專利名稱：電化學(xué)攝影機(jī)類型的設(shè)備及其制造方法和使用的制作方法
電化學(xué)攝影機(jī)類型的設(shè)備及其制造方法和使用本發(fā)明涉及一種用于檢測液體內(nèi)化學(xué)或生化物質(zhì)的按電化學(xué)攝影機(jī)類型的設(shè)備， 以及涉及該設(shè)備的制造方法和它的使用。檢測液體內(nèi)的物質(zhì)不僅在化學(xué)而且在生物化學(xué)中具有越來越重要的意義。在這里使用多個(gè)電化學(xué)傳感器，它們出于空間的原因以陣列的形式排列在載體上。載體可能用的材料是半導(dǎo)體材料，例如硅Si、鍺Ge或砷化鎵GaAs。在使用這些材料時(shí)，半導(dǎo)體技術(shù)可以集成傳感器陣列處于其上的同一個(gè)載體上的那些用于電化學(xué)傳感器信號(hào)處理和信號(hào)評(píng)估的電路。因?yàn)檩d體材料Si、Ge或GaAs昂貴和制造復(fù)雜，所以試圖將例如傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為盡可能小。在這種情況下應(yīng)當(dāng)注意的是，仍應(yīng)保證提供一種可靠的工作方式。通常傳感器由指狀的叉指形電極組成，它最小的結(jié)構(gòu)寬度在微米范圍內(nèi)。作為電極材料可考慮尤其采用金、鉬、銀/氯化銀或其他金屬。傳感器通常布置在載體表面，彼此的間距在幾百納米至若干毫米的范圍內(nèi)。為了能檢測液體內(nèi)的化學(xué)或生化物質(zhì)，電極用與所述物質(zhì)相互作用的分子涂層。 這種相互作用直接或間接地電化學(xué)檢測。不同的傳感器用不同的分子涂層，從而可以檢測液體內(nèi)不同的化學(xué)或生化物質(zhì)。傳感器或各電極的涂層往往通過將分子精確定點(diǎn)設(shè)置(spotten)在傳感器上進(jìn)行。但由于傳感器和電極變得很小的結(jié)構(gòu)尺寸，使之越來越復(fù)雜。在電極尺寸處于納米范圍內(nèi)的情況下，涂層不再能通過精確定點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行。為了在電極上涂覆專用的分子，使用昂貴而復(fù)雜的方法，例如照相平版印刷術(shù)。涂層時(shí)必須準(zhǔn)確調(diào)整裝備，從而使傳感器陣列的這種制造方法容易造成缺陷和昂貴。本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)備，它與現(xiàn)有技術(shù)相比能比較簡單和便宜地制造。本發(fā)明的目的尤其是提供一種設(shè)備，這種設(shè)備取消在將用于檢測化學(xué)或生化物質(zhì)的分子置于與傳感器連接時(shí)的復(fù)雜的調(diào)整。此外本發(fā)明的目的是，提供一種該設(shè)備的制造方法和設(shè)備的使用，其中無需復(fù)雜的調(diào)整，借助專門與待檢測的物質(zhì)結(jié)合的分子，例如可通過液體使傳感器置于與分子直接或間接的連接，以及在檢測時(shí)傳感器可以專門電化學(xué)檢測這些物質(zhì)。提出的有關(guān)設(shè)備方面的目的通過權(quán)利要求1的特征達(dá)到，有關(guān)設(shè)備制造方法方面的目的通過權(quán)利要求15的特征達(dá)到，以及有關(guān)設(shè)備使用方面的目的通過權(quán)利要求17的特征達(dá)到。按本發(fā)明的設(shè)備、按本發(fā)明的方法和按本發(fā)明的使用的有利的設(shè)計(jì)，由各自相關(guān)的從屬權(quán)利要求得出。在這種情況下，并列的獨(dú)立權(quán)利要求的特征可以分別與一項(xiàng)從屬權(quán)利要求的特征組合，或優(yōu)選也可以與多項(xiàng)從屬權(quán)利要求的特征組合。按本發(fā)明用于檢測液體內(nèi)化學(xué)或生化物質(zhì)的設(shè)備，有第一和第二載體。第一載體表面包括一個(gè)有多個(gè)電化學(xué)傳感器的傳感器陣列。第二載體有一個(gè)多孔層和至少一個(gè)功能區(qū)，在功能區(qū)內(nèi)固定專門用于結(jié)合的捕捉分子。所述至少一個(gè)功能區(qū)設(shè)置為與至少一個(gè)非功能區(qū)直接相鄰。第一載體的表面和第二載體的多孔層，直接或通過液態(tài)和/或氣態(tài)介質(zhì)間接地互相接觸。為所述至少一個(gè)功能區(qū)和所述至少一個(gè)非功能區(qū)分別配設(shè)傳感器陣列的多個(gè)傳感器。通過傳感器按陣列的形式排列在第一載體上，以及通過為第二載體的至少一個(gè)功能區(qū)和至少一個(gè)非功能區(qū)分別配設(shè)多個(gè)傳感器，在電化學(xué)測量時(shí)可以空間分辨地在不同區(qū)域之間加以區(qū)別。在置于接觸狀態(tài)時(shí)可以取消第一載體相對(duì)于第二載體的準(zhǔn)確調(diào)整。在將含有待檢測物質(zhì)的液體加入第二載體以及借助傳感器陣列電化學(xué)測量時(shí)，處于與功能區(qū)接觸狀態(tài)的那些傳感器發(fā)出更強(qiáng)的測量信號(hào)。