WO2016155709A1 - Device and method for detecting an ionic analyte in a fluid in a qualitative and/or quantitative manner - Google Patents

Device and method for detecting an ionic analyte in a fluid in a qualitative and/or quantitative manner Download PDF

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WO2016155709A1
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ion
sensor
fluid
analyte
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PCT/DE2016/100153
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Martin Aicher
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Martin Aicher
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/27Association of two or more measuring systems or cells, each measuring a different parameter, where the measurement results may be either used independently, the systems or cells being physically associated, or combined to produce a value for a further parameter
    • GPHYSICS
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/333Ion-selective electrodes or membranes

Definitions

  • the invention relates to a device for the qualitative and / or quantitative determination of an ionic analyte in a fluid, in particular ions of a species. It further relates to a method for the qualitative and / or quantitative determination of ionic analytes in a fluid, in particular of ions of a species.
  • Sensors measure sum parameters such as conductivity, i. H. the sum of electrolytes of a fluid.
  • Selective sensors measure a group of ions. They are therefore referred to as ion-selective sensors.
  • Specific sensors can determine elements of a kind from the periodic table. They are therefore referred to as ion-specific sensors.
  • Ion-specific sensors differ from ion-selective sensors in that they can measure an analy ion from the periodic table of the elements.
  • ion-sensitive sensors react cross-sensitively and cross-sensitively to neighboring ions in the periodic table and to the conductivity and pH of a fluid.
  • Ion-selective electrodes are electrochemical sensors with which the concentration or the activity of certain ions can be determined by means of a potential difference.
  • the ion-selective potential difference occurs at the phase boundary between the sensor membrane and the electrolyte and, according to the Nernst equation, depends on the activity of a particular ion in the solution.
  • An example of such sensors are ion-selective field-effect transistors.
  • ISEs are mostly selective, ie they measure a selection of different ions by their adverse cross-sensitivity and cross-sensitivity. In addition, ISEs are sensitive to the conductivity and pH of the fluid.
  • the absolute values of the electrical potential have no physical significance, since the potential can only be defined in relation to a reference value.
  • a reference value is usually supplied by the potential of the reference electrode.
  • the necessity of a reference electrode is the decisive disadvantage in the use of potentiometric measurements for the determination of ionic activities in solution.
  • Another fundamental limitation in the potentiometric analysis methods relates to the composition of the ion-selective membrane. The nature requirements of the specific binding and / or the complexing sites within the membrane are to be set so that the potential difference at the membrane / solution interface is specifically built up depending on the presence of a particular species in the solution.
  • this binding should not be too strong so that a sufficiently rapid exchange of the detected species between the membrane phase and the solution is possible.
  • IDES Inter-Digital Electrode Structure
  • the IDES is filled to size with an ion-selective membrane.
  • the membrane and the IDES form both a mechanical and an electrical bond on the substrate.
  • the ion-selective membrane interacts with the analyte and alters the electrical property of the electrolyte / membrane phase.
  • the electrical behavior of the membrane is measured with the IDES.
  • Sensors of the above type that is to say the selectively measuring sensors, generally comprise an inert substrate as insulator, a signal transmission element in the form of an electrode structure as well as an ion-selective membrane and a reference electrode as potential reference.
  • the analyte-selective membrane contains chemical coupling elements consisting of ligands embedded in a polymer matrix.
  • the matrix consists of polymer, plasticizer and solvents. The polymer matrix adversely affects manufacturability and specificity. This membrane covers the electrode structure.
  • nanochannels have no ion-specific coating in the form of coupling elements such as ligands.
  • coupling elements such as ligands.
  • nanostructured substrates in connection with a signal transmission element are known from the prior art.
  • a fundamental limitation concerns the composition of the ion-selective membrane.
  • the polymer matrix shows susceptibility to ions of other species.
  • Another problem is an unavoidable sudden change in the dielectric constant of the sensitive membrane, depending on the composition of the solution to be analyzed.
  • a reference electrode means an additional device with variations in their reproducibility and life.
  • the necessity of a reference electrode is the decisive disadvantage in the use of potentiometric measurements for the determination of ionic activities in solution.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a device is to be specified which enables an improved, in particular faster and more accurate, determination of an ionic analyte, in particular of ions of a species, in a fluid and at the same time reduces the expenditure on equipment.
  • an ion-sensitive sensor, an arrangement with such an ion-specific sensor and a method are provided, which are suitable for the qualitative and / or quantitative determination of an ionic analyte, in particular ions of a species in a fluid.
  • an apparatus for quantitatively and / or qualitatively determining an ionic analyte comprising an ion-specific sensor comprising a first substrate and a first signal transmitting element, wherein at least the first substrate is contacted with the fluid and wherein the first substrate Attachment sites for the analyte; and a conductivity sensor having a second substrate and a second signal transmission element and brought into contact with the fluid.
  • the first signal transmission element and the second signal transmission element may be identical. But they can also be different.
  • the device according to the invention requires no reference electrode.
  • the substrate of the ion-specific sensor is brought into direct contact with the fluid.
  • a membrane is therefore not required.
  • the ion-specific sensor thus has no membrane.
  • a coating, in particular an analyte-specific coating or a membrane-replacing coating, on the substrate of the ion-specific sensor is not required.
  • the ion-specific sensor thus has no coating.
  • the ion-specific sensor has no electrolyte. Because the ion-specific sensor manages without membrane, it can consist only of the first substrate and the first signal transmission element.
  • the conductivity sensor may also consist only of the second substrate and the second signal transmission element.
  • the ion-specific sensor can be designed as a solid state sensor.
  • the conductivity sensor may be formed as a solid state sensor.
  • the invention is based on the fact that the first substrate sensitively changes its electrical property upon contact with analyte ions, while the conductivity sensor has no sensitive electrical property change on contact with analyte ions.
  • the conductivity sensor provides a reference signal that can be used to correct the measurement signal provided by the ion-specific sensor.
  • the signal difference between the first and second signal transmission elements is a measure of the ion concentration or activity of the ionic analyte in the fluid.
  • the ionic analyte may be, for example, a cation or an anion In one embodiment of the invention, it is a cation
  • the ionic analyte may be ions of a species, in particular ions of a species of the periodic table of the elements, for example the ionic analyte may be cations of a species, in particular cations of a species of the Periodic Table of the Elements or molecular compounds.
  • the first substrate is a cation-specific substrate
  • the analyte ion is an anion
  • the first substrate is an anion-specific substrate
  • cations which can be determined by means of the device according to the invention are H + , Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , NH 4 + , but the list is not exhaustive
  • Anions that can be determined by the device according to the invention are F “ , Cl " , C0 3 2 " , P0 4 3" , the list is not exhaustive.
  • the first substrate should be a specific ion specific substrate.
  • the fluid may be, for example, a liquid, a gas or a mixture, with a liquid being preferred.
  • the fluid is water.
  • the fluid is also referred to below as measuring fluid or measuring medium.
  • the measuring fluid may be an electrolyte solution.
  • the device according to the invention it can be determined whether the measurement fluid contains a specific analyte. For the qualitative determination of the analyte, it is sufficient if it can be established that the measurement fluid contains or does not contain the analyte. For the quantitative determination of the analyte, it is determined in which concentration the analyte is contained in the measurement fluid.
  • the measuring fluid may contain substances, in particular ions, which are not the analyte.
  • the measurement fluid may contain ions that are different from the analyte.
  • the measurement fluid (i) can contain only the analyte or (ii) contain only ions which differ from the analyte, or (iii) contain the analyte and ions which differ from the analyte.
  • the measuring fluid may thus contain the same or different ions. If the analyte ions are dissolved in the measurement fluid, then it may be a measurement solution.
  • the detection can be understood to mean that the fluid contains analyte ions.
  • a quantitative determination can be understood to mean the determination of the concentration of the analyte ion in the fluid.
  • the ion-specific sensor has a first substrate and a first signal transmission means. At least the first substrate is brought into contact with the measurement fluid when the ion-specific sensor is introduced into the measurement fluid.
  • the first signal transmission means can also come into contact with the measurement fluid. That is not necessary.
  • the statement that at least the first substrate is brought into contact with the fluid is to be understood such that the first substrate is intended to be brought into contact with the fluid.
  • the first substrate has attachment sites for the analyte. These attachment sites are attachment sites to which only the analyst but no other ion in the measurement fluid can attach.
  • the attachment sites can thus be referred to as analyte-specific attachment sites. Due to the analyte-specific attachment sites, the first substrate is an ion-specific substrate.
  • the attachment sites may be selected from the group comprising pores, channels, surface functionalization, or combinations thereof.
  • the pores may be referred to as ion pores and channels as ion channels.
  • the first substrate has only ion pores, only ion channels, or only surface functionalization.
  • the first substrate has only ion pores and ion channels.
  • the substrate has ion pores and ion channels and surface functionalization.
  • the ion pores, the ion channels or both have a surface modification.
  • ion channels and ion pores are also referred to below as nanochannels or nanopores.
  • Nanochannels and nanopores are also collectively referred to as nanostructures.
  • the first substrate together with the first signal transmission element can also be referred to as nanochannel electrode.
  • the first substrate is a cation-specific substrate. If the analyte ion is an anion, the first substrate is an anion-specific substrate.
  • the surface functionalization should allow an analyte-specific attachment of the analyte to the first substrate.
  • coupling elements preferably chemical coupling elements
  • Chemical coupling elements allow chemical bonding between the coupling element and the analyte ion.
  • the coupling elements may be, for example, ligands, cryptands, ionophores or combinations thereof.
  • the layer thickness of the surface functionalization can be a few nanometers.
  • Surface functionalization may be a chemical functionalization of the substrate surface.
  • the substrate surface of the first substrate has ion pores, ion channels or both, then a geometric nanostructuring of the substrate surface is formed.
  • the first substrate can thus be referred to as nanostructured substrate.
  • the first substrate may be referred to as a chemically functionalized substrate.
  • the first substrate has both (i) ion pores, ion channels, le or both and (ii) surface functionalization, it is thus a nanostructured and chemically functionalized substrate.
  • no coating is applied to the substrate surface of the first substrate, in particular no coating of an analyte-specific material and no coating which forms a membrane according to the prior art.
  • the nanopores and / or nanochannels may take various suitable forms.
  • a cylindrical shape or truncated cone shape is preferred.
  • a truncated cone shape is particularly preferred in which the radius of the opening is smaller than the base of the nanopore.
  • the radius of the opening of a conical nanochannel or a conical nanopore is preferably in the range of about 2 nm to about 500 nm.
  • the depth of a nanostructure is the distance from the opening to the base of the nanostructure. The depth is preferably in the range of 10 nm to 100 ⁇ .
  • the specificity of the ion-specific sensor for an analyte ion, in particular an ion of an element from the Periodic Table, can be made possible, for example, by one or more of the following measures: (i) individual dimensioning of the nanochannels and / or nanopores for the analyte ion;
  • a surface functionalization specific to the analyte ion is present when only the analyte ion can attach to the surface of the first substrate.
  • a specific surface modification for the analyte ion is present if only the analyte ion can bind to the surface of the nanochannels and / or nanopores. In any case, it must be ensured that only the analyte ion, but not other ions, can attach to the attachment sites of the first substrate.
  • the nanostructures may be formed by irradiating the surface of the first substrate with ions and then selectively chemical etching the ion trace areas in the first substrate.
  • the electrochemical interaction with the analyte ions on the surface of the first substrate and in the first substrate can be improved by a functionalized wetting of the surface of the first substrate by performing a functionalized wetting of the surface of the first substrate and / or the surfaces of the nanostructures with ligands becomes.
  • the surface of the nanopores and / or of the nanochannels can be modified in order to change the surface properties, for example the electrical charge density, hydrophobicity or hydrophilicity of the respective surfaces.
  • coupling elements can be formed on the surfaces of the nanostructures by means of the surface modification.
  • Chemical coupling elements allow chemical bonding between the coupling element and the analyte ion.
  • the coupling elements may be, for example, ligands, cryptands, ionophores or combinations thereof, wherein ligands are preferred.
  • the surface modification may correspond to the surface functionalization described above, provided that the surface functionalization is formed on the surface of the respective nanostructure.
  • the functionalized wetting is a form of surface modification.
  • the first substrate has nanostructures with modified surfaces.
  • the modification consists of functional coupling elements in the form of ligands attached to the inner surface of the nanostructure.
  • an ion-specific sensor is obtained, which is for detecting ions by measuring the change of an electrical property of the first substrate, for. Resistivity and capacitance of the first substrate, upon binding of the analyte ion to the ligands that are on the surface of the nanopore.
  • the first substrate can be made, for example, from glass, Si, Si0 2 , Si 3 N 4 , quartz, alumina, nitrides, metals, polymers or other suitable materials.
  • the first substrate is made of a polymer.
  • the permselectivity of the ion-specific sensor it is of interest to influence the interaction between the analyte ions, the first substrate and the boundary layer fluid / electrode structure.
  • the specificity for the ion measurement can be improved.
  • the first signal transmission element is in communication with the first substrate.
  • the first signal transmission element may be in the form of an IDES (Inter-Digital Electrode Structure).
  • the IDES may be an IDES made of an interdigitated thin-film metal electrode structure of Ni, Pt or Au deposited on the first substrate.
  • the first signal transmission element may be in the form of rods, wires, meshes or IDE (Interdigital Electrodes).
  • the first signal transmission element may be free-standing, applied to the substrate or embedded in the substrate.
  • the first signal transmission element is formed by one or more interdigital electrodes. Details of the configuration of the first signal transmission element in the form of an IDE (Inter-Digital Electrode) or an IDES (Inter-Digital Electrode Structure) can be found in the prior art.
  • the first substrate may be formed as a shaped body.
  • the first substrate together with the first signal transmission element form a shaped body.
  • the first substrate with the IDES is designed as a 2D or 3D shape, wherein different 2D and 3D shapes are possible.
  • the IDES of the ion-specific sensor can consist, for example, of platinum, gold, silver, nickel or tungsten. But it can also consist of any other electrically conductive material, for example carbon, a semiconductor (eg silicon) or an electrically conductive polymer (eg polyanaline).
  • the IDES may be applied to the first substrate, for example, by thick film technology.
  • the first signal transmission element in the form of an IDES may have a comb structure with a plurality of electrode fingers.
  • Two interdigital electrodes (IDE) or conduction bands can be applied to the second substrate.
  • the conduction band can be a polymer band, glass, ceramic, sapphire or silicon.
  • the electrode materials of the first signal transmission element may consist of ionic, electronic or semiconductive materials.
  • the ion-specific sensor does not require a membrane because the first substrate is brought into direct contact with the measurement fluid.
  • the ion-specific sensor may consist of only two components, namely the first substrate and the first signal transmission element. The invention thus enables the reduction of the components from three to two components, which considerably simplifies the reproducible production of the ion-specific sensor.
  • the first substrate of the ion-specific sensor together with the first signal transmission element forms a nanochannel electrode.
  • the nanochannel electrode is formed by the first substrate interspersed with nanopores and / or nanochannels and the first signal transmission element.
  • the first substrate of the nanochannel electrode may further have a surface functionality.
  • a nanochannel electrode can be manufactured rationally and reproducibly, for example, together with a signal transmission element.
  • the first signal transmission element is applied to the first substrate or embedded in the first substrate.
  • the specificity of the sensor to an analyte ion is made possible by an individual dimensioning and surface functionalization of the nanochannels / nanopores for the analyte ion.
  • the conductivity sensor has a second substrate and a second signal transmission element.
  • the second substrate is preferably an inert substrate.
  • ions including the analyte ions
  • the second substrate should have no ion pores, no ion channels and no surface functionalization.
  • the second substrate should thus have no analyte-specific properties.
  • the second substrate may consist of an inert material, in particular an insulating, inert material.
  • the second substrate can be made, for example, from glass, Si, Si0 2 , Si 3 N 4 , quartz, alumina, nitrides, metals, polymers or other suitable materials.
  • the second substrate is a polymer.
  • the second signal transmission element is in communication with the second substrate.
  • the second signal transmission element may be in the form of an IDES (Inter-Digital Electrode Structure).
  • the IDES may be an IDES made of an interdigitated thin-film metal electrode structure of Ni, Pt or Au deposited on the second substrate.
  • the second signal transmission element may be in the form of rods, wires, Mesh or IDE (interdigital electrodes) may be formed.
  • the second signal transmission element may be free-standing, applied to the substrate or embedded in the substrate. Alternatively, the second signal transmission element does not require a substrate.
  • the second signal transmission element is formed by one or more interdigital electrodes.
  • the second substrate may be formed as a shaped body.
  • the second substrate together with the second signal transmission element form a shaped body.
  • the second substrate with the IDES is designed as a 2D or 3D shape, wherein different 2D and 3D shapes are possible.
  • the IDES of the conductivity sensor can be made of platinum, gold, silver, nickel or tungsten, for example. However, it can also consist of any other electrically conductive material, for example carbon, a semiconductor (eg silicon) or an electrically conductive polymer (eg polyanaline).
  • the IDES may be applied to the second substrate, for example, by thick film technology.
  • the second signal transmission element in the form of an IDES may have a comb structure with a plurality of electrode fingers. Two interdigital electrodes (IDE) or conduction bands can be applied to the second substrate.
  • the conduction band can be a polymer band, glass, ceramic, sapphire or silicon.
  • the electrode materials of the second signal transmission element may consist of ionic, electronic or semiconductive materials.
  • the first substrate and the second substrate may be of the same material, wherein the first substrate comprises either (i) a nanostructure of nanopores and / or nanochannels or (ii) surface functionalization or (iii) both while the second substrate is inert.
  • the first substrate and the second substrate be made of the same material.
  • the first signal transmission element and the second signal transmission element may be made of the same material. This is preferred, but not required. Both signal transmission elements may be an IDES with the same structure and / or the same shape.
  • the device according to the invention may comprise a transmitter, which is connected via electrical conduction means to the ion-specific sensor and the conductivity sensor.
  • the first and the second signal transmission element can have plus and minus poles for the electrical connection of the two signal transmission elements to the transmitter.
  • the conduit means may also be referred to as connection means.
  • the transmitter preferably has measuring electronics or is connected to measuring electronics.
  • the measuring electronics can form an evaluation device or be part of an evaluation device.
  • the evaluation device is used to evaluate the signals that are supplied by the ion-specific sensor and the conductivity sensor.
  • the signal difference between the first and the second signal transmission element is a measure of the ion concentration of the ionic analyte.
  • the invention makes it possible to determine an ionic analyte present in solution, in particular cations, quantitatively and / or qualitatively by means of an absolute measurement, without the use of reference electrodes, and at the same time to eliminate disturbing interference from interfering ions and membranes. At the same time the measuring accuracy is increased and the detection limit is lowered.
  • two sensors namely the ion-specific sensor according to the invention and the conductivity sensor according to the invention.
  • the existing in the prior art disadvantage of susceptibility due to the electrolyte conductivity is overcome by the invention.
  • the invention is based on the fact that the analyte ion forms a compound with the first substrate, which may also be referred to as a complex.
  • the connection of the analyte to the first substrate causes ionic conductivity of the first substrate.
  • the principle of action can be explained as follows.
  • the analyte ions present in a measurement fluid attach to anolyte-specific attachment positions of the first substrate.
  • At least one electrical property of the first substrate changes, for example the resistance, the ionic conductivity, the admittance or the impedance, as well as the boundary layer between the first substrate and the measurement fluid.
