WO2011018107A1

WO2011018107A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung von physikalischen eigenschaften biologischer proben

Info

Publication number: WO2011018107A1
Application number: PCT/EP2009/060400
Authority: WO
Inventors: Maik Scheibenstock; Botho Hirschfeld; Jörg KIESEWETTER; Claus Dietrich; Steffen Schott; Andrej Rumiantsev; Stojan Kanev; Michael Harz
Original assignee: Maik Scheibenstock; Botho Hirschfeld; Kiesewetter Joerg; Claus Dietrich; Steffen Schott; Andrej Rumiantsev; Stojan Kanev; Michael Harz
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von physikalischen Eigenschaften biologischer Proben durch aktive oder passive Messverfahren. Bei aktiven Verfahren erfolgt die Einspeisung von Messsignalen in die Probe mittels einer geeigneten Sensoranordnung und die Messung des durch die Probe modulierten Messsignals. Bei passiven Verfahren werden lediglich die von der Probe abgegebenen Signale detektiert und einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die Sensoranordnung, Mittel zur Einspeisung sowie zum Abgriff der Messsignale und eine geeignete Signaleinheit umfassend. Das Verfahren wird insbesondere unter Einsatz eines aus der Halbleitertechnologie bekannten Probersystems durchgeführt, dass die schnelle kostengünstige Messung einer Vielzahl von Proben unter gleichbleibenden Messbedingungen ermöglicht.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von physikalischen Eigenschaften biologischer Proben

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von physikalischen Eigenschaften biologischer Proben durch aktive oder passive Verfahren. Bei aktiven Verfahren erfolgt die Einspeisung von Messsignalen in die Probe mittels einer geeigneten Sensoranordnung und die Messung des durch die Probe modulierten Messsignals. Bei passiven Verfahren werden lediglich die von der Probe abgegebenen Signale detektiert (abgeleitet) und einer Signalverarbeitungseinheit (Signaleinheit) zugeführt. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die Sensoranordnung, Mittel zur Einspeisung sowie Abgriff der Messsignale und eine geeignete Signaleinheit umfassend.

Impedanzmessungen , Streuparametermessungen - S-Parameter bzw. Mixed-Modeparametermessungen - M- Parameter werden im Rahmen der Impedanzspektroskopie bzw. dielektrischen Spektroskopie (erfasst die dielektrischen Eigenschaften eines Mediums als Funktion der Frequenz) sowohl an biologischen und biomedizinischen Systemen als auch in der Biochemie und Biophysik zur Untersuchung von Ionentransportvorgängen eingesetzt. Impedanz-, Netzwerk-, oder Parameteranalysatoren bieten die Möglichkeit, die frequenzabhängige Leitfähigkeit und die frequenzabhängige Dielektrizität einer Probe im Frequenzbereich von einigen mHz bis zu einigen MHz zu ermitteln. Die Zustände des biologischen, biomedizinischen oder elektrochemischen Messobjektes und ebenso molekulare oder zellulare Ereignisse im Messobjekt werden in einer geeigneten Messzelle untersucht. Dabei tragen alle Phasen des Materials zwischen der Arbeitselektrode am Messobjekt und einer Gegenelektrode ihren Teil zur gemessenen Gesamtimpedanz bei, z. B. die Ionenkonzentration in einem Elektrolyten, die dielektrische Eigenschaften von Grenzschichten oder Durchtritts- und Diffusionsprozesse. Aus solchen Impedanzbeiträgen können so verschiedene Zustände und Ereignisse des Messobjekts herausgelesen werden und es sind Rückschlüsse auf Mechanismus und Kinetik beteiligter Vorgänge möglich.

Des Weiteren bilden die passiven elektrischen Eigenschaften biologischer Proben (Gewebe, Zellen, Zellsuspensionen, Moleküle und deren molekulare und zellulären Ereignisse) im Zusammenhang mit den morphologischen Eigenschaften einen messbaren Parameter für Untersuchungen zur Vitalität eines biologischen Systems. Die Nutzung der Bio-Impedanzspektroskopie für Frequenzen von einigen kHz bis in den MHz-Bereich liefert ein relativ spezifisches Messsignal, das u. a. Auskunft über die Zellzahl und den Zustand von Zellmembranen gibt und somit die Bestimmung der Aktivität und der Lebensfähigkeit von Zellen ermöglicht.

In der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung werden die folgenden Begriffe mit den nachstehenden Definitionen verwendet:

Der Begriff„biologische Probe", im Folgenden auch nur als„Probe" benannt, kennzeichnet alle sich in einem

Medium, Puffer oder in sonstigen Lösungen befindlichen Materialien biologischen Ursprungs, die im Folgenden als Target bezeichnet sein sollen. Dies umfasst u. a. Moleküle, wie Proteine, Aminosäuren, Antikörper, Antigene, des Weiteren Nukleinsäuren, Lipide, Zellen, Spheroide, Mikroorganismen, Viren, Pilze, Gewebeschnitte und Gewebe- und Organsegmente von Interesse die in einem festen, gasförmigen oder bevorzugt flüssigen Medium oder Puffer eingebracht, kultiviert, gelöst, emulgiert oder suspendiert sind. Die verwendeten Medien oder Puffer können dabei natürlichen Ursprungs oder synthetisch sein. Flüssige Medien oder Puffer können als bevorzugt wässrige oder organische Lösungen, als auch ionische Flüssigkeiten oder Gele vorliegen. Sie können aus natürlichen oder künstlichen Polymerstrukturen bestehen oder diese enthalten. Beispiele für natürliche Polymere sind Zellulosen, Agarose und Dextrane sowie andere Makromoleküle, die aus natürlichen Monomeren aufgebaut sind. Künstliche Polymere umfassen dabei beispielsweise Polyamid (Nylon^®), Polytetrafluorethylen (Teflon^®), oder andere aus nichtnatürlichen Monomeren aufgebaute Makromoleküle sowie Hydrogele. Der Begriff„Moleküle" umfasst dabei alle biologisch relevanten Moleküle natürlichen oder synthetischen Ursprungs. Der Begriff Probe kann sich auch auf den Einsatz der Medien oder Puffer ohne zusätzliche biologische Materialien beziehen, z. B. bei der Bestimmung von Salzkonzentration in Lösungen, bei der Qualitätsbestimmung von Medien oder bei der Durchführung von Kalibrierungen oder Vergleichsmessungen.

„Molekulare Ereignisse" kennzeichnen alle Interaktionen (molekulare Bindungen, elektrostatische Wechselwirkungen, etc.) zwischen dem interessierenden Molekül und einem anderen Molekül, Protein oder sonstigem biologischen Material in dessen Folge es zu einer Veränderung der strukturellen, physikalischen (z. B. mechanischen) Eigenschaften des interessierenden Targets kommt. Molekulare Bindungen umfassen alle nicht- kovalente und kovalenten Bindungstypen zwischen mehreren Molekülen.

„Zelluläre Ereignisse" umfassen alle Reaktionen, Interaktionen und strukturellen Veränderungen als Ergebnis der Aktivität lebender Zellen. Dies schließt den Zelltod durch Nekrose oder Apoptose ein. Beispiele für zelluläre Ereignisse sind das Öffnen und Schließen von Ionenkanälen, Transportprozesse in und aus der Zelle (z. B. durch Endo-, Exo- und Phagozytose), Transkriptionsregulation infolge veränderter Umweltbedingungen, Kommunikationsmechanismen etc.

Bekannte bioelektrische Sensoren, als Biosensoren bezeichnet, sind häufig als Kondensator ausgebildet, an dessen Elektrodenplatten sich Schichten der Probe anlagern und die Kapazität des Biosensors ändern. Die Änderung wird gemessen mittels elektrischen Signals, meist eines Wechselspannungssignals geringer Frequenz, das vor und nach einer festzustellenden Zustandsänderung in der Probe oder einem fraglichen Ereignis gemessen wird. Pm Vergleich zu derartigen Biosensoren sind mit solchen, die Signale höherer Frequenzen verwenden, deutlich mehr und gezieltere Informationen über die biologische Probe zu gewinnen.

Aus diesem Grund werden gegenwärtig Biosensoren verwendet, mit denen auch hochfrequente Signale in die Probe eingespeist und von der Probe empfangen werden können (US 2003/0040004 Al). Aufgrund der Welleneigenschaften dieser Signale haben die Strukturen und die physikalischen Eigenschaften der Leiter ebensolchen Einfluss auf die Messung, wie deren Kontaktierung und die elektromagnetische Umgebung. Diese Anforderungen in Analyseverfahren mit hohen Durchsätzen, so genannten High-Throughput- Screening- (HTS-) Verfahren, zu gewährleisten und für die Vergleichbarkeit der Messungen z. B. an einer Referenzprobe, Negativ-, Positivkontrolle oder einem Ausgangszustand und der späteren interessierenden Probe über einen Zeitraum oder verschiedene Sensoren konstant zu realisieren, benötigt viel Messzeit oder ist nur in Grenzen möglich. Häufig liegen bei solchen Impedanzmessungen die Messfehler in der Größenordnung des Messsignals, wodurch der durch hochfrequente Signale gewonnene Informationsgehalt durch die damit verbundene Messunsicherheit und die hohen Kosten in Frage gestellt werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung physikalischer, insbesondere dielektrischer und permeabler, Eigenschaften von biologischen Proben anzugeben, mit denen für aktive und passive Messverfahren und auch in HTS-Verfahren definierte Messbedingungen mit geringem Zeit- und Kostenaufwand reproduzierbar einstellbar und messbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 19 gelöst. Die auf diese rückbezogenen Ansprüche 2 bis 18 sowie 20 bis 43 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahren bzw. der Vorrichtung.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu verwendeten erfindungsgemäßen Vorrichtungen beruhen auf dem Step-and Repeat-Verfahren so genannter Prober, die aus der Halbleitertechnologie zur Überprüfung von Wafern bekannt sind (z. B. aus US 4,694,776). Zur Messung von Objekten wird ein temporärer elektrischer Kontakt zwischen einer oder mehreren Prüfspitzen und dem Objekt hergestellt, um nach erfolgter Messung das nächste Objekt mit den Prüfspitzen anzufahren bzw. das nächste Objekt unter den Prüfspitzen zu positionieren und die Kontaktierung und darauffolgende Messung zu wiederholen. Das vorgestellte Verfahren und die Vorrichtungen gestatten die Anwendung dieses Messprinzips auf aktive und passive Messverfahren an biologischen Proben.

Mittels des Step- and Repeat-Verfahrens können die Messmethoden deutlich vereinfacht und deren Empfindlichkeit sowie Reproduzierbarkeit erhöht werden, da bei jeder Wiederholung die Messung einer weiteren Probe unter identischen Messbedingungen realisierbar ist, ohne signalverfalschende Umschalter oder Multiplexer verwenden zu müssen. Das beanspruchte Verfahren eröffnet in Verbindung mit den verwendeten Sensoranordnungen (nachfolgend auch Biosensoren genannt) sowie den Vorrichtungen, in welchen die Biosensoren eingesetzt werden, die Möglichkeit eines schnellen Tests einer großen Anzahl von Biosensoren in kurzer Zeit und ebenso die reproduzierbare Ausführung von Langzeitmessungen, z. B. zur Untersuchung eines zeitlichen Verlaufs eines zellulären Ereignisses. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen lassen sich vorteilhaft eine Vielzahl von Eigenschaften biologischer Proben schnell und zuverlässig bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung von physikalischen Eigenschaften biologischer Proben weist die folgenden Schritte auf:

- Platzieren einer Probe in einer Probenaufhahme einer Sensoranordnung, wobei die Probenaufhahme mindestens einen elektrisch kontakti erbaren Anschluss aufweist, der in der Probenaufhahme mit der Probe in Kontakt steht und aus der Probenaufhahme herausführt,

- temporäres Kontaktieren des Anschlusses (oder der Anschlüsse) außerhalb der Probenaufhahme mit mindestens einer Prüfspitze,

- Durchführen zeitlich serieller passiver und/oder aktiver Messungen während der Kontaktierung an der biologischen Proben in der Probenaufnahme,

- Übertragen der Messdaten an eine Signaleinheit,

- Speicherung und/oder Auswertung der Messdaten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von physikalischen Eigenschaften biologischer Proben, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfasst folgende Bestandteile:

- eine Sensoranordnung, die eine Probenaufhahme aufweist, wobei die Probenaufhahme so ausgestaltet ist, dass sie die Aufnahme einer Probe ermöglicht, wobei jede Probenaufhahme mindestens einen elektrisch kontaktierbaren Anschluss enthält, der aus der Probenaufnahme herausführt und im Inneren der Probenaufhahme den Kontakt mit der Probe ermöglicht

- mindestens eine Prüfspitze, die zur temporären Kontaktierung der Anschlüsse außerhalb der Probenaufhahme geeignet ist

- zumindest eine Signaleinheit die zur Aussendung eines Anregungssignals und/oder dem Empfang eines Messsignals geeignet ist.

