WO2005073705A1 - Elektrochemisches transducer-array und dessen verwendung - Google Patents

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WO2005073705A1
WO2005073705A1 PCT/EP2005/050332 EP2005050332W WO2005073705A1 WO 2005073705 A1 WO2005073705 A1 WO 2005073705A1 EP 2005050332 W EP2005050332 W EP 2005050332W WO 2005073705 A1 WO2005073705 A1 WO 2005073705A1
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WO
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transducer array
array according
sensor
metal
insulator
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Application number
PCT/EP2005/050332
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heike Barlag
Walter Gumbrecht
Manfred Stanzel
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical transducer array and furthermore to specific uses of such a transducer array.
  • Electrochemical transducers are generally divided into the three groups potentiometric, conductometric and amperometric. With potentiometric transducers, the potential is measured against a reference electrode. On this basis, ion-selective sensors work. The electrode is coated with an ion-selective membrane. The potential of the electrode is then a measure of the concentration of the corresponding ions.
  • a potentiometric pC0 2 sensor can also be implemented using a gas-permeable membrane.
  • amperometric transducers With the amperometric transducers, on the other hand, a voltage difference is generated between two electrodes, in which the substance to be detected is converted.
  • the currents flowing during the reduction or oxidation result in the measurement signal.
  • They are widely used as oxygen sensors or biochemical sensors.
  • the Clark-analog oxygen sensor With the Clark-analog oxygen sensor, a gas-permeable membrane is placed on the. brought amperometric sensor.
  • molecular recognition systems e.g. B. haptens, antigens or antibodies, on or near the electrodes.
  • the target molecule binds to it and is provided with an enzyme label either directly or via intermediate steps. If the corresponding enzyme substrate is now added, the enzyme releases a substance that can be detected. This is done either optically or electrochemically.
  • the transducers used for electrochemical detection must contain electrodes that are electrically contacted individually. In the application of the potentiometric transducer, the equilibrium potential that has to be established must be measurable against a reference electrode. In the case of amperometric and conductometric transducers, the electrodes must be potentiatable and the current flow over the electrodes must be able to be recorded individually.
  • planar ion-selective sensors is described in E. Jacobs et al, "Analytical Evaluation of i-STAT Portable Clinical Analyzer and Use by Nonlaboratory Health-Care Professionals", Clinical Chemistry, 39, 1069 ff. (1993). It is a silicon substrate with thin-film electrodes and ion-selective membranes. Sensor electrodes and contacts are on the same side of the silicon substrate. In order to separate the contact areas and the flow cell for the analyte, the substrate must be significantly larger than the area actually required by the sensors.
  • circuit board technology is used to implement a ⁇ low-density "DNA detection system.
  • the sensor surfaces as well as the conductor tracks and contacts are implemented on the metallization level.
  • the product is a rigid one Printed circuit board with sensors and contacts on the same side, rear contacts can be realized with a through-hole connection, but this technology is only expensive to implement in large-scale production.
  • microelectrode arrays are known from EP 0 504 196 B1 and DE 197 17 809 U1, in which the sensor cavities have the smallest possible area.
  • DE 199 16 921 A1 discloses a method for producing arrays of microelectrodes arranged in pairs, in which the carrier is either silicon or plastic. The individual electrodes should be able to be controlled separately. DNA analysis is specifically mentioned as an application.
  • microelectrodes is known from WO 2004/001404 A1, in which the structure can be varied. Carriers of the array are glass and / or captan foils, a single reference electrode being used.
  • DE 199 29 264 AI discloses a universal transducer for chemical and biosensors in which a multi-layer system with insulating layers and electrode layers, which are used as working, reference and counter electrodes, is present. With the large number of known transducer arrays, particular emphasis is placed on specific microelectrodes, contacting always taking place from above.
  • the object of the invention is to create a suitable transducer array which is easy to handle and inexpensive to manufacture.
  • advantageous uses of the transducer array are to be proposed.
  • the transducer array there is at least one flexible, planar metal substrate on which at least one flexible insulator with a fixed connection of the metal surface and the insulator surface is arranged.
  • Both the self-supporting metal substrate and the insulator are structured in such a way that metal surfaces which are electrically insulated from one another and which implement sensor surfaces are formed, with the structured metal regions of the self-supporting metal substrate from the side facing away from the sensor surface or from the side opposite the sensor e are contactable. This results in a simple measurement option using needle contacts, in particular for decentralized measurement using chip cards.
  • the good handling of the product is particularly advantageous in the invention. It is a composite material that is only 100 ⁇ m to 200 ⁇ m thick and can take up any surface. This means that the sensor array is highly flexible and can be guided on rollers with the appropriate geometry.
  • the composite consists of a metal and an insulator layer. The front of the Metal substrate is covered by the insulator, leaving only small metal areas that represent the sensors.
  • the sensors in the aqueous electrolyte are stable and also have a catalytic activity for the conversion of the chemical substance to be detected. To achieve this, they can be coated with precious metals such as platinum, gold or silver.
  • Some areas can be designed as reference electrodes or counter electrodes depending on the requirements of the circuit technology. In particular, a sensor surface coated with silver, chlorinated and chlorinated can serve as a reference electrode.
  • the metal layer can advantageously be used on both sides.
  • the sensors are on the front as described.
  • the back is used for contacting the sensors.
  • the metal layer is structured so that each sensor is electrically isolated from the others.
  • the resulting rear metal surface which corresponds to a single sensor on the front, is significantly larger than the sensor surface. Therefore, the contact can be made at a point that is not directly below a sensor surface and is reinforced by the insulator. Since the metal substrate is self-supporting, the rear side contact can also be made directly below the sensor surface in order to enable a particularly space-saving embodiment.
  • a proposed way of contacting is the use of needle cards, which was also used in the application examples.
  • Titer plates play an important role in analysis (eg HTS: High Throughput Screening). These contain 96 (8 * 12), 384 (16 * 24) and 1536 (32 * 48) plastic reaction pots in the grid dimensions 9 mm, 4.5 mm and 2.25 mm. In some cases, optical detection processes can be carried out directly in such titer plates. For this purpose, the titer plates have z. B. planar, optically transparent floors.
  • the transducer arrays according to the invention can advantageously be used here for electrochemical detection.
  • these are adapted to the outer dimensions of the titer plates or to the grid of the reaction pots. They form the bottom of the titer plates, so that at least one electrode is assigned to each reaction tube. Because of the possibility of contacting the transducer arrays according to the invention on the back, all electrodes of the titer plate can be contacted simultaneously and thus read out.
  • transducer array is the structure of the. Array surface. It is not flat. Instead, • _ .. each sensor is located in a recess, which is determined by the thickness of the insulator used. These cavities are particularly suitable for holding coatings. They can contain the catchers mentioned for DNA analysis, antibodies or selective membranes.
  • the cavity can even represent a closed electrochemical system.
  • This requires at least one second electrode per cavity.
  • This can either be formed by dividing the sensor surface or by introducing a further electrode, which is placed over the cavity as a cover.
  • This lid is not an integral part of the sensor array, because the analyte must first be introduced into the cavity. He can e.g. B. also be merged as a tape with the sensor array.
  • the advantage of such a closed arrangement The solution is that the substance to be detected is enclosed in the cavity. It cannot diffuse away and thus weaken the signal, nor can it reach another sensor and trigger a wrong signal there.
