EP1259633A1 - Device and electrode arrangement for electrophysiological investigations - Google Patents

Device and electrode arrangement for electrophysiological investigations

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Publication number
EP1259633A1
EP1259633A1 EP01901195A EP01901195A EP1259633A1 EP 1259633 A1 EP1259633 A1 EP 1259633A1 EP 01901195 A EP01901195 A EP 01901195A EP 01901195 A EP01901195 A EP 01901195A EP 1259633 A1 EP1259633 A1 EP 1259633A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
counter electrode
electrode
measuring
measuring electrodes
carrier
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01901195A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hugo Hämmerle
Wilfried Nisch
Cornelia Leibrock
Dieter Martin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Original Assignee
NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
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Filing date
Publication date
Application filed by NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut filed Critical NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Publication of EP1259633A1 publication Critical patent/EP1259633A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/4833—Physical analysis of biological material of solid biological material, e.g. tissue samples, cell cultures
    • G01N33/4836—Physical analysis of biological material of solid biological material, e.g. tissue samples, cell cultures using multielectrode arrays

Abstract

The invention relates to a device (10) for electrophysiological investigations of biological materials (11), comprising a support (12), with an array of measuring electrodes thereupon, and a container (21) with a sample chamber (24) for the biological material (21) and corresponding culture medium (25). The container (21) is arranged around the measuring electrodes (14, 15), on the support, in such a way that the above remain in electrical contact with the sample chamber (24), by means of which electrical signals (S) are measured, between the measuring electrodes (14, 15) and the counter electrode (38).

Description

Vorrichtung und Elektrodenanordnunq für elektrophysiologische Untersuchungen Device and electrode arrangement for electrophysiological examinations
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für elektrophysiologische Untersuchungen an biologischem Material, mit einem Träger, auf dem ein Array von Meßelektroden angeordnet ist, einem Gefäß mit einem Aufnahmeraum für das biologische Material und entsprechendes Kulturmedium, wobei das Gefäß auf dem Träger derart um die Meßelektroden herum angeordnet ist, daß diese elektrisch mit dem Aufnahmeraum in Verbindung stehen, und einer Gegenelektrode, um zwischen den Meßelektroden und der Gegenelektrode elektrische Signale zu messen oder das biologische Material elektrisch zu stimulieren. Die Erfindung betrifft ferner eine Elektrodenanordnung für elektrophysiologische Messungen an biologischem Material. Eine derartige Elektrodenanordnung wird vorzugsweise in der oben erwähnten Vorrichtung eingesetzt.The present invention relates to a device for electrophysiological examinations of biological material, with a carrier on which an array of measuring electrodes is arranged, a vessel with a receiving space for the biological material and corresponding culture medium, the vessel on the carrier in this way around the measuring electrodes is arranged that they are electrically connected to the receiving space, and a counter electrode to measure electrical signals between the measuring electrodes and the counter electrode or to electrically stimulate the biological material. The invention further relates to an electrode arrangement for electrophysiological measurements on biological material. Such an electrode arrangement is preferably used in the above-mentioned device.
Die oben erwähnte Vorrichtung sowie die oben erwähnte Elektrodenanordnung sind z.B. beschrieben in Egert et al.: A novel or- ganotypic long-term culture of the rat hippocampus on substra- te-integrated multielectrode arrays, Brain Research Protocols 2 (1998), 229-242.The above-mentioned device and the above-mentioned electrode arrangement are e.g. described in Egert et al .: A novel organizational long-term culture of the rat hippocampus on substrate-integrated multielectrode arrays, Brain Research Protocols 2 (1998), 229-242.
Mit der bekannten Vorrichtung sowie der bekannten Elektrodenanordnung ist es z.B. möglich, eine Langzeitkultur von Hirnschnitten oder Herzmuskelgewebe zu untersuchen. Die Elektrodenanordnung ist dabei ein sogenanntes Mikroelektrodenarray (MEA) mit 60 Mikroelektroden, die in ein planares Substrat integriert sind. Auf dem Substrat sitzt ein zylindrisches Gefäß, das nach unten durch das Substrat abgeschlossen ist und mit diesem einen Aufnahmeraum bildet, in dem das Array von Mikroelektroden angeordnet ist.With the known device and the known electrode arrangement it is e.g. possible to study a long-term culture of brain sections or heart muscle tissue. The electrode arrangement is a so-called microelectrode array (MEA) with 60 microelectrodes which are integrated in a planar substrate. A cylindrical vessel sits on the substrate, which is closed at the bottom by the substrate and forms with this a receiving space in which the array of microelectrodes is arranged.
In diesen Aufnahmeraum kann biologisches Material, z.B. Gewebe mit Nervenzellen sowie entsprechendes Kulturmedium eingebracht werden, um die Zellen über lange Zeit zu inkubieren. Zu diesem Zweck wird das zylindrische Gefäß oben mit einem Deckel verschlossen.Biological material, e.g. Tissue with nerve cells and appropriate culture medium can be introduced to incubate the cells for a long time. For this purpose, the cylindrical vessel is closed at the top with a lid.
Mit dieser Vorrichtung können jetzt elektrische Potentiale gemessen werden, die von den Nervenzellen erzeugt werden, wenn sie aktiv sind. Diese Potentiale ergeben sich z.B. aus Änderungen in der Ionenkonzentration innerhalb und außerhalb der Zeil- membran, wobei diese Potentialänderungen in der Nähe der Nervenzellen durch Elektroden gemessen werden können. Selbstverständlich sind auch elektrophysiologische Untersuchungen an beliebigen anderen Gewebe- oder Zelltypen möglich, z.B. an En- dothelzellen.With this device, electrical potentials can now be measured which are generated by the nerve cells when they are active. These potentials result, for example, from changes in the ion concentration inside and outside the cell membrane, whereby these potential changes in the vicinity of the nerve cells can be measured by electrodes. Of course, electrophysiological examinations on any other tissue or cell types are also possible, for example on endothelial cells.
Das von Egert et al. beschriebene Mikroelektrodenarray besteht prinzipiell aus kleinen Titannitrid(TiN) -Mikroelektroden mit einem Durchmesser von 10 oder 30 μm und einem Mittenabstand von 100 oder 200 μm. Die Mikroelektroden sind als Array in einer Kulturfläche von 1 cm2 auf einem Glassubstrat angeordnet und über Goldleiterbahnen mit Anschlußflächen außerhalb des Arrays verbunden, wo eine Kontaktierung zu einem Mehrkanalverstärker erfolgt. Über den Mehrkanalverstärker können die Mikroelektroden wahlweise ausgelesen und die gemessenen Signale weiter verarbeitet werden. Der prinzipielle Herstellungsprozess derartiger Mikroelektrodenarrays ist bei Egert et al. beschrieben, so daß wegen weiterer Informationen auf diese Veröffentlichung verwiesen wird.The by Egert et al. The microelectrode array described basically consists of small titanium nitride (TiN) microelectrodes with a diameter of 10 or 30 μm and a center distance of 100 or 200 μm. The microelectrodes are arranged as an array in a culture area of 1 cm 2 on a glass substrate and connected via gold conductor tracks to connection areas outside the array, where contact is made with a multi-channel amplifier. The microelectrodes can optionally be read out and the measured signals processed further using the multi-channel amplifier. The basic manufacturing process for such microelectrode arrays is described in Egert et al. described, so that for further information reference is made to this publication.
