WO2008116244A1 - Device, particularly a biochip, for identifying microorganisms - Google Patents
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- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
Definitions
- Device in particular biochip, for the identification of microorganisms
- Modern microbial identification methods can be classified either as genotypic or as phenotypic methods.
- Genotypic methods include all forms of DNA and RNA analyzes that examine the genetic material of microorganisms for specific sequences to determine the presence of certain enzymes, stress factors,
- Phenotypic identification methods assess the proportion of the genome of a cell culture that is currently expressed. These methods include the traditional ways of studying the growth of cell culture under different conditions, as well as performing biochemical screening to determine metabolic capabilities. There is already a large number of inventions in microtiter plate format (Lit .: 6-31).
- phenotypic identification methods already described, measure the cell wall potential with the help of fluorescent dyes in the presence of bioactive chemicals (Lit .: 32). These include database-based or fingerprinting methods using pattern recognition analyzes that detect signal patterns and assign them to known organisms.
- the best known method for phenotypic characterization of cells is flow cytometry.
- counting, testing and sorting of suspended cells take place in a fluid stream.
- This method allows the determination of the properties of single cells flowing through a measuring chamber.
- Coulter Counter Another established method for cell characterization comes in the so-called Coulter Counter for use.
- cells located in a weak electrolyte solution solution are passed through a small opening between two electrodes and analyzed by means of impedance spectroscopy.
- the Coulter principle is based on particles or cells passing through the measurement zone, displacing the electrolyte. By analyzing the pulses it is then possible to deduce the size distribution of the cells.
- V dielectric gauges for the study of suspended cells, such as in fermentors, by means of alternating electric fields have been developed in recent years (V).
- An important feature of dielectric spectroscopy is the ability to obtain quantitative signals over a wide frequency spectrum at low amplitudes. This provides the opportunity to study biological systems almost without interference. Dielectric spectroscopy has therefore already been used to study cell sedimentation, aggregation, cell division and growth in a liquid environment (VI).
- the present invention uses interdigital electrode structures ( ⁇ lDES) as micro-dielectric sensors. These sensors show increased sensitivity compared to standard two-electrode systems (V, VII). Photolithographically generated biochip integrated interdigital electrode structures offer the advantage of accurate Dimensioning of the electric field distribution and thus ultimately the sensitivity (VIII).
- a fluorescent marker is introduced into the cell culture, which may adversely affect the natural behavior of the cells.
- the size of the marker molecules which is the size of the substance to be analyzed, e.g. in the antigen-antibody reaction, and thus exerts a significant influence on the kinetics of the system, crucial.
- Many of the markers are not long-term stable, which leads to bleaching of the fluorescence markers on repeated excitation. For this reason, long-term tests with such systems are hardly feasible.
- WO 01/79529 A1 relates to a device and a method for the detection of pathogenic substances or microorganisms, which can occur especially in food infections.
- the identification of the substances takes place after their binding to antibodies which are immobilized on metallic electrodes, indirectly by influencing the Farraday currents forming between the metal electrodes.
- the metabolism of - now also immobilized - microorganisms changes the electrolytic composition of the medium and thus influences the expression of Farraday's currents.
- electrolytic buffer solutions with low conductivity and special markers are used.
- steps of sample preparation and enrichment are implemented.
- WO 01/51921 A1 is an application of organic co-polymer coatings with defined surface charges to prevent the
- the protective coating is the
- Electrodes have been optimized for repulsion of substances of any kind.
- the invention relates to a device, in particular a biochip, according to the
- the present invention enables the non-contact, real-time and continuous, as well as non-invasive, acquisition of dielectric data of an adherent culture. It is able to provide information about the identity, vitality, morphology, mobility and dielectric properties of the organisms.
- the optical or spectroscopic data obtained can therefore be used both for the rapid identification of organisms and for the determination of relative changes in the phenotypic cell behavior over longer periods of time. A reduction made possible by the new facility
- Determination of cellular doubling rates can be used.
- the small sensor dimensions allow an effective measurement of 100 to 1000 cells, which are introduced into the measuring chambers or applied to the sensor surface by gravimetric methods.
- Cell duplication rates can be measured by the present invention continuously and over short periods of time.
- a unique feature of the subject invention is also the combination of dielectric measurement spectra for the high-resolution rapid determination of morphological differences of living cell assemblies based on embedded in fluidic microchips, contactless micro-dielectric sensors. Further description of the invention
- Microchip technology in biology follows the trend of miniaturization of analytical measurement methods using MEMS (micro-electromechanical systems) technology, as it greatly reduces the overall cost of complex analysis and opens up new possibilities for analytical systems (IX).
- MEMS micro-electromechanical systems
- IX analytical systems
- the invention described herein is based on the measurement of relative deflections versus a reference branch in an alternating electric field over a wide frequency range.
- the biological systems to be studied are grown in a weak alternating electric field, e.g. with ⁇ 15 mV, polarized and any morphological, biochemical or biological change that affects the dielectric properties of the plasma membrane, the cytoplasm, nucleus and other cell components detected rapidly and with high resolution.
- the method not only offers the ability to distinguish between living and dead cells, to track cell growth and to distinguish structural features, but also to identify different organisms.
- the measuring device such as e.g. The MultiChannel potentiostat VMP3, Princeton Applied Research, is commercially available, well evaluated and well characterized, while the microfluidic biochip and micro-dielectric sensors are fabricated using standard semiconductor technologies.
- the new device according to the invention differs fundamentally from the device and method according to WO 01/79529 A1 due to the complete suppression of Farraday currents.
- the detection is not performed according to the invention indirectly via metabolic products. There is no sample preparation or concentration. In addition, neither markers nor antibodies are used in the device according to the invention.
- the device according to the invention is based on the application of thin bioaffinity protective layers to interdigital electrode structures.
- the bioaffinity according to the invention is in complete contrast to the properties of the protective coating in the abovementioned WO-A1 and in the first place makes it possible to attach the microorganisms to the sensor surface protected against Faraday currents.
- the invention specifically selected dielectric properties of the protective layer according to the invention allow the use of low electrical alternating potentials (with about 15 mV amplitude) and thus enable linear dielectric spectroscopy.
- the thickness of the shielding layer which is advantageously to be adhered to is more clearly indicated by the intrinsic phragm 3, the thickness of the individual layer layers forming the same being related to the intrinsic layer 4.
- the inferior total thicknesses of the shielding layer plus the same adhering organism layer are to be inferred from the effect in the sense of the effectiveness of the field strengths used.
- the A n s p r u c h 6 called in the invention preferably used
- Metals or metal alloys for the micro-sensor are Metals or metal alloys for the micro-sensor.
- Claim 7 relates to the fluidic structure underlying the new bio-chip.
- a construction structure of the biochip to be used which is advantageously suitable for the described documents is disclosed in claim 8.
- Claims 11, 12 and 23 relate to the concentration of the organisms in the suspension which is favorable for the analysis, and advantageously to the covering of the measuring surface of the measuring chamber with the same.
- the claim 14 contains information regarding the preferred
- claims 15 to 19 favorably indicate ways of using the device according to the invention for various investigations on organisms or microorganisms. The invention will be explained in more detail with reference to FIGS.
- FIG. 1 shows the basic design of a biochip 100 according to the invention, which consists of a glass substrate 1, which includes the micro-sensors 4 and a polymer part 2, the microfluidics, substantially comprising the inflows A and C with the reference numeral 6 and 9, the microchannels 7, the injector 10 and the actual measuring chamber 5 and the reference measuring chamber 5 ', accommodated exists.
- the Biochip 100 incorporates several sensors and duct systems connected to reservoirs and pumping and heating systems through appropriate connections, including the. Referring to Fig. 1A (b) in detail. The sectional view of Fig.
- 1A) b) clearly shows the glass substrate 1, the interdigital comb structure of the micro-sensor 4 with the "comb teeth” 42 and their insulating shielding layer 40 with the thickness ds, e.g. with a thickness of up to 500 nm, in which the micro-sensor 4 is embedded.
- This multi-layered layer 40 is adjoined at the top by the measuring chamber 5 incorporated or etched into the polymer 2, the measuring surface 50 of which is preferably opaque, coated or covered with the (micro) organisms (8) to be examined and which has a thickness do, wherein it is important that the two thicknesses ds plus do do not exceed 5.1 or 5.51 microns.
- FIG. 1B) a) shows - with otherwise identical reference numerals meanings - a close-up of the measuring chamber 5 with fluid channels 9 and 7, while FIG. 1B) b) shows a section of the interdigital comb structure 42 of the mic in the form of a metallization 11 Sensor 4 shows.
- FIGS. 1A and 1B shows the integration of the microchip or biochip shown in FIGS. 1A and 1B into the overall system of analysis with heating system 101 for heating or cooling of chip 100, of at least one pump 102 for the delivery of nutrient media, Test media and rinsing media, an injection system 103 for the introduction of the organism material to be examined in the measuring chamber 5 of the biochip 100 or for the loading or occupancy of the electrically isolated sensors with the organisms 8, all components of the fluidic system.
- the integrated reference arm of the biochip 100 shown in FIG. 1A) a) with the reference measuring chamber 5 1 offers the possibility for background and interference-free measurements.
- the interdigital electrode structures ( ⁇ lDES) 4 are embedded beneath a multilayer system forming the shielding layer 40 for isolation.
- Several hard or soft passivation materials such as silicon nitrate, silica, glass (SOG) and / or epoxy polymers are suitable. They are applied over a large area by means of lithographic methods on the chip 100.
- the essential physical separation of the ⁇ lDES structure from the liquid environment eliminates the direct interaction of the electroactive substances and ions contained therein with the sensor electrode surface. Signal influences that could be caused by the electrode polarization or air bubble adhesion are prevented in this way.
- Saline buffer drift analyzes have given a relative standard deviation of 1.5% over a 20 h period. It is important to ensure that the micro-dielectric sensors are completely shielded without losing sensitivity.
- FIG. 2A shows, on the basis of a diagram: current in amps to voltage in volts, the results of an electrochemical analysis of the passivation quality of the insulating layers used according to the invention versus non-isolated sensors in the presence of a highly electroactive substance, in this case 10 mM potassium hexacyanoferrate, curve 1. It however, no detectable amount of faradaic current was measured using a 550 nm thick insulation or shielding layer, curve 2. Further, calculations using the "conformal mapping technique" show that a loss of sensitivity below 8% is due to insulating layer thicknesses less than 500 nm hold is.
