EP2179277A1 - Vorrichtung zur ermittlung von physikalischen und/oder chemischen eigenschaften - Google Patents

Vorrichtung zur ermittlung von physikalischen und/oder chemischen eigenschaften

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Publication number
EP2179277A1
EP2179277A1 EP09753977A EP09753977A EP2179277A1 EP 2179277 A1 EP2179277 A1 EP 2179277A1 EP 09753977 A EP09753977 A EP 09753977A EP 09753977 A EP09753977 A EP 09753977A EP 2179277 A1 EP2179277 A1 EP 2179277A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
reference electrode
sensor surface
active
sensors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09753977A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Schober
Mario Kittler
Michael Gebinoga
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.)
Technische Universitaet Ilmenau
Original Assignee
Technische Universitaet Ilmenau
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Ilmenau filed Critical Technische Universitaet Ilmenau
Publication of EP2179277A1 publication Critical patent/EP2179277A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • A61B5/14539—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 for measuring pH
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2503/00—Evaluating a particular growth phase or type of persons or animals
    • A61B2503/02—Foetus
    • 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
    • A61B5/1468—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 using chemical or electrochemical methods, e.g. by polarographic means
    • A61B5/1473—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 using chemical or electrochemical methods, e.g. by polarographic means invasive, e.g. introduced into the body by a catheter

Definitions

  • the present invention relates to a device for determining physical and / or chemical properties, in particular the pH, of a liquid or gaseous, chemical or biological fluid or of biochemical cell reactions which are produced by addition of individual substances or substance mixtures.
  • biological liquid or gaseous fluids should primarily define fluids which can be present in cells, organs or organisms and can also be excreted by them.
  • Known biological fluids are for example blood, saliva, urine, lymph fluid and bile.
  • biological fluids include cell culture media and nutrient media for supplying eukaryotic and prokaryotic cells.
  • the term "medium” here usually refers to a biological fluid which consists of a mixture of different biological components and is often referred to in one embodiment as a nutrient medium.
  • a nutrient medium often referred to as substrate, serves to cultivate microorganisms, cells and tissues
  • liquid for example, broth, nutrient broth or nutrient solution
  • gelled nutrient media
  • These biological fluids by virtue of their specific composition, can have an aggressive character which poses problems for a number of engineering materials. These include, for example, blood, which has a relatively high reduction potential, or gastric juice, which has a strongly acidic pH.
  • Chemical fluids here liquid substances are referred to, which under normal pressure and temperature conditions (temperature range -50 0 C to +150 0 C) are present in the liquid Aggregateu state, that is, a shape change as good as none, a volume change, however to oppose great resistance.
  • Chemical fluids can be pure liquids (eg water, acetic acid, liquid ammonia) as well as mixtures.
  • the mixtures may be solutions of ionic compounds (eg sodium chloride) as well as solutions of organic compounds in various solvents (eg water, organic solvents, ionic liquids).
  • Biosensors are sensors, the specific biochemical reactions caused by isolated enzymes, immunosystems, organelles, whole cells or tissues use to detect chemical substances by means of optical, electrical or thermal etc. signals (NIC, M. et al., "IUPAC Compendium of Chemical Terminology", http://goldbook.iupac.org/index.html ( accessed Nov 02, 2007)).
  • biological elements such as nucleic acids are coupled with a "transducer system" to a dependent on the substance to be detected biochemical To absorb reaction and transform it into an electrical, usually to be amplified signal.
  • the electrical transport properties of the electron gases in AlGaN / GaN heterostructures can be used (M. STUTZMANN et al., Diamond and Related Materials 11 (2002) 886).
  • the electrical properties and the relatively large piezoelectric constants of group III nitrides are particularly interesting. If an Al x Gai X N barrier is pseudomorphically grown on an epitaxial GaN layer, the AlGaN layer is tensilely tensed, with the strength of the stress increasing with increasing Al concentration. Therefore, the total (piezoelectric and spontaneous) polarization in the AlGaN layer can be controlled by their composition.
  • the Contacting 2DEG sideways creates a so-called ISFET with source, drain, and open gate, and any manipulation of the surface potential results in a significant change in the surface charge density of the 2DEG, resulting in a measurable change in the drain current, which is why an AlGaN is suitable / GaN transistor structure for the detection of ions or adsorbed polar molecules in liquid droplets deposited on the surface, where the gate potential is determined by the charged ions in the liquid to be detected, and the evaluation of the drain current allows the detection of polar liquids with high sensitivity and wide dynamic range, the ISFET shows dab There is an intrinsic pH sensitivity at the Nernstian limit given by the oxide present on the surface. There is a linear relationship between pH value and surface potential in the pH range from 2 to 12. Due to the high chemical stability of Group III nitrides for both alkalis and acids, the determination of pH values are carried out with high accuracy.
  • ISFET structures are produced.
  • the outstanding suitability of the AlGaN / GaN semiconductor material for the investigation of biological or chemical fluids manifests itself above all in the biological and chemical inertness of the AlGaN material, which is characterized by its high biocompatibility with respect to its adherence to cells, ie it finds no measurable influence cells and no significant changes. tion of the AlGaN surfaces by the cells. (CIMALLA, et al., AlGaN / GaN biosensor effect of device processing steps on the surface properties and biocompatibility accepted by Sens. Actuators, B: Chem. (2006), doi: 10.1016 / j. Snb .2006.10.030) ,
  • the realization of a reference electrode for electrochemical measurements with ISFETs represents a critical point in an analysis system, especially with regard to miniature and solid state variants.
  • the basic structure of the reference electrode is always composed of the components internal dissipation, conducting electrolyte and membrane.
  • the internal dissipation is realized via a silver / silver chloride (Ag / AgCl) wire or an Ag / AgCl thick film.
  • the conducting electrolyte consists either of an aqueous KCl solution or a KCl-added hydrogel, which simultaneously serves as a membrane for the analyte via a small pinhole junction (0-100 ⁇ m), in the case of a KCl solution a porous membrane is required which can be made in glass, ceramic or teflon.
  • the measurement of the pH of blood or dissolved in blood gases (p ⁇ 2 and PCO2) is to be named. This is a particularly difficult task to solve for very small amounts of liquid. The reason for this lies in the strong oxidizing effect of the blood.
  • the immediate and rapid measurement is a necessary prerequisite for initiating appropriate treatment measures.
  • a particularly important case for example, is the fetal microblood test (MBU) in blood gas determinations. It is used during birth in pathologic / pathopathic CTG (cardiotocography) and provides important information on fetal vital signs. Blood collection for an MBU is performed on the head surface by a small incision on the unborn child. The escaping blood must be spotted from the head surface by means of a heparinized capillary, which is not easy under limited viewing and spatial conditions.
  • MBU fetal microblood test
  • the sampling must be repeated in such a case. This leads to a loss of time.
  • special microsensors as well as suitable microfluidic systems are necessary, which allow even critical blood samples such as umbilical cord blood to be reliably analyzed.