Prinzipiell können die Mikroelektroden aus verschiedenem Material hergestellt werden, die US 5,810,725 beschreibt z.B. ein Mikroelektrodenarray, bei dem die mit dem Kulturmedium in Kontakt gelangenden Elektrodenflächen mit Platin beschichtet sind. Auch als Gegenelektrode wird bei diesem Dokument Platin in Form eines dünnen Drahtes verwendet.In principle, the microelectrodes can be made of different materials, e.g. US 5,810,725 describes a microelectrode array in which the electrode surfaces that come into contact with the culture medium are coated with platinum. Platinum in the form of a thin wire is also used as a counter electrode in this document.
Planares Platin hat jedoch den Nachteil, daß bei den sehr kleinen Meßsignalen ein sehr schlechtes Signalrauschverhältnis resultiert. Deshalb wird in der Veröffentlichung von Egert et al. ein Verfahren beschrieben, mit dem ein kolumnares Titannitrid als Material für die Mikroelektroden hergestellt werden kann, was zu einem deutlich besseren Signalrauschverhältnis führt. Dies liegt an der Morphologie der TiN-Elektroden, die jeweils aus tausenden von Mikrosäulen mit ungefähr gleichem Durchmesser von ungefähr 0,1 μm und homogener Höhe gebildet sind. Diese Mi- krostruktur erhöht die effektive Oberfläche der Elektrode drastisch und reduziert folglich die Impedanz um ungefähr eine Größenordnung verglichen mit der Impedanz von flachen Goldelektroden. Ein weiterer Vorteil von TiN-Elektroden ist die mechanische Stabilität, die viel größer ist als bei elektroplattier- ten Materialien, wie z.B. Platin. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß TiN in Dünnschichtprozessen hergestellt werden kann und daher kostengünstiger als elektroplattierte Materialien ist.Planar platinum has the disadvantage, however, that the very small measurement signals result in a very poor signal-to-noise ratio. Therefore, in the publication by Egert et al. described a method with which a columnar titanium nitride can be produced as a material for the microelectrodes, which leads to a significantly better signal-to-noise ratio. This is due to the morphology of the TiN electrodes, which are each formed from thousands of microcolumns with approximately the same diameter of approximately 0.1 μm and a homogeneous height. This microstructure drastically increases the effective surface area of the electrode and consequently reduces the impedance by approximately an order of magnitude compared to the impedance of flat gold electrodes. Another advantage of TiN electrodes is their mechanical stability, which is much greater than that of electroplated materials such as platinum. Another advantage is that TiN can be manufactured in thin film processes and is therefore cheaper than electroplated materials.
Als Gegenelektrode wird bei Egert et al. ein Silberdraht verwendet, an dessen unterem freien Ende sich ein kleiner Preßzylinder aus chloriertem Silber befindet. Diese Ag-AgCl- Gegenelektrode ermöglicht ein deutlich besseres Signalrauschverhältnis als bei der Verwendung einer Platin- Gegenelektrode. Allerdings ist mit der Ag-AgCl-Gegenelektrode der Nachteil verbunden, daß die in das Kulturmedium abgegebenen Silberionen für Proteine toxisch sind, so daß die Ag-AgCl- Gegenelektrode nur vorübergehend zur Durchführung von Messungen in das Kulturmedium eingetaucht werden kann.Egert et al. uses a silver wire, at the lower free end of which there is a small press cylinder made of chlorinated silver. This Ag-AgCl counter electrode enables a significantly better signal-to-noise ratio than when using a platinum counter electrode. However, the Ag-AgCl counterelectrode has the disadvantage that the silver ions released into the culture medium are toxic to proteins, so that the Ag-AgCl counterelectrode can only be temporarily immersed in the culture medium for measurements.
Die insoweit beschriebene Vorrichtung aus Mikroelektrodenarray, Gefäß und Deckel mit darin enthaltenem biologischem Material und Kulturmedium kann auf übliche Weise z.B. in einem Brutschrank inkubiert werden. Zum Messen wird diese Vorrichtung in einen Mehrkanalverstärker eingesetzt, der entsprechende An- Schlußmöglichkeiten hat, um die Anschlußflächen auf dem Träger zu kontaktieren, so daß die Meßverstärker mit den einzelnen Meßelektroden im Aufnahmeraum verbunden sind. Jetzt wird der Deckel von dem Gefäß entfernt und die Ag-AgCl-Gegenelektrode in das Kulturmedium eingetaucht und anderen Endes ebenfalls mit dem Meßverstärker verbunden.The device described so far, consisting of a microelectrode array, a vessel and a lid with the biological material and culture medium contained therein, can be incubated in the usual way, for example in an incubator. This device is used for measurement in a multi-channel amplifier, the corresponding input Concludes to contact the pads on the carrier so that the measuring amplifiers are connected to the individual measuring electrodes in the receiving space. Now the lid is removed from the vessel and the Ag-AgCl counterelectrode is immersed in the culture medium and also connected at the other end to the measuring amplifier.
Auf den einzelnen Kanälen können jetzt die Potentialunterschiede zwischen der Gegenelektrode sowie der jeweiligen Meßelektrode gemessen werden, wobei auch eine Stimulation des biologischen Materiales über ausgesuchte Meßkanäle möglich ist. Nach der Messung wird die Gegenelektrode entfernt und der Deckel wieder aufgesetzt, um die Kultivierung fortzusetzen. Auf diese Weise kann eine Langzeitkultur von bis zu vier Wochen erhalten und in regelmäßigen Abständen elektrophysiologisch vermessen werden .The potential differences between the counter electrode and the respective measuring electrode can now be measured on the individual channels, it also being possible to stimulate the biological material via selected measuring channels. After the measurement, the counter electrode is removed and the lid is replaced to continue the cultivation. In this way, a long-term culture of up to four weeks can be obtained and measured electrophysiologically at regular intervals.
Dabei ist eine Zuordnung der gemessenen Aktivitäten zu bestimmten Bereichen der Gewebeprobe dadurch möglich, daß diese auch optisch erfaßt wird. Ein Vergleich der elektrophysiologischen und der optischen Meßwerte erlaubt dann Rückschlüsse auf die Aktivitäten ausgewählter Gewebstrukturen und somit die Untersuchung z.B. der Langzeitwirkung von Pharmaka oder bestimmter pa- thophysiologischer Bedingungen, wie z.B. Epilepsie oder Ischämie. Auch andere elektrophysiologische Messungen an biologischem Material sind durchführbar. Die insoweit beschriebene Vorrichtung sowie die dabei eingesetzte Elektrodenanordnung sind für die verschiedensten Aufgabenstellungen verwendbar.It is possible to assign the measured activities to specific areas of the tissue sample by optically detecting them. A comparison of the electrophysiological and optical measurements then allows conclusions to be drawn about the activities of selected tissue structures and thus the investigation e.g. the long-term effects of pharmaceuticals or certain pathophysiological conditions, e.g. Epilepsy or ischemia. Other electrophysiological measurements on biological material can also be carried out. The device described so far and the electrode arrangement used can be used for a wide variety of tasks.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben jedoch erkannt, daß die bekannte Vorrichtung mit einer ganzen Reihe von Nach- teilen verbunden ist, die zum einen damit zusammenhängen, daß zur Durchführung der elektrophysiologischen Messungen der Dek- kel von dem Gefäß entfernt werden muß, bevor dann der dünne Silberdraht mit der Ag-AgCl-Gegenelektrode eingesetzt werden kann.However, the inventors of the present application have recognized that the known device can be used with a whole series of parts connected, which on the one hand are related to the fact that the lid must be removed from the vessel in order to carry out the electrophysiological measurements before the thin silver wire can then be used with the Ag-AgCl counterelectrode.
