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Diese
Erfindung betrifft allgemein eine neuartige Vorrichtung, nämlich ein
Analysegerät
mit einem oszillierenden piezoelektrischen Sensor, und insbesondere
betrifft die Erfindung eine verbesserte Quarzkristall-Mikrobalance
und deren Anwendung.
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Eine
Quarzkristall-Mikrobalance ist eine Vorrichtung zum Detektieren
und Messen sehr kleiner Veränderungen
in einer Masse. Ihre Hauptbauteile sind ein Quarzkristall und eine
an diesen angeschlossene Oszillatorschaltung zum Erzeugen eines
Ausgangssignals auf der Resonanzfrequenz des Kristalls. Die Ausgangsfrequenz,
die im typischen Fall etwa 10 MHz beträgt, wird mit einem hohen Maß an Genauigkeit
zum Beispiel mit einem Frequenzzähler gemessen.
Der Quarzkristall ist ungleich den normalerweise in elektronischen
Schaltungen verwendeten Kristallen nicht eingekapselt, so daß er mit
seiner Umgebung interaktiv zusammenwirken kann. Das Absetzen kleiner
Materialmengen auf dem Kristall ändert
dessen Resonanzfrequenz und ermöglicht das
Bestimmen der Masse des abgesetzten Materials. Im typischen Fall
liegen die Frequenzänderungen
in der Größenordnung
von wenigen Hz bis zu wenigen 10 Hz, und Änderungen in der Größenordnung
von Nanogramm in der Masse des abgesetzten Materials lassen sich
detektieren.
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Der
piezoelektrische Sensor in zu Forschungszwecken verwendeten Analysegeräten ist
im typischen Fall eine dünne
Quarzscheibe aus einem künstlich
gewachsenen Kristall, obgleich auch andere piezoelektrische Materialien
wie Turmalin, Ethylendiamintartrate, ADP, KDP und Rochellesalz verwendet
werden können.
Quarz hat den Vorteil, daß er chemisch
inert, in Wasser unlöslich
und verhältnismäßig temperaturunempfindlich
ist. Ein für
eine Mikrobalance typischer Quarzsensor 10 wird in 1 gezeigt.
Im typischen Fall ist der Quarzkristall 16 ein kreisförmiger „AT-Schnitt" mit Metallelektroden 18 auf beiden
Seiten. Im typischen Fall sind die Elektroden aufgestäubte dünne (200
nm) Filme aus Gold, Silber oder Titan, möglicherweise mit einer Unterschicht zum
Verbessern der Haftung. An den Elektroden sind Zuführungsleitungen 14 befestigt
und bilden auch eine mechanische Stütze für den Kristall wie auch ein gewisses
Maß an
Isolation gegenüber
der Basis 12 des Sensors und den Ableitungen 15.
Im typischen Fall hat der Kristall einen Durchmesser von etwa 1 cm.
Die Änderung ΔF in der
Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls mit AT-Schnitt und einer Fläche A bei Schwingen in Luft
auf der Grundfrequenz F wird bei einer Änderung der Masse des Kristalls
um ΔF
= -2,3 × 106 F2 ΔM/A.
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Die
Quarzkristall-Mikrobalance wird sehr häufig zum Messen der Masse verwendet,
kann aber auch zum Detektieren von Änderungen in der Viskosität und/oder
Dichte einer Flüssigkeit
verwendet werden, da sämtliche
Faktoren bei Schwingungen in einer Flüssigkeit die Schwingungsfrequenz
beeinflussen. Die Verschiebung ΔF
in der Frequenz eines Quarzkristalls bei Eintauchen in eine Flüssigkeit
wird gegeben durch: ΔF
= -FO 3/2(ηLρL/πQρQ)½ Dabei gilt:
- ΔF
- = Änderung in der Frequenz
- FO
- = Resonanzfrequenz
- ηLρL
- = absolute Dichte
und Viskosität
der Flüssigkeit
- πQρQ
- = Elastizitätsmodul
und Dichte des Quarz
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Eine
Quarzkristall-Mikrobalance kann als Biosensor eingesetzt werden,
das heißt
eine Vorrichtung, die als Teil des Sensors Material biologischen Ursprungs
verwendet oder gegenüber
diesem empfindlich ist. Im typischen Fall ist ein Teil einer oder
beider Elektroden des Sensors mit dem Material überzogen, das sich mit einem
Ziel-Biomolekül
oder-zelle binden kann. Falls ein solcher Rezeptor der Ziel(„ligand")verbindung ausgesetzt
wird, wird der Ligand an das Substrat gebunden und bewirkt eine Änderung ΔM in der
Masse des Sensors und/oder Viskositäts/Dichteänderungen in der örtlichen
Mikroumgebung und als Folge eine Änderung in seiner Schwingungsfrequenz.
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Es
besteht ein allgemeiner Bedarf an Verbesserungen in der Empfindlichkeit
und Wirksamkeit der bekannten Quarzkristall-Mikrobalancen. Insbesondere
mangelt es den Oszilatortreiberschaltungen der herkömmlichen
Mikrobalancen an Stabilität
und Genauigkeit, insbesondere bei in eine Flüssigkeit eingetauchtem Sensor.