  • the first substrate which is specifically sensitive to the analyte ion, is in communication with the first signal transmission element in the form of an electrode structure. The change of an electrical characteristic, for example the impedance change, is measured and forwarded via the signal transmission element.
  • the second sensor which has a second substrate and a second signal transmission element, measures the conductivity of the measurement fluid.
  • Measuring electronics are used to calculate the difference between the signals from the ion-specific sensor and the conductivity sensor.
  • the signal difference is a measure of the concentration of the analyte ion in the measurement fluid.
  • the existing in the prior art second disadvantage due to the membrane is overcome by the invention by the membrane is eliminated.
  • the actual membrane function takes over the first substrate according to the invention.
  • the first substrate has analyte-specific attachment sites.
  • the first substrate can be, for example, geometrically nano-structured and / or chemically functionalized.
  • the analyte-specific attachment sites having, for example, nanostructured and / or chemically functionalized substrate allows the specific measurement of the analyte ion.
  • the analy ion combines with the first substrate, thereby changing the electrical resistance and capacitance of the first substrate. Due to this novel first substrate, the membrane is unnecessary.
  • the first signal transmission element forwards the electrical change as a measuring signal to an evaluation unit, for example to a measuring electronics.
  • the present invention provides a measurement signal that correlates with analyte concentration.
  • the device according to the invention and the measuring principle according to the invention make it possible to omit a reference electrode.
  • a preferred construction of the ion-specific sensor is based on the use of microelectronic chips with the required number of interdigital electrodes forming the first signal transmission element on the first substrate. If the analyte ion is a cation, the first substrate is a cation-specific substrate. If the analyte ion is an anion, the first substrate is an anion-specific substrate.
  • a preferred construction of the conductivity sensor is based on the use of microelectronic chips with the required number of interdigital electrodes forming the second signal transmission element on the second substrate.
  • both sensors can be based on the use of microelectrical chips with the required number of interdigital electrodes forming the respective signal transmission element on the respective substrate.
  • Such a construction has the advantage of technological compatibility with microelectronic chip technologies as well as the simplicity of miniaturization.
  • the ion-specific sensor provided according to the invention can also be used independently of the device according to the invention. According to the invention, an ion-specific sensor is thus provided for the quantitative and / or qualitative determination of an ionic analyte in a fluid, wherein the ion-specific sensor has a first substrate and a first signal transmission element, wherein at least the first substrate is brought into contact with the fluid and wherein the first substrate has attachment sites for the analyte.
  • the ion-specific sensor may consist of the first substrate and the first signal transmission element.
  • the ion-specific sensor according to the invention has been described above in connection with the device according to the invention. Further features of the ion-specific sensor according to the invention can thus be taken from the description of the device according to the invention.
  • the ion-specific sensor according to the invention may be part of an arrangement which, in addition to the ion-specific sensor according to the invention, comprises a conductivity sensor. According to the invention, an arrangement is thus provided for the quantitative and / or qualitative determination of an ionic analyte in a fluid which has the ion-specific sensor according to the invention and a conductivity sensor for determining the conductivity of the fluid.
  • the conductivity sensor can be a prior art conductivity sensor or, preferably, the conductivity sensor described above in connection with the device according to the invention. Further features of the conductivity sensor can thus be taken from the description of the device according to the invention.
  • a detectable change of at least one electrical property of the first substrate is caused.
  • a change in an electrical property such as the impedance, admittance, or other electrical property of the first substrate described above, may be indicated as a function of the interactions with the detected analyte ions, for example, with the detected ion species.
  • the specificity and sensitivity of the determination can be improved by the conductivity sensor whose second signal Transmission element provides a comparison signal to the ion-specific sensor with the first signal transmission element. This also applies in the case of the device according to the invention.
  • the arrangement according to the invention can have a transmitter which is connected via electrical conduction means to the ion-specific sensor and the conductivity sensor.
  • the first and the second signal transmission element can have plus and minus poles for the electrical connection of the two signal transmission elements to the transmitter.
  • the transmitter preferably has measuring electronics or is connected to measuring electronics.
  • the measuring electronics can form an evaluation device or be part of an evaluation device.
  • the evaluation device is used to evaluate the signals that are supplied by the ion-specific sensor and the conductivity sensor.
  • the signal difference between the first and the second signal transmission element is a measure of the ion concentration of the ionic analyte.
  • a method for the quantitative and / or qualitative determination of an ionic analyte, in particular of ions of a species, in a fluid by means of the device according to the invention or the arrangement according to the invention.
  • the method comprises:
  • step (c) comprises the sub-steps:
  • step (c2) determining the electrical conductivity of the fluid by means of the conductivity sensor. It may be provided in step (a) that the first substrate is brought into contact with the fluid together with the first signal transmission element of the ion-specific sensor. Thus, the first substrate alone or the first substrate can be immersed in the fluid together with the first signal transmission element.
  • the electrical property is selected from the group comprising the resistance, the electrical conductivity, the capacitance, the admittance and the impedance.
  • the impedance of the first substrate is measured.
  • the invention has numerous advantages over the prior art.
  • no reference electrode is needed, since the measurements of electrical properties such as conductivity or admittance, in contrast to z. B. potential measurements in the potentiometry, absolute measurements are.
  • the omission of the membrane and thus the disadvantages of the membrane matrix improves the sensitivity, allows the dispensing with conditioning for hours and leads to an improved sensor response.
  • the invention makes it possible to reduce the ion-specific sensor from three to two components, which considerably simplifies the reproducible production of the ion-specific sensor.
  • the membrane In the case of sensors with membranes, the membrane must cover the electrode structure in order to exclude cross-sensitivity to the conductivity. The limited reproducibility of the membrane thickness during manufacture leads to a large variance of the sensitivity and the sensor cell constant.
  • the signal of the conductivity sensor compensates for the interference of the conductivity of the measurement fluid.
  • the ion-specific sensor, the conductivity sensor or both can be constructed as highly integrated solid-state complete systems. This allows a high degree of miniaturization and ensures compatibility with microelectronics.
  • the advantage of using an IDE is the possibility of the dense arrangement of the electrodes. The dimensions of the electrode spacings can be reduced down to the submicron scale while at the same time providing a high sensitive substrate surface, which leads to an increase in sensitivity in a small area.
  • the sensor design enables a thin and flexible design. Free-form surfaces in 3D are possible with the sensor design.
  • the sensor design enables a design as a highly integrated solid state complete system. This allows a high degree of miniaturization and ensures compatibility with microelectronics.
  • the attachment sites provided according to the invention allow the specific measurement of ions of an element from the periodic table as opposed to a membrane-shaped coating which is selective, ie. H. are cross-sensitive to a group of ions and show cross-sensitivity.
  • the conductivity sensor forms an inert reference sensor, the sum parameter conductivity of the measuring fluid, d. H. the sum of all ions of the measuring fluid, measures.
  • the signal difference between the selective sensor, d. H. the ion-specific sensor, and the reference sensor, d. H. the conductivity sensor eliminates the cross-sensitivity to the conductivity.
  • the invention relates to an embodiment of the device according to the invention or the arrangement according to the invention called a cation sensor.
  • the cation sensor consists of two sensors, namely an ion-specific sensor and a conductivity sensor.
  • the ion-specific sensor has: a first, ion-specific substrate with ion channels, with ion pores and a surface functionalization for attaching the ion species to be analyzed, ie the analyte ion, in a measurement solution; and a signal transmission element in the form of an IDES (Inter-Digital Electrode Structure) in communication with the first ion-specific substrate.
  • IDES Inter-Digital Electrode Structure
  • the conductivity sensor has a second signal transmission element on an inert substrate.
  • the ion-specific sensor and the conductivity sensor have positive and negative poles for electrical connection to a transmitter with measuring electronics.
  • the signal difference of the two signal transmission elements is a measure of the ion concentration or ion activity of the ion species in a measurement solution.
  • the first, ion-specific substrate changes its electrical property sensitive upon contact with cations of an ionic species and that the first signal transmission element is in communication with the first, ion-specific substrate.
  • the membrane function is integrated or integrated into the first, ion-specific substrate and that the cation sensor according to the invention is realized without a membrane.
  • the cation measurement is realized without a reference electrode.
  • the first substrate is formed with ion-specific ion channels and with ion pores, so that change by specific cation recording the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate.
  • the ion channels and the ion pores have a surface functionalization with ion-specific coupling elements, so that change the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate by a specific cation uptake.
  • the first substrate is equipped without ion channels and ion pores, but has a surface functionalization with ion-specific coupling elements, so that change by specific cation recording the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate.
  • the conductivity sensor in which the second signal transmission element is arranged on an inert substrate, has no sensitive electrical property change, so that it acts as a reference signal transmission element to the ion-specific sensor.
  • the ion-specific sensor and the conductivity sensor are connected via a measuring electronics, so that the difference of the signals from the first and second signal transmission element can be calculated for the purpose of compensating the cross-sensitivity by the fluid conductivity.
  • the anion sensor corresponds to the cation sensor except that the ion species to be analyzed, i. H. the analyte is an anion.
  • the Amonen sensor consists of two sensors, namely an ion-specific sensor and a conductivity sensor.
  • the ion-specific sensor comprises: a first, ion-specific substrate with ion channels, with ion pores and a surface functionalization for attaching the ion species to be analyzed, ie the analyte ion, in a measurement solution; and a signal transmission element in the form of an IDES (Inter-Digital Electrode Structure) in communication with the first ion-specific substrate.
  • IDES Inter-Digital Electrode Structure
  • the conductivity sensor has a second signal transmission element on an inert substrate.
  • the ion-specific sensor and the conductivity sensor have positive and negative poles for electrical connection to a transmitter with measuring electronics.
  • the signal difference of the two signal transmission elements is a measure of the ion concentration of the ion species in a measurement solution.
  • the first, ion-specific substrate changes its electrical property sensitively upon contact with anions of an ion species and that the first signal transmission element is in communication with the first, ion-specific substrate.
  • the membrane function is combined or integrated into the first, ion-specific substrate, and that the amonep sensor according to the invention is realized without a membrane.
  • the first substrate is formed with ion-specific ion channels and with ion pores, so that change the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate by specific Anionenment.
  • the ion channels and the ion pores have a surface functionalization with ion-specific coupling elements, so that change the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate by a specific Anionenment.
  • the first substrate is equipped without ion channels and ion pores, but has a surface functionalization with ion-specific coupling elements, so that the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate change by specific cation uptake.
  • the conductivity sensor in which the second signal transmission element is disposed on an inert substrate has no sensitive electrical property change, so that it acts as a reference signal transmission element to the ion-specific sensor.
  • Fig. La is a schematic representation of the ion-specific sensor and the conductivity sensor in one
  • FIG. 1b shows a partial perspective view of a first embodiment of an ion-specific sensor
  • Figure lc is a partial schematic representation of a first substrate having a surface functionalization
  • FIG.2a conical nanochannel
  • FIG.2b cylindrical nanochannel
  • FIG.2c a nanopore
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a first substrate, in the surface of which nanostructures are introduced;
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of a first substrate whose surface has a surface functionalization
  • FIG. 5 shows a schematic partial sectional view of a first substrate with a conically shaped nanochannel without surface modification
  • FIG. 6 shows a schematic partial sectional view of a first substrate with a conically shaped nanochannel with surface modification.
  • FIG. 1 a shows an ion-specific sensor 11 and a conductivity sensor 21, which may be part of a device or arrangement according to the invention.
  • the sensors 11, 21 are spaced from each other with one of its ends inserted into a measuring fluid 31, which is located in a sample container 32.
  • the ion-specific sensor 11 has a first substrate 12 with a substrate surface 13, to which a first signal transmission element 14 is applied. It can be seen in FIG. 1 that the first signal transmission element 14 is designed in the form of an IDES.
  • the first signal transmission element 14 has a positive pole (+) and a negative pole (-), which are formed at the end of the ion-specific sensor 11 which is not in the measuring fluid 31 is introduced.
  • the ion-specific sensor 11 is electrically connected via the positive pole and the negative pole of the first signal transmission element 14 to a transmitter (not shown) with microelectronics, so that the measurement signal, which is received by the first signal transmission element 14 and transmitted to the transmitter, can be evaluated.
  • the conductivity sensor 21 has a second substrate 22 with a substrate surface 23, to which a second signal transmission element 24 is applied. It can be seen in FIG. 1 that the second signal transmission element 24 is designed in the form of an IDES.
  • the second signal transmission element 24 has a positive pole (+) and a negative pole (-), which are formed at the end of the ion-specific sensor 11, which is not introduced into the measuring fluid 31.
  • the conductivity sensor 21 is connected via the positive pole and the negative pole of the second signal transmission element 24 as well as the ion-specific sensor 11 to the transmitter, so that the measurement signal, which is received by the second signal transmission element 24 and transmitted to the transmitter, can be evaluated.
  • the substrate surface 13 of the ion-specific sensor 11 has a nanostructure of nanochannels 16 and nanopores 17, which extend from the substrate surface 13 into the first substrate 12 (FIG. 1b).
  • the substrate surface 13 additionally has a surface functionalization (FIG. 1c).
  • ligands 15 which are formed as coupling elements on the substrate surface 13.
  • Analyte ions 33 which are in the measurement fluid 31, can attach to the ligand 15 to form chemical complexes 34.
  • the second substrate 22 of the conductivity sensor 21 consists of an inert material to which no analyte ions 33 can bind.
  • FIGS. 2a-c the nanostructure on the substrate surface 13 is further illustrated.
  • the first substrate 12 is shown in each case as a partial section, wherein the sectional area is shown hatched.
  • FIGS. 2 a and 2 b each show a nanochannel 16 which forms an attachment site for an analyte ion 33.
  • the nanochannel 16 is a conical nanochannel 16 ', in Fig. 2b a cylindrical nanochannel 16 ".
  • Figure 2c shows a nanopore 17 which forms an attachment site for an analyte ion 33.
  • the nanochannels 16 and Nanopores 17 together form the nanostructure of the substrate surface 13.
  • Analyte ions 33 which are located in the measurement fluid 31, can enter the nanostructure and attach to the substrate surface 13 there.
  • Nanostructures surface functionalization in the form of Lig- anden 15 is formed on the substrate surface 13.
  • a surface modification is formed on the surfaces of the nanostructures 16, 17.
  • the surface modification may correspond to the surface functionalization of the substrate surface 13.
  • the surfaces of the nanostructures 16, 17 are also referred to as inner surfaces due to their position. However, they are part of the substrate surface 13.
  • FIG. 5 shows a nanochannel 16 '. its inner surface has no surface modification. Into the nanochannel 16 'an analyte ion 33 is incorporated.
  • Fig. 6 corresponds to Fig. 5, except that the substrate surface 13 has a surface functionalization and the inner surface of the nanochannel 16 'has a surface modification. Both surface functionalization and surface modification are ligands 15 formed as coupling elements on the substrate surface 13 and the inner surface of the nanochannel 16 '. Analyte ions 33 located in the measurement fluid 31 may attach to the ligand 15 forming chemical complexes 34 (see also FIG. 1c) at the substrate surface 13 and the inner surface of the nanochannel 16 '.
  • the first substrate 12 is a substrate made of a polymer having nanochannels 16 and nanopores 17.
  • the first substrate 12 has a thickness of 0.2 mm.
  • the nanochannels 16 and the nanopores 17 have a dimension between 2 and 100 nm.
  • the first substrate 12 has a surface functionalization formed by ligands 15.
  • the first substrate 12 is thus a surface-modified substrate, i. H. a nanostructured and ligand-functionalized polymer substrate.
  • the first signal transmission element 14 is applied in the form of an IDES.
  • the IDES is an interdigital thin-film metal electrode structure made of Ni, Pt or Au.
  • the IDES is fabricated on the nanostructured ligand-functionalized polymer substrate.
  • An identical IDES is applied as a second signal transmission element 24 to an inert polymer substrate.
  • the inert polymer substrate is the second substrate 22, which in turn is part of the conductivity sensor 21.
  • the IDES is made on the inert polymer substrate.
  • the first substrate together with the first signal transmission element 14 forms a nanochannel electrode.
  • the nanochannel electrode consists of the first substrate 12, interspersed with nanopores 17 and nanochannels 16 and therefore being a nanostructured substrate, and the first signal transmission element 14.
  • the first substrate may have surface functionalization.
  • the nanostructured substrate with ligands 15 can be functionalized for the specific incorporation and addition of analyte ions 33.
  • the first signal transmission element 14 is applied in the form of an IDES.
  • the nanochannel electrode can be manufactured rationally and reproducibly together with IDES.
  • a preferred construction of the ion-specific sensor 11 is based on the use of microelectronic chips with the required number of interdigital electrodes forming the first signal transmission element 14 on the first substrate 12. If the analyte ion 33 is a cation, the first substrate 12 is a cation-specific substrate , A preferred construction of the conductivity sensor 21 is based on the use of microelectromic chips with the required number of interdigital electrodes forming the second signal transmission element 24 on the second substrate 22. Thus both sensors can be based on the use of microelectromic chips with the required number of interdigital electrodes that the respective signal transmission element form, on the respective substrate. Such a design has the advantage of technological compatibility with microelectronic chip technologies as well as the simplicity of miniaturization.
  • the nanopores 17 and nanochannels 16 in the first, analyte-specific substrate 12 can be produced with the aid of production technology, the so-called ion tracking and etching ion trace.
  • the inner surfaces of the nanopores 17 and nanochannels 16 may have a surface modification in the form of coupling elements.
  • the coupling elements can be ligands 15 which can form a chemical complex 34 with analyte ions 33.
  • the ligands 15 are therefore chemical complexing agents. If the analyte 33 is a cation, then the ligand is a cation recognizing ligand.
  • the measurement fluid 31 in this example is a measurement solution containing cations as analyte ions 33.
  • the cations to be detected contained in the measurement solution enter the first cation-specific sensitive substrate 12 and form complexes with the nanostructure, i. H. the nanochannels 16 and the nanopores 17, and, if present, the functionalized chemical groups, d. H. ligand 15. Due to the described ionic processes, the bulkelektrischen properties of the first substrate 12 change, which can be detected by means of the first substrate 12 in contact with the first signal transmission element 14, which has the shape of an electrode structure.
  • Example 2 corresponds to Example 1, except that the first, analyte-specific substrate 12 has no nanopores and nanochannels and thus no nanostructure, but only a surface functionalization.
  • the surface functionalization is a surface functionalization of coupling elements, for example ligands 15, on the substrate surface 13.
  • the substrate does not contain nanopores and nanochannels.
  • the measurement fluid 31 in this example is a measurement solution containing cations as analyte ions 33.
  • the cations to be detected contained in the measurement solution enter the first cation-specific sensitive substrate 12 and form complexes with the functionalized chemical groups, i. H. ligand 15. Due to the described ionic processes, the bulkelektrischen properties of the first substrate 12 change, which can be detected by means of the first substrate 12 in contact with the first signal transmission element 14, which has the shape of an electrode structure.
  • 11 ion-specific sensor 12 first substrate; 13 substrate surface; 14 first signal transmission element; 15 ligand; 16 nanochannel; 17 nanopores; 21 conductivity sensor; 22 second substrate; 23 substrate surface; 24 second signal transmission element; 31 measuring fluid; 32 sample containers; 33 Analytion; 34 Complex of ligand and analyte ion.