  • FIG. 1 and 2 show the front and the back of a transducer array
  • FIG. 3 shows a sectional view of a transducer array according to FIG. 1/2
  • FIG. 4 shows a two-dimensional array in plan view
  • FIG. 5 shows a sectional view as a partial section of the transducer array according to FIG 4 with associated contacting
  • FIG. 6 to 14 show sectional views of different variants of a transducer array according to FIG. 1/2
  • FIG. 15 shows a measuring device using a transducer array from FIGS. 3 to 14
  • FIG. 16 shows results of using a transducer array as an ion-selective sensor
  • FIG. 17 results the use of a transducer array according to one of Figures 1 to 14 as a DNA sensor.
  • Figures 1 and 2 show the front and back of a sensor array consisting of a metal substrate 1 and an insulator layer 2. On the front, for example, circular depressions 3 ⁇ , which are referred to as cavitates, are shown. The cavities 3 ⁇ arise from the front.
  • the surface of the metal substrate is exposed on the base of the depressions 3i.
  • the representation of the back shows by lines the separation of the metal substrate 1 into mutually insulated parts 10 i.
  • Each metal island 10 ⁇ corresponds to the cavity 3 ⁇ an insulator recess on the front.
  • the possible contact points for a so-called needle card for the selective electrical contacting of the metal surfaces are indicated by dots on the back.
  • Figure 3 shows a sensor array in side view and in section through a series of electrodes or sensors.
  • the separating lines in the metal substrate 1 are x as singular measuring electrodes 10 ⁇ with measuring surface 12 and the opposite side as illustrated con- takttechniks procedure lli.
  • the insulator 2 made up of individual elements 20 if which holds the self-supporting metal surfaces together and insulates them from one another.
  • FIG. 4 shows the top view of a two-dimensional mxn sensor array, in which the cavities 3 ⁇ lie closely together with the measuring surfaces 12 ⁇ .
  • the adjacent cavities 3 ⁇ and 3i + l with measuring surface i are indicated in the array, the array on the sensor surface 12j .
  • opposite or opposite side lli forth should be contactable. While one sensor is directly adjacent to the other sensors in the area of the mxn array, a side metal area on the rear of the outer sensor row remains free for contacting.
  • FIG. 5 shows a section of the sensor array according to FIG. 4 with the bottom of the metal substrate 1 attached
  • Electrodes for measuring signal acquisition The measuring technology with the associated measuring device and the electrode arrangement advantageously used here will be discussed in more detail below with reference to FIG. 10.
  • a contact 4a is located directly opposite the sensor surface, centrally on the lying metal surface lli attached.
  • contacts 4b can be placed laterally offset on the metal surface exposed on one side, since sufficient space remains here.
  • FIG. 6 shows a sensor array with two electrodes per cavity.
  • the metal substrate is divided at this point.
  • the resulting gap is closed from the underside by an additional tsolator layer 40i. Contact areas remain free that define the measuring electrodes.
  • a working electrode WE and a counter electrode CE are alternately entered.
  • FIG. 7 shows that several cavities are wetted by the same electrolyte. The metal surface of one cavity can then be polarized against the metal surface of another cavity.
  • Figure 8 shows that one of the open metal surfaces on the
  • Front is covered by a thin layer of silver / silver chloride.
  • This layer 40 ⁇ can be connected together with two further wetted metal surfaces in a three-electrode arrangement as working electrode (WE), counter electrode (CE) and reference electrode (Ref) with a potentiostat.
  • WE working electrode
  • CE counter electrode
  • Ref reference electrode
  • FIG. 9 shows the use of an external reference electrode 15 which dips into the common electrolyte, which also wets at least two metal surfaces. Together they can be connected to a potentiostat in a three-electrode arrangement.
  • FIG. 10 shows an external reference electrode, which is immersed in the same electrolyte, which also wets several cavities, each with two electrodes.
  • the two electrodes together with the reference electrode each form a three-electrode arrangement.
  • FIG. 11 shows that the electrolyte spaces in each cavity can be electrically insulated from the other electrolyte spaces.
  • FIG. 12 shows that an electrical conductor which lies above the cavitates can be used as a common counter electrode CE for all cavitates. A voltage is applied between the metal surface in the cavity and the common counter electrode.
  • FIG. 13 shows that in a sensor array with two electrodes per cavity 3 ⁇ and 3i, one of the two electrodes is coated with silver / silver chloride (Ag / AgCl). This coated electrode is connected as a reference electrode together with the second electrode in the cavity as a working electrode and the covering counter electrode in a three-electrode arrangement with a potentiostat.
  • silver / silver chloride Ag / AgCl
  • FIG. 14 shows that an electrode covering the measuring arrangement is coated with silver / silver chloride on the electrolyte side.
  • the sensor array has two electrodes per cavity. A three-electrode arrangement can thus be realized with these two electrodes as working electrode WE and counter electrode CE and the top electrode as reference electrode.
  • the measuring device can be seen in detail from FIG.
  • the methodology of "pulsed” redox cycling is used here, which is described in detail in a parallel application by the applicant with the same application priority and the name "Process for measuring the concentration or change in concentration of a redox-active substance and associated device".
  • the measurement setup is essentially realized by a suitable potentiostat 5 in combination with a pulse generator 6. siert, which optionally delivers square, triangle or sine pulses.
  • the potentiostat 5 is designed in such a way that suitable potentials are provided by two operational amplifiers 7 and 7 ⁇ , one of which, one of which is connected to “ground” potential and a defined measuring resistor.
  • the pulse length, the repetition rate and the level of the potential can be specified.
  • the pulse lengths of the measurement phases and the relaxation phases can be set separately and can be of different lengths.
  • the potential can also be different.
  • the signal of the potentiostat 5 is connected to a signal processing unit (not shown in detail in FIG. 9), with which an evaluation takes place taking into account the above statements regarding the measuring method and accuracy.
  • U out ⁇ I results as for evaluating the signal curve shown in FIG. 15.
  • a transducer array according to one of the examples described above is used as an ion-selective sensor:
  • a sensor array consisting of a metal and an insulator layer is used.
  • the diameter of the cavities is 0.8 mm, the depth 90 ⁇ m and the distance between two neighboring electrodes 1 mm.
  • the electrode surfaces are covered with a 2.3 ⁇ m gold layer.
  • the array consists of a total of 4 electrodes, one of which is designed as a silver chloride reference electrode.
  • the other 3 electrodes were coated with an ion selective membrane.
  • An example is the ammonium-selective membrane.
  • the membrane composition corresponded to the recommendation of Fluka: - 1.00 wt% ammonium ionophore I (Fluka 09877) - 33-00 wt% poly (vinyl chloride) high molecular weight (Fluka 81392) - 66.00 wt% dibutyl sebacate (Fluka 84838)
  • a total of 100 mg of the reagents were dissolved in 550 ⁇ l of a cyclohexane / THF mixture in a ratio of 8: 2. From this solution, 35 nl, 45 nl and 60 nl were spotted into the three sensor cavities, so that three membranes of different thicknesses were created. They were air-dried for several hours.
  • the sensor array was inserted into a 100 ⁇ m deep flow channel and then solutions of different NH 4 N0 3 concentrations were pumped over it.