- a highly electroactive substance in this case 10 mM potassium hexacyanoferrate
- the non-contact sensor of the ⁇ LDES of the micro-sensor has, for example, 200 fingers spaced 5 ⁇ m apart, which are 5 ⁇ m wide and 1000 ⁇ m long exhibit. This means that biological components that are close to the sensor surface have the greatest influence on the measurement signal, since 95% of the electric field lines and thus of the effective signal component lie below 5.51 ⁇ m, which can be seen in FIG. 2B, which shows the dependence of the signal component on the layer thickness is to be referred. For this reason, the new micro-dielectric sensors behave differently from the previously known or existing dielectric sensors, since in these the biological systems must be in direct or close contact with their surface.
- micro-dielectric sensors shielded according to the invention show the greatest distractions as a result of different cell composition.
- FIG. 3 shows, on the basis of a diagram: impedance ( ⁇ IZI / ohms) to log concentration (cfu / ⁇ L), clearly that the yeast cells, in many cases larger Pichia pastoris, generate lower signals than the bacteria Staphylococcus xylosus and Bacillus subtilis after sensor saturation.
- Gram-positive bacteria such as S. xylosus and B. subtilis
- Gram-negative bacteria such as E. coli and Serratia forticola with similar cell sizes
- the micro-dielectric sensors isolated according to the invention are particularly sensitive to differences in cell morphology.
- the distinction between Gram-positive and Gram-negative bacteria is of great importance in clinical medicine, since certain antibiotics may only be used in Gram-positive or even Gram-negative pathogens.
- Fig. 3B with the diagram impedance (ohms) to log conc. (Cfu / ⁇ L).
- Figures 4A / 4B show graphs of impedance (ohms) to various microorganisms and IZI (ohms) to frequency (Hz) results of live and dead yeast cells, in the specific case of Candida albicans. Growth tests carried out on agar plates with yeast cells exposed for 2 h to an ultrasound bath confirmed that complete destruction of the yeast culture was ensured in this way.
- the ability of the new device to distinguish cell morphological features by means of dielectric spectroscopy of surface-living biological systems can also be used to identify them.
- the prerequisite is that the measuring range or the measuring surface is saturated with cells is. Cell counts of greater than 10 7 cfu / mL are generally sufficient for completely loading the described sensor geometry with biological material.
- Figures 5A and B show pattern recognition plots of cells and culture media using chemometric data analysis. Cultivation of yeast and bacterial strains took place externally in shake flasks under standardized growth conditions.
- the culture medium was initially removed from the cells and measured separately.
- FIGS. 5A and 5B show within the framework of a scheme: factor 1 / factor 2 or PC1 / PC2 pattern recognition plots of organisms and their growth media. Since the groupings were obtained only with the cells and not from the different growth media, it is to be assumed that changes of the medium by the investigating and to be determined organism do not significantly influence the identification.
- the principal component analysis (PCA, factor analysis) used in the subject system uses the impedance and phase data of individual microorganism dielectric spectra to generate a data template.
- each column of the template comprises 501 values and each experiment is given its own row, eg 501 x 17 in the case of Figure 5B.
- the template is converted to a Lotus file and loaded into MATLAB version 7.01.
- the factor analysis is performed using the Chemometric Toolbox for MATLAB, Version 3.02, and includes the generation of reduced eigenvectors, the study of the normal distribution and elimination of the noise component, and the calculation of the different factors, namely Factor 1, Factor 2 or Principle Components (PC) 1 and 2 for each data set.
- PC Principle Components
- a further field of application of the new dielectric identification method is the rapid recognition of morphological changes in a cell line which is already known. Cells growing on defined surfaces are exposed to an external stimulus and the phenotypic response of the cell population is continuously measured. External environmental influences include a wide range of possibilities, such as temperature fluctuations, variations in flow rates, different media compositions or material additions, such as Nanoparticles available.
- FIGS 6A and 6B show by diagrams: IZI (ohms) at time (h) the behavior of a yeast culture in the proliferation chamber of the bio-chip with variation of the flow rate.
- Figures 6A and 6B demonstrate that the sensor of the present invention is sensitive to changes in cell composition, unlike existing technologies that primarily allow only the measurement of increases or decreases in cell numbers. That is, even if the organisms do not die and their total cell count thus remains constant, the effects can be traced at the cellular level, optionally detecting directly subcellular structures, e.g. the cell wall od. Like., Within an entire cell population is possible.
- amphotericin B accumulates particularly in the plasma membrane of fungi and thus inhibits the growth of fungi.
- the inhibitory effect can also be seen from FIG. 7B, since the cell population increases only slightly over a period of 10 h, which also showed growth tests under standard conditions.
- the present invention is particularly suitable for rapid analyzes, such as for the phenotypic discrimination and identification of different primary and standard cell types, and in particular for the differentiation of Gram-positive and Gram-negative bacteria.
- the cells to be examined organisms u. Like. Must be on defined surfaces, below which are shielded by the insulating shielding micro-dielectric sensors.
- the method according to the invention thus relates to a non-invasive and marker-free method for identifying organisms, in particular microorganisms, and comprises the following steps: After obtaining a pure culture of an unknown microorganism, a certain amount of sample is applied to the passivated and isolated from the test solution through the shielding layer Sensor surface applied to load the measuring area or the measuring surface of the measuring chamber entirely with cells. A single cell layer consisting of cells is sufficient in this case, since the sensors have only a small measurement depth, namely 95% signal component at layer depths of less than 5.1 microns.
- the dielectric properties of the biological sample are measured by means of cellular dielectric spectroscopy.
- the over a wide Frequency range obtained impedance signals are specific to the cell types contained in the sample and are therefore suitable directly for their identification.
- respective changes in the dielectric properties of an adherent cell culture can be dynamically measured and thus show relative changes in cell populations in real time.
- Fig. 1 A) graphic representation of the biochip layout, B) image extracts of
- Fig. 3 A) Comparison of the sensor signals (amount of impedance at 50 kHz) with
- Fig. 4 A) Block diagram of live, treated with Amphoterizine B and ultrasound
- Fig. 5 Pattern recognition plot of impedance data of A) cell-free medium extract of three micro-organisms. E. coli K12 (0), B.subtilis (T) and P. pastoris ( ⁇ ) were cultured under standard conditions, harvested (exponential phase), centrifuged and 1 ⁇ l each of the supernatant injected into the biochip and allowed to settle for 30 minutes every measurement.
- B Pattem recognition plot of phase values of ß. subtilis (T) 1 S. xylosis (o), E. coli K12 (0), P. pastoris ( ⁇ ), and S. fonticola ( ⁇ ) pure cultures.
- Fig. 6 Influence of flow rates and shear forces on the growth course of A) Pichia pastoris and B) C. albicans yeast cultures
- Fig. 7 (A) Dynamic behavior of a Candida biofilm after addition of 0.5 ⁇ g / mL amphotericin B (arrow) where (a) impedance signals and (b) phase values for 50 kHz are plotted against the culture time. (B) Photos (before and after the addition of amphotericin B) from the growth chamber in the C. albicans
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Abstract
Description
Einrichtung, insbesondere Bio-Chip, zur Identifizierung von Mikro-Organismen Device, in particular biochip, for the identification of microorganisms
Hintergrund und Stand der TechnikBackground and state of the art
Die Identifizierung von phänotypischen Merkmalen und die rasche Erkennung von morphologischen Veränderungen unter bestimmten Bedingungen stellt einen wesentlichen Bestandteil vieler zellbiologischer Charakterisierungen dar. Traditionell angewandte Methoden zur Identifizierung von Mikroorganismen bestehen meist ausThe identification of phenotypic traits and the rapid detection of morphological changes under certain conditions is an integral part of many cell biological characterizations. Traditionally used methods for the identification of microorganisms usually consist of
Anreicherungsschritten gefolgt von einer Reihe von Untersuchungen, wie beispielsweise morphologisches Erscheinungsbild, biochemisches Screening, Wachstumscharakterisierung oder serotypische und seriologische Bestätigungen.Enrichment steps followed by a series of studies, such as morphological appearance, biochemical screening, growth characterization or serotypic and serological confirmations.
Moderne mikrobielle Identifzierungsmethoden lassen sich entweder als genotypische oder als phänotypische Methoden klassifizieren.Modern microbial identification methods can be classified either as genotypic or as phenotypic methods.
Genotypische Methoden inkludieren alle Formen von DNA- und RNA-Analysen, die das genetische Material von Mikroorganismen nach spezifischen Sequenzen untersuchen, um die Anwesenheit von bestimmten Enzymen, Stress-Faktoren,Genotypic methods include all forms of DNA and RNA analyzes that examine the genetic material of microorganisms for specific sequences to determine the presence of certain enzymes, stress factors,
Antibiotika-Resistenzmechanismen od. dgl. zu detektieren. Viele genotypische mikrobielleAntibiotic resistance mechanisms od. Like. To detect. Many genotypic microbial
Identifizierungsmethoden sind in der Literatur beschrieben. (Lit. : 1-5)Identification methods are described in the literature. (Lit.: 1-5)
Phänotypische Identifikationsmethoden beurteilen den Anteil des Genoms einer Zellkultur, das gerade exprimiert ist. Diese Methoden inkludieren die traditionellen Möglichkeiten, die das Wachstum einer Zellkultur unter unterschiedlichen Bedingungen untersuchen sowie biochemische Screening durchführen, um metabolische Fähigkeiten zu bestimmen. Es existiert schon eine Vielzahl an Erfindungen in Mikrotiterplatten-Format (Lit.: 6-31).Phenotypic identification methods assess the proportion of the genome of a cell culture that is currently expressed. These methods include the traditional ways of studying the growth of cell culture under different conditions, as well as performing biochemical screening to determine metabolic capabilities. There is already a large number of inventions in microtiter plate format (Lit .: 6-31).
Weitere, ebenfalls schon beschriebene phänotypische Identifizierungsmethoden messen das Zellwandpotential mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen in Gegenwart bioaktiver Chemikalien (Lit.: 32). Dazu gehören auch Datenbank-basierte oder Fingerprint- Methoden unter der Verwendung von Pattern Recognition Analysen, die Signalmuster erkennen und jeweils bekannten Organismen zuordnen.Further phenotypic identification methods, already described, measure the cell wall potential with the help of fluorescent dyes in the presence of bioactive chemicals (Lit .: 32). These include database-based or fingerprinting methods using pattern recognition analyzes that detect signal patterns and assign them to known organisms.