Die Probenaufhahme ist dabei bevorzugt eine Vertiefung oder anderweitig ausgestaltet um eine bevorzugt flüssige Probe aufzunehmen. Sie weist weiterhin mindestens einen elektrischen Anschluss auf, der aus dem Inneren der Probenaufhahme heraus führt. Mindestens einer der Anschlüsse ermöglicht im Inneren der Probenaufhahme den Kontakt mit der Probe. Zur Durchführung des Verfahrens steht mindestens ein Anschluss mit der Probe entweder direkt oder indirekt in Verbindung. Der bzw. die Anschlüsse sind außerhalb der Probenaufhahme kontaktierbar. Der innere Teil des Anschluss dient somit als Elektrode für den Kontakt mit der Probe. Der Teil des Anschlusses, der den Kontakt mit der Prüfspitze ermöglicht, wird auch als Kontaktpad bezeichnet. Diese Anschlüsse können in Abhängigkeit vom gewählten Messprinzip oder Messgegenstand verschieden ausgebildet sein. So sind sie bevorzugt als Wellenleiter (vorzugsweise koplanar) ausgeführt. In anderen bevorzugten Ausführungen sind die Anschlüsse mehrschichtig oder Hohlleiter.

Bevorzugt enthält die Probenaufhahme ein bis zwei derart ausgebildete elektrische Anschlüsse.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält bevorzugt eine Vielzahl von Sensoranordnungen, wobei jede Sensoranordnung eine wie oben beschriebene Probenaufhahme enthält. Vorteilhaft sind diese Sensoranordnungen in Form eines Arrays angeordnet. Die Dimension eines derartigen Sensorarrays ist nahezu beliebig. Bevorzugt enthält ein solcher Array 1 bis 1000 000, besonders bevorzugt 64 bis 100000 Sensoranordnungen.

Zur Durchführung von Messungen an den Proben werden eine oder mehrere Anschlüsse der Sensoranordnung außerhalb der Probenaufhahme, mittels Prüfspitzen, kontaktiert. Für aktive Messungen erzeugt eine Signaleinheit Anregungs- bzw. Messsignale. Diese werden über eine Prüfspitze in die Probe eingespeist und die resultierenden Signale wieder über eine Prüfspitze an die Signaleinheit übertragen, die diese empfangt. Bevorzugt sind ein bis zwei Prüfspitzen auf einem Träger so angeordnet, dass jede Prüfspitze zumindest einen Anschluss auf der Sensoranordnung kontaktiert. Die Prüfspitze ist ein oder mehrpolig, bevorzugt eine Einzelnadel, Doppelnadel, koplanare Nadel wie HF-Probenadel oder Nadeln, die in einem triplanaren oder triaxialen Aufbau angeordnet sind. Die Prüfspitzen sind bevorzugt an manuellen oder automatisierten Manipulatoren als Sondenhalteningen angebracht, die sich bevorzugt in Nähe der Sensoranordnung bzw. des Sensorarrays auf einer oder mehreren Sondenhalterplatten befinden. Sondenhalterplatten sind die Trägerelemente auf denen die Sondenhalter plaziert sind. Eine solche Platte ermöglicht vorteilhaft auch die Aufnahme einer oder mehrerer Prüfkarten, die bevorzugt sowohl Hochfrequenz (HF)- Prüfspitzen als auch Gleichstrom (DC)-Prüfspitzen in großer Zahl vereinigt.

Die Prüfspitze und Signaleinheit stehen bevorzugt über geeignete Verbindungsleitungen zur Übertragung der elektrischen Signale in Kontakt. Die Verbindungsleitungen sind vorzugweise koaxiale und triaxiale Meßleitungen, die für den jeweils genutzten Frequenzbereich geeignet sind.

Als Signaleinheit werden z. B. ein Frequenzanalysator (z. B. VNA, PNA... von Agilent, Anritsu, Rhode&Schwarz...) und/oder ein Parameteranalysator (z. B. Keithley 4200 oder Agilent B1500...) mittels passender Leitungen an die Prüfspitzen (Einzelnadel, Doppelnadel, geschirmte Nadel, koplanare Nadel wie HF- Probenadel oder triplanare Nadel) angeschlossen.

In der Signaleinheit findet eine Weiterverarbeitung der Signale statt. Diese Weiterverarbeitung umfasst bevorzugt die Speicherung, Transformierung, Glättung, Aufbereitung und Auswertung der Signale. Bevorzugt ist eine Sensoranordnung Teil eines Arrays von gleichartigen oder verschiedenartigen Sensoranordnungen. Bei diesen Sensoranordnungen weisen gleiche Anschlüsse bevorzugt gleiche elektrische Kenndaten auf. So können eine Vielzahl von gleichartigen und/oder verschiedenartigen Messungen automatisiert durchgeführt werden. Dabei wird die Sensoranordnung oder das Sensorarray auf einer Aufhahmeeinheit (im Folgenden auch Chuck genannt) angeordnet. Diese Aufhahmeeinheit ermöglicht bevorzugt eine relative Positionierung und Ausrichtung der Sensoranordnungen zu den Prüfspitzen, die daraufhin die Anschlüsse der Sensoranordnungen kontaktieren. Dies geschieht, indem die Prüfspitzen auf die Anschlüsse der Sensoranordnung abgesenkt werden, oder indem die Aufhahmeeinheit das Sensorarray bis zum Kontakt der Prüfspitzen mit den Anschlüssen anhebt. Anschließend speist die Signaleinheit über die Prüfspitzen Anregungs- und/oder Messsignale in die Sensoranordnung ein (aktives Messverfahren) und/oder empfangt die Signale aus der Probe. Nach Abschluss der Messungen wird der Kontakt zwischen Anschlüssen und Prüfspitzen gelöst und die Aufhahmeeinheit positioniert die nächste Sensoranordnung.

Der Begriff Messsignale umfasst in der Erfindungsbeschreibung nicht nur die gemessenen Signale sondern bezieht auch die Anregungssignale mit ein.

Die Aufnahmeeinheit ist vorzugsweise eine Platte, die bevorzugt beheizbar ist, und welche die Sensoranordung oder den Sensorarray mechanisch, pneumatisch, magnetisch oder via Vakuum fixiert. Diese Aufhahmeeinheit (Platte, Chuck, Temperaturchuck...) ist auf/an eine bewegliche Vorrichtung angebracht, die sich bevorzugt in allen Richtungen bewegt, sowie um alle Achsen gedreht werden kann. Somit kann die Sensoranordung genau ausgerichtet und positioniert werden.

Prüfspitze, Aufhahmeeinheit, Platten für Haltevorrichtung und Probeaufnahme werden je nach Anforderung auch mit einer gemeinsamen elektromagnetischen Schirmung versehen, die vorteilhaft lichtdicht und/oder gasdicht ausgelegt sein kann. Eine solche Schirmung kann vorteilhaft auch mit einer CC^-Gasüberwachung und/oder Feuchtemesseinheit ausgerüstet sein, da häufig ein CC^-Gehalt von 5% zur pH-Wert-Stabilisierung im Lösungsmittel als auch eine gesättigte Luftfeuchte zur Verhinderung einer Verdampfung des Lösungsmittels notwendig sein können.

Des Weiteren sind zahlreiche Anpassungen und Optimierungen der Vorrichtungen und Testeinrichtungen sowie des Verfahrens selbst an die Anforderungen sehr unterschiedlicher Messaufgaben ebenso möglich wie eine optimale Adaption verschiedenster, zum Teil sehr empfindlicher Messgeräte an eine Testeinrichtung. Eine geschirmte Messumgebung gestattet auch Messungen passiv ableitender Signale, wodurch die Beeinflussung des Messergebnisses minimiert und selbst Messungen im Kleinstsignalbereich, d. h. im Bereich von z. B. Femtoampere, Nanovolt oder Terraohm möglich werden. So werden z. B. Widerstände mit der Kelvin-Messung (4-Punkt- Messungen, Vierleitermessung - auch Vierleiter-Anschluss) bestimmt. Dabei fließt über zwei der Leitungen ein bekannter Strom durch den Widerstand. Die am Widerstand abfallende Spannung wird hochohmig über zwei weitere Leitungen abgegriffen und mit einem Spannungsmessgerät gemessen. Dadurch werden Messabweichungen durch die Spannungsabfälle auf den stromführenden Zuleitungen vermieden. Die Berechnung des Widerstands erfolgt nach dem ethnischen Gesetz. Bei Triaxialmessungen (Dreileiter-Messungen) fallen ein Spannungs- und ein Stromanschlußpunkt zusammen.

Mit der vorgeschlagenen Testeinrichtung kann eine Kalibrierung bis zur Probe hin erfolgen, womit die statistische Sicherheit der Messungen und deren Reproduzierbarkeit optimiert werden, so dass HTS-Verfahren mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit auch automatisiert realisierbar sind.

Darüber hinaus sind in der Testeinrichtung Messparameter, wie Lichteinfall, die Temperatur der Proben oder die Umgebungsfeuchte für die gesamte Messdauer und sofern erforderlich auch für eine Zeit vor oder nach der Messung mit geeigneten Ausgestaltungen der Testsysteme gezielt einstellbar. Auch Spülungen der Messumgebung mit Gasgemischen definierter Zusammensetzung oder mit Inertgas sind realisierbar

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen können vorteilhaft unterschiedlichste physikalische, insbesondere elektrophysiologische, dielektrische und permeable, Eigenschaften biologischer Proben gemessen werden.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße System zur Impedanzmessung und/oder Streuparametermessung, insbesondere für S-Parameter bzw. M-Parameter Mixed-Modeparametermessungen von biologischen Proben eingesetzt. Dazu weist der oder die Anschlüsse eine impedanzkontrollierte und/oder impedanzangepasste Wellenleiterstruktur auf, wodurch das Reflexions- und/oder Transmissionsverhalten der Probe ermittelt wird. Die Wellenleiterstruktur umfasst dazu zumindest eine Signalleitung zur Leitung eines Messsignals definierter Frequenz und mindestens eine zur Signalleitung beabstandete Groundleitung. Die Groundleitung(en) dient(en) als Abgrenzung(en) bei der Übertragung elektromagnetischer Wellen getrieben über die Signalleitung. Bevorzugt umgeben eine Groundleitung (z. B. U-förmig) oder zwei Groundleitungen die Signalleitung. Die Groundleitung(en) bilden quasi einen Käfig für die Energie der Welle der Signalleitung. Darüber hinaus können Groundleitungen auch als Abschirmung dienen, wobei die nicht nur die Welle von außen gegen Störungen schützt sondern auch die Energie der Welle gegen Abstrahlung in die Umgebung.

Die Probenaufhahme ist so gestaltet, dass sie zumindest einen Abschnitt der Signalleitung und zumindest einen Abschnitt einer Groundleitung überdeckt und dabei eine elektromagnetische Kopplung der Probe zu den Leitungen realisiert.

Die Probe wird zur Reflexionsmessung als Eintor ohne Transmissionspfad durch die Probe mit der Wellenleiterstruktur direkt oder indirekt verbunden. Zur Transmissionsmessung wird die Probe als Zweitor mit Transmissionspfad durch die Probe mit der Wellenleiterstruktur direkt oder indirekt verbunden. Zweitore beschreibt man mit den so genannten M-Parametern, die auch als Mixed-Mode-Parameter bezeichnet werden.

Die Wellenleiterstruktur wird mittels zumindest einer Prüfspitze, welche zur Übertragung eines Frequenzsignals ausgelegt ist, temporär kontaktiert, indem die Sensoranordnung und besagte Prüfspitze relativ zueinander positioniert und/oder ausgerichtet werden, so dass eine Prüfspitze auf einer Kontakteinheit (Kontaktpad) der Wellenleiterstruktur aufliegt. Über besagte zumindest eine Prüfspitze wird ein Messsignal mit einer definierten Frequenz eingespeist und ein moduliertes Messsignal abgegriffen und in der Signaleinheit gespeichert und/oder ausgewertet. Zur Messung wird bevorzugt sowohl die Signalleitung und die Groundleitung mit mindestens jeweils einer Prüfspitze oder unterschiedlichen Polen einer Prüfspitze kontaktiert. Die entsprechenden Pole der Prüfspitze werden nachfolgend entsprechend auch Signalkontakt bzw. Groundkontakt genannt.

Durch Impedanzmessungen und Streuparametermessungen lassen sich beispielsweise sowohl Aussagen über den isolelektrischen Punkt eines Proteins, die Zellzahl, den Zellzyklus, den Zelltyp, sowie die Aktivität , Vitalität,

Wirkstoffeinflüsse, Aktivierung, metabolische Aktivität oder Transkriptionsprozesse bei Zellen, als auch immunologische Reaktionen, Blutzuckerspiegel, Ionenkonzentrationen usw. machen.