  • the solutions also contained 100 mM tris (hydroxymethyl) aminomethane / hydrochloric acid for buffering at pH8.
  • the potential difference between the membrane-coated was then measured using a high-resistance ohmmeter
  • Electrodes and - the reference electrode measured.
  • the following figure shows the change in potential of the sensor as a function of the NH 4 + concentration for the three membrane thicknesses.
  • FIG. 16 shows the dependence of the potential on the
  • Acid concentration Plotted on the abscissa is the concentration of NH 4 NO 3 in mol / 1 and the ordinate represents the electrochemical potential of ⁇ relative to a Ag / AgCl ⁇ elec- trode ⁇ .
  • the graphs 161 to 164 show characteristic curves for different membranes.
  • a transducer array is used as a DNA sensor in accordance with one of the examples given with reference to FIGS. 3 to 14:
  • the sensor array used corresponds to the arrangement already described in the previous example, four electrode surfaces being used.
  • One of the electrode surfaces is designed as a reference electrode Ref, another is used as a counter electrode CE (counter electrode) and the two further electrode surfaces serve as measuring electrodes or so-called working electrodes WE (working electrodes).
  • a synthetic oligonucleotide sequence of length 25 is anchored to the gold surface by means of a terminal thiol group on one working electrode. The second measuring electrode remains free.
  • Both surfaces were incubated with a solution of 1 mg bovine serum albumin per ml for 15 minutes and then the sensor array was inserted into a 100 ⁇ m deep flow channel.
  • 10 ⁇ l of a 10 ⁇ M biotinylated target sequence are pumped over the electrodes within approximately 5 minutes.
  • a solution of streptavidin-labeled alkaline phosphatase is added over it.
  • the washing is carried out with a buffer solution of 100 mM tris (hydroxymethyl) aminomethane titrated to pH 8 with hydrochloric acid, 130 mM NaCl.
  • the reference electrode, counter electrode and one of the two measuring electrodes are connected to a potentiostat in a three-electrode arrangement. Due to the large electrode areas, a potentiostatic measurement procedure would lead to a severe depletion of the pAP. A suitable pulse method is therefore used.
  • the positive sample i.e. the electrode with the catcher sequence
  • the solution with the enzyme substrate flows first over the negative sample, then over the positive sample. Due to the flow movement, pAP formed by the enzyme is washed away from the electrodes, so that the current is constant and low when the pump is switched on. If the pump is stopped, the pAP concentration increases over time due to the enzyme activity. This is shown in the measurement by a sharp rise in the current signal at 20 nA / s. If the pump is switched on again, the signal drops back to the original value. This process can be repeated any number of times.
  • FIG. 17 shows the course of the measuring current with the pump “on” / “stop” at the sensor with a positive and negative sample.
  • the time t in s is plotted on the abscissa and the current I in nA on the ordinate.
  • Graph 171 shows the measurement current over the course of an experimental investigation.
  • the switch was made to the negative sample.
  • the current initially drops when the pump is stopped, then remains constant for a short time and then rises slowly. This increase is caused by the diffusion of pAP from the positive to the negative sample.
  • With pump on there is a peak current because the electrolyte first flows from the positive to the negative sample and thus transports an increased pAP concentration to the neighboring electrode. Overall, the discrimination between positive and negative samples is very good.

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Abstract

Elektrochemische Transducer-Arrays sind bekannt. Erfindungs­gemäss ist wenigstens ein flexibles, planares Metallsubstrat (1) vorhanden, auf dem mindestens ein flexibler Isolator (2) mit fester Verbindung von Metalloberfläche und der Isolator­oberfläche angeordnet ist, wobei das Metallsubstrat (1) und der darauf befindliche Isolator (2) derart strukturiert sind, dass elektrisch gegeneinander isolierte Metallflächen (11i ) vorliegen, die als Sensorflächen (12i) dienen. Dabei ist das Metallsubstrat (1) freitragend, so dass die strukturierten Metallbereiche von der Unterseite her kontaktierbar sind.

Description

Be s ehr e ibung
Elektrochemisches Transducer-Array und dessen Verwendung
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrochemisches Transducer-Array und weiterhin auf spezifische Verwendungen eines solchen Transducer-Arrays.
Elektrochemische Transducer werden im Allgemeinen in die drei Gruppen potentiometrisch, konduktometrisch und amperometrisch unterteilt. Bei den potentiometrischen Transducern wird das Potenzial gegen eine Referenzelektrode gemessen. Auf dieser Basis funktionieren ionenselektive Sensoren. Dabei wird die Elektrode mit einer ionenselektiven Membran beschichtet. Das Potenzial der Elektrode ist dann ein Maß für die Konzentration der entsprechenden Ionen. Mittels einer gaspermeablen Membran kann so auch ein potentiometrischer pC02-Sensor realisiert werden.
Bei den amperometrischen Transducern hingegen wird eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Elektroden erzeugt, bei der die zu detektierende Substanz umgesetzt wird. Die bei der Reduktion oder Oxidation fließenden Ströme ergeben das Messsignal. Eine breite Anwendung finden sie als Sauerstoffsensoren oder biochemische Sensoren. Beim Clark-analogen Sauerstoffsensor wird eine gaspermeable Membran auf den. amperometrischen Sensor gebracht. Bei den biochemischen Sensoren werden molekulare ErkennungsSysteme, z. B. Haptene, Antigene oder Antikörper, auf oder in der Nähe der Elektroden platzieren. Das Zielmolekül bindet daran und wird entweder direkt oder über Zwischenschritte mit einem Enzymlabel versehen. Wird nun das entsprechende Enzymsubstrat zugegeben, setzt das Enzym eine Substanz frei, die detektiert werden kann. Dies geschieht entweder optisch oder elektrochemisch. Es handelt sich hier um den so genannten ELISA-Test (Enzyme Linked Immuno Sorbent Assay) . Auf ähnlichem Weg lassen sich auch DNA-Analyseverfahren durchführen. Die für die elektrochemische Detektion verwendeten Transducer müssen Elektroden beinhalten, die elektrisch einzeln kontaktiert sind. Im Anwendungsfall des potentiometrischen Transdu- cers muss das sich einstellende Gleichgewichtspotenzial gegen eine Referenzelektrode messbar sein. Bei amperometrischen und konduktometrisehen Transducern müssen die Elektroden potenti- ostatierbar sein und der Stromfluss über die Elektroden muss einzeln erfasst werden können.
Ein Beispiel für planare ionenselektive Sensoren ist in E. Jacobs et al, "Analytical Evaluation of i-STAT Portable Clinical Analyzer and Use by Nonlaboratory Health-Care Professionals", Clinical Chemistry, 39, 1069 ff. (1993) be— schrieben. Es handelt sich hier um ein Siliziumsubstrat mit Dünnfilm-Elektroden und ionenselektiven Membranen. Sensorelektroden und Kontakte liegen dabei auf derselben Seite des Silizium-Substrats. Um daher die Kontaktflächen und die Durchflusszelle für den Analyten zu trennen, muss das Sub- strat deutlich größer sein als die eigentlich von den Sensoren benötigte Fläche.
