die Mehrdrahtoberflächenelektrode nach Kessler und Lübbers sich nicht ohne weiteres zur Bestimmung anderer Analyte verwenden läßt. Dabei ist z. B. bekannt, daß beim Absterben einer Gewebezelle deren Zellmembran aufbricht und Kalium-Ionen freisetzt, so daß das Absterben von Gewebe an der Oberfläche von Organen über eine ortsaufgelöste Kalium-Messung angezeigt werden kann.

Diese Probleme werden insbesondere durch die in Patentanspruch 1 sowie durch die in den weiteren Patentansprüchen 2 bis 10 aufgeführten Merkmale der Erfindung gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß nun durch nur einmaliges Aufsetzen der elektrochemischen Meßkette auf die Organoberfläche ein komplettes und geometrisch exaktes Abbild der lokalen Sauerstoffpartialdruckverteilung sowie Verteilungen auch von anderen chemisch und/oder biochemisch relevanten Analyten mit Auflösungen bis hin zu den Dimensionen einzelner Gewebezellen möglich ist. Diese Vorteile gegenüber der herkömmlichen Technik sind möglich geworden durch die Nutzung einer gängigen Technologie, der Silizium-Halbleitertechnologie, für die Fertigung eines mikroelektronischen Chips mit einem Array aus nunmehr planaren Platinelektroden. Da die Silizium-Halbleitertechnologie in ihrem technologischen Prozeß Strukturbreiten von bis zu 0,1 µm auflösen kann, ist es mit dieser Technik möglich, Elektrodenarrays mit entsprechend klein­ dimensionierten Elektrodendurchmessern und -abständen zu schaffen. Damit lassen sich im Vergleich zur herkömmlichen Technik auf derselben Fläche eine um ganze Größenordnungen höhere Anzahl an Einzelelektroden reali­ sieren. Dadurch löst man einerseits die Probleme bei der präparativen Hand­ habung des mehrfachen Abhebens und Wiederaufsetzens der oben beschriebenen Mehrdrahtoberflächenelektrode. Andererseits wird es dadurch erstmals möglich, elektrochemisch erfaßbare Parameter wie z. B. den lokalen Sauerstoffpartialdruck auf der Oberfläche von Organen in zellulären Dimen­ sionen zweidimensional abbildend zu bestimmen. Dazu muß jedoch jede dieser einzelnen Arrayelektroden ihr eigenes, d. h. voneinander unab­ hängiges Meßsignal liefern. Damit muß also jede einzelne Arrayelektrode auch einzeln adressierbar sein. Dies ist in der vorliegenden Erfindung gege­ ben. Realisiert wird die Einzeladressierbarkeit durch die Verknüpfung einer horizontalen mit einer vertikalen Schieberegisterkette auf dem mikroelektoni­ schen Chip und deren Ansteuerung mittels digitaler Steuerlogik. Die An­ steuerung dieser Schieberegisterketten und damit des Elektrodenarrays sowie die Meßwertdatenaufnahme und -verarbeitung erfolgt rechnergestützt mittels einer speziell für diese Anwendung geschriebenen Software. Zwei bedeutende Vorteile resultieren desweiteren aus der Nutzung der Silizium-Halbleitertechnologie für die Fertigung einer elektrochemischen Meßkette zur ortsaufgelösten Konzentrationsbestimmung von chemisch und/oder biochemisch relevanten Analyten gemäß Anspruch 1: Zum einen ist diese Technologie geprägt von äußerster Reproduzierbarkeit, d. h. hier ist nicht mehr jeder Chip ein Unicum, sondern es gleicht ein Chip dem anderen. Zum anderen ist diese Technologie massenproduktfähig, d. h. bei Bedarf lassen sich zueinander völlig identische Chips in hohen Stückzahlen her­ stellen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 gege­ ben. Mit Hilfe der präzisen und reproduzierbaren Silizium-Halbleitertechno­ logie ist es möglich, eine exakte und genau definierte Strukturierung des Elektrodenarrays zu gewährleisten. Dadurch bleibt ein aufwendiges Aus­ messen der geometrischen Elektrodenanordnung sowie die Eingabe dieser Daten in das meßwertverarbeitende Programm jeweils bei der ersten Inbe­ triebnahme eines neuen Meßwertaufnehmers, so wie dies bei obiger Mehr­ drahtoberflächenelektrode der Fall ist, hier erspart. Statt dessen kann hier die gewünschte geometrische Elektrodenanordnung vorgegeben werden. Die direkte und maßstäblich bekannte Vergrößerung des elektrochemischen Abbilds einer Oberfläche auf einem Bildschirm oder Plotter läßt sich dann einfach berechnen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung findet sich in Patentanspruch 3. Vorteilhaft ist es, wenn neben der amperometrischen O₂- Messung nach dem bekannten Clark-Prinzip auch andere Analyte mit dem­ selben Meßwertaufnehmer bestimmbar sind. Dazu ist häufig die Anwendung anderer elektrochemischer Meßverfahren nötig. Eine vorzugsweise gestaltete Ausführung der Erfindung eignet sich sowohl für elektrochemische Methoden mit Stromfluß, wie z. B. Amperometrie, wie auch für elektrochemische Metho­ den ohne Stromfluß, wie z. B. die Potentiometrie. Dabei ist die für eine poten­ tiometrische Messung geforderte Hochohmigkeit des Meßkreises vorzugs­ weise auf dem Chip für jede Arrayelektrode einzeln realisiert. Damit ist das Elektrodenarray auf diesem mikroelektronischen Chip prinzipiell zur ortsauf­ gelösten Konzentrationsbestimmung von z. B. Kalium durch Potentiometrie genauso geeignet wie zur ortsaufgelösten Konzentrationsbestimmung von z. B. O₂ durch Amperometrie.