Bei Eintauchen einer Kristall oberfläche in eine Flüssigkeit
sinkt das „Q" des Kristalls (ein
Maß für die Schärfe der
Resonanz oder gleichbedeutend der pro Periode abgeleiteten Energie)
beträchtlich,
und die Resonanzfrequenz verschiebt sich leicht. Der Abfall Q ergibt
sich auf Grund der Dämpfung,
wie er durch die Absorption der Energie durch die Flüssigkeit
bewirkt wird. Die Änderung in
der Resonanzfrequenz liegt an der dynamischen Masse der Flüssigkeit
an der Kristallstirnseite. Bei Resonanz eines Kristalls fällt dessen
Impedanz von fast Unendlich auf etwa 50 bis 200 W. Im eingetauchten
Zustand kann die Impedanz bei Resonanz 100 kW oder höher sein.
Damit das Gerät
mit dem Sensor sowohl inner- als auch außerhalb einer Flüssigkeit
arbeiten kann, muß das
System einen weiten dynamischen Bereich aufweisen, um die Resonanzfrequenz des
Sensors über
diesem weiten Bereich von Impedanzen genau festzustellen. Obwohl
Quarzkristall-Mikrobalancen sowohl in Flüssigkeit als auch in Luft arbeiten
können,
ergeben sich Schwierigkeiten, wenn das System mit dem Sensor in
beiden Medien arbeiten muß.
Bei Betrieb in einer Flüssigkeit
zeigten bekannte Vorrichtungen häufig
einen Mangel an Stabilität,
Empfindlichkeit und Genauigkeit, unter Umständen verbunden mit der breiteren
Resonanz und den größeren Energieverlusten
des eingetauchten Sensors. Bei Versuchen, einigen dieser Veränderlichen
entgegenzuwirken, wurden zweifach angepaßte Oszillatoren verwendet,
die die Arbeits- und Bezugsfrequenz der Kristalle verglichen (Dunham
G.C., Benson N.H., Petalenz D. und Jan-ata J., Anal. Chem., 67 (1995)
267-272).
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Es
besteht auch ein Bedarf an verbesserten Untersuchungsverfahren zur
schnellen Bewertung der Verbindungen mit potentiell therapeutischem Nutzen.
Pharmazeutische Firmen stellen im typischen Fall Tausende von Verbindungen
synthetisch her, die dann zur Identifizierung derjenigen, die mit
einem Zielmolekül
interagieren, untersucht werden. Im typischen Fall wird das eine
oder das andere dieser Zielmoleküle
und Liganden mit einer radioaktiven oder fluoreszierenden Marke
versehen. Diese Techniken sind jedoch langsam und teuer und verlangen das
Arbeiten mit gefährlichen
Stoffen, und das Markieren kann die Rezeptor-Liganden-Interaktion
beeinträchtigen.
Eine weitere Schwierigkeit liegt damit in der Notwendigkeit verbesserter
Untersuchungsverfahren, und die Quarzkristall-Mikrobalancen versprechen
auf diesem Gebiet einige Vorteile. Ein Sensor-Oszillator-System,
das selbst in einer strömenden
Flüssigkeit
stabil ist und das in dieser Ausgestaltung empfindlich genug ist,
um das Überwachen
von biomolekularen Interaktionen auf der Ober fläche der Kristallelektrode in
Echtzeit zu ermöglichen,
ist in diesem Zusammenhang daher erwünscht.
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2 zeigt
eine Oszillatorschaltung 20 für eine Quarzkristall-Mikrobalance.
Sie ist bekannt aus Barnes C., Sensors and Actuators A., 29 (1991) 59-69.
Der Quarzkristall 24 liegt in Reihe in einem Rückkopplungspfad,
der unter Bildung eines Osziallators den Ausgang des CMOS-Inverters 22 mit
dessen Eingang verbindet. Eine einen Transistor enthaltende Pufferschaltung 26 ist
an den Oszillator angeschaltet und bildet bei 28 einen
an einen Frequenzzähler
angeschlossenen Ausgang. Der Oszillator arbeitet im Bereich von
1,7 bis 30 MHz. Im Stand der Technik wurde er aber von Barnes bei
14 MHz eingesetzt. Eine diese Schaltung verwendende Quarzkristall-Mikrobalance
zeigt die oben genannten Nachteile. Die vorliegende Erfindung strebt
durch Verwendung einer verbesserten Oszillatorschaltung eine Milderung
dieser Schwierigkeiten der herkömmlichen Systeme
an.