Die Impedanzmessung erfolgt bevorzugt mit ein bis zwei Anschlüssen, wobei die Anschlüsse aus der

Probenaufhahme herausführen, wobei der Kontakt mit der oder den Prüfspitze(n) außerhalb der Probenaufhahme erfolgt. Als Alternative zu einem der Anschlüsse oder als erweiterte Elektrode kann jedoch auch eine Prüfspitze in den Inhalt der Probenaufhahme eintauchen (z. B. für Referenzmessungen).

Eine bevorzugte Messmethode sieht vor, dass eine oder mehrere Prüfspitzen direkt die Probe kontaktieren und nicht über elektrische Anschlüsse zur Probe Kontakt aufnehmen. Durch dieses Vorgehen können Referenzspannungen direkt an der Probe abgenommen werden und triaxiale Messungen durchgeführt werden. Es ist weiterhin möglich, über derartige Prüfspitzen auch mechanische Reize, wie Vibrationen, Dehnungen oder Stauchungen in die Probe einzubringen.

Für die Triaxialmessung kontaktieren bevorzugt zwei Prüfspitzen jeweils einen Anschluss außerhalb der

Probeaufnahme (Kelvinpunkt). Eine dritte Prüfspitze kontaktiert während der Messung direkt den Inhalt der

Probenaufnahme. Diese dritte Prüfspitze ist bevorzugt etwas kürzer als die beiden anderen. Alle drei Prüfspitzen sind bevorzugt in den entsprechenden Abständen auf einem Träger angeordnet.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nicht die Impedanz/Dielektrizität der Probe sondern alternativ oder zusätzlich weitere Eigenschaften bestimmt. All den folgenden Ausführungsformen ist gemein, dass sie untereinander kombiniert und ebenfalls mit der in der zuvor beschriebenen Vorrichtung ausgeführt werden können, die auf einem aus der Halbleitertechnologie bekannten Probersystem basiert.

Dieses nachfolgend als Testeinrichtung bezeichnetes Probersystem weist bevorzugt einen in x-und y- sowie z- Richtung bewegliche Aufhahmeeinheit oder Arbeitsplatte auf, die darüber hinaus mindestens in einem Winkel, bevorzugt mit der z-Richtung als Rotationsachse, drehbar ist.

Auf der Aufhahmeeinheit oder Arbeitsplatte ist oder wird die Sensoranordnung bzw. der Array aus Sensoranordnungen (Sensorarray) aufgebracht. Durch die Bewegung der Aufhahmeeinheit oder Arbeitsplatte in x- und y- sowie z-Richtung wird die jeweils zu messende Sensoranordnung (welche die Probe enthält) mit den Prüfspitzen in Kontakt gebracht. Alternativ sind die Prüfspitzen auf einer beweglichen Halterung angeordnet und die Aufhahmeeinheit oder Arbeitsplatte fixiert.

Bevorzugt enthält die Testeinrichtung zusätzlich ein Mikroskop, ein Vibrometer und/oder einen Laser.

Mit dem Mikroskop kann zusätzlich zur physikalischen Messung eine Beobachtung, Aufzeichnung durch bildgebende Methoden oder auch eine Positionierung der Probe erfolgen.

Ein Mikroskopsystem, das bevorzugt ebenfalls auf einer beweglichen Vorrichtung auf/angebracht ist, welche sich in allen Richtungen bewegen, sowie sich um alle Achsen drehen kann, ermöglicht die genaue Positionierung von Prüfspitze, Probenaufhahme und/oder Mikroskop relativ zueinander. Außerdem wird eine optische Analyse (DIC, PCM, Fluoreszenzanalyse...) ermöglicht. Ein optional montierbares Lasersystem ermöglicht Opto-Manipulation (Opto-Injektion, Optische Pinzette, Optische Schere...) simultan zu den Messungen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die mechanischen Eigenschaften von Proben mittels eines Vibrometers bestimmt. Ähnlich der Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Drucksensoren, lassen sich auch die mechanischen Eigenschaften anderer Materialien, wie biologischer Proben, bestimmen. Die Morphologie der Zelle oder der Zellmembran, von Proteinen usw. ist proportional zu deren mechanischen Oberflächenspannung. Dieser Wert ist ein entscheidender Faktor, der zukünftig in der Pharmazie und Biotechnologie eingesetzt werden wird. Damit lassen sich beispielsweise auch Wirkstoffe testen oder Transfektionen bestimmen oder induzieren. Unter Verwendung eines Probersystems und eines Vibrometers (z. B. der Firma Polytec) lassen sich die Auslenkung der Zellmembran in Abhängigkeit der aufzuwendenden elektrischen Feldstärke und der Frequenz bestimmen. Poröse Membranen haben andere mechanische und elektrostatische Eigenschaften als geschlossene Membranen. Auch kann man die Transfektion von potenziellen Wirkstoffen in die Zelle durch Anlegen starker elektrostatischer oder elektrodynamischer Felder induzieren und somit die resultierenden Transfektionskoeffizienten bestimmen und gleichzeitig optimieren.

Das Vibrometer sendet elektrische und/oder magnetische Wechselfelder als Anregungsfelder aus, die die Probe beeinflussen. Das Vibrometer ist bevorzugt so ausgestaltet, dass es die mechanischen Formänderungen der Probe optisch oder über ein Antwortsignal der Anregungsfelder bestimmt. Dadurch können mechanische Eigenschaften, wie z. B. die Viskosität oder Elastizität der Probe bestimmt werden, die z. B. Aussagen über den Zellstatus, insbesondere die Zellvitälität oder den Zellzyklus geben.

Zeitgleich zur Bestrahlung der Probe durch das Vibrometer werden Messungen durchgeführt. Diese Messungen können sowohl Impedanzmessungen sein als auch Messungen zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften, wie z. B. der Viskosität oder Elastizität der Probe.

Zur Durchführung derartiger Messungen wird die Probe, bevorzugt unter Einsatz eines Mikroskops unter einem

Vibrometer positioniert, dass an der Testeinrichtung angeordnet wird. Bevorzugt ist das Vibrometer in das

Mikroskop integriert.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform setzt akustische Wellen in Halbleitermaterialien ein, um die Eigenschaften von Proben, die auf diesen Halbleiterbauelementen angeordnet sind, zu untersuchen. Akusto-mechanische Wellen werden in Abhängigkeit der Morphologie des Targets mehr oder weniger stark absorbiert oder reflektiert. Ein auf einem Halbleiterbauelement mit akustischer Quelle und Senke applizierte Probe wird dazu bevorzugt mit akustischen Wellen angeregt. Die verbleibende akustische Energie wird dann über die Senke gemessen. Das Verhältnis von eingestrahlter zu transmittierter Energie gibt eindeutige Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Materials. Auch hier kann wieder die HF-Technik (HF-Probenadeln) eingesetzt werden.

Die akustischen Wellen werden bevorzugt in dem Halbleitermaterial erzeugt, indem über die Prüfspitzen an die Anschlüsse der Sensoranordnungen hochfrequente Wellen eingespeist werden. Durch die Anordnung der Probeaufnahme auf einer Halbleiteroberfläche gerät die Halbleiteroberfläche in Schwingungen und beeinflusst die Probe. Die dabei entstehenden Signale können über die Anschlüsse aufgenommen und zur Signaleinheit weitergeleitet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden zeitgleich Impedanzmessungen bzw. Streuparametermessungen durchgeführt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, die Durchlässigkeit von Zellwänden gezielt zu beeinflussen, um diese durchlässig für Wirkstoffe zu machen. Vorteilhaft kommt hier ein Mikroskop zur Unterstützung der Positionierung der Sensoranordnung zum Einsatz.

Die Testeinrichtung ist dazu bevorzugt weiterhin mit einem Lasersystem ausgestattet, dass impulsartig arbeitet. Sollte ein Mikroskop vorhanden sein, wird über eine elektronische Shuttersteuerung der Strahlengang des Mikroskops verschlossen, wenn der Laser arbeitet, so dass ein ausbrechender Strahl den Beobachter nicht verletzen kann. Darüber hinaus ist der Laser bevorzugt so angeordnet, dass der direkte Strahl in das Objektiv des Mikroskops eintritt. Bevorzugt ist der Laser oberhalb oder unterhalb der Aufhahmeeinheit für das Sensorarray angeordnet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform hat die Messung kleinster elektrophysiologischer Signale zum Gegenstand. Es handelt sich hierbei um eine passive Messmethode. Biologische Materialien interagieren innerhalb bzw. zueinander unter anderem auch via elektrischer Signale. Diese Signale können Spannungen oder auch Ströme im sub-nV bzw. pA-Bereich sein. Um solch kleinen Signale richtig ableiten zu können, bedarf es eines speziell angepassten Biosensors, der Verluste als auch Fehler so gering wie möglich hält. Er ermöglicht es, dank triaxialem bzw. 4-Punkt-Messverfahren (Kelvinmessung), biologische Signale kalibriert aufzunehmen und diese verlustfrei zur Probe und somit zum Messgerät zu übertragen.

Bevorzugt werden derartige passive Messungen so durchgeführt, dass die von der Probe ausgehenden Signale vor, während und nach Zugabe von Wirkstoffen durchgeführt werden. So sind eine Echtzeitüberwachung der Reaktion der Probe und das Abklingen dieser Reaktion beobachtbar.

Die biologischen Proben agieren sowohl als aktive Strom- oder Spannungsquellen also auch als passive Elemente mit elektro-biologischen sowie bio-mechanischen Parametern. Mit Hilfe einer bioaktiven Schicht im Biosensor sowie optischen oder mikrofluidischen Positionierverfahren ist es möglich, die biologischen Proben ortsgenau zu kultivieren. Dort erst einmal aufgewachsen (adhäriert) kann man mit der Probe verschiedenste Tests durchführen. Beispielsweise ist der Ionenaustausch einer Zelle (Stromquelle) direkt von der Vitalität dieser abhängig. Pm Falle von Krebserkrankungen ist es das Ziel diese Zellen abzutöten, alle Anderen aber sollen unverändert bleiben. Hier kann man sehr gut Testreihen eines potenziellen Medikaments an verschiedensten Zelllinien (Herzzellen, Blutzellen, Tumorzellen...) durchführen. Ziel ist es hier, einen Wirkstoff zu finden, der die Vitalität der Krebszellen verschlechtert bis diese absterben. Die Vitalität aller anderen Zellen soll aber möglichst nicht beeinflusst werden. Auch ließe sich der Effekt der Wirkstoff konzentration oder der Temperatur (Fiber) auf das Abtöten der Krebszellen hochgenau und reproduzierbar testen.

Die Einstellung einer von der Umgebungsluft abweichenden Gaszusammensetzung innerhalb einer Testeinrichtung z. B. Luft mit 5 % Kohlendioxidgehalt und gesättigter Luftfeuchte und bevorzugt bei 20 ⁰C bis 42 ⁰C Messtemperatur - optimal 37°C, was den natürlichen Bedingungen biologischer Proben entspricht, und ebenso die Spülung der Messumgebung ist entsprechend einer Ausgestaltung der Testeinrichtung über eine Gaszufuhr in das Gehäuse und ein kontrolliertes Abströmen aus dem Gehäuse entweder durch undichte Anschlussstellen des nicht gasdicht ausgeführten Gehäuses möglich. Die Einstellung der Gaszusammensetzung im Gehäuse kann hierbei über die Messung der Konzentration einzelner Bestandteile des Gasgemisches mittels geeigneter Sensoren und die Steuerung der Mischung und/oder der Temperierung des eingelassenen Gases erfolgen. Sofern nichttoxische Gase zum Einsatz kommen, ist ein einfaches Abströmen in die Umgebung möglich. Alternativ kann auch ein definiertes Absaugen des Gases oder Gasgemisches aus dem Gehäuse durch Abströmöffnungen erfolgen.

In einer alternativen Ausgestaltung der Testeinrichtung ist das Gehäuse gasdicht ausgeführt, so dass in dem abgeschlossenen Volumen innerhalb des Gehäuses eine definierte Messatmosphäre hinsichtlich Zusammensetzung und Temperatur eingestellt und aufrechterhalten wird. Auch hier kann die Messatmosphäre mittels geeigneter Sensorik überwacht werden. Vor jeder Messung wird bevorzugt das gesamte Mess-Setup kalibriert. Eine Kalibrierung kann auch mittels der Sensoranordnung erfolgen (entsprechend der„On-Wafer-Kalibration"). Nach erfolgter Kalibrierung werden definierte Anzahlen von Referenzmessungen durchgeführt, um den Einfluss von Schichten, Gefäßen, Flüssigkeiten, Wirkstoffen auf das Messergebnis zu erhalten. Referenzmessungen dienen dem direkten Vergleich von Sensoranordnungen mit biologischer Probe (z. B. Zelle(n), Gewebeschnitt(en), Protein(en)...) zu Sensoranordnungen ohne biologische Probe sowie zu Sensoranordnungen mit biologischer Probe im modifizierten Zustand. Damit lassen sich genaue und definierte Aussagen zu Einflüssen von Änderungen in der Probe (z. B. pH- Wert-Änderung, Wirkung von Wirkstoffen, Wirkung auf Temperaturänderung...) bestimmen, selbst wenn die Effekte im Rauschen der Einzelmessungen untergehen. Sind alle Referenzmessungen ohne biologische Proben getätigt, erfolgt die eigentliche Messung der biologischen Probe.