Ebenfalls in Silizium-Technologie sind verschiedene Biochips gefertigt und in R. Thewes et al, "Sensor Arrays for Fully Electronic DNA Detection on CMOS", ISSCC Digest of Tech. Pa- pers, 2002, 350 ff., beschrieben. Vorteilhaft ist hier die Integration von CMOS-Schaltungstechnik, SignalVerarbeitung (Multiplexing) und Analog-Digital-Wandlung in die Sensorplattform selbst. So kann eine hohe Anzahl von Sensoren auf kleinster Fläche realisiert werden. Nachteilig wirken sich die Kosten für die Herstellung eines solchen Chips und die aufwändige Handhabung (Kontaktierung) aus . Für die so genannten low-density Arrays mit weniger als 100 Sensoren pro Quadratzentimeter sind daher die Kosten pro Einzelsensor hoch.
Eine Alternative bietet theoretisch die Verwendung von Polymerträgern mit aufgebrachten Elektroden. Diese können aufge- dampft oder aufgedruckt sein. Mit dieser Methode lassen sich preisgünstig einzelne Sensoren, z. B. Glucose-Sensoren realisieren [WO2002/02796-A2] . Für Arrays ist sie jedoch weniger geeignet, da die Leiterbahnstrukturen grob sind und daher die Zahl der elektrischen Kontakte stark eingeschränkt ist.
Im vorbekannten eSensor™ von der Fa. Motorola wird zur Realisierung eines λlow-density"-DNA-Detektions-Systems Leiterplattentechnik verwendet . Dabei werden auf der Metallisie- rungsebene sowohl die Sensorflächen als auch die Leiterbahnen und Kontakte ausgeführt . Das Produkt ist eine starre Leiterplatte mit Sensoren und Kontakten auf der gleichen Seite. Rückseitige Kontakte sind mit einer Durchkontaktierung zu realisieren. Diese Technik ist bei großtechnischen Fertigungen aber nur teuer umzusetzen.
Weiterhin sind beispielsweise aus der EP 0 504 196 Bl sowie der DE 197 17 809 Ul so genannte Mikroelektroden-Arrays bekannt, bei denen die Sensorkavitäten eine möglichst geringe Fläche haben. Aus der DE 199 16 921 AI ist ein Verfahren zur Herstellung von paarweise angeordneten Arrays aus Mikroelek- troden bekannt, bei denen der Träger entweder Siliciu oder Kunststoff ist. Dabei sollen die einzelnen Elektroden separat ansteuerbar sein. Als Anwendung wird speziell die DNA-Analyse genannt.
Schließlich ist aus der WO 2004/001404 AI ein Array von Mik- roelektroden bekannt, bei dem die Struktur variiert werden kann. Träger des Arrays sind hier Glas und/oder Captanfolien, wobei eine einzige Bezugselektrode benutzt wird. Schließlich ist aus der DE 199 29 264 AI ein Universaltransducer für Che- mo- und Biosensoren bekannt, bei dem ein mehrlagiges System mit isolierenden Schichten und Elektrodenschichten, die als Arbeits-, Bezugs- und Gegenelektroden genutzt werden, vorhan- den sind. Bei der Vielzahl der bekannten Transducer-Aarrays wird also insbesondere Wert auf spezifische Mikroelektroden gelegt, wobei die Kontaktierung immer von oben erfolgt .
Ausgehend von dem gesamten umfassend abgehandelten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Transdu- cer-Array zu schaffen, das einfach zu handhaben und preiswert in der Herstellung ist. Daneben sollen vorteilhafte Verwendungen des Transducer-Arrays vorgeschlagen werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemäßen Transducer-Arrays sind Gegenstand der Ansprüche 26 und 27.
Beim erfindungsgemäßen Transducer-Array ist wenigstens ein flexibles, planares Metallsubstrat vorhanden, auf dem mindestens ein flexibler Isolator mit fester Verbindung von Metall- Oberfläche und Isolatoroberfläche angeordnet ist. Dabei sind sowohl das freitragende Metallsubstrat als auch der Isolator derart strukturiert, dass elektrisch gegeneinander isolierte Metallflächen, die Sensorflächen realisieren, gebildet werden, wobei die strukturierten Metallbereiche des freitragen- den Metaus bstrates von der der Sensorfläche abgewandten bzw. von der dem Sensor gegenüberliegenden Seite e kontak- tierbar sind. Dadurch ergibt sich eine einfache Messmöglichkeit mittels Nadelkontakte, insbesondere bei der dezentralen Messung mittels Chipkarten.
Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung die gute Handhabbarkeit des Produktes. Es handelt sich um einen Werkstoffverbund, der nur 100 μm bis 200 μm dick ist und eine beliebige Fläche einnehmen kann. Dadurch ist das Sensorarray hoch fle- xibel und kann bei entsprechender Geometrie auf Rollen geführt werden. Der Verbund besteht im einfachsten Fall aus einer Metall- und einer Isolatorschicht. Die Vorderseite des Metallsubstrats ist von dem Isolator bedeckt, wobei nur kleinere Metallflächen frei bleiben, welche die Sensoren darstellen. In der Regel ist es erforderlich, dass die Sensoren im wässrigen Elektrolyten beständig sind und auch eine katalyti- sehe Aktivität für die Umsetzung der zu detektierenden chemischen Substanz haben. Um dies zu erreichen, können sie mit Edelmetallen wie Platin, Gold oder Silber beschichtet sein. Einige Flächen können je nach den Erfordernissen der Schaltungstechnik als Referenzelektroden oder Gegenelektroden aus- geführt werden. Insbesondere kann eine mit Silber beschichte-, te und chlorierte Sensorfläche als Referenzelektrode dienen.
Vorteilhafterweise wird die Metallschicht kann beidseitig genutzt . Die Sensoren liegen wie beschrieben auf der Vordersei- te. Die Rückseite dient der Kontaktierung der Sensoren. Dabei ist die Metallschicht so strukturiert, dass jeder Sensor e- lektrisch von den anderen isoliert ist. Die dadurch entstehende rückseitige Metallfläche, die vorderseitig einem einzelnen Sensor entspricht, ist deutlich größer als die Sensor- fläche. Daher kann die Kontaktierung an einer Stelle erfolgen, die nicht direkt unterhalb einer Sensorfläche liegt und von dem Isolator verstärkt ist. Da das Metallsubstrat selbsttragend ist, kann die Rückseitenkontaktierung aber auch unmittelbar unterhalb der Sensorfläche erfolgen, um somit eine besonders platzsparende Ausführungsform zu ermöglichen. Ein vorgeschlagener Weg zur Kontaktierung ist der Einsatz von Nadelkarten, die auch in den Anwendungsbeispielen zum Einsatz kame .