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Bei
dem in der US-PS 4 788 466 beschriebenen Gerät wird eine Quarzkristall-Mikrobalance durch
eine Schaltung angesteuert, die einen Ausgleich der Q-Verluste mit
einer Verstärkungssteuereinrichtung
zum Steuern der Verstärkung
der Verstärker
in einer Oszillatorschaltung anstrebt. Für den Kristall enthält das Gerät eine Oszillatorschaltung, bei
der eine Rückkopplungsschleife
im allgemeinen ähnliche
Verstärker
mit veränderlicher
Verstärkung zum
Ausbilden der regenerativen Rückkopplung
zum Aufrechterhalten der Schwingung des Kristalls enthält. Das
Ausgangssignal des Kristalls erscheint als eine über einem parallel zum Kristall
liegeden Widerstand auftretende Spannung und dient als Eingangssignal
für einen
dem Kristall folgenden Regelverstärker. Das Ausgangssignal des
Verstärkers
wird zu einer Phasenschieberschaltung in der Rückkopplungsschleife des Oszillators
und zu einer zweiten negativen Rückkopplungsschleife
zurückgeführt, die
ihrerseits die Verstärkung
von zwei Regelverstärkern steuert.
Trotz der Verstärkungssteuerung
ist das Gerät
nur über
einem verhältnismäßig schmalen
Bereich der Kristallimpedanzen wirksam, da der Kristall und der
Widerstand in Wirklichkeit das Ausgangssignal des anderen Regelverstärkers teilen.
Folglich wird eine zu hohe Kristallimpedanz ein ausreichendes Signal
an einer Rückführung zur
Oszillatorschaltung zum Aufrechterhalten der Schwingungen hindern.
Auf der anderen Seite wird eine zu geringe Kristallimpedanz dazu
füh ren,
daß der
größere Anteil
der Leistung des Oszillators an den Widerstand angelegt wird, so
daß dem
Kristall unzureichend Energie zugeführt würde.
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Gemäß der Erfindung
sind ein Verfahren und ein Gerät
vorgesehen, wie sie in dem unabhängigen Verfahrens-
und dem unabhängigen
Vorrichtungsanspruch, nämlich
Anspruch 1 bzw. Anspruch 9, beschrieben werden.
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Wir
werden ein Analysegerät
mit einem piezoelektrischen Sensor und einer an diesen angeschlossenen
Oszillatorschaltung beschreiben. Diese schwingt auf einer Frequenz,
die im wesentlichen durch eine Resonanzfrequenz des Sensors bestimmt wird,
und bildet am Ausgang ein die Oszillatorfrequenz aufweisendes Ausgangssignal.
Die Oszillatorschaltung enthält
Mittel zum Aufrechterhalten eines im wesentlichen konstanten Ansteuersignals
am piezoelektrischen Sensor. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Analysegerät
eine Quarzkristall-Mikrobalance. Das im wesentlichen konstante Ansteuersignal
wird durch ein AGC-Mittel in der Rückkopplungsschleife des Oszillators
aufrechterhalten, dem Verstärkungssteuersignal,
das als eine Anzeige des Q des piezoelektrischen Sensors verwendet
werden kann. Es ist erwünscht,
daß das
Ansteuersignal für den
Sensor im wesentlichen sinusförmig
ist, da dies zu einer größeren Genauigkeit,
Empfindlichkeit und Stabilität
des Gerätes
führt.
Dies läßt sich
dadurch erreichen, daß sichergestellt
wird, daß sämtliche
in der Rückkopplungsschleife
enthaltenen und eine Signalverstärkung
und -dämpfung
bewirkenden Elemente so gestaltet sind, daß sie in einen im wesentlichen
linearen Modus arbeiten.
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Wir
werden weiter ein Verfahren zum Messen einer Charakteristik eines
in einer Arbeitsmittelströmung
schwingenden piezoelektrischen Sensors beschreiben mit Ausbilden
eines schwingenden Ansteuersignales für den Sensor und dadurch gekennzeichnet,
daß das
Verfahren weiter das Steuern des Ansteuersignales in solcher Weise
umfaßt,
daß es trotz Änderungen
im Arbeitsmittel auf einem annähernd
konstanten Pegel gehalten wird.
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Wir
werden auch ein Analysegerät
mit einem piezoelektrischen Sensor und einer an diesen angeschlossenen
Oszillatorschaltung beschreiben, die auf einer im wesentlichen durch
eine Resonanzfrequenz des Sensors bestimmten Frequenz schwingt, mit
Ausbilden eines ersten Ausgangssignals auf der Oszillatortrequenz,
und bei dem die Oszillatorschaltung Mittel zum Ausbilden eines mit
dem „Q" des Sensors in Beziehung
stehenden zweiten Ausgangssignales umfaßt.
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Wir
werden weiter eine Oszillatorschaltung mit einem piezoelektrischen
Sensor beschreiben zum Schwingen auf einer Frequenz, die im wesentlichen
durch eine Resonanzfrequenz des Sensors bestimmt wird, und zum Bilden
eines Ausgangssignals auf der Oszillatortrequenz an einem Ausgang,
wobei die Schaltung einen Verstärker
aufweist mit einer Rückkopplung
zum Ankoppeln des Ausgangs an den Eingang des Verstärkers zum
Bilden einer Rückkopplungsschleife
durch den Verstärker,
bei dem die Rückkopplungsschleife
ein Mittel (AGC automatic gain control) zur selbsttätigen Verstärkungssteuerung
aufweist zum Aufrechterhalten eines im wesentlichen konstanten Ansteuersignales
am piezoelektrischen Sensor.