Ein gravierender Nachteil ist dabei in der erforderlichen Handhabung zu sehen, bei der Entfernung des Deckels kann es zum Totalverlust der Probe kommen, wenn die mit der Messung beauftragte Person beim Abnehmen des Deckels und/oder Transport des Gefäßes unvorsichtig ist. Ein weiterer großer Nachteil besteht darin, daß die zwingend erforderliche Sterilität im Inneren des Aufnahmeraumes nicht in ausreichendem Maße gewährleistet werden kann, wenn zu den Messungen immer wieder der Deckel abgenommen werden muß. Verunreinigungen können dabei nicht nur über die immer wieder einzutauchende Gegenelektrode sondern auch durch die Luft oder über unvorsichtige Handhabung in das Kulturmedium hineingelangen .A serious disadvantage can be seen in the required handling. Removing the lid can lead to a total loss of the sample if the person responsible for the measurement is careless when removing the lid and / or transporting the container. Another major disadvantage is that the absolutely necessary sterility inside the receiving space cannot be guaranteed to a sufficient degree if the cover has to be removed again and again for the measurements. Contamination can not only get into the culture medium through the counter electrode, which has to be immersed again and again, but also through the air or through careless handling.
Ein weiterer Nachteil ist mit dem dünnen Silberdraht verbunden, der zum einen nicht reproduzierbar in das Kulturmedium eingebracht werden kann, was sich nachteilig auf die Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse zwischen verschiedenen Meßdurchgängen auswirkt, da der Feldverlauf zwischen der Gegenelektrode und den einzelnen Meßelektroden durch die Lage der Gegenelektrode im Kulturmedium mit beeinflußt wird.Another disadvantage is associated with the thin silver wire, which, on the one hand, cannot be reproducibly introduced into the culture medium, which has a disadvantageous effect on the reproducibility of the measurement results between different measurement runs, since the field profile between the counter electrode and the individual measurement electrodes is due to the position of the counter electrode is influenced in the culture medium.
Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Ag-AgCl- Gegenelektrode nicht nur sehr teuer, sondern auch extrem bruchgefährdet ist, so daß innerhalb einer Meßreihe immer wieder die Gegenelektrode ausgetauscht werden muß. Auch dies wirkt sich nachteilig auf die Reproduzierbarkeit innerhalb einer Vermessung einer Langzeitkultur aus.Another disadvantage is that the Ag-AgCl counterelectrode is not only very expensive, but also extremely prone to breakage, so that the counterelectrode has to be exchanged again and again within a series of measurements. This also affects disadvantageously on the reproducibility within a measurement of a long-term culture.
Weiterhin besteht beim Einbringen der Gegenelektrode in das Kulturmedium die Gefahr, daß die Zellen des zu untersuchenden Gewebes beschädigt werden, weil die Gegenelektrode zu weit eingeführt wurde.Furthermore, when the counter electrode is introduced into the culture medium, there is a risk that the cells of the tissue to be examined will be damaged because the counter electrode has been inserted too far.
Schließlich können über den Silberdraht noch Störungen einge- koppeln, was sich besonders nachteilig auswirkt, wenn der Silberdraht während einer Messung bewegt wird, so daß sich der Grad der Einkopplung verändert und/oder die Lage der Gegenelektrode im Kulturmedium verschiebt. Solche Vorkommnisse können sich in nicht zuzuordnenden Spitzen in einzelnen oder allen Meßkanälen widerspiegeln.Finally, interference can also be coupled in via the silver wire, which has a particularly disadvantageous effect if the silver wire is moved during a measurement, so that the degree of coupling changes and / or the position of the counter electrode in the culture medium shifts. Such occurrences can be reflected in non-assignable peaks in individual or all measuring channels.
Ein vergleichbares System wie Egert et al. ist in der US 5,563,067 beschrieben, wo 64 Elektroden mit einer Fläche von 50 x 50 μm und einem Mittenabstand von 150 μm auf einem Glassubstrat angeordnet sind. Gemessen wird hier das Potential zwischen der jeweiligen Mikroelektrode und dem Potential der Kulturlösung, wobei nicht beschrieben wird, wie dieses "Massepotential" abgenommen wird.A comparable system as Egert et al. is described in US 5,563,067, where 64 electrodes with an area of 50 × 50 μm and a center distance of 150 μm are arranged on a glass substrate. The potential between the respective microelectrode and the potential of the culture solution is measured here, but it is not described how this "ground potential" is removed.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung derart weiterzubilden, daß die oben erwähnten Nachteile vermieden werden, insbesondere eine sichere meßtechnische Erfassung möglich wird. Bei dem eingangs erwähnten Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine Gegenelektrode permanent in dem Aufnahmeraum angeordnet ist.Against this background, the present invention is based on the object of further developing the device mentioned at the outset in such a way that the disadvantages mentioned above are avoided, in particular a reliable measurement is possible. In the method mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention in that at least one counterelectrode is arranged permanently in the receiving space.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.The object underlying the invention is completely achieved in this way.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nämlich erkannt, daß es nicht zwingend erforderlich ist, eine Gegenelektrode nur zu den einzelnen Meßzeitpunkten in das Kulturmedium einzutauchen, sondern daß diese sozusagen permanent in dem Kulturmedium verbleiben kann.The inventors of the present application have recognized that it is not absolutely necessary to immerse a counter electrode in the culture medium only at the individual measurement times, but that it can remain permanently in the culture medium, so to speak.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist die Gegenelektrode dabei innen an einem Deckel für das Gefäß angeordnet.In a first embodiment, the counter electrode is arranged on the inside of a cover for the vessel.
Die Gegenelektrode sitzt dabei z.B. auf einem kleinen Vorsprung an der Innenseite des Deckels, so daß dieser Vorsprung in das Kulturmedium eintaucht, wenn der Deckel auf das Gefäß aufgesetzt ist. Die Gegenelektrode ist z.B. durch einen dünnen Golddraht mit der Außenseite des Deckels verbunden, wo eine Anschlußmöglichkeit an den Meßverstärker besteht.The counter electrode sits e.g. on a small projection on the inside of the lid so that this projection dips into the culture medium when the lid is placed on the vessel. The counter electrode is e.g. connected by a thin gold wire to the outside of the cover, where there is a connection to the measuring amplifier.
Die Gegenelektrode kann dabei aus herkömmlichen Materialien wie z.B. Platin bestehen, das in bekannter Weise auf den Vorsprung aufgebracht ist.The counter electrode can be made of conventional materials such as Platinum exist, which is applied to the projection in a known manner.