  • the object of the present invention is to provide a device for determining physical and / or chemical properties, in particular the pH, of a liquid or gaseous, chemical or biological fluid or of biochemical cell reactions which can be obtained by adding individual Substances or substance mixtures are produced to provide for which only minimal amounts (nl range) of the fluid to be examined are required and which are characterized by a long service life due to their resistance to the fluids to be examined and beyond are easy to handle.
  • physical / chemical properties of aggressive fluids such as eg blood, should be determinable.
  • the determination of the pH for example, in medical technology (blood pH) with the legally required high accuracy places high demands on the entire measurement setup and the measurement and evaluation method to be used.
  • the device according to the invention is preferably a compact transportable system, with the aid of which fast and low-noise measurements on AlGaN / GaN-based sensors are carried out.
  • a current-voltage analyzer is coupled to this system with which both small voltage ( ⁇ V range) and current changes (nA range) can be detected within a very short time interval (ms or ⁇ s range).
  • a closed and above all electrically shielded measuring structure eg Faraday cage
  • Disturbance variables eg light, electrical surrounding fields
  • a preferred embodiment of the device according to the invention for determining physical and chemical properties, in particular the pH of a liquid or gaseous fluid comprises an openable inner housing (frame housing), preferably with a hinged or sliding lid; a ceramic or printed circuit board frame with an integrated sensor chip; a solid state reference electrode or solid reference electrode; and a against light incident, darkened outer housing (system housing), which is preferably designed as a hinged lid housing.
  • the inner frame housing is located within the darkened system housing and is completely closed when closed. It has electrical plug contacts for contacting the internal components and contains fluidic connections for filling and emptying. When filled, the frame housing contains a special solution / fluid with defined chemical properties (e.g., known pH, concentration of certain ions).
  • the ceramic or printed circuit board frame (also referred to below as frame) consists of a highly insulating material with conductor tracks and contact pads. It receives some of the required transmitter electronics and includes the reference electrode, which is modular (i.e., easily interchangeable with, for example, male or female contacts) on the circuit board frame.
  • the circuit board frame also carries a sensor chip, which is preferably firmly connected to the frame.
  • a chip field of the frame is completely filled with an elastic, trans- Parents, highly insulating material potted (eg silicone).
  • the connection between PCB frame and frame housing is modular (easily replaceable) realized via plug or spring contacts below the lid.
  • the mentioned sensor chip contains in a preferred embodiment at least four active, non-passivated ion-sensitive / -selective biosensors with different length and width ratios, which are not electrically connected to each other on the chip.
  • the individual sensors are firmly connected to the frame via conductor tracks and bond pads.
  • the complete system sensor chip, reference electrode and frame has a modular structure and can be exchanged / changed independently of each other. This makes it possible to use custom or commercial reference electrodes.
  • the assembly of the components is preferably carried out via click and plug technology.
  • the frame housing is designed as faradayscher cage.
  • a modified embodiment is characterized in that the interior of the frame housing and / or the system housing is illuminated with a predetermined radiation intensity and wavelength.
  • the reference electrode is placed directly over the sensor chip. In other applications, it may instead be advantageous if the reference electrode is not placed directly over the frame, but within a fluidic channel through which the reference and the fluids to be examined are pumped.
  • the reference electrode preferably has a planar surface, which facilitates cleaning.
  • the reference electrode consists of a solid / solid, for example in the form of a hollow cylinder with an attached tool. This tool is realized as a scorer, tip, thin cannula or semipermeable membrane.
  • the tool can also consist of a hydrogel mixed with electrolyte solution.
  • the reference electrode can be easily exchanged after carrying out a measurement.
  • several reference electrodes can be stored in one cartridge, so that the replacement can be carried out quickly and easily.
  • a flat reference unit which also serves as a cover plate and relative to the array, which preferably comprises a plurality of sensors, is attached. This also ensures easy cleaning of the system, since only flat surfaces need to be cleaned.
  • the surfaces of the individual biosensors are hydrophilic and the area surrounding the biosensors is made hydrophobic. It is also expedient if the sensor chip is equipped with a shift register for charge accumulation (CCD architecture).
  • CCD architecture shift register for charge accumulation
  • the frame housing is opened, ie, the lid mechanically opened or raised, and the individual fluids are directed by means of capillaries or fluidic channels on the surface of the circuit board frame.
  • the frame housing is not opened, but the reference fluids are pumped into or out of the frame housing; Here the frame housing remains closed.
  • the source and drain contacts of the active sensor and the necessary reference or reference electrode of the aqueous solution are connected to one output channel of the analyzer.
  • the active area of the sensor is wetted with the liquid sample to be examined and also the current-voltage characteristic of the previously calibrated Sensor measured.
  • the pH value is calculated from the shift of the characteristic recorded for the liquid sample to be examined to the individual calibration curves.
  • a faraday cage closed and darkened from all sides is realized.
  • a radiation source with a defined illuminance and wavelength of the emitted light is installed inside this cage. This measure minimizes the light-sensitive drift of the sensor and thereby improves the accuracy of the measurement result.
  • complete compensation of all disturbing variables affecting the sensor is not achieved by this expansion stage.
  • the active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensors used for the measurement are integrated in a bridge circuit with a plurality of preferably identical passivated ion-sensitive / -selective sensors.
  • Passive ion-sensitive / -selective sensors are those in which the AlGaN / GaN or GaN / AlGaN / GaN layer system is a layer of chemically inert, depending on the application optically transparent (eg a glass solder) or optically opaque (eg a polyimide ) Material is applied so that there is no direct contact of the sensor surface with a fluid to be measured.
  • a second voltage divider is connected in parallel to the leads and the two inner bridge branches, each of which is designed as a series circuit preferably an active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensor and a passivated ion-sensitive / -selective sensor, in addition to the influence of external lead resistances compensated for the measurement result.
  • the individual active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensors of the inner bridge branches are each wetted with a defined fluid (eg buffer solutions with specific pH values).
  • the charges thus supplied to the individual sensor surfaces change its electrical resistance by accumulation or depletion of charge carriers in the conductive channel of the sensor.
  • Dependence of the electrical sensor resistance sets a stable transverse voltage of the bridge circuit. If, for example, one of the active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensors is wetted with the measuring liquid, the associated change in the electrical resistance of this sensor shifts the transverse voltage of the measuring bridge. This change in the transverse stress is quantitatively evaluated and related to the pH value. This measurement principle eliminates a complex zero balance of the bridge circuit.
  • At least four preferably identical active, non-passivated ion-sensitive / -selective individual sensors are measured in parallel to increase the measurement dynamics.
  • at least three of these sensors are wetted with aqueous reference buffers of different pH values and the fourth sensor, for example, with the measuring liquid. Subsequently, the current-voltage characteristics of all sensors are measured and the pH value is determined at the same time.
  • a sensor / reference electrode system can be integrated into a fluidic channel so that it can be acted upon by multi-way valves both with the liquid to be measured and with corresponding rinsing and cleaning liquids.
  • particularly small amounts of liquid are applied from or with a capillary to the sensor in a measuring chamber.
  • the planar arrangement of the inventive arrangement of the measuring system of sensor and reference electrode allows easy application a drop of measuring liquid and, after the measurement, an easy cleaning of the planar surface by means of suitable cleaning fluids.