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Zum
Fördern
eines vollständigeren
Verständnisses
dieser und anderer Gesichtspunkte der Erfindung werden nun einige
Ausführungsformen
nur als Beispiel unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Dabei ist:
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1 eine
Darstellung eines für
eine Mikrobalance typischen Quarzkristallsensors,
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2 eine
Darstellung einer bekannten Quarzkristall-Oszillatorschaltung,
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3 ein
begriffliches Blockschaltbild einer verbesseren Oszillatorschaltung,
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3a ein Blockschaltbild einer bevorzugten
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Oszillators,
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4b die
Darstellung eines Eingangsverstärkers
für einen
Oszillator,
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5 ein
detailliertes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Oszillators,
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6 ein
detalliertes Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oszillators,
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7 die
Darstellung einer Quarzkristall-Mikrobalance mit einer verbesserten
Oszillatorschaltung und
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8 die
Darstellung einer Quarzkristall-Sensorzelle.
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Ein
Oszillator ergibt sich allgemein durch einen eine Rückkopplung
aufweisenden Verstärker. Die
Bedingungen für
eine Schwingung liegen darin, daß die Schleifenverstärkung gleich
oder größer als Eins
sein sollte und daß die
Schleifenverstärkungs-Phasenverschiebung
Null (oder ein integrales Vielfaches von 2π) ist. Die letzere Bedingung
drückt die
Forderung aus, daß eine
Signalwanderung durch den Verstärker
und das Rückkopplungsnetzwerk eine
Phasenverschiebung von einer oder mehreren ganzen Perioden auf der
Schwingungsfrequenz erfahren muß.
Ein Quarzkristall weist eine Serienresonanzfrequenz auf, bei der
seine Impedanz Null ist, und eine geringfügig höhere parallele Resonanzfrequenz,
bei der seine Impedanz Unendlich ist.
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In 3 wird
das begriffliche Blockschaltbild eines verbesserten Oszillators
gezeigt. In dieser Schaltung ergibt sich die Verstärkung durch
einen Verstärker 32 und
das selbsttätige
Spannungssteuermittel (AGC) 33, 34. Das AGC-Mittel
umfaßt
ein eine veränderliche
Verstärkung
aufweisendes Mittel (Verstärker
oder Dämpfungsglied) 33 mit
einer durch ein am Steuereingang 35 liegendes Signal steuerbaren Verstärkung (Verstärkung/Dämpfung).
Das Mittel umfaßt
weiter ein Mittel 34 zum Messen des Pegels des von der
Schaltung abgegebenen Ausgangssignals und zum Steuern des die veränderliche
Verstärkung aufweisenden
Mittels nach Maßgabe
des gemessenen Pegels. Die Rückkopplung
in dieser Schleife ergibt sich durch die Leitung 38, die
den Ausgang des Verstärkungs/Dämpfungselements 33 an
den Eingang des Verstärkers 32 anschließt. Der
Quarzkristall 31, der die Resonanzfrequenz des Oszillators vorgibt,
liegt zwischen dem Ausgang des Verstärkers 32 und einem
Massepunkt, der eine virtuelle Masse sein kann. Alternativ kann
die Schaltung so ausgebildet werden, daß der Kristall in Reihe liegt.
Bei der gezeigten Parallelschaltung muß die Ausgangsimpedanz der
Treiberschaltung, damit der Kristall 31 die Resonanzfre quenz
der Schaltung zutreffend vorgibt, der des Kristalls nicht zu unähnlich sein.
Falls damit der Verstärker
eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweist, kann der Kristall über einen
Widerstand angesteuert werden. Alternativ kann der Verstärker 32 ein Steilheitsverstärker (transconductance
amplifier) mit einer hohen Ausgangsimpedanz sein. Ein herkömmlicher
Oszillator enthält
im allgemeinen weitere kapazitive und/oder induktive Abstimmelemente
in Reihe und/oder parallel mit dem Kristall und/oder in der Rückkopplungsschleife 38.
Bei den hier beschriebenen Schaltungen wird das Herabsetzen dieser
zusätzlichen
Elemente auf ein Minimum bevorzugt, so daß die Schwingungsfrequenz soweit
wie möglich
allein von der Resonanzfrequenz des Kristalls bestimmt wird. Später wird
sich zeigen, daß die
passiven Elemente der Oszillatortreiberschaltung ohne Berücksichtigung
von Streukapazitäten
fast ausschließlich
ohmsch sind.
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Die
Schleifenverstärkung
ergibt sich aus der Kombination des Verstärkers 32 und des AGC-Mittels 33.
Das eine oder das andere dieser Elemente mag einen Teil der Verstärkung oder
die gesamte Verstärkung
bewirken. Im Betrieb steuert der Ausgang des Verstärkers 32 das
Kristall 31 auf der Resonanzfrequenz an, und ein Signal
mit dieser Frequenz erscheint am Ausgang 36. Der Signalpegel
am Ausgang 36 wird durch das Pegelmeßmittel 34 überwacht.