Es wurden hierfür schon verschiedenste Messmethoden vorgeschlagen und eingesetzt, wie insbesondere Pyrolyse-Massenspektrometrie, Magnetresonanzdaten, die ein spezifisches Muster erzeugen, oder das Anbinden von Mikroorganismen an modifizierte Oberflächen sind in der Literatur beschrieben (Lit.: 33-35).Various measuring methods have already been proposed and used for this purpose, in particular pyrolysis mass spectrometry, magnetic resonance data which generate a specific pattern, or the binding of microorganisms to modified surfaces are described in the literature (references: 33-35).
Die bekannteste Methode zur phänotypischen Charakterisierung von Zellen ist die Durchflusszytometrie. Hier finden Zählung, Untersuchung und Sortierung von in Suspension gehaltenen Zellen in einem Flüssigkeitsstrom statt. Diese Methode erlaubt die Bestimmung der Eigenschaften von Einzelzellen, die durch eine Messkammer fließen.The best known method for phenotypic characterization of cells is flow cytometry. Here, counting, testing and sorting of suspended cells take place in a fluid stream. This method allows the determination of the properties of single cells flowing through a measuring chamber.
Eine weitere etablierte Methode zur Zellcharakterisierung kommt im so genannten Coulter Counter zum Einsatz. Hierbei werden sich in einer schwachen Elektrolytlösung Lösung befindende Zellen durch eine kleine Öffnung zwischen zwei Elektroden geleitet und mittels Impedanzspektroskopie analysiert. Das Coulter Prinzip basiert darauf, dass Partikel oder Zellen die Messzone passieren und dabei den Elektrolyten verdrängen. Durch Analyse der Pulse kann dann auf die Größenverteilung der Zellen geschlossen werden.Another established method for cell characterization comes in the so-called Coulter Counter for use. In this case, cells located in a weak electrolyte solution solution are passed through a small opening between two electrodes and analyzed by means of impedance spectroscopy. The Coulter principle is based on particles or cells passing through the measurement zone, displacing the electrolyte. By analyzing the pulses it is then possible to deduce the size distribution of the cells.
Eine Vielzahl von Bioimpedanz-Methoden sind ebenfalls in der Literatur beschrieben. Hierbei wird die Zellcharakterisierung mittels Elektroden, die in Kontakt mit der Lösung stehen, durchgeführt. In den meisten Fällen wird die Veränderung der Lösung konduktivität gemessen und auf diese Weise werden Informationen über die Zellzahl sowie über die metabolische Aktivität von Zellpopulationen gewonnen.A variety of bioimpedance methods are also described in the literature. In this case, the cell characterization is carried out by means of electrodes which are in contact with the solution. In most cases, the change in solution conductance is measured, and in this way information about the cell count as well as about the metabolic activity of cell populations is obtained.
Weiters wurden Impedanzmethoden zur Bestimmung Membranrezeptoren, wie Ionen-Kanäle, Ionen-Pumpen, chemische Einflüsse oder Anbindung spezifischer Antikörper-Antigen-Liganden an Rezeptoren beschrieben (Lit.: 37-39). Integrierte mikro-dielektrische Sensoren wurden beispielsweise bereits für dieFurthermore, impedance methods for determining membrane receptors, such as ion channels, ion pumping, chemical influences, or binding of specific antibody-antigen ligands to receptors have been described (refs. 37-39). For example, integrated micro-dielectric sensors have already been used for the
Detektion von DNA-Molekülen (Lit.: 36) oder unterschiedliche organische und anorganische Substanzen nach Auftrennung mittels Kapilarelektrophorese verwendet (I). Eine weitere Anwendung von dielektrischen Sensoren in der Durchflusszytometrie erfolgte zur Bestimmung des Zellzyklus einzelner Zellen, da so ein Anstieg im zellulären DNA- Gehalt an lebenden Zellen aufgezeigt werden kann (II).Detection of DNA molecules (Lit .: 36) or different organic and inorganic substances used after separation by capillary electrophoresis (I). Another application of dielectric sensors in flow cytometry has been to determine the cell cycle of individual cells, as this can demonstrate an increase in the cellular DNA content of living cells (II).
Schnellmessungen sind besonders für die phänotypische Charakterisierung von Zellen und vor allem für die Beobachtung des dynamischen Verhaltens lebender Organismen von enormer Bedeutung (III). Als Methode zur markerfreien Identifizierung von lebenden Zellen wird in der vorliegenden Erfindung die dielektrische Spektroskopie verwendet. Diese Messmethode ist ideal für die nicht-invasive Charakterisierung von biologischen Systemen (IV).Fast measurements are of particular importance for the phenotypic characterization of cells and above all for the observation of the dynamic behavior of living organisms (III). As a method for label-free identification of living cells, dielectric spectroscopy is used in the present invention. This measurement method is ideal for the non-invasive characterization of biological systems (IV).
Eine Reihe von dielektrischen Messapparaten für die Untersuchung von in Suspension gehaltenen Zellen, wie z.B. in Fermentoren, mittels alternierenden elektrischen Feldern wurde in den letzten Jahren entwickelt (V). Eine dafür wichtige Eigenschaft der dielektrischen Spektroskopie ist die Möglichkeit, quantitative Signale über ein breites Frequenzspektrum bei kleiner Amplitude zu erhalten. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, biologische Systeme nahezu störungsfrei zu untersuchen. Dielektrische Spektroskopie wurde deshalb bereits zur Untersuchung von Zellsedimentationen, Aggregierung, Zellteilung und Wachstum in flüssiger Umgebung eingesetzt (VI). Die vorliegende Erfindung verwendet interdigitale Elektrodenstrukturen (μlDES) als mikro-dielektrische Sensoren. Diese Sensoren zeigen im Vergleich zu Standard-Zwei- Elektrodensystemen eine erhöhte Sensitivität (V, VII). Photolithographisch erzeugte, in den Biochip integrierte, interdigitale Elektrodenstrukturen bieten den Vorteil der genauen Dimensionierung der elektrischen Feldverteilung und somit letztendlich der Sensitivität (VIII).A number of dielectric gauges for the study of suspended cells, such as in fermentors, by means of alternating electric fields have been developed in recent years (V). An important feature of dielectric spectroscopy is the ability to obtain quantitative signals over a wide frequency spectrum at low amplitudes. This provides the opportunity to study biological systems almost without interference. Dielectric spectroscopy has therefore already been used to study cell sedimentation, aggregation, cell division and growth in a liquid environment (VI). The present invention uses interdigital electrode structures (μlDES) as micro-dielectric sensors. These sensors show increased sensitivity compared to standard two-electrode systems (V, VII). Photolithographically generated biochip integrated interdigital electrode structures offer the advantage of accurate Dimensioning of the electric field distribution and thus ultimately the sensitivity (VIII).
Die bisher erwähnten bekannten Standard-Methoden sind meist langwierig und arbeitsintensiv. Sie benötigen im Allgemeinen Zeiträume von mehreren Tagen bis zu einigen Wochen. Oft muss eine Vielzahl von indirekten Tests durchgeführt werden. Die meisten phänotypischen Schnelltests basieren auf der Detektion bestimmter Oberflächenmoleküle, die optisch, elektrisch oder mit anderen Messmethoden gemessen werden können.The previously mentioned known standard methods are usually tedious and labor intensive. They generally take periods of several days to several weeks. Often, a variety of indirect tests must be performed. Most phenotypic rapid tests are based on the detection of certain surface molecules, which can be measured optically, electrically or by other measuring methods.
In fast allen Fällen wird ein Fluoreszenzmarker in die Zellkultur eingebracht, der unter Umständen das natürliche Verhalten der Zellen negativ beeinflusst. Oft ist hierbei die Größe der Markermoleküle, die die Größe der zu analysierenden Substanz, wie z.B. bei der Antigen-Antikörper Reaktion, übertrifft und daher einen wesentlichen Einfluss auf die Kinetik des Systems nimmt, entscheidend. Viele der Marker sind nicht langzeitstabil, wodurch es bei wiederholter Anregung zu einem Ausbleichen der Floureszenzmarker kommt. Aus diesem Grund sind Langzeittests mit derartigen Systemen kaum durchführbar.In almost all cases, a fluorescent marker is introduced into the cell culture, which may adversely affect the natural behavior of the cells. Often, the size of the marker molecules, which is the size of the substance to be analyzed, e.g. in the antigen-antibody reaction, and thus exerts a significant influence on the kinetics of the system, crucial. Many of the markers are not long-term stable, which leads to bleaching of the fluorescence markers on repeated excitation. For this reason, long-term tests with such systems are hardly feasible.
Des Weiteren ist zurzeit nur eine limitierte Anzahl von Markern, die nur spezielle Ereignisse anzeigen können, verfügbar. Die Versuchsdurchführung ist somit stark vom ausgewählten Marker bestimmt. In vielen Fällen ist nur eine Endpunkt-Detektion möglich, da viele Prozesse, wie z.B. Hybridisierungsprozesse, nur unter definierten Prozessbedingungen, also bei bestimmter Temperatur, in CO2-Athmosphäre od. dgl., in Brutschränken ablaufen.Furthermore, currently only a limited number of markers that can display only specific events are available. The experimental procedure is thus strongly determined by the selected marker. In many cases, only an endpoint detection is possible because many processes, such as hybridization processes, od only under defined process conditions, ie at a certain temperature, in CO 2 atmosphere. Like. Run in incubators.