Bei einem sehr großen bandförmigen Sensorarray ist es möglich die Sensoren nicht alle gleichzeitig zu kontaktieren, sondern in Form eines Magazins durch die Messvorrichtung zu schieben. Die Nadeln würden automatisch die aktuellen Sensorflächen kontaktieren und das Teilarray eines "Endlosarrays" stünde für die Messungen bereit. Dieses Vorgehen ist insbesondere für die Anwendung bei automatisierter Überwachung von Prozessen wichtig. Eine wichtige Rolle in der Analytik (z. B. HTS : High Through- put Screening) spielen Titerplatten. Diese enthalten 96 (8*12), 384 (16*24) bzw. 1536 (32*48) Plastikreaktionstöpf- chen in den Rastermaßen 9 mm, 4,5 mm bzw. 2,25 mm. Teilweise können in solchen Titerplatten optische Detektionsvorgänge direkt durchgeführt werden. Dazu besitzen die Titerplatten z. B. planare, optisch transparente Böden. Die erfindungsgemäßen Transducer-Arrays können hier vorteilhaft zur elektro- chemischen Detektion eingesetzt werden. Dazu werden diese an die äußeren Abmessungen der Titerplatten bzw. an das Raster der Reaktionstöpfchen angepasst. Sie bilden den Boden der Titerplatten, so dass jedem Reaktionstöpfchen mindestens eine Elektrode zugeordnet ist. Aufgrund der rückseitigen Kontak— tierungsmoglichkeit der erfindungsgemäßen Transducer-Arrays können alle Elektroden der Titerplatte gleichzeitig kontaktiert und somit ausgelesen werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Transducer-Arrays vor allem gegenüber der Silizium-Chip-Technologie besteht in der Struktur der. Arrayoberflache . Sie ist nicht eben. Statt-,•_.. dessen befindet sich jeder Sensor in einer Vertiefung, die durch die Dicke des verwendeten Isolators vorgegeben wird. Diese Kavitäten sind besonders geeignet, um Beschichtungen aufzunehmen. Sie können die erwähnten Fänger für die DNA- Analyse enthalten, Antikörper oder selektive Membranen.
In einer speziellen Anwendungsform kann die Kavität sogar ein abgeschlossenes elektrochemisches System darstellen. Dazu wird mindestens eine zweite Elektrode pro Kavität benötigt. Diese kann entweder durch Teilung der Sensorfläche gebildet werden oder durch die Einführung einer weiteren Elektrode, die als Deckel über die Kavität gelegt wird. Wobei dieser Deckel kein fester Bestandteil des Sensorarrays ist, da zu- nächst der Analyt in die Kavität eingebracht werden muss. Er kann z. B. ebenfalls als Band mit dem Sensorarray zusammengeführt werden. Der Vorteil einer solchen geschlossenen Anord- nung liegt darin, dass die zu detektierende Substanz in der Kavität eingeschlossen ist. Sie kann weder wegdiffundieren und damit das Signal schwächen, noch an einen anderen Sensor gelangen und dort eine falsches Signal auslösen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen jeweils in schematischer Vereinfachung
Figur 1 und Figur 2 die Vorderseite und die Rückseite eines Transducer-Arrays, Figur 3 eine Schnittdarstellung eines Transducer-Arrays gemäß Figur 1/2, Figur 4 ein zweidimensionales Array in der Draufsicht, Figur 5 eine Schnittdarstellung als Teilausschnitt des Transducer-Arrays gemäß Figur 4 mit zugehöriger Kontaktierung,
Figuren 6 bis 14 -Schnittdarstellungen verschiedener Varianten eines Transducer-Arrays gemäß Figur 1/2, Figur 15 eine Messvorrichtung unter Verwendung eines Transducer-Arrays aus Figur 3 bis 14, Figur 16 Ergebnisse der Anwendung eines Transducer-Arrays als ionenselektiver Sensor und Figur 17 Ergebnisse der Anwendung eines Transducer-Arrays entsprechend einer der Figuren 1 bis 14 als DNA- Sensor.
Die Figuren 1 und 2 zeigen die Vorder- und Rückseite eines Sensorarrays bestehend aus einem Metallsubstrat 1 und einer Isolatorschicht 2. Auf der Vorderseite sind beispielsweise kreisförmige Vertiefungen 3ι, die als Kavitaten bezeichnet werden, dargestellt. Die Kavitaten 3± entstehen durch die
Strukturierung des Isolators 2. Auf dem Grund der Vertiefungen 3i liegt die Oberfläche des Metallsubstrats frei. Die Darstellung der Rückseite zeigt durch Striche die Auftrennung des Metallsubstrats 1 in voneinander isolierte Teile lOi. Jede Metallinsel 10ι korrespondiert mit der Kavität 3χ einer Isolatoraussparung auf der Vorderseite. Auf der Rückseite sind durch Punkte die möglichen Kontaktstellen für eine sog. Nadelkarte zur selektiven elektrischen Kontaktierung der Metallflächen angedeutet.
Figur 3 zeigt ein Sensorarray in Seitenansicht und im Schnitt durch eine Reihe von Elektroden bzw. Sensoren. Die Trennlinien im Metallsubstrat 1 sind als singuläre Messelektroden 10ι mit Messfläche 12x und gegenüberliegender Seite als Kon- taktierungsfläche lli verdeutlicht . Darüber befindet sich der Isolator 2 aus einzelnen Elementen 20if welche die freitragenden Metallflächen zusammenhält und gegeneinander isoliert.
Figur 4 zeigt die Draufsicht auf ein zweidimensionales mxn- Sensorarray, bei dem die Kavitaten 3± mit den Messflächen 12± eng beieinander liegen. Angedeutet sind im Array die benach- barten Kavitaten 3χ und 3i+l mit Messflächei, wobei das Array auf der der Sensorfläche 12j. abgewandten bzw. gegenüberliegenden Seite lli her kontaktierbar sein soll. Während in der Fläche des mxn-Arrays ein Sensor mit den anderen Sensoren un- mittelbar benachbart ist, bleibt an der äußeren Sensorreihe ein seitlicher Metallbereich an der Rückseite zur Kontaktierung frei .
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt des Sensorarrays gemäß Figur 4 mit von der Unterseite des Metallsubstrats 1 angesetzten
Elektroden zwecks MessSignalabnahme. Auf die Messtechnik mit der zugehörigen Messvorrichtung und der dabei vorteilhafterweise verwendeten Elektrodenanordnung wird weiter unten anhand Figur 10 im Einzelnen eingegangen.
Bei der ersten Sensorfläche ist ein Kontakt 4a unmittelbar gegenüber der Sensorfläche zentrisch an der beidseitig frei- liegenden Metallfläche lli angesetzt. Bei der zweiten Sensorfläche können dagegen Kontaktierungen 4b gegenüber den Sensorflächen seitlich versetzt an der einseitig freiliegenden Metallfläche angesetzt werden, da hier hinreichend Platz ver- bleibt .
Figur 6 zeigt ein Sensorarray mit zwei Elektroden pro Kavität. Dazu wird das Metallsubstrat an dieser Stelle geteilt. Der entstandene Spalt wird durch eine zusätzliche Tsolator- schicht 40i von der Unterseite her verschlossen. Dabei bleiben Kontaktflächen frei, die Messelektroden definieren. Eingetragen sind abwechselnd eine Arbeitselektrode WE und eine Gegenelektrode CE.
Figur 7 zeigt, dass mehrere Kavitaten vom gleichen Elektrolyten benetzt werden. Dann kann die Metallfläche der einen gegen die Metallfläche einer anderen Kavität polarisiert werden.
Figur 8 zeigt, dass eine der offenen Metallflächen auf der
Vorderseite von .einer dünnen Silber/Silberchloridschicht be- ... deckt ist. Diese Schicht 40χ kann zusammen mit zwei weiteren benetzten Metallflächen in einer Dreielektrodenanordnung als Arbeitselektrode (WE) , Counterelektrode (CE) und Referenz- elektrode (Ref) mit einem Potentiostaten verbunden werden.