Zum Steuern der Schleifenverstärkung
ist das Pegelmeßmittel 34 an
den Verstärkersteuereingang 35 des
AGC-Mittels 33 angeschlossen. Da das Ausgangssignal des
AGC-Mittels 33 zum Eingang des Verstärkers 32 zurückgeführt wird,
wird eine im wesentlichen konstante Ansteuerung auf der Schwingungsfrequenz
am Kristall 31 aufrechterhalten. Auch am Ausgang 36 wird
ein im wesentlichen konstanter Signalpegel aufrechterhalten. Bei
Verwendung mit einer Quarzkristall-Mikrobalance oder einer ähnlichen Einrichtung
bringt das Aufrechterhalten des Pegels des Ansteuersignals am Quarzkristall,
das im allgemeinen irgendeine Form des piezoelektrischen Sensors
ist, eine Reihe von Vorteilen. Die verbesserte Treiberschaltung
kann die Sensorschwingung aufrechterhalten, während sich der Sensor in einem
Bereich von verschiedenen oder veränderlichen Umgebungen befindet,
zum Beispiel Luft, Flüssigkeit
und strömende
Flüssigkeit.
In einer Flüssigkeit
gemäß der obigen
Beschreibung setzt die zusätzliche
Dämpfung
das Q des Sensors herab, und in dem System von 3 gleicht
der Oszillator diese Q-Herabsetzung selbsttätig aus.
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Es
wurde auch gefunden, daß das
Zuführen eines
im wesentlichen sinusförmigen
Ansteuersignals zum Kristall wichtig ist. Bei dessen Dämpfung zum
Beispiel durch eine Flüssigkeit
neigt er bei Ansteuern durch eine merkbar nichtsinusförmige oder eine
quadratische Welle zu einem Hüpfen
zu einer Oberwellenfrequenz. Diese Neigung wird mit einer sinusförmigen Ansteuerung
herabgesetzt. Die Oszillatoransteuerung und die Rückkopplungsschaltung
(in 3 der Verstärker 32 und
das AGC-Mittel 33) sind deshalb vorzugsweise linear. Bei
der unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsform sind sämtliche Verstärker in
dem entscheidenden Teil des Oszillators, das heißt diejenigen, die die hochfrequente
Ansteuerung für
den Kristall ausführen,
linear und weisen vorzugsweise eine niedrige Verzerrung auf.
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Die
oben beschriebenen Merkmale unterstützen den Oszillator beim genaueren
Aufschalten auf die Resonanzfrequenz des Sensors, insbesondere in „schwierigen" oder flüssigen Umgebungen,
das heißt,
dies führt
zu einer Quarzkristall-Mikrobalance mit höherer Empfindlichkeit und Robustheit
im Betrieb. Diese Oszillatorkonstruktion folgt damit einfacher Änderungen
in der Frequenz, wie sie zum Beispiel beim Detektieren des Bindens
eines Liganden an einen Kristall und an ein auf diesem befindliches Substrat
auftreten.
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Es
wurde gefunden, daß der
Pegel des AGC-Steuersignals mit dem „Q" des Sensors in Beziehung gebracht werden
kann, und dieses Steuersignal erscheint weiter auch an einem getrennten
Ausgang 37. In der mit Bezug auf 6 beschriebenen detaillierten
Schaltung erscheint an diesem Ausgang ein dem Q-Wert des Sensors
proportionaler Gleichspannungspegel. Es wurde auch gefunden, daß der Q-Wert
des Sensors empirisch in eine Beziehung zu der Viskosität eines
Arbeitsmittels gebracht werden kann, in das der Sensor eintaucht,
und das Q-Ausgangssignal kann damit als unmittelbare Anzeige dieser
Viskosität
verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Änderungen
in der Frequenz und im Q-Wert zum Erzielen einer nutzbaren Information
derjenigen Stoffe, die unter Verwendung des Sensors einer Analyse
ausgesetzt werden, überwacht.
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In 3 wird
der Kristall 31 in Parallelschaltung am Ausgang des Verstärkers gezeigt.
Fachleute verstehen jedoch, daß der
Kristall auch an anderen Stellen in der Schaltung an geschlossen
werden könnte.
Zum Beispiel könnte
er in Reihenschaltung angeschlossen werden.
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In 4a wird
ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Oszillators 40 auf der
Grundlage der begrifflichen Anordnung nach 3 gezeigt.
Gleich dem begrifflichen System enthält der Oszillator nach 4a einen
durch einen Verstärker 46 angesteuerten
piezoelektrischen Sensor 42, obwohl dieser Verstärker in
einem bevorzugten System die Verstärkung Eins aufweist und als Puffer
dient. In der gezeigten Ausführungsform
weist der Verstärker/Puffer 46 zwei
Ausgänge
auf. Einer steuert den Sensor 42 an, und der zweite bildet
einen Eingang für
einen zwei Quadranten aufweisenden Vervielfacher 48, der
durch den Eingang 50 spannungsgesteuert ist und als ein
spannungsgesteuertes Dämpfungsglied
arbeitet. In einer besonderen Ausführungsform führt der
Verstärker 46 dem
Quarzkristall 42 eine Stromansteuerung zu, und dieser Strom
wird zum Ausbilden eines Eingangssignals für den zwei Quadranten aufweisenden
Vervielfacher gespiegelt. Bei der Anordnung nach 4a wird
ein zweiter Anschluß des
Sensors 42 auch durch einen Verstärker 44 angesteuert,
der ähnlich
wie der Verstärker 46 einem
zweiten Eingang des zwei Quadranten aufweisenden Vervielfachers 48 ein
Signal zuführt.