Patentanspruch 4 beschreibt eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfin­ dung. So ist es für die Meßwertdatenaufnahme und -verarbeitung häufig von immensem Vorteil, wenn die Meßwerte nicht erst in der Form ihrer Aufnahme über lange Leitungen bis zum Ort ihrer Wandlung und/oder Verarbeitung transportiert werden müssen. Aus diesem Grunde ist die jeweilige Signal­ wandlung, wie z. B. Impedanzwandlung, Spannungs-Stromwandlung, Spannungs-Frequenzwandlung, Strom-Spannungswandlung, Analog-Digital­ wandlung etc., vorzugsweise auf dem mikroelektronischen Chip, vorzugs­ weise unmittelbar im Anschluß an die jeweilige Meßwertaufnahme, d. h. für jede Arrayelektrode einzeln, integriert. Diese Signalwandlung, die möglichst mit einer Signalverstärkung gekoppelt ist, wird in der vorliegenden Erfindung realisiert durch entsprechende Halbleiterbauelemente in der bekannten CMOS-Technologie.

Um eine automatische softwaregesteuerte Druck- und/oder Temperaturkom­ pensation durchführen zu können, wird vorzugsweise gemäß Patentanspruch 5 ein Druck- und/oder Temperatursensor auf dem mikroelektronischen Chip integriert. Mit diesen Sensoren werden Anpressdruck und/oder Meßtempe­ ratur kontinuierlich aufgezeichnet und die entsprechenden Meßdaten bezüg­ lich der ortsaufgelösten Konzentrationsbestimmung von chemisch und/oder biochemisch relevanten Analyten von der Software gemäß einer einmaligen Druck- und/oder Temperaturkalibrierung fortlaufend korrigiert. Die Fertigung von Druck- und Temperatursensoren auf einem mikroelektronischen Chip ist in der Silizium-Halbleitertechnologie heute Stand der Technik.

Vorzugsweise besteht das Arrayelektrodenmaterial aus Platin. Jedoch sind auch andere Materialien gemäß Patentanspruch 6 möglich. Sie müssen jedoch chemisch möglichst inert und elektronenleitend sein. Außerdem müssen sie entweder kompatibel zur Silizium-Halbleitertechnologie oder nachträglich elektrochemisch abscheidbar sein.

Patentanspruch 7 beschreibt die vorteilhafte Integration von Gegen- und/oder Referenzelektrode auf dem mikroelektronischen Chip. Dieses ist mit Hilfe der Silizium-Halbleitertechnologie durch Aufbringen zusätzlicher möglichst groß­ flächiger Elektroden, vorzugsweise aus Platin, leicht möglich. Die Modifi­ zierung einer solchen Platinelektrode mit z. B. Ag/AgCl zur Erzeugung einer potentialstabilen Referenzelektrode kann z. B. leicht elektrochemisch erfol­ gen. Vorzugsweise wird die Referenzelektrode räumlich nahe an die einzel­ nen Arrayelektroden und die Gegenelektrode räumlich getrennt davon plaziert.