Die Analyse ist entweder nur punktuell während des Prozesses oder erst nach dessen Beendigung möglich. Im Speziellen ist die Kinetik des Prozesses über eine kontinuierliche Messung, insbesondere Online-Monitoring, nicht zugänglich. Ein entscheidender Nachteil von im Handel erhältlichen Zellanalysensysteme ist folglich die fehlende Möglichkeit der dynamischen Beobachtung phänotypischer Veränderungen von Zellen, beispielsweise während der Zellalterung, Einbringung von externen Stimuli und anderer Einflüsse. Ergänzend soll noch auf folgenden Stand der Technik eingegangen werden:The analysis is only possible at certain points during the process or after its completion. In particular, the kinetics of the process via a continuous measurement, in particular online monitoring, not accessible. A major disadvantage of commercially available cell analysis systems, therefore, is the inability to dynamically observe phenotypic changes in cells, for example, during cell aging, introduction of external stimuli, and other influences. In addition, the following state of the art should be considered:
Die WO 01/79529 A1 betrifft eine Vorrichtung und eine Methode zur Detektion von pathogenen Substanzen oder Mikroorganismen, welche speziell bei Lebensmittelinfektionen auftreten können. Die Identifikation der Substanzen erfolgt nach ihrer Bindung an Antikörper, welche auf metallischen Elektroden immobilisiert sind, indirekt, über eine Beeinflussung der sich zwischen den Metallelektroden ausbildenden Farraday'schen Ströme, nachgewiesen. Der Stoffwechsel der - nun ebenfalls immobilisierten - Mikroorganismen verändert die elektrolytische Zusammensetzung des Mediums und beeinflusst somit die Ausprägung der Farraday'schen Ströme. Zur Steigerung der Empfindlichkeit werden elektrolytische Puffer-Lösungen mit geringer Leitfähigkeit und spezielle Marker herangezogen. Darüber hinaus sind Schritte der Proben- Aufbereitung und Anreicherung implementiert.WO 01/79529 A1 relates to a device and a method for the detection of pathogenic substances or microorganisms, which can occur especially in food infections. The identification of the substances takes place after their binding to antibodies which are immobilized on metallic electrodes, indirectly by influencing the Farraday currents forming between the metal electrodes. The metabolism of - now also immobilized - microorganisms changes the electrolytic composition of the medium and thus influences the expression of Farraday's currents. To increase the sensitivity, electrolytic buffer solutions with low conductivity and special markers are used. In addition, steps of sample preparation and enrichment are implemented.
Weiters ist der WO 01/51921 A1 eine Anwendung von organischen Co-polymer- Beschichtungen mit definierten Oberflächenladungen zur Verhinderung derFurthermore, WO 01/51921 A1 is an application of organic co-polymer coatings with defined surface charges to prevent the
Kontaminierung von Elektrodenoberflächen mit biologischen Substanzen zu entnehmen.Contamination of electrode surfaces with biological substances.
Mittels hoher elektrischer Wechselpotentiale (mit etwa 1 V Amplitude) bei unterschiedlichen Frequenzen werden nichtlineare dielektrische Spektren an den Proben aufgenommen. Diese aus der W0-A1 bekannte Methode setzt eine spezielle Vier- Elektroden-Geometrie voraus. Derart können beispielsweise Hefezellen, aber auchBy means of high electrical alternating potentials (with about 1 V amplitude) at different frequencies, non-linear dielectric spectra are recorded on the samples. This method known from W0-A1 requires a special four-electrode geometry. For example, yeast cells, but also
Enzyme in Zellmembranen, nachgewiesen werden. Dabei ist die Schutzbeschichtung derEnzymes in cell membranes are detected. The protective coating is the
Elektroden hinsichtlich Abstoßung von Substanzen jeglicher Art optimiert Worden.Electrodes have been optimized for repulsion of substances of any kind.
Erfindung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, insbesondere einen Biochip, gemäß demThe invention relates to a device, in particular a biochip, according to the
O b e r b e g r i f f des A n s p r u c h e s 1 , welche bzw. welcher die im K e n n z e i c h e n dieses Anspruches genannten M e r k m a l e aufweist.O b e r b e g r i f f of the A n s p r e c h e s 1, which has the m e rk m e l e mentioned in the e n e ce of this claim.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die berührungslose, in Echtzeit erfolgende und kontinuierliche sowie nicht-invasive Aufnahme von dielektrischen Daten einer adhärenten Zeükultur. Sie ist imstande, Auskunft über die Identität, Vitalität, Morphologie, Mobilität und die dielektrischen Eigenschaften der Organismen zu geben. Die gewonnen optischen bzw. spektroskopischen Daten können daher sowohl zur raschen Identifizierung von Organismen als auch zur Bestimmung relativer Veränderungen im phänotypischen Zellverhalten über längere Zeiträume herangezogen werden. Eine mittels der neuen Einrichtung ermöglichte Verkürzung der erforderlichenThe present invention enables the non-contact, real-time and continuous, as well as non-invasive, acquisition of dielectric data of an adherent culture. It is able to provide information about the identity, vitality, morphology, mobility and dielectric properties of the organisms. The optical or spectroscopic data obtained can therefore be used both for the rapid identification of organisms and for the determination of relative changes in the phenotypic cell behavior over longer periods of time. A reduction made possible by the new facility
Testzyklen bei der Entwicklung neuer Therapeutika sowie bei der Quantifizierung ihrer Wirkungseigenschaften unter physiologisch relevanten Bedingungen stellt eine enorme Bereicherung für die Datenqualität, beispielsweise bei Untersuchungen hinsichtlich Toxizität dar. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Einrichtung zur raschen und einfachenTest cycles in the development of new therapeutics as well as in the quantification of their properties under physiologically relevant conditions represents a tremendous enrichment for the data quality, for example in investigations of toxicity. In addition, the inventive device for rapid and simple
Bestimmung von zellulären Verdopplungsraten verwendet werden. Die kleinen Sensor- Dimensionen erlauben eine effektive Messung von 100 bis 1000 Zellen, die in die Messkammern eingeschleust oder mittels gravimetrischer Methoden auf die Sensor- Oberfläche aufgebracht werden. Zellverdoppelungsraten können mittels der vorliegenden Erfindung kontinuierlich und über kurze Zeitperioden gemessen werden. Einzigartig an der gegenständlichen Erfindung ist außerdem die Kombination dielektrischer Messspektren für die hochauflösende rasche Bestimmung morphologischer Unterschiede von lebenden Zellverbänden auf der Basis von in fluidische Mikrochips eingebetteten, kontaktlosen mikro-dielektrischeπ Sensoren. Nähere Beschreibung der ErfindungDetermination of cellular doubling rates can be used. The small sensor dimensions allow an effective measurement of 100 to 1000 cells, which are introduced into the measuring chambers or applied to the sensor surface by gravimetric methods. Cell duplication rates can be measured by the present invention continuously and over short periods of time. A unique feature of the subject invention is also the combination of dielectric measurement spectra for the high-resolution rapid determination of morphological differences of living cell assemblies based on embedded in fluidic microchips, contactless micro-dielectric sensors. Further description of the invention
Die Mikrochip-Technologie in der Biologie folgt dem Trend der Miniaturisierung von analytischen Messmethoden unter Verwendung der MEMS(micro-electromechanical- systems)-Technologie, da sie einerseits die Gesamtkosten von komplexen Analysen stark verringert und andererseits neue Möglichkeiten für analytische Systeme eröffnet (IX). Die Herstellung von Biochips basiert auf photolithographischen Prozessen, die ursprünglich für die Mikroelektronik entwickelt wurden.Microchip technology in biology follows the trend of miniaturization of analytical measurement methods using MEMS (micro-electromechanical systems) technology, as it greatly reduces the overall cost of complex analysis and opens up new possibilities for analytical systems (IX). , The production of biochips is based on photolithographic processes that were originally developed for microelectronics.
Der größte Vorteil der Chip-Technologie liegt in der eigentlichen Miniaturisierung der Messmethode. Hier können zusätzliche physikalische Eigenschaften, die in großen Volumina nicht möglich sind, wie beispielsweise bei der diffusionsunterstützten Mischung, genützt werden. Weiters hat die erfolgreiche Etablierung der Genomik gezeigt, dass miniaturisierte Systeme effizientere, schnellere und genauere Analysenmethoden darstellen (X). Gerade diese Eigenschaften sind besonders bei Zellanalysen von Bedeutung, da eine hohe Sensitivität eine Grundvoraussetzung von bzw. für Echtzeitmessungen ist (Xl). Die Etablierung von Zellkulturen auf Chips hat zu neuen und effizienteren Methoden für die Untersuchung von Einzelzellen und Zellverbände über längere Zeiträume geführt (XII). Für die kontrollierte on-chip-Manipulation von Zellen wurde bereits eine Vielzahl von Zellchips in der Literatur beschrieben (XIII, XIV). Die hier beschriebene Erfindung basiert auf der Messung von relativen Ablenkungen gegenüber einem Referenzzweig in einem alternierenden elektrischen Feld über einen weiten Frequenzbereich. Die zu untersuchenden biologischen Systeme werden in einem schwachen elektrischen Wechselfeld, z.B. mit ±15 mV, polarisiert und jede morphologische, biochemische oder biologische Veränderung, die die dielektrischen Eigenschaften der Plasma-Membran, des Cytoplasmas, Nukleus und anderer Zellkomponenten beeinflusst, rasch und mit hoher Auflösung detektiert.The biggest advantage of the chip technology lies in the actual miniaturization of the measuring method. Here, additional physical properties that are not possible in large volumes, such as in the diffusion-assisted mixture, can be used. Furthermore, the successful establishment of genomics has shown that miniaturized systems are more efficient, faster and more accurate analytical methods (X). These properties are particularly important in cell analysis, since a high sensitivity is a prerequisite of or for real-time measurements (Xl). The establishment of cell cultures on chips has led to new and more efficient methods for the study of single cells and cell assemblies over extended periods of time (XII). A large number of cell chips have already been described in the literature for the controlled on-chip manipulation of cells (XIII, XIV). The invention described herein is based on the measurement of relative deflections versus a reference branch in an alternating electric field over a wide frequency range. The biological systems to be studied are grown in a weak alternating electric field, e.g. with ± 15 mV, polarized and any morphological, biochemical or biological change that affects the dielectric properties of the plasma membrane, the cytoplasm, nucleus and other cell components detected rapidly and with high resolution.
Aus diesem Grund, bietet die Methode nicht nur die Möglichkeit, zwischen lebenden und toten Zellen zu unterscheiden, Zellwachstum zu verfolgen und strukturelle Eigenschaften zu unterscheiden, sondern auch, die Identifizierung unterschiedlicher Organismen vorzunehmen. Die Messeinrichtung, wie z.B. der MultiChannel Potentiostat VMP3, Princeton Applied Research, ist kommerziell erhältlich, genau evaluiert und gut charakterisiert, während der mikrofluidische Biochip sowie die mikro-dielektrischen Sensoren mittels Standard-Halbleiter-Technologien hergestellt werden.For this reason, the method not only offers the ability to distinguish between living and dead cells, to track cell growth and to distinguish structural features, but also to identify different organisms. The measuring device, such as e.g. The MultiChannel potentiostat VMP3, Princeton Applied Research, is commercially available, well evaluated and well characterized, while the microfluidic biochip and micro-dielectric sensors are fabricated using standard semiconductor technologies.