  • the active sensor surfaces and the reference electrode are made flat. This reduces surfaces and facilitates cleaning.
  • An essential advantage of the device according to the invention is based on the sensor used and consists in that it can be used to carry out a pH measurement which is not influenced by simultaneously present redox properties of the fluid under investigation. This allows in particular the pH determination of blood and comparable fluids.
  • the presented invention also makes it possible to solve the problem of microblood examination presented above.
  • the pH of the blood can be determined with the system.
  • Particularly advantageous working conditions are in the volume range 500 nl to 5 ul.
  • the high chemical inertness of the sensor material makes it an excellent candidate for measuring aggressive materials such as blood.
  • the procedure for the determination of physical and chemical properties runs in principle as follows:
  • the individual active, not passivated ion-sensitive / -selective biosensors of the sensor chip become successively in short Time intervals wetted with different fluids and the voltage between the reference electrode and a fixed reference potential (eg mass) as a reference voltage is determined at a constant sensor current.
  • a fixed reference potential eg mass
  • the fluids to be measured are supplied, for example, in the following order:
  • Reference fluid 1 (eg 7.0 pH )
  • Reference fluid 2 (eg 4.0 pH ) 3.
  • Reference fluid 3 (eg 7.0 pH )
  • the sequence can be reversed, then moves the fluid to be examined to the first position, the order of the reference fluid remains the same afterwards.
  • the pH of the fluid to be examined is then determined from the difference of the reference voltages of the reference fluids (sensitivity) with respect to the reference voltage of the fluid to be examined.
  • the pH of the fluid to be examined is determined from the displacement of measured sensor current reference voltage characteristics or from the change in the measured sensor current at a constant reference voltage.
  • the pH value can be determined accumulatively from multiple measurements of the same measuring volume.
  • a plurality of identical active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensors are preferably simultaneously or in short or middle time intervals with reference media of different pH values and at least one further preferably identical active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensor with the wetted fluid and the pH of the investigating fluid or the biochemical cell reaction from the displacement of the measured current-voltage characteristics of the individual active, non-passivated ion-sensitive / -selek- tive sensors determined.
  • the current flowing through the active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensor current can be kept constant by controlling the reference voltage, wherein the pH of the fluid to be examined from the change of the reference voltage is determined.
  • the reference voltage can be kept constant, wherein the pH of the fluid to be examined is determined from the change in the current flowing through the active, non-passivated ion-sensitive / -selective sensor. It is likewise possible to determine the pH value of the fluid to be investigated or of the biochemical cell reaction from the change in the transverse voltage of the bridge circuit. Multiple measurements can be performed accumulating in the same measuring volume.
  • FIG. 1 is a simplified perspective view of a device for determining physical and / or chemical properties, in particular the pH, of a liquid or gaseous fluid.
  • Fig. 2 is a simplified perspective view of a rod design of the device according to the invention for incision and simultaneous measurement of the blood pH at the head of the unborn child.
  • the device according to the invention is designed as a folding system.
  • the illustrated device comprises a plurality of fluidic connections 1 and at least one capillary supply 3 in a frame housing 10.
  • an active sensor surface 4 is arranged which has source and drain contacts 5.
  • a reference electrode 2 is attached to a frame housing cover 11.
  • an outer system housing (not shown) is provided, which encloses the frame housing 10 and allows the opening of the frame housing in the closed space.
  • the system housing may be at least partially formed integrally with the frame housing.
  • the fluidic connections 1 are used for the supply of flushing medium to flush the device.
  • the fluid to be examined is deposited on the active sensor surface 4 via the capillary feed 3.
  • the frame housing cover 11, to which the reference electrode 2 is attached, is meanwhile opened, so that the reference electrode does not yet come in contact with the fluid.
  • the areas within the circles shown in dotted lines in Fig. 1 are hydrophilic, whereas the remaining components of the system are hydrophobic.
  • the cover 11 is set down with the reference electrode 2 so that it dips into the fluid to be examined.
  • the measurement is now performed. Subsequently, the entire device is rinsed. The reference electrode 2 is then discarded. It is rinsed again. A new reference electrode 2 is used.
  • the exchange The primary purpose of the reference electrode is to create sterile conditions and a clearly defined measurement environment. If similar fluids are to be tested successively with less stringent purity requirements, the reference electrode 2 can also be used multiple times.
  • a plurality of interchangeable reference electrodes in a cartridge system i. held in a magazine. From there they are fed to the measuring field and electrically contacted. The rinsing takes place according to the principle described above.
  • Fig. 2 shows schematically a further preferred embodiment of the invention.
  • the device is here so compact and miniaturized that it allows in a rod execution directly the incision and simultaneous measurement of the blood pH at the head of the unborn child.
  • the reference electrode 2 which is mounted on a rod tip 8, simultaneously used as a scorer to remove a small amount of blood (about l ⁇ L) from the skin.
  • a pulling over of a carriage 6 in the direction indicated by an arrow 7 presses the scorer (the reference electrode 2) with the blood directly into the measuring field, ie onto the active sensor surface 4 between the source and drain contacts 5.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen Fluids. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensor mit einer ISFET- oder HEMT-Struktur aus einem Schichtsystem der Gruppe-III-Nitride sowie mit einer aktiven Sensorfläche (4), auf welche das Fluid aufbringbar ist; und mindestens eine Referenzelektrode (2). Die Referenzelektrode (2) ist beweglich gegenüber der aktiven Sensorfläche (4) angeordnet, um vor Durchführung der Messung entfernt von der aktiven Sensorfläche (4) positionierbar zu sein und für die Durchführung der Messung auf der Sensorfläche (4) mit dem Fluid in Kontakt gebracht zu werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind der oder die aktiven Sensoren und die Referenzelektroden (2) in einem verschließbaren Frame-Gehäuse (10) angeordnet, das mit fluidischen Anschlüssen (1), über welche ein Spülmedium zuführbar ist, und mit einer Fluidzuführung (3), über welche das zu untersuchenden Fluid zur Sensoroberfläche (4) zuführbar ist, versehen ist. Eine andere Ausführungsform zeichnet sich dadruch aus, dass die Referenzelektrode (2) als Anritzer ausgeführt ist, mit dem kleine Mengen des zu untersuchenden Fluids aus einem Reservoir entnehmbar sind, wobei der Anritzer an einem verschiebbaren Schlitten (6) befestigt ist.

Description

Vorrichtung zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen, chemischen oder biologischen Fluides oder von biochemischen Zellreaktionen, die durch Zugabe einzelner Substanzen oder Substanzgemische erzeugt werden.