這是通過待檢測的物質(zhì)與捕捉分子相互作用造成的。處于與非功能區(qū)接觸狀態(tài)的那些傳感器，則不產(chǎn)生信號(hào)或只發(fā)出小的對(duì)于背景反應(yīng)而言典型的信號(hào)。為各區(qū)配設(shè)的傳感器越多，則區(qū)域的空間分辨以及與這些區(qū)域的化學(xué)或生化反應(yīng)與區(qū)域的配屬關(guān)系可以越準(zhǔn)確。所述分辨率類似于光學(xué)攝影機(jī)的分辨率。具有更高光學(xué)活性像素?cái)?shù)的光學(xué)攝影機(jī)，攝取的光學(xué)照片可以達(dá)到更高的分辨率。不需要攝影機(jī)對(duì)于要攝影的對(duì)象作準(zhǔn)確的調(diào)整。從總體上觀察，攝取的照片像素的亮度或色值，可得出對(duì)象的略圖，用它可以明確識(shí)別在照片內(nèi)部的對(duì)象。在對(duì)象識(shí)別后，亦即在與背景區(qū)分后，便可以準(zhǔn)確評(píng)估其特性。按本發(fā)明設(shè)備的工作類似于光學(xué)攝影機(jī)，可將它稱為電化學(xué)攝影機(jī)。為每個(gè)區(qū)配設(shè)多個(gè)傳感器。在各自區(qū)域內(nèi)的化學(xué)或生化反應(yīng)通過多個(gè)傳感器測量和成像。與非功能區(qū)相比在功能區(qū)內(nèi)完全不同的反應(yīng)，導(dǎo)致配屬于功能區(qū)的傳感器提供的信號(hào)，不同于在配屬于非功能區(qū)的傳感器上測得的信號(hào)。通過按陣列的形式排列傳感器以及它們?cè)诘谝惠d體上的空間位置與之相關(guān)聯(lián)的知識(shí)，通過傳感器與這些區(qū)域的配屬關(guān)系，可以在不同區(qū)域的位置之間加以區(qū)別。通過傳感器在第一載體上的這種空間布局，可以確定這些區(qū)域在第二載體多孔層內(nèi)的空間位置。特別優(yōu)選的是，按本發(fā)明設(shè)備的第二載體多孔層有至少兩個(gè)空間上彼此隔開的不同的功能區(qū)。在這里至少一個(gè)區(qū)域與至少另一個(gè)區(qū)域在其捕捉分子方面可以不同。由此可以檢測不同的化學(xué)或生化物質(zhì)。若傳感器陣列的每個(gè)傳感器有一個(gè)活性面，傳感器活性面布置在第一平面內(nèi)，以及至少兩個(gè)功能區(qū)的表面構(gòu)成一個(gè)處于與第一平面對(duì)置位置的第二平面，則可以得到一種結(jié)構(gòu)特別簡單的設(shè)備和傳感器對(duì)于區(qū)域的良好配屬關(guān)系。在這里，第二平面內(nèi)的一個(gè)功能區(qū)表面，總是可以大于在第一平面內(nèi)為該功能區(qū)配設(shè)的那些傳感器的活性面之和。通過本設(shè)備的這種結(jié)構(gòu)，即使沒有準(zhǔn)確地調(diào)整，在第一與第二載體置于接觸狀態(tài)時(shí)，也能為每一個(gè)區(qū)域自動(dòng)配設(shè)多個(gè)傳感器。捕捉分子空間三維分布地固定在多孔材料內(nèi)。由此在多孔材料最狹窄的空間內(nèi)配置非常多的捕捉分子，以及多個(gè)捕捉分子可以與多個(gè)待檢測的物質(zhì)結(jié)合。由此使電化學(xué)測量時(shí)的信噪比大，以及人們得到在功能區(qū)與非功能區(qū)信號(hào)之間大的差別。相應(yīng)于化學(xué)攝影機(jī)的設(shè)計(jì)思想，按像素陣列形式的傳感器，規(guī)則地排列在第一載體表面上。由此可以更加方便地評(píng)估測量信號(hào)的空間歸屬。若各傳感器有矩形，特別優(yōu)選地正方形的周緣，則在表面規(guī)定的面積上可以布置特別多的傳感器活性面。由于傳感器這種比較大的活性面，可以得到良好的信噪比和比較強(qiáng)的測量信號(hào)。若間隔的功能區(qū)以陣列的形式排列在多孔層內(nèi)和/或上，包括m個(gè)彼此空間距離基本相等的不同功能區(qū)，則得到傳感器相對(duì)于這些區(qū)的一種簡單的空間配屬關(guān)系。優(yōu)選地， 傳感器陣列有η個(gè)配屬于功能區(qū)的傳感器，以及配屬于功能區(qū)的傳感器數(shù)量η，等于功能區(qū)數(shù)量m的χ倍，其中χ大于或等于2。通過規(guī)則地配置功能區(qū)以及配設(shè)傳感器陣列的傳感器，可以簡化對(duì)測量結(jié)果的評(píng)估和對(duì)根據(jù)測量結(jié)果所得圖像的解釋。由此，根據(jù)傳感器信號(hào)和對(duì)它們位置的了解以及功能區(qū)彼此間距的了解，可以用低的費(fèi)用獲得在第二載體內(nèi)化學(xué)或生化反應(yīng)的空間分辨的圖像，以及反應(yīng)與測量信號(hào)和/或區(qū)域的配屬關(guān)系。若功能區(qū)數(shù)量m等于8和傳感器數(shù)量η為32，以及為每個(gè)功能區(qū)配設(shè)4個(gè)傳感器， 或若功能區(qū)數(shù)量m等于M和傳感器數(shù)量η為384，以及為每個(gè)功能區(qū)配設(shè)16個(gè)傳感器，或若功能區(qū)數(shù)量m在8與M之間和傳感器數(shù)量η在32與384之間，則得到可易于制造的設(shè)備有利的實(shí)施形式。