Abstract

The invention relates to a device for detecting an ionic analyte (33), in particular ions of a species, in a fluid (31) in a qualitative and/or quantitative manner. The device has an ion-specific sensor (11) which has a first substrate (12) and a first signal transmission element (14). At least the first substrate (12) is brought into contact with the fluid (31), and the first substrate (12) has attachment locations (15, 16, 17) for the analyte (33). The device also has a conductivity sensor (21) which has a second substrate (22) and a second signal transmission element (24) and which is brought into contact with the fluid (31).

Description

Beschreibung  description
Vorrichtung und Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung eines ionischen Analyten in einem Fluid Apparatus and method for the qualitative and / or quantitative determination of an ionic analyte in a fluid
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung eines ionischen Analyten in einem Fluid, insbesondere von Ionen einer Spezies. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung von ionischen Analyten in einem Fluid, insbesondere von Ionen einer Spezies. Sensoren messen Summenparameter wie beispielsweise die Leitfähigkeit, d. h. die Summe von Elektrolyten eines Fluides. Selektive Sensoren messen eine Gruppe von Ionen. Sie werden daher als ionenselektive Sensoren bezeichnet. Spezifische Sensoren können Elemente einer Art aus dem Periodensystem bestimmen. Sie werden deshalb als ionenspezifische Sensoren bezeichnet. Ionenspezifische Sensoren unterscheiden sich von ionenselektiven Sensoren dadurch, dass sie ein Analytion aus dem Periodensystem der Elemente messen können. Hingegen reagieren ionense- lektive Sensoren quer- und kreuzempfindlich auf benachbarte Ionen im Periodensystem sowie auf die Leitfähigkeit und den pH-Wert eines Fluides. The invention relates to a device for the qualitative and / or quantitative determination of an ionic analyte in a fluid, in particular ions of a species. It further relates to a method for the qualitative and / or quantitative determination of ionic analytes in a fluid, in particular of ions of a species. Sensors measure sum parameters such as conductivity, i. H. the sum of electrolytes of a fluid. Selective sensors measure a group of ions. They are therefore referred to as ion-selective sensors. Specific sensors can determine elements of a kind from the periodic table. They are therefore referred to as ion-specific sensors. Ion-specific sensors differ from ion-selective sensors in that they can measure an analy ion from the periodic table of the elements. By contrast, ion-sensitive sensors react cross-sensitively and cross-sensitively to neighboring ions in the periodic table and to the conductivity and pH of a fluid.
Aus dem Stand der Technik sind Leitfähigkeitssensoren bekannt, die mit Elektrodenstrukturen die Fluidleitfähigkeit messen. Conductivity sensors which measure the fluid conductivity with electrode structures are known from the prior art.
Zur selektiven Bestimmung von Ionen in Lösungen wird vielfach die potentiometrische ionenselektive Elektrode (ISE) verwendet. Ionenselektive Elektroden sind elektrochemische Sensoren, mit denen die Konzentration bzw. die Aktivität bestimmter Ionen mittels einer Potentialdifferenz bestimmt werden kann. Die ionenselektive Potentialdifferenz tritt an der Phasengrenze zwischen der Sensormembran und dem Elektrolyt auf und hängt gemäß der Nernst- Gleichung von der Aktivität eines bestimmten Ions in der Lösung ab. Ein Beispiel für derartige Sensoren sind ionenselektive Feldeffekttransistoren. ISE sind meist selektiv, d. h. sie messen eine Selektion von unterschiedlichen Ionen durch ihre nachteilige Querempfindlichkeit und Kreuzempfindlichkeit. Ausserdem sind ISE störempfindlich auf die Leitfähigkeit und den pH-Wert des Fluides. Anders als bei Widerstand und Kapazität haben die Absolutwerte des elektrischen Potentials keine physikalische Bedeutung, da das Potential nur in Bezug auf einen Referenzwert defi- niert werden kann. In der Elektrochemie wird solch ein Referenzwert gewöhnlich vom Potential der Referenzelektrode geliefert. Die Notwendigkeit einer Referenzelektrode ist der entscheidende Nachteil bei dem Einsatz potentio- metrischer Messungen zur Bestimmung von Ionenaktivitäten in Lösung. Eine andere grundlegende Einschränkung bei den potentiometrischen Analysemethoden betrifft die Zusammensetzung der ionenselektiven Membran. Die Anforderungen an die Natur der spezifischen Bindung und/oder der komplexierenden Stellen innerhalb der Membran sind so zu stellen, dass die Potentialdifferenz an der Grenzfläche Membran/Lösung spezifisch in Abhängigkeit von der Anwesenheit einer bestimmten Spezies in der Lösung aufgebaut wird. Zum Beispiel sollte diese Bindung nicht zu stark sein, so dass ein genügend schneller Austausch der detektierten Spezies zwischen der Membranphase und der Lösung möglich ist. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, wie solche Sensoren hergestellt werden: auf einem inerten Substrat ist ein Signalübertragungselement als IDES (Inter-Digitale Elektroden-Struktur) aufgebracht. Die IDES ist formatfüllend mit einer ionenselektiven Membran beschichtet. Die Membran und die IDES bilden sowohl einen mechanischen als auch einen elektrischen Verbund auf dem Substrat. Während der Anwendung geht die ionenselektive Membran eine Wechselwirkung mit dem Analyten ein und verändert die elektrische Eigenschaft der Phase Elektrolyt/Membran. Das elektrische Verhalten der Membran wird mit der IDES gemessen. [BMBF Statusbericht 18.6.2012, Titel„Gedruckte Nanomaterialien für die Mikrosensorik", Seite 17, Dr. Helmut Grothe, Martin Aicher]. For the selective determination of ions in solutions, the potentiometric ion-selective electrode (ISE) is often used. Ion-selective electrodes are electrochemical sensors with which the concentration or the activity of certain ions can be determined by means of a potential difference. The ion-selective potential difference occurs at the phase boundary between the sensor membrane and the electrolyte and, according to the Nernst equation, depends on the activity of a particular ion in the solution. An example of such sensors are ion-selective field-effect transistors. ISEs are mostly selective, ie they measure a selection of different ions by their adverse cross-sensitivity and cross-sensitivity. In addition, ISEs are sensitive to the conductivity and pH of the fluid. Unlike resistance and capacitance, the absolute values of the electrical potential have no physical significance, since the potential can only be defined in relation to a reference value. In electrochemistry, such a reference value is usually supplied by the potential of the reference electrode. The necessity of a reference electrode is the decisive disadvantage in the use of potentiometric measurements for the determination of ionic activities in solution. Another fundamental limitation in the potentiometric analysis methods relates to the composition of the ion-selective membrane. The nature requirements of the specific binding and / or the complexing sites within the membrane are to be set so that the potential difference at the membrane / solution interface is specifically built up depending on the presence of a particular species in the solution. For example, this binding should not be too strong so that a sufficiently rapid exchange of the detected species between the membrane phase and the solution is possible. It is known from the prior art how such sensors are produced: on an inert substrate, a signal transmission element is applied as an IDES (Inter-Digital Electrode Structure). The IDES is filled to size with an ion-selective membrane. The membrane and the IDES form both a mechanical and an electrical bond on the substrate. During use, the ion-selective membrane interacts with the analyte and alters the electrical property of the electrolyte / membrane phase. The electrical behavior of the membrane is measured with the IDES. [BMBF Status Report 18.6.2012, Title "Printed Nanomaterials for Microsensors", page 17, Dr. Helmut Grothe, Martin Aicher].
Sensoren, die spezifisch messen, d. h. nur das Analytion messen, haben eine deutlich geringere Querempfindlichkeit und haben dadurch einen entscheidenden Vorteil gegenüber selektiv messenden Sensoren. Sensoren der vorstehenden Art, also der selektiv messende Sensoren, umfassen in der Regel ein inertes Substrat als Isolator, ein Signalübertragungselement in Form einer Elektrodenstruktur sowie eine ionenselektive Membran und eine Referenzelektrode als Potentialreferenz. Die analytselektive Membran beinhaltet chemische Kopplungselemente, bestehend aus Liganden, eingebettet in eine Polymermatrix. Die Matrix besteht aus Polymer, Weichmacher und Lösemitteln. Die Poly- mermatrix wirkt sich nachteilig auf die Herstellbarkeit und Spezifität aus. Diese Membran deckt die Elektrodenstruktur ab. Während der Messung gehen diese Kopplungselemente einen Komplex mit den Analytionen ein. Die Matrix selber zeigt eine Störempfindlichkeit, die sich als Quer- und Kreuzempfindlichkeit äussert. Eine weitere Einschränkung liegt der Membran zugrunde, sie muss vor ihrem Einsatz für mehrere Stunden konditioniert werden. Daneben kann sich die geometrische Reproduzierbarkeit von Membranen fertigungstechnisch als schwierig erwei- sen insbesondere während dem Bedrucken von Elektrodenstrukturen durch die Dickschichttechnologie. Sensors that measure specifically, d. H. only measure the analyion, have a significantly lower cross-sensitivity and thus have a decisive advantage over selective measuring sensors. Sensors of the above type, that is to say the selectively measuring sensors, generally comprise an inert substrate as insulator, a signal transmission element in the form of an electrode structure as well as an ion-selective membrane and a reference electrode as potential reference. The analyte-selective membrane contains chemical coupling elements consisting of ligands embedded in a polymer matrix. The matrix consists of polymer, plasticizer and solvents. The polymer matrix adversely affects manufacturability and specificity. This membrane covers the electrode structure. During the measurement, these coupling elements enter into a complex with the analyte ions. The matrix itself shows an interference sensitivity, which manifests itself as cross and cross sensitivity. Another limitation is the membrane, it must be conditioned for several hours before use. In addition, the geometric reproducibility of membranes can be difficult to manufacture in terms of production, in particular during the printing of electrode structures by thick-film technology.
Aus der Nanotechnologie sind Membranen mit synthetischen Nanokanälen bekannt für die Separierung von Stoffen wie Ionen, Molekülen, DNA und Proteinstrukturen in Messfluiden und Lösungen. Solche Nanokanäle verfügen jedoch über keine ionenspezifische Beschichtung in Form von Kopplungselementen wie Liganden. Ausserdem sind aus dem Stand der Technik keine nanostrukturierten Substrate in Verbindung mit einem Signalübertragungselement bekannt. From nanotechnology, membranes with synthetic nanochannels are known for the separation of substances such as ions, molecules, DNA and protein structures in measuring fluids and solutions. However, such nanochannels have no ion-specific coating in the form of coupling elements such as ligands. In addition, no nanostructured substrates in connection with a signal transmission element are known from the prior art.
Die Verwendung von biologischen Nanoporen zum Erkennen von einzelnen Molekülen kommt im lebenden Organismus zum Einsatz. Exemplarisch seien Kalzium-Kanäle in den Membranen von Zellen erwähnt. In Zellmembranen sind Ca-Ionenkanäle integriert. Diese Kanäle im Nano-Massstab sind von ihrer Geometrie und Oberflächenla- dung nur für ein bestimmtes Ion, z. B. Ca2+, durchgängig. Aus der Bionik heraus wird dieser Lösungsansatz auf einen erfindungsgemässen ionenspezifischen Sensor mit synthetischen Kanälen und Poren angewendet. The use of biological nanopores to detect single molecules is used in the living organism. Exemplary calcium channels are mentioned in the membranes of cells. In cell membranes, Ca ion channels are integrated. These channels on a nanoscale are of their geometry and surface charge only for a particular ion, eg. B. Ca 2+ , consistently. Out of bionics, this approach is applied to an inventive ion-specific sensor with synthetic channels and pores.
Die Nachteile der Sensoren mit Membranen und einem potentiometrischen Messprinzip lassen sich wie folgt auflisten: The disadvantages of the sensors with membranes and a potentiometric measuring principle can be listed as follows:
1. Eine grundlegende Einschränkung betrifft die Zusammensetzung der ionenselektiven Membran. Die Polymermatrix zeigt eine Störempfindlichkeit auf Ionen anderer Spezies.  1. A fundamental limitation concerns the composition of the ion-selective membrane. The polymer matrix shows susceptibility to ions of other species.
2. Es besteht, die Notwendigkeit der Konditionierung der Membran über mehrere Stunden vor der Einsatzfähigkeit. 3. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass immobilisierte Membranen auf Signalübertragungselementen und Substraten nur durch aufwendige Prozesstechnik hinsichtlich konstanter Schichtdicke und homogener Werkstoffstruktur realisierbar sind. 2. There is a need to condition the membrane for several hours before use. 3. It is known from the prior art that immobilized membranes can be realized on signal transmission elements and substrates only by complicated process technology with regard to constant layer thickness and homogeneous material structure.
4. Ein weiteres Problem ist eine nicht auszuschließende sprunghafte Änderung der Dielektrizitätskonstante der sensitiven Membran in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der zu analysierenden Lösung.  4. Another problem is an unavoidable sudden change in the dielectric constant of the sensitive membrane, depending on the composition of the solution to be analyzed.
5. Sie besitzen eine eingeschränkte Langzeitstabilität wegen der Hydrolyse der Membranzusammensetzung. 5. They have limited long-term stability due to hydrolysis of the membrane composition.
6. Eine Referenzelektrode bedeutet ein zusätzliches Bauelement mit Schwankungen in ihrer Reproduzierbarkeit und Standzeit. Die Notwendigkeit einer Referenzelektrode ist der entscheidende Nachteil bei dem Einsatz po- tentiometrischer Messungen zur Bestimmung von Ionenaktivitäten in Lösung. 6. A reference electrode means an additional device with variations in their reproducibility and life. The necessity of a reference electrode is the decisive disadvantage in the use of potentiometric measurements for the determination of ionic activities in solution.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Vorrichtung angegeben werden, die eine verbesserte, insbesondere schnellere und genauere Bestimmung eines ionischen Analyten, insbesondere von Ionen einer Spezies, in einem Fluid ermöglicht und gleichzeitig den apparativen Aufwand verringert. Ferner sollen ein ionensensitiver Sensor, eine Anordnung mit einem solchen ionenspezifischen Sensor sowie ein Verfahren angegeben werden, die zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung eines ionischen Analyten, insbesondere von Ionen einer Spezies, in einem Fluid geeignet sind. The object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, a device is to be specified which enables an improved, in particular faster and more accurate, determination of an ionic analyte, in particular of ions of a species, in a fluid and at the same time reduces the expenditure on equipment. Furthermore, an ion-sensitive sensor, an arrangement with such an ion-specific sensor and a method are provided, which are suitable for the qualitative and / or quantitative determination of an ionic analyte, in particular ions of a species in a fluid.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 6, 11 und 13 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. This object is solved by the features of claims 1, 6, 11 and 13. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the features of the dependent claims.
Nach Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur quantitativen und oder qualitativen Bestimmung eines ionischen Analyten vorgesehen, die einen ionenspezifischen Sensor, der ein erstes Substrat und ein erstes Signalübertragungselement aufweist, wobei zumindest das erste Substrat mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird und wobei das erste Substrat Anlagerungsstellen für den Analyten aufweist; und einen Leitfähigkeitssensor, der ein zweites Substrat und ein zweites Signalübertragungselement aufweist und mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird. According to the invention there is provided an apparatus for quantitatively and / or qualitatively determining an ionic analyte comprising an ion-specific sensor comprising a first substrate and a first signal transmitting element, wherein at least the first substrate is contacted with the fluid and wherein the first substrate Attachment sites for the analyte; and a conductivity sensor having a second substrate and a second signal transmission element and brought into contact with the fluid.
Das erste Signalübertragungselement und das zweite Signalübertragungselement können identisch sein. Sie können aber auch unterschiedlich sein. The first signal transmission element and the second signal transmission element may be identical. But they can also be different.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt keine Referenzelektrode. Das Substrat des ionenspezifischen Sensors wird unmittelbar in Kontakt mit dem Fluid gebracht. Eine Membran ist somit nicht erforderlich. Der ionenspezifische Sensor weist somit keine Membran auf. Eine Beschichtung, insbesondere eine Analyt-spezifische Beschichtung oder eine die Membran ersetzende Beschichtung, auf dem Substrat des ionenspezifischen Sensors ist nicht erforderlich. Der ionenspezifische Sensor weist somit keine Beschichtung auf. Vorzugsweise weist der ionenspezifische Sensor keinen Elektrolyten auf. Weil der ionenspezifische Sensor ohne Membran auskommt, kann er nur aus dem ersten Substrat und dem ersten Signalübertragungselement bestehen. Der Leitfähigkeitssensor kann ebenso nur aus dem zweiten Substrat und dem zweiten Signalübertragungselement bestehen. Der ionenspezifische Sensor kann als Festkörpersensor ausgebildet sein. Der Leitfähigkeitssensor kann als Festkörpersensor ausgebildet sein. The device according to the invention requires no reference electrode. The substrate of the ion-specific sensor is brought into direct contact with the fluid. A membrane is therefore not required. The ion-specific sensor thus has no membrane. A coating, in particular an analyte-specific coating or a membrane-replacing coating, on the substrate of the ion-specific sensor is not required. The ion-specific sensor thus has no coating. Preferably, the ion-specific sensor has no electrolyte. Because the ion-specific sensor manages without membrane, it can consist only of the first substrate and the first signal transmission element. The conductivity sensor may also consist only of the second substrate and the second signal transmission element. The ion-specific sensor can be designed as a solid state sensor. The conductivity sensor may be formed as a solid state sensor.
Die Erfindung beruht darauf, dass das erste Substrat seine elektrische Eigenschaft bei Kontakt mit Analytionen sensitiv ändert, während der Leitfähigkeitssensor keine sensitive elektrische Eigenschaftsänderung bei Kontakt mit Analytionen aufweist. Der Leitfähigkeitssensor stellt ein Bezugssignal bereit, das genutzt werden kann, um das Messsignal, das der ionenspezifische Sensor bereitstellt, zu korrigieren. Die Signaldifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signalübertragungselement ist ein Maß für die Ionenkonzentration oder die Ionenaktivität des ionischen Analyten in dem Fluid. The invention is based on the fact that the first substrate sensitively changes its electrical property upon contact with analyte ions, while the conductivity sensor has no sensitive electrical property change on contact with analyte ions. The conductivity sensor provides a reference signal that can be used to correct the measurement signal provided by the ion-specific sensor. The signal difference between the first and second signal transmission elements is a measure of the ion concentration or activity of the ionic analyte in the fluid.