Negativkontrollen ermöglichen einen simultanen Vergleich von Messungen an einem modifizierten System mit biologischen Proben mit Messungen an einem nicht-modifizierten System mit biologischen Proben gleicher Messbedingungen.

Die bereits mit Proben versehene Sensoranordnung bzw. der Sensorarray wird auf die Aufhahmeeinheit (z. B. kalibrierter Temperaturchuck) aufgelegt und in die Testeinrichtung (Prober) eingebracht. Bevorzugt wird nach kurzer Wartezeit - in der sich das Sensorarray (Biochip) auf Arbeitstemperatur erwärmt und eine Kohlendioxidatmosphäre sowie eine Luftfeuchte aufgebaut wird - ein Mediumwechsel in der Probenaufhahme der ersten Sensoranordnung (Kavität/Sensor eins) durchgeführt und die erste Messung gestartet. Medienwechsel können vor jeder Messung, auch automatisiert, durchgeführt werden um die Einflüsse von verbrauchten Medien zu minimieren. Nach Beendigung der Messung wird exakt der gleiche Mediumwechsel für die zweite Kavität durchgeführt und erneut die Messung gestartet. Dieses Verfahren wiederholt sich für alle zu messenden Sensoranordnungen. Nach Abschluss der Referenzmessungen mit den biologischen Proben werden nun bevorzugt die zu untersuchenden Wirkstoffe eingesetzt (mittels Dispenser), wobei der Wirkstoff in verschiedensten Konzentrationen appliziert werden kann, um ein Optimum zu finden oder aber das System anderweitig manipuliert. Dafür wird bevorzugt wieder ein Mediumwechsel durchgeführt und anschließend über ein Dispensersystem ein Wirkstoff in definierter Menge bei definierter Konzentration appliziert, oder das System anderweitig manipuliert und die Wirkung durch eine erneute Messung bestimmt. Ist der Biochip vollständig vermessen, kann man erneut eine Messung durchführen. Für Langzeitmessungen kann dieser Messschritt beliebig oft wiederholt werden. Auch können bei Bedarf gezielt Sensoranordnungen des Sensorarrays zu Messungen ausgewählt werden, wobei alle weiteren verbleibenden Sensoranordungen unberücksichtigt bleiben.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht vorteilhaft folgendes:

1. Möglichst viele vergleichbare Messungen in kürzester Zeit: Dank dem„Step and Repeaf'-Prinzip der halb- und vollautomatischen Testsysteme (Prober) lässt sich eine nahezu unbegrenzte Zahl an Messungen im Hochdurchsatz (HTS: High Thoughput Screening) mit jeweils identischen Messbedingungen realisieren, ohne dabei signalverfälschende Umschalter wie Switches, Matrix- Switches oder Multiplexer verwenden zu müssen. Dies ermöglicht eine statistisch korrekte Auswertung der Messergebnisse. Heute ist es bereits eine Herausforderung, mehr als 50 Kanäle automatisiert und messtechnisch korrekt zu vermessen.

2. Langzeitmessungen:

Dank der Automation ermöglicht das Testsystem (Prober) sichere und zuverlässige Langzeitmessungen, wie z. B. 24h-Messungen ohne Nutzerpräsenz.

3. Geschirmte Messumgebung für Passivmessungen:

Probersysteme mit Schirmungen (wie z.B. ProbeShield) bieten eine ideal abgeschirmte Messumgebung, die Passivmessungen im Femtoampere-, Nanovolt- oder im Terraohmbereich ermöglichen.

4. Adaption entsprechender Messgeräte:

Messsysteme wie das Keithley K4200 oder das Agilent B 1500 zur Parameterbestimmung lassen sich optimal an das Testsystem adaptieren. Damit lassen sich Parameter wie Strom, Spannung, Widerstand, Kapazität sowie Induktivität der biologischen Proben passiv mit höchster Empfindlichkeit und Genauigkeit bestimmen.

5. Definierte Umgebungsbedingungen:

Das Testsystem lässt sich mit einem Inertgas, Diagnosegas und Wasserdampf spülen, um eine definierte Umgebungsatmosphäre (bspw. 5% Kohlendioxid bei gesättigter Luftfeuchte) zu schaffen.

6. Dunkelheit:

Dank der Schirmung befinden sich die Proben in einer ideal dunklen Kammer, sodass Effekte durch Lichteinfluss vermieden werden können.

7. Temperaturkonstanz:

Ein Temperaturchucksystem gewährleistet eine hochgenaue Regelung der Messtemperatur, die großen Einfluss auf das Messergebnis sowie die Zelleigenschaften hat.

8. Automatisierter Medienwechsel:

Der Prober kann mit zwei Dispensersystemen ausgerüstet werden, die vollautomatisch (auch vor den Messungen, um die Messbedingungen zu vereinheitlichen) einen Medienwechsel durchführen können.

9. Vollautomatisierte Messungen voneinander verschiedener Proben:

Eine optionale Be- und Entladeeinheit (Loadermodul) kann derart ausgeführt sein, dass es als eine Art Lagerstätte verschiedenster Proben dienen kann. In der Kassette können Chipsysteme mit unterschiedlichen Proben gelagert und zu definierten Zeiten einer Messung unterzogen werden. Das Loadermodul selbst oder die Kassettenstation innerhalb des Loadermoduls können derart ausgerüstet werden, dass diese eine ideale Lagerumgebung realisieren. 10. Gleichzeitige Fluoreszenzanalyse:

Jedes Testsystem (Prober) lässt sich mit einem für Biowissenschaftler wichtigen Fluoreszenzmikroskop ausrüsten. Damit ist es möglich optische Parameterbestimmungen gleichzeitig durchzuführen.

11. Optische Manipulation:

Ein Lasercutter ermöglicht eine optomechanische Manipulation der organischen Proben (optical tweezer, optical cutter, optical injection).

Im Folgenden sollen Verfahren und Vorrichtung in ihrer Wirkung und Ausführung anhand Zeichnungen verdeutlicht werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. IA bis IC verschiedene Sensoranordnungen mit Wellenleiterstrukturen zur

Reflexionsmessung;

Fig. 2A und Fig. 2 B weitere Sensoranordnungen mit Wellenleiterstrukturen zur

Reflexionsmessung;

Fig. 3A und Fig. 3B weitere Sensoranordnungen mit Wellenleiterstrukturen zur

Transmissionsmessung;

Fig. 4 ein Teil eines Sensorarrays mit drei Sensoranordnungen mit zweitorigen

Wellenleiterstrukturen;

Fig. 5 ein Teil eines Sensorarrays mit drei Sensoranordnungen mit eintorigen

Wellenleiterstrukturen;

Fig. 6A und Fig. 6B Vorrichtungen zur Messung von Impedanzen biologischer Proben mittels

Transmissions- und Reflexionsmessung;

Fig. 7 einen Ausschnitt eines Sensorarrays mit einer Messspitze und

Fig. 8 eine Testeinrichtung zur Messung von Impedanzen biologischer Proben.

Die nachfolgende Beschreibung der Funktionsweise ist nicht auf die konkreten Ausgestaltungen in den Zeichnungen beschränkt. Zur Messung der Impedanz der interessierenden biologischen Probe wird eine Sensoranordnung 6 verwendet, die eine Wellenleiterstruktur aufweist. Mittels der Wellenleiterstruktur sind Frequenzsignale im Bereich von wenigen μHz bis zu einigen Hundert GHz (Millimeterbereich) von einer Signaleinheit, die konfiguriert ist solche Signale zu erzeugen, in die biologische Probe 3 zu leiten. Derartige Wellenleiterstrukturen umfassen stets eine Signalleitung S und eine oder mehrere Groundleitungen G. Auch komplexe Wellenleiterstrukturen mit mehr als einer Signalleitung S sind anwendbar, der Einfachheit halber soll hier jedoch nur auf den Fall einer Signalleitung S eingegangen werden. In dieser Wellenleiterstruktur breitete sich das Signal als elektromagnetische Welle aus und wird in die Probe 3 eingespeist aufgrund der elektromagnetischen Kopplung zwischen Wellenleiterstruktur und Probe 3.

Die elektromagnetische Welle wird an der Anschlussstelle zur Probe 3, als Tor 10 bezeichnet, größtenteils reflektiert und breitet sich nur zu einem geringen Teil in der Probe 3 aus, sofern dem einen Tor 10 ein weiteres Tor 10 der Wellenleiterstruktur gegenübersteht (Fig. 4). Dazu weist die Wellenleiterstruktur eine weitere Signalleitung S auf, deren offenes Ende dem offenen Ende der ersten Signalleitung S beabstandet gegenüberliegt. Aufgrund des hohen Reflexionsanteils des Signals erfolgt mit einer solchen Wellenleiterstruktur eine Reflexionsmessung und aufgrund der beschriebenen Wellenleiterstruktur an einem Zweitor. Werden weitere Signalleitungen S in einer Wellenleiterstruktur verwendet, erfolgen die Messungen an einem n-Tor.

Eine Reflexionsmessung erfolgt auch mit solchen Wellenleiterstrukturen, bei denen eine Signalleitung S in der Probe endet ohne das ihr eine zweite Signalleitung S gegenüber steht (Fig. 1 , Fig. 2 und Fig. 5). Die Reflexionsmessungen an diesen Wellenleiterstrukturen erfolgen an einem Eintor. In diesem Fall stellt die Probe 3 den Abschluss der Wellenleiterstruktur dar, so dass die sich darin ausbreitende Welle am Abschluss reflektiert wird.

Verschiedene mögliche Wellenleiterstrukturen zur Reflexionsmessung sind in den Fig. IA bis 1 C sowie Fig.2A und 2B dargestellt. Der Abschluss der Wellenleiterstrukturen in Fig. IA bis IC ist offen, in der HF-Technik als Open bezeichnet, während er in den Wellenleiterstrukturen der Fig. 2A und 2B als Kurzschluss der Signal- und Groundleitungen S, G realisiert ist, bezeichnet als Short. Die Fig. IA und 2A weisen eine Signal-Groundstniktur auf, die sich von den Ground-Signal-Ground-Strukturen in Fig. IB, IC und 2B unter anderem dadurch unterscheiden, dass die Feldliniendichte des elektromagnetischen Feldes zwischen der Signal- und der Groundleitung S, G dichter ist, so dass die Empfindlichkeit der Messung sowie der messbare Frequenzbereich erhöht sind. Im Vergleich zu der Wellenleiterstruktur in Fig. IB stellt die Ausführung in Fig. IC eine Variation der Gestaltung des Groundleiters G dar, mit der Lage und Dichte der Feldlinien in Bezug auf die Lage des Targets, d. h. des zu messenden biologischen Materials, variierbar sind.

Die Wellenleiterstruktur zur Messung des Transmissionsverhaltens ist in Fig. 3 beispielhaft dargestellt. Der Transmissionspfad wird in Fig. 3A durch den Signalleiter S gebildet. In Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften der Probe 3 kann auch ein Teil des Transmissionspfades durch die Probe selbst gebildet sein, die den Signalleiter S umgibt und sich so auch in einer Lücke des Signalleiters S befindet (Fig. 3B). Bei einer solchen Messung ist das Messsystem einschließlich der Probe 3 so zu konfigurieren, dass der an der Lücke im Signalleiter S reflektierte Anteil des Signals deutlich geringer ist, als der durchlaufende Anteil.

Die zu untersuchende Probe 3 wird mittels einer geeigneten Probenaufhahme 4, die in den Figuren nur schematisch angedeutet ist und wie unten beschrieben verschieden ausgeführt sein kann, so auf der Wellenleiterstruktur angeordnet, dass sich das Target 5, z. B. Zellen im Bereich zwischen den Signalleitungen S am Zweitor oder zwischen Signal- und der oder den Groundleitungen S, G am Ein- oder Zweitor anhaften kann oder zumindest dort angeordnet ist, so dass das Dielektrikum, das die Signalleitung umgibt und insbesondere im Bereich zwischen den Leitungen durch die dielektrischen Eigenschaften des Targets 5 bestimmt werden. Auf diese Weise werden das Frequenzsignal und dessen Amplitude als Maß der Leistung durch eine Änderung der dielektrischen Eigenschaften des Targets 5 infolge eines molekularen oder zellulären Ereignisses moduliert.

Durch die Impedanzmessung sollen Eigenschaften des Targets 5 ermittelt werden. Da es jedoch in einem Medium vorliegt betrifft die Messung immer die gesamte Probe 3, d. h. Target 5 und Medium. Zur Ermittlung der interessierenden Targeteigenschaften wird deshalb durch geeignete, unten beschriebene Maßnahmen der Einfluss des Mediums berücksichtig.