Figur 9 zeigt die Verwendung einer externen Referenzelektrode 15, die in den gemeinsamen Elektrolyten eintaucht, der auch mindestens zwei Metallflächen benetzt . Zusammen können sie in einer Drei-Elektrodenanordnung mit einem Potentiostaten verbunden werden.
Figur 10 zeigt eine externe Referenzelektrode, die in den gleichen Elektrolyten eintaucht, der auch mehrere Kavitaten mit jeweils zwei Elektroden benetzt. Die zwei Elektroden bilden zusammen mit der Referenzelektrode jeweils eine Dreielektrodenanordnung. Figur 11 zeigt, dass die Elektrolyträume in jeder Kavität von den anderen Elektrolyträumen elektrisch isoliert sein können.
Figur 12 zeigt, dass ein elektrischer Leiter, der über den Kavitaten liegt als gemeinsame Gegenelektrode CE für alle Kavitaten verwendet werden kann. Jeweils zwischen der Metallfläche in der Kavität und der gemeinsamen Gegenelektrode wird eine Spannung angelegt .
Figur 13 zeigt, dass bei einem Sensorarray mit zwei Elektroden pro Kavität 3± und 3i eine der beiden Elektroden mit Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl) beschichtet ist. Diese beschichtete Elektrode wird als Referenzelektrode zusammen mit der zweiten Elektrode in der Kavität als Arbeitselektrode und der bedeckenden Gegenelektrode in einer Dreielektrodenanordnung mit einem Potentiostaten verbunden.
Figur 14 zeigt, dass eine die Messanordnung bedeckende Elek- trode auf der Elektrolytseite mit Silber/Silberchlorid beschichtet ist . _ Das Sensorarray hat pro Kavität zwei Elektroden. Damit lässt sich mit diesen zwei Elektroden als Arbeitselektrode WE und Gegenelektrode CE und der Deckelektrode als Referenzelektrode eine Drei-Elektrodenanordnung realisieren.
Aus der Figur 15 ist die Messvorrichtung im Einzelnen ersichtlich. Dabei wird von der Methodik des "gepulsten" Redox- Cyclings gebraucht gemacht, das im Einzelnen in einer parallelen Anmeldung der Anmelderin mit gleicher Anmeldepriorität und der Bezeichnung "Verfahren zur Messung der Konzentration oder Konzentrationsänderung einer redoxaktiven Substanz und zugehörige Vorrichtung" beschrieben.
Außer durch ein Transducer-Array 100, das anhand der Figuren 3 bis 14 in verschiedenen Varianten beschrieben wurde, ist der Messaufbau im Wesentlichen durch einen geeigneten Potentiostaten 5 in Kombination mit einem Pulsgenerator 6 reali- siert, der optional Rechteck-, Dreieck- oder Sinuspulse liefert. Durch zwei Operationsverstärker 7 bzw. 7Λ, von denen, von denen einer mit "Ground"-Potenzial verbunden ist und einem definierten Messwiderstand wird der Potentiostat 5 derart konzipiert, dass geeignete Potenziale bereitgestellt werden. Dabei können die Pulslänge, die Wiederholrate und die Höhe des Potenzials vorgegeben werden. Insbesondere die Pulslängen der Messphasen und die Relaxationsphasen können separat einstellbar und unterschiedlich lang sein. Auch die Potenziale können unterschiedlich groß sein.
Dem Transducer-Array 100 sind die einzelnen Elektroden zugeordnet, die bestimmungsgemäß eine Referenzelektrode RE (— re- ference electrode) , eine Gegenelektrode CE (= counter elec- trode) und wenigstens eine Messelektrode WE (= working electrode) realisieren. Diese Elektroden sind als Drei-Elektrodenanordnung mit dem Potentiostaten 5 verbunden. Das Signal des Potentiostaten 5 wird an eine in Figur 9 nicht im Einzelnen dargestellte Signalverarbeitungseinheit angeschlossen, mit welcher eine Auswertung unter Berücksichtigung obiger Ausführungen zur Messmethodik und Genauigkeit erfolgt. Im Allgemeinen ergibt sich Uout~ I als zur Auswertung des in Figur 15 dargestellten Signalverlaufes.
In spezifischer Weiterbildung wird ein Transducer-Array gemäß einem der vorstehend beschriebenen Beispiele als ionenselektiver Sensor verwendet : Für diese Beispielanwendung kommt ein Sensorarray bestehend aus einer Metall- und einer Isolatorschicht zum Einsatz. Der Durchmesser der Kavitaten beträgt 0,8 mm, die Tiefe 90 μm und der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektroden 1 mm. Die Elektrodenoberflächen sind mit einer 2,3 μm dicken Goldschicht bedeckt. Insgesamt besteht das Array aus 4 Elektroden, wovon eine als Silberchlorid- Re erenzelektrode ausgeführt ist . Die anderen 3 Elektroden wurden mit einer ionenselektiven Membran beschichtet. Als Beispiel sei hier die Ammonium-selektive Membran angeführt . Die Membranzusammensetzung entsprach der Empfehlung von Flu— ka: - 1.00 wt% Ammonium Ionophore I (Fluka 09877) - 33-00 wt% Poly(vinyl chlorid) high molecular weight (Fluka 81392) - 66.00 wt% Dibutyl sebacate (Fluka 84838)
Insgesamt 100 mg der Reagenzien wurden in 550 μl eines Ge- ischs aus Cyclohexan und THF im Verhältnis 8:2 gelöst. Von dieser Lösung wurden jeweils 35 nl, 45 nl und 60 nl in die drei Sensorkavitäten gespottet, so dass drei Membranen unterschiedlicher Dicke entstanden sind. Sie wurden mehrere Stunden an der Luft getrockne .
Das Sensorarray wurde in einen 100 μm tiefen Durchflusskanal eingesetzt und dann Lösungen verschiedener NH4N03-Konzentra- tionen darübergepumpt . Die Lösungen enthielten außerdem 100 mM Tris (hydroxymethyl) aminomethan/Salzsäure zur Pufferung bei pH8. Über einen hochohmigen Widerstandsmesser wurde dann die Potenzialdifferenz zwischen den membranbeschichteten
Elektroden und--der Bezugselektrode gemessen. Die folgende Abbildung zeigt die Potenzialänderung des Sensors als Funktion der NH4 +-Konzentration für die drei Membrandicken.
Die Figur 16 zeigt die Abhängigkeit des Potenzials von der
Säurekonzentration. Aufgetragen auf der Abszisse ist die Konzentration von NH4NO3 in mol/1 und auf der Ordinate das elektrochemische Potenzial φ gegenüber einer Ag/AgCl~Elek- ■ trode. Die Graphen 161 bis 164 zeigen Kennlinien für unter- schiedliche Membranen.