Im Folgen werden synonym zu dem Begriff„ionischer Analyt" auch die Begriffe„Analyt" und„Analytion" verwendet. Bei dem ionischen Analyten kann es sich beispielsweise um ein Kation oder ein Anion handeln. In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um ein Kation. Bei dem ionischen Analyten kann es sich um Ionen einer Spezies, insbesondere um Ionen einer Spezies des Periodensystems der Elemente handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem ionischen Analyten um Kationen einer Spezies, insbesondere um Kationen einer Spezies des Periodensystems der Elemente handeln oder Molekülverbindungen. Ist das Analytion ein Kation, so ist das erste Substrat ein kationenspezifisches Substrat. Ist das Analytion ein Anion, so ist das erste Substrat ein anionenspezifi- sches Substrat. Beispiele von Kationen, die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmt werden können, sind H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH4 +, wobei die Aufzählung nicht abschließend ist. Beispiele von Anionen, die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmt werden können, sind F", Cl", C03 2", P04 3", wobei die Aufzählung nicht abschließend ist. Das erste Substrat sollte ein für das spezielle Ion spezifisches Substrat sein. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch handeln, wobei eine Flüssigkeit bevorzugt ist. Bevorzugt ist das Fluid Wasser. Das Fluid wird im Folgenden auch als Messfluid oder Messmedium bezeichnet. Bei dem Messfluid kann es sich um eine Elektrolytlösung handeln. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bestimmt werden, ob das Messfluid einen bestimmten Analyten enthält. Zur qualitativen Bestimmung des Analyten ist es ausreichend, wenn festgestellt werden kann, dass das Messfluid den Analyten ent- hält oder nicht enthält. Zur quantitativen Bestimmung des Analyten wird festgestellt, in welcher Konzentration der Analyt in dem Messfluid enthalten ist. Das Messfluid kann Substanzen, insbesondere Ionen enthalten, die nicht der Analyt sind. Das Messfluid kann Ionen enthalten, die sich von dem Analyten unterscheiden. Dabei kann das Messfluid (i) nur den Analyten enthalten oder (ii) nur Ionen enthalten, die sich von dem Analyten unterscheiden, oder (iii) den Analyten und Ionen enthalten, die sich von dem Analyten unterscheiden. Das Messfluid kann somit gleiche oder unterschiedliche Ionen enthalten. Sind die Analytionen in dem Messfluid gelöst, so kann es sich um eine Messlösung handeln. In the following, the terms "analyte" and "analyte ion" are used interchangeably with the term "ionic analyte." The ionic analyte may be, for example, a cation or an anion In one embodiment of the invention, it is a cation The ionic analyte may be ions of a species, in particular ions of a species of the periodic table of the elements, for example the ionic analyte may be cations of a species, in particular cations of a species of the Periodic Table of the Elements or molecular compounds. If the analyte ion is a cation, the first substrate is a cation-specific substrate If the analyte ion is an anion, the first substrate is an anion-specific substrate Examples of cations which can be determined by means of the device according to the invention are H + , Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , NH 4 + , but the list is not exhaustive Anions that can be determined by the device according to the invention are F " , Cl " , C0 3 2 " , P0 4 3" , the list is not exhaustive. The first substrate should be a specific ion specific substrate. The fluid may be, for example, a liquid, a gas or a mixture, with a liquid being preferred. Preferably, the fluid is water. The fluid is also referred to below as measuring fluid or measuring medium. The measuring fluid may be an electrolyte solution. By means of the device according to the invention it can be determined whether the measurement fluid contains a specific analyte. For the qualitative determination of the analyte, it is sufficient if it can be established that the measurement fluid contains or does not contain the analyte. For the quantitative determination of the analyte, it is determined in which concentration the analyte is contained in the measurement fluid. The measuring fluid may contain substances, in particular ions, which are not the analyte. The measurement fluid may contain ions that are different from the analyte. In this case, the measurement fluid (i) can contain only the analyte or (ii) contain only ions which differ from the analyte, or (iii) contain the analyte and ions which differ from the analyte. The measuring fluid may thus contain the same or different ions. If the analyte ions are dissolved in the measurement fluid, then it may be a measurement solution.
Unter einer qualitativen Bestimmung kann der Nachweis verstanden verwenden, dass das Fluid Analytionen enthält. Unter einer quantitativen Bestimmung kann die Feststellung der Konzentration des Analytions in dem Fluid ver- standen werden. Erfindungsgemäß weist der ionenspezifische Sensor ein erstes Substrat und ein erstes Signalübertragungsmittel auf. Zumindest das erste Substrat wird mit dem Messfluid in Kontakt gebracht, wenn der ionenspezifische Sensor in das Messfluid eingeführt wird. Auch das erste Signalübertragungsmittel kann dabei in Kontakt mit dem Messfluid ge- langen. Das ist aber nicht erforderlich. Die Angabe, dass zumindest das erste Substrat mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird, ist so zu verstehen, dass das erste Substrat dazu bestimmt ist, mit dem Fluid in Kontakt gebracht zu werden. By a qualitative determination, the detection can be understood to mean that the fluid contains analyte ions. A quantitative determination can be understood to mean the determination of the concentration of the analyte ion in the fluid. According to the invention, the ion-specific sensor has a first substrate and a first signal transmission means. At least the first substrate is brought into contact with the measurement fluid when the ion-specific sensor is introduced into the measurement fluid. The first signal transmission means can also come into contact with the measurement fluid. That is not necessary. The statement that at least the first substrate is brought into contact with the fluid is to be understood such that the first substrate is intended to be brought into contact with the fluid.
Das erste Substrat weist Anlagerungsstellen für den Analyten auf. Diese Anlagerungsstellen sind Anlagerungsstel- len, an die sich nur der Analyst, aber kein anderes in dem Messfluid befindliches Ion anlagern kann. Die Anlagerungsstellen können somit als Analyt-spezifische Anlagerungsstellen bezeichnet werden. Aufgrund der Analyt- spezifischen Anlagerungsstellen ist das erste Substrat ein ionenspezifisches Substrat. The first substrate has attachment sites for the analyte. These attachment sites are attachment sites to which only the analyst but no other ion in the measurement fluid can attach. The attachment sites can thus be referred to as analyte-specific attachment sites. Due to the analyte-specific attachment sites, the first substrate is an ion-specific substrate.
Die Anlagerungsstellen können aus der Gruppe ausgewählt sein, die Poren, Kanäle, eine Oberflächenfunktionalisie- rang oder Kombinationen davon umfasst. Im Hinblick auf die Anlagerang eines ionischen Analyten an die Anlagerangsstellen können die Poren als Ionenporen und Kanäle als Ionenkanäle bezeichnet werden. Es ist möglich, dass das erste Substrat nur Ionenporen, nur Ionenkanäle oder nur eine Oberflächenfunktionalisierung aufweist. Es ist möglich, dass das erste Substrat nur Ionenporen und Ionenkanäle aufweist. Es ist möglich, dass das Substrat Ionenporen und Ionenkanäle und eine Oberflächenfunktionalisierung aufweist. Es kann vorgesehen sein, dass die Ionen- poren, die Ionenkanäle oder beide eine Oberflächenmodifikation aufweisen. Im Hinblick auf ihre geometrischen Dimensionen werden Ionenkanäle und Ionenporen im Folgenden auch als Nanokanäle bzw. Nanoporen bezeichnet. Nanokanäle und Nanoporen werden im Folgenden gemeinsam auch als Nanostruktur bezeichnet. Im Hinblick auf diese Nanostruktur kann das erste Substrat gemeinsam mit dem ersten Signalübertragungselement auch als Nanoka- nalelektrode bezeichnet werden. The attachment sites may be selected from the group comprising pores, channels, surface functionalization, or combinations thereof. With regard to the attachment of an ionic analyte to the attachment sites, the pores may be referred to as ion pores and channels as ion channels. It is possible that the first substrate has only ion pores, only ion channels, or only surface functionalization. It is possible that the first substrate has only ion pores and ion channels. It is possible that the substrate has ion pores and ion channels and surface functionalization. It can be provided that the ion pores, the ion channels or both have a surface modification. In terms of their geometric dimensions, ion channels and ion pores are also referred to below as nanochannels or nanopores. Nanochannels and nanopores are also collectively referred to as nanostructures. With regard to this nanostructure, the first substrate together with the first signal transmission element can also be referred to as nanochannel electrode.
Ist das Analytion ein Kation ist das erste Substrat ein kationenspezifisches Substrat. Ist das Analytion ein Anion ist das erste Substrat ein anionenspezifisches Substrat. If the analyte ion is a cation, the first substrate is a cation-specific substrate. If the analyte ion is an anion, the first substrate is an anion-specific substrate.
Die Oberflächenfunktionalisierung soll eine Analyt-spezifische Anbindung des Anlyten an das erste Substrat ermög- liehen. Mittels der Oberflächenfunktionalisierung können an der Substratoberfläche Kopplungselemente, vorzugsweise chemische Kopplungselemente ausgebildet sein. Chemische Kopplungselemente erlauben eine chemische Bindung zwischen dem Kopplungselement und dem Analytion. Bei den Kopplungselementen kann es sich beispielsweise um Liganden, Kryptanden, Ionophore oder Kombinationen davon handeln. Die Schichtdicke der Oberflächenfunktionalisierung kann dabei wenige Nanometer betragen. Bei der Oberflächenfunktionalisierung kann es sich um eine chemische Funktionalisierang der Substratoberfläche handeln. The surface functionalization should allow an analyte-specific attachment of the analyte to the first substrate. By means of the surface functionalization, coupling elements, preferably chemical coupling elements, can be formed on the substrate surface. Chemical coupling elements allow chemical bonding between the coupling element and the analyte ion. The coupling elements may be, for example, ligands, cryptands, ionophores or combinations thereof. The layer thickness of the surface functionalization can be a few nanometers. Surface functionalization may be a chemical functionalization of the substrate surface.
Weist die Substratoberfläche des ersten Substrates Ionenporen, Ionenkanäle oder beides auf, so ist eine geometrische Nanostrukturierang der Substratoberfläche gebildet. Das erste Substrat kann somit als nanostrukturiertes Substrat bezeichnet werden. Weist das erste Substrat eine Oberflächenfunktionalisierung auf, so kann das erste Substrat als chemisch funktionalisiertes Substrat bezeichnet werden. Weist das erste Substrat sowohl (i) Ionenporen, Ionenkanä- le oder beides als auch (ii) eine Oberflächenfunktionalisierung auf, so ist es somit ein nanostrukturiertes und chemisch funktionalisiertes Substrat. Vorzugsweise ist auf die Substratoberfläche des ersten Substrates keine Beschich- tung aufgebracht, insbesondere keine Beschichtung aus einem Analyt-spezifischen Material und keine Beschich- tung, die eine Membran nach dem Stand der Technik bildet. If the substrate surface of the first substrate has ion pores, ion channels or both, then a geometric nanostructuring of the substrate surface is formed. The first substrate can thus be referred to as nanostructured substrate. If the first substrate has a surface functionalization, the first substrate may be referred to as a chemically functionalized substrate. If the first substrate has both (i) ion pores, ion channels, le or both and (ii) surface functionalization, it is thus a nanostructured and chemically functionalized substrate. Preferably, no coating is applied to the substrate surface of the first substrate, in particular no coating of an analyte-specific material and no coating which forms a membrane according to the prior art.
Die Nanoporen und/oder die Nanokanäle können verschiedene geeignete Formen aufweisen. Bei einer Nanopore ist eine Zylinderform oder Kegelstumpfform bevorzugt. Dabei ist eine Kegelstumpfform besonders bevorzugt, bei der der Radius der Öffnung kleiner als die Basis der Nanopore ist. Der Radius der Öffnung eines konischen Nanokanals oder einer konischen Nanopore ist bevorzugt im Bereich von ungefähr 2 nm bis ungefähr 500 nm. Die Tiefe einer Nanostruktur ist der Abstand von der Öffnung bis zur Basis der Nanostruktur. Die Tiefe ist bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 100 μπι. Die Spezifität des ionenspezifischen Sensors auf ein Analytion, insbesondere eines Ions eines Elementes aus dem Periodensystem, kann beispielsweise ermöglicht werden durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen: (i) eine für das Analytion individuelle Dimensionierung der Nanokanäle und oder der Nanoporen; The nanopores and / or nanochannels may take various suitable forms. For a nanopore, a cylindrical shape or truncated cone shape is preferred. In this case, a truncated cone shape is particularly preferred in which the radius of the opening is smaller than the base of the nanopore. The radius of the opening of a conical nanochannel or a conical nanopore is preferably in the range of about 2 nm to about 500 nm. The depth of a nanostructure is the distance from the opening to the base of the nanostructure. The depth is preferably in the range of 10 nm to 100 μπι. The specificity of the ion-specific sensor for an analyte ion, in particular an ion of an element from the Periodic Table, can be made possible, for example, by one or more of the following measures: (i) individual dimensioning of the nanochannels and / or nanopores for the analyte ion;
(ii) eine für das Analytion spezifische Oberflächenfunktionalisierung des ersten Substrates; und (ii) a surface ionization specific to the analyte ion of the first substrate; and
(iii) eine für das Analytion spezifische Oberflächenmodifikation der Oberfläche der Nanokanäle und/oder der Nano- poren. (iii) a surface modification specific to the analyte ion of the surface of the nanochannels and / or the nanopores.
Eine für das Analytion spezifische Oberflächenfunktionalisierung liegt vor, wenn nur das Analytion an die Oberfläche des ersten Substrates anbinden kann. Eine für das Analytion spezifische Oberflächenmodifikation liegt vor, wenn nur das Analytion an die Oberfläche der Nanokanäle und/oder Nanoporen anbinden kann. In jedem Fall muss sichergestellt werden, dass sich nur das Analytion, nicht aber andere Ionen, an den Anlagerungsstellen des ersten Substrates anlagern können. A surface functionalization specific to the analyte ion is present when only the analyte ion can attach to the surface of the first substrate. A specific surface modification for the analyte ion is present if only the analyte ion can bind to the surface of the nanochannels and / or nanopores. In any case, it must be ensured that only the analyte ion, but not other ions, can attach to the attachment sites of the first substrate.
Die Nanostrukturen können durch Bestrahlung der Oberfläche des ersten Substrates mit Ionen und darauffolgendes gezieltes chemisches Ätzen der Ionenspuren-Bereiche in dem ersten Substrat erzeugt werden. Die elektrochemische Wechselwirkung mit den Analytionen an der Oberfläche des ersten Substrates und in dem ersten Substrat kann zusätzlich durch eine funktionalisierte Benetzung der Oberfläche des ersten Substrates verbessert werden, indem eine funktionalisierte Benetzung der Oberfläche des ersten Substrates und/oder der Oberflächen der Nanostrukturen mit Liganden vorgenommen wird. Die Oberfläche der Nanoporen und/oder der Nanokanäle kann modifiziert sein, um die Oberflächeneigenschaften, beispielsweise die elektrische Ladungsdichte, Hydrophobie oder Hydrophilie der jeweiligen Oberflächen zu verändern. Beispielsweise können mittels der Oberflächenmodifizierung an Oberflächen der Nanostrukturen Kopplungselemente, vorzugsweise chemische Kopplungselemente ausgebildet sein. Chemische Kopplungselemente erlauben eine chemische Bindung zwischen dem Kopplungselement und dem Analytion. Bei den Kopplungselementen kann es sich beispielsweise um Liganden, Kryptanden, Ionophore oder Kombinationen davon handeln, wobei Liganden bevorzugt sind. Die Oberflächenmodifizierung kann der oben beschriebenen Oberflächenfunktionalisierung entsprechen, unter der Maßgabe, dass die Oberflächenfunktionalisierung an der Oberfläche der jeweiligen Nanostruktur ausgebildet ist. Die funktionalisierte Benetzung ist eine Form der Oberflächenmodifikation. In einer Ausführungsform der Erfindung weist beispielsweise das erste Substrat Nano strukturen mit modifizierten Oberflächen auf. Die Modifikation besteht aus funktionellen Kopplungselementen in Form von Liganden, die an der inneren Oberfläche der Nanostruktur befestigt sind. Damit wird ein ionenspezifischer Sensor erhalten, der zur De- tektion von Ionen durch Messen der Veränderung einer elektrischen Eigenschaft des ersten Substrates, z. B. von Widerstand und Kapazität des ersten Substrats, bei Bindung des Analytions an den Liganden, die an der Oberfläche der Nanopore sind, verwendet werden kann. The nanostructures may be formed by irradiating the surface of the first substrate with ions and then selectively chemical etching the ion trace areas in the first substrate. In addition, the electrochemical interaction with the analyte ions on the surface of the first substrate and in the first substrate can be improved by a functionalized wetting of the surface of the first substrate by performing a functionalized wetting of the surface of the first substrate and / or the surfaces of the nanostructures with ligands becomes. The surface of the nanopores and / or of the nanochannels can be modified in order to change the surface properties, for example the electrical charge density, hydrophobicity or hydrophilicity of the respective surfaces. For example, coupling elements, preferably chemical coupling elements, can be formed on the surfaces of the nanostructures by means of the surface modification. Chemical coupling elements allow chemical bonding between the coupling element and the analyte ion. The coupling elements may be, for example, ligands, cryptands, ionophores or combinations thereof, wherein ligands are preferred. The surface modification may correspond to the surface functionalization described above, provided that the surface functionalization is formed on the surface of the respective nanostructure. The functionalized wetting is a form of surface modification. For example, in one embodiment of the invention, the first substrate has nanostructures with modified surfaces. The modification consists of functional coupling elements in the form of ligands attached to the inner surface of the nanostructure. Thus, an ion-specific sensor is obtained, which is for detecting ions by measuring the change of an electrical property of the first substrate, for. Resistivity and capacitance of the first substrate, upon binding of the analyte ion to the ligands that are on the surface of the nanopore.
Das erste Substrat kann beispielsweise hergestellt sein aus Glas, Si, Si02, Si3N4, Quarz, Tonerde, Nitriden, Metallen, Polymeren oder anderen geeigneten Materialien. In einer Ausführungsform der Erfindung besteht das erste Substrat aus einem Polymer. The first substrate can be made, for example, from glass, Si, Si0 2 , Si 3 N 4 , quartz, alumina, nitrides, metals, polymers or other suitable materials. In one embodiment of the invention, the first substrate is made of a polymer.
Für die Permselektivität des ionenspezifischen Sensors ist es von Interesse, Einfluss auf die Wechselwirkung zwischen den Analytionen, dem erstem Substrat und der Grenzschicht Fluid/Elektrodenstruktur zu nehmen. Für eine spezifische Ionenmessung kann es sehr vorteilhaft sein, Kontrolle über die Eigenschaften der Nanostruktur, bestehend aus Nanoporen und/oder Nanokanälen, auszuüben, also die innere Oberfläche der Nanostruktur so zu funktio- nalisieren, dass spezifische Anforderungen bezüglich der Hydrophobizität, Selektivität und Wechselwirkung mit durch den Kanal einlagernde Analytionen erfüllt werden. Beispielsweise kann durch Benetzung der inneren Oberflächen der Nanostruktur mit Liganden die Spezifität für die Ionenmessung verbessert werden. For the permselectivity of the ion-specific sensor, it is of interest to influence the interaction between the analyte ions, the first substrate and the boundary layer fluid / electrode structure. For a specific ion measurement it can be very advantageous to exercise control over the properties of the nanostructure, consisting of nanopores and / or nanochannels, ie to functionalize the inner surface of the nanostructure in such a way that specific requirements with regard to hydrophobicity, selectivity and interaction with through the channel einlagernde analyte ions are met. For example, by wetting the inner surfaces of the nanostructure with ligands, the specificity for the ion measurement can be improved.