傳感器可以由叉指形電極構(gòu)成。作為電極材料優(yōu)選地使用無涂層的金。在這種結(jié)構(gòu)中可以通過由電流或電壓組成的強(qiáng)信號(hào)，電化學(xué)測量多個(gè)化學(xué)和生化反應(yīng)產(chǎn)物。在這種情況下，金作為電極材料也可以長時(shí)間保持穩(wěn)定。多孔層優(yōu)選地有薄片的形狀(平的形狀)，尤其紙條的形狀。這種多孔層可例如設(shè)計(jì)為100微米厚以及有幾平方毫米的面積。功能區(qū)可以設(shè)計(jì)為帶狀或條狀，尤其平行六面體形狀的條，它們以兩個(gè)沿多孔層橫截面軸線通過此多孔層的基本上彼此平行間隔的剖面為界。在這里功能區(qū)的帶或條優(yōu)選地垂直于多孔層尤其紙條的縱軸線設(shè)置。由此得到與例如在葡萄糖或妊娠測試中使用的那種試條類似的第二載體的結(jié)構(gòu)。多孔層優(yōu)選地由膜構(gòu)成或包括一層膜，尤其由纖維素、硝基纖維素、側(cè)流紙 (Lateral-Flow-Papier)或一種織物組成。這些材料有能力與捕捉分子結(jié)合以及通過毛細(xì)力吸入液體并通過材料輸送。由此對(duì)于按本發(fā)明設(shè)備的工作方式不需要液體輸送裝置，例如泵。當(dāng)然可以規(guī)定附加使用上述裝置，以達(dá)到更迅速或更均勻的液體輸送。捕捉分子可尤其使用抗體或抗原、適體、DNA片段、RNA片段，或肽或這些分子的組合。捕捉分子的選擇取決于用本設(shè)備所待檢測的化學(xué)或生化物質(zhì)。在制造所述有包括一個(gè)由多個(gè)電化學(xué)傳感器構(gòu)成的傳感器陣列的第一載體的設(shè)備的按本發(fā)明的方法中，安放第二載體。第二載體在多孔層內(nèi)或上包括至少一個(gè)功能區(qū)，在功能區(qū)內(nèi)固定專門用于結(jié)合的捕捉分子。所述至少一個(gè)功能區(qū)與至少一個(gè)非功能區(qū)直接相鄰地設(shè)置在多孔層內(nèi)或上。通過上述安放，為所述至少一個(gè)功能區(qū)和所述至少一個(gè)非功能區(qū)分別配設(shè)傳感器陣列的多個(gè)傳感器。在這種情況下有利的是，第一載體和傳感器陣列可以重復(fù)使用。第二載體可用作一次性使用的物品以及在設(shè)備每次使用后更換掉?？梢杂猛粋€(gè)第一載體通過功能化不同的第二載體實(shí)施不同的測試。也可以用同一個(gè)第一載體對(duì)例如不同病人的試樣進(jìn)行測試。 在這里總是在檢驗(yàn)一個(gè)病人的試樣后便更換掉第二載體。如果需要，第一載體可以在兩次檢查之間清洗和消毒，因?yàn)橛绕涞谝惠d體和傳感器陣列的金和氧化硅表面，對(duì)于清潔劑和消毒劑以及對(duì)于DNA、RNA和蛋白質(zhì)降解劑很不敏感。與有機(jī)涂層相反，它們不會(huì)被這些東西破壞。在現(xiàn)有技術(shù)中作為涂層直接施加在傳感器上的有機(jī)捕捉分子，在按本發(fā)明的方法中包含在多孔的第二載體內(nèi)，在清洗第一載體時(shí)它們不受影響。特別有利的是，按本發(fā)明的方法，在方法實(shí)施時(shí)分成按時(shí)間先后的步驟。在第一步，通過分發(fā)、印刷和/或精確定點(diǎn)設(shè)置，在多孔層中加入所述至少一個(gè)功能區(qū)。在時(shí)間上隨這之后的第二步，將多孔層置于與第一載體的傳感器陣列直接或間接地連接。這尤其可以通過將第二載體安放在第一載體上實(shí)現(xiàn)。在多孔層內(nèi)加入液體的情況下，使所述至少一個(gè)功能區(qū)和至少一個(gè)非功能區(qū)通過液體分別與多個(gè)配屬的傳感器互相連接。在這種情況下，連接意味著分子，例如表明要檢驗(yàn)的物質(zhì)結(jié)合在捕捉分子上的化學(xué)或生化反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物，可以(例如通過擴(kuò)散或在分子帶電荷的情況下則通過電場)抵達(dá)電化學(xué)傳感器。此時(shí)在電化學(xué)傳感器上電化學(xué)地檢測例如反應(yīng)產(chǎn)物的分子。由此，在要檢驗(yàn)液體內(nèi)的化學(xué)或生化物質(zhì)已與捕捉分子結(jié)合的情況下，實(shí)現(xiàn)直接或在反應(yīng)產(chǎn)物的情況下間接地檢測這些在要檢驗(yàn)液體內(nèi)的化學(xué)或生化物質(zhì)。在設(shè)備的按本發(fā)明的使用中，一種含有待檢測物質(zhì)的液體施加在第二載體上，它包括一個(gè)具有至少一個(gè)功能區(qū)的多孔層，為了與待檢測的物質(zhì)結(jié)合，在功能區(qū)內(nèi)固定專門用于結(jié)合的捕捉分子。在多孔層內(nèi)所述至少一個(gè)功能區(qū)設(shè)置為與至少一個(gè)非功能區(qū)直接相鄰。液體尤其借助毛細(xì)力至少部分穿過多孔層輸送，其中，待檢測的物質(zhì)專門與捕捉分子結(jié)合。