Im Folgenden sollen mit dem Begriff biologische flüssige oder gasförmige Fluide in erster Linie Fluide, die in Zellen, Organen oder Organismen vorkommen und auch von diesen ausgeschie- den werden können, definiert sein. Bekannte biologische Fluide sind beispielsweise Blut, Speichel, Urin, Lymphflüssigkeit und Gallenflüssigkeit. Darüber hinaus zählen im Sinne der vorliegenden Erfindung zu den biologischen Fluiden Zellkulturmedien und Nährmedien zur Versorgung eukaryotischer und prokaryoti- scher Zellen. Der Begriff „Medium" bezeichnet hier üblicherweise ein biologisches Fluid, dass aus einer Mischung verschiedener biologischer Komponenten besteht und oft in einer Ausführungsform als Nährmedium bezeichnet wird. Ein Nährmedium, oft auch als Substrat bezeichnet, dient zur Kulti- vierung von Mikroorganismen, Zellen und Geweben. Man unterscheidet zwischen flüssigen (zum Beispiel Bouillon, Nährbouillon oder Nährlösung) und gelierten („festen") Nährmedien (Nährboden) . Diese biologischen Fluide können aufgrund ihrer spezifischen Zusammensetzung einen aggressiven Charakter aufweisen, der für eine Reihe von technischen Materialien Probleme aufwirft. Hierzu zählen beispielsweise Blut, welches ein relativ hohes Reduktionspotential hat, oder Magensaft, der einen stark sauren pH-Wert aufweist. Als chemische Fluide werden hier flüssige Substanzen bezeichnet, welche unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen (Temperaturbereich -500C bis +1500C) im flüssigen Aggregatzu- stand vorliegen, das heißt dass sie einer Formänderung so gut wie keinen, einer Volumenänderung hingegen einen großen Widerstand entgegensetzen. Chemische Fluide können sowohl reine Flüssigkeiten (z.B. Wasser, Essigsäure, flüssiger Ammoniak) als auch Gemische sein. Bei den Gemischen kann es sich sowohl um Lösungen ionischer Verbindungen (z.B. Natriumchlorid) als auch um Lösungen organischer Verbindungen in verschiedenen Lösungsmitteln (z.B. Wasser, organische Lösungsmittel, ionische Flüssigkeiten) handeln.
Sensoren zur Ermittlung von chemischen, biochemischen oder biologischen Eigenschaften von Substanzen in flüssiger, gasförmiger oder fester Phase sowohl in homogenen als auch in heterogenen Phasen sind seit langem Gegenstand von Wissenschaft und Technik. Innerhalb der großen Klasse von Sensoren zur Bestimmung von chemischen, biochemischen und biologischen Eigenschaften von Substanzen befinden sich die so genannten „Biosensoren". Als Biosensoren bezeichnet man Sensoren, die spezifische biochemische Reaktionen, die durch isolierte Enzyme, Immunosysteme, Organellen, ganzen Zellen oder Gewebe ausgelöst werden, einsetzen, um chemische Substanzen mit Hilfe optischer, elektrischer oder thermischer etc. Signale zu detektieren (NIC, M. et al. "IUPAC Compendium of Chemical Terminology", http://goldbook.iupac.org/index.html (accessed Nov 02, 2007) ) .
In der Regel werden also biologische Elemente wie z.B. Nukleinsäuren mit einem „Transducer-System" gekoppelt, um eine von der zu detektierenden Substanz abhängende biochemische Reaktion aufzunehmen und in ein elektrisches, meist zu verstärkendes Signal zu transformieren.
Vorbekannte Sensoren besitzen den Vorteil, dass sie in SiIi- zium-Technologie hergestellt werden können (Massenproduktion) . Ein großer Nachteil dieser Sensoren liegt dagegen in ihrer in Folge des aggressiven Charakters der zu untersuchenden Fluide geringen Langzeitstabilität (Madou, M. J. 1989, Chemical sensing with solid State devices, Academic Press, Boston.) .
In der DE 100 62 044 Al ist die Funktionsweise eines ionenselektiven Sensors auf der Basis von Heterostrukturhalbleitern (Schichtfolge der Gruppe-III-Nitride) erstmals beschrieben worden. Solche Sensoren sind auch in einer Ausführungsform als AlGaN/GaN - HEMT System bekannt.
Zur Herstellung von Hochleistungstransistoren und Sensoren können insbesondere die elektrischen Transporteigenschaften der Elektronengase in AlGaN/GaN- Heterostrukturen herangezogen werden (M. STUTZMANN et al . , Diamond and Related Materials 11 (2002) 886) . Für die Sensorik sind die elektrischen Eigenschaften und die relativ großen piezoelektrischen Konstanten der Gruppe-III-Nitride besonders interessant. Wird eine AlxGai- XN-Barriere pseudomorph auf eine epitaktische GaN-Schicht gewachsen, ist die AlGaN-Schicht tensil verspannt, wobei die Stärke der Verspannung mit zunehmender AI-Konzentration wächst. Deshalb kann die totale (piezoelektrische und spontane) Polarisation in der AlGaN-Schicht über deren Zusammensetzung kontrolliert werden. An den Grenzflächen zur GaN- Schicht bildet sich so ein abrupter Sprung in der Polarisation aus, der zu einer gebundenen Grenzflächenladung führt. Ist die gebundene, polarisationsinduzierte Ladung an der AlGaN/GaN- Grenzfläche positiv, sammeln sich dort Elektronen, die diese Ladung kompensieren. Bei einer AI-Konzentration von 35% können zweidimensionale Elektronengase (2DEGs) mit Flächenladungsdichten von bis zu 2xlO13 cm"2 erreicht werden (AMBACHER, B. et al., J. Appl. Phys. 87 (2000) 334) . Wird das 2DEG seitlich kontaktiert, entsteht ein sogenannter ionensenstitiver Feldeffekttransistor (ISFET) mit Source, Drain und einem offenen Gate. Jegliche Manipulation des Oberflächenpotentials resultiert in einer deutlichen Änderung der Flächenladungsdichte des 2DEGs und somit in einer messbaren Änderung des Drain- Stroms. Deshalb eignet sich eine AlGaN/GaN-Transistorstruktur für die Detektion von Ionen oder adsorbierten polaren Molekülen in Flüssigkeitströpfchen, die auf der Oberfläche abgesetzt werden. Das Gatepotential wird dabei durch die geladenen Ionen in der zu detektierenden Flüssigkeit bestimmt. Die Auswertung des Drain-Stroms ermöglicht den Nachweis von polaren Flüssigkeiten mit einer hohen Empfindlichkeit und einem großen Dynamikbereich. Der ISFET zeigt dabei eine intrinsische pH-Sensi- tivität am Nernst' sehen Limit, die durch das an der Oberfläche vorhandene Oxid gegeben ist. Es besteht ein linearer Zusammen- hang zwischen pH-Wert und Oberflächenpotential im pH-Bereich von 2 bis 12. Aufgrund der hohen chemischen Stabilität der Gruppe-III-Nitride sowohl für Laugen, als auch für Säuren kann deshalb mit einem solchen Bauelement die Bestimmung von pH- Werten mit einer hohen Genauigkeit durchgeführt werden.
Auf der Basis des AlGaN/GaN Halbleitersystems werden ISFET Strukturen hergestellt. Die hervorragende Eignung des AlGaN/GaN Halbleitermaterials zur Untersuchung von biologischen oder chemischen Fluiden manifestiert sich vor allem in der biologischen und chemischen Inertheit des AlGaN-Materials, welches sich durch seine hohe Biokompatibilität bzgl. seiner Adhärenz von Zellen auszeichnet, d.h. es findet keine messbare Beeinflussung der Zellen und auch keine nennenswerte Verände- rung der AlGaN-Oberflachen durch die Zellen statt. (I. CIMALLA et al . , AlGaN/GaN biosensor—effect of device processing steps on the surface properties and biocompatibility accepted by Sens. Actuators, B: Chem. (2006), doi:10.1016/j . snb .2006.10.030) .