Das erste Signalübertragungselement steht in Verbindung mit dem ersten Substrat. Das erste Signalübertragungs- element kann in Form einer IDES (Inter-Digitale Elektroden-Struktur) ausgebildet sein. Bei der IDES kann sich um eine IDES aus einer interdigitalen Dünnschicht-Metallelektrodenstruktur aus Ni, Pt oder Au handeln, die auf das erste Substrat aufgebracht ist. Das erste Signalübertragungselement kann in der Form von Stäben, Drähten, Maschen oder IDE (Interdigitalelektroden) ausgebildet sein. Das erste Signalübertragungselement kann freistehend, auf das Substrat aufgebracht oder in das Substrat eingebettet sein. Vorzugsweise wird das erste Signalübertragungselement von einer oder mehreren Interdigitalelektroden gebildet. Einzelheiten zur Ausbildung des ersten Signalübertragungselementes in Form einer IDE (Inter-Digitale Elektrode) oder einer IDES (Inter-Digitale Elektroden Struktur) können dem Stand der Technik entnommen werden. Geeignete Anordnungen des Signalübertragungselements in Form von Elektroden und diesbezügliche Modifikationen sind in DE 44 37 274 AI ausgeführt. Das erste Substrat kann als Formkörper ausgebildet sein. Dabei kann das erste Substrat gemeinsam mit dem ersten Signalübertragungselement einen Formkörper bilden. Es kann vorgesehen sein, dass das erste Substrat mit der IDES als 2D- oder 3D-Form ausgestaltet ist, wobei verschiedene 2D- und 3D-Formen möglich sind. The first signal transmission element is in communication with the first substrate. The first signal transmission element may be in the form of an IDES (Inter-Digital Electrode Structure). The IDES may be an IDES made of an interdigitated thin-film metal electrode structure of Ni, Pt or Au deposited on the first substrate. The first signal transmission element may be in the form of rods, wires, meshes or IDE (Interdigital Electrodes). The first signal transmission element may be free-standing, applied to the substrate or embedded in the substrate. Preferably, the first signal transmission element is formed by one or more interdigital electrodes. Details of the configuration of the first signal transmission element in the form of an IDE (Inter-Digital Electrode) or an IDES (Inter-Digital Electrode Structure) can be found in the prior art. Suitable arrangements of the signal transmission element in the form of electrodes and related modifications are made in DE 44 37 274 AI. The first substrate may be formed as a shaped body. In this case, the first substrate together with the first signal transmission element form a shaped body. It can be provided that the first substrate with the IDES is designed as a 2D or 3D shape, wherein different 2D and 3D shapes are possible.
Die IDES des ionenspezifischen Sensors kann beispielsweise aus Platin, Gold, Silber, Nickel oder Wolfram beste- hen. Sie kann aber auch aus jedem anderen elektrisch leitenden Material bestehen, beispielsweise aus Kohlenstoff, einem Halbleiter (z. B. Silizium) oder einem elektrisch leitenden Polymer (z. B. Polyanalin). Die IDES kann auf das erste Substrat beispielsweise durch Dickschichttechnologie aufgebracht sein. Das erste Signalübertragungselement in Form einer IDES kann eine Kammstruktur mit mehreren Elektrodenfingern aufweisen. Es können zwei Interdigi- talelektroden (IDE) oder Leitungsbänder auf das zweite Substrat aufgebracht sein. Bei dem Leitungsband kann es sich um ein Polymerband, Glas, Keramik, Saphir oder Silizium handeln. Die Elektrodenmaterialien des ersten Signalübertragungselementes können aus ionisch-, elektronisch- oder halbleitenden Materialien bestehen. The IDES of the ion-specific sensor can consist, for example, of platinum, gold, silver, nickel or tungsten. But it can also consist of any other electrically conductive material, for example carbon, a semiconductor (eg silicon) or an electrically conductive polymer (eg polyanaline). The IDES may be applied to the first substrate, for example, by thick film technology. The first signal transmission element in the form of an IDES may have a comb structure with a plurality of electrode fingers. Two interdigital electrodes (IDE) or conduction bands can be applied to the second substrate. The conduction band can be a polymer band, glass, ceramic, sapphire or silicon. The electrode materials of the first signal transmission element may consist of ionic, electronic or semiconductive materials.
Der ionenspezifische Sensor benötigt keine Membran, weil das erste Substrat in unmittelbaren Kontakt mit dem Messfluid gebracht wird. Aus diesem Grund kann der ionenspezifische Sensor aus nur zwei Komponenten bestehen, nämlich dem ersten Substrat und dem ersten Signalübertragungselement. Die Erfindung ermöglicht somit die Reduktion der Komponenten von drei auf zwei Komponenten, wodurch sich die reproduzierbare Herstellung des ionenspezifischen Sensors erheblich vereinfacht. The ion-specific sensor does not require a membrane because the first substrate is brought into direct contact with the measurement fluid. For this reason, the ion-specific sensor may consist of only two components, namely the first substrate and the first signal transmission element. The invention thus enables the reduction of the components from three to two components, which considerably simplifies the reproducible production of the ion-specific sensor.
In einer Ausführungsform der Erfindung bildet das erste Substrat des ionenspezifischen Sensors gemeinsam mit dem ersten Signalübertragungselement eine Nanokanalelektrode. Die Nanokanalelektrode ist von dem ersten Substrat, das mit Nanoporen und/oder Nanokanälen durchsetzt ist, und dem ersten Signalübertragungselement gebildet. Das erste Substrat der Nanokanalelektrode kann ferner eine Oberflächenfunktionalität aufweisen. Eine Nanokanalelektrode lässt sich rational und reproduzierbar fertigen, beispielsweise auch zusammen mit einem Signalübertragungselement. Das erste Signalübertragungselement ist auf das erste Substrat aufgebracht oder in das erste Substrat eingebettet. Die Spezifität des Sensors auf ein Analytion, beispielweise auf Ionen einer Spezies, insbesondere auf Ionen einer Spezies oder Moleküle der Elemente aus dem Periodensystem, wird durch eine individuelle Dimensionierung und Oberflächenfunktionalisierung der Nanokanäle/Nanoporen für das Analytion ermöglicht. In one embodiment of the invention, the first substrate of the ion-specific sensor together with the first signal transmission element forms a nanochannel electrode. The nanochannel electrode is formed by the first substrate interspersed with nanopores and / or nanochannels and the first signal transmission element. The first substrate of the nanochannel electrode may further have a surface functionality. A nanochannel electrode can be manufactured rationally and reproducibly, for example, together with a signal transmission element. The first signal transmission element is applied to the first substrate or embedded in the first substrate. The specificity of the sensor to an analyte ion, for example to ions of a species, in particular to ions of a species or molecules of the elements from the Periodic Table, is made possible by an individual dimensioning and surface functionalization of the nanochannels / nanopores for the analyte ion.
Erfindungsgemäß weist der Leitfähigkeitssensor ein zweites Substrat und ein zweites Signalübertragungselement auf. Das zweite Substrat ist vorzugsweise ein inertes Substrat. Auf diese Weise soll verhindert werden, dass sich Ionen, einschließlich der Analytionen, an das zweite Substrat anlagern. Das zweite Substrat sollte keine Ionenporen, keine Ionenkanäle und oder keine Oberflächenfunktionalisierung aufweisen. Das zweite Substrat sollte somit keine Analyt-spezifischen Eigenschaften aufweisen. Die Angabe, dass der Leitfähigkeitssensor mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird, ist so zu verstehen, dass der Leitfähigkeitssensor dazu bestimmt ist, mit dem Fluid in Kontakt gebracht zu werden. According to the invention, the conductivity sensor has a second substrate and a second signal transmission element. The second substrate is preferably an inert substrate. In this way it should be prevented that ions, including the analyte ions, attach to the second substrate. The second substrate should have no ion pores, no ion channels and no surface functionalization. The second substrate should thus have no analyte-specific properties. The statement that the conductivity sensor is brought into contact with the fluid is to be understood such that the conductivity sensor is intended to be brought into contact with the fluid.
Das zweite Substrat kann aus einem inerten Werkstoff, insbesondere einem isolierenden, inerten Werkstoff bestehen. Das zweite Substrat kann beispielsweise hergestellt sein aus Glas, Si, Si02, Si3N4, Quarz, Tonerde, Nitriden, Metallen, Polymeren oder anderen geeigneten Materialien. In einer Ausführungsform der Erfindung besteht das zweite Substrat aus einem Polymer. The second substrate may consist of an inert material, in particular an insulating, inert material. The second substrate can be made, for example, from glass, Si, Si0 2 , Si 3 N 4 , quartz, alumina, nitrides, metals, polymers or other suitable materials. In one embodiment of the invention, the second substrate is a polymer.
Das zweite Signalübertragungselement steht in Verbindung mit dem zweiten Substrat. Das zweite Signalübertragungselement kann in Form einer IDES (Inter-Digitale Elektroden-Struktur) ausgebildet sein. Bei der IDES kann es sich um eine IDES aus einer interdigitalen Dünnschicht-Metallelektrodenstruktur aus Ni, Pt oder Au handeln, die auf das zweite Substrat aufgebracht ist. Das zweite Signalübertragungselement kann in Form von Stäben, Drähten, Maschen oder IDE (Interdigitalelektroden) ausgebildet sein. Das zweite Signalübertragungselement kann freistehend, auf das Substrat aufgebracht oder in das Substrat eingebettet sein. Alternativ kommt das zweite Signalübertragungselement ohne Substrat aus. Vorzugsweise wird das zweite Signalübertragungselement von einer oder mehreren Interdigitalelektroden gebildet. Einzelheiten zur Ausbildung des zweiten Signalübertragungselementes in Form einer IDE (Inter-Digitale Elektrode) oder einer IDES (Inter-Digitale Elektroden Struktur) können dem Stand der Technik entnommen werden. Geeignete Anordnungen des Signalübertragungselements in Form von Elektroden und diesbezügliche Modifikationen sind in DE 44 37 274 AI ausgeführt. The second signal transmission element is in communication with the second substrate. The second signal transmission element may be in the form of an IDES (Inter-Digital Electrode Structure). The IDES may be an IDES made of an interdigitated thin-film metal electrode structure of Ni, Pt or Au deposited on the second substrate. The second signal transmission element may be in the form of rods, wires, Mesh or IDE (interdigital electrodes) may be formed. The second signal transmission element may be free-standing, applied to the substrate or embedded in the substrate. Alternatively, the second signal transmission element does not require a substrate. Preferably, the second signal transmission element is formed by one or more interdigital electrodes. Details of the configuration of the second signal transmission element in the form of an IDE (Inter-Digital Electrode) or an IDES (Inter-Digital Electrode Structure) can be found in the prior art. Suitable arrangements of the signal transmission element in the form of electrodes and related modifications are made in DE 44 37 274 AI.
Das zweite Substrat kann als Formkörper ausgebildet sein. Dabei kann das zweite Substrat gemeinsam mit dem zweiten Signalübertragungselement einen Formkörper bilden. Es kann vorgesehen sein, dass das zweite Substrat mit der IDES als 2D- oder 3D-Form ausgestaltet ist, wobei verschiedene 2D- und 3D-Formen möglich sind. The second substrate may be formed as a shaped body. In this case, the second substrate together with the second signal transmission element form a shaped body. It can be provided that the second substrate with the IDES is designed as a 2D or 3D shape, wherein different 2D and 3D shapes are possible.
Die IDES des Leitfähigkeitssensors kann beispielsweise aus Platin, Gold, Silber, Nickel oder Wolfram bestehen. Sie kann aber auch aus jedem anderen elektrisch leitenden Material bestehen, beispielsweise aus Kohlenstoff, einem Halbleiter (z. B. Silizium) oder einem elektrisch leitenden Polymer (z. B. Polyanalin). Die IDES kann auf das zweite Substrat beispielsweise durch Dickschichttechnologie aufgebracht sein. Das zweite Signalübertragungselement in Form einer IDES kann eine Kammstruktur mit mehreren Elektrodenfingern aufweisen. Es können zwei Interdigitalelektroden (IDE) oder Leitungsbänder auf das zweite Substrat aufgebracht sein. Bei dem Leitungsband kann es sich um ein Polymerband, Glas, Keramik, Saphir oder Silizium handeln. Die Elektrodenmaterialien des zweiten Signal- Übertragungselementes können aus ionisch-, elektronisch- oder halbleitenden Materialien bestehen. The IDES of the conductivity sensor can be made of platinum, gold, silver, nickel or tungsten, for example. However, it can also consist of any other electrically conductive material, for example carbon, a semiconductor (eg silicon) or an electrically conductive polymer (eg polyanaline). The IDES may be applied to the second substrate, for example, by thick film technology. The second signal transmission element in the form of an IDES may have a comb structure with a plurality of electrode fingers. Two interdigital electrodes (IDE) or conduction bands can be applied to the second substrate. The conduction band can be a polymer band, glass, ceramic, sapphire or silicon. The electrode materials of the second signal transmission element may consist of ionic, electronic or semiconductive materials.
Das erste Substrat und das zweite Substrat können aus demselben Material bestehen, wobei das erste Substrat entweder (i) eine Nanostruktur aus Nanoporen und/oder Nanokanälen oder (ii) eine Oberflächenfunktionalisierung oder (iii) beides aufweist, während das zweite Substrat inert ist. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass das erste Substrat und das zweite Substrat aus demselben Material bestehen. Das erste Signalübertragungselement und das zweite Signalübertragungselement können aus demselben Material bestehen. Das ist bevorzugt, aber nicht erforderlich. Bei beiden Signalübertragungselementen kann es sich um eine IDES mit gleichem Aufbau und/oder gleicher Form handeln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einen Transmitter aufweisen, der über elektrische Leitungsmittel mit dem ionenspezifischen Sensor und dem Leitfähigkeitssensor verbunden ist. Dazu können das erste und das zweite Signalübertragungselement Plus- und Minus-Pole zum elektrischen Anschluss der beiden Signalübertragungselemente an den Transmitter aufweisen. Die Leitungsmittel können auch als Anschlussmittel bezeichnet werden. Der Transmitter weist vorzugsweise Messelektronik auf oder ist mit Messelektronik verbunden. Die Messelektronik kann eine Auswerteeinrichtung bilden oder Teil einer Auswerteeinrichtung sein. Die Auswerteeinrichtung dient zur Auswertung der Signale, die von dem ionenspezifischen Sensor und dem Leitfähigkeitssensor geliefert werden. Die Signaldifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signalübertragungselement ist ein Maß für die Ionenkonzentration des ionischen Analyten. Die Erfindung erlaubt es, einen in Lösung enthaltenen ionischen Analyten, insbesondere Kationen, quantitativ und/oder qualitativ über eine Absolutmessung, ohne Verwendung von Referenzelektroden, zu bestimmen und zugleich störende Interferenzen von Störionen und Membranen zu beseitigen. Gleichzeitig wird die Messgenauigkeit gesteigert und die Detektionsgrenze gesenkt. Erforderlich sind dazu zwei Sensoren, nämliche der erfindungsgemäße ionenspezifische Sensor und der erfindungsgemäße Leitfähigkeitssensor. The first substrate and the second substrate may be of the same material, wherein the first substrate comprises either (i) a nanostructure of nanopores and / or nanochannels or (ii) surface functionalization or (iii) both while the second substrate is inert. However, it is not required that the first substrate and the second substrate be made of the same material. The first signal transmission element and the second signal transmission element may be made of the same material. This is preferred, but not required. Both signal transmission elements may be an IDES with the same structure and / or the same shape. The device according to the invention may comprise a transmitter, which is connected via electrical conduction means to the ion-specific sensor and the conductivity sensor. For this purpose, the first and the second signal transmission element can have plus and minus poles for the electrical connection of the two signal transmission elements to the transmitter. The conduit means may also be referred to as connection means. The transmitter preferably has measuring electronics or is connected to measuring electronics. The measuring electronics can form an evaluation device or be part of an evaluation device. The evaluation device is used to evaluate the signals that are supplied by the ion-specific sensor and the conductivity sensor. The signal difference between the first and the second signal transmission element is a measure of the ion concentration of the ionic analyte. The invention makes it possible to determine an ionic analyte present in solution, in particular cations, quantitatively and / or qualitatively by means of an absolute measurement, without the use of reference electrodes, and at the same time to eliminate disturbing interference from interfering ions and membranes. At the same time the measuring accuracy is increased and the detection limit is lowered. Required for this purpose are two sensors, namely the ion-specific sensor according to the invention and the conductivity sensor according to the invention.
Der im Stand der Technik bestehende Nachteil der Störempfindlichkeit aufgrund der Elektrolytleitfähigkeit wird durch die Erfindung überwunden. Die Erfindung beruht auf der gefundenen Tatsache, dass das Analytion mit dem ersten Substrat eine Verbindung eingeht, die auch als Komplex bezeichnet werden kann. Die Verbindung des Analy- tions mit dem ersten Substrat bewirkt eine ionische Leitfähigkeit des ersten Substrats. Das Wirkprinzip kann wie folgt erläutert werden. Die in einem Messfluid vorhandenen Analytionen lagern sich an Anlytionen-spezifischen Anlagerungsstellungen des ersten Substrates an. Dabei kann es sich beispielsweise um Ionenkanäle und/oder Ionenporen handeln, in die sich die Analytionen einlagern, und oder um eine Oberflächenfunktionalisierung des ersten Substrates, die zur Ausbildung chemischer Komplexe führt, wenn sich die Analytionen an die funktionalisierte Oberfläche des ersten Substrates anlagern. Durch Aufnahme der Anlytionen ändert sich zumindest eine elektrische Eigenschaft des ersten Substrats, beispielsweise der Widerstand, die ionische Leitfähigkeit, die Admittanz oder die Impedanz, sowie die Grenzschicht zwischen dem ersten Substrat und dem Messfluid. Das erste Substrat, das spezifisch sensitiv für das Analytion ist, steht mit dem ersten Signalübertragungselement in Form einer Elektrodenstruktur in Verbindung. Die Änderung einer elektrischen Eigenschaft, beispielsweise die Impedanzveränderung, wird über das Signalübertragungselement gemessen und weitergeleitet. Dieses Signal wird überlagert von der Leitfähigkeit des Messfluids. Der zweite Sensor, der ein zweites Substrat und ein zweites Signalübertragungselement aufweist, misst die Leitfähigkeit des Messfluids. Mit einer Messelektronik wird die Differenz der Signale aus dem ionenspezifischen Sensor und dem Leitfähigkeitssensor berechnet. Die Signaldifferenz ist ein Maß für die Konzentration des Analytions in dem Messfluid. The existing in the prior art disadvantage of susceptibility due to the electrolyte conductivity is overcome by the invention. The invention is based on the fact that the analyte ion forms a compound with the first substrate, which may also be referred to as a complex. The connection of the analyte to the first substrate causes ionic conductivity of the first substrate. The principle of action can be explained as follows. The analyte ions present in a measurement fluid attach to anolyte-specific attachment positions of the first substrate. These can be, for example, ion channels and / or ion pores into which the analyte ions are incorporated, and / or a surface functionalization of the first substrate which leads to the formation of chemical complexes when the analyte ions attach to the functionalized surface of the first substrate. By recording the indications, at least one electrical property of the first substrate changes, for example the resistance, the ionic conductivity, the admittance or the impedance, as well as the boundary layer between the first substrate and the measurement fluid. The first substrate, which is specifically sensitive to the analyte ion, is in communication with the first signal transmission element in the form of an electrode structure. The change of an electrical characteristic, for example the impedance change, is measured and forwarded via the signal transmission element. This signal is superimposed by the conductivity of the measuring fluid. The second sensor, which has a second substrate and a second signal transmission element, measures the conductivity of the measurement fluid. Measuring electronics are used to calculate the difference between the signals from the ion-specific sensor and the conductivity sensor. The signal difference is a measure of the concentration of the analyte ion in the measurement fluid.