借助在第二載體上為所述至少一個(gè)功能區(qū)配設(shè)的傳感器陣列的傳感器，直接或間接電化學(xué)檢測已結(jié)合的物質(zhì)。在這種情況下，在第二載體上為所述至少一個(gè)非功能區(qū)配設(shè)的傳感器陣列的傳感器，電化學(xué)檢測在非功能區(qū)內(nèi)沒有結(jié)合待檢測的物質(zhì)。對(duì)于按本發(fā)明的設(shè)備制造方法和設(shè)備的使用，得到上面已提及的與按本發(fā)明的設(shè)備相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)。下面借助附圖詳細(xì)說明本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施形式和按從屬權(quán)利要求特征有利的進(jìn)一步發(fā)展，但不應(yīng)受此限制。其中

圖1用斜視圖示意表示按本發(fā)明包括第一和第二載體的設(shè)備分解圖；圖2示意表示包括圓形功能區(qū)的第二載體俯視圖，其中處于其下方包括傳感器陣列的第一載體描繪為通過第二載體的透視圖；圖3示意表示第二載體類似于圖2的俯視圖，但包括帶狀或條狀的功能區(qū)；圖4示意表示通過圖3所示設(shè)備的剖視圖；圖5示意表示設(shè)備在第二載體即將被置于與第一載體連接前的剖視圖；以及圖6表示設(shè)備剖視圖，包括放大描繪一個(gè)有叉指形電極的傳感器，以及示意表示在功能區(qū)內(nèi)的檢測反應(yīng)。圖1表示按本發(fā)明的設(shè)備1。設(shè)備1有第一載體2，在它的表面構(gòu)成一個(gè)包括一些電化學(xué)傳感器10的傳感器陣列3。電化學(xué)傳感器10設(shè)計(jì)為圓形，它們按彼此相同的間距規(guī)則地排列在第一載體2的表面上。在第一載體2上或內(nèi)構(gòu)成與電接頭7連接的電連接線(為了簡化沒有表示)。電接頭7可以使第一載體2與未表示的電源以及控制/讀出部件和/或數(shù)據(jù)處理部件電連接。 電化學(xué)傳感器10可以通過接頭7和電連接線逐個(gè)或平行控制和讀出。傳感器10的測量信號(hào)，例如電流-電壓值的處理，可以在外部的讀出和數(shù)據(jù)處理部件中完成。與之不同，也可以在第一載體上或內(nèi)設(shè)計(jì)集成電路，它們處理電化學(xué)信號(hào)，并將結(jié)果作為電信號(hào)通過觸頭7 向未表示的外部顯示器輸出。按圖1，第二載體的一個(gè)多孔層4處于具有傳感器陣列3的第一載體2表面的上方。在多孔層4內(nèi)按陣列形式以彼此相同的間距構(gòu)成功能區(qū)5，捕捉分子8固定在這些區(qū)域內(nèi)(參見圖6)。功能區(qū)5通過非功能區(qū)6相互隔離。在圖1中表示的功能區(qū)5設(shè)計(jì)為圓形，它們處于扁平的薄片層4內(nèi)。在本文中，薄片狀的意思是類似于紙片的形狀。多孔層4 的材料在平面內(nèi)的尺寸遠(yuǎn)大于垂直于平面的尺寸。因此在圖1中表示的圓形功能區(qū)5是圓柱形區(qū)域，但是圓柱區(qū)有一個(gè)與其底面相比幾乎可以忽略不計(jì)的外表面。設(shè)置為與傳感器10的平面對(duì)置的功能區(qū)5底面處于一個(gè)平面內(nèi)。下文稱為功能區(qū)平面的這一平面，平行于傳感器陣列的傳感器10的平面。在功能區(qū)平面內(nèi)的功能區(qū)5表面(或底面)，大于傳感器10的活性面。在這種情況下，傳感器10的活性面，成為電化學(xué)測量時(shí)與液體接觸，并因而活性地參與測量的那個(gè)表面，此時(shí)在此表面上可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電荷可穿過它。在設(shè)備1使用時(shí)，第二載體的多孔層4直接處于第一載體2上并因而在傳感器陣列3上。觸頭7離多孔層4有一定距離，使之在設(shè)備使用時(shí)不與液體接觸和不會(huì)引起電短路。也可以將它們?cè)O(shè)在第一載體2的背側(cè)。圖1中的虛線表示，當(dāng)?shù)诙d體4安放在第一載體2上時(shí)，第二載體多孔層4相對(duì)于第一載體2的空間關(guān)系。圖2示意表示圖1所示按本發(fā)明的設(shè)備1的俯視圖。在這里為了簡化沒有表示觸頭7。所描繪的是這樣一種狀況，亦即此時(shí)第二載體的多孔層4已處于與第一載體2直接接觸狀態(tài)。具有圓形功能區(qū)5的第二載體4表示為透明的，為的是作為透過第二載體4的透視圖，能表示處于其下方包括傳感器陣列3的第一載體2。第二載體4 一般設(shè)計(jì)為不透光的。表示在圖2中的傳感器10是正方形的和以彼此小的間距排列，在這里它們構(gòu)成像素陣列，類似用于攝取光學(xué)照片的光學(xué)攝影機(jī)芯片。傳感器陣列3與第二載體多孔層4接觸，其中，在基本狀態(tài)多孔層的孔隙充填空氣。當(dāng)設(shè)備充填要檢驗(yàn)的液體時(shí)，液體例如借助毛細(xì)力吸入相互連通的孔隙中。在完全充填后，傳感器陣列3的傳感器10直接或通過液體間接地與第二載體的多孔層4接觸。