Die Realisierung einer Referenzelektrode für elektrochemische Messungen mit ISFETs, stellt insbesondere im Hinblick auf Miniatur- und Festkörper-Varianten einen kritischen Punkt in einem Analysesystem dar. Der grundsätzliche Aufbau der Referenzelektrode setzt sich stets aus den Komponenten Innenableitung, Leitelektrolyt und Membran zusammen. Die Innenableitung wird über einen Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl) -Draht oder eine Ag/AgCl-Dickschicht realisiert. Der Leitelektrolyt besteht entweder aus einer wässrigen KCl-Lösung oder einem mit KCl versetzten Hydrogel, das gleichzeitig über eine kleine Öffnung („pinhole junction" 0-100 μm) als Membran zum Analyt dient. Im Falle einer KCl-Lösung wird eine poröse Membran benötigt, die in Glas, Keramik oder Teflon hergestellt werden kann.
Als eine besonders wichtige Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Messung des pH-Werts von Blut bzw. von in Blut gelösten Gasen (pθ2 und PCO2) zu benennen. Dies ist im Besonde- ren für kleinste Flüssigkeitsmengen eine besonders schwer zu lösende Aufgabe. Der Grund liegt hierfür in der stark oxidie- renden Wirkung des Blutes.
In klinischen Anwendungen dagegen ist die unmittelbare und schnelle Messung vorzugsweise des pH-Wertes von Blut eine notwendige Voraussetzung, um entsprechende Behandlungsmaßnahmen einzuleiten. Einen besonders wichtigen Fall stellt z.B. die fetale Mikroblutuntersuchung (MBU) bei der Blutgasbestim- mung dar. Sie wird unter der Geburt bei pathologischem/ präpathologischem CTG (Cardiotokograph) angewendet und liefert wichtige Informationen zu den fetalen Vitalparametern. Die Blutentnahme für eine MBU erfolgt beim noch ungeborenen Kind auf der KopfOberfläche durch eine kleine Inzision. Das austretende Blut muss mittels einer heparinisierten Kapillare von der KopfOberfläche getupft werden, was unter den eingeschränkten Sicht- und Platzverhältnissen nicht einfach ist. In die Kapillare aufgenommene Luftblasen, extrem schnell gerinnendes, fetales Blut und eine zu lange Zeitspanne, bis die erforderlichen 35-40μl Blut für eine pH-Bestimmung erreicht sind, machen die Probe für die Analyse oft unbrauchbar. Die Probeentnahme muss in einem solchen Fall wiederholt werden. Das führt zu einem Zeitverlust. Für das Handling dieser kleinen Probenvolu- mina sind sowohl spezielle Mikrosensoren, als auch geeignete Mikrofluidiksysteme notwendig, die es gestatten auch kritische Blutproben wie z.B. Nabelschnurblut zuverlässig zu analysieren .
Aus LÜBBERS et al . "A novel GaN-based multiparameter sensor System for biochemical nalysis", Phys . Stat. SoI. 2008, No. 6, p. 2361-2363; ist ein ionensensitiver Sensor mit einer HEMT- Struktur aus einem Schichtsystem der Gruppe-III-Nitride zur Ermittlung des pH-Wertes eines Fluids bekannt. Bei den unter- suchten Fluiden handelt es sich um wässrige Lösungen, die hauptsächlich durch ihren spezifischen pH-Wert unterscheiden, jedoch keine aggressiven Eigenschaften aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen, chemischen oder biologischen Fluids oder von biochemischen Zellreaktionen, die durch Zugabe einzelner Substanzen oder Substanzgemische erzeugt werden, bereitzustellen, für die lediglich minimale Mengen (nl-Bereich) des zu untersuchenden Fluids erforderlich sind und die sich durch eine hohe Lebensdauer aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber den zu untersuchenden Fluiden auszeichnen und darüber hinaus einfach zu handhaben sind. Insbesondere sollen damit physikalische/chemische Eigenschaften von aggressiven Fluiden, wie z.B. Blut bestimmbar sein.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Bestimmung des pH-Wertes z.B. in der Medizintechnik (Blut- pH) mit der gesetzlich geforderten hohen Genauigkeit stellt hohe Anforderungen an den gesamten Messaufbau und das zu verwendende Mess- und Auswerteverfahren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise ein kompaktes transportables System, mit dessen Hilfe schnelle und rauscharme Messungen an AlGaN/GaN-basierenden Sensoren durchgeführt werden. An dieses Systems ist ein Strom-Spannungs-Analyzer gekoppelt, mit dem sowohl kleine Spannungs- (μV-Bereich) als auch Stromänderungen (nA-Bereich) innerhalb eines sehr kleinen Zeitintervalls (ms- bzw. μs-Bereich) detektiert werden können. Als Schnittstelle zwischen dem Analyzer und der erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend mindestens einen aktiven, nichtpassivierten ionen- sensitiven/-selektiven Sensor mit einer AlGaN/GaN-Struktur und mindestens eine Referenzelektrode, wird ein geschlossener und vor allem elektrisch abgeschirmter Messaufbau (z.B. faraday- scher Käfig) verwendet, der die negativen Einflüsse möglicher Störgrößen (z.B. Licht, elektrische Umgebungsfelder) auf die Genauigkeit des Messergebnisses minimieren soll.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich- tung zur Ermittlung von physikalischen und chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Werts eines flüssigen oder gasförmigen Fluids umfasst ein zu öffnendes inneres Gehäuse (Frame-Gehäuse) , vorzugsweise mit einem Klapp- oder Schiebedeckel; einen Keramik- oder Leiterplatten-Frame mit einem integriertem Sensorchip; eine Festkörper-Referenzelektrode oder Feststoff-Referenzelektrode; sowie ein gegen Lichteinfall schützendes, abgedunkeltes äußeres Gehäuse (System-Gehäuse) , welches vorzugsweise als Klappdeckelgehäuse ausgebildet ist.
Das innere Frame-Gehäuse befindet sich innerhalb des abgedunkelten System-Gehäuse und ist im geschlossenen Zustand vollständig verschlossen. Es besitzt elektrische Steckkontakte zur Kontaktierung der innen liegenden Bauelemente und enthält fluidische Anschlüsse zum Befüllen und Entleeren. Im gefüllten Zustand enthält das Frame-Gehäuse eine spezielle Lösung/Fluid mit definierten chemischen Eigenschaften (z.B. bekanntem pH- Wert, Konzentration bestimmter Ionen) .
Der Keramik- oder Leiterplatten-Frame (nachfolgend auch kurz Frame genannt) besteht aus einem hoch isolierenden Material mit Leiterbahnen und Kontaktpads. Er nimmt einen Teil der erforderlichen Auswerteelektronik auf und umfasst die Referenzelektrode, welche modular (d.h. leicht austauschbar z.B. mit Steck- oder Schiebekontakten) am Leiterplatten-Frame ange- ordnet ist.