Patentanspruch 8 gibt eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung an, mit der eine Analytspezifität gewonnen werden kann. So können prinzipiell verschie­ dene analytspezifische Materialien auf das komplette Elektrodenarray oder zumindest größere Teile davon aufgebracht werden. Beispielsweise kann das analytspezifische Material aus einer gasdurchlässigen Teflon-Membran über einer Elektrolytschicht bestehen. Damit kann dann z. B. der lokale Sauerstoffpartialdruck auf der Oberfläche von Organen ortsaufgelöst bestimmt werden. Auch ist z. B. eine Kalium-selektive Polymermembran als analytspezifisches Material möglich. Damit läßt sich dann die lokale Kalium- Konzentration auf der Oberfläche von Organen ortsaufgelöst bestimmen. Die ortsaufgelöste Konzentrationsbestimmung weiterer Analyte erschließt sich z. B. durch die Aufbringung von sogenannten Enzymmembranen. Die Enzyme setzen spezifisch den zu bestimmenden Analyten um. Diese Umsetzung läßt sich entweder über die selektive Bestimmung der Konzentrationsänderung eines Co-Substrates oder aber über die selektive Bestimmung der Konzen­ trationsänderung eines der gebildeten Produkte verfolgen. Somit ist indirekt die selektive Bestimmung des entsprechenden Analyten möglich. Auf diese Weise läßt sich die allgemeine Versorgungslage von Organen mit Nähr­ stoffen wie z. B. Glucose ortsaufgelöst bestimmen. Eventuelle therapeutische Eingriffe in den Nährstoffkreislauf des Organs können damit möglicherweise ortsaufgelöst verfolgt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist in Patentanspruch 9 gegeben. Hier wird das entsprechende analytspezifische Material nicht über das komplette Elektrodenarray oder Teile davon, sondern nur auf den aktiven Elektrodenflächen der einzelnen Arrayelektroden aufgebracht. Da das mechanische Aufbringen von analytspezifischen Materialien auf einzelnen Elektrodenflächen mit Durchmessern im µm-Bereich problematisch ist, wird die Erzielung einer Analytselektivität vorzugsweise durch elektrochemische Abscheidung erreicht. Beispielsweise lassen sich Polymere wie Polypyrrol, Polythiophen, Polyphenol etc. elektrochemisch lokal begrenzt auf Elek­ trodenoberflächen abscheiden. Enthält die Abscheidungslösung des Mono­ meren auch Enzyme, so werden diese in das Polymer auf der Elektrode ein­ geschlossen. Man erhält damit auf der Elektrodenoberfläche eine analytspe­ zifische Enzymmembran. Mit solchen Enzymmembranen auf allen Array­ elektroden oder zumindest auf einer größeren Anzahl davon sind wiederum ortsaufgelöste Konzentrationsbestimmungen selektiv für das entsprechende Substrat des Enzyms möglich.

Patentanspruch 10 beschreibt eine zusätzlich mögliche Ausführungsform der Erfindung, die diese Erfindung auch für andere Anwendungen als elektro­ chemische Abbildungen von zweidimensionalen Konzentrationsverteilungen chemisch und/oder biochemisch relevanter Analyte zugänglich macht. So ist eine Kombination der beiden obigen Möglichkeiten zur Erzielung einer Analytselektivität auf demselben Elektrodenarray möglich. Eine solche Kombination kann z. B. genutzt werden, um auf verschiedenen Arraybezirken unterschiedliche analytspezifische Materialien aufzubringen. Außerdem können auch auf einheitlichem Wege auf unterschiedlichen Arrayelektroden oder Arraybezirken verschiedene analytspezifische Materialien aufgebracht werden. Beispielsweise können nach dem oben beschriebenen Prinzip der Enzymeinbettung in Polymere durch Elektropolymerisation auf verschie­ denen Arrayelektroden unterschiedliche Enzyme eingebettet werden, wenn die Abscheidung des Polymers auf den einzelnen Elektroden sequentiell erfolgt und die Enzyme in den Abscheidungslösungen entsprechend vari­ ieren. Ein derart modifiziertes Elektrodenarray eignet sich dann je nach Anzahl der unterschiedlichen analytspeziflschen Materialien und je nach deren geometrischer Verteilung weniger zur ortsaufgelösten Konzentrations­ bestimmung der entsprechenden Analyte, sondern vielmehr zur quasi-simul­ tanen Konzentrationsbestimmung aller Analyte, sofern die unterschiedlichen analytspezifischen Materialien auch für die verschiedenen Analyte spezifisch sind. Man erhält damit einen Multianalytsensor. Sind dagegen die unter­ schiedlichen analytspezifischen Materialien zwar untereinander verschieden, aber alle mehr oder weniger selektiv für den gleichen Analyten, so läßt sich mit diesem Elektrodenarray "pattem recognition"-Analyse betreiben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen 1 bis 4 darge­ stellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1: Schematischer Meßaufbau für das Ausführungsbeispiel der Erfindung