圖2中的功能區(qū)5在俯視圖中設(shè)計(jì)為圓形，以及彼此按相同的行距在多孔層4內(nèi)排列成陣列的形式。捕捉分子固定在功能區(qū)5內(nèi)，亦即均勻分布地結(jié)合在多孔材料上。可能的結(jié)合可例如通過庫侖相互作用共價(jià)結(jié)合，或通過限制大分子在小孔隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)能力實(shí)現(xiàn)。沿功能區(qū)平面在多孔層4內(nèi)觀察，功能區(qū)5被設(shè)計(jì)為相聯(lián)的非功能區(qū)6完全包圍。垂直于功能區(qū)的平面，功能區(qū)5設(shè)計(jì)為完全貫穿多孔層4。在將第二載體4安放在第一載體2上時(shí)，為功能區(qū)5配設(shè)傳感器10。在圖2的俯視圖中，配設(shè)指的是，這些傳感器10處于圓形功能區(qū)5的內(nèi)部。類似地，在將第二載體4安放在第一載體2上時(shí)，也為非功能區(qū)6配設(shè)傳感器10。它們處于圖2中非功能區(qū)6的內(nèi)部， 以及處于圓形功能區(qū)5的外部。若圖2中的設(shè)備充填含有待檢測物質(zhì)9的液體，則所述物質(zhì)9與專門在功能區(qū)內(nèi)的捕捉分子8 (參見圖6)結(jié)合，專門用于結(jié)合這些物質(zhì)9的捕捉分子8固定在功能區(qū)5內(nèi)。 在電化學(xué)測量時(shí)，為此功能區(qū)配設(shè)的傳感器10便發(fā)出信號(hào)，這些信號(hào)顯示待檢測的物質(zhì)9 的專門結(jié)合。為非功能區(qū)6配設(shè)的傳感器10只測量背景反應(yīng)，例如雙層的構(gòu)成和電荷交換 (Umladung)。其中沒有結(jié)合待檢測物質(zhì)9的那些功能區(qū)5，同樣只測量背景反應(yīng)。在檢測專門結(jié)合的物質(zhì)9時(shí)，例如由于反應(yīng)產(chǎn)物在電場內(nèi)擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)引起的誤差，在本觀測中可以忽略不計(jì)。若為功能區(qū)5配設(shè)的傳感器10，直接或通過待檢測的物質(zhì)9與固定在功能區(qū)5內(nèi)專門的捕捉分子8結(jié)合而間接地測得強(qiáng)的信號(hào)，例如在安培計(jì)測量時(shí)測得大的電流，則在非功能區(qū)6內(nèi)的傳感器10會(huì)測得弱的信號(hào)，例如小的電流。處于圓形功能區(qū)5圓周上的傳感器10，測量處于功能區(qū)5傳感器10的信號(hào)或電流與非功能區(qū)6傳感器10的信號(hào)或電流之間的信號(hào)或電流。在這種情況下信號(hào)或電流大小，可以是對(duì)于傳感器10與功能區(qū)5之間共同面積的一種度量。在將第二載體4安放在第一載體2上或置于與第一載體2接觸時(shí)的精確調(diào)整可以免除?；趥鞲衅?0按陣列形式的布局以及基于分別為一個(gè)功能區(qū)5和一個(gè)非功能區(qū)6 配設(shè)一個(gè)以上的傳感器10，在電化學(xué)測量時(shí)借助信號(hào)可以區(qū)別功能區(qū)與非功能區(qū)相對(duì)于傳感器的位置。附加地在功能區(qū)5內(nèi)加入的物質(zhì)可以進(jìn)一步改善辨別，這些物質(zhì)是電化學(xué)活性的，但并不妨礙或阻止液體內(nèi)待檢測物質(zhì)的結(jié)合。從而也可以區(qū)別因?yàn)樵谝后w內(nèi)并未含有待檢測的物質(zhì)(陰性測試)所以其中沒有結(jié)合液體內(nèi)物質(zhì)的功能區(qū)5與非功能區(qū)6。傳感器10按彼此規(guī)則間距的陣列形式排列，其中，間距應(yīng)設(shè)計(jì)為盡可能小，但應(yīng)有一個(gè)使電化學(xué)測量中成為問題的串?dāng)_最小化的值。以小的間距排列在表面上的傳感器10 越多，電化學(xué)的空間分辨率(類似于攝影機(jī)中的光學(xué)分辨率)越高和功能區(qū)5的差異越大。 傳感器間距的典型值在微米范圍內(nèi)，尤其100至1000微米。對(duì)于更高的分辨率，也可以設(shè)計(jì)在納米范圍內(nèi)的間距。當(dāng)無需高空間分辨率的檢驗(yàn)時(shí)，間距也可以在毫米至厘米的范圍內(nèi)。通過以小間距陣列形式布置傳感器10以及配置比一個(gè)傳感器10的活性面大得多的功能區(qū)5及非功能區(qū)6，當(dāng)將第二載體4安放在第一載體2上時(shí)，保證為每個(gè)功能區(qū)5及每個(gè)非功能區(qū)6配設(shè)多個(gè)傳感器10，也就是說，在圖2的俯視圖中總是多個(gè)傳感器10位于各區(qū)5、6的下方。因此，與第一載體2相對(duì)于第二載體4準(zhǔn)確的位置無關(guān)，保證在對(duì)每個(gè)區(qū) 5、6電化學(xué)測量時(shí)，傳感器10提供一個(gè)測量信號(hào)。在評(píng)估裝置中得出測量信號(hào)的大小，該評(píng)估裝置的傳感器10配屬于該區(qū)5、6。