Die reflektierten und transmittierten Wellen werden an dem jeweils freien Ende des einen oder beider Signalleiter S, d. h. an den Enden der Signalleiter S an denen die Probe 3 nicht anliegt, mittels jeweils einer Prüfspitze (hier nicht dargestellt) abgegriffen und der Messung und Auswertung zugeführt. Bezogen auf die obige Beschreibung der Zwei- und Eintor-Messungen werden somit zur Transmissionsmessung zwei Prüfspitzen an den beiden Enden der Wellenleiterstruktur und zur Reflexionsmessung eine Prüfspitze an dem einen freien Ende kontaktiert. Zur Gestaltung der Prüfspitzen und deren Kontaktierung der Wellenleiterstrukturen wird auf die Erläuterung zu Fig.6A und Fig. 6B verwiesen.

Eine solche Messung der an einem Ein-, Zwei- oder n-fachen Tor reflektierten und durch eine Probe 3 hindurch laufenden elektromagnetischen Welle zur Charakterisierung der Probe 3 ist aus der Prüfung elektronischer Hochfrequenzbauelemente bekannt. Häufig werden hier Wellenleiterstrukturen mit einer Systemimpedanz von 50 oder 75 Ω verwendet. Diese können auch in dem beschriebenen Impedanzmessverfahren biologischer Proben verwendet werden. In Analogie zur Analyse elektronischer Netzwerke wird in dem beschriebenen Verfahren die Probe 3 als Bauelement bzw. elektrisch, technische Ersatzschaltung befrachtet und die interessierenden molekularen oder zellularen Zustände oder Ereignisse anhand der Änderung des Reflexions- und Transmissionsverhaltens der Probe 3 ermittelt. Die Wellenleiterstrukturen können in einer Ausführungsform mit lithografischen Mitteln oder im Druckverfahren auf einem geeigneten Trägersubstrat als koplanare Struktur hergestellt werden. Auch dreidimensionale Strukturen sind für die Impedanzmessung verwendbar. In diesem Fall weisen die Leitungen eine definierte Dicke auf.

Derartige Wellenleiterstrukturen sind impedanzkontrolliert herstellbar, d. h. deren physikalische Eigenschaften, wie Länge, Querschnitt oder Leitungsführung sind reproduzierbar und somit auch bei einer Vielzahl von Wellenleiterstrukturen identisch herstellbar. Da zu Herstellung einer Verbindung zwischen jeder Welleleiterstruktur und der für jede Einzelmessung erneut verwendeten Prüfspitze oder Prüfspitzen eine Zustellung zwischen beiden erfolgt, sind für jede der Wellenleiterstrukturen identische physikalische Verhältnisse und damit einheitliche Leitungsimpedanzen, z. B. 50 oder 75 Ω, zwischen Probe 3 und Signaleinheit realisierbar. Das stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber bekannten Systemen dar, in welchen die einzelnen Kontaktstellen zur Probe 3 über Leitungen unterschiedlicher Länge und Gestalt mit einem zentralen Kontakt verbunden sind, an dem die Signaleinheit angeschlossen und ein Kontakt durch Schalten hergestellt wird. Solche unterschiedlichen Leitungen weisen unterschiedliche Impedanzen auf, die rechnerisch oder durch zusätzliche Messungen berücksichtigt werden müssen und zwar für jeden einzelnen Kontakt. Auch können Kalibrierstandards wie Open, Short, Load oder Line auf den Biosensoren während des eigentlichen Herstellungsprozesses aufgebracht werden. Zieht man diese Strukturen der Kalibrationsmessung hinzu, können auch Variationen von Biochips bedingt durch Variationen bei der Biochipherstellung beseitigt werden.

Die in der beschriebenen Vorrichtung verwendeten impedanzkontrollierten und identischen Leitungs- und Wellenleiterstrukturen gestatten im Zusammenhang mit der Zustellbewegung die einmalige rechnerische oder messtechnische Berücksichtigung der Leitungsimpedanzen, die dann auf jede der Messungen übertragen werden kann. Erfolgen Referenzmessungen an bekannten Proben und wird ein molekulares oder zellulares Ereignis durch Vergleich mit der Referenzmessung ermittelt, kann aufgrund der Verwendung identischer Wellenleiterstrukturen die Leistungsimpedanz jeder einzelnen Wellenleiterstruktur, wie auch denen der Lösungen, des Mediums oder Puffers, vollständig unberücksichtigt bleiben. Referenzmessungen können wegen der Identität der Messstrukturen sowohl seriell als auch parallel in gleichen oder verschiedenen Messstellen mit denselben oder mehreren Prüfspitzen erfolgen.

Für die Wellenleiterstrukturen können, aufgrund der Möglichkeit der indirekten Verbindung zwischen Wellenleiterstruktur und Probe 3 durch elektromagnetische Kopplung, die neben der direkten galvanischen Verbindung besteht, sehr unterschiedliche Materialien verwendet werden, sofern diese ein hochfrequentes Signal mit begrenztem Verlust weiterleiten können. Aus diesem Grund kann auch jedes biokompatible Material verwendet werden. Eine elektromagnetische Kopplung liegt dann vor, wenn zwischen Probe 3 und dem elektrisch leitfähigen Material der Wellenleiterstruktur eine dielektrische Schicht angeordnet ist. Solch eine Schicht kann z. B. durch eine Passivierung des Leitungsmaterials oder durch eine Gestaltung der Probenaufhahme gebildet sein, die einen direkten Kontakt ausschließt. Auch ein direkter galvanischer Kontakt ermöglicht eine Bestimmung von Zellparametern via Impedanz- oder Streuparametermessungen.

Die beschriebene Wellenleiterstruktur ist in der Lage, sowohl hochfrequente als auch niederfrequente Signale in die Probe 3 zu übertragen, so dass die Sensoranordnung für die verschiedensten Anwendungsgebiete verwendbar ist, bei denen sich solche Änderungen im Signal, die durch die zu untersuchenden Zustandsänderungen oder Ereignisse hervorgerufen werden, in sehr unterschiedlichen Frequenzbereichen feststellen lassen. Dementsprechend durchläuft das Signal ein definiertes Frequenzband in dem oben benannten Frequenzbereich während der Messung. Für andere Messungen, z. B. zur Ermittlung einer Resonanzfrequenz, wird zur Impulsimpedanzmessung ein Signalpuls in die Probe 3 geleitet und das empfangene, modulierte Signal in einen Bildbereich transformiert, bevorzugt in den Frequenzbereich fouriertransformiert. Für solch eine Messung, in denen eine hohe Empfindlichkeit für die interessierenden Frequenzen erforderlich ist, können die Wellenleiterstrukturen alternativ angepasste Gestaltungen aufweisen. Auch solche Strukturen wie Interdigitalelektroden sind in den beschriebenen Sensoranordnungen und für das beschriebene Verfahren anwendbar.

Zur Einspeisung des Signals in die Probe 3 weist die Sensoranordnung eine Probenaufhahme 4 auf, die so ausgestaltet ist, dass die Probe 3 jeweils einen Abschnitt an den Enden des einen oder beider Signalleiter S und der zugehörigen Groundleitungen G überdecken und in diesem Bereich eine Kultivierung der Probe 3, je nach Art der Probe 3 z. B. durch Adhäsion oder Schütteln, erfolgen kann. Solche Probenaufnahmen 4 können verschiedenartig gestaltet sein, z. B. Kavitäten, die in das Trägersubstrat 1 der Signal- und Groundleitungen S, G eingebracht sind, so dass jeweils ein Abschnitt dieser Leitungen in den Kavitäten verläuft.

Alternativ sind auch Behältnisse verwendbar, die auf der Sensoranordnung 6 im betreffenden Bereich mittels gängiger Aufbau- und Verbindungstechniken fixiert sind. Aufgrund der sehr klein herstellbaren Strukturen der Wellenleiter sind auch sehr kleine Volumina für eine Messung ausreichend. Dies ist insbesondere für die HTS- Verfahren von Vorteil, wo eine Vielzahl von Proben auf einem Substrat angeordnet und gemessen werden sollen.

In diesen Ausgestaltungen der Sensoranordnung 6 und deren Probenaufhahme 4 sind die Abschnitte der Signal- und Groundleitungen S, G, die mit den Prüfspitzen zur elektrischen Kontaktierung der Wellenleiterstruktur in Berührung kommen, von der Probe 3 nicht bedeckt. Damit wird eine Querkontamination zwischen den einzelnen Proben 3 eines Sensorarrays infolge Kontaktierung mehrerer Wellenleiterstrukturen nacheinander mit derselben oder denselben Prüfspitzen vermieden.

Die Kontaktierung der Wellenleiterstrukturen zur Einspeisung und zum Abgriff eines Signals ist in den Fig.6A und Fig. 6B dargestellt. In Fig. 6A ist eine auf dem Trägersubstrat 1 ausgebildete Wellenleiterstruktur zur Transmissionsmessung dargestellt, die eine mittig unterbrochene Signalleitung S und beidseitig davon zwei durchgehende Groundleitungen G aufweist, vergleichbar Fig. 3B.

Im mittleren Bereich der Wellenleiterstruktur ist eine Probe 3 in einer Probenaufhahme 4 angeordnet. Die Probenaufhahme 4 ist als flacher, oben und zum Trägersubstrat hin offenen Behälter, mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt, auf dem mittleren Bereich der Wellenleiterstruktur montiert, so dass alle drei Leitungen abschnittsweise im Inneren der Probenaufhahme 4 verlaufen und das Target 5 die Unterbrechung der Signalleitung S überbrückt. Im Bereich der Unterbrechung der Signalleitung S wurde dazu mittels biokompatiblen Materials ein Target 5 ausgebildet, das sich über alle drei Leitungen erstrecken kann.

Die freien, von der Probenaufhahme 4 nicht bedeckten Enden der Signalleitungen S und der Groundleitungen G dienen der elektrischen Verbindung der Wellenleiterstruktur durch eine oder mehr Prüfspitzen 20. Zu diesem Zweck werden zwei Prüfspitzen 20, mit jeweils einem Signalkontakt („Signalfinger") SF und zwei Groundkontakten („Groundfinger") GF, hinsichtlich Anzahl und Lage entsprechend der Wellenleiterstruktur aufweisend, so auf die beiden freien Enden der Wellenleiterstruktur aufgesetzt, dass jeweils ein Signalkontakt SF eine Signalleitung S und jeweils ein Groundkontakt GF eine Groundleitung G kontaktiert. Mit dieser Anordnung sind ein Transmissionsanteil und alternativ auch ein Reflexionsanteil eines eingespeisten Signals zu messen.

Fig. 6B stellt eine Wellenleiterstruktur zur Reflexionsmessung an einem Eintor dar, das wie oben zu Fig. IC beschrieben einen offenen Abschluss aufweist. In dieser Ausgestaltung ist eine zu Fig. 6A vergleichbare Probenaufhahme 4 über dem Ende der Signalleitung S und der darum verlaufenden Groundleitung G montiert, so dass ein zentrales Target 5 den Spalt zwischen Signal- und Groundleitung S, G am offenen Ende der Signalleitung S überbrücken kann. Die Probenaufhahme 4 lässt wiederum das andere Ende der Signalleitung S und die beiden benachbarten Enden der Groundleitung G frei.

Auf dieses freie Ende wird eine Prüfspitze 20 aufgesetzt, die einen Signalkontakt SF und zwei Groundkontakte GF mit den entsprechenden Abständen zueinander aufweist. Über diese eine Prüfspitze 20 erfolgt sowohl die Einspeisung der Signale als auch der Abgriff der reflektierten, modifizierten Signale.

Über geeignete Signalleitungen 22 werden die Prüfspitzen 20 mit der das Signal erzeugenden und das empfangene, modulierte Signal verarbeitende Signaleinheit (nicht dargestellt) verbunden. Diese Signaleinheit ist häufig eine Rechnereinheit, die z. B. Teil eines vektoriellen Netzwerkanalysators, eines Spektrumanalysators, eines Vektornetzwerkanalysators oder Parameternetzwerkanalysators oder eines anderen, geeigneten Messinstruments ist. Letztere sind zur Messung von Streuparametern (S-Parameter) und von Mixed-Mode-Parametern (M-Parameter), d. h. Parametern eines Zweitorpaares mit zwei Signalleitungen oder Mehrtorpaares, konfiguriert. Auch Tuner, die eine Frequenzeinstellung bzw. -anpassung mittels elektrischer oder mechanischer Module, z. B. über die Einstellung eines Kondensatorplattenabstandes, realisieren sind für die Signaleinheit verwendbar.