Im Speziellen noch auf die als Stand der Technik eingangs genannten beiden WO- A1 , und auf die Unterschiede zwischen den dort offenbarten Gegenständen und der Erfindung eingehend, ist folgendes festzuhalten: Die erfindungsgemäße neue Einrichtung unterscheidet sich durch die vollständige Unterdrückung Farraday'scher Ströme grundlegend von der Vorrichtung und Methode gemäß der WO 01/79529 A1.In particular, the two mentioned as prior art, both WO-A1, and to the differences between the objects disclosed therein and the invention, the following should be noted: The new device according to the invention differs fundamentally from the device and method according to WO 01/79529 A1 due to the complete suppression of Farraday currents.
Die speziell ausgeformte Sensorgeometrie und die Verwendung von dünnen, bioaffinen, Isolationsschichten, welche die Metallstrukturen von den' physiologischen Medien trennen, gestatten die berührungslose Analyse und Identifikation von Mikroorganismen anhand ihrer dielektrischen Eigenschaften. Der Nachweis wird erfindungsgemäß nicht indirekt über Stoffwechselprodukte geführt. Es werden weder eine Proben- Aufbereitung noch eine Konzentration vorgenommen. Darüber hinaus kommen bei der erfindungsgemäßen Einrichtung weder Marker noch Antikörper zum Einsatz.The specially shaped sensor geometry and the use of thin, bioaffinity, insulating layers, which separate the metal structures of the 'physiological media that allow noncontact analysis and identification of microorganisms based on their dielectric properties. The detection is not performed according to the invention indirectly via metabolic products. There is no sample preparation or concentration. In addition, neither markers nor antibodies are used in the device according to the invention.
Die erfindungsgemäße Einrichtung beruht im Gegensatz zur WQ 01/51921 A1 auf der Aufbringung dünner bioaffiner Schutzschichten auf interdigitalen Elektroden- Strukturen. Die Bioaffinität gemäß der Erfindung steht im völligen Gegensatz zu den Eigenschaften der Schutzbeschichtung in der oben genannten WO-A1 und ermöglicht überhaupt erst ein Anlagern der Mikroorganismen an der gegenüber Faraday'schen Strömen geschützten Sensoroberfläche. Darüber hinaus gestatten die erfindungsgemäß speziell gewählten dielektrischen Eigenschaften der Schutzschicht gemäß der Erfindung die Verwendung geringer elektrischer Wechselpotentiale (mit etwa 15 mV Amplitude) und ermöglichen und somit lineare dielektrische Spektroskopie. Durch die beiden genannten WO-A1 -Schriften ist einzeln betrachtet der gegenständliche Erfindungs-Gegenstand nicht getroffen vorweg. Auch eine Kombination der beiden WO-A1 -Schriften kann nicht zur vorliegenden Erfindung führen, da die Gegenstände der WO 01/79529 A1 auf völlig anderen Prinzipien beruhen und die WO 01/51921 A1 Oberflächenbeschichtungen beschreibt, welche dem erfindungsgemäß vorgesehenen Messprinzip diametral entgegenstehen.In contrast to WQ 01/51921 A1, the device according to the invention is based on the application of thin bioaffinity protective layers to interdigital electrode structures. The bioaffinity according to the invention is in complete contrast to the properties of the protective coating in the abovementioned WO-A1 and in the first place makes it possible to attach the microorganisms to the sensor surface protected against Faraday currents. In addition, the invention specifically selected dielectric properties of the protective layer according to the invention allow the use of low electrical alternating potentials (with about 15 mV amplitude) and thus enable linear dielectric spectroscopy. By the two aforementioned WO-A1-fonts, the subject invention subject matter is not taken individually. A combination of the two WO-A1-fonts can not lead to the present invention, since the objects of WO 01/79529 A1 are based on completely different principles and WO 01/51921 A1 describes surface coatings which are diametrically opposed to the measuring principle provided according to the invention.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass es besonders günstig ist, die Abschirmschicht mit mehreren speziellen Schichtlagen auszubilden, wie dem A n s p r u c h 2 zu entnehmen.It has been shown in practice that it is particularly favorable to form the shielding layer with a plurality of special layer layers, as can be seen from the A n s p r u c h 2.
Über die vorteiihafterweise einzuhaltende Dicke der Abschirmschicht gibt der A n s p r u c h 3 näher Auskunft, wobei dem A n s p r u c h 4 die Dicken der dieselbe bildenden einzelnen Schichtlagen betrifft.The thickness of the shielding layer which is advantageously to be adhered to is more clearly indicated by the intrinsic phragm 3, the thickness of the individual layer layers forming the same being related to the intrinsic layer 4.
Dem A n s p r u c h 5 sind die im Sinne der Wirksamkeit der zum Einsatz gelangenden Feldstärken günstigsten Gesamt-Schichtdicken von Abschirmschicht plus an denselben haftenden Organismen-Schicht zu entnehmen. Der A n s p r u c h 6 nennt im Rahmen der Erfindung bevorzugt einzusetzendeThe inferior total thicknesses of the shielding layer plus the same adhering organism layer are to be inferred from the effect in the sense of the effectiveness of the field strengths used. The A n s p r u c h 6 called in the invention preferably used
Metalle bzw. Metalllegierungen für den Mikro-Sensor.Metals or metal alloys for the micro-sensor.
Der A n s p r u c h 7 bezieht sich auf die dem neuen Bio-Chip zugrundeliegende Fluidik-Struktur. Eine für die beschriebenen Unterlagen vorteilhaft geeignete Baustruktur des einzusetzenden Biochips ist im A n s p r u c h 8 geoffenbart.Claim 7 relates to the fluidic structure underlying the new bio-chip. A construction structure of the biochip to be used which is advantageously suitable for the described documents is disclosed in claim 8.
Einen weiteren wesentlichen Gegenstand der Erfindung stellt das Untersuchungs- Verfahren gemäß. Oberbegriff des Anspruches 9 dar, welches die dem Kennzeichen dieses Anspruches zu - entnehmendenAnother essential subject of the invention is the investigation method according to. The preamble of claim 9, which the to the characterizing part of this claim - entnehmenden
Verfahrensmerkmale aufweist.Has process features.
Die Ansprüche 11, 12 und 23 betreffen die für die Analyse günstige Konzentration der Organismen in der Suspension sowie vorteilhafter Weise der Bedeckung der Messfläche der Messkammer mit denselben. Der Anspruch 14 enthält Angaben hinsichtlich der bevorzugtenClaims 11, 12 and 23 relate to the concentration of the organisms in the suspension which is favorable for the analysis, and advantageously to the covering of the measuring surface of the measuring chamber with the same. The claim 14 contains information regarding the preferred
Spannungswerte für die Anspeisung der Kammstruktur des Mikro-Sensors.Voltage values for the supply of the comb structure of the micro-sensor.
Schließlich geben die Ansprüche 15 bis 19 günstigerweise zum Einsatz gelangende Arten der Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung für verschiedene Untersuchungen an Organismen bzw. Mikroorganismen wieder. Anhand der Fig.1 bis 7 wird die Erfindung näher erläutert:Finally, claims 15 to 19 favorably indicate ways of using the device according to the invention for various investigations on organisms or microorganisms. The invention will be explained in more detail with reference to FIGS.
Die Fig.1 zeigt das Grunddesign eines erfindungsgemäßen Biochips 100, der aus einem Glas-Substrat 1, das die Mikro-Sensoren 4 beinhaltet und einem Polymer-Teil 2, der die Mikrofluidik, im wesentlichen umfassend die Zuflüsse A und C mit den Bezugszeichen 6 und 9, die Mikrokanäle 7, den Injektor 10 sowie die eigentliche Messkammer 5 und der Referenzmesskammer 5', beherbergt, besteht. Der Biochip 100 birgt mehrere Sensoren und Kanalsysteme, die über entsprechenden Verbindungen an Reservoire und Pump- und Heizsysteme angeschlossen sind, wozu im. Einzelnen auf die Fig.1A(b) hinzuweisen ist. Das Schnittbild der Fig. 1A)b) zeigt anschaulich das Glas- Substrat 1, die interdigitale Kammstruktur des Mikro-Sensors 4 mit den "Kammzähnen" 42 und deren isolierender Abschirmschicht 40 mit der Dicke ds, z.B. mit einer Dicke von bis zu 500 nm, in welche der Mikro-Sensor 4 eingebettet ist. An diese mehrlagige Schicht 40 schließt sich nach oben hin die in das Polymer 2 eingearbeitete bzw. eingeätzte Messkammer 5, deren Messfläche 50 mit den zu untersuchenden (Mikro-)Organismen (8), bevorzugt deckend, beschichtet bzw. belegt ist und welche eine Dicke do aufweist, wobei es wichtig ist, dass die beiden Dicken ds plus do maximal 5,1 bzw. 5,51 μm betragen sollen.1 shows the basic design of a biochip 100 according to the invention, which consists of a glass substrate 1, which includes the micro-sensors 4 and a polymer part 2, the microfluidics, substantially comprising the inflows A and C with the reference numeral 6 and 9, the microchannels 7, the injector 10 and the actual measuring chamber 5 and the reference measuring chamber 5 ', accommodated exists. The Biochip 100 incorporates several sensors and duct systems connected to reservoirs and pumping and heating systems through appropriate connections, including the. Referring to Fig. 1A (b) in detail. The sectional view of Fig. 1A) b) clearly shows the glass substrate 1, the interdigital comb structure of the micro-sensor 4 with the "comb teeth" 42 and their insulating shielding layer 40 with the thickness ds, e.g. with a thickness of up to 500 nm, in which the micro-sensor 4 is embedded. This multi-layered layer 40 is adjoined at the top by the measuring chamber 5 incorporated or etched into the polymer 2, the measuring surface 50 of which is preferably opaque, coated or covered with the (micro) organisms (8) to be examined and which has a thickness do, wherein it is important that the two thicknesses ds plus do do not exceed 5.1 or 5.51 microns.
Die Fig.1B)a) zeigt - bei sonst gleichbleibenden Bezugszeichen-Bedeutungen - eine Nahaufnahme der Messkammer 5 mit Fluidikkanälen 9 und 7, während die Fig.1B)b) einen Ausschnitt aus der in Form einer Metallisierung 11 vorliegenden interdigitalen Kammstruktur 42 des Mikro-Sensors 4 zeigt.1B) a) shows - with otherwise identical reference numerals meanings - a close-up of the measuring chamber 5 with fluid channels 9 and 7, while FIG. 1B) b) shows a section of the interdigital comb structure 42 of the mic in the form of a metallization 11 Sensor 4 shows.