Auch der im Stand der Technik bestehende zweite Nachteil aufgrund der Membran wird durch die Erfindung überwunden, indem die Membran eliminiert wird. Die eigentliche Membranfunktion übernimmt das erfindungsgemäße erste Substrat. Um die erforderliche Spezifität des ionenspezifischen Sensors für das Analytion sicherzustellen, weist das erste Substrat Analyt-spezifische Anlagerungsstellen auf. Dazu kann das erste Substrat beispielsweise ge- ometrisch nanostrukturiert und/oder chemisch funktionalisiert sein. Das Analyt-spezifische Anlagerungsstellen aufweisende, beispielsweise nanostrukturierte und/oder chemisch funktionalisierte Substrat ermöglicht die spezifische Messung des Analytions. Das Analytion verbindet sich mit dem ersten Substrat, wodurch sich der elektrische Widerstand und die Kapazität des ersten Substrates verändern. Aufgrund dieses neuartigen ersten Substrats erübrigt sich die Membran. Das erste Signalübertragungselement leitet die elektrische Veränderung als Messsignal weiter an eine Auswerteeinheit, beispielsweise an eine Messelektronik. Also, the existing in the prior art second disadvantage due to the membrane is overcome by the invention by the membrane is eliminated. The actual membrane function takes over the first substrate according to the invention. In order to ensure the required specificity of the ion-specific sensor for the analyte ion, the first substrate has analyte-specific attachment sites. For this purpose, the first substrate can be, for example, geometrically nano-structured and / or chemically functionalized. The analyte-specific attachment sites having, for example, nanostructured and / or chemically functionalized substrate allows the specific measurement of the analyte ion. The analy ion combines with the first substrate, thereby changing the electrical resistance and capacitance of the first substrate. Due to this novel first substrate, the membrane is unnecessary. The first signal transmission element forwards the electrical change as a measuring signal to an evaluation unit, for example to a measuring electronics.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Messsignal, das mit der Analytkonzentration korreliert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Messprinzip ermöglichen den Wegfall einer Referenzelektrode. Eine bevorzugte Konstruktion des ionenspezifischen Sensors basiert auf der Verwendung von mikroelektronischen Chips mit der erforderlichen Anzahl an Interdigitalelektroden, die das erste Signalübertragungselement bilden, auf dem ersten Substrat. Ist das Analytion ein Kation, so ist das erste Substrat ein kationenspezifisches Substrat. Ist das Analytion ein Anion, so ist das erste Substrat ein anionenspezifisches Substrat. Eine bevorzugte Konstruktion des Leitfähigkeitssensor basiert auf der Verwendung von mikroelektronischen Chips mit der erforderlichen Anzahl an Interdigitalelektroden, die das zweite Signalübertragungselement bilden, auf dem zweiten Substrat. Damit können beide Sensoren auf der Verwendung von mikroelektromschen Chips mit der erforderlichen Anzahl an Interdigitalelektroden basieren, die das jeweilige Signalübertragungselement bilden, auf dem jeweiligen Substrat. Solch eine Konstruktionsweise hat den Vorteil der technologischen Kompatibilität mit mikroelektromschen Chips- Technologien sowie der Einfachheit der Miniaturisierung. The present invention provides a measurement signal that correlates with analyte concentration. The device according to the invention and the measuring principle according to the invention make it possible to omit a reference electrode. A preferred construction of the ion-specific sensor is based on the use of microelectronic chips with the required number of interdigital electrodes forming the first signal transmission element on the first substrate. If the analyte ion is a cation, the first substrate is a cation-specific substrate. If the analyte ion is an anion, the first substrate is an anion-specific substrate. A preferred construction of the conductivity sensor is based on the use of microelectronic chips with the required number of interdigital electrodes forming the second signal transmission element on the second substrate. Thus, both sensors can be based on the use of microelectrical chips with the required number of interdigital electrodes forming the respective signal transmission element on the respective substrate. Such a construction has the advantage of technological compatibility with microelectronic chip technologies as well as the simplicity of miniaturization.
Der erfindungsgemäß vorgesehene ionenspezifische Sensor kann auch unabhängig von der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden. Nach Maßgabe der Erfindung ist somit ein ionenspezifischer Sensor zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung eines ionischen Analyten in einem Fluid vorgesehen, wobei der ionenspezifische Sensor ein erstes Substrat und ein erstes Signalübertragungselement aufweist, wobei zumindest das erste Substrat mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird und wobei das erste Substrat Anlagerungsstellen für den Analyten aufweist. Der ionenspezifische Sensor kann aus dem ersten Substrat und dem ersten Signalübertragungselement bestehen. The ion-specific sensor provided according to the invention can also be used independently of the device according to the invention. According to the invention, an ion-specific sensor is thus provided for the quantitative and / or qualitative determination of an ionic analyte in a fluid, wherein the ion-specific sensor has a first substrate and a first signal transmission element, wherein at least the first substrate is brought into contact with the fluid and wherein the first substrate has attachment sites for the analyte. The ion-specific sensor may consist of the first substrate and the first signal transmission element.
Der erfindungsgemäße ionenspezifische Sensor ist vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vor- richtung beschrieben worden. Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen ionenspezifischen Sensors können somit der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entnommen werden. The ion-specific sensor according to the invention has been described above in connection with the device according to the invention. Further features of the ion-specific sensor according to the invention can thus be taken from the description of the device according to the invention.
Der erfindungsgemäße ionenspezifische Sensor kann Teil einer Anordnung sein, die neben dem erfindungsgemäßen ionenspezifischen Sensor einen Leitfähigkeitssensor umfasst. Nach Maßgabe der Erfindung ist somit eine Anord- nung zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung eines ionischen Analyten in einem Fluid vorgesehen, die den erfindungsgemäßen ionenspezifischen Sensor und einen Leitfähigkeitssensor zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Fluids aufweist. The ion-specific sensor according to the invention may be part of an arrangement which, in addition to the ion-specific sensor according to the invention, comprises a conductivity sensor. According to the invention, an arrangement is thus provided for the quantitative and / or qualitative determination of an ionic analyte in a fluid which has the ion-specific sensor according to the invention and a conductivity sensor for determining the conductivity of the fluid.
Beim dem Leitfähigkeitssensor kann es sich um einen Leitfähigkeitssensor nach dem Stand der Technik oder, was bevorzugt ist, um den vorstehend, im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Leitfähigkeitssensor handeln. Weitere Merkmale des Leitfähigkeitssensors können somit der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entnommen werden. The conductivity sensor can be a prior art conductivity sensor or, preferably, the conductivity sensor described above in connection with the device according to the invention. Further features of the conductivity sensor can thus be taken from the description of the device according to the invention.
Durch die mit dem ersten Substrat in Kontakt tretenden, nachzuweisenden Analytionen wird, wie oben beschrieben, eine detektierbare Änderung zumindest einer elektrischen Eigenschaft des ersten Substrats hervorgerufen. Eine Änderung einer elektrischen Eigenschaft, beispielsweise der Impedanz, der Admittanz oder einer anderen, oben beschriebenen elektrischen Eigenschaft, des ersten Substrats kann in Abhängigkeit von den Wechselwirkungen mit den detektieren Analytionen, beispielsweise mit der detektierten Ionenspezies, angezeigt werden. Die Spezifität und Empfindlichkeit der Bestimmung kann durch den Leitfähigkeitssensor verbessert werden, dessen zweites Signal- Übertragungselement ein Vergleichssignal zu dem ionenspezifischen Sensor mit dem ersten Signalübertragungselement liefert. Das gilt ebenso im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtung. By the analyte ions to be detected in contact with the first substrate, as described above, a detectable change of at least one electrical property of the first substrate is caused. A change in an electrical property, such as the impedance, admittance, or other electrical property of the first substrate described above, may be indicated as a function of the interactions with the detected analyte ions, for example, with the detected ion species. The specificity and sensitivity of the determination can be improved by the conductivity sensor whose second signal Transmission element provides a comparison signal to the ion-specific sensor with the first signal transmission element. This also applies in the case of the device according to the invention.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Anordnung einen Transmitter aufweisen, der über elektrische Lei- tungsmittel mit dem ionenspezifischen Sensor und dem Leitfähigkeitssensor verbunden ist. Dazu können das erste und das zweite Signalübertragungselement Plus- und Minus-Pole zum elektrischen Anschluss der beiden Signalübertragungselemente an den Transmitter aufweisen. Der Transmitter weist vorzugsweise Messelektronik auf oder ist mit Messelektronik verbunden. Die Messelektronik kann eine Auswerteeinrichtung bilden oder Teil einer Auswerteinrichtung sein. Die Auswerteeinrichtung dient zur Auswertung der Signale, die von dem ionenspezifischen Sensor und dem Leitfähigkeitssensor geliefert werden. Die Signaldifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signalübertragungselement ist ein Maß für die Ionenkonzentration des ionischen Analyten. In addition, the arrangement according to the invention can have a transmitter which is connected via electrical conduction means to the ion-specific sensor and the conductivity sensor. For this purpose, the first and the second signal transmission element can have plus and minus poles for the electrical connection of the two signal transmission elements to the transmitter. The transmitter preferably has measuring electronics or is connected to measuring electronics. The measuring electronics can form an evaluation device or be part of an evaluation device. The evaluation device is used to evaluate the signals that are supplied by the ion-specific sensor and the conductivity sensor. The signal difference between the first and the second signal transmission element is a measure of the ion concentration of the ionic analyte.
Schließlich ist nach Maßgabe der Erfindung ein Verfahren zur quantitativen und oder qualitativen Bestimmung eines ionischen Analyten, insbesondere von Ionen einer Spezies, in einem Fluid mittels der erfindungsgemäßen Vor- richtung oder der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen. Das Verfahren umfasst: Finally, in accordance with the invention, a method is provided for the quantitative and / or qualitative determination of an ionic analyte, in particular of ions of a species, in a fluid by means of the device according to the invention or the arrangement according to the invention. The method comprises:
(a) In-Kontakt-bringen des ersten Substrates des ionenspezifischen Sensors mit dem Fluid; (a) contacting the first substrate of the ion-specific sensor with the fluid;
(b) In-Kontakt-bringen des Leitfähigkeitssensors mit dem Fluid; und (b) contacting the conductivity sensor with the fluid; and
(c) quantitative und/oder qualitative Bestimmung des Analyten in dem Fluid aus Signalen des ionenspezifischen Sensors und des Leitfähigkeitssensors. (C) quantitative and / or qualitative determination of the analyte in the fluid from signals of the ion-specific sensor and the conductivity sensor.
Es kann vorgesehen sein, dass Schritt (c) die Teilschritte umfasst: It can be provided that step (c) comprises the sub-steps:
(c 1) Bestimmen einer elektrischen Eigenschaft des ersten Substrates; und (c 1) determining an electrical property of the first substrate; and
(c2) Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit des Fluides mittels des Leitfähigkeitssensors. Es kann in Schritt (a) vorgesehen sein, dass das erste Substrat zusammen mit dem ersten Signalübertragungselement des ionenspezifischen Sensors mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird. Es können also das erste Substrat allein oder das erste Substrat gemeinsam mit dem ersten Signalübertragungselement in das Fluid eingetaucht werden. (c2) determining the electrical conductivity of the fluid by means of the conductivity sensor. It may be provided in step (a) that the first substrate is brought into contact with the fluid together with the first signal transmission element of the ion-specific sensor. Thus, the first substrate alone or the first substrate can be immersed in the fluid together with the first signal transmission element.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die elektrische Eigenschaft aus der Gruppe ausgewählt ist, die den Widerstand, die elektrische Leitfähigkeit, die Kapazität, die Admittanz und die Impedanz umfasst. Vorzugsweise wird die Impedanz des ersten Substrates gemessen. It can be provided that the electrical property is selected from the group comprising the resistance, the electrical conductivity, the capacitance, the admittance and the impedance. Preferably, the impedance of the first substrate is measured.
Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben worden. Sie können somit der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ent- nommen werden. Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere wird keine Referenzelektrode benötigt, da die Messungen von elektrischen Eigenschaften wie der Leitfähigkeit oder Admittanz, im Gegensatz zu z. B. Potentialmessungen in der Potentiometrie, absolute Messungen sind. Der Wegfall der Membran und damit der Nachteile der Membran-Matrix verbessert die Empfindlichkeit, erlaubt den Verzicht auf stundenlan- ges Konditionieren und bewirkt ein verbessertes Sensoransprechverhalten. Die Erfindung ermöglicht durch Wegfall der Membran die Reduktion des ionenspezifischen Sensors von drei auf zwei Komponenten, wodurch sich die reproduzierbare Herstellung des ionenspezifischen Sensors erheblich vereinfacht. Bei Sensoren mit Membranen muss die Membran die Elektrodenstruktur abdecken, um die Querempfindlichkeit auf die Leitfähigkeit auszuschließen. Die eingeschränkte Reproduzierbarkeit der Membrandicke bei der Herstellung führt zu einer großen Varianz der Empfindlichkeit und der Sensorzellkonstante. Further features of the method according to the invention have been described above in connection with the device according to the invention. They can thus be taken from the description of the device according to the invention. The invention has numerous advantages over the prior art. In particular, no reference electrode is needed, since the measurements of electrical properties such as conductivity or admittance, in contrast to z. B. potential measurements in the potentiometry, absolute measurements are. The omission of the membrane and thus the disadvantages of the membrane matrix improves the sensitivity, allows the dispensing with conditioning for hours and leads to an improved sensor response. By eliminating the membrane, the invention makes it possible to reduce the ion-specific sensor from three to two components, which considerably simplifies the reproducible production of the ion-specific sensor. In the case of sensors with membranes, the membrane must cover the electrode structure in order to exclude cross-sensitivity to the conductivity. The limited reproducibility of the membrane thickness during manufacture leads to a large variance of the sensitivity and the sensor cell constant.
Weitere Vorteile der Erfindung liegen darin, dass das Signal des Leitfähigkeitssensors den Störeinfluss der Leitfähigkeit des Messfluids kompensiert. Darüber können der ionenspezifische Sensor, der Leitfähigkeitssensor oder beide als hochintegrierte Festkörperkomplettsysteme konstruiert werden. Dies erlaubt eine starke Miniaturisierung und gewährleistet die Kompatibilität zur Mikroelektronik. Werden das erste Signalübertragungsmittel, das zweite Signalübertragungsmittel oder beide in Form einer IDE ausgeführt, so liegt der Vorteil bei der Verwendung einer IDE in der Möglichkeit der dichten Anordnung der Elektroden. Die Abmessungen der Elektrodenabstände können bis in den Submikromaßstab hinein verringert werden bei gleichzeitig großer sensitiven Substratoberfläche, was zu einer Erhöhung der Sensitivität auf einer geringen Fläche führt. Das Sensordesign ermöglicht eine dünne und flexible Bauform. Mit dem Sensordesign sind Freiformoberflächen in 3D möglich. Das Sensordesign ermöglicht eine Konstruktion als hochintegriertes Festkörperkomplettsystem. Dies ermöglicht eine starke Miniaturisierung und gewährleistet die Kompatibilität zur Mikroelektronik. Further advantages of the invention are that the signal of the conductivity sensor compensates for the interference of the conductivity of the measurement fluid. In addition, the ion-specific sensor, the conductivity sensor or both can be constructed as highly integrated solid-state complete systems. This allows a high degree of miniaturization and ensures compatibility with microelectronics. If the first signal transmission means, the second signal transmission means or both are implemented in the form of an IDE, the advantage of using an IDE is the possibility of the dense arrangement of the electrodes. The dimensions of the electrode spacings can be reduced down to the submicron scale while at the same time providing a high sensitive substrate surface, which leads to an increase in sensitivity in a small area. The sensor design enables a thin and flexible design. Free-form surfaces in 3D are possible with the sensor design. The sensor design enables a design as a highly integrated solid state complete system. This allows a high degree of miniaturization and ensures compatibility with microelectronics.
Die erfindungsgemäß vorgesehen Anlagerungsstellen, insbesondere in Form von Nanokanälen und Nanoporen in Kombination mit der Oberflächenfunktionalisierung, ermöglichen die spezifische Messung von Ionen eines Elements aus dem Periodensystem im Gegensatz zu einer Beschichtung in Form einer Membran, die lediglich selektiv, d. h. auf eine Gruppe von Ionen kreuzempfindlich sind und eine Querempfindlichkeit zeigen. Der Leitfähigkeitssensor bildet einen inerten Bezugssensor, der den Summenparameter Leitfähigkeit des Messfluids, d. h. die Summe aller Ionen des Messfluids, misst. Die Signaldifferenz zwischen dem selektiven Sensor, d. h. dem ionenspezifischen Sensor, und dem Bezugssensor, d. h. dem Leitfähigkeitssensor, eliminiert die Querempfindlichkeit auf die Leitfähigkeit. Mit dem Design der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder Anordnung kann die Messgenauigkeit verbessert und die Nachweisgrenze verringert werden. The attachment sites provided according to the invention, in particular in the form of nanochannels and nanopores in combination with the surface functionalization, allow the specific measurement of ions of an element from the periodic table as opposed to a membrane-shaped coating which is selective, ie. H. are cross-sensitive to a group of ions and show cross-sensitivity. The conductivity sensor forms an inert reference sensor, the sum parameter conductivity of the measuring fluid, d. H. the sum of all ions of the measuring fluid, measures. The signal difference between the selective sensor, d. H. the ion-specific sensor, and the reference sensor, d. H. the conductivity sensor, eliminates the cross-sensitivity to the conductivity. With the design of the device or arrangement according to the invention, the measurement accuracy can be improved and the detection limit can be reduced.
Kationen-Sensor Cations sensor
In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine als Kationen-Sensor bezeichnete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder der erfindungsgemäßen Anordnung. Der Kationen-Sensor besteht aus zwei Sensoren, nämlichen einem ionenspezifischen Sensor und einem Leitfähigkeitssensor. Der ionenspezifische Sensor weist auf: ein erstes, ionenspezifisches Substratmit Ionenkanälen, mit Ionenporen und einer Oberflächenfunktionalisie- rung zur Anlagerung des zu analysierenden Ionenspezies, also des Analytions, in einer Messlösung; und ein Signalübertragungselement in Form einer IDES (Inter-Digitale Elektroden Struktur) in Verbindung mit dem ersten, ionenspezifischen Substrat. In one embodiment, the invention relates to an embodiment of the device according to the invention or the arrangement according to the invention called a cation sensor. The cation sensor consists of two sensors, namely an ion-specific sensor and a conductivity sensor. The ion-specific sensor has: a first, ion-specific substrate with ion channels, with ion pores and a surface functionalization for attaching the ion species to be analyzed, ie the analyte ion, in a measurement solution; and a signal transmission element in the form of an IDES (Inter-Digital Electrode Structure) in communication with the first ion-specific substrate.
Der Leitfähigkeitssensor weist ein zweites Signalübertragungselement auf einem inerten Substrat auf. Der ionenspezifische Sensor und der Leitfähigkeitssensor besitzen Plus- und Minuspole zum elektrischen Anschluss an einen Transmitter mit Messelektronik. Die Signaldifferenz der beiden Signalübertragungselemente ist ein Maß für die Ionenkonzentration bzw. Ionenaktivität der Ionenspezies in einer Messlösung. The conductivity sensor has a second signal transmission element on an inert substrate. The ion-specific sensor and the conductivity sensor have positive and negative poles for electrical connection to a transmitter with measuring electronics. The signal difference of the two signal transmission elements is a measure of the ion concentration or ion activity of the ion species in a measurement solution.
Es kann bei dem Kationen-Sensor vorgesehen sein, dass das erste, ionenspezifische Substrat seine elektrische Eigenschaft sensitiv ändert bei Kontakt mit Kationen einer Ionenspezies und dass das erste Signalübertragungselement in Verbindung mit dem ersten, ionenspezifischen Substrat steht. It may be provided in the cation sensor that the first, ion-specific substrate changes its electrical property sensitive upon contact with cations of an ionic species and that the first signal transmission element is in communication with the first, ion-specific substrate.