Fig. 2: Maße von Chip und Platine für das Ausführungsbeispiel

Fig. 3: Blockschema zum Chipaufbau für das Ausführungsbeispiel

Fig. 4: Technischer Querschnitt durch den Chip für das Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt den schematischen Meßaufbau für das Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt wird eine elektrochemische Meßkette, wie sie in Patentanspruch 1 der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet ist. Dabei fin­ det ein mikroelektronischer Chip Verwendung, auf dem sich ein Array von einzeln abfragbaren Platinelektroden befindet. Der mikroelektronische Chip ist auf eine Platine aufgeklebt und über Leiterbahnen auf der Platine mit einem 25-poligen Stecker elektrisch leitend kontaktiert. Die Ansteuerung des Elektrodenarrays erfolgt durch eine speziell entwickelte Software vom Rech­ ner aus über eine digitale Logik und eine Digital-I/O-Karte. Die Ansteuerung des Potentiostaten erfolgt ebenfalls durch die Software vom Rechner aus, hier jedoch über eine IEEE-Karte. Der Potentiostat liefert z. B. für eine ortsaufgelöste Bestimmung von lokalen Sauerstoffpartialdrücken auf der Oberfläche von Organen die dazu notwendigen Polarisationsspannungen von ca. -700 mV gegen Ag/AgCl an den einzelnen Arrayelektroden. Der dabei fließende elektrische Strom wird direkt vom Potentiostaten gemessen. Die Zuordnung des jeweils vom Potentiostaten gemessenen Stromes zu einer bestimmten Arrayelektrode erfolgt automatisch durch die Software. Diese sammelt und verarbeitet schließlich die einzelnen Meßwertdaten und stellt sie in Form von zweidimensionalen Konzentrationsverteilungen auf dem Bildschirm dar.

Fig. 2 zeigt die Maße des mikroelektronischen Chips und der Platine für das Ausführungsbeispiel (alle Angaben in mm). Der Chip hat hier die äußeren Maße von 14 mm × 14 mm. Die Platine hat dagegen einen Steg von 20 mm Breite, da in dem Ausführungsbeispiel einige Leitungen des Chips auch seit­ lich abgeführt werden. Die Leiterbahnen auf der Platine sind aus Kupfer. Die Rückseite der Platine sowie eine seitliche Umrandung auf der Vorderseite sind mit Kupfer überzogen. Dieser Überzug dient zur elektrischen Abschir­ mung und ist mit der Masse verbunden. Vorteilhaft für eine ortsaufgelöste Bestimmung von z. B. lokalen Sauerstoffpartialdrücken ist allerdings eine Einfassung des Chips in ein Gehäuse, in welches der Chip unten in den Boden eingefaßt ist. Die elektrische Kontaktierung des Chips erfolgt hier auf der Rückseite. Dann läßt sich der Chip stempelartig wie die Mehrdrahtober­ flächenelektrode nach Kessler und Lübbers auf die Oberfläche des Organs aufsetzen.

Fig. 3 zeigt ein Blockschema zum Aufbau des mikroelektronischen Chips für das Ausführungsbeispiel. Auf dem Chip ist schematisch das Elektrodenarray mit z. B. 20 × 20 einzeln adressierbaren Platinelektroden dargestellt. Dieses Elektrodenarray hat z. B. die Maße 1 cm × 1 cm und jede einzelne Array­ elektrode im jeweiligen Abstand von z. B. 500 µm hat beispielsweise das Ausmaß 50 µm × 50 µm. Die gewinkelte Schiene am linken und oberen Rand des Elektrodenarrays stellen das vertikale und horizontale Schieberegister dar. Diese laufen an der zentralen Logikeinheit zusammen. Eine einzelne Arrayelektrode ist jeweils nur dann angesteuert, wenn hier in der zentralen Logikeinheit ein logisches "und" vorliegt, d. h. wenn das vertikale Schiebe­ register die entsprechende Zeile und gleichzeitig das horizontale Schiebe­ register die entsprechende Spalte des Arrays aktiviert. Links vom horizon­ talen Schieberegister sowie rechts vom Elektrodenarray sind zwei weitere Blöcke eingezeichnet. Sie symbolisieren die auf dem Chip integrierten Gegen- und/oder Referenzelektroden. Am oberen Rand dieses Block­ schemas sind schließlich noch die Bondpads eingezeichnet, über die die Leitungen auf dem Chip mit denen auf der Platine verbunden werden.

