DE3033730C2

DE3033730C2 - Vorrichtung zum Feststellen chemischer Substanzen

Info

Publication number: DE3033730C2
Application number: DE3033730A
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: 1983-08-25
Also published as: JPS5639454A; JPS617578B2; DE3033730A1; US4332658A

Description

(7) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (3) ein lonenmeßfühler ist, der an eine gemeinsame elektrische Stromquelle

(8) angeschlossene Darinanschlüsse (D) hat, an denen eine konstanteGleicfc^annung anliegt, sowie Sourceanschlüsse (S) und Halbleitersubstrate (K), die über Bezugswiderstände (9, 0, 11) geerdet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (3) ein lonenmeßfühler ist, der wahlweise gegenüber drei gewünschten unterschiedlichen Arten von Ionen empfindlich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Bezugswiderständen (9, 10, 11) verbundenen ersten Verstärker (12, 12,14) über einen mittels einer Umschaltsteuerschaltung (18) antreibbaren Analogschalter (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 Eingangsan-Schlüsse der ersten Verstärker eine Rückkopplungsschaltung mit Regelwiderständen (23, 24, 25) geschaltet ist.

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feststellen chemischer Substanzen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. ho

Es sind schon verschiedene elektrochemisch empfindliche Elemente vorgeschlagen worden, die als FET aufgebaut sind und in ihrem Gatebereich einen oder mehrere elektrochemisch empfindliche Bereiche haben, die gegenüber einer oder mehreren bestimmten h"> chemischen Substanzen empfindlich sind und beispielsweise Eisen, Gas, Enzyme, Antikörper oder dgl. feststellen können (US-PS 40 20 830). Ein solches elektrochemisch empfindliches Element besteht aus einem oder mehreren elektrochemisch empfindlichen Bereichen, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind und jeweils gegenüber einer von mehreren bestimmten chemischen Substanzen empfindlich sind. Es sind auch verschiedene Vorrichtungen zum Feststellen einer bestimmten lonenkonzentration und Aktivität in einer Testflüssigkeit, beispielsweise Serum oder dgl. mit Hilfe des obenerwähnten elektrochemisch empfindlichen Elements vorgeschlagen worden. Dazr gehört beispielsweise ein lonenmeßfühler.

In der Biochemie werden im allgemeinen an der gleichen Testflüssigkeit die verschiedensten Ionenkonzentrationen und Aktivitäten gemessen. Die bekannten Vorrichtungen eignen sich dazu nicht zufriedenstellend, da sieh die Betriebspunkte der einzelnen empfindlichen 'eiereiche unterschiedlich verändern können, worunter die Meßgenauigkeit leidet.

Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte Vorrichtung zum Feststellen mehrer chemischer Substanzen mit als Isoliergate-Feldeffekttransistor ausgebildeten elektrochemisch empfindlichen Elementen dahingehend zu verbessern, daß der Betriebspunkt jedes Elements besser beibehalten und dadurch die Meßgenauigkeit erhöht werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die neue Vorrichtung hat den Vorteil, daß die lonenkonzentration exakter und schneller gemessen werden kann, da jedes elektrochemisch empfindliche Element mit konstantem Strom arbeitet und bei seinem Betriebspunkt eingesetzt werden kann. Veränderungen des Betriebspunktes jedes Elements können ausgeglichen werden.

Das hohe Ansprechvermögen jedes Elements kann voll ausgenutzt werden. Dadurch sind Messungen mit besonders hoher Geschwindigkeit möglich.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung weiteren vorteilhaften finzelheiten anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Feststellen chemischer Substanzen;

F i g. 2 ein Schema zur Erläuterung der Betriebsweise eines Meßkanals gemäß F i g. 1.

Das in Fig. I gezeigte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum feststellen chemischer Substanzen ist geeignet, drei Arten von lonenkonzentrationen und Aktivitäten einer in einem Behälter 1 enthaltenen Testflüssigkeit 2 zu messen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein lonenmeßfühler 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 lonenmeßfühler 3 ist mit ionenempfindlichen Bereichen 4, 5 und 6 versehen, die mit der Testflüssigkeit 2 in Berünrung gebracht werden, in die eine Bezugselektrode 7 eintaucht. Jeder der ionenempfindlichen Bereiche des lönenmeßfühlers 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 K/> 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 Eingangsanschlusse erster Verstärker 12, 13 bzw. 14 verbunden, um die an den Verkiiüpfungspunkten 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 18 angetriebenen Anaiogschalter und einen zweiten Verstärker 20 jtn einen der Eingangsanschlüsse eines Differentialverstärkers 21 angelegt Am anderen Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 21 liegt eine konstante Bezugsvorspannung Vr von einer Quelle 22 elektrischer Spannung an. Zwischen dem Ausgangsanschluß des zweiten Verstärkers 20 und den negativen Eingangsanschlüssen der ersten Verstärker 12, 13, 14 sind Rückkopplungswege 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_x wird von einem Verstärker 26 festgestellt, dessen Ausgang an einem A/D-Umsetzer 27 anliegt, um einen digitalen Wert 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 verbessern, arbeitet jedes Element des als Halbleiter ausgebildeten Ionenmeßfühlers 3 bei konstantem Strom. Das bedeutet, daß jedes Element des lonenmeßfühlers 3 so betätigt wird, daß der Darin-Source-Strom jedes Elements immer einen konstanten Wert hat.