由全部傳感器10，在其空間布局已知的情況下得出第二載體4的電化學(xué)圖像，類似于借助于光學(xué)CCD攝影機(jī)在對(duì)象成像時(shí)的光學(xué)照片。借助得到的傳感器10的輪廓或位置，測得它們之間有很大差別的信號(hào)，因此區(qū)域 5、6可以彼此區(qū)別，或互相區(qū)分和在空間配置，以及借助信號(hào)的大小可以辨別區(qū)域5、6。信號(hào)的大小類似于光學(xué)黑/白照片中的灰度。通過描繪輪廓的相鄰值的大的差別，對(duì)象可以與其背景區(qū)別開來，以及借助在輪廓內(nèi)部這些值的結(jié)構(gòu)或分布(例如在一張照片內(nèi)得出面容或房屋...)以及輪廓的形狀，對(duì)象可以被識(shí)別。這些類似地也適用于傳感器陣列3傳感器10的電化學(xué)測量值，它們給出第二載體4的電化學(xué)圖像。圖3表示包括第一載體2和第二載體多孔層4的設(shè)備，它與圖2所示設(shè)備的差別在于，功能區(qū)呈帶狀或條狀，而不是圓形或圓柱形。在圖3中的載體4有從圖3左側(cè)到右側(cè)的縱軸線。載體4有在圖紙平面內(nèi)垂直于縱軸線的橫軸線。載體4或載體多孔層4的橫軸線，與功能區(qū)5帶狀或條狀的縱軸線一致。圖3中表示的功能區(qū)5，不僅沿其縱軸線而且沿其高度設(shè)計(jì)為完全連續(xù)地通過多孔層。與之不同，功能區(qū)5也可以僅部分沿其縱軸線和/ 或沿其高度在多孔材料內(nèi)或上構(gòu)成。在這里用功能區(qū)5的高度表征沿一條垂直于載體4縱軸線和橫軸線構(gòu)成的軸線的尺寸。
圖4表示沿圖3所示設(shè)備縱軸線的橫截面。設(shè)計(jì)在第二載體多孔層4中的功能區(qū) 5和非功能區(qū)6，與設(shè)計(jì)在第一載體2前側(cè)的傳感器陣列3直接接觸。設(shè)計(jì)為貫穿多孔層4 的功能區(qū)5，將非功能區(qū)6分隔成多個(gè)在空間彼此完全獨(dú)立和互有間距的非功能區(qū)6。功能區(qū)5和非功能區(qū)6在多孔層4內(nèi)沿其縱軸線交替排列。帶狀功能區(qū)5具有平行六面體的形狀，捕捉分子8(參見圖6)均勻分布地固定在其容積內(nèi)。在不同的功能區(qū)5內(nèi)可以布置不同的捕捉分子8，因此不同的功能區(qū)5用于檢測含有待檢測物質(zhì)的液體中的不同的物質(zhì)9。圖5表示圖4的設(shè)備處于第一載體2與第二載體4接觸前或接觸后的狀態(tài)。第一載體2可以重復(fù)使用，與此同時(shí)第二載體4作為一次性使用的載體被更換掉。因此，例如在檢驗(yàn)不同病人的病人試樣時(shí)可以節(jié)省費(fèi)用。在第一載體2兩次使用之間可以給它清洗或消圖6示意表示圖4所示設(shè)備工作時(shí)的情況。一個(gè)含有待檢測物質(zhì)9的待檢測液體的液滴，被滴落在多孔層4上?；诿?xì)力，待檢驗(yàn)的液體被多孔層4吸入，因此多孔層4 基本上或完全充填或浸漬待檢驗(yàn)的液體。待檢測的物質(zhì)9在功能區(qū)5內(nèi)專門與固定其內(nèi)的捕捉分子8結(jié)合。在這之后，多孔層4用例如高純度的水或緩沖溶液沖洗。未結(jié)合的物質(zhì)和被檢驗(yàn)的液體因而離開多孔層4。已結(jié)合的待檢測的物質(zhì)9可以直接被電化學(xué)檢測，如圖6中示意表示的那樣。另外，也可選擇將溶解在液體中的標(biāo)志分子供入多孔層4內(nèi)，使它們與專門被結(jié)合的待檢測的物質(zhì)專門結(jié)合，亦即只與待檢測的物質(zhì)結(jié)合。然后標(biāo)志分子直接或例如通過氧化還原循環(huán)間接地被電化學(xué)檢測。標(biāo)志分子可加上標(biāo)記，例如加上與標(biāo)志分子結(jié)合的酶標(biāo)記。在電化學(xué)檢測時(shí)，基質(zhì)分子例如在酶標(biāo)記上轉(zhuǎn)換，尤其從原始材料轉(zhuǎn)換為產(chǎn)物。轉(zhuǎn)換后的基質(zhì)分子(產(chǎn)物)在活性傳感器表面或電極上氧化或還原，此時(shí)可以測量通過電極的電荷傳輸，或可以測量電極附近電荷的變化(尤其電流或電壓變化)。若傳感器由至少兩個(gè)極性相反(正+/負(fù)_)的電極構(gòu)成，則產(chǎn)物在一個(gè)電極(+)上可以氧化成氧化物(Ox)，以及在另一個(gè)電極(_)上氧化物可以重新還原成(Red)?？梢詼y量在電極上轉(zhuǎn)換的電荷量隨時(shí)間的變化，這是在酶標(biāo)記上從原始材料向產(chǎn)物轉(zhuǎn)換的一種度量，并因而是待檢測物質(zhì)9專門結(jié)合在捕捉分子8上的一種度量。只有在要分析的液體內(nèi)存在捕捉分子專門待檢測的物質(zhì)分子9時(shí)，才在配屬的傳感器上進(jìn)行與時(shí)間有關(guān)的電荷轉(zhuǎn)換并對(duì)此進(jìn)行測量。如圖6中放大表示的那樣，檢測結(jié)合的待檢測物質(zhì)9的傳感器10存在或包括電化學(xué)電極，它們例如可設(shè)計(jì)為叉指形電極。