Fig. 4 zeigt einen technischen Querschnitt durch den Chip des Ausführungs­ beispiels. Gezeigt ist links ein Querschnitt durch die beiden wichtigsten ele­ mentaren Bausteine der CMOS-Technologie, der NMOS-Transistor und der PMOS-Transistor. Aus einer Kombination dieser beiden Bauelemente mit noch weiteren Bauelementen, wie z. B. Widerständen, Kondensatoren und Dioden, ist die komplette Steuerlogik aufgebaut. Auch eine auf dem Chip integrierte Signalwandlung erfolgt durch Verwendung von mikroelek­ tronischen Bausteinen, die ihrerseits aus diesen elementaren Bauteilen zusammengesetzt sind. Rechts vom PMOS-Transistor ist schematisch ein Querschnitt durch eine einzelne Platinelektrode des Elektrodenarrays darge­ stellt. Identisch sieht auch der Querschnitt durch eine großflächige Platin- Gegenelektrode aus. Rechts zeigt die Fig. 4 schließlich einen Querschnitt durch eine entsprechende Ag/AgCl-Referenzelektrode.

Claims (10)

1. Elektrochemische Meßkette zur ortsaufgelösten Konzentrationsbe­ stimmung von chemisch und/oder biochemisch relevanten Analyten, dadurch gekennzeichnet, daß ein mikroelektronischer Chip mit einem Elektrodenarray verwendet wird, wobei das analytische Signal über eine digitale Steuerlogik auf dem Chip analog zu den sogenannten charge coupled devices (CCD) sequentiell für alle Arrayelektroden einzeln abfragbar ist und die Ansteuerung des Arrays sowie das Einlesen und Verarbeiten von Analysedaten rechnergestützt über eine speziell entwickelte Software stattfindet.

2. Elektrochemische Meßkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Array-Elektroden, vorzugsweise mit Durchmessern zwischen 0,1 µm und 100 µm, zum Zwecke einer einfachen und direkten Vergrößerung mit einer Auflösung bis zu ca. 1 µm auf dem Chip regelmäßig und mit bekanntem Maßstab angeordnet sind.

3. Elektrochemische Meßkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete mikroelektronische Chip sich sowohl für elektro­ chemische Methoden mit Stromfluß (z. B. Amperometrie) als auch für elektro­ chemische Methoden ohne Stromfluß (z. B. Potentiometrie) gleichermaßen eignet. Im Falle der Potentiometrie wird die vom Meßaufbau geforderte Hochohmigkeit des Meßkreises vorzugsweise auf dem Chip selbst erzeugt.

4. Elektrochemische Meßkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das analytische Signal zum Zwecke einer möglichst störungsfreien Übertragung vorzugsweise direkt auf dem Chip gewandelt (z. B. Impedanz­ wandlung, Spannungs-Strom-Wandlung, Analog-Digital-Wandlung) und ver­ stärkt wird.

5. Elektrochemische Meßkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor auf dem verwendeten mikroelektronischen Chip integriert sind, wodurch eine vorzugsweise soft­ waregesteuerte Druck- und/oder Temperaturkompensation möglich ist.

6. Elektrochemische Meßkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Arrayelektrodenmaterial Platin, Gold, Silber oder ein anderes chemisch inertes elektronenleitendes Material verwendet wird.

7. Elektrochemische Meßkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegen- und/oder Bezugselektroden auf dem Chip integriert sind. Dabei ist vorzugsweise die Gegenelektrode räumlich getrennt von den Array­ elektroden und die Bezugselektrode auf der Basis Ag/AgCl oder eines anderen Redoxsystems räumlich nahe an die Arrayelektroden plaziert.

8. Elektrochemische Meßkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Analytselektivität das komplette Elektrodenarray oder Teile davon mit einem analytspezifischen Material (z. B. Gasmembran, ionen­ selektive Polymermembran oder Enzymmembran) überzogen ist.

9. Elektrochemische Meßkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Analytselektivität nur die aktive Fläche der einzelnen oder einzelner Arrayelektroden mit einem analytspezifischen Material über­ zogen ist.

10. Elektrochemische Meßkette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf verschiedenen Arrayelektroden oder Arraybezirken desselben mikroelektronischen Chips unterschiedliche analytspezifische Materialien aufgebracht sind.