Auf diese Weise ist es jetzt nicht mehr erforderlich, den Dek- kel zur Durchführung der Messung zu öffnen, so daß nicht mehr mit einem Kulturverlust oder mit einem Verlust der Sterilität gerechnet werden muß. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, wenn die Gegenelektrode innen an einer Umfangswand des Gefäßes angeordnet ist.In this way, it is no longer necessary to open the lid to carry out the measurement, so that loss of culture or loss of sterility no longer has to be expected. In a further exemplary embodiment, it is preferred if the counter electrode is arranged on the inside on a peripheral wall of the vessel.
Auch hier ist sichergestellt, daß die Gegenelektrode permanent in Kontakt mit dem Kulturmedium ist, sie kann bspw. als innen umlaufender Ring auf die zylindrische Innenfläche des Gefäßes aufgebracht werden. Wie bei der innen am Deckel angebrachten Gegenelektrode kann auch die Gegenelektrode auf der Innenwand des Gefäßes mittels eines z.B. Golddrahtes nach außen kontaktiert werden und dort mit einer Anschlußmöglichkeit für den Meßverstärker versehen sein.It is also ensured here that the counter electrode is permanently in contact with the culture medium, for example it can be applied as an inner circumferential ring to the cylindrical inner surface of the vessel. As with the counter electrode attached to the inside of the lid, the counter electrode on the inner wall of the vessel can also be Gold wire can be contacted to the outside and be provided there with a connection option for the measuring amplifier.
Gegenüber der innen an dem Deckel angebrachten Gegenelektrode ergibt sich hier der weitere Vorteil, daß die Kultur auch bei geöffnetem Deckel vermessen werden kann, wenn z.B. parallel eine optische Analyse erfolgt, die nicht durch ein in dem Deckel vorgesehenes Fenster vorgenommen werden kann.Compared to the counterelectrode attached to the inside of the lid, there is the further advantage that the culture can also be measured when the lid is open, e.g. an optical analysis takes place in parallel, which cannot be carried out through a window provided in the cover.
In einem dritten Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, wenn die Gegenelektrode auf dem Träger angeordnet ist.In a third exemplary embodiment, it is preferred if the counter electrode is arranged on the carrier.
Diese Maßnahme ist sehr überraschend, denn obwohl die Gegenelektrode jetzt sozusagen in der Ebene der Meßelektroden liegt, ist dennoch eine gute Vermessung der Potentiale zwischen Gegenelektrode und Meßelektroden möglich. Bisher ist im Stand der Technik davon ausgegangen worden, daß die Gegenelektrode möglichst zentrisch von oben in das Kulturmedium eintauchen soll, wie es im obigen Ausführungsbeispiel 1 der Fall sein kann und z.B. bei Egert et al. und in der eingangs erwähnten US 5,810,725 beschrieben ist. Auch die innen an der Umfangswand des Gefäßes angeordnete Gegenelektrode gemäß dem zweiten Aus- führungsbeispiel gewährleistet eine sehr symmetrische Feldverteilung zwischen der Gegenelektrode und den Meßelektroden. Für die auf dem Träger selbst angeordnete Gegenelektrode war jedoch nicht zu erwarten, daß der Feldverlauf derart ist, daß eine störungsfreie Messung der Potentiale mit entsprechender Auflösung möglich ist. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben jedoch erkannt, daß eben dies doch der Fall ist.This measure is very surprising, because although the counter electrode now lies in the plane of the measuring electrodes, it is still possible to measure the potentials between the counter electrode and measuring electrodes. So far, it has been assumed in the prior art that the counter electrode should be immersed as centrally as possible from above into the culture medium, as can be the case in Example 1 above and, for example, in Egert et al. and is described in the above-mentioned US 5,810,725. Even the inside of the peripheral wall counter electrode arranged in the vessel according to the second exemplary embodiment ensures a very symmetrical field distribution between the counter electrode and the measuring electrodes. For the counterelectrode arranged on the carrier itself, however, it was not to be expected that the field course would be such that an undisturbed measurement of the potentials with appropriate resolution is possible. However, the inventors of the present application have recognized that this is exactly the case.
Die Gegenelektrode kann dabei z.B. seitlich durch die Wand des Gefäßes hindurch in den Aufnahmeraum hineingeschoben werden. Der dafür erforderliche Kanal kann einen derart geringen Durchmesser aufweisen, daß kein Verlust an Kulturmedium erfolgt, wobei der Kanal selbst nach dem Einschieben der Gegenelektrode auch versiegelt werden kann.The counter electrode can e.g. be pushed laterally through the wall of the vessel into the receiving space. The channel required for this can have such a small diameter that there is no loss of culture medium, and the channel can also be sealed even after the counterelectrode has been inserted.
In einer Weiterbildung ist es jedoch bevorzugt, wenn zumindest eine Gegenelektrode in den Träger integriert ist und vorzugsweise in derselben Technologie wie die Meßelektroden hergestellt wird.In a further development, however, it is preferred if at least one counter electrode is integrated in the carrier and is preferably produced using the same technology as the measuring electrodes.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß die eine oder auch mehrere Gegenelektroden auf besonders preiswerte Weise gleichsam zusammen mit den Meßelektroden hergestellt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Meßelektroden und Gegene- lektrode(n) so angeordnet sind, daß sie in einem Arbeitsschritt mit dem Meßverstärker verbunden werden können. Nachdem der Träger mit den integrierten Meßelektroden sowie der integrierten Gegenelektrode hergestellt wurde, muß nur noch das Gefäß auf dem Träger entsprechend angeordnet werden, weitere Handhabungsschritte sind nicht erforderlich. Die Gegenelektrode (n) kann/können dabei aus Materialien gefertigt werden, die eine hohe effektive Oberfläche aufweisen, wie z.B. Iridium/Iridiumoxid.These measures have the advantage that the one or more counter electrodes can be produced in a particularly inexpensive manner, as it were, together with the measuring electrodes. Another advantage is that measuring electrodes and counterelectrode (s) are arranged so that they can be connected to the measuring amplifier in one work step. After the carrier with the integrated measuring electrodes and the integrated counterelectrode has been produced, only the vessel on the carrier has to be arranged accordingly, further handling steps are not necessary. The counter electrode (s) can be made from materials that have a high effective surface area, such as iridium / iridium oxide.
Mit den insoweit beschriebenen Ausführungsbeispielen ist eine nicht invasive elektrophysiologische Messung an biologischem Material über längere Zeit möglich, wobei wegen der in dem Inneren des Aufnahmeraumes fest angeordneten zumindest einen Gegenelektrode das Handling sehr einfach ist und die Reproduzierbarkeit zwischen den einzelnen Meßdurchgängen verglichen mit dem Stand der Technik deutlich verbessert werden konnte. Darüber hinaus ist das Problem der Kulturverluste oder der Kontamination beseitigt.With the exemplary embodiments described so far, a non-invasive electrophysiological measurement of biological material is possible over a long period of time, the handling being very simple and the reproducibility between the individual measurement runs compared to the prior art because of the at least one counter electrode fixedly arranged in the interior of the receiving space could be significantly improved. In addition, the problem of culture loss or contamination has been eliminated.
Allgemein ist es dabei bevorzugt, wenn die Gegenelektrode aus fraktalem Material mit mikroporösen Strukturen wie z.B. Titannitrid (TiN), Iridium oder Iridiumoxid gefertigt ist.In general, it is preferred if the counter electrode is made of fractal material with microporous structures such as e.g. Titanium nitride (TiN), iridium or iridium oxide is manufactured.
Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, daß sich die effektive Fläche der Gegenelektrode verglichen mit der innen am Deckel, innen an der Gefäßwand bzw. auf dem Träger bedeckten Fläche ca. um zwei Größenordnungen erhöht, was mit einer Verringerung der Impedanz um zumindest ca. eine Größenordnung einhergeht. Aus diesem Grund ist das Signal-Rausch-Verhältnis bei einer TiN- Gegenelektrode mindestens um den Faktor 10 besser als bei einer die gleiche Fläche bedeckenden planaren Gegenelektrode aus Gold oder Platin.This measure has the advantage that the effective area of the counterelectrode increases by approximately two orders of magnitude compared to the area covered on the inside of the lid, on the inside of the vessel wall or on the carrier, which results in a decrease in the impedance by at least approximately one Order of magnitude. For this reason, the signal-to-noise ratio for a TiN counter electrode is at least a factor of 10 better than for a planar counter electrode made of gold or platinum covering the same area.
Ein weiterer Vorteil bei einer Gegenelektrode aus TiN ist darin zu sehen, daß verglichen mit einer bekannten Elektrodenanordnung mit TiN-Meßelektroden nahezu keine zusätzlichen Kosten entstehen, wenn eine TiN-Gegenelektrode mit in das Trägersubstrat integriert wird.Another advantage of a counter electrode made of TiN is that compared to a known electrode arrangement with TiN measuring electrodes there is almost no additional cost arise when a TiN counterelectrode is integrated into the carrier substrate.
Vor diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung ferner eine Elektrodenanordnung für elektrophysiologische Messungen an biologischem Material, mit einem Träger, in den ein Array von Meßelektroden sowie zumindest eine Gegenelektrode integriert sind.Against this background, the present invention further relates to an electrode arrangement for electrophysiological measurements on biological material, with a carrier, in which an array of measuring electrodes and at least one counter electrode are integrated.
Mit dieser Elektrodenanordnung sind die oben bereits erwähnten Vorteile verbunden, wobei als besonders überraschender Vorteil herauszustellen ist, daß Messungen mit sehr gutem Signalrauschverhältnis sowie sehr hoher Auflösung möglich sind, obwohl die Gegenelektrode (n) völlig unublicherweise in der Ebene der Meßelektroden liegt/liegen.With this electrode arrangement the advantages already mentioned are connected, whereby it is to be emphasized as a particularly surprising advantage that measurements with a very good signal-to-noise ratio as well as a very high resolution are possible, although the counter electrode (s) is / are entirely in the plane of the measuring electrodes.
Dabei ist es bevorzugt, wenn die Gegenelektrode eine Grundfläche aufweist, die mindestens 103 mal größer ist als eine Meßelektrodenfläche, wobei die Grundfläche vorzugsweise zwischen etwa 0,1 mm2 und 1 cm2, vorzugsweise bei ca. 10-100 mm2 liegt.It is preferred if the counter electrode has a base area which is at least 10 3 times larger than a measuring electrode area, the base area preferably being between approximately 0.1 mm 2 and 1 cm 2 , preferably approximately 10-100 mm 2 .
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, daß bereits Gegenelektroden-Grundflächen in diesem Größenverhältnis ausreichend sind, um störungsfreie und hochauflösende Potentialmessungen durchführen zu können. Ferner ergibt sich bei diesen Größenordnungen, daß Störsignale nur in vernachlässigbarem Rahmen eingekoppelt werden können, wobei ferner auf einfache Weise eine Abschirmung des Arrays und der Gegenelektrode möglich ist. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Gegenelektrode in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Array liegt und vorzugsweise eine an den Verlauf von Leiterbahnen zur Kontaktierung der Mikroelektroden angepaßte Fläche, z.B. eine halbmondförmige oder keilförmige Fläche bedeckt.The inventors of the present application have recognized that counterelectrode base areas of this size ratio are sufficient to be able to carry out interference-free and high-resolution potential measurements. Furthermore, with these orders of magnitude, it can be seen that interference signals can only be coupled in to a negligible extent, and shielding of the array and the counterelectrode is also possible in a simple manner. It is preferred if the counterelectrode is in the immediate vicinity of the array and preferably covers an area adapted to the course of conductor tracks for contacting the microelectrodes, for example a crescent-shaped or wedge-shaped area.
Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, daß die Gegenelektrode die Anordnung der Meßelektroden und deren Zuleitungen selbst nicht nachteilig beeinträchtigt, aber dennoch so dicht an der durch das Array von Meßelektroden gebildeten Meßfläche liegt, daß das Meßvolumen sehr klein gehalten werden kann. Es ist nämlich lediglich erforderlich, daß das Meßvolumen die Meßfläche sowie darüber hinaus einen gewissen Bereich abdeckt, in den die Gegenelektrode hineinragt. Die Form der Gegenelektrode kann dabei an im Substrat integrierte Leiterbahnen angepaßt sein. Verglichen mit einer an der Innenwand des Gefäßes angebrachten Gegenelektrode ergibt sich damit der weitere Vorteil, daß das Meßvolumen z.B. durch einen bis auf den Boden reichenden Deckel mit entsprechender Aussparung für das Meßvolumen weiter eingeschränkt werden kann, ohne daß die Meßmöglichkeit beeinträchtigt wird. Bei einer derartigen Konstruktion wäre nämlich die Gegenelektrode an der Innenwand des Gefäßes nicht mehr in Kontakt mit dem Kulturmedium, so daß Messungen unmöglich werden.This measure has the advantage that the counterelectrode does not adversely affect the arrangement of the measuring electrodes and their feed lines, but is nevertheless so close to the measuring surface formed by the array of measuring electrodes that the measuring volume can be kept very small. It is only necessary for the measuring volume to cover the measuring surface and, moreover, a certain area into which the counter electrode projects. The shape of the counter electrode can be adapted to conductor tracks integrated in the substrate. Compared to a counter electrode attached to the inner wall of the vessel, there is the further advantage that the measuring volume e.g. can be further restricted by a cover reaching to the bottom with a corresponding recess for the measuring volume, without the measuring possibility being impaired. With such a construction, the counter electrode on the inner wall of the vessel would no longer be in contact with the culture medium, so that measurements would be impossible.
Wenn die Gegenelektrode dabei eine keilförmige Fläche bedeckt, ist ein weiterer Vorteil darin zu sehen, daß die Leiterbahnen, also die Verbindungen der Meßelektroden mit den außerhalb des Aufnahmeraumes auf dem Träger liegenden Anschlußflächen nicht behindert werden. Die Fläche der Gegenelektrode verjüngt sich nämlich keilförmig auf die von den Meßelektroden gebildete Meß- fläche zu, so daß nahezu der gesamte Umfang der Meßfläche für die Zuleitung zu den Meßelektroden zur Verfügung steht.If the counter electrode covers a wedge-shaped surface, a further advantage can be seen in the fact that the conductor tracks, that is to say the connections of the measuring electrodes to the connection surfaces lying on the carrier outside of the receiving space, are not obstructed. The surface of the counter electrode tapers in a wedge shape onto the measuring electrode formed by the measuring electrodes. surface, so that almost the entire circumference of the measuring surface is available for the supply to the measuring electrodes.