Die Fig.1C zeigt die Integration des in den Fig.1A und 1B gezeigten Mikrochips bzw. Biochips in das Gesamt-System der Analyse mit Heizsystem 101 für Heizung bzw. Kühlung des Chips 100, mindestens einer Pumpe 102 für die Förderung von Nährmedien, Testmedien und Spülmedien, einem Injektionssystem 103 für die Einbringung des zu untersuchenden Organismen-Materials in die Messkammer 5 des Biochips 100 bzw. für die Beladung bzw. Belegung der elektrisch isolierten Sensoren mit den Organismen 8, alles Bestandteile des Fluidik-Systems. Sie zeigt weiters das für die Messung und Ausgabe der gemessenen Daten zuständige Elektrik-System, mit dem die Hochfrequenzfelder generierenden und dieselben den Mikro-Sensoren des Biochips 100 zuführenden und die Impedanz messenden Potentiostaten 104 und dem Personalcomputer 105 für Aufzeichnung, Analyse und Abgleich der Impedanz-Daten mit Datenbanken und für die Klassifizierung und Quantifizierung der untersuchten (Mikro-)Organismen 8.1C shows the integration of the microchip or biochip shown in FIGS. 1A and 1B into the overall system of analysis with heating system 101 for heating or cooling of chip 100, of at least one pump 102 for the delivery of nutrient media, Test media and rinsing media, an injection system 103 for the introduction of the organism material to be examined in the measuring chamber 5 of the biochip 100 or for the loading or occupancy of the electrically isolated sensors with the organisms 8, all components of the fluidic system. It also shows the electrical system responsible for the measurement and output of the measured data, with the potentiostat 104 generating the high-frequency fields and the same supplying the micro-sensors of the biochip 100 and impedance, and the personal computer 105 for recording, analyzing and comparing the impedance Data with databases and for the classification and quantification of the studied (micro) organisms 8.
Weiters bietet der integrierte Referenzarm des in der Fig. 1A)a) gezeigten Biochips 100 mit der Referenz-Messkammer 51 die Möglichkeit für hintergrund- und interferenz-freie Messungen.Furthermore, the integrated reference arm of the biochip 100 shown in FIG. 1A) a) with the reference measuring chamber 5 1 offers the possibility for background and interference-free measurements.
Um möglichst stabile Signale zu erhalten, sind die interdigitalen Elektroden Strukturen (μlDES) 4 zur Isolation unterhalb eines die Abschirmschicht 40 bildenden Mehrschicht-Systems eingebettet. Mehrere harte oder weiche Passivierungsmaterialien, wie beispielsweise Siliciumnitrat, Siliziumoxid, Glas (SOG) und/oder Epoxy-Polymere eignen sich dafür. Sie werden großflächig mittels lithographischer Methoden auf dem Chip 100 aufgebracht. Die erfindungsgemäß wesentliche physikalische Separation der μlDES- Struktur von der flüssigen Umgebung eliminiert die direkte Interaktion von den in ihr enthaltenden elektroaktiven Substanzen und Ionen mit der Sensor-Elektroden-Oberfläche. Signal Einflüsse, die durch die Elektroden-Polarisation oder Luftblasenhaftung entstehen könnten, werden auf diese Weise verhindert.In order to obtain signals which are as stable as possible, the interdigital electrode structures (μlDES) 4 are embedded beneath a multilayer system forming the shielding layer 40 for isolation. Several hard or soft passivation materials such as silicon nitrate, silica, glass (SOG) and / or epoxy polymers are suitable. They are applied over a large area by means of lithographic methods on the chip 100. The essential physical separation of the μlDES structure from the liquid environment eliminates the direct interaction of the electroactive substances and ions contained therein with the sensor electrode surface. Signal influences that could be caused by the electrode polarization or air bubble adhesion are prevented in this way.
Drift-Analysen mit salinen Puffern haben eine relative Standardabweichung von 1.5 % über eine Periode von 20 h ergeben. Es ist wichtig darauf zu achten, dass die mikro-dielektrischen Sensoren zur Gänze abgeschirmt sind, ohne dabei an Sensitivität zu verlieren.Saline buffer drift analyzes have given a relative standard deviation of 1.5% over a 20 h period. It is important to ensure that the micro-dielectric sensors are completely shielded without losing sensitivity.
Die Fig. 2A zeigt anhand eines Diagramms:Strom in Ampere zu Spannung in Volt, die Ergebnisse einer elektrochemischen Analyse der Passivierungsqualität der erfindungsgemäß verwendeten Isolierungsschichten gegenüber nicht isolierten Sensoren in Gegenwart einer hoch elektroaktiven Substanz, im vorliegenden Fall 10 mM Kaliumhexacyanoferrat, Kurve 1. Es wurde jedoch kein detektierbarer Anteil eines faradayischen Stromes bei Verwendung einer 550 nm dicken Isolierung bzw. Abschirmschicht gemessen, Kurve 2. Weiters zeigen Berechnungen mittels "conformal mapping technique", dass durch Isolierschichtdicken, welche geringer als 500 nm sind, ein Sensitivitätsverlust unter 8 % zu halten ist.FIG. 2A shows, on the basis of a diagram: current in amps to voltage in volts, the results of an electrochemical analysis of the passivation quality of the insulating layers used according to the invention versus non-isolated sensors in the presence of a highly electroactive substance, in this case 10 mM potassium hexacyanoferrate, curve 1. It however, no detectable amount of faradaic current was measured using a 550 nm thick insulation or shielding layer, curve 2. Further, calculations using the "conformal mapping technique" show that a loss of sensitivity below 8% is due to insulating layer thicknesses less than 500 nm hold is.
Der berührungslose Sensor des μlDES des Mikro-Sensors weist beispielsweise 200 Finger mit Abständen 5 μm voneinander auf, welche 5μm Breite und 1000 μm Länge aufweisen. Das bedeutet, dass biologische Komponenten, die sich nahe zur Sensor- Oberfläche befinden, den größten Einfluss auf das Messsignal haben, da 95% der elektrischen Feldlinien und somit des effektiven Signalanteiles unterhalb von 5,51 μm liegen, wozu auf Fig. 2B, welche die Abhängigkeit des Signalanteils von der Schichtdicke zeigt, zu verweisen ist. Aus diesem Grund verhalten sich die neuen mikro-dielektrischen Sensoren unterschiedlich zu den bisher bekannten bzw. existierenden dielektrischen Sensoren, da sich bei diesen die biologischen Systeme in direktem oder engem Kontakt mit deren Oberfläche befinden müssen.The non-contact sensor of the μLDES of the micro-sensor has, for example, 200 fingers spaced 5 μm apart, which are 5 μm wide and 1000 μm long exhibit. This means that biological components that are close to the sensor surface have the greatest influence on the measurement signal, since 95% of the electric field lines and thus of the effective signal component lie below 5.51 μm, which can be seen in FIG. 2B, which shows the dependence of the signal component on the layer thickness is to be referred. For this reason, the new micro-dielectric sensors behave differently from the previously known or existing dielectric sensors, since in these the biological systems must be in direct or close contact with their surface.
Während kommerziell erhältliche Systeme besonders sensitiv auf Zellgröße und Zellzahl reagieren, zeigen die erfindungsgemäß abgeschirmten mikro-dielektrischen Sensoren die größten Ablenkungen als Folge von unterschiedlicher Zeil- Zusammensetzung.While commercially available systems are particularly sensitive to cell size and cell count, the micro-dielectric sensors shielded according to the invention show the greatest distractions as a result of different cell composition.
Die Fig. 3 zeigt anhand eines Diagramms: Impedanz (ΔlZI/Ohm) zu log Konzentration (cfu/μL) deutlich, dass die vielfach größeren Hefezellen, konkret Pichia pastoris, geringere Signale generieren, als die Bakterien Staphylococcus xylosus und Bazillus subtilis nach Sensorsättigung.FIG. 3 shows, on the basis of a diagram: impedance (ΔIZI / ohms) to log concentration (cfu / μL), clearly that the yeast cells, in many cases larger Pichia pastoris, generate lower signals than the bacteria Staphylococcus xylosus and Bacillus subtilis after sensor saturation.
Die Tatsache, dass die Gram-positiven Bakterien, wie S. xylosus und B. subtilis, die eine unterschiedliche Membran-Zusammensetzung gegenüber Gram-negativen Bakterien, wie E. coli und Serratia forticola bei an sich ähnlichen Zellgrößen haben, weist weiters darauf hin, dass die erfindungsgemäß isolierten mikro-dielektrischen Sensoren besonders auf Unterschiede in der Zellmorphologie ansprechen. Die Unterscheidung zwischen Gram-positven und Gram-negativen Bakterien ist von großer Bedeutung in der klinischen Medizin, da gewisse Antibiotika nur bei Gram-positven oder eben Gramnegativen Krankheitserregern eingesetzt werden dürfen. Hierzu sei auf Fig. 3B verwiesen, mit dem Diagrammilmpedanz (Ohm) zu log Konz. (cfu/μL).The fact that the Gram-positive bacteria, such as S. xylosus and B. subtilis, which have a different membrane composition compared to Gram-negative bacteria, such as E. coli and Serratia forticola with similar cell sizes, further indicates that the micro-dielectric sensors isolated according to the invention are particularly sensitive to differences in cell morphology. The distinction between Gram-positive and Gram-negative bacteria is of great importance in clinical medicine, since certain antibiotics may only be used in Gram-positive or even Gram-negative pathogens. Reference is made to Fig. 3B, with the diagram impedance (ohms) to log conc. (Cfu / μL).
Ein weiterer Beweis für das Vorliegen einer morphologie-abhängigen Messung liegt in der Erkennung und Unterscheidung von lebenden und toten Zellen.Further evidence for the existence of a morphology-dependent measurement is the detection and differentiation of living and dead cells.
Die Fig. 4A/4B zeigen anhand von Diagrammen Impedanz (Ohm) zu verschiedene Mikroorganismen und IZI(Ohm) zu Frequenz (Hz) Resultate von lebenden und toten Hefezellen, im konkreten Fall von Candida albicans. Auf Agarplatten durchgeführte Wachstumsversuche mit 2 h lang einem Ultraschallbad ausgesetzten Hefezellen bestätigte, dass auf diese Weise eine vollständige Abtötung der Hefekultur gewährleistet ist.Figures 4A / 4B show graphs of impedance (ohms) to various microorganisms and IZI (ohms) to frequency (Hz) results of live and dead yeast cells, in the specific case of Candida albicans. Growth tests carried out on agar plates with yeast cells exposed for 2 h to an ultrasound bath confirmed that complete destruction of the yeast culture was ensured in this way.