叉指形電極可設(shè)計(jì)為梳狀，兩個(gè)電極相鄰梳齒之間有例如一微米的距離，以及梳齒的寬度分別有例如一微米。一個(gè)傳感器10可由兩個(gè)互相插入的梳狀叉指形電極組成，其中傳感器10有直徑例如150微米。指狀金電極在液體內(nèi)化學(xué)上特別惰性，以及作為工作電極非常適用于電化學(xué)電流和/或電壓測量。作為測量方法可尤其使用安培計(jì)法、伏安測量法、庫侖分析法或阻抗質(zhì)譜測定法。作為基準(zhǔn)和對(duì)應(yīng)電極可同樣使用金電極或用材料例如鉬、銀或銀/氯化銀制的電極。傳感器10的電極照相平版印刷地很容易用半導(dǎo)體技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)過程制造。硅非常適合用作第一載體2的材料，但還有另一些適用的材料，例如鍺、砷化鎵以及其他半導(dǎo)體以及絕緣子材料，如塑料、環(huán)氧樹脂或印刷電路板。第一載體2可如圖2所示設(shè)計(jì)為芯片，其中，在電極下面或在芯片的一個(gè)單獨(dú)的區(qū)域內(nèi)，可以集成處理測得的電流電壓信號(hào)用的電子電路。在制造包括傳感器10、絕緣層(例如二氧化硅或光刻膠)、集成電路和觸頭的第一載體2時(shí)，半導(dǎo)體技術(shù)中常用的方法允許用低的成本制造第一載體2。市場上可買到的試條可用作第二載體4，如那些例如大量用于妊娠測試、葡萄糖測試和尿及血液測試的試條。第二載體4的多孔層可尤其用硝化纖維素、紙或織物制造或含有這些材料。所述設(shè)備可以在流動(dòng)室中使用或組合在外殼內(nèi)。特別便宜的外殼用塑料制造?？梢栽O(shè)置冷卻和/加熱設(shè)備，以便借助溫度控制反應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測液體(1)內(nèi)化學(xué)或生化物質(zhì)的設(shè)備，它有第一和第二載體0、4)，其中，第一載體( 表面包括帶有多個(gè)電化學(xué)傳感器的傳感器陣列(3)，以及，第二載體有多孔層⑷和至少一個(gè)功能區(qū)(5)，在該功能區(qū)(5)內(nèi)固定有專門用于結(jié)合的捕捉分子(8)， 其中，所述至少一個(gè)功能區(qū)(5)設(shè)置為與至少一個(gè)非功能區(qū)(6)直接相鄰，以及其中，第一載體O)的表面和第二載體的多孔層，直接或通過液態(tài)和/或氣態(tài)介質(zhì)間接地互相接觸，其特征為為所述至少一個(gè)功能區(qū)(5)和所述至少一個(gè)非功能區(qū)域(6)分別配設(shè)所述傳感器陣列( 的多個(gè)傳感器(10)。
2.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述多孔層(4)有至少兩個(gè)不同的彼此在空間上間隔開的功能區(qū)(5)，其中，尤其至少一個(gè)區(qū)域與至少另一個(gè)區(qū)域有不同的捕捉分子⑶。
3.按照權(quán)利要求2所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述傳感器陣列(3)的每個(gè)傳感器(10) 有活性面，所述傳感器活性面布置在第一平面內(nèi)，以及所述至少兩個(gè)功能區(qū)(5)的表面構(gòu)成處于與第一平面對(duì)置位置的第二平面，其中，在此第二平面內(nèi)的一個(gè)功能區(qū)( 表面，總是大于配屬于該功能區(qū)(5)的那些傳感器(10)存在于第一平面內(nèi)的活性面之和。
4.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述捕捉分子(8)空間三維分布地固定在多孔材料內(nèi)。
5.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述傳感器(10)有矩形，尤其正方形周緣，和/或按像素陣列的形式規(guī)則地排列在第一載體(2)表面上。
6.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(1)，其特征為，相互間隔的功能區(qū)(5)以陣列的形式排列在多孔層內(nèi)和/或上，包括m個(gè)彼此空間距離基本相等的不同功能區(qū)(5)。
7.按照權(quán)利要求6所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述傳感器陣列(3)有η個(gè)配屬于功能區(qū)(5)的傳感器(10)，以及配屬于功能區(qū)(5)的傳感器(10)數(shù)量η，等于功能區(qū)(5)數(shù)量 m的χ倍，其中χ大于或等于2。
8.按照權(quán)利要求7所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述功能區(qū)(5)數(shù)量m等于8和傳感器 (10)數(shù)量η為32，以及為每個(gè)功能區(qū)(5)配設(shè)4個(gè)傳感器(10)，或功能區(qū)(5)數(shù)量m等于 24和傳感器(10)數(shù)量η為384，以及為每個(gè)功能區(qū)(5)配設(shè)16個(gè)傳感器(10)，或功能區(qū) (5)數(shù)量m在8與M之間和傳感器(10)數(shù)量η在32與384之間。