Der Leiterplatten-Frame trägt außerdem einen Sensorchip, der vorzugsweise fest mit dem Frame verbunden ist. Ein Chipfeld des Frame wird vollständig mit einem elastischen, trans- parenten, hoch isolierendem Material vergossen (z.B. Silikon) . Die Verbindung zwischen Leiterplatten-Frame und Frame-Gehäuse wird modular (leicht austauschbar) über Steck- oder Federkontakte unterhalb des Deckels realisiert.
Der erwähnte Sensorchip enthält in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens vier aktive, nicht passivierte ionensen- sitive/-selektive Biosensoren mit unterschiedlichen Längen- und Weitenverhältnissen, die auf dem Chip nicht elektrisch miteinander verbunden sind. Die einzelnen Sensoren werden über Leiterbahnen und Bondpads mit dem Frame fest verbunden.
Das Gesamtsystem Sensorchip, Referenzelektrode und Frame ist modular aufgebaut und kann unabhängig voneinander ausge- tauscht/gewechselt werden. Dadurch ist es möglich, kundenspezifische oder kommerzielle Referenzelektroden zu verwenden. Die Montage der Bestandteile erfolgt vorzugsweise über Klick- und Stecktechnik.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Frame-Gehäuse als faradayscher Käfig ausgeführt. Eine abgewandelte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Innenraum des Frame-Gehäuses und/oder des System-Gehäuses mit einer vorbestimmten Strahlungsintensität und Wellenlänge beleuchtet wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Referenzelektrode direkt über dem Sensorchip platziert. In anderen Anwendungsfällen kann es stattdessen vorteilhaft sein, wenn die Referenzelektrode nicht direkt über dem Frame platziert ist, sondern inner- halb eines fluidischen Kanals, durch den die Referenz- und die zu untersuchenden Fluide gepumpt werden. Die Referenzelektrode weist bevorzugt eine planare Oberfläche auf, wodurch die Reinigung erleichtert wird. In besonderen Ausführungsformen besteht die Referenzelektrode aus einem Festkörper/Feststoff, z.B. in Form eines Hohlzylin- ders mit einem aufgesetzten Werkzeug. Dieses Werkzeug wird als Anritzer, Spitze, dünne Kanüle oder halbdurchlässige Membran realisiert. Das Werkzeug kann aber auch aus einem mit Elektro- lytlösung versetztem Hydrogel bestehen.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist von besonderer Bedeu- tung, dass die Referenzelektrode nach Durchführung einer Messung einfach ausgetauscht werden kann. Beispielsweise lassen sich mehrere Referenzelektroden in einer Kartusche bevorraten, sodass der Austausch schnell und einfach vollzogen werden kann.
Für die Positionierung der Referenzelektrode zu einem Sensor oder zu einem Sensorarray wird vorzugsweise eine plane Referenzeinheit realisiert, die gleichzeitig als Abdeckplatte dient und gegenüber dem Array, welches vorzugsweise mehrere Sensoren umfasst, angebracht wird. Damit wird ebenfalls eine einfache Reinigung des Systems gewährleistet, da nur plane Flächen gereinigt werden müssen.
Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform sind die Ober- flächen der einzelnen Biosensoren hydrophil und die die Biosensoren umgebende Fläche hydrophob gestaltet. Zweckmäßig ist es auch, wenn der Sensorchip mit einem Schieberegister zur Ladungsakkumulation (CCD-Architektur) ausgestattet ist.
Für eine Messung wird das Frame-Gehäuse geöffnet, d.h. der Deckel mechanisch aufgeklappt bzw. aufgezogen, und die einzelnen Fluide werden mit Hilfe von Kapillaren oder fluidischen Kanälen auf die Oberfläche des Leiterplatten-Frame geleitet. Zur Bestimmung der Sensitivität und für Referenzmessungen wird das Frame-Gehäuse nicht geöffnet, sondern die Referenzfluide werden in das Frame-Gehäuse hinein bzw. heraus gepumpt; hier- bei bleibt das Frame-Gehäuse geschlossen.
Für die Bestimmung des pH-Wertes wird ein einfaches Verfahren favorisiert. Die Source- und Drainkontakte des aktiven Sensors und die notwendige Bezugs- bzw. Referenzelektrode der wässri- gen Lösung wird mit jeweils einem Ausgangskanal des Analyzers verbunden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird nach der Kalibrierung des Systems (diese erfolgt beispielsweise durch Messung der Strom-Spannungskennlinien definierter Pufferlösungen mit unterschiedlichen pH-Werten) die aktive Fläche des Sensors mit der zu untersuchenden Flüssigkeitsprobe benetzt und ebenfalls die Strom-Spannungskennlinie des zuvor kalibrierten Sensors gemessen. Der pH-Wert wird aus der Verschiebung der für die zu untersuchende Flüssigkeitsprobe aufgenommenen Kennlinie zu den einzelnen Kalibrie- rungskurven berechnet.
Zur Kompensation möglicher Störeinflüsse, wie beispielsweise Licht und/oder elektrischer und/oder magnetischer Felder, wird in einer vorteilhaften Ausbaustufe des Systems ein von allen Seiten geschlossener und abgedunkelter faradayscher Käfig realisiert. In einer weiteren bevorzugten Ausbaustufe wird im Inneren dieses Käfigs eine Strahlungsquelle mit einer definierten Beleuchtungsstärke und Wellenlänge des ausgesendeten Lichts installiert. Durch diese Maßnahme wird die lichtemp- findliche Drift des Sensors minimiert und dadurch die Genauigkeit des Messergebnisses verbessert. Eine vollständige Kompensation aller auf den Sensor einwirkenden Störgrößen wird durch diese Ausbaustufe jedoch nicht erreicht. Aus diesem Grund werden in einer weiteren vorteilhaften Verbesserung der Erfindung die zur Messung verwendeten aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren in eine Brückenschaltung mit mehreren vorzugsweise identischen passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren eingebunden. Als passivierte ionensensitive/-selektive Sensoren werden solche Sensoren bezeichnet bei denen auf das AlGaN/GaN oder GaN/AlGaN/GaN Schichtsystem eine Schicht aus chemisch inerten, je nach Anwendung optisch transparenten (z.B. ein Glaslot) oder optisch intransparenten (z.B. eine Polyimid- schicht) Materials aufgebracht wird, so dass kein direkter Kontakt der Sensoroberfläche mit einem zu messenden Fluid besteht.