Die Steigungen der Ausgleichsgeraden betragen von der dünnsten zur dicksten Membran 54 mV, 52 mV und 48 mV. Diese Werte liegen etwas unterhalb des theoretischen Werts bei Raumtempe- ratur von 59 mV. In anderer Weiterbildung wird ein Transducer-Array gemäß einem der anhand der Figuren 3 bis 14 angegebenen Beispiele als DNA-Sensor verwendet:
Das verwendete Sensorarray entspricht der in vorangehendem Beispiel bereits beschriebenen Anordnung, wobei vier Elektrodenflächen verwendet werden. Eine der Elektrodenflächen ist als Referenzelektrode Ref ausgeführt, eine andere wird als Gegenelektrode CE (Counter Electrode) verwendet und die zwei weiteren Elektrodenflächen dienen als Messelektroden bzw. sog. Arbeitselektrode WE (Working Electrodes) . Auf der einen Arbeitselektrode wird eine synthetische Oligonukleotidsequenz der Länge 25 mittels einer endständigen Thiolgruppe an der Goldoberfläche verankert. Die zweite Messelektrode bleibt frei.
Es wurden beide Oberflächen mit einer Lösung von 1 mg Rinderserumalbumin pro ml 15 Minuten inkubiert und anschließend das Sensorarray in einen 100 μm tiefen Durchflusskanal einge- setzt. Zunächst werden 10 μl einer 10 μM biotinilierten Zielsequenz innerhalb von ca. 5 Minuten über die Elektroden gepumpt. Dann wird nach einem Waschschritt eine Lösung von Streptavidin markierter alkalischer Phophatase darüber gegeben. Das Waschen erfolgt mit einer Pufferlösung von 100 mM Tris (hydroxymethyl) aminomethan titriert auf pH8 mit Salzsäure, 130 mM NaCl. Nach abermaligem Waschen wird eine 2 mM Lösung des Enzymsubstrats Paraaminophenylphosphat (pAPP) in der Pufferlösung über das Sensorarray gepumpt. Bei Anwesenheit des Enzyms alkalische Phosphatase wird das Enzymsubstrat pAPP zu Paraaminophenol (pAP) umgesetzt. Das pAP wird bei entsprechendem Potenzial an der Elektrode zu Chinoni in oxidiert . Dieser Vorgang lässt sich auch umkehren, wobei das Chinonimin zu pAP wieder reduziert wird. Es gilt:
Figure imgf000015_0001
Paraaminophenol Chinonimin
Referenzelektrode, Gegenelektrode und jeweils eine der beiden Messelektroden befinden sich in einer Dreielektrodenanordnung an einen Potentiostaten angeschlossen. Aufgrund der großen Elektrodenflächen würde ein potentiostatisches Messverfahren zu einer starken Verarmung des pAP führen. Es wird daher ein geeignetes Pulsverfahren verwendet .
Zu Beginn der Messung ist die Positivprobe, also die Elektrode mit der Fängersequenz angeschlossen. Die Lösung mit dem Enzymsubstrat fließt zunächst über die Negativprobe, dann über die Positivprobe. Durch die Fließbewegung wird von dem Enzym gebildetes pAP von den Elektroden weggespült, so dass bei eingeschalteter Pumpe der Strom konstant und gering ist- Wird nun die Pumpe gestoppt steigt die pAP-Konzentration durch die Enzymaktivität mit der Zeit an. In der Messung zeigt sich dies durch einen starken Anstieg des Stromsignals mit 20 nA/s. Wird die Pumpe wieder eingeschaltet, so sinkt das Signal wieder auf den ursprünglichen Wert. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.
In Figur 17 ist der Verlauf des Messstromes bei Pumpe "on"/"stopp" am Sensor mit positiver und negativer Probe gezeigt. Aufgetragen ist auf der Abszisse die Zeit t in s und auf der Ordinate der Strom I in nA. Der Graph 171 zeigt den Messstrom im Verlauf bei einer experimentellen Untersuchung. Bei t = 400s wurde auf die Negativprobe umgeschaltet . Hier sinkt der Strom beim Stoppen der Pumpe zunächst, bleibt dann kurze Zeit konstant und steigt dann langsam an. Dieser Anstieg wird durch die Diffusion von pAP von der positiven zur negativen Probe hin verursacht . Bei Pumpe on kommt ein Peak— ström hinzu, da der Elektrolyt zunächst von der positiven zur negativen Probe fließt und damit eine erhöhte pAP-Konzentration zur benachbarten Elektrode transportiert. Insgesamt ist die Diskriminierung von positiver und negativer Probe sehr gut .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemisches Transducer-Array, mit folgenden Merkmalen: - Es ist wenigstens ein flexibles, planares Metausübstrat (1, lOj.) vorhanden, auf dem mindestens ein flexibler Isolator (2, 20ι) mit fester Verbindung von Metalloberfläche und der Isolatoroberfläche angeordnet ist, das Metallsubstrat (1, lOj.) ist freitragend und derart strukturiert, dass elektrisch gegeneinander isolierte Metallbereiche vorliegen und der auf dem Metallsubstrat (1, 10ι) befindliche Isolator (2, 20i) ist derart strukturiert, dass offene Metalloberflächen (12±) als Sensorflächen in der Isolatorfläche (2, ' 20ι) verbleiben, die strukturierten Metallbereiche (1, 10i) sind von der der Sensorfläche (12±) abgewandten bzw. gegenüberliegenden Seite (11±) her kontaktierbar.
2. Transducer-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass... die Isolatorschicht (2) Kavitaten (3i) über,den Sensorflächen (lli) ausbildet.
3. Transducer-Array nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Kontaktierungen (4a, b, c) vorhanden sind, wobei die Kontaktierungen (4a, b, c) und die Sensorflächen (12A) auf gegenüberliegenden Seiten der Me- tall/Isolator-Verbundes (1, 2) liegen.
4. Transducer-Array nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungen (4a, b, c) unmittelbar gegenüber den Sensorflächen an den beidseitig freiliegenden Metallbereichen (lli) angesetzt sind.
5. Transducer-Array nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungen (4a, b, c) gegenüber den Sensorflä- chen seitlich versetzt an den einseitig freiliegenden Metallbereichen (lli) angesetzt sind.
6. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzelne Sensorfläche
(101±) mindestens zwei elektrisch getrennte Metallbereiche enthält .
7. Transducer-Array nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kontaktseite zusätzliche Isolatorbereiche (40i) sich ausbildende Spalten zwischen beiden Metallbereichen (10i) verschließen.
8. Transducer-Array nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Isolatorbereiche (40i) Metallbereiche
(10i) zur elektrischen Kontaktierung frei lassen.
9. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorflächen (12i) aus ei- nem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung bestehen.
10. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorflächen (12i) mit einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung beschichtet sind.
11. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden auf Graphitbasis, beispielsweise als Kohlepastenelektrode vorhanden sind.
12. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Sensorflächen (12i) mit Silber/Silberchlorid beschichtet ist.
13. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrolyt vorhanden ist, der mehrere Sensorflächen (12i) benetzt.
14. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensorflächen (12iΛ 12i+1) mit Spannung beaufschlagbar sind.
15. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Sensorflächen (12i, 12i+ι) und eine mit Silberchlorid beschichtete Sensorfläche (12k) als Drei-Elektrodenanordnung mit einem Potenti- ostaten (5) verbindbar sind, wobei die mit Silberchlorid beschichtete Sensorfläche (12k) als Referenzelektrode dient.
16. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate Referenzelektrode (15) vorhanden ist, die in einen Elektrolyten eintaucht.
17. Transducer-Array nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensorflächen (12±, 12i+ι) und die separate Referenzelektrode (15) mit einem Potentiostaten (5) verbindbar sind.