Sind mehrere Gegenelektroden so auf dem Träger angeordnet, läßt sich eine große Fläche für die Gegenelektrode mit den beschriebenen Vorteilen realisieren. Aber auch eine Gegenelektrode ist ausreichend, insbesondere wenn sie aus fraktalem Material besteht, das für eine große effektive Oberfläche sorgt.If several counter electrodes are arranged on the carrier in this way, a large area for the counter electrode can be realized with the advantages described. But a counter electrode is also sufficient, especially if it is made of fractal material that provides a large effective surface.
Vorteilhafterweise ist auch die Gegenelektrode elektrisch mit einer Anschlußfläche auf dem Träger außerhalb des Aufnahmeraumes verbunden.Advantageously, the counter electrode is also electrically connected to a connection area on the carrier outside of the receiving space.
Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur elektrophysiologischen Untersuchung von biologischem Material, bei dem die neue Vorrichtung und/oder die neue Elektrodenanordnung eingesetzt werden.Against this background, the invention also relates to a method for the electrophysiological examination of biological material, in which the new device and / or the new electrode arrangement are used.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.Further advantages result from the description and the attached drawing.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combinations but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in einer schematischen, geschnittenen Seitendarstellung eine Vorrichtung für elektrophysiologische Untersuchungen an biologischem Material, bei der Gegenelektroden innen an einer Umfangswand eines Gefäßes sowie an einer Innenseite eines Deckels angeordnet sind;Embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description. Show it: 1 shows a schematic, sectional side view of a device for electrophysiological examinations of biological material, in which counter electrodes are arranged on the inside on a peripheral wall of a vessel and on an inside of a lid;
Fig. 2 eine Darstellung wie Fig. 1, bei der eine Gegenelektrode innen im Gefäß auf dem Träger angeordnet ist; undFIG. 2 shows a representation like FIG. 1, in which a counter electrode is arranged on the inside of the vessel on the carrier; and
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Elektrodenanordnung aus Fig. 2.3 shows a plan view of the electrode arrangement from FIG. 2.
In Fig. 1 ist mit 10 eine Vorrichtung für elektrophysiologische Untersuchungen an biologischem Material gezeigt, das in der Figur mit 11 bezeichnet ist.In Fig. 1, 10 shows a device for electrophysiological studies on biological material, which is designated by 11 in the figure.
Die Vorrichtung 10 umfaßt einen Träger 12, z.B. aus Glas, in den Meßelektroden 14, 15 integriert sind, die elektrisch mit Anschlußflächen 16, 17 verbunden sind, die ebenfalls auf dem Träger 12 ausgebildet sind.The device 10 comprises a carrier 12, e.g. made of glass, in the measuring electrodes 14, 15 are integrated, which are electrically connected to pads 16, 17, which are also formed on the carrier 12.
Die Meßelektroden 14, 15 bilden ein als Mikroelektrodenarray bezeichnetes Array 18, wie es z.B. bei Egert et al. a.a.O. beschrieben ist. Wegen weiterer Einzelheiten wird auf diese Veröffentlichung verwiesen.The measuring electrodes 14, 15 form an array 18, referred to as a microelectrode array, as is e.g. in Egert et al. ibid is described. Reference is made to this publication for further details.
Auf dem Träger 12 ist ein zylindrisches Gefäß 21 angeordnet, das genauso wie der Träger 12 in Fig. 1 im Schnitt dargestellt ist. Das zylindrische Gefäß 21 weist eine Umfangswand 22 auf, die unten bei 23 auf den Träger 12 flüssigkeitsdicht aufgeklebt ist.A cylindrical vessel 21 is arranged on the carrier 12 and, like the carrier 12, is shown in section in FIG. 1. The cylindrical vessel 21 has a peripheral wall 22, which is glued liquid-tight on the carrier 12 at 23 below.
Zusammen mit dem Träger 12 begrenzt das zylindrische Gefäß 21 einen Aufnahmeraum 24, in dem sich das biologische Material 11 sowie entsprechendes Kulturmedium 25 befinden. Wenn der Aufnah- meraum 24 eine größere Höhe aufweisen muß, kann ein durch 0- Ringe abgedichteter Adapterring verwendet werden, der oben auf das Gefäß 21 aufgesteckt wird.Together with the carrier 12, the cylindrical vessel 21 defines a receiving space 24 in which the biological material 11 and the corresponding culture medium 25 are located. If the receiving space 24 must have a greater height, an adapter ring sealed by 0-rings can be used, which is plugged onto the vessel 21 at the top.
Oberhalb des Gefäßes 21 ist in Fig. 1 noch ein Deckel 26 gezeigt, der zum sterilen Verschluß des Gefäßes 21 bzw. des Adapterringes dient.A lid 26 is also shown above the vessel 21 in FIG. 1, which serves for the sterile closure of the vessel 21 or the adapter ring.
Selbstverständlich wird der Aufnahmeraum 24 zunächst gereinigt und sterilisiert, bevor ggf. der Adapterring aufgesetzt und das biologische Material 11 und das Kulturmedium 25 in den Aufnah- meraum 24 hineingegeben werden. Diese Sterilisation kann z.B. durch Wasserdampf im Autoklaven erfolgen. Nach der Beschickung des Aufnahmeraumes 24 wird der Deckel 26 aufgesetzt, so daß das biologische Material jetzt in dem Kulturmedium 25 über lange Zeit inkubiert werden kann.Of course, the receiving space 24 is first cleaned and sterilized before the adapter ring is possibly placed on it and the biological material 11 and the culture medium 25 are introduced into the receiving space 24. This sterilization can e.g. by steam in the autoclave. After loading the receiving space 24, the lid 26 is put on so that the biological material can now be incubated in the culture medium 25 for a long time.
Über die elektrisch mit dem Aufnahmeraum 24 verbundenen und in diesem angeordneten Meßelektroden 14, 15 kann jetzt an den Anschlußflächen 16, 17 das elektrische Potential des biologischen Materials 11 gemessen werden. Dazu ist es jedoch erforderlich, daß eine Gegenelektrode vorgesehen wird, um das Bezugspotential über das Kulturmediums 25 zu erfassen. Eine solche Gegenelektrode 27 ist an einem Vorsprung 28 angeordnet, der an einer Innenseite 29 des Deckels 26 ausgebildet ist. Über eine Leitung 31 ist die Gegenelektrode 27 mit einem Stecker 32 verbunden, der zum Anschluß an einen Mehrkanalverstärker 33 dient, mit dem auch die Anschlußflächen 16, 17 verbindbar sind.The electrical potential of the biological material 11 can now be measured at the connection surfaces 16, 17 via the measuring electrodes 14, 15 which are electrically connected to the receiving space 24 and arranged therein. To do this, however, it is necessary to provide a counter electrode in order to detect the reference potential via the culture medium 25. Such a counter electrode 27 is arranged on a projection 28 which is formed on an inner side 29 of the cover 26. Via a line 31, the counter electrode 27 is connected to a plug 32, which is used for connection to a multi-channel amplifier 33, with which the connection surfaces 16, 17 can also be connected.