Da klassische Brückenschaltungen, wie beispielsweise die Wheatstonesche Brücke, zur Messung sehr kleiner Widerstände nicht geeignet sind, werden die Sensoren nach dem Prinzip einer Thomson Messbrücke geschalten. Hierbei wird parallel zu den Zuleitungen und den beiden inneren Brückenzweigen, die jeweils als Reihenschaltung vorzugsweise eines aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensors und eines passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensors ausgeführt ist, ein zweiter Spannungsteiler geschaltet, der zusätzlich den Einfluss der äußeren Zuleitungswiderstände auf das Messergebnis kompensiert. Die einzelnen aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensoren der inneren Brückenzweige werden jeweils mit einem definierten Fluid (z.B. Pufferlösungen mit bestimmten pH-Werten) benetzt. Die so den einzelnen Sensoroberflächen zugeführten Ladungen verändern durch Anreicherung oder Verarmung von Ladungsträgern im leitenden Kanal des Sensors dessen elektrischen Widerstand. In Abhängigkeit der elektrischen Sensorwiderstände stellt sich eine stabile Querspannung der Brückenschaltung ein. Wird nun einer der aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selek- tiven Sensoren beispielsweise mit der Messflüssigkeit benetzt, verschiebt die damit verbundene Änderung des elektrischen Widerstandes dieses Sensors die Querspannung der Messbrücke. Diese Änderung der Querspannung wird quantitativ ausgewertet und in Bezug zum pH-Wert gesetzt. Durch dieses Messprinzip entfällt ein aufwendiger Nullabgleich der Brückenschaltung.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden zur Steigerung der Messdynamik mindestens vier vorzugsweise identische aktive, nicht passivierte ionensensitive/-selektive Einzelsensoren parallel gemessen. Hierbei werden mindestens drei dieser Sensoren mit wässrigen Referenzpuffern unterschiedlicher pH- Werte und der vierte Sensor beispielsweise mit der Messflüssigkeit benetzt. Im Anschluss werden gleichzeitig die Strom- Spannungskennlinien aller Sensoren gemessen und der pH-Wert ermittelt .
Verschiedene Ausführungsformen der fluidischen Kopplung bzw. der fluidischen Komponenten erlauben den Einsatz des vorgestellten Sensorsystems für unterschiedliche Messaufgaben. So kann ein Sensor/Referenzelektrodensystem in einen fluidischen Kanal integriert werden, sodass es über Mehrwegeventile sowohl mit der zu messenden Flüssigkeit als auch mit entsprechenden Spül- und Reinigungsflüssigkeiten beaufschlagt werden kann.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden besonders kleine Flüssigkeitsmengen aus bzw. mit einer Kapillare auf den Sensor in einer Messkammer aufgetragen. Gerade die planare Anordnung der erfindungsgemäßen Anordnung des Messsystems aus Sensor und Referenzelektrode erlaubt ein einfaches Aufbringen eines Tropfens Messflüssigkeit sowie nach der Messung eine leicht durchzuführende Reinigung der planaren Fläche mit Hilfe geeigneter Reinigungsflüssigkeiten .
Um Vielfachmessungen zu ermöglichen, sind die Reinigungsprozeduren das wichtigste Werkzeug, um den Sensor und das System zu regenerieren. Verschleppungen von den verschiedenen Lösungen könnten eine umfangreiche Fehlerquelle darstellen und sollten verhindert werden. Dabei sind in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform die aktiven Sensoroberflächen und die Referenzelektrode plan ausgeführt. Dies reduziert Oberflächen und erleichtert die Reinigung.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht auf dem eingesetzten Sensors und besteht darin, dass mit ihm eine pH-Wert Messung ausgeführt werden kann, die nicht von simultan vorliegenden Redox-Eigenschaften des untersuchten Fluids beeinflusst wird. Dies gestattet insbesondere die pH- Wert Bestimmung von Blut und vergleichbaren Fluiden.
Die vorgestellte Erfindung erlaubt auch das oben dargestellte Problem der Mikroblutuntersuchung zu lösen. Im Kleinstvolumen- bereich (>nl) kann mit dem System der pH-Wert des Blutes bestimmt werden. Besonders vorteilhafte Arbeitsbedingungen liegen im Volumenbereich 500 nl bis 5 μl . Darüber hinaus stellt die hohe chemische Inertheit des Sensormaterials eine ausgezeichnet Eignung für die Messung aggressiver Materialien wie Blut dar.
Das Verfahren zur Bestimmung von physikalischen und chemischen Eigenschaften läuft prinzipiell wie folgt ab: Die einzelnen aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Biosensoren des Sensorchips werden nacheinander in kurzen Zeitabständen mit verschiedenen Fluiden benetzt und die Spannung zwischen Referenzelektrode und einem festen Bezugspotential (z.B. Masse) als Referenzspannung wird bei einem konstanten Sensorstrom ermittelt.
Die zu messenden Fluide werden beispielsweise in folgender Reihenfolge zugeführt:
1. Referenzfluid 1 (z.B. 7.0pH)
2. Referenzfluid 2 (z.B. 4.0pH) 3. Referenzfluid 3 (z.B. 7.0pH)
4. zu untersuchendes Fluid
Die Reihenfolge kann vertauscht werden, dann rückt das zu untersuchende Fluid an die erste Position, die Reihenfolge der Referenzfluide bleibt danach gleich. Der pH-Wert des zu untersuchenden Fluids wird anschließend aus der Differenz der Referenzspannungen der Referenzfluide (Sensitivität) in Bezug zur Referenzspannung des zu untersuchenden Fluids bestimmt.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen des Verfahrens wird der pH-Wert des zu untersuchenden Fluids aus der Verschiebung gemessener Sensorstrom-Referenzspannungskennlinien oder aus der Änderung des gemessenen Sensorstroms bei konstanter Referenzspannung bestimmt. Dabei kann der pH-Wert aus Mehrfachmes- sungen des selben Messvolumens akkumulierend ermittelt werden.
Vorzugsweise werden bei Ausführung des Verfahrens mehrere identische aktive, nicht passivierte ionensensitive/-selektive Sensoren gleichzeitig oder in kurzen oder mittleren Zeitab- ständen mit Referenzmedien unterschiedlicher pH-Werte und mindestens ein weiterer vorzugsweise identischer aktiver, nicht passivierter ionensensitiver/-selektiver Sensor mit dem zu untersuchenden Fluid benetzt werden und der pH-Wert des zu untersuchenden Fluids oder der biochemischen Zellreaktion aus der Verschiebung der gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien der einzelnen aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selek- tiven Sensoren ermittelt.
Der durch den aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/ -selektiven Sensor fließende Strom kann durch Regelung der Referenzspannung konstant gehalten werden, wobei des pH-Wert des zu untersuchenden Fluids aus der Änderung der Referenz- Spannung bestimmt wird. Alternativ kann die Referenzspannung konstant gehalten werden, wobei der pH-Wert des zu untersuchenden Fluids aus der Änderung des durch den aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/-selektiven Sensor fließenden Stroms bestimmt wird. Ebenso ist es möglich den pH-Wert des zu untersuchenden Fluids oder der biochemischen Zellreaktion aus der Änderung der Querspannung der Brückenschaltung zu ermittelt. Mehrfachmessungen können im selben Messvolumen akkumulierend durchgeführt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen :
Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen Fluids;
Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Stabausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Inzision und simultanen Messung des Blut pH-Wertes am Kopf des Ungeborenen. Gemäß der in Fig. 1 in gezeigten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als Klappsystem ausgeführt. Grundsätzlich umfasst die dargestellte Vorrichtung in einem Frame-Gehäuse 10 mehrere fluidische Anschlüsse 1 sowie mindestens eine Kapillarzuführung 3. Im Frame-Gehäuse 10 ist eine aktive Sensoroberfläche 4 angeordnet, die Source- und Drainkontakte 5 aufweist. Eine Referenzelektrode 2 ist an einem Frame-Gehäuse-Deckel 11 angebracht. Außerdem ist ein äußeres System-Gehäuse (nicht dargestellt) vorgesehen, welches das Frame-Gehäuse 10 umschließt und das Öffnen des Frame-Gehäuses im abgeschlossenen Raum gestattet. Das System-Gehäuse kann zumindest abschnittsweise integral mit dem Frame-Gehäuse gebildet sein.