Wieder ist der Verstärker 44 vorzugsweise
ein Puffer mit der Verstärkung
Eins. Das Ausgangssignal des Vervielfachers 48 wird weiter
durch den Verstärker 52,
vorzugsweise ein Funktionsverstärker,
verstärkt,
und wie bei der begrifflichen Anordnung von 3 ergibt
sich ein positiver Rückkopplungspfad 64 zum
Eingang des Verstärkers/Puffers 46.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 52 steht
am Ausgangsanschluß 62 zur
Verfügung.
Dies führt
zu einem Signal mit der Schwingungsfrequenz für den Eingang zu einem Frequenzzähler.
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Der
Ausgang des Verstärkers 52 ist
auch an ein Gleichrichtermittel 54, das die Signalhöhe detektiert,
und das Integrator/Vergleichsmittel 56 angeschlossen, das
unter anderem Schwankungen im Signalpegel glättet und über einer Anzahl von Perioden integriert.
Der Signalpegel am Ausgang 62 wird mit einer am Einstellmittel 58,
das vorzugsweise ein Potentiometer ist, eingestellten Signalpegelamplitude verglichen.
Der Ausgang des Integrators 56 ist an den „Verstärkungs"steuereingang 50 (in
einer bevorzugten Ausführungsform
ein Dämpfungssteuereingang)
angeschlossen zum Aufrechterhalten einer annähernd konstanten Höhe des Ausgangssignalausgangs 52 und
zum Aufrechterhalten des Ansteuersignals am piezoelektrischen Sensor 42.
Dieses Steuersignal ist in einer bevorzugten Ausführungsform
ein Gleichspannungssignal, das am Ausgang 60 zur Verfügung steht
und dem Q des Sensors proportional ist.
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Die
in der gestrichelten Linie 66 eingeschlossenen Elemente
sind in einem einzigen integrierten Schaltungspaket verfügbar, das
die Anpassung zwischen Schaltungselementen verbessert und die zusätzlichen
Vorteile der herabgesetzten Schaltungsgröße und Energieverbrauchs bewirkt.
Eine integrierte Schaltung, wie zum Beispiel die Comlinear CLC 520 oder
CLC 522, erhältlich
von der National Semiconductor Corporation, kann eingesetzt werden.
Bei Gleichrichtung des Oszillatorausgangssignals und Vergleich mit
der Amplitudenbezugsspannung und Anlegen des Ergebnisses an das,
was „Zellenverstärkungssteuereingang" genannt werden kann,
wird eine im wesentlichen reine sinusförmige Schwingung um die Kristallresonanz
mit einer engen Steuerung über
der Schleifenverstärkung
generiert. Bei Fall des Sensors Q vermindert sich das Ausgangssignal
und erhöht
damit das Eingangssignal für
die Verstärkerzelle
und erhöht
die Schleifenverstärkung
zum Ausgleichen und damit Konstanthalten der Resonanz. In der Schaltung
nach 4a wirken die zwei Quadrante aufweisenden Vervielfacher 48 als
eine „Verstärkerzelle". Der Rückkopplungspfad 64 führt zu einer positiven
Rückkopplung,
und die Schaltung schwingt damit auf einer Resonanzfrequenz des
piezoelektrischen Sensors.
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4b zeigt
die Anschlüsse
zum Eingangsverstärker 46.
Dieser Verstärker
ist unüblich,
da er einen einzigen Eingang 46A, aber zwei Ausgänge 46B und 46C aufweist.
Die Funktion dieses Verstärkers wurde
oben umrissen. Eine Betrachtung einer anderen äquivalenten Weise des Beobachtens
seiner Funktion ist jedoch nützlich.
Der Ausgang 46B reflektiert den Blindwiderstand einer an
den zweiten (dazwischenliegenden) Ausgang 46C angeschlossenen Last,
so daß die
an den Ausgang 46C angelegte Impedanz die Verstärkung zwischen
dem Eingang 46A und dem Ausgang 46B steuert. In
der bevorzugten Ausführungsform
ist dies zwischen 46A und 46C eine Verstärkung Eins,
aber eine veränderliche
Verstärkung
zwischen 46A und 46B. Der Verstärker/Puffer 44 ist ähnlich.
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5 zeigt
ein detailliertes Schaltbild einer grundlegenden Oszillatorschaltung,
aufgebaut nach Maßgabe
des Blockschaltbild nach 4a. In
den 4 bis 7 tragen
gleiche Ele mente die gleichen Bezugszeichen. Damit können die
Hauptelemente von 4a in 5 identifiziert
werden, das heißt der
Kristall 42, die Verstärker 44 und 46,
der Vervielfacher 48 mit dem Dämpfungs/Verstärkungssteuereingang 50,
der Verstärker 52,
der positive Rückkopplungspfad 64,
das Gleichrichtermittel 54, der Integrator/Vergleicher 56 und
das Einstellmittel 58 für die
Höhe der
Ausgangsspannung.
