DE3033730A1

DE3033730A1 - Vorrichtung zum feststellen chemischer substanzen

Info

Publication number: DE3033730A1
Application number: DE19803033730
Authority: DE
Inventors: Kosaku Hachioji Tokyo Tsuboshima
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1979-09-10
Filing date: 1980-09-08
Publication date: 1981-03-12
Also published as: JPS5639454A; US4332658A; DE3033730C2; JPS617578B2

Description

PATENTANWÄLTE

WUESTHOFF - ν. PECHMANN - BEHRENS - GOETZ

professional representatives before the european patent office agrees pres l'office europeen des brevets

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DR.-ING. FRANZ TUESTHOFF DR. PHIL. FREDA TUESTHOFF (1927-J956) DITL.-ING. GERHARD PULS (19JI-I971) DITL.-CHEM.DR. E.FREIHERR VON PECHMANN DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DIPL.--WIRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ

D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2 telefon: (089)662051 telegramm: protectpatent telex: j24 070

Patentanmeldung

Anmelder: OLYMPUS OPTICAL COMPANY LIMITED

No. 43-2, 2-Chome, Hatagaya, Shibuya-Ku, Tokio, Japan

Titel:

Vorrichtung zum Feststellen chemischer Substanzen

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DR.-ING. FRANZ VUESTHOFTF

PATENTANWÄLTE _{DR pHlL FR£DA TUESTHOFF (l5279}

WUESTHOFF-v. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ _d,pl,,ng.gerhard puls (i_9JI-_I97.)

DIPL.-CHEM. I)R. E. FREIHERR VON PECHMANN PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE DR.-ING. DIETER BEHRENS

KANDATAIRES agrees pres l'office europeen des brevets dipl.-ing.; dipl.-tirtsch.-ing. rupert goetz

D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2

telefon: (089) 6620 Ji

TELEGRAMM: PROTECTPATENT

Telex: J 24 070

IA-54 028

Beschreibung Vorrichtung zum Peststellen chemischer Substanzen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Peststellen chemischer Substanzen, die eine Vielzahl von chemisch empfindlichen Elementen aufweist und auf einem oder mehreren Substraten als Isoliergate-Peideffekttransistor (IG FET) ausgebildet ist und chemisch empfindliche Bereiche hat, die auf bestimmte unterschiedliche Substanzen wahlweise empfindlich reagieren. Ferner weist die Vorrichtung eine Bezugselektrode auf. Mindestens die chemisch empfindlichen Bereiche und die eine Bezugselektrode werden mit der gleichen Testsubstanz in Berührung gebracht, um bestimmte unterschiedliche darin enthaltene Substanzen festzustellen.

Es sind schon verschiedene chemisch empfindliche Elemente vorgeschlagen worden, die als FET aufgebaut sind und in ihrem Gatebereich einen chemisch empfindlichen Bereich haben, der gegenüber einer bestimmten chemischen Substanz empfindlich ist und beispielsweise Eisen, Gas, Enzyme, Antikörper oder dgl. feststellen kann. Sin solches chemisch empfindliches Element besteht aus einem chemisch empfindlichen Bereich, der auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist und wahlweise gegenüber einer bestimmten chemischen Substanz empfindlich ist. Das Element kann auch aus einer Vielzahl von chemisch empfindlichen Bereichen zusammengesetzt sein, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind und wahlweise gegenüber unterschiedli-

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chen chemischen Substanzen empfindlich sind. Es sind auch verschiedene Verfahren zum Feststellen einer "bestimmten Ionenkonzentration und Aktivität in einer Testflüssigkeit, beispielsweise Serum oder dgl. mit Hilfe des oben erwähnten chemisch empfindlichen Elements vorgeschlagen worden. Dazu gehört bei- · spielsweise ein Ionenmeßfühler.

In der Biochemie werden im allgemeinen an der gleichen Testflüssigkeit die verschiedensten Ionenkonzentrationen und Aktivitäten gemessen. Ein bekanntes Meßverfahren sieht dabei vor, die gleiche.Testflüssigkeit in eine Vielzahl von Behältern einzuspritzen und entsprechende Meßschaltkreise für diese Behälter vorzusehen. Die Messung erfolgt dabei mit Hilfe eines Mehrfachkanalsystems. Da hierbei jedoch die verschiedenen Ionenkonzentrationen und Aktivitäten unabhängig gemessen werden, erfordert das Verfahren eine große Menge Testflüssigkeit und ist umständlich zu handhaben. Besonders wenn ein Ionenmeßfühler benutzt wird, der aus einer Vielzahl chemisch empfindlicher Bereiche besteht, die auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet und gegenüber unterschiedlichen Ionen empfindlich sind, lassen sich die Möglichkeiten eines Ionenmeßfühlers nicht voll ausnutzen. Dieser Nachteil des Ionenmeßfühlers stellt sich auch bei Benutzung von Meßfühlern für Gase, Enzyme, Immunitäten oder dgl. ein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Feststellen chemischer Substanzen zu schaffen, in welcher ein als Isoliergate-Feldeffekttransistor konstruiertes chemisch empfindliches Element vorgesehen ist und mit der die genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können und ohne weiteres bei Verwendung nur einer kleinen Menge einer Testsubstanz eine Reihe von unterschiedlichen Arten bestimmter chemischer Substanzen in der gleichen Zelle festgestellt werden kann.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im einzelnen in Anspruch 1 gekennzeichnet.