Die Fähigkeit der neuen Vorrichtung, zellmorphologische Merkmale mittels dielektrischer Spektroskopie von auf Oberflächen lebenden biologischen Systemen zu unterscheiden, kann folglich auch zu ihrer Identifizierung herangezogen werden. Voraussetzung ist jedoch, dass der Messbereich bzw. die Messfläche mit Zellen gesättigt ist. Für die vollständige Beladung der beschriebenen Sensorgeometrie mit biologischem Material reichen im Allgemeinen Zellzahlen von größer als 107 cfu/mL aus.Consequently, the ability of the new device to distinguish cell morphological features by means of dielectric spectroscopy of surface-living biological systems can also be used to identify them. However, the prerequisite is that the measuring range or the measuring surface is saturated with cells is. Cell counts of greater than 10 7 cfu / mL are generally sufficient for completely loading the described sensor geometry with biological material.
Die Fig. 5A und B zeigen, Pattern Recognitiön Plots von Zellen und Kulturmedien unter Anwendung einer chemometrischen Datenanalyse. Die Kultivierung von Hefe- und Bakterien-Stämmen erfolgte extern in Schüttelkolben unter , standardisierten Wachstumsbedingungen.Figures 5A and B show pattern recognition plots of cells and culture media using chemometric data analysis. Cultivation of yeast and bacterial strains took place externally in shake flasks under standardized growth conditions.
Anschließend wurde ein Minimum von vier Proben von jeder Zellkultur entnommen und in den Bio-Chip injiziert und mittels dielektrischer Spektroskopie charakterisiert. Jeder Punkt im Graph repräsentiert daher den gesamten Datensatz einer Messprobe. Die Generierung abstrakter Vektoren (Scores) mittels Principle Component Analysis (PCR) ist eine weit verbreitete Analysenmethode, urn bestimmte Muster, wie Gruppierungen oderSubsequently, a minimum of four samples from each cell culture were removed and injected into the bio-chip and characterized by dielectric spectroscopy. Each point in the graph therefore represents the entire data set of a measurement sample. The generation of abstract vectors (scores) by means of Principle Component Analysis (PCR) is a widespread method of analysis for certain patterns, such as groupings or
Verwandschaftsverhältnisse zu bestimmen. Nahe aneinander liegende Punkte repräsentieren somit Datensätze mit geringer Varianz und sind als identisch anzusehen.Determine relationships. Nearby points thus represent data sets with low variance and are to be regarded as identical.
Um den Einfluss des Kulturmediums oder die durch das Wachstum des Organismus verursachte Veränderung des Mediums auf die Identifizierung zu bestimmen, wurde anfänglich das Kulturmedium von den Zellen entfernt und getrennt gemessen.In order to determine the influence of the culture medium or the change of the medium caused by the growth of the organism on the identification, the culture medium was initially removed from the cells and measured separately.
Die Fig. 5A und 5B zeigen im Rahmen eines Schemas:Faktor 1/Faktor 2 bzw. PC1/PC2 Pattern Recognitiön Plots von Organismen und deren Wachstumsmedien. Da die Gruppierungen nur mit den Zellen und nicht von den unterschiedlichen Wachstumsmedien erhalten wurde, ist anzunehmen, dass Veränderungen des Mediums durch den untersuchenden und zu bestimmenden Organismus die Identifizierung nicht maßgeblich beeinflussen.FIGS. 5A and 5B show within the framework of a scheme: factor 1 / factor 2 or PC1 / PC2 pattern recognition plots of organisms and their growth media. Since the groupings were obtained only with the cells and not from the different growth media, it is to be assumed that changes of the medium by the investigating and to be determined organism do not significantly influence the identification.
Dies zeigt auch den entscheidenden Unterschied der neuen Methode gemäß der Erfindung gegenüber herkömmlichen Impedanz-Methoden, wo frei liegende und mit den Organismen direkt in Kontakt kommende Elektroden die Abbau- und Ausscheidungsprodukte von lebenden Systemen mit- detektieren. Weiters ermöglicht dies, einen Probenaufbereitungs-Schritt zu eliminieren, da die Zellkulturen erfindungsgemäß direkt gemessen werden können.This also shows the crucial difference of the new method according to the invention over conventional impedance methods, where exposed and directly in contact with the organisms electrodes mit- detect the degradation and excretion products of living systems. Furthermore, this makes it possible to eliminate a sample preparation step, since the cell cultures can be measured directly according to the invention.
Zur Vorgangsweise im Rahmen der Faktoranalyse sei Folgendes erläuternd bemerkt: Bei der auf das gegenständliche System bezogenen Principle Component Analyse (PCA, Faktor Analyse) werden die Impedanz und Phasen-Daten von dielektrischen Spektra einzelner Mikroorganismen verwendet, um eine Daten Matrize zu generieren. Jede Säule der Matrize umfasst beispielsweise 501 Werte und jedes Experiment erhält eine eigene Reihe, z.B. 501 x 17 im Falle der Fig. 5B. Die Matrize wird in eine Lotus-Datei umgewandelt und in MATLAB, Version 7.01, geladen. Die Faktor- Analyse wird durchgeführt mittels der Chemometric Toolbox for MATLAB, Version 3.02, und beinhaltetet die Generierung von reduzierten Eigenvektoren, die Untersuchung der Normalverteilung und Eliminierung des Rauschanteiles sowie die Berechnung der unterschiedlichen Faktoren, nämlich von Faktor 1, Faktor 2 oder eben Principle Components (PC) 1 und 2 für jeden Datensatz. Die errechneten Principle Components PC1 und PC2 wurden für die graphische Abbildung des jeweils erhaltenen Musters verwendet. Aus den beiden Diagrammen der Fig. 5A und 5B ist klar ersichtlich, dass die mittels erfindungsgemäßer Apparatur erhaltenen dielektrischen Signale eine Identifizierung von Mikroorganismen tatsächlich ermöglicht.As an example of the factor analysis approach, the principal component analysis (PCA, factor analysis) used in the subject system uses the impedance and phase data of individual microorganism dielectric spectra to generate a data template. For example, each column of the template comprises 501 values and each experiment is given its own row, eg 501 x 17 in the case of Figure 5B. The template is converted to a Lotus file and loaded into MATLAB version 7.01. The factor analysis is performed using the Chemometric Toolbox for MATLAB, Version 3.02, and includes the generation of reduced eigenvectors, the study of the normal distribution and elimination of the noise component, and the calculation of the different factors, namely Factor 1, Factor 2 or Principle Components (PC) 1 and 2 for each data set. The calculated Principle Components PC1 and PC2 were used for the graphic illustration of the respectively obtained pattern. It is clearly evident from the two diagrams of FIGS. 5A and 5B that the dielectric signals obtained by means of the apparatus according to the invention actually make it possible to identify microorganisms.
Ein weiters Anwendungsgebiet der neuen dielektrischen Identifizierungsmethode liegt in der Schnellerkennung morphologischer Veränderungen einer an sich bereits bekannten Zelllinie. Auf definierten Oberflächen wachsende Zellen werden einem externen Stimulus ausgesetzt und die phänotypischen Reaktion der Zellpopulation wird kontinuierlich gemessen. Als externe Umwelteinflüsse stehen eine weite Palette an Möglichkeiten, wie Temperaturschwankungen, Variationen in den Fließgeschwindigkeiten, unterschiedliche Medienzusammensetzungen oder Materialzugaben, wie z.B. Nanopartikel zur Verfügung.A further field of application of the new dielectric identification method is the rapid recognition of morphological changes in a cell line which is already known. Cells growing on defined surfaces are exposed to an external stimulus and the phenotypic response of the cell population is continuously measured. External environmental influences include a wide range of possibilities, such as temperature fluctuations, variations in flow rates, different media compositions or material additions, such as Nanoparticles available.
Die Fig. 6A und 6B zeigen anhand von Diagrammen: IZI(Ohm) zu Zeit(h) das Verhalten einer Hefekultur in der Proliferationskammer des Bio-Chips bei Variation der Durchflussgeschwindigkeit. Durch eine Erhöhung der Scherkräfte, verursacht durch einen Anstieg der Fließgeschwindigkeit, siehe durchgehender Pfeil, ist es möglich, die Zellpopulation der Hefe P. pastoris in der Wachstumskammer konstant zu halten, während " niedere" Flussraten einen dynamischen Wachstumsverlauf, erkennbar an periodischen Signalen, anzeigen. Ein zehnfacher Anstieg der Flussrate von 0.05 μL/min auf 0.5 μL/min führt anfänglich zu einem merklichen Verlust der Zellpopulation der C. albicans Kultur, also zu einer Auswaschung, gefolgt von einem stetigen Zuwachs und Etablierung eines Biofilms. Weiters sind im deutlich synchronen Wachstumsmuster "Perioden" des Biofilms zu beobachten, was darauf hin weist, dass ein Teil der neuen Zellen merkbar etwa alle 30 min aus dem Biofilm ausgeschieden werden.Figures 6A and 6B show by diagrams: IZI (ohms) at time (h) the behavior of a yeast culture in the proliferation chamber of the bio-chip with variation of the flow rate. By increasing the shear forces, caused by an increase in the flow rate, see the solid arrow, it is possible to keep the cell population of the yeast P. pastoris constant in the growth chamber, while " low " flow rates indicate a dynamic growth pattern, recognizable by periodic signals , A 10-fold increase in the flow rate from 0.05 μL / min to 0.5 μL / min initially leads to a marked loss of the cell population of the C. albicans culture, ie to a leaching, followed by a steady increase and establishment of a biofilm. Furthermore, in the clearly synchronous growth pattern, "periods" of the biofilm can be observed, which indicates that some of the new cells are noticeably excreted from the biofilm approximately every 30 minutes.
Die Fig. 6A und 6B demonstrieren, dass der erfindungsgemäße Sensor auf Veränderungen in der Zellzusammensetzung sensitiv reagiert, im Unterschied zu existierenden Technologien, die hauptsächlich nur die Messung der Zu- oder Abnahme von Zellzahlen ermöglichen. Das heißt, selbst wenn die Organismen nicht sterben und deren Gesamt-Zellzahl somit konstant bleibt, können die Effekte auf zellulärer Ebene mitverfolgt werden, wobei gegebenenfalls das direkte Erfassen von sub-zelluläre Strukturen, wie z.B. der Zellwand od. dgl., innerhalb einer gesamten Zellpopulation möglich ist.Figures 6A and 6B demonstrate that the sensor of the present invention is sensitive to changes in cell composition, unlike existing technologies that primarily allow only the measurement of increases or decreases in cell numbers. That is, even if the organisms do not die and their total cell count thus remains constant, the effects can be traced at the cellular level, optionally detecting directly subcellular structures, e.g. the cell wall od. Like., Within an entire cell population is possible.