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Die
beiden Eingangspuffer 44 und 46 wandeln die Eingangsspannung
in einen Strom um, das heißt
eine Funktion der Differentialeingangsspannung und des Wertes der
die Verstärkung
bestimmenden Impedanz des Kristalls 42. Dieser Strom wird
dann auf eine (nicht gezeigte) Verstärkungsstufe gespiegelt und
durch den spannungsgesteuerten, zwei Quadranten aufweisenden Vervielfacher 48 gedämpft, worauf
sie durch den Ausgangsverstärker 52 mit
der durch den Rückkopplungswiderstand
R4 eingestellten Verstärkung
in eine Spannung umgewandelt wird. Damit sind die Eingangs-, Ausgangs-
und Verstärkungssteuersignale
sämtlich
Spannungen.
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Ein
Ausgangssignal auf der Oszillatorfrequenz stellt sich bei 62 ein,
und die Teile innerhalb der gestrichelten Linie 66 lassen
sich mit einer einzigen integrierten Schaltung erreichen. In der
gezeigten detaillierten Schaltung läßt sich erkennen, daß der Verstärker 46 einen
Umkehreingang aufweist, während
der Verstärker 44 einen
Nichtumkehreingang aufweist, und daß der Verstärker 52 ein Operationsverstärker ist.
Das Verstärkermittel 54 kann
in seiner einfachsten Form eine einzelne Diode sein, und der Integrator/Vergleicher
56 kann wieder aus einem einzigen Operationsverstärker aufgebaut
werden. Fachleute wissen, daß an
diesen grundlegenden Schaltungselementen viele Abwandlungen durchgeführt werden
können.
Zum Beispiel können andere
Gleichrichterelemente oder kompliziertere Vollwellengleichrichter
als Gleichrichtermittel eingesetzt werden. Viele herkömmliche
Variationen sind am Integratormittel 56 möglich.
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6 zeigt
ein detailliertes Schaltbild einer Ausführungsform mit zahlreichen
bei der praktischen Verwirklichung wünschenswerten Zusätzen. Man kann
erkennen, daß diese
Schaltung der nach 5 eng entspricht, aber mit dem
Zusatz von Verstärkern/Puffern 70 und 72 für den Q-Ausgang 60 bzw. den
Frequenzausgang 62. Eine zusätzliche (Tiefpaß-) Filterung 68 wird
in einem zweiten Rückkopplungspfad
vom Ausgang des Verstär kers 52 zurück zu dem
Umkehr(„-„)eingang
eingesetzt. Positive und negative 5-Volt-Energieversorger 74 werden
auch gezeigt. In 6 erfolgen Verbindungen zum
Sensor 42 über
den Anschluß 76 und
Verbindungsleitungen 78. Die Leitungen 78 können zum
Beispiel ein abgeschirmtes Kabel oder eine abgeglichene verdrillte paarartige
Verbindung sein. Die Verbinder 76, die ein einziger Verbinder
sein können,
werden in Übereinstimmung
mit der herkömmlichen
Praxis ausgewählt zwecks
Eignung für
verhältnismäßig niedere
Hochfrequenzsignale (1–100
MHz).
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7 zeigt
ein Beispiel einer vollständigen Quarzkristall-Mikrobalance
mit einem über
eine Verbindung 76 und Leitungen 78 in einer Fließzelle 80 an einen
Kristallsensor 42 angeschlossenen Oszillator 40 mit
Strömungsmitteleinlaß- und -auslaßanschlüssen 81.
Die Fließzelle
wird vorzugsweise so angeordnet, daß das durch die Zelle fließende Strömungsmittel
nur eine einzige Seite des Sensors berührt zum Verbessern des Systemverhaltens
bei Verwendung mit ionischen und damit leitenden Strömungsmitteln, obgleich
der Sensor auch zum Betrieb in einem Strömungsmittelbad eingerichtet
werden kann.
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Die
Frequenzausgabe 62 ist an einen digitalen Frequenzzähler 84 angeschlossen
mit einer Auflösung
in der Größenordnung
von 1 Hz. Die Q-Ausgabe 60 ist an ein digitales Voltmeter 86 angeschlossen. 8 zeigt
eine alternative Anordnung eines Sensors mit einem Quarzkristall 88 mit
Leitungsdrähten 90,
das Ganze eingeschoben zwischen O-Ringen 94 und 96 und
aufstehend auf einem Cover Slip 98. Diese Anordnung führt zu einem
Gefäß 92,
das sich teilweise mit Flüssigkeit
füllen
läßt. Eine
einfacher Anordnung kommt ohne den Cover Slip 98 und den unteren
O-Ring 96 aus. Allgemein gesprochen werden Sensorelektroden
aus Gold wegen ihrer geringeren Osidationsneigung bevorzugt.