Wenn der Deckel 26 auf das Gefäß 21 aufgesetzt wird, taucht die Gegenelektrode 26 in das Kulturmedium 25 ein, so daß zwischen dem Stecker 32 und den Anschlußflächen 16, 17 Potentialunterschiede gemessen werden können.When the lid 26 is placed on the vessel 21, the counter electrode 26 is immersed in the culture medium 25, so that potential differences can be measured between the plug 32 and the connection surfaces 16, 17.
Eine weitere oder alternative Gegenelektrode 34 ist innen an der Umfangswand 22 als Ringelektrode angeordnet. Auch die Gegenelektrode 34 ist über eine Leitung 35 mit einem Stecker 36 zum Anschluß an den Mehrkanalverstärker 33 verbunden. In Fig. 1 ist beispielhaft ein Kanal 37 des Mehrkanalverstärkers 33 gezeigt, mit dem ein Signal S der Meßelektrode 15 gemessen wird, das die elektrische Aktivität des biologischen Materials 11 im Bereich dieser Meßelektrode 15 angibt.A further or alternative counter electrode 34 is arranged on the inside of the peripheral wall 22 as a ring electrode. The counter electrode 34 is also connected via a line 35 to a plug 36 for connection to the multi-channel amplifier 33. 1 shows, by way of example, a channel 37 of the multi-channel amplifier 33, with which a signal S of the measuring electrode 15 is measured, which indicates the electrical activity of the biological material 11 in the area of this measuring electrode 15.
Während mit der Gegenelektrode 27 nur gemessen werden kann, wenn der Deckel 26 aufgesetzt ist, erlaubt die Gegenelektrode 34 auch Messungen bei geöffnetem Deckel 26. Beide Gegenelektroden 27, 34 sorgen für eine sehr symmetrische Feldverteilung zu den jeweiligen Meßelektroden 14, 15. Es sei der Vollständigkeit halber noch erwähnt, daß in dem Mikroelektrodenarray 18 beispielhaft 60 Meßelektroden angeordnet sind, die einen Durchmesser zwischen 10 und 30 μm aufweisen und aus Titannitrid gefertigt sind, wie dies bei Egert et al. a.a.O. beschrieben ist. In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung für elektrophysiologische Untersuchungen gezeigt, bei dem eine Gegenelektrode 38 auf dem Träger 12 angeordnet ist. Wie die Meßelektroden 14, 15 ist auch die Gegenelektrode 38 aus Titannitrid gefertigt, wobei dasselbe Herstellungsverfahren wie für die Meßelektroden 14, 15 verwendet wurde. Die Gegenelektrode ist über eine Leiterbahn 39 mit einer Anschlußfläche 41 außerhalb des Aufnahmeraumes 24 verbunden.While it is only possible to measure with the counter electrode 27 when the cover 26 is in place, the counter electrode 34 also allows measurements when the cover 26 is open. Both counter electrodes 27, 34 ensure a very symmetrical field distribution with the respective measuring electrodes 14, 15 For the sake of completeness, it is mentioned that 60 measuring electrodes are arranged in the microelectrode array 18, which have a diameter between 10 and 30 μm and are made of titanium nitride, as described in Egert et al. aaO is described. 2 shows a second exemplary embodiment of the new device for electrophysiological examinations, in which a counter electrode 38 is arranged on the carrier 12. Like the measuring electrodes 14, 15, the counterelectrode 38 is also made of titanium nitride, the same manufacturing method as that used for the measuring electrodes 14, 15. The counter electrode is connected via a conductor track 39 to a connection area 41 outside the receiving space 24.
Obwohl die Gegenelektrode 38 in der Ebene der Meßelektroden 14, 15 angeordnet ist, ermöglicht die in Fig. 2 gezeigte Anordnung dennoch eine zuverlässige Messung mit stabilen und hochauflösenden Meßwerten von biologischem Material.Although the counter electrode 38 is arranged in the plane of the measuring electrodes 14, 15, the arrangement shown in FIG. 2 nevertheless enables reliable measurement with stable and high-resolution measured values of biological material.
Oberhalb des Trägers 12 ist in Fig. 2 ein Deckel 42 gezeigt, der einen Flansch 43 aufweist, der bis nach unten auf den Träger 12 reicht. In dem Deckel 42 ist eine Aussparung 44 vorgesehen, die bei aufgesetztem Deckel 42 die Meßelektroden 14, 15, das biologische Material 11 sowie einen Teil der Gegenelektrode 38 aufnimmt. Beim Einsetzen des Deckels 42 versammelt sich das Kulturmedium 25 dabei in der Aussparung 44, so daß insgesamt mit einem sehr geringen Meßvolumen gearbeitet werden kann. Es ist auch möglich, das Kulturmedium 25 erst nach dem Aufsetzen des Deckels 42 über einen gestrichelt angedeuteten und verschließbaren Kanal 45 in die Aussparung 44 einzugeben. Ferner kann ein Kanal 45' zur Entlüftung der Aussparung 44 vorgesehen sein.A cover 42 is shown above the support 12 in FIG. 2, which has a flange 43 which extends down to the support 12. A recess 44 is provided in the cover 42, which receives the measuring electrodes 14, 15, the biological material 11 and part of the counterelectrode 38 when the cover 42 is in place. When the cover 42 is inserted, the culture medium 25 gathers in the recess 44, so that overall a very small measuring volume can be used. It is also possible to enter the culture medium 25 into the recess 44 only after the cover 42 has been put on via a channel 45 which is indicated by a broken line and which can be closed. Furthermore, a channel 45 ′ can be provided for venting the recess 44.
Bei einer derartigen Anordnung wäre eine Gegenelektrode 34, wie sie in Fig. 1 beschrieben wurde, funktionslos, denn das Kultur- medium 25 könnte mit dieser Gegenelektrode 34 nicht in Anlage gelangen.In such an arrangement, a counter electrode 34, as described in FIG. 1, would have no function, because the culture medium 25 could not come into contact with this counter electrode 34.