Als Prüfspitze 20 kommen verschiedene, der betreffenden Messaufgabe und dem Frequenzbereich angepasste Ausführungen in Betracht. Zur Einspeisung eines Hochfrequenzsingals kommen Hochfrequenzprüfspitzen zum Einsatz, die entsprechend der Wellenleiterstruktur zumindest einen Signalkontakt SF und eine oder mehr Groundkontakte GF aufweist, so dass jede Leitung der Wellenleiterstruktur durch einen korrespondierende Pol (Kontakt) der Prüfspitze beim Aufsetzen der Prüfspitze sicher kontaktiert wird.

Neben der beschriebenen Verwendung einer Prüfspitze 20 an einer Wellenleiterstruktur mit reflektierendem Abschluss (Fig. 6B) oder zweier Prüfspitzen 20 zur Messung eines Transmissionspfades durch die Probe 3 hindurch (Fig. 6A) kann mittels einer ergänzenden Prüfspitze (nicht dargestellt) auch eine weitere Elektrode realisiert werden, die ebenfalls über einen geeigneten Leiter oder direkt oder durch elektromagnetische Kopplung mit der Probe 3 in elektrischen Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise kann das Medium auf ein definiertes Potential gelegt werden, wie es vom triaxialen Aufbau bekannt ist. In Abhängigkeit von der Messaufgabe von dem entsprechend einzuspeisenden Signal können auch einpolige Prüfspitzen zur Anwendung kommen, z. B. wenn ein Leitungspfad mit Ionentransport durch die Probe 3 realisiert werden soll.

Der verwendete Aufbau der Wellenleiterstruktur und dementsprechend der Prüfspitze mit Signal- und Groundkontakt SF, GF bietet sowohl für passive als auch aktive Messungen die Möglichkeit einer ideal geschirmten Messumgebung. Damit sind, auch im HTS-Verfahren, Messungen im Kleinstsignalbereich durchführbar, bei denen ohne eine entsprechende Schirmung in der Messebene eine Beeinflussung des Messsignals durch die unmittelbare Messumgebung in der Größenordnung des Messsignals selbst liegen würde. Solche Messungen sind insbesondere triaxiale Messungen zur Strom-, Spannungs- und Kapazitätsbestimmung sowie Kelvinmessungen für Widerstandsbestimmungen der Probe 3.

Für derartige Messungen wird z. B. eine Leiterbahnstruktur vergleichbar Fig. 3B oder Fig. 6A verwendet, mit dem Unterschied, dass die Groundleitung G hier (in diesem Fall wird die Groundleitung Guard genannt) die Signalleitung S vollständig, d. h. auch an den freien Enden, auf denen eine Prüfspitze 20 aufgesetzt wird, vollständig umgibt und beidseitig der Signalleitung jeweils eine galvanisch getrennten Spalt aufweist, wo auch jener der Signalleitung liegt.

In einer Modifikation ist auch die Leiterbahnstruktur selbst triaxial ausführbar, indem die umgebende Guardleitung G von einer weiteren Leiterschleife umgeben ist. In diesem Fall wird die Guardleitung G als Potenzialausgleich zur inneren Signalleitung S auf ein Potential gelegt, welches exakt dem des Messsignals entspricht. Das dient der Minimierung von Leckströmen und parasitären Kapazitäten. Die äußere, ergänzte Leiterschleife wird auf Groundpotential gelegt und wird in dieser Methodik Schirm (Shield) genannt.

Der Spalt zwischen den beiden Signalleitungen S, der von dem Target überbrückt wird, ist an die jeweiligen Messanforderungen anpassbar, wie z. B. an die Zellgröße und Signalstärke. Die einzelnen Leitungen der Leiterbahnstruktur sind galvanisch voneinander getrennt. Zur Messung wird entweder jeweils eine Prüfspitze 20 mit Einzelkontakt auf einen Signalleiter S gelegt oder ergänzend die Gouardleitung G über zumindest einen Groundkontakt (hier Guardkontakt genannt ) GF auf Messspannungspotential gelegt. Die Schirmleitungen werden mit zumindest einem Schirmkontakt auf Groundpotenzial gelegt.

Die Prüfspitzen 20 werden, wie oben beschrieben nur temporär mit einer Wellenleiterstruktur in mechanischen und elektrischen Kontakt gebracht. Dazu werden beide relativ zueinander bewegt bis der Kontakt hergestellt ist. Der Kontakt wird während der gesamten Messung stabil aufrechterhalten und nach Beendigung der Messung gelöst, um die Wellenleiterstruktur der nächsten Sensoranordnung 6 zu kontaktieren.

Die Relativbewegung von Prüfspitze 20 und Wellenleiterstruktur umfasst die Bewegung von nur einem von beiden oder ebenso eine gleichzeitige oder wechselnde Bewegung von beiden mittels einer oder mehrerer geeigneter Positionierungsvorrichtungen. Diese Positionierungsvorrichtungen unterstützen die Bewegung in X-, Y- und Z- Richtung sowie eine Drehbewegung, womit auch bei einer gleichzeitigen Kontaktierung einer oder mehr Wellenleiterstrukturen mit zwei oder mehr Prüfspitzen 20 eine Ausrichtung der zu kontaktierenden Enden der Wellenleiterstruktur, nachfolgend als Kontaktflächen bezeichnet, zu den Prüfspitzen 20 erfolgen kann.

Die eine oder mehr Prüfspitzen 20 werden durch eine geeignete Sondenhalterung 28 gehalten und zwar in einer solchen Lage relativ zueinander, dass deren Anordnung mit einer Anordnung der Kontaktflächen korrespondiert. Die Anordnung mehrerer Prüfspitzen 20 relativ zueinander ist für die gleichzeitige Kontaktierung von einer oder mehr Wellenleiterstrukturen in besonderen Messaufgaben oder für HTS-Verfahren erforderlich.

Zur Durchführung eines HTS-Verfahrens ist eine Vielzahl von Sensoranordnungen in den verschiedenen zuvor beschriebenen Ausführungsformen, in einem Array, d. h. rasterartig angeordnet. Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt eines solchen Sensorarrays mit einer Vielzahl von Sensoranordnungen 6 gemäß Fig. 6B von denen die erste mit einer Prüfspitze 20 kontaktiert ist. Als Sensorarray kann ein standardisiertes Mikrotiterplattenformat sowie andere der Probe 3 und Messaufgabe angepasste Formate angewandt werden.

Die einzelnen Sensoranordnungen 6 eines Sensorarrays sind vorzugsweise identisch, um für jede Messung reproduzierbare und vergleichbare Bedingungen, bei minimiertem Aufwand für die Messung oder Kalibrierung und für die Auswertung herzustellen. Vorzugsweise werden die Wellenleiterstrukturen derart gestaltet und zueinander angeordnet, dass zumindest eine Groundleitung G von zwei benachbarten Sensoranordnungen 6 eine Abschirmung der benachbarten Signalleitungen S realisiert, indem sie zwischen diesen zwei Signalleitungen S angeordnet ist (Fig. 4 und Fig. 5).

Jede der Sensoranordnungen 6 wird nacheinander positioniert und mit einer Prüfspitze 20, für Reflexionsmessungen, oder zwei Prüfspitzen 20, für Transmissionsmessungen, kontaktiert und die Impedanz bzw. die Streuparameter der jeweiligen Probe 3 gemessen. Alternativ sind auch so viele Prüfspitzen durch die Sondenhalterung 28 zu halten und zueinander anzuordnen, dass mit einem Positionier- und Kontaktierungsvorgang mehrere Sensoranordnungen gleichzeitig messbar sind. Alternativ kann auch eine Prüfkarte eingesetzt werden, die mehrere Prüfspitzen 20 und/oder eine Vielzahl von Messspitzen für Passivmessungen oder weiterer messtechnisch relevanter Parameter vereinigt.

Ein solches Sensorarray, das meist auf einem Trägersubstrat 1 angeordnet ist, kann durch weitere Sensoren (nicht dargestellt) ergänzt werden, die weitere Parameter der Messung überwachen und gegebenenfalls deren Regelungen dienen. Solche Parameter sind zum Beispiel die Umgebungstemperatur oder die Temperatur des Trägersubstrats, die Zusammensetzung und Feuchtegehalt der umgebenden Atmosphäre, den pH- Wert, die Sauerstoffkonzentration oder andere. Relevant sind sämtliche auf die Vitalität der Zelle Einfluss nehmende Parameter, die auf den Zustand der Probe 3 an sich oder auf Vorgänge in der Probe 3 und somit auf deren dielektrischen Eigenschaften Einfluss haben.

Aufgrund der Art und Größe der zum Einsatz kommenden Signale, kommt der Kalibrierung des Systems eine besondere Bedeutung zu. Mittels der Kalibrierung ist zu gewährleisten, dass die festgestellten Messwertänderungen auch tatsächlich Ereignissen und Zuständen der interessierenden Probe 3 zugeordnet werden können und nicht durch das Messsystem bedingt sind. Vorteilhaft ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Möglichkeit der Kalibrierung des Messsystems bis zur Kontaktstelle zwischen dem Wellenleiter und der Probe 3. Dafür sind verschiedene Verfahren bekannt, in denen durch Messung von Kalibrierstandards mit und ohne Transmissionspfad, deren elektrische Eigenschaften nicht in jedem Fall bekannt sein müssen, und durch geeignete Kombination und Reihenfolge dieser Standards und der zur Berechnung der unbekannten Standards verwendeten Methode eine Selbstkalibrierung der unbekannten Standards während der Kalibrierung erfolgt. Damit ist eine sehr präzise Kalibrierung möglich, die es gestattet auch unbekannte Kalibrierstandards zu verwenden. Solche Verfahren sind in der DE 10 2004 020 037 Al und der DE 10 2007 057 394 Al sowie DE 10 2006 056 192 Al ausführlich beschrieben. Auf die dortige Beschreibung der hier verwendbaren Kalibrierverfahren wird ausdrücklich Bezug genommen.

Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des Reflexions- und Transmissionsverhaltens der Probe 3 an sich ist das so genannte De-embedding- Verfahren. In diesem Verfahren wird im Unterschied zum oben beschriebenen Kalibrierverfahren die Wellenleiterstruktur in die Messebene mit einbezogen. Das eigentliche Messobjekt wird dazu als in einer Serienschaltung in eine oder mehr weitere Messobjekte„eingebettet" betrachtet, wobei diese weiteren Messobjekte durch eine oder mehr Wellenleiterstrukturen bis zur Anschlussstelle der Probe 3 verkörpert sind. Aus dieser Serienschaltung muss mittels einer so genannten Transmissionsmatrix, welche diese Hintereinanderschaltung von Messobjekten berücksichtigt, die Streumatrix der Probe 3 berechnet werden. Das oder die umgebenden Messobjekte sind durch Modellierung oder Messung ebenso bekannt, wie das Gesamtsystem, die Wellenleiterstrukturen und die Probe 3 umfassend. Damit wird, im Gegensatz zur oben beschriebenen Kalibrierung des Systems bis zur Anschlussstelle der Probe 3, die Wellenleiterstruktur in die Messebene einbezogen und später herausgerechnet. Die Berechnung der Streuparameter der Probe 3 aus der Transmissionsmatrix des Systems einschließlich der Wellenleiterstruktur ist z. B. in„Hochfrequenztechnik", Holger Heuermann, Vieweg Verlag 2005, ISBN 3-528-03980-9, Seite 24 - 25 beschrieben.

Eine Impedanzmessung oder Streuparametermessung unter Verwendung einer der zuvor beschriebenen Sensoranordnung 6, Prüfspitze 20 und Positionierungsvorrichtung sowie Signaleinheit kann in einer Testeinrichtung erfolgen, deren grundsätzlicher Aufbau in Fig. 8 dargestellt ist.

Eine solche Testeinrichtung umfasst eine auch als Chuck bezeichnete Aufhahmeeinheit 24, die so gestaltet ist, dass sie eine oder mehrere oder ein Array von Sensoranordnungen 6 aufnehmen kann. Je nach Gestalt der Sensoranordnungen 6 kann diese Aufhahmeeinheit 24 entsprechend gestaltet sein. Z. B. weist sie eine planare Aufnahmefläche auf, auf der die Sensoranordnungen 6 auflegbar und haltbar sind.

Die Prüfspitzen 20 werden von einer Sondenhalterung 28 oder den Sondenhalterplatten 8 gehalten. Sie sind mittels Signalleitungen 22, im Ausführungsbeispiel über eine optionale Signalvorverarbeitungseinheit, die entweder an der Prüfspitze 20, dem Sondenhalter 30, der Sondenhalterplatten 8 und/oder an der Schirmung 32 befestigt sein können oder mit einer Signaleinheit (nicht dargestellt) direkt verbunden.