Die fluidischen Anschlüsse 1 werden für die Zufuhr von Spülmedium genutzt, um die Vorrichtung zu spülen. Über die Kapillarzuführung 3 wird das zu untersuchende Fluid auf der aktiven Sensoroberfläche 4 abgesetzt. Der Frame-Gehäuse-Deckel 11, an welchem die Referenzelektrode 2 befestigt ist, ist währenddessen geöffnet, sodass die Referenzelektrode noch nicht in Kontakt mit dem Fluid kommt. Die Flächen innerhalb der in Fig. 1 mit gepunkteten Linien dargestellten Kreise sind hydrophil, wogegen die restlichen Bestandteile des Systems hydrophob sind.
In einem zweiten Schritt wird der Deckel 11 mit der Referenzelektrode 2 abgesetzt, sodass diese in das zu untersuchende Fluid eintaucht. Die Messung wird jetzt durchgeführt. Nachfolgend wird die gesamte Vorrichtung gespült. Die Referenzelektrode 2 wird anschließend verworfen. Es wird nochmals gespült. Eine neue Referenzelektrode 2 wird eingesetzt. Der Austausch der Referenzelektrode dient vor allem der Schaffung steriler Zustände und einer klar definierten Messumgebung. Wenn gleichartige Fluide nacheinander mit weniger strengen Reinheitsanforderungen untersucht werden sollen, kann die Referenzelekt- rode 2 auch mehrfach verwendet werden.
In einer abgewandelten Ausführungsform werden mehrere auswechselbaren Referenzelektroden in einem Kartuschensystem, d.h. in einem Magazin vorgehalten. Von dort aus werden sie dem Mess- feld zugeführt und elektrisch kontaktiert. Das Spülen erfolgt nach dem oben beschriebenen Prinzip.
Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung ist hier so kompakt und miniaturisiert ausgeführt, dass sie in einer Stabausführung direkt die Inzision und simultane Messung des Blut pH- Wertes am Kopf des Ungeborenen gestattet. Hierbei wird die Referenzelektrode 2, die auf einer Stabspitze 8 angebracht ist, gleichzeitig als Anritzer benutzt, um eine kleine Menge Blut (ca. lμL) aus der Haut zu entnehmen. Ein Herüberziehen eines Schlittens 6 in die durch einen Pfeil 7 angegebene Richtung, drückt den Anritzer (die Referenzelektrode 2) mit dem Blut direkt in das Messfeld, d.h. auf die aktive Sensoroberfläche 4 zwischen den Source- und Drainkontakten 5.
Bezugszeichenliste
I - fluidische Anschlüsse 2 - Referenzelektrode
3 - Kapillarzuführung
4 - aktive Sensoroberfläche
5 - Source- und Drainkontakte des aktiven Sensors
6 - Schlitten 7 - Bewegungsrichtung des Anritzers
10 - Frame-Gehäuse
II - Frame-Gehäuse-Deckel

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Messung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere des pH-Wertes, eines flüssigen oder gasförmigen Fluids, umfassend: mindestens einen aktiven, nicht passivierten ionen- sensitiven/-selektiven Sensor mit einer ISFET- oder HEMT-Struktur aus einem Schichtsystem der Gruppe-III- Nitride sowie mit einer aktiven Sensorfläche (4), auf welche das Fluid aufbringbar ist; mindestens eine Referenzelektrode (2); dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (2) gegenüber der aktiven Sensorfläche (4) beweglich angeordnet ist, um vor Durchführung der Messung entfernt von der akti- ven Sensorfläche (4) positionierbar zu sein und für die Durchführung der Messung auf der Sensorfläche (4) mit dem Fluid in Kontakt gebracht zu werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (2) lösbar an der Vorrichtung befestigt ist, um nach Durchführung einer Messung gegen eine neue Referenzelektrode ersetzt werden zu können.
3. Vorrichtung Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (2) aus einem mit Elektrolytlösung versetzten Hydrogel besteht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoroberfläche (4) und die Refe- renzelektrode (2) planare Oberflächen aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mehrere passivierte ionensensitive/-selektive Sensoren mit einer ISFET- oder HEMT-Struktur aus einem Schichtsystem der Gruppe-III- Nitride umfasst, die eine oder mehrere Passivierungsschich- ten aufweisen, und zusammen mit dem mindestens einen oder mit mehreren aktiven, nicht passivierten ionensensitiven/- selektiven Sensoren in einer Brückenschaltung zusammen- gefasst sind, um Störeinflüsse zu reduzieren.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung aus aktiven und passivierten Sensoren einen ersten und einen zweiten inneren Brückenzweig aufweist, die über äußere Zuleitungen mit einer Betriebs- Spannung gemeinsam versorgt werden, und parallel zu den äußeren Zuleitungen für die Betriebsspannung und den beiden inneren Brückenzweigen zusätzlich ein Spannungsteiler vorgesehen ist, der aus mindestens zwei nicht licht- und/oder strahlungsempfindlichen konstanten oder auf einen konstanten Wert einstellbaren Widerständen oder Transistoren besteht, wobei die Querspannung der Brückenschaltung an den beiden Verbindungspunkten der inneren Brückenzweige abgegriffen wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoroberfläche (4) der Sensoren hydrophil und die die Sensoroberfläche (4) umgebenden Flächen hydrophob ausgestaltet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren jeweils mit einem Schieberegister zur Ladungsakkumulation (CCD-Architektur) ausgestattet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die aktiven Sensoren und die Referenzelektroden (2) in einem verschließbaren Frame- Gehäuse (10) angeordnet sind, das mit fluidischen Anschlüssen (1), über welche ein Spülmedium zuführbar ist, und mit einer Fluidzuführung (3) , über welche das zu untersuchenden Fluid zur Sensoroberfläche (4) zuführbar ist, versehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (2) an der Innenseite eines zu öffnenden Frame-Gehäuse-Deckels (11) befestigt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich- net, dass das Frame-Gehäuse (10) als faradayscher Käfig ausgeführt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Frame-Gehäuse (10) mindestens ein Beleuchtungskörper vorhanden ist, der zumindest Teile der Sensoroberfläche (4) mit einer definierten Strahlungsintensität und Wellenlänge ausleuchtet.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (2) als Anritzer ausgeführt ist, mit dem kleine Mengen des zu untersuchenden Fluids aus einem Reservoir entnehmbar sind, wobei der Anritzer an einem verschiebbaren Schlitten (6) befestigt ist, um die Referenzelektrode (2) mit der entnommenen Fluidprobe zur aktiven Sensoroberfläche (4) zuzuführen.
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