In Fig. 3 ist in einer Draufsicht noch eine Elektrodenanordnung 46 gezeigt, wie sie für die Vorrichtung 10 aus Fig. 2 verwendet wird. Mittig auf dem Träger 12 ist eine Meßfläche 47 angedeutet, in der die diversen Meßelektroden 14, 15 als Array 18 angeordnet sind. Über schematisch angedeutete Leiterbahn 48 sind in Fig. 3 nicht zu erkennende Meßelektroden mit Anschlußflächen 16, 17 auf dem Träger 12 verbunden. Auf diese Weise sind sämtliche vier Seiten des Trägers 12 mit Anschlußflächen versehen, die zu bestimmten Meßelektroden 14, 15 innerhalb der Meßfläche 47 führen. Seitlich neben der Meßfläche 47 ist die Gegenelektrode 38 gezeigt, die eine keilförmige Fläche bedeckt, die sich auf die Meßfläche 47 zu verjüngt. Auf diese Weise steht nahezu der gesamte Umfang der Meßfläche 47 für die Kontaktierung von Meßelektroden zur Verfügung, wobei wegen der keilförmigen Struktur der Gegenelektrode 38 diese dennoch eine Größe von ca. 20 mm2 aufweisen kann und somit um mehr als den Faktor 104 größer ist als die Fläche einer einzelnen Meßelektrode, die hier einen Durchmesser von 10 μm aufweist. FIG. 3 shows a top view of an electrode arrangement 46, as is used for the device 10 from FIG. 2. A measuring surface 47 is indicated in the center of the carrier 12, in which the various measuring electrodes 14, 15 are arranged as an array 18. Measuring electrodes (not shown in FIG. 3) are connected to connection surfaces 16, 17 on the carrier 12 via schematically indicated conductor track 48. In this way, all four sides of the carrier 12 are provided with connection surfaces which lead to specific measuring electrodes 14, 15 within the measuring surface 47. The counterelectrode 38 is shown to the side of the measuring surface 47 and covers a wedge-shaped surface that tapers towards the measuring surface 47. In this way, almost the entire circumference of the measuring surface 47 is available for the contacting of measuring electrodes, whereby due to the wedge-shaped structure of the counterelectrode 38, this can nevertheless have a size of approximately 20 mm 2 and is therefore larger by a factor of 10 4 than the area of a single measuring electrode, which here has a diameter of 10 μm.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung für elektrophysiologische Untersuchungen an biologischem Material (11), mit einem Träger (12), auf dem ein Array (18) von Meßelektroden (14, 15) angeordnet ist, einem Gefäß (21) mit einem Aufnahmeraum (24) für das biologische Material (11) und entsprechendes Kulturmedium (25), wobei das Gefäß (21) auf dem Träger (12) derart um die Meßelektroden (14, 15) herum angeordnet ist, daß diese elektrisch mit dem Aufnahmeraum (24) in Verbindung stehen, und einer Gegenelektrode (27, 34, 38), um zwischen den Meßelektroden (14, 15) und der Gegenelektrode (27, 34, 38) elektrische Signale (S) zu messen oder das biologische Material elektrisch zu stimulieren, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Gegenelektrode (27, 34, 38) permanent in dem Aufnahmeraum (24) angeordnet ist.1. Device for electrophysiological studies on biological material (11), with a support (12) on which an array (18) of measuring electrodes (14, 15) is arranged, a vessel (21) with a receiving space (24) for the biological material (11) and corresponding culture medium (25), the vessel (21) on the carrier (12) being arranged around the measuring electrodes (14, 15) such that they are electrically connected to the receiving space (24), and a counter electrode (27, 34, 38) for measuring electrical signals (S) between the measuring electrodes (14, 15) and the counter electrode (27, 34, 38) or for electrically stimulating the biological material, characterized in that at least a counter electrode (27, 34, 38) is permanently arranged in the receiving space (24).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (34) innen an einer Umfangswand (22) des Gefäßes (21) angeordnet ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the counter electrode (34) is arranged on the inside on a peripheral wall (22) of the vessel (21).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (27) innen an einem Deckel (26) angeordnet ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the counter electrode (27) is arranged on the inside of a cover (26).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , daß die Gegenelektrode (38) auf dem Träger (12) angeordnet ist. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the counter electrode (38) is arranged on the carrier (12).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Gegenelektrode (38) in den Träger (12) integriert ist.5. The device according to claim 4, characterized in that at least one counter electrode (38) is integrated in the carrier (12).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (38) in derselben Technologie wie die Meßelektroden (14, 15) hergestellt ist.6. The device according to claim 5, characterized in that the counter electrode (38) is made in the same technology as the measuring electrodes (14, 15).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (27, 34, 38) aus fraktalem Material mit mikroporösen Strukturen wie z.B. Titannitrid, Iridium oder Iridiumoxid gefertigt ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the counter electrode (27, 34, 38) made of fractal material with microporous structures such as e.g. Titanium nitride, iridium or iridium oxide is made.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (38) eine Grundfläche aufweist, die zumindest 103 mal größer ist als eine Meßelektrodenfläche .8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the counter electrode (38) has a base area which is at least 10 3 times larger than a measuring electrode area.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche zwischen etwa 0,1 mm2 und 1 cm2, vorzugsweise bei ca. 10-100 mm2 liegt.9. The device according to claim 8, characterized in that the base area is between about 0.1 mm 2 and 1 cm 2 , preferably about 10-100 mm 2 .
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (38) eine an den Verlauf der Leiterbahnen (48) zur Kontaktierung der Mikroelektroden angepaßte Fläche, z.B. eine halbmondförmige oder keilförmige Fläche bedeckt.10. Device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the counter electrode (38) has a surface adapted to the course of the conductor tracks (48) for contacting the microelectrodes, e.g. covers a crescent-shaped or wedge-shaped surface.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (38) in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Array (18) liegt. 11. Device according to one of claims 4 to 10, characterized in that the counter electrode (38) is in the immediate vicinity of the array (18).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (38) mit einer Anschlußfläche (41) auf dem Träger (12) außerhalb des Auf- nahmeraumes (24) elektrisch verbunden ist.12. Device according to one of claims 4 to 11, characterized in that the counter electrode (38) with a connection surface (41) on the carrier (12) outside of the receiving space (24) is electrically connected.
13. Elektrodenanordnung für elektrophysiologische Messungen an biologischem Material (11), mit einem Träger (12), in den ein Array (18) von Meßelektroden (14, 15) sowie zumindest eine Gegenelektrode (38) integriert sind.13. Electrode arrangement for electrophysiological measurements on biological material (11), with a carrier (12), in which an array (18) of measuring electrodes (14, 15) and at least one counter electrode (38) are integrated.
14. Elektrodenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (38) in derselben Technologie wie die Meßelektroden (14, 15) hergestellt ist.14. Electrode arrangement according to claim 13, characterized in that the counter electrode (38) is made in the same technology as the measuring electrodes (14, 15).
15. Elektrodenanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (38) aus fraktalem Material mit mikroporösen Strukturen wie z.B. Titannitrid, Iridium, Iridiumoxid gefertigt ist.15. Electrode arrangement according to claim 13 or 14, characterized in that the counter electrode (38) made of fractal material with microporous structures such as e.g. Titanium nitride, iridium, iridium oxide is manufactured.
16. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (38) eine Grundfläche aufweist, die zumindest 103 mal größer ist als eine Meßelektrodenfläche.16. Electrode arrangement according to one of claims 13 to 15, characterized in that the counter electrode (38) has a base area which is at least 10 3 times larger than a measuring electrode area.
17. Elektrodenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche zwischen etwa 0,1 mm2 und 1 cm2, vorzugsweise bei ca. 10-100 mm2 liegt.17. Electrode arrangement according to claim 16, characterized in that the base area is between approximately 0.1 mm 2 and 1 cm 2 , preferably approximately 10-100 mm 2 .
18. Elektrodenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (38) eine an den Verlauf von Leiterbahnen (48) zur Kontaktierung der Mikroelektroden angepaßte Fläche, z.B. eine halbmondförmige oder keilförmige Fläche bedeckt.18. Electrode arrangement according to claim 17, characterized in that the counter electrode (38) one on the course of conductor tracks (48) for contacting the microelectrodes adapted area, for example a crescent-shaped or wedge-shaped area.
19. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (38) in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Array (18) liegt.19. Electrode arrangement according to one of claims 13 to 18, characterized in that the counter electrode (38) is in the immediate vicinity of the array (18).
20. Verfahren zur elektrophysiologischen Untersuchung biologischen Materials, bei dem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder eine Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 19 eingesetzt wird. 20. A method for the electrophysiological examination of biological material, in which a device according to one of claims 1 to 12 and / or an electrode arrangement according to one of claims 13 to 19 is used.
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