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Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Feststellen chemischer Substanzen;

Pig. 2 ein Schema zur Erläuterung der Betriebsweise eines Meßkanals gemäß Fig. 1.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Feststellen chemischer Substanzen ist geeignet, drei Arten von Ionenkonzentrationen und Aktivitäten einer in einem Behälter 1 enthaltenen Testflüssigkeit 2 zu messen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Ionenmeßfühler 3 vorgesehen, der als Isoliergate-Feldeffekttransistor ausgebildet ist, welcher auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet und wahlweise gegenüber drei gewünschten Arten von Ionen empfindlich ist. Der Ionenmeßfühler 3 ist mit ionenempfindlichen Bereichen 4, 5 und 6 versehen, die mit der Testflüssigkeit 2 in Berührung gebracht werden, in die eine Bezugselektrode 7 eintaucht. Jeder der ionenempfindlichen Bereiche des Ionenmeßfühlers weist einen Drainanschluß D, einen Sourceanschluß S und ein Halbleitersubstrat K auf. Die Drainanschlüsse D sind an eine gemeinsame Quelle 8 elektrischen Stroms angeschlossen und erhalten eine konstante Gleichspannung V-p., während alle Sourceanschlüsse S und die Halbleitersubstrate K über Bezugswiderstände 9, 10 bzw. 11 geerdet sind. Zwischen den ionenempfindlichen Bereichen und den Bezugswiderständen 9, 10, 11 liegende Verknüpfungspunkte A, B, C sind jeweils mit einem der Eingangsanschlüsse erster Verstärker 12, 13 bzw. 14 verbunden, um die an den Verknüpfungspunkten A, B, C herrschenden Spannungen an einen der Eingangsanschlüsse der ersten Verstärker 12, 13 bzw. 14 anzulegen, während die anderen Eingangsanschlüsse dieser Verstärker 12, 13, 14 über Widerstände 15» 16 bzw. 17 geerdet sind. Die Ausgangsspannungen der ersten Verstärker 12, 13, 14 werden wahlweise über einen von einer Umschaltsteuerschaltung

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18 angetriebenen Analogechalter und einen zweiten Verstärker 20 an einen der Eingangsanschlüsse eines Differentialverstärkers 21 angelegt. Am anderen Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 21 liegt eine konstante B e zug sv or spannung V₁₃ von einer Quelle 22 elektrischer Spannung an. Zwischen dem Ausgangsanschluß des zweiten Verstärkers 20 und den negativen* Eingangsanschlussen der ersten Verstärker 12, 13, 14 sind Hückkopplungswege vorgesehen, in denen Regelwiderstände 23, 24, 25 zum Einstellen der Verstärkung der Verstärker angeordnet sind.

Der Ausgangsanschluß des Differentialverstärkers 21 liegt an der Bezugselektrode 7 an. Die an diesem Ausgangsanschluß herrschende Spannung V wird von einem Verstärker 26 festgestellt, dessen Ausgang an einem A/D-Umsetzer 27 anliegt, um einen digitalen V/ert zu erhalten, der auch digital angezeigt wird. Ferner ist der AusgangsanSchluß des Differentialverstärkers 21 über eine Zenerdiode 28 geerdet, wodurch verhindert wird, daß eine abnorm hohe Spannung an die Bezugselektrode 7 gelangt. Hierdurch wird der als Halbleiter aufgebaute Ionenmeßfühler 3 vor. Beschädigung geschützt.

Um die Meßgenauigkeit zu verbessere arbeitet gemäß der Erfindung jedes Element des als Halbleiter ausgebildeten Ionenmeßfühlers 3 bei konstantem Strom. Das bedeutet, daß jedes Element des Ionenmeßfühlers 3 so betätigt wird, daß der Drain-Source-Strom jedes Elements immer einen konstanten Wert hat.