Von besonderem biologischem und medizinischem Interesse ist das Erfassen von sub-zellulären Veränderungen, z.B. der Zellwandzusammensetzung lebender Zellen. Das Schema: Z(Ohm) zu Zeit(h) der Fig. 7A zeigt das dynamische Verhalten eines Candida Biofilms vor und nach Zugabe von 0.5 μg/mL Amphotericin B (Pfeil). Kurz nach Zugabe des Fungizides steigt das Impedanz-Signal mit einer Rate von 30 Ohm/h in den ersten zwei Stunden, gefolgt von einer etwas geringeren Rate von 10 Ohm/h für die verbleibenden 10 Stunden. Da im Gegenzug, wie aus Hg. 7b ersichtlich, die Zellzahl in diesem Zeitraum ständig weiter gestiegen • ist, deuten die gemessen Signal- Veränderungen direkt auf Veränderungen von sub-zellulären Strukturen innerhalb der Zellpopulation hin und nicht auf eine Abnahme der Zellzahl.Of particular biological and medical interest is the detection of subcellular changes, eg the cell wall composition of living cells. The scheme: Z (ohms) at time (h) of Figure 7A shows the dynamic behavior of a Candida Biofilms before and after addition of 0.5 μg / mL amphotericin B (arrow). Shortly after the addition of the fungicide, the impedance signal rises at a rate of 30 ohms / hr for the first two hours, followed by a slightly slower rate of 10 ohms / hr for the remaining 10 hours. In turn, as can be seen from Fig. 7b, the cell count has steadily increased during this period, the measured signal changes directly indicate changes in subcellular structures within the cell population and not a decrease in cell number.
Es ist bekannt, dass sich Amphotericin B besonders in der Plasmamebran von Pilzen anlagert und so das Wachstum von Pilzen hemmt. Die Hemmwirkung ist auch aus der Fig. 7B erkennbar, da die Zellpopulation nur geringfügig über einen Zeitraum von 10 h zunimmt, was auch Wachstumstests unter Standardbediπgungen zeigten.It is known that amphotericin B accumulates particularly in the plasma membrane of fungi and thus inhibits the growth of fungi. The inhibitory effect can also be seen from FIG. 7B, since the cell population increases only slightly over a period of 10 h, which also showed growth tests under standard conditions.
Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Schnellanalysen, wie beispielsweise zur phänotypischen Unterscheidung und Identifizierung von unterschiedlichen Primär- und Standard-Zelltypen sowie insbesondere zur Differenzierung von Gram-positiven und Gram-negativen Bakterien.The present invention is particularly suitable for rapid analyzes, such as for the phenotypic discrimination and identification of different primary and standard cell types, and in particular for the differentiation of Gram-positive and Gram-negative bacteria.
Ebenso kann sie für Langzeitmessung an Zellkulturen und deren dynamische Analyse, zur Erfassung von toxischen Effekten, hervorgerufen durch verschiedenste Chemikalien, Materialien und Umwelteinflüsse auf bestimmte Zelltypen mit bekannter Identität herangezogen werden. Darüber hinaus sind die Charakterisierung von genmanipulierten und Standard-It can also be used for long-term measurement of cell cultures and their dynamic analysis, for the detection of toxic effects caused by various chemicals, materials and environmental influences on specific cell types with known identity. In addition, the characterization of genetically engineered and standard
Zelllinien, die Erfassung elektrophysiologischer Daten von Zellkulturen und die Optimierung von biotechnologischen Prozessen im Kleinstmaßstab geeignete Einsatzgebiete.Cell lines, the acquisition of electrophysiological data from cell cultures and the optimization of biotechnological processes in the smallest scale suitable applications.
Für alle Anwendungen gilt, dass sich die zu untersuchenden Zellen, Organismen u. dgl. auf definierten Oberflächen befinden müssen, unterhalb derer sich die durch die isolierende Abschirmschicht abgeschirmten mikro-dielektrischen Sensoren befinden.For all applications, the cells to be examined, organisms u. Like. Must be on defined surfaces, below which are shielded by the insulating shielding micro-dielectric sensors.
Das Verfahren gemäß der Erfindung betrifft also eine nicht-invasive und markerfreie Methode, um Organismen, insbesondere Mikroorganismen zu identifizieren, und umfasst folgende Schritte: Nach Erhalt einer Reinkultur eines unbekannten Mikroorganismus wird eine bestimmte Probenmenge auf die passivierte und von der Testlösung durch die Abschirmschicht isolierte Sensor-Oberfläche aufgetragen, um den Messbereich bzw. die Messfläche der Messkammer zur Gänze mit Zellen zu beladen. Eine einzelne aus Zellen bestehende Schichtlage ist hierbei ausreichend, da die Sensoren nur eine geringe Messtiefe, nämlich 95% Signalanteil bei Schichttiefen von weniger als 5,1 μm aufweisen.The method according to the invention thus relates to a non-invasive and marker-free method for identifying organisms, in particular microorganisms, and comprises the following steps: After obtaining a pure culture of an unknown microorganism, a certain amount of sample is applied to the passivated and isolated from the test solution through the shielding layer Sensor surface applied to load the measuring area or the measuring surface of the measuring chamber entirely with cells. A single cell layer consisting of cells is sufficient in this case, since the sensors have only a small measurement depth, namely 95% signal component at layer depths of less than 5.1 microns.
Anschließend werden mittels Zellulär-Dielektrischer-Spektroskopie die dielektrischen Eigenschaften der biologischen Probe gemessen. Die über einen weiten Frequenzbereich erhaltenen Impedanz-Signale sind für die in der Probe enthaltenen Zelltypen spezifisch und eignen sich daher direkt zu deren Identifikation.Subsequently, the dielectric properties of the biological sample are measured by means of cellular dielectric spectroscopy. The over a wide Frequency range obtained impedance signals are specific to the cell types contained in the sample and are therefore suitable directly for their identification.
Weiters können jeweilige Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften einer adhärenten Zellkultur dynamisch gemessen werden und zeigen somit relative Veränderungen von Zellpopulationen in Echtzeit. Furthermore, respective changes in the dielectric properties of an adherent cell culture can be dynamically measured and thus show relative changes in cell populations in real time.
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Fig. 1: A) Graphische Darstellung des Biochip-Layouts, B) Bildauschnitte derFig. 1: A) graphic representation of the biochip layout, B) image extracts of
Messkammer und des mikro-dielectrischer Sensor, C) experimentellerMeasuring chamber and the micro-dielectrischer sensor, C) experimental
Versuchsaufbau Fig. 2: A) Zyklische Voltammetrie von (1) nicht isolierten und (2) isolierten μlDESExperimental setup Fig. 2: A) Cyclic voltammetry of (1) unisolated and (2) isolated μlDES
Sensoren; B) Berechnung der Gesamtkapazität in Abhängigkeit der Bedeckungsensors; B) Calculation of the total capacity depending on the coverage
Fig. 3: A) Vergleich der Sensorsignale (Betrag der Impedanz bei 50 kHz) mitFig. 3: A) Comparison of the sensor signals (amount of impedance at 50 kHz) with
Zellzahlkonzentration von sechs verschiedenen Organismen; B) Vergleich der Sensorsignale (Impedanz bei 50 kHz) zwischen Gram-negativen (E.coli) und Gram-positiven (ß. subtilis) BakterienCell count concentration of six different organisms; B) Comparison of the sensor signals (impedance at 50 kHz) between Gram-negative (E. coli) and Gram-positive (B. subtilis) bacteria
Fig. 4: A) Blockdiagram von lebenden, mit Amphoterizin B und Ultraschall behandeltenFig. 4: A) Block diagram of live, treated with Amphoterizine B and ultrasound
Hefen; B) Rohdaten von C. albicans vor und nach erfolgter Ultraschall-Behandlungyeasts; B) Raw data of C. albicans before and after ultrasound treatment
Fig. 5: Pattern recognition plot von Impedanzdaten von A) zellfreien Medium Extrakt von drei Microoganismen. E. coli K12 (0), B. subtilis (T) und P. pastoris (■) wurden unter Standardbedingungen kultiviert, geerntet (exponentielle Phase), zentrifugiert und jeweils 1 μl_ des Überstandes in den Biochip injiziert und für 30 Minuten absitzen lassen vor jeder Messung. (B) Pattem recognition plot von Phasen Werten von ß. subtilis (T)1 S. xylosis (o), E. coli K12 (0), P. pastoris (■), and S. fonticola (•) Reinkulturen. Fig. 6: Einfluss von Durchflussraten und Scherkräften auf den Wachstumsverlauf von A) Pichia pastoris und B) C. albicans Hefe-KulturenFig. 5: Pattern recognition plot of impedance data of A) cell-free medium extract of three micro-organisms. E. coli K12 (0), B.subtilis (T) and P. pastoris (■) were cultured under standard conditions, harvested (exponential phase), centrifuged and 1 μl each of the supernatant injected into the biochip and allowed to settle for 30 minutes every measurement. (B) Pattem recognition plot of phase values of ß. subtilis (T) 1 S. xylosis (o), E. coli K12 (0), P. pastoris (■), and S. fonticola (●) pure cultures. Fig. 6: Influence of flow rates and shear forces on the growth course of A) Pichia pastoris and B) C. albicans yeast cultures
Fig. 7: (A) Dynamisches Verhalten eines Candida Biofilms nach Zugabe von 0.5 μg/mL Amphotericin B (Pfeil) wobei (a) Impedanzsignale und (b) Phasen Werte für 50 kHz gegen die Kultivierungszeit aufgetragen sind. (B) Fotos (vor und nach der Zugabe von Amphoterizin B) von der Wachstumskammer in der C. albicans unterFig. 7: (A) Dynamic behavior of a Candida biofilm after addition of 0.5 μg / mL amphotericin B (arrow) where (a) impedance signals and (b) phase values for 50 kHz are plotted against the culture time. (B) Photos (before and after the addition of amphotericin B) from the growth chamber in the C. albicans
37oC and 0.5 μL/min Flussrate kultiviert wurde. 37oC and 0.5 μL / min flow rate was cultivated.
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| AT505106A1 (en) | 2008-10-15 |
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