9.按照權(quán)利要求1至5之一所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述功能區(qū)(5)設(shè)計(jì)為帶狀或條狀，尤其平行六面體形狀的條，它們以兩個(gè)沿多孔層(4)橫截面軸線剖切該多孔層(4)而基本上彼此平行間隔的剖面為界。
10.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述傳感器(10)由叉指形電極構(gòu)成，和/或由無涂層的金電極構(gòu)成。
11.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述第二載體的多孔層(4) 包括一層膜，該膜尤其由纖維素、硝基纖維素、側(cè)流紙或織物組成。
12.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述多孔層(4)有薄片的形狀，尤其紙條的形狀。
13.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備(1)，其特征為，所述捕捉分子(8)包括抗體或抗原，或適體，或DNA片段，或RNA片段，或肽。
14.一種制造按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述設(shè)備(1)的方法，其特征為在具有由多個(gè)電化學(xué)傳感器(10)構(gòu)成的傳感器陣列( 的第一載體( 上安放第二載體，其中，第二載體在多孔層⑷內(nèi)或上包括至少一個(gè)功能區(qū)(5)，在該功能區(qū)(5)內(nèi)固定專門用于結(jié)合的捕捉分子(8)，以及其中，所述至少一個(gè)功能區(qū)(5)與至少一個(gè)非功能區(qū)(6)直接相鄰地設(shè)置在多孔層內(nèi)或上，以及其中，通過上述安放，為所述至少一個(gè)功能區(qū)(5)和所述至少一個(gè)非功能區(qū)(6)分別配設(shè)傳感器陣列(3)的多個(gè)傳感器(10)。
15.按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征為，在第一步，通過分發(fā)、印刷和/或精確定點(diǎn)設(shè)置，在多孔層中置入所述至少一個(gè)功能區(qū)(5)，以及在時(shí)間上隨后的第二步，尤其通過將第二載體安放在第一載體( 上，使多孔層(4)與第一載體O)的傳感器陣列(3)直接或間接地連接，以及在多孔層⑷內(nèi)加入液體的情況下，使所述至少一個(gè)功能區(qū)(5)和至少一個(gè)非功能區(qū)(6)通過液體分別與多個(gè)配屬的傳感器(10)互相連接。
16.一種按照權(quán)利要求1至13之一所述設(shè)備(1)的使用，其特征為將含有待檢測物質(zhì)(9)的液體施加在第二載體( 上，該第二載體包括具有至少一個(gè)功能區(qū)(5)的多孔層 G)，為了與待檢測的物質(zhì)(9)結(jié)合，在功能區(qū)(5)內(nèi)固定有專門用于結(jié)合的捕捉分子(8)， 其中，在多孔層內(nèi)所述至少一個(gè)功能區(qū)(5)設(shè)置為與至少一個(gè)非功能區(qū)(6)直接相鄰， 以及所述液體尤其借助毛細(xì)力至少部分穿過多孔層(4)輸送，其中，待檢測的物質(zhì)專門與捕捉分子(8)結(jié)合，以及借助安放在第二載體上的為所述至少一個(gè)功能區(qū)(5)配設(shè)的傳感器陣列(3)的傳感器(10)，直接或間接電化學(xué)檢測所結(jié)合的物質(zhì)(9)，以及其中，安放在第二載體上的為所述至少一個(gè)非功能區(qū)(6)配設(shè)的傳感器陣列(3)的傳感器(10)，電化學(xué)檢測在所述非功能區(qū)(6)內(nèi)沒有結(jié)合待檢測的物質(zhì)(9)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測液體1內(nèi)化學(xué)或生化物質(zhì)的設(shè)備，它有包括一個(gè)具有多個(gè)電化學(xué)傳感器10的傳感器陣列3的第一載體2，以及有第二載體。第二載體包括一個(gè)多孔層4，它有至少一個(gè)功能區(qū)5，在功能區(qū)5內(nèi)固定專門用于結(jié)合的捕捉分子8。所述至少一個(gè)功能區(qū)5設(shè)置為與至少一個(gè)非功能區(qū)6直接相鄰。為所述至少一個(gè)功能區(qū)5和所述至少一個(gè)非功能區(qū)6分別配設(shè)傳感器陣列3的多個(gè)傳感器10，由此實(shí)現(xiàn)電化學(xué)攝影機(jī)的類型。本發(fā)明提供設(shè)備2的一種制造方法和使用。
文檔編號(hào)G01N27/403GK102449467SQ201080023769
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者A.弗雷, M.斯坦?jié)蔂? M.施恩勒, P.保利卡, W.甘姆布雷切特 申請(qǐng)人:西門子公司