Es ist bei dem Kationen-Sensor vorgesehen, dass die Membranfunktion in das erste, ionenspezifische Substrat vereint oder integriert ist und dass der erfindungsgemäße Kationen-Sensor ohne Membran realisiert ist. It is provided in the cation sensor that the membrane function is integrated or integrated into the first, ion-specific substrate and that the cation sensor according to the invention is realized without a membrane.
Es kann bei dem Kationen-Sensor vorgesehen sein, dass die Kationenmessung ohne Referenzelektrode realisiert ist. It may be provided in the cation sensor that the cation measurement is realized without a reference electrode.
Es kann bei dem Kationen-Sensor vorgesehen sein, dass das erste Substrat mit ionenspezifischen Ionenkanälen und mit Ionenporen ausgebildet ist, so dass sich durch spezifische Kationenaufnahme die elektrischen Eigenschaften wie Widerstand, Kapazität, Admittanz oder Impedanz des Substrats ändern. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ionenkanäle und die Ionenporen eine Oberflächenfunktionalisierung mit ionenspezifischen Kopplungselementen auf- weisen, so dass sich durch eine spezifische Kationenaufnahme die elektrischen Eigenschaften wie Widerstand, Kapazität, Admittanz oder Impedanz des Substrats ändern. Alternativ kann bei dem Kationen-Sensor vorgesehen sein, dass das erste Substrat ohne Ionenkanäle und Ionenporen ausgestattet ist, jedoch eine Oberflächenfunktionalisierung mit ionenspezifischen Kopplungselementen aufweist, so dass sich durch spezifische Kationenaufnahme die elektrischen Eigenschaften wie Widerstand, Kapazität, Admittanz oder Impedanz des Substrats ändern. It may be provided in the cation sensor that the first substrate is formed with ion-specific ion channels and with ion pores, so that change by specific cation recording the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate. It can be provided that the ion channels and the ion pores have a surface functionalization with ion-specific coupling elements, so that change the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate by a specific cation uptake. Alternatively, it may be provided in the cation sensor, that the first substrate is equipped without ion channels and ion pores, but has a surface functionalization with ion-specific coupling elements, so that change by specific cation recording the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate.
Es kann bei dem Kationen-Sensor vorgesehen sein, dass der Leitfähigkeitssensor, bei dem das zweite Signalübertragungselement auf einem inerten Substrat angeordnet ist, keine sensitive elektrische Eigenschaftsänderung aufweist, so dass er als Bezugs-signalübertragungselement zu dem ionenspezifischen Sensor agiert. Schließlich kann vorgesehen sein, dass der ionenspezifische Sensor und der Leitfähigkeitssensor über eine Mes- selektronik in Verbindung stehen, so dass die Differenz der Signale von dem ersten und zweiten Signalübertragungselement zum Zweck der Kompensation der Querempfindlichkeit durch die Fluidleitfähigkeit berechnet werden kann. Anionen-Sensor It may be provided in the cation sensor that the conductivity sensor, in which the second signal transmission element is arranged on an inert substrate, has no sensitive electrical property change, so that it acts as a reference signal transmission element to the ion-specific sensor. Finally, it can be provided that the ion-specific sensor and the conductivity sensor are connected via a measuring electronics, so that the difference of the signals from the first and second signal transmission element can be calculated for the purpose of compensating the cross-sensitivity by the fluid conductivity. Anion Sensor
Der Anionen-Sensor entspricht dem Kationen-Sensor, außer dass die zu analysierende Ionenspezies, d. h. das Analy- tion, ein Anion ist. Der Amonen-Sensor besteht aus zwei Sensoren, nämlichen einem ionenspezifischen Sensor und einem Leitfähigkeitssensor. Der ionenspezifische Sensor weist auf: ein erstes, ionenspezifisches Substrat mit Ionenkanälen, mit Ionenporen und einer Oberflächenfunktionalisie- rung zur Anlagerung des zu analysierenden Ionenspezies, also des Analytions, in einer Messlösung; und ein Signalübertragungselement in Form einer IDES (Inter-Digitale Elektroden Struktur) in Verbindung mit dem ersten, ionenspezifischen Substrat.  The anion sensor corresponds to the cation sensor except that the ion species to be analyzed, i. H. the analyte is an anion. The Amonen sensor consists of two sensors, namely an ion-specific sensor and a conductivity sensor. The ion-specific sensor comprises: a first, ion-specific substrate with ion channels, with ion pores and a surface functionalization for attaching the ion species to be analyzed, ie the analyte ion, in a measurement solution; and a signal transmission element in the form of an IDES (Inter-Digital Electrode Structure) in communication with the first ion-specific substrate.
Der Leitfähigkeitssensor weist ein zweites Signalübertragungselement auf einem inerten Substrat auf. Der ionenspezifische Sensor und der Leitfähigkeitssensor besitzen Plus- und Minuspole zum elektrischen Anschluss an einen Transmitter mit Messelektronik. Die Signaldifferenz der beiden Signalübertragungselemente ist ein Maß für die Ionenkonzentration der Ionenspezies in einer Messlösung. The conductivity sensor has a second signal transmission element on an inert substrate. The ion-specific sensor and the conductivity sensor have positive and negative poles for electrical connection to a transmitter with measuring electronics. The signal difference of the two signal transmission elements is a measure of the ion concentration of the ion species in a measurement solution.
Es kann bei dem Amonen-Sensor vorgesehen sein, dass das erste, ionenspezifische Substrat seine elektrische Eigenschaft sensitiv ändert bei Kontakt mit Anionen einer Ionenspezies und dass das erste Signalübertragungselement in Verbindung mit dem ersten, ionenspezifischen Substrat steht. It may be provided in the amino-sensor that the first, ion-specific substrate changes its electrical property sensitively upon contact with anions of an ion species and that the first signal transmission element is in communication with the first, ion-specific substrate.
Es ist bei dem Amonen-Sensor vorgesehen, dass die Membranfunktion in das erste, ionenspezifische Substrat vereint oder integriert ist und dass der erfindungsgemäße Amonen-Sensor ohne Membran realisiert ist. It is provided in the case of the amonorm sensor that the membrane function is combined or integrated into the first, ion-specific substrate, and that the amonep sensor according to the invention is realized without a membrane.
Es kann bei dem Amonen-Sensor vorgesehen sein, dass die Anionenmessung ohne Referenzelektrode realisiert ist. It can be provided in the Amonen sensor that the Anionenmessung is realized without a reference electrode.
Es kann bei dem Amonen-Sensor vorgesehen sein, dass das erste Substrat mit ionenspezifischen Ionenkanälen und mit Ionenporen ausgebildet ist, so dass sich durch spezifische Anionenaufnahme die elektrischen Eigenschaften wie Widerstand, Kapazität, Admittanz oder Impedanz des Substrats ändern. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ionenkanäle und die Ionenporen eine Oberflächenfunktionalisierung mit ionenspezifischen Kopplungselementen auf- weisen, so dass sich durch eine spezifische Anionenaufnahme die elektrischen Eigenschaften wie Widerstand, Kapazität, Admittanz oder Impedanz des Substrats ändern. Alternativ kann bei dem Amonen-Sensor vorgesehen sein, dass das erste Substrat ohne Ionenkanäle und Ionenporen ausgestattet ist, jedoch eine Oberflächenfunktionalisierung mit ionenspezifischen Kopplungselementen aufweist, so dass sich durch spezifische Kationenaufnahme die elektrischen Eigenschaften wie Widerstand, Kapazität, Admittanz oder Impedanz des Substrats ändern. It may be provided in the amonotransducer, that the first substrate is formed with ion-specific ion channels and with ion pores, so that change the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate by specific Anionenaufnahme. It can be provided that the ion channels and the ion pores have a surface functionalization with ion-specific coupling elements, so that change the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate by a specific Anionenaufnahme. Alternatively, it can be provided in the amino-sensor that the first substrate is equipped without ion channels and ion pores, but has a surface functionalization with ion-specific coupling elements, so that the electrical properties such as resistance, capacitance, admittance or impedance of the substrate change by specific cation uptake.
Es kann bei dem Amonen-Sensor vorgesehen sein, dass der Leitfähigkeitssensor, bei dem das zweite Signalübertragungselement auf einem inerten Substrat angeordnet ist, keine sensitive elektrische Eigenschaftsänderung aufweist, so dass er als Bezugssignalübertragungselement zu dem ionenspezifischen Sensor agiert. Schließlich kann vorgesehen sein, dass der ionenspezifische Sensor und der Leitfähigkeitssensor über eine Messelektronik in Verbindung stehen, so dass die Differenz der Signale von dem ersten und zweiten Signalübertragungselement zum Zweck der Kompensation der Querempfindlichkeit durch die Fluidleitfähigkeit berechnet werden kann. It may be provided in the amono sensor that the conductivity sensor in which the second signal transmission element is disposed on an inert substrate has no sensitive electrical property change, so that it acts as a reference signal transmission element to the ion-specific sensor. Finally, provision may be made for the ion-specific sensor and the conductivity sensor to be connected via measuring electronics, so that the difference of the signals from the first and second signal transmission elements can be calculated for the purpose of compensating the cross-sensitivity by the fluid conductivity.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen The invention will be explained in more detail below with reference to embodiments, which are not intended to limit the invention, with reference to the drawings. Show
Fig. la eine schematische Darstellung des ionenspezifischen Sensors und des Leitfähigkeitssensors in einem Fig. La is a schematic representation of the ion-specific sensor and the conductivity sensor in one
Messfluid;  Measuring fluid;
Fig. lb eine perspektivische Teildarstellung einer ersten Ausführungsform eines ionenspezifischen Sensors; FIG. 1b shows a partial perspective view of a first embodiment of an ion-specific sensor; FIG.
Fig. lc eine schematische Teildarstellung eines ersten Substrates, das eine Oberflächenfunktionalisierung aufweist; Figure lc is a partial schematic representation of a first substrate having a surface functionalization;
Fig. 2 schematische Teilschnittdarstellungen von ersten Substraten, in deren Oberfläche Nanostrukturen eingebracht sind (Fig. 2a: konischer Nanokanal; Fig. 2b: zylindrischer Nanokanal; Fig. 2c: eine Nanopo- re); 2 shows schematic partial sectional representations of first substrates in whose surface nanostructures are introduced (FIG.2a: conical nanochannel, FIG.2b: cylindrical nanochannel, FIG.2c: a nanopore);
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Substrates, in dessen Oberfläche Nanostrukturen eingebracht sind; 3 is a schematic sectional view of a first substrate, in the surface of which nanostructures are introduced;
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Substrates, dessen Oberfläche eine Oberflächen- funktionalisierung aufweist; 4 is a schematic sectional view of a first substrate whose surface has a surface functionalization;
Fig. 5 eine schematische Teilschnittdarstellung eines ersten Substrates mit einem konisch geformten Nanokanal ohne Oberflächenmodifizierung; und Fig. 6 eine schematische Teilschnittdarstellung eines ersten Substrates mit einem konisch geformten Nanokanal mit Oberflächenmodifizierung. 5 shows a schematic partial sectional view of a first substrate with a conically shaped nanochannel without surface modification; and FIG. 6 shows a schematic partial sectional view of a first substrate with a conically shaped nanochannel with surface modification.
Fig. la zeigt einen ionenspezifischen Sensor 11 und einen Leitfähigkeitssensor 21, die Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder Anordnung sein können. Die Sensoren 11, 21 sind beabstandet voneinander jeweils mit einem ihrer Enden in ein Messfluid 31 eingeführt, das sich in einem Probenbehälter 32 befindet. 1 a shows an ion-specific sensor 11 and a conductivity sensor 21, which may be part of a device or arrangement according to the invention. The sensors 11, 21 are spaced from each other with one of its ends inserted into a measuring fluid 31, which is located in a sample container 32.
Der ionenspezifische Sensor 11 weist ein erstes Substrat 12 mit einer Substratoberfläche 13 auf, auf die ein erstes Signalübertragungselement 14 aufgebracht ist. Es ist in Fig. 1 zu erkennen, dass das erste Signalübertragungselement 14 in Form einer IDES ausgebildet ist. Das erste Signalübertragungselement 14 weist einen Pluspol (+) und einen Minuspol (-) auf, die an dem Ende des ionenspezifischen Sensors 11 ausgebildet sind, das nicht in das Mess- fluid 31 eingeführt ist. Der ionenspezifische Sensor 11 ist über den Pluspol und den Minuspol des ersten Signalübertragungselementes 14 an einen Transmitter (nicht gezeigt) mit Mikroelektronik elektrisch angeschlossen, so dass das Messsignal, das von dem ersten Signalübertragungselement 14 empfangen und an den Transmitter übertragen wird, ausgewertet werden kann. The ion-specific sensor 11 has a first substrate 12 with a substrate surface 13, to which a first signal transmission element 14 is applied. It can be seen in FIG. 1 that the first signal transmission element 14 is designed in the form of an IDES. The first signal transmission element 14 has a positive pole (+) and a negative pole (-), which are formed at the end of the ion-specific sensor 11 which is not in the measuring fluid 31 is introduced. The ion-specific sensor 11 is electrically connected via the positive pole and the negative pole of the first signal transmission element 14 to a transmitter (not shown) with microelectronics, so that the measurement signal, which is received by the first signal transmission element 14 and transmitted to the transmitter, can be evaluated.
Der Leitfähigkeitssensor 21 weist ein zweites Substrat 22 mit einer Substratoberfläche 23 auf, auf die ein zweites Signalübertragungselement 24 aufgebracht ist. Es ist in Fig. 1 zu erkennen, dass das zweite Signalübertragungselement 24 in Form einer IDES ausgebildet ist. Das zweite Signalübertragungselement 24 weist einen Pluspol (+) und einen Minuspol (-) auf, die an dem Ende des ionenspezifischen Sensors 11 ausgebildet sind, das nicht in das Mess- fluid 31 eingeführt ist. Der Leitfähigkeitssensor 21 ist über den Pluspol und den Minuspol des zweiten Signalübertragungselementes 24 ebenso wie der ionenspezifische Sensor 11 mit dem Transmitter verbunden, so dass das Messsignal, das von dem zweiten Signalübertragungselement 24 empfangen und an den Transmitter übertragen wird, ausgewertet werden kann. Die Substratoberfläche 13 des ionenspezifischen Sensors 11 weist eine Nanostruktur aus Nanokanälen 16 und Na- noporen 17 auf, die sich von der Substratoberfläche 13 in das erste Substrat 12 erstrecken (Fig. lb). Die Substratoberfläche 13 weist zusätzlich eine Oberflächenfunktionalisierung (Fig. lc) auf. Dabei handelt es sich um Liganden 15, die als Kopplungselemente an der Substratoberfläche 13 ausgebildet sind. Analytionen 33, die sich in dem Messfluid 31 befinden, können sich unter Ausbildung chemischer Komplexe 34 an den Liganden 15 anlagern. The conductivity sensor 21 has a second substrate 22 with a substrate surface 23, to which a second signal transmission element 24 is applied. It can be seen in FIG. 1 that the second signal transmission element 24 is designed in the form of an IDES. The second signal transmission element 24 has a positive pole (+) and a negative pole (-), which are formed at the end of the ion-specific sensor 11, which is not introduced into the measuring fluid 31. The conductivity sensor 21 is connected via the positive pole and the negative pole of the second signal transmission element 24 as well as the ion-specific sensor 11 to the transmitter, so that the measurement signal, which is received by the second signal transmission element 24 and transmitted to the transmitter, can be evaluated. The substrate surface 13 of the ion-specific sensor 11 has a nanostructure of nanochannels 16 and nanopores 17, which extend from the substrate surface 13 into the first substrate 12 (FIG. 1b). The substrate surface 13 additionally has a surface functionalization (FIG. 1c). These are ligands 15, which are formed as coupling elements on the substrate surface 13. Analyte ions 33, which are in the measurement fluid 31, can attach to the ligand 15 to form chemical complexes 34.
Das zweite Substrat 22 des Leitfähigkeitssensors 21 besteht aus einem inerten Material, an das keine Analytionen 33 anbinden können. The second substrate 22 of the conductivity sensor 21 consists of an inert material to which no analyte ions 33 can bind.
In den Figuren 2a-c ist die Nanostruktur an der Substratoberfläche 13 weiter veranschaulicht. In den Figuren 2a-c ist das erste Substrat 12 jeweils als Teilschnitt gezeigt, wobei die Schnittfläche schraffiert dargestellt ist. In den Figuren 2a und 2b ist jeweils ein Nanokanal 16 gezeigt, der eine Anlagerungsstelle für ein Analytion 33 bildet. In Fig. 2a ist der Nanokanal 16 ein konischer Nanokanal 16', in Fig. 2b ein zylindrischer Nanokanal 16". In Fig. 2c ist eine Na- nopore 17 gezeigt, die eine Anlagerungsstelle für ein Analytion 33 bildet. Die Nanokanäle 16 und die Nanoporen 17 bilden gemeinsam die Nanostruktur der Substratoberfläche 13. Analytionen 33, die sich in dem Messfluid 31 befin- den, können in die Nanostruktur eintreten und dort an die Substratoberfläche 13 anlagern. In FIGS. 2a-c, the nanostructure on the substrate surface 13 is further illustrated. In FIGS. 2a-c, the first substrate 12 is shown in each case as a partial section, wherein the sectional area is shown hatched. FIGS. 2 a and 2 b each show a nanochannel 16 which forms an attachment site for an analyte ion 33. In Fig. 2a, the nanochannel 16 is a conical nanochannel 16 ', in Fig. 2b a cylindrical nanochannel 16 ".Figure 2c shows a nanopore 17 which forms an attachment site for an analyte ion 33. The nanochannels 16 and Nanopores 17 together form the nanostructure of the substrate surface 13. Analyte ions 33, which are located in the measurement fluid 31, can enter the nanostructure and attach to the substrate surface 13 there.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch ein erstes Substrat 12 gezeigt, an dessen Substratoberfläche 13 Anlagerungsstellen in Form von konischen Nanokanälen 16', zylindrischen Nanokanälen 16" und Nanoporen 17 ausgebildet sind. Fig. 4 entspricht Fig. 3, außer dass zusätzlich zu den Nanostrukturen eine Oberflächenfunktionalisierung in Form von Lig- anden 15 an der Substratoberfläche 13 ausgebildet ist. 3 shows a section through a first substrate 12, on whose substrate surface 13 attachment sites in the form of conical nanochannels 16 ', cylindrical nanochannels 16 "and nanopores 17 are formed Nanostructures surface functionalization in the form of Lig- anden 15 is formed on the substrate surface 13.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass an den Oberflächen der Nanostrukturen 16, 17 eine Oberflächenmodifizierung ausgebildet ist. Die Oberflächenmodifizierung kann der Oberflächenfunktionalisierung der Substratoberfläche 13 entsprechen. Die Oberflächen der Nanostrukturen 16, 17 werden aufgrund ihrer Lage auch als innere Oberflächen bezeichnet. Sie sind allerdings Teil der Substratoberfläche 13. In Fig. 5 ist eine Nanokanal 16' gezeigt, dessen innere Oberfläche keine Oberflächenmodifizierung aufweist. In den Nanokanal 16' ist ein Analytion 33 eingelagert. According to the invention, it may be provided that a surface modification is formed on the surfaces of the nanostructures 16, 17. The surface modification may correspond to the surface functionalization of the substrate surface 13. The surfaces of the nanostructures 16, 17 are also referred to as inner surfaces due to their position. However, they are part of the substrate surface 13. FIG. 5 shows a nanochannel 16 '. its inner surface has no surface modification. Into the nanochannel 16 'an analyte ion 33 is incorporated.