Fig. 2 zeigt einen Meßkanal, der einem chemisch empfindlichen Element des in Fig. 1 gezeigten Schaltkreises zugeordnet ist. Ein in Fig. 2 gezeigter einziger Verstärker 12' stellt den ersten Verstärker 12, den Analogschalter 19 und den zweiten Verstärker 20 gemäß Fig. 1 dar. Es soll nun von folgenden Annahmen ausgegangen werden: Der Widerstandswert des Bezugswiderstandes 9 ist Rq, die Verstärkung des Verstärkers 12' ist K, die Verstärkung des Differentialverstärkers ist μ, die Span-

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nung am Ausgangsanschluß des Differentialverstärkers 21, d.h. die Spannung am Punkt D, die an der Bezugselektrode 7 anliegt, ist V und der Drain-Source-Strom des Ionenmeßfühlers ist i. Gemäß der Erfindung werden die Werte für Rq,.K, μ und V„ so gewählt, daß der Drain-Source-Strom i einen gegebenen Wert annimmt, wenn der Ionenmeßfühler in eine Testflüssigkeit eingetaucht wird, die ein gegebenes Ion in einer "bestimmten Konzentration enthält. Wenn der Drain-Source-Strom 1q ist, dann läßt sich das Potential V q an der Bezugselektrode 7 durch folgende Gleichung ausdrücken:

Wenn lonter diesen Bedingungen z.B. die Ionenkonzentration zu nimmt, erhöht sich der Drain-Source-Strom auf Iq+äi und das Potential V an der Bezugselektrode 7 wird wie folgt ausge-

JTl.

drückt:

^Vx - (^VR - K(i) )

Es zeigt sich, daß V gegenüber V ~ um pK4iR₀ verringert ist. Infolgedessen sinkt der Drain-Source-Strom auf i_Q ab und wird dabei stabil. Der Wert von V wird hierbei von V q durch eine Spannungskomponente verringert, die das Ion im Gatebereich induziert. Wenn also die Verkleinerung der Spannung V gemessen wird, ist es möglich, die Vergrößerung der Ionenkonzentra tion zu messen. Wenn andererseits der Drain-Source-Strom auf einen Wert absinkt, der kleiner ist als i_Q, erhöht sich die Spannung v_ auf einen Wert, der die Verminderung ausgleichen kann. Dadurch ist es möglich, die Änderung der Ionenkonzentra tion durch Feststellen der Zunahme oder Abnahme der an die Be zugselektrode 7 anzulegenden Spannung V kennenzulernen.

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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Feststellen chemi-'scher Substanzen können außerdem drei Arten von Ionenkonzentrationen, z.B. drei Ionenkonzentrationen in der Testflüssig-

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keit 2 gemessen werden. Für jeden Meßkanal ändert sich das Potential, d.h. die Spannung V am Punkt D so, daß der Drain-Source-Strom jedes Elements immer einen kontanten Wert annimmt, wie oben anhand von Fig. 2 erläutert. Wenn der Analogschalter 19 mittels der Umschaltsteuerschaltung 18 nacheinander umgeschaltet wird, werden die Spannungen entsprechend den · Verknüpfungspunkten A, B und C an den negativen Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 21 angelegt. Hierbei werden die Regelwiderstände 23, 24 und 25 in den Rückkopplungswegen ebenso wie die Quelle 22 elektrischer Vorspannung, die die Bezugsvorspannung ν_Ώ erzeugt, so eingestellt, daß die Schwankung der Charakteristik jedes chemisch empfindlichen Elements korrigiert wird, um den optimalen Betriebspunkt für jedes chemisch empfindliche Element zu erzielen. Es wird also jedes chemisch empfindliche Element im Verlauf der Messung ständig unter optimaler Betriebsbedingung gehalten, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert und die Meßzeit verkürzt wird. Das schnelle Ansprechvermögen des als Halbleiter ausgebildeten Ionenmeßfühlers kann also voll ausgenutzt werden. Die genannte Einstellung kann durch Benutzung einer Standardflüssigkeit mit bekannter Ionenkonzentration erfolgen.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt sondern läßt sich in vieler Hinsicht abwandeln und ändern. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel hat der Ionenmeßfühler 3 drei IG FET; aber es können auch mehr als drei derartige Elemente vorgesehen sein. Außerdem können die Widerstandswerte der mit dem Sourceanschluß jedes Transistors verbundenen Bezugswiderstände 9» 10, 11 variabel sein, um Schwankungen in der Charakteristik jedes Transistors auszugleichen.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Feststellen chemischer Substanzen, die wie oben beschrieben aufgebaut und angeordnet ist, hat eine Reihe von Vorteilen. Dazu gehören: 1.) Da jedes chemisch empfindliche Element mit konstantem Strom arbeitet, kann die Ionenkonzentration exakt gemessen werden. 2.) Jedes