Im Ausführungsbeispiel umfasst die Aufhahmeeinheit 24 als Positionierungsvorrichtung 26 z. B. einen motorisch oder manuell angetriebenen X-Y-Kreuztisch, einen Z-Hub und eine Drehvorrichtung zum Drehen des Chucks um eine senkrecht zur Aufnahmefläche stehende Drehachse. Damit sind eine Positionierung der Sensoranordnungen 6 genau unter einer Anordnung von Prüfspitzen 20 in der X-Y-Ebene sowie die Winkelausrichtung von beiden zueinander und nachfolgend eine Zustellbewegung zwischen den Sensoranordnungen 6 und den Prüfspitzen 20 in Z-Richtung, d.h. in Richtung der Prüfspitzen 20 bis zur Herstellung des Kontakts möglich. Alternativ kann zumindest die Zustellbewegung in Z-Richtung oder eine Feinausrichtung zueinander auch durch eine ergänzende Positionierungsvorrichtung der Sondenhalterung 28 ausgeführt werden. Der Chuck 24 kann darüber hinaus auch die Temperierung der Proben 3 über die Einstellung einer definierten Temperatur der Aufnahmefläche realisieren. Aufgrund der möglichen geringen Probenvolumina ist eine deutlich geringere Wärmeleistung zur Einstellung der Temperatur erforderlich, verglichen mit Messungen, die in großvolumigen Inkubatoren durchgeführt werden müssen. Darüber hinaus treten geringere Temperaturgradienten in einer Probe 3 auf, was für die Vergleichbarkeit der Messungen und die Stabilität des zu untersuchenden Zustandes oder Ereignisses vorteilhaft ist. Die Temperatur kann kalibriert werden oder mittels eines geeigneten Temperatursensors, der sich auch innerhalb der Messstelle befinden kann, geregelt werden.

Ein den Chuck 24 und den Sensoranordnungen 26 sowie die Prüfspitzen 20 umgebendes Gehäuse 32 aus einem elektrisch leitfahigen und /oder magnetisch undurchlässigen Material, das auf Groundpotential gelegt werden kann, realisiert eine EMV- Abschirmung, sofern für die betreffende Messung erforderlich. Im Zusammenhang mit einer speziellen Gestaltung des Chucks 24, z. B. mit einem mehrlagigen Aufbau aus wechselnden elektrisch leitfähigen und dielektrischen Schichten und der Schaltung gezielter Potentiale an den leitfahigen Schichten ist auch ein triaxialer Messaufbau realisierbar, so dass selbst kleinste Signale oder Signalmodulationen über den Chuck messbar sind. Ein technisch gleichwertiger triaxialer Aufbau ist auch für die Prüfspitzen 20 und deren Halterungen anwendbar. Anwendungsfälle für diese Ausgestaltung sind z. B. aktive oder passive Ableitungen an Kardiomyozythen oder Nervenzellen.

Wie oben beschrieben kann mithilfe des Gehäuses 32 neben der EMV- Abschirmung auch eine solche Atmosphäre für die Messung eingestellt werden, wie es eine biologische Probe 3 erfordert. Wichtige Parameter sind, z. B. die Temperatur, die Luftfeuchte und der CC^-Gehalt. Im Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 32 oberhalb der Prüfspitzen 20 mehrere Öffnungen 34 zur Gaszufuhr auf, die mit einer Gasquelle verbunden sind, welche das erforderliche Gasgemisch mit dem gewünschten Feuchtegehalt und der gewünschten Temperatur bereitstellt. Vorzugsweise sind solche Öffnungen auch in der Unterkammer zu realisieren. Das durch die Öffnung 34 einströmende Gasgemisch, z. B. Luft mit 5 % CC^-Gehalt und gesättigter Luftfeuchte bei 37 ⁰C, strömt über die Messspitzen 20 und die Sensoranordnungen 6 und tritt durch Ausströmöffnungen 36 in die seitlichen Wandung des Gehäuses 32 wieder aus. Die Zusammensetzung und die Temperatur des auf die Sensoranordnungen auftreffenden Gasgemischen sind durch Sensoren, die auf dem Sensorarray integriert sind (nicht dargestellt) mess- und regelbar.

Alternativ können aufgrund der Trennung von Probe 3 und Kontaktflächen der Wellenleiterstniktur die erforderlichen Umgebungsbedingungen auch in jeder einzelnen Probenaufnahme 4 hergestellt und durch deren Verschluss während der Messung aufrechterhalten werden, wenn die Probenaufhahme 4 ein dafür geeignetes Gefäß aufweist. Mittels eines gasdichten Gehäuses 32 oder gasdichter Probenaufnahmen 4 sind auch verschiedene Drücke einstellbar und deren Wirkung auf die Proben 3 zu testen. Vorzugsweise können auch die Messbedingungen während des Kontakts modifiziert werden.

Mittels einer mikroskopischen Beobachtungseinheit 38 ist die Kontaktierung einer einzelnen oder mehrerer Sensoranordnungen 6 und die Messung zu beobachten.

Eine Testeinrichtung kann darüber hinaus ein Magazin mit oder ohne Laderoboter aufweisen, dessen Innenraum z. B. über eine Schleuse mit dem Innenraum des Gehäuses der Testeinrichtung verbunden werden kann. In einem solchen Magazin können die Temperatur und die weiteren Umgebungsbedingungen eingestellt sein, um die in den Probenaufnahmen 4 befindlichen Proben 3 dort zu lagern. Diese Lagerung und Verbindung beider ist z. B. für Langzeitprozesse oder Automatisierungen der Messungen geeignet.

Für automatisierte Messabläufe und ebenso für die reproduzierbare Applikation auch kleiner Probenmengen kann die Testreinrichtung ergänzend eine geeignete Vorrichtung zur Applikation von Proben 3, von Wirkstoffen oder anderer Zusatzstoffe zur Probe 3 aufweisen oder dem Mediumwechsel dienen.

Nachfolgend soll der Ablauf der Impedanzmessung oder Streuparametermessungen biologischer Proben an einem Sensorarray beschrieben werden. Dieses Sensorarray ist wie oben beschrieben durch eine Vielzahl von Kavitäten, die in Kontakt mit den Wellenleiterstrukturen stehen, gekennzeichnet, wobei diese auf einem temperierbaren Chuck 24 in Reihen angeordnet sind, um gleichbleibende Temperaturbedingungen einzustellen und aufrechtzuerhalten.

Zu Beginn der Messung ist das System zu kalibrieren, wobei entweder bis zum Kontakt zwischen Prüfspitze und Wellenleiterstruktur kalibriert und nachfolgend das oben beschriebene De-embedding- Verfahren angewendet werden kann. Die Kalibrierung mittels Kalibrierstandards, die entweder auf einem gesonderten Kalibriersubstrat oder auf Trägersubstrat 1 des Sensorarrays ausgebildet sind. Alternativ wird nur die Probe 3 in die Messebene einbezogen, indem das gesamte Leitungssystem außerhalb der Probe 3 kalibriert wird. Auch hierzu wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Bei der nachfolgend beschriebenen Referenzmessung ist aufgrund der verwendeten impedanzkontrollierten Wellenleiterstrukturen für jede der Sensoranordnungen grundsätzlich keine Kalibrierung erforderlich. Zur Berücksichtigung der systematischen Fehler kann sie aber dennoch eingangs der Messung vorgenommen werden.

Die biologischen Proben werden in geeignetes Medium, das in Zusammensetzung und Menge definiert ist, eingebracht und mittels eines geeigneten Verfahrens zur reproduzierbaren Applikation der Probe 3 in die Probenaufhahme des Sensor-Arrays, z. B. eine Kavität überführt. Dabei kann die erste Reihe der Kavitäten als Referenzreihe dienen, die mit den in den anderen Reihen ermittelten Impedanzen verglichen wird. Dabei kann beispielsweise der Einfluss veränderter Konzentrationen des Interaktionspartners bestimmt oder der Einfluss variabler Interaktionszeiten ermittelt werden. Die gemessenen Impedanzen werden dabei direkt auf die Referenz bezogen. Auch Negativkontrollen zur Überwachung von Effekten, die vom Target 5 selbst herrühren, können auf diese Weise in die Messung einbezogen werden.

Dabei wird die zu messende Sensoranordnung durch Bewegung des Chucks 24 in X-Y- und Z-Richtung positioniert und anschließend der Kontakt mit der Wellenleiterstruktur durch Zufahren der Prüfspitzen 20 in Z-Richtung hergestellt. Die Art der Kontaktierung ist in folgender Weise abhängig vom Messverfahren. Für die Transmissionsmessung ist eine Kontaktierung mit mindestens einer Prüfspitze 20 erforderlich. Für die Reflexionsmessung wird der Kontakt mit der Prüfspitze 20 hergestellt.

Anschließend erfolgt die Einbringung des Signals über die eine oder mehrere Prüfspitzen 20. Das Signal kann dabei über den gesamten Frequenzbereich von wenigen μHz bis zu einigen hundert GHz oder, wenn das relevante Frequenzband bekannt ist, in dem sich eine Modulation feststellen lässt, auf dieses Frequenzband eingeschränkt eingebracht werden.

Alternativ ist die Einbringung eines Pulses mit einer eng begrenzten Pulsbreite möglich, wobei eng begrenzt in dem Sinne zu verstehen ist, dass ein möglichst schmaler Puls erzeugt wird. Je schmaler der Puls, umso umfangreicher ist eine Auswertung in einem transformierten Bildbereich, bevorzugt im Frequenzbereich, möglich.

Danach erfolgt die Abnahme der transmittierten und/oder reflektierten Wellen, welche an eine verarbeitende Signaleinheit zur Auswertung weitergeleitet werden. Danach erfolgt ein Vergleich mit den Referenzen.

Nach erfolgter Messung wird der Kontakt durch Bewegung in Z-Richtung gelöst und die nächste Sensoranordnung 6 durch Bewegung in X-Y-Richtung angesteuert. Auf diese Weise kann nachfolgend jede weitere Sensoranordnung 6 zur weiteren Messung angesteuert, kontaktiert und deren Impedanz gemessen werden. Durch das Anfahren der Sensoranordnungen 6 nacheinander ist es jederzeit möglich, zwischen zwei Positionierungsbewegungen Modifikationen am Messsystem vorzunehmen, z. B. Wirkstoffapplikation, Auswechseln des Mediums oder Puffers durch Absaugen und Neubefüllen oder ähnliches. Die Step-by-Step-Bewegung des Sensorarrays gestattet das nacheinander folgende Abfahren von Stationen, in denen solche Manipulationen des Messsystems mittels geeigneter Vorrichtungen erfolgen können.

Mithilfe entsprechend konfigurierter Testeinrichtungen können auch Langzeitmessungen erfolgen, in denen z. B. zeitliche Verläufe von zellulären Ereignissen auch mit geeigneter Modifikation während des Verlaufs untersucht werden. Beispielsweise kann auch der Einfluss von Temperaturverläufen auf die dielektrischen Eigenschaften der Proben untersucht werden. Durch mehrmaliges Abrastern des Sensorarrays sind die Sensoranordnungen 6 zu verschiedenen Zeitpunkten immer wieder zu messen. Dabei kann ein automatisierter Austausch von Pipetten einer Applikationsvorrichtung und/oder einer Vorrichtung zum Absaugen des Mediums oder der Pufferlösung erfolgen, ohne in die Messanordnung einzugreifen und bei unveränderten Messbedingungen.

Zur statistischen Auswertung der Messergebnisse werden pro veränderter Konzentration oder Interaktionszeit mit dem Interaktionspartner mehrere Sensoranordnungen 6 mit denselben Bedingungen untersucht.

Die beschriebene Sensoranordnung 6 gestattet es ebenso, eine Zellbewegung in der Probe 3 zu ermitteln. Dabei wird die Bewegung einer Zelle 5 entlang eines definierten Pfades, der sich entlang der Signal- und Groundleitungen S, G erstreckt, auf der Oberfläche der Sensoranordnung 6 verfolgt (Fig. 4, Fig. 5). Dieser Pfad kann beispielsweise durch chemotaktische Substanzen gebildet werden, die auf der Oberfläche der Sensoranordnung 6 durch geeignete Verfahren immobilisiert wurden. Weitere Alternativen sind möglich, z. B. solche, die Möglichkeit der elektromagnetischen Kopplung der Probe 3 zur Wellenleiterstruktur wie oben beschrieben ausnutzen oder optische Guiding- Verfahren wie z. B. eine optische Pinzette.

Die Richtung der Bewegung der Zelle 5 und deren Wandergeschwindigkeit werden durch Änderung der Impedanz oder Streuparameter in Abhängigkeit der Lage der Zelle 5 ermittelt. Dabei können sowohl Reflexionsmessungen am Zwei- oder n-Tor (Fig. 4) als auch am Eintor (Fig. 5) wie oben beschrieben durchgeführt werden. Auch sukzessives impedimetrisches Rastern einer Probe 3 im Orts- und Zeitbereich ist somit möglich. Eine solche Feststellung der Zellbewegung gestattet es darüber hinaus, die Änderung des Zustandes der Zelle in Funktion eines beispielsweise applizierten Wirtstoffes ortsabhängig zu bestimmen.