18. Transducer-Array nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch getrennten Metallbereiche (10ι ,, 10i+ι) mit Sensor lächen (12±, 12i+ι) mit Spannung beauf- schlagbar sind.
19. Transducer-Array nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch getrennten Metallbereiche (10ι) einer Sensorfläche (12A) und die Referenzelektrode (15) als Drei-Elektrodenanordnung mit einem Potentiostaten (5) verbindbar sind.
20. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitaten (3j.) biochemische Erkennungsschichten beinhalten.
21. Transducer-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyträume in einzelnen Kavitaten (3i) voneinander getrennt sind.
22. Transducer-Array nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate Metallfläche die Kavitaten (3 ) verschließt .
23. Transducer-Array nach einem der einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorflächen (12i) mit einer Spannung gegenüber der zusätzlichen Metallfläche beaufschlagbar sind.
24. Transducer-Array nach einem der einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Kavität (3i) eine zusätzliche Sensorfläche vorhanden ist, die als Referenzelektrode dient .
25. Transducer-Array nach einem der einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kavitaten (3i) verschließende Metallfläche mit Silberchlorid beschichtet ist und als Referenzelektrode dient .
26. Verwendung eines Transducer-Arrays nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche als ionenselektiver Sensor.
27. Verwendung eines Transducer-Arrays nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche als Biosensor.
28. Verwendung des Transducer-Arrays nach Anspruch 27 oder Anspruch 28, wobei die Sensorflächen eine hohe katalytische Aktivität haben.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007014931A2 (de) * 2005-08-04 2007-02-08 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und system zur konzentrationsbestimmung eines analyt-enzym-komplexes oder analyt-enzym-konjugats, insbesondere zur elektrochemischen detektion des analyten, und zugehörige messvorrichtung
EP2157907B1 (de) * 2007-06-07 2013-03-27 MicroCHIPS, Inc. Elektrochemische biosensoren und anordnungen

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2416147A1 (de) * 2010-07-29 2012-02-08 Nxp B.V. Sensorvorrichtung und Herstellungsverfahren
CN103196977A (zh) * 2013-04-12 2013-07-10 中国科学院上海应用物理研究所 一种多通道印刷电极阵列芯片及其制备方法及应用
US10976282B2 (en) * 2016-03-16 2021-04-13 The University Of Notre Dame Du Lac Voltammetry in high-voltage fields

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE29717809U1 (de) * 1997-10-07 1998-03-05 Kurt Schwabe Inst Fuer Mes Und Elektrochemische Arrayelektrode
DE19916921A1 (de) * 1999-04-14 2000-10-19 Fraunhofer Ges Forschung Elektrisches Sensorarray
US20010007373A1 (en) * 2000-01-12 2001-07-12 Yoshinori Kadota Tape carrier for semiconductor device and method of producing same
DE10009729A1 (de) * 2000-03-02 2001-09-06 Biotechnolog Forschung Gmbh Vorrichtung zum galvanischen Ätzen dünner Metallfolien
US20020139981A1 (en) * 2001-04-03 2002-10-03 Koninklijke Philips Electronics N.V. Matrix array devices with flexible substrates
US20020195345A1 (en) * 1999-11-18 2002-12-26 3M Innovative Properties Company Film based addressable programmable electronic matrix articles and methods of manufacturing and using the same
WO2003043945A1 (en) * 2001-11-16 2003-05-30 North Carolina State University Biomedical electrochemical sensor array and method of fabrication
WO2003092073A2 (en) * 2002-04-23 2003-11-06 Alien Technology Corporation Electrical contacts for flexible displays

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2096825A (en) 1981-04-09 1982-10-20 Sibbald Alastair Chemical sensitive semiconductor field effect transducer
GB8927377D0 (en) * 1989-12-04 1990-01-31 Univ Edinburgh Improvements in and relating to amperometric assays
DE4131731A1 (de) 1991-09-24 1993-05-19 Raymond Glocker Gmbh Inst Fuer Sensor zur bestimmung von chemischen verbindungen in fluessigkeiten und gasen
DE4422049C2 (de) 1994-06-27 1997-12-11 Meinhard Prof Dr Knoll Ultramikroelektroden- oder Nanoden-Array für chemische und biochemische Analysen sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE4427921C2 (de) 1994-08-06 2002-09-26 Forschungszentrum Juelich Gmbh Chemische Sensoren, insbesondere Biosensoren, auf Siliciumbasis
US6413410B1 (en) * 1996-06-19 2002-07-02 Lifescan, Inc. Electrochemical cell
US6489102B2 (en) 1999-08-05 2002-12-03 Wisconsin Alumni Research Foundation Biomolecule and/or cellular arrays on metal surfaces and product produced thereby
DE19929264A1 (de) 1999-06-25 2001-01-11 Meinhard Knoll Universaltransducer
US7153682B2 (en) 2000-06-05 2006-12-26 Chiron Corporation Microarrays on mirrored substrates for performing proteomic analyses
DE10032042A1 (de) 2000-07-05 2002-01-24 Inventus Biotec Gesellschaft Fuer Innovative Bioanalytik, Biosensoren Und Diagnostika Mbh & Co. Kg Elektrochemischer Einwegbiosensor für die quantitative Bestimmung von Analytkonzentrationen in Flüssigkeiten
DE10062173C1 (de) 2000-12-14 2002-08-08 Inst Chemo Biosensorik Verfahren zur Bestimmung von Analytkonzentrationen
DE10152002A1 (de) 2001-10-22 2003-05-08 Infineon Technologies Ag Halbleitervorrichtung mit mehrschichtigem Aufbau sowie Verfahren zu dessen Herstellung
CA2489535A1 (en) 2002-06-19 2003-12-31 Becton, Dickinson And Company Microfabricated sensor arrays

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE29717809U1 (de) * 1997-10-07 1998-03-05 Kurt Schwabe Inst Fuer Mes Und Elektrochemische Arrayelektrode
DE19916921A1 (de) * 1999-04-14 2000-10-19 Fraunhofer Ges Forschung Elektrisches Sensorarray
US20020195345A1 (en) * 1999-11-18 2002-12-26 3M Innovative Properties Company Film based addressable programmable electronic matrix articles and methods of manufacturing and using the same
US20010007373A1 (en) * 2000-01-12 2001-07-12 Yoshinori Kadota Tape carrier for semiconductor device and method of producing same
DE10009729A1 (de) * 2000-03-02 2001-09-06 Biotechnolog Forschung Gmbh Vorrichtung zum galvanischen Ätzen dünner Metallfolien
US20020139981A1 (en) * 2001-04-03 2002-10-03 Koninklijke Philips Electronics N.V. Matrix array devices with flexible substrates
WO2003043945A1 (en) * 2001-11-16 2003-05-30 North Carolina State University Biomedical electrochemical sensor array and method of fabrication
WO2003092073A2 (en) * 2002-04-23 2003-11-06 Alien Technology Corporation Electrical contacts for flexible displays

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007014931A2 (de) * 2005-08-04 2007-02-08 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und system zur konzentrationsbestimmung eines analyt-enzym-komplexes oder analyt-enzym-konjugats, insbesondere zur elektrochemischen detektion des analyten, und zugehörige messvorrichtung
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