Fig. 6 entspricht Fig. 5, außer dass die Substratoberfläche 13 eine Oberflächenfunktionalisierung und die innere Oberfläche des Nanokanals 16' eine Oberflächenmodifizierung aufweist. Sowohl bei der Oberflächenfunktionalisierung als auch bei der Oberflächenmodifizierung handelt es sich um Liganden 15, die als Kopplungselemente an der Substratoberfläche 13 und der inneren Oberfläche des Nanokanals 16' ausgebildet sind. Analytionen 33, die sich in dem Messfluid 31 befinden, können sich unter Ausbildung chemischer Komplexe 34 (siehe auch Fig. lc) an den Liganden 15 anlagern, und zwar an der Substratoberfläche 13 und der inneren Oberfläche des Nanokanals 16'. Fig. 6 corresponds to Fig. 5, except that the substrate surface 13 has a surface functionalization and the inner surface of the nanochannel 16 'has a surface modification. Both surface functionalization and surface modification are ligands 15 formed as coupling elements on the substrate surface 13 and the inner surface of the nanochannel 16 '. Analyte ions 33 located in the measurement fluid 31 may attach to the ligand 15 forming chemical complexes 34 (see also FIG. 1c) at the substrate surface 13 and the inner surface of the nanochannel 16 '.
Beispiel 1 example 1
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist das erste Substrat 12 ein Substrat aus einem Polymer mit Nanokanälen 16 und Nanoporen 17. Das erste Substrat 12 hat eine Dicke von 0,2 mm. Die Nanokanäle 16 und die Nanoporen 17 weisen eine Dimension zwischen 2 bis 100 nm auf. Das erste Substrat 12 weist eine Oberflächenfunktionalisierung auf, die von Liganden 15 gebildet wird. Das erste Substrat 12 ist somit ein oberflächenmodifiziertes Substrat, d. h. ein nanostrukturiertes und mit Liganden funktionalisiertes Polymersubstrat.  In this embodiment of the invention, the first substrate 12 is a substrate made of a polymer having nanochannels 16 and nanopores 17. The first substrate 12 has a thickness of 0.2 mm. The nanochannels 16 and the nanopores 17 have a dimension between 2 and 100 nm. The first substrate 12 has a surface functionalization formed by ligands 15. The first substrate 12 is thus a surface-modified substrate, i. H. a nanostructured and ligand-functionalized polymer substrate.
Auf das erste Substrat 12 ist das erste Signalübertragungselement 14 in Form einer IDES aufgebracht. Bei der IDES handelt es sich um eine interdigitale Dünnschicht-Metallelektrodenstruktur aus Ni, Pt oder Au. Die IDES ist auf dem nanostrukturierten und mit Liganden funktionalisierten Polymersubstrat hergestellt. On the first substrate 12, the first signal transmission element 14 is applied in the form of an IDES. The IDES is an interdigital thin-film metal electrode structure made of Ni, Pt or Au. The IDES is fabricated on the nanostructured ligand-functionalized polymer substrate.
Eine identische IDES ist als zweites Signalübertragungselement 24 auf ein inertes Polymersubstrat aufgebracht. Das inerte Polymersubstrat ist das zweite Substrat 22, das wiederum Bestandteil des Leitfähigkeitssensors 21 ist. Die IDES ist auf dem inerten Polymersubstrat hergestellt. An identical IDES is applied as a second signal transmission element 24 to an inert polymer substrate. The inert polymer substrate is the second substrate 22, which in turn is part of the conductivity sensor 21. The IDES is made on the inert polymer substrate.
Das erste Substrat bildet gemeinsam mit dem ersten Signalübertragungselement 14 eine Nanokanalelektrode. Die Nanokanalelektrode besteht aus dem ersten Substrat 12, das mit Nanoporen 17 und Nanokanälen 16 durchsetzt ist und daher ein nanostrukturiertes Substrat ist, und dem ersten Signalübertragungselement 14. Zusätzlich kann das erste Substrat eine Oberflächenfunktionalisierung aufweisen. Dazu kann das nanostrukturierte Substrat mit Ligan- den 15 zur spezifischen Ein- und Anlagerung von Analytionen 33 funktionalisiert sein. Auf das erste Substrat 12 ist das erste Signalübertragungselement 14 in Form einer IDES aufgebracht. Die Nanokanalelektrode lässt sich rational und reproduzierbar zusammen mit der IDES fertigen. The first substrate together with the first signal transmission element 14 forms a nanochannel electrode. The nanochannel electrode consists of the first substrate 12, interspersed with nanopores 17 and nanochannels 16 and therefore being a nanostructured substrate, and the first signal transmission element 14. In addition, the first substrate may have surface functionalization. For this purpose, the nanostructured substrate with ligands 15 can be functionalized for the specific incorporation and addition of analyte ions 33. On the first substrate 12, the first signal transmission element 14 is applied in the form of an IDES. The nanochannel electrode can be manufactured rationally and reproducibly together with IDES.
Eine bevorzugte Konstruktion des ionenspezifischen Sensors 11 basiert auf der Verwendung von mikroelektroni- sehen Chips mit der erforderlichen Anzahl an Interdigitalelektroden, die das erste Signalübertragungselement 14 bilden, auf dem ersten Substrat 12. Ist das Analytion 33 ein Kation ist das erste Substrat 12 ein kationenspezifisches Substrat. Eine bevorzugte Konstruktion des Leitfähigkeitssensors 21 basiert auf der Verwendung von mikroelektromschen Chips mit der erforderlichen Anzahl an Interdigitalelektroden, die das zweite Signalübertragungselement 24 bilden, auf dem zweiten Substrat 22. Damit können beide Sensoren auf der Verwendung von mikroelektromschen Chips mit der erforderlichen Anzahl an Interdigitalelektroden basieren, die das jeweilige Signalübertragungselement bilden, auf dem jeweiligen Substrat. Solch eine Konstruktionsweise hat den Vorteil der technologischen Kompatibilität mit mikroelektronischen Chips-Technologien sowie der Einfachheit der Miniaturisierung. A preferred construction of the ion-specific sensor 11 is based on the use of microelectronic chips with the required number of interdigital electrodes forming the first signal transmission element 14 on the first substrate 12. If the analyte ion 33 is a cation, the first substrate 12 is a cation-specific substrate , A preferred construction of the conductivity sensor 21 is based on the use of microelectromic chips with the required number of interdigital electrodes forming the second signal transmission element 24 on the second substrate 22. Thus both sensors can be based on the use of microelectromic chips with the required number of interdigital electrodes that the respective signal transmission element form, on the respective substrate. Such a design has the advantage of technological compatibility with microelectronic chip technologies as well as the simplicity of miniaturization.
Die Nanoporen 17 und Nanokanäle 16 in dem ersten, Analyt-spezifischen Substrat 12 können mit Hilfe der Ferti- gungstechnologie, der sogenannten Ion-Tracking und Ionenspur Ätzen hergestellt werden. Optional können die inneren Oberflächen der Nanoporen 17 und Nanokanäle 16 eine Oberflächenmodifikation in Form von Kopplungselementen aufweisen. Bei den Kopplungselementen kann es sich um Liganden 15 handeln, die einen chemischen Komplex 34 mit Analytionen 33 bilden können. Die Liganden 15 sind daher chemische Komplexbildner. Ist das Analytion 33 ein Kation, so ist der Ligand ein das Kation erkennender Ligand. The nanopores 17 and nanochannels 16 in the first, analyte-specific substrate 12 can be produced with the aid of production technology, the so-called ion tracking and etching ion trace. Optionally, the inner surfaces of the nanopores 17 and nanochannels 16 may have a surface modification in the form of coupling elements. The coupling elements can be ligands 15 which can form a chemical complex 34 with analyte ions 33. The ligands 15 are therefore chemical complexing agents. If the analyte 33 is a cation, then the ligand is a cation recognizing ligand.
Zur Bestimmung der Analytionen-Konzentration in einem Messfluid 31 werden der ionenspezifische Sensor 11 und der Leitfähigkeitssensor 21 in das Messfluid 31 eingeführt. Das Messfluid 31 ist in diesem Beispiel eine Messlösung, die Kationen als Analytionen 33 enthält. Die in der Messlösung enthaltenen, zu detektierenden Kationen treten in das erste, Kationen-spezifische sensitive Substrat 12 ein und bilden Komplexe mit der Nanostruktur, d. h. den Nanokanälen 16 und den Nanoporen 17, sowie, falls vorhanden, den funktionalisierten chemischen Gruppen, d. h. den Liganden 15. Aufgrund der beschriebenen ionischen Prozesse ändern sich die bulkelektrischen Eigenschaften des ersten Substrats 12, was mit Hilfe des mit dem ersten Substrat 12 in Kontakt stehenden ersten Signalübertragungselementes 14, das die Form einer Elektrodenstruktur aufweist, nachgewiesen werden kann. For determining the analyte ion concentration in a measurement fluid 31, the ion-specific sensor 11 and the conductivity sensor 21 are introduced into the measurement fluid 31. The measurement fluid 31 in this example is a measurement solution containing cations as analyte ions 33. The cations to be detected contained in the measurement solution enter the first cation-specific sensitive substrate 12 and form complexes with the nanostructure, i. H. the nanochannels 16 and the nanopores 17, and, if present, the functionalized chemical groups, d. H. ligand 15. Due to the described ionic processes, the bulkelektrischen properties of the first substrate 12 change, which can be detected by means of the first substrate 12 in contact with the first signal transmission element 14, which has the shape of an electrode structure.
Beispiel 2 Example 2
Beispiel 2 entspricht Beispiel 1, außer dass das erste, Analyt-spezifische Substrat 12 keine Nanoporen und Nanokanäle und damit keine Nanostruktur, sondern nur eine Oberflächenfunktionalisierung aufweist. Die Oberflächenfunk- tionalisierung ist eine Oberflächenfunktionalisierung aus Kopplungselementen, beispielsweise Liganden 15, auf der Substratoberfläche 13. Das Substrat kommt in dieser Variante ohne Nanoporen und Nanokanäle aus.  Example 2 corresponds to Example 1, except that the first, analyte-specific substrate 12 has no nanopores and nanochannels and thus no nanostructure, but only a surface functionalization. The surface functionalization is a surface functionalization of coupling elements, for example ligands 15, on the substrate surface 13. In this variant, the substrate does not contain nanopores and nanochannels.
Zur Bestimmung der Analytionen-Konzentration einem Messfluid 31 werden der ionenspezifische Sensor 11 und der Leitfähigkeitssensor 21 in das Messfluid 31 eingeführt. Das Messfluid 31 ist in diesem Beispiel eine Messlösung, die Kationen als Analytionen 33 enthält. Die in der Messlösung enthaltenen, zu detektierenden Kationen treten in das erste, Kationen-spezifische sensitive Substrat 12 ein und bilden Komplexe mit den funktionalisierten chemischen Gruppen, d. h. den Liganden 15. Aufgrund der beschriebenen ionischen Prozesse ändern sich die bulkelektrischen Eigenschaften des ersten Substrats 12, was mit Hilfe des mit dem ersten Substrat 12 in Kontakt stehenden ersten Signalübertragungselementes 14, das die Form einer Elektrodenstruktur aufweist, nachgewiesen werden kann. In order to determine the analyte ion concentration of a measurement fluid 31, the ion-specific sensor 11 and the conductivity sensor 21 are introduced into the measurement fluid 31. The measurement fluid 31 in this example is a measurement solution containing cations as analyte ions 33. The cations to be detected contained in the measurement solution enter the first cation-specific sensitive substrate 12 and form complexes with the functionalized chemical groups, i. H. ligand 15. Due to the described ionic processes, the bulkelektrischen properties of the first substrate 12 change, which can be detected by means of the first substrate 12 in contact with the first signal transmission element 14, which has the shape of an electrode structure.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
11 ionenspezifischer Sensor; 12 erstes Substrat; 13 Substratoberfläche; 14 erstes Signalübertragungselement; 15 Ligand; 16 Nanokanal; 17 Nanopore; 21 Leitfähigkeitssensor; 22 zweites Substrat; 23 Substratoberfläche; 24 zweites Signalübertragungselement; 31 Messfluid; 32 Probenbehälter; 33 Analytion; 34 Komplex aus Ligand und Analytion. 11 ion-specific sensor; 12 first substrate; 13 substrate surface; 14 first signal transmission element; 15 ligand; 16 nanochannel; 17 nanopores; 21 conductivity sensor; 22 second substrate; 23 substrate surface; 24 second signal transmission element; 31 measuring fluid; 32 sample containers; 33 Analytion; 34 Complex of ligand and analyte ion.

Claims

Patentansprüche claims
Vorrichtung zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung eines ionischen Analyten (33), insbesondere von Ionen einer Spezies, in einem Fluid (31), wobei die Vorrichtung aufweist: einen ionenspezifischen Sensor (11), der ein erstes Substrat (12) und ein erstes Signalübertragungselement (14) aufweist, wobei zumindest das erste Substrat (12) mit dem Fluid (31) in Kontakt gebracht wird und wobei das erste Substrat (12) Anlagerungsstellen (15, 16, 17) für den Analyten (33) aufweist; und einen Leitfähigkeitssensor (21), der ein zweites Substrat (22) und ein zweites Signalübertragungselement (24) aufweist und mit dem Fluid (31) in Kontakt gebracht wird. Apparatus for quantitatively and / or qualitatively determining an ionic analyte (33), in particular ions of a species, in a fluid (31), the apparatus comprising: an ion-specific sensor (11) comprising a first substrate (12) and a first Signal transmission element (14), wherein at least the first substrate (12) is brought into contact with the fluid (31) and wherein the first substrate (12) attachment sites (15, 16, 17) for the analyte (33); and a conductivity sensor (21) having a second substrate (22) and a second signal transmission element (24) and brought into contact with the fluid (31).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagerungsstellen (15, 16, 17) aus der Gruppe ausgewählt sind, die Poren (17), Kanäle (16), eine Oberflächenfunktionalisierung (15) oder Kombinationen davon umfasst. Device according to claim 1, characterized in that the attachment sites (15, 16, 17) are selected from the group comprising pores (17), channels (16), surface functionalization (15) or combinations thereof.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagerungsstellen von Poren (17), Kanälen (16) und einer Oberflächenfunktionalisierung (15) gebildet sind. Apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the attachment sites of pores (17), channels (16) and a surface functionalization (15) are formed.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Trans- mitter aufweist, der über elektrische Leitungsmittel mit dem ionenspezifischen Sensor (11) und dem Leitfähigkeitssensor (21) verbunden ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a transmitter, which is connected via electrical conduction means to the ion-specific sensor (11) and the conductivity sensor (21).
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der Signale, die von dem ionenspezifischen Sensor (11) und dem Leitfähigkeitssensor (21) geliefert werden, aufweist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises an evaluation device for evaluating the signals that are supplied by the ion-specific sensor (11) and the conductivity sensor (21).
Ionenspezifischer Sensor zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung eines ionischen Analyten (33) in einem Fluid (31), wobei der ionenspezifische Sensor (11) ein erstes Substrat (12) und ein erstes Signalübertragungselement (14) aufweist, wobei zumindest das erste Substrat (12) mit dem Fluid (31) in Kontakt gebracht wird und wobei das erste Substrat (12) Anlagerungsstellen (15, 16, 17) für den Analyten (33) aufweist. Ion-specific sensor for the quantitative and / or qualitative determination of an ionic analyte (33) in a fluid (31), wherein the ion-specific sensor (11) has a first substrate (12) and a first signal transmission element (14), wherein at least the first substrate ( 12) is brought into contact with the fluid (31) and wherein the first substrate (12) has attachment sites (15, 16, 17) for the analyte (33).
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagerungsstellen (15, 16, 17) aus der Gruppe ausgewählt sind, die Poren (17), Kanäle (16), eine Oberflächenfunktionalisierung (15) oder Kombinationen davon umfasst. Sensor according to claim 6, characterized in that the attachment sites (15, 16, 17) are selected from the group comprising pores (17), channels (16), surface functionalization (15) or combinations thereof.
8. Sensor nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (17) und/oder die Kanäle (16) eine Oberflächenmodifizierung (15) aufweisen. 8. Sensor according to claim 6 or claim 7, characterized in that the pores (17) and / or the channels (16) have a surface modification (15).
9. Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signalübertragungselement (14) eine Inter-digitale Elektrode oder eine Inter-digitale Elektroden-Struktur ist. 9. Sensor according to one of claims 6 to 8, characterized in that the first signal transmission element (14) is an inter-digital electrode or an inter-digital electrode structure.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signalübertragungselement (14) auf das erste Substrat (12) aufgebracht oder in das erste Substrat (12) eingebettet ist. 10. Sensor according to one of claims 6 to 9, characterized in that the first signal transmission element (14) applied to the first substrate (12) or embedded in the first substrate (12).
11. Anordnung zur quantitativen und oder qualitativen Bestimmung eines ionischen Analyten (33) in einem Fluid (31), aufweisend einen ionenspezifischen Sensor (11) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 und einen Leitfähigkeitssensor (21) zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Fluids (31). 11. Arrangement for the quantitative and / or qualitative determination of an ionic analyte (33) in a fluid (31), comprising an ion-specific sensor (11) according to one of claims 6 to 9 and a conductivity sensor (21) for determining the conductivity of the fluid (31 ).
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitfähigkeitssensor (21) ein zweites Substrat (22) und ein zweites Signalübertragungselement (24) aufweist und mit dem Fluid (31) in Kontakt gebracht wird. 12. Arrangement according to claim 11, characterized in that the conductivity sensor (21) has a second substrate (22) and a second signal transmission element (24) and is brought into contact with the fluid (31).
13. Verfahren zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung eines ionischen Analyten (33), insbesondere von Ionen einer Spezies, in einem Fluid (31) mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 o- der einer Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, umfassend 13. Method for the quantitative and / or qualitative determination of an ionic analyte (33), in particular of ions of a species, in a fluid (31) by means of a device according to one of claims 1 to 5 or an arrangement according to claim 11 or 12, full
(a) In-Kontakt-bringen des ersten Substrates (12) des ionenspezifischen Sensors (11) mit dem Fluid (31); (a) contacting the first substrate (12) of the ion-specific sensor (11) with the fluid (31);
(b) In-Kontakt-bringen des Leitfähigkeitssensors (21) mit dem Fluid (31); (b) contacting the conductivity sensor (21) with the fluid (31);
(c) quantitative und/oder qualitative Bestimmung des Analyten (33) in dem Fluid (31) aus Signalen des ionenspezifischen Sensors und des Leitfähigkeitssensors. (C) quantitative and / or qualitative determination of the analyte (33) in the fluid (31) from signals of the ion-specific sensor and the conductivity sensor.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (c) die Teilschritte umfasst: (cl) Bestimmen einer elektrischen Eigenschaft des ersten Substrates (12); und 14. The method according to claim 13, characterized in that step (c) comprises the substeps of: (c1) determining an electrical property of the first substrate (12); and
(c2) Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit des Fluides (31) mittels des Leitfähigkeitssensors (21). (c2) determining the electrical conductivity of the fluid (31) by means of the conductivity sensor (21).
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Eigenschaft aus der Gruppe ausgewählt ist, die den Widerstand, die elektrische Leitfähigkeit, die Kapazität die Admittanz und die Impedanz umfasst. 15. The method according to claim 14, characterized in that the electrical property is selected from the group comprising the resistance, the electrical conductivity, the capacitance, the admittance and the impedance.
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