Fig.2 zeigt einen Meßkanal, der einem elektrochemisch 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 F i g. 'i dar. Es soll nun von folgenden Annahmen ausgegangen werden: Der Widerstandswert des Bezugswiderstandes 9 ist Ro, die Verstärkung des Verstärkers 12' ist K, die Verstärkung des Differentialverstärkers ist μ, die Spar.nung am Ausgangsanschluß des Differentialverstärkers 21, d. h. die Spannung am Punkt D, die an der Bezugseltktrode 7 anliegt, ist V_x und der Drain-Source-Strom des lonenmeßfühlers ist i.

Die Werte für Ro, K, μ und Vg werden so gewählt, daß der Drain-Source-Strom / einen gegebenen Wert annimmt, wenn der lonenmeßfühler in eine Testflüssigkeit eingetaucht wird, die ein gegebenes lon in einer bestimmten Konzentration enthält. Wenn der Darin-Source-Strom fo ist, dann läßt sich das Potential K₁₀ an der Bezugselektrode 7 durch folgende Gleichung ausdrücken:

Wenn unter diesen Bedingungen z. B. die lonenkonzentration zunimmt, erhöht sich der Darin-Source-Strom auf io+Δϊ und das Potential V_x an der Bezugselektrode 7 wird wie folgt ausgedrückt:

V_x = (Vr-

Es zeigt sich, daß V_x gegenüber V₁₀ um SiKAiR₀ verringert ist. Infolgedessen sinkt der Darin-Source-Strom auf io ab.

Der Wert von V_xo wird hierbei durch eine Spannungskomponente verringert, die die Ionenkonzentration im Gatebereich induzier». Wenn also die Verkleinerung der Spannung V_x0 gemessen wird, ist es

2u möglich, die Vergrößerung der lonenkonzentration zu messen. Wenn andererseits der Drain-Source-Strom auf einen Wert absinkt, der kleiner ist als λ, erhöht sich die Spannung Vvo auf einen Wert, der die Verminderung ausgleichen kann. Dadurch ist es möglich, die Änderung der Ionenkonzentration durch Feststellen der Zunahme oder Abnahme der an die Bezugselektrode 7 anzulegenden Spannung Vj₀ZU messen.

Mit der Vorrichtung zum Feststellen chemischer Substanzen können drei Arten von lonenkonzentratio-

t» nen in der Testflüssigkeit 2 gemessen werden. Für jeden Meßkanal ändert sich das Potential, d. h. die Spannung am Punkt D so, daß der Drain-Source-Strom jedes Elements immer einen konstanten Wert annimmt, wie oben anhand von Fig.2 erläutert Wenn der Analogs'' schalter 19 mittels der Umschaltesteuerschaltung 18 nacheinander umgeschaltet wird, werden die Spannungen entsprechend den Verknüpfungspunkten A, Buna C an den negativen Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 21 angelegt. Die Regelwiderstände 23, 24 und 25 in den Rückkopplungswegen werden ebenso wie die Bezugsvorspannungsquelle 22, die die Bezugsvorspannung Vr erzeugt, so eingestellt, daß bei Änderung des Betriebspunktes jedes elektrochemisch empfindlichen Elements mit Hilfe der Widerstände der Betriebspunkt

⁴"' wieder hergestellt wird. Es wird also jedes elektrochemisch empfindliche Element im Verlauf der Messung ständig auf einen zu Beginn der Messung eingestellten Arbeitspunkt gehalten, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert und die Meßzeit verkürzt wird. Das schnelle

"'" Ansprechvermögen des als Halbleiter ausgebildeten lonenmeßfühlers kann also voll ausgenutzt werden. Die genannte Einstellung erfolgt durch Benutzung einer Standardflüssigkeit mit bekannter lonenkonzentration.

Bei dem hie» beschriebenen Ausführungsbeispiel hat

"'"' der Ionenmeßfühler 3 drei IG FET; aber es können auch mehr als drei derartige Elemente vorgesehen soin. Außerdem können die Widerstandswerte der mit dem Sourceanschluß jedes Transistors verbundenen Bezugswiderstände 9,10,11 variabel sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Feststellen chemischer Substanzen mit einem eine Vielzahl elektrochemisch empfindliche Elemente aufweisenden Meßfühler, welche als IG FET auf einem oder mehreren Substraten ausgebildet sind und elektrochemisch 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 Feststellen unterschiedlicher Substanzen in der Testsubstanz in Berührung gebracht sind, gekennzeichnet durch Bezugswiderstände (9, 10, 11), die an die Sourceanschlüsse der elektrochemisch empfindlichen Elemente (4,5,6) angeschlossen sind, erste Verstärker (12, 13, 14), die einerseits mit den Bezugswiderständen (9,10,11) und andererseits mit einem Differentialverstärker (21) in Verbindung stehen, des- an die ersten Verstärker (12, 13, 14) gemeinsam angeschlossen ist und zwei Eingangsanschlüsse hat, an deren einen die Ausgangsspannung der ersten Verstärker (12, 13, 14) und an dessen anderem Eingangsanschluß eine steuerbare Bezugsvorspannung anliegt, wobei der Ausgang des Differentialverstärkers (21) m·: der Bezugselektrode