Bezugszeichen

1 Trägersubstrat

3 Probe

4 Probenaufnahme

5 Target, Zelle

6 Sensoranordnung

8 Sondenhalterplatte

10 Tor

20 Prüfspitze

22 Signalleitungen

24 Aufnahmeeinheit, Chuck

26 Positionierungsvorrichtung

28 Sondenhalterung

30 Signalvorverarbeitungseinheit

32 Gehäuse

34 Öffnungen

36 Ausströmöffnungen

38 Beobachtungseinheit

S Signalleitung

G Groundleitung

SF Signalkontakt („Signalfinger" - Pol der Prüfspitze zur Signalleitung)

GF Ground- oder Guardkontakt („Groundfinger" - Pol der Prüfspitze zur Ground bzw. Guardleitung)

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung von Eigenschaften biologischer Proben, das die folgenden Schritte aufweist:

Platzieren einer Probe in einer Probenaufnahme einer Sensoranordnung, wobei die Probenaufnahme mindestens einen elektrisch kontaktierbaren Anschluss aufweist, der in der Probenaufnahme mit der Probe in Kontakt steht und aus der Probenaufnahme herausführt,

Temporäres Kontaktieren des zumindest einen Anschlusses außerhalb der Probenaufnahme mit mindestens einer Prüfspitze,

Durchführen zeitlich serieller passiver und/oder aktiver Messungen während der Kontak- tierung an den biologischen Proben in der Probenaufnahme,

Übertragen der Messdaten an eine Signaleinheit,

Speicherung und/oder Auswertung der Messdaten.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Messung von Impedanzen und/oder Streuparametern und/oder Mixed-Modeparametern biologischer Proben, wobei

der Anschluss eine impedanzkontrollierte und/oder impedanzangepasste Wellenleiterstruktur aufweist und das Reflexions- und/oder Transmissionsverhalten der Probe ermittelt wird,

die Probe zur Reflexionsmessung als Eintor ohne Transmissionspfad durch die Probe oder zur Transmissionsmessung als Zweitor oder n-Tor mit Transmissionspfad durch die Probe mit der Wellenleiterstruktur direkt oder indirekt verbunden ist,

die Wellenleiterstruktur mittels zumindest einer Prüfspitze, welche zur Übertragung eines Frequenzsignals ausgelegt ist, temporär kontaktiert wird, indem die Sensoranordnung und besagte Prüfspitze relativ zueinander positioniert werden, so dass eine Prüfspitze auf einer Kontaktfläche der Wellenleiterstruktur aufliegt

und

über besagte zumindest eine Prüfspitze ein Messsignal mit einer definierten Frequenz eingespeist und ein moduliertes Messsignal abgegriffen und in der Signaleinheit gespeichert und/oder ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens eine Kalibrierung der Messanordnung umfassend die Sensoranordnung und Signaleinheit erfolgt, indem die Streuparameter und die Fehlerkoeffizienten der Messanordnung ermittelt und die Wellenleiterstruktur bis zu deren Verbindungsstelle mit der Probe in die Kalibrierung eingeschlossen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens eine Kalibrierung der Messanordnung umfassend die Sensoranordnung und Signaleinheit erfolgt, indem die Streuparameter und die Fehlerkoeffizienten der Messanordnung bis zum Signaleingang der Wellenleiterstruktur ermittelt werden und die Ermittlung der Transmissions- und/oder Reflexionsparameter der Probe durch De-embedding erfolgt, indem das Reflexions- und/oder das Transmissionsverhalten jenes Systems gemessen wird, welches die Wellenleiterstruktur und die Probe umfasst, und anschließend die bekannten Reflexions- und/oder Transmissionsparameter der Wellenleiterstruktur herausgerechnet werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zunächst das Reflexions- und/oder Transmissionsverhalten einer Referenzprobe ermittelt wird und dieses mit dem Reflexions- und/oder Transmissionsverhalten der interessierenden Probe verglichen wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messung des Reflexions- und/oder Transmissionsverhaltens von Proben mittels einer Vielzahl von Sensoranordnungen durchgeführt wird, deren Wellenleiterstrukturen übereinstimmende Impedanzen aufweisen, und die Sensoranordnungen von der zumindest einen Prüfspitze nacheinander kontaktiert werden.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Frequenz des Messsignals während der Messung einer Probe kontinuierlich im Bereich eines definierten Frequenzbandes geändert wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei als Messsignal ein Pulssignal mit einer definierten Frequenzbandbreite eingespeist und das empfangene modulierte Signal zur Auswertung fouriertransformiert wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messung an einer Probe unter definierten atmosphärischen und thermischen Bedingungen erfolgt die in einer geschlossenen Probenaufnahme erzeugt und während der Messung aufrechterhalten oder variiert werden.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messung in einer Prüfstation erfolgt, in der die Temperatur der Sensoranordnungen mittels einer Probenhalterung eingestellt und aufrechterhalten wird und eine EMV-Abschirmung durch das Gehäuse der Prüfstation und/oder schirmende Komponenten erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Reflexions- und/oder Transmissionsverhalten einer Probe mindestens zweimal aufeinander folgend gemessen wird, während in der Probe eine Bewegung mindestens einer Zelle entlang eines Pfades erfolgt, welcher die Wellenleiterstruktur kreuzt.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung als Triaxialmessung erfolgt, wobei während der Messung eine Prüfspitze direkt den Inhalt der Probenaufnahme kontaktiert.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Probe unter Einsatz eines Mikroskops unter einem Vibrometer positioniert wird, das Vibrometer elektrische und/oder magnetische Wechselfelder in die Probe abgibt und mechanische Kenngrößen wie Viskosität und Elastizität bestimmt werden, wobei bevorzugt zeitgleich zur Abgabe elektromagnetischer Wellen die Impedanz und/oder Streuparameter der Probe nach einem der Ansprüche 2 bis 11 bestimmt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass statt der Impedanz der Probe mechanische Kenngrößen wie Viskosität und Elastizität bestimmt werden.

15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dass

die Probeaufnahme in der Oberfläche eines Halbleiters ausgebildet wird

der Halbleiter durch ein Frequenzsignal nach Anspruch 2 zu mechanischen Schwingungen angeregt wird

zeitgleich die Impedanz der Probe nach einem der Ansprüche 2 bis 11 bestimmt wird

16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellwände, von in den Proben befindlichen Zellen, durch Bestrahlung mit einem UV-Laser durchlässig für Wirkstoffe gemacht werden.

17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Verhaltens der Probe passiv, ohne Signaleinspeisung, nur unter Erfassung der von der Probe abgegebenen Signale erfolgt.

18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Probe chemisch oder biologisch aktive Stoffe hinzugegeben werden und die Signale aus der Probe vor, während und nach der Hinzugabe dieser Stoffe erfasst werden.

19. Vorrichtung zur Messung von physikalischen Eigenschaften biologischer Proben, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, folgende Bestandteile umfassend:

eine Sensoranordnung, die eine Probenaufnahme aufweist, wobei die Probenaufnahme so ausgestaltet ist, dass sie die Aufnahme einer Probe ermöglicht, wobei jede Probenaufnahme mindestens einen elektrisch kontaktierbaren Anschluss enthält, der aus der Probenaufnahme herausführt und im Inneren der Probenaufnahme den Kontakt mit der Probe ermöglicht

eine Prüfspitze, die zur temporären Kontaktierung der Anschlüsse außerhalb der Probenaufnahme geeignet ist und

eine Signaleinheit, die mit der Prüfspitze elektrisch verbunden ist und zur Übertragung eines Messsignals und/oder dem Empfang eines Messsignals geeignet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass

der Anschluss als eine impedanzkontrollierte Wellenleiterstruktur ausgebildet ist, wobei die Wellenleiterstruktur mindestens eine Signalleitung zur Leitung eines Messsignals definierter Frequenz und mindestens eine zur Signalleitung beabstandete Groundlei- tung umfasst,

wobei die Probenaufnahme so gestaltet ist, dass sie mindestens einen Abschnitt der Signalleitung und mindestens einen Abschnitt einer Groundleitung überdeckt und dabei eine elektromagnetische Kopplung der Probe zu den Leitungen realisiert,

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Wellenleiterstruktur koplanar auf einem dielektrischen Trägersubstrat ausgebildet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Wellenleiterstruktur dreidimensional auf einem dielektrischen Trägersubstrat ausgebildet ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Signal- und mindestens eine Groundleitung derart zueinander angeordnet sind, dass sie einen Pfad entlang der Abschlüsse der Signal- und Groundleitungen definieren.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei eine Vielzahl von Sensoranordnungen als Sensorarray angeordnet ist und sich die elektrischen Kenndaten der Anschlüsse der Sensoranordnungen des Sensorarrays gleichen.

25. Vorrichtung nach Ansprach 24, wobei die Groundleitungen der einzelnen Sensoranordnungen des Arrays derart angeordnet sind, dass sie eine Abschirmung der Signalleitung zur benachbarten Wellenleiterstruktur realisieren.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei die Wellenleiterstruktur als Filterstruktur ausgebildet ist, so dass sie Signale eines definierten, schmalen Frequenzbandes weiterleiten.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei die Signaleinheit konfiguriert ist zur Übertragung von kontinuierlich änderbaren Frequenzen im Bereich von 10 μHz bis 500 GHz, bevorzugt im Bereich zwischen 100 Hz und 100 GHz.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, wobei die Signaleinheit konfiguriert ist zur Übertragung eine Signalpulses in mit schmaler Bandbreite mit Frequenzen im Bereich von 10 μHz bis 500 GHz, bevorzugt im Bereich zwischen 100 Hz und 100 GHz.

29. Vorrichtung nach Ansprach 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenaufnahmen in einem Halbleiter ausgebildet sind.

30. Testeinrichtung zur Messung von physikalischen Eigenschaften biologischer Proben, folgende Bestandteile umfassend:

eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 29 mit mindestens einer Sensoranordnung, mindestens einer Prüfspitze und einer Signaleinheit,

eine Aufnahmeeinheit zur Aufnahme und Halterang der Sensoranordnung, eine Sondenhalterang zur Aufnahme und Halterang der Prüfspitzen,

mindestens eine Positionierangseinheit zur Positionierung der Aufnahmeeinheit und der Sondenhalterang relativ zueinander und umgebendes Gehäuse zur EMV- Abschirmung.

31. Testeinrichtung nach Ansprach 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin ein Mikroskop und/oder ein Vibrometer aufweist.

32. Testeinrichtung nach Ansprach 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin einen Laser aufweist.

33. Testeinrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32, wobei die Temperatur der Sensoranordnung und der Probe mittels temperierbarer Aufnahmeeinheit eingestellt und während der Messung aufrechterhalten wird.

34. Testeinrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 33, wobei der Aufbau der Aufnahmeeinheit aus elektrisch leitfähigen und dielektrischen Ebenen und die Potentiale der leitfähigen Ebenen gemeinsam mit dem Gehäuse und dessen Potential relativ zum Potential der Messebene als Triaxialaufbau gestaltet ist.

35. Testeinrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 34, ein umgebendes Gehäuse und Mittel zur Einstellung einer Messatmosphäre mit einer definierten, von der Umgebungsluft abweichenden Gaszusammensetzung innerhalb des Gehäuses umfassend.

36. Testeinrichtung nach Anspruch 35, wobei die Mittel zur Einstellung einer Messatmosphäre zumindest eine Gaszuführung in das Gehäuse, eine Messeinrichtung zur Messung der Konzentration zumindest einer Komponente der Messatmosphäre und zumindest eine Abströmöffnung zum Entweichen des Gases umfasst.

37. Testeinrichtung nach Anspruch 35 oder 36, wobei das umgebende Gehäuse gasdicht ausgebildet ist und die Mittel zur Einstellung einer Messatmosphäre zumindest eine verschließbare Gaszuführung in das Gehäuse umfasst.

38. Testeinrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 37, zumindest eine Vorrichtung zur Applikation von Substanzen definierter Menge in eine oder mehrere Probenaufnahmen umfassend.

39. Testeinrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 38, zumindest eine Vorrichtung zum Entnehmen von Substanzen definierter Menge aus einer oder mehrerer Probeaufnahmen umfassend.

40. Testeinrichtung nach einem der Ansprüche 38 oder 39, wobei zumindest eine Applikationsvorrichtung oder/und zumindest eine Entnahmevorrichtung mittels zumindest einer weiteren Positionierungseinheit relativ zur Sensoranordnung positionierbar ist.

41. Testeinrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 40, wobei eine Applikationsvorrichtung oder/und eine Entnahmevorrichtung Pipetten umfasst und die Pipetten innerhalb des Gehäuses und ohne dessen Öffnung wechselbar sind.

42. Testeinrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 41, ein Magazin zur Temperierung und Lagerung einer Vielzahl von Sensoranordnungen unter den auch zur Messung herrschenden atmosphärischen und thermischen Bedingungen, das mit dem Gehäuseinneren verbindbar ist umfassend.