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Eine
Quarzkristall-Mikrobalance, wie sie in 7 gezeigt
wird, kann für
eine Vielfalt von Zwecken eingesetzt werden. Das Gerät ist unter
anderem empfindlich gegenüber
der Dichte und Viskosität
einer Flüssigkeit,
in die der Sensor eingetaucht wird, und kann kleine Masseänderungen
selbst dann detektieren, wenn ein großes Leergewicht zum Erfassen
des anfangs abgesetzten Materials verlangt wird. Es hat sich gezeigt,
daß eine
tatsächlich
aufgebaute Schaltung bis ¼ Hz/Tag
stabil war. Damit entfiel die Notwendigkeit für einen Bezugskristall. Das
Gerät kann
auch die Bindung von Liganden mit viel niedrigeren Mole kulargewichten
detektieren, als dies mit herkömmlichen
Quarzkristall-Mikrobalancen möglich war,
und ermöglicht
damit das unmittelbare Aussieben von potentiellen Drogenabhängigkeitskandidaten.
Zum Beispiel ermöglichen
die hier beschriebenen Schaltungen die Detektion der Bindung von
Liganden mit einem Molekulargewicht von weniger als 600, zum Beispiel
Liganden mit einem Molekulargewicht von ungefähr 180 oder weniger, wie zum
Beispiel Glukose.
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Das
Gerät kann
zum Ausbilden eines verbesserten immunanalytischen Geräts eingesetzt werden.
Eine typische Immunanalyse beinhaltet das Detektieren der Bindung
eines Antigens an einen Antikörper
oder eines Rezeptors an einen Liganden. Ein immunanalytisches Verfahren,
das als Bayston Test (Bayston R., J. Clin. Path., 25 (1972) 718-720)
bekannt ist, beruht auf einem Verfahren einer Antikörper-Antigenbindung
in einer Lösung
zum Bilden von Aggregaten oder Klumpen unter Erzeugung eines sichtbaren
Niederschlags. Dieses Verfahren kann mit Verwendung einer Quarzkristall-Mikrobalance überwacht
werden, die auf Änderungen
in der Viskosität und
Dichte des den Antikörper
und das Antigen tragenden Mediums anspricht. Diese Änderungen
bewirken einen Abfall in der Resonanzfrequenz des Sensors, wobei
der größte Abfall
an der Stelle voller Agglutination stattfindet, und eine Quarzkristall-Mikrobalance
vereinfacht damit die Detektion des Titers der Agglutination.
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Die
verbesserte Quarzkristall-Mikrobalance kann zum Überwachen der Charakteristika
von in Lösung
befindlichen Bakterien verwendet werden. Zum Beispiel wird eine
Seite des piezoelektrischen Sensors mit Fibronectin bestrichen,
an dem Bakterien wie Staphylococcus Epidermidis anhaften. Die Mikrobalance
weist auch die erforderliche Empfindlichkeit und Robustheit zum
Aufbau eines Echtzeit-Überwachungssystems
auf zum Ermöglichen
einer kontinuierlichen Analyse einer Probe, zum Beispiel zum Bestimmen
der in Lösung
befindlichen Anzahl von Zellen. Es hat sich gezeigt, daß bei einer
solchen Ausgestaltung eine Verschiebung in der Resonanzfrequenz
des Sensors einen Bezug zur Bakterienkonzentration aufweist mit
einer groben linearen Beziehung zwischen der Resonanzverschiebung
und einem Logarithmus der Bakterienkonzentration. Sowohl bei diesem
als auch bei dem vorhergehenden Beispiel sollen lokale Änderungen
in der Viskosität und
Dichte der Lösung
im Gebiet der Elektrodenoberfläche
die Resonanzfrequenz des Sensors beeinflussen.
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Es
wird vermutet, daß dieser
Effekt selbst bei Fehlen einer tatsächlichen Bindung einer Spezies unmittelbar
an der Kristalloberfläche
auftritt, sondern nur eine lokale Änderung in der den vibrierenden Sensor
umgebenden Flüssigkeit.
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Das
Gerät läßt sich
auch zum Untersuchen der Bindung und ähnlicher Vorgänge einsetzen,
wie sie in vollständigen
oder im wesentlichen vollständigen
Zellen eintreten. Die Zellen können
auf dem Sensor zum Wachsen gebracht werden. Im Anschluß daran
können,
falls erwünscht,
aufgrund von Bindungs- und Transportmechanismen auf einer Zellenoberfläche auftretende
geringe zusätzliche
Masseänderungen
in vivo überwacht
werden. Dies ergibt sich aufgrund der Fähigkeit der Oszillatorschaltung,
großen Änderungen
in der Resonanzfrequenz des Kristalls bei Aufrechterhaltung der
Schwingung und Beibehaltung der Empfindlichkeit des Systems gegenüber sehr
kleinen Masseänderungen
folgen zu können. Ähnlich können verhältnismäßig starke
vielschichtige Strukturen – zum
Beispiel zwanzig Proteinlagen – auf einem
Sensor vor Überwachen
von Bindungsereignissen aufgebaut werden.