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chemisch empfindliche Element kann "bei seinem optimalen Betriebspunkt eingesetzt werden. 5·) Schwankungen in der Charakteristik jedes chemisch empfindlichen Elements können ausgeglichen werden. 4.) Das Merkmal des hohen Ansprechvermögens jedes chemisch empfindlichen Elements kann voll ausgenutzt werden, so daß Messungen mit hoher Geschwindigkeit möglich sind. 5.) Das automatische Umschalten des Meßkanals kann mit Hilfe eines Analogschalters 19 erfolgen, wodurch die Messung auf einfache Weise automatisiert wird. Schließlich wird eine Quelle 22 elektrischer Bezugsvorspannung und ein Differentialverstärker 21 verwendet, die allen Meßkanälen gemeinsam sind, so daß der Schaltkreis einen einfachen Aufbau hat.

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L e e r s e i t e

Claims

DR.-ING. TRANZ VUESTHOFJ PATENTANWÄLTE dr. phil.freda vuesthoff (ΐ927-Ι9ί6) WUESTHOFF-v. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ difi,»«.«««».. puls DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE DR.-ING. DIETER BEHRENS MANDATAIRES AGREES PRES l'oFFICE EUROPEEN DES BREVETS DIPL.-ING.J DIPL1-VIRtSCH. ING. XUPERT G0ET2 D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2 telefon: (089) 66 20 ji ■1 λ_ελ q28 telegramm: protectpatent telex: 524070 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Peststellen chemischer Substanzen mit einer Vielzahl chemisch empfindlicher Elemente, die als IG ΙΈΤ auf einem oder mehreren Substraten ausgebildet sind und chemisch empfindliche Bereiche haben, welche wahlweise gegenüber bestimmten unterschiedlichen Substanzen empfindlich sind, und mit einer Bezugselektrode, von denen mindestens die chemisch empfindlichen Bereiche und die eine Bezugselektrode zum Peststeilen unterschiedlicher bestimmter Substanzen in der Testsubstanz mit der gleichen Testsubstanz in Berührung gebracht werden,

gekennzeichne t durch Bezugswiderstände (9, 10, 11), die an die Sourceanschlüsse der chemisch empfindlichen
Elemente (4, 5, 6) angeschlossen sind, erste Verstärker (12, 13, Η), die mit den Bezugswiderständen verbunden sind und
an den Bezugswiderständen erzeugte Spannungen erhalten und
so betätigbar sind, daß mit ihnen die Verstärkung eines Differentialverstärkers (21) einstellbar ist, der an die ersten Verstärker gemeinsam angeschlossen ist und zwei Eingangsanschlüsse hat, an deren einem wahlweise die Ausgangsspannung
der ersten Verstärker anliegt, wobei der Differentialverstärker (21) seine Ausgangsspannung an die Bezugselektrode (7) abgibt, und durch eine Quelle (22) einer Bezugsvorspannung, die mit dem anderen Eingangsanschluß des Differentialverstärkers (21) verbunden ist und an diesen eine Gate-Bezugsvorspannung anlegt, wobei die an der Bezugselektrode anliegende Vorspannung wahlweise so steuerbar ist, daß stets ein gegebener

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elektrischer Strom im Drain-Source-Weg jedes der chemisch empfindlichen Elemente fließt und verschiedene in der Testsubstanz enthaltene "bestimmte Substanzen auf der Basis des Vorspannungswertes wahlweise feststellbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das chemisch empfindliche Element einen als IG· PET aufgebauten Ionenmeßfühler (3) aufweist, der an eine gemeinsame Quelle (8) elektrischen Stroms angeschlossene Drainanschlüsse (D) hat, an denen eine konstante Gleichspannung anliegt, sowie Source-Anschlüsse (S) und Halbleitersubstrate (K), die über Bezugswiderstände (9, 10, 11) geerdet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennze ichne t, daß das chemisch empfindliche Element einen als ig PET aufgebauten Ionenmeßfühler (3) aufweist, der wahlweise gegenüber drei gewünschten unterschiedlichen Arten von Ionen empfindlich ist und mit der Testflüssigkeit (2) in Berührung bringbar ist, und daß die Bezugselektrode (7) in die Testflüssigkeit eintaucht.

4· Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Bezugswiderständen (91 10, 11) verbundenen ersten Verstärker (12, 13» 14) über einen mittels einer Umschaltsteuerschaltung (18) antreibbaren Analogsohalter (19) und einen zweiten Verstärker (20) mit einem der Eingangsanschlüsse des Differentialverstärkers (21) verbunden sind und daß zwischen den Ausgangsanschluß des zweiten Verstärkers (20) und negative Eingangsanschlüsse der ersten Verstärker eine Rückkopplungsschaltung mit Regelwiderständen (23, 24, 25) geschaltet ist.

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